DE3001669A1 - Anordnung zur optischen messung von physikalischen groessen und stoffkonzentrationen - Google Patents

Anordnung zur optischen messung von physikalischen groessen und stoffkonzentrationen

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DE3001669A1 DE19803001669 DE3001669A DE3001669A1 DE 3001669 A1 DE3001669 A1 DE 3001669A1 DE 19803001669 DE19803001669 DE 19803001669 DE 3001669 A DE3001669 A DE 3001669A DE 3001669 A1 DE3001669 A1 DE 3001669A1
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    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
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Description

. ANORDNUNG ZUR OPTISCHEN MESSUNG VON PHYSIKALISCHEN
GROSSEN UND STOFFKONZENTRATIONEN.
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung
von physikalischen Grossen, wie Temperatur, Druck u
dergl. sowie von Stoffkonzentrationen, bestehend
aus' einer aus St rah Lungsque L Le, Monochromator, Lieh empfänger und Anzeigevorrichtung bestehenden Lichtmesseinrichtung sowie einem durch die Lichtmesseinrichtung vermessbaren, mindestens einen Indikator-
stoff oder auch Reaktionsstoffe enthaltenden, durch e.ine Membran abgeschlossenen Raum.
Bei Anordnungen der bezeichneten Gattung sind bishe die Reaktions-und Indikatorstoffe in Membranen
versiegelt worden. Diese Versiegelung muss bei der Messur
Teilchenkonzentrationen von diesen Teilc hen durch
Permeation überwunden werden.
Die Menge der für die Messung zur Verfügung stehend Teilchen ist also permeationsabhangig , sodass unter Umständen beträchtliche Zeitkonstant en für die
Messung entstanden. Wurden andererseits die Membran· hinsichtlich der Permeation der zu messenden Teil· chen verbessert, begann damit auch die Ausschwemmuni der Reaktions - oder Indikatorstoffe aus dem diese
enthaltenden Raum.
Es besteht demnach die erfinderische Aufgabe, gleicl zeitig die Ausschwemmung von Indikator - und Reaktionsstoffen zu verhindern und den Penetrationswiderstand der Hüllmembranen zu verringern.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Indikatc
stoff vermittels der Membran covalent immobilisiei ist.
35
130032/0 0 26
BAD
Der Vorteil einer solchen Anordnung besteht darin, dass nunmehr der Penetrationswiderstand der Membran unabhängig von der Bindung des Indikators an den Raum ist. Es kann also, beispielsweise durch Ätzen einer Membran^diese auch für grosse ' MoleküLe durchlässig gemacht werden, ohne dass ein zur optischen Messung dieser Moleküle vorgesehener Indikator von der Membran getrennt wird. Dadurch lassen sich schnell reagierende Indikator- »foLien erstellen, die bei den'Optoden1,! wie solche, ■ auf physikalische Grossen oder Teilchenkonzentrationen durch Farbänderung reagierenden Messkörper bezeichnet werden, die bisher übliche Anordnung aus einer Membranhülle und einem darin eingeschlossenen Indikator durch eine einzige, mit dem Indikator besetzte Membran ersetzen
Neben den als "Optoden" bezeichneten Indikatorräumen werden aber auch Reaktionsräume verwendet, die
zwar durch Optoden optisch überwacht· oder vermessen
20
werden, deren Aufgabe es jedoch ist, den Raum,
•in dem gemessen wird,gezielt zu verändern. Beispielsweise kann ein Reaktionsraum benutzt werden, um eine im Messraum vorhandene· Teilchenart durch
eine and.ere, besser messbare Teilchenart zu replacieren,
25
wie es beispielsweise oei der Messung von Glucose
möglich ist: In einem in das Messobjekt verbrachten Reaktionsraum wird vermittels eines Enzyms die Glucose umgesetzt , der dabei verbrauchte Sauerstoff wird durch Verwendung von Optoden bestimmt. Da Glucose nicht unmittelbar optisch bestimmbar ist,
■ ' 35
= 130032/0028
der Sauerstoff jedoch mit Optoden, die bspw. Pyrenbuttersäure als Indikator enthalten, gut fLuoreszen optisch messbar ist, dient der Reaktionsraum hier
zur Replacierung von einer durch eine andere Teilchenart Auch diese RepLacierung ist di f f us i ons I i mi t i ert, weil
das Enzym und die weiteren zur Reaktion erforderlic Stoffe in eine Membranhülle eingeschlossen werden
müssen. Um auch diese Limitierung zu verbessern,·
ist der Reaktionsstoff vermittels einer Membran
'covalent immobilisiert»
'0 Der Vorteil dieser Anordnung besteht— ebenso
wie bei der covalenten Bindung von Indikatoren an
Membranen - an der gleichzeitig festen Verankerung und der leichten Erreichbarkeit der Reaktionsstoffe
für die zu messenden Teilchen.
15
Die covalente Bindung von Indikatoren oder Reagentie
oder von beidem an eine Membran führt also einmal d dass wegen der Trennung der Mittel zur Fixierung
der in den Anordnungen wirksamen Stoffen von den
mechanischen Eigenschaften der Membranen, beispielsw 20
von deren Porosität, die Anpassung der Anordnung
an die zu messenden oder zu beeinflussenden Teilchen verbessert ist, dass dadurch die Spezifität der gesa Anordnungen für die zu messenden oder zu beeinflusse Teilchen erhöhbar ist, dass gleichzeitig eine
Homogenisierung der reaktiv wirkenden Oberflächen
erreichbar ist, weil nicht nur geometrische sondern auch stöchiometrisehe Bedingungen bei der Fixierung der wirksamen Stoffe an die Membran eingehalten werd
Dadurch ist sowohl die Eichbarkeit der Anordnungen a 30
auch deren Handhabung wesentlich verbessert.Auch ist
die Haltbarkeit verbessert, insbesondere auch weil
die Wirksamkeit der verwendeten Indikatoren und Reag § tien Lösungsmittelunabhängig geworden ist.
35
130032/0026
° BAD ORIGINAL
• Weiterhin sind jetzt einfache Stufenräume möglich, indem auf eine' Seite einer Membran ein Indikator, auf der anderen Seite ein Reagens covalent gebunden ist. Dadurch wird eine Replacierung von einer Teilchenart durch eine andere und die gleichzeitige
Messung durch den Indikator mit einer sehr geringen Zeitkonstante möglich, weil gleichzeitig eine grossflächige Darbietung von Reagens für den zu replacierenden Stoff "und von Indikator für den replacierten Stoff gegeben ist, ohne dass es
lOzu Verlust von Reagens oder Indikatorsubstanz durch Auswaschung kommen kann, wie bei den bisher verwendeten Versiege Lungen.
Besonders vorteilhaft ist die Membran durch 1.5 Polymerisation erzeugt. Denn dadurch ist es möglich die zur covalenten Bindung führende chemische Reaktion bei der Entstehung der Membran ablaufen zu lassen, sodass eine, den wirksamen Stoff homogen enthaltende Membran entsteht. 20
Besonders geeignet sind dazu ·Ροlysaccharide aufgrund der vorhandenen reaktiven OH-Gruppen, wobei besonders die Cellulose die Möglichkeit bietet, wenige ^u dicke Folien zu bilden. Ausserdem sind hierfür Verfahren bekannt, mit denen die Durchlässigkeit durch Permeation von Teilchen für weite Bereiche von Teilchengrössen beeinflussbar ist.
Eine andere Art von Vorteil bieten Membranen, die
Silizium oder Siliziumderivate enthalten. Hier kann 30
durch Silanisierung der Oberfläche die Möglichkeit geschaffen werden, über Brückenmoleküle Stoffe covalent zu binden, die sonst nicht mit der Membranen reagieren würden. Siliconkautschuk ist
·§ ein solcher, zu Membranen verarbeitbarer Stoff, der
B 3 5
£ zudem noch gut gasdurchlässig ist. ist Wasserdampf
c durchlässigkeit erforderlich, kann Polyterephtalsäure-
glycolesterfolie verwendet werden.
^ 130032/0026
_ 8_
ALs MitteL zur SiLanisierung ist vor allem 3-£Tria'thoxysi lylj-propylamin geeignet. ALs BrückenmoLeküLe eignen sich auch mehrfunktione ALdehyde, wie bei spi e Lswei se G Lutara Ldehyd/sehr gut
Insbesondere, wenn schnell reagierende Reaktionsoptoc "geschaffen werden soLLen,ist ein weiterer VorteiL
dadurch erreichbar, dass der Indikatorstoff und da;
Reagens vermitteLs einer Membran covaLent immobiLisi
sind.
10
Es geLingt jedoch durch Verwendung von Brückenmole Len nicht nur, Indikatoren oder Reagentien selbst an einer Membran covalent zu immobiIisieren,sonderi auch, in Mikrooptoden eingeschlossene Indikatoren
dadurch an einer Membran zu immobiLisieren, dass die HüLle der Mikrooptoden chemisch, beispieLsweisi mittels eines Silans, mit der Membran verbunden is' Auch dadurch tritt noch einmal eine Erweiterung der Stoffgruppen ein, mit denen TeiLchenkonzentra-
tionen oder physikalische Parameter optisch erfassl sind. -
FaLLs es erforderlich sein soLLte, kann die Membrai mitsamt den covaLent gebundenen wirksamen Stoffen, 'Reagentien und Indikatoren, durch bekannte Massnahi beispieLsweise Schwärzungen , VerspiegeLungen oder Mitteln zur Verursachung von Streuungen optisch wirksam gemacht werden, sodass sich im EinzeLfall
Er Leichterungen bei der optischen Messung ergeben. 30
Ϊ 1 3 0 0 3 2 /
Nachfolgendsind einige Beispiele für Anordnungen nach der Erfindung angegeben. ALs erstes die Verbindung eines Sauerstoffindikators mit einem Polysaccharid.
Ein Beispiel für ein solches System ist die Stoff kombination Cellulose - Pyrenbutter saure, die zu einer dünnen indikatorbesetzten OptodenfoLie führt:
Die Bindung des Indikators an die Cellulose darf nur an "den Stellen des Indikatormoleküls erfolgen, die keinen wesentlichen Einfluss auf die Fluoreszenzen genschaften des Moleküls haben, über die ja die Messung (von Sauerstoff) erfoLgt-Da der Einfluss der Carboxylgruppe auf die Fluoreszenz gering ist, · bietet sich die Veresterung der Pyrenbutter säure an die CeI lophanfolie an. Dazu wird die Pyrenbuttersäure mit Thiony Ich Lor id 2U PyrenbuttersäurechLorid
umgesetzt: P u
25
30
Sodann wird das PyrenbuttersäurechLorid von überschüssigem Thionylchlorid befreit, in Pyridin gelöst und mit Cellophanfolie
verestert I
·
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BAD ORIGINAL
"TO
Dabei entsteht PyrenbuttersäureceLLuLoseester. O
...
Änderungen der Fluoreszenzeigenschaften gegenüber d Pyrenbuttersaure treten dabei nicht
auf. Die Reaktionszeit des an eine' 12.u CelLophanfol gebundenen EndikatorsLiegt bei 2 bis 3 see.
Die Möglichkeit sowohI Indikatoren I als auch Reagent beispielsweise Enzyme ECOvaLen* zu binden, ergibt si durch die Verwendung von Bromcyan, wenn die Indikat oder die Reagentien freie Aminogruppen(wie die fi-Aminogrup
bei Lysin oder die (^-Aminogruppen bei N-terminalen Aminosäure aufweisen nach der folgenden Reaktion:
-Oil·
25
QlB
-OU
•er
30
oder
-O-C-HH-E. -oti
O u -O-C-NH-3
-OH
für Reagentien £ für Indikatoren «
c c a B
35
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Ein weiteres Verfahren zur covaLenten Bindung von Reagentien oder Indikatorsubstanzen ist die Silanisierung von Oberflächen, beispieLsweise durch 3-{Tri äthoxysi Ly L)-propy Lami η . Dabei entsteht ei neAmi nog ruppe, an die die Reagentien oder Indikatoren gebunden werden können nach der foLgenden, beispieLsweise auf eine SiLconkautschuckmembran M wirkenden Reaktion;
HzO
3- Si(OkMs)3
ο ' OH ο ou
ι J" f /
O Oll
^
O 0»
20
An die Aminogruppe der aktivierten MembranoberfLache
Lassen sich nach bekannten Verfahren sowohL Indikatore· Ή als auch Enzyme^binden. BeispieLsweise über Cyanurchlorid ;
25 ·
■ 35
α.
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- 12-
oder vor allem über G lutara ldehyd:
nach der Reaktion;
"SC-COi)1-HH2+ ^C-ClI1-CR2-CL-C 1 H/ S
2-N^c-Oi2TQ1-CH1-C +
10
15
Diese Bindung ist- sehr schonend, sodass sich
dadurch auch Enzyme covalent immobiLisieren
Lassen. Die Verbindung ist auch ein Beispiel für die Verwendung von molekularen Brücken zwischen der Trägersubstanz (Membran) und den zu immobilisie den Substanzen.
·
30
35
Q-
C
C
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ZUSAMMENFASSUNG ■
Um Ausschwemmungen von Indikator oder Reaktionssubstanzen aus einem durch eine Membran abgeschlossene Raum bei Anordnungen zur optischen Messung von physikalischen Grossen, wie Druck,Temperatur und dergl. sowie von Stoffkonzentrationen zu verhindern, sind der Indikatorstoff bzw. die Reagentien covalent vermittels einer Membran immobilisiert.
10
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Claims (13)

PATENTANSPRÜCHE
1.) .. , Anordnung zur optischen Messung von
iysikaIise hen Grossen, wie Temperatur,Druck und dergl. sowie von Stoffkonzentrat ionen, bestehend
aus einer aus St rahLungsqueLLe, Monochromator, Lichtempfänger und Anzeigevorrichtung bestehenden Lichtmesseinrichtung sowie einem durch die Lichtmesseinrichtung vermessbaren, mindestens einen tIndikatorstoff enthaltenden, durch eine Membran abgeschlos-
Ί0 senen Raum, dadurch 'gekennzeichet,
dass der Indikatorstoff vermittels der Membran covalent immobilisiert ist.
2. Anordnung zur optischen Messung von
T5 physikalischen Grossen, wie'Temperatur,Druek und dergl. sowie von Stoffkonzentrationen, bestehend aus einer aus Strahlungsquelle, Monochromator, Lichtempfänger und Anzeigevorrichtung bestehenden Lichtmesseinrichtung sowie einem durch die Lichtmesseinrichtung vermessbaren, mindestens einen
,Indikatorstoff e nthaltenden, durch eine Membran abgeschlossenen Raum sowie einen durch eine Membran abgeschlossenen Reaktionsraum^, dadurch gekennzeichnet, dass das' Reagens
vermittels der Membran covalent immobilisiert, ist. 25
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder
2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran durch Polymerisation erzeugt ist.
4. ■ Anordnung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Membran eine Po lysaccharidmembran ist.
35
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-z-
5. Anordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass.das Po lysaccharid CeLLuLose oder ein CeLLuLosederivat ist»
. ..
6. Anordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Membran
Silizium oder Si Liziumderivate enthält.
7. Anordnung nach einem der Anspruch 2 oder3, dadurch gek.ennzei chnet , dass das Reagens
unter Verwendung eines Brückenmoleküls covalent gebunden ist.
8. · Anordnung nach Anspruch 7, dadurc gekennzeichnet, dass das Brückenmolekül ein Silan
.ist.
9. Anordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Indikatorstoff unter Verwendung eines Brückenmoleküls covalent
gebunden ist.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurc gekennzeichnet, dass das Brückenmolekül ein Silan
ist.
'
11. Anordnung nach Anspruch 8 oder 1Q dadurch gekennzeichnet, dass das Silan 3-(Triäthoxy-
si lyO-propylamin ist
12. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die Membran aus Siliconkautschuck bestel·
*3 '
13. Anordnung nach Anspruch 3, dadur
α gekennzeichnet, dass die Membran aus
säureg lycolester besteht.
130032/0026
14. Anordnung nach den Ansprüchen
7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein mehr- . funktioneller Aldehyd aLs Brücke zwischen
der Membran und dem Reagens oder dem Indikator dient.
15. ' Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Brücke -aus GLutaraLdehyd besteht.
16. Anordnung nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Indikatorstoff und das Reagens vermittels einer Membran covalent immobilisiert sind.
17- Anordnung nach Anspruch 7 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die wirksamen Stoffe in Mikrooptoden eingeschlossen sind.
18. Anordnung nach einem der Ansprüche
1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran optisch wirkende Eigenschaften aufweist.
25
30
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DE19803001669 1980-01-18 1980-01-18 Anordnung zur optischen messung von physikalischen groessen und stoffkonzentrationen Granted DE3001669A1 (de)

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