CH684028A5

CH684028A5 - Sensor element for determn. of dissolved oxygen in sample

Info

Publication number: CH684028A5
Application number: CH1302/92A
Authority: CH
Inventors: Moshe Dr Gavish; Misha Dr Roitberg
Original assignee: Segnetron Inc
Priority date: 1992-04-22
Filing date: 1992-04-22
Publication date: 1994-06-30
Also published as: DE4213268A1

Abstract

A sensor element for determining the amt. of oxygen dissolved in a sample is made by (a) mixing a fluorescent reagent (I) with a silicone oil (II) which has a molecular wt. of 6,700-80,000; (b) heating the mixt. at a temp. of 150-350 deg.C and (c) prior to or during the heating step (b), adding an optical insulating material (III) into the fluorescent reagent, the (III) forming an optical insulating layer that protects the fluorescent reagent from outside light but allows diffusion of oxygen to the sensor. (I) is chosen e.g. from polycyclic aromatic homocyclic and heterocyclic cpds., esp. decacyclene (ia) or perylene (Ib). (II) pref. has a molecular wt. of 15,000-30,000 and is esp. a mixt. of dimethyl silicone, methyl hydrosilicone, diphenyl silicone and methylphenyl silicone. A crosslinking agent e.g. an organic peroxide or a diazo cpd. may be incorporated to promote crosslinking during the heating stage. (III) is pref. graphite powder.

Description

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CH 684 028 A5 CH 684 028 A5

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Beschreibung description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors zum Bestimmen des Sauerstoffgehalts in einer Probe. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Hochleistungs-Sau-erstoffsensors mit langer Betriebslebensdauer. The invention relates to a method for producing a sensor for determining the oxygen content in a sample. In particular, the invention relates to a method for producing a high-performance oxygen sensor with a long service life.

Die Entwicklung optischer Sensoren ist einer der am schnellsten wachsenden neuen Bereiche in der analytischen Chemie. Die meisten dieser Sensoren betreffen nicht die direkte Bestimmung von Ana-lyten, sondern messen die optischen Eigenschaften eines Reagens, das am fernen Ende des Lichtleiters befestigt ist. Dieses Reagens wird so ausgewählt, dass es optische Eigenschaften hat, die sich bei Wechselwirkung mit dem Zielsubstrat ändern. Lichtleitersensoren, die immobilisierte Reagenzien verwenden, wurden auf der Basis von Fluoreszenz-Komplexbildung und des dynamischen Fluoreszenz-Löschens entwickelt. Sowohl die Fluoreszenz-Le-bensdauern als auch die Anregungs/Emissions-Spektren werden durch das Immobilisationsverfah-ren und den Typ eines am Reagens befestigten Festkörperträgers stark beeinflusst. Solche Sensorelemente wurden in den letzten Jahren hauptsächlich zum Nachweis von Sauerstoffkonzentrationen entwickelt. The development of optical sensors is one of the fastest growing new areas in analytical chemistry. Most of these sensors do not concern the direct determination of analytes, but measure the optical properties of a reagent that is attached to the far end of the light guide. This reagent is selected to have optical properties that change when interacting with the target substrate. Fiber optic sensors using immobilized reagents have been developed based on fluorescence complex formation and dynamic fluorescence quenching. Both the fluorescence lifetimes and the excitation / emission spectra are strongly influenced by the immobilization process and the type of solid support attached to the reagent. Such sensor elements have mainly been developed in recent years for the detection of oxygen concentrations.

Die US-PS 4 925 268 beschreibt einen Sensor, der zur Überwachung der Sauerstoff- oder Wasserstoffkonzentration geeignet ist und ein Lichtleitersegment verwendet, das an einem Ende eine Matrix hat, die ein Indikatormolekül aufweist, das an ein Polymer gebunden ist. Das beanspruchte Polymer ist unter den Acrylaten und Methacrylaten ausgewählt. Ein wesentlicher Nachteil dieser Sensoren besteht darin, dass die fluoreszierenden Reagenzien durch starke zwischenmolekulare Wechselwirkungen gekennzeichnet sind, die ihnen in den meisten Lösungsmitteln eine sehr schlechte Löslichkeit verleihen, und dass sie eine starke Tendenz zur Aggregatbildung und Kristallisation mit typischer säulenförmiger Stapelung haben. Ferner tendieren die Moleküle des Reagens dazu, in der festen Polymermatrix zu wandern und Aggregate zu bilden, so dass sie ihre Fluoreszenzeigenschaften verlieren. US Pat. No. 4,925,268 describes a sensor suitable for monitoring the oxygen or hydrogen concentration and using a light guide segment that has a matrix at one end that has an indicator molecule that is bound to a polymer. The claimed polymer is selected from the acrylates and methacrylates. A major disadvantage of these sensors is that the fluorescent reagents are characterized by strong intermolecular interactions that give them very poor solubility in most solvents, and that they have a strong tendency to aggregate and crystallize with typical columnar stacking. Furthermore, the molecules of the reagent tend to migrate and form aggregates in the solid polymer matrix so that they lose their fluorescence properties.

Die Auswirkung von Sauerstoff auf Fluoreszenzmaterial besteht darin, die Stärke der emittierten Strahlung dadurch zu verringern, dass für angeregte Moleküle eine nichtstrahlende Relaxationsbahn geschaffen wird. Im allgemeinen ist es relativ einfach, eine Lösung eines der wohlbekannten polycy-lischen aromatischen Fluoreszenzmaterialien, die normalerweise für diesen Zweck eingesetzt werden, in einem Lösungsmittel wie Toluol herzustellen und diese Lösung als einen Indikator einzusetzen. Üblicherweise ist diese Lösung in eine Membran eingekapselt, die für ein Gas durchlässig ist, so dass Sauerstoff in die Lösung diffundieren kann. Es wurde auch schon vorgeschlagen, eine Indikatorsubstanz in ein Polymer unter Einsatz des gleichen Lösungsmittels einzubauen. Nach Verdunstung des Lösungsmittels findet jedoch im allgemeinen eine Kristallisation des Indikators statt, so dass er den grössten Teil seiner Sauerstoffempfindlichkeit verliert. The effect of oxygen on fluorescent material is to reduce the strength of the emitted radiation by creating a non-radiative relaxation pathway for excited molecules. In general, it is relatively easy to prepare a solution of one of the well-known polycyclic aromatic fluorescent materials normally used for this purpose in a solvent such as toluene and to use this solution as an indicator. This solution is usually encapsulated in a membrane which is permeable to a gas, so that oxygen can diffuse into the solution. It has also been proposed to incorporate an indicator substance into a polymer using the same solvent. After evaporation of the solvent, however, the indicator generally crystallizes so that it loses most of its oxygen sensitivity.

Um den Nachteil einer Verminderung der Empfindlichkeit des Reagens zu beseitigen, wurde bereits in der EP-PS 109 959 vorgeschlagen, als Trägermaterial für das Indikatorreagens einen Weichmacher einzusetzen, damit das Indikatorreagens permanent in das Polymer eingebaut bleibt. Ausserdem wird ein Lösungsmittel für den Indikator benötigt. In order to eliminate the disadvantage of a reduction in the sensitivity of the reagent, EP-PS 109 959 already proposed to use a plasticizer as the carrier material for the indicator reagent so that the indicator reagent remains permanently incorporated into the polymer. A solvent is also required for the indicator.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Sensors zum Bestimmen von gelöstem Sauerstoff. Dabei soll der Sensor eine sehr hohe Konzentration von Fluoreszenz-Reagens haben, wodurch seine Betriebslebensdauer verlängert wird. The object of the present invention is to provide a method for producing a sensor for determining dissolved oxygen. The sensor is said to have a very high concentration of fluorescent reagent, which extends its operating life.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements zum Bestimmen der in einer Probe gelösten Sauerstoffmenge, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Vermischen eines fluoreszierenden Reagens mit einem Siliconöl, das ein Molekulargewicht im Bereich von 6700-80 000 hat; (b) Erwärmen des Gemischs bei einer Temperatur im Bereich von 150-350°C; und (c) Zufügen einer optischen Isolatorschicht auf das fluoreszierende Reagens. Das gemäss der Erfindung erhaltene Sensorelement enthält sehr hohe Konzentrationen des fluoreszierenden Reagens und hat somit hohe Empfindlichkeit gegenüber Sauerstoff. Es zeichnet sich ferner durch seine Lichtdurchlässigkeit für sichtbare Strahlung aus, so dass die Anregung und Emission von Licht in einfacher Weise gemessen werden kann. The invention relates to a method for producing a sensor element for determining the amount of oxygen dissolved in a sample, the method comprising the following steps: (a) mixing a fluorescent reagent with a silicone oil which has a molecular weight in the range of 6700-80,000; (b) heating the mixture at a temperature in the range of 150-350 ° C; and (c) adding an optical isolator layer to the fluorescent reagent. The sensor element obtained according to the invention contains very high concentrations of the fluorescent reagent and thus has a high sensitivity to oxygen. It is also characterized by its translucency for visible radiation, so that the excitation and emission of light can be measured in a simple manner.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Sensorelements. 1 is a schematic illustration of a preferred exemplary embodiment of the sensor element.

Das Sensorelement wird in situ erhalten, wobei das Siliconöl, das ein Molekulargewicht im Bereich von 6700-80 000 und bevorzugt im Bereich von 15 000-30 000 hat, gleichzeitig als ein Lösungsmittel für das Fluoreszenz-Reagens, als Polymerisationsmittel und als Vernetzungsmittel wirkt. Siliconöle, die die Hauptausgangskomponenten für die vorliegende Erfindung sind, sind handelsüblich. Sie bestehen im wesentlichen aus einem Gemisch von Dimethylsi-licon, Methyl-Wasserstoff-Silicon, Diphenylsiioxan und Methyldiphenylsilicon. Sie zeichnen sich durch ihre ausgezeichnete Beständigkeit gegen oxidative Angriffe und thermische Umlagerung aus. Bei einer Temperatur oberhalb 150°C tritt eine allmähliche Viskositätssteigerung auf. Im Fall von Dimethylsilicon, das einer der Hauptbestandteile des Siliconöls ist, werden die Methylgruppen zu Formaldehyd oxidiert, und dann findet eine Vernetzung durch die Siloxan-brücken statt. Fakultativ kann ein zusätzliches Vernetzungsmittel, wie es üblicherweise eingesetzt wird, etwa ein organisches Peroxid oder eine Diazoverbin-dung zugefügt werden. The sensor element is obtained in situ, wherein the silicone oil, which has a molecular weight in the range of 6700-80,000 and preferably in the range of 15,000-30,000, simultaneously acts as a solvent for the fluorescent reagent, as a polymerizing agent and as a crosslinking agent. Silicone oils, which are the main starting components for the present invention, are commercially available. They consist essentially of a mixture of dimethyl silicon, methyl hydrogen silicone, diphenyl siioxane and methyl diphenyl silicone. They are characterized by their excellent resistance to oxidative attacks and thermal rearrangement. At a temperature above 150 ° C there is a gradual increase in viscosity. In the case of dimethyl silicone, which is one of the main constituents of silicone oil, the methyl groups are oxidized to formaldehyde, and then crosslinking takes place through the siloxane bridges. Optionally, an additional crosslinking agent, as is usually used, such as an organic peroxide or a diazo compound can be added.

Das erhaltene Sensorprodukt ist ein Festkörper, der die mechanischen Eigenschaften eines hoch-permeablen Silicongummis hat, in dem eine sehr hohe Konzentration des Fluoreszenz-Reagens eingeschlossen ist. Das Sensorelement hat sich als bei der biologischen Sterilisationstemperatur stabil erwiesen und behält seine hohe Durchlässigkeit für Sauerstoff. The sensor product obtained is a solid which has the mechanical properties of a highly permeable silicone rubber, in which a very high concentration of the fluorescent reagent is included. The sensor element has proven to be stable at the biological sterilization temperature and retains its high permeability to oxygen.

Die einzusetzenden Fluoreszenz-Reagenzien The fluorescence reagents to be used

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können aus verschiedenen für diesen Zweck bekannten Reagenzien ausgewählt werden, beispielsweise aus polycylischen aromatischen Molekülen, homocyclischen und heterocyclischen aromatischen Molekülen. Typische Beispiele solcher Verbindungen sind folgende: Dekacyclen, Perilen (Di-benzanthracen), Tetracen, Benzanthracen usw. Ein Fachmann wählt das geeignete Reagens entsprechend den speziellen Anforderungen für den jeweiligen Einsatz des Sensors sowie nach der Verfügbarkeit des Reagens an Ort und Stelle aus. can be selected from various reagents known for this purpose, for example from polycyclic aromatic molecules, homocyclic and heterocyclic aromatic molecules. Typical examples of such compounds are the following: decacycles, perils (di-benzanthracene), tetracene, benzanthracene etc. A person skilled in the art selects the suitable reagent according to the special requirements for the particular use of the sensor and according to the availability of the reagent on site.

Die optische Isolatorschicht kann aus irgendeinem bekannten Material ausgewählt sein, wobei ein bevorzugtes Material Graphitpulver ist. Durch Einbau dieses Pulvers vor dem Erwärmungsschritt wird eine schwarze optische Isolatorschicht gebildet, die das Fluoreszenz-Reagens gegenüber dem Aussen-licht schützt, aber ein Eindiffundieren von Sauerstoff zum Erfassen durch das Reagens zulässt. The optical isolator layer can be selected from any known material, with a preferred material being graphite powder. By installing this powder before the heating step, a black optical isolator layer is formed, which protects the fluorescent reagent from the outside light, but allows oxygen to diffuse in for detection by the reagent.

Gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in das Gemisch von Siliconöl mit dem Fluoreszenz-Reagens ein Pigmentmaterial entweder vor oder während der Erwärmungsbehandlung eingeführt. Nach der Polymerisation ist das Pigment in dem das Fluoreszenz-Reagens enthaltenden Siliconpolymer eingeschlossen. Das in dem Polymer vorhandene Pigment dient auch als zusätzliche Schutzschicht für das Fluoreszenz-Reagens, ohne dass es dessen hohe Permeabilität für Sauerstoff verringert. According to a further exemplary embodiment of the invention, a pigment material is introduced into the mixture of silicone oil with the fluorescent reagent either before or during the heating treatment. After polymerization, the pigment is included in the silicone polymer containing the fluorescent reagent. The pigment present in the polymer also serves as an additional protective layer for the fluorescent reagent without reducing its high permeability to oxygen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung ist in Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Sensorelements gezeigt, das gemäss der Erfindung hergestellt ist. For a better understanding of the invention, FIG. 1 shows a schematic illustration of a preferred exemplary embodiment of the sensor element which is produced in accordance with the invention.

Eine Lichtquelle 1 sendet Strahlung mit einer Wellenlänge 11 aus, die von einem optischen Filter 2 gefiltert und durch einen gegabelten Lichtwellenleiter 3 zu dem Fluoreszenz-Reagens 5 übertragen wird. Die Fluoreszenzstrahlung mit der Wellenlänge 12 > M geht durch den Lichtwellenleiter 3 zurück zum optischen X2-Filter 7 und zum optischen Detektor 8. Ein Indikatorhalter 4 ist mit dem Lichtwellenleiter 3 verbunden. Eine dünne Pigmentschicht 6 dient als Lichtabsorptionsmittel, um eine optische Unabhängigkeit von dem Fluoreszenz-Reagens herzustellen. Der Sauerstoffindikator wird optisch angeregt und emittiert Licht verschiedener Wellenlängen, dessen Intensität oder Dauer von dem Sauerstoffgehalt einer Probe abhängt. A light source 1 emits radiation with a wavelength 11, which is filtered by an optical filter 2 and transmitted to the fluorescent reagent 5 through a forked optical waveguide 3. The fluorescence radiation with the wavelength 12> M passes through the optical waveguide 3 back to the optical X2 filter 7 and to the optical detector 8. An indicator holder 4 is connected to the optical waveguide 3. A thin pigment layer 6 serves as a light absorbent in order to establish an optical independence from the fluorescent reagent. The oxygen indicator is optically excited and emits light of different wavelengths, the intensity or duration of which depends on the oxygen content of a sample.

Von den Vorteilen des so erhaltenen Sensorelements sollte die sehr hohe Empfindlichkeit gegenüber Sauerstoff genannt werden. Die relative Fluoreszenz-Intensität Of the advantages of the sensor element thus obtained, the very high sensitivity to oxygen should be mentioned. The relative fluorescence intensity

[l(0)/l(100)-1)j x 100 [l (0) / l (100) -1) j x 100

die ein Mass der Sauerstoffempfindlichkeit ist, ändert sich bei Zugabe von Luft zu Stickstoff um 40% und bei Zugabe von reinem Sauerstoff um mehr als 200%. which is a measure of oxygen sensitivity changes by 40% when air is added to nitrogen and by more than 200% when pure oxygen is added.

Gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel wird eine zusätzliche Schicht eines Licht streuenden Materials zwischen die Fluoreszenz-Reagensschicht und die Isolatorschicht eingebaut. Dies ist nützlich zur Erhöhung des Fluoreszenz-Wirkungsgrads, indem ein Teil des übertragenen Lichts für das Fluoreszenz-Reagens rückgestreut wird. According to another exemplary embodiment, an additional layer of a light-scattering material is installed between the fluorescent reagent layer and the insulator layer. This is useful for increasing fluorescence efficiency by backscattering part of the transmitted light for the fluorescence reagent.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen näher erläutert, ohne dass dadurch eine Einschränkung gegeben ist. The invention is explained in more detail below with the aid of examples, without there being any restriction.

Beispiel 1 example 1

6,3 mg Dekacyclen wurde in einem kleinen Ge-fäss gelöst, das 1 ml Siliconöl mit einem Molekulargewicht von 16 000 und einer Viskosität von 350 mPa.s (350 cps) (unter dem Namen F-350 bekannt) enthielt. Das Gemisch wurde für 2 h bei 300°C erwärmt, wodurch die Flüssigkeit zu einem Gel wurde und den lichtdurchlässigen Teil des Fluoreszenz-Reagens bildete. Durch die Zugabe von feinem Graphitpulver zu der Lösung, die während der Erwärmung durchgeführt wurde, wurde ein schwarzer optischer Isolator gebildet, der das Fluoreszenz-Reagens gegenüber Aussenlicht schützt, aber das Diffundieren von Sauerstoff zu dem Sensorelement zulässt. 6.3 mg of decacycles were dissolved in a small jar containing 1 ml of silicone oil with a molecular weight of 16,000 and a viscosity of 350 mPa.s (350 cps) (known under the name F-350). The mixture was heated at 300 ° C for 2 hours, whereby the liquid became a gel and formed the translucent part of the fluorescent reagent. By adding fine graphite powder to the solution, which was carried out during the heating, a black optical isolator was formed which protects the fluorescent reagent from outside light but allows oxygen to diffuse to the sensor element.

Beispiel 2 Example 2

6,5 mg Dekacyclen wurde in einem kleinen Ge-fäss gelöst, das 1 ml Siliconöl mit einem Molekulargewicht von 30 000 und einer Viskosität von 1000 mPa.s (1000 cps) unter dem Namen F-1000 bekannt) enthielt. Das Gemisch wurde für 90 min bei 340°C erwärmt, wodurch die Flüssigkeit zu einem Gel wurde und den lichtdurchlässigen Teil des Fluoreszenzmaterials bildete. 6.5 mg of decacycles was dissolved in a small vessel containing 1 ml of silicone oil with a molecular weight of 30,000 and a viscosity of 1000 mPa.s (1000 cps) (known under the name F-1000). The mixture was heated at 340 ° C for 90 minutes, whereby the liquid became a gel and formed the translucent part of the fluorescent material.

Ein Test mit einem diesen Indikator enthaltenden Sensor ergab eine um ca. 10% geringere Empfindlichkeit als die mit dem Sensor nach Beispiel 1 erhaltene Empfindlichkeit, aber auch eine um 10% kleinere Zeitkonstante. A test with a sensor containing this indicator showed a sensitivity which was about 10% lower than the sensitivity obtained with the sensor according to Example 1, but also a time constant which was 10% smaller.

Beispiel 3 Example 3

6,5 mg 9,10-Diphenylanthracen wurde in einem Gefäss gelöst, das 1 ml Siliconöl mit einem Molekulargewicht von 80 000 und einer Viskosität von 12 500 mPa.s (12 500 cps) (unter dem Namen F-12500 bekannt) enthielt. Das Gemisch wurde für 2 h bei 360°C erwärmt, wodurch die Flüssigkeit ein Gel wurde und den lichtdurchlässigen Teil des Fluoreszenzmaterials bildete. 6.5 mg of 9,10-diphenylanthracene was dissolved in a vessel containing 1 ml of silicone oil with a molecular weight of 80,000 and a viscosity of 12,500 mPa.s (12,500 cps) (known under the name F-12500). The mixture was heated at 360 ° C for 2 hours, whereby the liquid became a gel and formed the translucent part of the fluorescent material.

Ein Test mit einem diesen Indikator enthaltenden Sensor ergab eine um ca. 20% geringere Empfindlichkeit als die mit dem Sensor nach Beispiel 1 erhaltene Empfindlichkeit, aber auch eine um ca. 15% kleinere Zeitkonstante. A test with a sensor containing this indicator showed a sensitivity which was about 20% lower than the sensitivity obtained with the sensor according to Example 1, but also a time constant which was about 15% smaller.

Beispiel 4 Example 4

10 mg Perilen wurde in einem Gefäss gelöst, das 1 ml Siliconöl wie in Beispiel 1 enthielt. Das Gemisch wurde für 2 h bei 260°C erwärmt, wodurch die Flüssigkeit zu einem Gel wurde und den lichtdurchlässigen Teil des Fluoreszenzmaterials bildete. 10 mg of Perilen was dissolved in a vessel containing 1 ml of silicone oil as in Example 1. The mixture was heated at 260 ° C for 2 hours, whereby the liquid became a gel and formed the translucent part of the fluorescent material.

Ein Test mit einem diesen Indikator enthaltenden Sensor ergab eine um ca. 50% geringere Empfind- A test with a sensor containing this indicator showed an approx. 50% lower sensitivity

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lichkeit als bei dem nach Beispiel 1 hergestellten Sensor. than the sensor manufactured according to Example 1.

Claims

1. A method for producing a sensor element for determining the amount of oxygen dissolved in a sample, characterized by the following steps:

(a) mixing a fluorescent reagent with a silicone oil having a molecular weight of 6700-80,000;

(b) heating the mixture to a temperature of 150-350 ° C; and

(c) additionally providing an optical isolator layer in the fluorescent reagent.

2. The method according to claim 1, characterized in that the silicone oil has a molecular weight of 15,000-30,000.

3. The method according to claim 1, characterized in that the silicone oil has a mixture of dimethyl silicone, methyl hydrosilicone, diphenyl silicone and methylphenyl silicone.

4. The method according to claim 1, characterized in that a crosslinking agent is incorporated.

5. The method according to claim 4, characterized in that the crosslinking agent is selected from organic peroxides and diazo compounds.

6. The method according to claim 1, characterized in that the fluorescent reagents are selected from polycyclic aromatic, homocyclic and heterocyclic molecules.

7. The method according to claim 6, characterized in that the fluorescent reagent is decacycles.

8. The method according to claim 6, characterized in that the fluorescent reagent is Perilen.

9. The method according to claim 1, characterized in that the optical isolator layer is graphite powder.

10. The method according to claim 1, characterized in that a pigment is incorporated, which is enclosed by the silicone polymer.

11. The method according to claim 1, characterized in that an additional layer of light-scattering material is inserted between the fluorescent reagent layer and the insulator layer.

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