DE69630531T2

DE69630531T2 - FLUORESZENZMETHODE MIT GLEICHZEITIGER DOPPELANREGUNG/EINFACHEMISSION ZUR MESSUNG VON pH UND pCO2

Info

Publication number: DE69630531T2
Application number: DE69630531T
Authority: DE
Inventors: C. Steven FURLONG
Original assignee: Optical Sensors Inc
Current assignee: Optical Sensors Inc
Priority date: 1995-09-12
Filing date: 1996-08-27
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2016-08-28
Also published as: EP0850409A4; EP0850409A1; EP0850409B1; JPH11512521A; US5672515A; CA2231771C; DE69630531D1; WO1997010495A1; JP3764482B2; CA2231771A1

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Verfahren zum Verwenden von optischen Sensoren zum Messen von Analyten in einer Probe. Insbesondere betrifft die Erfindung ein neues Verhältnis-metrisches Verfahren des Messens eines Analyts in einer Probe. Das Verfahren ist verwendbar für die Messung eines pH-Wertes und eine Erfassung und Quantifizierung von Gasen, wie z. B. Karbondioxid.
Hintergrund
Chemische Sensoren sind im Allgemeinen für den Einsatz in vielfältigen Bereichen, wie z. B. der Medizin, der wissenschaftlichen Forschung, bei industriellen Anwendungen und ähnlichem, bekannt. Glasfasertechnische und elektrochemische Anwendungen sind im Allgemeinen für den Einsatz in Situationen bekannt, wo die Konzentration eines Parameters an einer entfernten Stelle erfasst und/oder gemessen werden soll, ohne dass eine elektrische Verbindung mit der entfernten Stelle benötigt wird. Strukturen, Eigenschaften, Funktionen und operative Details glasfasertechnischer chemischer Sensoren sind gut bekannt und sind z. B. in dem US-Patent Nr. 4,577,109 von Hirschfeld, in dem US-Patent Nr. 4,785,814 von Kane und in dem US-Patent Nr. 4,842,783 von Blaylock, wie auch in Seitz, "Chemical Sensors Based on Fiber Optics", Analytical Chemistry, Vol. 56, Nr. 1. Januar 1984, und in Wolfbeis, Fiber Optic Chemical Sensors and Biosensors, Vol. I und II, CRC Press, Boca Raton, Florida, 1991 beschrieben.
Veröffentlichungen wie diese stellen im Allgemeinen dar, dass es bekannt ist, einen chemischen Sensor mit einem Glasfaser wellenleiter, einem elektrochemischen Gassensor oder ähnlichem in einer Weise zu integrieren, dass der chemische Sensor mit dem Analyt zusammenwirkt. Diese Zusammenwirkung bewirkt eine Veränderung der optischen Eigenschaften, wobei die Veränderung durch den Glasfaserwellenleiter oder ähnliches untersucht und erfasst wird. Diese optischen Eigenschaften der chemischen Sensoranordnungen bedingen Veränderungen in den Farben oder in den Farbintensitäten. Bei diesen Typen von Systemen ist es möglich, speziell winzige Veränderungen in dem Parameter oder in den Parametern zu erfassen, welche überwacht werden, um dabei speziell empfindliche Leistungsfähigkeiten eines abgesetzten Überwachens bereitzustellen.
Die chemischen Sensoranordnungen, welche an dem distalen Ende der glasfasertechnischen Sensoren aufgenommen sind, sind oft als Membrane ausgestaltet, welche an der distalen Spitze der Wellenleitervorrichtung oder Optrode befestigt sind. Sensoren dieser allgemeinen Ausführung sind beim Messen von Gaskonzentrationen, wie z. B. Karbondioxid und Sauerstoff, beim Beobachten des pH-Wertes einer Flüssigkeit und bei ähnlichem verwendbar. Ionenkonzentrationen können auch erfasst werden, wie z. B. Kalium-, Natrium-, Kalzium- und Metallionen.
Eine typische glasfasertechnische Sensorvorrichtung positioniert das Sensormaterial an einer im Allgemeinen distalen Stelle mit der Unterstützung von einer oder mehreren Ausführungen von Unterstützungsmitteln. Die Unterstützungsmittel müssen derart beschaffen sein, dass sie eine Wechselwirkung zwischen dem Parameter-empfindlichen Indikator, z. B. einem fluoreszierenden Farbstoff oder ähnlichem, und der Substanz, welche einer Beobachtung, Messung und/oder Erfassung unterzogen wird, erlaubt. Bekannte Anwendungen beinhalten diesbezüg lich die Verwendung von durchlässigen Membranen und Verbundstoffen, welche eine Mikro-Einkapselung enthalten.
Ein Problem mit solchen auf Empfindlichkeit basierenden glasfasertechnischen chemischen Sensoren ist, dass sie bezüglich beeinflussender Effekte, wie z. B. Temperaturänderungen, auf die Faser einwirkende mechanische Belastungen, durch Vibration verursachte Fehlausrichtung von optischen Komponenten und ähnliches, empfindlich sind. Diese physikalischen Effekte führen zu unerwünschten Intensitätsschwankungen des Ausgangssignals, was nicht in einer Beziehung mit Veränderungen der Menge des Analyts steht, und Messfehler verursacht.
Ein gut bekanntes Problem mit gemeinsam verwendeten Parameter-empfindlichen chemischen Indikatoren ist, dass sie fotolabil sind. Die strahlende Energie in Licht führt zu fotochemischen Reaktionen, welche die Zersetzung der Indikatoren beschleunigt und dabei ihre Einsatzzeiten verkürzt. Diese Fotozersetzung bewirkt einen koordinierten Signalabfall, welcher gemein als Fotodrift oder einfach als Drift bezeichnet wird.
Verschiedene Ansätze wurden eingesetzt, um das Problem des Fotodrifts zu lösen. Z. B besitzen einige Parameterempfindliche Indikatoren ein sichtbares Spektrum mit einem Abschnitt, welcher empfindlich gegenüber umgebungsbedingten Veränderungen ist, und mit einem Abschnitt, welcher entweder eine völlige umgebungsbedingte Unempfindlichkeit (z. B. einen isosbestischen Punkt) oder eine relative Unempfindlichkeit zeigt. Diese Spektraleigenschaft kann vorteilhaft eingesetzt werden, um den Fotodrift zu kompensieren, indem das Verhältnis zwischen dem umgebungsbedingt empfindlichen Abschnitt eines Indikatorspektrums zu demjenigen des unempfindlichen Ab schnitts des Spektrums für das Signal bestimmt wird. Das Verhältnis der Signale sollte unveränderlich sein, während das Indikatormolekül fotozersetzt wird und der absolute Signalwert abfällt. Dieses Prinzip ist eingesetzt worden, um das Verhältnis der Signale zu bestimmen, welche von einem fluoreszierenden Indikator erhalten werden, wenn ein pH-Wert gemessen wird. Wolfbeis, supra, Vol. I, Seite 103.
Eine andere Strategie, das Problem des Fotodrifts zu bekämpfen, bedingt die Aufnahme eines separaten internen Referenzfarbstoffes in den Sensor. Der Referenzindikator wird derart gewählt, dass er umweltbedingt unempfindlich ist und mit derselben Rate wie der Parameter-empfindliche Indikator fotozersetzt wird. Wenn ein interner Referenzfarbstoff in einem optischen Sensor aufgenommen wird, kann das Signal von dem umweltbedingt empfindlichen Indikator durch Vergleich mit dem Signal von dem Referenzfarbstoff geeicht werden. Als ein Ergebnis der Ähnlichkeit der Dämpfungsraten des Indikatorfarbstoffes und des Referenzfarbstoffes, sollte das Verhältnis der Signale unveränderlich sein, wenn die zwei Farbstoffe durch Licht zersetzt werden.
Zusätzlich zu den Problemen des Fotodrifts erzeugen schließlich fotochemische Reaktionen, welche das Ergebnis einer Einwirkung von Licht sind, die Zersetzung der organischen Farbstoffe, welche als chemische Indikatoren eingesetzt werden. Wenn ein Indikator mit einem begleitenden Abfall der Signalintensität zerfällt, muss der Sensor wiederholt geeicht werden. Der Einsatz eines Systems, welches ein Verfahren der Verhältnisbestimmung der Signale von Indikator- und Referenzfarbstoffen verwendet, erlaubt nicht nur die Kompensation des Fotodrifts, sondern vergrößert die Intervalle, zwischen wel chen der Sensor erneut geeicht werden muss, um mit Genauigkeit wie auch Präzision zu arbeiten.
Die Eichung der Emissionssignale des Indikatorfarbstoffs kann beeinflusst werden, indem das Verhältnis von ihm zu demjenigen des Referenzfarbstoffs bestimmt wird. Somit können die Indikator- und Referenzfarbstoffe mit Licht einer speziellen Wellenlänge, mit Licht von mehr als einer speziellen Wellenlänge oder mit Licht von einem Bereich von Wellenlängen bestrahlt werden, wobei dies der Wellenlänge der maximalen Absorption entsprechen oder nicht entsprechen kann. Die fluoreszierende Emission kann bei bestimmten Wellenlängen, welche der Wellenlänge der maximalen Emissionsintensität entsprechen oder nicht entsprechen können, oder bei einem Bereich von Wellenlängen in Verbindung mit bestimmten Lichtfiltervorrichtungen gemessen werden. Durch dieses Verfahren kann die fluoreszierende Emission des Indikatorfarbstoffs von derjenigen des Referenzfarbstoffs unterschieden werden. Wenn die Emission des Indikatorfarbstoffs als ein Anteil der Emission des Referenzfarbstoffs ausgedrückt wird, ergibt sich gegenüber einer Sensoranordnung mit einem einzelnen Indikatorfarbstoff ein Signalverhältnis, welches empfindlich gegenüber dem interessierenden Analyt und weniger empfindlich gegenüber den Effekten der Einwirkung von Licht ist (durch Licht verursachte Zersetzung des Signals, durch Licht verursachte Zersetzung des Gemisches) ist, und eine verlängerte Einsatzzeit des Sensors.
Das US-Patent Nr.4,792,689 von Peterson beschreibt einen verbesserten glasfasertechnischen Sensor und ein Verfahren, um die Unterschiede in der Signalintensität bei glasfasertechnischen Sensoren zu korrigieren. Dieser Ansatz, welcher typi scherweise als "einfache Anregung/zweifache Emission" bezeichnet wird, verwendet einen glasfasertechnischen Sensor mit zwei fluoreszierenden Indikatorfarbstoffen, einen gegenüber dem interessierenden Analyt empfindlichen und einen unempfindlichen. Zwei Wellenlängen eines Lichts führen durch einen einzelnen glasfasertechnischen Sensor, dabei werden der empfindliche und der unempfindliche Farbstoff angeregt, wobei der eine eine Analyt-empfindliche fluoreszierende Emission erzeugt und der andere eine Analyt-unempfindliche Emission erzeugt. Die Farbstoffe werden derart gewählt, dass sie bei verschiedenen optischen Wellenlängen gleichzeitig fluoreszieren; diese fluoreszierenden Emissionssignale werden zu der Erfassungs-Elektrooptik durch einen einzelnen Glasfaserwellenleiter übertragen. Bei diesem Verfahren mit "gemeinsamer Betriebsart" treten alle dargestellten physikalischen Phänomene gleichzeitig auf und durchlaufen dieselbe optische Verbindung –– sowohl für die Zulieferung von optischer Energie zu dem erfassenden Bereich als auch für die Erfassung der resultierenden fluoreszierenden Signale.
Nach seiner Lehre setzt Peterson an diesem Punkt ein dispersives optisches Element ein, d. h. einen dichroitischen Spiegel, welcher die erfassenden optischen Signale und die optischen Referenzsignale räumlich trennt. Jedes dieser Signale wird zu seiner entsprechenden, separaten Erfassungsschaltung geleitet, d. h. die optische Leitung der gemeinsamen Betriebsart ist zu dem letztmöglichen Moment unterbrochen worden. Idealerweise würden die zwei Signale gleichzeitig zu derselben optischen Erfassungsschaltung geleitet und unabhängig erfasst worden. Auf diese Weise würden alle Effekte der gemeinsamen Betriebsart, sogar Veränderungen bei der elektrischen Ausbeute der Erfassungsschaltung, korrigiert worden, indem das Ver hältnis der erfassenden Signale und der Referenzsignale bestimmt wird.
Verbesserungen an dem Verfahren von Peterson sind für erfassende Techniken des glasfasertechnischen chemischen Erfassens mit "gleichzeitiger gemeinsamer Betriebsart" beschrieben worden. Z. B. das so genannte Verfahren der "zeitlichen Dämpfung" ist ein Verfahren mit "einfacher Anregung/einfacher Emission", bei welchem eine einzelne fluoreszierende (oder phosphoreszierende) Farbstoffspezies eingesetzt wird, um das Vorhandensein eines aufgelösten Sauerstoffs zu erfassen. Typischerweise wird das Emissionssignal in dem Zeitbereich durch einen Hochgeschwindigkeits-Analog-Digital-Umwandler aufgefangen und eine unmittelbare Analyse des Signals (normalerweise die Bestimmung der 1/e Zerfallszeit) ergibt die Sauerstoffkonzentration. Die Ergebnisse sind unabhängig von der absoluten Intensität des zurückkehrenden optischen Signals. Obwohl diese Technik konzeptionell überzeugend ist, weil kein Referenzfarbstoff benötigt wird, ist es aus verschiedenen Gründen weder richtig kommerzialisierbar noch kann es in dem Bereich der pH-Wert-Erfassung eingesetzt werden.
Andere Verfahren zum Korrigieren der Effekte der gemeinsamen Betriebsart umfassen zwei allgemeine Verfahren, welche als "zweifache Anregung/zweifaches Verhältnis-metrisches Emissionserfassen" und als "zweifache Anregung/einfaches Emissionserfassen" bezeichnet werden.
Bei dem Verfahren mit zweifacher Anregung/zweifacher Emission werden zwei Farbstoffspezies in dem Erfassungsbereich eines glasfasertechnischen Sensors in einer ähnlichen Weise, wie bei derjenigen bei Peterson beschriebenen, eingesetzt. Im Gegensatz zu Peterson haben die Farbstoffspezies unterschiedliche Absorptionsbereiche und sie fluoreszieren in verschiedenen optischen Spektren. Wie bei dem Verfahren nach Peterson trennen die Systeme mit zweifacher Anregung/zweifacher Emission die Signale vor der Erfassung und sie besitzen separate optische Detektoren. Somit wird die optische Leitung der gemeinsamen Betriebsart unterbrochen, wodurch Effekte einer nicht gemeinsamen Betriebsart eingeschleppt werden.
Bei einem typischen System mit zweifacher Anregung/einfacher Emission, siehe z. B. die EP-529247, wird eine einzelne Farbstoffspecies eingesetzt, welche optische Energie bei zwei verschiedenen Anregungswellenlängen absorbiert und optische Energie in demselben Spektrenbereich emittiert. Dieses System besitzt den Vorteil, dass es, da das resultierende Emissionssignal dieselbe Farbe für beide Anregungssignale ist, die identische optische Leitung, d. h. dieselben optischen Filter und dasselbe Erfassungssystem, für beide Signale einsetzen kann. Bei diesem System ist jedoch der einzige Weg, die beiden Signale zu unterscheiden, die Messungen zu verschiedenen Zeiten durchzuführen; die Gleichzeitigkeit wird bei der Referenzmessung verloren. Somit ist z. B. das Verhältnis verfälscht, wenn das Instrument oder die optische Energiequelle zwischen den erfassenden und den Referenzmessungen driftet.
Somit gibt es nach dem Stand der Technik einen Bedarf für ein Verfahren, welches ein gleichzeitiges Erfassen mit zweifacher Anregung/einfacher Emission bereitstellt, welches alle Effekte der gemeinsamen Betriebsart korrigiert, indem das Verhältnis der erfassenden und der Referenzemissionssignale von einer Umwelt-empfindlichen Indikatorspezies gebildet wird.
Offenbarung der Erfindung
Entsprechend ist es eine erste Aufgabe der Erfindung, die vorab erwähnten nach dem Stand der Technik vorhandenen Bedürfnisse zu adressieren, indem ein neues Verhältnismetrisches Verfahren zum Quantifizieren eines Analyts in einer Probe bereitgestellt wird.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, diese Bedürfnisse zu adressieren, indem ein neues Verfahren zum Quantifizieren eines Analyts in einer Probe bereitgestellt wird, dass den Einsatz eines Verhältnis-metrischen Verfahrens mit zweifacher Anregung/einfacher Emission umfasst.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Quantifizieren eines Analyts in einer Probe bereitzustellen, welche ein Verfahren mit zweifacher Anregung/einfacher Emission beinhaltet.
Zusätzliche Aufgaben, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung werden zum Teil in der Beschreibung, welche folgt, dargelegt und werden zum Teil den Fachleuten durch die Auswertung des Folgenden verständlich oder können durch die Anwendung der Erfindung erlernt werden.
Gemäß eines Aspektes der Erfindung wird ein Verfahren zum Quantifizieren eines Analyts in einer Probe entsprechend Anspruch 1 bereitgestellt.
Gemäß eines anderen Aspektes der Erfindung wird eine Vorrichtung entsprechend Anspruch 12 bereitgestellt.
Kurze Beschreibung der Figuren
Im Zuge dieser Beschreibung wird Bezug auf die beigefügte Zeichnung genommen, wobei gilt:
1 ist eine schematische Darstellung eines Systems zum Quantifizieren eines Analyts in einer Probe, welches den Einsatz einer Technik mit gleichzeitiger zweifacher Anregung/ einfacher Emission gemäß den Lehren der Erfindung umfasst.
2 ist eine grafische Darstellung eines Vergleichs eines pH-Wertes von arteriellem Blut, welcher unter Verwendung eines marktgängigen Labor-Blut-Gas-Messgeräts erhalten wurde, mit demjenigen, welcher unter Verwendung eines parakorporalen glasfasertechnischen Sensorsystems und eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit gleichzeitiger zweifacher Anregung/einfacher Emission erhalten wurde.
3 ist eine grafische Darstellung eines Vergleiches eines pCO₂-Wertes von arteriellem Blut, welcher unter Verwendung eines marktgängigen Labor-Blut-Gas-Messgeräts erhalten wurde, mit demjenigen, welcher unter Verwendung eines parakorporalen glasfasertechnischen Sensorsystems und eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit gleichzeitiger zweifacher Anregung/einfacher Emission erhalten wurde.
Betriebsarten zum Ausführen der Erfindung
Bevor die vorliegende Vorrichtung und die vorliegenden Verfahren zum Quantifizieren eines Analyts in einer Probe offenbart und beschrieben werden, sollte klar sein, dass diese Erfindung nicht auf die speziellen Sensorarten, speziellen In dikatorzusammensetzungen oder speziellen Anregungsenergiequellen beschränkt ist und solche natürlich verändert werden können. Es ist auch klar, dass die hier verwendete Terminologie nur dem Zweck des Beschreibens der speziellen Ausführungsformen dient und nicht beschränkend gemeint ist.
Es muss angemerkt werden, dass die im Singular benutzten Artikel "ein", "eine", "eines", "der", "die" und "das" Bezüge auf einen Plural beinhalten, außer der Kontext beschreibt es klar anders. Somit beinhaltet z. B. der Bezug auf eine "Quelle der Anregungsenergie" mehr als eine Quelle der Anregungsenergie, der Bezug auf "ein Indikatormaterial" beinhaltet Mischungen von geeigneten Indikatormaterialien, der Bezug auf "einen optischen Sensor" beinhaltet zwei oder mehrere solcher Sensoren und ähnliches.
Beim Beschreiben und Beanspruchen der vorliegenden Erfindung wird die folgende Terminologie entsprechend der unten dargelegten Definitionen verwendet.
Der Term "optische Glasfasermittel" wird hier verwendet, um eine einzelne optische Glasfaser oder ein Bündel von optischen Glasfasern zu bezeichnen. Geeignete Materialien für optische Glasfasern werden im Folgenden angegeben.
Der Term "Probe", wie er hier verwendet wird, bezeichnet ein flüssiges oder gasförmiges Material, welches unter Verwendung der vorliegend offenbarten Sensoren entweder bezüglich eines Parameters, wie z. B. des pH-Wertes, oder bezüglich des Vorhandenseins oder der Konzentration von Gasen, wie z. B. Karbondioxid oder ähnlichem, analysiert werden kann. Im Allgemeinen sind die unter Verwendung der hier hergestellten Sen soren analysierten "Probeflüssigkeiten" physiologische Flüssigkeiten, wie z. B. Blut.
Der Term "Indikator" wie in "Indikatorzusammensetzung", "Indikatormaterial" oder "Indikatorkomponente" bezeichnet eine Spezies, welche ein optisches Absorptions- oder Anregungsspektrum besitzt, welches einen ersten Bereich, welcher empfindlich gegenüber dem interessierenden Analyt in der der Analyse unterzogenen Probe ist, und einen zweiten Bereich, welcher unempfindlich gegenüber dem Analyt ist, enthält. Vorzugsweise überlappen sich der erste und der zweite Bereich nicht wesentlich. Durch die Phrase "überlappen sich nicht wesentlich" ist gemeint, dass die Wellenlänge der Spitzenempfindlichkeit bezüglich des interessierenden Analyts des ersten Bereiches vorzugsweise um mehr als 20 Nanometer von der Wellenlänge der maximalen Empfindlichkeit des Analyts des zweiten Bereiches getrennt ist. Zusätzlich besitzt die Indikatorspezies ein Emissionsspektrum, welches verschieden von dem Absorptions- oder Anregungsspektrum ist und in einem dritten spektralen Bereich emittiert. Der Term "verschieden" wird hier verwendet, um anzudeuten, dass die Indikatorspezies ein Emissionsspektrum besitzt, welches einen Scheitelpunkt der Wellenlänge besitzt, welcher vorzugsweise um mehr als 25 Nanometer sowohl von dem Scheitelpunkt des ersten Bereiches als auch von dem unempfindlichsten Punkt des zweiten Bereiches getrennt ist.
Zum Messen des pH-Wertes ist der Indikator im Allgemeinen ein fluoreszierender Farbstoff oder irgendein anderes fluoreszierendes Material, welches pH-Wert-empfindlich ist. Für Karbondioxid-Sensoren kann praktisch jeglicher pH-Wert-empfindlicher fluoreszierender oder absorbierender Farbstoff eingesetzt werden, obwohl die bevorzugten Indikatoren Fluorescein und Fluoresceinderivate enthalten, wie z. B. Carboxyfluorescin, Seminaphthorhodafluor, Seminaphthorhodafluorescin, Naphthofluorescin, Hydroxypyrentrisulfonsäure, Dichlorfluorescein und ähnliches. Besonders bevorzugte Indikatoren sind 8-Hydroxypyren-1,3,6-Trisulfonsäure ("HPTS") und Fluorescein.
Der Term "isosbestischer Punkt" wird verwendet, um eine Wellenlänge in dem Anregungs- oder Absorptionsspektrum eines Indikatormaterials zu bezeichnen, welche unempfindlich gegenüber Änderungen in dem Analyt ist, bezüglich welchen das Indikatormaterial bei anderen optischen Wellenlängen empfindlich ist, d. h. das Emissionssignals von der Indikatorspezies ändert sich nicht, wenn sich die Analytkonzentration ändert, wenn es einem einfallenden Licht bei dem isosbestischen Punkt ausgesetzt ist. Somit kann die Wechselwirkung eines Analyts in einer Probe mit dem Indikatorgemisch zu der Umwandlung einer Indikatorspezies in die andere führen, wenn ein Indikatorgemisch in zwei verschiedenen Spezies existiert. Wenn dies geschieht kann sich das Anregungs-, Absorptions- oder Emissionsspektrum derart verändern, dass ein Band des Spektrums mit ansteigender Analytkonzentration einen Amplitudenanstieg anzeigt, während die Amplitude des anderen Bandes gleichzeitig abfallen kann. Es können bestimmte Bänder des Spektrums beobachtet werden, für welche sich die Amplitude aufgrund einer Änderung der Konzentrationen des Analyts nicht ändert. Solche Analyt-unempfindlichen Bereiche des Spektrums werden hier als isosbestischer Punkt bezeichnet.
Die Erfindung zusammen mit den zusätzlichen Merkmalen und Vorteilen davon kann am besten mit Bezug auf die folgende Be schreibung im Zusammenhang mit den veranschaulichenden Zeichnungen verstanden werden.
Mit Bezug auf 1 wird im Allgemeinen ein System (10) zum Quantifizieren eines Analyts, z. B. des pCO₂-Wertes oder pH-Wertes in einer Probe, bereitgestellt. Das System umfasst optische Fasermittel (12), welche eine fluoreszierende Farbstoffspezies (14) beinhalten, welche einen ersten Bereich ihres Absorptions- und/oder Anregungsspektrums, welches Analytempfindlich ist, und einen zweiten Bereich ihres Absorptions- und/oder Anregungsspektrums besitzt, welches Analytunempfindlich ist. Abhängig vom Licht entsprechend dem ersten Bereich von einer ersten Lichtquelle (16), z.B. blauem Licht, und entsprechend dem zweiten Bereich von einer zweiten Lichtquelle (18), z. B. violettem Licht, emittiert die Farbstoffspezies Lichtenergie, z. B. fluoresziert, in demselben dritten Spektralbereich, z. B. grünes Licht. Ein optionaler optischer Koppler (20) stellt Mittel zur Verfügung zum Zusammenfassen des Ausstoßes der Lichtquelle (16) und der Lichtquelle (18), um gleichzeitig die Farbstoffspezies (14) auf zwei verschiedenen Bereichen ihres Absorptions- oder Anregungsspektrums anzuregen. Zusätzlich stellt der optische Koppler (20) Mittel zur Verfügung, wodurch ein Referenzsignal zu einem Referenzdetektor (22) geleitet werden kann. Wie in 1 dargestellt sind die Lichtquellen (16) und (18) Licht emittierende Dioden.
Am Beginn sind optische Fasermittel vorhanden, welche dazu dienen, optische Signale von einer Probenflüssigkeit mit Erfassungsmitteln zu verbinden. Die optischen Fasermittel umfassen typischerweise eine einzelne verlängerte optische Fa ser, obwohl sie auch ein Bündel von parallel laufenden optischen Fasern umfassen können.
Beispiele für geeignete Fasersubstratsmaterialien umfassen Glas-, Kunststoff-, Glas/Glas-Verbundstoff- und Glas/Kunststoff-Verbundstoff-Faserwellenleiter. Eine kritische Eigenschaft von optischen Fasern ist die Dämpfung des optischen Signals. Somit führen Gläser, welche inakzeptable Werte von Übergangsmetall-Verunreinigungen enthalten, wenn sie von natürlich auftretenden Materialien hergestellt werden, zu hohen Absorptionsverlusten. Siliziumdioxidfasern von akzeptabler Qualität können von gesäuberten Ausgangsmaterialien (z. B. Siliziumtetrachlorid und Germaniumtetrachlorid) hergestellt werden, wobei herkömmliche Glasschmelzverfahren und herkömmliches Faserziehen eingesetzt werden.
Obwohl es nicht notwendig ist, sind im Allgemeinen Fasern mit Kaschiermitteln vorhanden. Für die Fachleute verständlich dienen die Kaschiermittel dazu, für eine konstruktive Unterstützung für eine anderenfalls zerbrechliche Faser zu sorgen und sorgen auch für eine Beschichtung, welche das entlang der Faser geführte Licht leitet. Im vorliegenden Fall umfassen die Kaschiermittel typischerweise ein Fluorpolymer, wie z.B. ein polymeres Fluoracrylat. Jedoch können die Kaschiermittel auch Glas umfassen oder können Polystyren, Polyimid oder jegliche anderen geeigneten Kunststoffmaterialien umfassen.
Vorzugsweise ist die Indikatorspezies eine einzelne fluoreszierende oder phosphoreszierende Farbstoffspezies mit einem isosbestischen Punkt, welcher als der zweite Bereich des Anregungs- oder Absorptionsspektrums dienen kann. Alternativ kann eine Indikatorspezies gleichzeitig in zwei Formen, z. B.
Säure und Base, existieren, wobei die relativen Mengen davon von dem Vorhandensein eines Analyts abhängen. Die verwendeten Anregungs- und Emissionswellenlängen hängen von den Anregungs- oder Absorptionsspektren der zwei Formen der Farbstoffspezies ab. Z. B. können die Säure- und Baseformen einer pH-Wert-empfindlichen Farbstoffspezies gleichzeitig auf unabhängig modellierten und verschiedenen Wellenlängen angeregt werden und die Intensität der Emission kann auf derselben optischen Wellenlänge für beide Anregungen gemessen, demoduliert und bearbeitet werden, um eine Verhältnis messende Bestimmung des pH-Wertes der Probe zu erhalten.
Eine Indikatorspezies kann auf der distalen Spitze der optischen Fasermittel mittels jeglichem nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren bereitgestellt werden. Ein Beispiel für solch ein Verfahren wird in dem US-Patent Nr. RE 31,879 von Lübbers und anderen gefunden, welches eine Vorrichtung offenbart, wobei ein Indikatormaterial in gelöster Form bereitgestellt wird und von der äußeren Umgebung durch eine Membran getrennt ist. Ein alternativer Ansatz ist, eine Indikatorzusammensetzung auf der Spitze einer optischen Faser anzubringen, wobei ein z. B. in dem US-Patent Nr. 5,354,825 von Klainer und anderen beschriebene Silanisierungs-Technik eingesetzt wird. Noch eine andere Technik umfasst ein direktes Verbinden von fotoaktiven Polymeren mit der Spitze einer optischen Faser, wie es in dem US-Patent Nr. 5,354,825 von Klainer und anderen beschrieben ist. Ein noch anderer Ansatz umfasst die Verwendung einer inneren klebenden Schicht zum Anbringen einer Indikatorzusammensetzung an dem distalen Ende eines optischen Fasersensors.
Kurz gesagt umfasst dieses Verfahren das Aufbringen einer Schicht einer vernetzbaren klebenden Zusammensetzung auf die Spitze einer optischen Faser, wobei ein einfaches Eintauch-Beschichtungsverfahren eingesetzt wird, ein teilweises oder vollständiges Aushärten der so bereitgestellten klebenden Schicht, wobei Feuchtigkeit, Hitze, ultraviolette Strahlung und Ähnliches verwendet wird, Beschichten der klebenden Schicht mit zumindest einer Außenschicht einer vernetzbaren Indikator enthaltenden Zusammensetzung, wobei ein einfaches Eintauch-Beschichtungsverfahren verwendet wird, welches verwendet wird, um die klebende Schicht und das Aushärten der der Außenschicht bereitzustellen. Die beschichtete Fühlerspitze wird in einer Salzlösung aufbewahrt, um die Faserbeschichtung zu hydratisieren.
Ein noch anderer Ansatz umfasst die Verwendung einer CO₂-durchlässigen Endkappe, welche mit einem fluoreszierenden Indikator gefüllt ist und an der distalen Spitze der optischen Fasermittel angebracht ist.
Kurz gesagt bedingt diese Methode ein vorheriges Füllen einer CO₂-durchlässigen Silikonkappe mit einer flüssigen Lösung, welche einen CO₂-erfassenden Farbstoff enthält. Die vorher gefüllte Kappe wird auf der Spitze eines optischen Faserwellenleiters aufgebracht und befestigt, wobei ein Silikonklebstoff verwendet wird, welcher auf der Kappen-Faser-Schnittstelle aufgebracht wird, um die Kappe auf der Faser zu befestigen. Die Faser mit Kappe wird dann einer feuchten Umgebung ausgesetzt, um mit Feuchtigkeit das Silikon zu härten.
Die Lichtquelle kann eine Glühlampe, eine Bogenlampe oder eine Blitzlichtlampe, eine Halbleiteremissionsquelle oder ein Laser sein. Vorzugsweise ist die Lichtquelle eine Licht emittierende Diode ("LED").
Der Ausstoß der Lichtquellen (16) und (18) wird gleichzeitig und unabhängig durch elektronische Mittel Amplitudenmoduliert. Wie in 1 dargestellt wird der Ausstoß der Lichtquellen (16) und (18) bei unterschiedlichen elektronischen Frequenzen, f₁ und f₂ (entsprechend durch die gestrichelten (––––) und die gepunktelten (····) Linien in 1 bezeichnet) durch einen Lichtquellentreiber (24) Amplitudenmoduliert, welcher in 1 beispielhaft als ein LED-Treiber dargestellt ist. Die elektronischen Frequenzen werden derart ausgewählt, dass sie elektronisch aufgelöst werden können. Es ist vorzuziehen, dass sie sich zumindest um 1 Hz unterscheiden und dass sie nicht Vielfache voneinander, z. B. Harmonische, oder lineare Kombinationen davon, sind. Es ist auch vorzuziehen, dass die elektronischen Frequenzen nicht 60 Hz oder ein Vielfaches davon betragen.
Elektronische Modulation kann bewerkstelligt werden, indem Amplitudenmodulationskonzepte verwendet werden, bei einer konstanten Frequenz, indem eine Strommodulation (sinusförmige, dreieckige, rechteckwellige oder ähnliches), eine Spannungsmodulation oder eine räumliche Filterung mit optischen Verschlüssen verwendet wird. Alternativ kann eine elektronische Modulation bewerkstelligt werden, indem Frequenzmodulationskonzepte verwendet werden, bei einer konstanten Amplitude, wobei nach dem Stand der Technik bekannte Verfahren eingesetzt werden, welche eine akustisch-optische Modulation, eine elektro-optische Modulation oder nichtlineare Quarze enthalten. Außerdem können die optischen Signale von den Lichtquellen (16) und (18) moduliert werden, indem Phasenmo dulationskonzepte, wie z. B. eine elektro-optische Modulation, welche typischerweise piezo-elektrische Quarze verwendet, eingesetzt werden. Frequenzmodulation und Phasenmodulation kann in Verbindung mit kohärenten Lichtquellen zweckmäßig sein, während Amplitudenmodulationskonzepte mit kohärenten und/oder inkohärenten Lichtquellen eingesetzt werden kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die optischen Signale von den Lichtquellen (16) und (18) moduliert, indem Amplitudenmodulationskonzepte, genauer Amplitudenmodulationskonzepte, welche eine Strommodulation verwenden, eingesetzt werden. Das System kann optional Mittel enthalten, um ein Lampenreferenzsignal zu erzeugen, welches ein optischer Koppler/Strahlteiler sein kann, von welchem das Signal auf einen optionalen Referenzdetektor geleitet wird.
Eine elektronische Modulation der optischen Signale von den Lichtquellen (16) und (18) führt dazu, dass das gesamte zurückkehrende Emissionssignal von der Farbstoffspezies (14) aus zwei verschiedenen fluoreszierenden Komponenten zusammengesetzt ist –– einer Komponente bei der elektronischen Frequenz f₁ (dem erfassenden Signal, dessen Amplitude pH-Wert abhängig ist) und einer zweiten Komponente bei der elektronischen Frequenz f₂ (das Referenzsignal, dessen Amplitude pH-Wert unempfindlich ist). Die zwei Emissionssignale werden durch einen optischen Koppler (20) geleitet und gleichzeitig dem optischen Detektor (26) präsentiert (das gesamte zurückkehrende Emissionssignal ist in 1 durch die Linie dargestellt, welche aus abwechselnden Punkten und Strichen zusammengesetzt ist (·–·–)).
Der optische Detektor kann ein Halbleiterdetektor oder eine Anordnung solcher Detektoren, Nicht-Halbleiter-Detektoren, thermaler Detektoren oder ähnlichem sein. Beispiele für Halbleiterdetektoren sind Siliziumdetektoren und Anordnungen davon. Beispiele für Nicht-Halbleiter-Detektoren sind Elektronenvervielfachungsröhren ("PMTs"). Thermale Detektoren enthalten Thermosäulen und Bolometer.
Das von der Farbstoffspezies (14) durch den optischen Detektor (26) erfasste Signal kann demoduliert werden, indem irgendeins aus einer Vielfalt von nach dem Stand der Technik bekannten Demodulationskonzepten eingesetzt wird. Das Konzept, welches eingesetzt werden kann, um das Signal zu demodulieren, hängt davon ab, welches Konzept eingesetzt wurde, um die optischen Signale von den Lichtquellen (16) und (18) zu modulieren.
Somit kann für optische Signale, welche mit Amplitudenmodulationskonzepten moduliert worden sind, die Demodulation durch irgendein nach dem Stand der Technik bekanntes Verfahren einschließlich digitaler Demodulations- oder analoger Demodulationskonzepte durchgeführt werden. Wenn die Proben Frequenz- oder Phasen-moduliert waren, kann das von der Farbstoffspezies (14) erfasste Signal durch Frequenz- beziehungsweise Phasen-Demodulationskonzepte demoduliert werden. Vorzugsweise werden Amplituden-modulierte optische Signale von der Farbstoffspezies (14) durch den optischen Detektor (26) empfangen, welcher typischerweise einen analogen Ausgang bereitstellt, verstärkt, durch einen Hochgeschwindigkeits-Analog-Digitalwandler (A/D-Wandler) (28) digitalisiert und zu einer digitalen Signalverarbeitungsvorrichtung (DSP-Vorrichtung) (30) geleitet. Hier wird die Spektralanalyse auf der digitalisierten Ausgabe der Detektorausgabe durch nach dem Stand der Technik bekannte diskrete Fouriertransformationstechniken ("DFT"-Techniken) ausgeführt. Das Nettoergebnis ist die Demodulation und Trennung der zwei Emissionssignale in ihre entsprechenden Amplituden –– das pH-Wert-abhängige erfassende Signal und sein gleichzeitig demoduliertes Referenzsignal. Diese numerischen Ergebnisse sind dann für eine nachfolgende Nach-Erfassungsverarbeitung verfügbar, um das Analyt zu quantifizieren.
Die DSP-Vorrichtung (30) dient auch als ein digitaler Mikroprozessor, welcher durch den Digital-Analog-Wandler (32) für einen Signal-zu-Lichtquellen-Treiber (24) sorgt, um den Ausgang der Lichtquellen (16) und (18) zu modulieren.
Diese glasfasertechnisch basierte fluoreszierende Erfassungstechnik für den pH-Wert und/oder pCO₂-Wert kommt zur Anwendungen beim Erfassen des pH-Wertes und bei der Quantifizierung von gelösten Gasen, wie z. B. Karbondioxid in Proben, z. B. zum Erfassen des pH-Wertes und des pCO₂-Wertes in wässrigen Proben. Wenn die allgemeine abgesetzte Erfassungsarchitektur des Instruments/Sensors der Elektro-Optik einmal vorhanden ist, ist die Technik für jegliche Anwendung einrichtbar, welche das abgesetzte Erfassen eines chemischen Säure-Base-Systems erfordert.
Zusätzlich kann die Erfindung wertvoll sein, wenn sie bei parakorporalen Blutgas-Erfassungssystemen eingesetzt wird, wie z. B. bei dem in der US-A-5697366 mit dem Titel "In Situ Calibration System for Sensors Located in a Physiologic Line", Erfinder Kimball und andere, eingereicht am 27. Januar 1995, offenbarten und bei Martin und anderen (1994) Proc. Biomed. Fiber Optic Instrumentation 2131: 426–436 beschriebenen.
Kurz gesagt enthält das System glasfasertechnische Sensoren, welche in einem Gehäuse mit standardisierten Luer-Verriegelungsadaptern enthalten sind, welche in einer arteriellen Druckleitung angebracht sind, um ein "parakorporales" Erfassen zu ermöglichen; Blut eines Patienten wird durch eine Entnahme eines Pflegers für einzelne Messungen in die Leitung und das Gehäuse befördert und nach Abschluss der Messung in den Patienten zurückgeleitet.
Es ist für die Fachleute verständlich, dass nach der vorliegend offenbarten und beanspruchten Technik hergestellte Sensoren in einer großen Vielzahl von Kontexten eingesetzt werden können, einschließlich einer Messung von Karbondioxid oder anderen Gasen, einer Glukosebestimmung, einer Messung von Kaliumionen, Kalziumionen, Magnesiumionen und ähnlichem. Auch wenn die Erfindung primär im Zusammenhang mit der Messung von Analyten im Blut beschrieben worden ist, können die nach dem vorliegenden Verfahren hergestellten Sensoren eingesetzt werden, um einen weiten Bereich von Parametern in jeglicher Anzahl von Probentypen zu evaluieren.
Deshalb ist klar, dass, auch wenn die Erfindung im Zusammenhang mit bevorzugten speziellen Ausführungsformen davon beschrieben worden ist, die vorab stehende Beschreibung wie auch die folgenden Beispiele dafür bestimmt sind, zu verdeutlichen und nicht den Umfang der Erfindung zu beschränken. Andere Aspekte, Vorteile und Modifikationen innerhalb des Umfangs der Erfindung sind für die Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung verständlich.
Beispiel 1
Verwendung des gleichzeitigen zweifachen Anregungs-/einfachen Emissions-Verfahrens zur Messung des pH-Wertes und des pCO₂-Wertes
Ein parakorporales glasfasertechnisches Blutgas- und pH-Wert-Erfassungssystem, welches die gleichzeitige zweifache Anregungs-/einfache Emissions-Technik und Vorrichtung, wie in 1 dargestellt, einsetzt, wurde verwendet, um den arteriellen pCO₂-Wert und den pH-Wert zu erfassen, wie es von Martin und anderen, in supra beschrieben ist.
Erhaltene klinische Daten vom Menschen, wobei die parakorporale Vorrichtung eingesetzt wurde, wurden mit Untersuchungswerten verglichen, welche durch marktgängige Labor-pH-Wert/Blutgas-Techniken und Messgeräte erzeugt wurden, z. B. einem Radiometer Corporation Modell ABL 500-#2 Blutgasmessgerät. Die arteriellen Proben wurden geteilt, so dass der pH-Wert und der pCO₂-Wert durch jede Technik gemessen wurde, wobei dieselbe Probe verwendet wurde. Alle Verfahren, bei welchen Menschen betroffen waren, wurden durch das entsprechende Klinkkontrollkomitee genehmigt.
Die bei diesen Experimenten verwendeten glasfasertechnischen Sensoren zum Messen des pH-Wertes des arteriellen Blutes wurden präpariert, so dass sie Fluorescein (Aldrich, Milwaukee, WI) enthielten, während solche Sensoren, welche zum Messen des pCO₂-Wertes verwendet wurden, präpariert wurden, so dass sie 8-Hydroxypyren-1, 3, 6-Trisulfonsäure, Trinatriumsalz ("HPTS") (Molekularen Proben, Eugene, OR) enthielten. Die Probe wurde abwechselnd abgefragt, wobei die pH-Wert- und pCO₂-Wert-Sensoren wie folgt eingesetzt wurden.
Die Indikatorspezies in dem glasfasertechnischen pH-Wert-Sensor wurde gleichzeitig einem bei 488 nm und einem bei 442 nm zentrierten Anregungslicht ausgesetzt, wobei ein Emissionssignal von der Indikatorspezies in dem Bereich von 529,5 nm ±15,5 nm erfasst wurde. Die 488 nm- und 442 nm-Signale wurden entsprechend bei 37 Hz und 24 Hz moduliert. Das 442 nm-Signal entspricht einem pH-Wert-unempfindlichen Bereich des Fluorescein-Anregungsspektrums. Die optischen Signale wurden moduliert, indem ein Amplitudenmodulationskonzept, welches eine sinusförmige Strommodulation einsetzt, verwendet wurde.
Die Indikatorspezies in dem glasfasertechnischen pCO₂-Wert-Sensor wurde gleichzeitig einem bei 442 nm und einem bei 415 nm zentrierten Anregungslicht ausgesetzt, wobei ein Emissionssignal von der Indikatorspezies in dem Bereich von 529,5 nm ±15,5 nm erfasst wurde. Die 442 nm- und 415 nm-Signale wurden entsprechend bei 37 Hz und 24 Hz moduliert. Das 415 nm-Signal entspricht einem isosbestischen Punkt des HPTS-Anregungsspektrums. Die optischen Signale wurden wie vorab beschrieben moduliert.
Die Emissionssignale wurden erfasst, indem ein Silizium-Detektor eingesetzt wurde, von welchem das analoge Ausgangssignal digitalisiert und einem Mikroprozessor zugeführt wurde, wo die Signale demoduliert wurden.
Die Sensorpräzision, ausgedrückt als Standardabweichung von dem Mittelwert ("SD"), und die Sensorgenauigkeit, ausgedrückt als mittlere Abweichung von den erzielten Werten, wobei marktgängige Blutgas-Messgeräte verwendet wurden, wurden be rechnet, wobei die von 10 unabhängigen Patienten-Blut-Gas-Messungen gesammelten Daten verwendet wurden.
Bei 10 Messungen des arteriellen Blut-pH-Wertes war der erhaltene Wert 7,414, wobei das marktgängige Blut-Gas-Messgerät eingesetzt wurde. Der bei Verwendung der parakoporalen Vorrichtung erhaltene Wert, wobei die gleichzeitige zweifache Anregungs-/einfache Emissions-Technik und Vorrichtung der Erfindung eingesetzt wurde, war 7,375 (SD = 0,008). Die mittlere Abweichung zwischen den 10 erhaltenen Werten, wobei das marktgängige Messgerät und das parakorporale Verfahren verwendet wurden, war 0,039.
Der erhaltene arterielle pCO₂-Wert, wobei das marktgängige Blut-Gas-Messgerät eingesetzt wurde, war 38,3, während der erhaltene Wert, wobei die parakorporale Vorrichtung eingesetzt wurde, 40,6 war (SD = 4,00%), während die mittlere Abweichung 5,9% war.
Die Sensorfunktionen wurden für den pH-Wert und den pCO₂-Wert in 2 bzw. 3 graphisch dargestellt, welche individuelle Datenpunkte für die Blut-pH-Wert- bzw. pCO₂-Wert-Messungen, wie auch die durch lineare Regressionsanalyse berechneten Kennlinien darstellen (pH: r² = 0,906; pCO₂ : r² = 0,884).
Diese Daten zeigen die Genauigkeit und Präzision der von den glasfasertechnischen Sensoren gesammelten Daten, wobei das gleichzeitige zweifache Anregungs-/einfache Emissions-System der Erfindung eingesetzt wurde.

Claims

Verfahren zum Quantifizieren eines Analyts in einer Probe, umfassend: (a) Bereitstellen eines optischen Sensors, umfassend optische Fasermittel (12) mit einem distalen Endabschnitt zum Kontaktieren der Probe und mit einem proximalen Endabschnitt zum Kommunizieren mit Mitteln zum Empfangen eines Signals von dem distalen Endabschnitt, und wobei der distale Endabschnitt ein Analyt-Erfassungsmittel besitzt, welches eine Indikatorspezies (14) umfasst, die ein Absorptions- oder Anregungsspektrum mit einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich, wobei der erste und der zweite Bereich nicht wesentlich überlappen, und ein Emissionsspektrum besitzt, das von dem Absorptions- oder Anregungsspektrum verschieden ist; (b) Kontaktieren der Probe mit dem distalen Endabschnitt des optischen Sensors; (c) gleichzeitiges Anregen der Indikatorspezies, wobei ein Strahlungserzeugungsmittel (16, 18) verwendet wird, um eine Strahlung einer dem ersten Bereich entsprechenden ersten optischen Wellenlänge zu erzeugen, wodurch ein erstes moduliertes Indikatoremissionssignal erzeugt wird, und um eine Strahlung einer dem zweiten Bereich entsprechenden zweiten optischen Wellenlänge zu erzeugen, wodurch ein zweites moduliertes Indikatoremissionssignal erzeugt wird, wobei die Strahlungen der ersten und zweiten optischen Wellenlänge bei dem Strahlungserzeugungsmittel (16, 18) elektronisch moduliert und entsprechend mit einer ersten und einer zweiten elektrischen Frequenz übertragen werden, und wobei das Emissionsspektrum das erste und das zweite modulierte Indikatoremissionssignal umfasst; (d) gleichzeitiges Demodulieren des ersten und des zweiten modulierten Indikatoremissionssignals aus dem Emissionsspektrum; (e) Berechnen der ersichtlichen Menge des in der Probe vorhandenen Analyts aus dem ersten und zweiten Indikatoremissionssignal; und (f) Korrigieren der ersichtlichen Menge des vorhandenen Analyts um sich aus äußeren Faktoren ergebenden Veränderungen, indem das Verhältnis des ersten und des zweiten Indikatoremissionssignals bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Probe eine Flüssigkeitsprobe ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Analyt-Erfassungsmittel eine Indikatorspezies (14) mit einem Anregungsspektrum, welches einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich besitzt, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Analyt-Erfassungsmittel eine Indikatorspezies (14) mit einem Absorptionsspektrum, welches einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich besitzt, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, wobei der erste und der zweite Bereich entsprechend mit der protonierten und der deprotonierten Form der Indikatorspezies (14) korrespondieren.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der erste Bereich des Anregungsspektrums empfindlich bezüglich des Analyts und der zweite Bereich des Anregungsspektrums unempfindlich bezüglich des Analyts ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der zweite Bereich der isosbestische Punkt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Analyt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus dem pH-Wert und dem pCO₂-Wert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Indikatorspezies (14) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Fluorescein, Carboxyfluorescein, Seminaphthorhodafluor, Seminaphthofluorescein, Naphthofluorescein, Hydroxypyrentrisulfonsäure und Dichlorfluorescein.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Indikatorspezies (14) die Hydroxypyrentrisulfonsäure ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Indikatorspezies (14) das Fluorescein ist.
Vorrichtung zum Quantifizieren eines Analyts in einer Probe, umfassend: (a) einen optischen Sensor (12), welcher ein Analyt-Erfassungsmittel mit einer Indikatorspezies (14), welche ein Absorptions- oder Anregungsspektrum, das einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich besitzt, so dass sich der erste und der zweite Bereich nicht wesentlich überlappen, und ein Emissionsspektrum besitzt, das von dem Absorptions- oder Anregungsspektrum verschieden ist, umfasst; (b) eine Strahlungserzeugungsmittel (16, 18) zum gleichzeitigen Erzeugen einer Strahlung von einer ersten und einer zwei ten modulierten optischen Wellenlänge, von welcher die Indikatorspezies angeregt werden kann; (c) ein Mittel (24) zum elektronischen Modulieren der ersten und der zweiten optischen Wellenlänge bei dem Strahlungserzeugungsmittel (16, 18); (d) ein Mittel (26), um die modulierten Emissionssignale des Emissionsspektrums von dem angeregten Indikator zu erfassen; und (e) ein Mittel zum gleichzeitigen Demodulieren der modulierten Emissionssignale.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Analyt-Erfassungsmittel eine Indikatorspezies (14) mit einem Anregungsspektrum umfassen, welches einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Analyt-Erfassungsmittel eine Indikatorspezies (14) mit einem Absorptionsspektrum umfassen, welches einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei der erste und der zweite Bereich entsprechend mit der protonierten und der deprotonierten Form der Indikatorspezies (14) korrespondieren.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der erste Bereich des Anregungsspektrums empfindlich gegenüber dem Analyt und der zweite Bereich des Anregungsspektrums unempfindlich gegenüber dem Analyt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei der zweite Bereich der isosbestische Punkt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Analyt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus dem pH-Wert und dem pCO₂-Wert.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Indikatorspezies (14) ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Fluorescein, Carboxyfluorescein, Seminaphthorhodafluor, Seminaphthofluorescein, Naphthofluorescein, Hydroxypyrentrisulfonsäure und Dichlorfluorescein.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Indikatorspezies (14) eine Hydroxypyrentrisulfonsäure ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Indikatorspezies (14) ein Fluorescein ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Mittel (16, 18) zum gleichzeitigen Erzeugen der Strahlung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einer Glühlampe, einer Bogenlampe, einer Blitzlichtlampe, einer Leuchtdiode und einem Laser.
Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei das Mittel zum gleichzeitigen Erzeugen der Strahlung (16, 18) eine Leuchtdiode ist.