DE3343636A1

DE3343636A1 - Sensorelement fuer fluoreszenzoptische messung sowie verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3343636A1
Application number: DE19833343636
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl.-Ing. Dr. Kroneis; Helmut Graz Offenbacher; Otto Dr. Wolfbeis
Original assignee: Avl AG
Current assignee: Avl AG
Priority date: 1982-12-07
Filing date: 1983-12-02
Publication date: 1984-06-07
Also published as: DE3343636C2; US4965087A

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement für fluoreszenzoptische Messung, bestehend aus einem vorzugsweise farblosen und durchsichtigen oder zumindest durchscheinenden plättchenförmigen Träger, der auf einer Fläche mit einem immobilisierten fluoreszenzoptischen Indikatormaterial versehen 'ist, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Für die Messung von pH-Werten ist der Einsatz von Glaselektroden nach potentiometrischem Prinzip weit verbreitet. Z. B. werden solche Sensoren für die pH-Analyse biologischer Flüssigkeiten, etwa für die Blutgasanalyse, verwendet. Ein "·: wesentlicher Nachteil dieser Methode besteht darin, daß das gesamte Meßsystem prinzipiell aus zwei Teilen aufgebaut ist, nämlich aus einer Meßelektrode und einer Referenzelektrode. Insbesondere entstehen Meßprobleme deshalb, weil die erforderliche Referenzelektrode störanfällig ist.

Aus diesem Grund wurde versucht, pH-Messungen auf optischem Wege mit Hilfe sog. pH-Indikatoren durchzuführen. Dabei wird prinzipiell eine pH-abhängige Wechselwirkung bestimmter Stoffe mit Licht ausgenutzt.

PH-Indikatoren sind üblicherweise Moleküle, welche Licht bestimmter Wellenlänge absorbieren können, wobei das Ausmaß dieser Absorption vom pH-Wert abhängt. pH-Messungen nach diesem Absorptionsprinzip können auf zweierlei Weise durchgeführt werden:

Man kann pH-Indikatoren dem Meßgut zusetzen, die Lichtabsorption von Meßmedium und Indikator wird dann mit dafür geeigneten Geräten durchgeführt (Cuvette, Fotometer). Die Nachteile bei dieser Verfahrensweise sind ein hoher Indikatorverbrauch, ein zu großer Zeitaufwand und optische Einflüsse des Meßgutes.

Die zweite Möglichkeit ist z. B. aus der DE-OS 28 51 138 bekannt. Sie offenbart eine faseroptische pH-Sonde zur Implantation im Gewebe für physiologische Untersuchungen. Diese Sonde setzt sich aus einer ionendurchlässigen Membran in Form eines hohlen, länglichen Zylinders und zwei parallel zueinander angeordneten Faseroptiken zusammen. In die hohle Membran, deren Poren so beschaffen sein sollen, daß sie Wasserstoff ionen dmrehtrmien lassen, wird ein farbstoff -

haltiges Material, das pH-Indikator-Eigenschaften besitzt, . eingefüllt.

Eine der beiden optischen Fasern ist mit ihrem einen Ende an eine Lichtquelle angeschlossen, während die andere Faser mit dem Lichtdetektor in Verbindung steht.

Daraus ergibt sich, daß die Indikatoren räumlich vom Meßgut getrennt sind, so daß ein Meßgutraum und ein Indikatorraum entstehen. Ein Austausch von Protonen zwischen Indikatorraum und Meßgutraum ermöglicht so eine Bestimmung des pH-Wertes des Meßgutes durch Messung der Lichtabsorption im Indikatorraum.

Als pH-Indikatoren mit den oben beschriebenen Eigenschaften können vorteilhafterweise fluoreszierende Moleküle verwendet werden. In diesem Fall wird ein bestimmter Anteil von absorbiertem Licht vom Indikatormolekül als Fluoreszenzlicht abgegeben. Besteht nun eine pH-Abhängigkeit der Lichtabsorption eines fluoreszierenden Moleküles, so überträgt sich diese auf die Fluoreszenzlichtintensität. pH-Bestimmungen können also durch Messung der Fluoreszenzlichtintensität fluoreszierender pH-Indikatoren durgeführt werden. Solche Indikatoren werden z. B. in "Practical Fluorescence" (Guilbault, 1973) im Kapitel "Fluorescent Indicators" aufgelistet.

Die sich bei der Verwendung von fluoreszierenden Indikatoren ergebenden Vorteile sind eine hohe Empfindlichkeit, weiters eine spektrale Unterscheidungsmöglichkeit zwischen Anregungs- und Emissionslicht, sowie eine große Variationsbreite bei der räumlichen Anordnung von Lichtquelle und Lichtempfänger.

Durch diese Vorteile wird es möglich, Meßvorrichtungen derart aufzubauen, daß flächenförmig ausgebildete Indikatorschichten auf der einen Seite der Schicht mit Meßgut in Wechselwirkung treten, während auf der anderen Seite der Schicht Beleuchtungs- und Lichtmeßvorrichtung angeordnet sind.

Bei der Herstellung flächenförmig ausgebildeter Indikatorschichten muß berücksichtigt werden, daß die Indikatormoleküle einerseits durch das Meßgut nicht ausgewaschen

■ ■'- ORIG

copy

.... oo ' inr

werden, andererseits aber mit den Protonen des Lösungsmittels in Wechselwirkung treten können. Darüberhinaus soll die flächenförmige Indikatorschicht mechanisch stabil sein, und der Indikator in ausreichend hoher Konzentration vorliegen.

Eine Immobilisierung von pH-Indikatoren erfolgt in hydrophilen Polymermembranen durch kovalente Verknüpfung des Indikators mit dem Membranmaterial. Dazu müssen entweder der Indikator oder die Polymermembran oder beides in aktivierter Form vorliegen.

Eine Aktivierung wird üblicherweise durch Einführung reaktiver Gruppen, z. B. Aminogruppen, erreicht. Auf diese Weise gelang es z. B. Indikatoren wie ß-Methylumbelliferon oder Fluoresceinderivate an Cellulose zu binden.

Weiters kann eine Immobilisierung von Indikatoren auch durch Einkapselung derselben in geeignete Materialien erfolgen, wie sie z. B. aus der DE-OS 23 60 384 bekannt ist. Das Innere solcher sogenannter Nanokapseln ist erfüllt von wässriger Indikatorlösung, das Kapselwandmaterial ist protonendurchlässig, aber indikatorundurchlässig.

Für die Herstellung von pH-Sensoren müssen diese Kapseln ihrerseits in flächenförmiger Anordnung immobilisiert werden.

Mechanische Instabilität, niedrige Indikatorbeladungsdichten und schlechte Einstell zeiten sind nur einige der Nachteile die diesen bekannten und beschriebenen pH-Sensoren anhaften.

Eine weitere Möglichkeit zur Immobilisierung von pH-Indikatoren ergibt sich durch Bindung der Indikatoren an die Oberfläche eines inerten, mechanisch stabilen, transparenten Trägers.

Die sich anbietende Möglichkeit ist die Immobilisierung des pH-Indikators an einem chemisch reaktiven,· aber mechanisch weniger geeigneten Material, wie z. B. Cellulose, welches dann auf einem festen und transparenten Träger, wie z. B. Glas oder Polyacrylester aufgespannt wird.

Diese Immobilisierung von Fluoreszenzindikatoren auf Cellulose oder Glas is£-_an .sich bekannt. Man geht dabei von

"-^¹-¹---,-PAGINAL

COPM '

Cellulose oder Glas aus, an welches bereits in einem oder .mehreren vorherigen Reaktionsschritten eine freie Aminogruppe angebracht worden war. An dieser Aminogruppe reagieren nun die reaktiven Gruppen eines Indikators, z. B. Fluorescein-isothiocyanat.

Allen bekannten Immobilisierungsverfahren für Glasoberflächen haftet der Nachteil an, daß an der Oberfläche nur relativ wenig Immobilisat überlagerungsfrei gebunden vorliegt.

Aufgabe der Erfindung ist es ein einfaches Sensorelement zu schaffen, das einen immobilisierten Indikator, im wesentlichen einschichtig und ohne Überlagerungen, auf einer mechanisch genügend festen Unterlage bzw. einem Träger in einer nicht auswaschbaren Form gebunden trägt, und daß dieser auf ihr in genügend hoher Konzentration vorliegt, um beim Meßvorgang das Signal-Rausch-Verhältnis groß werden zu lassen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß die Auf- - nahmefläche für das immobilisierte Indikatormaterial mit gleichmäßig dicht verteilten Erhebungen versehen ist, welche von aufgeklebten, aufgesinterten oder aufgeschmolzenen Teilchen mit hoher spezifischer Oberfläche gebildet sind. Damit steht eine große Reaktionsfläche für die oberflächliche Immobilisierung des Indikatormaterials zur Verfügung. Ein bevorzugtes Verfahren nach der Erfindung zur Herstellung eines derartigen Sensorelementes ist dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Schritt Materialteilchen mit hoher spezifischer Oberfläche auf eine Aufnahmefläche aufgeklebt, aufgesintert oder aufgeschmolzen werden und daß in einem Folgeschritt Indikatormaterial, gegebenenfalls durch kovalente Bindung, an der zugänglichen Oberfläche der festgelegten Materialteilchen immobilisiert wird. Es wird also zuerst die Oberfläche der Aufnahmefläche am Träger gemäß der Erfindung modifiziert und erst dann der Indikator darauf immobilisiert, was den Vorteil bietet, daß der Klebe-, Aufschmelz- oder Sinterprozess keinen Einfluß auf die Indikatormoleküle bzw. deren Immobilisierung hat.

Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist es

—~ QGFf j
BAD ORtetNÄL

¹J.:. .Ι..·.:! "OO 33A3G36

aber auch möglich, daß in einem ersten Schritt Indikatormaterial, gegebenenfalls durch kovalente Bindung, auf die Oberfläche von Materialteilchen mit hoher spezifischer Oberfläche aufgebracht wird und daß in einem Folgeschritt diese indikatorbeladenen Teilchen auf eine Trägerfläche aufgeklebt, aufgeschmolzen oder aufgesintert werden.

Besonders vorteilhaft ist auch eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, bei der vor der Immobilisierung von Indikatormaterial die zugängliche Oberfläche der bereits auf der Aufnahmefläche festgelegten Materialteilchen in an sich bekannter Weise, insbesonders durch Behandlung mit Säuren oder Säuregemischen, beispielsweise mit einem Gemisch aus konz. Schwefel- und Salpetersäure, für die nachfolgende Knüpfung von Bindungen mit dem Indikatormaterial chemisch aktiviert wird.

Das erfindungsgemäße Sensorelement besteht also beispielsweise aus einer Trägerplatte aus Glas oder aus einem Kunststoff. Auf diese kann dann beispielsweise ein Granulat, Teilchen, Kügelchen usw. zur Oberflächenvergrößerung fix haftend aufgebracht werden, wobei die Teilchen beispielsweise vor dem Aufbringen auf den Träger bereits mit dem Indikatormaterial in immobilisierter Form versehen sein können. In diesem Fall werden dann die Teilchen, beispielsweise Kügelchen aus Glas, Plexiglas, Kunstharz usw. mittels eines Klebers, beispielsweise Polyurethan-Lack wegen der Härte der Kleberschicht, der guten Haftung und der geringen Quellung bei guter Benetzung, aufgebracht.

Eine andere Möglichkeit zur Vergrößerung der Oberfläche wäre prinzipiell natürlich auch beispielsweise durch ein grobes oder feines Schleifen, durch Sandstrahlen, Ätzen, Ritzen oder durch Herstellung mit einhergehender Pressung usw., zu erreichen.

Es hat sich herausgestellt, daß bei den genannten, erfindungsgemäßen Sensorelementen, in welchen die eigentlichen Indxkatormoleküle im Bereich der Grenzflächen zwischen dem Träger und dem Probenmedium positioniert sind, die Eigenschaften des Probenmediums nicht in jedem Falle vernachlässigt werden können, speziell dann nicht, wenn hohe Meß-

nB-ORIGINAL

genauigkeiten gefordert werden.

So wird zum Beispiel bei Sauerstoffsensorelementen, deren pO^-Empfindlichkeit auf dem Phänomen der Fluoreszenzlöschung durch molekularen Sauerstoff beruht, beobachtet, daß Signale bei Gasmessungen vom Feuchtigkeitsgehalt der zu messenden Gase beeinflußt werden, obwohl bekannt ist, daß H₂O nicht als Fluoreszenzlöscher fungiert. Weiters wurden beispielsweise bei der fluoreszenzoptischen pH-Messung mit den beschriebenen Sensorelementen Meßwertabweichungen durch unterschiedliche Ionenstärke der gemessenen Probe gefunden.

Um die genannten, unter gewissen Umständen auftretenden Nachteile zu vermeiden und damit insbesonders die unerwünschten und unter Umständen die Meßgenauigkeit beeinträchtigenden Einflüsse des Probenmediums zu beseitigen bzw. zumindest zu reduzieren, kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, daß auf der das immobilisierte Indikatormaterial tragenden Aufnahmefläche zumindest ein zusätzlicher Stoff aufgebracht ist, womit die Mikroumgebung des Indikatormaterials zumindest teilweise gegen Probeneinflüsse abgeschirmt ist. Als MikroUmgebung ist in diesem Zusammenhang jener die Indikatormoleküle umgebende Raum zu verstehen, innerhalb dessen die vorhandene Probe - in der Gesamtheit ihrer Bestandteile die jeweilige Wechselwirkung zwischen Indikator und zu messendem Stoff zu beeinflussen vermag, bzw. innerhalb dessen die Reichweite des Indikators für mögliche Beeinflussungen durch die Probe in ihrer Gesamtheit liegt.

Diese Ausgestaltung der Erfindung geht also davon aus, 0 daß die an sich der gesuchten Konzentration des zu messenden Stoffes proportionalen Fluoreszenzsignaländerungen durch Wechselwirkung zwischen dem Indikator und der zu messenden Probe zusätzlich beeinflußt werden. Diese Wechselwirkungen werden aber durch die Eigenschaften der Mikroumgebung des Indikators beeinflußt, welche physikalischer und/oder chemischer Natur sind und bei Vorhandensein der zu messenden Probe natürlich auch von dieser mitbeeinflußt werden. Dies ist insbesonders bei den erfindungsgemäßen

COPY

Sensorelementen sehr wesentlich, da dort oberflächlich an der vergrößerten Aufnahmeflache fixierte Indikatoren gewissermaßen in das Probenmedium ragen, womit die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Indikatormikroumgebung, wie Löslichkeit von Stoffen, Stofftransportphanomene oder Ionenmilieu und ähnliche, durch die entsprechenden Eigenschaften der Probe mitbestimmt werden.

Gemäß einer diesbezüglichen weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der zusätzliche Stoff hydrophobe und/oder ionischen Reste auf, die kovalent an der Aufnahmefläche gebunden sind. Damit kann beispielsweise die Abhängigkeit des Messwertes bei der pH-Messung von der Ionenstärke der untersuchten Probe drastisch reduziert werden. Die ionischen Reste können dabei gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung von sogenannten Zwitterionen, beispielsweise Aminosäuren, gebildet sein, wodurch sich die Ladungen der an der Aufnahmefläche gebundenen Reste zumindest weitgehend aufheben. Damit ist das Ionenmilieu der Indikatormikroumgebung zumindest teilweise vorgegeben, sodaß eine Beeinflussung der Indikatormoleküle über die Ionenstärke der Probe verringert wird. Prinzipiell wäre es in diesem Zusammenhang auch möglich, als ionische Reste Stoffe mit hoher Ionenstärke zu verwenden, die die eigentliche Messung, also beispielsweise die pH-Messung, nicht beeinflussen, womit ebenfalls der Einfluß der Ionenstärke der Probe relativiert und je nach vorgegebener Ionenstärke des zusätzlichen Stoffes verringert wird.

Als hydrophobe Reste können gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung Dialkyl- bzw. Trialkyl-Silylgruppen verwendet sein. Durch diese Besetzung der Aufnahmefläche des Trägers mit hydrophoben Molekülen wird eine hydrophile Probe zumindest teilweise von der Aufnahmefläche getrennt und damit auch von den an dieser Aufnahmefläche fixierten Indikatormolekülen. So können beispielsweise silikatische Oberflächen durch Behandlung mit Dichlordialkylsilan bzw. Chlortrialkylsilan hydrophobisiert werden, wobei die Aufnahmefläche dann an ihrer Oberfläche die genannten Silylgruppen trägt.

-ργ 1 BAD ORIGIWAL

- ίο -

Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit ist gemäß einer • anderen Weiterbildung der Erfindung dann gegeben, wenn der zusätzliche Stoff eine die Aufnahmeflache samt Indikatormaterial überdeckende Polymerschicht bildet. Damit ist eine dichte Abdeckung des Sensorelementes möglich, welche selektiv bestimmte unerwünschte Probenbestandteile aus der Mikroumgebung der Indikatormoleküle fernhält und damit den unerwünschten Einfluß der Probe auf das eigentliche Meßergebnis reduziert.

In diesem Zusammenhang können in Weiterbildung der Erfindung hydrophile Polymere, z. B. Cellulosederivate, als zusätzlicher Stoff verwendet sein, was beispielsweise die Beschichtung von Sensorelementen für die pH-Messung zur Reduzierung der Ionenstarkeeinflüsse der Probe ermöglicht. Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung können in diesem Zusammenhang auch hydrophobe Polymere, z. B. Siliconkautschuk, als zusätzlicher Stoff verwendet sein, was die Beschichtung von Sensorelementen, beispielsweise zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdruckes,ermöglicht. Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind in folgenden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert:

Um mechanisch genügend feste Sensorelemente mit einer möglichst großen Oberfläche zur lückenlosen Aufnahme des immobilisierten Indikators herzustellen, erfolgt die Immobilisierung eines Indikators direkt auf einem chemisch aktivierten Träger, z. B. Kieselgel, welcher dann auf einen festen und transparenten Träger haftend aufgebracht wird und zwar so, daß der Indikator zuerst auf dem oberflächen-0 aktiven Trägermaterial, wie z. B. Kieselgel mit seiner hohen spezifischen Oberfläche, gebunden wird. Dieses wird dann, durch geeignete Verfahren, z. B. mit Hilfe eines Klebers auf einen festen, transparenten Untergrund (z. B. Glas oder Plexiglas) aufgebracht. Aus zahlreichen bekannten KIebematerialien hat sich Polyurethan-Lack (Nr. PU 428, VIANOVA) wegen der Härte der Klebeschicht, der guten Haftung auf Plexiglas und der geringen Qellung trotz guter Benetzung als am geeignetesten erwiesen. Mit Hilfe dieses

Lacks können Indikatorkügelchen gut auf Plexiglas oder Glas haltbar gemacht werden.

Eine weitere Möglichkeit ergibt sich beispielsweise dadurch, daß vorerst die Fixierung eines chemisch geeigneten Materials, wie z. B. Kieselgel oder Glaskügelchen,auf einem festen Träger durch z. B. Kleben oder thermische Behandlung (Sintern) erfolgt. Anschließend daran wird auf dem fixierten Oberflächenvergrößerungsmaterial des Trägers der Indikator chemisch immobilisiert.
Durch das Anschmelzen erhält man so statt der glatten und wenig reaktiven Glasoberfläche eine rauhe und reaktive Oberfläche von guter Festigkeit. Auf diese kann dann mit Hilfe verschiedener chemischer Verfahren der Indikator immobilisiert werden. Die so erhaltenen Sensorelemente zeichnen sich durch hohe Beladungsdichten und gute Signaleinstellzeiten aus.

Eine Vergrößerung der Aufnahmefläche des Trägers könnte z. B. aber auch durch Ätzen, grobes oder feines Schleifen, durch Ritzen aber auch durch das Einpressen einer geeigneten Struktur bei der Herstellung des Trägers erfolgen, wobei die Erhebungen bzw. Vertiefungen regelmäßig, aber auch von unregelmäßiger Form sein könnten.

Auch die anzuschmelzenden oder aufzuklebenden Materialien können die verschiedensten Zusammensetzungen haben. Es können sowohl Gläser als auch Kunstharz, Kieselgel usw. verwendet werden; gleiches bezieht sich auch auf das Trägermaterial selbst.

Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensorelementes mit Kieselgel erfolgt beispielsweise folgendermaßen. Auf einen Träger, der aus Polymethylmethacrylat besteht, wird mit Hilfe eines Polyurethanlackes, welcher unter Einwirkung von Luftfeuchtigkeit aushärtet, das Immobilisat (immobilisierter Indikator) wie folgt aufgeklebt:

Auf das Trägerplättchen wird der Polyurethanlack PU 428, 42 %, in Xylol (Fa. VIANOVA KUNSTHARZ) mittels eines kantengeschliffenen Glasplättchens ausgestrichen. Das Immobilisat wird nun auf den nassen Kunstharzfilm gestreut und vorsichtig gleichmäßig verrieben, wobei eine monogranu-

«. . . - ■ —ι " ~* - . -COPY BßD CPi:

: ; .· - : .*·;:,: ο o4ob οό

lare Kieselgelschichte entsteht. Danach wird das Plättchen eine halbe Stunde lang bei 80° C in einem Trockenschrank gehärtet. Nach einer Trocknungszeit von 24 Stunden bei Raumtemperatur aktiviert man das Sensorelement durch Verseifen der Acetoxy- und Sulfochloridgruppen, indem man das Plättchen 2-3 Stunden in einen pH 8 Phospatpuffer 1/15 M einlegt. Nach kurzem Waschen mit Wasser ist das Sensorelement einsatzfähig.

Die Immobilisierung eines Indikators auf Kieselgel erfolgt beispielsweise folgendermaßen:

Als Trägermaterial fungiert Kieselgel (z. B. Merckosorb Si 60), welches für die Immobilisierung wie folgt aktiviert wird. Man bereitet eine Säuremischung bestehend aus einem Teil konzentrierter Salpetersäure und einem Teil konzentrierter Schwefelsäure, rührt das Kieselgel mit einem Glasstab vorsichtig ein und läßt 4 Stunden stehen. Der Brei wird anschließend mittels einer Glasfritte abgesaugt, das Kieselgel solange gewaschen, bis das Waschwasser einen pH-Wert von ungefähr 4,5 besitzt, und dann über Nacht bei

100° C getrocknet. Man legt in einem 100 ml-Kölbchen 22,2 mg Acetoxypren-3, 6, 8-trisulfonsäurechlorid gelöst in 10 ml absolutem Dioxan vor und versetzt diese Lösung mit 2 Tropfen Pyridin.

In diese Lösung tropft man langsam unter Rühren (Zutropfzeit ungefähr 10 - 15 Minuten) eine Lösung von 8,4 /al Triethoxysilylpropylamin in 5 ml Dioxan. Nach dem Zutropfen rührt man die Lösung noch ungefähr 5 Minuten und setzt 0,4g des aktivierten Kieselgels zu. Um ein Zermalmen des Kieselgels während des Rührvorganges zu vermeiden, hebt man das Rührwerk so an, daß der Rührer nur im oberen Teil der überstehenden klaren Lösung rührt. Unter Rückfluß und schwachem Rühren gibt man zu diesem Ansatz langsam 5 ml Dioxan, welches 0,05 ml Wasser als Katalysator enthält. Nach 2 1/2 ■ Stunden Rückfluß ist die Immobilisation beendet. Das Immobilisat wird abgenutscht, mit Dioxan eine Stunde eluiert, mit Azeton solange gewaschen, bis das Immobilisat nicht mehr gelb ausfärbt, und im Trockenschrank bei 60 getrocknet.

Eine weitere Möglichkeit £ur Herstellung eines Sensor-

elementes ergibt sich dadurch, daß man vorerst ein Stück Glas (ζ. B. Fensterglas, Objektträger usw.) auf das gewünschte Format zuschneidet. Einen ebenen Talkumblock bestreut man sodann mit einer ca. 1 mm dicken Talkumpulverschicht und legt darauf unter leichtem Anpressen das Glasplättchen. Auf das Glas streut man nun das Glaspulver (CPG 10-170 S, Fluka, Schweiz) oder ein Kieselgel (z. B. Merckosorb Si 60, Merck, BRD) in einer Dicke von 0,5 - 1,0 mm. Man sintert ca. 40 min lang in einem Muffelofen bei 720 - 800 C, nimmt es heraus, läßt abkühlen und entfernt nichthaftendes Pulver mit einem leichten Luftstrahl. Das Plättchen wird mit einem Gemisch aus konz. Schwefelsäure und konz. Salpetersäure bei Raumtemperatur 2 Stunden aktiviert,- anschließend mit dest. Wasser gut gespült (2 Std.) und im Vakuum bei 120° C getrocknet. Die Immobilisierung erfolgt wie für das Kieselgel vorhin beschrieben, wobei man aber 200 ml Lösungsmittel verwendet und statt 0,4 g Kieselgel 20 der soeben bereiteten Glasplättchen verwendet. Man erhält Glasplättchen, die in der Sinterzone gelb gefärbt sind. Sie werden 48 Stunden in eine Phosphatpufferlösung pH 8 gelegt und sind dann gebrauchsfähig.

Weitere Beispiele für die Immobilisierung von Indikatoren sind:

Immobilisierung von l-Acetylpyren-3, 6, 8-trisulfonsäuretrichlorid an,ii - Bondapak - NH~:

100 mg Bondapak-pulver Cu- Bondapak-NH«, Artikel Nr. 84155 von Waters) werden in 5 ml Wasser aufgeschlämmt. Dazu gibt man 0,5 ml einer Lösung von 0,15 mg Lösung von

4 mg l-Acetoxypyren-3, 6, 8-trisulfonchlorid in 10 ml Dioxan. Nach 5 Minuten wird abgesaugt, zweimal mit 5 ml 20%iger Natriumcarbonatlösung und dann mit Wasser gewaschen. Es entsteht ein schwach gelb gefärbtes Pulver.

Immobilisierung von Fluorescein an ia-Bondapak-NH₂-Si-1ikatkügelchen:
Zu 100 mg ii-Bondapak-NH„ (Fa. Waters), suspendiert in

5 ml Wasser, werden 0,5 ml einer Lösung von 1 mg Fluoresceinisothiocyanat in 10 ml Wasser gegeben. Das Produkt wird nach 5 Minuten abgesaug±_jjneUrmit Wasser gewaschen. Das ent-

coPY

standene Pulver ist gelb gefärbt.

Die folgenden Beispiele verdeutlichen die erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Reduzierung bzw. Ausschaltung der störenden Einflüsse der Probe:

a.) Oberflächenmodifizierung des Trägers von pH-Sensorelementen

Es sollen Einflüsse des Probenmediums durch teilweise Verdrängung von Bestandteilen der Probe aus der MikroUmgebung des Indikators reduziert werden.

Der Störeffekt aus der Probe besteht hauptsächlich darin, daß Schwankungen im Ionenmilieu der Probe zu Schwankungen der pH-Meßwerte führen.

Die Probe kann nun als solche örtlich aus einem Teil der Mikroumgebung der Indikatoren verdrängt werden, oder es kann die eine Störung verursachende Spezies, also ein Bestandteil der Probe, zumindest teilweise aus der Mikroumgebung des Indikators verdrängt werden.

Für den ersteren Fall kann eine Hydrophobisierung der Aufnahmefläche für den Indikator als Beispiel angesehen werden. Bei hydrophilen oder geladenen Aufnahmeflächen muß erwartet werden, daß unmittelbarer Kontakt zwischen Aufnahmefläche und dem hydrophilen (wäßrigen) Probenmedium besteht. Durch Besetzung der Aufnahmefläche mit hydrophoben Molekülen - Material und Methoden der Besetzung können dabei auch an sich bekannt sein - wird die hydrophile Probe zumindest teilweise von der Aufnahmefläche getrennt und damit auch von den an dieser fixierten In'dikatormolekülen.

Auf diese Weise können zum Beispiel silikatische Oberflächen durch Behandlung mit Dichlordialkylsilan bzw. Chlortrialkylsilan (24 Stunden Kochen unter Rückfluß) hydrophobisiert werden. Die entstehende Aufnahmefläche trägt dadurch an ihrer Oberfläche Dialkyl- bzw. Trialkylsilylreste.

Als Beispiel für den Fall, daß nur ein Teil der Probe aus der Mikroumgebung der Indikatoren verdrängt wird, kann die ebenso wirkungsvolle Maßnahme angegeben werden, an der Indikatoraufnahmefläche zusätzlich zum Indikator Ionen zu

fixieren. Das Ionenmilieu der Indikatormikroumgebung ist damit teilweise vorgegeben, sodaß ein Ionenstärkeeinfluß aus der- Probe verringert wird. Am wirkungsvollsten ist diese Maßnahme dann, wenn sich die Ladungen der an der Aufnahmefläche fixierten Ionen aufheben, wenn also, beispielsweise durch Fixierung von Zwitterionen (Aminosäuren), in etwa gleich viele positive und negative Ladungen an der Aufnahmefläche vorhanden sind.

Auch eine Kombination von Hydrophobisierung und Ionenfixierung erweist sich als zielführend.

b.) Polymerbeschichtung des Trägers bei pH-Sensorelementen

pH-Sensorelemente (wie beispielsweise auf den Seiten 11-13 beschrieben) werden mit einer Lösung von hydrophilem PoIymer überschichtet; - dies kann zum Beispiel eine Lösung von Celluloseacetat oder Cellulosenitrat in Aceton sein. Nach Verdunsten des Lösungsmittels bleibt eine hydrophile Polymerschicht auf der Sensoroberfläche zurück, welche die Mikroumgebung der Indikatoren weitgehend bestimmt und zum Beispiel Ionenstärkeeinflüsse der Probe wesentlich einschränkt.

c.) Polymerbeschichtung des Trägers bei pO~-Sensorelementen

Herstellung von pO„-Sensorelementen:

' Die Herstellung der Sensorelemente erfolgt im wesentlichen entsprechend der Herstellung von pH-Sensorelementen. Als Indikatoren eignen sich z. B. polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe mit ein oder mehreren Carbonsäuregruppen auf ein oder mehreren Seitenketten; z. B.: Pyrenbuttersäure, Decacyclenbuttersäure, Perylendibuttersäure, Benzo(ghi)perylenbuttersäure, und andere.

Beschichtung von pO„-Sensorelementen:

Die Beschichtung der Sauerstoffsensorelemente erfolgt mit einem hydrophoben, sauerstoffpermeablen Polymermaterial, beziehungsweise mit einer fließfähigen oder streichfähigen

BAD ORi ^^! ''M"*-

- 16 -

oder zumindest verformbaren Vorstufe dieses Materials. So eignen sich beispielsweise im Handel erhältliche, zu Siliconkautschuk vulkanisierbare Materialien, wie etwa Elastosil E 41, (Firma Wacker), Elastosil N 189 (Firma Wacker), im Prinzip verschiedenste Typen von sogenannten RTV-I, RTV-2 oder auch HTV-SiIiconkautschuk.

Zur besseren Verteilung kann das im Handel käufliche Ausgangsmaterial beispielsweise mit Lösungsmitteln, welche ohnedies im Material enthalten sind (Toluol, Xylol) verdünnt werden. Vorteilhafterweise werden Silicone als Be-

schichtungsmaterial im Zusammenhang mit silikatischem Trägermaterial eingesetzt, da wegen der Affinität der Materialien eine gute Haftung der Beschichtung gewährleistet ist. Die Durchführung der Beschichtung kann durch aufgießen, aufstreichen oder aufpressen, des polymerisierbaren Materials oder der Polymerlösung auf die bereits indikatorhältige Sensoroberfläche erfolgen. Nach der Vulkanisation des Polymers bzw. nach Verflüchtigung von Lösungsmitteln ist das Sensorelement einsatzbereit. Die Indikatormikroumgebung aus sauerstoffpermeablem, hydrophoben Polymermaterial bestimmt die Indikatoreigenschaften.

Während der Vorteil der Oberflächenmodifizierung durch Anlagerung hydrophober bzw. ionischer Reste darin besteht, daß die Einstellzeiten nur geringfügig beeinträchtigt werden, meist aber eine völlige Ausschaltung des Probeneinflusses nicht erreicht wird, können mit der Beschichtungsmethode sehr definierte Bedingungen in der Mikroumgebung der Indikatoren eingestellt werden. Des weiteren bietet die letztere Methode auch den weiteren Vorteil, durch Einlagern von inerten Pigmenten oder Farbstoffen in das abdeckende Polymer eine optische Entkopplung zwischen Sensor und Meßgut in einfacher Weise vorzunehmen. Dem Nachteil einer Verlängerung der Einstellzeiten kann dabei dadurch entgegengewirkt werden, daß die Schichtdicken klein gehalten werden.

1983 11 18
Kr/Pi/Ne

Claims

Patentansprüche

1'.) Sensorelement für fluoreszenzoptische Messung, bestehend aus einem vorzugsweise farblosen und durchsichtigen oder zumindest durchscheinenden plättchenförmigen Träger, der auf einer Fläche mit einem immobilisierten fluoreszenzoptischen Indikatormaterial versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmefläche für das immobilisierte Indikatormaterial mit gleichmäßig dicht verteilten Erhebungen versehen ist, welche von aufgeklebten, aufgesinterten oder aufgeschmolzenen Teilchen mit hoher spezifischer Oberfläche gebildet sind.
2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der das immobilisierte Indikatormaterial tragenden Aufnahmefläche zumindest ein zusätzlicher Stoff aufgebracht ist, womit die Mikroumgebung des Indikatormaterials zumindest teilweise gegen Probeneinflüsse abgeschirmt ist.
3. Sensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Stoff hydrophobe und/oder ionische Reste aufweist, die kovalent an der Aufnahmefläche gebunden sind.
4. Sensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Stoff eine die Aufnahmefläche samt Indikatormaterial überdeckende Polymerschicht bildet.
5. Sensorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ionischen Reste von sogenannten Zwitterionen, beispielsweise Aminosäuren, gebildet sind, wodurch sich die Ladungen der an der Aufnahmefläche gebundenen Reste zumindest weitgehend aufheben.
6. Sensorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die hydrophoben Reste von Dialkyl- bzw. Trialkyl-

Silylgruppen gebildet sind.

CÜf>Y J'

BAD ό

_ 2 —
7. Sensorelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß hydrophile Polymere, z. B. Zellulosederivate, als zusätzlicher Stoff verwendet sind.
8. Sensorelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß hydrophobe Polymere, z. B. Siliconkautschuk, als zusätzlicher Stoff verwendet sind.
9. Verfahren zur Herstellung eines Sensorelementes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Schritt Materialteilchen mit hoher spezifischer Oberfläehe auf eine Aufnahmefläche aufgeklebt, aufgesintert oder aufgeschmolzen werden und daß in einem Folgeschritt Indikatormaterial, gegebenenfalls durch kovalente Bindung, an der zugänglichen Oberfläche der festgelegten Materialteilchen immobilisiert wird.
10. Verfahren zur Herstellung eines Sensorelementes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Schritt Indikatormateriäl, gegebenenfalls durch kovalente Bindung, auf die Oberfläche von Materialteilchen mit ■hoher spezifischer Oberfläche aufgebracht wird und daß in einem Folgeschritt diese indikatorbeladenen Teilchen auf eine Trägerfläche aufgeklebt, aufgeschmolzen oder aufgesintert werden.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Immobilisierung von Indikatormaterial die zugängliche Oberfläche der bereits auf der Aufnahmefläche festgelegten Materialteilchen in an sich bekannter Weise, insbesonders durch Behandlung mit Säuren oder Säuregemischen, beispielsweise mit einem Gemisch aus konz. Schwefel- und Salpetersäure, für die nachfolgende Knüpfung von Bindungen mit dem Indikatormaterial chemisch aktiviert wird.

COPY

BAD ORIGINAL