AT524917A2 - Gas barrier optode - Google Patents

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Abstract

Optode, bestehend aus einer funktionellen Schicht mit fluoreszierenden Farbpigmenten welche in einer Matrix immobilisiert sind und einem Polymersubstrat, wobei zwischen funktioneller Schicht und Polymersubstrat eine optisch transparente Schicht als Gasbarriere aufgebracht ist.Optode consisting of a functional layer with fluorescent color pigments which are immobilized in a matrix and a polymer substrate, with an optically transparent layer being applied as a gas barrier between the functional layer and the polymer substrate.

Description

Hintergrund: Background:

Optische Gassensoren, auch Optoden genannt, basieren auf speziellen Farbpigmenten, welche zur Fluoreszenz angeregt werden. Bei Sauerstoffoptoden hängt die Intensität sowie die Abklingzeit der Fluoreszenz vom Sauerstoffpartialdruck ab, da Sauerstoff die Fluoreszenz löscht. Es sind viele geeignete Farbpigmente bekannt, zum Beispiel Rutheniumkomplexe oder Platinum Porphyrine. Die Farbpigmente sind üblicherweise in einer Matrix immobilisiert. Optical gas sensors, also known as optodes, are based on special color pigments that are excited to fluoresce. In the case of oxygen optodes, the intensity and the decay time of the fluorescence depend on the oxygen partial pressure, since oxygen quenches the fluorescence. Many suitable color pigments are known, for example ruthenium complexes or platinum porphyrins. The color pigments are usually immobilized in a matrix.

Geeignete Matrixmaterialien sind zum Beispiel verschiedene Polymere. Polystyren kommt aufgrund der hohen Gaspermeabilität oft zum Einsatz. Suitable matrix materials are, for example, various polymers. Polystyrene is often used due to its high gas permeability.

Bei der Herstellung werden üblicherweise zuerst die Farbpigmente zusammen mit der Matrix in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst. Dann wird dieser sogenannte Cocktail auf ein durchsichtiges Substrat aufgebracht. Die üblichen Verfahren sind Doctor Blade Coating, Roll-to-Roll Coating, Knife Coating, Siebdruck, Magnetventildruck, Piezoventildruck, etc. During production, the color pigments are usually first dissolved in a suitable solvent together with the matrix. Then this so-called cocktail is applied to a transparent substrate. The usual processes are Doctor Blade Coating, Roll-to-Roll Coating, Knife Coating, Screen Printing, Solenoid Valve Printing, Piezo Valve Printing, etc.

Als Substrat werden vorzugsweise Glas oder Polyethylenterephthalat (kurz PET) Folien eingesetzt. Glass or polyethylene terephthalate (PET for short) films are preferably used as the substrate.

Problemstellung: Problem statement:

Glas eignet sich als Substrat besonders, da es chemisch inert und Gasundurchlässig ist. Nachteilig ist jedoch, dass die Fertigung von Glasoptoden teuer ist, da sich zwar Glas beschichten lässt aber schwer zu schneiden ist. Die Vereinzelung von großen Wafern in einzelne Sensorplättchen ist aufwendig und somit teuer. Glass is particularly suitable as a substrate because it is chemically inert and impermeable to gases. The disadvantage, however, is that the production of glass optodes is expensive, since glass can be coated but is difficult to cut. The separation of large wafers into individual sensor plates is complex and therefore expensive.

PET Folien haben auch eine gute chemische Beständigkeit und eine im Vergleich zu anderen Polymeren relativ niedrige 02 Permeabilität, und eigenen sich sehr gut zur Beschichtung. Optoden aus PET Folien lassen sich sehr einfach vereinzeln, zum Beispiel durch Stanzen, mit Schneidplottern oder mit kostengünstigen CO2 Laser Schneidern. Die Herstellung von Sensorplättchen kann sehr kostengünstig geschehen —- im ersten Schritt wird eine PET Folie mit dem „Cocktail“ beschichtet und im zweiten Schritt werden dann die Sensorplättchen vereinzelt. PET films also have good chemical resistance and relatively low 02 permeability compared to other polymers, making them very suitable for coating. Optodes made of PET foil can be separated very easily, for example by punching, with cutting plotters or with inexpensive CO2 laser cutters. The production of sensor plates can be done very cheaply -- in the first step, a PET film is coated with the "cocktail" and in the second step the sensor plates are then separated.

Durch den Einsatz von Polymersubstraten wie zum Beispiel eine PET Folie anstelle von Glassubstraten ergeben sich jedoch 2 Nachteile: However, the use of polymer substrates such as a PET film instead of glass substrates results in 2 disadvantages:

- Mit der Zeit können Farbpigmente aus der Matrix in das Substrat diffundieren (das sogenannte Leaching von Farbpigmenten). Dadurch können sich Ansprechzeit und/oder Abklingzeit und/oder Signalintensität der Optode ändern. Das kann dazu führen, dass eine Neukalibration der Optode notwendig wird, oder im schlimmsten Fall, die Optode unbrauchbar wird. - Over time, color pigments can diffuse from the matrix into the substrate (the so-called leaching of color pigments). This can change the response time and/or decay time and/or signal intensity of the optode. This can result in the optode having to be recalibrated, or in the worst case, the optode becoming unusable.

In der Literatur sind verschiedene Methoden bekannt, um dieses Leaching zu vermindern. Beispiele sind Cross Linking oder der Einsatz von einer zusätzlichen Zwischenschicht aus demselben Matrixmaterial jedoch ohne Farbpigmente, wodurch die Effekte des Leaching verlangsamt, jedoch nicht vollständig vermieden werden können. Various methods are known in the literature for reducing this leaching. Examples are cross-linking or the use of an additional intermediate layer made of the same matrix material but without color pigments, which slows down the effects of leaching, but cannot completely prevent them.

- Sauerstoff kann in das Substrat diffundieren, wodurch die Ansprechzeit der Optode beeinflusst wird. Wenn die Optode beispielsweise über längere Zeit einem hohen Sauerstoffpartialdruck ausgesetzt wird, diffundiert Sauerstoff in das Substrat. Wird die Sauerstoffoptode anschließend einem niedrigen Sauerstoffpartialdruck ausgesetzt, dauert es - Oxygen can diffuse into the substrate, affecting the response time of the optode. For example, if the optode is exposed to high oxygen partial pressure for a long time, oxygen will diffuse into the substrate. If the oxygen optode is then exposed to a low oxygen partial pressure, it takes time

Problemlösung: Troubleshooting:

Die Erfindung betrifft einen Optode mit einem Polymersubstrat und mit einer Gasbarriereschicht. Bei der Herstellung wird im ersten Schritt auf die Polymerfolie eine optisch transparente Gas Barriere aufgebracht. Solche Folien mit Gas Barrieren sind aus der Literatur bekannt und werden zur Lebensmittelverpackung eingesetzt und sind kostengünstig herstellbar. Geeignete Materialien für eine solche Barriereschicht sind zum Beispiel SiOx, ITO, AIlOx oder Clay. Aus der Literatur ist bekannt, dass durch den Einsatz einer dünnen SiOx Schicht (10-100nm) die Gas Permeabilität um zwei Zehnerpotenzen verringert werden kann. The invention relates to an optode with a polymer substrate and with a gas barrier layer. In the first step of production, an optically transparent gas barrier is applied to the polymer film. Such films with gas barriers are known from the literature and are used for food packaging and can be produced inexpensively. Suitable materials for such a barrier layer are, for example, SiOx, ITO, AlOx or clay. It is known from the literature that the gas permeability can be reduced by two powers of ten by using a thin SiOx layer (10-100 nm).

Im zweiten Schritt wird die Barriereschicht mit dem Cocktail beschichtet. Im Anschluss folgt ein Trocknungsvorgang. In the second step, the barrier layer is coated with the cocktail. This is followed by a drying process.

Im dritten Herstellungsschritt werden die Sensoren vereinzelt, wo kostengünstige Methoden wie beispielsweise Stanzen oder Schneiden zum Einsatz kommen. In the third manufacturing step, the sensors are separated using cost-effective methods such as punching or cutting.

Durch diese Barriereschicht wird die Problemstellung folgendermaßen gelöst: This barrier layer solves the problem as follows:

- Durch die niedrigere Gaspermeabilität wird die Diffusion von 02 in das Substrat stark vermindert. So kann zwar nicht vollkommen eine Diffusion von O2 ins darunter liegende Substrat vermieden werden, jedoch ist die Diffusion um bis zu zwei bis drei Zehnerpotenzen stark vermindert. Die Messwertverfälschung nach einer Sprungantwort ist dementsprechend niedriger und fällt nicht mehr ins Gewicht. - Due to the lower gas permeability, the diffusion of 02 into the substrate is greatly reduced. Although a diffusion of O2 into the underlying substrate cannot be completely avoided, the diffusion is greatly reduced by up to two to three powers of ten. The measured value falsification after a step response is correspondingly lower and no longer significant.

- Durch die Zwischenschicht wird eine Migration von Farbpigmenten aus der Matrix in das Substrat verhindert. - The intermediate layer prevents color pigments from migrating from the matrix into the substrate.

Durch die Gasbarriere kann somit zum einen eine Qualität ähnlich der von Optoden auf Glassubstrat erreicht werden. Zum anderen ist eine kostengünstige Herstellung möglich. The gas barrier means that a quality similar to that of optodes on a glass substrate can be achieved. On the other hand, a cost-effective production is possible.

Ansprüche: Expectations:

1) Optode, bestehend aus einer funktionellen Schicht mit fluoreszierenden Farbpigmenten welche in einer Matrix immobilisiert sind und einem Polymersubstrat, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen funktioneller Schicht und Polymersubstrat eine optisch transparente Schicht als Gasbarriere aufgebracht ist. 1) Optode consisting of a functional layer with fluorescent color pigments which are immobilized in a matrix and a polymer substrate, characterized in that an optically transparent layer is applied as a gas barrier between the functional layer and the polymer substrate.

2) Anspruch 1, bei dem als Gasbarriere eine SiOx Schicht zum Einsatz kommt 3) Anspruch 1, bei dem als Gasbarriere eine ITO Schicht zum Einsatz kommt 4) Anspruch 1, bei dem als Gasbarriere einer Clay Schicht zum Einsatz kommt 5) Anspruch 1, bei dem als Gasbarriere einer AIlOx Schicht zum Einsatz kommt 2) Claim 1, in which an SiOx layer is used as a gas barrier 3) Claim 1, in which an ITO layer is used as a gas barrier 4) Claim 1, in which a clay layer is used as a gas barrier 5) Claim 1, in which an AIlOx layer is used as a gas barrier

6) Anspruch 1, bei dem das Polymersubstrat aus Polyethylenterephthalat besteht. 6) Claim 1, wherein the polymeric substrate consists of polyethylene terephthalate.

Claims (1)

2) 2) 3) 3) 4) 4) 5) 5) 6) 6) 7) 7) 8) 8th) 9) 9) 10) 10) 11 11 PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS Optode, bestehend aus einer funktionellen Schicht mit zumindest einem lumineszenten Farbstoff, welcher in einer Matrix (1) immobilisiert ist und einem Polymersubstrat (3), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen funktioneller Schicht und Polymersubstrat (3) eine optisch transparente Barriereschicht (2) als Gasbarriere aufgebracht ist, die direkt auf dem Optode consisting of a functional layer with at least one luminescent dye which is immobilized in a matrix (1) and a polymer substrate (3), characterized in that an optically transparent barrier layer (2) as a gas barrier between the functional layer and the polymer substrate (3). is applied directly to the Substrat (3) angeordnet ist. Substrate (3) is arranged. Optode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Optode according to claim 1, characterized in that the lumineszente Farbstoff fluoreszierende Farbpigmente umfasst. luminescent dye includes fluorescent color pigments. Optode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereschicht (2) eine SiOx Schicht umfasst. Optode according to Claim 1 or 2, characterized in that the barrier layer (2) comprises a SiOx layer. Optode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereschicht (2) eine ITO Schicht umfasst. Optode according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the barrier layer (2) comprises an ITO layer. Optode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereschicht (2) eine Clay Schicht umfasst. Optode according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the barrier layer (2) comprises a clay layer. Optode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereschicht (2) eine AIOx Schicht umfasst. Optode according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the barrier layer (2) comprises an AlOx layer. Optode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymersubstrat (3) aus Polyethylenterephthalat besteht. Optode according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the polymer substrate (3) consists of polyethylene terephthalate. Optode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, Optode according to one of Claims 1 to 7, characterized in that dass die Barriereschicht (2) undurchlässig für den Farbstoff ist. that the barrier layer (2) is impermeable to the dye. Optode nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, Optode according to one of Claims 1 to 8, characterized in that dass die Barriereschicht (2) direkt an der Matrix (1) angrenzt. that the barrier layer (2) is directly adjacent to the matrix (1). Optode nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, Optode according to one of Claims 1 to 9, characterized in that dass die Barriereschicht (2) direkt an der funktionellen Schicht angrenzt. that the barrier layer (2) is directly adjacent to the functional layer. 11) Verfahren zur Herstellung von Optoden, wobei eine funktionelle Schicht mit zumindest einem lumineszenten Farbstoff in eine Matrix (1) eingebracht wird und die Matrix (1) mit der funktionellen Schicht auf einer Polymerplatte, aufweisend mehrere Polymersubstrate (3), aufgebracht wird und danach die Polymersubstrate (3) aus der Polymerplatte vereinzelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Matrix (1) mit der funktionellen Schicht auf die Polymerplatte eine optisch transparente Barriereschicht (2) als Gasbarriere auf der Polymerplatte aufgetragen und zwischen die funktionelle Schicht und die Polymerplatte 11) Process for the production of optodes, wherein a functional layer with at least one luminescent dye is introduced into a matrix (1) and the matrix (1) with the functional layer is applied to a polymer plate having a plurality of polymer substrates (3) and thereafter the polymer substrates (3) are separated from the polymer plate, characterized in that before the matrix (1) with the functional layer is applied to the polymer plate, an optically transparent barrier layer (2) is applied as a gas barrier to the polymer plate and placed between the functional layer and the polymer plate angeordnet wird. is arranged. 12) Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Matrix (1) mit der funktionellen Schicht auf die 12) The method according to claim 11, characterized in that before applying the matrix (1) with the functional layer on the Polymerplatte die Barriereschicht (2) getrocknet wird. Polymer plate the barrier layer (2) is dried. 13) Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix mit der funktionellen Schicht direkt auf die Barriereschicht (2) aufgebracht 13) Method according to claim 12, characterized in that the matrix with the functional layer is applied directly to the barrier layer (2). wird. becomes. 14) Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Anordnen der Barriereschicht (2) zwischen der funktionellen Schicht und der Polymerplatte das Anordnen einer Schicht zwischen der funktionellen Schicht und der Polymerplatte umfasst, die aus SiOx, aus ITO, aus AIlOx und/oder aus Clay besteht. 14) The method according to any one of claims 11 to 13, characterized in that arranging the barrier layer (2) between the functional layer and the polymer plate comprises arranging a layer between the functional layer and the polymer plate, which consists of SiOx, of ITO, of AIlOx and/or consists of clay. 30.03.2022 MT 03/30/2022 MT
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