專利名稱：用于檢測(cè)低濃度分析物的傳感器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于檢測(cè)低濃度分析物的傳感器系統(tǒng)，以及一種相應(yīng)的用于檢測(cè)
低濃度分析物的方法。
背景技術(shù)：
在許多應(yīng)用情況中，需要能夠?qū)缫后w中的特定物質(zhì)進(jìn)行采集或檢測(cè)。這些物 質(zhì)例如可以是水中，尤其是飲用水中的毒素、農(nóng)藥或其它有害物質(zhì)。在此通常必須采集或檢 測(cè)濃度已經(jīng)很低的此類物質(zhì)。 為此可以使用在現(xiàn)有技術(shù)中公知的各種分析方法。其例如為在1999年的 《Today' s Chemist at Work》(8，10，42)中所公開的原子吸收光譜(AAS)、原子發(fā)射光譜 (AMS)或者原子質(zhì)譜(AMS)。其中原子質(zhì)譜法為最靈敏的方法。然而這三種方法全都需要 極其昂貴的設(shè)備。這種類型的設(shè)備并不適用于例如對(duì)飲用水供給進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，提供一種足夠精確及靈敏的用于檢測(cè)水中低濃度 分析物的傳感器系統(tǒng)，以及一種相應(yīng)的用于檢測(cè)水中低濃度分析物的方法，該方法成本低 廉并且尤其能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。 本發(fā)明的技術(shù)問題通過一種具有權(quán)利要求1特征的用于檢測(cè)低濃度分析物的傳 感器系統(tǒng)以及一種具有權(quán)利要求ll特征的方法來解決。從屬權(quán)利要求、以下的描述及附圖 則給出了優(yōu)選實(shí)施方式。 根據(jù)本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)用于檢測(cè)尤其是水中、特別是飲用水中離子形式的低濃 度分析物。所述傳感器系統(tǒng)包括至少一個(gè)傳感元件，該傳感元件具有至少一個(gè)檢測(cè)區(qū)域。該 檢測(cè)區(qū)域構(gòu)造成在其表面能夠檢測(cè)或采集至少一種分析物。這意味著在根據(jù)本發(fā)明的傳感 器系統(tǒng)中，通過傳感元件的檢測(cè)區(qū)域識(shí)別周圍環(huán)境中存在的待檢測(cè)的分析物。在此傳感元 件至少構(gòu)造成，肯定能夠識(shí)別出分析物的存在，但是優(yōu)選構(gòu)造成，還能夠檢測(cè)分析物的量。
此外，根據(jù)本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)構(gòu)造成，設(shè)有充電電源或電壓源，通過該充電電源 或電壓源可為傳感元件的檢測(cè)區(qū)域加載電壓或電荷。由此在檢測(cè)區(qū)域和周圍環(huán)境之間可以 產(chǎn)生電勢(shì)差，因此使得位于周圍環(huán)境(例如周圍的液體)中的分析物電化學(xué)地積聚在檢測(cè) 區(qū)域上。隨后可以在該檢測(cè)區(qū)域上通過傳感元件來檢測(cè)分析物。 此外通過所述系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)，就是在液體中的待檢測(cè)分析物濃度很低時(shí)，在傳 感元件的檢測(cè)區(qū)域上也可以提供更易于檢測(cè)或采集的較高濃度的分析物。這使得可以使用 成本低廉且不具有對(duì)于檢測(cè)低濃度分析物所必需的靈敏度的傳感元件。 另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，這一過程是可逆的，即可以通過關(guān)掉電源或改變極性實(shí)現(xiàn)使積 聚的物質(zhì)或離子離開檢測(cè)區(qū)域的表面，從而使檢測(cè)區(qū)域再次恢復(fù)其初始狀態(tài)。這使傳感器 系統(tǒng)能夠長期地使用而無需更換傳感元件。 此外，通過根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)可以極其簡單地控制或檢測(cè)何種物質(zhì)或離子積聚在
4檢測(cè)區(qū)域。因此，不必為了吸引特定的待檢測(cè)物質(zhì)或者促進(jìn)這種物質(zhì)或分析物的積聚而以 特殊的方式來設(shè)計(jì)檢測(cè)區(qū)域。 當(dāng)檢測(cè)區(qū)域與周圍環(huán)境之間的電勢(shì)差大到超過待檢測(cè)分析物的電離電勢(shì)時(shí)，才能 夠?qū)崿F(xiàn)周圍液體中待檢測(cè)分析物的運(yùn)動(dòng)或集中。因此，可以通過在檢測(cè)區(qū)域加載的電壓、即 電勢(shì)差來控制何種分析物積聚在表面的檢測(cè)區(qū)域。出于對(duì)特定物質(zhì)或分析物的電離電勢(shì)的 認(rèn)知，可以在檢測(cè)當(dāng)前電勢(shì)差并同時(shí)檢測(cè)傳感元件的測(cè)量結(jié)果時(shí)，將該測(cè)量結(jié)果與電離電 勢(shì)與所檢測(cè)到的電勢(shì)差相等的特定的分析物相對(duì)應(yīng)。這可以通過適當(dāng)?shù)姆治鲅b置來完成。
傳感元件本身是彈簧懸臂傳感器(Federbalken-Sensor)(微懸臂梁傳感器， Microcantilever-Sensor)。額外設(shè)置的、在傳感元件的檢測(cè)區(qū)域和周圍區(qū)域之間產(chǎn)生電勢(shì) 差的電壓源僅用于使待檢測(cè)的物質(zhì)或分析物積聚到傳感元件上，使得待檢測(cè)物質(zhì)或分析物 在低濃度時(shí)也可以通過傳感元件被檢測(cè)到。也就是說，通過電勢(shì)差可以使位于傳感元件上 的待檢測(cè)分析物或離子的濃度高于在液體的其它區(qū)域中的濃度。這使得可以使用公知的、 其它靈敏度較低或靈敏度不足的傳感元件，但盡管如此仍然能夠達(dá)到所期望的較高的靈敏 度。此外，可以省去用于使待檢測(cè)分析物積聚或集中在傳感器上的不可逆的系統(tǒng)。
彈簧懸臂傳感器基于當(dāng)分析物積聚在表面上時(shí)表面張力 (0berf laechenspa皿ng)的變化。對(duì)這種變化的檢測(cè)或測(cè)量基于共振頻率的變化，或者基于 彈簧懸臂的彎曲來實(shí)現(xiàn)。這可以通過壓電材料或者借助于激光光束的反射來測(cè)量。這種傳 感器對(duì)于質(zhì)量變化非常靈敏并且能夠探測(cè)明顯小于lpg(皮克)的質(zhì)量變化。
優(yōu)選的是，電壓源與檢測(cè)區(qū)域以及反電極連接，使得由電壓源所產(chǎn)生的電壓施加 在檢測(cè)區(qū)域和反電極之間。在此，反電極和檢測(cè)區(qū)域都處于要對(duì)分析物進(jìn)行檢測(cè)的液體中。 作為反電極的替代，也可使電壓差或者電勢(shì)差施加在檢測(cè)區(qū)域和地(例如管道的周壁)之 間。此外也可以采用其它的方式將電荷施加至檢測(cè)區(qū)域。 如上所述，優(yōu)選由電壓源所產(chǎn)生的電壓等于待檢測(cè)分析物的電離電勢(shì)，或者選擇 為高于該電離電勢(shì)。當(dāng)高于電離電勢(shì)時(shí)會(huì)發(fā)生待檢測(cè)分析物的離子化，從而使得待檢測(cè)分 析物隨后由于其電荷而向檢測(cè)區(qū)域移動(dòng)并積聚在檢測(cè)區(qū)域。這樣，就可以在檢測(cè)區(qū)域檢測(cè) 在此處積聚的分析物的存在，以及必要時(shí)檢測(cè)在此處積聚的分析物的量。
還優(yōu)選的是，電壓源構(gòu)造成，電荷或電壓的絕對(duì)值和/或極性可變，尤其是可隨其 時(shí)間的變化而變化。由此可以使電壓這樣改變使得能夠?qū)崿F(xiàn)各種電離電勢(shì)，從而使不同的 分析物積聚在傳感元件的檢測(cè)區(qū)域。以此方式可以使用同樣的通用傳感元件探測(cè)不同的分 析物。此外，如上所述，還可以通過使電壓降低到分析物的電離電勢(shì)之下或者干脆顛倒電壓 的極性來使積聚在檢測(cè)區(qū)域表面的分析物再次離開檢測(cè)區(qū)域。由此可實(shí)現(xiàn)可逆的過程。如 果此時(shí)電壓在時(shí)間變化中周期性地達(dá)到或高于待檢測(cè)分析物的電離電勢(shì)并在過后再次低 于待檢測(cè)分析物的電離電勢(shì)，則能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)介質(zhì)或液體中分析物的近似連續(xù)的檢測(cè)。
特別優(yōu)選的是，在汽提過程中(Stri卯ing-Prozess)實(shí)現(xiàn)對(duì)分析物的檢測(cè)，在汽 提過程中電壓變化在時(shí)間上是這樣進(jìn)行的電壓首先上升到超過待檢測(cè)分析物的電離電勢(shì) 或上升至待檢測(cè)分析物的電離電勢(shì)，從而使分析物積聚在檢測(cè)區(qū)域。隨后電壓再次下降，從 而低于電離電勢(shì)，此時(shí)分析物或離子再次離開檢測(cè)區(qū)域。這樣，通過傳感元件可以檢測(cè)分析 物積聚的狀態(tài)與隨后分析物離開的狀態(tài)的差別，并由此特別是還可以確定分析物的濃度或
還優(yōu)選的是，傳感元件構(gòu)造成產(chǎn)生與位于檢測(cè)區(qū)域上的分析物的濃度相關(guān)的輸出 信號(hào)。以此方式不僅可以確定周圍介質(zhì)中分析物的存在，而且可以確定分析物的量，即濃度。 特別優(yōu)選的是，設(shè)有分析裝置，其用于對(duì)傳感元件的輸出信號(hào)和施加在傳感元件 的檢測(cè)區(qū)域上的當(dāng)前電壓進(jìn)行檢測(cè)并共同進(jìn)行分析。因?yàn)槟軌驕y(cè)量當(dāng)前電壓，所以以此方 式，如上所述，能夠?qū)鞲性z測(cè)的值唯一地與特定的分析物相對(duì)應(yīng)。在此尤其是在測(cè)量 過程中可以高于或低于待確定分析物的電離電勢(shì)，從而能夠在傳感元件上檢測(cè)到在低于電 離電勢(shì)的狀態(tài)與等于或高于電離電勢(shì)的狀態(tài)之間的信號(hào)差。因此以此方式能夠檢測(cè)到具有 該電離電勢(shì)的特定分析物的存在，尤其是如果傳感元件能夠進(jìn)行定量測(cè)量，則還能夠確定 在周圍液體中分析物的濃度。 理想的是，電壓連續(xù)變化，使得至少有規(guī)律地高于或低于某種特定分析物的電離 電勢(shì)，從而能夠近乎連續(xù)地檢測(cè)該分析物。還優(yōu)選的是，使電壓這樣變化，即依次高于或低 于不同分析物的電離電勢(shì)。這樣就能夠在高于或低于特定的電離電勢(shì)時(shí)，檢測(cè)傳感元件的 當(dāng)前測(cè)量值差，以確定恰好具有該電離電勢(shì)的相應(yīng)分析物的存在，以及必要時(shí)確定該分析 物的濃度。以此方式可以在同一過程中利用同一傳感元件檢測(cè)不同的分析物。
根據(jù)另一種優(yōu)選的實(shí)施方式，設(shè)有電壓測(cè)量系統(tǒng)，其用于檢測(cè)傳感元件與周圍環(huán) 境之間的電壓。該電壓測(cè)量系統(tǒng)可以集成在電壓源中，或集成在電壓源的控制裝置中，因此 在電壓生成時(shí)能夠直接獲知電壓值并提供給分析裝置。替代地，還可以設(shè)置單獨(dú)的電壓測(cè) 量系統(tǒng)，其優(yōu)選連續(xù)地檢測(cè)位于檢測(cè)區(qū)域的電壓差。 為此還優(yōu)選設(shè)置參考電極，并且電壓測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)造為用于檢測(cè)在所述參考電極和 傳感元件的檢測(cè)區(qū)域之間的電壓。在特殊的實(shí)施方式中，參考電極可以同時(shí)用作反電極 (Gegenelektrode)，在該反電極和檢測(cè)區(qū)域之間施加有電壓。 特別優(yōu)選的是，電壓源構(gòu)造為，使電壓源所產(chǎn)生的電壓這樣變化，即在時(shí)間變化中 電壓首先快速地，即優(yōu)選直接從零上升到預(yù)定值，然后從該預(yù)定值緩慢地、優(yōu)選線性地下 降。特別優(yōu)選的是，在電壓下降期間進(jìn)行實(shí)際的電壓測(cè)量。為此，電壓首先快速上升到高于 待檢測(cè)分析物的電離電勢(shì)的值，而后緩慢地下降，從而再次下降到低于該電離電勢(shì)。在此， 對(duì)于在待分析的液體中存在相應(yīng)的分析物的情況，會(huì)導(dǎo)致傳感元件輸出信號(hào)中的跳動(dòng)，從 該跳動(dòng)能夠推斷出相應(yīng)分析物的存在并在必要時(shí)對(duì)該分析物進(jìn)行定量測(cè)定。也就是說，在 此當(dāng)積聚在檢測(cè)區(qū)域的分析物再次離開檢測(cè)區(qū)域時(shí)，進(jìn)行對(duì)傳感元件上的分析物的測(cè)量或 檢測(cè)。相反，也可以實(shí)施當(dāng)分析物積聚在檢測(cè)區(qū)域上時(shí)進(jìn)行測(cè)量的方法。
還優(yōu)選的是，設(shè)有控制裝置，其為了優(yōu)選自動(dòng)地檢測(cè)至少一種分析物(優(yōu)選多種 分析物)，控制電壓源以得到期望的特征電壓或電壓變化曲線。在此，該控制裝置可以集成 在分析裝置中，該分析裝置同時(shí)檢測(cè)當(dāng)前的電勢(shì)差和傳感元件的輸出信號(hào)。如上所述，優(yōu)選 電壓連續(xù)變化，以使分析物集中或積聚在傳感元件的檢測(cè)區(qū)域上，并再次離開檢測(cè)區(qū)域。
此外，本發(fā)明涉及一種用于檢測(cè)水中，尤其是飲用水中低濃度分析物或離子的方 法。根據(jù)本發(fā)明，在所述方法中使用構(gòu)造為用于檢測(cè)至少一種分析物的傳感元件。其中，傳 感元件如上所述構(gòu)造為彈簧懸臂傳感器。這種傳感器易于檢測(cè)表面上的分子或離子。根據(jù) 本發(fā)明，通過對(duì)傳感元件的檢測(cè)區(qū)域加載電壓，或者相對(duì)于周圍環(huán)境對(duì)檢測(cè)區(qū)域充電，來實(shí) 現(xiàn)分子或離子的積聚。傳感元件的檢測(cè)區(qū)域是對(duì)所積聚的物質(zhì)或分子實(shí)際上進(jìn)行檢測(cè)的區(qū)
6域。通過所加載的電壓會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，待檢測(cè)的分析物由于該電勢(shì)差而向檢測(cè)區(qū)域移動(dòng)，并 集中或積聚在所述檢測(cè)區(qū)域。此外，通過適當(dāng)選擇電壓優(yōu)選使分析物再次離開檢測(cè)區(qū)域。也 就是說，該電壓用于將待檢測(cè)分析物帶到傳感元件的檢測(cè)區(qū)域并優(yōu)選集中在那里，從而可 以通過傳感元件檢測(cè)分析物。 此外，優(yōu)選這樣選擇電壓，使其等于或高于待檢測(cè)分析物的電離電勢(shì)。由此使分析
物離子化，并由于該分析物的電荷而被引至檢測(cè)區(qū)域的表面且積聚在那里。 還優(yōu)選的是，電壓的絕對(duì)值和/或極性變化，在此電壓在時(shí)間變化中達(dá)到或超過
待檢測(cè)分析物的電離電勢(shì)。由此可以連續(xù)地執(zhí)行所述的方法，因?yàn)橥ㄟ^電壓的變化能夠使
分析物積聚在檢測(cè)區(qū)域的表面并隨后可使其再次離開所述檢測(cè)區(qū)域。因此如上所述，可以
在積聚期間或在離開期間進(jìn)行測(cè)量。 還優(yōu)選的是，傳感元件的輸出信號(hào)與同時(shí)施加在檢測(cè)區(qū)域上的特定電壓相對(duì)應(yīng)。 以此方式可以確定，是何種分析物或什么樣的分析物位于檢測(cè)區(qū)域表面上。這種識(shí)別通過 分析物的特征電離電勢(shì)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電壓位于該區(qū)域上或者正在實(shí)施測(cè)量期間，低于或高于 該電勢(shì)，傳感元件的測(cè)量值能夠與具有該特定電離電勢(shì)的分析物唯一地對(duì)應(yīng)。
根據(jù)一種特別優(yōu)選的方法，這樣選擇電壓的時(shí)間變化，使得電壓首先直接上升到 高于至少一種待檢測(cè)的分析物的電離電勢(shì)的最大值。這導(dǎo)致該分析物電離，并使該分析物 積聚在檢測(cè)區(qū)域的表面。隨后電壓從該最大值開始下降，即電壓優(yōu)選線性地下降，在此再次 低于電離電勢(shì)。 一旦低于電離電勢(shì)，分析物再次從檢測(cè)區(qū)域的表面散開，從而使傳感元件的 測(cè)量值突然改變。這種測(cè)量值上的不同可用于確定具有特征性電離電勢(shì)的分析物的存在， 在此優(yōu)選由測(cè)量值的差還能夠確定周圍液體中分析物的量，即分析物的濃度。還優(yōu)選的是， 電壓上升到高于不同分析物的多個(gè)電離電勢(shì)的最大值，然后電壓這樣下降，即依次低于各 個(gè)電離電勢(shì)，在此在每次低于一個(gè)電離電勢(shì)時(shí)對(duì)恰好具有該電離電勢(shì)的分析物進(jìn)行測(cè)量。 由此能夠在一個(gè)測(cè)量過程中確定不同的分析物。該過程可以直接地彼此銜接，優(yōu)選連續(xù)地 重復(fù)，從而可以近似連續(xù)地進(jìn)行測(cè)量。


下面將參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行示例性描述。其中 圖1示出了在使用彈簧懸臂傳感器的情況下本發(fā)明的第一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的示 意圖， 圖2a和圖2b示出了彈簧懸臂傳感器的工作原理示意圖，
圖3a示出了電壓變化曲線， 圖3b示出了在根據(jù)圖3a的電壓變化曲線下彈簧懸臂傳感器的彎曲曲線， 圖4a和圖4c示出了根據(jù)另一優(yōu)選實(shí)施方式的電壓變化曲線， 圖4b和圖4d示出了屬于根據(jù)圖4a和圖4c的電壓變化曲線的彈簧懸臂傳感器的
彎曲曲線。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)圖1，傳感器系統(tǒng)2包括彈簧懸臂形式的傳感元件4。在彈簧懸臂4上檢測(cè) 區(qū)域6構(gòu)造為工作電極(Arbeitselektrode)。彈簧懸臂4的第一端部鉸接在基本構(gòu)件
7(Basiselement) 8上。相對(duì)的自由長端10可自由運(yùn)動(dòng)，即彈簧懸臂4可以從鉸接區(qū)域在基 本構(gòu)件8上彎曲。 如圖2a和圖2b示意性所示，通過傳感元件4對(duì)特定分析物進(jìn)行檢測(cè)。在圖2a中 示出了傳感元件4的靜止?fàn)顟B(tài)，該傳感元件4從基本構(gòu)件8出發(fā)基本上筆直地延伸。在傳 感元件4的表面，即檢測(cè)區(qū)域6上沒有元素積聚。在圖2b示出的狀態(tài)中，分析物的元素或 分子12積聚在檢測(cè)區(qū)域6上。分子12在傳感元件4的表面上的積聚導(dǎo)致表面張力的變化 和彈簧懸臂的彎曲或偏轉(zhuǎn)。傳感元件或懸臂4的這種偏轉(zhuǎn)例如可以通過設(shè)置在傳感元件4 上或設(shè)置在傳感元件4中的壓電元件來測(cè)量。替代地例如還可以通過使激光束反射到傳感 元件4上來確定這種彎曲。 分子12或分析物12以電化學(xué)的方式積聚在檢測(cè)區(qū)域6的表面上。為此電壓源或 電壓發(fā)生器14通過第一導(dǎo)線16與構(gòu)成工作電極的檢測(cè)區(qū)域6連接。電壓發(fā)生器14通過 第二導(dǎo)線18與反電極20連接。檢測(cè)區(qū)域6和反電極20都浸在要確定的分析物所在的液 體中。以此方式可以通過電壓發(fā)生器14產(chǎn)生檢測(cè)區(qū)域6和反電極20之間的電壓，即相對(duì) 于周圍環(huán)境對(duì)檢測(cè)區(qū)域6充電。當(dāng)檢測(cè)區(qū)域6和周圍環(huán)境的電勢(shì)之間的電壓超過分析物的 電離電勢(shì)時(shí)，檢測(cè)區(qū)域6和周圍環(huán)境之間的電勢(shì)差導(dǎo)致分析物的電離，因此分析物向檢測(cè) 區(qū)域6移動(dòng)并以電化學(xué)的方式積聚在那里，從而如圖2b所示造成懸臂4的彎曲。該過程是 可逆的，其中，電壓發(fā)生器14所產(chǎn)生的電壓再次降低到該分析物的電離電勢(shì)之下。然后分 析物的分子又離開檢測(cè)區(qū)域6。 此外，在根據(jù)圖1的實(shí)施例中設(shè)有電壓測(cè)量系統(tǒng)22，其通過第一導(dǎo)線24與檢測(cè)區(qū) 域6連接。電壓測(cè)量系統(tǒng)22通過第二導(dǎo)線26與參考電極28連接，該參考電極28同樣浸 在待確定分析物所在的液體中。通過檢測(cè)到的在參考電極28和檢測(cè)區(qū)域6之間的電壓，可 以根據(jù)分析物的電離電勢(shì)準(zhǔn)確地識(shí)別分析物。在示出的實(shí)施例中使用反電極20。然而也可 以省去反電極20。在沒有反電極20時(shí)，檢測(cè)區(qū)域6也能夠相對(duì)于周圍環(huán)境被充電。例如， 可考慮的是，將參考電極28同時(shí)用作反電極20。 對(duì)檢測(cè)區(qū)域6和參考電極28之間的電壓差的檢測(cè)使得可以通過確定傳感元件4 的測(cè)量結(jié)果在哪個(gè)電壓下發(fā)生變化來將傳感元件4的測(cè)量結(jié)果與特定的分析物相對(duì)應(yīng)。當(dāng) 所述電壓等于特定的分析物的電離電勢(shì)時(shí)，可由此確定，由傳感元件4同時(shí)檢測(cè)到的測(cè)量 結(jié)果的變化正好是由具有通過電壓測(cè)量系統(tǒng)22所檢測(cè)到的電離電勢(shì)的分析物引起的。根 據(jù)圖3a和圖3b對(duì)這種測(cè)量的功能進(jìn)行詳細(xì)描述。其中圖3a示出了關(guān)于時(shí)間t的電壓變 化曲線U，如其由電壓發(fā)生器14在檢測(cè)區(qū)域6和周圍環(huán)境之間產(chǎn)生、并通過位于檢測(cè)區(qū)域6 和參考電極28之間的電壓測(cè)量系統(tǒng)22所檢測(cè)的那樣。圖3b示出了關(guān)于時(shí)間t的屬于傳 感元件4的偏轉(zhuǎn)角e 。首先，電壓U在電壓變化曲線的第一部分30中基本上直接上升到在 電壓變化曲線的第二部分32中占主導(dǎo)地位的電壓水平。在此超過至少一種待確定的分析 物的電離電勢(shì)36。在電壓曲線的第二部分32中，電壓首先恒定地保持在高于電離電勢(shì)36 的水平，直到時(shí)刻、。在超過電離電勢(shì)之后，越來越多的分析物的分子12積聚在傳感元件 4上，如圖2b所示。這導(dǎo)致傳感元件4的偏轉(zhuǎn)角e增加，直到達(dá)到其最大值38。隨后電壓 從時(shí)刻^開始在電壓曲線的第三部分34中線性地下降到0，在此電壓的這種下降明顯比電 壓在電壓曲線34的第一部分30中的上升慢。當(dāng)位于電壓曲線的第三部分34中的電壓低 于電離電勢(shì)36時(shí)，這導(dǎo)致在檢測(cè)區(qū)域36積聚的分析物或分子12非常快地再次離開，因此在該時(shí)刻彎曲角e非?？斓販p小到0，如圖3b所示。在對(duì)傳感元件4進(jìn)行相應(yīng)地校準(zhǔn)時(shí)， 可以由在低于電離電勢(shì)36之前的最大彎曲角38和低于電離電勢(shì)36之后的彎曲角e (理 想狀態(tài)=0)得出在周圍液體中具有電離電勢(shì)36的分析物的濃度。 圖3a中示出的電壓變化曲線可以周期性地重復(fù)，從而能夠近乎連續(xù)地在液體中 進(jìn)行測(cè)量。如果選擇電壓變化曲線使得電壓在該電壓變化曲線的第一部分30中上升時(shí)超 過多個(gè)位于不同電勢(shì)水平的、不同分析物的電離電勢(shì)，則每當(dāng)?shù)陀谝环N特定分析物的電離 電勢(shì)且該分析物在液體中存在時(shí)，會(huì)在電壓隨后在電壓曲線的第三部分34中下降時(shí)在彎 曲角e的曲線中出現(xiàn)多個(gè)跳動(dòng)。由此可以在一個(gè)電壓過程中同時(shí)檢測(cè)多種分析物。
當(dāng)位于檢測(cè)區(qū)域6和周圍環(huán)境之間的電壓U緩慢地線性升高時(shí)，在圖4a和圖4b 中再一次示出了隨時(shí)間t變化的電壓變化曲線40。圖4b示出了屬于彎曲角e的曲線42。 可以看出，如果在時(shí)刻^時(shí)低于特定分析物的電離電勢(shì)仏，就會(huì)在彎曲角e的曲線42中
出現(xiàn)跳動(dòng)，即傳感元件4在時(shí)刻t2由于相應(yīng)分析物的積聚而彎曲并達(dá)到彎曲角e 2。 圖4c示出了當(dāng)使用交流電壓時(shí)在檢測(cè)元件6和參考電極28之間的電勢(shì)差的可能 的時(shí)間變化，在此交流電壓在時(shí)間上線性地升高。交流電壓信號(hào)的變化曲線44是緩慢上升 的直流電壓信號(hào)與具有特定恒定頻率的交流電壓信號(hào)的和。在此，應(yīng)將交流電壓的振幅選 擇得相對(duì)于直流電壓在時(shí)間t上的變化較小。圖4d示出了在分析物12積聚時(shí)屬于傳感元 件4的彎曲角e的變化曲線46。彈簧懸臂4的彎曲角e同樣是直流電壓分量和交流電壓 分量的和，該交流電壓分量以與根據(jù)圖4c的交流電壓相同的頻率振蕩。圖4d僅示出了交 流電壓分量的振幅，當(dāng)在檢測(cè)區(qū)域6和參考電極28之間加載的電壓超過特定分析物的電離 電勢(shì)時(shí)，交流電壓分量的振幅具有最大值48 。附圖標(biāo)記列表2傳感器系統(tǒng)4傳感元件6檢測(cè)區(qū)域8基本構(gòu)件10自由端部12分析物，分子14電壓發(fā)生器16， 18導(dǎo)線20反電極22電壓測(cè)量系統(tǒng)24， 26導(dǎo)線28參考電極30， 32， 34電壓曲線的部分36電離電勢(shì)38最大偏轉(zhuǎn)40 ，44電壓變化曲線42，46彎曲角e的變化曲線48最大值
9
T彎曲角
U電壓
t時(shí)間
權(quán)利要求
一種傳感器系統(tǒng)(2)，用于檢測(cè)水中的低濃度分析物，其特征在于，具有至少一個(gè)構(gòu)造成具有至少一個(gè)檢測(cè)區(qū)域(6)的彈簧懸臂傳感器(微懸臂梁傳感器)形式的傳感元件(4)，所述檢測(cè)區(qū)域(6)用于探測(cè)在該檢測(cè)區(qū)域(6)表面上的至少一種分析物；以及電壓源(14)，借助該電壓源能對(duì)所述傳感元件(4)的檢測(cè)區(qū)域(6)加載電壓。
2. 如權(quán)利要求l所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述電壓源(14)與所述檢測(cè)區(qū)域 (6)和反電極(20)連接，使得由所述電壓源(14)產(chǎn)生的電壓能加載于所述檢測(cè)區(qū)域(6)和 所述反電極(20)之間。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，由所述電壓源(14)產(chǎn)生的電壓 等于待檢測(cè)的分析物(12)的電離電勢(shì)(36)或者高于該電離電勢(shì)(36)。
4. 如前面任一權(quán)利要求所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述電壓源(14)構(gòu)造成，使 電壓的絕對(duì)值和/或極性能夠改變，尤其是能夠在時(shí)間變化中改變。
5. 如前面任一權(quán)利要求所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感元件(4)構(gòu)造成產(chǎn) 生輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)與所述檢測(cè)區(qū)域(6)上的所述分析物(12)的濃度有關(guān)。
6. 如前面任一權(quán)利要求所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，設(shè)有分析裝置，所述分析裝置 構(gòu)造用于對(duì)所述傳感元件(4)的輸出信號(hào)和施加在所述傳感元件(4)的檢測(cè)區(qū)域(6)上的 實(shí)際電壓進(jìn)行檢測(cè)并進(jìn)行共同分析。
7. 如前面任一權(quán)利要求所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，設(shè)有用于檢測(cè)所述傳感元件 (4)和周圍環(huán)境之間的電壓的電壓測(cè)量系統(tǒng)(22)。
8. 如權(quán)利要求7所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，設(shè)有參考電極(28)，并且所述電壓測(cè) 量系統(tǒng)(22)構(gòu)造成用于檢測(cè)所述參考電極(28)和所述傳感元件(4)的檢測(cè)區(qū)域(6)之間 的電壓。
9. 如前面任一權(quán)利要求所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，由所述電壓源(14)產(chǎn)生的 電壓能夠變化，使得所述電壓在時(shí)間變化中首先快速升高到預(yù)定值(32)，然后從該預(yù)定值 (32)緩慢地、優(yōu)選線性地下降。
10. 如前面任一權(quán)利要求所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于，設(shè)有控制裝置，所述控制裝 置為了優(yōu)選自動(dòng)地檢測(cè)至少一種分析物、優(yōu)選多種分析物，而控制所述電壓源(14)以得到 期望的特征電壓或電壓變化曲線。
11. 一種用于檢測(cè)水中低濃度分析物的方法，其中，使用彈簧懸臂傳感器作為用于檢測(cè) 至少一種分析物(12)的傳感元件(4)，其特征在于，同時(shí)在所述傳感元件(4)的檢測(cè)區(qū)域 (6)上加載電壓，使得待檢測(cè)的分析物(12)積聚在所述檢測(cè)區(qū)域(6)上，并優(yōu)選使其再次離 開所述檢測(cè)區(qū)域(6)。
12. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其特征在于，選擇所述電壓，使其等于待檢測(cè)分析物 (12)的電離電勢(shì)(36)或者高于該電離電勢(shì)(36)。
13. 如權(quán)利要求11或12所述的方法，其特征在于，改變所述電壓的絕對(duì)值和/或極性， 其中所述電壓在所述時(shí)間變化中達(dá)到或超過待檢測(cè)分析物(12)的電離電勢(shì)(36)。
14. 如前述權(quán)利要求11至13中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述傳感元件(4 ;50 ; 56 ;62)的輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)于施加所述檢測(cè)區(qū)域(6)上的特定電壓。
15. 如前述權(quán)利要求11至14中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，使用所述電壓的時(shí)間 變化，其中，所述電壓首先上升到高于至少一種待檢測(cè)分析物(12)的電離電勢(shì)(36)的最大值，隨后從該最大值開始又下降到低于所述電離電勢(shì)(36)。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，在所述電壓從所述最大值(32)下降期間， 對(duì)在所述檢測(cè)區(qū)域(6)上的分析物(12)進(jìn)行檢測(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于檢測(cè)低濃度分析物的傳感器系統(tǒng)(2)，包括至少一個(gè)具有至少一個(gè)檢測(cè)區(qū)域(6)的傳感元件(4；50；56；62)，所述檢測(cè)區(qū)域(6)構(gòu)造用于探測(cè)至少一種在其表面上的分析物，其中可以借助電壓源(14)對(duì)傳感元件(4；50；56；62)的檢測(cè)區(qū)域(6)加載電壓。本發(fā)明還涉及一種相應(yīng)的用于檢測(cè)低濃度分析物的方法。
文檔編號(hào)G01N27/00GK101784888SQ200880103439
公開日2010年7月21日 申請(qǐng)日期2008年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月18日
發(fā)明者本廷安·安諾斯 申請(qǐng)人:格倫德福斯管理聯(lián)合股份公司