DK160781B - Apparat til detektering af en bestanddel i en vaeskeproeve ved maaling af aendringer i ledningsevne. - Google Patents

Description

DK 16078 1 B

Den foreliggende opfindelse angår et apparat til detektering af en bestanddel i en væskeprøve ved måling af ændringer i ledningsevne.

Metoder til analyse af fluide materialer, f.eks. in-5 dustrielle og biologiske fluida, er velkendte. Til trods for den brede mangfoldighed af tests, der er blevet udviklet til bestemmelse af specifikke bestanddele i fluida, foreligger der en lighed med hensyn til de trin, der er forbundet med hver af metoderne. Eksempelvis skal der fremskaf-10 fes en egnet prøve eller et egnet prøvemateriale, hvilket i tilfælde af legemsvæsker betyder, at der fra en patient skal tilvejebringes en egnet prøve af f.eks. urin eller blod. Prøvematerialet eller prøven må dernæst opbevares på passende måde og holdes intakt, såfremt den ikke analyseres øjeblik-I5 keligt. Ofte må prøven tilvejebringes ved f.eks. centrifugering, filtrering eller fortynding og derpå omsættes med egnede kemiske reagenser. Endelig er det nødvendigt at frembringe information om prøven eller prøvematerialet ved trans-duktion af et kemisk signal, der kan være en farveændring, 20 til et elektronisk signal, som igen kan behandles og kombineres med andre relevante data til opnåelse af en endelig fastlæggelse af mængden af en specifik bestanddel, der er til stede i prøven eller prøvematerialet, hvorved en klinisk stillingtagen gøres lettere.

25 Konventionelle flydende reagenssystemer har tendens til at være komplicerede, tidsrøvende og forbundet med høje omkostninger. I tilfælde af optiske systemer skal der tilvejebringes en lyskilde, en spektral- eller intensitetsændring skal forekomme under interaktionen mellem reagens og 3 π prøve, og denne ændring skal detekteres og behandles eller vurderes.

De essentielle trin, der er nødvendige i forbindelse med elektrokemiske analysesystemer, er formindsket i nogen grad, men kræver stadig et amperometrisk prøveorgan, der 35

DK 160781 B

2

O

har en konstant spændingskilde, en specifik elektrode og en strømmonitor.

Reagensstrimmeltestmaterialer har haft udstrakt anvendelse til mange analytiske formål, især ved den kemiske analyse 5 af biologiske væsker, på grund af deres forholdsvis lave pris, deres lette anvendelighed og den hastighed, hvormed resultater opnås.- I medicinen kan f.eks. talrige fysiologiske funktioner overvåges blot ved at dyppe reagensstrimmeltestmaterialer i en prøve af legemsvæske, f.eks. urin eller 10 blod, og iagttage et detekterbart respons såsom en ændring af farve eller en ændring af den lysmængde, der reflekteres fra eller adsorberes af reagensstrimmeltestmaterialet. Et optisk organ, f.eks. et reflektansfotometer, kræves til automatisering eller semi-automatisering af analysen af reagens-15 strimmeltestmaterialer.

Ideelt set bør et analytisk materiale og en tilhørende fremgangsmåde til detektering af en bestanddel i en prøve omfatte et ikke-optisk sensor-organ, der ikke har nogen elektroder, ikke kræver nogen direkte strømforbindelse, ikke 20 kræver nogen membran, er så billigt, at det kan benyttes til éngangsanvendelse, er specifikt og sensitivt, giver hurtigt respons, er let at anvende og kan benyttes direkte sammen med en umodificeret prøve.

Der kendes generelt metoder og teknik til gennemfø-25 relse af kvantitative kemiske bestemmelser og overslag ved måling af ændringen i ledningsevne i et testsystem før og efter reaktion mellem det stof, der skal detekteres, og et testreagens. Eksempelvis involverer én metode til den kvantitative bestemmelse af et enzym eller et substrat måling 30 af ændringen i testsystemets elektriske ledningsevne resulterende fra interaktionerne mellem enzymerne og substrat. Dette er beskrevet i en artikel med titlen "Conductivity Method for Determination of Urea" af W.T. Chin et al., publiceret i Analytical Chemistry, november 1961, side 1757-1760. Denne 35 metode fører til måling af den elektriske ledningsevne i en

O

3

DK 16078 1 B

testvæske indeholdende urinstof før og efter reaktion med urease, hvorpå der må udføres beregninger af ændringen i ledningsevne.

En anden metode til analytisk studium af elementer-5 ne i en enzym-substrat-reaktion er beskrevet i US patentskrift nr. 3.421.982. Det apparat, der er beskrevet i US patentskrift nr. 3.421.982, omfatter kredsløb, der kræver kontinuerlig manuel justering eller indstilling til opnåelse af en måling af ændringen i ledningsevne ved reaktion 10 mellem testvæske og reagens. Endvidere er metoden baseret på den antagelse, at der ved reaktionen frembringes en lineær grad af ændring i ledningsevne.

I US patentskrift nr. 3.635.681 er der tale om apparatur til måling af differentiel ledningsevne, og dette 15 apparat omfatter et par sonder, der hver omfatter et par med afstand anbragte elektroder. Elektroder fra den første sonde er i nær kontakt med et testreagens, f.eks. et enzym, der er inkorporeret i matrixen. Elektroderne fra den anden sonde er også i nær kontakt med en matrix. Ved anvendelsen 20 bringes den første og den anden sonde i kontakt med et io-nisk medium indeholdende det stof, der skal detekteres. Den ledningsevne, der måles med den anden sonde, afhænger af ledningsevnen af det matrixmateriale, der er forbundet med elektroderne for den nævnte sonde og det ioniske medium, 25 og ledningsevnen for den første sonde afhænger af ledningsevnen af det ioniske medium og de matrixmaterialer, der er forbundet med elektroderne af den første sonde, samt af enhver ændring i ledningsevne fremkaldt ved en kemisk reaktion.

30 A.J. Frank og Kenji Honda, "Polypyrrole Coated Semi conductor Electrodes", J. Electrochem. Soc., 82-lf992 (1982) beskriver anvendelsen af en overgangsmetalkatalysator (Ru) påført på polymer til beskyttelse af CdS- og CdSe-halvleder-elektroder mod fotokorrosion i vandig elektrolyt.

35 N.N. Sawin, E.E. Gutman, I.A. Myasnikov og V.P. Bazov,

O

DK 160781B

4

Kinet. Catal., 19(3) 634-636 (1978), "Investigation of the Elementary Stages of the Catalytic Decomposition of Hydrogen Peroxide on Metal Oxides by Conductometric Analysis and IR Spectroscopy", har på basis af eksperimentelle data vist, at 5 det primære resultat ved sønderdelingen af hydrogenperoxid på metaloxider (ZnO og NiO) involverer præferentiel sprængning af O-O-bindingen i H.O^-molekylet til dannelse af chemi-sorberede hydroxylradikaler. De superstøkiometriske metalatomer i oxiderne kan virke som aktive centre for sønder-10 delingen af hydrogenperoxid i gasfasen. Ledningsevne-ændringer iagttages i katalysatoren (ZnO, NiO).

Reaktionen mellem FeClg, opløst i tør nitromethan, med polyacetylen, (CH) , resulterer i dannelsen af p-type leden- x -1 de polymere (o = 780 ohm ) ifølge A. Pron, D. Billaud, 15 I. Kulszewicz, C. Budrowski, J. Przyluski og J. Suwalski, "Synthesis an Characterization of New Organic Metals Formed by Interaction of FeClo with Polyacetylene (CH) and Poly-

«3 X

(para)phenylene (cgHg)x"/ Mat. Res. Bull. 16^1229-1235 (1981). IR-spektre af (CH) , der er svagt dopet (behandlet) med 20 FeC^, viser dannelsen af to nye bånd, der er karakteristiske for andre p-type dopanter af (CH) . Mossbauer-spektro-

X

skopi viser, at den anion, der dannes ved reaktionen, er et Fe(II)-kompleks med højt spin. Dopingen forårsager signifikant ændring i (CH) -interkæde-afstande, hvilket fremgår af

X

25 røntgenstrålediffraktionsundersøgelser. En lignende reaktion finder sted mellem poly(para)phenylen, (CgH^).^., og FeCl^, hvilket bevirker forøgelse af ledningsevnen af komprimeret poly(para)phenylen-pulver til metallisk regime. Reaktionsmekanismen er mere kompleks end i tilfælde af (CH) , efter-

X

30 som Mossbauer-spektroskopi viser eksistensen af to typer af Fe (II)-jernioner.

En kvantitativ teori for elektrodeoverfladens konduktansformindskelse forårsaget af absorberede ioner er diskuteret af W.J. Anderson og W.N. Hansen, "Electrode Surface 35 Conductance Measurements in an Electrochemical Cell", 5

DK 16078 1 B

O

J. Electrochem. Soc. 121(12)^1570-1575 (1974). Konduktans-målinger har vist sig at tilvejebringe et pålideligt mål for absorberet ionoverfladekoncentration. Ændringer i den absorberede tilstand detekteres som en funktion af elektro-5 depotential. Konduktansmålingerne anvendes til at måle den ioniske diffusionshastighed af I gennem en vandig elektro lyt.

I US patentskrift nr. 4.334.880 beskrives der et polyacetylen-element, i hvilket de elektriske karakteristi-10 ka for et specifikt bindingsstof, f.eks. et antistofmolekyle, anvendes til at øve indflydelse på ledningsevnetilstanden for polyacetylen-elementet.

R.A. Bull, F.R. Ran og A.J. Bard, "Incorporation of Catalysts into Electronically Conductive Polymers: Iron 15 Phthalocyanine in Polypyrrole", J. Electrochem. Soc.

130(7)/1636 (1983) , beskriver afsætningen af polymer på en glasagtig carbonelektrode, og de løbende spændingsforhold studeres i et traditionelt elektrokemisk system med modstående elektroder. Der nævnes intet om ledningsevneændrin-20 ger i den polymere.

W.W. Harvey, "Conductance of Germanium in Contact with Aqueous Electrolytes", Am. N.Y. Acad. Sci. 101,904--914 (1963) omtaler passagen af strøm parallelt med grænsefladen i en halvleder, der er i kontakt med en elektrolyt, 25 til opnåelse af elektrolytisk polarisation af grænsefasen.

En del af den longitudinale strøm flyder i elektrolytten. Eftersom en væsentlig andel af en påtrykt halvleder-elek-trolyt-potentialedifferens falder inden for halvlederens rumlige ladningsregion, varierer halvlederens overfladepo-30 tentiale med positionen som en konsekvens af den longitudinale strøm, som frembringer polarisationen.

I US patentskrift nr. 3.574.072 beskrives den elektrokemiske polymerisation af heterocycliske forbindelser, herunder pyrrol.

35 6

DK 160781B

Det er formålet med opfindelsen at tilvejebringe et apparat til detektering af en bestanddel i en væskeprøve ved måling af ændringer i ledningsevne, og dette apparat er ifølge opfindelsen ejendommeligt ved, at det omfatter en 5 polymer-katalysator-transducer, der i det væsentlige består af en metalorganisk eller metal-uorganisk katalysator og en polymer af en i kernen umættet heterocyclisk forbindelse, metalelektroder i direkte eller indirekte kontakt med poly-mer-katalysator-transduceren til detektering af ændringer i 10 ledningsevnen for denne transducer, når den bringes i kontakt med en væskeprøve, og organer forbundet til elektroderne til måling af ændringer i ledningsevnen for polymer-kataly-sator-transduceren.

Polymer-katalysator-transducere fremstilles ved inkor-15 porering af metalorganisk eller metal-uorganisk katalysator i en polymer af en i kernen umættet heterocyclisk forbindelse til opnåelse af et materiale, der ændrer ledningsevne under den katalytiske sønderdeling af hydrogenperoxid. Ændringer i ledningsevne i de fremkomne transducere som et resultat 20 af ændringer i elektrontæthed måles til tilvejebringelse af en indikation på en bestemt bestanddel, der er til stede i prøven. En ledningsevnemåler er koblet via metalelektroder til en polymer-katalysator-transducer til måling af ledningsevneændringer under reaktionen med den analytprøve, på 25 hvilken der skal foretages en måling. Det omhandlede apparat er særlig anvendeligt til bestemmelse af nærværelsen af glucose i helblod.

De her omhandlede polymer-katalysator-transducere kan betragtes som indeholdende polymer med katalytiske posi-30 tioner for hydrogenperoxid-sønderdeling indeholdt deri.

Den polymer, der anvendes ifølge opfindelsen, er en i kernen umættet heterocyclisk forbindelse, der er udvalgt i overensstemmelse med kriterier, der omfatter evnen til kontrol med eller regulering af den polymeres parametre, 35

DK 160781B

O

7 stabiliteten af den polymere, tilgængeligheden af udgangsmaterialet, evnen til syntese af den polymere, evnen til gennemførelse af ledningsevnejusteringer, morfologien af den polymere og fraværelsen af interferenser med 5 fluida, der skal testes eller analyseres. Pyrrol-, thio-phen-, pyridin-, furan- og purin-polymere, såvel homopoly-mere som copolymere, er blevet udvalgt i overensstemmelse med disse kriterier. Som monomere kan der f.eks. anvendes 5- eller 6-leddede ringforbindelser, der eventuelt kan in-10 deholde substituenter. Disse substituenter kan være udvalgt fra gruppen bestående af halogen, aromatiske substituenter, alkyl med fra 1 til 20 carbonatomer, cycloalkyl-, alkaryl-, aralkyl-, alkoxy- og acylgrupper, og eksempler på monomere er 2-methylfuran, 3-methylfuran, 2-ethylfuran, 3-ethylfuran, 15 3-n-butylfuran, 2-n-pentylfuran, 3-decylfuran, 2-tetradecyl- furan, 2,3-dimethylfuran, 2,3-diethylfuran, 3,4-di-n-propyl-furan, 3,4-didodecylfuran, 2-chlorfuran, 3-bromfuran, 3,4--dichlorfuran, 2,3-diiodfuran, 3,4-difurylfuran, 2-phenyl-furan, 3-benzylfuran, 2-(p-tolyl)furan, 2-cyclopentylfuran, 20 3-cyclohexylfuran, 3-methoxyfuran, 2-ethoxyfuran, 3,4-di- propoxyfuran, 2-acetylfuran; 2-methylthiophen, 3-methylthio-phen, 2-ethylthiophen; 3-ethylthiophen, 3-n-butylthiophen, 2-tetradecylthiophen, 2,3-dimethylthiophen, 2,3-diethylthio-phen, 3,4-di-n-propylthiophen, 3,4-didocecylthiophen, 2-25 -chlorthiophen, 3-bromthiophen, 3,4-dichlorthiophen, 2,3--diiodthiophen, 3,4-difurylthiophen, 2-phenylthiophen, 3--benzylthiophen, 2-(p-tolyl)thiophen, 2-cyclopentylthio-phen, 3-cyclohexylthiophen, 3-methoxythiophen, 2-ethoxythio-phen, 3,4-dipropoxythiophen, 2-acety1thiophen; 2-methylpyr-30 rol, 3-methylpyrrol, 2-ethylpyrrol, 3-ethylpyrrol, 3-n-bu-tylpyrrol, 2-n-pentylpyrrol, 3-decylpyrrol, 2-tetradecyl-pyrrol, 2,3-dimethylpyrrol, 2,3-diethylpyrrol, 3,4-di-n-pro-pylpyrrol, 3,4-didodecylpyrrol, 2-chlorpyrrol, 3-brompyr-rol, 3,4-dichlorpyrrol, 2,3-diiodpyrrol, 3,4-difurylpyrrol, 35 2-phenylpyrrol, 3-benzylpyrrol, 2-(p-tolyl)pyrrol, 2-cyclo-

DK 16078 1 B

8

O

pentylpyrrol, 3-cyclohexylpyrrol, 3-methoxypyrrol, 2-ethoxy-pyrrol, 3,4-dipropoxypyrrol, 2-acetylpyrrol; 2-methylpyran, 3-methylpyran, 2-ethylpyran, 3-ethylpyran, 3-n-butylpyran, 2-n-pentylpyran, 3-decylpyran, 2-tetradecylpyran, 2,3-dime-5 thylpyran, 2,3-diethylpyran, 3,4-di-n-propylpyran, 3,4-di-dodecylpyran, 2-chlorpyran, 3-brompyran, 3,4-dichlorpyran, 2.3- diiodpyran, 3,4-difurylpyran, 2-phenylpyran, 3-benzyl-pyran, 2-(p-tolyl)pyran, 2-cyclopentylpyran, 3-cyclohexyl-pyran, 3-methoxypyran, 2-ethoxypyran, 3,4-dipropoxypyran, 10 2-acetylpyran; 2-methylthiapyran, 3-methylthiapyran, 2- -ethylthiapyran, 3-ethylthiapyran, 3-n-butylthiapyran, 2-n--pentylthiapyran, 3-decylthiapyran, 2-tetradecylthiapyran, 2.3- dimethylthiapyran, 2,3-diethylthiapyran, 3,4-di-n-propyl-thiapyran, 3,4-didodecylthiapyran, 2-chlorthiapyran, 3-brom- 15 thiapyran, 3,4-dichlorthiapyran, 2,3-diiodthiapyran, 3,4-di-furylthiapyran, 2-phenylthiapyran, 3-benzylthiapyran, 2-(p--tolyl)thiapyran, 2-cyclopentylthiapyran, 3-cyclohexylthia-pyran, 3-methoxythiapyran, 2-ethoxythiapyran, 3,4-diprop-oxythiapyran, 2-acetylthiapyran; 2-methylpyridin, 3-methyl-20 pyridin, 2-ethylpyridin, 3-ethylpyridin, 3-n-butylpyridin, 2-n-pentylpyridin, 3-decylpyridin, 2-tetradecylpyridin, 2.3- dimethylpyridin, 2,3-diethylpyridin, 3,4-di-n-propyl-pyridin, 3,4-didodecylpyridin, 2-chlorpyridin, 3-brompy-ridin, 3,4-dichlorpyridin, 2,3-diiodpyridin, 3,4-difuryl- 25 pyridin, 2-phenylpyridin, 3-benzylpyridin, 2-(p-tolyl)pyridin, 2-cyclopentylpyridin, 3-cyclohexylpyridin, 3-methoxy-pyridin, 2-ethoxypyridin, 3,4-dipropoxypyridin og 2-acetyl-pyridin. Den resulterende polymer kan med fordel være deri-vatiseret således, at den indeholder carboxyl- eller amino-30 grupper til immobilisering af enzymer.

I modsætning hertil har andre materialer, selv polymere, der har været anvendt i forbindelse med udnyttelse af halvledere, f.eks. polyacetylen og polycaroten, vist sig kun at tilfredsstille fire eller færre af de syv ovenfor 35 nævnte kriterier.

DK 16078 1 B

9

O

Det polymere materiale kan syntetiseres ved en elektrokemisk metode, der er beskrevet af Diaz i "Electrochemical Preparation and Characterization of Conducting Polymers", Chemica Scripta ΓΓ 145-148 (1981). Eksempelvis kan pyrrol i 5 acetonitril under anvendelse af tetraethylammonium-tetrafluor-borat som en elektrolyt elektropolymeriseres på en ædelmetalanode i en udelt elektrokemisk celle under betingelser, ved hvilke oxygen udelukkes, f.eks. ved anvendelse af en indifferent gas. Den polymere danner en tæt, mikroskopisk globu-10 lær, uopløselig og stabil film på anoden. Tykkelsen kan reguleres ved styring af den totale ladning, der ledes gennem kredsløbet. Således dannede polypyrrolkæder inkorporerer an-ioner fra elektrolytten, typisk i et forhold på 4 pyrrol-en-heder til 1 anion.

15 Omend jern er et foretrukkent materiale (anion) for det centrale metalatom i katalysatoren, kan der også anvendes andre metaller fra gruppe VIII i det periodiske system, herunder cobalt, nikkel, ruthenium, rhodium, platin, osmium, iridium og palladium. I almindelighed kan der anvendes over-20 gangsmetalkompleks-anioner og metalkompleks-anioner, derivati-seret til at være på anionisk form. I sidste række afhænger valget af de relative omkostninger for metallet samt dets tilgængelighed. Andre anioner kan anvendes i stedet, f.eks. he-xacyanoferrat eller Cu-tetrasulfophthalocyanin. Under alle 25 omstændigheder ligger den totale ledningsevne for de resul- -3 -1 terende polymer-katalysator-transducere mellem 10 Scm og 100 Scm"1.

Blandt metalorganiske katalysatorer, der kan anvendes, kan nævnes metalphthalocyaninerne og metalporphyrinerne.

30 Phthalocyaninerne (Pc) kan derivatiseres med ioniske grupper for at gøre dem mere opløselige i organiske elektrolytter, og ønskede ioniske karakteristika kan også frembringes ved fotoexcitation. Eksempler på foretrukne metalphthalocyaniner omfatter jern-tetrasulfoneret phthalocyanin, cobalt-tetra-35 sulfoneret phthalocyanin og ruthenium-tetrasulfoneret phthalocyanin .

V-v· : V DK 160781 Β 10 ο

De katalytiske egenskaber af metalporphyriner er og- · så blevet undersøgt i udstrakt grad, for det meste i forbindelse med studier af katalase og peroxidase-enzymer, jfr. M.M. Taque Khan et al., "Homogeneous Catalysis by 5 Metal Complexes", vol. 1, p. 139, Acad. Press, New York (1974). Ioniske former er kommercielt tilgængelige fra Strem Chemicals, Inc., Newburyport, Maryland. Foretrukne metalporphyriner (P) omfatter jern-, ruthenium- og cobalt-te-trasulfonerede porphyriner.

10 Ved anvendelse af metalorganisk eller metal-uorganisk materiale, på passende måde ioniseret ved derivatisering, eller fotoenergetisk ved belysning under anvendelse af en xenon-lyskilde, som anionen, og elektrolyt, f.eks. dime-thyl-formamid, acetonitril eller methylenchlorid, sammen 15 med en i kernen umættet heterocyclisk forbindelse kan et katalytisk aktivt molekyle således omdannes til en- halv-leder-organisk polymer-katalysator-transducer.

Eftersom den polymere dannes ved elektropolymeri-sationsprocessen, må et egnet substratmateriale være invol-20 veret. Den nøjagtige natur af substratmaterialet er ikke kritisk. Egnede ledende substratmaterialer omfatter platin, guld, rhodium, titan, tantal, nikkel og rustfrit stål nr.

314 . Egnede halvledende substratmaterialer omfatter materialer såsom silicium, germanium og GaAs. Der kan også 25 anvendes transparente substratmaterialer, herunder tinoxid og indium-titan-oxid. Der kan desuden anvendes glas-agtigt carbon. Hvert af disse materialer frembyder visse fordele. Platin har velkendte egenskaber som et elektrodemateriale, men polymer har tendens til at hænge ved over-30 fladen og må løftes af. Efter at filmen er løftet af, bliver kontaktoverfladen derpå den aktive overflade for ledningsevnemålinger i nærværelse af analyt.

Titan er et attraktivt valg, fordi metallet kan omdannes til oxidet ved udsættelse for oxygen ved en forhøj-35 et temperatur, og det fremkomne titanoxid er en isolator.

DK 16078 1 B

o 11

Polyacetylen, der er dopet eller behandlet med oxygen, forøger sin ledningsevne i en sådan grad, at det også kan tjene som et egnet substrat. Det udviser en fibrillær struktur, der forøger overfladearealet af afsat polymer-5 -film. Efter elektropolymerisation kan polyacetylenet omdannes til en isolator ved yderligere udsættelse for oxygen i overensstemmelse med kendte metoder, f.eks. som angivet af J.M. Pochan et al. i "Kinetics of Doping and Degradation of Polyacetylene by Oxygen", Macromolecules 10 14/110-114 (1981).

Efter at den polymeriserede film er fjernet fra substratmaterialet, kan elektroder fastgøres direkte, f.eks. ved overtræksdannelse, på filmen til jævnstrømsmålinger, eller der kan dannes en leder-isolator-filmsandwich til 15 vekselstrømsmålinger i nærværelse af en analyt. Glucose-oxidase omdanner enzymatisk glucose til gluconsyre og hy-drogenperoxid. Ligeledes følger andre enzymer en lignende mekanisme. Eksempelvis omdanner uricase enzymatisk urinsyre til allantoin og hydrogenperoxid.

20 De følgende eksempler 1-5 illustrerer fremstillin gen af forskellige polymer-katalysator-materialer, der er i stand til at reflektere ændringer i elektrontætheden gennem ændringer i ledningsevnen. Polypyrrol-tetrachlorferrat, polypyrrol-jern-tetrasulfophthalocyanin og andre beslægtede 25 materialer syntetiseres elektrokemisk ved direkte afsætning på metal-elektroder, f.eks. af platin, rhodium eller titan. Pyrrol-katalysatormaterialerne opbevares, omend de er stabile i luft, i forseglede polyester-polyolefin-poser.

30 Eksempel 1

Syntese af polypyrrol-tetrachlorferrat

Fremstillingen af polypyrrol-tetrachlorferrat udføres ved omsætning af tetraethylammonium-tetrachlorferrat (III) og pyrrol. Pyrrolen fås fra Eastman Kodak og renses 35 ved destillation af materialet over calciumhydrid under en

O

12

DK 160781 B

argonatmosfære. Polymerisationen gennemføres under anvendelse af den metode, der er beskrevet af A.F. Diaz og K.K. Kanazawa i "Polypyrrole: An Electrochemical Approach to Conducting Polymers" i "Extended Linear Chain Compounds", 5 vol. 3., Ed. J.S. Miller, Plenum Press, N.Y. 1983.

Tetraethylammonium-tetrachlorferratet (III) fås ved opløsning af 6,825 gram ferrichlorid, der fås fra Mallinckrodt, i 40 ml ethylalkohol. 4,145 gram tetraethyl-ammoniumchlorid, der fås fra Aldrich, opløses i 10 ml etha-10 nol. De to opløsninger blandes derpå, hvilket resulterer i en gul fældning. Fældningen filtreres og vaskes med ethanol. Ved omkrystallisation fra en blanding af acetonitril og ethanol fås der gule nåle, som vaskes med ethanol og lufttørres.

15 Det dannede tetraethylammonium-tetrachlorferrat (III) (0,1 molær (M)) omsættes derefter med 0,1 M pyrrol i nærværelse af 50 ml acetonitril under en argonatmosfære under anvendelse af en tre-elektrodecelle med arbejds-/mod-platin-elektroder anbragt med en afstand på ca. 1,5 cm samt en 20 Ag/AgNO^ (acetonitril)-referenceelektrode. Potentialet reguleres ved +0,5 volt i forhold til referenceelektroden under anvendelse af en Princeton Applied Research (PAR) Model 363-potentiostat. Efter 2 1/2 times forløb standses reaktionen, og den resulterende film, der har en tykkelse på 25 mindre end 7,6 yarn, vaskes med acetonitril, inden der anvendes et stykke adhæsivt tape af mærket Scotch til fjernelse af filmen fra elektroden. Den resulterende sorte film er bøjelig, har ingen små huller eller andre strukturfejl og har en ledningsevne større end 10 S/cm (Siemens pr. cm) , 30 som målt ved anvendelse af en Model 1000 AR Lehighton

Electronics Inc. (Lehighton, Pennsylvania)-ledningsevnemåler, der anvendes ved 10 megahertz (MHz) på kontaktløs måde.

Det har også vist sig, at man ved anvendelse af en tilsvarende metode kan fremstille polypyrrol-tetrachlorfer-35 rat i nærværelse af et matrixmateriale, f.eks. filtrerpa-

O

13

DK 16078 1 B

pir, til forøgelse af styrken og fleksibiliteten af den resulterende polymer-katalysator-transducer.

Eksempel 2 5 Syntese af polypyrrol-jern-tetrasulfophthalocyanin

Den i eksempel 1 beskrevne syntese følges under anvendelse af pyrrol fra Eastman Kodak, renset ved destillation over calciumhydrid under en argonatmosfære inden anvendelsen, samt tetraethylammonium-jern-tetrasulfophthalocyanid 10 som anionen. Natriumsaltet af jern-tetrasulfophthalocyanid fremstilles under anvendelse af den procedure, der er beskrevet af Weber og Busch, Inorg. Chem. £,469 (1965) , idet der anvendes ferrosulfat fra Fischer, 4-sulfophthalsyre fra Kodak, natriumbicarbonat fra Mallinckrodt, ammoniummolybdat 15 fra Fischer, urinstof fra Mallinckrodt, nitrobenzen fra

Aldrich og tetraethylammoniumhydroxid fra Aldrich. Omdannelsen af natriumsaltet til tetraethylammoniumsaltet udføres under anvendelse af ionbyttersøjler.

Den fremkomne sorte film (polypyrrol-jern-tetrasul-20 fophthalocyanin), der dannes på platinelektroden, har en ledningsevne på 1 S/cm.

Eksempel 3

Syntese af polypyrrol-tetrachlorruthenat 25 Tetraethylammonium-tetrachlorruthenat fremstilles ved omsætning af 1 gram ruthenium(III)chlorid fra Alfa opløst i ca. 90 ml ethanol med 0,8 g tetraethylammoniumchlorid fra Aldrich opløst i ethanol. Den fremkomne rødbrune fældning filtreres, vaskes med ethanol og omkrystalliseres derpå fra 30 en acetonitril-ethanol-opløsning, hvorved der fås rødbrune mikrokrystaller.

Polypyrrol-tetrachlorruthenat fremstilles under anvendelse af proceduren fra eksempel 1 under anvendelse af 0,01 M acetonitrilopløsning af tetraethylammonium-tetrachlorruthe-35 nat ved et potentiale på +0,7 V i stedet for 0,5 V, ved en 14 o

DK 160781B

reaktionstid på tre timer. Den fremkomne sorte film har en tykkelse på ca. 0,13 mm og en ledningsevne på ca. 0,3 S/cm målt som i eksempel 1.

5 Eksempel 4

Syntese af polypyrrol-tetra-(4-sulfophenyl)-meso-jern-por-phyrin

Under anvendelse af den procedure, der er beskrevet af Fleischer et al. i J. Am. Chem. Soc. 93,,3162 (1971) , in-10 korporeres der metalion i porphyrin. Specifikt gås der således frem, at 0,9 g tetranatrium-meso-tetra-(4-sulfonato-phenyl)-porphyrin (12-hydrat) fra Porphyrin Products i 50 ml destilleret vand sættes til ferrosulfat fra Fisher. Den resulterende blanding opvarmes til ca. 120°C og omrøres. pH-værdi-15 en indstilles på ca. 7,5 ved tilsætning af natriumcarbonat og opvarmning af blandingen i 35 minutter ved anvendelse af et dampbad. pH-værdien indstilles derefter på 3 ved tilsætning af en 50%'s opløsning af svovlsyre. Omdannelse af natriumsaltet til tetraethylammoniumsaltet udføres under an-20 vendelse af ionbyttersøjler.

Idet der gås frem som i eksempel 1 og anvendes 0,002 M anion og 0,1 M pyrrol med et potentiale på +0,7 V i en reaktionstid på 18 timer, fås der en film af polypyrrol-tetra- (4-sulfophenyl) -meso-jern-porphyrin med en led-25 ningsevne på ca. 1 S/cm.

Eksempel 5

Syntese af polythiophen-tetrachlorferrat

Fremstillingen af polythiophen-tetrachlorferrat ud-30 føres ved behandling af tetraethylammonium-tetrachlorferrat (III) og bithiophen. Den anvendte bithiophen fås fra Aldrich Chemical som et krystallinsk, fast stof og anvendes uden yderligere rensning. Polymerisationen gennemføres ved anvendelse af den metode, der er beskrevet af Mark A.

35 Druy og Robert J. Seymour (American Chemical Society Meeting Abstract, 1983, Seattle).

O

15

DK 16078 1 B

Polythiophen-tetrachlorferrat fremstilles ved anvendelse af fremgangsmåden fra eksempel 1, idet der anvendes en acetonitrilopløsning af 0,004 M bithiophen og 0,05 M tetraethylammonium-tetrachlorferrat (III) ved et potentia-5 le på +0,9 V i stedet for 0,5 V i en reaktionstid på to timer.

Der fås en sort film med en ledningsevne på ca.

0,1 S/cm.

Ud over polymerisationen i nærværelse af filtrerpa-10 pir (som omtalt i eksempel 1) er det også muligt at udføre polymerisation i nærværelse af siliconegummirør. Ved kvæld-ning af røret i methylenchlorid gennemtrænger polymer og katalysator røret, og polymerisation finder sted inden i røret.

15

Eksempel 6

Polypyrrol-tetrachlorruthenat fremstilles som i eksempel 3, men med den undtagelse, at det afsættes på en guldelektrode (tykkelse 750 Å) understøttet af Kapton (tyk-20 kelse 12,7 /am. Elektroden er ca. 32 mm lang og ca.

13 mm bred med en indskæring i længderetningen ned gennem midten. Den polymere afsættes på guldet og udfylder mellemrummet mellem de to halvdele. Denne resulterende struktur vaskes derpå i acetonitril og fastgøres til en strømningska-25 nal (ca. 20 mm x ca. 2,5 mm), der er boret ud i en blok af Lucite. En vandig opløsning af peroxidase-enzym i 0,05 M phosphatpuffer med en pH-værdi på 7,0 og i en koncentration på 10 mg pr. ml recirkuleres derpå gennem strømningskanalen under anvendelse af en peristaltisk pumpe og ved en strøm-30 ningshastighed på 0,1 ml pr. minut i 4 timer, efterfulgt af en opløsning af 0,25% glutaraldehyd, der også recirkuleres i 14 timer. Det absorberede protein vaskes derpå i 0,85%'s NaCl-oplØsning, efterfulgt af destilleret vand, og udsættes for indvirkning af en opløsning af glucoseoxidase-en-35 zym i 0,05 M phosphatpuffer i 4 timer, hvorefter der igen

O

DK 160781B

16 recirkuleres gennem strømningskanalen. Dette andet enzym tværbindes igen med 0,25% glutaraldehydopløsning som før, vaskes i 0,85% NaCl og destilleret vand.

Den polymere med absorberet og tværbundet peroxida-5 se og glucoseoxidase udsættes derpå for forskellige koncentrationer af glucose, idet der begyndes med 25 mg pr. dl. Ledningsevnen for den polymere styres ved 20 KHz på en Hewlett Packard Model 4192A -impedansanalysator. En jævnstrøms-basis spænding påsættes også på prøven, idet denne 10 varierer fra -5 volt til +5 volt. Der fremkommer en spids i den i øvrigt parabolske responskurve, der ændrer sig med koncentrationen af glucose.

Eksempel 7 15 I dette eksempel illustreres vekselstrøms-kontakt løs impedansmåling af polymer fremstillet som i eksempel 1 i nærværelse af filtrerpapir, der er skåret i en strimmel og indskudt i sandwichform i en strømningscelle bestående af elektroder af kobberfolie på Kapton. Isolatoren (tyk-20 kelse 12,7 /um) vender mod strømningskanalen indeholdende strimlen af filtrerpapir-polymermateriale. Et lille væskegab opretholdes omkring filtrerpapiret med silicone-af-standsmateriale, der også holder væsken på plads i strømningskanalen .

25 Et lignende arrangement for kontaktløs impedansmå ling kan også frembringes med et interdigiteret elektrodesystem i stedet for en sandwich. I dette tilfælde er kun én side af kondensatorkonfigurationen nødvendig. Kobberfolien er fotolitografisk defineret i et interdigiteret møn-30 ster understøttet på Kapton (polyamid), der er i kontakt med filtrerpapiret imprægneret med polymermaterialet. Væskekanalen er udstyret med silicone, og der er fastgjort en glasskyder til elektroden.

Ved anvendelse af de to arrangementer opnås der 35 lignende resultater. Impedansændringen ved 100 KHz er li- o

DK 160781 B

17 neært proportional med H« o0-koncentrationen.

Det fremgår af det foregående, at man ved hjælp af den foreliggende opfindelse kan opnå det ovennævnte formål tillige med andre fordele, der er åbenbare og iboen-5 de i systemet. Med opfindelsen opnås der de fordele, der ligger i bekvemmelighed, enkelhed, relativt lave omkostninger, positivitet, effektivitet, holdbarhed, nøjagtighed og direkte virkning. Blandt fordelene ved de her omhandlede polymer-katalysator-transducere er det forhold, at trans-10 ducerne virker ikke-optisk, kan konstrueres med forholdsvis lave omkostninger, har en høj grad af fleksibilitet med hensyn til størrelse, kan fungere på ikke-kontaktbasis, hvorved der overvindes problemer, der normalt opstår ved elektrokemisk teknik, og kan konstrueres til at have en 15 forholdsvis lille størrelse. Med opfindelsen elimineres i det væsentlige problemer, der er forbundet med forbehandling af prøver.

Det vil forstås, at der eksisterer mange mulige konfigurationer af de omhandlede polymer-katalysator-trans-20 ducere. Polymer-katalysator-transducerne kan være i form af fint pulver, i form af en film eller i form af en gel.

Såfremt de ikke er selvbærende, er polymer-katalysator--transducerne hensigtsmæssigt forbundet til et substrat.

Til ydre understøtning kan polymer-katalysator-filmen 25 påføres på et egnet substrat ved hjælp af kendte overtrækseller adhæsionsmetoder. Ved anbringelse af et antal poly-mer-katalysator-transducere parallelt er det muligt samtidig at analysere for forskellige bestanddele i en analyt.

Omend den foreliggende opfindelse primært angår anvendel-30 sen af en polymer—katalysator—transducer til detektering an forskellige, klinisk signifikante stoffer eller bestanddele i biologiske væsker, f.eks. urin og blod, herunder lyseret eller ikke-lyseret blod, blodplasma og blodserum, vil det forstås, at disse transducere kan udnyttes til detektering 35 af ikke-biologiske fluida, herunder vand i svømmebassiner, 18

O

DK 160781 B

vin etc.

5 10 15 20 25 30 35

Claims (10)

1. Apparat til detektering af en bestanddel i en væskeprøve ved måling af ændringer i ledningsevne, kendetegnet ved, at det omfatter en polymer-katalysator- 5 -transducer, der i det væsentlige består af en metalorganisk eller metal-uorganisk katalysator og en polymer af en i kernen umættet heterocyclisk forbindelse, metalelektroder i direkte eller indirekte kontakt med polymer-katalysator--transduceren til detektering af ændringer i ledningsevnen 10 for denne transducer, når den bringes i kontakt med en væske-prøve, og organer forbundet til elektroderne til måling af ændringer i ledningsevnen for polymer-katalysator-transdu-ceren.

2. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet 15 ved, at det yderligere omfatter et strømningskammer, i hvilket polymer-katalysator-transduceren er anbragt, og i hvilket en væskeprøve bringes i kontakt med transduceren i det indre af kammeret.

3. Apparat ifølge krav 1 eller 2, kendeteg-20 net ved, at elektroderne er opbygget af guld, platin, rhodium eller titan.

4. Apparat ifølge ethvert af kravene 1-3, kendetegnet ved, at katalysatoren er en organisk eller uorganisk metalforbindelse, i hvilken metallet tilhører 25 gruppe VIII i det periodiske system.

5. Apparat ifølge ethvert af kravene 1-4, kendetegnet ved, at katalysatoren er en metalphthalocya-nin.

6. Apparat ifølge ethvert af kravene 1-5, k e n - 30 detegnet ved, at katalysatoren er en metalporphyrin.

7. Apparat ifølge ethvert af kravene 1-6, kendetegnet ved, at polymer-katalysator-transduceren omfatter polypyrrol-tetrachlorferrat.

8. Apparat ifølge ethvert af kravene 1-7, k e n -35 detegnet ved, at polymer-katalysator-transduceren omfatter polypyrrol-jern-tetrasulfophthalocyanin. DK 160781 B 20

9. Apparat ifølge ethvert af kravene 1-8, kendetegnet ved, at polymer-katalysator-transduceren omfatter polypyrrol-tetrachlorruthenat.

10. Apparat ifølge ethvert af kravene 1-9, k e n -5 detegnet ved, at polymer-katalysator-transduceren omfatter polythiophen-tetrachlorferrat.