CN101932931B

CN101932931B - 光化学传感器元件

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Publication number: CN101932931B
Application number: CN200880101337.4A
Authority: CN
Inventors: R·特里尔
Original assignee: Mettler Toledo AG
Current assignee: Mettler Toledo GmbH Germany
Priority date: 2007-08-02
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2028-07-31
Also published as: EP2020597A1; JP2010535331A; EP2174126A1; US20100203649A1; WO2009016236A1; CN101932931A; EP2174126B1

Abstract

本发明涉及用于测量气态或溶解的分析物的光化学传感器元件(9)，尤其是用于测量氧。传感器元件(9)包含固定在聚合物基质(23)中的荧光团(25)，其中所述聚合物基质(23)由具有非芳香族骨架的聚合物形成。本发明还涉及传感器元件(9)在测量设备中的用途。

Description

光化学传感器元件

技术领域

本发明涉及用于测量气态或溶解的分析物(尤其是氧)的光化学传感器元件，以及这种传感器的用途。

背景技术

在许多应用和过程中需要确定气态或溶解的分析物的浓度。例如，在生物技术的过程中监测氧浓度对于过程控制是必不可少的。这也适用于许多其他的分析物，例如CO₂、SO₂、H₂O₂或氮氧化物。

用于测量这些分析物的若干已知方法的缺点在于，它们在测量过程中会导致分析物浓度的变化，因为分析物在测量中被消耗。作为这种测量方法的一种替代办法，近来已经发展了光化学测量方法。光化学测量方法基于性能随着存在的分析物的量变化的传感器元件。在这种类型的光化学传感器元件中使用的一个这种性能是例如可以被分析物激发或消光(即猝灭)的荧光。

US 6,432,363B2中记载的光化学传感器元件含有固定在聚合物基质(polymer matrix)中的发光染料。所述聚合物基质不含增塑剂，并且包含至少一种在主链中具有苯基的聚合物。

WO 95/26501A1中记载了一种用于测定水溶液中离子的光学传感器元件。该传感器元件包含用玻璃化转变温度(Tg)为-150℃～50℃的疏水性聚合物涂布的透明基底(substrate)。在这种情况下，荧光团固定在涂层中。

在US 5,387,525A中，记载了通过季铵盐如四丁基氢氧化铵激活多阴离子荧光团(poly-anionic fluorophor)的荧光的方法，以及该方法在光化学传感器元件中的用途。

在WO 2004/027412A1中，记载了在分析物影响下变色的传感器元件，因此例如可用作食物变坏的指标。传感器元件包含固定在基质中的过渡金属配合物，也可以是荧光染料或荧光团。

Y.Amao等人(Analytica Chimica Acta 407(2000)，41-44)记载了一种用于氧的荧光基传感器元件，其中使用固定在聚苯乙烯膜中的Al-酞菁荧光团。

Y.Amao等人(Analytica Chimica Acta 421(2000)，167-174)记载了通过使用固定在聚(甲基丙烯酸异丁酯-共-三氟甲基丙烯酸酯)膜中的金属卟啉的发光变化测量氧含量。

Y.Amao等人(Analytica Chimica Acta 445(2001)，177-182)记载了固定在聚合物膜中的发光铱(III)配合物，作为光学测定氧含量的材料。

在M.Florescu，A.Katerkamp(Sensors and Actuators B 97(2004)，39-44)的出版物中，记载了用于光学测量氧含量的聚合物膜的优化。对于荧光团，使用钌-金属配合物Ru(dpp)₃Cl₂。

迄今所记载的光化学传感器元件中已经发现的缺点是当在处理系统中对它们进行清洗和灭菌(例如，高压灭菌步骤、CIP(原位清洗)处理、SIP(原位灭菌)处理)时其相当有限的稳定性，以及它们在暴露于例如含有极性有机溶剂的处理介质时稳定性不够。特别是对于生物技术中使用的传感器元件，配备传感器元件的测量设备的清洗、高压灭菌和CIP/SIP处理很重要。灭菌(特别是高压灭菌)中的高温往往造成固定的荧光团的损失，例如由于荧光团的热分裂和褪色以及由于荧光团从载体基质中洗出。特别是在玻璃化转变温度低的聚合物中，高温导致聚合物基质中聚合物链流动性增大，从而导致荧光团通过聚合物基质的扩散增加，因此，导致洗出增大。此外，特别是在US 6,432,363B2中提到的聚合物基质，由于聚合物骨架的芳香性，具有影响其光透过率或透明度的固有的颜色，从而使荧光测量变得更加困难。这种固有着色也可能是由于温度或湿度的影响所导致的老化，并且例如导致聚合物基质变黄。

稳定性的概念包括不同的方面。优选地，光化学传感器元件是热稳定的，并且通过CIP步骤或高压灭菌，荧光团不会在暴露于热的情况下或因其在使用中引起的老化而褪色或洗出。此外，聚合物基质不应随时间而改变其光学和机械性能，它不应变黄、变脆或显示出类似老化的效果。为了保持其功能，聚合物，特别是聚合物基质，优选对诸如水、离子和/或溶剂等干扰物质有抵抗性，即使在已经发生老化过程之后，从而可以防止损坏聚合物基质和嵌入其中的荧光团。此外，聚合物基质应对所使用的溶剂具有稳定性，不会膨胀，它应该具有荧光团的恒定浓度和均匀分布，并且也表现出恒定的Stern-Vollmer特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的光化学传感器元件，其具有高机械稳定性，在抵抗清洗处理和处理介质时非常稳定，因此，基本上耐老化，并且使用寿命长。这种传感器元件也应该基本上没有由聚合物基质引起的固有着色。另一个目的是提供一种对市售光化学传感器元件的经济替代，其还优选满足要求严格的生物学和生物化学过程中的使用要求，并与这些领域中所使用的物质兼容。

该目的通过根据独立权利要求的改进的光化学传感器元件得以解决。进一步优选的实施方案是从属权利要求的主题。

根据本发明的光化学传感器元件包含固定在聚合物基质中的适合荧光团。用于形成聚合物基质的聚合物包含非芳香族骨架。聚合物基质的层厚度优选为约3~10μm。

术语“骨架”指聚合物的主链。换言之，只有聚合物的主链是非芳香族的。侧链或侧基还可以包括芳香族成分。

术语“分析物”指待测量的物质，特别是氧。

由于非芳香族骨架，聚合物基质的固有着色可以降低到较低水平，并且可以实现聚合物基质的最好可能的光学透明度。下面的聚合物可以用于形成根据本发明的光化学传感器元件的聚合物基质：环烯烃共聚物(COC)如乙烯-降冰片烯共聚物、环烯烃聚合物(COP)和聚(N-甲基甲基丙烯酰亚胺)(PMMI)。也可以使用这些聚合物的混合物。

这些聚合物用作传感器元件中的聚合物基质是有利的，因为它们具有特别高的机械稳定性，并且在抵抗酸性和碱性清洗过程中非常稳定，从而传感器元件具有很长的使用寿命。

荧光团的选择取决于待测量的分析物和其在聚合物基质中的溶解度。适合的荧光团是具有长荧光寿命的那些以及荧光对待测量的分析物的浓度表现出高度依赖性的那些。适合的荧光团的例子，尤其是对于测量氧含量，包括Pt(II)-间(meso)-四(五氟苯基)-卟吩、Pt(II)-5,10,15,20-四-(2,3,4,5,6-五氟苯基)-卟啉(PtTFPP)、Pt(II)-八乙基卟啉(PtOEP)、Pt(II)-八乙基卟啉酮(PtOEPK)，这些化合物的类似物，Pd(II)-配合物PdTFPP、PdOEP和PdOEPK，以及Pd(II)-间-四苯基-(四苯并)卟吩(PdTPTBP)。可以使用的其他荧光团包括Ir(III)((N-甲基-苯并咪唑-2-基)-7-(二乙基氨基)-香豆素))₂(acac)、Ir(III)((苯并噻唑-2-基)-7-(二乙基氨基)-香豆素))₂-(acac)。许多进一步适合的荧光团是市售的。

进一步有利的是，所使用的荧光团具有足够的溶解度，使得它们可以足够的浓度在用于制备聚合物基质的溶剂中、在聚合物中以及在聚合物基质本身中溶解。优选地，溶解的荧光团以基本上非聚集状态存在于这些溶剂以及聚合物基质中，并且优选均匀溶解。

因此，上述疏水性卟啉配合物特别适合作为疏水性COC或COP基质中的荧光团。在PMMI基质中，还可以使用更加亲水性的荧光团。

还可用作荧光团的是不同的钌或锇配合物，如三(菲咯啉)Ru(II)-氯化物、三(4,7-二苯基-1,10-菲咯啉)Ru(II)-TMS或三(4,4-二苯基-2,2-联吡啶)Ru(II)-氯化物。这些亲水性荧光团同样可以用在本文所述的聚合物基质中。然而，为了降低其亲水性，应该与亲脂性反离子一起使用，例如，四苯基硼酸盐。

根据本发明的光化学传感器元件对于清洗和灭菌过程具有突出的稳定性，例如高压灭菌(在水蒸汽气氛中于130°C下30分钟)或CIP处理(使用3%NaOH溶液于90°C下30~60分钟)。

在优选的实施方案中，聚合物选自乙烯-降冰片烯共聚物和聚(N-甲基甲基丙烯酰亚胺)。这些聚合物基质以名称Topas^TM(乙烯-降冰片烯共聚物)和Pleximid^TM(聚(N-甲基甲基丙烯酰亚胺))出售。

在以下各段的说明中，这些聚合物具有许多性能，使得它们适合作为聚合物基质以固定可高压灭菌的光化学传感器元件的荧光团，特别是氧敏感性传感器元件。

聚合物具有非常好的光学透明度，允许光学辐射通过聚合物基质以激发荧光团。Topas的光学透明度(根据ISO13468-2)为约91%(类型：5013X25，玻璃化转变温度Tg=134°C；6013S-04Tg=138°C；6015S-04Tg=158°C；6017S-04Tg=178°C；5013S-04Tg=134°C；TKX-0001Tg=134°C)，PMMI 的光学透明度为约90-91%。可选择地，Topas的光学等级以它们根据ISO14782的雾度值表征。Topas质量等级5013X14(Tg=136°C)和6013F-04(Tg=140°C)的雾度值<1%。

聚合物在光和/或辐射照射具有良好的稳定性，使得聚合物基质的光学透明度即使在将传感器元件暴露于适于激发荧光团的辐射后也保持不受影响。适合的荧光团例如用近紫外线范围和/或UV-VIS范围内的辐射激发，优选波长为约320nm~约700nm。

聚合物也对γ射线和γ灭菌表现出非常高的稳定性，同时也对环氧乙烷灭菌表现出非常高的稳定性。这些是传感器元件灭菌的常用方法。光化学传感器元件，特别是其中使用的聚合物，需要可抵抗这些处理，不会变黄，也不会显示出其他的劣化，例如变脆、亲水性或聚合物分解、链长退化或聚合物不受控制的交联。

此外，乙烯-降冰片烯共聚物或聚(N-甲基甲基丙烯酰亚胺)的聚合物基质对于蒸汽灭菌过程(在水蒸汽气氛中130°C)也是稳定的。

优选的聚合物基质具有足够高的透氧性，在23°C和50%相对湿度下，对于Topas5013X14(Tg=136°C)为250cm³×100μm/(m²×天×bar)，对于Topas6013F-04为280cm³×100μm/(m²×天×bar)(根据ASTM D3985)。从而可以实现具有短的响应时间的根据本发明的光化学传感器元件。

优选的聚合物基质进一步表现出有限程度的吸水性、水蒸汽透过性和在诸如丙酮或异丙醇等极性溶剂中有限度的溶胀。这是有利的，因为水和不同的溶剂可以改变基质及其Stern-Vollmer特性。此外，随着水吸收增大，还需要预期到离子(特别是外源离子)扩散到聚合物基质中，这将造成干扰，因此强烈要求避免。水或溶剂的吸收进一步导致聚合物基质的不希望的溶胀，最终结果是影响聚合物中的荧光团浓度，或更具体地说，聚合物基质中的荧光团浓度，并可能导致测量不准确。聚合物基质也用作膜，只要它一方面对分析物是可透过的，例如氧气，但另一方面阻止水、水蒸汽、溶剂和离子的通过，从而可以避免透过物质使荧光团降解。

对于Topas^TM(乙烯-降冰片烯共聚物)，以下各值分别是公开的吸水率和水蒸汽透过率：

吸水率(根据ISO62)：

0.01% 对于所有类型的Topas

水蒸汽透过率(38°C，90%相对湿度)：

1.0g×100μm/(m²×天) (Topas型号5013X14)

1.3g×100μm/(m²×天) (Topas型号6013F-04)

用来固定荧光团的常规聚合物基质具有明显高的吸水率值，例如对于聚醚酰亚胺(PEI)为0.25%，对于PSU为0.24%，对于聚醚砜为0.4%。

此外，荧光团在优选的聚合物基质中具有良好的溶解度。在聚合物中溶解的荧光团的浓度足够高，以获得对于薄的传感器元件的良好的荧光响应和快速(即短)的响应时间。

进一步适当选择的聚合物是环烯烃聚合物(COP)，其以

或

的商品名市售，或聚(N-甲基甲基丙烯酰亚胺)，其以

的商品名市售。

这些聚合物具有以下公开的性能：

可以根据聚合物的实际组成调节

和

的玻璃化转变温度。

为允许从溶液成膜，有利的是，聚合物可溶于具有高蒸气压的适当的溶剂中。重要的是，选择的荧光团还可在相同溶剂中以足够浓度溶解，以实现荧光团在聚合物基质中的均匀分布。根据本发明的聚合物的可能溶剂是氯仿和环己烷。

在根据本发明的光化学传感器元件的优选实施方案中，聚合物基质包括乙烯-降冰片烯共聚物。

乙烯-降冰片烯共聚物(环烯烃共聚物，COC)具有高的玻璃化转变温度(Tg)。在玻璃化转变温度高于130℃时，这是通常选择用于高压灭菌的温度，可以防止在高压灭菌循环中聚合物链可移动以及荧光团可能从基质出扩散出来的问题。从而基本上避免了荧光团损失，由此使得根据本发明的传感器元件的寿命很长。通过改变共聚物中的降冰片烯的比例，还可以影响聚合物的玻璃化转变温度，从而使其适应预期目的。

在光化学传感器元件的更优选实施方案中，聚合物基质包括环烯烃聚合物(

COP)或聚(N-甲基甲基丙烯酰亚胺)(PMMI)。

在更优选的实施方案中，聚合物基质被施用在基底上。结果，光化学传感器元件对机械应力非常有抵抗性，例如生物反应器中的升高的压力水平或压力波动。

可用于形成基底的优选材料是玻璃、聚酯、无定形或部分结晶的聚酰胺、聚丙烯酸酯、聚碳酸酯、COC-聚合物(Topas)、COP-聚合物(Zeonor，Zeonex)和聚(N-甲基甲基丙烯酰亚胺)。COC-聚合物以Topas的商品名(Ticona Polymer)得到，COP-聚合物以Zeonor或Zeonex的商品名(ZeonChemicals)得到，聚(N-甲基甲基丙烯酰亚胺)以Pleximid的商品名(

GmbH)得到。

除了上述载体材料之外，还可以使用包括这些材料的组合的混合基底（hybrid substrate），例如玻璃-聚合物材料。

属于环烯烃共聚物(COC)的乙烯-降冰片烯共聚物优选作为基底的材料，因为它们基本上没有表现出固有的荧光，并且即使在老化过程后仍保持非常好的光学透明度。

在更优选的实施方案中，传感器元件具有覆盖层。覆盖层需要对于分析物是可透过的，但对于外来辐射是不可透过的，从而可以避免外来光或测量样品的荧光对荧光测量产生的不希望的影响。覆盖层的可能的材料是白色的多孔

涂层(厚度5μm)或白色的氧可透过的硅树脂（silicone）涂层或白色多孔纸。

在另一个实施方案中，聚合物基质以聚合物球或基质碎片的形式嵌在硅树脂膜中。荧光团直接固定在聚合物球或基质碎片中。这种配置是有利的，因为嵌在硅树脂中的球或碎片由于漫射光散射（diffuse light-scattering）的原因将增强荧光。

在优选的实施方案中，分析物是气态或溶解的氧，例如溶解在水溶液或介质中，或溶解在含有低比例的极性溶剂(例如甲醇、乙醇、丙酮或异丙醇)的介质中。

在另一个实施方案中，分析物是气态或溶解的O₂、气态或溶解的H₂O₂、SO₂或氮氧化物。

特别是对于测定气态或溶解的氧，有利的是，基底对氧是不可透过的，并且其溶解氧的能力尽可能低。这样确保了光化学传感器元件的正常运作，可以基本上没有漂移地运作，并且响应时间短。与其中固定荧光团的聚合物基质相比，基底优选具有显著更低的氧透过率和氧溶解度。

根据本发明的传感器元件可以使用不同的方法制造，通过以下几个例子进行说明。

在制造根据本发明的传感器元件的过程中，带有固定的荧光团的聚合物基质的层厚度在通过荧光猝灭的分析物的光学测量中影响两个重要的量。一方面，层厚度决定了发射率或反射率，从而决定荧光响应的强度，另一方面，它是测量设备的响应时间的决定因素。

在优选的实施方案中，带有荧光团的聚合物基质在基底上直接形成为膜或在成膜之后施用到基底上。为了实现膜与基底之间良好的粘合，优选使用粘合试剂或粘合剂。聚合物基质可以通过不同方法施用到基底上，如浸涂、旋涂或刀涂。

还可以将带有固定的荧光团的聚合物基质直接施用在光纤纤芯上。这一概念对于脆性聚合物类型例如Topas(Tg＝180℃)是尤其有益的，脆性聚合物应尽可能保持无应力，从而没有在涂布到基底载体上之后例如通过切割造成的损坏。在光纤纤芯上的应用例如可以使用Topas。为做到这一点，将带有固定的荧光团的聚合物基质直接配置在POF(聚合物光纤)光纤的纤芯上，纤芯优选包括高折射率的聚合物，例如聚(五溴苯基丙烯酸酯-共-缩水甘油基甲基丙烯酸酯)。

附图说明

在所附的示意性附图中：

图1显示了带有根据本发明的传感器元件的光化学测量设备；

图2显示了作为图1放大详图的光化学传感器元件；

图3显示了光化学传感器元件的另一个实施方案；以及

图4显示了光化学传感器元件的另一个实施方案。

具体实施方式

图1显示了带有根据本发明的传感器元件9的光化学测量设备1的基本配置。测量设备1包括容纳辐射源5(例如LED)、反射镜7、光化学传感器元件9、光束分离器(beam splitter)或过滤器11、检测器13和电子测量电路15的壳体3。辐射源5发出的辐射、激发光或激发辐射，由反射镜7和光束分离器11导向至光化学传感器元件9。光化学传感器元件9与含有待测量的分析物的介质17接触。光化学传感器元件9中荧光团的激发后发出的荧光通过光束分离器11，没有偏转，并落到检测器13上，其信号由电子测量电路15处理，并通过发送器或界面19传递。光路21仅是示意性方式的。

作为光化学测量设备1的放大详图，图2代表最简单实施方案的光化学传感器元件9。其包括聚合物基质23和固定在其中的荧光团25。

图3示出光化学测量设备1的光化学传感器元件9的实施方案。其中固定有荧光团25的聚合物基质23设置在基底27上。所述基底27提供膜9的必要的机械稳定性，以抵抗例如压力波动。此外，图中示出的激发辐射29在通过基底27后，落在固定在聚合物基质23中的荧光团25上，并且荧光团发出荧光31。荧光响应的强度受到分析物33(例如氧气)的影响。

在图4中，示出光化学传感器元件9的另一个实施方案，其包括至少一个额外的覆盖层(在图示例子中两层34，36)，以分离聚合物基质23与介质。覆盖层34，36优选对于分析物是可透过的，并且对于外来辐射是不可透过的，使得从外部来的外来辐射优选在覆盖层34，36处反射，不透过进入聚合物基质23。

传感器元件9包括玻璃晶片作为基底27，如图3所示，其上设置有其中固定荧光团25的聚合物基质23。聚合物基质23基本上是光学透明的。聚合物基质23邻接第一覆盖层34，在这里，例如是白色的硅树脂层。第一覆盖层34基本上反射激发辐射29，使得能够实现高荧光收率和短的响应时间。优选地，发出的荧光或荧光响应31在第一覆盖层34和聚合物基质23之间的交界层35处几乎完全被反射、或漫散射(diffusely scatter)，然后导向至检测器(见图1)。

此外，如图所示，传感器元件9可以用另一覆盖层36覆盖，该另一覆盖层例如配置作为黑色硅树脂层。另一个覆盖层36优选对分析物是可透过的，对于辐射是不可透过的，使得荧光辐射不能从传感器元件逸出到测量介质中，并且使用传感器元件9进行的测量不会受到从外部进入的外来辐射的干扰。这里使用的术语“白色硅树脂”指加入例如TiO₂的硅树脂，“黑色硅树脂”指加入烟尘颗粒的硅树脂。

实施例1：Topas(乙烯-降冰片烯共聚物)

将22g Topas 6017S-04溶解在275g氯仿中。接下来，将0.5g Pt(II)-间-四(五氟苯基)卟吩(CAS-No.：109781-47-7)加到溶液中。经过短暂加热和冷却后，该溶液准备用于成膜。Pt(II)-间-四(五氟苯基)卟吩特别适于测量高浓度的氧。

作为替代，使用类似的Pd(II)化合物，即Pd(II)-间-四(五氟苯基)卟吩，其特别适于测量低浓度的氧。

作为进一步的替代，Topas溶解在环己烷中，加入Pd(II)-间-四苯基四苯并卟吩。

可选择地，可以使用从溶剂成膜的任何常规方法。在第一方法中，通过旋涂获得膜。

彻底清洗5×5cm²和1mm厚度的玻璃晶片，然后用缩水甘油氧基丙基-三甲氧基硅烷的醇溶液预处理，以使得更好地粘附聚合物基质。

接下来，将晶片装到旋转涂布机(Lot Oriel，Model SCI-20)上。为了获得更均匀的成膜，晶片表面需要用荧光团-聚合物溶液完全覆盖。然后覆盖整个晶片的溶液以转速3000rpm旋涂，该转速通过2000rpm/sec的加速达到。在这个过程中，相对大量的昂贵的含有铂-荧光团的聚合物溶液被旋涂并用光。然而，为了实现经济的成膜工艺，旋涂溶液优选被回收，再溶解，并回收利用。

采用这种方法，可以获得约5μm±0.2μm厚度的膜。

为了抗衡溶剂对成膜的趋势，也试图在腔室内的饱和溶剂气氛中形成膜。通过这种方法，通过分配3ml的荧光团-聚合物溶液，可以从晶片中心旋涂(spun out)溶液。这导致约5.3μm的涂层厚度，尽管膜厚度有较大变化。

作为替代，在浸涂或浸渍浴法中，用荧光团-聚合物溶液涂布晶片。晶片浸渍在荧光团-聚合物溶液中，随后挂起使膜层干燥。使用这种方法的问题是溶液从晶片下缘积累约2～3mm，导致这一区域的膜厚增加。晶片的这些部分将在后面过程中被丢弃，因为层厚度过大和/或过于不均。该方法制作的涂层厚度不那么均匀，约6μm，层厚度朝着晶片的底部边缘略微增加。

根据第三种方法，荧光团-聚合物溶液通过在晶片上的喷涂过程喷洒。从一定距离喷涂晶片，所述距离位于溶液粘性流动所允许的极限距离之下的一个点。对于有些更厚的层和更高的粘性流动极限和/或更好的稳定性，荧光团-聚合物溶液也可以稍高浓度设置，从而迅速地提高溶液的粘度。这种办法产生最均匀且厚度最薄的膜，例如3.1μm±0.1μm。

根据第四种方法，通过利用所谓的厚膜技术的刀片涂布机制作膜。该刀片涂布机设定为槽宽度(涂布刀片和晶片基底之间的距离)为60μm，并且从荧光团-聚合物溶液提拉膜。溶剂后来被蒸发。由此产生的膜略微呈波浪形，厚度约5.1μm±0.4μm。

根据第五种方法，制作带有固定的荧光团的聚合物球。然后，这些球嵌在硅树脂中，嵌入的球根据第四种方法提拉成膜。通过加入聚合物球不溶的另一种溶剂，然后离心，而从荧光团-聚合物溶液中沉淀，这样得到聚合物球。适合作为另一种溶剂的是所有的极性溶剂，例如水、丙酮、乙醇或其混合物。

可选择地，聚合物球可以通过喷雾干燥过程制作。

作为进一步的替代，据建议，生产没有荧光团的球，然后用荧光团处理，使其通过扩散渗透入球中。这些从聚合物材料制作球的方法基本上是已知，因此不再详细说明。

聚合物基质的膜厚很重要，因为它影响通过荧光猝灭而光学测量氧含量的两个重要因素。首先，膜厚决定了发射率或反射率，从而决定荧光响应的强度，其次它是测量设备的响应时间的决定因素。

为获得良好的响应时间，有利的是，如果膜尽可能薄，则氧需要通过以猝灭荧光的扩散路径尽可能短。氧通过聚合物的扩散速率是影响传感器元件的响应时间的第二个因素。扩散速率应该尽可能高，并且对于物质是特异性的。对于Topas等级，氧扩散速率为约250(对于Topas 5013X14，Tg＝136℃)和280cm³×100μm/(m²×天×bar)。

另一方面，对于荧光响应必要的是具有一定的最低强度，即使对于低浓度的分析物，这样要求在聚合物基质中存在最低所需浓度的荧光团。此外，对于更大的膜厚，荧光团的不那么快被洗出，例如，在高压灭菌时。因此，为了获得尽可能强的荧光响应，同时保持膜厚低，聚合物基质和聚合物溶液中的荧光团浓度应该一方面很高，但仍然足够低以使聚合物性能未受到不利影响，特别是Tg、热性能和通过聚合物的扩散性能。使用2.3％g/g聚合物的荧光团浓度获得了良好的效果。在实施例4～6中将更详细地解释通过聚合物基质的表面结构变化而提高测量信号的另一个可能方法。

作为剧毒性氯仿的代替，也可以使用环己烷作为溶剂。Topas聚合物在该溶剂中的溶解度更好，并有可能在冷溶剂中溶解高达10％g聚合物/g的聚合物。然而，在这个例子中选定的荧光团的溶解度略低一些，因此在成膜之前需要加热，然后冷却溶液。在选择溶剂中，在每种情况下需要注意聚合物以及荧光团具有足够的溶解度。溶剂应进一步具有尽可能低的沸点，这样也可以从聚合物基质中再次除去。溶剂需要小心去除，以防止在聚合物基质中形成气泡。在已经形成膜后，将其在室温下在空气中充分预干燥，然后在真空干燥室中干燥。

在成膜和约24小时的空气干燥后，涂布的晶片在真空干燥室中于120℃下干燥1小时。

然后，以这种方式生产的膜可选择性提供白色、多孔

层(厚度5μm)或提供白色硅树脂层作为光学覆层或覆盖层，以防止外来光线和从测量介质发出的外来荧光干扰测量系统。为了获得快速响应时间并避免带有额外白色硅树脂层的膜厚增加，同时产生良好的再发射值(reemission value)，感光膜也可用白色多孔纸或吸墨纸(blotting sheet)覆盖。此外，在某些情况下，将另外的黑色硅树脂-或

覆盖层放在上面，以便进一步减少进入传感器元件的不希望的外来光。

随后，在确定Stern-Vollmer特性之后，用这种传感器元件(也被称作光斑(spots))进行气相和液体中的氧的测量。使用绿色LED和适当的具有波长约505nm的正弦激发信号的光学滤波器激发荧光团。随后从650nm 的荧光响应，确定相位移。

当使用Pt(II)-间-四(五氟苯基)卟吩作为荧光团时，获得了以下结果：荧光团Pt(II)-间-四(五氟-苯基)卟吩(CAS-No.：109781-47-7)的UV/VIS光谱表现出在约492nm下的第一吸收最大值以及在约507nm和约540nm下的另外两个较弱最大值。

固定的荧光团的光谱几乎没有改变。因此，由于固定荧光团Pt(II)-间-四(五氟-苯基)卟吩，没有发现由于基质的可能发光引起的有害作用。

对于根据上述方法制作的含有Pt(II)-间-四(五氟苯基)卟吩的氧元件，在高压灭菌之前和之后测量在气相和溶液中的以下响应时间。

^*/^**响应时间t_98％测定如下：a)通过将介质从空气改变为氮气和从氮气改变为空气，和b)通过将介质从氧饱和的水改变为没有氧气的水(水+焦亚硫酸钠(sodium disulfite)+痕量钴)。

对于正在使用的测量仪器的荧光产量检出限为约5000(计数(counts))。如果计数低于该值时，分析物浓度低于检出限和/或传感器元件需要被替换。

在30个高压灭菌循环之后，响应时间仅以不明显量越来越长。膜并且尤其是硅树脂层越厚，响应时间越长。即使经过多次高压灭菌循环之后，可以产生具有良好响应时间的测量光斑，对于食品和制药行业中的杀菌过程来说足够快。此外，光斑测得的荧光强度难以因高压灭菌过程(在磷酸盐缓冲液中)下降，荧光团没有明显程度地被洗出，并且几乎没有因热处理而褪色。已知的是，染料本身是耐热的。荧光团对洗出和降解的强耐性归因于固定的聚合物的高玻璃化转变温度以及其低程度的吸水性，尤其是在高温水平下。

实施例2：带有聚合物晶片的光化学传感器元件

根据本发明的光化学传感器元件的另一个例子涉及使用聚合物晶片作为基底。作为基底的聚合物晶片提高了具有固定的荧光团的聚合物基质与基底的结合，尤其是在老化之后或多个高压灭菌循环之后。此外，在旋涂过程中晶片的润湿以及由此膜的均匀性受到基底和具有溶解的聚合物和荧光团的旋涂溶剂之间的亲水性能相匹配的重要影响。

聚合物晶片比玻璃表面是更为疏水性的，并且各溶剂(在这种情况下是氯仿或环己烷)的亲水性能与晶片基底之间的匹配明显更好，从而导致更好的晶片润湿，以及更均一和表面形态均匀的膜表面。此外，旋涂的聚合物膜在聚合物晶片上的粘合比在硅烷化的玻璃表面上更好。这使得完全不必要利用粘合剂将各层结合在一起而组合层状结构。

粘合改善一方面是由于各聚合物膜或聚合物基质与下层晶片基底之间的亲水性能的匹配改善，另一方面是由于溶剂部分地攻击这些晶片的表面，导致晶片的最上聚合物层部分溶解的。随着溶剂蒸发，晶片的部分溶解的聚合物链将与仍然在溶液中的沉积膜的聚合物链交织。这就导致粘合强度极大增加，并大幅提高了传感器元件承受高压灭菌的能力。下面过程产生优化性能的传感器光斑：

聚合物溶液：

将22g Topas 6015S-04在回流下溶解在178g环己烷中。冷却后，将0.46g Pd(II)-间-四(五氟苯基)卟吩加到溶液。为了更好地溶解荧光团，溶液需要再次煮沸很短时间。

接下来，通过在聚合物晶片如半结晶PA(例如EMS Chemicals，型号TR XE 3942，Tg＝190℃；最高使用温度160℃，可在130℃下高压灭菌；晶片厚度0.8mm)或Topas本身(型号6015S-04；厚度0.8mm-1mm；最高使用温度＞145℃)上进行旋涂过程成膜。

得到以下观察结果：

与使用未处理的玻璃晶片或硅烷化的玻璃晶片的旋涂获得的相比，旋涂的溶液在表面上铺展的更好更均匀，并制得更均匀的膜。

由于溶剂和晶片基底各自的亲水性能之间更好的匹配，晶片的润湿明显更好更快，使得在表面上形成的膜没有打的表面形态变化。优选地，Topas晶片在饱和溶剂气氛中施用溶液之后直接旋涂。Topas通过与环己烷接触而表面蚀刻，着提高旋涂的膜的粘合。以这种方式可以建立清澈透明的光斑。

聚酰胺晶片(PA晶片)相对于环己烷明显更稳定，并且最多只能通过环己烷表面蚀刻。在聚合物材料中，COC/Topas尤其在较低波长范围内具有良好的光学透明度，这对于荧光团的短激发波长(不超过400nm)尤其重要。因此，荧光产量增大，因为荧光在光化学传感器元件的载体材料中吸收较少。

在空气中和120℃下烘箱干燥之后，晶片进行初始高压灭菌循环。

在施用约60μm厚度的白色硅树脂的光学覆盖层之后，在传感器光斑进行实施例1的类似测量。得到的响应时间在气相中为约30秒，在冷凝相中约80秒。

Topas晶片上的传感器光斑的计数约14000(空气中)，荧光产量足够高，而PA晶片上的光斑的计数仅约9000，这是由于PA晶片低透明度的原因。

接着对光斑进行老化过程，特别是反复CIP循环，其中使用硝酸以及烧碱(5％NaOH在80℃下70小时或5％HNO₃在80℃下70小时)进行清洗。这证实了聚合物COC对碱和酸的出色稳定性。在用烧碱处理之后，PA晶片没有表现出改变，但它们在硝酸中变黄。在酸处理后已经变黄的PA晶片显示出吸收率增加，造成传感器元件特性劣化。相比而言，COC晶片在CIP过程之后没有表现出透过率损失，没有变色，无论它们是在碱或酸中进行。

实施例3：带有混合晶片(hybrid wafer)的光化学传感器元件

在另一个例子中，混合晶片用于代替实施例2的聚合物晶片。混合晶片主要包括氧不可透过的玻璃，所述玻璃包括用于为将要通过旋涂施用的荧光团-聚合物溶液提供良好粘合的聚合物粘合剂。粘合剂优选铺展很薄，使其在旋涂聚合物膜过程中能够与溶剂充分相互作用，来自粘合剂的氧来源(oxygen reservoir)保持尽可能低。粘合剂不应超过10-20μm的层厚度，具有非常低的氧溶解度，其也应该是透明的。这样，在表面蚀刻的粘合剂的聚合物链和将要旋涂的聚合物之间可以交联，得到即使在老化后也保持良好粘附的传感器元件，可以与实施例2所述的传感器元件类似方式制作传感器元件。

采用混合晶片的优点是，与聚合物晶片相比，它们基本上没有表现出氧透过性，并且此外，可以实现无漂移传感器元件。此外，使用低氧来源，传感器元件的响应时间缩短。首先，Topas层或环氧树脂层用作粘合剂。

作为粘合剂的Topas通过旋涂施用在混合晶片上成大约10μm厚度的层。以这种方式预处理后，随后按实施例1所述处理晶片。

作为粘合剂的环氧树脂基本上是光学透明的，另外，环氧化物显示出特别低的氧溶解度，使得可以实现更厚的层。作为粘合剂，可以使用例如由EPOTEK以商品名EPOTEK 301，302，302FL出售的低粘度环氧树脂产品，并且可以通过旋转涂布机在玻璃晶片上旋涂成薄层。

以下说明如何将环氧树脂粘合剂层置于玻璃晶片上，然后根据实施例1的方法进一步处理该玻璃晶片：

为了实现环氧树脂层的更好润湿，首先用环氧基丙基三甲氧基硅烷预处理玻璃晶片。在此预处理中，硅烷基团一方面与玻璃表面反应，另一方面在硅烷的环氧基团和环氧树脂粘合剂之间建立共价键。在所述预处理的晶片上，可以旋涂光滑的环氧树脂膜。

接下来，将Epotek 301旋涂在预处理的玻璃晶片上，最终速度约3000rpm。为了实现随后涂布的荧光团-聚合物层的优化粘合，旋涂的环氧树脂首先仅在约50℃下部分地硬化1小时，在这种情况下，至其最终硬度的约2/3，在施用荧光团-聚合物层之后，与其一起完全硬化。硬化EPOTEK 301的时间在65℃下约1小时，或在23℃下24小时。

实施例4：应用于光纤的传感器膜

在另一个例子中，带有固定的荧光团的聚合物基质作为POF(聚合物光纤)光纤的纤芯的包层或包层的一部分。光纤通常由被包层和护套包围的导光纤芯构成。护套主要用作光纤的外部保护。

应当指出，在其中固定荧光团的聚合物需要具有比下面的纤芯材料更小的折射率，使得在纤芯和包层之间的界面处发生全内反射。在这种情况下，聚合物基质中的荧光团被光纤的消逝场(evanescent field)激发。纤芯应该是折射率约1.6～1.8的材料。合适的光纤例如是纤芯为聚(五溴苯基丙烯酸酯-共-缩水甘油基甲基丙烯酸酯)(玻璃化转变温度162℃，溶于氯仿，Fluka Article No.591408)并具有高折射率的那些。

这意味着，作为带有固定的荧光团的聚合物基质或聚合物包层，可以使用折射率小于1.6并具有所需的热性能和光学性能的所有聚合物。

这些包括具有以下折射率(ISO 489)的COC、COP以及PMMI聚合物：COC(型号60155S-04)n＝1.53

PMMI(Pleximid 8817)n＝1.53

方法步骤：

从POF光纤去除长度约3mm的护套和包层。然后用乙醇清洗下面的纤芯材料聚(五溴苯基丙烯酸酯-共-缩水甘油基甲基丙烯酸酯)。

接下来，通过在非常低粘度的荧光团-聚合物溶液(6.25％Topas，溶解在氯仿中，2.5％荧光团g/g聚合物)中浸涂来涂布末端。用刀子切断浸涂后留下的玻璃纤维端部的聚合物滴，用银涂布新暴露的纤维端部作为反射器。

然后用氧可透过的覆盖层或护套覆盖整个纤维端部(带有银涂层的末端和3mm的带有固定的荧光团的聚合物涂层)。

覆盖层应该也具有比下面的聚合物包层更小的折射率。覆盖层还应是氧可透过的和弹性的，以对纤芯和包层提供良好的保护。这种氧可透过的覆盖层的例子是白色RTV硅树脂(乙烯基-封端的聚(二甲基硅氧烷)的硅树脂)，其作为光学覆盖层的用途已经记载在之前的实施例1～3中。在这种情况下，硅树脂优选是白色的，以防止外来光不希望的进入光纤。覆盖层的层厚度至多约100μm，以实现短响应时间的传感器元件。

可以考虑用作这种覆盖层的产品包括由Gelest，Inc.(Gelest OE^TM41/42/43)出售的折射率为1.41～1.43且填充有二氧化钛的硅树脂产品，或Dow Corning的常规低粘度RTV硅树脂，例如RTV 732“white”。后一种硅树脂可作为白色硅树脂得到，并经FDA核准可与食品接触。其他适合的硅树脂产品是市售的。

涂布的聚合物溶液：

将1g Topas(型号6015S-04)溶解在15g氯仿中。然后，将0.0253g Pt(II)-间-四(五氟苯基)卟吩加到氯仿溶液中，充分溶解。为此，溶液在回流下短暂加热。接下来，溶液用于浸渍预处理的玻璃光纤。

作为替代，使用类似的Pd(II)化合物，即Pd(II)-间-四(五氟苯基)卟吩。

作为进一步的替代，Topas溶解在环己烷中，将Pd(II)-间-四苯基四苯并-卟吩加到溶液中。

结果：

由于浸在相对粘性的硅树脂溶液中，光纤用的光学保护层，特别是覆盖层，显得比较厚，这对用这种方法制得的传感器元件的响应时间有影响。由于其较低的粘度，Gelest产品产生较薄的覆盖层，从而比用硅树脂(型号732)“white”涂布的光纤获得更快响应的传感器。另一方面，带有Gelest涂层的光纤对于外来光更加敏感，其中以从Gelest得到的原样形式使用化合物，即没有TiO₂，因而是透明的。对于进一步实验，引入白色TiO₂层作为光阻挡层。由于材料的透明度，需要在没有外来光的情况下进行测量。对于两种光学覆盖层，可以得到具有足够荧光信号的传感器元件。

由于纤芯材料聚(五溴苯基丙烯酸酯-共-缩水甘油基甲基丙烯酸酯)的氯仿溶解度及其热稳定性，有可能实现纤芯材料和施用的聚合物包层之间的良好粘合。可以证实，以这种方式制备的光纤作为传感器元件能承受高压灭菌循环，并且如果覆盖层之间有粘合，则也可用于高达130℃的高温应用。可以与实施例1相似的方式获得或增大覆盖层和包层之间的粘合。

实施例5：带有结构化表面的晶片

在另一个实施例中，带有结构化表面的玻璃晶片用作基底，可以是规则或不规则的结构。可以通过喷砂、打磨或不同的已知的蚀刻技术来实现晶片的结构化。通过用光刻方法蚀刻，也有可能产生规则的确定结构和/或漫散射的几何形状。

方法步骤：

根据一种已知的方法制作凹陷深度约50～100μm的结构化晶片表面。

接下来，按之前的实施例所述在晶片的结构化表面上旋涂荧光团-聚合物溶液，或可选择地，用该溶液覆盖结构化表面。

在干燥按此方式制作的传感器元件之后，其表面向下打磨，使得在适当位置留下约5～20μm的凹陷。作为打磨的结果，在结构化表面上产生自由玻璃区域(free glass area)，以及用含有固定的荧光团的聚合物基质覆盖的区域。与涂布的区域相比，自由玻璃区域对老化具有更大的抵抗性。

在下一步，通过刀涂在表面上可以容易地铺展厚度例如50μm的辐射不可透过的覆盖层。

在不同形状的凹陷处，激发光漫散射，从而测量信号增加，在这种情况下是荧光强度。

实施例6：固定在硅树脂中的聚合物球

在最后一个例子中，将带有固定的荧光团的Topas球包埋在硅树脂中，通过刀涂将由此产生的聚合物混合物铺展在玻璃晶片上。

方法步骤：

一方面，通过加入聚合物球不溶的第二种溶剂(例如水)，然后离心，而从溶解在氯仿或环己烷中的荧光团-聚合物溶液中沉淀，得到如上所述的荧光团-聚合物混合物的聚合物球。然后将按此过程得到的球包埋在硅树脂膜中。

可选择地，将厚度小于10μm的荧光团-聚合物膜非粘合性地旋涂在玻璃基底上。由此产生的膜溶解或从基底剥离并破碎成小块。然后将聚合物基质的碎片引入硅树脂膜。

结果：

可以证实，聚合物球的尺寸或尺寸分布对由此得到的传感器元件的响应时间有影响。球越小，由此得到的传感器元件的响应时间就越短或更快。硅树脂层的厚度对响应时间没有很大影响。结果表明，可以实现足够短的响应时间，即使传感器元件的总层厚度为约100μm。

Claims

1.一种用于测量气态或溶解的分析物的光化学传感器元件(9)，其包含固定在聚合物基质(23)中的荧光团(25)，其中所述聚合物基质(23)包含具有非芳香族骨架的聚合物，并且选自乙烯-降冰片烯共聚物和聚(N-甲基甲基丙烯酰亚胺)。

2.如权利要求1所述的光化学传感器元件(9)，其中所述气态或溶解的分析物是氧。

3.如权利要求1或2所述的光化学传感器元件(9)，其中所述聚合物是乙烯-降冰片烯共聚物。

4.如前述权利要求中1或2所述的光化学传感器元件(9)，其中所述聚合物基质(23)设置在基底(27)上。

5.如权利要求4所述的光化学传感器元件(9)，其中所述基底(27)包括选自如下的材料：玻璃、聚酯、无定形或部分结晶的聚酰胺、乙烯-降冰片烯共聚物以及这些材料的组合。

6.如权利要求5所述的光化学传感器元件(9)，其中所述基底(27)包含乙烯-降冰片烯共聚物。

7.如权利要求5所述的光化学传感器元件(9)，其中所述基底(27)是混合基底。

8.如权利要求1或2所述的光化学传感器元件(9)，其中带有固定的荧光团的所述聚合物基质(23)直接配置在光纤的纤芯上。

9.如权利要求1或2所述的光化学传感器元件(9)，其中含有固定的荧光团的聚合物基质的球或碎片设置在硅树脂基质中。

10.如权利要求5所述的光化学传感器元件(9)，其中所述聚酯是聚丙烯酸酯或聚碳酸酯。

11.如权利要求1或2所述的光化学传感器元件(9)的用途，用于测定气态或溶解的分析物的测量设备(1)中。

12.如权利要求11所述的用途，其中所述气态或溶解的分析物是氧。