DE4213268A1

DE4213268A1 - Verfahren zur Herstellung eines Sensors zum Bestimmen des Sauerstoffgehalts einer Probe

Info

Publication number: DE4213268A1
Application number: DE4213268A
Authority: DE
Inventors: Moshe Dr Gavish; Misha Dr Roitberg
Original assignee: Segnetron Israel Ltd
Current assignee: Segnetron Israel Ltd
Priority date: 1992-04-22
Filing date: 1992-04-22
Publication date: 1993-10-28
Also published as: CH684028A5

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors zum Bestimmen des Sauerstoffgehalts in einer Probe. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Her stellung eines Hochleistungs-Sauerstoffsensors mit langer Betriebslebensdauer.

Die Entwicklung optischer Sensoren ist einer der am schnell sten wachsenden neuen Bereiche in der analytischen Chemie. Die meisten dieser Sensoren betreffen nicht die direkte Be stimmung von Analyten, sondern messen die optischen Eigen schaften eines Reagens, das am fernen Ende des Lichtleiters befestigt ist. Dieses Reagens wird so ausgewählt, daß es optische Eigenschaften hat, die sich bei Wechselwirkung mit dem Zielsubstrat ändern. Lichtleitersensoren, die immobili sierte Reagenzien verwenden, wurden auf der Basis von Fluo reszenz-Komplexbildung und des dynamischen Fluoreszenz- Löschens entwickelt. Sowohl die Fluoreszenz-Lebensdauern als auch die Anregungs/Emissions-Spektren werden durch das Immo bilisationsverfahren und den Typ eines am Reagens befestigten Festkörperträgers stark beeinflußt. Solche Sensorelemente wurden in den letzten Jahren hauptsächlich zum Nachweis von Sauerstoffkonzentrationen entwickelt.

Die US-PS 4 925 268 beschreibt einen Sensor, der zur Über wachung der Sauerstoff- oder Wasserstoffkonzentration ge eignet ist und ein Lichtleitersegment verwendet, das an einem Ende eine Matrix hat, die ein Indikatormolekül aufweist, das an ein Polymer gebunden ist. Das beanspruchte Polymer ist unter den Acrylaten und Methacrylaten ausgewählt. Ein wesent licher Nachteil dieser Sensoren besteht darin, daß die fluo reszierenden Reagenzien durch starke zwischenmolekulare Wech selwirkungen gekennzeichnet sind, die ihnen in den meisten Lösungsmitteln eine sehr schlechte Löslichkeit verleihen, und daß sie eine starke Tendenz zur Aggregatbildung und Kristal lisation mit typischer säulenförmiger Stapelung haben. Ferner tendieren die Moleküle des Reagens dazu, in der festen Poly mermatrix zu wandern und Aggregate zu bilden, so daß sie ihre Fluoreszenzeigenschaften verlieren.

Die Auswirkung von Sauerstoff auf Fluoreszenzmaterial besteht darin, die Stärke der emittierten Strahlung dadurch zu ver ringern, daß für angeregte Moleküle eine nichtstrahlende Re laxationsbahn geschaffen wird. Im allgemeinen ist es relativ einfach, eine Lösung eines der wohlbekannten polycyclischen aromatischen Fluoreszenzmaterialien, die normalerweise für diesen Zweck eingesetzt werden, in einem Lösungsmittel wie Toluol herzustellen und diese Lösung als einen Indikator einzusetzen. Üblicherweise ist diese Lösung in eine Membran eingekapselt, die für ein Gas durchlässig ist, so daß Sauer stoff in die Lösung diffundieren kann. Es wurde auch schon vorgeschlagen, eine Indikatorsubstanz in ein Polymer unter Einsatz des gleichen Lösungsmittels einzubauen. Nach Ver dunstung des Lösungsmittels findet jedoch im allgemeinen eine Kristallisation des Indikators statt, so daß er den größten Teil seiner Sauerstoffempfindlichkeit verliert.

Um den Nachteil einer Verminderung der Empfindlichkeit des Reagens zu beseitigen, wurde bereits in der EP-PS 109 959 vorgeschlagen, als Trägermaterial für das Indikatorreagens einen Weichmacher einzusetzen, damit das Indikatorreagens permanent in das Polymer eingebaut bleibt. Außerdem wird ein Lösungsmittel für den Indikator benötigt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Sensors zum Bestimmen von gelöstem Sauerstoff. Dabei soll der Sensor eine sehr hohe Konzentration von Fluoreszenz-Reagens haben, wodurch seine Betriebslebensdauer verlängert wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements zum Bestimmen der in einer Probe gelösten Sauerstoffmenge, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Vermischen eines fluoreszierenden Reagens mit einem Siliconöl, das ein Molekulargewicht im Bereich von 6700-80 000 hat; (b) Erwärmen des Gemischs bei einer Tempe ratur im Bereich von 150-350°C; und (c) Zufügen einer optischen Isolatorschicht auf das fluoreszierende Reagens. Das gemäß der Erfindung erhaltene Sensorelement enthält sehr hohe Konzentrationen des fluoreszierenden Reagens und hat somit hohe Empfindlichkeit gegenüber Sauerstoff. Es zeichnet sich ferner durch seine Lichtdurchlässigkeit für sichtbare Strahlung aus, so daß die Anregung und Emission von Licht in einfacher Weise gemessen werden kann.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Sensorelements.

Das Sensorelement wird in situ erhalten, wobei das Siliconöl, das ein Molekulargewicht im Bereich von 6700-80 000 und be vorzugt im Bereich von 15 000-30 000 hat, gleichzeitig als ein Lösungsmittel für das Fluoreszenz-Reagens, als Polymeri sationsmittel und als Vernetzungsmittel wirkt. Siliconöle, die die Hauptausgangskomponenten für die vorliegende Erfin dung sind, sind handelsüblich. Sie bestehen im wesentlichen aus einem Gemisch von Dimethylsilicon, Methyl-Wasserstoff- Silicon, Diphenylsiloxan und Methyldiphenylsilicon. Sie zeichnen sich durch ihre ausgezeichnete Beständigkeit gegen oxidative Angriffe und thermische Umlagerung aus. Bei einer Temperatur oberhalb 150°C tritt eine allmähliche Viskosi tätssteigerung auf. Im Fall von Dimethylsilicon, das einer der Hauptbestandteile des Siliconöls ist, werden die Methyl gruppen zu Formaldehyd oxidiert, und dann findet eine Ver netzung durch die Siloxanbrücken statt. Fakultativ kann ein zusätzliches Vernetzungsmittel, wie es üblicherweise einge setzt wird, etwa ein organisches Peroxid oder eine Diazover bindung zugefügt werden.

Das erhaltene Sensorprodukt ist ein Festkörper, der die mechanischen Eigenschaften eines hochpermeablen Silicongummis hat, in dem eine sehr hohe Konzentration des Fluoreszenz- Reagens eingeschlossen ist. Das Sensorelement hat sich als bei der biologischen Sterilisationstemperatur stabil erwiesen und behält seine hohe Durchlässigkeit für Sauerstoff.

Die einzusetzenden Fluoreszenz-Reagenzien können aus ver schiedenen für diesen Zweck bekannten Reagenzien ausgewählt werden, beispielsweise aus polycyclischen aromatischen Mole külen, homocyclischen und heterocyclischen aromatischen Molekülen. Typische Beispiels solcher Verbindungen sind folgende: Dekacyclen, Perilen (Dibenzanthracen), Tetracen, Benzanthracen usw. Ein Fachmann wählt das geeignete Reagens entsprechend den speziellen Anforderungen für den jeweiligen Einsatz des Sensors sowie nach der Verfügbarkeit des Reagens an Ort und Stelle aus.

Die optische Isolatorschicht kann aus irgendeinem bekannten Material ausgewählt sein, wobei ein bevorzugtes Material Graphitpulver ist. Durch Einbau dieses Pulvers vor dem Er wärmungsschritt wird eine schwarze optische Isolatorschicht gebildet, die das Fluoreszenz-Reagens gegenüber dem Außen licht schützt, aber ein Eindiffundieren von Sauerstoff zum Erfassen durch das Reagens zuläßt.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in das Gemisch von Siliconöl mit dem Fluoreszenz-Reagens ein Pigmentmaterial entweder vor oder während der Erwärmungsbe handlung eingeführt. Nach der Polymerisation ist das Pigment in dem das Fluoreszenz-Reagens enthaltenden Siliconpolymer eingeschlossen. Das in dem Polymer vorhandene Pigment dient auch als zusätzliche Schutzschicht für das Fluoreszenz- Reagens, ohne daß es dessen hohe Permeabilität für Sauerstoff verringert.

Zum besseren Verständnis der Erfindung ist in Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbei spiels des Sensorelements gezeigt, das gemäß der Erfindung hergestellt ist.

Eine Lichtquelle 1 sendet Strahlung mit einer Wellenlänge λ1 aus, die von einem optischen Filter 2 gefiltert und durch einen gegabelten Lichtwellenleiter 3 zu dem Fluoreszenz- Reagens 5 übertragen wird. Die Fluoreszenzstrahlung mit der Wellenlänge λ2 < λ1 geht durch den Lichtwellenleiter 3 zurück zum optischen λ2-Filter 7 und zum optischen Detektor 8. Ein Indikatorhalter 4 ist mit dem Lichtwellenleiter 3 verbunden. Eine dünne Pigmentschicht 6 dient als Lichtabsorptionsmittel, um eine optische Unabhängigkeit von dem Fluoreszenz-Reagens herzustellen. Der Sauerstoffindikator wird optisch angeregt und emittiert Licht verschiedener Wellenlängen, dessen Inten sität oder Dauer von dem Sauerstoffgehalt einer Probe ab hängt.

Von den Vorteilen des so erhaltenen Sensorelements sollte die sehr hohe Empfindlichkeit gegenüber Sauerstoff genannt wer den. Die relative Fluoreszenz-Intensität

[I(0)/I(100)-1)]·100

die ein Maß der Sauerstoffempfindlichkeit ist, ändert sich bei Zugabe von Luft zu Stickstoff um 40% und bei Zugabe von reinem Sauerstoff um mehr als 200%.

In der obigen Beschreibung wird zwar nur auf die Bestimmung von Sauerstoff Bezug genommen, es ist aber auch denkbar, das Sensorelement auf der Basis der Fluoreszenzlöschung zur Be stimmung des pH-Werts oder eines Gases wie Kohlendioxid unter Verwendung eines geeigneten Fluoreszenz-Reagens zu verwenden.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel wird eine zusätzliche Schicht eines Licht streuenden Materials zwischen die Fluo reszenz-Reagensschicht und die Isolatorschicht eingebaut. Dies ist nützlich zur Erhöhung des Fluoreszenz-Wirkungsgrads, indem ein Teil des übertragenen Lichts für das Fluoreszenz- Reagens rückgestreut wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen näher erläutert, ohne daß dadurch eine Einschränkung gegeben ist.

Beispiel 1

6,3 mg Dekacyclen wurde in einem kleinen Gefäß gelöst, das 1 ml Siliconöl mit einem Molekulargewicht von 16 000 und einer Viskosität von 350 mPa·s (350 cps) (unter dem Namen F-350 bekannt) enthielt. Das Gemisch wurde für 2 h bei 300°C erwärmt, wodurch die Flüssigkeit zu einem Gel wurde und den lichtdurchlässigen Teil des Fluoreszenz-Reagens bildete. Durch die Zugabe von feinem Graphitpulver zu der Lösung, die während der Erwärmung durchgeführt wurde, wurde ein schwarzer optischer Isolator gebildet, der das Fluoreszenz-Reagens ge genüber Außenlicht schützt, aber das Diffundieren von Sauer stoff zu dem Sensorelement zuläßt.

Beispiel 2

6,5 mg Dekacyclen wurde in einem kleinen Gefäß gelöst, das 1 ml Siliconöl mit einem Molekulargewicht von 30 000 und einer Viskosität von 1000 mPa·s (1000 cps) unter dem Namen F-1000 bekannt) enthielt. Das Gemisch wurde für 90 min bei 340°C erwärmt, wodurch die Flüssigkeit zu einem Gel wurde und den lichtdurchlässigen Teil des Fluoreszenzmaterials bildete.

Ein Test mit einem diesen Indikator enthaltenden Sensor ergab eine um ca. 10% geringere Empfindlichkeit als die mit dem Sensor nach Beispiel 1 erhaltene Empfindlichkeit, aber auch eine um 10% kleinere Zeitkonstante.

Beispiel 3

6,5 mg 9,10-Diphenylanthracen wurde in einem Gefäß gelöst, das 1 ml Siliconöl mit einem Molekulargewicht von 80 000 und einer Viskosität von 12 500 mPa·s (12 500 cps) (unter dem Namen F-12500 bekannt) enthielt. Das Gemisch wurde für 2 h bei 360°C erwärmt, wodurch die Flüssigkeit ein Gel wurde und den lichtdurchlässigen Teil des Fluoreszenzmaterials bildete.

Ein Test mit einem diesen Indikator enthaltenden Sensor ergab eine um ca. 20% geringere Empfindlichkeit als die mit dem Sensor nach Beispiel 1 erhaltene Empfindlichkeit, aber auch eine um ca. 15% kleinere Zeitkonstante.

Beispiel 4

10 mg Perilen wurde in ein Gefäß gelöst, das 1 ml Siliconöl wie in Beispiel 1 enthielt. Das Gemisch wurde für 2 h bei 260°C erwärmt, wodurch die Flüssigkeit zu einem Gel wurde und den lichtdurchlässigen Teil des Fluoreszenzmaterials bildete.

Ein Test mit einem diesen Indikator enthaltenden Sensor ergab eine um ca. 50% geringere Empfindlichkeit als bei dem nach Beispiel 1 hergestellten Sensor.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements zum Be stimmen der in einer Probe gelösten Sauerstoffmenge, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) Vermischen eines Fluoreszenz-Reagens mit einem Siliconöl, das ein Molekulargewicht von 6700-80 000 hat;
b) Erwärmen des Gemischs auf eine Temperatur von 150-350°C; und
c) zusätzliches Vorsehen einer optischen Isolatorschicht in dem Fluoreszenz-Reagens.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliconöl ein Molekulargewicht von 15 000-30 000 hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliconöl ein Gemisch von Dimethylsilicon, Methyl hydrosilicon, Diphenylsilicon und Methylphenylsilicon aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vernetzungsmittel eingebaut wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Vernetzungsmittel aus organischen Peroxiden und Diazoverbindungen ausgewählt ist.

6. Verfahren nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluoreszenz-Reagenzien aus polycyclischen aromati schen, homocyclischen und heterocyclischen Molekülen aus gewählt sind.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluoreszenz-Reagens Dekacyclen ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluoreszenz-Reagens Perilen ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Isolatorschicht Graphitpulver ist.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pigment eingebaut wird, das von dem Siliconpolymer eingeschlossen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Fluoreszenz-Reagensschicht und der Isolator schicht eine zusätzliche Schicht von lichtstreuendem Material eingefügt wird.