DE69533859T2

DE69533859T2 - Ionensensor

Info

Publication number: DE69533859T2
Application number: DE69533859T
Authority: DE
Inventors: John L. Dektar; Patil L. Sanjay
Original assignee: Terumo Cardiovascular Systems Corp
Current assignee: Terumo Cardiovascular Systems Corp
Priority date: 1994-10-31
Filing date: 1995-09-22
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2015-09-23
Also published as: US5591400A; EP0936458A1; EP0789839A1; JPH10507261A; DE69513683D1; EP0789839B1; DE69533859D1; WO1996013711A1; DE69513683T2; JP3665074B2; EP0936458B1

Description

Die Erfindung betrifft ein System zum Erfassen von ionischen Spezies. Insbesondere betrifft die Erfindung Sensoren, die zum Erfassen ionischer Spezies in Fluiden, wie Blut, verwendet werden können.
In der modernen medizinischen Praxis stellen die Konzentrationen von in Blut gelösten Gasen und Ionen einen wichtigen Hinweis für den Zustand des Patienten dar. Herkömmlich wurden ionische und gasförmige Spezies dadurch gemessen, daß eine Blutprobe entnommen und diese nach elektrochemischen Verfahren untersucht wurde. Seit kurzem werden Direktkontaktmessungen mit im vaskulären System angeordneten Sensoren angewendet. Solche Sensoren können zum Beispiel elektrochemischer Natur oder auf optischer Basis sein.
Bei einem Typ eines optischen Blutsensors wird ein Matrixmaterial mit einer Sensorkomponente behandelt, die ein Signal liefern kann, das sich je nach Änderung der Konzentration der interessierenden Spezies ändert. Diese Sensorkomponente ist im allgemeinen kovalent an das Matrixmaterial angebunden, obwohl dies nicht immer erforderlich ist. Das Matrixmaterial und die Sensorkomponente bilden ein Sensorelement. Bei einem solchen Sensor ist die Sensorkomponente ein Fluoreszenzfarbstoff und das Matrixmaterial eine Cellulosemembranfolie. Aus der Membranfolie wird eine kleine Scheibe herausgeschnitten und diese wird in die Vertiefung einer Sensorkassette gelegt, die wiederum in der Nähe eines Lichtwellenleiters angeordnet wird. Ein undurchsichtiges Überzugsmaterial kann physikalisch über der freiliegenden Oberfläche dieser Scheibe angeordnet und an der Kassette befestigt werden. Dieser Überzug, der von der Scheibe physikalisch getrennt ist, liefert die optische Isolation für den Farbstoff im Sensorelement. Ein anderer Konstruktionstyp umfaßt eine Scheibe einer Cellulosemembran mit einem kovalent daran angebundenen Fluoreszenzfarbstoff und einem Überzugsmaterial, das ebenfalls kovalent an die Scheibe gebunden ist (siehe US-Patent Nr. 5,081,041). Bei beiden Konstruktionstypen unterliegt die Sensorkomponente, wenn sie von auf die Sensorkomponente gestrahltem Licht angeregt wird, einer Fluoreszenz, wodurch ein Signal emittiert wird. Dieses Emissionssignal wird vom Lichtwellenleiter zu einem Prozessor geleitet, worin es analysiert wird, wodurch die Bestimmung der Konzentration der interessierenden Spezies ermöglicht wird.
Bekannte Verfahren zur Herstellung solcher Sensoren weisen bestimmte Einschränkungen auf. In einigen Fällen muß das Verfahren unvorteilhaft lange dauern, damit bestimmte Reaktionen abgeschlossen sind. In anderen Fällen erfordert das Verfahren die Verwendung von Reagenzien oder erzeugt Zwischenprodukte oder Nebenprodukte, die toxisch sind. Außerdem ist die Übereinstimmung von Sensoren, die aus unterschiedlichen Teilen der gleichen Membranfolie ausgeschnitten wurden, unzureichend, um Sensoren mit für die Allgemeinheit möglichst geringen Kosten herzustellen. Bestimmte bekannte Verfahren bieten aufgrund der geringen und variablen Farbstoffkonzentrationen und pK_S-Werten auch keine angemessene Empfindlichkeit der fertigen Vorrichtung.
EP-A-0 263 693 beschreibt einen pH-Mikrosensor, der durch Umsetzen einer pulverförmigen aminoalkylierten Cellulose mit einem Farbstoff hergestellt wird, um den Farbstoff kovalent an die Aminoalkylreste an der Cellulose zu binden.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit den vorstehend aufgeführten Einschränkungen auf diesem Fachgebiet, indem ein Ionensensor bereitgestellt wird, der durch ein Gesamtverfahren hergestellt ist, das einen einfachen Scale-up auf die kommerzielle Produktion bietet, weniger toxische Reagentien als bisher erforderlich verwendet und als Folge von im allgemeinen höheren und gleichmäßigeren Farbstoffkonzentrationen und pK_S-Werten übereinstimmendere Ergebnisse und eine gute Empfindlichkeit bietet. Dieses Gesamtverfahren beinhaltet verschiedene verbesserte Behandlungsschritte, die die Herstellung der Sensorkomponente und das Anbringen der Sensorkomponente an dem Matrixmaterial betreffen. Diese Behandlungsschritte werden vorzugsweise bei der Herstellung eine Sensors verwendet, bei dem auf das Sensorelement ein Überzug aufgebracht wird, nachdem die Sensorkomponente an das Matrixmaterial angebunden worden ist. Bevorzugte Ausführungsformen dieses Gesamtverfahrens erfordern beträchtlich weniger Zeit als herkömmliche Verfahren, verwenden und erzeugen weniger toxische Materialien, produzieren Sensoren mit besser übereinstimmenden pK_S-Werten und erzeugen Sensoren mit besser übereinstimmenden, hohen pK_S-Werten, vorzugsweise mindestens etwa 6,90 bei 37°C.
Die vorliegende Erfindung stellt einen ionischen Sensor zum Erfassen der Konzentration einer ionischen Spezies in einem Medium bereit, umfassend: ein Sensorelement, das ein polymeres ionendurchlässiges Matrixmaterial und eine Sensorkomponente, die kovalent durch verbindende Epoxid- und Amingruppen an das polymere ionendurchlässige Matrixmaterial gebunden ist; wobei die Sensorkomponente in einer wirksamen Menge vorhanden ist, um ein Signal bereitzustellen, das so variiert, wie die Konzentration der ionischen Spezies in dem Medium variiert; und ein opakes Überzugsmaterial, das das Sensorelement bedeckt, umfasst. Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung.
Beschreibung der Erfindung im einzelnen
Die vorliegende Erfindung beschreibt Verfahren zur Herstellung von Ionensensoren, die ein Matrixmaterial, wie ionendurchlässige Cellulose, mit einer darin enthaltenen Sensorkomponente, wie einem Fluoreszenzfarbstoff, und ein undurchsichtiges Überzugsmaterial umfassen. Die Kombination aus Matrixmaterial und Sensorkomponente wird hier als Sensorelement bezeichnet. Das Sensorelement umfaßt eine Sensorkomponente in einer Menge, die die Erzeugung eines Signals bewirkt, das sich je nach Änderungen der Konzentration der interessierenden ionischen Spezies im überwachten Medium ändert. Das undurchsichtige Überzugsmaterial kann zum Beispiel eine Farbschicht, eine schwarze Membran oder ein zweites Matrixmaterial, wie Dextran, mit einem undurchsichtigen Mittel, wie Ruß, sein, das in einer Menge enthalten ist, die dazu führt, daß das zweite Matrixmaterial undurchsichtig ist. Das undurchsichtige Überzugsmaterial kann vom Sensorelement physikalisch getrennt sein oder in direktem Kontakt damit stehen, wie es zum Beispiel bei dem in US-Patent Nr. 5,081,041 offenbarten Sensor der Fall ist. Die erfindungsgemäßen Verfahren können für die Herstellung jedes Sensortyps angewendet werden.
Die Verfahren liefern Sensoren mit sehr zuverlässigen Sensorsignalen, die sehr deutlich auf Änderungen der Konzentration der interessierenden ionischen Spezies im überwachten Medium ansprechen. Sie haben einheitlichere Farbstoffkonzentrationen, besser übereinstimmende pK_S-Werte und besser übereinstimmende hohe pK_S-Werte. Die erfindungsgemäßen Sensoren haben vorzugsweise pK_S-Werte von mindestens etwa 6,90 und stärker bevorzugt mindestens etwa 6,95 bei einer Temperatur von etwa 37°C.
Die erfindungsgemäßen Sensorelemente sind in einem Verfahren zum Erfassen der Konzentration von ionischen Spezies in einem Medium, vorzugsweise einem fluiden Medium, und insbesondere Blut, vorteilhaft. Das zu überwachende Medium wird zuerst mit dem Sensorelement in Kontakt gebracht, und die Sensorkomponente im Sensorelement emittiert ein Signal, das von der Konzentration der interessierenden ionischen Spezies im überwachten Medium abhängt. Dieses "Emissions"-Signal wird mit auf diesem Fachgebiet bekannten Verfahren analysiert, um die Konzentration der interessierenden ionischen Spezies im überwachten Medium zu bestimmen.
Sensorkomponente
In den erfidungsgemäßen Sensorelementen kann irgendeine geeignete Sensorkomponente verwendet werden, vorausgesetzt, daß die Sensorkomponente keinen wesentlichen nachteiligen Einfluß auf die Funktion des erfindungsgemäßen Systems oder auf das überwachte Medium hat. Die Sensorkomponente ist vorzugsweise ein optischer Indikator, wie ein Absorptions- oder ein Fluoreszenzindikator. Stärker bevorzugt ist die Sensorkomponente ein Fluores zenzindikator. Die Sensorkomponente ist für eine Erfassung der Konzentration von Wasserstoffionen (H⁺), Hydroxyionen (OH^–) und Metallionen, wie Alkali- und Erdalkalimetallionen, besonders vorteilhaft. In dieser Ausführungsform ist der pH des Mediums der am häuflgsten bestimmte Wert. Geeignete pH-Sensorkomponenten umfassen viele allgemein bekannte pH-Indikatoren und/oder funktionalisierte Derivate solcher Indikatoren. Zu den vorteilhaften pH-Sensorkomponenten gehören Hydroxypyrentrisulfonsäure und Derivate, z. B. Salze, hiervon, Phenolphthalein, Fluorescein, Phenolrot, Cresolrot, Pararosanilin, Magentarot, Xylenolblau, Bromcresolpurpur, Bromphenolblau, Bromthymolblau, Metacresolpurpur, Thymolblau, Bromphenolblau, Bromthymolblau, Tetrabromphenolblau, Bromchlorphenolblau, Bromcresolgrün, Chlorphenolrot, o-Cresolphthalein, Thymolphthalein, Metanilgelb, Diphenylamin, N,N-Dimethylanilin, Indigo, Alizarin, Alizaringelb GG, Alizaringelb R, Kongorot, Methylrot, Methylviolett 6B, 2,5-Dinitrophenol und/oder verschiedene funktionalisierte Derivate der vorstehenden Spezies. Sensorkomponenten für andere ionische Spezies können aus organischen Spezies hergestellt werden, die Fluorescein, Diiodfluorescein, Dichlorfluorescein, Phenosafranin, Diodeosin, bläuliches Kosin I, gelbliches Kosin, Magneson, Tartrazin, Eriochromschwarz T, Cumarin, Alizarin und andere einschließen. Die bevorzugte pH-Sensorkomponente ist Hydroxypyrentrisulfonsäure, Derivate von Hydroxypyrentrisulfonsäure und Gemische hiervon.
Eine besonders bevorzugte Sensorkomponente, z. B. ein sensibilisierender Farbstoff, für die Herstellung eines Sensorelementes ist Hydroxypyrentrisulfonsäure, die, wenn sie an ein Matrixmaterial angebunden ist, in Form eines Sulfonamids vorliegt. Dieser Farbstoff wird herkömmlich durch die Herstellung der acylierten Form von Hydroxypyrentrisulfonat (HPTS), das ein Feststoff ist, und dessen Umsetzung mit festem PCl₅ durch gemeinsames Mahlen hergestellt. Das entstandene Produkt ist Acetoxypyrentris(sulfonyl)chlorid (APTSC), das dann an das Matrixmaterial angebunden und danach in die Hydroxyform überführt wird. Nach diesem Verfahren hergestelltes APTSC umfaßt typischerweise Verunreinigungen, die sich schwer entfernen lassen. Die Verunreinigungen führen dazu, daß die Sensorelemente geringe und variable pK_S-Werte haben. Es wurde festgestellt, daß APTSC nach einem geeigneteren Reaktionsverfahren hergestellt werden kann, das ein reineres Produkt liefert und besser für die Massenproduktion geeignet ist. Dieses Verfahren beinhaltet das Umsetzen von HPTS zu Acetoxypyrentrisulfonat (APTS) und dessen anschließende Umwandlung zu APTSC unter Verwendung von Thionylchlorid und disubstituiertem Formamid. Thionylchlorid wird im Verhältnis zu APTS in einem deutlichen stöchiometrischen Überschuß verwendet. Das disubstituierte Formamid wird in einer katalytischen Menge, vorzugsweise in einer Menge von etwa 1 : 100 bis 1 : 1000 (Teile disubstituiertes Formamid zu Teilen APTS) verwendet. Das disubstituierte Formamid kann mit irgendwelchen Alkyl- oder Arylresten substituiert sein, die die Umwandlung von APTS zu APTSC nicht stören. Es ist vorzugsweise mit (C₁-C₈)-Alkylresten, (C₅-C₁₀)-Arylresten (einschließlich alkylsubstituierte Arylreste) oder Kombinationen davon substituiert. Geeignete Beispiele umfassen Dimethylformamid, Dibenzylformamid, Benzylmethylformamid, Phenylmethylformamid und dergleichen. Ein besonders bevorzugtes disubstituiertes Formamid ist Dimethylformamid.
Insbesondere umfaßt dieses Verfahren die Schritte: Herstellen einer warmen Lösung (d. h. etwa 20 bis 70°C, vorzugsweise etwa 40 bis 50°C) eines deutlichen Überschusses (vorzugsweise ein 10- bis 50facher Überschuß) von Essigsäureanhydrid im Verhältnis zu HPTS in Dimethylformamid als Lösungsmittel, Zugabe von HPTS und Natriumacetat (vorzugsweise in einer Menge zwischen der stöchiometrischen Menge und einem dreifachen Überschuß im Verhältnis zur Menge von HPTS) zu der Lösung und Umsetzung, Abtrennung des Lösungsmittels, um Acetoxypyrentrisulfonat (APTS) zu gewinnen, und Erhitzen von APTS unter Rückfluß mit Thionylchlorid und einer katalytischen Menge von disubstituiertem Formamid unter einer trockenen, sauerstofffreien (vorzugsweise inerten) Atmosphäre, wodurch Acetoxypyrentris(sulfonyl)chlorid erzeugt wird. Das Verfahren umfaßt vorzugsweise auch die Schritte der Gewinnung von Acetoxypyrentris(sulfonyl)chlorid durch Waschen des Produktes in einem organischen Lösungsmittel und anschließendes Abtrennen des organischen Lösungsmittels. Das Verfahren zum Chlorieren von APTS durch eine Thionylchlorid-Umsetzung hat gegenüber bekannten Verfahren zur Herstellung von APTSC einige Vorteile, diese umfassen einen einfacheren Scale-up auf kommerzielle Anwendungen, das einfachere Entfernen der Nebenprodukte der Reaktion (die im allgemeinen entweder unlöslich oder flüchtig sind) aus dem gewünschten Produkt und die Vermeidung unerwünschter Nebenreaktionen zwischen dem Chlorierungsmittel und dem Matrixmaterial des Sensorelementes. Dieses reinere APTSC-Produkt führt zu einem Sensorelement mit besser übereinstimmenden und höheren pK_S-Werten.
Die im Sensorelement verwendete Menge der Sensorkomponente sollte ausreichend sein, damit ein von der Konzentration der ionischen Spezies abhängiges Signal erzeugt wird, das eine ausreichende Intensität hat, damit es für eine Bestimmung der Konzentration der interessierenden ionischen Spezies im überwachten Medium übertragen und analysiert werden kann. Die bestimmte verwendete Menge der Sensorkomponente ändert sich zum Beispiel je nach der verwendeten bestimmten Sensorkomponente, den erfaßten ionischen Spezies, dem überwachten Medium und den anderen Komponenten des verwendeten Sensorsystems.
Matrixmaterial
Das Matrixmaterial im Sensorelement, d. h. das erste Matrixmaterial, und auch das Matrixmaterial im Überzug (wenn ein solcher Aufbau verwendet wird), d. h. das zweite Matrixmaterial, sind für die interessierenden ionischen Spezies durchlässig und sind im überwachten Medium im wesentlichen unlöslich. Das heißt, das erste und das zweite Matrixmaterial sollten so aufgebaut sein, daß die interessierenden ionischen Spezies solche Matrixmaterialien physikalisch durchdringen können. Es kann irgendein geeignetes erstes und zweites Matrixmaterial verwendet werden, vorausgesetzt, daß diese Matrixmaterialien auf die Funktion des Systems oder auf das überwachte Medium keinen wesentlichen nachteiligen Einfluß ausüben. Bevorzugte ionendurchlässige Matrixmaterialien sind wasserquellbar, wie es Cellulose ist.
Das erste und zweite Matrixmaterial sind jeweils vorzugsweise ein polymeres Material. Die Matrixmaterialien können in Form einer Membran, in Form von Partikeln, Fasern usw. vorliegen. Makromolekulare hydrophile Polymere, die im zu überwachenden Medium im wesentlichen unlöslich und für die interessierenden ionischen Spezies durchlässig sind, sind als ersten und/oder zweites Matrixmaterial in Systemen von besonderem Interesse, die für die Überwachung wäßriger Medien verwendet werden. Solche Polymere umfassen zum Beispiel ionendurchlässige Cellulosematerialien, Polyvinylalkohol (PVA) mit hohem Molekulargewicht oder in vernetzter Form, Dextran, vernetztes Dextran, Polyurethane, quaternisierte Polystyrole, sulfonierte Polystyrole, Polyacrylamide, Polyhydroxyalkylacrylate, Polyvinylpyrrolidone, hydrophile Polyamide, Polyester und Gemische davon. Das zweite Matrixmaterial (falls verwendet) ist vorzugsweise vernetzt. Stärker bevorzugt sind sowohl das erste als auch das zweite Matrixmaterial vernetzt. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist das erste Matrixmaterial Cellulose, insbesondere ionendurchlässige, vernetzte Cellulose. Bei einem ersten Matrixmaterial aus Cellulose ist das zweite Matrixmaterial (falls verwendet) vorzugsweise aus Dextran abgeleitet und ist stärker bevorzugt vernetztes Dextran. Das erste und auch das zweite Matrixmaterial, insbesondere das zweite Matrixmaterial, können von einem oder mehreren wasserlöslichen Materialien abgeleitet sein.
Der Charakter der Polymere für das Matrixmaterial kann je nach Bedarf anionisch oder kationisch sein, und kann nach herkömmlichen und allgemein bekannten Verfahren in dieser Form erzeugt werden. Solche Polymere, oder funktionalisierte Derivate hiervon, können mit einer sauren Komponente, wie einer organischen Sulfonsäure, einer Carbonsäure und dergleichen, umgesetzt werden, um anionische Polymere zu erhalten, oder können mit einer basischen Komponente, wie einem organischen Amin und dergleichen, umgesetzt werden, um kationische Polymere zu erhalten.
Die verwendete Menge des ersten Matrixmaterials kann zum Beispiel in Abhängigkeit vom bestimmten ersten Matrixmaterial und der verwendeten Sensorkomponente, variieren. Ein solches erstes Matrixmaterial ist vorzugsweise in einer Menge vorhanden, die als Träger für die Sensorkomponente und/oder als Füllstoff wirkt, damit zusätzliches Volumen bereitgestellt wird. Da das erste Matrixmaterial für die interessierenden ionischen Spezies durchlässig ist, erleichtert das erste Matrixmaterial die Wechselwirkung zwischen der ionischen Spezies und der Sensorkomponente, was zu einem sich je nach Konzentration der ionischen Spezies ändernden Signal führt, wie es hier beschrieben ist. Die Sensorkomponente ist vorzugsweise im wesentlichen gleichmäßig im ersten Matrixmaterial verteilt. Die verwendete Menge des zweiten Matrixmaterials kann zum Beispiel in Abhängigkeit vom bestimmten zweiten Matrixmaterial und dem verwendeten undurchsichtigen Mittel schwanken. Ein solches zweites Matrixmaterial wirkt vorzugsweise als Träger oder Bindemittel, wodurch ein zusätzliches Volumen bereitgestellt wird.
Sensorelement
Die Sensorkomponente ist kovalent an das erste Matrixmaterial gebunden. Eine chemische Bindung der Sensorkomponente an das erste Matrixmaterial erfolgt durch indirektes Koppeln unter Verwendung von sowohl Epoxybindungen als auch Aminbindungen, die an das erste Matrixmaterial chemisch gebunden sind.
Das erste Matrixmaterial hat vorzugsweise Hydroxygruppen (-OH) oder Carboxylgruppen (-COOH) und stärker bevorzugt Hydroxygruppen. Bei der Modifikation des Matrixmaterials für die Kopplung mit der Sensorkomponente werden diese funktionellen OH-Gruppen vorzugsweise mit einem Epoxid, d. h. einer Verbindung mit zwei oder mehr Epoxygruppen pro Molekül, umgesetzt, wodurch ein epoxymodifiziertes Matrixmaterial hergestellt wird. Dies führt zu einer Vernetzung der Cellulose und liefert die anhängigen funktionellen Epoxygruppen. Das Epoxid ist vorzugsweise ein Diepoxid. Dann wird ein organisches Amin, d. h. eine organische Verbindung mit zwei oder mehreren Aminogruppen pro Molekül, mit dem epoxymodifizierten Matrixmaterial umgesetzt. Das organische Amin ist vorzugsweise ein Diamin. Dann wird die Sensorkomponente mit diesem aminmodifizierten Matrixmaterial verbunden. Auf diese Weise wird die Sensorkomponente durch Epoxid- und Amino-Bindungsreste an das Matrixmaterial angebunden.
Die Sensorkomponente wird vorzugsweise an das erste Matrixmaterial angebunden, bevor ein Überzugsmaterial aufgebracht wird. Vorzugsweise wird das komplette Sensorelement hergestellt, bevor das Überzugsmaterial aufgebracht wird. In einer anderen Ausführungsform kann die Sensorkomponente jedoch an das erste Matrixmaterial angebunden werden, nachdem der Überzug aufgebracht ist, wie es in US-Patent Nr. 5,081,041 offenbart ist. Kurz zusammengefaßt beinhaltet dies das Aufbringen eines zweiten Matrixmaterials, z. B. Dextran, mit einem darin eingemischten undurchlässigen Mittel, z. B. Ruß, auf eine Oberfläche eines ersten Matrixmaterials, z. B. Cellulose. Diese beiden Matrixmaterialien werden dann vernetzt und dadurch über ein Epoxid kovalent miteinander verbunden, was auch zur Entstehung anhängiger Epoxygruppen führt. Diese anhängigen Epoxygruppen werden dann mit einem organischen Amin umgesetzt, wodurch anhängige Aminogruppen erzeugt werden. Die gewünschte Sensorkomponente, oder eine Vorstufe hiervon, wird dann durch die Aminogruppen an die verbundenen Matrixmaterialien angebunden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein polymeres Matrixmaterial, das Hydroxygruppen enthält, vorzugsweise ionendurchlässige Cellulose, bei Bedingungen mit einem Epoxid verbunden, die zu einer Vernetzung der Cellulose und zur Entstehung anhängiger Epoxygruppen führen. Die Bedingungen sind vorzugsweise derart, daß sie das Ausmaß der Vernetzung der Cellulose minimieren und die Entstehung anhängiger Epoxygruppen maximieren. Die entstandene epoxymodifizierte Cellulose wird dann bei Bedingungen mit einem organischen Amin vermengt, die die Entstehung anhängiger Aminogruppen bewirken. Die Bedingungen sind vorzugsweise derart, daß sie eine weitere Vernetzung der Cellulose minimieren und die Entstehung anhängiger Aminogruppen maximieren. Die anhängigen Aminogruppen stehen dann für die Umsetzung mit der Sensorkomponente oder der Vorstufe der Sensorkomponente zur Verfügung, damit die Sensorkomponente mit der Cellulose verbunden wird.
Das Epoxid kann irgendein Epoxid mit mindestens zwei Epoxygruppen pro Molekül sein, das die gewünschte Funktion ausübt. Geeignete Beispiele umfassen Ethylenglycoldiglycidylether, Butandioldiglycidylether, Polyethylenglycoldiglycidylether, Epoxyharze mit mindestens zwei Epoxygruppen pro Molekül und dergleichen. Das organische Amin kann ein beliebiges Aryl- oder Alkylamin mit mindestens zwei Aminogruppen pro Molekül sein, das die gewünschte Funktion ausübt. Geeignete Beispiele umfassen zum Beispiel Hexandiamin, 1,8-Diamino-3,6-dioxaoctan und Polyetherdiamin JEFFAMINE (von Texaco, Inc., Houston, TX erhältlich). Das organische Amin ist vorzugsweise ein Diamin und stärker bevorzugt ein (C₂-C₂₀)-Alkyldiamin oder ein (C₆-C₁₀)-Aryldiamin.
Die Umsetzung mit dem Epoxid erfolgt typischerweise in Gegenwart eines basischen Materials, wie Natriumhydroxid, damit die Umsetzung zwischen der OH-Funktionalität und dem Epoxid gefördert wird. Sie kann auch in Gegenwart eines Durchlässigkeitsmittels erfolgen, das den Erhalt einer ausreichenden Porosität des ersten Matrixmaterials bewirkt, so daß das entstehende Sensorelement für die interessierenden ionischen Spezies durchlässig ist. Das Durchlässigkeitsmittel wird vorzugsweise so ausgewählt, daß es im wesentlichen keinen nachteiligen Einfluß auf das Verfahren zur Herstellung des Sensorelementes hat. Ein besonders vorteilhaftes Durchlässigkeitsmittel ist Dimethylsulfoxid (DMSO).
Die bevorzugten Reaktionsbedingungen, die nur ein geringes Vernetzen des ersten Matrixmaterials und die Entstehung einer hohen Konzentration anhängiger Epoxygruppen bewirken, umfassen einen deutlichen Überschuß von Epoxid gegenüber Cellulose, eine geringe Reaktionszeit (vorzugsweise weniger als etwa 12 Stunden, stärker bevorzugt weniger als etwa 30 Minuten und besonders bevorzugt etwa 2 bis 4 Minuten) und eine geringe Temperatur (vorzugsweise etwa 10 bis 50°C). Reaktionsbedingungen, die nur ein geringes Vernetzen des ersten Matrixmaterials und die Entstehung einer hohen Konzentration anhängiger Aminogruppen fördern, umfassen einen deutlichen Überschuß von Amin, eine geringe Reaktionszeit (z. B. weniger als etwa 12 Stunden, stärker bevorzugt weniger als etwa 30 Minuten und besonders bevorzugt etwa 2 bis 4 Minuten) und eine geringe Temperatur (vorzugsweise etwa 10 bis 60°C).
Das erste Matrixmaterial, vorzugsweise mit Aminogruppen modifiziert, wird mit einer Sensorkomponente oder einer Vorstufe der Sensorkomponente bei Bedingungen in Kontakt gebracht, die die Entstehung eines Sensorelementes bewirken, das die Sensorkomponente in einer Menge einschließt, die die Entstehung eines Signals bewirkt, das sich je nach Änderung der Konzentration der ionischen Spezies im Medium ändert. Der Kontaktschritt kann einmal oder mehrmals wiederholt werden, damit die gewünschte Menge der Sensorkomponente im Matrixmaterial bereitgestellt wird. Die Sensorkomponente ist kovalent an das erste Matrixmaterial gebunden. Wie vorstehend festgestellt, erfolgt dies vorzugsweise bevor der Überzug, z. B. das zweite Matrixmaterial mit einem darin enthaltenen undurchsichtigen Mittel, auf oder über dem Sensorelement aufgebracht wird.
Das Anbinden der Sensorkomponente an das erste Matrixmaterial erfolgt, indem die Sensorkomponente in einem Lösungsmittel aufgelöst wird und das Matrixmaterial solange in diese Lösung getaucht wird, daß die gewünschte Sensorintensität entsteht. Herkömmlich wurde für den bevorzugten Hydroxypyrentrisulfonsäure-Farbstoff Dimethylformamid (DMF) als Lösungsmittel verwendet, dies führte jedoch dazu, daß das bevorzugte Cellulosematrixmaterial durch den Zusammenbruch der Poren schrumpfte und eine nicht übereinstimmende und uneinheitliche Konzentration des Sensorfarbstoffs an die Cellulose angebunden war. Es wurde festgestellt, daß dies bei Cellulose- und anderen wasserquellbaren Matrixmaterialien vermieden werden kann, wenn ein wäßriges Bad benutzt wird. Das Lösungsmittel für das Bad ist vorzugsweise ein Gemisch aus Wasser und einem organischen Lösungsmittel oder einem grenzflächenaktiven Mittel, vorzugsweise ein organisches Lösungsmittel, das die Sensorkomponente oder die Vorstufe hiervon (vorzugsweise die Vorstufe APTSC) dispergieren oder lösen und mit Wasser eine homogene Lösung oder Dispersion erzeugen kann. Das organische Lösungsmittel ist ein solches, das mit der Sensorkomponente oder der Vorstufe hiervon nicht reagiert, diese jedoch löst oder dispergiert. Beispiele geeigneter organischer Lösungsmittel zum Lösen von APTSC umfassen Aceton oder Acetonitril. Ein besonders bevorzugtes organisches Lösungsmittel ist Aceton. Das organische Lösungsmittel oder grenzflächenaktive Mittel wird in relativen Mengen verwendet, so daß die Sensorkomponente gelöst wird und das Matrixmaterial nicht austrocknet und durch den Zusammenbruch der Poren schrumpft. Stärker bevorzugt wer den das organische Lösungsmittel und Wasser in Mengen von etwa 0,4 : 1 bis 2,4 : 1 (Teile organisches Lösungsmittel zu Teilen Wasser) verwendet.
Besonders bevorzugt umfaßt das wäßrige Bad (z. B. das Farbstoffbad) geeignete Lösungsmittel, die gewählte Sensorkomponente oder Vorstufe, vorzugsweise APTSC, und Puffersalze, die die Aufrechterhaltung des geeigneten pH der Lösung bewirken, so daß das Matrixmaterial, vorzugsweise Cellulose, gedehnt bleibt. Die Puffersalze sind vorzugsweise jene wasserlöslichen anorganischen Salze, die im pH-Bereich von 8 bis 11 effektive Puffer darstellen. Beispiele geeigneter Puffersalze sind Natriumcarbonat, Natriumhydrogencarbonat, Natriumdihydrogenphosphat, Dinatriumhydrogenphosphat, Natriumborat und dergleichen, die in verschiedenen Kombinationen verwendet werden können. Es sollte selbstverständlich sein, daß die Natriumionen dieser Salze durch andere salzbildende Ionen für andere geeignete Puffersalze ersetzt werden können. Bevorzugte Puffersalze sind Natriumcarbonat und Natriumhydrogencarbonat. Die Puffersalze können in unterschiedlichsten Mengen verwendet werden, wobei dies von der Konzentration der Sensorkomponente oder Vorstufe im Bad, dem gewünschten pH der Lösung (damit das Amin mit APTSC reagiert, sollte der pH größer als 7 sein), der gewünschten Reaktionszeit usw. abhängt. Der Fachmann kann die Mengen und geeigneten pH leicht bestimmen.
Das Matrixmaterial wird solange mit dem Bad der Sensorkomponente in Kontakt gebracht, daß die Sensorkomponente daran gebunden wird. Vor dem Kontakt des Bades der Sensorkomponente mit dem Matrixmaterial kann sie einer Alterung unterzogen werden, damit die Anzahl der reaktiven Stellen vermindert wird. APTSC läßt man zum Beispiel für die Hydrolyse eines Teils der reaktiven Stellen eine Zeit lang in einer gepufferten wäßrigen Acetonlösung, vorzugsweise während eines Zeitraums altern, der die Entstehung einer reaktiven Stelle pro Molekül bewirkt. Nachdem APTSC zum Beispiel mit aminmodifizierter Cellulose vermengt ist, kann es somit in Abhängigkeit davon, ob es einer Alterung unterzogen wurde oder nicht und je nach Dauer der Alterung, eine, zwei oder drei Sulfonamidbindungen pro Molekül erzeugen. APTSC läßt man vorzugsweise ausreichend lange altern, so daß bei der Bindung mit dem Matrixmaterial nur eine Sulfonamidbindung pro Molekül entsteht.
Das entstehende Sensorelement hat kovalent gebundene Moleküle der Sensorkomponente oder einer Vorstufe hiervon (z. B. über eine (mehrere) Sulfonamidbindung(en) gebundenes APTSC wird hier als Acetoxypyrensulfonamid bezeichnet). Es kann auch nicht reagierte Aminogruppen aufweisen, die den pK_S-Wert des Sensorelementes nachteilig beeinflussen können. Die Aminogruppen können nach einer Vielzahl von Verfahren geschützt, d. h. in nicht störende Reste überführt, werden. Die nicht reagierten Aminogruppen wurden herkömmlich mit einem zweistufigen Verfahren geschützt. Erstens wurde Essigsäureanhydrid ver wendet, um Amidogruppen herzustellen. Zweitens wurde Methansulfonylchlorid in Gegenwart von Pyridin benutzt, um sulfonierte Aminogruppen herzustellen.
Es wurde festgestellt, daß der Methansulfonylchlorid-Schritt weggelassen, der Acetylierungsschritt beträchtlich verkürzt und die Essigsäureanhydridmenge verringert werden kann, wenn eine Lösung verwendet wird, die ein organisches Amin zusammen mit einem Acetylierungsmittel in einem organischen Lösungsmittel, vorzugsweise einem etherischen Lösungsmittel, wie Tetrahydrofuran, Diethylether oder Diethylenglycoldimethylether enthält. Dieses neue und bevorzugte Acetylierungsverfahren erfolgt typischerweise bei Raumtemperatur (20 bis 25°C) und ziemlich schnell (typischerweise in weniger als etwa 5 Minuten). Es ist schneller, verwendet weniger Reagenzien und erzeugt weniger gefährlichen Abfall als herkömmliche Verfahren, die zum Beispiel für die Herstellung fluoreszierender pH-Sensoren verwendet wurden. Es führt auch zu einem deutlichen Anstieg, z. B. etwa 0,04 Einheiten beim pK_S-Wert des Sensorelementes.
Das Acetylierungsmittel ist vorzugsweise Essigsäureanhydrid, obwohl es auch andere Verbindungen sein kann, die Aminogruppen acetylieren können, wie Acetylchlorid und Acetatester von N-Hydroxysuccinimid. Das organische Amin ist ein solches, das die im Verlauf dieser Reaktion erzeugte Säure neutralisieren und nicht mit dem Acetylierungsmittel reagieren kann. Das organische Amin ist vorzugsweise ein tertiäres Amin, wie Triethylamin, Pyridin und substituierte Pyridine, wie 4-Dimethylaminopyridin, 4-Pyrrolodinopyridin, Cyclohexylaminopyridin und dergleichen. Stärker bevorzugt ist das tertiäre Amin Triethylamin. Das organische Amin wird vorzugsweise in einer Menge von etwa 2 Mol pro Mol Acetylierungsmittel verwendet.
Gegebenenfalls kann die Lösung einen Katalysator einschließen, der die Reaktionsgeschwindigkeit der Acetylierung erhöhen kann. Der Katalysator ist vorzugsweise ein substituiertes Pyridin. Geeignete Beispiele solcher Katalysatoren sind 4-Dimethylaminopyridin, 4-Pyrrolodinopyridin, Cyclohexylaminopyridin und dergleichen. Stärker bevorzugt ist der Katalysator 4-Dimethylaminopyridin. Der Katalysator wird vorzugsweise in einer Menge von etwa 0,1 bis 100 Mol-% und stärker bevorzugt etwa 0,1 bis 2 Mol-%, bezogen auf die verwendete Menge des organischen Amins, verwendet.
Das Sensorelement kann vermutlich auch eine ionisch gebundene Sensorkomponente oder eine Vorstufe hiervon aufweisen, die den pK_S-Wert des Sensorelementes nachteilig beeinflussen kann, indem sie zu unbeständigen und scheinbar hohen pK_S-Werten führt. Es wurde festgestellt, daß das ionisch gebundene Material mit einer wäßrigen Lösung mit einem pH von mindestens etwa 10 und einer hohen Ionenstärke (d. h. mindestens etwa die einer 5%igen wäßrigen Natriumchloridlösung) entfernt werden kann, wodurch besser übereinstimmende Ergebnisse, besonders bezüglich des pK_S-Wertes des Sensorelementes, erzeugt werden. Die Lösung enthält vorzugsweise eine Base, wie Natriumhydroxid oder Natriumcarbonat, und ein anorga nisches Salz, das die gewünschte Ionenstärke liefert. Beispiele geeigneter anorganischer Salze umfassen Natriumchlorid, Natriumacetat und Natriumsulfat. Diese Basen und Salze können in unterschiedlichen Kombinationen verwendet werden. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform umfaßt Natriumcarbonat für einen basischen pH und Natriumchlorid für eine hohe Ionenstärke. Dieser Schritt kann durchgeführt werden, bevor die unumgesetzten Aminogruppen geschützt werden oder nachdem diese geschützt wurden oder falls erwünscht kann beides vorgenommen werden. Die Reaktion erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur und während einer Zeit, die eine Entfernung der ionisch gebundenen Sensorkomponentenmoleküle bewirken. Diese wirksame Temperatur beträgt typischerweise etwa 20 bis 90°C und vorzugsweise etwa 65 bis 75°C.
Idealerweise setzt dieser Umwandlungsschritt auch das gebundene APTSC, das in Form eines Acetoxypyrensulfonamids vorliegt, zum bevorzugten Hydroxypyrensulfonamid-Farbstoff um, was herkömmlich mit einer wäßrigen Natriumcarbonatlösung mit 2,5 Gew.-% erfolgt. Die Reaktion erfolgt somit stärker bevorzugt bei einer Temperatur und während einer Zeit, die die Entfernung der ionisch gebundenen Sensorkomponentenmoleküle bewirken und die Vorstufe der Sensorkomponente in die Sensorkomponente umzuwandeln. Wenn es keine Verunreinigung mit einer ionisch gebundenen Sensorkomponente oder der Vorstufe hiervon gibt, sollte es selbstverständlich sein, daß eine wäßrige Natriumcarbonatlösung ohne Natriumchlorid verwendet werden kann, um diese Umwandlung zu bewirken.
Überzug
Es kann irgendein undurchsichtiges Überzugsmaterial verwendet werden, vorausgesetzt, daß dieser Überzug den gewünschten Opazitätsgrad für eine wirksame optische Isolation der Sensorkomponente bewirkt und auf die Funktion des erfindungsgemäßen Systems oder des überwachten Mediums keinen wesentlichen nachteiligen Einfluß hat. Er kann bevor die Sensorkomponente an das erste Matrixmaterial angebunden wird, wie es in US-Patent Nr. 5,081,041 beschrieben ist, oder danach aufgebracht werden. Er kann direkt an das Sensorelement angebunden oder vom Sensorelement getrennt sein. In bevorzugten Ausführungsformen wird er aufgebracht, nachdem die Sensorkomponente an das erste Matrixmaterial angebunden wird.
Der Überzug kann ein wie vorstehend beschriebenes Matrixmaterial sein, das ein undurchsichtiges Mittel, wie Ruß, oder undurchsichtige Mittel auf Kohlebasis, Eisen(III)-oxid, metallische Phthalocyanine und dergleichen, enthält. Solche undurchsichtigen Mittel sind im zweiten Material vorzugsweise im wesentlichen gleichmäßig in einer Menge dispergiert, die den gewünschten Opazitätsgrad bewirkt, damit die gewünschte optische Isolation entsteht. Ein besonders vorteilhaftes undurchsichtiges Mittel ist Ruß. Der Überzug kann auch eine Farb schicht auf dem Sensorelement sein, die nach einer Vielzahl von Verfahren, wie einem Tintenstrahlverfahren oder einem Farbsiebdruckverfahren, aufgebracht wird. Der Überzug kann auch eine schwarze Membran sein, die auf die das Sensorelement haltende Kassette angehaftet wird oder durch Wärme mit dieser zusammengefügt ist (engl. heat-staking). Sie kann zum Beispiel eine schwarze DURAPORE-Membran (von Millipore als weiße Membran erhältlich, die dann mit schwarzer Farbe behandelt wird) sein und mit der Kassette verschweißt werden.
Sensoren
In einer vorteilhaften Ausführungsform, bei der der pH des Blutes mit einer Sensorkomponente aus Hydroxypyrentrisulfonsäure überwacht wird, wird vernetzte Cellulose als erstes Matrixmaterial, vernetztes Dextran als zweites Matrixmaterial und Ruß als undurchsichtiges Mittel verwendet, wobei das relative Volumen oder die Dicke des ersten Materials oder der ersten Schicht zum zweiten Material oder der zweiten Schicht vorzugsweise im Bereich von etwa 1 zu 0,01 bis etwa 1 zu 0,5 liegt. Dieser Sensortyp, bei dem Cellulose und Dextran kovalent miteinander verbunden sind, ist in US-Patent Nr. 5,081,041 offenbart.
1 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen pH-Sensors 10, bei dem der Überzug nach der Herstellung des Sensorelementes, d. h. nach dem Anbinden der Sensorkomponente an das Matrixmaterial, aufgebracht wird. Ein Lichtwellenleiter 12 ist mit einer Lichtleitvorrichtung 14 verbunden. Die Lichtleitvorrichtung 14 erzeugt das Anregungslicht. Der Lichtwellenleiter 12 ist auch mit einer Lichtempfangsvorrichtung 16 verbunden. Die Lichtempfangsvorrichtung 16 empfängt das Emissionslicht von der Fluoreszenzsensorkomponente und analysiert es.
Die optische Oberfläche 18 des Leiters 12 ist vom Sensorelement getrennt, allgemein mit 20 dargestellt. Das Sensorelement 20, das wie hier im Beispiel beschrieben, hergestellt ist, wird von einem undurchsichtigen Überzug 22 bedeckt. Eine transparente Kleberschicht auf Polyurethanbasis 26 verbindet das Sensorelement 20 mit der Vertiefung 28. Das Verhältnis der Dicke des undurchsichtigen Überzugs 22 zu der des Sensorelementes 20 zu der der Kleberschicht 26 beträgt etwa 1 zu etwa 5 zu etwa 100. Das Sensorelement 20 ist wie in 1 gezeigt in der Vertiefung 28 der Kassette 30 angeordnet. Die Vertiefung 28 ist an einer Seite offen, sie umfaßt eine senkrechte kreisförmige zylindrische Seitenwand 27 und einen kreisförmigen Boden 29. Die Vertiefung 28 hat einen Durchmesser von 0,15 Zoll und eine Tiefe von 0,010 ± 0,0005 Zoll. Die Oberseite 23 des undurchsichtigen Überzugs 22 ist mit der Innenfläche 23 der Kassette 30 im wesentlichen bündig. Die Kassette 30 besteht aus transparentem Polycarbonat. Die Sterilität des Fluidweges durch die Kassette 30 wird durch das in der Vertiefung 28 vorhandene Sensorelement 20 nicht gestört.
Bei Verwendung kann das fluide Medium, dessen pH überwacht werden soll, z. B. Blut, mit dem Sensorelement 20 in Kontakt kommen, indem dieses Medium in der Kassette 30 über das Sensorelement 20, das mit dem undurchsichtigen Überzug 22 beschichtet ist, hin und her fließt. Von der Lichtleitvorrichtung 14 wird dem Lichtwellenleiter 12 Anregungslicht mit einer geeigneten Wellenlänge zugeführt, der es zum Sensorelement 20 leitet. Dieses Anregungslicht tritt mit der Sensorkomponente im Sensorelement 20 in Wechselwirkung, wodurch es fluoresziert und ein Signal emittiert, das vom pH des überwachten Mediums abhängt. Das durch die Fluoreszenz emittierte Licht wird vom Lichtwellenleiter 12 zur Empfangsvorrichtung 16 geleitet, in der es verarbeitet und analysiert wird, so daß der pH des überwachten Mediums bestimmt wird.
Aufgaben und Vorteile dieser Erfidung werden anhand der folgenden Beispiele weiter erläutert. Die in diesen Beispielen genannten bestimmten Materialien und Mengen davon sowie die anderen Bedingungen und Details sollten die Erfindung nicht unzulässig einschränken. Alle Materialien sind kommerziell erhältlich, wenn es nicht anderweitig angegeben oder kenntlich gemacht ist.
Beispiel 1 (Referenzbeispiel)
Verfahren mit einem Premarine-Sensorfarbstoff
Herstellung von Acetoxypyrentrisulfat
Die folgende Umsetzung wurde vorgenommen, um Hydroxypyrentrisulfonat (HPTS) zu Acetoxypyrentrisulfonat (APTS) umzusetzen. Essigsäureanhydrid (125 ml) und Dimethylformamid (DMF, 1000 ml) wurden in einem Kolben gemischt. Das Gemisch wurde unter ständigem Rühren auf 45 ± 5°C erwärmt. HPTS (25 g, von Eastman Fine Chemicals, Rochester, NY, Produkt Nr. 119 1774, als Trinatriumsalz von 8-Hydroxy-1,3,6-trisulfonsäure kommerziell erhältlich) und Natriumacetat (3,75 g) wurden der Lösung zugesetzt. Das Gemisch konnte etwa 90 Minuten umsetzen, wobei es bei 45°C gehalten wurde. Dann wurde der Rührstab entfernt und die Lösungsmittel wurden durch Behandlung mit einem Rotationsverdampfer Modell RE121 in Verwendung mit einem Wasserbad Modell 461 (beide kommerziell von Büchi Co., Schweiz erhältlich) abgetrennt. Der Rotationsverdampfer wurde bei 80°C eingestellt, und das Verfahren zum Abtrennen der Lösungsmittel dauerte etwa 1,5 Stunden. Das restliche Material wurde 30 Minuten in einem Vakuumofen NAPCO Modell 5831 (kommerziell von Precision Scientific, Chicago, IL, erhältlich) getrocknet, der auf volles Vakuum und 60°C eingestellt worden war. Das entstandene Produkt APTS wurde gewaschen, indem dem Kolben 250 ml Methanol zugesetzt wurden und 15 Minuten gerührt wurde. Dann wurde das Produkt durch Absaugen durch einen Filter #5 (von Whatman, Maidstone, England kommerziell erhältlich) vom Überstand getrennt. Das Produkt wurde 30 Minuten auf dem Filter im vorstehend beschriebenen Vakuumofen getrocknet, der auf volles Vakuum und 60°C eingestellt worden war.
Herstellung von Acetoxypyrentris(sulfonyl)chlorid
APTS wurde anschließend wie folgt zu Acetoxypyrentris(sulfonyl)chlorid (APTSC) umgesetzt. Das APTS von Beispiel 1 wurde in einen Kolben gegeben, und es wurden 150 ml Thionylchlorid (von Aldrich Chemical Company, Milwaukee, WI, kommerziell erhältlich) zugesetzt. Dann wurden zwei Tropfen DMF (von Spectrum, Gardena, CA, kommerziell erhältlich) in den Kolben gegeben. Es wurde ein Magnetrührer zugegeben, und das Gemisch wurde unter ständigem Rühren auf einer beheizbaren Rührplatte erwärmt. In diesem Reaktionssystem war der Kolben auf der beheizbaren Rührplatte durch einen Gaseinlaßadapter mit einer Gaseinlaßöffnung mit einem Kondensator verbunden. Die Gaseinlaßöffnung war durch eine Leitung mit einer Quelle für trockenen Stickstoff verbunden. Der Kondensator war mit einem Einlaßadapter verbunden, der durch eine Leitung mit einem Filterkolben verbunden war. Der Filterkolben diente als trockenes Auffanggefäß und hatte eine seitliche Öffnung, die durch eine Leitung mit einem Kolben verbunden war. Der Kolben war als feuchtes Auffanggefäß gedacht. Es existierte auch ein Sprührohr, das bis unter das Niveau des in den Kolben eingefüllten Wassers reichte. Es wurde ein Stickstoffstrom eingeleitet, der auf etwa 1 bis 2 psi (7 bis 14 kPa) reguliert wurde und ausreichte, um in der Flüssigkeit im feuchten Auffanggefäß einen Blasenstrom zu erzeugen. Der Reaktionskolben wurde auf der beheizbaren Rührplatte auf etwa 60 ± 5°C erwärmt, was für den Rückfluß der Lösung im Kondensator ausreichte, wodurch ein langsamer Rückfluß des Lösungsmittels zum Reaktionskolben entstand. Dieser Rückfluß wurde 45 Minuten fortgesetzt.
Dann wurde das entstandene APTSC wie folgt aus dem Lösungsmittel entfernt. Der Rotationsverdampfer von Beispiel 1 und ein Kolben zur Aufnahme des Lösungsmittels wurden sorgfältig mit Isopropylalkohol gewaschen, damit alle Spuren von Wasser entfernt werden. Der vorstehend beschriebene Reaktionskolben wurde dann auf dem Rotationsverdampfer befestigt und mit einer Klemme gesichert. Dann wurde eine Vakuumpumpe mit einer Teflonkammer mit Hilfe eines mit Trockeneis/Isopropylalkohol gekühlten Auffanggefäßes mit dem Rotationsverdampfer verbunden. Das Auffanggefäß war erforderlich, um zu vermeiden, daß überschüssiges Thionylchlorid durch die Vakuumpumpe gezogen wird. Dann wurde ein Gemisch aus Trockeneis/Isopropylalkohol in das Auffanggefäß des Rotationsverdampfers gegeben, und der Rotationsverdampfer arbeitete bis zur Trockne des Reaktionskolbens. Danach wurde die Teflon-Vakuumpumpe weitere 45 Minuten direkt mit dem Kolben verbunden. Der APTSC enthaltende Umsetzenskolben wurde vom Rotationsverdampfer genommen, und das Lösungsmittel im Sam melgefäß für das Lösungsmittel wurde sorgfältig neutralisiert und unter Beachtung des restlichen Thionylchlorids entsorgt.
APTSC wurde wie folgt gereinigt: Toluol (1000 ml) wurde auf einer beheizbaren Rührplatte auf 80 ± 5°C erwärmt, wobei mäßig gerührt wurde. Die Hälfte des erwärmten Toluols (500 ml) wurde in einen Kolben gegeben, der das getrocknete APTSC enthielt, und der Kolben wurde gut gerührt und geschüttelt. Dann wurde das restliche Toluol in den Kolben gegeben, und die Lösung wurde bis zum Sieden erhitzt. Dann wurde die Lösung durch einen gefalteten Whatmanfilter #5 in einem Glastrichter filtriert. Das Filtrat wurde zurückgehalten, und der Kuchen wurde weggeworfen. Danach wurde das Filtrat auf einem Rotationsverdampfer bis zur Trockne verdampft. Anschließend wurde dem das getrocknete Produkt enthaltenden Behälter Toluol (150 ml) mit Raumtemperatur (20 bis 25°C) zugegeben, und das Material wurde von den Seiten des Behälters abgekratzt und die Lösung wurde gut gemischt. Diese Flüssigkeit wurde erneut durch einen Whatmanfilter #5 abgesaugt, und der Niederschlag wurde aufgefangen. Das fertige gereinigte APTSC wurde 30 Minuten bei 60°C in einem Vakuumofen getrocknet.
Beispiel 2
Herstellung eines Sensorelementes
Acht Platten mit 22 cm × 22 cm einer Membran aus regenerierter Cellulose (von Membrane, einem Unternehmen von Enka AG, Ohderstrabe, Deutschland, als CUPROPHAN kommerziell erhältlich) wurden in Wasser getaucht und über eine Glasplatte gespannt. Das überschüssige Wasser wurde mit einer Pipette entfernt. Auf die mit der Platte bedeckte Glasplatte wurde ein Plastikrahmen geklemmt. Durch Mischen von 40 g 95%igem Butandioldiglycidylether (von Aldrich kommerziell erhältlich), 240 g eines 50 : 50 Gewicht/Gewicht Gemischs von Dimethylsulfoxid (von Spectrum kommerziell erhältlich), deionisiertem Wasser und 120 g einer 0,75 m Natriumhydroxidlösung wurde eine Lösung hergestellt. Auf jede Membran wurden 50 g dieser Lösung gegossen, und die Lösung konnte 20 Minuten reagieren. Die Membranen wurden dann mit Wasser abgespült, von den Glasplatten genommen und 15 Minuten in eine Lösung von 120 ml 70%igem Hexandiamin (von Eastman Fine Chemicals kommerziell erhältlich), gemischt mit 2 1 deionisiertem Wasser, getaucht. Dann wurden die Membranen aus dem Bad genommen und dreimal mit 1000 ml deionisiertem Wasser gewaschen.
Durch Lösen von 160 mg Acetoxypyrentris(sulfonyl)chlorid, nach herkömmlichen Herstellungswegen über PCl₅ hergestellt, in 280 ml Aceton wurde eine Farbstofflösung hergestellt. Es wurden 140 ml eines Gemischs von 150 ml 10 mM Natriumcarbonat und 50 ml 10 mM Natriumhydrogencarbonat zugesetzt. Diese Farbstofflösung ließ man dann 12 Minuten altern. Die behandelten Membranen konnten in Abhängigkeit von der für die fertige Membran ge wünschten Fluoreszenz unterschiedlich lange mit dieser Lösung reagieren. Dann wurden die Membranen aus der Farbstofflösung genommnen und 20 Minuten in ein Bad aus 2,5 Gew.-% Natriumcarbonat und 10 Gew.-% Natriumchlorid in Wasser gegeben, das bei 70°C gehalten wurde. Danach wurden die Membranen aus dem Bad genommen, mit deionisiertem Wasser gespült, abgetupft und danach 15 Minuten in eine Lösung von 20 Vol.-% (Volumen/Volumen) Glycerin in einer wäßrigen Natriumcarbonatlösung mit 2,5 Gew.-% eingeweicht. Dann konnten die Membranen 5 Minuten mit einer Lösung von 120 ml Essigsäureanhydrid, 75 ml Triethylamin, 1,5 g 4-Dimethylaminopyridin und 480 ml Tetrahydrofuran reagieren. Anschließend wurden die Membranen entnommen und 30 Minuten in ein Bad getaucht, das aus 800 ml 2,5 Gew.-% Natriumcarbonat und 10 Gew.-% Natriumchlorid in Wasser hergestellt worden war und bei 70°C gehalten wurde. Anschließend wurden die Membranen in deionisiertem Wasser gespült, in eine Lösung von 20 Vol.-% Glycerin in Wasser getaucht und getrocknet.
Beispiel 3
Herstellung und Auswertung einer Sensorkassette
Kleine runde Scheiben, die als Sensorelemente geeignet waren, wurden aus der wie in Beispiel 2 beschrieben hergestellten Sensormembran gestanzt und jeweils mit Urethankleber (von Bacon Co., Irvine, CA, als FLEXOBOND 431 kommerziell erhältlich) an das Ende eines Lichtwellenleiters geklebt. Jeder Lichtwellenleiter diente der Herstellung einer Sensorkassette des Typs, der von CDI/3M Health Care, Tustin, CA, als Modell 6701 kommerziell erhältlich ist. Eine Information über diese Kassetten findet man in US-Patenten Nr. 4,640,820, 4,786,474, 5,104,623 und 5,289,255. Dann wurden diese Sensorkassetten mit einem Gerät für die ex vivo Analyse von Gas im Blut Modell 5400 (von CDI/3M Health Care kommerziell erhältlich) verwendet, um den pH bekannter, bei 37°C gehaltener Carbonatpufferlösungen zu messen. Eine Information über solche Analysegeräte, die eine Vorrichtung zum Bestrahlen des Sensorelementes mit einer Kurzwellenstrahlung, eine Vorrichtung zur Messung der Fluoreszenzreaktion des Sensorelementes nach dem Bestrahlen mit der Bestrahlungseinrichtung, und eine Vorrichtung zur Berechnung des pH-Wertes in der Flüssigkeit aus der Fluoreszenzreaktion des Sensors enthalten, findet man in US-Patenten Nr. 4,557,900 und Re 31,879.
Die Messungen zeigten, daß der pK_S-Wert der Sensorscheiben bei etwa 37°C 6,91 ± 0,02 betrug. Nach dem Test von 24 Proben wurde festgestellt, daß bei Sensoren, die aus unterschiedlichen Membranen und von unterschiedlichen Stellen der gleichen Membran hergestellt worden waren, die Intensität des Signals innerhalb von 10% einheitlich war. Diese Ergebnisse waren beträchtlich besser als die Sensorkassetten Modell 6701, die als Kontrollen verwendet wurden.
Die Sensorkassetten wurden einer schrittweisen Änderung des pH unterzogen, indem eine Pufferlösung schnell durch eine andere ersetzt wurde, wobei die Zeit bis zum Erreichen des neuen Gleichgewichtes vom Analysegerät als Wert erfaßt wurde. Bei 24 getesteten Proben betrug die Zeit bis zum Erreichen des im wesentlichen vollständigen Gleichgewichtes bei einem neuen Skalenwert etwa 60 Sekunden, ein Ergebnis, was für die praktische Anwendung bei der Erfassung von Gas im Blut akzeptabel ist.
Beispiel 4
Herstellung eines Sensorelementes
Platten (22 cm × 22 cm) einer Membran aus regenerierter Cellulose (von Enka AK als CUPROPHAN kommerziell erhältlich) wurden dreimal in mindestens 2000 ml deionisiertem Wasser gewaschen und über eine Glasplatte gespannt. Das überschüssige Wasser wurde mit einer Pipette entfernt. Danach wurde eine Lösung von 350 ml Dimethylsulfoxid (DMSO, von Spectrum kommerziell erhältlich) in deionisiertem Wasser auf 20 ± 1°C abgekühlt. Diese Lösung von DMSO/Wasser (640 ml) wurde dann unter Rühren in 100 g 95%igen Butandioldiglycidylether (von Aldrich kommerziell erhältlich) gemischt. Dann wurde eine Natriumhydroxidlösung (16 g 50%iges Natriumhydroxid in 844 ml deionisiertem Wasser) unter Rühren zu diesem Gemisch gegeben, und es wurde eine Zeitsteuerung gestartet, damit eine dreiminütige Alterung erfolgte. Danach wurden die Cellulosemembranen in die gealterte Lösung getaucht und konnten 20 Minuten reagieren, damit die Membranen vernetzen. Nach dem beschriebenen Zeitraum wurde die Umsetzung durch zwei Wäschen mit 2000 ml deionisiertem Wasser unterbrochen.
Aus 96 g 70%igem Hexandiamin (von Eastman Fine Chemicals kommerziell erhältlich), gemischt mit 1600 ml deionisiertem Wasser, wurde eine Lösung hergestellt. Diese Lösung ließ man 5 Minuten unter Rühren altern. Während der Alterung wurde der pH der Lösung auf 12 ± 0,01 eingestellt, indem falls erforderlich tropfenweise eine 6 n HCl-Lösung zugesetzt wurde. Nach dem Altern wurden die gewaschenen Celluloseplatten dann 20 Minuten in die Lösung getaucht. Nach dem vorgeschriebenen Zeitraum wurde die Umsetzung durch Spülen mit 2000 ml deionisiertem Wasser unterbrochen. Dann wurden die Platten noch zweimal in 2000 ml deionisiertem Wasser gespült und blieben 30 Minuten in der letzten Spülung eingetaucht.
Durch Auflösen von 480 mg Acetoxypyrentris(sulfonyl)chlorid, nach Beispiel 1 hergestellt, in 1070 ml Aceton wurde eine Farbstofflösung hergestellt. Die Membranen von Beispiel 4 wurden zu Scheiben geschnitten und nach dem Verfahren von Beispiel 3 getestet, außer daß 12 Sensoren aus jeweils neun unterschiedlichen Platten hergestellt wurden. Die pK_S-Werte dieser Sensoren wurden bei etwa 37°C mit 6,99 ± 0,02 festgestellt.
Die Sensorkassetten wurden einer stufenweisen Änderung des pH unterzogen, indem eine Pufferlösung schnell durch eine andere ersetzt wurde, wobei die Zeit bis zum Erreichen eines neuen Gleichgewichtswertes auf dem Analysegerät festgestellt wurde. Bei 4 getesteten Proben betrug die Zeit bis zum Erreichen eines im wesentlichen vollständigen Gleichgewichts bei einem neuen Skalenwert etwa 50 Sekunden, ein Ergebnis, das für die praktische Anwendung bei der Erfassung von Gas im Blut akzeptabel ist.
Während diese Erfindung in Verbindung mit spezifischen Ausführungsformen beschrieben wurde, sei darauf hingewiesen, dass weitere Abwandlungen möglich sind. Die beigefügten Ansprüche sollen dazu dienen, diese Abwandlungen, die ein Fachmann als das chemische Äquivalent zu dem, was hier beschrieben wurde, erkennen würde, abzudecken. Deshalb können durch Fachleute verschiedene Abwandlungen der hier beschriebenen Grundsätze durchgeführt werden, ohne vom eigentlichen Umfang der Erfindung abzuweichen, der durch die folgenden Ansprüche angegeben ist.

Claims

Ionensensor zum Erfassen der Konzentration von ionischen Spezies in einem Medium, umfassend: (a) ein Sensorelement, umfassend: (i) ein polymeres ionendurchlässiges Matrixmaterial; und (ii) eine kovalent an das polymere ionendurchlässige Matrixmaterial gebundene Sensorkomponente, wobei die Sensorkomponente in einer wirksamen Menge vorhanden ist, um ein Signal bereitzustellen, das so variiert, wie die Konzentration der ionischen Spezies in dem Medium variiert; und (b) ein opakes Überzugsmaterial, das das Sensorelement bedeckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorkomponente kovalent an das polymere ionendurchlässige Matrixmaterial durch verbindende Epoxid- und Amingruppen gebunden ist.
Ionensensor nach Anspruch 1, wobei das polymere ionendurchlässige Matrixmaterial Cellulose ist.
Ionensensor nach Anspruch 1, wobei das opake Überzugsmaterial Tinte ist.
Ionensensor nach Anspruch 1, wobei das opake Überzugsmaterial aus einer Tintenschicht, einer schwarzen Membran und einem zweiten Matrixmaterial mit einem opaken Mittel ausgewählt ist.
Ionensensor nach Anspruch 1, wobei das opake Überzugsmaterial ein polymeres ionendurchlässiges Matrixmaterial mit einem opaken Mittel, ausgewählt aus Ruß, Eisen(III)oxid und metallischen Phthalocyaninen, umfaßt.
Ionensensor nach Anspruch 1, wobei die Sensorkomponente ein fluoreszierender Farbstoff ist.
Ionensensor nach Anspruch 6, wobei der Sensor einen pKa-Wert von mindestens 6,9 bei einer Temperatur von 37°C aufweist.
Ionensensor nach Anspruch 6, wobei das Medium Blut ist.
Ionensensor nach Anspruch 1, wobei die Sensorkomponente aus Hydroxypyrentrisulfonsäure und Derivaten davon, Phenolphthalein, Fluorescein, Phenolrot, Cresokot, Pararosanilin, Magentarot, Xylenolblau, Bromcresolpurpur, Bromphenolblau, Bromthymolblau, Metacresolpurpur, Thymolblau, Bromphenolblau, Bromthymolblau, Tetrabromphenolblau, Bromchlorphenolblau, Bromcresolgrün, Chlorphenolrot, o-Cresolphthalein, Thymolphthalein, Metanilgelb, Diphenylamin, N,N-Dimethylanilin, Indigoblau, Alizarin, Alizaringelb GG, Alizaringelb R, Kongorot, Methylrot, Methylviolett 6B, 2,5-Dinitrophenol und/oder den verschiedenen funktionalisierten Derivaten der vorstehenden Spezies ausgewählt ist.
Ionensensor nach Anspruch 1, wobei die Sensorkomponente Hydroxypyrentrisulfonsäure ist und wobei die Sensorkomponente an das Matrixmaterial in Form eines Sulfonamids gebunden ist.
Ionensensor nach Anspruch 1, wobei das Matrixmaterial aus ionendurchlässigen Cellulosematerialien, Polyvinylalkohol (PVA) mit hohem Molekulargewicht oder vernetzter Form, Dextran, vernetztem Dextran, Polyurethanen, quaternisierten Polystyrolen, sulfonierten Polystyrolen, Polyacrylamiden, Polyhydroxyalkylacrylaten, Polyvinylpyrrolidonen, hydrophilen Polyamiden, Polyestern und Gemischen davon ausgewählt ist.
Ionensensor nach Anspruch 1, wobei das Matrixmaterial aus Membranen, Teilchen und Fasern ausgewählt ist.
Ionensensor nach Anspruch 7, wobei das Sensorelement im wesentlichen frei von ionisch gebundener Sensorkomponente ist, die den pKa-Wert des Sensorelements nachteilig beeinflussen kann, indem sie instabile und fälschlicherweise hohe pKa-Werte gibt.