CN105122035A - 用于检测并分析沉积物的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于检测载液***内的反射区域中的沉积物的装置，包括用于朝向所述反射区域发射超声波发射信号的超声波换能器(10)以及用于检测由所述超声波发射信号在所述反射区域中的反射所获得的超声波反射信号的第一检测器具，第二检测器具在所述反射区域中安置，所述第二检测器具被构造成检测特定种类的沉积物。

Description

用于检测并分析沉积物的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于检测并分析沉积物的装置和方法。

背景技术

诸如发电厂、钢铁厂、造浆或造纸厂的工厂通常包括用于传导或存储流体的器具，例如管道或流体储存器。已知的问题在于，有机或无机物在用于传导或存储流体的器具的内壁上沉积，而污垢或结垢沉积物的积聚至少部分地阻挡了经过传导器具的流。这样，被传导的或被储存的流体可能受到污染。这是一种不期望的情况出现，会造成大量的操作问题例如设备阻塞、化学品的无效利用、增加的应用成本、由于停产造成的生产损失、腐蚀以及由于增加的灰尘数量导致的品质降低的产品。

本质上，可以在一方面污垢沉积物与另一方面结垢沉积物之间进行区分。污垢沉积物是有机沉积物，经常在含水***中以生物膜的形式出现。这种生物膜大致包括微生物，例如细菌、藻类、真菌和原生动物。与之相反地，结垢沉积物源自无机物，已经被识别到的无机物包括例如钙的复合物(碳酸盐、草酸盐、硫酸盐、硅酸盐)、铝的复合物(硅酸盐、氢氧化物、磷酸盐)、硫酸钡、以及镁的硅酸盐。

例如，工厂通常包括多个功能单元，如锅炉、换热器、冷凝器、混合器。这些多个功能单元经由连接管等彼此相连、尤其串联和/或并联。

用于在工厂内测量污垢或结垢的已知的装置的一个问题在于，由于例如功能单元内部的受限的安装空间或过高的温度而很难将此类测量装置安装在功能单元内部。因此，这些装置通常安装在功能单元之间的连接管上或中，即使功能单元内部的温度经常高于连接管内的温度，尤其是在功能单元例如包括锅炉时。这对于测量的质量而言是不利的，这是因为更高的温度增加了污垢的生长，从而在功能单元内会比在连接管内具有更多的沉积物积聚。因此，连接管内测量的结果是伪的，并且相关区域内的沉积物的厚度无法被正确地确定。

为了避免污垢沉积物的积聚以及尤其生物膜的生长，生物杀灭剂作为应对措施被添加到所关注的流体中。结垢沉积物可以通过以下措施被去除，即添加基于丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸和天冬氨酸的均聚物、共聚物和三聚物的化学沉积物控制剂。此外，化学沉积物控制剂可以是基于有机膦酸盐及其衍生物以及多磷酸盐。这些生物杀灭剂以及化学沉积物控制剂的剂量必须非常小心地被完成并且是保守的，这是因为它们是非常昂贵的并且对健康有害。

发明内容

因此，本发明的目的是提供用于检测沉积物的装置和方法，从而允许经济上以及生态学上改善地处理载液***。出于生态学以及经济的原因，因此期望的是将生物杀灭剂和/或化学沉积物控制剂的剂量控制到最小。

本发明的目的通过用于检测载液***内的反射区域中的沉积物、尤其污垢和/或结垢沉积物的装置来实现，所述装置包括用于朝向所述反射区域发射超声波发射信号的超声波换能器以及用于检测由所述超声波发射信号在所述反射区域中的反射所获得的超声波反射信号的第一检测器具，第二检测器具在所述反射区域中安置，所述第二检测器具被构造成检测特定种类的沉积物。

根据本发明，因此有利地可以将特定种类的沉积物与其它种类的沉积物相区分并且对已经由第二检测器具检测的特定种类的沉积物定量。特别地，特定种类的沉积物可以是结垢或污垢沉积物、有机或无机沉积物、生物的或非生物的沉积物、活的或死的沉积物中的一种。当沉积物包含具有发出信号以及自维持过程的组织时，沉积物被认为是“存活的”或“活的”。否则的话，沉积物被认为是“死亡的”或“死的”，如果这种发出信号以及自维持过程无法检测的话、如果此类功能停止和/或如果沉积物的组分缺少此类功能的话。第一检测器具允许分析反射区域中的沉积物，从而特征化物理特性例如沉积物的柔软度、沉积物在反射区域中平行于和垂直于反射信号行进方向的空间延伸度。因而，特别有利地可以定量化沉积物。附加地，第二检测器具允许检测特定种类的沉积物，这意味着特定种类的沉积物能够与其它特定种类的沉积物相区分。特别地，由此可以检测沉积物是否是活的——这意味着沉积物例如可以是由活的组织组成的生物膜——或者死的或非生物的，其中，后者指的是死的组织、非生物材料或者其它非活的有机或无机物质中的至少一种。将由第一检测器具获得的物理特性分析与由第二检测器具的分析、尤其是关于特定种类的沉积物从其它种类的沉积物中区分和/或它们的活性的相结合允许特定种类的沉积物的特征化。这种特征化例如包括特定种类的沉积物的识别和定量。由此，污垢和/或结垢沉积物能够以定时且可靠的方式被检测。都检测特定种类的沉积物以及沉积物的物理特性的组合效应在于，可以执行载液***的目标化处理，从而满足载液***上的净化标准的特定需求。特别地，载液***的处理可以针对特定的沉积物被目标化，从而污垢沉积物的积聚、尤其生物膜的生长被高效地避免。附加地，为装置提供有上述的第一检测器具和第二检测器具这两者比具有仅仅第二检测器具的装置更优，原因在于也可以在沉积物是死的情况下检测沉积物。由于处理针对沉积物被目标化，所以能够以经济的且生物高效的方式执行处理。因此，环境保护可以改善，而载液***的处理成本可以同时被显著降低。另外，出于经济的原因，根据本发明可以将生物杀灭剂和/或化学沉积物控制剂的剂量降低至最少。

特别地，在本发明的情况中，术语“沉积物”代表在诸如回路、管道或容器的载液***中出现的任何种类的有机或无机污染物以及沉积物。此类的沉积物例如以膜的形式(也称为“污垢”)出现。它们主要在含水***中与固相的交界处形成。在微生物造成的膜的情况中，它们由其中嵌入微生物(例如细菌、藻类、真菌、和原生动物)的粘稠层组成。通常，这些膜除了微生物以外还主要包括水和由微生物渗出的胞外聚合物质，所述胞外聚合物质与水联合地形成了水凝胶并包含其它养分或物质。通常，颗粒被包含在最终的粘稠基质中，后者被发现是在相邻交界处的含水媒介中。例如造纸厂中出现的膜其特征在于其包含高比例的纤维、精细物质、以及由有机基质所包围的无机染料。此类膜大体上伴随着微生物源的保护性表多糖(“黏质物”，EPS)，并且出现在这些设备表面和处理水流的交界处。附加地，无机污染物例如碳酸钙(“结垢”)以及有机污染物经常在此类表面上沉积。这些有机污染物大体上被称为“沥青”(例如，源自木材的树脂)以及“胶粘物”(例如，胶、粘合剂、胶带、以及蜡粒)。

根据本发明的优选实施例，第二检测器具是电化学生物传感器、光学生物传感器、电子生物传感器、压电生物传感器或重量分析式生物传感器或其它生物传感器中的至少一种。生物传感器大体上包括生物学的换能器或生物换能器，例如具有诸如受体的生物识别成分。生物换能器与诸如沉积物中的活细胞的生物学成分相互反应。因而，有利地可以经由沉积物的电化学活性度的检测来例如识别出沉积物的种类。这样，可以确定沉积物是否包括活的组织。生物换能器然后产生检测信号，例如包括关于沉积物是否含有活的组织的信息的活性检测信号。特别地，活性检测信号取决于沉积物与生物换能器的受体之间的相互作用而产生。检测信号然后通过生物传感器的电子***被进一步处理。因而，有利地可以确定反射区域中的沉积物的覆盖程度和/或确定反应区域中的沉积物的活性。

根据本发明的优选实施例，第二检测器具被构造成产生包括关于沉积物的活性信息的活性检测信号。由此有利地可以确定反射区域中的沉积物的覆盖程度和/或确定反应区域中的沉积物的活性，因而同时沉积物的物理特性可以利用第一检测器具被分析。因而，有利地可以将特定种类的沉积物与其它种类的沉积物区分。例如，可以确定沉积物是否是活的沉积物，例如载液***中的生物膜。活性信息包括关于特定种类的沉积物、尤其生物膜是否包括活的组织的信息。组合的信息——生物膜的物理特性以及生物膜是否包括活的组织——允许载液***的目标化处理。

根据本发明的优选实施例，装置包括分析单元，所述分析单元被构造成取决于活性检测信号确定反射区域内沉积物的覆盖程度和/或反射器具内沉积物的活性。由此有利地能够以不同的操作模式来操作装置。例如，分析单元可以指示阈值模式中给定生物膜覆盖程度达到，而反射区域内细菌覆盖的整体发展能够以测量的模式被监测。因而，有利地可以实时地监测载液***中的生物膜，从而取决于活性检测信号允许载液***的定时清洁处理。

根据本发明的优选实施例，生物传感器是电化学生物传感器，其被构造成取决于沉积物的测量的电化学活性度产生活性检测信号。由此有利地可以提供诸如生物膜的特定种类的沉积物的可靠的检测。特别地，由此有利地可以确定生物膜是否是活的，即是否包括活的组织。这样，可以高灵敏度地确定特定种类的沉积物、尤其沉积物的活性。

根据本发明的优选实施例，分析单元被构造成分析反射信号，从而确定沉积物是否位于反射区域内和/或确定反射区域内沉积物的类型和/或层厚。由此有利地可以测量沉积物的物理特性，例如沉积物是否包括相对软的或硬的物质，其中柔软度大体上通过弹性模量被定量化。反射区域内的沉积物的物理特性借助于评价反射区域的时域反射信号而被确定。此外，可以测量反射区域内的沉积物覆盖。测量的距离与已经在没有任何沉积物位于反射区域上的初始校准测量步骤中测量的基准位置对比。替代性地，基准测量单元可以为此目的被采用。测量的距离与基准距离之差是一种用于沉积物厚度的测量。提供如上所述具有第一检测器具以及还有第二检测器具的装置与具有仅仅第二检测器具的装置相比的另一优点在于，还可以在沉积物是死的时的情况下检测沉积物。

根据本发明的优选实施例，装置具有第一测量单元，所述第一测量单元包括超声波换能器和第一检测器具，装置具有第二测量单元，所述第二测量单元包括在反射区域中安置的第二检测器具，第一测量单元和第二测量单元能够拆卸地连接至载液***，从而第一测量单元和第二测量单元位于载液***的相反两侧上。由此有利地可以提供一种用于检测结垢和/或污垢沉积物的装置，其能够灵活地应用于诸如管线的载液***的大量不同的成分，其中，操作成本可以显著地减低。此外，可拆卸的连接允许容易更换，例如在载液***或检测部件的维护过程中容易更换。

根据本发明的优选实施例，装置具有第一基准测量单元，其包括附加的超声波换能器和附加的第一检测器具，装置具有第二基准测量单元，其包括附加的反射区域以及在所述附加的反射区域中安置的附加的第二检测器具，分析单元被构造成取决于由第一和/或第二基准测量单元提供的基准信息确定反射区域中沉积物的特性。由此有利地可以测量距离，通过将其与在没有任何沉积物到反射区域的情况中利用第一和/或第二基准测量单元在校准测量步骤中测量的基准距离对比来实现。超声波换能器与反射区域之间的真实距离改变，例如由于流体容器内的温度或压力而改变。因此，测量时超声波换能器与反射区域之间的当前距离能够由同时测量的基准距离被精确地限定。因此，沉积物的厚度测量并不包括取决于诸如压力和温度的操作状况的未知的偏差。这样，沉积物的物理特性可以相对高灵敏度地被确定。

本发明的另一目的在于一种用于确定载液***内的反射区域中的污垢和/或结垢沉积物的方法，包括通过超声波换能器向所述反射区域发射超声波发射信号的第一步骤；通过第一检测器具检测由所述超声波发射信号在所述反射区域中的反射所获得的超声波反射信号的第二步骤；以及通过在所述反射区域内安置的第二检测器具检测特定种类的沉积物的第三步骤。

根据本发明，因而有利地可以将由第一检测器具获得的物理特性分析与第二检测器具的分析组合。特别地，可以将特定种类的沉积物与其它种类的沉积物进行区分，其可以包括沉积物的活性。沉积物的术语活性包括沉积物是否包括诸如细菌的活的组织的信息。因而，可以特征化特定种类的沉积物，这例如包括特定种类的沉积物的识别和定量化。此外，污垢和/或结垢沉积物能够以定时且可靠的方式被检测。沉积物的特定种类与沉积物的物理特性都检测的组合效果在于，可以执行载液***的目标化处理，从而载液***上的关于净化标准的特殊要求得到满足。附加地，执行如上所述确定沉积物的物理特性以及检测或识别特征种类的沉积物这两者的步骤与仅仅特定种类的沉积物被检测的方法相比的优点在于，还可以在沉积物是死的时的情况下检测沉积物。根据本发明的方法允许用于结垢和/或污垢沉积物的检测、尤其载液***的流体管道中所包含的这种沉积物的至少两个不同测量方法的组合。这允许了流体管道的清洁处理的优化。根据第二步骤，诸如由沉积物的层厚确定的量的物理特性可以被测量，而在第三步骤中，第二步骤中探测的特定种类的沉积物可以与第三步骤中的沉积物的其它种类相区别。特别地，第二和第三步骤可以同时地执行。因而特别优选的是确定沉积物是否是活的，即是否包括活的组织。

根据本发明的优选实施例，在第三步骤中通过电化学生物传感器、光学生物传感器、电子生物传感器、压电生物传感器、重量分析式生物传感器或其它生物传感器至少之一检测所述沉积物的活性。由此有利地可以检测沉积物的生物学特征，例如沉积物是活的还是死的。特别地，可以确定沉积物是否包含活的组织和/或哪种类型的活的组织被包含在沉积物中。这种信息被用于执行载液***的目标特定的清洁处理，因而减少了清洁处理过程中所使用的生物杀灭剂和/或化学品的剂量。

根据本发明的优选实施例，第三步骤中的活性检测包括所述反射区域中的沉积物由所述生物传感器的生物换能器识别出的第一检测步骤；活性检测信号取决于所述沉积物与所述生物换能器的受体之间的相互作用而产生的第二检测步骤；第三检测步骤，在所述第三检测步骤中，所述活性检测信号由分析单元处理以便确定述反射区域中的沉积物的覆盖程度和/或确定所述反射区域中的沉积物的活性。由此有利地可以确定沉积物是否包含活的组织和/或哪种类型的活的组织被包含在沉积物中。这种信息被用于执行载液***的目标特定的清洁处理，因而减少了清洁处理过程中所使用的生物杀灭剂和/或化学品的剂量。

根据本发明的优选实施例，在第二检测器具中的是电化学生物传感器，在所述第三步骤中，所述沉积物的电化学活性度通过所述生物传感器被检测，并且所述活性检测信号取决于所述沉积物的测量的电化学活性度而产生。由此有利地可以确定反射区域中沉积物的覆盖程度和/或确定反射区域中沉积物的活性，因而沉积物的物理特性被同时分析。因而有利地可以将特定种类的沉积物与其它种类的沉积物进行区分。例如，可以确定沉积物是否是活的沉积物，例如载液***中的生物膜。活性信息包括关于特定种类的沉积物、尤其生物膜是否包括活的组织的信息。组合的信息——生物膜的物理特性和是否生物膜包括活的组织——允许载液***的目标特定的清洁处理。因而，清洁处理过程中所使用的生物杀灭剂和/或化学品的剂量可以高效地被减少。

根据本发明的优选实施例，在所述第二步骤中，所述反射信号通过所述分析单元被分析，以便确定沉积物是否位于所述反射区域中和/或确定所述反射区域中的沉积物的类型和/或层厚。由此，有利地可以利用这种测量来确定沉积物是否包括相对软的或硬的物质。柔软度或硬度可以大体上由弹性模量来定量化。反射区域中沉积物的物理特性借助于评价反射区域的时域反射信号被确定。取决于超声波信号的行进时间、反射信号的强度、和/或与发射信号的频率相比反射信号的频率来确定沉积物的物体特性。提供如上所述具有第一检测器具以及还有第二检测器具的装置与具有仅仅第二检测器具的装置相比的另一优点在于，还可以在沉积物是死的时的情况下检测沉积物。

根据本发明的优选实施例，在第四步骤中，取决于所述沉积物的检测的活性、取决于所述反射区域中的沉积物的类型和/或层厚、和/或取决于沉积物是否位于所述反射区域中来处理所述载液***的液体。由此，有利地能够以经济且生物学高效的方式执行针对沉积物目标化的载液***的处理。因而，可以改善环境保护，而载液***的处理成本可以同时显著降低。

结合例如示出了本发明的原理的附图，从而以下详细的说明中将清楚本发明的这些和其它特点、特征和优点。仅仅出于示例的原因，非限制本发明的范围地给出了说明。以下所引的附图指的是随附的图。

附图说明

图1示意性示出了根据本发明的用于检测结垢和/或污垢沉积物的装置。

图2至4示意性示出了根据本发明的装置的第二检测措施的多个实施例。

具体实施方式

本发明将针对特定的实施例并参照附图被描述，但是本发明并不限于这些，而由权利要求书限制。所描述的附图仅仅是示意性且非限制性的。在各附图中，出于示意性目的，一些元素的大小可以被夸大且未成比例地示出。

在不定冠词或定冠词指的是单数时，例如“一”、“一个”、“该”，这也涉及了复数如果不是另外提到的话。

此外，说明书和权利要求书中的术语第一、第二、第三等被用于区分类似的元素并且并不必然描述了次序或先后顺序。应当理解的是，所使用的术语在合适的情况下是可互换的，并且在此描述的本发明的各实施例适合于以所述或所示不同的次序操作。

在图1中，根据本发明的用于检测结垢和/或污垢沉积物31的装置1被示意性示出。装置1有利地允许载液***中、尤其是诸如发电厂、钢铁厂、造浆或造纸厂的工厂的冷却回路中、尤其流体管道30中的沉积物31的检测。液体可以在载液***的流管30内沿着流动方向100流动。沉积物31的检测可以包括沉积物31的物理特性的测量，例如沉积物31的密度、弹性模量意义上的柔软度；还有沉积物31的具体种类的检测，例如有机的、无机的、生物的、非生物的、活的或死的沉积物31。因而，装置1允许诸如包含活的细菌或其它有机物的生物膜的沉积物31与诸如无机沉积物31的沉积物31的具体种类区分，以及还同时允许具体种类的沉积物31的物理特性的确定。

装置1可拆卸地连接至载液***的流体管道30，从而检测流体管道30内部中的反射区域20中的结垢和/或污垢沉积物31。装置1包括用于朝反射区域20发射超声波发射信号12的超声波换能器10以及用于检测由超声波发射信号12在反射区域20中的反射所获得的超声波反射信号12的第一检测器具10。超声波换能器10和第一检测器具10可以被结合到一个单元10中或者替代性地包括单独的单元，其中一个单元被构造成发生超声波发射信号12，并且另一个单元被构造成检测超声波反射信号13。此外，装置1包括用于检测沉积物31的具体种类的第二检测器具21，其中第二检测器具21在反射区域20中安置。通过将第二检测器具21安置在反射区域20中，有利地可以使得检测尤其同时由第一检测器具10所检测的同一沉积物31，这是通过检测第二反射信号13来实现的，从而确定沉积物31的物理特性。第二检测器具21尤其被构造成产生包含实现特定种类的沉积物31与其它种类的沉积物31区分的信息的检测信号。例如，第二检测器具21可以包括生物传感器21，尤其是电化学生物传感器、光学生物传感器、电子生物传感器、压电生物传感器、重量分析式生物传感器和/或其它生物传感器。特别地，第二检测器具21或生物传感器21被构造成产生包括关于沉积物的活性信息的活性检测信号。附加地，该装置可以包括分析单元11，所述分析单元被构造成依据活性检测信号来确定反射区内的沉积物的覆盖程度和/或反射区内的沉积物的活性。根据本发明特别优选的是，第二检测器具21包括电化学生物传感器21，该电化学生物传感器被构造成取决于沉积物31的测量的电化学活跃度产生活性检测信号。

根据本发明的一优选实施例，第二检测器具21、以及尤其另一第二检测器具21′被构造成检测沉积物31、尤其生物膜31是活的还是死的。例如，第二检测器具21包括具有生物换能器的生物传感器，其取决于生物换能器的受体与沉积物31、尤其生物膜或污垢沉积物之间的相互作用而产生第二检测信号。超声波发射信号12和反射信号13可替代地被分析，以确定载液***中的液体的速度。沉积物的诸如密度的物理特性的检测是基于自反射区域20所反射的反射信号13的分析。特别地，反射区域20中的沉积物31可以与发射信号12相比改变反射信号13，尤其反射信号13的运行时间、强度和/或频率。因而有利地可以使得分析沉积物31的种类，即沉积物31是否包括有机的或无际的、生物的或非生物的以及活的或死的沉积物31。这实现了特定种类的沉积物31与其它种类的沉积物31的区分以及同时实现了特定种类的沉积物31的定量。

根据本发明优选的是，装置1具有包括附加超声波换能器10′以及附加第一检测器具10′的第一基准测量单元、以及尤其附加的分析单元11′，装置1具有第二基准测量单元，所述第二基准测量单元包括附加的反射区域20′以及在所述附加的反射区域20′内安置的附加的第二检测器具21′，分析单元11被构造成取决于由第一和/或第二记载测量单元提供的信息来确定反射区域20内的沉积物31的特性。附加的超声波换能器10′被构造成朝向附加的反射区域20′反射附加的超声波发射信号12′。附加的第一检测器具10′被构造成检测由附加的超声波发射信号12′在附加的反射区域20′内的反射所获得的附加的超声波反射信号13′。这样，有利地可以测量反射区域20与超声波换能器10之间的距离，这是通过将该距离与附加的超声波换能器10′与附加的反射区域20′之间的基准距离进行对比来实现的。附加的反射区域20′因此可以保持净除(clean)任何沉积物31，例如通过用由附加的超声波换能器10′发射的附加的发射信号12′来净除附加的反射区域20′。超声波换能器10与反射区域20之间的真实距离例如由于流通管道30内的温度或压力而改变。因此，测量时超声波换能器10与反射区域20之间的距离可以通过如上所述的同时被测量的基准距离被精确地确定。因此，沉积物31的厚度的测量不会包含取决于诸如压力和温度的操作状况的未知的偏差，从而沉积物31的物理特性可以相对高灵敏度地被确定。

在图2至4中，根据本发明的装置1的第二检测器具的多个实施例被示意性示出。优选地，参照图2至4描述的实施例的说明也适用于附加的第二检测器具21′。在此，第二检测器具21是化学成像传感器21，其在此也称为细胞微生理计(microphysiometer)21或光寻址电位分析传感器(LAPS)。优选地，基于半导体的化学成像***11、21(其包括分析单元11和/或第二检测器具21)被构造成产生检测信号，用于可视化与第二检测器具21的感测表面203接触的化学品31或沉积物31的二维分布。优选地，该化学成像***11、21被集成在一芯片上、优选一晶片上。

在图2中，第二检测器具21具有电解质-绝缘体-半导体(EIS)结构，其包括半导体基板201以及在该半导体基板201上安置的绝缘器具202，尤其硅。优选地，直流(dc)电压通过电压发生器具214经由接触电极204′被施加至半导体基板201，从而耗尽层(未示出)在基板201内引出。特别地，已经发现耗尽层是与感测表面203上的表面电位相关联的，其随着溶液200、优选电解质溶液200的pH值而变化。pH值是一种针对电解质溶液的氢浓度或离子浓度的测量。具体地，溶液包括化学品，也称为分析物31或沉积物31与感测表面203接触。优选地，第二检测器具21包括基准电极204，其与溶液200和接触电极204′接触，后者与半导体基板201接触。在此，耗尽层的电容以光电流204″的形式(见图3)、尤其交流电(ac)的形式被读出。在此，光电流204″通过用指示灯209的、优选激光器209的调制后的光束210照射半导体基板201而在基板201中引出。在此，调制后的光束210是激光束210。这样，表面电位以及因而溶液的pH值或离子浓度通过以下方式被确定，即测量由基准电极204所测定的第一电位与由接触电极204′测定的第二电位之差。优选地，测量的光电流204″通过放大器具205被放大并经由模拟-至-数字转换器具206被引至计算器具207。

优选地，聚焦的激光束210由光学器具211产生，其中，光学器件211被构造成扫描感测表面203或感测区域203。优选地，激光源209与光学器件211一起、尤其与对焦光学器件一起安装在传感器工位下方。在此，光学器具211被构造用于将激光束210定位在感测表面203中的每个光点209″上。这里，由指示灯209照亮的光点209″也称为测量点209″(见图4)。优选地，激光束210在感测表面203上的位置通过控制器具208被控制，其中所述控制器具取决于自计算器具208接收的信号和/或来自光学器件211的反馈信号来操作光学器件211。

优选地，计算器具207产生电压控制信号213，所述电压控制信号尤其经由数字-至-模拟转换器具212被转换，以便控制由电压发生器具214产生的dc电压。优选地，所施加的电压以及激光束210的位置都由计算器具207控制，其中，计算器具207被构造用于以同步化的方式执行光电流204″的测量。特别地，光电流204″在每个测量点209″处被独立地测量，优选地，化学品31在感测表面203上的二维分布映射取决于每个测量点209″上的单独的测量被产生。已经发现，感测***21、11的空间分辨率取决于多个参数，例如感测板202、202′的厚度以及半导体203上的少数载流子的扩散长度。优选地，第二检测器具21被构造成解析具有1至10微米宽度、优选3至7微米宽度、甚至更加优选5微米宽度的线图案。优选地，测量速度为100像素每秒。

优选地，感测表面203包括聚合物和/或设有微结构化的材料。优选地，微结构化的材料包括多孔硅，其中形成具有小于10微米的平均直径、优选小于5微米的平均直径、甚至更加优选大约1微米的平均直径的大气孔。因而，有利地可以使得改善生物单元31在感测表面203上的附着和/或实现表面电位、溶液200的pH值和/或离子浓度和/或培养媒介200中的pH值变化的连续测量。此外，因而有利地可以使得在感测表面203上安置的生物***31的生化活性视觉化和/或定量化。

图3示出了根据本发明的一个实施例的装置1的第二检测器具21的实施例。这里，第二检测器具21是LAPS21，优选基于场效应的传感器21、尤其离子选择场效应晶体管(ISFET)或电解质-绝缘体半导体传感器。这里，第二检测器具21具有层化的结构，其包括基板层201(优选包括由硅晶片、尤其p掺杂的硅制成的硅基板201)、绝缘层202(包括绝缘器具202、优选氧化硅)、以及换能层202′(包括换能器具202′，优选Ta₂O₅)。这里，接触电极204′、优选Ohmic触头204′、优选AI沿着与感测表面203的主要延伸平面垂直的方向安装在与感测表面203相反的后侧上。优选地，接触电极204′是环形的。这里，接触电极204′提供了至第二检测器具21的层化的结构的电连接。优选地，接触电极204′电连接至基准电极204、优选Ag/AgCl液体接界电极。优选地，基准电极204和第二电极204′连接至基于半导体的化学成像***的接口电子***11或分析单元11，其中，接口电子***11被构造成提供信号以操作第二检测器具21和/或自第二检测器具21读取传感器信号204″、优选光电流204″。

优选地，第二检测器具21的换能器具202′被构造用于在与感测表面203接触的溶液中与感测表面203上的沉积物31或分析物31电化学相互作用和/或由在感测表面203上安置的固定器具202″(见图4)固定不同。特别地，表面电位由于换能器具202′与分析物31之间的电化学相互作用而产生。已经发现的是，表面电位取决于感测表面203上和/或溶液200中分析物31的浓度。优选地，光电流204″依据感测表面203上的光点209″或测量点209″的位置被测量。因而，有利地可以获得感测表面203上的沉积物的空间解析。这里，第二检测器具21包括指示灯阵列209′，优选红外(IR)发光二极管(LED)阵列209′作为指示灯209。特别地，IR-LED阵列209′被构造成寻址感测表面203上的不同传感器与或测量点209″。优选地，4乘4IR-LED阵列209′因而被用于在感测表面203上产生十六个测量点209″。

根据第一操作模式，IR-LED以分组模式的方式被逐一地照亮，允许以固定的时序测量所有16个测量点。因而有利的是可以通过关于软件和硬件要求的更容易满足。根据第二操作模式，多个测量点被并行地读取。优选地，IR-LED阵列209′的每个IR-LED与一个测量点209″相关联，每个IR-LED发射调制后的光，其中，每个IR-LED与调制后的光的独特的调制频率相关联。优选地，光电流204″取决于具有不同频率的各个光电流被产生，所述各个光电流与每个IR-LED相关联。由于光电流204″的记录，所有测量点209″的信息有利地同时可用。优选地，快速傅立叶算法被用于将光电流204″分离成每个独立的光电流。因而有利地可以提供第二检测器具21简单实施到装置1中。

优选地，第二检测器具21是在芯片上安置的光寻址电位分析传感器(LAPS)或细胞微生理计21，其中，指示灯阵列209′优选与芯片集成在一起。由此，有利地可以允许容易搬运不同的传感器芯片以及取决于待测的沉积物31容易更换装置1的第二检测器具21。因而有利地可以提供具有第二检测器具的装置，其中，第二检测器具21电子和机械设定到单个芯片单元中的集成导致了紧凑的设计，优点在于便携性和低需要的空间要求。

在图4中，示出了四个测量点209″，它们由指示灯阵列209′、优选IR-LED阵列209′在感测表面203上产生。这里，光阻层202″在感测表面203上与换能器具202′相连。优选地，光阻层202″包括含环氧基负光阻的聚合物、优选SU-8。优选地，井203′在光阻层202″中产生，其中井203′优选具有大约6乘13mm²的尺寸。优选地，井203′充满了固化器具202″、优选凝胶202″′、特别是聚丙烯酰胺凝胶。这里，各井203′中的第一井仅仅包括固化器具202″′，并且各井203′中的第二井包括固化器具202″′以及分析物31或沉积物31。因而有利地可以提供第二检测器具21的片上不同设定。优选地，各井203′中的第一井为了基准测量用作为附加的检测器具21′。因而有利地可以减少针对测量的外部影响，例如传感器漂移、温度和/或外部pH变化。已经发现，外部影响会造成井203′内的感测表面203的两个区域影响并且可以由不同的测量得以补偿。优选地，固化器具202″′包括酶、细胞、细菌和/或生物起作用的聚合物。例如，固化器具包括凝胶基质包封，用于产生具有大量细胞的均匀细胞分布。替代地，各隔室通过依附生长或共价固化而被固化。这里，例如藻酸盐、琼脂糖或聚丙烯酰胺凝胶被用作为井203′中的凝胶基质。因而有利地可以提供生物传感器作为第二检测器具21，其是基于在光寻址电位分析传感器(LAPS)21的感测表面203上固化的活性细胞。优选地，第二检测器具21对于由细菌新陈代谢的养分的浓度是敏感的，尤其是由于细胞外酸化的原因。优选地，第二检测器具21或LAPS21在一芯片上设置，其中，LAPS被构造用于养分浓度的不同测量。因而有利地可以通过不同的测量来减少外部影响。

附图标记列表

1装置

10超声波换能器/第一检测器具

11分析单元

12超声波发射信号

13超声波反射信号

20反射区域

21第二检测器具

10′附加的超声波换能器/第一检测器具

11′附加的分析单元

12′附加的超声波发射信号

13′附加的超神波反射信号

20′附加的反射区域

21′附加的第二检测器具

30流体管道

31沉积物

100流方向

200溶液

201基板

202绝缘器具

202′换能器具

202″光阻层

202″′固化器具

203感测表面

203′井

204基准电极

204′接触电极

204″光电流

205放大器具

206模拟-至-数字转换器具

207计算器具

208控制器具

209指示灯

209′指示灯阵列

209″测量点

210光束

211光学器具

212数字-至-模拟转换器具

213电压控制信号

214电压发生器具

Claims (14)

1.一种用于检测载液***内的反射区域(20)中的沉积物(31)的装置，包括用于朝向所述反射区域(20)发射超声波发射信号(12)的超声波换能器(10)以及用于检测由所述超声波发射信号(12)在所述反射区域(20)中的反射所获得的超声波反射信号(13)的第一检测器具(10)，第二检测器具(21)在所述反射区域(20)中安置，所述第二检测器具(21)被构造成检测特定种类的沉积物(31)。

2.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述第二检测器具(21)是以下传感器至少之一：电化学生物传感器、光学生物传感器、电子生物传感器、压电生物传感器或重量分析式生物传感器、其它生物传感器和/或光寻址电位分析传感器(LAPS)，其中优选地，LAPS被集成到一芯片卡中。

3.根据前述权利要求任一所述的装置(1)，其特征在于，所述第二检测器具(21)被构造成产生活性检测信号，所述活性检测信号包括关于所述沉积物(31)的活性信息、和/或所述沉积物(31)的胞外酸化信息、和/或所述沉积物(31)的沿着所述第二检测器具(21)的感测表面(203)的主要延伸平面的与位置有关的分布的信息。

4.根据前述权利要求任一所述的装置(1)，其特征在于，所述装置(1)包括分析单元(11)，所述分析单元被构造成取决于所述活性检测信号来确定所述沉积物(31)在所述反射区域(20)中的覆盖程度，特别地，所述覆盖程度是所述沉积物在所述第二检测器具(21)的感测表面(203)上的与位置有关的分布，优选地所述分析单元(11)在包括LAPS21的芯片卡上安置。

5.根据前述权利要求任一所述的装置(1)，其特征在于，所述生物传感器是被构造成取决于所述沉积物(31)的测量的电化学活性来产生活性检测信号的电化学生物传感器。

6.根据前述权利要求任一所述的装置(1)，其特征在于，所述分析单元(11)被构造成分析所述反射信号(13)从而确定沉积物(31)是否位于所述反射区域(20)中和/或确定所述反射区域(20)中的沉积物(31)的类型和/或层厚。

7.根据前述权利要求任一所述的装置(1)，其特征在于，所述装置(1)具有第一测量单元，所述第一测量单元包括所述超声波换能器(10)以及所述第一检测器具(10)，所述装置具有第二测量单元，所述第二测量单元包括所述反射区域(20)和所述第二检测器具(21)，所述第一测量单元和所述第二测量单元能够拆卸地连接至所述载液***，以使得所述第一测量单元和所述第二测量单元位于所述载液***的相反两侧上。

8.根据前述权利要求任一所述的装置(1)，其特征在于，所述装置(1)具有第一基准测量单元，所述第一基准测量单元包括附加的超声波换能器(10′)以及附加的第一检测器具(10′)，所述装置具有第二基准测量单元，所述第二基准测量单元包括附加的反射区域(20′)以及在所述附加的反射区域(20′)中安置的附加的第二检测器具(21′)，所述分析单元(11)被构造成取决于由所述第一和/或所述第二基准测量单元提供的基准信息来确定所述反射区域(20)中的沉积物(31)的特性。

9.一种用于确定载液***内的反射区域(20)中的污垢和/或结垢沉积物(31)的方法，包括通过超声波换能器(10)向所述反射区域(20)发射超声波发射信号(12)的第一步骤；通过第一检测器具(10)检测由所述超声波发射信号(12)在所述反射区域(20)中的反射所获得的超声波反射信号(13)的第二步骤；以及通过在所述反射区域(20)内安置的第二检测器具(21)检测特定种类的沉积物(31)的第三步骤。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述第三步骤中，通过电化学生物传感器、光学生物传感器、电子生物传感器、压电生物传感器、重量分析式生物传感器或其它生物传感器至少之一检测所述沉积物(31)的活性。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述第三步骤中的活性检测包括所述反射区域(20)中的沉积物(31)由所述生物传感器的生物换能器识别出的第一检测步骤；活性检测信号取决于所述沉积物(31)与所述生物换能器的受体之间的相互作用而产生的第二检测步骤；第三检测步骤，在所述第三检测步骤中，所述活性检测信号由分析单元(11)处理以便确定所述反射区域(20)中的沉积物的覆盖程度和/或确定所述反射区域(20)中的沉积物的活性。

12.根据权利要求9至11任一所述的方法，其特征在于，所述第二检测器具(21)是电化学生物传感器，在所述第三步骤中，所述沉积物(31)的电化学活性度通过所述生物传感器被检测，并且所述活性检测信号取决于所述沉积物(31)的测量的电化学活性度而产生。

13.根据权利要求9至12任一所述的方法，其特征在于，在所述第二步骤中，所述反射信号(13)通过所述分析单元(11)被分析，以便确定沉积物(31)是否位于所述反射区域(20)中和/或确定所述反射区域(20)中的沉积物(31)的类型和/或层厚。

14.根据权利要求9至13任一所述的方法，其特征在于，在第四步骤中，取决于所述沉积物(31)的检测的活性、取决于所述反射区域(20)中的沉积物(31)的类型和/或层厚、和/或取决于沉积物(31)是否位于所述反射区域(20)中来处理所述载液***的液体。