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BESCHREIBUNG
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Die Erfindung betrifft einen aus einem Indikator und einer den Indikator
umschliessenden Membran bestehenden Indikatorraum (Optode) zur Messung von Konzentrationen
von Stoffteilchen vermittels einer optischen, aus einer Lichtquelle, einem Lichtempfänger
und einer Anzeige bestehenden Lichtmesseinrichtung.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, Anordnungen der beschriebenen
Art mehrstufig auszubilden und mit den zu messenden Stoffteilchen reagierende Substanzen
dem Indikatorraum beizugeben.
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Es hat sich jedoch gezeigt, dass eine möglichst weitgehende Trennung
von Reagentien und Indikator von besonderem Vorteil ist und weitere Anwendungen
der beschriebenen Anordnung gestattet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung dem Indikatorraum
ein mindestens ein Reagens enthaltender, durch eine Membran abgeschlossener Reaktionsraum
für die zu messenden Stoffteilchen vorgeschaltet.
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Dieser Reaktionsraum, der, wie der Indikatorraum selbst, das Reagentium
durch eine Membran gegen des Messobjekt absperrt, wobei die Membran durch Permeation
von den zu messenden Teilchen überwunden wird, gestattet die Trennung von Messobjekt,Indikator,Reagentien
und den Reaktionsprodukten.
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Die erfindungsgemässe Anordnung lässt sich deshalb dort mit grossem
Vorteil anwenden, wo eine bestl..t'e Teilchenartnicht direkt messbar ist, wo es
aber Reaktionen gibt, die aus den zu messenden Teilchen solche Teilchen erzeugen,
die messbar sind.
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Wird ein solches Reaktionssystem im Reaktionsraum angeordnet, wird
dort aus den zu messenden Teilchen die messbare Teilchenart entstehen.
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Durch die Einschliessung des Reaktionssystems aber in den abgeschlossenen
Reaktionsraum lassen sich jetzt eine grosse Anzahl von Reaktionen anwenden, die
sonst nicht frei im Messobjekt auftreten dürfen, weil etwa toxische oder katalytische
Substanzen auftreten , die aber eine Replaclerung der einen (zu messenden) durch
die andere (messbare) Teilchenart gestatten.
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Durch diese messtechnische Replacierung von einer Teilchenart durch
eine andere werden weder stoffliche Störungen noch werden Störungen auf die optische
Messung ausgeübt, andererseits sind fast unbeschränkt viele Teilchenarten , selbst
unter physiologischen Bedingungen, messtechnisch erfassbar geworden.
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Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass mit der erfindungsgemässen
Anordnung nicht nur einmalige Messungen (im sogenannten End-stopp-Verfahren, bei
dem die Reaktion bis zum Aufbrauch des Reagens abläuft), sondern kontinuier liche
Messungen im Fliessgleichgewicht möglich geworden sind, weil das Reaktionssystem
ohne Rücksicht auf das Messobjekt so ausgebildet werden kann.
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Gerade die Stetigkeit der Messung erlaubt die Verwendung der Anordnung
zur Prozessüberwachung, insbesondere auch dort, wo es bisher keine Methoden zur
direkten Konzentrationsmessung gab.
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Beispielsweise ist die Uberwachung der Alkohol-
erzeugung
im industriellen Prozess oder die Uberwachung von Glucose im biologischen Prozess
bisher nicht direkt möglich gewesen.
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Aufgrund der starken Störanfälligkeit biologischer Objekte durch
Konzentrationsänderungen der in diesen wirkenden Stoffe ist die Anordnung nach der
Erfindung insbesondere hier mit Vorteil anwendbar.
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Da der Reaktionsraum immer zusammen mit mindestens der die Reaktion
messenden Messoptode verwendet wird, ist es zweckmässig, diese Kombination als "Reaktionsoptode"zu
bezeichnen.
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Durch besondere Ausbildungen des Reaktionsraumes ist es möglich,untersch1edliche
Messprobleme zu lösen. Hierbei muss die Anordnung nach der Erfindung auf das jeweils
vorliegende Messobjekt angepasst werden: Ist die Reaktionsrate für die zu messenden
Teilchen im Reaktionsraum gering, dann wird das im Messobjekt etwa vorliegende Fliessgleichgewicht
durch den Reaktionsraum nicht gestört, die Messung zeigt den jeweils aktuellen Zustand
an, beispielsweise die aktuelle Sauerstoffkonzentration.
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Ist andererseits die Reaktionsrate für die zu messenden Teilchen gross,
dann entsteht eine deutliche Senke für die zu messenden Teilchen sodass beispielsweise
aus der Messung des Senkenprofils die Grösse des Tellchenstromes bestimmt werden
kann.
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Die Grösse der Reaktionsrate lässt sich leicht durch Bestimmung des
jeweils optimalen Permeationswiderstandes (Membrandicke,Membranart) und der optimalen
Konzentration des Reagens auf das gemessene Gewebe oder sonstige Biosysteme einstellen.
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Ist beispielsweise der Permeationswiderstand der Membran gering -
bei dünnen oder grossporigen Membranen oder solchen mit grosser spezifischer Oberfläche
- oder ist die Konzentration des Reagens gross oder aber beide Eigenschaften liegen
vor, dann ist rauch die Reaktionsrate gross.
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Soll die Reaktionsrate klein sein, dann sind Membrane mit grossem
Permeationswiderstand und Reagentien in kleinen Konzentrationen zu wählen. Was im
einzelnen von Vorteil ist, kann jeweils nur im Hinblick auf die Eigenschaften des
Messobjektes festgelegt werden. Die Ausführung ist dem Fachmann wohlbekannt.
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In Weiterentwicklung der Erfindung sind eine weitere oder mehrere
weitere Kontrolloptoden vorgesehen.
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Häufig ist es nämlich von Interesse, wenn gleichzeitig die zu messenden
Teilchen im Reaktionsraum bestimmt und weitere, für die Messung wichtige Parameter
innerhalb oder ausserhalb des Reaktionsraumes überwacht werden.
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Beispielsweise ist häufig die Temperatur oder der Binnendruck oder
die Konzentration der zu messenden oder anderer Teilchen für einen biologischen
Ablauf von Bedeutung. Die Uberwachung dieser Parameter durch Optoden ist deshalb
sehr vorteilhaft, weil diese die störungsfreie optische Messung ermöglichen.
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Um zu vermeiden, dass für diese optische Messung störende Abschattungen
auftreten, oder dass der Permeationsstrom gestört wird, weisen die Optoden oder
Reaktionsräume Sichtöffnungen und/oder Permeationsöffnungen auf.
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Eine besonders starke Anwendungserweiterung erfährt die Anordnung
dadurch, dass das Reagens ein biologisches System ist. Solche Systeme - beispielsweise
Enzyme,Enzymketten,Zellextrakte,Zellpartikel,Zellen,Viren eakterien,Pilze,Mikroorganismen,Antikörper-,haben
häufig eine hohe Spezifität für Stoffteilchen oder andere chemische oder physikalische
Parameter sodass hierdurch eine hohe Messselektivität erreichbar ist.
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Die Präparation solcher Reaktionsoptoden erfolgt ohne grosse Schwierigkeiten.
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Um die Messzeitkonstanten möglichst gering zu halten, wird zweckmässig
der Reaktionsraum möglichst dünn gemacht, beispielsweise in dem der Reaktionsraum
als Folie ausgebildet ist, an die das Reagens fixiert ist. Methoden zur Fixierung
sind in der Technik bekannt.
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Falls die Fixierung eines Reagens an eine Folie nicht möglich ist,
können auch hydrophobe Schichten, die das Reagens festhalten auf eine Optode aufgebracht
werden.
Die Optode dient dabei also als Träger für solche nicht eigenstabile Schichten.
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In einer anderen Weiterentwicklung ist der Indikatorraun als Nano-oder
Mikrooptode <Durchmesser < 10 1u) ausgebiLdet.
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Solche Kleinstoptoden lassen sich physikochemisch gut herstellen und
können zur Lösung einer Reihe von Messproblemen herangezogen werden. Meist werden
die Kleinstoptoden den Trägerflüssigkeiten-etwa Btut-oder dem Gewebe zugegeben und
dort selbst auch ausgemessen. Zweckmässig bestehen tn diesem Fall die Reaktionsräume
aus die Optoden e,inschl i essenden Membranen, weil in flOssigkeitsgefOliten Reaktionsräumen
mit eingeschlossenen Kleinstoptoden die Symmetrie nicht gut eingehalten werden kann,
andererseits die Dicke des Reaktionsraumes das Signal mitbestimmt.
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Für den Fall, dass im Reaktionsraum die Messung störende Teilchen
bei einer der dort ablaufenden Reaktionen entstehen, ist es vorteilhaft, weitere
Reagentien anzuordnen, die solche. störenden Teilchen aus dem Reaktionsraum entfernen.
Solche Reagentien können chemischer oder physikalischer Art sein.
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Andererseits ist es auch von Vorteil wenn weitere
Reagentien
vorgesehen sind, die die Konzentration der zu messenden Teilchen im Reaktionsraum
verändern.
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Dadurch kann das Signal der Lichtmesseinrichtung in Einzelfällen
beträchtlich erhöht werden.
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In einer anderen Weiterentwicklung der Erfindung sind dem Reaktionsraum
weitere Reaktionsräume vorgeschaltet.
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Dadurch ist es möglich, mehrstufige Reaktionen vorzunehmen, bei denen
die Reaktionspartner untereinander nicht kompatibel sind,die Reaktionsprodukte auf
dem Permeationswege indie jeweils benachbarten Reaktionsräume aber eindringen und
weiterreagieren können.
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Sollen die Reaktionen selbst überwacht werden, können zweckmässi dort
Thermoelemente, Messelektroden oder dergleichen oder auch Kontrolloptoden angeordnet
sein und es können auch Filter zur optischen Signaltrennung zwischen Reaktionsräume
und /oder Optoden geschaltet sein.
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Optoden oder Reaktionsräume können dazu zusätzlich gefenstert sein,
sodass Licht verschiedener Wellenlänge zur Analyse der Optoden nebeneinander verwendet
werden kann und sie können selbst als optische Filter ausgebildet sein Besonders
günstige Bauformen für Reaktionsräume sind ringförmige Anordnungen, mehrflächige
Anordnung Anordnungen auf Lichtleitern,insbesondere auf aufgespaltenen Licht leitern,
wenn der Reaktionsraum und die Messoptode auf einem, die Kontrolloptode auf einem
zweiten Lichtleiterende angeordnet ist.
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In der Zeichnung, anhand derer die Erfindung eriSutert wirdszeigen:
Fig.1 Eine erste Anordnung nach der Erfindung Fig.2 Eine mehrstufige Anordnung Fig.3
Einen Ausschnitt einer gefensterten Reaktionsoptode Fig.4 Eine freie Reaktionsoptode
Fig.5 Eine Reaktionsoptode mit Zuleitungen Fig.6 Reaktionsoptoden auf Lichtleitern
Fig.7 Mehrf lächige Reaktionsoptoden Fig.8. Eine Mikro-bzw.Nanooptode In Fig.1 ist
eine Messoptode 100 auf einer Glasplatte 10 angeordnet und von einem Reaktionsraum
101 überdeckt und abgeschlossen.
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Ausserhalb des Reaktionsraumes ist eine Kontrolloptode 130 angeordnet.
Ein Teilchenstrom 103 von zu messenden Teilchen tritt aus dem Messobjekt MO durch
die Membran des Reaktionsraumes1010 in den Reaktionsraum ein, reagiert dort und
das Reaktionsprodukt tritt über die rückwärtige Membran des Reaktionsraumes durch
die Membran der Optode 100 in den Indikatorraum ein, ndert die optischen Eigenschaften
des Indikators, wobei diese änderung durch einen Lichtstrahl 102 der(nicht gezeichneten)L;chtmesseinrichtung
gemessen wird.
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Die Erfindung, die sich auf alle permeationsfthigen Teilchenarten
anwenden lässt, bei denen durch Reaktionen charakteristische Teilchenarten entstehen
oder verschwinden, wird in einem ersten Beispiel anhand des Systems Glucose-Glucoseoxydase
erläutert.
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Für Glucose selbst gibt es zur Zeit keinen optischen Indikator der
eine direkte optische Konzentrationsmessung ermöglicht. Da Glucose aber mit Sauerstoff
umgesetzt werden kann, ist die Bestimmung der Glucosekonzentrat ion über die Messung
der Sauerstoffkonzentration möglich.
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Die Glucose wird also für die Messung durch Sauerstoff replacier
Sauerstoff selbst kann mit Fluoreszenzoptoden bestimmt werden.
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Mit der Glucoseoxydase GOD und dem Koenzym FAD ergeben sich die folgenden
Reaktionsgleichungen:
Zu Fig 1a.,einer Vergrösserung im Ausschnitt aus Fig.1,ergibt sich dabei die folgende
Zuordnung: 103 = Strom der zu messenden Teilchen 104 = sämtliche Reaktionspartner
105 = von der 02-Optode 100 gemessene Teilchen Der Tei Ichenstrom der zu messenden
Teilchen 103 kommt zur Reaktion 104 mit dem im Reaktionsraum angeordneten Reagens
107, bestehend aus GOD+FAD+FADH2+H2O2 und Katalase. Der Sauerstoff 105 wird gemessen
und ist-gegenübe der Sauerstoffkonzentration im Messobjekt-um 1/2 O2 pro Glucose
molekül verringert.
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Das Messobjekt ist also, da alle Reaktionspartner ohnehin bei der
Glucoseveratmung
entstehen würden, hinsichtlich der Teilchenarten
ungestört, jedoch steine charakteristische Menge Sauerstoff am Ort des Reaktionsraumes
verbraucht, was durch die Optode verlustlos bestimmbar ist. Damit ist eine kontinuierliche,verlustlose
Messung unter physiologischen Bedingungen möglich.
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Voraussetzung dieser Messung ist die Kenntnis der Sauerstoffkonzentration
im Messobjekt, die durch eine Kontrolloptode 130 gemessen wird: Wie die Gleichungen
zeigen, ist die Sauerstoffdifferenz ein Mass für die verbrauchte Glucose. Messtechnisch
wird ein möglichst grosser Gradient im Reaktionsraum angestrebt.
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Die Intensitätsgleichungen für dieses System lauten wie folgt: Für
die Fluoreszenzlichtanalyse von Sauerstoff mit beispielsweise Pyrenbuttersäure als
Indikator (nach VAUGHAN und WESER) gilt nach STERN und VOLMER
mit rel.Fluoreszenzintensität ohne Sauerstoff = = rel.Fluoreszenzintens. bei der
jew.Sauerstoffkonzentra = = Sauerstoffkonzentration = = Faktor, proportional der
Quenchkonstante Daraus lässt sich die Sauerstoffkonzentration bestimme zu
Diese Gleichungen gelten für den optischen Teil 130 allein.
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Für dieReaktionsoptodemit dem Reaktionssystem 104 gilt:
wobei K die Quenchkonstante für die Messoptode, Kt eine Reaktionskonstante
für das stoffliche Reaktionssystem darstellt.
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Damit ergibt sich
Daraus entsteht für die Glucosekonzentration:
Dabei entsprechen die gestrichenen Grössen der Optode 130, die ungestrichenen Grössen
der Optode 100, die mit Stern versehene Grösse dem Reaktionssystem im Reaktionsraum.
Die Konstanten K,K,K*sind experimentell bestimmbar.
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Als Reagentien können nicht nur anorganische oder organische, wie
in dem oben beschriebenen Beispiel, verwendet werden, sondern der Reaktionsraum
kann auch mit biologischen Systemen gefüllt sein. Solche Systeme, wie beispielsweise
lebende Zellen, Zellpartik Pilze, Bakterien, Viren, Antikörper und dergleichen haben
meist eine hohe Reaktionsselektivität, nehmen also aus einem Partikelgemisch nur
eine bestimmte Art heraus, ohne andere Partikelarten anzugreifen.
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Dadurch kann auch ohne vorausgegangene Präparation vor allem aber
in lebendem Gewebe unter physiologische Bedingungen gemessen werden.
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Eine weitere Erhöhung der Selektivität lässt sich durch mit Carriern
versehene Membranen erreichen. Solche Membranen weisen einen für eine bestimmte
Teilchenart geeigneten Carrier- beispielsweise Valinomycin zum Transport von K +
-lonenrauf. Dadurch kann die den Reaktionsraum abschliessende Membran für andere
Teilchen
als die zu messenden,hier K+-Ionen, sehr viel weniger durchlässig gemacht werden
und eine hohe Selektivität des Reaktionaraumes fOr K -Ionen ist die Folge.
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Sind mehrereTeilchenarten zum Ablauf einer Reaktion erforderlich,
wie beispielsweise bei der Umsetzung von Glucose die Glucose und der Sauerstoff,
kann es von Vorteil sein, wenn selektive Durchlässigkeiten erzeugt werden, die für
jedes der Teilchen für sich spezifisch sind.
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Dazu kann jeweils in bekannter Wetse der Vernetzungsgrad der Membransubstanz,
deren Löslichkeit für die betreffende Teilchenart, die Porengrösse der Membran,
die Aufladung der Membranporen durch elektrische Ladungen auf das zu transportierende
Teilchen angepasst werden. Die Porengrösse der Membran ist durch mechanische Streckung
oder chemische Xtzung veränderbar.
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Reaktionssysteme wie das oben beschriebene aus Glucose-GLucoseoxydase
können als1einstufig1' bezeichnet werden. Ein anderes einstufiges System ist die
Messung von C02 durch Protonen nach der folgenden Gleichung:
Hier würde sich für Fig. la die folgende Zuordnung ergeben: 103 = CO2 + -104 = H2CO3,H+,
HCO3 + 105 = 2 - H , von H -Optode 100 gemessen In einem weiteren einstufigen Reaktionssystem
zur Messung von Alkohol kann Alkohol durch Sauerstoff replaciert werden. Unter Verwendung
von Alkoholdehydrogenase ergibt sich
Es besteht also zu Fig.1die Zuor'dnung 103 = C2H5OH 104 = C2H4OH, NAD, C2H4O, NAD
Hz, Alkoholdehydrogenase, NADH-Oxydase H,02' 02,Catalase 105 = 0 , von 02-Optode
100 gemessen und es wird ein um 1/2 02 pro Glucosemolekül verringerter Sauerstoffstrom
gemessen.
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Diese Reaktion käme nach einiger Zeit zum Stillstand weil der enstehende
Aldehyd die Alkoholdehydrogenase angreift. Die Konzentrationsbestimmung könnte also
nur aus der Steigung der Intensitätsfunktidn bestimmt werden (was ats "Endstopp"-
Verfahren bekannt ist).
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Soll jedoch im Fliessgleichgewicht (steady state) gemessen werden,
kann durch Zugabe von Aldehyddehydrogenase eine zur Transformation parallele Reaktion
nach der folgenden Gleichung eingeleitet werden:
Die Essigsäure diffundiert in das Messobjekt zurück.
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Ausserdem wird die Konzentration von °2 verringert und dadurch steigt
das Messignal.
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Für den Fall, dass das Messignal sehr schwach ist, kann die Konzentration
im Reaktionsraum dadUrch erhöht werden, dass dort Substanzen mit erhöhter Löslichkeit
für die zu messende Teilchen angeordnet sind. Soll beispielsweise eine schwache
Sauerstoffkonzentration gemessen werden, kann der Reaktionsraum mit Fluorocarbonen
gefüllt sein, die die Konzentration um bis zu zwei Grössenordnungen im Reaktionsraum
gegenüber dem Messobjekt erhöhen können.
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Auch bl hat eine höhere Löslichkeit für Sauerstoff als Wasser und
kann deshalb entsprechendverwendet werden.
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Es sind jedoch nicht nur parallel laufende Reaktionen im gleichen
Reaktionsraum - im Beispiel zur Entfernung störender Teilchen eingesetzt - verwendbar,
sondern auch seriell ablaufende Reaktionen. Dazu müssen mehrere Reaktionräume hinteriinandergeschaltet
und durch permeierbare Membranen getrennt werden. Dadurch können Wechselwirkungen
der Reagentien oder Störungen der Teilchen vermieden werden.
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In Fig.2, einem vergrösserten Ausschnitt einer Anordnung mit hintereinandergeschalteten
Reaktionsräumen 1001, 1002, die durch Membranen 1011,1012, 1013 voneinander getrennt
sind, tritt ein Strom von zu messenden Teilchen 103 in den ersten Reaktionsraum
ein. Zusammen mit einem Reagens oder Reagentiensystem 107 läuft eine Reaktion 104
ab, aus der eine Teilchenart 105
abgespalten wird, die nach Permeation
der Membran 1012 in den Reaktionsraum 1002 gelangt.
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Hier tritt sie mit dem Reagens 1070 zu einer Reaktion 1040 zusammen,
aus der eine Teilchenart 1050 entsteht, die durch die Optode 100 gemessen wird.
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Ein Beispiel für ein solches System ist die Umwandlung von Plasmacholesterin
unter Sauerstoffverbrauch:
Als Zuordnung ergibt sich also zu Fig.2: 103 = Plasmacholesterin (=Fettsäurecholesterinester
104 = Fettsäurecholesterinester,Cholesterin,Cholesterlnesterase, Fettsäure 105 =
freies Cholesterin 107 = Cholesterinesterase 1070 = Cholesterinoxydase 1040 = Cholesterin,
FAD,FADH2,02,H202,Catalase, oxydiertes Cholesterin.
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1050 = Sauerstoff, von O,-Optode gemessen,um 1/2 O2 gegenüber dem
Messobjekt verringert.
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Es können jedoch auch noch weitere Reaktionsräume zu einer Kolonne
zusammengeschaltet werden, wenn die Replacierung von einem zu messenden Teilchen
durch ein messbares Teilchen dies erfordert.
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Ein dreistufiges System nach dem folgenden Beispiel gestattet die
Umwandlung von Stärke als zu messende Teilchenart in Sauerstoff als messbare Teilchenart:
Auch hierbei ergibt sich ein Sauerstoffverbrauch von 1/2 02.pro Molekül entstehender
Glucose, der durch die Messoptode und die zugeordnete Kontrolloptode bestimmt wird.
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Als Zuordnung zu Fig.2 ergibt sich in verkürzter Form: 103 = Stärke
107 = g -Amylase 105 = Dextrine 1070 = Glucoamylase 1050 = Glucose Daraus ergibt
sich im - nicht gezeichneten -dritten Reaktionsraum mit Glucoseoxydase als Reagens
ein Sauerstoffverbrauch , der wiederum mit einer O2-Optode entsprechend Fig.la gemessen
werden kann.
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Wenn die verschiedenen Reaktionsräume mit verschiedenfarbigen Indikatoren
überwacht werden, können anstelle der Membranen 1012,1013..optische Mittel, wie
Filter,Splege und gegebenenfalls weitere Kontrolloptoden 1500 vorgesehen sein. Werden
dabei reflektierende Schichten verwendet, ist es von Vorteil, wenn die Optoden oder
die Reaktionsräume gefenstert sind.
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Eine Anordnung dieser Art zeigt Fig.3. Messlicht 02 einer ersten
Farbe analysiert eine erste Optode 1000, die mit Fenstern 1005 zur Durchsicht und
zu: Kontakt der zu messenden Teilchen mit dem Reaktionsraum 1001 versehen ist. Zweckmässig
ist die Optode 1000 auf der an den Reaktionsraum angrenzenden Rückseite mit einer
reflektierenden und die Permeation
hindernden Metallschicht versehen.
Die Optode 1000 ist also geeignet, den vorderen Raum, das Messobjekt, zu überwachen.
Das Messlicht 1020 einer zweiten Farbe, die auf eine zweite Optode 100 angepasst
ist,durchstrahlt die bffnungen.1005 und den Reaktionsraum 1001 und wird ebenfalls
an einer metallischen Schicht auf der Rückseite der Optode 100 reflektiert.
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Die Trennung der Lichtkomponenten bereitet keine Schwierigkeiten,
so dass der Reaktionsraum, das Messobjekt und bei Bedarf durch eine im Reaktionsraum
1001 angeordnete weitere Kontrolloptode 1500 die Temperatur oder andere Parameter
überwachbar sind.
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Zu Zwecken der Implantation können Anordnungen nach Fig.4 Verwendung
finden. Hier ist die Optode 100 nur teilweise vom Reaktionsraum 101 überdeckt.
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Der Teil 120 aus Reaktionsraum und Optode ist die Reaktionsoptode,
der Teil 121 die Kontrolloptode.
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Mit solchen freien Reaktions-und Kontrolloptoden können beispielsweise
Diffusionsprofile nach Fig.4a ausgemessen werden: Wird durch niedrige Konzentration
in der Reaktionsoptode und hohen Permeationswiderstand der Membran die Reaktionsrate
klein gehalten, kann an den Orten L1,L2 eines(ausgedehnten)Messobjektes MO die Konzentration
von Teilchen optisch vermessen werden, ohne dass Störungen der Teilchenkonzentration
auftret Ist am Ort L3 eine Reaktionsoptode mit hoher Reaktions rate angeordnet,
die mit einer Membran von geringem Permeationswiderstand und hoher Konzentration
des Reagens versehen ist, dann stellt diese Reaktionsoptod eine merkliche Senke
für die zu messenden Teilchen dar und es stellt sichein bestimmtes Diffusionsprofil
cx ein, das somit ausgemessen und daraus beispielsweise die Grösse des Diffusionsstromes
bestimmt werden kann.
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Fig.5 zeigt einen von Optoden 1CO und 1000 eingeschlossenen Reaktionsraum
2000, der mit Zuleitungen 2001,2002 versehen ist. Damit lassen sich entweder Enzymaktivitäten
im Nullverfahren oder direkt bestimmen: Die Konzentration eines Stromes von zu messenden
Teilchen wird unter den üblichen Diffusionsbedingungen über den Reaktionsraum hin
abnehmen und bildet eine cosh-Funktion C= f(L), Fig.5a,,für kleine Konzentrationen
etwa die Kurve 2020, für grosse Konzentrationen etwa die Kurve 2021. Die Optoden
messen diese Konzentration entweder unmittelbarund daraus lZsst sich die Differenz
ZU der Konzentrationen direkt messen'oder die Konzentration des durchfliessenden
Reagens wird solange geändert, bis beide Optoden eine vorbestimmte, etwa leicht
messbare Differenz zeigen. Damit lässt sich ein günstiger Arbeitspunkt im Kennlinienfeld,
Fig.5b bestimmen/ das aus der Gleichung (1) entsteht, wenn die Konzentration C des
Reagens als Parameter verändert wird.
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Sollen etwa Diffusionsprofile in Flüssigkeiten ausgemessen werden,
ist es vorteilhaft, wenn die Reaktionsoptoden auf Lichtleiterenden angeordnet werden.
In Fig.6 ist ein Lichtleiter 300 in zwei Enden 301, 302 aufgespalten. Eine kreisförmige
Optode ist von einem ringförmigen Reaktionsraum überdeckt. Dadurch entsteht eine
ringförmige Reaktionsoptode 3011 mit einer kreisförmigen Kontrolloptode 3010 oder
eine ringförmige Kontrolloptode 3020 mit einer kreisförmigen Reaktionsoptode 3021.
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In Fig,7 sind mehrere Reaktionsoptoden mehrflächig nebeneinander
angeordnet. Ist 301 das Lichtleiterende und ist 3033 die Kontrolloptode, kann durch
Uberdeckung von Reaktionsräumen eine mehrflächige Reaktionsoptode 3030, 3031, 3032
gebildet werden, mit der verschieden Teilchenfraktionen überwachbar sind.
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Wenn kleine Messzeitkonstanten erreicht werden sollen werden zweckmässigerweise
dünne Folien als Reaktionsräume vorgesehen an die die Reagentien fixiert sind und
diese mit Membranen abgedeckt. Besonders kleine Einstellzeiten sind erreichbar,
wenn der Reaktionsraum und die Folie einstückig ausgebildet sind. Dazu kann zum
Beispiel die Folienoberfläche durch eine chemische Reaktion in eine membranartige
schicht umgewandelt und so der Reaktionsraum, die Folie, abgedichtet werden.
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Mikrooptoden, beziehungsweise Nanooptoden, die mittels bekannter physikochemischer
Verfahren herstellbar sindFerhalten durch Umschliessun einen Reaktionsraum. Sie
bestehen, wie in Fig.8 dargestellt, aus einem Indikatorraum 3300 mit einem Indikator
3333, der von einem Reaktionsraum 3301 umgeben und von einer Membran 3303 umschlossen
ist.
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Oft ist es zweckmässig, die Membran 3302 des Indikator raumes und
die Membran 3303 des Reaktionsraumes zusammenfallen zu lassen und das Reagens in
dieser Folie einzuschliessen. Der Zutritt erfolgt durch Permeation der zu messenden
Teilchen in die Membran und der in der Membran enstandenen Teilchen in den Indikatorraum
3300.