DE69432917T2

DE69432917T2 - Sensorelemente und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE69432917T2
Application number: DE69432917T
Authority: DE
Inventors: Masao Saint Paul Yafuso; John L. Saint Paul Dektar; Ronnie L. Saint Paul Pratt; Kenneth B. Saint Paul Wood; Kathryn R. Saint Paul Bretscher; James G. Saint Paul Bentsen
Original assignee: Terumo Cardiovascular Systems Corp
Current assignee: Terumo Cardiovascular Systems Corp
Priority date: 1993-11-30
Filing date: 1994-11-28
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2014-11-29
Also published as: EP0655625A3; EP0655625B1; JPH07198715A; JP3600282B2; EP0655625A2; US5508509A; DE69432917D1

Description

Diese Erfindung betrifft Sensorelemente, die sich zur Bestimmung eines interessierenden Analyten eignen, und Verfahren zur Herstellung dieser Sensorelemente. Die Erfindung betrifft insbesondere Sensorelemente und Verfahren zur "Massenproduktion" der Sensorelemente, die sich z. B. zur Bestimmung eines Gases, wie Kohlendioxid oder Sauerstoff, in einem wässrigen Medium, z. B. Blut, eignen.
In vielen Situationen ist es von Nutzen, die Konzentration, z. B. den Partialdruck eines Gases in einem Medium, z. B. einem Fluidmedium zu bestimmen. Eine solche Situation ist die Bestimmung der Konzentration von Gas, z. B. Kohlendioxid oder Sauerstoff, im Blut. Sensoren auf Fluoreszenzbasis wurden zur Bewerkstelligung der Echtzeitblutgasbestimmung verwendet. Sensoren auf Fluoreszenzbasis können z. B. in einer außerhalb des Körpers befindlichen Blutschleife, wie sie in Cooper, US-Patent Nr. 4,640,820 gezeigt ist, und in vivo verwendet werden, wie es in Lubbers et al., US-Reissue-Patent Nr. 31,879 offenbart ist.
EP-A-0448 052 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelementes, und ein zusammengesetztes Sensorelement, das sich zur Bestimmung der Konzentration eines Gases, wie Kohlendioxid, in einem Medium, wie Blut, eignet. Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte des Anbringens einer Menge einer Vorstufe der Bestimmungs-Zusammensetzung zwischen und in Kontakt mit einer transparenten, für Gas undurchlässigen festen Scheibe und einer opaken, gasdurchlässigen Folie. Die Vorstufe der Bestimmungs-Zusammensetzung umfasst eine Bestimmungskomponente, eine Polymervorstufe und ein Vernetzungsmittel.
WO 92/15880 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines selbsttragenden Materials für ein Testfeld. Bei dem Verfahren wird ein Reagenz-Folienmaterial von einer Anwendungsseite her in ein Bahnträgermaterial gepresst, das aus einer offenporigen Verbundfaserstruktur besteht, so dass es die Poren des Trägermaterials völlig durchdringt. Das Reagenz-Folienmaterial wird durch die relative Bewegung der Bahn und eines Glättwerkzeugs gleichmäßig über die gegenüberliegende Seite verteilt, so dass die Poren der faserförmigen Verbundstruktur vollständig mit dem Reagenz-Folienmaterial bedeckt werden. Schließlich wird die Bahn aus dem Testfeld-Material im wesentlichen kontaktlos getrocknet.
Yafuso et al., US-Patent Nr. 4,824,789 offenbart eine Bestimmungszusammensetzung und einen Sensor, der sich zur Bestimmung der Konzentration eines Gases im Blut eignet. Dieses Patent offenbart eine Bestimmungszusammensetzung, die dann von Nutzen ist, wenn sie auf eine optische Oberfläche einer Lichtleitfaser aufgebracht wird, so dass man einen Sensor erhält. Die Bestimmungszusammensetzung umfasst eine wässrige erste Phase, die in einer vernetzten polymeren zweiten Phase dispergiert ist. Die wässrige erste Phase beinhaltet einen Farbstoff, z. B. einen pH-Wert-empfindlichen Farbstoff. Die vernetzte polymere zweite Phase, die gasdurchlässig und für Ionen undurchlässig ist, hat vorzugsweise eine Silikon-Grundlage und enthält einen hydrophoben Füllstoff, wie hydrophobe Quarzteilchen. Diese Bestimmungszusammensetzungen können weiterhin ein oder mehrere Emulgationsverstärkungsmittel, wie wasserlösliches Dextran und Polyvinylalkohol, enthalten. Dieses Patent offenbart, dass bei der Herstellung des Sensors eine Teflonmanschette auf der Lichtleitfaser verwendet wird, damit die Vorstufe der Bestimmungszusammensetzung auf der optischen Oberfläche der Lichtleitfaser zurückgehalten wird. Der Sensor beinhaltet auch eine opake Überschichtung, wie mit Ruß imprägnierte Cellulose, so dass die Bestimmungszusammensetzung optisch isoliert wird.
Die Verwendung von Wegwerf-Kassetten für die Blutanalyse ist derzeit von erheblichem Interesse, z. B. zur Eliminierung der Kontamination zwischen Patienten, und damit teurere Komponenten, z. B. optische und elektronische Komponenten des Sensorsystems, nicht direkt dem Blut ausgesetzt werden. Ein Wegwerf-Kassettensystem ist in US-Patent Nr. 4,989,606 offenbart.
Eine solche Wegwerf-Kassette beinhaltet eine Mulde, eine Vertiefung, oder einen Hohlraum, in dem das Sensorelement zumindest teilweise untergebracht ist. Das Sensorelement wird dem Blut ausgesetzt, und die Bestimmungskomponente, z. B. ein fluoreszierender Farbstoff, gibt ein Signal ab, das in Reaktion auf Veränderungen in der Konzentration des interessierenden Gases im Blut variiert. Ein Signalüberträger, z. B. eine optische Faser, die von der Kassettenvertiefung und dem Blut entfernt ist, überträgt dieses Signal an einen Prozessor, wo es analysiert wird, so dass man die gewünschte Bestimmung der Blutgas-Konzentration erhält.
Ein Problem, das sich selbst in Bezug auf die Verwendung dieser Kassetten dargestellt hat, ist, dass sich die Eigenschaften der Sensorelemente signifikant voneinander unterscheiden. Wenn das Sensorelement in situ hergestellt oder zusammengesetzt wird, z. B. in der Vertiefung der Kassette, gibt es auch keine Möglichkeit, das Sensorelement zu überprüfen, bevor es an der Kassette angebracht, z. B. an sie gebunden wird. Sensorelemente, die der Spezifikation nicht entsprechen, können somit in die Kassette aufgenommen werden und nur nach dem Test der zusammengesetzten Kassette, die oft eine Reihe anderer Sensorelemente für verschiedene Blutbestandteile enthält, als nicht-normgemäß bestimmt werden. Zu diesem Zeitpunkt muss die gesamte Kassette weggeworfen werden, was zu einem erheblichen Abfall und erheblichen Kosten führt.
Es wäre eindeutig von Vorteil, neue Sensorelemente und/oder neue Verfahren zur Herstellung von Sensorelementen, insbesondere für die Verwendung in solchen Kassetten, bereitzustellen.
Neue Sensorelemente und Verfahren zur Herstellung von Sensorelementen, die sich zur Bestimmung eines Analyten, wie eines Gases, z. B. Kohlendioxid oder Sauerstoff, in einem Medium, z. B. Blut eignen, wurden entdeckt. Die vorliegenden Sensorelemente stellen erhebliche Vorteile bereit. Diese Elemente können z. B. so hergestellt werden, dass sie im wesentlichen einheitliche Eigenschaften aufweisen, und dann getestet oder untersucht werden, damit sie auf jeden Fall den Produkt-Spezifikationen normgemäß entsprechen, bevor sie in die fertige Sensorhalterung oder Befestigung aufgenommen werden. Diese Eigenschaft reduziert die Kosten und die Zeit, die zur Erzeugung qualitativ hochwertiger Sensoren erforderlich sind, die verlässliche und konsistente Analyt-Sensorergebnisse liefern. Die erfindungsgemäßen Sensorelemente werden zudem vorzugsweise in einer Form produziert, die sich sehr geeignet verwenden lässt, wenn einzelne Sensorelemente in Sensorhalterungen oder Befestigungen enthalten sind. Die erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Sensorelementen sind unkompliziert, relativ einfach durchzuführen und erzeugen sehr effizient viele Sensorelemente, die sehr ähnliche, wenn nicht identische Sensoreigenschaften besitzen, in Massen. Die relative Menge an produzierten nicht spezifikationskonformen Sensorelementen ist reduziert, und da die Sensorelemente getestet oder untersucht werden können, bevor sie mit den anderen Sensorkomponenten aufgenommen werden, sind die Kosten zur Herstellung von nicht spezifikationskonformen Sensorelementen noch weiter gesenkt. Aufgrund der erheblichen Einheitlichkeit, die bei der Massenproduktion der endungsgemäßen Sensorelemente erzielt wird, kann der Untersuchungsaufwand für die Sensorelemente stark gesenkt werden, wodurch die Kosten noch weiter gesenkt werden, ohne dass die Qualität der fertigen Sensorelemente beeinträchtigt wird.
In einem breiten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Verfahren zur Herstellung von Sensoren bereitgestellt, die zum Bestimmen eines Analyten ausgelegt sind. Die Erfindung stellt insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines zur Bestimmung eines Analyten geeigneten Sensors bereit, wobei das Verfahren umfasst:
kontinuierliches Plazieren einer Vorstufe einer Bestimmungszusammensetzung auf einer kontinuierlichen Bahn, wodurch man eine kontinuierliche Bahn, welche die Vorstufe enthält, bildet;
Bilden einer kontinuierlichen Bestimmungszusammensetzung, welche auf den Analyten anspricht, aus der in der kontinuierlichen Bahn, welche die Vorstufe enthält, eingebrachten Vorstufe der Bestimmungszusammensetzung, um dadurch eine Bahn, welche eine Bestimmungszusammensetzung enthält, herzustellen, wobei die kontinuierliche Bestimmungszusammensetzung eine solche Größe und Struktur aufweist, dass sie in eine Mehrzahl von Sensorelementen geteilt werden kann; und
wobei der Bildungsschritt das Entfernen der kontinuierlichen Bahn von der Bahn, welche die Bestimmungszusammensetzung enthält, einschließt.
Das Verfahren umfasst vorzugsweise:
Platzieren einer Vorstufe der Bestimmungszusammensetzung auf einer kontinuierlichen Bahn, wodurch eine kontinuierliche Bahn erhalten wird, die eine Vorstufe enthält;
Bilden einer kontinuierlichen Bestimmungszusammensetzung, welche auf den Analyten anspricht, aus der in der kontinuierlichen Bahn, welche die Vorstufe enthält, eingebrachten Vorstufe der Bestimmungszusammensetzung, um dadurch eine Bahn, welche eine Bestimmungszusammensetzung enthält, herzustellen, wobei die kontinuierliche Bestimmungszusammensetzung eine solche Größe und Struktur aufweist, dass sie in eine Mehrzahl von Sensorelementen geteilt werden kann; und
wobei die Bestimmungs-Zusammensetzung umfasst:
eine wässrige erste Phase mit einer pH-Wert-empfindlichen Indikatorkomponente, die ein Signal in Reaktion auf die Konzentration des Analyten in einem Medium, dem die Bestimmungs-Zusammensetzung ausgesetzt ist, liefert, wobei der Analyt den pH-Wert der ersten Phase ändern kann; und eine hydrophobe zweite Phase, die für den Analyten durchlässig ist und für ionisierten Wasserstoff undurchlässig ist, wobei die hydrophobe Phase zwischen der wässrigen Phase und dem Medium liegt, dem die Bestimmungszusammensetzung ausgesetzt wird, wobei die Bestimmungszusammensetzung im Wesentlichen frei von anderen sich verteilenden Spezies als dem interessierenden Analyten ist, die in Reaktion auf eine pH-Wert-Änderung in der wässrigen Phase von einer Phase in die andere wandern können und die dieses Konzentrations-abhängige Signal wesentlich beeinflussen.
Die Erfindung beitrifft in einer weiteren Ausführungsform ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors, der einen Analyten bestimmen kann, wobei das Verfahren umfasst:
kontinuierliches Plazieren einer Vorstufe einer Bestimmungszusammensetzung auf einer kontinuierlichen Bahn, wodurch man eine kontinuierliche Bahn, welche den Vorläufer enthält, bildet;
Bilden einer kontinuierlichen Bestimmungszusammensetzung, welche auf den Analyten anspricht, aus der in der kontinuierlichen Bahn, welche die Vorstufe enthält, eingebrachten Vorstufe der Bestimmungszusammensetzung, um dadurch eine Bahn, welche eine Bestimmungszusammensetzung enthält, herzustellen, wobei die kontinuierliche Bestimmungszusammensetzung eine solche Größe und Struktur aufweist, dass sie in eine Mehrzahl von Sensorelementen geteilt werden kann; und
Bilden einer Mehrzahl von Sensorelementen aus der die Bestimmungszusammensetzung enthaltenen Bahn, wobei die Mehrzahl von Sensorelementen jeweils eine Bestimmungszusammensetzungs-Schicht enthalten, und Anbringen eines einzelnen Sensorelementes, das aus der die Bestimmungszusammensetzung enthaltenden Bahn hergestellt ist, an einer Sensorbefestigung; wobei keines der Mehrzahl von Sensorelementen einen Teil der kontinuierlichen Bahn enthält.
Es werden auch Sensoren zum Messen der Konzentration eines Analyten in einem Medium beschrieben. Die kontinuierliche Bahn besteht vorzugsweise aus einem polymeren Material. Bei einer Ausführungsform umfasst die Vorstufe der Bestimmungszusammensetzung eine Sensorkomponente, die auf den interessierenden Analyten anspricht, und eine Polymer-Vorstufe. Der vorstehend genannte Bildungsschritt beinhaltet vorzugsweise das Polymerisieren dieser Polymervorstufe, wie durch Einsatz einer photoaktivierbaren, z. B. einer mit Ultraviolettlicht aktivierbaren Polymerisationskatalysatorkomponente. Die Bestimmungszusammensetzung eignet sich vorzugsweise zur Bestimmung der Konzentration eines Gases, z. B. Kohlendioxid oder Sauerstoff, in einem Medium, z. B. einem wässrigen Medium, wie Blut.
Kontinuierliches Platzieren der Vorstufe der Bestimmungszusammensetzung auf der kontinuierlichen Bahn bietet erhebliche Vorteile. Es wurde z. B. gefunden, dass eine im wesentlichen gleichmäßige Beschichtung einer Vorstufe der Bestimmungszusammensetzung kontinuierlich auf der Bahn viel leichter, kontrollierbar und verlässlich platziert werden kann, verglichen mit der Platzierung der Vorstufe auf der Bahn in einem Verfahren vom Batch-Typ, wie durch Beschichten relativ kleiner einzelner Lagen des Bahnmaterials. Da darüber hinaus mit diesem kontinuierlichen Verfahren eine sehr große Anzahl einzelner Sensorelemente in einem einzigen "Lauf" hergestellt werden kann, wird die fast inhärente und nachteilige Variabilität von einzelner Lage zu Lage, die mit dem Batch-Typ erhalten werden, vermieden. Ebenfalls lassen sich Einstellungen leicht während des kontinuierlichen Verfahrens vornehmen, insbesondere zu Beginn des Laufs, so dass eine Bestimmungszusammensetzungs-Vorstufen/Bahn mit der gewünschten Qualität erzielt wird.
Die kontinuierliche Bahn wird vorzugsweise behandelt oder beschichtet, damit die Haftung der Bestimmungszusammensetzung an der kontinuierlichen Bahn z. B. relativ zur Haftung der Bestimmungszusammensetzung an einer identischen kontinuierlichen Bahn, die nicht so behandelt oder beschichtet wurde, verstärkt wird. Eine solche Behandlung kann einen oder mehrere der nachstehenden Schritte umfassen: Unterwerfen der kontinuierlichen Bahn einer Plasma-Behandlung, und Unterwerfen der kontinuierlichen Bahn einer Corona-Entladungsbehandlung. Die haftverstärkende Beschichtung auf der kontinuierlichen Bahn kann ein Primer-Mittel oder derartiges Material umfassen.
Bei einer weiteren besonders geeigneten Ausführungsform umfassen die erfindungsgemäßen Verfahren das Bilden oder Bereitstellen einer kontinuierlichen opaken Folie auf der Bestimmungszusammensetzung z. B. derart, dass sich die Bestimmungszusammensetzung zwischen der kontinuierlichen Bahn und der opaken Folie befindet. Diese opake Folie kann z. B. vor dem Zusammenbringen mit der Bestimmungszusammensetzung gebildet werden oder sie kann in situ auf der Bestimmungszusammensetzung gebildet werden. Die kontinuierliche opake Folie ist für den zu bestimmenden Analyten durchlässig. Eine solche opake Folie eignet sich besonders bei Anwendungen, wobei das fertige Sensorelement, das von der Verbundstruktur aus kontinuierlicher Bahn und Bestimmungszusammensetzung hergeleitet ist, optisch isoliert werden muss; z. B. zur Senkung der Reflexion und/oder anderer optischer Interferenzen, so dass mehr als ein konsistentes Bestimmungssignal bereitgestellt wird, und schließlich die Genauigkeit des Sensors gefördert oder erleichtert wird.
Bei einer Ausführungsform kann die vorstehend genannte Bestimmungszusammensetzung ein kontinuierliches Klebeelement sein.
Sobald die kontinuierliche Bahn, die die Bestimmungszusammensetzung enthält, hergestellt ist, kann eine Mehrzahl einzelner Sensorelemente gebildet werden, z. B. aus diesem Material geschnitten werden. Jedes dieser Mehrzahl an Sensorelementen umfasst eine Bestimmungszusammensetzungsschicht (die von der kontinuierlichen Bestimmungszusammensetzung hergeleitet ist). Die Sensorelemente enthalten keinen Anteil der kontinuierlichen Bahn. Nach der Herstellung der die Bestimmungszusammensetzung enthaltenden Bahn kann die Bahn physikalisch abgestreift, gelöst oder sonst wie aus der Bestimmungszusammensetzung entfernt werden, so dass die Sensorelemente, die schließlich gebildet werden, keinen Bahnanteil oder -schicht enthalten. Sobald die einzelnen Sensorelemente gebildet sind, kann jedes dieser Elemente an einer Sensorhalterung oder Befestigung, z. B. in einem Hohlraum oder einer Einkerbung einer Sensorkassette angebracht, vorzugsweise klebend angebracht, verwendet werden.
Vorstufen der Bestimmungszusammensetzung, die wie hier beschrieben z. B. durch Licht aktivierbare Polymerisationskatalysatorkomponenten enthalten, liegen im Rahmen der vorliegenden Erfindung. Die die Bestimmungszusammensetzung enthaltenden Bahnen umfassen eine kontinuierliche Bahn, und eine kontinuierliche Bestimmungszusammensetzung, die auf den zu bestimmenden und auf der kontinuierlichen Bahn befindlichen Analyten anspricht. Die kontinuierliche Bahn und die kontinuierliche Bestimmungszusammensetzung sind wie an anderer Stelle hier beschrieben. Die erfindungsgemäßen Bahnen, die die Bestimmungszusammensetzung enthalten, können gemäß den hier beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Quellen für einzelne Sensorelemente, z. B. einschließlich kontinuierlicher Trennmembranen und einzelne Sensorelemente sind an anderer Stelle hier beschrieben.
Nach der Herstellung des einzelnen Sensorelementes und seiner Überprüfung auf die Erfüllung der Produktspezifikationen wird es an einer Sensorhalterung oder -befestigung angebracht, vorzugsweise zumindest teilweise in einem Hohlraum oder in einer Vertiefung mit einem offenen Ende, das sich in einer Sensorhalterung befindet. Das Sensorelement ist vorzugsweise so ausgerichtet, dass die Bestimmungszusammensetzung dem zu überprüfenden Medium ausgesetzt wird. Der Sensor, der das Sensorelement und die Sensorhalterung oder -befestigung umfasst, ist nun wie gewünscht für die Bestimmungsanwendung bereit, z. B. die Überwachung der Gaskonzentration in Blut.
Diese und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden in der nachstehenden eingehenden Beschreibung und in den Ansprüchen verdeutlicht, insbesondere, wenn diese im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen zu Rate gezogen werden, in denen gleiche Teile gleiche Bezugszahlen tragen.
1 ist ein Block-Diagramm, das zwei Verfahren zur Herstellung von Sensoren veranschaulicht.
2 ist eine Querschnittsansicht, die ein zusammengesetztes Sensorelement zeigt, welches an eine Sensor-Kassette gebunden ist.
3 ist eine schematische Ansicht, die ein an eine Sensor-Kassette gebundenes Sensorelement zur Erzeugung von Signalen zeigt, welche sich zur Bestimmung der Konzentration eines Gases in einem Medium eignen.
4 ist eine Querschnittsansicht, die ein zusammengesetztes Sensorelement zeigt, das an eine Sensor-Kassette gebunden ist.
5 ist eine perspektivische partielle Draufsicht von vorn einer Verbundstruktur, aus der einzelne Sensorelemente hergestellt werden.
6 ist eine perspektivische Draufsicht von vorn eines einzelnen Sensorelements, das aus der in 5 gezeigten Verbundstruktur hergestellt ist.
7 ist eine perspektivische partielle Draufsicht von vorn einer Verbundstruktur, aus der Einzelne Sensorelemente hergestellt werden. Diese Zeichnung zeigt eine Anzahl von Verbundschichten, die für eine veranschaulichende Klärung weggebrochen sind und zeigt zudem ein einzelnes Sensorelement, das aus der Verbundstruktur hergestellt ist.
In den Zeichnungen wurde nicht versucht, die einzelnen Schichten der Verbundstoffe und Sensorselemente mit verschiedenen Dicken zu zeigen. Es ist jedoch selbstverständlich, dass diese Unterschiede existieren, wie hier beschrieben.
In einem wichtigen Aspekt betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung von Sensoren, die einzelne Sensorelemente enthalten, wie einzelne Gassensorelemente, z. B. Kohlendioxid-Sensorelemente oder Sauerstoff-Sensorelemente, die sich zur Bestimmung eines Analyten, wie eines Gases, in einem flüssigen Medium, wie Blut, eignen.
Die erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Sensoren werden mit besonderem Verweis auf 1 beschrieben, und die geschichteten Verbundstoffe, Verbundstrukturen, und einzelnen Sensorelemente werden mit besonderem Verweis auf die 5, 6 und 7 beschrieben.
Die Verfahren zur Produktion von Sensoren, die in 1 veranschaulicht sind, umfassen eine Reihe von Schritten, wobei jeder Schritt in 1 durch einen eigenen Kasten dargestellt ist. Jeder dieser Schritte wird nachstehend eingehender erörtert. Kurz gesagt, beinhalten diese Verfahren die nachfolgenden Schritte. Im Anfangsteil der Verfahren, der allgemein bei 2 in 1 gezeigt ist, wird eine Vorstufe der Bestimmungszusammensetzung hergestellt und auf eine kontinuierliche Bahn angebracht, z. B. beschichtet. Eine kontinuierliche Bestimmungszusammensetzung wird aus der Vorstufe hergestellt und wird in ihrer Größe angepasst und strukturiert, so dass sie sich unter einer Mehrzahl von einzelnen Sensorelementen aufteilen lässt. Die Vorstufe der Bestimmungszusammensetzung beinhaltet bei der Herstellung der kontinuierlichen Bestimmungszusammensetzung oft eine Polymervorstufe, die gehärtet wird, d. h. polymerisiert und/oder vernetzt wird. Eine kontinuierliche opake Folie wird angebracht, z. B. aufgebracht oder gebildet, so dass sich diese Folie auf der kontinuierlichen Bestimmungszusammensetzung befindet, und die Bestimmungszusammensetzung befindet sich zwischen der opaken Folie und der kontinuierlichen Bahn, so dass ein Verbundstoff aus einer kontinuierlichen Bahn, der Bestimmungszusammensetzung und der opaken Folie erhalten wird. Der Verbundstoff ist bei 8 in 5 gezeigt. Die einzelnen Sensorelemente lassen sich aus dem Verbundstoff 8 herstellen, vorzugsweise unter Verwendung von einem von zwei alternativen Ansätzen.
Bei einem allgemein bei 4 in 1 veranschaulichten Verfahren werden die einzelnen Sensorelemente aus dem Verbundstoff aus kontinuierlicher Bahn, Bestimmungs-Zusammensetzung und opaker Folie hergestellt. Diese Herstellung kann das Schneiden oder sonstige Teilen des Verbundstoffs 8 umfassen, so dass die einzelnen Sensorelemente 10 hergestellt werden (vgl. 6, nicht erfindungsgemäß), die jeweils eine Bahnschicht 12 (die aus der kontinuierlichen Bahn abgeleitet ist), eine Bestimmungs-Zusammensetzungsschicht 14 (die von der kontinuierlichen Bestimmungs-Zusammensetzung in dem Verbundstoff hergeleitet ist) und eine opake Schicht 16 (die von der kontinuierlichen opaken Folie hergeleitet ist) aufweisen. Nach dem Prüfen und/oder Untersuchen zur Bestimmung, dass diese einzelnen Sensorelemente zufriedenstellend sind, z. B. die Produkt-Spezifikationen erfüllen, werden diese Elemente an den Sensorhalterungen oder -befestigungen, z. B. Hohlräumen oder Mulden in Sensor-Kassetten, angebracht. Die einzelnen Sensorelemente, die wie vorstehend erwähnt positioniert sind, sind gebrauchsfertig.
Bei einem weiteren nicht erfindungsgemäßen Verfahren, das allgemein bei 6 in 1 gezeigt ist, wird eine Klebezusammensetzungsschicht, die eine Klebezusammensetzung enthält, und vorzugsweise einen Haftkleber (PSA) umfasst, auf der kontinuierlichen Bahn des Verbundstoffs aus Bahn, Bestimmungszusammensetzung und opaker Folie angebracht. Diese Klebeschicht, die so lokalisiert ist, dass die kontinuierliche Bahn zwischen der Klebeschicht und der kontinuierlichen Bestimmungszusammensetzung ist, befindet sich vorzugsweise auf einer Trennschicht. Somit wird ein zusätzlicher Verbundstoff, der allgemein bei 20 in 7 gezeigt ist, hergestellt, wobei sich die Klebeschicht zwischen der Trennschicht und der kontinuierlichen Bahn befindet. Somit beinhaltet der zusätzliche Verbundstoff 20 die Trennschicht 22, Klebeschicht 24, kontinuierliche Bahn 26, kontinuierliche Bestimmungszusammensetzung 28 und kontinuierliche Folie 30.
Dieser zusätzliche Verbundstoff 20 wird "umgewandelt", so dass einzelne Sensorelemente 32 auf der Trennschicht 22 erhalten werden. Dieser "Umwandlungs-" oder "Einzel-Sensorelement-Herstellungs-" schritt erfolgt durch Schneiden oder sonstiges Teilen des zusätzlichen Verbundstoffs 20 zu einzelnen Sensorelementen 32, die sich auf der Trennschicht 22 befinden, die während dieses Schritts intakt bleibt. Jedes dieser einzelnen Sensorelemente 32 umfasst eine Klebe-Zusammensetzungsschicht 34 (die von der Klebeschicht 24 hergeleitet ist), eine Bahnschicht 36 (die von einer kontinuierlichen Bahn 26 hergeleitet ist), eine Bestimmungszusammensetzungsschicht 38 (die von einer kontinuierlichen Bestimmungszusammensetzung 28 hergeleitet ist) und eine opake Schicht 40 (die von einer kontinuierlichen opaken Folie 30 hergleitet ist). Das Material 42, das in keinem der Sensorelemente 32 enthalten ist, wird von der Trennschicht 22 entfernt. Die übrige Struktur, d. h. die Trennschicht 22, die die einzelnen Sensorelemente 32 trägt, ist eine sehr geeignete Quelle für einzelne Sensorelemente. Nach geeignetem Testen und/oder Überprüfen zur Bestimmung, dass die einzelnen Sensorelemente 32 eine annehmbare Qualität haben, lassen sie sich einzeln von der Trennschicht 22 entfernen und an einer Sensorhalterung oder -befestigung anbringen, z. B. an einem Hohlraum oder einer Vertiefung in einer Sensor-Kassette, so dass die Klebeschicht in Kontakt mit der Sensorhalterung oder -befestigung ist. Auf diese Weise wird das einzelne Sensorelement klebend an der Sensorhalterung oder -befestigung befestigt und ist gebrauchsfertig.
Die erfindungsgemäßen Verfahren und Verbundstoffe, Sensorelemente und darin eingesetzten Materialien sind wie folgt.
Eine Vorstufe der Bestimnungszusammensetzung wird hergestellt oder sonst wie zur Verfügung gestellt. Eine solche Vorstufe eignet sich zum Aufbringen als eine kontinuierliche, vorzugsweise eine im wesentlichen gleichmäßige, kontinuierliche Beschichtung auf der kontinuierlichen Bahn, und dazu, in die derzeit geeignete kontinuierliche Bestimmungs-Zusammensetzung umgesetzt oder in anderer Weise umgewandelt oder transformiert zu werden, während sie sich auf der Bahn befindet. Die Bestimmungszusammensetzung und vorzugsweise die Vorstufe der Bestimmungszusammensetzung enthält eine wirksame Menge einer Bestimmungskomponente, die auf den interessierenden Analyten anspricht und Signale bereitstellt, die diesen anzeigen. Die Vorstufe der Bestimmungszusammensetzung ist vorzugsweise derart, dass die resultierende Bestimmungszusammensetzung für den interessierenden Analyten durchlässig ist.
Es kann zwar eine beliebige geeignete Vorstufe der Bestimmungszusammensetzung eingesetzt werden, in einer besonders geeigneten Ausführungsform umfasst die Vorstufe jedoch eine Bestimmungskomponente und eine Polymervorstufe, d. h. eine Vorstufe eines polymeren Materials, das Teil der Bestimmungs-Zusammensetzung ist.
Das Polymermaterial der Bestimmungszusammensetzung ist für den im überwachten Medium interessierenden Analyten, vorzugsweise Gas, durchlässig, und ist durchlässig oder transparent für die Wellenlängen des eingesetzten Lichts, wenn – was vorzugsweise der Fall ist – optische Signale bei der Bestimmung des Analyten verwendet werden. Soll die Bestimmungszusammensetzung bei der Bestimmung von Kohlendioxid verwendet werden, ist dieses Polymermaterial vorzugsweise undurchlässig für Ionen und flüssiges Wasser. Wird die Bestimmungskomponente in einer dispergierten wässrigen Flüssigkeit gelöst, und enthält die wässrige Flüssigkeit vorzugsweise einen Puffer, wird die Konzentration der Pufferionen vorzugsweise im Wesentlichen konstant gehalten, so dass die Bestimmungszusammensetzung konsistente Signale in Reaktion auf die Konzentration des interessierenden Analyten, Kohlendioxid, im Medium liefert.
Jedes geeignete polymere Material kann in den vorliegenden Gasbestimmungs-Zusammensetzungen eingesetzt werden, vorausgesetzt, dass das polymere Material keine wesentliche nachteilige Wirkung auf die Funktion des erfindungsgemäßen Systems oder auf das zu überwachende Medium hat. Wegen der erheblichen Gas- und Licht-Durchlässigkeits- und Undurchlässigkeitseigenschaften für wässrige Substanzen sind polymere Materialien auf Silikon-Basis bevorzugt. Vernetzte polymere Materialien auf Silikonbasis werden stärker bevorzugt eingesetzt. Ist der interessierende Analyt Kohlendioxid oder Sauerstoff, ist das polymere Material vorzugsweise vernetztes Polydimethylsiloxan oder Copolymere von Polydimethylsiloxan.
Die Vorstufe des polymeren Materials, die Polymer-Vorstufe, kann ausgewählt werden aus einem oder mehreren Monomeren, Präpolymeren und deren Gemischen. In einer Ausführungsform ist die Polymer-Vorstufe eine Vorstufe eines Vinyl/Hydrid-additionshärtenden Polysiloxan-Polymers. Eine besonders geeignete Polymer-Vorstufe, z. B. wenn Kohlendioxid oder Sauerstoff der interessierende Analyt ist, ist Dimethylsiloxan mit endständiger Vinylgruppe. Soll das polymere Material vernetzt werden, wird ein Vernetzungsmittel mit der Polymervorstufe zugesetzt. Solche Vernetzungsmittel sind vorzugsweise Verbindungen, die mindestens drei funktionelle Gruppen je Molekül enthalten, die mit der Polymer-Vorstufe und/oder einem partiell polymerisierten Zwischenprodukt umgesetzt werden können, so dass Vernetzungen erhalten werden, z. B. zwischen Polymerketten in dem polymeren Material. Ein besonders geeignetes Vernetzungsmittel ist Methylhydrodimethylsiloxan-Copolymer, insbesondere wenn die Polymer-Vorstufe Dimethylsiloxan mit endständiger Vinylgruppe enthält.
Einer oder mehrere Katalysatoren können zur Förderung der Bildung durch Polymerisation des polymeren Materials verwendet werden. Ein solcher Katalysator ist Platin. Die Vorstufe der Bestimmungszusammensetzung, einschließlich einer Katalysatorkomponente, kann einer erhöhten Temperatur ausgesetzt oder unterworfen werden, die hinreicht, dass die Katalysatorkomponente die Polymerisation leichter fördern kann. Diese erhöhten Temperaturen sind höher als Umgebungstemperatur (22°C), und sie sind vorzugsweise im Bereich von etwa 40°C bis etwa 100°C oder mehr. Die Menge der verwendeten Katalysatorkomponenten sollte hinreichen, dass das gewünschte Ausmaß der Polymerisation gefördert wird. Die Katalysatorkomponente sollte natürlich keine wesentliche schädliche Wirkung auf die Funktion des erfindungsgemäßen Systems oder das überwachte Medium ausüben. Die Begriffe "Polymerisation" und "Polymerisieren", wie sie hier verwendet werden, betreffen eine oder mehrere chemische Reaktionen, einschließlich der Vernetzung, durch die ein Polymer oder ein polymeres Material gebildet wird.
Bei einer geeigneten Ausführungsform wird die Katalysatorkomponente so ausgewählt, dass sie aktivierbar ist (z. B. zur Förderung der Polymerisation der Polymervorstufe), z. B. photoaktivierbar, beim Aussetzen gegenüber einem oder mehreren Faktoren, wie z. B. Lichtenergie, vorzugsweise ausgewählt aus sichtbarer Lichtenergie und Ultraviolettlichtenergie und/oder erhöhten Temperaturen, wie hier definiert, und dergleichen. Ein erheblicher Vorteil eines solchen "Faktor"-aktivierbaren Katalysators ist, dass die Polymervorstufe, einschließlich des Katalysators hergestellt und als solches für relativ lange Zeitspannen erhalten werden kann, indem ein Aussetzen der Vorstufe gegenüber dem "aktivierenden" Faktor vermieden wird. Eine wichtige Verfahrensvariable, d. h. die Zeit, wenn die Polymervorstufe polymerisiert wird, wird bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Sensoren daher so eingestellt, dass das Bedürfnis, einem festen Produktionsplan zu folgen, wegen der spontanen Polymerisation der Polymervorstufe vorteilhaft verringert wird. Ist die Polymerisation der Polymervorstufe gewünscht, wird die Vorstufe einfach dem "Aktivierungsfaktor" ausgesetzt. Eine besonders geeignete Klasse von "faktoraktivierten" Katalysatoren sind solche, die durch Lichtenergie aktiviert werden, und die nach der Aktivierung durch ausreichend Lichtenergie die Polymervorstufe effektiv partiell polymerisieren können und auch bei Einwirkung erhöhter Temperaturen weiterhin die Polymerisation der partiell polymerisierten Polymervorstufe fördern können.
Ein geeigneter "faktoraktivierbarer Katalysator" kann erfindungsgemäß eingesetzt werden, vorausgesetzt, dieser Katalysator hat keine wesentliche nachteilige Wirkung auf das erfindungsgemäße System oder das überwachte Medium. Photoaktivierbare Hydrosilylierungs-Katalysatorsysten sind besonders geeignet. Bestimmte Materialien, die ein Metall der Platingruppe enthalten, sind sehr effiziente "faktoraktivierbare" Katalysatoren zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung. Eine Reihe dieser Katalysatorkomponenten sind in Drahnak, US-Patente Nr. 4,510,094 und 4,530,879 und 4,600,484, und in Boardman et al., US-Patent Nr. 4,916,169 offenbart. Spezifische Beispiele umfassen Cyclopentadienyltrimethyl-Platin, dessen Derivate und Gemische, insbesondere solche, die nach der Aktivierung durch sichtbare Lichtenergie oder Ultraviolettlichtenergie, zusätzliche wirksame katalytische Aktivität bei erhöhten Temperaturen bereitstellen. Die Verwendung einer Kombination von Lichtenergie und erhöhten Temperaturen zur Erleichterung der Polymerisation der Polymervorstufe ermöglicht, dass die Polymerisation rascher und vollständiger stattfindet als bei Systemen, in denen nur Lichtenergie eingesetzt wird.
Alternativ kann das Polymermaterial auf Silikonbasis durch Kondensationspolymerisationsreaktionen mit Silikonen mit endständiger Silanolgruppe, die mit Alkoxylsilanen unter Verwendung von Katalysatoren, wie Zinn-Derivaten, vernetzt werden, hergestellt werden.
Füllstoffe können in den vorliegenden Gasbestimmungs-Zusammensetzungen enthalten sein, die eine dispergierte wässrige Flüssigkeit enthalten, und sind vorzugsweise darin enthalten. Solche Füllstoffe verstärken die Stabilität der dispergierten wässrigen Flüssigkeit in der Bestimmungszusammensetzung und die Festigkeit der Bestimmungs-Zusammensetzung. Jeder geeignete Füllstoff kann eingesetzt werden, vorausgesetzt er hat keine wesentliche nachteilige Wirkung auf die Funktion des erfindungsgemäßen Systems oder auf das überwachte Medium. Bei einer Ausführungsform hat der Füllstoff hydrophobe Beschaffenheit. Solche Füllstoffe sind vorzugsweise in einer Menge im Bereich von etwa 1% bis etwa 20 Gew.%, bezogen auf die Menge des polymeren Materials, die in der Gasbestimungs-Zusammensetzung enthalten sind, zugegen. Ein besonders geeigneter Füllstoff ist Quarzstaub, z. B. in der Form feiner Teilchen.
Die Bestimmungs-Komponente oder Komponenten, die zur Verwendung ausgewählt werden, sind solche, die effizient ein Signal bereitstellen, das in Reaktion auf Veränderungen in den interessierenden Analyten, z. B. Konzentrationen des Gases, in dem überwachten Medium variiert. Die Bestimmungskomponente ist vorzugsweise ein optischer Indikator, wie Fluoreszenzindikatoren und Extinktionsindikatoren, insbesondere Fluoreszenzindikatoren.
Bei der Bestimmung der Kohlendioxidkonzentrationen sind Beispiele für verwendbare Extinktionsindikatoren Chlorophyllrot, Bromkresolpurpur, Nitrophenol, Bromthylmolblau, Penachlorom und Phenorot. Geeignete Fluoreszenzindikatoren für Kohlendioxid umfassen Hydroxypyrol-3,6,8-trisulfonsäure, nachstehend bezeichnet als HPTS oder Hydroxypyrol-Trisulfonsäure-Derivate, z. B. Salze, von HPTS, Beta-Methylumbelliferon oder Fluoreszein.
Die stärker bevorzugte Bestimmungskomponente, insbesondere zur Bestimmung der Konzentration von Kohlendioxid im Blut, wird ausgewählt aus HPTS, HPTS-Derivaten und deren Gemischen. Die Alkali- und Erdalkalimetallsalze von HPTS sind geeignete HPTS-Derivate.
Bei Sauerstoff-Bestimmungs-Konzentrationen umfassen Beispiele für Fluoreszenzindikatoren eine oder mehrere polynukleare aromatische Verbindungen und Derivate von polynuklearen Verbindungen. Beispiele für solche polynuklearen aromatischen Verbindungen umfassen Decacyclen, Benzo-ghi-perylen und Coronen. Die Sauerstoffindikatoren können ein Gemisch aus tert.-Butyl-Derivaten solcher polynuklearer aromatischer Verbindungen enthalten. Diese Indikatoren werden vollständiger in Yafuso et al., US-Patent Nr. 4,849,172 beschrieben.
Die Sauerstoff-Indikatoren können kovalent an den polymeren Materialien oder Matrixmaterialien, die in der Bestimmungs-Zusammensetzung enthalten sind, gebunden sein, z. B. damit sie nicht in das überwachte Medium abgegeben werden. Diese kovalente Bindung erfolgt vorzugsweise, indem eine Sauerstoffindikatorkomponente bereitgestellt wird, die eine umsetzbare Gruppe enthält, die mit einer umsetzbaren Gruppe reagiert, vorzugsweise einer anderen umsetzbaren Gruppe, die in einer der anderen Komponenten der Vorstufe des polymeren Matrixmaterials zugegen ist. Während der Bildung des polymeren Matrixmaterials können die vorstehend genannten umsetzbaren Gruppen ebenfalls umgesetzt werden, damit der Sauerstoffindikator kovalent an das Matrixmaterial gebunden wird. Besonders geeignete Sauerstoffindikatorkomponenten umfassen die vorstehend genannten polynuklearen aromatischen Verbindungen, die so derivatisiert sind, dass sie eine umsetzbare Gruppe enthalten, wie eine umsetzbare Gruppe mit funktioneller Kohlenstoff-Kohlenstoff-Ungesättigtheit. Die Vinylderivate dieser Verbindungen bieten hervorragende Ergebnisse.
Die Menge der verwendeten Bestimmungskomponente ist derart, dass ein hinreichend starkes Signal bereitgestellt wird, so dass der interessierende Analyt verlässlich und genau bestimmt werden kann.
Die vorliegenden Vorstufen der Bestimmungszusammensetzung und Bestimmungszusammensetzungen, die eine wässrige Flüssigkeit beinhalten, wie diejenigen, die bei der Bestimmung von Kohlendioxid geeignet sind, enthalten vorzugsweise auch eine wirksame Menge von mindestens einem Dispersionsmittel. Diese Mittel erleichtern es, dass die wässrige Flüssigkeit vor der Bildung des Polymermaterials in der Vorstufe der Bestimmungszusammensetzung dispergiert bleibt.
Jedes geeignete Dispersionsmittel kann verwendet werden, vorausgesetzt dass dieses Mittel keine wesentliche nachteilige Wirkung auf die Funktion des erfindungsgemäßen Systems oder auf das überwachte Medium hat. Beispiele für die Dispersionsmittel umfassen wasserlösliches Dextran, Polyvinylalkohol, Poly(ethylenoxid), Polyvinylpyrrolidon und Hydroxyalkylcellulosen. Die Menge an verwendetem Dispersionsmittel kann je nach z. B. dem spezifischen Dispersionsmittel der Polymervorstufe und dem eingesetzten Füllstoff variieren. Bei einer Ausführungsform ist die Menge des vorhandenen Dispersionsmittels im Bereich von etwa 1% bis etwa 40 Gew.% der gesamten eingesetzten Flüssigkeit.
Die Vorstufe für die kohlendioxid-bestimmende Zusammensetzung kann folgendermaßen hergestellt werden. Die kohlendioxid-bestimmende Komponente wird in einer Menge an flüssigem Wasser gelöst, so dass eine wässrige Flüssigkeit erhalten wird. In dieser wässrigen Flüssigkeit kann wenn gewünscht auch ein Puffer und/oder ein Dispersionsmittel gelöst sein. Die gewünschte Menge der Polymervorstufe und wenn gewünscht Füllstoffkomponente und Polymerisationskatalysator wird (werden) mit der wässrigen Flüssigkeit gemischt. Ein oder mehrere Vernetzungsmittel können zu diesem Zeitpunkt vorhanden sein oder nicht.
Das resultierende Gemisch wird stark gerührt, z. B. in einem mechanischen Homogenisator, so dass die wässrige Flüssigkeit dispergiert wird, und sich ein dispergiertes Gemisch bildet. Nach diesem Rühren kann das dispergierte Gemisch, das die dispergierte wässrige Flüssigkeit enthält, eine Zeit lang, z. B. im Bereich von etwa 1 Std. bei etwa 24 Std. oder mehr, gebrauchsfertig aufbewahrt werden.
Ein oder mehrere Vernetzungsmittel- wenn überhaupt – und ein Polymerisationskatalysator, wenn er nicht bereits zugegen ist, werden zu dem dispergierten Gemisch zugegeben. Diese werden vorsichtig in das dispergierte Gemisch gerührt, so dass die Vorstufe der Bestimmungs-Zusammensetzung hergestellt wird.
Nach der Herstellung der Bestimmungszusammensetzung und deren Entgasung wird eine Menge davon kontinuierlich auf eine Seite einer kontinuierlichen Bahn aufgebracht. Bei einer Ausführungsform ist die kontinuierliche Bahn transparent und/oder im wesentlichen undurchlässig für den zu bestimmenden Analyten. Diese Vorstufe ist vorzugsweise auf der kontinuierlichen Bahn als kontinuierliche Beschichtung oder Platte mit im wesentlichen gleichförmiger Dicke und Zusammensetzung zugegen. Wie bereits erwähnt bietet das kontinuierliche Aufbringen der Vorstufe auf der Bahn erhebliche Vorteile für die Herstellung des Sensorelementes und erzeugt schließlich verlässlich und kostengünstig qualitativ hochwertige Sensorelemente. Bei einer geeigneten Ausführungsform erfolgt das kontinuierliche Aufbringen der Vorstufe auf der Bahn durch kontinuierliches Leiten oder Bewegen der kontinuierlichen Bahn, vorzugsweise mit einer konstanten Geschwindigkeit, in die Nähe des stationären Auslasses einer Beschichtungsvorrichtung, welche die Bahn durch den Auslass mit der Vorstufe versorgt.
Andere Beschichtungsverfahren zum effizienten kontinuierlichen Aufbringen der Vorstufe der Bestimmungszusammensetzung auf der kontinuierlichen Bahn können eingesetzt werden. Viele Beschichtungsverfahren sind herkömmlich und im Fachgebiet für Beschichtungen gut bekannt. Beispiele für solche Verfahren umfassen Walzbeschichtung, Bürstenbeschichtung, Rakelbeschichtung, wie die Beschichtung mit einem schwebenden Rakel, Luftrakelbeschichtung, Rakel-über-Tuch-Beschichtung und Rakel-über-Walz-Beschichtung; Rakelstreichen; Stangen-Beschichtung, Tauchbeschichtung, Quetschwalzbeschichtung, Glattwalzenbeschichtung, Schleifauftrag, Tiefdruck-Beschichtung, Umkehr-Walzbeschichtung, Florstreichen, Extrusionsbeschichten; Schlitzöffnungsbeschichtung; Kalandrierung, Vorgussbeschichtung, Gussbeschichtung, Sprühbeschichtung; Zerstäuben, Vakuumbeschichtung und Vakuumbedampfen. Da die Vorstufe der Bestimmungszusammensetzung kontinuierlich auf die kontinuierliche Bahn aufgebracht oder beschichtet wird, ist das gewählte Beschichtungsverfahren vorzugsweise derart, dass die Bahn bei dem Beschichten mit der Vorstufe in Bewegung ist, stärker bevorzugt von einer stationären Quelle für die Vorstufe. Dieses Verfahren des Typs der "wandernden Bahn" bietet einfache und effiziente Kontrolle des Beschichtungsvorgangs, so dass im Wesentlichen gleichförmige Beschichtung relativ großer Längen, z. B. Längen von mindestens 2 Fuß oder mindestens etwa 5 Fuß bis etwa 20 Fuß oder etwa 50 Fuß oder mehr der kontinuierlichen Bahn erzielt werden.
Die kontinuierliche Bahn kann sich geeigneterweise auf der Walze oder in Form einer Walze vor dem Zuleiten zur Beschichten befinden. Nach der Herstellung der kontinuierlichen Bestimmungszusammensetzung aus der Vorstufenbeschichtung, kann die Bahn, die die Bestimmungszusammensetzung enthält, auf einer Walze angebracht werden oder in Form einer Walze vor dem nächsten Verfahrensschritt gehalten werden. Zudem können andere hier beschriebene Zwischenprodukte auf Walzen angebracht oder als Walzen aus Material zwischen den Verarbeitungsschritten gehalten werden.
Die Vorstufe für die Sauerstoffbestimmungszusammensetzung kann auf etwas analoge Weise zu der Kohlendioxid-Bestimmungs-Zusammensetzungsvorstufe hergestellt werden, außer, dass keine wässrige Flüssigkeit verwendet wird, und ein organisches Lösungsmittel verwendet wird, um die Bestimmungskomponente in die Polymervorstufe zu bringen.
Die Erfindung beinhaltet die Produktion von Sensorelementen, welche jeweils keinen Teil der kontinuierlichen Bahn enthalten, d. h. sie umfassen keine Bahnschicht. Sobald die Bahn, die die Bestimmungszusammensetzung enthält, gebildet wird, wird die kontinuierliche Bahn aus dieser Bestimmungszusammensetzung enthaltenden Bahn entfernt. Eine solche Entfernung kann das physikalische Abstreifen der Bahn von der kontinuierlichen Bestimmungszusammensetzung, das Aussetzen der Bestimmungszusammensetzung enthaltenden Bahn einem selektiven Lösungsmittel zum Lösen der kontinuierlichen Bahn und/oder einen oder mehrere andere bahnentfernende Schritte umfassen. Man achte unbedingt darauf, dass die Beschädigung der Bestimmungszusammensetzung bei der Entfernung der Bahn vermieden wird. Es kann z. B. von Vorteil sein, ein wasserlösliches Bahnmaterial, wie Polyvinylalkohol oder dergleichen einzusetzen, so dass Wasser zur Entfernung der Bahn verwendet werden kann, ohne dass die kontinuierliche Bestimmungszusammensetzung wesentlich beeinträchtigt wird.
Jedes der einzelnen Sensorelemente umfasst vorzugsweise gegenüberliegende Endoberflächen, die durch die Dicke des Elementes voneinander beabstandet sind, die im wesentlichen zueinander parallel sind. Jedes Sensorelement ist vorzugsweise so geformt, dass es zumindest teilweise in einen Hohlraum oder eine Mulde einer Sensorhalterung oder Kassette, wie es hier beschrieben ist, passt, wobei vorzugsweise eine Endoberfläche zur Wand gegenüber dem offenen Ende der Sensorhalterungshohlraums oder der Mulde gerichtet ist. Jedes der erfindungsgemäß hergestellten einzelnen Sensorelemente kann die Konfiguration eines geeignet kreisförmigen Zylinders aufweisen, und vorzugsweise ist dies auch so. Bei einer Ausführungsform hat die Bahnschicht eine Dicke im Bereich von etwa 0,0025 cm bis etwa 0,254 cm, und vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von etwa 0,127 cm bis etwa 1,27 cm. Die einzelnen Sensorelemente haben vorzugsweise ähnliche Durchmesser.
Die Vorstufe der Bestimmungszusammensetzung, die sich auf der kontinuierlichen Bahn befindet, wird in die kontinuierliche Bestimmungszusammensetzung umgewandelt oder in anderer Weise transformiert. Umfasst diese Vorstufe der Bestimmungszusammensetzung, wie es bevorzugt ist, eine Polymervorstufe, umfasst dieser Herstellungsschritt die Polymerisation, einschließlich der Vernetzung, der Polymervorstufe. Dieser Schritt zur Herstellung der Bestimmungs-Zusammensetzung erfolgt vorzugsweise bei Bedingungen, die zur Herstellung der Bestimmungszusammensetzung ohne Beeinträchtigung der Bahn oder anderer Komponenten des erfindungsgemäßen Systems wirksam sind. Sichtbare Lichtenergie oder Ultraviolettlichtenergie und/oder Temperatur, vorzugsweise im Bereich von etwa Umgebungstemperatur (22°C) oder erhöhter Temperatur, wie es hier beschrieben ist, sind oft sehr wirksam bei der Härtung der bevorzugten Silikon-Polymervorstufe, so dass man eine vernetzte silikonpolymerhaltige Bestimmungszusammensetzung erhält.
Nach der Verarbeitung der Vorstufe der Bestimmungszusammensetzung zur Herstellung der kontinuierlichen Bestimmungszusammensetzung wird vorzugsweise eine kontinuierliche Folie aus opakem Material auf die kontinuierliche Bestimmungszusammensetzung aufgebracht, z. B. angebracht oder gebildet, und zwar derart, dass die Bestimmungszusammensetzung sich zwischen der kontinuierlichen Bahn und der opaken Folie befindet. Diese opake Folie umfasst das Material, aus dem die opake Schicht der erfindungsgemäßen einzelnen Sensorelemente stammt. Die opake Folie kann in Form einer porösen Membran vorliegen, vorausgesetzt sie hat eine hinreichende Opazität und andere Eigenschaften, damit sie wie hier beschrieben als opake Folie arbeitet.
Die opake Folie und die opake Schicht bestehen aus einem Material, das für einen Analyten, vorzugsweise ein Gas, durchlässig ist. Diese opake Schicht wirkt zur Bereitstellung eines erheblichen Grades einer optischen Isolation für die Bestimmungszusammensetzungsschicht. Diese optische Isolation erleichtert die Bereitstellung eines im Wesentlichen fokussierten oder gerichteten Signals aus der Bestimmungskomponente, das wie hier beschrieben zur Analyse übertagen werden soll. Schließlich führt eine solche optische Isolation oft zu einer erhöhten Genauigkeit und Verlässlichkeit der Konzentrationsbestimmungen, die mit den erfindungsgemäßen Sensorelementen erhalten werden. Die opake Schicht sollte für den interessierenden Analyten in dem überwachten Medium frei durchlässig sein. Diese Durchlässigkeit der opaken Schicht für den Analyten ermöglicht, dass der interessierende Analyt aus dem Medium die Bestimmungszusammensetzung kontaktiert und auf die Bestimmungskomponente wirkt. Die opake Schicht besteht vorzugsweise aus einem Polymer, das mit einem opaken Mittel kombiniert ist.
Jedes geeignete Polymer kann in der erfindungsgemäß geeigneten opaken Schicht enthalten sein, vorausgesetzt, dass das Polymer keine wesentliche nachteilige Wirkung auf die Funktion des erfindungsgemäßen Systems oder das überwachte Medium hat. Das gewählte Polymer liefert vorzugsweise eine relativ dünne Folie mit einer hinreichenden Strukturintegrität und Haltbarkeit, damit es in den erfindungsgemäßen Verfahren und in den Sensorelementen von Nutzen ist. Bei einer Ausführungsform umfasst die opake Folie ein fluorhaltiges Polymer, vorzugsweise ein Polymer, ausgewählt aus Polyfluor-Kohlenwasserstoffen, Polyfluorkohlenstoffen und deren Gemischen und insbesondere Polytetrafluorethylen.
Eine vorgeformte opake Folie lässt sich zwar auf die kontinuierliche Bestimmungs-Zusammensetzung aufbringen, jedoch wird bei einer besonders geeigneten Ausführungsform die opake Folie in situ, d. h. auf der Bestimmungszusammensetzung, gebildet. Somit wird ein Gemisch, das eine Vorstufenkomponente des in der opaken Folie aufzunehmenden Polymers und ein opakes Mittel enthält, auf die Bestimmungszusammensetzung aufgebracht oder angebracht (beschichtet), vorzugsweise kontinuierlich aufgebracht. Dieses aufgebrachte Gemisch wird polymerisiert, z. B. gehärtet, so dass die opake Folie gebildet wird. Dieses Verfahren zur Herstellung der opaken Folie bietet erhebliche Vorteile, z. B. die Bereitstellung einer opaken Folie mit einer im Wesentlichen gleichförmigen Dicke, die fest an der Bestimmungs-Zusammensetzung angebracht ist. Der Einsatz der kontinuierlichen Verarbeitung zum Aufbringen des Gemischs auf die Bestimmungszusammensetzung, wie es hier beschrieben wird, bietet zusätzliche Vorteile, von denen viele den Vorteilen ähneln oder zu den Vorteilen analog sind, die durch kontinuierliches Aufbringen der Vorstufe der Bestimmungszusammensetzung auf der kontinuierlichen Bahn erzielt werden.
Die chemische Beschaffenheit des in der opaken Folie enthaltenen Polymers kann gleich oder verschieden sein zu der des polymeren Matrixmaterials der Bestimmungszusammensetzung. Bei einer sehr geeigneten Ausführungsform ist das in der opaken Folie enthaltene Polymer auf Silikonbasis vorzugsweise solch ein Polymer mit einer ähnlichen oder sogar im Wesentlichen gleichen chemischen Beschaffenheit, wie die Polymermatrixmaterialien auf Silikonbasis, die in der Bestimmungszusammensetzung enthalten sind. Die Verwendung von Polymermaterialien auf Silikonbasis in der opaken Folie führt zu Sensorelementen, die vorteilhafterweise schnellere Reaktionszeiten haben. In einer Ausführungsform umfasst die opake Folie ein Vinyl/Hydridadditionshärtendes Polysiloxan-Polymer. Ein spezifisches Beispiel für ein geeignetes Polymer zur Aufnahme in der opaken Folie ist ein Polymer, das von Dimethylsiloxan mit endständiger Vinylgruppe stammt, wie es z. B. zuvor in Bezug auf das Polymermatrixmaterial der Bestimmungs-Zusammensetzung beschrieben wurde. Opake Folien, die solche Polymere enthalten, können in situ auf der Bestimmungszusammensetzung im Wesentlichen auf die gleiche Weise hergestellt werden, wie vorher in Bezug auf die Herstellung der Bestimmungs-Zusammensetzung beschrieben, außer dass eine wirksame Menge eines geeigneten opaken Mittels anstelle der Bestimmungskomponente verwendet wird. Eine Ausnahme ist, dass photoaktivierbare Katalysatoren bei der Herstellung der opaken Folie im Allgemeinen nicht verwendet werden.
Ein beliebiges geeignetes opakes Mittel kann verwendet werden, vorausgesetzt, dass dieses oder diese Mittel das gewünschte Ausmaß an optischer Isolation bereitstellen, und keine wesentliche schädliche Wirkung auf die Funktion des erfindungsgemäßen Systems oder auf das überwachte Medium ausüben. Zu diesen opaken Mitteln, die sich erfindungsgemäß eignen, gehören Ruß, andere opake Mittel auf Kohlenstoffbasis, Eisen(III)oxid, TiO₂, BaSO₄ und Metallphthalocyanine. Diese opaken Mittel sind vorzugsweise im Wesentlichen gleichförmig in der opaken Schicht in einer Menge dispergiert, die hinreicht, dass das gewünschte Ausmaß an Opazität bereitgestellt wird, z. B. zur Bereitstellung der gewünschten optischen Isolation. Ein besonders geeignetes opakes Mittel ist Ruß.
Die opake Folie ist vorzugsweise wesentlich dünner als die übliche kontinuierliche Bahn, z. B. damit die Permeabilität des Analyten erleichtert wird. Die Dicke der opaken Folie reicht stärker bevorzugt von etwa 1% bis etwa 20% der Dicke der üblichen kontinuierlichen Bahn. Bei einer Ausführungsform hat die opake Folie eine Dicke zwischen 0,0001 cm bis 0,005 cm, stärker bevorzugt zwischen 0,0003 cm bis 0,0025 cm, am stärksten bevorzugt zwischen 0,0005 cm bis 0,0015 cm.
Ähnlich wie die Bahn beinhaltet die kontinuierliche opake Folie vorzugsweise gegenüberliegende Endoberflächen, die im wesentlichen parallel zueinander sind. Bei einer besonders geeigneten Ausführungsform ist eine der Endoberflächen der opaken Folie so strukturiert, dass sie an der kontinuierlichen Bestimmungszusammensetzung bindet oder haftet. Diese Eigenschaft steigert erfindungsgemäß vorteilhafterweise die Integrität der Verbundstrukturen und der einzelnen Sensorelemente. Eine solche Endoberfläche in Kontakt mit der kontinuierlichen Bestimmungszusammensetzung kann von innen so strukturiert sein, dass diese verstärkte Bindungsfestigkeit zwischen opaker Folie und Bestimmungs-Zusammensetzung erhalten wird, oder sie (und/oder die Bestimmungszusammensetzung) kann z. B. durch Aussetzen gegenüber Plasma- und/oder Korona-Entladung und/oder durch Beschichten mit einem Startermittel und/oder einer Kupplungskomponente und/oder durch Unterwerfen gegenüber anderen Oberflächen-Modifikationstechniken behandelt werden, damit diese verstärkte Bindungsfestigkeit bereitgestellt wird. Druck, z. B. Laminierungsdruck kann auf den Verbundstoff aus transparenter Bahn, Bestimmungszusammensetzung und opaker Folie angewendet werden, damit eine verstärkte Bindungsfestigkeit zwischen den Komponenten des Verbundstoffs erhalten wird.
Nachdem diese Verbundstruktur aus Bestimmungszusammensetzung und opaker Folie gebildet ist, lassen sich zufällige Proben des Verbundstoffs entnehmen und untersuchen oder prüfen, wobei herkömmliche Techniken verwendet werden, um zu bestimmen, ob die Verbundstruktur die Produktanforderungen für Sensorelemente in der gewünschten Anmeldung erfüllt. Ergibt ein solcher Test oder eine solche Untersuchung, dass die Verbundstruktur nicht innerhalb der Produktspezifikationen liegt, kann diese verworfen und der Prozess erneut gestartet werden. Sind die Ergebnisse der Zufallstestung jedoch positiv, d. h. dass die Verbundstruktur die Produktspezifikationen erfüllt, ist keine weitere Untersuchung vonnöten, bevor die einzelnen Sensorelemente, die von dieser Verbundstruktur stammen, in einer Bestimmungsanwendung verwendet werden. Wird diese Verbundstruktur aufgerollt, kann es wünschenswert sein, dass eine Nicht-Klebeschicht oder -Lage zwischen den Schichten aus dem Verbundstoff auf der Walze ist. Diese Nicht-Klebeschicht verhindert, dass die Verbundschichten auf der Walze aneinander kleben.
Unter der Annahme, dass eine Verbundstruktur hergestellt wurde, die die Produktspezifikationen erfüllt, wird die Struktur dann verarbeitet, z. B. mit einem Stanzstempel, einer Vorrichtung vom "Keksschneide-Typ" oder einer ähnlichen Vorrichtung zur Herstellung einzelner Sensorelemente, die dann zum Anbringen an einer Sensorhalterung oder einer Befestigung zum Gebrauch verfügbar sind. Die einzelnen Sensorelemente können z. B. zumindest partiell in einem offenendigen Hohlraum in einer Sensor-Kassette angebracht werden. Das Sensorelement wird z. B. durch einen Klebstoff an der Sensorhalterung befestigt. Jede geeignete, vorzugsweise transparente, Klebstoff-Zusanunensetzung, die vor Ort härtet, kann eingesetzt werden, vorausgesetzt, dass solche Zusammensetzungen keine wesentliche schädliche Wirkung auf das erfindungsgemäße System oder auf das überwachte Medium haben. Beispiele umfassen Klebstoffe auf Silikon-Basis, Zweikomponenten-Urethan-Kleber und Epoxy-Klebstoffe. Wie bereits erwähnt kann die Bestimmungszusammensetzung selbst ebenfalls die Funktion des Klebstoffelementes ausüben und an der Sensorhalterung kleben oder haften. Alternativ kann das Sensorelement an der Sensorhalterung oder an der -befestigung mechanisch befestigt werden, wie z. B. durch Verwendung von Klemmen oder anderen mechanischen Befestigungsvorrichtungen, oder es kann in einer Position auf der Sensorhalterung oder -befestigung im Presssitz angebracht werden. Andere Ausführungen lassen sich einsetzen, um das Sensorelement an der Sensorhalterung oder -befestigung anzubringen.
Das Sensorelement befindet sich derart im Verhältnis zur Sensorhalterung, dass die opake Schicht dem überwachten Medium ausgesetzt wird. Sensorelemente, die keine opake Schicht enthalten, können hergestellt werden und erfindungsgemäß verwendet werden.
Die Sensorhalterung wird vorzugsweise in der Nähe einer Anregungsanordnung angeordnet, die so positioniert und so ausgelegt ist, dass dem Sensorelement ein Anregungssignal übermittelt wird. Eine Detektoranordnung ist so angeordnet und so ausgelegt, das sie ein emittiertes Signal von dem Sensorelement erfasst, das das emittierte Signal in Reaktion bei Aussetzen gegenüber dem Anregungssignal liefert. Eine Prozessoranordnung ist so positioniert und ausgelegt, dass das emittierte Signal (oder ein Signal, das dem emittierten Signal entspricht) bei der Bestimmung der Konzentration des interessierenden Analyten in dem überwachten System analysiert wird.
Bei der Bestimmung von Kohlendioxid umfasst eine besonders geeignete Bestimmungs-Zusammensetzung ein Zweiphasensystem, das aus einem pH-Wert-Indikator besteht, der eine wässrige Phase enthält, die in einem nicht-polaren CO₂-permeablen Sperrmaterial eingekapselt ist. Leider ist ein charakteristisches Merkmal dieser Sensortypen die reversible "CO₂ -Konditionierungs-Abweichung", eine Instabilität der Reaktion, die durch große Änderungen im CO₂-Partialdruck zum Ausdruck kommt. Wir haben einen optischen Sensor auf Fluoreszenzbasis (z. B. zum Messen der CO₂-Konzentration in einem Medium, wie Blut) mit verbesserter Abweichungs-Stabilität entdeckt. Wir haben entdeckt, dass andere zufällig vorhandene, pH-Wert-titrierbare, sich verteilende Spezies als der interessierende Analyt reversibel zwischen der Indikator- und der Sperrphase als Funktion des pH-Werts und somit als Funktion des CO₂ Partialdrucks wandern können. Wir haben ebenfalls entdeckt, dass diese Spezies auch irreversibel aus dem Sensor ins Medium wandern (oder "austreten") können. Die Wanderung der sich verteilenden Spezies erzeugt eine pH-Wert-Reaktion, die das von der Analytenkonzentration abhängige Signal erheblich beeinflussen kann. Durch sorgsame Auswahl und/oder Reinigung der Sensormaterialien und Komponenten haben wir das Vorhandensein dieser zufälligen Spezies minimiert und eine im Wesentlichen abweichungsfreie Sensorformulierung entwickelt. Durch sorgsame Auswahl der Puffer-Zusammensetzung und des Indikators pKa haben wir alternativ Zusammensetzungen entdeckt, die die CO₂-abhängige Wanderung der zufälligen Spezies minimieren, was diese Sensoren weiterhin stabilisiert.
Wir haben unerwarteterweise entdeckt, dass eine Ursache für die Abweichungs-Instabilität (gewöhnlich bezeichnet als "Konditionierungs-Abweichung des Analyten" oder spezieller als "CO₂-Konditionierungs-Abweichung") tatsächlich ein pH-Wert-Hysterese-Phänomen ist, das auf der Gegenwart von pH-Wert-titrierbaren Materialien beruht (nachstehend bezeichnet als "sich verteilende Spezies"), die als Funktion des inneren pH-Wertes und daher als Funktion des CO₂ Partialdrucks in die bzw. aus der wässrigen Indikator-Phase wandern. Ionisierte Spezies sind zwar in den nicht-polaren Sperrmaterialien, wie Silikon, im Wesentlichen unlöslich, jedoch kann die neutrale Form von organischen Säuren oder Basen sowohl in der wässrigen Phase als auch der Silikonphase sehr löslich sein. Wird z. B. ein an der Luft äquilibrierter Sensor, der eine Natriumacetat-Verunreinigung in der wässrigen Indikatorphase umfasst, plötzlich einer erhöhten CO₂-Menge ausgesetzt, so dass der pH-Wert in der inneren Kammer von pH-Wert 9 auf 7 fällt, erfolgt ein plötzlicher 100 facher Anstieg der Essigsäurekonzentration, der eine thermodynamische Antriebskraft für eine langsame Wanderung ladungsneutraler Säure in das Silikon erzeugt. Eine Säureabreicherung von der wässrigen Indikatorphase induziert dann eine zusätzliche CO₂-Aufnahme und eine weitere Protonierung von Acetationen. Dieser Austausch von Natriumacetat durch Natriumbicarbonat ändert das Verhältnis zwischen pH-Wert und pCO₂ für die wässrige Indikator-Phase, was zu einem langsamen Anstieg des pH-Werts im Gegensatz zu dem anfangs auferlegten pH-Wert-Abfall führt. Der Wanderungs- oder der "Verteilungs"-Prozess läuft solange weiter, bis das Gleichgewichts-Verteilungsverhältnis für Essigsäure zwischen der wässrigen Indikatorphase und dem Silikon wieder eingestellt ist. Bei der Rückkehr zur luftäquilibrierten Grundlinie wird der Prozess umgekehrt. Der Grund für das CO₂-Abweichungs-Problem ist zwar nicht bekannt, jedoch ist es auf dem Gebiet der Sensoren gängige Praxis, kontinuierliche Blutgas-Überwachungssensoren in einen "CO₂-konditionierten Zustand" zu packen (d. h. bei erhöhten CO₂-Mengen) wodurch eine übermäßiger Abweichung bei der anfänglichen Einwirkung von physiologischen CO₂-Mengen etwas reduziert wird. Mit unserer neuen Formulierung sollte diese Praxis nicht länger erforderlich sein.
Ein entsprechendes Hystereseverfahren ist für organische Basen, wie Amine, einsetzbar, da sie auch aus der organischen Phase in die wässrige Indikatorphase wandern können, wenn die CO₂-Menge erhöht ist. Wird ein an der Luft äquilibrierter Sensor, der eine Amin-Verunreinigung in der Silikonphase umfasst, plötzlich einer erhöhten CO₂-Menge ausgesetzt, so dass der pH-Wert in der inneren Kammer von pH-Wert 9 auf 7 fällt, erfolgt ein plötzlicher 100 facher Anstieg der Ammoniumionen-Konzentration, was eine thermodynamische Antriebskraft für eine langsame Wanderung ladungsneutralen Amins aus dem Silikon in die wässrige Phase erzeugt. Die Aminaufnahme in die wässrige Indikatorphase induziert dann eine zusätzliche CO₂-Aufnahme und eine weitere Protonierung von Amin. Diese Anreicherung der Ammoniumionen ändert das Verhältnis zwischen pH-Wert und pCO₂ für die wässrige Indikatorphase, was zu einem langsamen Anstieg des pH-Werts gegenüber dem anfangs auferlegten pH-Wert-Abfall führt. Der Wanderungs- oder "Verteilungs"-Prozess läuft solange weiter, bis das Gleichgewichts-Verteilungsverhältnis für das Amin wieder eingestellt ist. Bei der Rückkehr zur luftäquilibrierten Grundlinie wird der Prozess umgekehrt. Die Wirkung auf die Sensorreaktion ist beachtlicherweise identisch für Acetatabreicherung und Aminaufnahme, d. h. wenn es von einem luftäquilibrierten Medium zu einem Medium bewegt wird, das bei einer höheren CO₂-Menge äquilibriert ist, ergibt sich eine negative mm Abweichung bei Vorhandensein jeder der beiden Arten von Spezies. Dieser Hysterese-Prozess kann ebenfalls für den Indikatorfarbstoff selbst stattfinden, wenn der Farbstoff im Gleichgewicht mit einer verteilungsfähigen ladungsneutralen Form im Gleichgewicht vorliegt.
Eine weitere Ursache für Abweichungsinstabilität (die als "Salzkonditionierungsabweichung" oder "Salzabweichung" bezeichnet wird), ist tatsächlich ein pH-Wert-abhängiges Phänomen, das von dem Vorhandensein pH-Wert-titrierbarer Materialien herrührt, die als Funktion des äußeren pH-Werts, und daher als Funktion des CO₂-Partialdrucks vom Sensor zum Medium wandern. Wird ein Luft-äquilibirerter Sensor, der eine Aminverunreinigung in dem Silikon enthält, plötzlich einer erhöhten CO₂-Menge ausgesetzt, fällt der pH-Wert des äußeren Puffers von 9 auf 7, was eine Antriebskraft für eine langsame Wanderung von ladungsneutralem Amin aus dem Silikon in das äußere wässrige Medium erzeugt, wo es protoniert wird. Dieser Prozess beeinträchtigt die Menge an Amin, die für die Verteilung in die interne wässrige Kammer verfügbar ist. Die Wirkung auf die Sensorreaktion ist beachtlicherweise entgegengesetzt zur vorher diskutierten CO₂-Konditionierungs-Drift. Demnach weist der Sensor aufgrund dieser wandernden Spezies eine positive mm Abweichung auf.
Mit diesem neuen Verständnis entwickelten wir neue CO₂-Sensorformulierungen, die weniger als eine kritische Menge an titrierbaren verteilungsfähigen Spezies enthalten und eine im Wesentlichen abweichungsfreie Reaktion aufweisen. Die Begriffe "abweichungsfrei" oder "im wesentlichen abweichungsfrei" bedeuten, dass der Sensor ein Signal bereitstellt, das über einen Zeitraum von 3 Std. weniger als 12% abweicht (d. h. < 5,5 mm), wenn er von einem Medium, das mit einem Gas mit einem pCO₂ von 0,25 mm äquilibriert wurde, zu einem Medium, das mit einem Gas mit einem pCO₂ von 45,6 nun äquilibriert wurde, bewegt wird, wie es hier beschrieben ist (siehe Beispiele 1 und 3b für Einzelheiten dieser Berechnung). Der Sensor liefert stärker bevorzugt ein Signal, das weniger als 6% driftet, wenn es von einem Medium, das mit einem Gas mit einem pCO₂ von 0,25 mm äquilibriert wurde (d. h. Luft-äquilibriert), zu einem Medium, das mit einem Gas mit einem pCO₂ von 45,6 mm äquilibriert wurde, bewegt wird. Am stärksten bevorzugt liefert der Sensor ein Signal, das weniger als 3% abweicht, wenn er von einem Medium, das mit einem Gas mit einem pCO₂ von 0,25 mm äquilibriert wurde, zu einem Medium, das mit einem Gas mit einem pCO₂ von 45,6 mm äquilibriert wurde, bewegt wird. Dieser Fortschritt bietet mehrere praktische Vorteile.
In einer Ausführungsform wird der Sensor in einer luftäquilibrierten Puffer-Bedingung gehalten, außer während der zeitweiligen Probennahme unter physiologischem CO₂. Bestimmte kommerzielle ex-vivo-Bestimmungssysteme, enthalten z. B. ein Sensorelement (z. B. eine Sensor-Zusammensetzung die sich in einer Kassette befindet, die an einer Lichtleitfaser befestigt ist, oder die alternativ eine Anregungslichtquelle enthält) in dem α-Leitungs-Kreislauf von arteriell katheterisierten Patienten. Die Blutgasmengen werden temporär (z. B. "bei Bedarf" durch den Sanitäter oder automatisch mit einer programmierten Pumpe oder einem Motor) überwacht, indem Blut in der Tröpfelleitung für die Salzlösung in die Sensor-Kassette nach oben gezogen wird, und es dann ermöglicht wird, dass das Blut in den Patienten zurückkehrt. Die vorliegende Erfindung, wenn sie in einer solchen Konfiguration verwendet wird, sollte frühere Einschränkungen auf die Frequenz und die Dauer der Probennahme unter physiologischem CO₂ beseitigen, die sich erzielen lassen, ohne dass man in eine Abweichung gerät oder diese induziert.
Erfindungsgemäße Sensoren werden leicht kalibriert und können sich vor, während oder nach der Kalibrierung ohne spezielle Vorsichtsmaßnahmen, die gemeinhin eingesetzt werden, um "CO₂-konditionierungs-Abweichung" oder "Salzlösungs-Abweichung" einzuschränken, in dem Kalibrierungsmedium befinden,.
Die Größe der Abweichung, die herkömmliche Sensoren aufweisen, ist proportional zur Pufferungs-Kapazität der wässrigen Indikator-Kammer. Endungsgemäße Sensoren, die vorzugsweise im Wesentlichen frei von verteilungsfähigen Spezies sind, haben den Vorteil, dass sie weit weniger abweichungsempfindlich sind, selbst wenn die Pufferungskapazität der wässrigen Indikatorphase gesenkt wird. Dies ermöglicht die Entwicklung von Sensoren mit einer schnelleren Ansprechzeit, ohne dass eine nicht zu tolerierende Rate und/oder Menge an Abweichung auftritt. Die erfindungsgemäßen Gassensoren sind zudem stabil (d. h. abweichungsfrei), reproduzierbar und tolerant gegenüber Produktionsvariabeln, ohne dass die inhärenten Eigenschaften der Gassensoren beeinträchtigt werden. Alternativ kann man die Abweichung, die Sensoren aufweisen, welche kleine Mengen an verteilungsfähigen Spezies enthalten, durch Einsetzen höherer Pufferkonzentrationen wie hier beschrieben reduzieren. Schließlich kann man eine höhere Pufferkonzentration mit einer "sauberen" Sensor-Chemie kombinieren, und einen abweichungsfreien Sensor erzeugen, der weniger anfällig gegenüber einer von außen induzierten Abweichung ist, wie sie durch Aussetzen des Sensors an ein Medium verursacht wird, das eine verteilungsfähige Spezies enthält.
Dies erfolgt vorteilhafterweise in einem Gassensor, der eine wässrige erste Phase, die einen Farbstoff enthält, und eine hydrophobe zweite Phase umfasst, und die im wesentlichen frei von verteilungsfähigen Verunreinigungen ist, die in Reaktion auf eine pH-Wert-Änderung in der ersten Phase von einer Phase zur anderen wandern können, und die das konzentrationsabhängige Signal wesentlich beeinträchtigen können. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erste Phase ein wässriges gepuffertes Lösungsmittel und einen Farbstoff, und die zweite Phase umfasst ein vernetztes polymeres Material, das gasdurchlässig, lichtdurchlässig und im wesentlichen für wässrige Medien undurchlässig ist.
In einer zur Zeit bevorzugten Ausführungsform werden die ersten und zweiten Phasen zu einem permanenten "Emulsoid" aus suspendierten oder dispergierten Mikrokammern der wässrigen ersten Phase in der vernetzten polymeren zweiten Phase geformt, wobei die Mikrokammern der wässrigen ersten Phase vorzugsweise kleiner als 5 Mikron und stärker bevorzugt kleiner als 2 Mikron sind.
In einer veranschaulichenden erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Farbstoff ein pH-Wert-empfindlicher Farbstoff, das wässrige Puffer-Lösungsmittel ist eine Pufferlösung im physiologischen Bereich, z. B. eine Pufferlösung auf der Basis eines Bicarbonations oder eines Bicarbonat-/Phosphat-Ions. In dieser veranschaulichenden Ausführungsform ist das Polymermaterial ein Silikonmaterial, wie z. B. ein Siloxanmaterial, das kohlendioxidpermeabel ist. Spezieller ist das Material Polydimethylsiloxan oder Polydimethylsiloxan-Copolymere. Der Farbstoff in der veranschaulichenden Ausführungsform ist das Trinatriumsalz von Hydroxypyren-trisulfonsäure ("HPTS ").
In einer veranschaulichenden Ausführungsform des Verfahrens ist der Farbstoff in der wässrigen Phase in einer Konzentration von etwa 1 bis etwa 15 mM zugegen, und der Puffer ist in der wässrigen Phase in einer Konzentration von etwa 1 bis etwa 100 mM zugegen. Stärker bevorzugt sind Farbstoff und Puffer in einer Konzentration von etwa 1 bis etwa 10 bzw. 1 bis 50 mM zugegen, und am stärksten bevorzugt sind Farbstoff und Puffer in einer Konzentration von etwa 1 bis 5 bzw. 5 bis 20 mM zugegen.
Ein weiteres vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines Gassensors umfasst das Lösen einer Menge eines Farbstoffs in einer Menge einer wässrigen Pufferlösung, gefolgt von heftigem Mischen der Pufferlösung mit einer Menge einer polymeren Vorstufe eines vernetzten Polymermaterials, so dass eine Emulsion (oder eine Suspension) der Pufferlösung und der Polymervorstufe hergestellt wird. Dann wird eine Menge eines Vernetzungsmittels und eines Katalysators zur Emulsion gegeben. Die katalysierte Emulsion wird in eine Form gebracht (z. B. zu einer Lage geschichtet, wie hier beschrieben, die sich zum Einbringen in eine Sensor-Kassette eignet) und gehärtet, so dass ein permanentes Emulsoid (das im wesentlichen frei ist von einer verteilungsfähigen Spezies, die in Reaktion auf eine pH-Wert-Änderung in der Pufferlösung von einer Phase in die andere wandern kann und die das von der Analytkonzentration abhängige Signal wesentlich beeinflussen kann) von Mikrokammern der den Farbstoff enthaltenden wässrigen Pufferlösung in dem vernetzten Polymermaterial hergestellt wird. Das vorstehende Verfahren kann verstärkt werden durch Zugabe einer Menge eines Emulgierungs-Verstärkungsmittels (z. B. ein Verdickungs- oder Netzmittel) zu der Lösung des Farbstoffs in dem Puffer, so dass ein Gemisch aus Farbstoff und Emulgationsverstärkungsmittel in dem Puffer erhalten wird, und/oder durch Zugabe eines Dispersionsmittels, wie Quarzstaub, zur hydrophoben Phase.
Die folgenden nicht-einschränkenden Beispiele veranschaulichen bestimmte Aspekte der vorliegenden Erfindung. Sämtliche Teile und Prozentangaben beziehen sich, wenn nicht anders angegeben, auf das Gewicht.
BEISPIELE
Beispiel 1 (Bezugsbeispiel)
Eine wässrige Lösung wird hergestellt durch Lösen von 11,8 mg Hydroxypyrentrisulfonat (Trinatriumsalz), 375 mg Poly(ethylenoxid) mit einem Molekulargewicht von 300000, 31,4 mg Trinatriumphosphatdodecahydrat und 59,6 mg Natriumchlorid in genug Wasser, so dass 7,5 g Lösung erhalten werden.
Ein Silikongemisch wird hergestellt durch Vereinigen von 16,4 mg Cyclopentadienyltrimethyl-Platin (eine durch Ultraviolettlicht aktivierten Katalysatorkomponente), 0,49 g Quarz, verkauft von Cabot unter dem Warenzeichen TS-530, und 15,91 g Poly(dimethylsiloxan) mit endständiger Vinyldimethylgruppe, das eine Viskosität von 1000 cSt aufweist und von NuSil Silikon Technology unter dem Wareneichen PLY-7500 verkauft wird. Die wässrige Lösung wird mit dem Silikongemisch vereinigt, und 1,1 g Poly(dimethyl)(methylhydro)siloxan, verkauft von NuSil-Silikon Technology unter dem Warenzeichen XL-123 mit einem Molekulargewicht von etwa 2100 und einem Gehalt an Silylhydridgruppe von etwa 30%, wird zugegeben. Dieses Gemisch wird dann mit einem Vertis Cyclone IQ-Homogenisator verarbeitet, so dass die Vorstufe der Bestimmungszusammensetzung erhalten wird.
Eine transparente kontinuierliche Polycarbonatbahn mit einer Dicke von etwa 0,0127 wird mit einer Adhäsionsverstärkungskomponente beschichtet, die von einem Gemisch stammt, das Wasser, 1,25 Gew% kolloidale Siliciumdioxidteilchen, 0,11 Gew.% Aminopropyltriethyoxysilan, 0,05 Gew.% Ammoniumhydroxid und 0,03 Gew.% eines Netzmittels, das von Rohm und Haas unter dem Warenzeichen Triton X-100 verkauft wird, enthält.
Mit Hilfe einer Vorrichtung, die von Hirano unter dem Warenzeichen M-200 verkauft wird, wird die Vorstufe der Bestimmungszusammensetzung kontinuierlich auf eine Seite der Bahn aufgebracht. Bei diesem Beschichtungsbetrieb (und bei allen anderen hier beschriebenen Beschichtungsvorgängen mit dieser Beschichtungsvorrichtung) wird die Bahn mit einer konstanten Geschwindigkeit in die Nähe der stationären Beschichtungsvorrichtung und unter diese bewegt. Diese Vorläuferbeschichtung hat eine im Wesentlichen gleichförmige Dicke von etwa 0,0025 cm. Die Vorstufe der Bestimmungszusammensetzung wird gehärtet, indem die Beschichtung etwa 70 mJ cm^–2 Ultraviolettlicht (365 nm) ausgesetzt wird. Die Beschichtung wird durch Belichten bei etwa 90°C für etwa 2 min weiter gehärtet, so dass die Bestimmungszusammensetzung hergestellt wird.
Eine opake Folienvorstufe wird hergestellt durch Mischen von 12 g einer 12 Gew.% igen Dispersion von Ruß, der von Cabot unter dem Warenzeichen Regal 99R verkauft wird, in Poly(dimethyl)siloxan mit endständiger Vinylgruppe, das von der NuSil Silicone Technology unter dem Warenzeichen PLY-7501 verkauft wird, und eine Viskosität von 500 cSt hat, mit 26,6 mg einer Platinkatalysatorlösung, die von NuSil-Silicone Technology unter dem Warenzeichen Cat50 verkauft wird, 6,5 eines Polymerysationsinhibitors, der von NuSil Silicone Technology unter dem Warenzeichen XL119 verkauft wird, und 0,6 g des vorstehend genannten Poly(dimethyl)(methylhydro)siloxans. Mit der vorstehend genannten Beschichtungsvorrichtung wurde diese opake Vorstufe kontinuierlich auf die Sensorschicht in einer im Wesentlichen gleichförmigen Beschichtung mit einer Dicke von etwa 0,0013 cm aufgebracht. Die opake Folienvorstufe wird durch Belichten bei 70°C für 2 min. gehärtet, so dass die opake Folie erhalten wird.
Einzelne Kohlendioxid-Sensorelemente werden aus dem Verbund aus kontinuierlicher Bahn, Bestimmungszusammensetzung und opaker Folie geschnitten. Jedes Sensorelement umfasst gewöhnlich einen im Allgemeinen kreisförmigen Abschnitt der transparenten Bahn, einen im Allgemeinen kreisförmigen Abschnitt der opaken Folie und eine dünne im Allgemeinen kreisförmigen Schicht der Bestimmungszusammensetzung dazwischen. Ein solches einzelnes Sensorelement ist in den 2 und 3 veranschaulicht.
Mit herkömmlichen Testverfahren wird eine kleine repräsentative Probe der einzelnen Kohlendioxid-Sensorelemente untersucht, um zu bestimmen, ob diese Elemente die Produktspezifikationen erfüllen, d. h. ob diese Elemente zur genauen und verlässlichen Bestimmung der Kohlendioxidkonzentration in menschlichem Blut effektiv sind. Diese einzelnen Kohlendioxid-Sensorelemente werden auf der Basis dieser Testverfahren als zufriedenstellend befunden.
Mit einem transparenten Klebstoff auf Silikonbasis, verkauft von Dow Corning unter dem Warenzeichen Dow Corning 3140 wird eines dieser Kohlendioxid-Sensorelemente in einer geeignet kreisförmigen zylindrischen offenendigen Vertiefung mit einem Durchmesser von 0,317 cm und einer Tiefe von 0,025 ± 0,0025 cm, die in einer Polycarbonat-Kassette gebildet ist, gebunden, so dass die transparente Bahnschicht zum Boden der Vertiefung weist. Vor dem Binden der Sensorelemente an die Kassette werden die Wände der Vertiefung mit einer Grundierung, verkauft von Dow Chemical Company unter dem Warenzeichen Dow 1205 zusammengebracht, so dass die Haftung zwischen dem Sensorelement und der Polycarbonat-Kassette gefördert wird.
Der so hergestellte Kohlensioxidsensor kann die Konzentration von Kohlendioxid im Blut bestimmen, das mit der opaken Schicht in Kontakt gebracht worden ist.
Beispiel 2 (Referenzbeispiel)
Beispiel 1 wird wiederholt, außer dass nach der Herstellung der opaken Folie der Verbundstoff wie folgt verarbeitet wird.
Eine Trennschicht aus einer Polyesterfolie, die mit einem Perfluorpolyether beschichtet ist, und von Minnesota Mining and Manufacturing Company unter dem Warenzeichen Scotch Pack 1022 verkauft wird, wird auf einer Seite mit einem Haftkleber beschichtet, der von General Electric unter dem Warenzeichen PSA-518 verkauft wird. Diese beschichtete Lage wird auf die Seite der transparenten Bahn gegenüber der Bestimmungszusammensetzung aufgebracht, so dass der Klebstoff in Kontakt mit der transparenten Bahn ist.
Dieser hergestellte Verbundstoff wird dann einem Schneidvorgang unterworfen, so dass im Allgemeinen richtig runde zylindrische Sensorelemente gebildet werden und auf der Trennschicht bleiben, die während dieses Härtevorgangs intakt bleibt. Jedes dieser Sensorelemente umfasst eine opake Schicht, eine Bestimmungszusammensetzungsschicht, eine transparente Bahnschicht und eine Klebstoffschicht. Ein solches Sensorelement ist in 4 veranschaulicht.
Nach dem Schneidevorgang wird das Material, das sich auf der Trennschicht befindet, die nicht Teil eines Sensorelementes ist, entfernt oder aus der Trennschicht ausgesondert. Dieses Nicht-Sensorelementmaterial wird verworfen.
Eine kleine repräsentative Probe der auf der Trennschicht befindlichen Sensorelemente wird entnommen und mittels herkömmlicher Techniken getestet, um zu bestimmen, ob die Sensorelement auf der Trennschicht die Produktspezifikationen erfüllen. Sobald bestimmt wurde, dass diese Sensorelemente zufriedenstellend sind, lassen sie sich einfach durch Entfernen von der Trennschicht und Anbringen in einem offenendigen Hohlraum einer Sensor-Kassette verwenden, so dass die Klebstoffschicht in Kontakt mit dem unteren Teil des Hohlraums der Sensorhalterung ist. Durch Anpressen des Sensorelementes in den Hohlraum bindet der Klebstoff das Sensorelement sicher an die Sensor-Kassette.
Der so hergestellte Kohlendioxid-Sensor kann die Kohlendioxid-Konzentration im Blut bestimmen, das mit der opaken Schicht in Kontakt gebracht wurde.
Beispiel 3 (Referenzbeispiel)
Ein 0,457 g-Anteil 4-Vinylbenzo[g,h,i]perylen wird mit 10,0 g Pol(methylhydro)(dimethyl)siloxan, beschrieben in Beispiel 1, und 300 ml Toluol gemischt. Ein 100 μ1 Anteil einer Platinkatalysatorlösung, verkauft von Huls Amerika unter dem Warenzeichen PC072, wird zugegeben, und die Lösung wird 1 Std. unter Rückfluss erhitzt und dann auf Raumtemperatur gekühlt. Ein 8 g-Anteil Entfärbungskohle wird zugegeben. Nach dem Rühren wird die Kohle durch Filtration entfernt. Dieser Schritt entfernt den Platinkatalysator. Das Toluol wird unter Vakuum entfernt, und der Rückstand wird mit Hexan auf 100 ml aufgefüllt.
Ein 0,7 mg Anteil Cyclopentadienyltrimethylplatin wird in 7,0 g Poly(dimethyl)siloxan it einer Viskosität von 500 cSt gelöst. Zu dieser Lösung werden 1,9 ml der vorstehend beschriebenen Hexanlösung gegeben. Das Hexan wird unter Vakuum entfernt, so dass die Bestimmungsschicht-Vorstufe hergestellt wird.
Eine transparente Poly(ethylenterephthalat)bahn mit einer Dicke von 0,0127 cm wird mit der Haftverstärkerkomponente beschichtet, die von dem in Beispiel 1 beschriebenen Gemisch stammt. Mit der in Beispiel 1 identifizierten Beschichtungsvorrichtung wird diese Vorstufe der Bestimmungszusammensetzung kontinuierlich auf eine Seite der Bahn aufgebracht. Diese Vorstufenbeschichtung hat eine im Wesentlichen gleichförmige Dicke von etwa 0,0013 cm.
Die Vorstufe der Bestimmungszusammensetzung wird durch Belichten der Beschichtung mit etwa 70 mJ cm^–2 Ultraviolettlicht (365 nm) gehärtet. Die Beschichtung wird durch Belichten bei etwa 90°C für etwa 2 min weiter gehärtet.
Eine opake Folienvorstufe wird wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt. Mit der in Beispiel 1 identifizierten Beschichtungsvorrichtung wird diese opake Vorstufe kontinuierlich auf die Bestimmungsschicht in einer im wesentlichen gleichförmigen Beschichtung mit einer Dicke von etwa 0,0008 cm aufgebracht. Die opake Vorstufe wird durch 2 min Aussetzen bei 70°C gehärtet.
Einzelne sauerstoffbestimmende Elemente werden aus dem Verbundstoff aus transparenter Bahn, Bestimmungszusammensetzung und opaker Folie geschnitten. Jedes Sensorelement umfasst einen im Allgemeinen runden Anteil an transparenter Bahn, einen im Allgemeinen runden Anteil an opaker Folie und eine dünne im Allgemeinen runde Schicht der Bestimmungszusammensetzung dazwischen.
Mit herkömmlichen Testverfahren wird eine kleine repräsentative Probe der einzelnen Sauerstoff-Sensorelemente untersucht, um zu bestimmen, ob diese Elemente die Produktspezifikationen erfüllen, d. h. ob diese Elemente zur genauen und verlässlichen Bestimmung von Sauerstoff in menschlichem Blut effektiv sind. Diese einzelnen Sauerstoff-Sensorelemente werden auf der Basis dieser Testverfahren als zufriedenstellend befunden.
Mit einem bei Raumtemperatur vulkanisierbaren transparenten Klebstoff auf Silikonbasis, verkauft von General Electrics unter dem Warenzeichen RTV 128, wird ein Sensorelement wie vorstehend beschrieben in einer geeignet kreisförmigen zylindrischen offenendigen Vertiefung mit einem Durchmesser von 0,3175 cm und einer Tiefe von 0,025 ± 0,0025 cm, die in einer Polycarbonat-Kassette gebildet ist, gebunden, so dass die transparente Bahnschicht zum Boden der Wand weist. Vor dem Binden der Sensorelemente an die Kassette werden die Wände der Vertiefung mit einer Grundierung, verkauft von Dow Chemical Company unter dem Warenzeichen Dow 1205, zusammengebracht, so dass die Haftung zwischen dem Sensorelement und der Polycarbonat-Kassette gefördert wird.
Der so hergestellte Sauerstoffsensor kann die Konzentration von Sauerstoff im Blut bestimmen, das mit der opaken Schicht in Kontakt gebracht worden ist.
Beispiel 4 (Referenzbeispiel)
Beispiel 2 wird wiederholt, außer dass der Verbundstoff aus kontinuierlicher Bahn, Bestimmungszusammensetzung und opaker Folie aus Beispiel 3 eingesetzt wird.
Sensoren mit einzelnen Sauerstoff-Sensorelementen werden hergestellt und eignen sich zum Bestimmen der Sauerstoffkonzentration von Blut, das in Kontakt mit der opaken Schicht gebracht wird.
Die 2 und 3 veranschaulichen die Verwendung eines in Beispiel 1 hergestellten Sensorelementes bei der Bestimmung von Kohlendioxid-Konzentrationen. Ein in Beispiel 3 hergestelltes Sensorelement lässt sich auf im Wesentlichen ähnliche Weise bei der Bestimmung von Sauerstoffkonzentrationen verwenden.
Wie in 2 und 3 gezeigt, wird dieses einzelne Sensorelement 50 in der Vertiefung 54 der Sensorhalterung 56 angebracht und an der Stelle gebunden, wobei eine Schicht 57 aus einem transparenten Kleber auf Silikonbasis verwendet wird. Die Vertiefung 54 ist an einem Ende offen, umfasst eine geeignet kreisförmige zylindrische Seitenwand 55 und eine runde Bodenendwand 58. Die Größe der Vertiefung 54 ist derart, dass das einzelne Sensorelement 50 und die Klebeschicht 57 auf Silikonbasis vollständig die Vertiefung ausfüllen. Das einzelne Sensorelement 50 wird so in der Vertiefung 54 angebracht, dass die transparente Bahnschicht 64 zur Bodenendwand 58 der Vertiefung 54 weist. Die opake Schicht 62 umfasst eine freiliegende Oberfläche 63 (3), die im Vergleich zur Innenfläche 70 der Sensorhalterung 66 angehoben ist. Die opake Schicht 62 schirmt die Bestimmungszusammensetzungsschicht 66 im Wesentlichen vor direktem Kontakt mit dem zu überwachenden Medium, z. B. Blut, ab. Je nach der spezifischen beteiligten Bestimmungsanwendung, kann die freiliegende Oberfläche der opaken Schicht relativ zur Innenseite der Sensorhalterung zurückversetzt sein oder bündig mit ihr abschließen.
Mit Bezug nun auf 3 befindet sich die aus einem transparenten Polycarbonatmaterial hergestellte Sensorhalterung 56 bei Gebrauch in an die Lichtleitfaser 72 angrenzender Beziehung. Die Lichtleitfaser 72 liefert ein Anregungslicht geeigneter Wellenlänge von der Lichtübertragungsvorrichtung 74 zum Anregen der Sensorskomponente in der Bestimmungszusammensetzungsschicht 66, damit diese fluoresziert und ein Signal liefert, das für die Konzentration von Kohlendioxid, das sich im Medium befindet, das in Kontakt mit der opaken Folie 62 steht, charakteristisch ist. Diese Lichtleitfaser 72 überträgt ebenfalls das Signal, das von der Sensorkomponente emittiert wird und leitet dieses Licht zu einer Lichterfassungs- oder -empfangsvorrichtung 76, aus der ein Signal, welches diesem emittierten Signal entspricht, zu einer herkömmlichen Elektronikprozessor-Vorrichtung 77 geleitet wird, die dieses ausgesendete Signal (das entsprechende Signal) verarbeitet oder analysiert, z. B. wie beschrieben in Lubbers et al., US-Reissue-Patent Nr. 31,879 und Heitzmann, US-Patent Nr. 4,557,900, bei der Bestimmung von Kohlendioxid in diesem Medium.
Über einen Zeitraum liefert das einzelne Sensorelement 50 übereinstimmende Signale, die verlässlich mit der wahren und genauen Kohlendioxidkonzentration im Blut im Kontakt mit der opaken Schicht 62 korreliert sind.
Die 4 veranschaulicht die Verwendung eines in Beispiel 2 hergestellten Sensorelementes bei der Bestimmung von Kohlendioxidkonzentrationen. Ein in Beispiel 4 hergestelltes Sensorelement kann auf im Wesentlichen ähnliche Weise bei der Bestimmung der Sauerstoffkonzentrationen verwendet werden.
Der 4 zufolge wird dieses einzelne Sensorelement 80 in der Vertiefung 54 der Sensorhalterung 86 angebracht und an Ort und Stelle mit einer Haftklebeschicht 87, welche eine Komponente des einzelnen Sensorelementes ist, gebunden. Die Vertiefung 54 ist an einem Ende offen, enthält eine geeignet kreisförmige zylindrische Seitenwand 85 und eine runde Bodenendwand 88. Die Größe der Vertiefung 54 ist derart, dass das einzelne Sensorelement 80 die Vertiefung vollständig ausfüllt. Das einzelne Gas-Sensorelement wird derart in der Vertiefung 54 angebracht, dass die transparente Bahnschicht 84 zur Bodenendwand 88 der Vertiefung 54 weist. Die opake Schicht 82 enthält eine freiliegende Oberfläche 89, die relativ zur Innenseite 90 der Sensorhalterung 86 angehoben ist. Die opake Schicht 82 schirmt die Bestimmungs-Zusammensetzungsschicht 86 im Wesentlichen vor direktem Kontakt mit dem zu überwachenden Medium, z. B. Blut, ab. Je nach der spezifischen beteiligten Bestimmungsanwendung kann die exponierte Oberfläche der opaken Schicht relativ zur Innenseite der Sensorhalterung zurückversetzt sein oder bündig mit ihr abschließen.
Sobald das einzelne Sensorelement 80 in der Vertiefung 54 der Sensorhalterung 86 durch manuelles Drücken des Sensorelementes in die Vertiefung befestigt ist, wird es auf analoge Weise wie das einzelne Sensorelement 50, wie in 3 veranschaulicht, eingesetzt.
Über einen Zeitraum liefert das Sensorelement 80 Signale, die verlässlich zur wahren und genauen Konzentration von Kohlendioxid im Blut in Kontakt mit der opaken Schicht 82 korreliert ist.
Die vorliegende Erfindung bietet erhebliche Vorteile, z. B. in Bezug auf Arbeitsersparnis, Kostenersparnis und Sensorleistung. Die vorliegenden Verfahren zur Massenproduktion von Sensorelementen reduzieren die Menge an Arbeit und anderer Quellen, die zur Produktion qualitativ hochwertiger Sensoren nötig sind. Die erfindungsgemäßen Verfahren sorgen für die Herstellung einzelner Sensorelemente, die im Wesentlichen gleichmäßige Eigenschaften aufweisen, und vermeiden die Variabilität, die der nacheinander erfolgenden Herstellung einzelner Sensorelemente innewohnt. Aufgrund der erheblichen Gleichförmigkeit, die unter den hergestellten einzelnen Sensorelementen erzielt wird, ist nur ein eingeschränktes Testen oder Prüfen notwendig, um zu bestimmen, dass sämtliche hergestellten Sensorelemente die Produktspezifikationen erfüllen. Die erfindungsgemäß hergestellten Sensorelemente haben herausragende Sensoreigenschaften und werden in einer Form bereitgestellt, die sich zur Aufnahme in eine Sensorhalterung oder -befestigung sehr eignet. Die vorliegende Endung macht somit vorteilhafterweise die Bestimmung eines interessierenden Analyten, z. B. eines Gases, in einem Medium, z. B. Blut, kostengünstiger, geeigneter und verlässlicher.
Beispiel 5
Ein 0,37 g Anteil eines vinylfunktionellen Silikons (General Electric 1145–122) wurde mit einem 0,45 g Anteil eines siliciumhydridfunktionellen Silikons (General Electric 1145-124) gemischt. Zu diesem Gemisch wurde 0,014 g einer Vernetzungs-/Farbstoff-Verbindung gegeben, das aus Silylhydrid bestand, das kovalent an Isobenzperylen gebunden war. Die Formulierung wurde sorgfältig gemischt, so dass ein unter Hydrosilylierung härtendes Silikon PSA hergestellt wurde, und auf eine Trennschicht gegossen. Die gegossene PSA-Bestimmungszusammensetzung war 0,0051 cm dick. Die gegossene Folie wurde 30 min bei 110°C gehalten, wonach eine trockene, klebrige einheitliche Folie erhalten wurde.
Auf die vorstehende PSA/Sensorfolie wurde eine 0,0051 cm dicke schwarze Teflonfolie laminiert. Einzelne Sensorelemente mit 2 mm Durchmesser wurden aus dem Laminat gestanzt Die Trennschicht wurde aus dem Laminat aus Teflon, PSA-Sensor und Trennschicht entfernt, und das einzelne Sensorelement wurde in der Vertiefung einer Polycarbonatsensorhalterung platziert. Das Sensorelement haftete fest an der Teflonschicht und der Polycarbonat-Sensorhalterung und konnte sogar nach 45 Tagen Altern nur mit Schwierigkeit entfernt werden.
Zur Demonstration der Fähigkeit des Sensorelementes zur Bestimmung von Sauerstoff wurde ein Stück mit 1cm² des vorstehend genannten Laminats in eine Gas-Durchflusszelle überführt und nach Aussetzen gegenüber einer Atmosphäre mit 0% Sauerstoff (d. h. reinem Stickstoff) und einer Atmosphäre mit 10% Sauerstoff untersucht. Mit einem 390 nm Anregungssignal (erzeugt mit einem Spex FluoroLog-2 Fluorimeter) wurden die Emissionsintensitäten bei 420 nm aufgezeichnet. Für das vorstehende Sensorelement betrug die Emissionsintensität bei 0% O₂ 1,98 × 10⁶ und bei 10% 0₂ 1,33 × 10⁶. Eine Steigung von 0,007 mm^–1 wurde für dieses Sensorelement berechnet, was besser ist als die Steigungen, die man bei üblichen nicht-haftenden O₂-Sensoren findet.
Die vorstehenden Daten veranschaulichen, dass ein haftendes Sensorelement hergestellt werden kann. Die PSA-Matrix umfasst ein vernetztes Poly(dimethylsiloxan) und ein Klebeharz. Die PSA-Matrix bindet sicher an eine Sensorhalterung und eine optische Isolations-Sperrfolie. Dies liefert ein Sensorelement mit einer sehr einfachen Konstruktion und eliminiert den Bedarf an speziellen Beschichtungen oder Behandlungen, die zur Verstärkung der Haftung herkömmlicher Silikonmatrizen an Sensorhalterungen und/oder optischen Sperrfolien verwendet werden.
Diese Erfindung wurde zwar anhand verschiedener spezifischer Beispiele und Ausführungsformen beschrieben, jedoch ist die Erfindung selbstverständlich nicht darauf eingeschränkt, und sie kann auf verschiedene Weise im Rahmen der nachfolgenden Ansprüche ausgeübt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer zur Bestimmung eines Analyten geeigneten Sensors, wobei das Verfahren umfaßt: kontinuierliches Plazieren eines Vorläufers einer Bestimmungszusammensetzung auf einer kontinuierlichen Bahn, um dadurch eine kontinuierliche Bahn, welche den Vorläufer enthält, zu bilden; Bilden einer kontinuierlichen Bestimmungszusammensetzung, welche auf den Analyten anspricht, aus dem in der kontinuierlichen Bahn, welche den Vorläufer enthält, eingebrachten Vorläufer der Bestimmungszusammensetzung, um dadurch eine Bahn, welche eine Bestimmungszusammensetzung enthält, herzustellen, wobei die kontinuierliche Bestimmungszusammensetzung eine Größe und Struktur aufweist, so daß sie in eine Mehrzahl von Sensorelementen geteilt werden kann; und wobei der Schritt des Bildens das Entfernen der kontinuierlichen Bahn von der Bahn, welche die Bestimmungszusammensetzung enthält, einschließt.
Verfahren zur Herstellung eines zur Bestimmung eines Analyten geeigneten Sensors gemäß Anspruch 1, wobei das Verfahren weiterhin umfaßt: Plazieren einer kontinuierlichen, opaken Schicht oder Folie auf der kontinuierlichen Bestimmungszusammensetzung, um dadurch eine Verbundstruktur zu bilden.
Verfahren zur Herstellung eines zur Bestimmung eines Analyten geeigneten Sensors gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Vorläufer der Bestimmungszusammensetzung eine Bestimmungskomponente, einen Vorläufer eines Polymers und eine wirksame Menge einer durch Licht aktivierbaren Polymerisationskatalysatorkomponente umfaßt; und die kontinuierliche Bestimmungszusammensetzung, welche auf den Analyten anspricht, aus dem Vorläufer der Bestimmungszusammensetzung hergestellt wird, indem der Vorläufer der Bestimmungszusammensetzung mit ausreichender Lichtenergie belichtet wird, um die durch Licht aktivierbare Polymerisationskatalysatorkomponente zu aktivieren und den Vorläufer des Polymers teilweise zu polymerisieren, und indem der teilweise polymerisierte Vorläufer des Polymers erhöhter Temperatur ausgesetzt wird, um den teilweise polymerisierten Vorläufer des Polymers weiter zu polymerisieren.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die kontinuierliche Bestimmungszusammensetzung in Form einer Schicht mit einer im wesentlichen einheitlichen Dicke auf der kontinuierlichen Bahn vorliegt und zur Bestimmung der Konzentration eines Gases in einem Medium verwendbar ist.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die kontinuierliche Bahn ein transparentes Material umfaßt, das polymer ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Vorläufer der Bestimmungszusammensetzung eine Bestimmungskomponente, einen Vorläufer eines Polymers und eine wirksame Menge einer Polymerisationskatalysatorkomponente umfaßt, und der Schritt des Bildens Polymerisieren des Vorläufers des Polymers umfaßt, und einen Schritt einschließt, in dem der Vorläufer der Bestimmungszusammensetzung erhöhter Temperatur ausgesetzt wird, um der Polymerisationskatalysatorkomponente das Fördern der Polymerisation zu erleichtern.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, welches weiterhin Plazieren einer kontinuierlichen, opaken Folie auf der Bestimmungszusammensetzung umfaßt, wobei die kontinuierliche, opake Folie für den Analyten durchlässig ist.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, welches weiterhin Bilden einer Mehrzahl von Sensorelementen aus der Bahn, welche die Bestimmungszusammensetzung enthält, umfaßt, wobei jedes der Mehrzahl an Sensorelementen eine Bestimmungszusammensetzungsschicht einschließt, und Befestigen eines einzelnen Sensorelements aus der Bahn, welche die Bestimmungszusammensetzung enthält, gebildet wurde, an eine Sensorbefestigung.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Bestimmungszusammensetzung einen Haftklebstoff umfaßt, welcher geeignet ist, sicher an einer Sensorhalterung und der kontinuierlichen Bahn zu haften.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die kontinuierliche Bestimmungszusammensetzung bei der Bestimmung der Konzentration eines Gases in einem Medium verwendbar ist, wobei die opake Folie durch Polymerisieren eines Vorläufers einer opaken Folie, umfassend ein opakes Mittel und einen Vorläufer eines polymeren Materials, gebildet wird, und die kontinuierliche Bestimmungszusammensetzung und die kontinuierliche, opake Folie als Schichten mit jeweils einer im wesentlichen einheitlichen Dicke vorliegen.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, welches weiterhin Bilden einer Mehrzahl von Sensorelementen aus der Verbundstruktur umfaßt, wobei jedes der Mehrzahl an Sensorelementen eine Bestimmungszusammensetzungsschicht und eine Schicht aus opakem Film einschließen, und Befestigen eines der Sensorelemente an einer Sensorbefestigung.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die kontinuierliche Bahn Polycarbonat umfaßt, wobei der Analyt Kohlendioxid ist, und wobei die pH-empfindliche Indikatorkomponente HPTS umfaßt.
Sensor zur Bestimmung der Konzentration eines Analyten in einem Medium, umfassend ein durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 erhältliches Sensorelement.
Sensor zur Bestimmung der Konzentration eines Analyten in einem Medium, umfassend: ein durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 erhältliches Sensorelement; eine Anregungsanordnung, welche positioniert und angepaßt ist, ein Anregungssignal für das Sensorelement bereitzustellen; eine Detektoranordnung, welche positioniert und angepaßt ist, ein von dem Sensorelement emittiertes Signal zu detektieren, wobei das Sensorelement geeignet ist, das emittierte Signal als Antwort auf die Einwirkung des Anregungssignals bereitzustellen; und eine Prozessoranordnung, welche positioniert und angepaßt ist, das emittierte Signal zur Ermittlung der Konzentration des Analyten im Medium zu analysieren.
Sensor, umfassend: eine Sensorbefestigung, welche eine Oberfläche einschließt, die angepaßt ist, einem Medium ausgesetzt zu werden, welches einen Analyten enthält, dessen Konzentration ermittelt werden soll; und ein durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 erhältliches Sensorelement, welches an der Sensorbefestigung befestigt ist, wobei das Sensorelement in Bezug auf die Oberfläche so angeordnet ist, daß es dem Medium ausgesetzt ist, wenn die Oberfläche derartig ausgesetzt ist.
Sensor gemäß Anspruch 15, wobei die Sensorbefestigung einen Hohlraum einschließt und sich das Sensorelement mindestens teilweise in dem Hohlraum befindet.
Verfahren zur Herstellung eines zur Bestimmung eines Analyten geeigneten Sensors, wobei das Verfahren umfaßt: kontinuierliches Plazieren eines Vorläufers einer Bestimmungszusammensetzung auf einer kontinuierlichen Bahn, um dadurch eine kontinuierliche Bahn, welche den Vorläufer enthält, zu bilden; Bilden einer kontinuierlichen Bestimmungszusammensetzung, welche auf den Analyten anspricht, aus dem Vorläufer der Bestimmungszusammensetzung, welcher in der kontinuierlichen Bahn, welche den Vorläufer enthält, eingebracht ist, um dadurch eine Bahn, welche die Bestimmungszusammensetzung enthält, herzustellen, wobei die kontinuierliche Bestimmungszusammensetzung eine Größe und Struktur aufweist, so daß sie in eine Mehrzahl von Sensorelementen geteilt werden kann; und Bilden einer Mehrzahl von Sensorelementen aus der Bahn, welche die Bestimmungszusammensetzung enthält, wobei jedes der Mehrzahl an Sensorelementen eine Bestimmungszusammensetzungsschicht einschließt und Befestigen eines einzelnen Sensorelements, welches aus der Bahn, welche die Bestimmungszusammensetzung enthält, gebildet ist, an einer Sensorbefestigung; wobei keines der Mehrzahl an Sensorelementen einen Teil der kontinuierlichen Bahn einschließt.