DE102016204541A1

DE102016204541A1 - Verfahren und Vorrichtung zur zeitlichen und lokal aufgelösten Detektion von Stoffkonzentration in Fluiden

Info

Publication number: DE102016204541A1
Application number: DE102016204541.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Richter; René Körbitz; Markus Franke
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2016-03-18
Filing date: 2016-03-18
Publication date: 2017-09-21
Anticipated expiration: 2036-03-19
Also published as: DE102016204541B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zeitlichen und lokal aufgelösten Detektion von Stoffkonzentration in Fluiden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zeitlichen und lokal aufgelösten Detektion von Stoffkonzentration in Fluiden.
Die zeitlich und örtlich aufgelöste Bestimmung von Umgebungsgrößen, wie etwa Temperatur, pH-Wert und insbesondere Stoffkonzentrationen in Fluiden, besonders in Echtzeit, stellt derzeit ein erhebliches Problem dar. Von besonderem Interesse ist dabei beispielsweise die Bestimmung von Stoffkonzentrationen über eine bestimmte Fläche oder Volumen, sodass eine 2D- oder 3D-Infomration zur Verteilung einer Umgebungsgröße, wie etwa einer Stoff- oder Teilchenkonzentration, erhalten werden kann. Hierzu eigenen sich besonders optische Verfahren, welche entsprechende Informationen über die Verteilung der Umgebungsgröße liefern können.
Bekannt sind beispielsweise optische Detektionsverfahren auf Basis von Indikatorfarbstoffen oder Fluoreszenzfarbstoffen. Wencel, et al. (Anal. Chem., 2014, 86 (1), 15–29) geben beispielsweise eine Übersicht über optisch, chemische Sensoren zur pH-Wert Bestimmung. Die dabei verwendeten Systeme basieren auf der Erfassung der Veränderung der optischen Eigenschaften von Indikator- oder Fluoreszenzfarbstoffen. Auch die Verwendung von Nanopartikeln ist beschrieben.
In Larsen, et al. „A simple and inexpensive high resolution color ratiometric planar optode imaging approach: application to oxygen and pH sensing" (Limnol. Oceanogr.: Methods, 2011, 9) wird beschrieben wie mit einer mit einem speziellen Fluoreszenzfarbstoff beschichteten Polymerfolie (Optode) zweidimensionale, räumliche Verteilungen und Konzentrationen von Stoffen und physikalischen Parametern visualisiert werden können. Der Messaufbau besteht aus einer Lichtquelle, zwei optischen Filtern, der Optode und einem optischen Detektor, hier einer Spiegelreflexkamera. Zur Bestimmung der Stoffkonzentration bzw. seiner räumlichen Verteilung wird die Polymerfolie kurz mit ihrer spezifischen Anregungswellenlänge beleuchtet. Durch die Messung der Intensität des emittierten Lichts kann anschließend die Konzentration sowie die räumliche Verteilung des Stoffes in der Probe bestimmt werden. Ein ähnliches Verfahren wird in DE 10 2011 118 619 A1 beschrieben.
Der Nachteil dieser Detektionsmethoden liegt darin, dass zur optischen Erfassung die Zugabe von Farb- oder Fluoreszenzfarbstoffen notwendig ist, die bei Interaktion mit dem Analyten eine optische Änderung erfahren. Diese Farbstoffe selbst sind teilweise toxisch, weshalb der Einsatz insbesondere in Zellkulturen nicht oder nur dosiert möglich ist.
Weiterhin bekannt sind Nanosensoren auf der Basis von auf stimuli-sensitiven Polymerbürsten immobilisierten Nanopartikeln. So offenbart die EP2128598 einen Sensor mit stimuli-sensitiven Polymerbürsten, die eine pH-Wert oder Temperaturänderung zu erfassen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welche eine direkte zeitlich und örtlich aufgelöste optische Detektion einer Stoffkonzentration ermöglicht ohne das hierzu ein Indikator- oder Fluoreszenzfarbstoff verwendet werden muss.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Weiterhin wird auch die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur zeitlichen und lokal aufgelösten Detektion von zumindest einer Stoffkonzentration in einem Fluid vorgeschlagen, umfassend:

a) zumindest einen Träger, auf dem zumindest eine Art eines aktiven Elements angeordnet ist, wobei das aktive Element zur Interaktion mit einem zu detektierenden Stoff ausgebildet ist, welches hilfsenergiefrei durch den zu detektierenden Stoff in Abhängigkeit der Stoffkonzentration aktivierbar ausgebildet ist, wobei das aktive Element derart ausgebildet ist, dass eine lokale Änderung des Quellungszustandes des aktiven Elements durch die lokale Interaktion des aktiven Elements mit dem zu detektierenden Stoff erfolgt und/oder eine lokale Änderung der optischen Eigenschaften des aktiven Elements durch die lokale Interaktion des aktiven Elements mit dem zu detektierenden Stoff bewirkt wird, wobei das aktive Element aus einem Hydrogel und/oder einer Polymerbürste ausgebildet ist,
b) zumindest eine Vorrichtung zur optischen Detektion der Änderung der optischen Eigenschaften des aktiven Elements.

Das aktive Element, welches als Hydrogel oder Polymerbürste ausgebildet ist, fungiert dabei als sensorisches Element, welches mit dem zu detektierenden Stoff interagiert. Durch diese Interaktion kommt es zu einer lokalen Änderung des Quellungszustandes des aktiven Elements und/oder zu einer lokalen Änderung der optischen Eigenschaften des aktiven Elements, wobei die Änderung der optischen Eigenschaften des aktiven Elements durch eine Vorrichtung zur optischen Detektion erfasst wird. Durch die lokale und zeitliche Zuordnung der Änderung der optischen Eigenschaften des aktiven Elements nach Interaktion mit dem zu detektierenden Stoff kann die lokale Konzentration des Stoffs ermittelt und somit Aussagen über die lokale Stoffverteilung im Fluid getroffen werden.
Unter einem Fluid wird im Sinne der Erfindung vorliegend eine Flüssigkeit oder ein Gas verstanden, das als Trägermedium für den zu detektierenden Stoff dienen kann.
Unter hilfsenergiefrei wird im Sinne der Erfindung ein Verzicht auf eine externe Energiezuführung in Form von elektrischer, chemischer oder thermischer Energie für die Bewirkung der aktiven Funktion des aktiven Elements verstanden. Das aktive Element, welches beispielsweise als Hydrogel oder Polymerbürste ausgebildet ist, ist derart ausgestaltet, dass dieses eine aktive Funktion, beispielsweise eine Änderung des Quellungszustandes und/oder eine lokale Änderung der optischen Eigenschaften, bewirkt. Im Falle eines Hydrogels ist diese aktive Funktion beispielsweise eine Änderung des Quellungszustands, wobei die Änderung des Quellungszustands mit einer Volumenzu- oder -abnahme verbunden ist. Dadurch wird eine aktive Funktion bewirkt.
Unter einem Hydrogel wird im Sinne der Erfindung ein wasserunlösliches Polymernetzwerk verstanden, dessen Polymerketten chemisch, z.B. durch kovalente oder ionische Bindungen, oder physikalisch, z.B. durch Verschlaufen der Polymerketten, zu einem dreidimensionalen Netzwerk verknüpft sind und infolge Quellung wässrige Lösungen enthalten kann. Enthalten die Polymerketten verschiedene Monomereinheiten bezeichnet man dies als Copolymere.
Unter einer Polymerbürste wird im Sinne der Erfindung ein Polymer verstanden, welches durch Pfropfen auf einem Substrat bzw. dem Träger angeordnet ist. Die Polymerketten werden dabei chemisch kovalent und/oder durch physikalische Wechselwirkung an das Substrat angeknüpft. Dabei sind die Polymerbürsten derart dicht gepfropft, dass diese nur in langgestreckter Form vom Substrat weg sich ausbilden können. Enthalten die Polymerketten verschiedene Monomereinheiten bezeichnet man dies als Copolymere.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das aktive Element aus einem Hydrogel ausgebildet und weist eine innere Strukturierung auf. Die innere Strukturierung kann dabei regelmäßig oder graduell ausgebildet sein und beispielsweise durch einen unterschiedlichen Grad der Vernetzung der Hydrogelmatrix begründet sein. Bevorzugt liegt der Grad der Vernetzung (als Quotient aus der Molzahl vernetztbarer Grundbausteine und der Molzahl der insgesamt in diesem makromolekularen Netzwerk vorhandenen Grundbausteine) der Hydrogelmatrix im Bereich von 0,5 bis 10 mol-%, besonders bevorzugt im Bereich von 1 bis 6 mol-% bezogen auf den vernetzbaren Grundbaustein (Vernetzer). Dem Fachmann ist bekannt, dass die untere und die obere kritische Lösungstemperatur eines Hydrogels von der Art und Menge des Vernetzers und dem Anteil an Copolymer abhängig ist. Prinzipiell steigt mit steigendem Grad der Hydrophilie die untere kritische Lösungstemperatur.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die innere Strukturierung des Hydrogels als Gradient der Vernetzung der Hydrogelmatrix ausgebildet. Aufgrund der graduellen Ausbildung ist eine unterschiedliche Sensitivität gegenüber der Konzentration des zu detektierenden Stoffes gegeben. Dadurch lassen sich beispielsweise durch ein aktives Element Schwellenwerte des zu detektierenden Stoffes ermitteln. Dieses ist beispielsweise im Rahmen von online-Prozessüberwachung sinnvoll.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff Sensitivität die stimuli-abhängige Fähigkeit von aktiven Elementen verstanden, auf die lokale Interaktion mit einer Umgebungsgröße durch eine lokale Änderung des Quellungszustandes (d.h. die räumlichen Abmessungen des aktiven Elements) und/oder eine lokale Änderung der optischen Eigenschaften (bspw. Lichtdurchlässigkeit) zu reagieren. Das mindestens eine aktive Element kann dabei Temperatur-, Druck- und/oder Analyt-sensitiv ausgebildet sein, wobei die Geschwindigkeit der Änderung des Quellungszustandes und/oder der optischen Eigenschaften von den Abmessungen, der Konzentration des zu detektierenden Stoffes, dem Grad der Vernetzung und einer optionalen Funktionalisierung des aktiven Elements abhängig ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das aktive Element aus einem Hydrogel ausgebildet, welches eine homogene Hydrogelmatrix aufweist, die chemisch und/oder physikalisch vernetzt ist.
In einer Ausführungsform ist das Hydrogel als stimuli-sensitives Hydrogel ausgeführt. Unter stimuli-sensitiven Hydrogelen werden Hydrogele mit Volumenphasenübergangsverhalten verstanden. Derartige Hydrogele reagieren auf geringe Änderungen bestimmter thermodynamisch relevanter Umgebungsgrößen mit großen Volumenänderungen. Thermodynamisch relevante Umgebungsgrößen, die Volumenphasenübergänge dieser Hydrogele verursachen können, sind physikalische Größen, z.B. Temperatur, oder chemische Größen in Form von Stoffkonzentrationen, etwa Alkohol-, Salz-, Biomolekülkonzentrationen oder der pH-Wert.
In einer Ausführungsform ist das stimuli-sensitive Hydrogel aus der Gruppe der Poly(acrylate) und/oder Poly(acrylamide) ausgewählt, vorzugsweise aus Poly(N-Isopropylacrylamid) (PNI-PAAm). Dieses Hydrogel ist temperatursensitiv und weist ein lower critical solution temperature (LCST)-Verhalten auf, ist aber ebenfalls sensitiv gegenüber speziellen Stoffkonzentrationen. Da die LCST-Temperatur und die kritische Schwellwert-Konzentration, bei denen das stimuli-sensitive Hydrogel quillt bzw. entquillt, voneinander abhängen, kann man eine dieser Größen zur Definition des Schwellwertes der anderen Größe verwenden. Bei PNIPAAm lässt sich durch Steuerung der Temperatur z.B. die Schwellwertkonzentration von Alkohol in Wasser einstellen, bei denen das Hydrogele quillt/entquillt [A. Richter, A. Türke, A. Pich, Adv. Mater. 2007, 19, 1109–1112].
Weitere Ausführungen stimuli-sensitiver Hydrogele bestehen aus Poly(vinylmethylether), Poly(vinylalkohol), Poly(oxazolinen), Poly(glykolether) wie Poly(ethylenglykol) sowie Kombinationen der genannten Ausführungen als Copolymere.
Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegend Erfindung weist das aktive Element zumindest eine Funktionalisierung auf. Durch die Funktionalisierung ist eine spezifische Anbindung des zu detektierenden Stoffs realisierbar. Beispielsweise können zur Funktionalisierung stoffspezifische Bindungssequenzen oder Antikörper, Antigene, etc. immobilisiert werden, welche eine spezifische Interaktion zwischen dem zu detektierenden Stoff und dem Hydrogel zu ermöglichen. Besonders vorteilhaft kann durch die gezielte Funktionalisierung des Hydrogels die Sensitivität kontrolliert modifiziert werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das aktive Element eine Schichtdicke auf, welche mit der Maßgabe ausgebildet ist, dass in Abhängigkeit der Schichtdicke des aktiven Elements die zur lokale Änderung des Quellungszustandes des aktiven Elements erforderliche und/oder die lokale Änderung der optischen Eigenschaften des aktiven Elements durch die lokale Interaktion des aktiven Elements bewirkende Stoffkonzentration des zu detektierenden Stoffs eingestellt wird. Dabei kann die Schichtdicke des aktiven Elements vorteilhaft derart eingestellt werden, dass die Sensitivität des aktiven Elements für die Interaktion mit dem zu detektierenden Stoff beeinflusst werden kann. Beispielsweise kann die Sensitivität für die lokale Änderung des Quellungszustandes des aktiven Elements und/oder der lokalen Änderung der optischen Eigenschaften des aktiven Elements erhöht werden, wenn die Schichtdicke gering, also wenige nm bis µm, gewählt wird. Dagegen kann die Sensitivität des aktiven Elements für die Interaktion mit dem zu detektierenden Stoff bei größerer Schichtdicke herabgesetzt werden. Dadurch lassen sich gezielt erforderliche Konzentrationsschwellen des zu detektierenden Stoffes einstellen, bei denen das aktive Element eine Änderung seines Quellungszustands und/oder seiner optischen Eigenschaften erfährt.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das aktive Element aus einer Polymerbürste ausgebildet und weist eine Funktionalisierung für den zu detektierenden Stoff auf. Die Polymerbürsten sind so dicht gepfropft sind, dass die einzelnen Polymerketten sich von dem Träger weg strecken müssen. Bei lokaler Interaktion des zu detektierenden Stoffes mit einer Polymerbürste kollabiert die Polymerbürste, wobei das Kollabieren aufgrund der gestreckten und gepfropften Anordnung in Trägerrichtung erfolgt. Bei Kollabieren der Polymerbürsten erfolgt eine Änderung der optischen Eigenschaften der Polymerbürste, welche mittels eines optischen Verfahrens, beispielsweise mittels CCD-Sensor, erfasst werden kann. Durch das lokale Kollabieren der Polymerbürste bei Interaktion mit dem zu detektierenden Stoff ist die lokale Auflösung des zu detektierenden Stoffs gewährleistet.
In einer Ausführungsform der Erfindung besteht die Polymerbürste aus stimuli-sensitiven Polymeren welche eine LCST aufweisen. Unterhalb der LCST sind die Polymerbürsten im gestreckten Zustand von der Substratoberfläche weggestreckt. Nach Überschreiten der LCST oder nach Überschreiten einer gewissen Schwellwertkonzentration des zu detektierenden Stoffes erfolgt das Kollabieren der Polymerbürsten hin zum Substrat. Polymerbürsten aus stimuli-sensitiven Polymeren bestehen vorzugsweise aus Poly(acrylaten) und/oder Poly(acrylamiden), vorzugsweise aus Poly(N-Isopropylacrylamid). Weitere Ausführungsformen können aus Poly(vinylmethylether), Poly(vinylalkohol), Poly(oxazolinen), Poly(glykolether) wie Poly(ethylenglykol) sowie Kombinationen der genannten Ausführungen als Copolymere bestehen.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das aktive Element aus einer Polymerbürste ausgebildet, wobei die Polymerbürste, vorzugsweise aus stimuli-sensitiven Polymeren, mit metallischen und/oder halbleitenden Nanopartikeln, z.B. Gold, Silber, Cadmiumselenid, Cadmiumtellurid funktionalisiert sind. Bei diesen Materialien lassen sich durch der Änderungen der chemischen Umgebung (z.B. Kollabieren der Polymerbürsten) Änderungen ihrer Fluoreszenz-, Phosphoreszenz- und plasmonischen Eigenschaften als optische Signale ausnutzen um folglich den Status der Polymerbürste anzuzeigen (Polymerbürsten kollabiert/nicht kollabiert).
In einer Ausführungsform der Erfindung sind eine Vielzahl von aktiven Elementen auf dem Träger angeordnet, wobei die aktiven Elemente zumindest eine erste Art eines aktiven Elements umfassen, welches repetitiv in einer gemeinsamen Querschnittsebene aneinandergrenzend und/oder gestapelt angeordnet ist. Durch eine derartige Anordnung von einer Vielzahl von aktiven Elementen in einer Querschnittsebene wird beispielsweise eine Matrix aus aktiven Elementen ausgebildet, welche eine verbesserte lokale Zuordnung der Interaktion der einzelnen aktiven Elemente mit dem zu detektierenden Stoff ermöglichen, um so eine hohe lokale Auflösung zu gewährleisten. Vorteilhaft sind die jeweiligen Flächen der aktiven Elemente im Mikrometer-, Submikrometer- oder Nanometerbereich ausgebildet, sodass möglichst viele aktive Elemente auf dem Träger zur Interkation mit dem zu detektierenden Stoff angeordnet sind. Beispielsweise kann die Anordnung der aktiven Elemente analog der Anordnung von Pixeln einer Rastergrafik ausgebildet sein, wobei die aktiven Elemente vorzugsweise einen polygonalen, vorzugsweise quadratischen Querschnitt aufweisen und die Standardabweichung vom mittleren Querschnitt beträgt nicht mehr als 10%.
Bevorzugt weisen die einzelnen aktiven Elemente auf dem Träger einen gewissen Abstand zueinander auf, so dass die aktiven Elemente in mindestens zwei Dimensionen durch Hohlräume bzw. Kanäle voneinander abgegrenzt sind, wodurch ein aktives Element in drei Dimensionen von einem Fluid umspült werden kann. Vorteilhaft werden durch das dreidimensionale Umspülen des aktiven Elementes sehr kurze Diffusionswege des zu detektierenden Stoffes in das aktive Element realisiert, wodurch die Quellungs- und Entquellungsgeschwindigkeit erhöht werden. Vorzugsweise sind die Hohlräume bzw. Kanäle zwischen den einzelnen aktiven Elementen derart ausgebildet, dass der Kapillardruck des Lösungsmittels (in der Regel eine wässrige Lösung) ausreicht um den Fluss des Lösungsmittels in den Hohlraum bzw. Kanal anzutreiben. Der Kanaldurchmesser, in welchem dieses Verhalten abläuft, liegt bevorzugt im Bereich von 100 nm bis 250 µm.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung unabhängig von der Größe des aktiven Elements ist und diese grundsätzlich frei wählbar ist. Bevorzugt liegen die Abmessungen der einzelnen aktiven Elemente in mindestens zwei Dimensionen im Bereich von 1 µm bis 1 cm, bevorzugt im Bereich von 50 µm bis 0,5 cm.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen zehn Quadratzentimeter der Querschnittsebene des Trägers im Bereich zwischen 9 und 9000 aktive Elemente auf.
Besonders vorteilhaft kann durch die erfindungsgemäße Größe der aktiven Elemente im Mikrometer- oder Submikrometerbereich eine homogene Temperierung und eine schnelle Ansprechzeit auf eine Temperaturänderung des einzelnen aktiven Elements gewährleistet werden.
Zudem kann durch die scharfe Abgrenzung der einzelnen aktiven Elemente durch Hohlräume bzw. Kanäle voneinander vorteilhaft eine hohe Kantenschärfe (ein Maß der Schärfe oder des Kontrasts von Kanten auf der Querschnittsebene des Trägers) erreicht werden. D.h. gegenüber bekannten Verfahren ist der Anteil konvexer Kantenanteile ist minimiert.
In einer Ausführungsform der Erfindung weisen die aktiven Elemente einen oder mehrere verschiedene optische Verstärker auf.
Unter einem optischen Verstärker wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Stoff oder eine Verbindung verstanden, der die optische Erfassung der Veränderung der optischen Eigenschaften des aktiven Elements verbessert. Optische Verstärker können dabei etwa Farbstoffe, Indikatoren, etc. sein. Durch die Verwendung von optischen Verstärkern kann so die optische Erfassung der lokalen Interaktion zwischen aktivem Element und zu detektierenden Stoff verstärkt und verbessert werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Temperierung, bevorzugt ein Peltier-Element, eine lumineszente Wärmequelle, beispielsweise ein Beamer oder ein Fotoleiter, vorgesehen, welche das zumindest eine aktive Element temperierend ausgebildet ist. Durch die Vorrichtung zur Temperierung ist eine Temperierung der aktiven Elemente möglich. Dies ist insbesondere für Hydrogele als aktive Elemente vorteilhaft, welche durch die Temperierung auf eine bestimmte Temperatur für die Interaktion mit dem zu detektieren Stoff sensitiviert werden können. Bekannt sind hierbei thermoresponsive Polymere, welche im engeren Sinne in ihrem Temperatur-Zusammensetzungs-Diagramm eine Mischungslücke aufweisen.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung derart gewählt, dass in dem zumindest einen aktiven Element während der optischen Detektion der lokalen Änderung der optischen Eigenschaften eine graduierte Temperaturänderung von mindestens 1 K pro Sekunde (d.h. K/s) einstellbar ist. Grundsätzlich ist die Geschwindigkeit der Temperaturänderung über der Zeit von der Art der verwendeten Vorrichtung zur Temperierung (Wärmequelle) abhängig. Bevorzugt ist die Vorrichtung zur Temperierung ein Peltier-Element, so dass die graduierte Temperaturänderung mindestens 1 K/s beträgt. Allerdings kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zur Temperierung ein Beamer oder Fotoleiter ist, wobei vorteilhaft in Abhängigkeit des Stromflusses graduierte Temperaturänderungen von bis zu 30 K/s erreicht werden können.
Durch diese kontrollierte Temperatursteuerung der aktiven Elemente ist die erfindungsgemäße Vorrichtung als System mit Direktdarstellung (sog. live-imaging) ausgebildet, d.h. unterschreitet ein zu detektierender Stoff eine Schwellenwertkonzentration nicht, erfolgt bei dem Erreichen einer kritischen Lösungstemperatur eine lokale Änderung des Quellungszustandes des aktiven Elements und/oder eine lokale Änderung der optischen Eigenschaften des aktiven Elements, die durch die lokale Interaktion des aktiven Elements mit der zu detektierenden Stoff bewirkt wird.
Alternativ kann in einer bevorzugten Ausgestaltung auch vorgesehen sein, dass die Bedingungen so gewählt sind, dass über den gesamten Querschnitt bzw. das Gesamtvolumen aller aktiven Elemente ein Temperaturprofil derart eingestellt ist, bei dem die mittlere Temperaturdifferenz zwischen den einzelnen aktiven Elementen maximal 1°K, bevorzugt maximal 0,5°K, besonders bevorzugt maximal 0,2°K beträgt. Durch diese exakte isotherme Temperatureinstellung der aktiven Elemente ist die erfindungsgemäße Vorrichtung als Schwellenwertsensor ausgebildet, d.h. erreicht ein zu detektierender Stoff eine Schwellenwertkonzentration, erfolgt eine lokale Änderung des Quellungszustandes des aktiven Elements und/oder eine lokale Änderung der optischen Eigenschaften des aktiven Elements, die durch die lokale Interaktion des aktiven Elements mit der zu detektierenden Stoff bewirkt wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist jedes aktive Element eine Vorrichtung zur Temperierung auf, welche unabhängig voneinander temperierbar ausgebildet sind. Durch die Temperierung jedes einzelnen aktiven Elements ist eine Feinsteuerung der lokalen Erfassung möglich. Auch können dadurch etwa in strömenden Fluiden lokale Temperaturunterschiede ausgeglichen werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Träger und dem mindestens einen aktiven Element eine haftvermittelnde Zwischenschicht angeordnet. Durch die haftvermittelnde Schicht ist eine verbesserte Anordnung der aktiven Elemente auf dem Träger gewährleistet, wodurch die Vorrichtung auch bei Fluiden mit erhöhter Fließgeschwindigkeit oder Scherkraft einsetzbar sind. Beispielsweise kann hierfür 2-Hydroxy-4′-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone als haftvermittelnde Schicht verwendet werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Träger transparent oder opak oder reflektierend ausgebildet. Die Ausgestaltung des Trägers kann hierbei für den jeweiligen Anwendungszwang in Abhängigkeit von Art der Detektion, insbesondere bei Transmissions- oder Reflexionsmessung entsprechend ausgesucht sein.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung zur optischen Detektion der Änderung der optischen Eigenschaften der aktiven Elemente als Transmissions- oder Reflexionsdetektor oder optischer Sensor ausgebildet.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der optische Sensor einen CCD-Sensor und/oder CMOS-Sensor. Eine Auswahl des CCD-Sensors und/oder CMOS-Sensors kann durch die Wellenlänge des zu detektierenden optischen Ereignisses begründet sein. CMOS-Bildsensoren besitzen oft eine höhere Empfindlichkeit im NIR-Bereich (engl. near infra-red, kurzwellige Infrarotstrahlung) als CCD-Sensoren. Bei vielen CMOS-Sensoren liegt das Empfindlichkeitsmaximum im NIR-Bereich (> 650 nm), während CCD-Sensoren das Maximum im sichtbaren Bereich (grünes Licht, 550 nm) besitzen.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung zur zeitlichen und lokal aufgelösten Detektion von zumindest einer Stoffkonzentration in Fluiden zumindest eine weitere Art eines aktiven Elements, wobei das aktive Element aus einem Hydrogel und/oder einer Polymerbürste ausgebildet ist und wobei die weitere Art eines aktiven Elements zur optischen Detektion einer Umgebungsgröße ausgebildet ist, wobei die Umgebungsgröße ausgewählt ist aus den physikalischen Parametern Druck, Dichte, Temperatur oder Teilchenkonzentration. Das weitere aktive Element kann dabei vorgesehen sein, um neben der zeitlichen und lokalen Auflösung der Stoffkonzentration eine zusätzliche Information hinsichtlich der lokalen Parameter wie Druck, Dichte, Temperatur oder Teilchenkonzentration am Interaktionsort bereitzustellen. Dadurch können die so ermittelten Parameter mit der lokalen Stoffkonzentration korreliert werden und zu einem besseren Verständnis der lokalen Gegebenheiten am Interaktionsort zusammengefasst. Solche kombinierten Informationen sind beispielsweise bei Verwendung der Vorrichtung im Rahmen von Online-Überwachungsprozessen für Fermenter, Bioreaktoren, in der Verfahrenstechnik, etc. vorteilhaft.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die weitere Art des aktiven Elements derart ausgebildet, dass die Detektion der zu detektierenden Umgebungsgröße durch Interaktion des weiteren aktiven Elements mit der zu detektierenden Umgebungsgröße erfolgt, wobei das weitere aktive Element hilfsenergiefrei durch die zu detektierende Umgebungsgröße aktivierbar ausgebildet ist und wobei das weitere aktive Element derart ausgebildet ist, dass eine lokale Änderung des Quellungszustandes des weiteren aktiven Elements erfolgt und/oder eine lokale Änderung der optischen Eigenschaften des weiteren aktiven Elements durch die lokale Interaktion des weiteren aktiven Elements mit der zu detektierenden Umgebungsgröße bewirkt wird.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur zeitlichen und lokal aufgelösten Detektion zumindest einer Stoffkonzentration in einem Fluid umfassend die Schritte:

a) Bereitstellung einer untertemperierten erfindungsgemäßen Vorrichtung zur zeitlichen und lokal aufgelösten Detektion von zumindest einer Stoffkonzentration in Fluiden,
b) Interaktion des zumindest einen aktiven Elements mit einem zu detektierenden Stoff, wobei das mindestens eine aktive Element durch die Interaktion mit dem zu detektierenden Stoff eine lokale Änderung seines Quellungszustandes und/oder seiner optischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Stoffkonzentration erfährt,
c) optische Detektion der lokalen Änderung der optischen Eigenschaften des aktiven Elements bei Interkation mit der zu detektierenden Stoffkonzentration.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das mindestens eine aktive Element während der optischen Detektion der lokalen Änderung der optischen Eigenschaften eine graduierte Temperaturänderung von mindestens 1 K pro Sekunde (d.h. K/s) erfährt. Grundsätzlich ist die Geschwindigkeit der Temperaturänderung über der Zeit von der Art der verwendeten Vorrichtung zur Temperierung (Wärmequelle) abhängig. Bevorzugt ist die Vorrichtung zur Temperierung ein Peltier-Element, so dass die graduierte Temperaturänderung mindestens 1 K/s beträgt. Allerdings kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zur Temperierung ein Beamer oder Fotoleiter ist, wobei vorteilhaft in Abhängigkeit des Stromflusses graduierte Temperaturänderungen von bis zu 30 K/s erreicht werden können.
Durch diese kontrollierte Temperatursteuerung der aktiven Elemente ist das erfindungsgemäße Verfahren für eine Direktdarstellung (zeitlich und lokal aufgelöste Detektion; sog. live-imaging) ausgebildet, d.h. unterschreitet ein zu detektierender Stoff eine Schwellenwertkonzentration nicht, erfolgt bei dem Erreichen einer kritischen Lösungstemperatur eine lokale Änderung des Quellungszustandes des aktiven Elements und/oder eine lokale Änderung der optischen Eigenschaften des aktiven Elements, die durch die lokale Interaktion des aktiven Elements mit der zu detektierenden Stoff bewirkt wird.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere ein aktives Element ist im Sinne der Erfindung „untertemperiert“, wenn ihre Temperatur unterhalb der LCST des eingesetzten aktiven Elements liegt. Vorzugsweise liegt die Temperatur der erfindungsgemäßen Vorrichtung mindestens 2 K, besonders bevorzugt im Bereich von 2 bis 30 K unterhalb, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 5 bis 20 K unterhalb der LCST des entsprechend eingesetzten aktiven Elements.
Nach einer alternativ bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Bedingungen während der optischen Detektion der lokalen Änderung der optischen Eigenschaften so gewählt, dass über den gesamten Querschnitt bzw. das Gesamtvolumen aller aktiven Elemente ein Temperaturprofil derart isotherm eingestellt ist, dass die mittlere Temperaturdifferenz zwischen den einzelnen aktiven Elementen maximal 1 K, bevorzugt maximal 0,5 K, besonders bevorzugt maximal 0,2 K beträgt. Durch diese exakte isotherme Temperatureinstellung der aktiven Elemente dient das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion der Schwellenwertkonzentration eines zu detektierenden Stoffes. Erreicht ein zu detektierender Stoff eine Schwellenwertkonzentration, erfolgt eine lokale Änderung des Quellungszustandes des aktiven Elements und/oder eine lokale Änderung der optischen Eigenschaften des mindestens einen aktiven Elements, die durch die lokale Interaktion des aktiven Elements mit der zu detektierenden Stoff bewirkt wird.
Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zur zeitlichen und lokal aufgelösten Detektion zumindest einer Stoffkonzentration in einem Fluid die Bereitstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie die Interaktion des zu detektierenden Stoff mit dem zumindest einem aktiven Element, wobei das aktive Element infolge der Interaktion eine Änderung seines Quellungszustands und/oder seiner optischen Eigenschaften erfährt. Diese Änderung wird nachfolgend durch ein optisches Verfahren erfasst, wodurch eine lokale und zeitliche Zuordnung der Interaktion des zu detektierenden Stoffs mit dem aktiven Element erfolgt.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren weiterhin:

– optische Detektion einer Umgebungsgröße ausgewählt aus den physikalischen Parametern Druck, Dichte, Temperatur oder Teilchenkonzentration durch eine lokale Änderung des Quellungszustandes eines weiteren aktiven Elements und/oder eine lokale Änderung der optischen Eigenschaften des weiteren aktiven Elements durch die lokale Interaktion des weiteren aktiven Elements mit der zu detektierenden Umgebungsgröße.

Durch die zusätzliche Detektion einer Umgebungsgröße können die so erfassten Daten mit denen der lokalen und zeitlichen Interaktion des zu detektierenden Stoffs mit dem aktiven Element korreliert werden, wodurch eine weitergehende Information über die lokalen Bedingungen während der Interaktion erhalten wird. In einer Ausgestaltung der Ausführungsform werden zwei oder mehr Umgebungsgrößen erfasst, wodurch die lokalen Gegebenheiten bestimmt werden können. Dadurch können Rückschlüsse hinsichtlich der optimalen Bedingungen für die Interaktion von zu detektierenden Stoff und aktiven Element gezogen werden. Dieses Verständnis kann dann für die Optimierung nachfolgender Detektionsverfahren genutzt werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren weiterhin:

– Visualisierung der detektierten Stoffkonzentration und/oder Umgebungsgröße.

Vorteilhaft werden die erhalten Informationen zur lokalen und zeitlichen Interaktion des zu detektierenden Stoffs mit dem aktiven Element und den Umgebungsgrößen synchronisiert und nachfolgend visualisiert, wodurch die Informationen leichter verarbeitet und analysiert werden können.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auf dem Träger der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur zeitlichen und lokal aufgelösten Detektion von zumindest einer Stoffkonzentration in Fluiden eine Vielzahl von aktiven Elementen angeordnet, wobei die aktiven Elemente zumindest eine erste Art eines aktiven Elements umfassen, welches repetitiv in einer gemeinsamen Querschnittsebene aneinandergrenzend und in mindestens zwei Querschnittsebenen gestapelt angeordnet sind. Ist das aktive Element aus einem Hydrogel ausgebildet kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die aktiven Elemente aus zumindest einer ersten Art eines aktiven Elements, die in mindestens zwei Querschnittsebenen gestapelt angeordnet sind, einen von Querschnittsebene zu Querschnittsebene differenzierenden Grad der Vernetzung aufweisen. Durch eine derartige Anordnung von einer Vielzahl von aktiven Elementen in mindestens zwei Querschnittsebenen wird beispielsweise eine Matrix aus aktiven Elementen ausgebildet, welche eine zeitlich wiederholbare, lokal aufgelöste Detektion von zumindest einer Stoffkonzentration in Fluiden ermöglicht. Beispielsweise steigt der Grad der Vernetzung eines aktiven Elements einer ersten Art von Querschnittsebene zu Querschnittsebene, so dass bei der Anordnung von Vorrichtungen zur Temperierung unterhalb des Trägers besonders vorteilhaft zu einem ersten Zeitpunkt t₁ das erste (direkt auf dem Träger befindliche) aktive Element durch eine graduierte Temperaturänderung angesteuert wird, und jeweils nachfolgend zum Zeitpunkt t₂ (fortfolgende) ein darauf angeordnetes aktive Element einer ersten Art.
Vorteilhaft sind bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die jeweiligen Flächen der aktiven Elemente der Vorrichtung im Mikrometer-, Submikrometer- oder Nanometerbereich ausgebildet, sodass möglichst viele aktive Elemente auf dem Träger zur Interaktion mit dem zu detektierenden Stoff angeordnet sind. Beispielsweise kann die Anordnung der aktiven Elemente analog der Anordnung von Pixeln einer Rastergrafik ausgebildet sein, d.h. die aktiven Elemente weisen einen polygonalen, vorzugsweise quadratischen Querschnitt auf und die Standardabweichung vom mittleren Querschnitt beträgt nicht mehr als 10%.
Bevorzugt weisen die einzelnen aktiven Elemente, die in mindestens zwei Querschnittsebenen gestapelt angeordnet sind, einen bündigen Abschluss zueinander auf. Bevorzugt weisen die aktiven Elemente, welche repetitiv in einer gemeinsamen Querschnittsebene aneinandergrenzend einen gewissen Abstand zueinander auf, so dass die aktiven Elemente in mindestens zwei Dimensionen durch Hohlräume bzw. Kanäle voneinander abgegrenzt sind, wodurch ein aktives Element in drei Dimensionen von einem Fluid umspült werden kann. Vorteilhaft werden durch das dreidimensionale Umspülen des aktiven Elementes sehr kurze Diffusionswege des zu detektierenden Stoffes in das aktive Element realisiert, wodurch die Quellungs- und Entquellungsgeschwindigkeit erhöht werden. Vorzugsweise sind die Hohlräume bzw. Kanäle zwischen den einzelnen aktiven Elementen derart ausgebildet, dass der Kapillardruck des Lösungsmittels (in der Regel eine wässrige Lösung) ausreicht um den Fluss des Lösungsmittels in den Hohlraum bzw. Kanal anzutreiben. Der Kanaldurchmesser, in welchem dieses Verhalten abläuft, liegt bevorzugt im Bereich von 100 nm bis 250 µm.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur zeitlichen und lokal aufgelösten Detektion von zumindest einer Stoffkonzentration in Fluiden sowie eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur zeitlichen und lokal aufgelösten Detektion zumindest einer Stoffkonzentration in einem Fluid.

Für die räumlich aufgelöste Visualisierung von Stoffkonzentrationen in Fluiden ist die Detektion des Phasenübergangs der Sensorelemente essentiell. Zu diesem Zweck können mehrere Eigenschaftsänderungen genutzt werden, die grundsätzlich in optische Effekte oder Volumeneffekte eingeteilt werden können. Je nach zu detektierender Eigenschaft unterscheidet sich auch die Form des Erfassungssystems. Die folgende Tabelle Tab. 1 liefert eine Übersicht zu möglichen Sensortypen. Tabelle 1

Optischer Effekt	Art des Sensors	Beispiel
Transmissionsänderung	Transmissionsdetektor, Bildsensor, lichtempfindliches Sensorelement	CCD-, CMOS-Sensor, Fotodiode, Fotowiderstand
Reflexionsänderung	Reflexionsdetektor, Bildsensor	CCD-, CMOS-Sensor
Änderung der Brennweite	Bildsensor	CCD-Sensor
Farbänderung	Farb- oder Bildsensor	LAB-, True Color-, RGB- oder Druckmarkensensor, CCD-Sensor
Änderung des Brechungsindex	Bildsensor	CCD-Sensor
Volumeneffekt	Impedanzsensor, Piezokristall, Kapazitätssensor	Impedanz, piezoelektrisch, kapazitiv
Quellungszustand	Leitfähigkeitssensor

Zur Lösung der Aufgabe ist es auch vorgesehen, die vorbeschriebenen Ausführungsformen sowie einzelne Merkmale der Ansprüche zweckmäßig miteinander zu kombinieren.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele und der zugehörigen Figuren eingehender erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung beschreiben, ohne sich auf diese zu beschränken.
Es zeigen die
1 eine schematische Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, in
2 eine schematische Explosionsdarstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung, in
3 die Schwellwertkonzentrationsmessung von Methanol in Wasser bei einer konstanter Temperatur von 32°C, in
4 die lokal aufgelöste Direktdarstellung der Konzentrationsverteilung von Methanol in Wasser mittels kontrollierter Temperatursteuerung der aktiven Elemente (sog. live-imaging), wobei der Pfeil die radiale Diffusionsrichtung des Ethanols darstellt. 5 eine schematische Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Vielzahl von aktiven Elementen in einer Querschnittsebene, in
5 eine schematische Explosionsdarstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung, und in
6 eine schematische Explosionsdarstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Ausführungsbeispiel 1
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ist in 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur zeitlichen und lokal aufgelösten Detektion von zumindest einer Stoffkonzentration in einem Fluid dargestellt. Diese umfasst zumindest einen Träger 1 auf dem zumindest eine Art eines aktiven Elements 2 angeordnet ist. Das aktive Element 2 kann dabei beispielsweise aus einem Hydrogel, wie etwa (Poly(N-isopropylacrylamid) ausgebildet sein. Das aktive Element 2 ist dabei zur Interaktion mit einem zu detektierenden Stoff ausgebildet, wobei dieses hilfsenergiefrei durch den zu detektierenden Stoff in Abhängigkeit der Stoffkonzentration aktiviert wird.
Durch die Interaktion mit dem zu detektierenden Stoff erfolgt eine lokale Änderung des Quellungszustandes des aktiven Elements 2 und/oder eine lokale Änderung der optischen Eigenschaften des aktiven Elements 2. Diese Änderung wird durch zumindest eine Vorrichtung zur optischen Detektion 3 der Änderung der optischen Eigenschaften des aktiven Elements 2 erfasst. Die Vorrichtung zur optischen Detektion 3 kann dabei etwa als CCD-Sensor oder CMOS-Sensor ausgebildet sein. Durch den Sensor 3 wird die Änderung der optischen Eigenschaften infolge der Interaktion des aktiven Elements 2 mit dem zu detektierenden Stoff erfasst. Vorteilhafterweise erfolgt nachfolgend eine Visualisierung der erfassten optischen Änderung, sodass die so gewonnen Informationen zur zeitlichen und lokalen Interaktion visuelle dargestellt werden können.
In einem weiteren nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel ist das aktive Element 2 aus einem Hydrogel, wie etwa PNIPAAm, ausgebildet. Das Hydrogel ist dabei zur beispielsweise zur Interaktion mit Ethanol ausgebildet, wodurch eine zeitliche und lokale Änderung der Ethanolkonzentration in einem Fluid, beispielsweise einem wässrigen Medium, detektiert werden kann. Dabei kann etwa die Durchmischung eines wässrigen Mediums mit Ethanol, etwa bei der alkoholischen Gärung, bestimmt werden.
In einer Ausgestaltung des vorbeschriebenen Ausführungsbeispiels umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin eine Vorrichtung zur Temperierung 4. Die Vorrichtung zur Temperierung 4 ist derart ausgestaltet, dass diese das aktive Element 2 temperiert. Die Vorrichtung zur Temperierung 4 kann dabei beispielsweise eine konstante Temperierung des aktiven Elements 2 bewirken oder ein Temperaturprofil gemäß den Anforderungen durch den Anwender erstellen. Das Temperaturprofil könnte dabei in Form einer Rampe ausgebildet sein, wobei das aktive Element 2 durch die steigende Temperierung in seiner Interaktion mit dem zu detektierenden Stoff sensibilisiert wird.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß 5 und 6 sind die aktiven Elemente 2 in einer Querschnittsebene als Vielzahl aktiver Elemente 2 beispielsweise in Form einer Matrix auf dem Träger 1 angeordnet, wobei jedes aktive Element 2 zur Interaktion mit dem zu detektierenden Stoff in dem Fluid ausgebildet ist. Aufgrund der Ausgestaltung in Form einer Matrix können so präzisere Aussagen über die Verteilung der Stoffkonzentration des zu detektierenden Stoffs im Fluid getroffen werden.
In einer Ausgestaltung des vorbeschriebenen Ausführungsbeispiels weist jedes der aktiven Elemente 2 eine separate Vorrichtung zur Temperierung, beispielsweise ein Peltierelement, auf. Dadurch kann jedes der aktiven Elemente 2 individuell temperiert werden. So können beispielsweise innerhalb der Anordnung der verschiedenen aktiven Elemente 2 unterschiedlich sensitivierte aktive Elemente 2 für die Interaktion mit dem zu detektierenden Stoff ausgebildet werden.
Ausführungsbeispiel 2
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist in 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur zeitlich und lokal aufgelösten Detektion von zumindest einer Stoffkonzentration in einem Fluid dargestellt, wobei die Vorrichtung im Rahmen eines mikrofluidischen Systems verwendet wird. Diese umfasst zumindest einen Träger 1, auf dem zumindest eine Art eines aktiven Elements 2 angeordnet ist. Das aktive Element 2 kann dabei beispielsweise aus einem Hydrogel, wie etwa pPNIPAAm, ausgebildet sein. Das aktive Element 2 ist dabei zur Interaktion mit einem zu detektierenden Stoff ausgebildet, wobei dieses hilfsenergiefrei durch den zu detektierenden Stoff in Abhängigkeit der Stoffkonzentration aktiviert wird.
Die Vorrichtung umfasst dabei weiterhin eine Vorrichtung zur Temperierung 4 des aktiven Elements 2. Weiterhin umfasst die Vorrichtung in 2 einen mikrofluidischen Strukturlayer 5 mit mikrofluidischen Kanälen, welcher auf dem Träger 1 angeordnet und das aktive Element 2 abdeckt. Dabei kann der 2 entnommen werden, dass der mikrofluidische Strukturlayer 5 einen Einlass- und einen Auslasskanal 6, 7 aufweist, durch den das Fluid in eine Kammer 8, welche das aktive Element 2 abdeckt, ein- und austreten kann. Zudem weist der mikrofluidische Strukturlayer 5 weitere Zuführkanäle 9 auf, durch die ein weiteres Fluidum in die Kammer 8 eingebracht werden kann, um eine Vermischung innerhalb der Kammer 8 zu realisieren.
Ausführungsbeispiel 3 - Schwellwertkonzentrationsmessung
Für die Detektion der Schwellenwertkonzentration von Methanol in Wasser wurde ein Multisensorarray mit einer Vielzahl aktiven Elementen (PNIPAAm, 200 × 200 µm²) gemäß 6 und einzeln ansteuerbaren Peltier-Elementen bei einer konstanten Temperatur von 32°C mit einer 0,5 cm Wassersäule beaufschlagt. Zum Zeitpunkt t₀ erfolgt mittels Pipette die mittige Aufgabe von 1 ml einer wässrigen Methanol-Wasser-Lösung (10 mol-%), wobei nach 5 sec. zum Zeitpunkt t₁ die Bestimmung der optischen Eintrübung (als lokale Änderung der optischen Eigenschaften) der aktiven Elemente mit einer CCD-Kamera erfolgte. Die optische Eintrübung der aktiven Elemente aus PNIPAAm erfolgt über einer Schwellenwertkonzentration von 3,8 mol-% Methanol in Wasser. 3 zeigt die Ausbreitung an Methanol mittels bestimmter Fläche eingetrübter aktiver Elemente.
Ausführungsbeispiel 4 - Direktdarstellung der Konzentrationsverteilung von Methanol in Wasser
Für die lokal und zeitlich aufgelöste Direktdarstellung der Konzentrationsverteilung von Methanol in Wasser wird ein Multisensorarray mit einer Vielzahl aktiven Elementen (PNIPAAm, 200 × 200 µm²) gem. 6 und einzeln ansteuerbaren Peltier-Elementen bei einer konstanten Temperatur von 15°C mit einer 0,5 cm Wassersäule beaufschlagt. Zum Zeitpunkt t₀ erfolgt mittels Pipette die mittige Aufgabe von 1 ml einer wässrigen Methanol-Wasser-Lösung (10 mol-%), wobei nach 1 sec. zum Zeitpunkt t₁ die Temperatur der aktiven Elemente individuell mit einem Temperaturprofil von 2 K/s auf 32°C erhöht wird und die optische zeitabhängige Eintrübung (als lokale Änderung der optischen Eigenschaften) der aktiven Elemente aus PNIPAm erfasst wird. Die erhaltenen Informationen zur lokalen und zeitlichen Interaktion des aktiven Elements mit dem Methanol werden synchronisiert und nachfolgend visualisiert (4), wodurch die Informationen leichter verarbeitet und analysiert werden können. 4 zeigt die Ausbreitung an Methanol mittels zeitabhängiger Bestimmung der Fläche eingetrübter bzw. opak verfärbter aktiver Elemente.
Bezugszeichenliste

1: Träger
2: Aktives Element
3: Sensorsystem
4: Temperiervorrichtung
5: Mikrofluidischer Strukturlayer
6: Einlasskanal
7: Auslasskanal
8: Kammer
9: Zuführkanäle
10: Strukturlayer mit Fluidanschlüssen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011118619 A1 [0004]
EP 2128598 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Wencel, et al. (Anal. Chem., 2014, 86 (1), 15–29) [0003]
Larsen, et al. „A simple and inexpensive high resolution color ratiometric planar optode imaging approach: application to oxygen and pH sensing“ (Limnol. Oceanogr.: Methods, 2011, 9) [0004]
A. Richter, A. Türke, A. Pich, Adv. Mater. 2007, 19, 1109–1112 [0020]

Claims

Vorrichtung zur zeitlichen und lokal aufgelösten Detektion von zumindest einer Stoffkonzentration in einem Fluid umfassend: a) zumindest einen Träger (1), auf dem zumindest eine Art eines aktiven Elements (2) angeordnet ist, wobei das aktive Element (2) zur Interaktion mit einem zu detektierenden Stoff ausgebildet ist, welches hilfsenergiefrei durch den zu detektierenden Stoff in Abhängigkeit der Stoffkonzentration aktivierbar ausgebildet ist, wobei das aktive Element (2) derart ausgebildet ist, dass eine lokale Änderung des Quellungszustandes des aktiven Elements (2) durch lokale Interaktion des aktiven Elements (2) mit dem zu detektierenden Stoff erfolgt und/oder eine lokale Änderung der optischen Eigenschaften des aktiven Elements (2) durch die lokale Interaktion des aktiven Elements (2) mit dem zu detektierenden Stoff bewirkt wird, wobei das aktive Element (2) aus einem Hydrogel und/oder einer Polymerbürste ausgebildet ist, b) zumindest eine Vorrichtung zur optischen Detektion (3) der Änderung der optischen Eigenschaften des aktiven Elements (2).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Element (2) aus einem Hydrogel ausgebildet ist und eine innere Strukturierung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Strukturierung des Hydrogels als Gradient der Vernetzung der Hydrogelmatrix ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Element zumindest eine Funktionalisierung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydrogel ausgewählt ist aus dem Bereich der stimuli-sensitiven Hydrogele mit Volumenphasenübergangsverhalten.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbürste aus einem Copolymer ausgebildet ist und die Copolymere ausgewählt sind aus
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von aktiven Elementen (2) auf dem Träger (1) angeordnet sind, wobei die aktiven Elemente (2) zumindest eine erste Art eines aktiven Elements (2) umfassen, welches repetitiv in einer gemeinsamen Querschnittsebene aneinandergrenzend und/oder gestapelt angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Elemente (2) einen oder mehrere verschiedene optische Verstärker aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Temperierung (4) vorgesehen ist, welche das zumindest eine aktive Element temperierend ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass jedes aktive Element (2) eine separate Vorrichtung zur Temperierung (4) aufweist, welche unabhängig voneinander temperierbar ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Träger (1) und dem mindestens einen aktiven Element (2) eine haftvermittelnde Zwischenschicht angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1) transparent oder opak oder reflektierend ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur optischen Detektion (3) der Änderung der optischen Eigenschaften der aktiven Elemente (2) als Transmissions- oder Reflexionsdetektor oder optischer Sensor ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor einen CCD-Sensor und/oder CMOS-Sensor umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend zumindest eine weitere Art eines aktiven Elements, wobei das aktive Element aus einem Hydrogel und/oder einer Polymerbürste ausgebildet ist und wobei die weitere Art eines aktiven Elements zur optischen Detektion einer Umgebungsgröße ausgebildet ist, wobei die Umgebungsgröße ausgewählt ist aus den physikalischen Parametern Druck, Dichte, Temperatur oder Teilchenkonzentration.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Art des aktiven Elements derart ausgebildet ist, dass die Detektion der zu detektierenden Umgebungsgröße durch Interaktion des weiteren aktiven Elements mit der zu detektierenden Umgebungsgröße erfolgt, wobei das weitere aktive Element hilfsenergiefrei durch die zu detektierende Umgebungsgröße aktivierbar ausgebildet ist und wobei das weitere aktive Element derart ausgebildet ist, dass eine lokale Änderung des Quellungszustandes des weiteren aktiven Elements erfolgt und/oder eine lokale Änderung der optischen Eigenschaften des weiteren aktiven Elements durch die lokale Interaktion des weiteren aktiven Elements mit der zu detektierenden Umgebungsgröße bewirkt wird.
Verfahren zur zeitlichen und lokal aufgelösten Detektion zumindest einer Stoffkonzentration in einem Fluid umfassend die Schritte: a) Bereitstellung einer untertemperierten Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, b) Interaktion des zumindest einen aktiven Elements (2) mit einem zu detektierenden Stoff, wobei das mindestens eine aktive Element (2) durch die Interaktion mit dem zu detektierenden Stoff eine lokale Änderung seines Quellungszustandes und/oder seiner optischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Stoffkonzentration erfährt, c) optische Detektion der lokalen Änderung der optischen Eigenschaften des aktiven Elements (2) bei Interaktion mit der zu detektierenden Stoffkonzentration.
Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin umfassend: – optische Detektion einer Umgebungsgröße ausgewählt aus den physikalischen Parametern Druck, Dichte, Temperatur oder Teilchenkonzentration durch eine lokale Änderung des Quellungszustandes eines weiteren aktiven Elements und/oder eine lokale Änderung der optischen Eigenschaften des weiteren aktiven Elements durch die lokale Interaktion des weiteren aktiven Elements mit der zu detektierenden Umgebungsgröße.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, weiterhin umfassend: – Visualisierung der detektierten Stoffkonzentration und/oder Umgebungsgröße.
Verfahren nach Anspruch 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein aktives Element während der optischen Detektion der lokalen Änderung der optischen Eigenschaften eine graduierte Temperaturänderung von mindestens 1 K/s erfährt.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 sowie eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 17 bis 20 zur zeitlichen und lokal aufgelösten Detektion zumindest einer Stoffkonzentration in einem Fluid.