DE69226236T2

DE69226236T2 - Exciplexsensoren und Bestimmungsverfahren

Info

Publication number: DE69226236T2
Application number: DE69226236T
Authority: DE
Inventors: James G. C/O Minnesota Mining And St. Paul Minnesota 55133-3427 Bentsen; Colleen C. C/O Minnesota Mining An St. Paul Minnesota 55133-3427 Nagel
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1991-10-31
Filing date: 1992-10-29
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2012-10-30
Also published as: EP0539968B1; JPH05207994A; ATE168468T1; AU2612192A; EP0539968A1; DE69226236D1; AU662169B2; CA2079986A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Erfassen oder Bestimmten der Konzentration eines interessierenden Analyten in einem Medium. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Sensorvorrichtung oder Systeme und Verfahren zum Erfassen der Konzentration eines interessierenden Analyten, zum Beispiel Sauerstoff, in einem Medium, zum Beispiel Blut.
Es ist manchmal für einen Arzt erforderlich oder wünschenswert, die Konzentration bestimmter Gase, z. B. Sauerstoff und Kohlendioxid, in Blut zu bestimmen. Dies kann unter Verwendung eines optischen Sensors erreicht werden, der einen auf die interessierende Komponente oder den interessierenden Analyten reagierenden optischen Indikator aufweist. Der optische Sensor wird dem Blut ausgesetzt, und Anregungslicht wird dem Sensor zugeführt, so daß der optische Indikator ein optisches Signal liefern kann, das für den interessierenden Analyten charakteristisch ist. Der optische Indikator kann zum Beispiel fluoreszieren und ein fluoreszierendes optisches Signal liefern, wie es in US-A-RE31,897 beschrieben ist, oder er kann nach den Prinzipien der Lichtabsorption funktionieren, wie es zum Beispiel in US-A-4,041,932 beschrieben ist.
Die Verwendung optischer Fasern wurde als Teil derartiger Sensorsysteme vorgeschlagen. Der optische Indikator wird an dem Ende einer länglichen optischen Faser angeordnet, die in dem zu analysierenden Medium angeordnet wird. Dieser Ansatz hat viele Vorteile, insbesondere, wenn es erwünscht ist, eine Kon zentration eines Analyten in einem Medium im Innern eines Körpers eines Patienten zu bestimmen. Die Kombination aus optischer Faser und Indikator kann ausreichend verkleinert werden, um leicht in das Kreislaufsystem des Patienten einzutreten und dort zu verbleiben. Die Konzentration wird konsistent und genau bestimmt.
Die Lumineszenzmeßanalyse zum Überwachen der Konzentrationen von Analyten ist technisch gut bekannt. Im allgemeinen wird eine Kalibrierungskurve der Lichtintensität (oder einer Funktion der Intensität) gegen die Konzentration des Analyten erstellt. Das Verfahren kann es umfassen, sowohl bei der Anregung als auch bei der Emission absolute Lichtintensitäten zu bestimmen. Wenn Lumineszenzindikatoren durch eine in der Intensität modulierte Anregungsquelle angeregt werden, kann die Phasenverschiebung zwischen den Anregungs- und den Emissionssignalen zum Bestimmen eines Analyten in Abhängigkeit von der Lebensdauer der Lumineszenz verwendet werden.
Ein Problem, das bei derartigen Systemen bestehen kann, ist die Nähe der Wellenlänge zwischen dem Anregungssignal (-licht) und dem Emissionssignal (-licht) des Indikators. In vielen Fällen weisen das Anregungssignal und das Emissionssignal jeweils gleiche Wellenlängen auf. Dies kann zu einer Fehlinterpretation des Emissionssignals führen, wobei die Fehlinterpretation zu einer ungenauen Bestimmung der Konzentration des Analyten führt. Es wäre von Vorteil, ein Sensorsystem vorzusehen, bei dem die Wellenlängen der Anregungs- und Emissionssignale deutlich unterschiedlich sind.
Während eine deutliche Unterscheidung der Anregungs- und Emissionssignale unter Verwendung phosphoreszierender organischer Indikatoren erreicht werden kann, ist die Stabilität des Farbstoffs häufig ein Problem. Tatsächlich schließt US-A-3,725,648 wegen der Stabilitätsprobleme phosphoreszierende Moleküle ausdrücklich als potentielle Sensormaterialien aus. Einige phosphoreszierende anorganische Platingruppen-Komplexe und phosphoreszierende Lanthanid-Komplexe zeigen eine ausreichende Stabilität, sind jedoch ziemlich teuer und können bei der Bestrahlung unter Anwesenheit von Sauerstoff bedeutende Mengen hochreaktiven Singulett-Sauerstoffs erzeugen. Es wäre von Vorteil, ein Sensorsystem vorzusehen, bei dem eine deutliche Unterscheidung von Anregungs- und Emissionssignalen unter Verwendung stabiler Farbstoffe mit reduzierter oder keiner Erzeugung reaktiver Spezies, wie etwa Singulett-Sauerstoff, erzielt wird.
Eine deutliche Unterscheidung der Anregungs- und der Emissionssignale kann durch einen Anregungs-Singulett-Zustand erreicht werden, indem ein Energietransfer von einem auf das Analyt reagierenden ersten Farbstoff zu einem für das Analyt unempfindlichen zweiten Farbstoff verwendet wird (EP-A-0 381 026). Ferner wurde eine Pyren-Excimer-Emission erfolgreich in Lösungen zur Detektion organischer Verbindungen (Ueno et al., Anal. Chem., 1990, 62, 2461-66) und Anästhetika (Merlo et al., IEEE Engineering in Medicine & Biology, 11th Annual International Conference Proceedings, 1989) verwendet, wobei die Fluoreszenz des Excimers als Anzeichen für die Aggregation von Cyclodextinen bzw. einer Änderung der lokalen Viskosität dient. Diese Sensormechanismen funktionieren aufgrund der Annahme, daß ein Analyt die Effizienz der Ausbreitung eines Emissionsanregungszustands unterdrückt oder verstärkt. Diese Systeme sind nicht als bei festen Sensorelementen verwendbar beschrieben. Ein zusätzliches Problem bei derartigen Systemen ist es, daß sie mit Phasenmodulationsdetektionsverfahren nicht kompatibel sind, da die Lebensdauer des Emissionszustands im wesentlichen unabhängig von der Konzentration des Analyten ist.
Es wäre von Vorteil, ein Sensorsystem vorzusehen, bei dem die Lebensdauer und vorzugsweise sowohl die Lebensdauer als auch die Intensität des differenzierten Emissionssignals für die Konzentration eines Analyten in einem Medium empfindlich sind. Emissionen, zum Beispiel Fluoreszenzemissionen, die sowohl hinsichtlich der Lebensdauer als auch der Intensität für die Konzentration eines Analyten empfindlich sind oder von dieser abhängen, werden als durch den Analyten dynamisch löschbar beschrieben.
Sensoren auf faseroptischer Grundlage sind zum Beispiel bei medizinischen Anwendungen sehr nützlich. Ein Problem, das bei derartigen Systemen bestehen kann, hängt mit der inhärenten Flexibilität optischer Fasern zusammen. Diese flexiblen Fasern neigen dazu, sich zu biegen, was wiederum die durch die Fasern an den Signalprozessor übertragenen Signale verzerrt. Ein durch gebogene Fasern oder andere Sensorsystemprobleme verzerrtes Signal führt zu ungenauen Konzentrationsbestimmungen. Es wäre von Vorteil, einen Sensor und ein Konzentrationsbestimmungsverfahren vorzusehen, das trotz derartiger Verzerrungen genaue Konzentrationsdaten liefert.
US-A-4,548,907 beschreibt einen optischen Sensor auf Fluoreszenzgrundlage, der ein Fluorophor mit einer Säureform und einer Basenform aufweist. Das Fluorophor ist in Gegenwart des Mediums chemisch instabil. Insbesondere variieren die relativen Mengen der Säureform und der Basenform je nach dem pH-Wert des Mediums. Das Fluorophor wird mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen angeregt, eine für die Säureform und eine für die Basenform, und es werden Fluoreszenzsignale mit einer einzigen Wellenlänge detektiert. Indem die mit zwei verschiedenen Anregungswellenlängen erhaltenen Fluoreszenzsignale in ein Verhältnis gesetzt werden, kann der pH-Wert des Mediums bestimmt werden. Dieser Sensor hat den Vorteil, ein einziges Fluorophor zu verwenden. Der Sensor dieses Patents ist jedoch dahingehend beschränkt, daß lediglich die Analyte überwacht werden können, die das Verhältnis von Säureform zu Basenform des Fluorophors beeinflussen. Die Lebensdauer der Emission ist wiederum im wesentlichen von der Konzentration des Analyten unabhängig. Außerdem werden keine weiteren optischen Indikatoren für mehrere Zustände beschrieben oder vorgeschlagen.
Lee et al. berichten in "Luminescence Ratio Indicators for Oxygen", Anal. Chem., 59, S. 279-283, 1987, über eine Arbeit, deren Ziel es war, ein einzelnes Reagens zu entwickeln, das zwei Lumineszenzbänder zeigen sollte, ein "analytisches" Band einer kürzeren Wellenlänge, das einem Löschen durch Sauerstoff ausgesetzt war, und ein "Referenz"-Band einer längeren Wellenlänge, das von dem Sauerstoffpegel unabhängig war. Insbesondere bestand die Arbeit darin, ein System zu formulieren, das sowohl sauerstoffempfindliche Pyren-Monomer-Emissionen eine r kürzeren Wellenlänge und sauerstoffunempfindliche Pyren-Dimer- Emissionen einer längeren Wellenlänge aufwies. Diese Arbeit hatte keinen Erfolg beim Finden eines auf einem Verhältnis beruhenden Indikatorsystem zum Messen des Sauerstoffs in wäßrigen Systemen. Ferner kann, wie oben erwähnt, die Verwendung einer sauerstoffempfindlichen Emission mit einer kürzeren Wellenlänge aufgrund einer möglichen Überlappung zwischen der kurzen Wellenlängenemission und dem Anregungssignal zu Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der Sauerstoffkonzentration führen.
CA-A-2,015,415 beschreibt einen Sauerstoffsensor mit einer einzigen Indikatorspezies, die aus Perylenderivaten ausgewählt ist, die in einer vernetzten Polydimethylsiloxanmatrix dispergiert oder immobilisiert sind, die eine sauerstoffempfindliche Emission einer kürzeren Wellenlänge und eine sauerstoffunempfindliche Emission einer längeren Wellenlänge ausgibt und so mit sowohl als der Indikator und das Referenzelement verwendet werden kann. Die Verwendung einer sauerstoffempfindlichen Emission einer kürzeren Wellenlänge kann aufgrund von Überlappen mit dem Anregungssignal, wie oben beschrieben, zu Ungenauigkeiten führen. Außerdem ist keine Beschreibung und kein Vorschlag vorgesehen, demzufolge die Emissionen kürzerer und längerer Wellenlängen das Ergebnis verschiedener Indikatorformen sind. Im Gegenteil, die Entgegenhaltung impliziert, daß eine einzige Indikatorspezies einen sauerstoffempfindlichen Emissionsbereich und einen anderen sauerstoffunempfindlichen Emissionsbereich aufweist.
EP-A-0363219 beschreibt eine sauerstoffdetektierende Vorrichtung unter Verwendung von Europium oder Erythrosin-B als Phosphoreszenzstoffe, die durch ein im kHz-Bereich sinuswellenmoduliertes monochromatisches Licht angeregt werden. Das emittierte Licht einer anderen Wellenlänge wird ebenfalls sinuswellenmoduliert, wobei die Phasendifferenz zwischen den beiden Sinuswellen von dem Löscheffekt des Sauerstoffs abhängt und somit von dem Sauerstoffpartialdruck abhängt. Diese Veröffentlichung beschreibt nicht die Verwendung anderer Indikatoren, zum Beispiel Fluoreszenz-Indikatoren. Die Modulation in dem kHz-Bereich kann nicht auf kurzlebigere Fluoreszenz- Indikatoren ausgedehnt werden, da die durch die Übertragung der Anregungs- und Emissionssignale verursachten Phasenverschiebungen, z. B. durch eine optische Faser, wesentlich werden. Außerdem ist keine Beschreibung und kein Vorschlag vorgesehen, demzufolge die verwendeten Phosphoreszenzstoffe verschiedene Emissionsformen erzeugen. Ferner kann, wie oben beschrieben, die Verwendung phosphoreszierender Indikatoren zu anderen Problemen führen.
Sharma et al. beschreiben in "Unusually Efficient Quenching of Fluorescence of An Energy Transfer-Based Optical Sensor for Oxygen", Analytica Chimica Acta, 212 (1988) 261-265 zwei Fluoreszenzsysteme mit Pyren als Energiedonator und Perylen als Energieakzeptor, die in Silikongummi dispergiert sind. Ein starkes Fluoreszenzsignal, das für Sauerstofflöschen empfindlich ist, wird mit 474 nm emittiert, wobei Pyren nicht fluoresziert, aber das relativ sauerstoffunempfindliche Perylen doch fluoresziert. Es wird angenommen, daß dieses Emissionssignal teilweise von einem gemischten Pyren-/Perylen-Excimer herrührt. Es wird keine kovalente Bindung zwischen Pyren und Perylen an dem Silikongummi beschrieben, so daß nicht beschrieben oder vorgeschlagen wird, wie eine derartige kovalente Bindung das System beeinträchtigt. Da außerdem Perylen auf derselben Wellenlänge wie das gemischte Excimer fluoresziert, kann das durch das Perylen emittierte Signal das von dem gemischten Excimer emittierte Signalstören. Es wäre von Vorteil, für Analytkonzentrationsbestimmungen ein Emissionssignal zu verwenden, daß von anderen Emissionen in dem System im wesentlichen entfernt oder gelöst ist.
PROCEEDINGS SPIE, Vol. 990, S. 116-120, beschreibt einen auf einem Transfer elektromagnetischer Energie von einem Donator zu einem Akzeptor beruhenden optischen Sensor. Ein Energietransfer ist ein kollisionsloser Vorgang, der durch den Raum auftritt und eine wesentliche optische Überlappung zwischen der charakteristischen Emission des ersten Farbstoffs und der charakteristischen Emission des zweiten Farbstoffs erfordert. Der erste Farbstoff absorbiert Licht mit einer charakteristischen Anregungswellenlänge, und seine Anregungszustandsenergie wird an den zweiten Farbstoff übertragen. Auf diese Weise kann der zweite Farbstoff als Reaktion auf eine Anregung des ersten Farbstoffs eine Emission mit seiner eigenen charakteristischen Emissionswellenlänge durchführen. Es wird angenommen, daß Sauerstoff bei derartigen Systemen den Anregungszustand des ersten Indikators (z. B. Pyren) löscht und hiermit die Energie transfereffizienz und die resultierende Emission von dem zweiten Indikator (z. B. Perylen) löscht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sensor und ein Verfahren zum Erfassen der Konzentration einer Komponente oder eines interessierenden Analyten in einem Medium vorzusehen, wobei der Sensor oder das Verfahren eine genaue, zuverlässige und reproduzierbare Konzentrationsbestimmung vorsehen.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch den Inhalt der Ansprüche 1, 16 bzw. 25 gelöst. Der Inhalt der Unteransprüche betrifft bevorzugte Ausführungsformen.
Wie der Begriff "Monomerindikatorkomponente" hier verwendet wird, betrifft er eine Spezies, die als Reaktion darauf, einem Anregungssignal, vorzugsweise einem Anregungslichtsignal, ausgesetzt zu sein, ein Signal, vorzugsweise ein optisch detektierbares Signal, liefert. Eine "fluoreszierende Monomerindikatorkomponente" ist eine Monomerindikatorkomponente, die als Reaktion darauf, einem Anregungssignal ausgesetzt zu sein, ein Fluoreszenzsignal liefert.
Wie der Begriff "Monomerkomponente" hier verwendet wird, betrifft er eine Spezies, die selbst als Reaktion auf eine Anregung durch ein Anregungssignal, wie etwa ein Anregungslichtsignal, ein Signal liefern kann oder auch nicht, etwa ein optisch detektierbares Signal.
Wie der Begriff "Exciplex-Komponente" hier verwendet wird, betrifft er eine Anregungszustandsspezies, die sich aus einer molekularen oder submolekularen Interaktion von zwei oder mehr, vorzugsweise zwei, verschiedenen Monomerindikatorkomponenten erhalten wurde, von denen eine oder mehrere, vorzugsweise eine, eine Donatorkomponente und eine oder mehrere, vor zugsweise eine, eine Akzeptorkomponente ist, und die die folgende Beziehung erfüllt:
EDox - EAred ≤ hv(hex) + 0,25eV
wobei EDox das Grundzustandsoxidationspotential der Donatorkomponente ist, EAred das Grundzustandsreduktionspotential der Akzeptorkomponente ist, die jeweils im Vergleich zu demselben Standard gemessen sind, hv(hex) die Maximalenergie in eV (Elektronenvolt) der in n-Hexan gemessenen Spezies in einem Anregungszustand ist, und die Donatorkomponente und die Akzeptorkomponente derart zugeordnet sind, daß der absolute Wert von EDox - EAred minimiert wird.
Die vorliegende Erfindung sieht Sensoren und Verfahren zum Erfassen der Konzentration, zum Beispiel des Partialdrucks, einer Komponente oder eines interessierenden Analyten, wie etwa Sauerstoff, in einem Medium vor, zum Beispiel einem Medium auf wäßriger Basis, wie etwa Blut. Die vorliegenden Systeme funktionieren so, daß sie genaue, zuverlässige und reproduzierbare Konzentrationsbestimmungen liefern. Darüber hinaus können solche Bestimmungen trotz Signalübertragungsproblemen, wie etwa gebogenen optischen Fasern und anderen Betriebsschwierigkeiten geliefert werden, die die Qualität der übertragenen Signale beeinträchtigen können. Ferner wird eine effiziente Verwendung der Indikatorkomponente oder -komponenten erreicht, was häufig zu Sensoren mit reduzierten Indikatorkomponentenladungen führt. Darüber hinaus werden diese vorteilhaften Ergebnisse unter Verwendung von Sensoren, Vorrichtungen und Techniken erhalten, die relativ einfach, leicht betrieben und in geeigneter Weise ausgeführt werden.
Als allgemeiner Aspekt weisen die vorliegenden Sensoren ein Sensorelement, eine Anregungsanordnung und eine Detektoranordnung auf. Das Sensorelement weist zwei oder mehr verschiedene Monomerkomponenten auf, von denen wenigstens eine eine Monomerindikatorkomponente ist, wobei jede der Monomerkomponenten vorzugsweise in einem Matrixmaterial, vorzugsweise einem festen Matrixmaterial, angeordnet und besonders vorzugsweise an diesem gebunden ist. Die Monomerindikatorkomponente ist geeignet, als Reaktion darauf, einem ersten Anregungssignal ausgesetzt zu sein, ein erstes Emissionssignal einer gegebenen Wellenlänge zu liefern. Das Sensorelement ist geeignet, als Reaktion darauf, einem zweiten Anregungssignal ausgesetzt, zu sein, ein zweites Emissionssignal zu liefern, das vorzugsweise eine längere Wellenlänge als das erste Emissionssignal aufweist. Vorzugsweise sind das erste Anregungssignal und das zweite Anregungssignal dasselbe Signal. Das zweite Emissionssignal wird durch eine zum Beispiel in dem Sensorelement durch die Monomerindikatorkomponenten gebildete. Exciplex-Komponente hervorgerufen und hängt vorzugsweise von Änderungen des Analyten in dem Medium, dem das Sensorelement ausgesetzt ist, ab, d. h. variiert als Reaktion hierauf. Besonders vorzugsweise hängt das zweite Emissionssignal stärker von der Konzentration des Analyten in dem Medium ab, dem das Sensorelement ausgesetzt ist, als das erste Emissionssignal. Das durch die Exciplex- Komponente erhaltene zweite Emissionssignal wird dynamisch gelöscht oder einer dynamischen Löschung durch den Analyten ausgesetzt. Die Emissionen der Exciplex-Komponente, die dynamisch löschbar sind, werden vorgezogen, da sie zum Beispiel sowohl für Sensorsysteme auf der Grundlage der Intensität als auch für phasenmodulierte Sensorsysteme geeignet sind.
Die Anregungsanordnung ist derart angeordnet und dafür geeignet, daß sie dem Sensorelement ein oder mehrere Anregungssignale liefert. Solche Anregungssignale weisen vorzugsweise jeweils eine Wellenlänge auf, die kürzer als das erste Emissionssignal ist. Die ersten und zweiten Emissionssignale können jeweils im wesentlichen dieselbe Wellenlänge aufweisen.
Die Detektoranordnung ist derart angeordnet und dafür geeignet, daß sie entweder das zweite Emissionssignal des Sensorelements oder das erste Emissionssignal und das zweite Emissionssignal des Sensorelements detektiert.
Die Prozessoranordnung ist vorzugsweise derart angeordnet und dafür geeignet, daß sie entweder das zweite Emissionssignal beim Bestimmen der Konzentration des Analyten in dem Medium oder das erste Emissionssignal bzw. die ersten Emissionssignale und das zweite Emissionssignal beim Bestimmen der Konzentration des Analyten in dem Medium verarbeitet oder analysiert.
Die Verwendung des von dem Exciplex gelieferten zweiten Emissionssignal als wenigstens ein Teil der Grundlage der Bestimmung der Konzentration des Analyten in dem Medium bietet wesentliche Vorteile. Dieses zweite Emissionssignal ist verschieden und unterschiedlich von dem durch die Monomerindikatorkomponente gelieferten ersten Emissionssignal. Dieses zweite Emissionssignal weist vorzugsweise eine relativ lange Wellenlänge auf und ist somit weiter von dem Anregungssignal oder den Anregungssignalen verschoben (rotverschoben) als das erste Emissionssignal. Somit besteht ein geringeres Risiko, das zweite Emissionssignal (zum Beispiel aufgrund von Interferenzen von dem Anregungssignal oder den Anregungssignalen) fehlzuinterpretieren, als bei dem ersten Emissionssignal mit relativ kürzerer Wellenlänge. Die Verwendung einer Exciplex- Komponente für eine längere Wellenlänge lieferte zweite Emissionssignale, die für den Analyten empfindlicher sind als das erste Emissionssignal bzw. die ersten Emissionssignale, die durch die Monomerindikatorkomponente erzeugt wurden, führt zu einer verstärkten Effizienz der Verwendung des Indikators. D. h., die Anwesenheit eines derartigen analytempfindlichen zweiten Emissionssignals einer längeren Wellenlänge bedeutet, daß die Bildung der Exciplex-Komponente vorteilhafterweise kinetisch bevorzugt ist, so daß relativ weniger der Monomerindikatorkomponente zum Bilden derselben Menge Exciplex-Komponente (im Vergleich zu einem System, das analytempfindlichere Emissionen kürzerer Wellenlängen verwendet) erforderlich ist. Somit kann die Menge der Monomerindikatorkomponente reduziert werden, und/oder es kann sogar die Größe des Sensors unter Verwendung der von der Exciplex-Komponente gelieferten bevorzugten, für den Analyten empfindlichen Emissionssignale mit längerer Wellenlänge der vorliegenden Erfindung reduziert werden. Die Verwendung des von der Exciplex-Komponente gelieferten zweiten Emissionssignals führt zu genauen, zuverlässigen, reproduzierbaren und effizienten Bestimmungen der Konzentration des Analyten in dem Medium.
Eine besonders geeignete Ausführungsform weist ein Sensorelement auf, das als Reaktion darauf, daß es einem intensitätsmodulierten, vorzugsweise sinuswellenmodulierten zweiten Anregungssignal ausgesetzt ist, ein intensitätsmoduliertes, vorzugsweise sinuswellenmoduliertes zweites Emissionssignal liefert. Dieses modulierte zweite Emissionssignal wird durch eine in dem Sensorelement erzeugte Exciplex-Komponente geliefert. Die Prozessoranordnung ist derart angeordnet und dafür geeignet, daß sie beim Bestimmen der Konzentration des Analyten in dem Medium das modulierte zweite Emissionssignal und das modulierte zweite Anregungssignal analysiert. Das Ausmaß der Phasenverschiebung und/oder die Größe der relativen Demodulation zwischen dem modulierten zweiten Anregungssignal und dem modulierten zweiten Emissionssignal hängen von der Konzentration des Analyten in dem Medium ab. Wie der Begriff "relative Demo dulation" hier verwendet wird, betrifft er den Demodulationsfaktor für das modulierte Emissionssignal im Verhältnis zu dem modulierten Anregungssignal, das zu dem modulierten Emissionssignal führt. In diesem Fall ist speziell die relative Demodulation der Demodulationsfaktor für das modulierte zweite Emissionssignal relativ zu dem modulierten zweiten Anregungssignal. Die Verwendung des durch die Exciplex-Komponente gelieferten modulierten zweiten Emissionssignals als Grundlage für Bestimmungen der Konzentration des Analyten bietet wesentliche Vorteile, zum Beispiel in Hinsicht auf die sehr gute genaue Bestimmung der Konzentration des Analyten. Die modulierten Signale, auf die hier Bezug genommen wird, können im MHz- Bereich moduliert werden, und sind nicht, wie in der oben erwähnten europäischen Patentveröffentlichung beschrieben, auf den kHz-Bereich beschränkt. Die Verwendung des Ausmaßes der Phasenverschiebung und/oder der Größenordnung der relativen Demodulation, wie sie hier beschrieben ist, kann mit mehreren Modulationsfrequenzen zum Bestimmen der Konzentration eines Analyten verwendet werden und liegt innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung.
Bei einer Ausführungsform ist die Prozessoranordnung dafür geeignet, das Verhältnis des zweiten Emissionssignals zu dem ersten Emissionssignal (oder umgekehrt) zu bestimmen. Ein derartiges Signalverhältnis hängt selbst vorzugsweise von der Konzentration des Analyten in dem Medium ab. Das erste Emissionssignal oder die ersten Emissionssignale können ebenfalls von der Konzentration des Analyten in dem Medium abhängen.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind das erste Emissionssignal und das zweite Emissionssignal intensitätsmoduliert, vorzugsweise sinuswellenmoduliert, und die Prozessoranordnung ist dafür geeignet, wenigstens entweder das Ausmaß der Phasenverschiebung oder das Verhältnis der Demodulationsfaktoren des modulierten ersten Emissionssignals und des modulierten zweiten Emissionssignals zu bestimmen. Das Ausmaß dieser Verschiebung und/oder dieses Verhältnisses hängt/hängen von der Konzentration des Analyten in dem Medium ab.
Die Verwendung eines derartigen Signalverhältnisses oder sowohl des modulierten ersten Emissionssignals als auch des modulierten zweiten Emissionssignals beim Bestimmen der Konzentration des Analyten reduziert oder eliminiert sogar weitgehend den negativen Effekt auf die Genauigkeit der Bestimmung der Konzentration, der zum Beispiel durch Störung der Signale zum Beispiel durch gebogene optische Fasern verursacht wird. Ein bestimmter Vorteil des Systems zum Bilden von Exciplex- Komponenten gegenüber Systemen mit interner Referenz mit einem separaten zweiten Indikatorfarbstoff ist es, daß die analytempfindliche Emission und die Referenzemission unter Verwendung einer einzigen Anregungswellenlänge gut voneinander gelöst werden können. Ferner können das Intensitätsverhältnis- oder das Phasendifferenz- oder das Demodulationsfaktorverhältnisverfahren lineare Stern-Volmer-Kalibrierungsflanken liefern.
Die Verwendung modulierter Signale, wie sie hier beschrieben ist, ist unabhängig von der Intensität. D. h., ein analytempfindliches Ausmaß der Verschiebung bei den modulierten Signalen ist unabhängig von der Intensität der verwendeten Signale verwendbar. Die Verwendung derartiger modulierter Signale bewirkt sehr zuverlässige und reproduzierbare Bestimmungen der Konzentration eines Analyten.
Für die hier beschriebenen speziellen Ausführungsformen können die Anregungsanordnung, die Detektoranordnung und die Prozessoranordnung aus herkömmlichen Vorrichtungen ausgewählt sein, die technisch gut bekannt sind.
In einem weiteren allgemeinen Aspekt umfaßt die Erfindung Verfahren zum Erfassen der Konzentration, zum Beispiel des Partialdrucks, eines Analyten, zum Beispiel Sauerstoff oder eine andere normalerweise gasförmige Komponente, in einem Medium wie etwa Blut oder einem andern wäßrigen, zum Beispiel flüssig wäßrigen Medium. Diese Verfahren umfassen: Aussetzen eines Sensorelements, wie hier beschrieben, dem Medium; Bewirken, daß das Sensorelement ein von einer zweiten Exciplex- Komponente geliefertes Emissionssignal oder ein von einer ersten Monomerindikatorkomponente geliefertes Signal und ein von einer zweiten Exciplex-Komponente geliefertes Emissionssignal liefert, wie hier beschrieben; und Analysieren des zweiten Emissionssignals oder des ersten Emissionssignale und des zweiten Emissionssignals beim Bestimmen der Konzentration des Analyten in dem Medium. Das Anregungssignal oder die Anregungssignale können bei diesen Verfahren ebenfalls analysiert werden.
Noch ein weiterer allgemeiner Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Vorsehen von Zusammensetzungen, zum Beispiel Sensorelementen, die zum Messen der Konzentration des Analyten in einem Medium geeignet sind. Bei einer Ausführungsform weisen die Zusammensetzungen effektive Mengen von zwei oder mehr Monomerkomponenten auf, die vorzugsweise kovalent miteinander verbunden oder gekoppelt sind, von denen wenigstens eine eine Monomerindikatorkomponente ist. Die Zusammensetzungen können ein Matrixmaterial, vorzugsweise ein festes Matrixmaterial aufweisen, das für den Analyten in dem Medium durchlässig ist. Die Monomerkomponenten können bei dem Matrixmaterial, zum Beispiel darin und/oder daran, vorzugsweise darin, vorgesehen sein. Die Monomerindikatorkomponente ist geeignet, ein erstes Emissionssignal auf einer ersten Wellenlänge als Reaktion darauf, das sie einem ersten Anregungssignal ausgesetzt ist, zu liefern. Bei einer besonders vorzugsweisen Ausführungsform sind die Monomerkomponenten kovalent miteinander anders als über das Matrixmaterial verbunden. Die kovalente Bindung zwischen den Monomerkomponenten besteht vorzugsweise in einer Verbindung, die das geeignete Exciplex-bildende Zusammenwirken zwischen den Monomerkomponenten ermöglicht. Die Zusammensetzung ist geeignet, als Reaktion darauf, daß sie dem zweiten Anregungssignal ausgesetzt ist, ein zweites Emissionssignal zu liefern. Dieses zweite Emissionssignal wird durch eine Exciplex-Komponente geliefert, die aus den Monomerkomponenten gebildet wurden. Das zweite Emissionssignal hängt von der Konzentration des Analyten in dem Medium ab. Dieses zweite Emissionssignal ist vorzugsweise durch den Analyten in dem Medium dynamisch löschbar.
Das erste Emissionssignal hängt vorzugsweise auch von der Konzentration des Analyten in dem Medium ab. Vorzugsweise hängt das zweite Emissionssignal von der Konzentration des Analyten in dem Medium zu einem größeren Ausmaß ab als das erste Emissionssignal und das zweite Emissionssignal. Die Monomerkomponenten sind vorzugsweise kovalent an dem festen Matrixmaterial gebunden. Bei einer besonders geeigneten Ausführungsform ist das feste Matrixmaterial ein Polymer auf Silikonbasis. Ein besonderes Beispiel derartiger Zusammensetzungen umfaßt die Systeme, bei denen die Monomerkomponenten kovalent miteinander so verbunden sind, daß sie das Erzeugen der gewünschten Exciplex-Komponente erleichtern. Bei einer besonders geeigneten Ausführungsform liegt die Anzahl der Atome, zum Beispiel Kohlenstoffatome, bei der die Monomerkomponenten miteinander verbindenden Kette im Bereich von etwa 1 bis etwa 20, besonders vorzugsweise von etwa 2 bis etwa 7.
Die durch die vorliegende Exciplex-Komponente emittierten Signale hängen vorzugsweise von der Konzentration des Analyten in dem Medium ab, besonders vorzugsweise zu einem größeren Ausmaß als das andere Signal oder die anderen Signale von irgendeinem gegebenen Sensor der vorliegenden Erfindung. Solche von einer Exciplex-Komponente gelieferten Signale sind vorzugsweise durch den Analyten in dem Medium dynamisch löschbar. Das andere emittierte Signal oder die anderen emittierten Signale von irgendeinem gegebenen Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung können ebenfalls durch den Analyten in dem Medium dynamisch löschbar sein. Bei einer Ausführungsform ergeben sich das Signal oder die Signale, die von dem Sensorelement emittiert werden, vorzugsweise durch das Fluoreszieren des Sensorelements. Bei dieser Ausführungsform ist die Stern- Volmer-Löschkonstante des durch die Exciplex-Komponente gelieferten Emissionssignals vorzugsweise höher als die des anderen Emissionssignals oder der anderen Emissionssignale.
Die Sensoren, Verfahren und Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung sind für Anwendungen geeignet, bei denen der Analyt kein dynamisches Löschungsmittel des Emissionssignals oder der Emissionssignale ist, aber bei denen statt dessen bewirkt werden kann, daß die Analytkonzentration die Konzentration einer Botschaftsspezies beeinträchtigt, die geeignet ist, das Emissionssignal oder die Emissionssignale dynamisch zu löschen. Es ist zum Beispiel technisch gut bekannt, daß Enzymreaktionen, die die Erzeugung oder den Verbrauch von Sauerstoff in Abhängigkeit von Glucose, Adenosintriphosphat (ATP) oder Cholesterin umfassen, es Sauerstoffoptroden ermöglicht, als Transducer zur Detektion dieser Analyten zu dienen.
Obwohl die Monomerkomponenten physisch in ein Matrixmaterial des Sensorelements gemischt oder darin dispergiert sein können, wird vorgezogen, daß, die Monomerkomponenten kovalent an dem Matrixmaterial gebunden sind. Derartige Monomerkomponenten können zum Beispiel kovalent mit dem Polymermaterial verbunden und daher ein integraler Bestandteil hiervon sein, wobei das Polymermaterial vorzugsweise in dem Matrixmaterial vorgesehen ist. Obwohl eine Monomerindikatorkomponente Teil eines Polymermoleküls sein kann, das mehr als einen Anteil der Monomerkomponente aufweist, wird eine derartige Komponente weiterhin als monomer betrachtet. Eine Monomerindikatorkomponente, die Teil eines Polymermoleküls ist, das mehr als einen Monomerindikatorkomponentenanteil aufweist, wird zum Beispiel nach wie vor als monomer betrachtet, da es geeignet ist, ein Emissionssignal zu liefern, das für die grundlegende Indikatorverbindung (Monomer), aus der sie erhalten wird, charakteristisch ist. Im Gegensatz dazu hat das Emissionssignal, das durch die Exciplex-Komponente geliefert wird, die aus den Anteilen der Monomerindikatorkomponenten und der monomeren Nichtindikatorkomponenten erzeugt werden, zum Beispiel an demselben Polymermolekül und/oder an verschiedenen Polymermolekülen, eine unterschiedliche Charakteristik als die Emissionssignale von der Monomerindikatorkomponente.
Die Exciplex-Komponente wird vorzugsweise erzeugt, wenn ein Anregungssignal an das Sensorelement geliefert wird. Es wird angenommen, daß die Exciplex-Komponente in Abwesenheit des Anregungssignals inaktiv ist und/oder nicht erzeugt wird.
In vielen Fällen werden die kovalent gebundenen Monomerkomponenten jeweils aus einer Verbindung oder Substanz erhalten, die selbst nicht geeignet ist, kovalent an dem Matrixmaterial gebunden zu werden. In diesen Fällen kann es notwendig sein, derartige Verbindungen zu derivatisieren oder zu funktionalisieren und einen Vorläufer der Monomerkomponente zu erzeugen. Dies wird durch chemische Modifikation der Verbindung durchgeführt, die wenigstens eine Gruppe mit einem funktionalen Teil aufweist, vorzugsweise eine funktionale Mehrfachbindung, wobei der funktionale Teil geeignet ist, chemisch mit dem Matrixma terial oder Vorläufer des Matrixmaterials zu reagieren, um die Monomerkomponente kovalent daran zu binden. Wenn natürlich die Basisverbindung, aus der die Monomerkomponente erhalten werden, geeignet ist, kovalent an dem Matrixmaterial oder dem Vorläufer des Matrixmaterials gebunden zu werden, ist es nicht erforderlich, eine derartige Verbindung weiter zu derivatisieren oder funktionalisieren.
Das Funktionalisieren derartiger nicht kovalent bindbarer Verbindungen ist dargestellt, indem ein Matrixmaterial mit einem Polymer auf Silikonbasis und Monomerverbindungen ausgewählt ist, die nicht mit dem Matrixmaterial oder dem Vorläufer des Matrixmaterials reagieren. Derartige Verbindungen können nicht mit derartigen Polymeren auf Silikonbasis oder deren Vorläufern reagieren. Diese Verbindungen können jedoch derart reagieren, daß sie Anlagerungsgruppen mit einem funktionalen Teil bilden, wie in geeigneter Weise angeordneten Alkenyl-Gruppen, substituierten Alkenyl-Gruppen und ähnliches, die geeignet sind, mit Polymeren auf Silikongrundlage und/oder deren Vorläufern, wie etwa Polymethylhydrosiloxanen, zu reagieren und sich mit diesen zu verbinden. Wenn insbesondere das Polymer auf Silikonbasis durch Additionsaushärten erhalten werden soll, wird es vorgezogen, die Monomerverbindung zu funktionalisieren oder zu derivatisieren, um eine oder mehrere Alkenyl- Gruppen und/oder substituierte Alkenyl-Gruppen damit zu verbinden. Derartige Gruppen sind geeignet, zum Beispiel mit einem Polymethylhydrosiloxan hydrosilyliert zu werden, um die Monomerindikatorkomponente an dem Vorläufer des Polymers auf Silikonbasis kovalent zu binden. Die entstandenen Vorläufer oder Verbindungen können mit Polysiloxan mit endständigem Vinyl reagieren, wobei ein additionsausgehärtetes Silikon mit den Monomerkomponenten gebildet wird.
Jede Art von Gruppe kann an den Monomerverbindungen angelagert sein, vorausgesetzt, daß eine derartige Gruppe einen funktionalen Teil aufweist, vorzugsweise eine Mehrfachbindung, besonders vorzugsweise eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Mehrfachbindung und höchst vorzugsweise eine Kohlenstoff-Kohlenstoff- Doppelbindung, die geeignet ist, zum Bilden der kovalent gebundenen Monomerindikatorkomponente chemisch mit einem Polymer oder dem Vorläufer eines Polymers zu reagieren. Die Gruppe sollte auch im wesentlichen keinen ungeeigneten negativen Effekt auf die Analytempfindlichkeit des durch die Exciplex- Komponente gelieferten Emissionssignals, auf das andere Emissionssignal oder die anderen Emissionssignale, die zur Bestimmung der Konzentration des Analyten verwendet werden, oder auf das Medium, dem das Sensorelement ausgesetzt ist, aufweisen. Vorzugsweise ist die Gruppe organischer Natur. Besonders attraktive Vorteile werden erhalten, wenn die Monomerindikatorkomponente aus einem Vorläufer einer Monomerindikatorkomponente erhalten wird, der wenigstens eine Indikatorverbindung oder -substanz aufweist, die einen aromatischen Ring aufweist, an dem direkt von dem aromatischen Ring kovalent eine Gruppe mit einer funktionalen Mehrfachbindung gebunden ist, die durch eine siliciumfreie Kette (d. h. eine Kette aus Atomen, die den aromatischen Ring mit der funktionalen, keine Siliciumatome aufweisenden Mehrfachbindung verbindet), besonders vorzugsweise eine Kette, die lediglich Kohlenstoffatome verbindet, isoliert ist. Derartige Vorläufer von Indikatorkomponenten sind relativ einfach herzustellen und zu verwenden und weisen Sensorelemente mit sehr geeigneten Eigenschaften auf. Bei einer weiteren besonders geeigneten Ausführungsform ist die Gruppe eine direkt an einem aromatischen Ring der Indikatorverbindung gebundene Vinylgruppe.
Wie oben erwähnt umfassen besonders geeignete Gruppen Alkenylgruppen, substituierte Alkenylgruppen und ähnliches. Derartige Gruppen und substituierte Gruppen weisen vorzugsweise 2 bis etwa 20 Kohlenstoffatome auf und können eine endständige Doppelbindung aufweisen, d. h. eine dem endständigen Kohlenstoffatom zugeordnete Doppelbindung. Beispiele geeigneter Gruppen umfassen Vinyl, Allyl, Butenyl, Hexenyl, Heptenyl, Octenyl, Decenyl und ähnliche Gruppen. Die gegenwärtig geeigneten substituierten Alkenylgruppen umfassen die hier beschriebenen Gruppen, die durch eine oder mehrere Substituentengruppen substituiert sind, einschließlich Elementen wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, Wasserstoff, Silicium, Halogen, Phosphor und ähnlichem und Mischungen und Kombinationen hieraus. Somit kann die angelagerte Gruppe wenigstens ein Heteroatom aufweisen.
Verschiedene chemische Modifikationstechniken, von denen viele herkömmlich und technisch gut bekannt sind, können verwendet werden, um die Indikatorverbindung mit der Gruppe oder den Gruppen zum Erzeugen des Vorläufers der Monomerkomponente zu funktionalisieren oder zu derivatisieren. Es sollte vorsichtig vorgegangen werden, um zu verhindern, daß die Analytempfindlichkeit (z. B. gegenüber dem interessierenden Gasbestandteil) und die Unempfindlichkeit des gegenwärtig geeigneten Emissionssignals oder der gegenwärtig geeigneten Emissionssignale in dem Vorgang des Anlagerns einer oder mehrerer Gruppen aufgehoben oder auch nur wesentlich verringert wird. Es wurde jedoch festgestellt, daß eine ausreichende Empfindlichkeit beibehalten wird, wenn die charakteristische Struktur nach der chemischen Modifikation der Monomerverbindung oder -verbindungen im wesentlichen unbeeinträchtigt, d. h. intakt bleibt.
Bei einer besonders geeigneten Ausführungsform ist die Verbindung, von der die Monomerindikatorkomponente abgeleitet ist, für die Sauerstoffkonzentration empfindlich und weist eine oder mehrere polynukleare Verbindungen und/oder ein oder meh rere Derivate hiervon auf. Die polynukleare aromatische Verbindung ist vorzugsweise irgendein fluoreszierender oder absorbierender, besonders vorzugsweise ein fluoreszierender optischer Indikator der polynuklearen aromatischen Klasse. Die polynukleare aromatische Verbindung, von der die Monomerindikatorkomponente abgeleitet ist, ist höchst vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt, die Perylen, Perylenderivate, Decacyclen, Decacyclenderivate, Benzoperylen, zum Beispiel Benzo[ghi]perylen, Benzoperylenderivate, zum Beispiel Benzo[ghi]perylenderivate, Coronen, Coronenderivate, Pyren, Pyrenderivate, Porphycin, Porphycinderivate, Porphyrin, Porphyrinderivate, Chlorin, Chlorinderivate, Phthalocyanin, Phthalocyaninderivate und Mischungen hieraus umfaßt. Hervorragende Ergebnisse werden erreicht, wenn die eine polynukleare aromatische Verbindung Benzo[ghi]perylen ist.
Wenn erwünscht, kann die grundlegende polynukleare aromatische Verbindung mit einer oder mehreren anderen Gruppen derivatisiert werden, z. B. nichtfunktionalen Substituentengruppen wie etwa Alkylgruppen, vorausgesetzt, daß derartige Derivatisierungen nicht wesentlich die durch die Exciplex-Komponente vorgesehene Emissionssignalerzeugung beeinträchtigen. Derartige Derivate werden in US-A-4,849,172 beschrieben, das hiermit durch Bezug als Ganzes hierin enthalten ist. Ein Ziel der Verwendung derartiger Derivate ist es, die Löslichkeit des Indikatorstoffes in dem Matrixmaterial zu verstärken. Das hier beschriebene Merkmal einer "kovalenten Bindung" mildert diese Löslichkeitsbeschränkung ab. Somit. können die grundlegenden oder nicht derivatisierten polynuklearen aromatischen Verbindungen, wie sie z. B. hier beschrieben sind, vorteilhafterweise zum Erzeugen der kovalent gebundenen Monomerkomponente oder -komponenten verwendet werden. Wenn eine oder mehrere der kovalent gebundenen Monomerkomponenten von einer polynuklearen aromatischen Verbindung (oder sogar einer nicht derivatisier ten polynuklearen aromatischen Verbindung) abgeleitet ist, wird sie hier als ein Derivat einer polynuklearen aromatischen Verbindung betrachtet, da die polynukleare aromatische Verbindung wenigstens einen Teil der oben genannten angelagerten Gruppe aufweisen kann und derivatisiert wird, indem sie kovalent an dem Matrixmaterial gebunden wird. So wird beschrieben, daß zum Beispiel die Monomerindikatorkomponente eines durch kovalentes Binden von Vinylbenzo[ghi]perylen zusätzlich zu ausgehärtetem Silikonpolymer erhaltenen Sensorelements ein Benzo[ghi]perylenderivat ist.
Die für die vorliegende Erfindung geeigneten Monomerkomponenten können aus jeder Verbindung oder deren Derivaten ausgewählt sein, die geeignet ist, wie hier beschrieben als Monomerkomponente zu funktionieren. Die für einen gegebenen Sensor geeigneten Monomerkomponenten können zwei oder mehr verschiedene Monomerindikatorkomponenten oder eine oder mehrere, vorzugsweise eine, Monomerindikatorkomponenten und eine oder mehrere, vorzugsweise eine, monomere Nichtindikatorkomponenten aufweisen. Vorzugsweise haben derartige Monomerkomponenten keinen negativen Effekt auf das Sensorelement, auf das Sensorsystem, auf den Analyten oder auf das Medium, dem das Sensorelement ausgesetzt ist.
Beispiele von Monomerkomponenten, die geeignete Donator- Akzeptor-(DA)-Exciplex-Komponenten bilden, umfassen polynukleare aromatische monomere Akzeptorkomponenten und aliphatische oder aromatische aminhaltige oder aromatische etherhaltige monomere Donatorkomponenten. Beispiele geeigneter aromatischer monomerer Akzeptorkomponenten umfassen Biphenyl, Naphthalen, Phenanthren, p-Terphenyl, Chrysen, Benzpyren, Pyren, Dibenzanthren, Benzanthren, Anthracen, Perylen, Benzperylen, Fluoranthen, Coronen, Chinolin, Phenylchinolin, Benzchinolin, Chinoxalin, Dibenzchinoxalin, Benzchinoxalin, Phthalimid, Py ridin, Phenazin, Dibenzphenzin, Acridin, Benzacridin und Derivate dieser Verbindungen. Beispiele geeigneter monomerer Donatorkomponenten umfassen Tetramethyl-p-Phenylendiamin, Dimethoxydimehthylanilin, Methoxydimehthylanilin, Diethylanilin, Diphenylmethylamin, Triethylamin, Indol, Dimethyltoluidin, Trip-Anisylamin, Ditolymethylamin, Tritolylamin, Triphenylamin, Ethylcarbazol, Trimethoxybenzol, Tetramethoxybenzol und Derivate dieser Verbindungen.
Beispiele von Monomerverbindungen, die geeignete Akzeptor- Donator-(AD)-Exciplex-Komponenten bilden, umfassen aromatische monomere Nitril-Akzeptor-Komponenten und Donatoren aus der Liste polynuklearer aromatischer monomerer Akzeptorkomponenten oder aus der Liste der in dem vorhergehenden Absatz aufgeführten DA-Donatoren. Beispiele aromatischer monomerer Nitril- Akzeptor-Komponenten umfassen, Benzonitril, Cyanonaphthalen, Dicyanobenzol und Derivate dieser Verbindungen.
Jedes dieser DA- oder AD-Paare kann mit dem Matrixmaterial kovalent verbunden oder gekoppelt sein. Als Alternative können frei diffundierende DA- oder AD-Paare oder ihre gebundenen Derivate für Sensoranwendungen in freier Lösung verwendet werden.
Vorzugsweise ist die Monomerkomponenten, die die Exciplex- Komponente der vorliegenden Sensorelemente erzeugt, so angeordnet oder ausgerichtet, daß sie die Bildung der Exciplex- Komponente erleichtert. So kann gesagt werden, daß diese Monomerkomponenten sich in Zwangsassoziation befinden. Mit "Zwangsassoziation" ist gemeint, daß die Monomerkomponenten unter physischem und/oder molekularem Zwang angeordnet oder ausgerichtet sind, um die Bildung und/oder Aufrechterhaltung eines Kanals oder Weges für Exciplex-Komponenten zu fördern oder zu erleichtern, der (a) relativ zur freien Diffusion ki netisch dominant und/oder (b) mit dem Zerfall der Exciplex- Komponente in Abwesenheit des Analyten kinetisch kompetitiv ist. Eine Zwangsassoziation erleichtert die Entwicklung von Sensoren auf der Grundlage vieler verschiedener Monomerkomponenten, die möglicherweise andernfalls als freie Monomerkomponenten keine geeigneten Exciplex-Komponenten in ausreichenden Konzentrationen bilden können. Eine Zwangsassoziation sieht relativ langlebige Exciplex-Komponenten mit annehmbaren Stern- Volmer-Flanken in Fällen vor, in denen die Monomerindikatorkomponenten zu kurzlebig sind, um geeignet zu sein. Eine Zwangsassoziation kann eine kinetische Heterogenität für die Exciplex-Komponenten-Dissoziation minimieren und so reproduzierbarere Stern-Volmer-Flanken auf der Grundlage des Verhältnisses der Exciplex-Komponente zu der Monomerindikatorkomponente oder der Phasenverschiebungsdifferenz oder dem Demodulationsfaktorverhältnis oder ausschließlich aufgrund der Emission der Exciplex-Komponente vorsehen.
Eine Zwangsassoziation kann auf verschiedene Arten erreicht werden, zum Beispiel durch:
1. Eine in einem Matrixmaterial dispergierte Moleküle bildende intramolekulare Exciplex-Komponente.
2. Eine kovalent an einem Matrixmaterial angelagerte Moleküle bildende intramolekulare Exciplex-Komponente.
3. In einem Matrixmaterial dispergierte oder kovalent daran angelagerte oder, vorzugsweise bei hohen Beladungen, an der Oberfläche eines Matrixmaterials adsorbierte Monomerkomponentaggregate.
4. Eine kovalent an der Oberfläche eines Matrixmaterials angelagerte, adsorbierte oder auf andere Weise angelagerte Moleküle bildende intramolekulare Exciplex-Komponente.
5. Eine Einschlußverbindung mit dem Akzeptor (Donator) in einem Supramolekül mit einem zugeordneten Donator (Akzeptor).
6. Eine ionische Bindung ionisch geladener Monomerkomponenten.
Eine besonders geeignete Ausführungsform weist zwei oder mehr verschiedene Monomerkomponenten auf, von denen wenigstens eine eine Monomerindikatorkomponente ist, wobei die Komponenten vorzugsweise kovalent miteinander verbunden sind. Die Monomerindikatorkomponente ist geeignet, als Reaktion auf eine Anregung ein Signal zu emittieren. Diese Monomerkomponenten sind geeignet, eine Exciplex-Komponente zu bilden. Durch kovalentes Verbinden oder Verketten der beiden Komponenten werden die Monomerkomponenten derart angeordnet, daß sie einen verstärkten Zugriff aufeinander zur Bildung eines Exciplexes aufweisen. Die kovalente Bindung zwischen den beiden Komponenten ist vorzugsweise so, daß die Bildung einer Exciplex-Komponente aus den beiden kovalent verbundenen Komponenten erleichtert wird. Eine solche kovalente Bindung weist vorzugsweise etwa 1 bis etwa 20, besonders vorzugsweise etwa 2 bis etwa 7 Atome, zum Beispiel Kohlenstoffatome, in der Kette zwischen den beiden Komponenten auf.
Die Monomerkomponenten sind, wie oben beschrieben, vorzugsweise kovalent mit dem festen Matrixmaterial verbunden.
Die kovalente Bindung zwischen den Monomerkomponenten kann einen funktionalen Teil aufweisen, der es den Monomerkomponenten ermöglicht, über eine einzige kovalente Bindung an dem festen Matrixmaterial kovalent gebunden zu sein. Die Verwendung kom binierter Monomerkomponenten, wie etwa den oben beschriebenen kovalent gebundenen oder verketteten kombinierten Monomerkomponenten, sieht reproduzierbare und zuverlässige Bestimmungen der Konzentration des Analyten in dem Medium durch Erzeugen reproduzierbarer Betriebskurven vor, die von der Konzentration kombinierter Monomerkomponenten über eine große Konzentrationsbandbreite unabhängig sind.
Die Menge der Monomerkomponenten, die bei den vorliegenden Systemen verwendet werden, kann über eine große Bandbreite variieren und hängt zum Beispiel von den bestimmten verwendeten Komponenten, dem verwendeten Matrixmaterial, der vorgesehenen Sensoranwendung und ähnlichem ab. Eine derartige Menge sollte bei der Erzeugung der gewünschten Exciplex-Komponente effektiv sein und das gewünschte Signal oder die gewünschten Signale hervorrufen. Zum Beispiel kann die Menge der Monomerkomponenten im Bereich von etwa 0,0001% oder etwa 0,001% bis etwa 10% oder etwa 20% oder mehr liegen, und zwar was das im Hinblick auf das Gesamtgewicht des Sensorelements berechnete Gewicht betrifft. In vielen Fällen liefern Konzentrationen von weniger als 5% oder etwa 1% oder weniger, was das im Hinblick auf das Gesamtgewicht des Sensorelements berechnete Gewicht betrifft, hervorragende Ergebnisse. Es sollte zum Beispiel vorsichtig vorgegangen werden, wenn es erwünscht ist (wie vorgezogen), eine Zwangsassoziation zu erreichen, um Bedingungen zu vermeiden, die zu erweiterten Aggregaten oder einer erweiterten Aggregation derartiger Komponenten führen, die ein zusätzliches Löschen der Emission der Exciplex-Komponente (unabhängig von der Konzentration des Analyten) und/oder eine Reduktion der Analytempfindlichkeit der Exciplex-Komponente bei der Emission bewirken.
Es kann jedes geeignete Matrixmaterial verwendet werden, vorzugsweise ein polymeres Matrixmaterial, vorausgesetzt, daß es wie hier beschrieben funktioniert. Besonders geeignete polymere Matrixmaterialien umfassen additionsausgehärtete Silikonpolymere. Das Matrixmaterial oder dessen Vorläufer sollte vorzugsweise so vorgesehen sein, daß es mit den Vorläufern der Monomerkomponenten chemisch reagiert und ein Sensorelement mit kovalent gebundenen Monomerkomponenten erzeugt.
Obwohl verschiedene Polymere als Matrixmaterial verwendet werden können, wird vorgezogen, daß das Matrixmaterial gegenüber dem interessierenden Analyten, zum Beispiel einer normalerweise gasförmigen Komponente, durchlässig, vorzugsweise hochgradig durchlässig ist, so daß die Empfindlichkeit des Sensorelements gegenüber dem interessierenden Analyten optimiert wird. Wenn ein Polymer auf Silikonbasis in dem Matrixmaterial verwendet wird, kann er aus Polysiloxanen mit endständigem Vinyl und Polyalkyl(aryl)hydrosiloxanen erhaltene Polymere aufweisen. Derartige Polyalkyl(aryl)hydrosiloxane umfassen diejenigen, die die folgende Formel aufweisen:
sind jedoch nicht auf diese beschränkt, wobei x und y jeweils unabhängig eine ganze Zahl im Bereich von 1 bis etwa 500 ist und R unabhängig aus der Gruppe ausgewählt ist, die H, Alkyl und substituiertes Alkyl, vorzugsweise CH&sub3;, CH&sub2;CH&sub2;CF&sub3;, CH&sub2;(CH&sub2;)nCH&sub3; und Phenyl aufweist, wobei n eine ganze Zahl im Bereich von 1 bis etwa 22 ist. Von dieser Gruppe werden Polymere, bei denen ein großer Teil der R-Gruppen Methyl sind, aufgrund der hohen Gasdurchlässigkeit derartiger Polymere vorgezogen. Eine ausreichende Anzahl von Hydridgruppen sollte vorhanden sein, um ein zufriedenstellendes vernetztes oder ausge härtetes Polymer vorzusehen und vorzugsweise mit dem Vorläufer der Monomerkomponenten zu reagieren, um die Monomerkomponente kovalent mit dem Matrixmaterial zu verbinden. Es wird natürlich festgestellt, daß auch andere Elemente der homologen Reihe verwendet werden können, die die oben genannten Polymere umfaßt. Das endgültige Matrixmaterial auf Silikonbasis ist vernetzt. Geeignete Polysiloxane mit endständigem Vinyl weisen zwei oder mehr funktionale Vinylgruppen auf, die mit den Hydrid- oder Hydrogruppen der Polyalkyl(aryl)hydrosiloxarie, zum Beispiel Polymethylhydrosiloxane, zum Bilden des vernetzten Matrixmaterials reagieren. Eine derartige Vernetzung tritt vorzugsweise unter Anwesenheit eines Katalysators auf, etwa eines Platin enthaltenden Katalysators. Die Eigenschaften des vernetzten Silikons können variiert werden, indem der Grad der Vernetzung verändert wird, zum Beispiel, indem die Konzentration der Si-H-Gruppen oder -Komponente an den Polyalkyl(aryl)hydrosiloxanen, zum Beispiel Polymethylhydrosiloxanen, und/oder das Molekülgewicht der Polysiloxane mit endständigem Vinyl angepaßt wird.
Die Vorläufer der für die vorliegende Erfindung geeigneten Monomerkomponenten können unter Verwendung von Synthesevorgängen wie der Bildung von Aldehyden, Wittig-Reaktionen zum Darstellen von Vinylderivaten und ähnlichem erhalten werden. Die so erhaltenen Vorläufer der Monomerkomponenten können in einem Polymer auf Silikonbasis, wie etwa Polymethylhydrosiloxan, in einem flüchtigen Lösungsmittel wie etwa Benzol, Hexan und ähnlichem dispergiert werden, und es ist ihnen möglich, derart zu reagieren, daß sie die Monomerkomponenten an dem Polymer auf Silikonbasis kovalent anbinden. Das Polymer auf Silikonbasis mit den chemisch angelagerten Indikatorkomponenten reagiert dann zum Beispiel unter Verwendung eines herkömmlichen Additionsaushärtens zum Bilden des Sensorelements.
Ein alternatives und weniger wünschenswertes Verfahren zum Erzeugen des vorliegenden Sensorelements umfaßt es, die Vorläufer der Monomerkomponenten mit dem Polysiloxan mit endständigem Vinyl und irgendeinem verwendbaren Katalysator, z. B. einem Metall der Platingruppe, zu kombinieren, vorzugsweise in einem inerten Lösungsmittel, um das Auflösen der oben genannten Vorläufer zu fördern. Diese Kombination wird dann mit Polymethylhydrosiloxan unter Bedingungen gemischt, die beim kovalenten Verbinden der Monomerkomponenten mit dem Matrixmaterial und beim Bilden des vorliegenden Sensorelements effektiv sind.
Diese und andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden detaillierten Beschreibung und den Ansprüchen dargelegt, insbesondere, wenn diese zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen in Betracht gezogen werden.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 zeigt einen Sensor 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 10 ist geeignet, die Konzentration oder den Partialdruck von Sauerstoff in Blut zu messen. Eine optische Faser 12 ist mit einer geeigneten Lichtübertragungsvorrichtung 14 verbunden, die geeignet ist, Licht mit 285 Nanometern zu übertragen. Die Lichtübertragungsvorrichtung 14 erzeugt das Anregungslicht mit dieser Wellenlänge. Die optische Faser 12 ist auch mit einer Lichtempfangsvorrichtung 16 verbunden, die wiederum mit einem herkömmlichen elektronischen Prozessor 17 verbunden ist.
An der optischen Oberfläche 18 der optischen Faser 12 ist eine Matrix 20 angeordnet, die ein sauerstoffdurchlässiges Material wie etwa ein vernetztes additionsausgehärtetes Siloxanpolymer ist. In der Matrix 20 kovalent gebunden sind etwa 0,01 Gewichtsprozent 1-(1-Naphthyl)-2-(Diethylamino)ethan.
Dieses Siloxanpolymer wird erhalten, indem ein Polymethylhydrosiloxan, wie etwa die oben beschriebenen, bei denen x gleich etwa 10 und y gleich etwa 19 ist, mit einem Polysiloxan mit endständigem Vinyl und einer Kohlenwasserstofflösung mit 1-(1-Naphthyl)-2-(Diethylamino)ethan unter Anwesenheit eines Platinkatalysators zum Bilden eines vernetzten Siloxanpolymers mit dispergierten 1-(1-Naphthyl)-2-(Diethylamino)ethan-Anteilen. Das Polysiloxan mit endständigem Vinyl weist die folgende Formel auf:
wobei z etwa 78 und jedes R Methyl ist. Das Verhältnis von SiH zu Vinyl bei der Vernetzungsreaktion wird so gesteuert, daß ein geeignetes Vernetzungselastomerprodukt erhalten wird. Der Vernetzungsreaktion folgt ein Vakuumtrocknen zum Entfernen verbliebenen Kohlenwasserstofflösungsmittels.
Die hochgradig sauerstoffdurchlässige Matrix 20 haftet an der optischen Oberfläche 18 und leicht nach unten an den Seiten 22 des Endes der Faser. 12 an. Eine undurchsichtige Beschichtung 24 mit in einem additionsausgehärteten Polysiloxan dispergierten Eisenoxidpigmenten kann dann über die gesamte Matrix 20 und weiter nach unten an die Seite 22 der Faser 12 aufgebracht werden.
In Gebrauch funktioniert der Sensor wie folgt. Die Spitze der optischen Faser 12 mit der Matrix 20 und der Beschichtung 24 wird Blut, dessen Sauerstoffkonzentration bestimmt werden soll, ausgesetzt oder darin eingetaucht. Die Lichtübertragungsvorrichtung 14 überträgt Licht mit 285 Nanometern an die optische Faser 12. Das Anregungslicht mit 285 Nanometern bewirkt, daß die Matrix 20 mit zwei separaten Wellenlängen, 308 Nanometern und 420 Nanometern, fluoresziert. Die Emission mit der ersten oder kürzeren Wellenlänge ist das Ergebnis der Anregung monomerischer Naphthalenanteile in der Matrix 20. Die Emission mit der zweiten oder längeren Wellenlänge ist das Ergebnis eines Exciplexes, der durch die Interaktion eines angeregten Naphthalenanteils in der Matrix 20 und eines oder mehrerer nicht angeregter (oder sich im Grundzustand befindender) Triethylaminanteilen in der Matrix 20 gebildet wird. Sowohl die Emission mit 308 als auch die mit 420 Nanometern hängt von der Sauerstoffkonzentration in dem Blut ab, wobei die Emission mit längerer Wellenlänge in höherem Maße davon abhängt als die Emission mit 308 Nanometern.
Die fluoreszierenden Emissionssignale werden von der Matrix 20 durch die optische Faser 12 an die Lichtempfangsvorrichtung 16 übermittelt. Der Prozessor 17 verwendet durch die Lichtempfangsvorrichtung 16 empfangene Informationen auf dem längeren Emissionssignal zum Bestimmen eines Werts der Sauerstoffkonzentration im Blut. Der Empfang und die Analyse dieses fluoreszierenden Lichts durch die Lichtempfangsvorrichtung 16 und den Prozessor 17 wird in einer Weise ausgeführt, die der in dem oben erwähnten Patent Lubbers' et al. und in dem Heitzmann erteilten U. S.-Patent 4,557,900 beschrieben ist, die beide durch Bezugnahme als Ganzes hier enthalten sind.
Der Prozessor 17 verwendet durch die Lichtempfangsvorrichtung 16 empfangene Informationen des mit 308 Nanometern emittierten fluoreszierenden Signals zum Entwickeln eines Verhältnisses des mit 420 Nanometern emittierten fluoreszierenden Signals zu dem mit 308 Nanometern emittierten fluoreszierenden Signal. Unter Verwendung dieses Verhältnisses zusammen mit der oben angeführten Sauerstoffkonzentration kann der Prozessor 17 eine korrigierte Sauerstoffkonzentration in dem zu analysierenden Blut bestimmen. Es wurde festgestellt, daß diese korrigierte Sauerstoffkonzentration genau ist, selbst wenn die optische Faser 12 an einer oder mehreren Stellen ihrer Länge gebogen ist und/oder wenn andere Lichtübertragungsschwierigkeiten angetroffen werden.
Das oben erwähnte Verfahren kann periodisch oder sogar im wesentlichen kontinuierlich auftreten, um im wesentlichen kontinuierliche Sauerstoffkonzentrationsergebnisse auszugeben. Die Übertragung der Emission mit 308 Nanometern kann natürlich vor der Übertragung der Emission mit 420 Nanometern stattfinden. Durch die geeignete Auswahl der optischen Indikatoren, z. B. fluoreszierender Farbstoffe, kann die Konzentration anderer interessierender Komponenten bestimmt werden. Darüber hinaus können andere Medien außer Blut analysiert werden.
Die optische Faser 12 kann in Form einer Sonde oder eines Katheters vorgesehen sein, die in ein Blutgefäß eines Patienten einführbar sind, um eine kontinuierliche In-Vivo-Überwachung der Sauerstoffkonzentration im Blut beim angeschlossenen Patienten vorzusehen. Als Alternative kann der vorliegende Sensor wie dargestellt als Durchflußgehäuse ausgeführt sein, zum Beispiel bei dem oben angeführten Patent Heitzmanns, um eine extrakorporale Überwachung der Sauerstoffkonzentration im Blut vorzusehen.
Eine alternative Ausführungsform, die unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben wird, weist eine Sensorvorrichtung auf, die intensitätsmodulierte (als Sinuswelle vorgesehene) Signale im MHz-Bereich verwendet.
Bei dieser Ausführungsform ist der Sensor 110 geeignet, die Konzentration oder den Partialdruck des Sauerstoffs in dem Blut zu bestimmen. Eine optische Faser 112 ist mit einer geeigneten Lichtübertragungsvorrichtung 114 verbunden, die geeignet ist, intentsitätsmoduliertes. (als Sinuswelle vorgesehenes) Licht im MHz-Bereich zu übertragen. Die Lichtübertragungsvorrichtung 114 erzeugt das modulierte Anregungslicht mit dieser Frequenz. Die optische Faser 112 ist auch mit einer Lichtempfangsvorrichtung 116 verbunden, die wiederum mit einem herkömmlichen elektronischen Prozessor 117 verbunden ist. Die Lichtübertragungsvorrichtung 114 weist einen Frequenzgenerator (für eine oder mehrere Frequenzen gleichzeitig) auf, der mit einer elektronisch gesteuerten Lichtemissionsstruktur wie etwa einer Leuchtdiode, einer frequenzverdoppelnden Leuchtdiode oder einer Kombination von Elementen wie etwa einem Laser mit kontinuierlicher Welle oder einer mit einem akustooptischen Modulator oder elektrooptischen Modulator verbundenen Glühlichtquelle oder ähnlichem verbunden ist.
Die Lichtempfangsvorrichtung 116 weist einen hochempfindlichen Lichtdetektor mit einer schnellen Reaktionszeit auf. Geeignete Detektoren umfassen Fotovervielfacherröhren, wie sie unter der Marke 8928 von Hamamatsu Photonics K. K., Hamamatsu, Japan, erhältlich sind, sowie Lawinenphotodioden und Mikrokanalplatten, die von demselben Lieferanten erhältlich sind. Unter Verwendung von technisch gut bekannten Techniken kann eine Überlagerungsdetektion umgesetzt werden, indem die Detektorempfindlichkeit mit einer Frequenz moduliert wird, die der Grundmodu lationsfrequenz Ff im MHz-Bereich entspricht, plus oder minus einer Überlagerungsmodulationsfrequenz Fh im Hz- oder kHz- Bereich.
Der Prozessor 117 kann zum Beispiel einen über eine Direktspeicherzugriffsvorrichtung mit einem Computer verbundenen Analog-Digital-Wandler oder eine Experten auf dem Gebiet bekannte Analogphasenkomparatorschaltung und ähnliches aufweisen. Das von SLM-Aminco hergestellte Fourier-Transformierten- Spektrofluorometer SLM 48000MHF sieht zusammen mit einem Argon-Ionenlaser eine frequenzmodulierte Lichterzeugungs- und Lichtempfangsvorrichtung und Prozessoreigenschaften zum Durchführen der hier dargestellten Verfahren, zum Messen von Phasenverschiebungen, Demodulationsfaktoren oder beidem entweder mit einer einzelnen Modulationsfrequenz oder simultan mit mehreren Modulationsfrequenzen vor. Im Handel ist Software zum Anwenden einer gut bekannten digitalen schnellen Fourier- Transformierten auf die Daten und zum Interpretieren von Phasen- und Demodulationsdaten mit mehreren Modulationsfrequenzen im Hinblick auf eine Verteilung von Emissionslebensdauern und relativen Beiträgen erhältlich. Dies ermöglicht eine Bestimmung des Beitrags der von der Exciplex-Komponente und der Monomerindikatorkomponente gelieferten Emissionssignale zu der gesamten Phasenverschiebung und/oder den Demodulationsfaktoren bei jeder Wellenlänge, selbst wenn mehrere überlappende Emissionssignale vorhanden sind.
An der optischen Oberfläche 118 der optischen Faser 112 ist eine Matrix 120 angeordnet, die eine Zusammensetzung wie die Matrix 20 aufweist.
Die hochgradig sauerstoffdurchlässige Matrix 120 haftet an der optischen Oberfläche 118 und leicht nach unten an den Seiten 122 des Endes der Faser 112 an. Eine undurchsichtige Beschich tung 124 mit in einem additionsausgehärteten Polysiloxan dispergierten Eisenoxidpigmenten kann dann über die gesamte Matrix 120 und weiter nach unten an die Seite 122 der Faser 112 aufgebracht werden.
In Gebrauch funktioniert der Sensor 110 wie folgt. Die Spitze der optischen Faser 112 mit der Matrix 120 und der Beschichtung 124 wird Blut, dessen Sauerstoffkonzentration bestimmt werden soll, ausgesetzt oder darin eingetaucht. Die Lichtübertragungsvorrichtung 114 überträgt Licht mit 10 MHz an die optische Faser 112. Das Anregungslicht bewirkt, daß die Matrix 120 mit zwei separaten Wellenlängen fluoresziert. Beide fluoreszierenden Emissionen sind sinuswellenmoduliert. Es wird wiederum angenommen, daß die Emission mit der ersten oder kürzeren Wellenlänge das Ergebnis der Emission von Monomernaphthalenanteilen in der Matrix 120 ist. Die Emission mit der zweiten oder längeren Wellenlänge ist das Ergebnis einer Exciplex-Komponente, die durch Wechselwirkung eines oder mehrerer angeregter Monomernaphthalenanteilen in der Matrix 120 und eines oder mehrerer nicht angeregter (oder im Grundzustand befindlicher) Triethylaminanteilen in der Matrix 120 gebildet ist.
Die fluoreszierenden Emissionssignale werden von der Matrix 120 über optische Fasern 112 zu der Lichtempfangsvorrichtung 116 übertragen. Der Prozessor 117 verwendet durch die Lichtempfangsvorrichtung 116 von den Emissionssignalen empfangene Informationen zum Bestimmen des Ausmaßes der Phasenverschiebung zwischen diesen beiden Emissionssignalen und/oder des Verhältnisses der Demodulationsfaktoren dieser beiden Emissionssignale. Das Ausmaß der Phasenverschiebung und/oder das Verhältnis der Demodulationsfaktoren hängen von der Konzentration des Sauerstoffs im Blut ab. Somit können durch Bestimmen des Ausmaßes dieser Phasenverschiebung und/oder dieses Ver hältnisses der Demodulationsfaktoren Werte der Sauerstoffkonzentration im Blut erhalten werden.
Als Alternative oder zur Überprüfung der durch das Analysieren der beiden Emissionssignale erhaltenen Sauerstoffkonzentrationen kann der Prozessor 117 von der Lichtübertragungsvorrichtung 114 empfangene Informationen aus dem Anregungslicht und durch die Lichtempfangsvorrichtung 116 empfangene Informationen aus dem durch den Exciplex erhaltenen Emissionssignal zum Bestimmen des Ausmaßes der Phasenverschiebung und/oder der Größenordnung der relativen Demodulation zwischen diesem Emissionssignal und dem Anregungssignal verwenden. Das Ausmaß dieser Phasenverschiebung und/oder dieser Größenordnung relativer Demodulation hängen von der Sauerstoffkonzentration im Blut ab. Durch Bestimmen des Ausmaßes dieser Phasenverschiebung und/oder dieser Größenordnung relativer Demodulation können Werte für die Sauerstoffkonzentration im Blut erhalten werden.
Übertragung, Empfang und Analyse dieser modulierten Signale durch die Lichtübertragungsvorrichtung 114, die Lichtempfangsvorrichtung 116 und den Prozessor 117 können unter Verwendung von Vorrichtungen und in einer Weise durchgeführt werden, die in dem Gratton erteilten U. S.-Patent 4,840,485 beschrieben ist, das als Ganzes durch Bezug hier enthalten ist.
Das oben erwähnte Verfahren kann zum Vorsehen im wesentlichen kontinuierlicher Sauerstoffkonzentrationsergebnisse periodisch oder sogar im wesentlichen kontinuierlich auftreten. Durch die geeignete Auswahl der optischen Indikatoren, z. B. fluoreszierender Farbstoffe, kann die Konzentration anderer interessierender. Komponenten bestimmt werden. Zusätzlich können andere Medien außer Blut analysiert werden.
Die optische Faser 112 kann in Form einer Sonde oder eines Katheters vorgesehen sein, die in ein Blutgefäß eines Patienten einführbar sind, um eine kontinuierliche In-Vivo-Überwachung der Sauerstoffkonzentration im Blut beim angeschlossenen Patienten vorzusehen. Als Alternative kann der vorliegende Sensor wie dargestellt als Durchflußgehäuse ausgeführt sein, zum Beispiel bei dem oben angeführten Patent Heitzmanns, um eine extrakorporale Überwachung der Sauerstoffkonzentration im Blut vorzusehen.
Die folgenden nicht einschränkenden Beispiele illustrieren bestimmte Aspekte der Erfindung.
Fluoreszenzdaten wurden auf einem eine 450W-Xe-Leuchte aufweisenden Fluorometer SPEX Fluorolog erhalten, mit maximaler Intensität eines Monochromators mit einfacher Anregung von 250 nm und eines Monochromators mit doppelter Anregung von 500 nm. Die Spalten waren typischerweise 0,5 mm oder weniger breit und entsprachen Bandbreiten im Bereich von 1 bis 2 mm. Emissionsspektren wurden korrigiert und genullt, und Anregungsspektren wurden im Verhältnismodus erhalten und korrigiert. Für variable Untersuchungen (der Sauerstoffkonzentration) wurden Filme in einer Glas- oder Quarzfenster aufweisende Durchflußkammer angeordnet. Das Kammervolumen war gering, um einen schnellen Gasaustausch zu ermöglichen. Die Spektren wurden in einem Vorderflächenmodus mit einer senkrecht zu dem Film verlaufenden Anregung aufgenommen und die Emission bei 22º zu der Filmsenkrechten aufgefangen.
Phasenmodulationsdaten für verwandte Experimente wurden unter. Verwendung einer modifizierten Version des im Handel erhältlichen Frequenzbereich-Fluorometers SLM 48000 mit Einzelfrequenzerfassung oder mit Mehrfach-Harmonischen-Fourier- Parallelerfassung (MHF) durchgeführt. Die Probenkammer des SLM 48000 wurde modifiziert, indem die Küvettenhalterbefestigung durch eine x-y-z-Übertragung ersetzt wurde. Das Ende der Faseroptik wurde mit der Übertragung derart an dem Brennpunkt des (mit einer f/2-Linse fokussierten) Anregungsstrahls angeordnet, daß es senkrecht zu der Linie der Fortpflanzung der Anregung war. Typischerweise wurden faseroptische Quarz- Mehrmodus-Kabel (General Fiber Optics) mit Kerndurchmessern von 200, 600 oder 1000 Mikrometern zum Leiten der Anregung an die Probenkammer verwendet, und eine zweite Faser desselben Kerndurchmessers wurde zum Leiten der Anregung an den Detektor verwendet. Die Fasern waren zum Minimieren von Falschlichteffekten mit einer schwarzen elektrischen Umhüllung umhüllt. Die Faserenden waren poliert und mit einer Verbindung eines Amphenol-Typs an dem Spektrometerende und einem Kapillarrohr an dem Probenende versehen.

BEISPIEL 1

Dies ist ein Beispiel zur Darstellung eines Films mit einem Anteil zum Bilden einer intramolekularen Exciplex-Komponente. 0,50 g Siloxan mit endständigem Vinyl (von Petrarch Systems unter der Marke PS441 erhältlich) wurden 0,05 g eines Polymehtylhydrosiloxans (von Petrarch Systems unter der Marke PS123 erhältlich), 0,50 ml einer 8 · 10&supmin;&sup4;-M-CH&sub2;Cl&sub2;-Lösung von 1- (1-Naphthyl-)-2-(Diethylamino)ethan und 10 Mikroliter einer Pt-Katalysatorlösung hinzugefügt.
Die bei diesen Darstellungen verwendete Pt-Katalysatorlösung war eine Karsted-Katalysator-Lösung in Hexan. Die verwendeten Lösungsmittel wiesen eine spektrale Reinheit auf und waren über Molekularsieben getrocknet. 1-(1-Naphthyl-)-2-(Diethylamino)ethan wurde gemäß Verfahren dargestellt, die von Chandross und Thomas in Chem. Phys. Letters 9 393(1971) beschrieben wurden. 1-Naphthylenyl-Essigsäure wurde in das Säu rechlorid umgewandelt, zum Erzeugen des entsprechenden Amids mit Diethylamin reagiert und unter Verwendung von Lithiumaluminiumhydrid zu dem entsprechenden Amin reduziert. Eine Extraktion aus einer basischen wäßrigen Lösung in Ether ergab das gewünschte Produkt in hoher Menge.
Die Mischung wurde geschüttelt und in eine Aluminium- Wiegeschale mit 57 mm Durchmesser gegossen, und es wurde ihr ermöglicht, an der Luft zu trocknen und auszuhärten, und dann wurde sie zum Entfernen von Restlösung über Nacht weiter unter Unterdruck getrocknet. Die so erhaltenen Filme sind optisch klar.
Die Reaktion dieses Films auf Sauerstoff wurde im Intensitätsmodus bestimmt. Bei einer Anregung mit 285 nm wurden eine Exciplex-Emission bei 420 nm und eine Monomer-Emission bei 308 nm beobachtet. Sowohl die Exciplex-Emission als auch die Monomer-Emission waren durch Sauerstoff dynamisch löschbar. Wenn sie in Stern-Volmer-Form dargestellt wurden, gab es eine offensichtliche Krümmung der Sauerstoffabhängigkeit des Excimers. Das Excimer-Monomer-Verhältnis bei einer Stern-Volmer- Behandlung ergab jedoch eine lineare Reaktion mit einer Neigung von 0,0025 mm&supmin;¹.

BEISPIEL 2

Die Reaktion des in Beispiel 1 erzeugten Films wird in Phase bestimmt. Der Film wird in einer temperierten optischen Isolationskammer angeordnet, die eine Öffnung für kollineare Anregungs- und Emissions-Optikfasern und Öffnungen für einen schnellen Gasaustausch aufwies. Die faseroptische Öffnung wird derart angeordnet, daß sie zur Minimierung einer. Zerstreuung die Anregung und die Aufnahme einer Emission mit einem Winkel von 45 Grad zu der Filmfläche ermöglicht. Emissionswellenlän gen für Exciplex-Emissionen und für Monomer-Emissionen werden unter Verwendung eines Standard-Monochromators seriell ausgewählt. Der Sensorfilm wird Sauerstoff in Stickstoffmischungen mit Zusammensetzungen im Bereich von 0 bis 20% Sauerstoff ausgesetzt.
Nicht korrigierte Phasenverschiebungen werden aus MHF- oder Einzelfrequenzdaten erhalten. Diese Phasenverschiebungen können auf die Anregungsquellenphase verweisen und umfassen mit der Elektronik und der Optik zusammenhängende Phasenversetzungen.
Indem tanΔθo/tanΔθ gegen die O&sub2;-Konzentration gesetzt wird, wird eine im wesentlichen lineare Stern-Volmer-Flanke erhalten. Somit ist dieses Exciplex-bildende System als Sensorelement bei einem Sauerstoffsensor geeignet.

BEISPIEL 3

Dies ist ein Beispiel, das die Verwendung frei diffundierender Donator- und Akzeptormoleküle in einer Lösung zum Bestimmen der Konzentration eines Analyten, in diesem Fall Sauerstoff, betrifft.
Eine Lösung aus 7,2 · 10&supmin;&sup6; M Anthracen und 15,7 mM Diethylanilin in Toluen als Lösungsmittel wurde Sauerstoff in Stickstoffmischungen ausgesetzt, die 0, 5, 10, 15, 20 Volumenprozent Sauerstoff enthielten. Anthracen wurde bei 379 nm durch Licht angeregt. Eine Monomeremission wurde bei 402 nm beobachtet. Eine Exciplex-Emission wurde bei 520 nm beobachtet. Das Exciplex-Monomer-Intensitätsverhältnis wurde bei jeder Sauerstoffkonzentration (E/M) und lediglich unter Stickstoff (E/M)o bestimmt. Bei einer Stern-Volmer-Behandlung waren graphische Darstellungen von (E/M)o/(E/M) gegen die Sauerstoffkonzentra tion mit einer Flanke von 0,03.9 mm² linear. Ferner war diese Flanke gegenüber Variationen der Konzentration von Diethylanilin über den Bereich von 15,7-55,0 mM unverändert, trotz der Tatsache, daß das Exciplex-Monomer-Verhältnis deutlich variierte.
Dieses Beispiel zeigt, daß, während das Verhältnis von Exciplex- zu Monomer-Emissionen mit der Konzentration des Donators varriert, Bedingungen gefunden werden können, bei denen Stern- Volmer-Flanken auf der Grundlage des Exciplex-Monomer- Verhältnisses von der Konzentration des Donators unabhängig sind. Ein entsprechendes Verhalten kann für Stern-Volmer- Flanken erwartet werden, die auf den bei Beispiel 2 beschriebenen Phasendifferenz- oder Demodulationsfaktorverhältnisverfahren beruhen.
Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf verschiedene spezielle Beispiele und Ausführungsformen beschrieben wurde, wird darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf diese beschränkt ist und innerhalb des Schutzumfangs der folgenden Ansprüche in unterschiedlicher Weise umgesetzt werden kann.

Claims

1. Sensor zum Messen der Konzentration eines Analyten in einem Medium, mit:

- einem Sensorelement (20; 120) mit einem Matrixmaterial, das für den Analyten in dem Medium durchlässig ist, und zwei oder mehr verschiedenen Monomerkomponenten in Zwangsassoziation, von denen wenigstens eine eine Monomerindikatorkomponente ist, die geeignet ist, ein erstes Emissionssignal als Reaktion darauf, daß sie einem ersten Anregungssignal ausgesetzt ist, zu erzeugen,

- bei welchem die zwei oder mehr verschiedenen Monomerkomponenten physikalisch und/oder molekular derart zwangspositioniert oder ausgerichtet sind, daß sie die Bildung und/oder Erhaltung eines Kanals oder Weges zur Exciplex- Bildung fördern oder erleichtern, die (a) im Vergleich zu der freien Verteilung kinetisch dominant ist und/oder (b) mit dem Verfall der Exciplex-Komponente in Abwesenheit des Analyten kinetisch kompetitiv ist,

- wobei das Sensorelement geeignet ist, ein zweites Emissionssignal als Reaktion darauf, daß es einem zweiten Anregungssignal ausgesetzt ist, zu liefern, wobei das zweite Emissionssignal von einer aus den Monomerkomponenten erzeugten Exciplex-Komponente geliefert wird,

- bei welchem eine Exciplex-Komponente sich auf eine Anregungszustandsspezies bezieht, die durch eine molekulare oder submolekulare Interaktion von zwei oder mehr ver schiedenen Monomerkomponenten hervorgerufen wird, von denen wenigstens eine eine Monomerindikatorkomponente ist, von denen eine oder mehr eine Donatorkomponente ist und von denen eine oder mehr eine Akzeptorkomponente ist; und die folgende Beziehung erfüllt:

EDox - EAred ≤ hv(hex) + 0,25eV

wobei Edox das Grundzustandsoxidationspotential der Donatorkomponente ist, EAred das Grundzustandsreduktionspotential der Akzeptorkomponente ist, die jeweils im Vergleich zu demselben Standard gemessen sind, hv(hex) die Maximalenergie in eV (Elektronenvolt) der in n-Hexan gemessenen Anregungszustandsspezies ist, und die Donatorkomponente und die Akzeptorkomponente derart zugeordnet sind, daß der absolute Wert von Edox - EAred minimiert wird,

- einer Anregungsanordnung (14; 114), die derart angeordnet und geeignet ist, daß sie das zweite Anregungssignal an das Sensorelement liefert;

- einer Detektoranordnung (16; 116), die derart angeordnet und geeignet ist, daß sie das zweite Emissionssignal detektiert; und

- einer Prozessoranordnung (17; 117), die derart angeordnet und geeignet ist, daß sie das zweite Emissionssignal zum Bestimmen der Konzentration des Analyten in dem Medium analysiert.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Emissionssignal von der Konzentration des Analyten in dem Medium abhängig ist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Emissionssignal durch den Analyten in dem Medium dynamisch löschbar ist.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Emissionssignal von der Konzentration des Analyten in dem Medium in einem größeren Ausmaß als das erste Emissionssignal abhängig ist und das zweite Emissionssignal eine längere Wellenlänge als das erste Emissionssignal aufweist.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial fest ist und die Monomerkomponenten an dem festen Matrixmaterial kovalent gebunden sind.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Anregungssignal und das zweite Anregungssignal dasselbe Signal sind.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Anregungssignal und das zweite Emissionssignal moduliert sind und die Prozessoranordnung (17; 117) geeignet ist, wenigstens eines der folgenden Merkmale zu bestimmen:

- das Ausmaß der Phasenverschiebung und

- die Größenordnung der relativen Demodulation zwischen dem modulierten Anregungssignal und dem modulierten zweiten Emissionssignal, wobei wenigstens ein Merkmal aus der Gruppe des Ausmaßes und der Größenordnung von der Konzentration des Analyten in dem Medium abhängig ist.

8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsanordnung (14; 114) derart angeordnet und geeignet ist, daß sie das erste Anregungssignal an das Sensorelement (20; 120) liefert; die Detektoranordnung (16; 116) derart angeordnet und geeignet ist, daß sie das erste Emissionssignal detektiert; und die Prozessoranordnung (17; 117) derart angeordnet ist, daß sie bei der Bestimmung der Konzentration des Analyten in dem Medium das erste Emissionssignal und das zweite Emissionssignal analysiert.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozessoranordnung (17; 117) geeignet ist, das Verhältnis des zweiten Emissionssignals zu dem ersten Emissionssignal zu bestimmen, wobei das Verhältnis von der Konzentration des Analyten in dem Medium abhängig ist.

10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Emissionssignal und das zweite Emissionssignal moduliert sind und die Prozessoranordnung (17; 117) geeignet ist, wenigstens eines der folgenden Merkmale zu bestimmen:

- das Ausmaß der Phasenverschiebung zwischen dem modulierten ersten Emissionssignal und dem modulierten zweiten Emissionssignal oder

- das Verhältnis der Demodulationsfaktoren des ersten Emissionssignals und des modulierten zweiten Emissionssignals, wobei wenigstens ein Merkmal aus der Gruppe des Ausmaßes und des Verhältnisses von der Konzentration des Analyten in dem Medium abhängig ist.

11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Analyt Sauerstoff ist.

12. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Monomerindikatorkomponenten in Zwangsassoziation aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus in einem Matrixmaterial fein verteilten, eine intramolekulare Exciplexkomponente bildenden Molekülen, kovalent gebundenen, adsorbierten oder auf andere Weise an der Oberfläche eines Matrixmaterials angelagerten, eine intramolekulare Exciplexkomponente bildenden Molekülen, kovalent an einem Matrixmaterial gebundenen, eine intramolekulare Exciplexkomponente bildenden Molekülen, kovalent an einem Matrixmaterial gebundenen Monomerkomponentaggregaten, an der Oberfläche eines Matrixmaterials adsorbierten Monomerkomponentaggregaten, einer Einschlußverbindung mit einem Supramolekül und ionisch gebundenen Monomerkomponenten besteht.

13. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Monomerkomponenten durch weniger als 20 Atome verbunden sind.

14. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Monomerkomponenten durch zwischen 2 und 7 Kohlenstoffatome verbunden sind.

15. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Emissionssignal von dem ersten Emissionssignal verschieden und unterschiedlich ist.

16. Verfahren zum Erfassen der Konzentration eines Analyten in einem Medium, mit den Schritten:

- Aussetzen eines Sensorelements (20; 120) dem Medium, wobei das Sensorelement (20; 120) ein Matrixmaterial, das für den Analyten in dem Medium durchlässig ist, und zwei oder mehr verschiedene Monomerkomponenten in Zwangsassoziation aufweist, von denen wenigstens eine eine Monomerindikatorkomponente ist, die geeignet ist, ein erstes Emissionssignal als Reaktion darauf, daß sie einem ersten Anregungssignal ausgesetzt ist, zu erzeugen,

- wobei das Sensorelement (20; 120) geeignet ist, ein zweites Emissionssignal als Reaktion darauf, daß es einem zweiten Anregungssignal ausgesetzt ist, zu liefern, wobei das zweite Emissionssignal von einer aus den Monomerkomponenten erzeugten Exciplex-Komponente geliefert wird,

- bei welchem eine Exciplex-Komponente sich auf eine Anregungszustandsspezies bezieht, die durch eine molekulare oder submolekulare Interaktion von zwei oder mehr verschiedenen Monomerkomponenten hervorgerufen wird, von denen wenigstens eine eine Monomerindikatorkomponente ist, von denen eine oder mehr eine Donatorkomponente ist und von denen eine oder mehr eine Akzeptorkomponente ist; und die folgende Beziehung erfüllt:

EDox - EAred ≤ hv(hex) + 0,25eV

- wobei verursacht wird, daß das Sensorelement (20; 120) das zweite Emissionssignal liefert; und

- Analysieren des zweiten Emissionssignals zur Bestimmung der Konzentration des Analyten in dem Medium.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Emissionssignal von der Konzentration des Analyten in dem Medium in einem größeren Ausmaß als das erste Emissionssignal abhängig ist und das zweite Emissionssignal eine längere Wellenlänge als das erste Emissionssignal aufweist.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial fest ist und die Monomerkomponenten an dem festen Matrixmaterial kovalent gebunden sind.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Anregungssignal und das zweite Emissionssignal moduliert sind und der Schritt des Analysierens es umfaßt, wenigstens eines der folgenden Merkmale zu bestimmen:

- das Ausmaß der Phasenverschiebung und

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß verursacht wird, daß das Sensorelement das erste Emissionssignal liefert und der Schritt des Analysierens es umfaßt, bei der Bestimmung der Konzentration des Analyten in dem Medium sowohl das erste Emissionssignal als auch das zweite Emissionssignal zu analysieren.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Analysierens es umfaßt, das Verhältnis des zweiten Emissionssignals zu dem ersten Emissionssignal zu bestimmen, wobei das Verhältnis von der Konzentration des Analyten in dem Medium abhängig ist.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Emissionssignal und das zweite Emissionssignal moduliert sind und der Schritt des Analysierens es umfaßt, wenigstens eines der folgenden Merkmale zu bestimmen:

- das Verhältnis der Demodulationsfaktoren des ersten Emissionssignals und des modulierten zweiten Emissionssignals,

wobei wenigstens ein Merkmal aus der Gruppe des Ausmaßes und des Verhältnisses von der Konzentration des Analyten in dem Medium abhängig ist.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium Blut ist.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Monomerindikatorkomponenten in Zwangsassoziation aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus in einem Matrixmaterial fein verteilten, eine intramolekulare Exciplexkomponente bildenden Molekülen, kovalent gebundenen, adsorbierten oder auf andere Weise an der Oberfläche eines Matrixmaterials angelagerten, eine intramolekulare Exciplexkomponente bildenden Molekülen, kovalent an einem Matrixmaterial gebundenen, eine intramolekulare Exciplexkomponente bildenden Molekülen, kovalent an einem Matrixmaterial gebundenen Monomerkomponentaggregaten, an der Oberfläche eines Matrixmaterials adsorbierten Monomerkomponentaggregaten, einer Einschlußverbindung mit einem Supramolekül und ionisch gebundenen Monomerkomponenten besteht.

25. Zusammensetzung, die zum Messen der Konzentration eines Analyten in einem Medium nützlich ist, mit:

- einem festen Matrixmaterial (20; 120), das für den Analyten in dem Medium durchläsig ist, und

- zwei oder mehr verschiedene Monomerkomponenten in Zwangsassoziation, von denen wenigstens eine eine Monomerindikatorkomponente ist, die geeignet ist, ein erstes Emissionssignal als Reaktion darauf, daß sie einem ersten Anregungssignal ausgesetzt ist, zu erzeugen,

- wobei die Zusammensetzung geeignet ist, ein zweites Emissionssignal als Reaktion darauf, daß sie einem zweiten Anregungssignal ausgesetzt ist, zu liefern, wobei das zweite Emissionssignal von einer aus den Monomerkomponenten erzeugten Exciplex-Komponente geliefert wird, wobei das zweite Emissionssignal von der Konzentration des Analyten in dem Medium abhängt,

EDox - EAred ≤ hv(hex) + 0,25eV

- wobei EDox das Grundzustandsoxidationspotential der Donatorkomponente ist, EAred das Grundzustandsreduktionspotential der Akzeptorkomponente ist, die jeweils im Vergleich zu demselben Standard gemessen sind, hv(hex) die Maximalenergie in eV (Elektronenvolt) der in n-Hexan gemessenen Anregungszustandsspezies ist, und die Donatorkomponente und die Akzeptorkomponente derart zugeordnet sind, daß der absolute Wert von EDox - EAred minimiert wird.