DE102004059704A1 - Spectroscopic detection of inorganic, organic or biological material in sample comprises adding host system for material to sample to give guest-host system, exciting system and comparing spectrum obtained with reference spectrum - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft die Bestimmung und den Nachweis anorganischer, organischer oder biologischer Stoffe. Das Meßverfahren gemäß der Erfindung erlaubt insbesondere das Vorliegen und die Konzentration der Stoffe mittels spektroskopischer Geräte, insbesondere UV- und Lumineszenzdetektoren, zu bestimmen.The The present invention relates to the determination and detection of inorganic, organic or biological substances. The measuring method according to the invention allows in particular the presence and concentration of substances by means of spectroscopic devices, in particular UV and luminescence detectors to determine.
Zum Nachweis von Stoffen ohne eigene spektroskopische Eigenschaften, zu denen beispielsweise eine Vielzahl von Metallen und Schwermetallen gehören, sind herkömmliche spektroskopische Geräte, wie UV/Vis- oder Fluoreszenzgeräte nicht geeignet. Weiterhin ist der Nachweis einzelner Stoffe in spektroskopischen Gemischen, z.B. biologische Abbaustoffe, bzw. der Nachweis von Stoffen in sehr geringer Konzentration mit solchen Geräten außerordentlich schwierig oder sogar unmöglich. Zur Messung solcher Stoffe wurden daher aufwendige Meßmethoden wie die Massenspektroskopie entwickelt, die speziellere spektroskopische Eigenschaften oder andere physikalische oder chemische Eigenschaften als Meßgrundlage verwenden. Zu diesen Methoden gehören insbesondere die Atom-Absorption-Spektroskopie (AAS) und die induktiv-gekoppelte Plasma-Massenspektroskopie (ICPMS). Diese Methoden sind die Standardmethoden, insbesondere für die Messung von Metallen und Schwermetallen.To the Detection of substances without their own spectroscopic properties, for example, a variety of metals and heavy metals belong, are conventional spectroscopic devices, like UV / Vis or fluorescence devices not suitable. Furthermore, the detection of individual substances in spectroscopic Mixtures, e.g. biological degradation agents, or the detection of substances in very low concentration with such devices extremely difficult or even impossible. To measure such substances were therefore consuming measurement methods as the mass spectroscopy develops, the more specialized spectroscopic Properties or other physical or chemical properties as a basis for measurement use. These methods include, in particular, atomic absorption spectroscopy (AAS) and Inductively Coupled Plasma Mass Spectroscopy (ICPMS). These methods are the standard methods, especially for the measurement of metals and heavy metals.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges Verfahren für die Bestimmungen und zum Nachweis von Stoffen bereitzustellen. Diese Bestimmung soll unabhängig von den eigenen spektroskopischen Eigenschaften der nachzuweisenden Stoffe möglich sein. Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die qualitative bzw. quantitative Bestimmung von Stoffen, insbesondere von organischen Stoffen und Metallen oder Schwermetallen bzw. deren Salze mittels bekannter spektroskopischer Geräte, insbesondere UV- und Lumineszenzdetektoren, möglich ist.It is therefore an object of the present invention, a novel Procedure for Provide the provisions and evidence of substances. These Provision should be independent from the own spectroscopic properties of the to be proved Fabrics possible be. Furthermore, it is an object of the invention, a method with which the qualitative or quantitative determination of substances, in particular of organic substances and metals or Heavy metals or their salts by known spectroscopic Equipment, in particular UV and luminescence detectors, is possible.
Diese Aufgaben werden mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.These Tasks are solved with the features of the claims.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Grundidee, ein Wirt-System für den zu bestimmenden Stoff zu verwenden, wobei durch eine Wechselwirkung des Wirt-Systems mit dem Stoff das Spektrum des Systems in einer Weise, die charakteristisch für den zu bestimmenden Stoff ist, geändert wird, und somit eine qualitative und durch die Intensität quantitative Analyse des Stoffs ermöglicht wird. Zum Bestimmen des Spektrums des Systems aus Probe und Wirt-System wird das System angeregt, beispielsweise mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt, und das Spektrum des Systems in Abhängigkeit der Wellenlänge bzw. der Signalversschiebung bestimmt. Die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung liegt hierbei, z.B. bei UV/Vis, vorzugsweise zwischen etwa 200 nm und etwa 800 nm. Das gewonnene Spektrum wird anschließend mit einem Referenzspektrum verglichen. Das Referenzspektrum kann hierbei das Spektrum des Wirt-Systems sein. Insbesondere kann zum Nachweis des Stoffs mindestens ein Intenzitätsmaximum in dem Spektrum bestimmt werden und dessen Lage mit der Lage im Referenzspektrum verglichen werden.The The present invention is based on the basic idea of a host system for the to use substance to be determined by an interaction of the host system with the substance the spectrum of the system in one Way that is characteristic of the substance to be determined is changed, and thus one qualitative and by the intensity quantitative analysis of the Stoffs allows becomes. To determine the spectrum of the system of sample and host system the system is stimulated, for example with electromagnetic radiation irradiated, and the spectrum of the system depending on the wavelength or the signal shift determined. The wavelength of the electromagnetic Radiation is here, e.g. at UV / Vis, preferably between about 200 nm and about 800 nm. The spectrum obtained is then with compared to a reference spectrum. The reference spectrum can hereby the spectrum of the host system be. In particular, at least one maximum of innatency can be used to detect the substance be determined in the spectrum and its location with the location in Reference spectrum are compared.
Voraussetzung für ein geeignetes Wirt-System ist, daß die Wechselwirkung des Wirt-Systems mit dem zu bestimmenden Stoff möglichst sofort auch bei Raumtemperatur und ohne jeglichen Zusatz von Katalysatoren oder anderen Reaktionspartnern auftritt. Das entstandene System aus Wirt-System und Probe sollte spektroskopisch individuell nachweisbar und für jeden nachzuweisenden Stoff unterscheidbar sein. Weiterhin sollte das Wirtsystem sehr selektiv zu dem zu bestimmenden Stoff sein, also möglichst nicht mit anderen Stoffen wechselwirken.requirement for a suitable host system is that the Interaction of the host system with the substance to be determined if possible immediately at room temperature and without any addition of catalysts or other reactants. The resulting system from host system and sample should be individually detectable spectroscopically and for Each substance to be detected should be distinguishable. Furthermore, that should Host system be very selective to the substance to be determined, ie preferably do not interact with other substances.
Als Wirt-System geeignete Systeme sind unter anderem auf Biopolymeren basierende Systeme, auf Porphyrinen basierende Systeme, auf Phtalocyaminen basierende Systeme, auf Catenanen basierende Systeme oder auf Rotaxanen basierende Systeme. Es wurde insbesondere festgestellt, daß diese Systeme unterschiedliche Wechselwirkungen mit verschiedenen Molekülen, Atomen und Ionen eingehen. Die Art der Wechselwirkungen ist von den chemischen Eigenschaften, wie beispielsweise die Art der Atome und der Elektronendichte, und dem geometrischen Aufbau der Molekülsysteme abhängig. In vielen Fällen führen die Wechselwirkungen aufgrund von π-π-Bindungen, Wasserstoffbrücken- oder metallische Bindungen zur Bildung von Aggregaten oder Komplexen. Der zu bestimmende Stoff kann jeder anorganische, organische oder biologische Stoff sein. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch besonders für den Nachweis von organischen Molekülen, Metallen und Schwermetallen und deren Salze geeignet.When Wirt system suitable systems include biopolymers based systems, porphyrin based systems, on phthalocyanines based systems, catenane-based systems or rotaxanes based systems. In particular, it has been found that these Systems different interactions with different molecules, atoms and ionize. The type of interactions is from the chemical Properties, such as the type of atoms and the electron density, and the geometric structure of the molecular systems. In many cases to lead the interactions due to π-π bonds, hydrogen bonds or metallic bonds to form aggregates or complexes. The substance to be determined may be any inorganic, organic or be biological substance. However, the method according to the invention is particular for the Detection of organic molecules, Metals and heavy metals and their salts.
Die Erfindung ist unter anderem insbesondere auf die Verwendung eines dreidimensionalen Rezeptors als Wirtsystem zum spektroskopischen Nachweis von chemischen Stoffen in einer Probe gerichtet, insbesondere die Verwendung eines der oben beschriebenen Systeme.The The invention is particularly based on the use of a three-dimensional receptor as a host system for spectroscopic Detection of chemical substances in a sample directed, in particular the use of any of the systems described above.
Die Erfindung stellt weiterhin eine Vorrichtung zum spektroskopischen Nachweis eines anorganischen, organischen oder biologischen Stoffs in einer Probe zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens bereit. So können die Wirt-Systeme beispielsweise in einer mobilen Vorrichtung, wie auf einem Teststreifen oder in einer Testampulle, verwendet werden, die den visuellen Nachweis eines Stoffs ermöglicht. Weiterhin wird durch die Erfindung eine Meßzelle und ein die Meßzelle aufweisendes Meßmodul bereitgestellt, das in Form eines Zusatzmoduls für auf den Markt vorhandene spektroskopische Geräte das Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch mittels solcher herkömmlicher Geräte erlaubt.The The invention further provides a device for spectroscopic Detection of an inorganic, organic or biological substance in a sample for performing the method according to the invention ready. So can the host systems, for example, in a mobile device, such as on a test strip or in a test ampule, which enables the visual verification of a substance. Furthermore, by the invention is a measuring cell and a measuring cell having measuring module provided in the form of an add-on module to the market spectroscopic devices the performing the method according to the invention also by means of such conventional equipment allowed.
Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert.The Invention will now be described with reference to the accompanying drawings explained in more detail.
Beispiele
für Molekularsysteme,
die im erfindungsgemäßen Verfahren
als Wirt-Systeme verwendet werden können, sind in den
Für die im
folgenden beschriebenen Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Nachweis von Metallen und Schwermetallen sind besonders die
in
Die im folgenden beschriebenen Systeme sind für die Bestimmung von Metallen, aber auch für die Bestimmung von Aromaten geeignet.The systems described below are for the determination of metals, but also for the determination of aromatics suitable.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden für die Bestimmung von Metallen bevorzugt wasserlösliche dreidimensionale Porphyrin-Systeme verwendet, die in der Lage sind, durch Komplexierung mit Metallen Elektronen- bzw. Energie-Transfer-Systeme zu bilden. Prinzipiell wird jeder zu bestimmende Stoff, insbesondere also jedes zu bestimmende Metall als Gast angesehen, und es wird ein dafür entsprechend maßgeschneiderter Wirt in Form eines dreidimensionalen Rezeptors konzipiert. Insbesondere sollte das Wirt-System auch bei Raumtemperatur und ohne jeglichen Zusatz von Katalysatoren und anderen Reaktionspartnern mit dem zu bestimmenden Stoff wechselwirken. Das entstandene System soll dann spektroskopisch individuell nachweisbar und für jedes einzelne Metall unterscheidbar sein. Dieses Prinzip wird auch "finger print"-Prinzip genannt. Das Wirt-System sollte möglichst selektiv mit dem zu bestimmenden Stoff wechselwirken, also möglichst keine Wechselwirkung mit anderen Stoffen haben.In the context of the present invention, water-soluble three-dimensional porphyrin systems, which are capable of forming electron or energy transfer systems by complexing with metals, are preferably used for the determination of metals. In principle, every substance to be determined, in particular every metal to be determined, is regarded as a guest, and a corresponding measure is made designed host in the form of a three-dimensional receptor. In particular, the host system should also interact at room temperature and without any addition of catalysts and other reactants with the substance to be determined. The resulting system should then be individually detectable spectroscopically and distinguishable for each individual metal. This principle is also called "finger print" principle. The host system should interact as selectively as possible with the substance to be determined, that is as possible have no interaction with other substances.
Die
in
Während die
Spektren von Metallionen im ultravioletten bzw. visuellen Bereich
oder bei der Fluoreszenz nicht definierbare Signale zeigen, besitzen
die Spektren der in
Falls eine Wechselwirkung zwischen den Porphyrinsystemen und Metallionen stattfindet, führen diese aufgrund der Veränderung der Elektronendichte der Bildung neuer Bindungen zu Verschiebungen bzw. Veränderungen der charakteristischen Signale der Porphyrinsysteme. Da die verschiedenen Metallionen zu verschiedenen Wechselwirkungen führen, ergibt jede Wechselwirkung ein individuelles und von dem Metall abhängiges Spektrum. Somit kann eine Identifikation der unterschiedlichen Metalle aufgrund der Veränderung des Spektrums zugänglich werden. Die Intensitäten der neuen Signale sind dabei proportional zu der Metallkonzentration.If an interaction between the porphyrin systems and metal ions takes place, lead these due to the change the electron density of the formation of new bonds to shifts or changes the characteristic signals of the porphyrin systems. Because the different ones Metal ions lead to different interactions, giving each interaction an individual and metal-dependent spectrum. Thus, can an identification of the different metals due to the change of the Spectrum accessible become. The intensities The new signals are proportional to the metal concentration.
Da
Porphyrine und Bipyridine unterschiedliche Komplexierungseigenschaften
besitzen, sind Systeme, wie das in
Sowohl
das in
Bei der Untersuchung der Wechselwirkungen des Porpyhrin-Systems 1d mit den Metallionen wurden die UV/Vis-Spektren herangezogen, da diese auch bei minimalen Substanzmengen Wechselwirkungen erkennen lassen. Die intensive Farbe des Porphyrin-Systems erleichtert die Untersuchung in sehr verdünnter Lösung und macht das Verfahren noch empfindlicher für jede Art von Wechselwirkungen.at investigating the interactions of the porpyhrin system 1d with The metal ions were the UV / Vis spectra used, since these even with minimal amounts of substance can detect interactions. The intense color of the porphyrin system facilitates the examination in very dilute solution and makes the process even more sensitive to any kind of interactions.
Für die Lösung des Porphyrin-Systems 1d in den verschiedenen Lösungen wurden die Wellenlängen, bei denen sich Intensitätsmaxima im Spektrum zeigen – die λmax-Werte – bestimmt. In den folgenden Beispielen wurden einige metallische Verbindungen der ersten und der vierten Hauptgruppe, der Eisen- und der Kupfergruppe mit den Lösungen umgesetzt und die λmax-Werte bestimmt.For the solution of the porphyrin system 1d in the different solutions, the wavelengths at which intensity maxima in the spectrum show - the λ max values - were determined. In the following examples some metallic compounds of the first and the fourth main group, the iron and the copper group were reacted with the solutions and the λ max values were determined.
Beispiel 1example 1
Weiterhin
wurde der Nachweis von Silber-Ionen durch deren Wechselwirkung mit
dem System 87 aus
Tab. 1: λmax [nm] von 87 in Ethanol/Wasser vor und nach der Versetzung mit Ag+ unter Lichtausschluss und bei LichtAwesenheit: Tab. 1: λ max [nm] of 87 in ethanol / water before and after the displacement with Ag + in the absence of light and in the presence of light:
Beispiel 2Example 2
Weiterhin wurde die Wechselwirkung zwischen dem 4,4'-Bisbrom-methyl-1,1'-biphenyl-Porphyrindoppeldecker 87 und Metallionen untersucht. Furthermore, the interaction between the 4,4'-bisbrom-methyl-1,1'-biphenyl porphyrin double-decker 87 and metal ions was investigated.
Der Porphyridindoppeldecker 87 wurde in EtOH/H2O (1:1) aufgelöst und mit Metallsalzen bei Raumtemperatur umgesetzt. Die Wechselwirkung zwischen dem Porphyrindoppeldecker 87 und den Metallkationen wird durch das UV-Spektrum der in Tabelle 2 angegebenen Lösungen untersucht.The porphyridine double-decker 87 was dissolved in EtOH / H 2 O (1: 1) and reacted with metal salts at room temperature. The interaction between the porphyrin double-decker 87 and the metal cations is examined by the UV spectrum of the solutions given in Table 2.
Tab. 2: UV/VIS-spektroskopische Daten von 87 vor und nach der Versetzung mit Hg(OAc)2, Pb(OAc)2, Ni(OAc)2, Co(OAc)2, Cu(OAc)2 Tab. 2: UV / VIS spectroscopic data of 87 before and after the displacement with Hg (OAc) 2 , Pb (OAc) 2 , Ni (OAc) 2 , Co (OAc) 2 , Cu (OAc) 2
Die
entsprechenden Spektren sind in den
Die
UV-Spektren für
die Lösungen
2 und 3 zeigen im Vergleich zur Stammlösung 1 wesentliche Veränderungen
der Signale, woraus man auf eine Veränderung der Strukturen bzw.
auf sehr starke Wechselwirkungen zwischen dem Porphyrindoppeldecker
87 und den Metallkationen Hg2+ und Ph2+ in neutraler Lösung schließen kann (siehe
Das Quecksilber(II)-Kation und das Blei(II)-Kation besitzen große Radien von 1.10 Å bzw. 1.20 Å. Daher ist die Bindung dieser Kationen an den Stickstoff der Pyrrole im Zentrum des Porphyrinrings auf der gleichen Ebene unwahrscheinlich.The Mercury (II) cation and the lead (II) cation have large radii of 1.10 Å or 1.20 Å. Therefore, the binding of these cations to the nitrogen of the pyrroles unlikely in the center of the porphyrin ring at the same level.
Weitere
makrozyklische Verbindungen, die insbesondere durch ihre Wechselwirkung
für die
Nachweise von Aromaten sowohl im UV/Vis als auch mit NMR oder DSC
verwendet werden können,
sind Verbindungen aus der Gruppe der Polyrotaxane. Beispielhaft
ist hier die Wechselwirkung von bis (1,5-naphto)-38-crown-10 mit
dem Oligomer 2,7-di-(3,3'-Sulfonsäure-4,4'-biphenyl-benzo[lmn][3,8]phenantrolin-1,3,6,8-tetraon
in DMSO-d6 (siehe
In
Handelsübliche spektroskopische Zellen bzw. Küvetten haben eine feste Länge. Um das maximale Intensitätssignal im Spektrum auf einen Wert zu begrenzen, der im Meßbereich des Detektors liegt, muß im allgemeinen die Konzentration des zu bestimmenden Stoffs verändert werden. Höhere Konzentrationen führen zu einer Überschreitung des maximal meßbaren Intensitätswerts, während sehr niedrige Konzentrationen den meßbaren Bereich, also die Empfindlichkeitsgrenze des Geräts, unterschreitet.Commercially available spectroscopic Cells or cuvettes have a fixed length. To the maximum intensity signal in the spectrum to limit to a value in the measuring range of the detector must be in In general, the concentration of the substance to be determined to be changed. higher Concentrations lead to an excess of the maximum measurable Intensity value, while very low concentrations the measurable range, so the sensitivity limit of the device, below.
Demgegenüber weist
die Meßzelle
Gemäß einem
bevorzugten Verfahren gemäß der Erfindung
startet hierzu die Messung mit einer Zellenlänge
Anschließend kann die Zellentemperatur erhöht werden, vorzugsweise auf etwa 80 bis 120°C, und erneut das gesamte Spektrum genau gemessen werden. Die Messungen bei höherer Temperatur ermöglichen die Freisetzung des zu bestimmenden Stoffs aus Einlagerungen, beispielsweise aus einer Matrix oder Einsammlungen, die oft in der Natur oder in Lösungen, insbesondere bei Metallionen, vorkommen bzw. gebildet sind.Then you can the cell temperature increases be, preferably at about 80 to 120 ° C, and again the entire spectrum be measured exactly. The measurements at higher temperature allow the Release of the substance to be determined from inclusions, for example from a matrix or collections, often in nature or in nature Solutions, especially with metal ions, occur or are formed.
Durch
den Vergleich der Spektren bei Raumtemperatur bzw. bei der erhöhten Temperatur
entweder mit in der Software gespeicherten oder parallel in einer
zweiten Meßzelle
gemessenen Referenzspektren kann der zu bestimmende Stoff identifiziert
werden. Da sowohl die Konzentration des Wirt-Systems als auch die
Zellenlänge
In
Die erfindungsgemäße Meßzelle wird bevorzugt für Messungen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet. Die erfindungsgemäße Meßzelle kann aber auch für normale spektroskopische Messungen verwendet werden. Dabei funktioniert sie als Meßküvette mit variabler Länge.The Measuring cell according to the invention preferred for Measurements according to the method of the invention used. The measuring cell according to the invention can but also for normal spectroscopic measurements are used. It works as a cuvette with variable length.
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Legal Events
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Inventor name: AYMAN, IBRAHIM, DR., 91052 ERLANGEN, DE |
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R016 | Response to examination communication | ||
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Effective date: 20121006 |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20140701 |