JPH11505923A

JPH11505923A - アナライト濃度測定用高感度単層システム製造方法、およびこの方法によって形成されるシステム

Info

Publication number: JPH11505923A
Application number: JP8535269A
Authority: JP
Inventors: ウベーキルシュナー; マチアスラウ; ビルギットハンネマン; アドリアーナタマークキアロヴァ
Original assignee: ウベーキルシュナー; マチアスラウ; ビルギットハンネマン; アドリアーナタマークキアロヴァ
Priority date: 1995-05-27
Filing date: 1996-05-24
Publication date: 1999-05-25
Anticipated expiration: 2016-05-24
Also published as: CA2222298A1; CN1122177C; US6015715A; DE59610674D1; ATE247826T1; WO1996037768A1; DE19519496A1; JP3830968B2; AU705386B2; EP0829006A1; EP0829006B1; AU5890996A; CN1185208A

Abstract

(57)【要約】本発明は、例えば、酸素等のアナライトの濃度を光学的に検出する高感度単層システム製造方法に関するものであり、このアナライトは、光束路内に常に固定されていることが望ましく、アナライトに対する感度が良好な指示薬の吸着、発光、発光急冷を行うことによって、液体や気体の複合状態または溶解状態の検査を行うことができる。高感度単層システムは、再現性と極めて短時間による応答動作を実現する必要がある。この目的を達成するために、指示薬がフィラー物質上に吸着された後、被検出アナライトに透過可能なマトリクス物質で、混合物が生成される。その後、圧力作用下で、この混合物が基板上に押し出され、使用される供給圧力に応じて層厚さが形成される。この供給された高感度層は、共重合、共縮合、または固化され、また、蛍光指示薬溶液中で膨張することにより均質化もなされる。

Description

【発明の詳細な説明】アナライト濃度測定用高感度単層システム製造方法、およびこの方法によって形成されるシステム本発明は、例えば、酸素等のアナライト（"an analyte"）の濃度を光学的に検出する高感度単層システム製造方法に関するものであり、このアナライトは、光束路内に常に固定されている（"immobilised"）ことが望ましく、アナライトに対する感度が良好な指示薬の吸着、発光、発光急冷を行うことによって、液体や気体の複合状態または溶解形態の検査を行うことができる。更に、本発明は、上記方法によって形成される単層高感度システムに関する。光学的導波管を用いて、ルテニウム−α−ジイミン複合体の動的（"dynamic" ）発光急冷を行うことによって、Ｏ₂分圧とＯ₂濃度を決定するシステムおよび方法は、欧州特許ＥＰ０１９０８２９とＥＰ１９０８３０、更に、欧州特許ＥＰ０３１３６４４とＥＰ０３４４３１３、加えて、独国特許ＤＥ３３４６８１０、ＤＥ３７０２２１０、およびＤＥ４１０８８０８に、既に記述されている。この場合、燐光が酸素により急冷可能なルテニウム複合体としての塩化物や過塩素酸塩と結合した対イオンとして、[Ru(bipy)₃]²⁺、[Ru(phen)₃]²⁺、または[R u(4,7Ph₂phen)₃]²⁺が用いられる。これらの指示薬顔料は、酸素に対する透過性を有するポリシロキサンマトリクス物質中で固定され、その中で、ガラスファイバーに供給される。特定の層連続体や保護メンブレン（膜）に加えて、各種の置換基と添加剤を含有するポリシロキサンが提供されている。更に、指示薬マトリクスシステムをガラスファイバー上に配設することが示されており、特定の角度で研磨される（"ground"）ことができる。欧州特許ＥＰ１９０８２９において、マトリクス物質への添加剤として、複数の可塑剤が提供されており、この場合、２０〜３０°の角度で研磨されたファイバー上に配設される。欧州特許１９０８３０に記述されているように、指示薬マトリクスシステムは、ファイバーの光学的外縁（"the optical periphery"）も部分的に表すことができる。欧州特許ＥＰ０３１３６５５（国際公開公報ＷＯ８８／００３３９）において、特定の物質に固定せずに、光学的に透明なマトリクス物質が提供されており、その上に指示薬が吸着され、若しくは、その中に指示薬が固定着される。欧州特許ＥＰ０３４４３１３において、透明基板と指示薬と気体透過性メンブレンとの層連続体が提供されている。独国特許ＤＥ３３４６８１０によれば、複数の指示薬に加えて、それらの中で、ルテニウム化合物、およびマトリクスポリマーも、また、それらの中で、ポリシロキサン、および、例えば、薄板、球体、およびフィルム等のマトリクスの特殊形態も、しかし、シリカゲル等の固体添加剤も提供されている。更に、例えば、内部に向けての拡散、機械的混合、または共有結合等の指示薬をマトリクス内に導入する各種方法が記述されており、また、更なる保護層も記述されている。独国特許ＤＥ−ＰＳ３７０２２１０は、二つの成分を備えるシリコンポリマーの利用を記述している。最後に、独国特許ＤＥ４１０８８０８は、透明基板上に凸状に延設された指示薬含有シリコンメンブレンを提供している。更に、独国特許ＤＥ３１４８８３０において、気体中、液体中、および組織内の酸素濃度を決定するデバイスが記述されている。このデバイスにおいて、接着剤やにかわ剤の層で形成された発光表面を備える透明キャリヤ（担体）上に、単寸法層（"a single-sized layer"）が存在し、特定の波長を有する光を照射することによって、評価信号が得られるようになっている。この場合、例えば、シリカゲルや他の防水プラスチック等の発光顔料自体や発光顔料を吸着した不活性キャリヤから、単寸法層が形成される。英国特許ＧＢ１１９０５８３において、透過性の、または多孔質のキャリヤマトリクス物質、望ましくは、天然の、または合成のポリマーや多孔質ガラスのマトリクス物質内に、発光物質が取り入れられる気体センサーが提供されている。酸素指示薬分子がポリマー内に融合される光学的酸素センサーが、欧州特許ＥＰ４１７５３５から見られる。この種のポリマーの例として、ポリジメチルシロキサンが取り上げられており、酸素指示薬用キャリヤとして用いられるようになっている。また、使用ポリマーは、酸素指示薬を含有する溶媒中に溶解される。そして、この溶液は、薄い層で基板に塗布され、固化される。即ち、形成される層の厚さに対して、間接的な影響しか与えられないので、再現性のある結果が常に達成されるというわけではない。欧州特許ＥＰ０２４４３９４に記述されている気体および液体サンプルの物質濃度を決定するセンサー部材において、少なくとも一つの指示薬物質を含有するキャリヤ層と指示薬層が挙げられている。この場合、少なくとも一つの感光部材が、キャリヤ層に塗布される。流体のパラメータを決定するファイバー光学システムが、国際公開公報ＷＯ９４／１０５５３に記述されている。ここでは、蛍光性顔料は、溶液から固体キャリヤ上に吸着され、液体シリコンに混合され、キャリヤに塗布される。この場合、他のものに加えて、シリコンとして、例えば、ポリジメチルフェニルシロキサンや固化されていないポリジメチルシロキサンが用いられてもよい。更に、指示薬マトリクスは、キャリヤ上に指示薬分子を含有する。透過メンブレンは、指示薬マトリクスを保護し、加えて、キャリヤは、シリカゲルを基礎とする多孔質ガラス粒子や多孔質物質またはその他の多孔質ガラス粒子と、非イオンゲルのキャリヤポリマーとを含有する。使用可能な指示薬として、Ru(1,10-フェナントロリン"phenanthroline")塩化物が提供されている。オーストリア特許ＡＴ３９０６７８に記述された物質濃度を決定するセンサー部材において、蛍光指示薬を含有するポリマーから形成される指示薬層を用いることが提供されている。指示薬層は、多孔質ガラス層から形成され、指示薬物質が固定されるようになっている。この楊合、指示薬層は、多孔質ガラス層や、スピン・オン（"spun-on"）またはロール・オン（"rolled-on"）シリコン層であることが可能であり、この指示薬層内に指示薬物質が存在する。また、同様のデバイスが、欧州特許ＥＰ０５７８６３０にも記述されており、この場合、サンプルの物理的または化学的パラメータを決定する光学センサーのセンサーメンブレンは、同様に、固定された指示薬物質を含有するポリマーマトリクスを備えるようにされている。欧州特許ＥＰ０３５４２０４に記述されている光学センサーにおいて、蛍光指示薬に非可逆的結合されるシリカゲル球状体のキャリヤ粒子が提供されている。複素環式有機蛍光染料が吸着されるシリカゲル等の吸着剤の可能な使用例が、独国特許ＤＥ２８２３３１８に見られる。 "Analytica Chimica Acta,205"（１９８８年、１〜６ページ）の「"Lippitsch ,Max E. et al."：情報キャリヤとしての蛍光崩壊時間を備えるファイバー光学酸素センサー」において、"M.Lippitsch"はファイバー光学酸素センサーを記述している。酸素センサー用として発光の変質作用（"alteration"）を利用することが、"W enying"による記事である「"Xu,et al."：発光急冷に基づく酸素センサー：ポリマー支持体を備える金属複合体の相互作用」にも見られる。また、"Anal.Chem., 66"（１９３４年、４１３３〜４１４１ページ）において、例えば、ポリジメチルシロキサン等のポリマーと組み合わせて、[Ru(Ph₂phen)₃]Cl₂(Ph₂phen=4,7-ジフェニル-1,10-フェナントロリン)に対する酸素の作用を用いることが提供されている。更に、センサー特性に対する作用を可能にするために、シリカゲルが添加される。ルテニウム化合物は、大きなストークス（粘性）変化（活性化（"energisatio n"）と放出（"emission"）の間の大きな間隔）、および比較的長い波長の活性化と放出のために、記述の適用ケースに対して、一般的に、有益且つ適切であり、この観点から、ルテニウム化合物は、文献で既に広範囲に記述されている（特に、"Anal.Chem.59"（１９８７年、２７８０〜２７８５ページ）の「"J.R.Bacon,K .N.Demas":ポリマー固定遷移金属複合体の発光急冷による酸素濃度の決定」を参照）。ポリシロキサンは、酸素に対して、大きな透過性を有するポリマーである（特に、"Swiss.Chem.6"（１９８４年、８９〜１２６ページ）の「"S.Egli,A.Ruf,A. Buck":Gastrennung mittels Membranen」を参照）。最初に、指示薬マトリクスシステムの強度が十分であることが、この種のセンサーの実使用において、非常に重要である。単にキャリヤの表面のみに対する指示薬の結合において、十分な強度が得られるとは限らない。更に、各適用例において、短い応答時間と再現性が実現される必要がある。良好な酸素透過性を有するポリマーの場合でも、層厚さが大きくなったり、追加の保護層が塗布されたりするので、応答時間は非常に長くなる。従って、本発明の目的は、再現性と非常に短い応答動作が得ることが可能である、高感度単層システム製造方法と、アナライトの濃度や分圧を測定する高感度単層システムとを提供することである。本発明によれば、クレーム１に記載の特徴により、上記製造方法に関する目的が、また、クレーム４に記載の特徴により、上記単層システムに関する目的が達成される。本発明の有益な実施例と更なる展開は、従属クレームに記載の特徴を利用することにより、明確化される。本発明によれば、高感度単層システムは、蛍光指示薬が充填物質上に吸着されるように形成され、これと結合して、混合物が、被検査アナライトに対する透過性を有するマトリクス物質で形成される。その後、形成された混合物は、有益性を有する１２×１０⁴〜２０×１０⁴Ｐａの供給圧力で、更に望ましくは１５×１０⁴Ｐａの供給圧力の圧力作用下で、基板上に圧縮され、使用供給圧力に応じた厚さの層が形成される。このように付加された高感度層は、共重合、共縮合、または固化され、これが、使用される押出し成形鋳型内で行われることが望ましい。更に、この層は、蛍光指示薬溶液内で膨張する（"swelling"）ことにより、均質化される。透過性マトリクス物質を、望ましくは、ポリジメチルシロキサンを膨張させるために、１０^-1〜１０^-6の濃度の、望ましくは、１０^-1〜１０^-4の濃度の蛍光指示薬を含有するメチレン塩化物溶液が用いられる。このように形成された高感度単層システムは、高感度層内に、１０^-1〜１０⁶mol/lの、望ましくは、１０^-2〜１０^-3mol/lの透過性マトリクス中の蛍光指示薬の全濃度を有する。更に、マトリクス中には、重量比が５〜６５％の、望ましくは、重量比が２０〜３０％のフィラー（"a filler"）も含有されている。この点から、蛍光指示薬が吸着されるフィラーとして、シリカゲルや多孔質ガラスが用いられることが有益である。蛍光指示薬として、ルテニウムジアミン複合体が用いられることが有益であり、Ru(4,7Ph₂phen)₃Cl₂×5H₂Oが用いられることが更に望ましく、酸素濃度検出用として特に適切である。酸素透過性マトリクス物質は、例えば、ポリシロキサン、望ましくは、ポリジメチルシロキサンである。基板物質は、光学的に透明な、または、反射物質であり、多様な形態で用いられ、所望の測定目的に応じて、高感度層が基板上に塗布される。本発明により製造および設計される高感度単層システムは、技術および医療の各種分野で、ほぼ全ての流体中の、物質中の、および物質の混合物中のアナライトの、特に、酸素の濃度を監視するためのプロセス監視に用いられ、必要なら、特定のプロセスに作用する測定信号が利用される。従って、従来から知られている溶液と比較して、本発明によるシステムの１０００分の１秒オーダーの応答時間は、特に有益な要因である。この応答時間は、良好な接着性能と抵抗性能が発揮される圧力作用下で、極めて薄い層を形成する機能により実現される。しかし、土壌サンプル（"soil samples"）の検査等の各種分析が行われ、支持されてもよい。本発明による高感度単層システムは、追加的な接着促進剤と保護層を用いることなく、動作が行われる。これを効果的に実現するために、形式に忠実な（"tru e-to-form"）共重合、共縮合、または固化、且つ、これに引き続く基板上の指示薬マトリクスシステムの均質化が利用される。この場合、光ファイバーや、光学的に透明な、または反射物質は、望ましい形態で、基板としての機能を発揮することができる。透過性マトリクス物質内に固定された指示薬の吸着、発光、発光急冷を行うことによって、アナライトの濃度や分圧の光学的検出を行うセンサーシステム用の本発明により製造されるファイバー光学適用装置（"applicator"）は、流動液体中であっても、使用媒体中の良好な時間耐久性と抵抗性、更に、精度の高い分析のために十分な信号レベル、短い応答時間、多様な適用ケースにおける非常に小さな測定値の再現性のバラツキ、申し分のない製造の容易さが達成されるという有益な特徴を備える。本発明は、以下に示す実施例に、例を用いて、更に詳細に説明される。関連図面において：図１：製造後の、および４ヶ月の保管後の単層システムのセンサー特性曲線のグラフ。適用装置を形成するために、シリカゲル等の適切なフィラー物質は、適切な溶媒の指示薬の溶液で処理される。指示薬がフィラー物質上に吸着された後、余分な溶媒が除去される。所定量のフィラー物質が、固化後に被検出物質に対する透過性を備えることが望ましいプリポリマー（"prepolymer"）や可塑化ポリマー中に混合され、この混合物は、鋳型内において、鋳型の幾何学的形状と大きさに応じて、層厚さと層形状を決定する圧力で、基板上に押圧される。しかし、圧力作用は、例えば、プロファイルド（"profiled"）ローラやプレス使用等の、他の適切な方法で行われることもできる。従って、指示薬マトリクスは、所望の厚さと形状で、基板上に形成されてよい。この例において、ポリマーの固化後、指示薬の分布は、同じ指示薬の溶液中の基板上に配設された層を膨張させ、溶媒による仕上げすすぎ洗浄と乾燥が行われることにより、均質化される。以下に記述されている望ましい実施例は、ポリシロキサン内に固定されたルテニウム−α−ジアミン化合物の発光急冷によって、酸素濃度と酸素分圧を検出するための光学センサーシステムの適用装置に関する。適切な稠性（"consistency"）を有するシリカゲルは、メチレン塩化物の１０^- ⁴ モル溶液Ru(4,7Ph₂phen)₃Cl₂×5H₂O中で処理され、変色させられる。シリカゲルが乾燥された後、相当する重量比のシリカゲルと相当する重量比のポリジメチルシロキサン・プリポリマーが、十分に混合され、噴出染液（"cxtru sion dyes"）中で染められる。その後、１５×１０⁴Ｐａの圧力で、基板が染液内に押圧される。フィルムの厚さは、相当の圧力によって調節される。基板が取り上げられ（"taken up"）、所定の様式に保持されることにより、高感度層が所望の形状、位置、および厚さに形成されるように、使用染液が設定される必要がある。ポリジメチルシロキサンを固化した後、覆い部（"coverings"）は、引き続いて、指示薬含有メチレン塩化物溶液中で膨張され、すすぎ洗浄が十分に行われ、乾燥される。その結果、基板は、溶液中でも極めて安定的で、実際の高感度層を形成する固着された指示薬マトリクスフィルムで覆われる。損失を防止するために、基板は、光学的に透明で、且つ、反射することが有益である。基板として、光ファイバーや光ファイバー束が用いられることが有益である。しかし、光学的に透明な板材、光学的に透明な部材、または、レンズやＧＲＩＮレンズやプリズム等の種類の反射部材の形態であってもよい。また、複数の適当な光学部材から構成される統合された光学的システムであってもよい。図１に示されているように、上記のように、コア（"core"）の直径が４００μ ｍであるガラスファイバー上に堆積された層のセンサー特性曲線（"STERN-VOLME R"の式）が示されており、一方は、製造直後のものであり、他方は、４ヶ月の保管後のものである。

【手続補正書】【提出日】１９９８年３月４日【補正内容】特許請求の範囲１．シリカゲルや多孔質ガラスのフィラー物質の存在下で、被測定アナライトに対する透過性を有するポリマーマトリクス内に、蛍光指示薬が固定されている該アナライトの濃度を測定する単層システム製造方法であって、前記蛍光指示薬は、フィラー物質上に吸収され、前記透過性マトリクス物質に混合され、この混合物は、層厚さと層形状を予め設定する圧力の作用の下で、基板上に付加され、前記マトリクス物質は、共重合、共縮合、または固化され、この層は、蛍光指示薬を溶解している溶媒により膨張することにより、均質化されることを特徴とする単層システム製造方法。２．前記混合物は、１２×１０⁴〜２０×１０⁴Ｐａの供給圧力で前記基板上に押圧されることを特徴とする請求項１に記載の高感度単層システム製造方法。３．前記混合物は、または、前記蛍光指示薬と前記フィラー物質と前記透過性マトリクス物質は、前記高感度層が前記基板上で所望の形状、場所、および厚さに形成されるように、鋳型内に押し出されることを特徴とする請求項１または請求項２の一つの項に記載の単層システム製造方法。４．前記透過性マトリクス物質を膨張させるために、１０^-1〜１０^-6モル濃度の蛍光指示薬含有溶液が用いられることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一つの項に記載の高感度単層システム製造方法。５．前記高感度層は、前記透過性マトリクス中の前記蛍光指示薬の全濃度が１０^-1 〜１０^-6mol/lであり、シリカゲルや多孔質ガラスである前記フィラー物質は、前記マトリクス中の重量比が５〜６５％であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一つの項に記載の方法により製造される高感度単層システム。６．前記蛍光指示薬は、酸素濃度を決定するために、ルテニウム−ジアミン複合体であることを特徴とする請求項５に記載の高感度単層システム。７．前記透過性マトリクスは、ポリシロキサン、望ましくはポリジメチルシロキサンから形成されることを特徴とする請求項５または請求項６のいずれかに記載の高感度単層システム。８．前記高感度層は、光学的に透明な、または、反射する基板上に形成されることを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれか一つの項に記載の高感度単層システム。９．前記基板は、光ファイバー、光ファイバー束、板材、部材、レンズ、ＧＲＩＮレンズ、プリズム、または、統合された光学的構造物であることを特徴とする請求項５ないし請求項８のいずれか一つの項に記載の高感度単層システム。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人タマークキアロヴァアドリアーナブルガリアスリーヴェン 8800 ヤヌアリ 17 (72)発明者キルシュナーウベードイツ連邦共和国ドレスデンＤ− 01139 アルトトラッハウ 41 (72)発明者ラウマチアスドイツ連邦共和国ドレスデンＤ− 01307 ブラーゼヴィッツェルシュトラーセ 22 (72)発明者ハンネマンビルギットドイツ連邦共和国ヒェムニッツＤ− 09126 アウグスブルガーシュトラーセ 44 (72)発明者タマークキアロヴァアドリアーナブルガリアスリーヴェン 8800 ヤヌアリ 17

Claims

【特許請求の範囲】１．被測定アナライトに対する透過性を有するマトリクス内に、蛍光指示薬が固定されている前記アナライトの濃度を測定する高感度単層システム製造方法であって、前記蛍光指示薬は、フィラー物質上に吸着され、前記透過性マトリクス物質に混合され、この混合物は、圧力の作用で基板上に押し出され、層厚さと層形状が設定され、前記マトリクス物質は、共重合、共縮合、または固化され、この層は、蛍光指示薬溶液中で膨張することにより均質化されることを特徴とする高感度単層システム製造方法。２．前記混合物は、１２×１０⁴〜２０×１０⁴Ｐａの供給圧力で前記基板上に押圧されることを特徴とする請求項１に記載の高感度単層システム製造方法。３．前記蛍光指示薬と、前記フィラー物質と、前記マトリクス物質との混合物は、鋳型内で圧縮されることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の高感度単層システム製造方法。４．前記透過性マトリクス物質を膨張させるために、１０^-1〜１０^-6モル濃度の蛍光指示薬含有溶液が用いられることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一つの項に記載の高感度単層システム製造方法。５．前記高感度層は、前記透過性マトリクス中の前記蛍光指示薬の全濃度が１０^-1 〜１０^-6mol/lであり、シリカゲルや多孔質ガラスである前記フィラー物質は、前記マトリクス中の重量比が５〜６５％であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一つの項に記載の方法により製造される高感度単層システム。６．前記蛍光指示薬は、酸素濃度を決定するために、ルテニウム−ジアミン複合体であることを特徴とする請求項５に記載の高感度単層システム。７．前記透過性マトリクスは、ポリシロキサン、望ましくはポリジメチルシロキサンから形成されることを特徴とする請求項５または請求項６のいずれかに記載の高感度単層システム。８．前記高感度層は、光学的に透明な、または、反射する基板上に形成されることを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれか一つの項に記載の高感度単層システム。９．前記基板は、光ファイバー、光ファイバー束、板材、部材、レンズ、ＧＲＩＮレンズ、プリズム、または、統合された光学的構造物であることを特徴とする請求項５ないし請求項８のいずれか一つの項に記載の高感度単層システム。