[发明专利]光学pH值传感器

说明书

一种具有纳米线结构和所施加的电化学电势的光学pH值传感器，其中，空间分辨地检测纳米线的光致发光强度并且接下来借助于标定数据来确定pH值。

技术领域

本发明涉及一种光学pH值传感器，其中在无需颜料分子的条件下确定pH值。在此利用优选包括纳米线或量子点的敏感层的光致发光。此外施加电化学电势。这一方面能够实现提高光致发光的强度，并且另一方面提高关于pH值的变化的灵敏度。此外，这样才能实现定量地确定pH值。由此光致发光具有如下强度，所述强度首先实现将光致发光强度换算为pH值。

背景技术

在US 2002117659A1中提及将光致发光用于确定pH值。然而不利的是，不能将强度清楚地与pH值关联。虽然在图15b中可见不同pH值的级，但是强度波动强烈至使得基于在pH值4处的测量，从pH 3.5到PH 8的插值范围是可行的，即从酸性经过中性到碱性。pH 4和pH7的级由于强度波动而彼此靠近至使得几乎无法进行与pH 5或6的关联。用该装置无法执行在pH 7的范围(中性范围)中的可靠测量。中性范围的可靠测量尤其在饮用水供给中是一个必须的标准。

发明内容

本发明的目的是借助根据本发明的pH值传感器消除或绕过现有技术的缺点。

该目的根据本发明通过将pH值相关的、光致发光的或荧光的层引入pH值传感器中和在该层上施加电势来实现。这具有关键优点，即，各个pH值的光致发光强度或荧光强度的值具有不同至使得能够实现强度与pH值的清楚关联的间距。由此才能够实现对中性范围的可靠测量。

对应的PH值感测器构建为层系统。将光致发光层铺设到载体层上。这优选借助等离子体辅助分子束外延、物理气相淀积(PVD)、化学气相淀积(CVD)、金属有机气相淀积(MOCVD)、等离子体增强化学气相淀积(PECVD)、溅射、溶胶淀积、印刷法进行或者电化学地进行。

载体层在此包括诸如硅、碳化硅的材料，或者透明的、优选结晶的(单晶、多晶、纳米晶…)材料，诸如金刚石、蓝宝石、氧化锌、氮化镓、氮化铝镓、还有玻璃(及石英玻璃或玻璃纤维)和其组合。载体层替选地构建为所提及的载体的组合层系统。优选地，使用诸如硅(100)、硅(111)或者碳化硅(3C,4H,6H,…)的单晶材料。为了保证化学抗性，在碱性环境中，当导电载体层的带隙小于用于激励敏感层光致发光的光的能量时，优选将导电载体层p型掺杂。替选地，在酸性、中性或弱碱性介质中，将硅晶圆或者载体层n型掺杂(第15或16族的元素，例如P,S,As,Se,Sb,Te,Bi,Po)，在弱酸性、中性和碱性介质中p型掺杂(第2或13族的元素，例如Be,B,Mg,Al,Ca,Ga,Sr,In,Ba,Tl)。特别优选地，使用p掺杂的硅(111)，因为在该载体系统中对于正电势以及负电势提高电化学稳定性和由此相对于测量环境的稳定性。n或p掺杂的硅是导电的。在没有导电性的载体(例如蓝宝石)的情况下，施加导电层。该导电层包括例如n或p掺杂的硅、透明的氧化铟锡(ITO)，其中，材料的选择不限于这些示例。导电层还能制造为例如由铜、铝、银、金或掺杂硅构成的线网络或者印制导线网络。替选地，在不导电载体的条件下，光致发光的或荧光的层导电。

光致发光的或荧光的层包括诸如氮化镓、氮化铟、磷化铟、砷化铟镓、碳纳米管(单壁、多壁)、砷化镓、锗、硒化镉、氮化铝、氧化锌、氧化镉、氧化镁、砷化铟铝、铟或其组合的材料。这些材料可以以施主或受主或者诸如稀土元素(Sc,Y,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu)的发光中心来掺杂。

通过附加地施加到光致发光的或荧光层上的金刚石层进一步提高相对于测量环境的稳定性。该附加的金刚石覆层仅在所选择的情况下使用。

由此将光致发光层或荧光层施加到导电载体上。接下来，光致发光包括发荧光的概念，并且发荧光包括光致发光的概念。