KR20080066688A - 미량 농도의 화학 종을 측정하기 위한 센서용 물질 조성물및 센서의 사용 방법 - Google Patents

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Abstract

샘플 용액 중의 화학 종의 농도를 센서 필름으로 정량적으로 측정하는 방법을 개시한다. 상기 샘플 용액 중의 화학 종에 노출 시 자외선, 가시광선 또는 근 적외선 스펙트럼 범위에서 광학 성질이 변하는 지시자를 포함하는 화학 조성물을 갖는 하이드로젤 센서 필름을 제조한다. 상기 필름을 고정 량의 상기 샘플 용액에 노출시킨다. 상기 센서 필름으로부터 측정한 평균 흡광도를 사용하여 상기 샘플 용액 중의 화학 종의 농도를 정량분석한다.

Description

미량 농도의 화학 종을 측정하기 위한 센서용 물질 조성물 및 센서의 사용 방법{MATERIAL COMPOSITIONS FOR SENSORS FOR DETERMINATION OF CHEMICAL SPECIES AT TRACE CONCENTRATION AND METHOD OF USING SENSORS}
본 발명은 일반적으로 샘플의 광학 분석에 사용되는 센서, 및 특히 센서의 물질 조성물 및 상기 센서를 사용하여 화학 종의 미량 농도를 측정하는 방법에 관한 것이다.
관련 출원에 대한 참조
본 출원은 35 U.S.C.§119(e) 하에서 2005년 10월 26일자로 출원된, 미량 농도의 화학 종을 측정하기 위한 센서용 물질 조성물 및 센서의 사용 방법이란 표제의 미국 특허 출원 제 11/259,506 호 및 자가-완비된(self-contained) 포스페이트 센서 및 그의 사용 방법이란 표제의 미국 특허 출원 제 11/259,712 호에 대한 우선권을 주장한다.
관련 분야에 대한 설명
유체 중의 휘발성 및 비 휘발성 화합물을 정량 분석하기 위한 센서 방법 및 센서 필름은 당해 분야에 공지되어 있다. 전형적으로, 상기 매개변수의 정량분석은 상기를 목적으로 특수하게 고안된 전용 센서 시스템을 사용하여 수행된다. 상기 센서 시스템은 전기화학, 광학, 음향, 및 자기를 포함한 다양한 원리들을 사용하여 작동한다. 예를 들어, 센서 시스템을 사용하여 생물, 화학 및 생화학 샘플의 광학적 검사를 수행한다. 비색측정용 액체 및 고체 시약을 사용하여 작동하는 각종 분광 센서들이 개발되었다. 실제로, 많은 상업적으로 입수할 수 있는 광학 센서 및 탐침에 분석 화학에서의 분광광도측정 지시자가 시약으로 선택되어 왔다.
광학 센서는 다른 센서 유형에 비해 다수의 이점을 가지며, 가장 중요한 것은 그의 광범위한 변환원리이다, 즉 광학 센서는 다른 센서의 경우 획득될 수 없는 분석물에 응답할 수 있다. 또한, 광학 센서의 경우, 분석물의 분광학적 특징을 측정하는 "직접적인" 분석물 검출뿐만 아니라, 탐지 시약을 사용하는 "간접적인" 분석물 측정을 수행할 수 있다. 상기 분석물 종과 상호작용 시, 상기와 같은 시약은 그의 광학적 성질, 예를 들어 탄성 또는 비탄성 산란, 흡수, 발광 강도, 발광 수명 또는 편광 상태의 변화를 겪는다. 중요하게는, 이러한 종류의 간접적인 검출은 상기 분광학적 측정에 의해 제공되는 것과 함께 화학적 선택성을 겸비하며 종종 달리 골치아픈 간섭 효과를 극복할 수 있다.
분광광도측정 지시자는 원래 수성 용도로 개발되었기 때문에, 그의 고체 지지체에의 고정화는 광학적 탐지에서의 그의 적용에 중요한 문제이다. 시약 기재 광학 센서용 중합체 물질은 종종 복잡한 다성분 제형이다. 상기 주요 제형 성분은 화학적으로 민감한 시약(지시자), 중합체 기질, 보조적인 소량의 첨가제, 및 통상 적인 용매 또는 용매 혼합물을 포함한다. 그러나, 일정한 목적하는 작용성을 제공하는데 가장 좋은 센서 물질 제형을 예견하는 것은 어렵다.
예를 들어, 포스페이트는 수 처리 산업에서 흔히 분석되는 물질이다. 포스페이트 분석은 또한 환경 모니터링, 임상 진단, 및 다른 산업 부분, 예를 들어 금광 및 야금학적 처리에 통상적이다. 광학 센서는 포스페이트의 분석에 통상적으로 사용된다.
포스페이트 측정에 통상적으로 사용되는 광학적 방법은 몰리브덴 블루 방법이다. 상기 몰리브덴 블루 방법의 기본적인 기전은 오쏘포스페이트를 몰리브데이트와 반응시켜 헤테로폴리 산(HPA)을 형성시킴을 포함한다. 몰리브덴산이 형성되며 이어서 상기를 산성 조건 하에서 환원제를 사용하여 환원시켜 색상을 생성시킨다. HPA 화학에 근거한 수성 용액 중의 포스페이트 분석에 대한 여러 가지 다른 방법들이 또한 공지되어 있다. 여기에는 바나도몰리브도인산 방법, 몰리브덴-염화 주석 방법, 및 양이온 염료-HPA 착체 방법이 있다. 상기 HPA 방법은 분석물과 접촉 후 상기 센서의 색상 변화가 생성되는 비색측정이고/이거나, 분석물과 접촉 후 센서의 광학적 성질의 측정 가능한 변화가 생성되는 광도측정일 수 있다.
HPA의 형성에 근거한 포스페이트 분석에 대해 공지된 광도측정 방법은 강한 산성 매질을 필요로 하며, 이는 센서 제형 중에 농축된 황산 용액의 사용을 요구한다. 양이온성 염료-HPA 착체 방법의 경우에, 트라이페닐메탄 염료가 통상적으로 사용된다. 중성 pH에서 트라이페닐메탄 용액의 흡수 밴드는 대개 상기 염료-HPA 착체의 밴드와 겹친다. 따라서, 포스페이트 측정용 시험 매질의 pH를 상기 염료- HPA 착체의 형성에 기인한 흡광도 변화를 밝히기 위해서 상기 염료의 전이 pH 아래로 조절해야 한다. 상기 공지된 광도측정 방법은 여러 가지 단점을 가지며, 예를 들어 부식성 및 독성 시약을 필요로 하며, 양이온성 염료-HPA 착체의 경우는 매우 pH 의존성이다.
실리케이트 간섭은 상기 포스페이스 분석을 위한 HPA 방법의 또 다른 단점이다. 상기 샘플 수 중의 3.0 ppm 실리케이트는 양이온성 염료-HPA 방법을 방해하는 것으로 공지되어 있다. 상기 통상적으로 사용되는 몰리브덴 블루 방법은 기껏해야 10 ppm 까지의 실리케이트 농도를 허용하는 것으로 공지되어 있다. 실리케이트는 천연 수 중에 편재하며 따라서 상기의 경우 상기 실리케이트의 간섭으로 인해 저 농도의 포스페이트를 측정하는 것은 어려워진다.
더욱이, 공지된 광도측정 방법에 사용되는 시약들은 대개 비혼화성이며, 이는 포스페이트 측정의 단계적인 접근을 도출시킨다. 샘플을 이미 존재하는 시약과 함께 반응기(또는 제한된 장소)에 가하고 이어서 별도로 보관된 환원제에 노출시킨다. 상기 시약의 이러한 불안정성 및 화학적 혼화성의 결여는 단일 반응기 접근법을 방해하며, 따라서 자가-완비된 센서의 개발을 제한한다.
현장 시험 장치로서 센서의 편리하고 효율적인 적용을 위해서, 자가-완비된 고형 센서가 필요하다. 광학 지시자는 처음에 수성 용도로 개발되었기 때문에, 그의 고체 지지체 내로의 고정화는 광학적 탐지에서 그의 적용에 중요한 문제이다. 상기 시약의 비혼화성 및 낮은 pH 요구는 상기 고정화를 방해한다. 또한, 상기 고체 상태 센서의 저 농도에 대한 민감성도 또한 문제이다. 예를 들어, 미국 특허 제 5,858,797 호에, 단지 6 ppm 이상의 포스페이트 농도에 민감한 몰리브덴 블루 화학에 근거한 포스페이트 시험 스트립이 개시되었다. 더욱이, 상기 몰리브덴 블루 시약 및 환원제를 별도의 층에 침착시켜 시약 안정성 문제를 최소화해야 했다.
따라서, 다수의 정량 분석 및/또는 다른 생물학적, 화학적 및 물리적 환경 매개변수의 광학적 분석을, 개선된 센서 감도, 감소된 간섭에 대한 반응, 향상된 안정성 및 다른 목적하는 매개변수들을 높은 재현성으로 제공하는데 쉽게 사용될 수 있는 단순화된 센서가 매우 필요하다.
발명의 요약
하나의 태양에서, 본 발명은 샘플 용액 중의 화학 종의 농도를 센서 필름으로 정량적으로 측정하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 샘플 용액 중의 화학 종에 노출 시 자외선, 가시광선, 근적외선 스펙트럼 범위에서 광학적 성질이 변하는 지시자를 포함하는 화학 조성물을 갖는 하이드로젤 센서 필름의 제조 방법을 포함한다. 상기 방법은 상기 필름을 고정된 양의 샘플 용액에 노출시킴을 또한 포함한다. 상기 방법은 광학 주사 장치를 사용하여 상기 지시자의 최대 흡광도 피크(λmax) 부근의 파장에서 상기 필름의 흡광도를 측정함을 또한 포함한다. 상기 방법은 또한 상기 센서 필름으로부터 측정된 평균 흡광도를 사용하여 상기 샘플 용액 중의 화학 종의 농도를 정량분석함을 포함한다.
본 발명의 또 다른 태양은 다수의 센서 필름을 사용하여 샘플 용액 중의 화학 종의 농도를 정량적으로 측정하는 방법이다. 상기 방법은 상기 샘플 용액 중의 화학 종에 노출 시 자외선, 가시광선, 또는 근적외선 스펙트럼 범위에서 광학적 성 질이 변하는 하이드로젤 센서 필름의 제조를 포함하며, 여기에서 상기 하이드로젤 필름에 첨가된 화학 조성물은 pH 지시자, 계면활성제 및 산을 포함한다. 상기 방법은 또한 소정의 패턴에 의해 상기 다수의 필름 각각에서 산 농도를 변화시킴을 포함한다. 상기 방법은 또한 고정된 양의 상기 샘플 용액에 상기 필름을 노출시킴을 포함한다. 상기 방법은 광학 주사 장치를 사용하여 상기 지시자의 최대 흡광도 피크(λmax) 부근의 파장에서 상기 필름의 흡광도를 측정하고 상기 센서 필름으로부터 측정된 평균 흡광도를 사용하여 상기 샘플 용액 중의 상기 화학 종의 농도를 정량분석함을 또한 포함한다.
또 다른 태양에서, 본 발명은 샘플 중의 미량 농도의 화학 종의 농도를 측정하는데 사용되는 센서에 관한 것이다. 상기 센서는 4급 암모늄염, 4급 포스포늄 염 또는 4급 이미다졸륨 염, 및 지시자를 포함하는 하이드로젤 센서 필름을 포함한다. 상기 지시자는 상기 샘플 용액 중의 화학 종에 노출 시 그의 광학 성질이 자외선, 가시광선 또는 근 적외선 스펙트럼 범위에서 변한다. 상기 지시자는 상기 4급 암모늄 이온과의 이온 쌍의 형성에 의해 상기 하이드로젤 필름에 고정화되며, 여기에서 상기 4급 암모늄염의 농도는 이온 쌍 형성에 필요한 화학량론적 양보다 실질적으로 더 크다.
또 다른 태양에서, 본 발명은 샘플 중의 미량 농도의 화학 종 농도의 측정에 사용되는 센서에 관한 것이다. 상기 센서는 지시자 및 화학 종에 대한 센서의 반응 감도를 증가시키는 첨가제를 포함하는 하이드로젤 센서 필름을 포함하며, 이때 상기 첨가제는 중합체이고 상기 센서 필름은 하이드로젤, 지시자 및 제 2 중합체를 통상적인 용매 혼합물에 용해시켜 제조된다. 상기 지시자는 상기 샘플 용액 중의 화학 종에 노출 시 그의 광학 성질이 UV, 자외선, 가시광선, 근 적외선 스펙트럼 범위에서 변한다.
또 다른 태양에 따라, 본 발명은 자가-완비된 포스페이트 센서에 관한 것이다. 상기 자가-완비된 포스페이트 센서는 하나 이상의 분석물-특이성 시약 및 하나 이상의 pH 조절제를 포함한다. 상기 자가-완비된 포스페이트 센서를 용액 중에서 또는 고체 상태 장치로서 사용할 수 있다. 상기 자가-완비된 포스페이트를 사용하여 시험 샘플 중의 포스페이트 농도를 측정하는 방법을 또한 개시한다.
또 다른 태양에 따라, 상기 분석물-특이성 시약은 몰리브데이트 염 및 염료 및 pH 조절제로서의 설폰산을 포함한다. 상기 자가-완비된 포스페이트 센서는 용매를 추가로 포함하거나 중합체 기질 중에 고정화될 수 있다.
또 다른 태양에 따라, 상기 분석물-특이성 시약은 금속 착체 및 염료 및 pH 조절제로서 설폰산을 포함한다. 상기 자가-완비된 포스페이트 센서는 또한 비 수성 용매를 포함할 수 있다. 추가의 태양에 따라, 상기 분석물-특이성 시약은 금속 착체 및 염료 및 pH 조절제로서의 아민을 포함한다. 상기 자가-완비된 포스페이트 센서를 중합체 기질 중에 고정화시킬 수도 있다.
본 발명의 실시태양에 따라, 시험 샘플 중의 포스페이트의 측정 방법을 개시한다. 상기 방법은 시험 샘플을 상술한 자가-완비된 포스페이트 센서와 접촉시키고, 상기 시험 샘플과 상기 자가-완비된 포스페이트 센서와의 접촉에 의해 생성된 상기 자가-완비된 포스페이트 센서의 광학 성질의 변화를 측정하고, 상기 광학 성 질의 변화를 포스페이트 농도로 전환시킴을 포함한다.
본 발명 및 종래 기술에 대한 그의 이점은 하기의 상세한 설명 및 첨부된 청구의 범위를 첨부된 도면을 참고로 자명해질 것이다.
본 발명의 상기 언급된 특징 및 다른 특징들은 첨부된 도면과 함께 취한 하기 본 발명의 실시태양들의 설명을 참고로 보다 자명해질 것이며 본 발명 자체가 보다 잘 이해될 것이다. 도면에서:
도 1은 본 발명의 실시태양에 따라 제작된 기판상에 필름으로서 배치된 자가-완비된 센서의 횡단면도이다.
도 2는 시험 샘플과 접촉하는 도 1의 자가-완비된 센서의 횡단면도이다.
도 3은 시험 샘플과 접촉 후 포스페이트 센서의 광학 성질의 변화를 생성시키는 도 1의 자가-완비된 센서의 횡단면도이다.
도 4는 다우아놀(Dowanol) 중의 h-PBMP-Zn-PCViolet 착체를 포함하는 도 1의 자가-완비된 센서의 한 실시태양에 대한 상이한 포스페이트 농도에서의 스펙트럼 세트이다.
도 5는 중합체 기질 중의 h-PBMP-Zn-PCViolet 착체를 포함하는 도 1의 자가-완비된 센서의 한 실시태양에 대한 상이한 포스페이트 농도에서의 스펙트럼 세트이다.
도 6은 포스페이트 농도의 함수로서 650 ㎚에서의 흡광도를 플롯팅하여 획득 한, 다우아놀 중의 h-PBMP-Zn-PCViolet 착체를 포함하는 도 1의 자가-완비된 센서의 한 실시태양에 대한 보정(calibration) 곡선이다.
도 7은 수(water) 중 아주어(Azure) C 및 몰리브데이트 염을 포함하는 도 1의 자가-완비된 센서의 한 실시태양에 대한 상이한 포스페이트 농도에서의 스펙트럼 세트이다.
도 8은 포스페이트 농도의 함수로서 650 ㎚에서의 흡광도를 플롯팅하여 획득한, 수 중의 아주어 C 및 몰리브데이트 염을 포함하는 도 1의 자가-완비된 센서의 실시태양에 대한 보정 곡선이다.
도 9는 수 중 아주어 B 및 몰리브데이트 염을 포함하는 도 1의 자가-완비된 센서의 한 실시태양에 대한 상이한 포스페이트 농도에서의 스펙트럼 세트이다.
도 10은 포스페이트 농도의 함수로서 650 ㎚에서의 흡광도를 플롯팅하여 획득한, 청색-대-보라색 반응을 나타내는 수 중의 아주어 B 및 몰리브데이트 염을 포함하는 도 1의 자가-완비된 센서의 한 실시태양에 대한 보정 곡선이다.
도 11은 포스페이트 농도의 함수로서 622 ㎚에서의 흡광도를 플롯팅하여 획득한, 수 중의 브릴리안트 크레실 블루 및 몰리브데이트 염을 포함하는 도 1의 자가-완비된 센서의 한 실시태양에 대한 보정 곡선이다.
도 12는 포스페이트 농도의 함수로서 650 ㎚에서의 흡광도를 플롯팅하여 획득한, 수 중의 아주어 B 및 몰리브데이트 염을 포함하는 도 1의 자가-완비된 센서의 한 실시태양에 대한 저 농도 보정 곡선이다.
도 13은 중합체 기질 중의 아주어 B 및 몰리브데이트 염을 포함하는 도 1의 자가-완비된 센서의 한 실시태양에 대한 상이한 포스페이트 농도에서의 스펙트럼 세트이다.
도 14는 포스페이트 농도의 함수로서 650 ㎚에서의 흡광도를 플롯팅하여 획득한, 중합체 기질 중의 아주어 B 및 몰리브데이트 염을 포함하는 도 1의 자가-완비된 센서의 한 실시태양에 대한 보정 곡선이다.
도 15는 중합체 기질 중의 말라카이트 그린 및 몰리브데이트 염을 포함하는 도 1의 자가-완비된 센서의 한 실시태양에 대한 상이한 포스페이트 농도에서의 스펙트럼 세트이다.
도 16은 포스페이트 농도의 함수로서 650 ㎚에서의 흡광도를 플롯팅하여 획득한, 중합체 기질 중의 말라카이트 그린 및 몰리브데이트 염을 포함하는 도 1의 자가-완비된 센서의 한 실시태양에 대한 보정 곡선이다.
도 17은 중합체 기질 중의 베이직 블루 및 몰리브데이트 염을 포함하는 도 1의 자가-완비된 센서의 한 실시태양에 대한 상이한 포스페이트 농도에서의 스펙트럼 세트이다.
도 18은 포스페이트 농도의 함수로서 650 ㎚에서의 흡광도를 플롯팅하여 획득한, 중합체 기질 중의 베이직 블루 및 몰리브데이트 염을 포함하는 도 1의 자가-완비된 센서의 한 실시태양에 대한 보정 곡선이다.
도 19는 중합체 기질 중의 메틸렌 블루 및 몰리브데이트 염을 포함하는 도 1의 자가-완비된 센서의 한 실시태양에 대한 상이한 포스페이트 농도에서의 스펙트럼 세트이다.
도 20은 포스페이트 농도의 함수로서 650 ㎚에서의 흡광도를 플롯팅하여 획득한, 중합체 기질 중의 메틸렌 블루 및 몰리브데이트 염을 포함하는 도 1의 자가-완비된 센서의 한 실시태양에 대한 보정 곡선이다.
도 21은 가소화된 중합체 기질 중의 베이직 블루 및 몰리브데이트 염을 포함하는 도 1의 자가-완비된 센서의 한 실시태양에 대한 상이한 포스페이트 농도에서의 스펙트럼 세트이다.
도 22는 포스페이트 농도의 함수로서 650 ㎚에서의 흡광도를 플롯팅하여 획득한, 가소화된 중합체 기질 중의 베이직 블루 및 몰리브데이트 염을 포함하는 도 1의 자가-완비된 센서의 한 실시태양에 대한 보정 곡선이다.
도 23은 상이한 몰리브데이트 농도들에서 본 발명의 또 다른 실시태양에 따른 몰리브데이트 센서 필름의 흡수 스펙트럼을 예시한다.
도 24는 도 23의 센서 필름에 대한 반응 곡선을 예시한다.
도 25는 상이한 마그네슘 농도들에서 본 발명의 또 다른 실시태양에 따른 마그네슘 센서의 흡수 스펙트럼을 예시한다.
도 26은 도 25의 센서 필름의 반응 곡선을 예시한다.
도 27은 상이한 마그네슘 농도들에서 본 발명의 또 다른 실시태양에 따른 경도 센서의 흡수 스펙트럼을 예시한다.
도 28은 도 27의 센서 필름의 반응 곡선을 예시한다.
도 29는 상이한 칼슘 농도들에서 본 발명의 또 다른 실시태양에 따른 칼슘 센서의 흡수 스펙트럼을 예시한다.
도 30은 도 29의 센서 필름의 반응 곡선을 예시한다.
도 31은 상이한 설파이트 농도들에서 본 발명의 또 다른 실시태양에 따른 설파이트 센서의 흡수 스펙트럼을 예시한다.
도 32는 도 31의 센서 필름의 반응 곡선을 예시한다.
도 33은 상이한 설파이트 농도들에서 본 발명의 또 다른 실시태양에 따른 설파이트 센서의 전형적인 스펙트럼 세트를 예시한다.
도 34는 도 33의 센서 필름의 전형적인 반응 곡선을 예시한다.
도 35는 알칼리도 센서에 대한 보정 곡선을 예시한다.
도 36은 pHEMA 센서 필름에서 증가하는 농도의 나피온(Nafion) 중합체의 첨가 시 반응 감도의 개선을 예시한다.
도 37은 최대 센서 반응이 획득된 PHEMA 중의 나피온 농도의 임계적인 비-직관적(non-intuitive) 영역의 존재를 나타내는, 2 ppm 염소에 노출 시의 센서 신호로서 플롯팅된 도 36의 개선을 예시한다.
상응하는 도면 부호들은 상기 도면들 전체를 통해 상응하는 부분들을 가리킨다.
이제 본 발명을 하기 도면을 참고로 하는 상세한 설명에서 개시할 것이며, 여기에서 본 발명의 실시가 가능하도록 바람직한 실시태양들을 상세히 개시한다. 본 발명을 이들 특정의 바람직한 실시태양들을 참고로 개시하지만, 본 발명이 이들 바람직한 실시태양들에 제한되지 않음은 물론이다. 대조적으로, 본 발명은 하기 상세한 설명의 고려로부터 자명해지는 다수의 대안, 변경 및 등가물을 포함한다.
샘플 중의 미량 농도의 화학 종의 농도를 측정하기 위한 개선된 센서 물질 조성물 및 방법을 개시한다. 본 발명에 개시된 자가-완비된 센서의 실시태양을 수성 또는 비 수성 용액 중에서 또는 고체 상태 장치로서 사용할 수 있다. 상기와 같은 자가-완비된 센서는 분석물 농도의 측정에 시약 후-첨가를 필요로 하지 않으며 상기 분석물 측정 시험이 최소 수의 진행 단계를 필요로 한다는 이점을 갖는다. 더욱이, 자가-완비된 센서는 향상된 감도 및 더욱 빠른 반응 시간을 제공한다. 본 발명의 실시태양은 또한 시험 샘플 중의 화학 종 농도의 측정 방법을 제공한다. 시험 샘플 중의 농도는 공지된 농도의 샘플을 시험함으로써 생성된 보정 곡선을 사용하여 정량분석될 수 있다.
하나의 태양에서, 상기 자가-완비된 센서는 광학 센서이다. 광학 센서는 다른 센서 유형에 비해 다수의 이점들을 가지며, 가장 중요한 것은 그의 광범위한 변환 원리이다, 즉 광학 센서들은 다른 센서들이 이용할 수 없는 분석물에 대해 반응할 수 있다. 또한, 광학 센서의 경우, 분석물의 분광학적 특징을 측정하는 "직접적인" 분석물 검출뿐만 아니라, 센서 시약을 사용하는 "간접적인" 분석물 측정을 수행할 수 있다. 상기 분석물 종과 상호작용 시, 상기와 같은 시약은 그의 광학적 성질, 예를 들어 탄성 또는 비탄성 산란, 흡수, 발광 강도, 발광 수명 또는 편광 상태의 변화를 겪는다. 중요하게는, 이러한 종류의 간접적인 검출은 상기 분광학적 측정에 의해 제공되는 것과 함께 화학적 선택성을 겸비하며 종종 달리 골치아픈 간섭 효과를 극복할 수 있다.
본 발명에 따라, 상기 센서 물질은 미량 농도의 화학 종에 노출 시 자외선(UV), 가시광선 또는 근 적외선(IR) 스펙트럼 범위에서 그의 광학 성질이 변한다. 상기 필름은 일반적으로 화학적으로 민감한 분석물-특이성 시약(예를 들어 형광 또는 비색측정 지시자), 중합체 기질 또는 중합체 기질들의 조합, 및 보조적인 소량의 첨가제를 포함하는 중합체 기재 조성물이며, 여기에서 상기 필름은 통상적인 용매 또는 용매 혼합물 중의 성분들의 용액으로부터 제조된다. 상기 분석물-특이성 시약은 상기 중합체 기질 내에 고정화되어 센서 필름을 형성한다. 첨가제의 예는 계면활성제 및 내부 완충제이다. 다른 첨가제들도 또한 포함될 수 있다. 상기 센서 필름에 사용되는 중합체는 선택된 분석물에 투과성이며, 이때 분석물은 상기 센서에 의해 검출되는 몇몇 화학 종 또는 화학 종의 부류이다. 상기 분석물-특이성 시약은 분석물 농도의 함수로서 그의 광학적 성질(예를 들어 흡광도, 형광성)의 변화를 겪는다. 바람직하게는, 상기 분석물-특이성 시약은 상기 필름 밖에서 그의 광학 성질의 변화를 경험하며, 이때 상기 반응의 변화는 상기 센서 제형에 의해 제공되는 바와 같은 간섭 종의 존재에 의해 영향을 받지 않는다. 당해 분야의 숙련가들에게 공지된 자외선/가시광선/근 IR 검출 시스템을 사용하여 측정을 수행한다.
상기 센서 필름의 조성물(이때 상기 조성물은 상기 필름 중에 추가의 성분들을 포함한다)을 맞추어 만듦으로써 목적하는 반응을 성취한다. 예를 들어, 상기 고정화된 분석물-특이성 시약의 산화 전위를 상기 중합체 기질 성분(이때 상기 중합체 기질 성분은 추가의 중합체이다)의 선택에 맞춤하여 목적하는 센서 반응을 성취한다. 상기 센서 필름은 자가-완비된 것이 바람직하며, 따라서 상기는 상기 필름 밖에 보조 시약의 필요성을 갖지 않는다.
하나의 실시태양에서, 상기 언급한 자가-완비된 센서는 분석물-특이성 시약 및 pH 조절제를 포함한다. 본 발명에 사용된 바와 같은 "분석물-특이성 시약"은 비색측정, 광도굴절성, 광변색성, 열변색성, 형광성, 탄성 산란, 비탄성 산란, 편광, 및 물리적, 화학적 및 생물학적 종의 검출에 유용한 임의의 다른 광학적 성질의 변화를 나타내는 화합물이다. 분석물-특이성 시약은 금속 착체 또는 염, 유기 및 무기 염료 또는 안료, 나노결정, 나노입자, 양자 점, 유기 플루오로포어, 무기 플루오로포어, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 센서에서 pH 조절제는 완충제로서 작용하며 상기 센서 제형의 pH 수준을 탐지 기전에 바람직한 일정한 pH로 유지시킨다. 상기 pH 조절제의 선택은 사용되는 분석물-특이성 시약의 성질에 따라 변하나, pH 조절제는 산, 염기 또는 염을 포함할 수 있다.
본 발명에 개시된 자가-완비된 센서를 용액 중에서 또는 고체 상태 장치로서 사용할 수 있다. 상기 센서를 용액으로서 적용하는 경우, 상기 센서의 상이한 구성성분들에 대해 통상적인 용매가 선택된다. 상기와 같은 용매의 일부 예로는 비 제한적으로 탈이온수(DI 수), 1-메톡시-2-프로판올(다우아놀), 에탄올, 아세톤, 클로로폼, 톨루엔, 자일렌, 벤젠, 아이소프로필 알콜, 2-에톡시에탄올, 2-부톡시에탄올, 염화 메틸렌, 테트라하이드로퓨란, 에틸렌 글리콜 다이아세테이트, 및 퍼플루오로(2-부틸 테트라하이드로퓨란)이 있다.
고체 상태 장치로서 상기 자가-완비된 센서의 적용을 위해서, 상술한 센서를 중합체 기질에 부착시키거나 상기 중에 고정화시킨다. 이어서 상기 센서를 기판상에 필름으로서 배치한다. 상기 센서 필름의 제조에 사용되는 중합체성 물질이 검출 성질, 예를 들어 선택성, 감도, 및 검출 한계에 영향을 미칠 수 있음을 알아야 한다. 따라서, 상기 센서 필름에 적합한 물질은 목적하는 반응 시간, 목적하는 투과성, 목적하는 용해도, 투명도 및 경도, 및 분석하려는 관심 물질과 관련된 다른 유사한 특성들을 제공할 수 있는 중합체성 물질들 중에서 선택된다.
상기 센서 필름의 중합체 기질은 바람직하게는 플라스틱 필름, 즉 수지 필름이다. 상기 중합체 지지체의 제조에 사용되는 수지는 상기 센서 용도에 따라 변한다. 상기 수지를 상기 분석물-특이성 시약이 상기 액체 매질 중에 분산되도록 상기 용매에 용해시킨다. 한편으로, 상기 분석물-특이성 시약을 이미 형성된 플라스틱 필름에 직접 적용시킬 수도 있다. 하나의 실시태양에서, 중합체 필름을 제조하고 용매를 임의의 공지된 수단, 예를 들어 증발에 의해 상기 필름으로부터 제거한 다음 상기 건조 필름을 하나 이상의 시약을 함유하는 칵테일에 노출시킨다. 이러한 식으로, 시약을 상기 필름에 혼입시킨다. 하나의 실시태양에서, 상기 센서 필름은 깨끗한 플라스틱 표면을 화학적 혼합물의 박층으로 코팅하고 암실의 공기 중에서 수 시간의 기간에 걸쳐 건조되도록 함으로써 제조된다. 최종 필름 두께는 바람직하게는 약 0.1 내지 약 200 마이크론, 보다 바람직하게는 0.5 내지 100 마이크론, 보다 바람직하게는 1 내지 50 마이크론이다.
반응을 평가하기 위해서, 상기 필름을 분석물의 수성 샘플에 노출시킨다. 바람직하게는, 상기 분석물의 수성 샘플의 양은 약 30 내지 약 50 ㎕ 샘플의 범위이나, 다른 양도 본 발명의 범위로부터 이탈되지 않는 한 고려된다. 노출 시간은 바람직하게는 약 0.5 내지 1000 초, 보다 바람직하게는 1 내지 500 초, 및 보다 바람직하게는 5 내지 300 초이다. 하나의 실시태양에서, 상기 수 샘플을 상기 센서 필름의 측정 전에 제거한다. 한편으로, 상기 수 샘플은 측정 중에 존재할 수 있다. 하나의 더욱 또 다른 실시태양에서, 상기 측정을 수 노출 전, 수 노출 도중, 및 수 노출 후에 연속적으로 수행한다. 추가의 실시태양에서, 상기 측정을 수 노출 전 및 수 노출 도중에 연속적으로 수행한다.
상기 센서 필름의 제조에 사용되는 중합체성 물질이 선택성, 감도 및 검출 한계와 같은 검출 성질에 영향을 미칠 수 있음은 물론이다. 따라서, 상기 센서 필름에 적합한 물질을 목적하는 반응 시간, 목적하는 투과성, 목적하는 용해도, 투명도 및 경도, 및 관심 물질과 관련된 다른 유사한 특성들을 제공할 수 있는 중합체성 물질 중에서 선택한다. 본 내용에 따라 중합체 지지체로서 사용될 수 있는 적합한 중합체는 하이드로젤이다. 본 발명에 정의된 바와 같이, 하이드로젤은 함께 결합하여 수 팽창성이지만 수 불용성인 구조를 형성하는 친수성 중합체의 3 차원 망상 조직이다. 하이드로젤이란 용어는 미국 특허 제 5,744,794 호에 개시된 바와 같이 습윤상태뿐만 아니라 건조 상태(제로젤)로도 친수성 중합체에 적용될 수 있다.
다수의 상이한 방법들을 상기 하이드로젤을 함께 결합시키는데 사용할 수 있다. 먼저, 하이드로젤들을 친수성 중합체의 조사 또는 유리 라디칼 가교결합을 통해 결합시킬 수 있는데, 예로서 폴리(하이드록시에틸메트아크릴레이트), 폴리(아크릴산), 폴리(메트아크릴산), 폴리(글리세릴 메트아크릴레이트), 폴리(비닐 알콜), 폴리(에틸렌 옥사이드), 폴리(아크릴아미드), 폴리(N-아크릴아미드), 폴리(N,N-다이메틸아미노프로필-N'-아크릴아미드), 폴리(에틸렌 이민), 나트륨/칼륨 폴리(아크릴레이트), 폴리사카라이드, 예를 들어 잔테이트, 알지네이트, 구아 검, 아가로스 등, 폴리(비닐 피롤리돈) 및 셀룰로스 기재 유도체가 있다. 두 번째로, 친수성 중합체 및 단량체와 적합한 다작용성 단량체들과의 화학적 가교결합을 통한 결합을 사용할 수 있는데, 예로서 적합한 작용제, 예를 들어 N,N'-메틸렌비스아크릴아미드와 가교결합된 폴리(하이드록시에틸메트아크릴레이트), 폴리에틸렌 글리콜 다이아크릴레이트, 트라이에틸렌 글리콜 다이아크릴레이트, 테트라에틸렌 글리콜 다이메트아크릴레이트, 트라이프로필렌 글리콜 다이아크릴레이트, 펜타에리쓰리톨 테트라아크릴레이트, 다이-트라이메틸올프로판 테트라아크릴레이트, 다이펜타에리쓰리톨 펜타아크릴레이트, 트라이메틸올프로판 트라이아크릴레이트, 펜타에리쓰리톨 트라이아크릴레이트, 프로폭실화된 글리세릴 트라이아크릴레이트, 에톡실화된 펜타에리쓰리톨 테트라아크릴레이트, 에톡실화된 트라이메틸올프로판 트라이아크릴레이트, 헥산다이올 다이아크릴레이트, 헥산다이올 다이메트아크릴레이트 및 다른 다이- 및 트라이-아크릴레이트 및 메트아크릴레이트; 하이드록시에틸메트아크릴레이트 단량체와 다이메트아크릴레이트 에스터 가교결합제와의 공중합; 하이드록실-종결된 폴리(에틸렌 글리콜)과 폴리아이소시아네이트와의 반응을 통해 또는 다작용성 단량체, 예를 들어 트라이올의 존재 하에서 다이아이소시아네이트와의 반응에 의해 제조된 폴리(에틸렌 옥사이드) 기재 폴리우레탄; 및 다이알데하이드, 다이에폭사이드 및 폴리염기산과 가교결합된 셀룰로스 유도체가 있다. 세 번째로, 친수성 단량체와 중합체의 블록 및 그래프트 공중합체 내로의 통합을 통한 결합을 사용할 수 있으며, 예로서 폴리(에틸렌 옥사이드)와 적합한 중합체와의 블록 및 그래프트 공중합체, 예를 들어 폴리(에틸렌글리콜)(PEG), 아크릴산(AA), 폴리(비닐 피롤리돈), 폴리(비닐 아세테이트), 폴리(비닐 알콜), N,N-다이메틸아미노에틸 메트아크릴레이트, 폴리(아크릴아미드-코-메틸 메트아크릴레이트), 폴리(N-아이소프로필아크릴아미드), 폴리(하이드록시프로필 메트아크릴레이트-코-N,N-다이메틸아미노에틸 메트아크릴레이트); 폴리(비닐 피롤리돈)-코-폴리스타이렌 공중합체; 폴리(비닐 피롤리돈)-코-비닐 알콜 공중합체; 폴리우레탄; 폴리우레탄우레아; 폴리(에틸렌 옥사이드)를 기본으로 하는 폴리우레탄우레아; 폴리우레탄우레아 및 폴리(아크릴로나이트릴)-코-폴리(아크릴산) 공중합체; 및 폴리(아크릴로나이트릴), 폴리(비닐 알콜) 및 폴리(아크릴산)의 다양한 유도체가 있다. 분자 착체 형성이 또한 친수성 중합체와 다른 중합체 사이에서 발생할 수 있으며, 예로서 폴리(아크릴산) 및 폴리(메트아크릴산)과의 폴리(에틸렌 옥사이드)하이드로젤 착체가 있다. 마지막으로, 고 분자량 친수성 중합체의 얽힘(entanglement) 가교결합을 통한 결합을 사용할 수 있으며, 예로서 다작용성 아크릴 또는 비닐 단량체와 혼합된 고 분자량 폴리(에틸렌 옥사이드)를 기본으로 하는 하이드로젤이 있다.
상기 나타낸 바와 같이, 상기 언급한 중합체들의 단량체 구성성분들의 공중합체 또는 공-중축합물, 및 상기 중합체들의 블렌드를 또한 사용할 수 있다. 이들 물질의 적용 예는 문헌[Michie, et al., "섬유-광학 센서 및 하이드로젤을 사용한 분포된 pH 및 수 검출", J. Lightwave Technol. 1995, 13, 1415-1420; Bownass, et al., "수동 광 통신망에서 고 습도의 검출을 위한 일련의 다중송신 포인트 센서", Opt. Lett. 1997, 22, 346-348]; 및 미국 특허 제 5,744,794 호에 있다.
상기 나타낸 바와 같이, 상기 중합체 기질을 구성하는 하이드로젤을 적합한 용매, 예를 들어 비 제한적으로 다이(에틸렌 글리콜) 메틸 에테르 및 에틸렌 글리콜 페닐 에테르, 1-메톡시-2-프로판올, 에탄올, 아세톤, 클로로폼, 톨루엔, 자일렌, 벤젠, 아이소프로필 알콜, 2-에톡시에탄올, 2-부톡시에탄올, 염화 메틸렌, 테트라하이드로퓨란, 에틸렌 글리콜 다이아세테이트, 및 퍼플루오로(2-부틸 테트라하이드로퓨란)에 용해시킨다. 일반적으로, 상기 수지를 함유하는 용액 중의 상기 용매의 농도는 약 70 중량% 이상이며, 약 75 내지 약 90 중량%가 바람직하고 약 80 중량%가 바람직하다. 하기 예시적인 목적들에 사용되는 하나의 바람직한 하이드로젤은 1-메톡시-2-프로판올을 포함한 용매 중에 용해된 폴리(2-하이드록시에틸메트아크릴레이트)(pHEMA)이다.
상기 센서 필름의 중합체 기질은 바람직하게는 선택된 분석물에 대해 투과성이다. 상기 센서 필름은 크기(즉 분자량); 소수성/친수성 성질; 상(즉 상기 분석물이 액체, 기체 또는 고체인지의 여부); 용해도; 이온 전하; 콜로이드 또는 미립자 물질의 확산을 억제하는 능력; 또는 상기 분석물 자체 이외의 수 샘플의 조성(예를 들어 칼슘 측정 중의 상기 샘플의 pH)을 근거로 분석물에 대해 선택적으로 투과성일 수 있다.
상기 분석물-특이성 시약을 상기 중합체 기질에 혼입 또는 적용시켜 센서 필름을 제조한다. 분석물-특이성 시약으로서 사용되는 물질은 당해 분야에 지시자로서 공지된 염료 및 시약을 포함한다. 본 발명에 사용된 바와 같이, "분석물-특이성 시약"은 비색측정, 광도굴절성, 광변색성, 열변색성, 형광성, 탄성 산란, 비탄성 산란, 편광, 또는 물리적, 화학적 및 생물학적 종의 검출에 유용한 임의의 다른 광학적 성질을 나타내는 지시자이다. 분석물-특이성 시약은 유기 및 무기 염료 또는 안료, 나노결정, 나노입자, 양자 점, 유기 플루오로포어, 무기 플루오로포어, 및 유사한 물질을 포함한다.
분석물-특이성 시약으로서 사용될 수 있는 화합물의 예로는 유기 염료, 유기 플루오로포어, 형광성 염료, IR 흡수 염료, UV 흡수 염료, 광변색성 염료, 열변색성 염료, 설폰프탈레인 염료, 및 상기 목적에 사용될 수 있는 다른 공지된 염료가 있다. 염료의 구체적인 예는 브로모파이로갈롤 레드, 자일리딜 블루 I, 클로로포스폰아조 III, 브릴리안트 그린, 잔텐 염료, 예를 들어 로다민 B, 로다민 6G, 에오신, 플록신 B 등, 아크리딘 염료, 예를 들어 아크리딘 오렌지, 아크리딘 레드 등, 아조 염료, 예를 들어 에틸 레드, 메틸 레드 등, 포르피린 염료, 프탈로시아닌 염료, 시아닌 염료, 예를 들어 3,3'-다이에틸티아카보시아닌 요오다이드, 3,3'-다이에틸옥사다이카보시아닌 요오다이드 등, 메로시아닌 염료, 스타이릴 염료, 옥소놀 염료, 트라이아릴메탄 염료, 메틸렌 블루, 페놀 블루 등을 포함한다. pH 민감성 염료, 예를 들어 브로모티몰 블루 및 브로모크레졸 그린을 포함한 다른 염료들을 유사하게 사용할 수 있다. 분석물-특이성 시약으로서 사용될 수 있는 형광성 물질은 상기 센서 필름상의 특정한 소정의 위치에 결합하여 특정한 광 파장에 의해 여기 시 형광을 발한다. 적합한 파장 범위는 약 200 내지 약 1100 ㎚이며, 보다 바람직하게는 약 300 내지 약 1000 ㎚이고, 약 350 내지 약 950 ㎚의 범위가 가장 바람직하다. 다른 실시태양에서, 특정한 소정의 위치에 결합하는 비 형광 분석물-특이성 시약을 사용할 수 있다. 상기와 같은 시약은 광흡수 물질, 예를 들어 근 적외선(NIR) 흡수 물질을 포함한다. NIR 흡수 물질의 예는 카본 블랙 및 폴리(스타이렌설포네이트)/폴리(2,3-다이하이드로티에노(3,4-b)-1,4-다이옥신)을 포함한다. 하나의 실시태양에서, 상기 분석물-특이성 시약은 약 620 내지 670 ㎚에서 빛을 흡수하는 광 흡수 시약이다. 또 다른 실시태양에서, 상기 분석물-특이성 시약은 약 750 내지 820 ㎚에서 빛을 흡수하는 광 흡수성 시약이다. 또 다른 실시태양에서, 상기 분석물-특이성 시약은 약 380 내지 420 ㎚에서 빛을 흡수하는 광 흡수성 시약이다. 상기 염료들을 목적하는 용도에 따라 단독으로 또는 함께 사용할 수 있다. 주어진 용도에 사용되는 유기 화합물 및 양의 선택은 사용되는 유기 화합물의 성질 및 목적에 따라 변한다. 예를 들어, 형광 염료를 당해 분야에 공지된 바와 같이 ppm 농도로 수지 결합제에 첨가할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시태양에서, 상기 분석물-특이성 시약을 상기 분석물-특이성 시약과 친지성 대이온, 예를 들어 4급 암모늄 이온 사이에 이온 쌍을 형성시킴으로써 하이드로젤 기질에 고정화시킨다. 4급 암모늄 이온은 분석물-특이성 시약의 흡수 스펙트럼의 변화를 일으킬 수 있는 것으로 공지되어 있다. 그러나, 뜻밖에도 분석물-특이성 시약의 이온 쌍 형성에 필요한 화학량론적 양보다 실질적으로 더 큰 농도로 4급 암모늄 이온을 첨가하면 상기 지시자 선택성 및 감도가 매우 현저하게 개선되는 것으로 밝혀졌다. 본 발명에 사용된 바와 같이, 이온 쌍 형성에 필요한 화학량론적 양보다 실질적으로 더 큰 농도는 상기 4급 암모늄 이온을 상기 지시자에 대한 화학량론적 양보다 약 5 내지 1000 배 더 큰 농도로 첨가함을 의미한다. 예로서, 비 제한적으로, 285:1(4급 암모늄 이온:지시자)의 바람직한 몰 비가 특정한 몰리브데이트 센서에 바람직한 것으로 측정되었다. 비교로서, 설파이트 센서의 경우 18:1의 최적 몰 비가 측정되었다. 임의의 특정한 설명에 얽매이고자 하는 것은 아니지만, 현재 임계 미셀 농도보다 큰 양의 4급 암모늄 이온이 상기 필름 중에 존재하는 경우 발생하는 물리적 변화는 표면에서 단일 지시자-분석물 착체보다 더 많이 결합하는 미셀의 형성인 것으로 여겨진다. 따라서 1보다 큰 리간드-금속 비가 양이온성 미셀의 존재 하에서 형성되어 상기 지시자-분석물의 예상된 자외선-가시광선-근-IR 분광학 반응을 향상시키는 원인이 될 수 있다.
예시를 위해서 비 제한적으로 하기에 사용되는 이온 쌍의 한 가지 예는 BP 레드-MoO4 지시자 시스템의 경우 브로모파이로갈롤 레드(BR) 및 벤질다이메틸테트라데실암모늄 클로라이드(제피라민)이다. 4급 암모늄염의 존재는 상기 BP 레드-Mo 킬레이트 최대 흡수의 현저한 적색이동뿐만 아니라 상기 킬레이트 흡수 밴드의 강화를 유도하는 것으로 나타났다. 상기 필름에 사용되는 4급 암모늄염을 구조 및 질량에 대해 피크 흡수(λmax)의 위치가 보다 긴 파장 쪽으로 이동하도록 선택하였다. 표 1은 습윤 시 pHEMA 필름상의 선택된 4급 암모늄염에 의해 생성된 λmax를 나타낸다.
물에 의해 습윤 시 pHEMA 필름의 λmax에 대한 4급 암모늄 및 포스포늄 염의 효과
4급 암모늄염 λmax(㎚)
제피라민(테트라데실다이메틸벤질암모늄 클로라이드 620
TBAB(테트라부틸암모늄 브로마이드) 615
TBPB(테트라부틸포스포늄 브로마이드) 613
이온 쌍 형성에 필요한 것보다 현저하게 더 큰 농도의 4급 암모늄염의 첨가는 지시자 선택성과 감도를 매우 현저하게 개선시켰다. 바람직하게는 약 10 내지 약 30 ㎚, 보다 바람직하게는 약 20 ㎚의 보다 긴 파장으로의 λmax의 현저한 흡광도 이동이 상기 4급 암모늄염을 상기 염료에 대해 화학량론적 양보다 더 많이 가했을 때 관찰되었다. 이러한 이동은 상기 필름을 상기 λmax 근처의 파장에서 측정할 때 검출 감도를 현저하게 개선시킬 수 있다. 바람직하게는, 상기 측정된 파장은 약 1 내지 80 ㎚의 λmax이다. 임의의 특정한 이유에 얽매이고자 하는 것은 아니지만, 상기 효과는 양이온성 미셀의 계면 상에 보다 고도(예를 들어 보다 높은 리간드:금속 비)의 BP 레드-MoO4 킬레이트가 형성된 결과인 것으로 여겨진다.
본 발명의 또 다른 실시태양에서, 샘플 용액에 노출 후 색상이 변하는 화학 조성물을 함유하여 상기 샘플 용액의 정량적인 측정을 획득하는 다중 투명 하이드로젤 필름을 제조한다. 상기 실시태양의 일례로, 상기 샘플 용액의 알칼리도를 측정하기 위해 사용되고, 바람직하게는 상기 샘플 용액 중의 알칼리 종에 노출 후 색상이 변하는 화학 조성물을 함유하는 다중 필름을 제조한다. 바람직하게는 약 2 내지 12 개의 투명 필름, 보다 바람직하게는 2 내지 8 개의 투명 필름을 제조하고 이를 상기 샘플 용액에 노출시킨다.
하나의 실시태양에서, 상기 하이드로젤 필름에 첨가되는 화학 조성물은 pH 지시자, 계면활성제 및 산을 포함한다. 적합한 계면활성제는 4급 암모늄염, 예를 들어 세틸트라이메틸암모늄 브로마이드, 트라이도데실메틸암모늄 클로라이드, 테트라부틸암모늄 브로마이드, 및 다수의 것들을 포함한다. 바람직하게는, 상기 계면활성제는 상기 필름 중의 지시자의 누출 량을 감소시키거나 실질적으로 제거한다. 계면활성제가 없는 경우, 지시자 누출은 흡광도 측정 시 바람직하지 못한 오차를 도입시킬 것이다. 적합한 pH 지시자 염료는 브로모스크레졸 그린 및 브로모페놀 블루를 포함한다. 상기 pH 지시자 염료는 4.3 부근의 pKa 값을 갖는 것이 바람직하다.
상기 실시태양에 개시된 방법에 따라, 상기 실시태양의 다중 하이드로젤 필름들은 각각 상이한 양의 산을 함유한다. 일부 적합한 산은 카복실산 및 아릴- 및 알킬설폰산, 예를 들어 p-톨루엔설폰산이나, 상기 하이드로젤 매질에 용해될 수 있는 임의의 산을 사용할 수도 있다. 상기 각 필름 중의 산 농도는 상이하며 필름에 따라 소정의 패턴으로 변한다. 상기 산 농도는 바람직하게는 건조 pHEMA(하이드로젤)에 대해 약 0.2 내지 50 중량%로 변한다. 바람직하게는, 최저 농도를 갖는 필름은 약 0.2 내지 20 중량%, 보다 바람직하게는 약 0.8 내지 10 중량%의 농도를 갖는다. 바람직하게는, 최고의 농도를 갖는 필름은 약 20 내지 50 중량%, 보다 바람직하게는 약 25 내지 35 중량%의 농도를 갖는다. 카복실산과 같은 약산이 사용되는 경우 주어진 알칼리도 범위를 포함하는데 필요한 필름의 수는 강산이 사용되는 경우보다 더 적다. 이는 상기 약산이 강산보다 더 편평한 적정 곡선을 나타내기 때문이다. 그러나, 약산은 대개 수 샘플 중에 통상적으로 존재하는 칼슘 이온과 같은 이온과 착체를 형성한다.
주어진 양의 샘플 용액을 상기 하이드로젤 필름에 침착시키는 경우, 상기 샘플 중의 알칼리 종은 상기 첨가된 산을 중화시킨다. 산 농도 구배는 일련의 필름 중에 상이한 양의 산의 첨가에 의해 생성되므로, 상기 일련의 필름(다중 필름)이 상기 샘플 용액에 노출될 때 상이한 중화도에 상응하는 색상 변화 프로파일이 생성된다. 상기 일련의 필름 전체의 평균 흡광도를 샘플 알칼리도의 정량적인 측정에 사용한다.
하나의 태양에서, 예를 들어 포스페이트 센서의 경우, 상기 자가-완비된 센서는 몰리브데이트 염 및 분석물-특이성 시약으로서의 염료 및 pH 조절제로서의 설폰산을 포함한다. 상기 몰리브데이트 염은 상업적으로 입수할 수 있고 다른 구성성분들과 상용성인 다양한 용해성 염들 중 임의의 것일 수 있다. 사용될 수 있는 적합한 몰리브데이트 염의 예로는 비 제한적으로 암모늄, 나트륨, 칼륨, 칼슘 및 리튬 몰리브데이트가 있다. 또 다른 태양에서, 암모늄 헵타몰리브데이트를 몰리브데이트 염으로서 사용한다.
상기 염료는 발색성 지시자이며, 상기 몰리브데이트 염 및 포스페이트와 접촉 후에 상기 센서의 광학 성질 변화를 나타낸다. 상기 분석물-특이성 시약에 사용될 수 있는 적합한 염료의 일부 예는 아조 염료, 옥사진 염료, 티아진 염료, 트라이페닐메탄 염료, 및 임의의 이들의 조합을 포함한다. 하나의 실시태양에서, 상기 분석물-특이성 시약은 티아진 또는 옥사진 염료를 포함한다. 사용될 수 있는 티아진 및 옥사진 염료의 일부 구체적인 예로는 비 제한적으로 아주어 A, 아주어 B, 베이직 블루, 메틸렌 블루 및 브릴리안트 크레실 블루가 있다.
400 내지 800 ㎚ 범위의 대부분의 티아진 및 옥사진 염료의 스펙트럼 중 주요 흡수 밴드는 시험 용액의 pH를 3에서 0.5로 조절할 때 임의의 현저한 변화를 겪지 않으므로 상기 티아진 및 옥사진 염료가 사용된다. 이는 포스페이트 분석에 대해 당해 분야에 공지된 트라이페닐메탄 염료와 대조적이다. 상기 트라이페닐메탄 염료의 수성 용액은 0 내지 2의 pH 범위의 색상 전이를 겪는데, 이는 중성 pH에서 550 내지 650 ㎚ 범위의 최대 흡수를 갖는 짙은 색상과 낮은 pH에서 훨씬 적은 색상 또는 무색을 나타낸다. 중성 pH에서 상기 트라이페닐메탄 염료 용액의 흡수 밴드는 상기 염료-HPA 착체의 밴드와 겹치기 때문에, 상기 염료-HPA 착체의 형성으로 인한 흡광도 변화를 밝히기 위해서 포스페이트 측정을 위한 시험 매질의 pH를 상기 염료의 전이 pH 아래로 조절해야 한다. 따라서, 트라이페닐메탄 염료 및 몰리브데이트 염의 경우 강산이 필요하다. 다른 한편으로 티아진 및 옥사진 염료는 염료 색상을 억제하기 위해 매우 강한 산성 조건을 필요로 하지 않는다. 실제로, 저 산성 pH 조절제의 낮은 농도는 이 경우 색상 변화를 일으킬 수 있다.
나타낸 바와 같이, 설폰산을 본 발명에 개시된 자가-완비된 센서에 pH 조절제로서 사용할 수 있다. 상기 센서 제형의 pH를 약 0.5 내지 3의 범위에 있도록 적합한 설폰산을 선택한다. 하나의 태양에서 파라-톨루엔설폰산을 pH 조절제로서 사용한다. 상기 설폰산의 농도를 상기 몰리브데이트 염 및 포스페이트와 접촉 시 염료의 색상 전이가 일어나거나, 흡광도 변화가 일어나도록 선택한다.
예를 들어, 상기 티아진 및 옥사진 염료를 수소 이온 대 몰리브데이트 농도 비가 30 미만인 수성 용액 중에서 몰리브데이트와 혼합하는 경우, 상기 염료의 주요 흡수 밴드의 현저한 적색 이동이 관찰된다. 포스페이트를 상기 용액에 첨가할 때, 상기 용액은 청색으로 변한다. 다른 한편으로, 상기 티아진 또는 옥사진 염료를 상기 수소 이온 대 몰리브데이트 농도 비가 30 내지 120의 범위에서 유지되는 수성 용액 중에서 몰리브데이트와 혼합할 때, 상기 염료의 주요 흡수 밴드는 동일하게 남아있으며 적색 이동은 관찰되지 않는다. 이 경우에, 상기 주요 흡수 밴드는 포스페이트를 시험 용액에 첨가할 때 감소한다. 상기 흡광도의 감소는 상기 포스페이트 농도에 비례한다.
하나의 태양에서, 상기 수소 이온 농도 대 몰리브데이트 농도의 비는 약 0.1 내지 약 150의 범위인 반면, 또 다른 태양에서, 상기 수소 이온 농도 대 몰리브데이트 농도의 비는 약 1 내지 약 120의 범위이고, 추가의 태양에서, 상기 수소 이온 농도 대 몰리브데이트 농도의 비는 약 30 내지 약 120의 범위이다.
추가의 태양에서, 본 발명에 개시된 자가-완비된 센서는 폴리에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르, 폴리비닐 알콜, 또는 임의의 이들의 조합의 그룹으로부터 하나 이상의 첨가제를 포함한다. 상기 첨가제는 상기 분석물-특이성 시약 및 염료의 용해를 촉진하며 또한 포스포몰리브데이트-염료 응집체의 형성을 방지한다. 따라서, 상기 첨가제의 첨가에 의해, 신호 상실을 생성시키는 상기 포스포몰리브데이트-염료 종의 침전을 방지할 수 있다. 추가로, 상기 자가-완비된 센서를 중합체 기질 중에 고정화하는 경우, 상기 화합물은 가소제로서 작용할 수 있으며 상기 중합체 기질의 분석물 종(이 경우 포스페이트)에 대한 투과성의 향상에 일조할 수 있다.
하나의 태양에서, 폴리에틸렌 글리콜을 상기 자가-완비된 센서에 첨가제로서 사용한다. 하나의 태양에서, 상기 폴리에틸렌 글리콜 첨가제의 분자량은 약 100 g/몰 내지 약 10,000 g/몰의 범위인 반면, 또 다른 태양에서, 상기 폴리에틸렌 글리콜의 분자량은 약 200 내지 약 4000 g/몰의 범위이고, 추가의 태양에서, 상기 폴리에틸렌 글리콜의 분자량은 약 400 내지 약 600 g/몰의 범위이다. 하나의 태양에서, 상기 센서 제형에 대한 폴리에틸렌 글리콜 첨가제의 중량 분율은 약 0.1 내지 약 20 중량%의 범위인 반면, 또 다른 태양에서, 상기 센서 제형에 대한 폴리에틸렌 글리콜 첨가제의 중량 분율은 약 0.5 내지 약 10 중량%의 범위이고, 추가의 태양에서, 상기 센서 제형에 대한 폴리에틸렌 글리콜 첨가제의 중량 분율은 약 1 내지 약 5 중량%의 범위이다.
추가의 태양에서, 본 발명에 개시된 자가-완비된 센서는 신호 인핸서(enhancer)를 포함한다. 상기 신호 인핸서는 상기 pH 조절제와 동일한 물질로 제조되거나 또는 상이한 물질로 제조될 수 있다. 신호 인핸서를 사용하여 포스포몰리브데이트 종과 구분되도록 유리 아이소폴리몰리브데이트를 차폐할 수 있다. 차폐되지 않는 경우, 상기 유리 아이소폴리몰리브데이트는 상기 염료와 이온 쌍을 형성하여 보다 큰 배경 신호를 생성시키거나 또는 포스페이트 단독으로 인한 감소된 신호를 생성시킬 수 있다. 적합한 신호 인핸서의 예로는 비 제한적으로 옥살산, 설폰산, 옥살레이트, 설포네이트, 및 임의의 이들의 조합이 있다.
하나의 태양에서, 상기 분석물-특이성 시약은 금속 착체 및 염료를 포함한다. 상기 금속 착체는 상기가 분석물(이 경우 포스페이트)에 대해 높은 특이성을 갖도록 선택된다. 사용될 수 있는 적합한 금속 착체의 예는 아연 착체 및 코발트 착체를 포함한다. 상기 금속 착체는 금속 양이온과 배위결합할 수 있는 하나 이상의 리간드를 추가로 포함한다. 상기 금속 리간드 착체는 상기가 약간의 기하학적 선호를 제공하여 특정 형상의 음이온들의 선택적인 결합을 생성시키도록 선택된다. 적합한 리간드의 예로는 피리딘, 아민 및 임의의 다른 질소 함유 리간드가 있다. 하나의 실시태양에서, (2,6-비스(비스(2-피리딜메틸)아미노메틸)-4-메틸-페놀)리간드의 2핵 아연 착체를 분석물-특이성 시약으로서 사용하였다.
금속변색성 염료를 금속 착체와 함께 사용한다. 상기 금속 착체와 사용될 수 있는 금속변색성 염료의 일부 예는 카테콜 염료, 트라이페닐메탄 염료, 티아진 염료, 옥사진 염료, 안트라센 염료, 아조 염료, 프탈로시아닌 염료, 및 이들의 임의의 조합을 포함한다. 금속변색성 염료의 일부 구체적인 예로는 비 제한적으로 파이로카테콜 바이올렛, 뮤렉사이드, 아르센아조 I, 아르센아조 III, 안티파이릴아조 III, 아조1, 산 크롬 다크 블루 K, BATA(비스-아미노페녹시 테트라아세트산), 크로모트로픽산, 및 XB-I(3-[3-(2,4-다이메틸페닐카바모일)-2-하이드록시나프탈렌]-1-일-아조]-4-하이드록시벤젠설폰산, 나트륨 염이 있다.
금속 착체 및 금속변색성 염료를 포함하는 분석물-특이성 시약의 pH 조절제를 상기 센서 제형의 pH가 pH = 7에서 유지되도록 선택한다. 적합한 pH 조절제의 예로는 생물학적 완충제, 예를 들어 굿스(Good's) 완충제 또는 아민이 있다. 사용될 수 있는 생물학적 완충제의 예는 비 제한적으로 HEPES(2-[4-(2-하이드록시에틸)-1-피페라지닐]에탄설폰산)을 포함한다. 적합한 아민의 예로는 비 제한적으로 사이클로아민 또는 보다 구체적으로 사이클로헥실아민이 있다. 상기 pH 조절제의 농도를 상기 금속 착체 및 염료와 접촉 시 상기 염료의 색상 전이가 일어나거나, 흡광도 변화가 일어나도록 선택한다.
하나의 태양에서, 상기 자가-완비된 센서는 금속 착체, 염료 및 선폰산 pH 조절제를 포함하며, 이들은 비 수성 용매 중에 용해된다. 또 다른 태양에서, 상기 자가-완비된 센서는 중합체 기질에 고정화되어 고체 상태 장치를 형성하는, 금속 착체, 염료 및 아민 pH 조절제를 포함한다.
상기 센서 필름의 중합체 기질은 선택된 분석물에 대해 투과성이다. 상기 센서 필름은 크기, 즉 분자량; 소수성/친수성 성질; 상, 즉 상기 분석물이 액체, 기체 또는 고체인지의 여부; 용해도; 이온 전하; 또는 콜로이드 또는 미립자 물질의 확산을 억제하는 능력을 근거로 분석물에 대해 선택적으로 투과성일 수 있다. 하나의 태양에서, 첨가제, 예를 들어 폴리에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르, 폴리비닐 알콜, 또는 임의의 이들의 조합을 상기 자가-완비된 센서에 첨가할 수 있다. 이들 첨가제는 중합체 기질을 가소화함으로써 상기 중합체 기질의 분석물 종(이 경우 포스페이트)에 대한 투과성을 향상시키는데 일조할 수 있다.
본 발명에 개시된 센서 필름은 자체-직립성(self-standing)이거나 유리, 플라스틱, 종이 또는 금속과 같은 기판상에 추가로 배치될 수 있다. 상기 센서 필름을 당해 분야의 숙련가들에게 공지된 임의의 기법, 예를 들어 도색, 분무, 회전 코팅, 침지, 스크린 인쇄 등을 사용하여 상기 기판에 적용 또는 배치할 수 있다. 하나의 태양에서, 상기 중합체 기질을 상기 분석물-특이성 시약 및 pH 조절제에 대해 통상적인 용매에 용해시키고 이어서 투명한 플라스틱 표면상에 침지 코팅시켜 박층을 형성시키고, 이어서 상기를 암실에서 수 시간의 기간에 걸쳐 건조시킨다. 한편으로, 상기 분석물-특이성 시약을 예비형성된 중합체 필름에 직접 적용할 수 있다.
상기 기판의 표면을 코팅하는데 사용되는 용액의 농도를 상기 필름의 두께 및 그의 광학적 성질에 불리한 영향을 미치지 않도록 낮게, 예를 들어 고체 약 20 내지 약 30 중량%의 범위로 유지시킨다. 하나의 태양에서, 상기 필름의 두께는 약 1 내지 약 60 마이크론의 범위이고, 또 다른 태양에서 상기 필름의 두께는 약 2 내지 약 40 마이크론의 범위이며, 또 다른 실시태양에서, 상기 필름의 두께는 약 5 내지 약 20 마이크론의 범위이다.
하나의 태양에서, 상기 분석물-특이성 시약을 센서 필름에 부착시키거나 또는 혼입시키고, 이어서 CD 또는 DVD와 같은 광학 매체 상에 배치한다.
또 다른 태양에서, 상기 센서 필름 상의 분석물-특이성 시약은 광 저장 매체 기판에 적용 시 센서 스폿을 형성한다. 본 발명에 사용된 바와 같이, "센서 스폿" 및 "센서 영역"은 광 저장 매체 드라이브를 사용하여 탐지하기 위한 소정의 공간적 위치에서 광 저장 매체의 표면상에 놓이거나, 또는 상기 표면에 톱니모양으로 놓였지만 디지털 정보를 함유하는 부위는 침투하지 않는 센서 물질을 개시하는데 호환적으로 사용된다. 용도에 따라, 상기 센서 스폿은 물리적, 화학적, 생화학적, 및 다른 환경 변화에 반응성이다. 일부 태양에서, 상기 광 저장 매체에 적용된 센서 필름에 상기 센서 스폿을 형성시키는 처리를 가할 수 있다. 상기와 같은 적용 방법은 당해 분야의 숙련가들에게 공지되어 있으며 물리적 차폐 시스템 및 음성 및 양성 포토레지스트 적용을 모두 포함할 수 있다. 한편으로, 상기 광 저장 매체를 중합체 필름으로 코팅하였으면, 상기 분석물-특이성 시약 및 pH 조절제를 센서 스폿으로서 상기 광 저장 매체 물품에 적용할 수 있다.
이어서 상기 센서를 사용하여 수성 시험 샘플 중의 화학 종의 존재를 정성적으로 및 정량적으로 분석한다. 하나의 태양에서, 시험 샘플 중의 농도의 측정 방법은 시험 샘플을 본 발명에 개시된 자가-완비된 센서와 접촉시키고, 상기 시험 샘플과 상기 자가-완비된 포스페이트 센서와의 접촉에 의해 생성된 상기 자가-완비된 센서의 광학 성질의 변화를 측정하고, 상기 광학 성질의 변화를 농도로 전환시킴을 포함한다.
상기 센서와 시험 샘플과의 접촉은 상기 센서가 용액 중에 있는지 또는 고체 상태인지의 여부에 따라 임의의 적합한 기전 또는 기법에 의해 수행될 수 있다. 상기 접촉을 수행할 수 있는 일부의 예는 비 제한적으로 상기 센서의 스트립을 시험 샘플 용액에 침지하거나, 센서 필름을 시험 샘플 용액으로 스폿팅하거나, 시험 샘플을 센서를 갖는 시험 장치를 통해 유동시키는 등에 의해 상기 센서의 용액을 상기 시험 샘플 용액과 혼합함을 포함한다.
접촉 후, 상기 센서의 광학 성질 변화를 광학적으로 측정한다. 상기 광학 성질의 변화는 상기 센서의 색상 변화와 같이 단순히 정성적일 수 있다. 한편으로, 상기 변화는 정량적, 예를 들어 탄성 또는 비탄성 산란, 흡수, 발광 강도, 발광 수명 또는 편광 상태의 변화일 수 있다. 예로서, 암모늄 몰리브데이트, 티아진 염료, 예를 들어 아주어 C 및 파라-톨루엔설폰산을 샘플과 접촉시키는 경우, 상기 센서의 색상은 보라색에서 청색으로 변하며 650 ㎚에서 흡수 피크의 변화가 발생한다. 상기 흡수 피크의 변화(증가 또는 감소)를 측정함으로써, 상기 농도를 측정할 수 있다.
하나의 실시태양에서, 광학 반응의 측정을 백색 광원(예를 들어 오션 옵틱스 인코포레이티드(Ocean Optics, Inc., Dunedin, FL)로부터 입수할 수 있는 텅스텐 램프) 및 휴대용 분광계(예를 들어 오션 옵틱스 인코포레이티드(Dunedin, FL)로부터 입수할 수 있는 모델 ST2000)를 포함하는 광학 시스템을 사용하여 수행할 수 있다. 상기 분광계에는 400 ㎚에서 빛나는 600-홈/㎜ 격자 및 선형 CCD-배열 검출기가 구비되어 있다. 바람직하게는, 상기 분광계는 30%를 초과하는 효율로 250 내지 800 ㎚ 및 1100 ㎚의 스펙트럼 범위를 포괄한다. 상기 램프로부터의 빛은 "하나의 주위로 6 개"가 분기된 섬유-광학 반사 탐침(예를 들어 오션 옵틱스 인코포레이티드(Dunedin, FL)로부터 입수할 수 있는 모델 R400-7-UV/VIS)의 가지들 중 하나에 초점을 맞춘다. 상기 탐침의 공통 가지는 센서 물질을 조명한다. 상기 탐침의 두 번째 가지는 상기 분광계와 연결된다. 형광 측정을 위해 광원으로부터의 빛을 미리여과하여 관심 여기 파장을 선택한다. 방출 롱-패스 필터를 포함함을 제외하고는 상기와 동일한 장치를 사용하여 형광 방출을 수집한다. 다른 공지된 상기 반응의 측정 방법을 또한 사용할 수 있다.
상기 광학 성질의 변화를 측정한 후에, 상기 광학 성질의 변화를 포스페이트 농도로 전환시킴으로써 상기 샘플 중의 농도를 측정할 수 있다. 이러한 전환을 보정 곡선을 사용하여 수행할 수 있다. 상기 보정 곡선은 기지 농도의 시험 샘플과의 접촉 후 센서의 광학 성질 변화를 측정함으로써 생성시킬 수 있다. 상기 보정 곡선의 생성 후에, 미지의 시험 샘플 중의 농도를 상기 보정 곡선을 사용하여 측정할 수 있다. 하나의 태양에서, 시험 샘플과의 접촉 후 상기 센서의 흡광도 변화는 상기 농도에 정비례한다. 본 발명의 실시태양의 자가-완비된 센서를 넓은 농도 범위의 화학 종의 탐지에 사용할 수 있다.
상기 필름은 상기 중합체 용액을 유리 슬라이드 상의 웰에 침착시키거나 또는 당해 분야의 숙련가들에게 공지된 다른 적합한 방법에 의해 제조할 수 있다. 하나의 예로, 상기 웰을 다이-컷, 접착제 부착된 중합체 차폐층으로 생성시킬 수 있다. 이어서 상기 필름을 고정된 양의 샘플 용액에 노출시킨다. 상기 필름을 노출시킨 후에, 각 필름의 흡광도를 상기 지시자의 최대 흡광도 피크 또는 그 부근의 파장에서 공지된 방법을 사용하여 측정한다. 상기 센서 필름으로부터 측정된 평균 흡광도를 사용하여 상기 샘플의 알칼리도를 정량분석한다. 상기 방법은 흡광도 측정을 기본으로 하며 모든 필름의 색상이 변한다 하더라도 여전히 작용할 것이다. 또한, 비색측정 이외에, 형광 및 다른 광학 측정이 가능하다.
본 발명의 또 다른 실시태양에서, 우리는 뜻밖에도 첨가제(또는 블렌드)로서 몇몇 중합체의 중합체 제형에의 첨가가, 상기 첨가제가 일정한 농도인 경우 신호의 증대를 제공함을 발견하였다. 상기 농도의 위와 아래에서는 그 효과가 감소한다. 상기 효과는 IR 768 퍼클로레이트로서 공지된 염료 2-[2-[3-[(1,3-다이하이드로-3,3-다이메틸-1-프로필-2H-인돌-2-일리덴)에틸리덴]-2-페녹시-1-사이클로헥센-1-일]에테닐]-3,3-다이메틸-1-프로필인돌륨 퍼클로레이트의 적용 시 발견되었다. 나피온의 첨가는 센서 신호 변화가 최고 시험 농도에서 나머지 흡광도에 의해 표준화될 때 상기 센서 필름의 상대적인 반응성을 개선시켰다.
상기 자가-완비된 센서를 사용함으로써 농도를 측정하는 방법을 첨부된 도면을 참고로 추가로 개시할 것이다. 도 1은 기판(20) 상에 필름(30)으로서 배치된 자가-완비된 센서(10)의 횡단면도이다. 필름(30)은 분석물-특이성 시약(50) 및 pH 조절제(60)(도 3)를 포함한다. 상기 분석물-특이성 시약(50)은 몰리브덴 염 또는 금속 착체 및 염료를 포함할 수 있다.
도 2는 시험 샘플(40)과 접촉하는 자가-완비된 센서(10)의 횡단면도이다. 상기 센서(10)를 상기 시험 샘플(40)과 접촉시키는 방법은 당해 분야의 숙련가들에게 공지된 임의의 통상적인 수단에 의해 수행될 수 있으며 상기 센서(10)의 전체 또는 일부가 상기 시험 샘플(40)과 접촉할 수 있다.
도 3은 시험 샘플(40)과 접촉 후 센서(80)의 광학 성질 변화를 생성시키는 자가-완비된 센서(10)의 횡단면도이다. 더욱이, 도 3은 분석물-특이성 시약(50) 및 pH 조절제(60)를 시험하려는 시편(70)과 접촉시킴으로써 발생하는 광학 성질 변화의 확대된 부분을 도시한다.
상기 자가-완비된 센서(10)의 용도는 비 제한적으로 수 처리 산업, 환경 모니터링, 임상 진단, 및 다른 산업 부분, 예를 들어 금광 및 야금학적 처리에서 물질 분석을 포함할 수 있다.
본 내용을 이제 하기 실시예를 참고로 보다 구체적으로 개시할 것이다. 하기의 실시예들은 예시 및 설명을 목적으로 본 발명에 제공되며; 이들이 총망라된 것이거나 또는 상기 내용을 있는 그대로의 형태로 제한하는 것은 아님을 알아야 한다.
실시예 1. 포스페이트 센서
하기의 시험에서, 반응 생성물을 1H NMR 분광학, 기체 크로마토그래피 질량 분광측정(GC/MS), 및 고속 원자 충돌 분광측정(FAB)을 사용하여 분석하였다. 상기 센서 장치 반응을 섬유 광학 탐침이 구비된 오션옵트릭스(OceanOptrics) 분광광도계를 사용하여 측정하였다. 상기 탐침은 상기 장치에 대해 약 45 내지 약 90° 범위의 각으로 배향시켰다.
시험 1. h-BPMP(2,6-비스(비스(2-피리딜메틸)아미노메틸)-4-메틸-페놀)의 합성
h-BPMP의 합성을 반응식 1에 따라 수행하였다. 2,6-비스(하이드록시메틸)-4-메틸페놀(반응식 1에서 A)을 다이클로로메탄 중의 염화 티오닐을 사용하여 85% 수율로 염소화하였다. 생성물 2,6-비스(클로로메틸)-4-메틸페놀(반응식 1에서 B) 을 비스피리딘 아민에 노출시켜 리간드(반응식 1에서 C)를 70% 수율로 제조하였다.
2,6-비스(클로로메틸)-4-메틸페놀의 합성: 다이클로로메탄(DCM) 25 ㎖ 중의 2,6-비스(하이드록시메틸)-4-메틸페놀의 현탁액을 DCM 50 ㎖ 중의 염화 티오닐 용액에 가하였다. 상기 첨가 후 상기 혼합물을 10 분간 교반하였다. 반응이 급속히 일어나 모든 고체를 용해시켰다. 상기 호박색 용액을 48 시간 동안 교반하였다. 상기 반응물을 100 g의 얼음에 붓고 수 층을 NaOH로 pH = 7로 중화시켰다. 유기 물질을 분리시키고 수성 층을 3 x 50 ㎖의 DCM으로 추출하였다. 합한 유기 층을 MS로 건조시키고, 여과하고 증발 건고시켰다. 이는 호박색 오일로서 물질 B 5.2 g(85%)을 제공하였다. 1H NMR은 약 90%의 생성물 형성을 나타내었다. GCMS는 205 m/z에서 정확한 분자 이온 피크(M+)를 나타내었다. 상기 반응의 조 생성물을 그대로 다음 단계에 사용하였다. 불안정한 생성물을 24 시간 이내에 사용하였다.
h-BPMP의 합성: 상기 2,6-비스(클로로메틸)-4-메틸페놀을 THF 15 ㎖에 용해시키고 N2 하에서 THF 5 ㎖ 중의 비스(2-피리딘) 아민 및 트라이에틸아민의 용액으로 처리하였다. 첨가를 0 ℃에서 1 시간 동안 수행하였다. 최종 현탁액을 48 시간 동안 교반하고, 여과하고 감압 하에서 농축시켰다. 잔사를 물 20 ㎖로 처리하고 DCM(3 x 30 ㎖)으로 추출하였다. 유기 물질을 건조 여과하고 증발시켰다. 잔사를 아세톤으로 용출시키면서 SiO2에서 크로마토그래피시켰다. 상기 공정은 호박색 고체로서 물질 C 1.71 g(70%)을 제공하였다. FAB는 531 m/z에서 정확한 분자 이온 피크(M+)를 나타내었다. 1H NMR은 정확한 생성물임을 나타내었다.
Figure 112008029252934-PCT00001
하기의 실시예들에서, 일부 실시태양에 개시된 자가-완비된 포스페이트 센서의 제조 및 시험을 추가로 예시할 것이다. 반응식 2는 실시예 2 및 3에 개시된 바와 같은 수성 시험 샘플 중의 포스페이트 탐지 기전을 예시한다. 반응식 3은 실시예 4 내지 14에 개시된 바와 같은 수성 시험 샘플 중의 포스페이트 시험 기전을 예시한다.
Figure 112008029252934-PCT00002
시험 2. 다우아놀 중의 h-PBMP-Zn-PCViolet 착체를 포함하는 센서의 제조 및 시험
3 개의 염기 용액을 다우아놀 100 ㎖ 중에서 제조하였다: A) ZnBr(FW 145.3), 7.7 ㎎, 0.053 밀리몰; B) h-BPMP(FW = 530), 28 ㎎, 0.053 밀리몰; 및 C) PCViolet(FW 408.4), 21.5 ㎎, 0.053 밀리몰. 물질 A 1.0 ㎖의 분액을 물질 B 1.0 ㎖에 가한 다음 물질 C 1.0 ㎖을 가하였다. 상기 혼합물에 다우아놀 중의 2-[4-(2-하이드록시에틸)-1-피페라지닐]에탄설폰산(HEPES)의 용액(pH = 7)을 가하여 녹색을 띤 청색 용액을 수득하였다. 1.0 ㎖ 분량의 용액을 다우아놀 2 ㎖로 희석하고 표준물질로서 DI 수(pH 6.9)를 사용하여 pH = 6.9에서 수성 PO4 -3 용액에 3 분의 노출시간 동안 노출시켰다. UV-Vis 스펙트럼을 400 내지 900 ㎚에서 기록하였다.
도 4는 상기 장치에 대한 상이한 포스페이트 농도에서의 전형적인 스펙트럼 세트를 나타낸다.
시험 3. 중합체 기질 중의 h-PBMP-Zn-PCViolet 착체를 포함하는 센서의 제조 및 시험
3 개의 염기 용액을 다우아놀 100 ㎖ 중에서 제조하였다: A) ZnBr(FW 145.3), 7.7 ㎎, 0.053 밀리몰; B) h-BPMP(FW = 530), 28 ㎎, 0.053 밀리몰; 및 C) PCViolet(FW 408.4), 21.5 ㎎, 0.053 밀리몰. 물질 A 0.6 ㎖의 분액을 물질 B 0.6 ㎖에 가한 다음 물질 C 0.6 ㎖을 가하였다. 상기 혼합물에 다우아놀 중의 20% pMMA/pHEMA(1:3) 1.8 ㎖ 및 3 중량%의 다이사이클로헥실아민을 가하여 녹색을 띤 청색 용액을 수득하였다. 5 x 10 ㎝ 폴리카보네이트 시트(0.5 ㎜ 두께)를 상기 용액으로 코팅하였다(2 개의 3M 스카치 매직 테이프 필름 두께 또는 약 12 마이크론 을 사용함). 상기 코팅된 시트를 2 시간 동안 공기 건조시키고 표준물질로서 pH = 6.9의 DI 수를 사용하여 pH = 6.9에서 수성 PO4 -3 용액으로 3 내지 5 분간 노출시켰다. 배경으로서 흰 종이에 대해 폴리카보네이트를 사용하여 45 또는 90°의 각으로 400 내지 900mm에서 오션 옵틱스 분광광도계를 사용하여 필름 판독을 수행하였다.
도 5는 상기 장치의 상이한 포스페이트 농도들에서의 전형적인 스펙트럼 세트를 나타낸다. 도 6은 포스페이트 농도의 함수로서 650 ㎚에서 흡광도를 플롯팅함으로써 획득한 상기 장치에 대한 보정 곡선을 나타낸다.
Figure 112008029252934-PCT00003
시험 4. 수중 아주어(Azure) C 및 몰리브데이트 염을 포함하는 센서의 제조 및 시험: 보라색-대-청색 반응
p-톨루엔설폰산(TsOH), 암모늄 몰리브데이트 및 아주어 C를 필요한 농도로 DI(탈이온) 수에 용해시켰다. 0.05M TsOH 용액 2 ㎖을 0.068 M 암모늄 몰리브데이트 용액 0.25 ㎖과 혼합한 다음 1-㎝ 일회용 큐벳(cuvette) 중의 아주어 C 용액(물 10 ㎖ 중의 10 ㎎, 알드리치 242187)과 혼합하였다. 약 0.5 ㎖의 상이한 농도의 포스페이트 수성 샘플들을 상기 용액에 가하였다. UV-Vis 스펙트럼을 400 내지 900 ㎚에서 기록하였다.
도 7은 상기 장치의 상이한 포스페이트 농도들에서의 전형적인 스펙트럼 세트를 나타낸다. 도 8은 포스페이트 농도의 함수로서 650 ㎚에서 흡광도를 플롯팅함으로써 획득한 상기 장치에 대한 보정 곡선을 나타낸다.
시험 5. 수중 아주어 B 및 몰리브데이트 염을 포함하는 센서의 제조 및 시험: 보라색-대-청색 반응
p-톨루엔설폰산(TsOH), 암모늄 몰리브데이트 및 아주어 B를 필요한 농도로 DI(탈이온) 수에 용해시켰다. 0.05M TsOH 용액 2 ㎖을 0.068 M 암모늄 몰리브데이트 용액 0.25 ㎖과 혼합한 다음 1-㎝ 일회용 큐벳 중의 0.1 ㎖의 아주어 B 용액(물 10 ㎖ 중의 4 ㎎, 알드리치 227935)과 혼합하였다. 약 0.5 ㎖의 상이한 농도의 포스페이트 수성 샘플들을 상기 용액에 가하였다. UV-Vis 스펙트럼을 400 내지 900 ㎚에서 기록하였다.
도 9는 상기 장치에 대한 상이한 포스페이트 농도에서의 전형적인 스펙트럼 세트를 나타낸다.
시험 6. 수중 아주어 B 및 몰리브데이트 염을 포함하는 센서의 제조 및 시험: 청색-대-보라색 반응
p-톨루엔설폰산(TsOH), 암모늄 몰리브데이트 및 아주어 B를 필요한 농도로 DI(탈이온) 수에 용해시켰다. 0.5M TsOH 용액 2 ㎖을 0.068 M 암모늄 몰리브데이트 용액 0.25 ㎖과 혼합한 다음 1-㎝ 일회용 큐벳 중의 0.1 ㎖의 아주어 B 용액(물 10 ㎖ 중의 4 ㎎, 알드리치 227935)과 혼합하였다. 약 0.5 ㎖의 상이한 농도의 포스페이트 수성 샘플들을 상기 용액에 가하였다. UV-Vis 스펙트럼을 400 내지 900 ㎚에서 기록하였다.
도 10은 포스페이트 농도의 함수로서 650 ㎚에서 흡광도를 플롯팅함으로써 획득한 상기 장치에 대한 보정 곡선을 나타낸다.
시험 7. 수중 브릴리안트 크레실 블루 및 몰리브데이트 염을 포함하는 센서의 제조 및 시험: 청색-대-보라색 반응
p-톨루엔설폰산(TsOH)을 필요한 농도로 DI(탈이온) 수에 용해시켰다. 0.0068 M 암모늄 몰리브데이트 용액(0.154 M TsOH 중의) 0.1 ㎖을 1-㎝ 일회용 큐벳 중의 0.178 mM BCB 용액(알드리치 858374) 0.1 ㎖(0.166 M TsOH 중의)과 혼합하였다. 약 2 ㎖의 상이한 농도의 포스페이트 수성 샘플들을 상기 용액에 가하였다. UV-Vis 스펙트럼을 400 내지 900 ㎚에서 기록하였다.
도 11은 포스페이트 농도의 함수로서 622 ㎚에서 흡광도를 플롯팅함으로써 획득한 상기 장치에 대한 보정 곡선을 나타낸다.
시험 8. 수중 아주어 B 및 몰리브데이트 염을 포함하는 센서의 제조 및 시험: 저 농도 범위 보정
20 ㎖의 오쏘포스페이트 샘플(PO4로서 0 내지 800 ppb 포스페이트를 함유한다)을 2 in 큐벳에 넣었으며, 상기 큐벳의 광학 경로 길이는 2.43 ㎝이었다. 이어서 0.914 g의 0.174 mM 아주어 B(TsOH 1.54 몰/㎏ 중의) 및 1.063 g의 암모늄 몰리 브데이트 0.068 몰/㎏(TsOH 1.54 몰/㎏ 중의)을 상기 큐벳에 가하였다. 상기 시약들을 상기 샘플에 가한 지 3 분후에 Hach DR200을 사용하여 650 ㎚에서 흡광도를 측정하였다.
도 12는 포스페이트 농도의 함수로서 650 ㎚에서 흡광도를 플롯팅함으로써 획득한 상기 장치에 대한 보정 곡선을 나타낸다. 상기 방법에 대한 몰 흡광도 계수는 상기 보정 곡선의 기울기로부터 140700 L/(몰 ㎝)인 것으로 계산되었다.
시험 9. 몰리브데이트 염 및 아주어 B를 포함하는 센서를 사용한 수돗물 샘플 중의 포스페이트 농도의 측정
p-톨루엔설폰산(TsOH), 암모늄 몰리브데이트 및 아주어 B를 필요한 농도로 DI(탈이온) 수에 용해시켰다. 0.2 M TsOH의 2 ㎖ 용액을 0.034 M 암모늄 몰리브데이트 용액 0.25 ㎖과 혼합한 다음 1-㎝ 일회용 큐벳 중의 아주어 B 용액 0.1 ㎖(물 10 ㎖ 중의 4 ㎎)과 혼합하였다. 약 0.5 ㎖의 수돗물 샘플을 상기 용액에 가하였다. UV-Vis 스펙트럼을 400 내지 900 ㎚에서 기록하였다. ACS 등급 삼나트륨 포스페이트로부터 제조된 포스페이트 표준 용액을 사용하여 보정 곡선을 획득하고, 상기를 Hach PhosVer 3 방법으로 표준화하였다: [PO4]/ppm = -2.867·A650 + 5.915. 상기 샘플 중의 미지의 포스페이트 농도는 1.45 ppm인 것으로 측정되었다. 상기 값은 ICP에 의해 분석된 1.47 ppm 및 상기 Hach 방법에 의한 1.25 ppm과 일치하였다. 상기 수 샘플 중의 다른 오염물질에 대한 조사를 ICP 방출 분광계를 사용하여 수행하였다. 주요 종들은 Ca, 62 ppm; Mg, 16 ppm; Si, 5.2 ppm이었다.
시험 10. 중합체 혼합물 중의 아주어 B 및 몰리브데이트 염을 포함하는 센서의 제조 및 시험
암모늄 몰리브데이트 및 아주어 B를 필요한 농도로 탈이온수 또는 1-메톡시-2-프로판올(다우아놀 PM)에 용해시켰다. 9.12 mM 아주어 B 0.15 ㎖ 용액에 0.68 M 암모늄 몰리브데이트 0.05 ㎖ 및 다우아놀 중의 20% pHEMA 5 g 용액 중의 0.33 g의 TsOH를 가하였다. 상기 센서 장치를, 폴리카보네이트 시트를 박층의 상기 화학적 혼합물로 유동 코팅하여 제조하고 암실에서 여러 시간의 기간에 걸쳐 건조시켰다. 최종 필름 두께는 5 내지 20 마이크론이었다. 상기 센서 장치를, 다양한 농도의 약 50 ㎕의 수성 포스페이트 샘플을 상기 필름 표면에 스폿팅함으로써 상기 샘플에 노출시켰다. 상기 액체 샘플을 상기 샘플의 스폿팅 후 2 분째에 제거하고 일정한 기류로 건조시켰다. 이어서 상기 센서 장치의 포스페이트 반응성에 대해 측정하였다. 상기 장치를 암실에서 편평한 표면상에 놓았다. 상기 센서 장치의 반응성을 섬유 광학 탐침이 구비된 분광광도계를 사용하여 측정하였다. 상기 탐침은 상기 장치에 대해 90°의 각으로 배향시켰다. 흰 종이 상의 폴리카보네이트를 배경으로서 사용하였다.
도 13은 상기 장치의 상이한 포스페이트 농도들에서의 전형적인 스펙트럼 세트를 나타낸다. 도 14는 포스페이트 농도의 함수로서 650 ㎚에서 흡광도를 플롯팅함으로써 획득한 상기 장치에 대한 보정 곡선을 나타낸다.
시험 11. 중합체 기질 중의 말라카이트 그린 및 몰리브데이트 염을 포함하는 센서의 제조 및 시험
말라카이트 그린(8 ㎎), TsOH(105 ㎎) 및 0.050 ㎖의 0.51 M 암모늄 몰리브데이트 용액을 2.5 g의 20% pHEMA 용액 중에서 혼합하였다. 상기 센서 장치를, 폴리카보네이트 시트를 박층의 상기 화학적 혼합물로 유동 코팅하여 제조하고 암실에서 여러 시간의 기간에 걸쳐 건조시켰다. 최종 필름 두께는 5 내지 20 마이크론이었다. 상기 센서 장치를, 다양한 농도의 약 20 ㎕의 수성 포스페이트 샘플을 상기 필름 표면에 스폿팅함으로써 상기 샘플에 노출시켰다. 상기 액체 샘플을 상기 샘플의 스폿팅 후 2 분째에 제거하고 일정한 기류로 건조시켰다. 이어서 상기 센서 장치의 포스페이트 반응성에 대해 측정하였다. 상기 장치를 암실에서 편평한 표면상에 놓았다. 상기 센서 장치의 반응성을 섬유 광학 탐침이 구비된 분광광도계를 사용하여 측정하였다. 상기 탐침은 상기 장치에 대해 90°의 각으로 배향시켰다. 흰 종이 상의 폴리카보네이트를 배경으로서 사용하였다.
도 15는 상기 장치의 상이한 포스페이트 농도들에서의 전형적인 스펙트럼 세트를 나타낸다. 도 16은 포스페이트 농도의 함수로서 650 ㎚에서 흡광도를 플롯팅함으로써 획득한 상기 장치에 대한 보정 곡선을 나타낸다.
시험 12. 중합체 기질 중의 베이직 블루 및 몰리브데이트 염을 포함하는 센서의 제조 및 시험
베이직 블루 3(5 ㎎), TsOH(105 ㎎) 및 0.025 ㎖의 0.51 M 암모늄 몰리브데이트 용액을 2.5 g의 20% pHEMA 용액 중에서 혼합하였다. 상기 센서 장치를, 폴리카보네이트 시트를 박층의 상기 화학적 혼합물로 유동 코팅하여 제조하고 암실에서 여러 시간의 기간에 걸쳐 건조시켰다. 최종 필름 두께는 5 내지 20 마이크론이었 다. 상기 센서 장치를 다양한 농도의 약 20 ㎕의 수성 포스페이트 샘플을 상기 필름 표면에 스폿팅함으로써 상기 샘플에 노출시켰다. 상기 액체 샘플을 상기 샘플의 스폿팅 후 2 분째에 제거하고 일정한 기류로 건조시켰다. 이어서 상기 센서 장치의 포스페이트 반응성에 대해 측정하였다. 상기 장치를 암실에서 편평한 표면상에 놓았다. 상기 센서 장치의 반응성을 섬유 광학 탐침이 구비된 분광광도계를 사용하여 측정하였다. 상기 탐침은 상기 장치에 대해 90°의 각으로 배향시켰다. 흰 종이 상의 폴리카보네이트를 배경으로서 사용하였다.
도 17은 상기 장치의 상이한 포스페이트 농도들에서의 전형적인 스펙트럼 세트를 나타낸다. 도 18은 포스페이트 농도의 함수로서 650 ㎚에서 흡광도를 플롯팅함으로써 획득한 상기 장치에 대한 보정 곡선을 나타낸다.
시험 13. 중합체 기질 중의 메틸렌 블루 및 몰리브데이트 염을 포함하는 센서의 제조 및 시험
하이드록실 에테르 기재 용매 중의 20% pHEMA 2.5 g 용액에 메틸렌 블루 2 ㎎, 나트륨 옥살레이트 5 ㎎, 0.64 M (NH4)6(Mo7O24)·H2O 10 ㎕ 및 105 ㎎의 TsOH를 가하였다. 상기 혼합물을 모든 고체가 용해될 때까지 암실에서 21 ℃에서 교반하였다. 상기 장치를, 투명한 플라스틱 표면을 박층의 상기 화학적 혼합물로 코팅하여 제조하고 암실에서 여러 시간의 기간에 걸쳐 건조시켰다. 최종 필름 두께는 5 내지 20 마이크론이었다. 상기 장치를 다양한 농도의 약 50 ㎕의 수성 포스페이트 샘플에 노출시켰다. 노출 시간은 일반적으로 120 초였다. 이어서 상기 수 샘플을 제거하고 상기 필름을 일정한 기류로 건조시켰다. 이어서 상기 장치의 포스페이트 반응성에 대해 측정하였다. 상기 장치를 암실에서 편평한 표면상에 놓았다. 상기 센서 장치의 반응성을 섬유 광학 탐침이 구비된 분광광도계를 사용하여 측정하였다. 상기 탐침은 상기 장치에 대해 90°의 각으로 배향시켰다.
도 19는 상기 장치의 상이한 포스페이트 농도들에서의 전형적인 스펙트럼 세트를 나타낸다. 도 20은 포스페이트 농도의 함수로서 650 ㎚에서 흡광도를 플롯팅함으로써 획득한 상기 장치에 대한 보정 곡선을 나타낸다.
시험 14. 가소화된 중합체 기질 중의 베이직 블루 및 몰리브데이트 염을 포함하는 센서의 제조 및 시험
베이직 블루 3(9 ㎎), TsOH(672 ㎎), 폴리에틸렌 글리콜 400(302 ㎎), 암모늄 몰리브데이트(0.68 M 수성 용액 0.076 ㎖), 및 나트륨 옥살레이트(24 ㎎)를 10.0 g의 20% pHEMA 용액 중에서 혼합하였다. 상기 센서 장치를, 폴리카보네이트 기판상에 박층의 상기 화학적 혼합물을 스크린 인쇄하여 제조하고 70 ℃에서 5 분간 건조시켰다. 이어서 상기 센서를 암실에서 실온 및 주변 습도에서 11일의 기간에 걸쳐 보관하였다. 최종 필름 두께는 5 내지 20 마이크론이었다. 상기 센서 장치를 다양한 농도의 약 20 ㎕의 수성 포스페이트 샘플을 상기 필름 표면에 스폿팅함으로써 상기 샘플에 노출시켰다. 상기 액체 샘플을 상기 샘플의 스폿팅 후 2 분째에 제거하고 일정한 기류로 건조시켰다. 이어서 상기 센서 장치의 포스페이트 반응성에 대해 측정하였다. 상기 장치를 암실에서 편평한 표면상에 놓았다. 상기 센서 장치의 반응성을 섬유 광학 탐침이 구비된 분광광도계를 사용하여 측정하였 다. 상기 탐침을 상기 장치에 대해 75°의 각으로 배향시켰지만, 다른 각들과 유사한 결과를 나타내었다. 폴리카보네이트를 배경으로서 사용하였다.
도 21은 상기 장치의 상이한 포스페이트 농도들에서의 전형적인 스펙트럼 세트를 나타낸다. 도 22는 포스페이트 농도의 함수로서 650 ㎚에서 흡광도를 플롯팅함으로써 획득한 상기 장치에 대한 보정 곡선을 나타낸다.
실시예 2. 몰리브데이트 센서
1-메톡시-2-프로판올(다우아놀 PM) 중의 20% pHEMA(MW 300,000) 10.0 g 용액에, 브로모파이로갈롤 레드 20 ㎎ 및 파라톨루엔설폰산 40 ㎎을 가하였다. 1 시간 동안 교반한 후에, 벤질다이메틸테트라데실암모늄 클로라이드(제피라민) 200 ㎎을 가하였다. 추가로 1 시간 교반한 후에, L-아스코브산 40 ㎎을 가하고 상기 혼합물을 모든 고체가 용해될 때까지(최소 12 시간) 실온에서 교반하였다.
상기 센서 필름은 투명한 플라스틱 표면을 박층의 상기 화학적 혼합물로 코팅하여 제조하고 암실에서 수 시간의 기간에 걸쳐 건조시켰다. 최종 필름 두께는 10 내지 20 마이크론이었다.
상기 센서 필름을 다양한 농도의 수성 몰리브데이트 샘플 약 30 ㎕에 노출시켰다. 노출 시간은 일반적으로 120 초였다. 이어서 상기 수 샘플을 제거하고 상기 필름을 일정한 기류 하에서 건조시켰다. 이어서 상기 센서 필름의 몰리브데이트 반응성에 대해 측정하였다.
상기 센서 필름을 암실에서 편평한 표면에 놓았다. 상기 센서 필름의 반응성을 섬유 광학 탐침이 구비된 오션옵틱스 분광광도계를 사용하여 측정하였다. 상 기 탐침은 상기 센서 필름에 대해 90°로 배향시켰다.
도 23은 개시된 센서 필름의 상이한 몰리브데이트 농도들에서의 전형적인 스펙트럼 세트를 나타낸다. 도 24는 개시된 센서 필름의 전형적인 반응 곡선을 나타낸다.
실시예 3. 마그네슘 센서
화학적 혼합물의 제조: 1-메톡시-2-프로판올(다우아놀 PM) 중의 20% pHEMA(MW 300,000) 10.0 g 용액에, 자일리딜 블루 1 50 ㎎, 나트륨염 및 테트라부틸암모늄 브로마이드(TBAB) 300 ㎎을 가하였다. 1 시간 동안 교반한 후에, 1-메톡시-2-프로판올(다우아놀 PM) 중의 폴리에틸렌이민(저 분자량 Mn 대략 1000, 수 비함유)의 40%(w/w) 용액 500 ㎎을 가하였다. 추가로 1 시간 교반한 후에, 에틸렌 글리콜-비스(아미노에틸에테르)-N,N,N',N'-테트라아세트산, 사나트륨염(BGTA-Na4) 400 ㎎을 가하고 상기 혼합물을 모든 고체가 용해될 때까지(최소 12 시간) 실온에서 교반하였다.
도 25는 상기 센서필름의 상이한 마그네슘 농도들에서의 전형적인 스펙트럼 세트를 나타낸다. 도 26은 상기 센서 필름의 전형적인 반응 곡선이다.
실시예 4. 경도 센서
화학적 혼합물의 제조: 1-메톡시-2-프로판올(다우아놀 PM) 중의 20% pHEMA(MW 300,000) 10.0 g 용액에, 자일리딜 블루 1 50 ㎎, 나트륨염 및 1-메톡시-2-프로판올(다우아놀 PM) 중의 폴리에틸렌이민(저 분자량 Mn 대략 1000, 수 비함유)의 40%(w/w) 용액 500 ㎎을 가하였다. 상기 혼합물을 모든 고체가 용해될 때까 지(최소 12 시간) 실온에서 교반하였다.
도 27은 상기 센서필름의 상이한 경도 농도들에서의 전형적인 스펙트럼 세트를 나타낸다. 도 28은 상기 센서 필름의 전형적인 반응 곡선을 나타낸다.
실시예 5. 칼슘 센서
화학적 혼합물의 제조: 1-메톡시-2-프로판올(다우아놀 PM) 중의 20% pHEMA(MW 300,000) 10.0 g 용액에, 클로로포스폰아조 III 25 ㎎ 및 파라-톨루엔설폰산 200 ㎎을 가하였다. 상기 혼합물을 실온에서 1 시간 동안 교반하고, 그 전에 트라이도데실메틸암모늄 클로라이드(TDMAC) 60 ㎎을 가하였다. 상기 혼합물을 모든 고체가 용해될 때까지(최소 12 시간) 실온에서 교반하였다.
도 29는 상기 센서필름의 상이한 칼슘 농도들에서의 전형적인 스펙트럼 세트를 나타낸다. 도 30은 상기 센서 필름의 전형적인 반응 곡선이다.
실시예 6. 설파이트 센서
화학적 혼합물의 제조: 1-메톡시-2-프로판올(다우아놀 PM) 중의 20% pHEMA(MW 300,000) 10.0 g 용액에, 브릴리안트 그린 8 ㎎ 및 테트라부틸암모늄 브로마이드(TBAB) 120 ㎎을 가하였다. 상기 혼합물을 모든 고체가 용해될 때까지(최소 12 시간) 실온에서 교반하였다.
도 31은 상기 센서필름의 상이한 설파이트 농도들에서의 전형적인 스펙트럼 세트를 나타낸다. 도 32는 상기 센서 필름의 전형적인 반응 곡선을 나타낸다.
실시예 7. 설파이트 센서 II
(고도의 알칼리성, 높은 pH 수 샘플을 견디도록 제조됨)
하기의 실시예는 첫 번째 필름을 두 번째 완충 필름으로 상부코팅(overcoating)함으로써 화학적 필름(설파이트)을 어떻게 완충시킬 수 있는가를 예시한다. 상기 2 층 필름은 극단적인 수성 환경(매우 높은 pH(pH 12) 및 매우 높은 알칼리도(1000 ㎎/L M-알칼리도)에서 목적하는 분석물(설파이트)의 측정을 허용하는 방법을 제공한다. 상기 첫 번째 필름을 상기 두 번째 완충 필름으로 상부코팅하지 않는 경우, 상기 센서 필름은 상기 수 샘플의 높은 pH에 반응하고 상기 목적하는 분석물(설파이트)에는 반응하지 않는 경향이 있다.
화학적 혼합물 I의 제조: 다이(에틸렌 글리콜)메틸 에테르(다우아놀 DM) 및 1-메톡시-2-프로판올(다우아놀 PM)의 65/35 중량% 혼합물 중의 25% pHEMA(MW 300,000) 10.0 g 용액에, 브릴리안트 그린 8 ㎎, 테트라부틸암모늄 브로마이드(TBAB) 120 ㎎, 및 물 200 ㎖에 용해된 일염기성 칼륨 포스페이트(KH2PO4) 36 ㎎을 가하였다. 상기 혼합물을 모든 고체가 용해될 때까지(최소 12 시간) 실온에서 교반하였다. 투명한 플라스틱 표면을 박층의 상기 화학적 혼합물로 코팅하여 상기 센서 필름을 제조하고 암실에서 수 시간의 기간에 걸쳐 건조시켰다. 상기 최종 필름 두께는 5 내지 20 마이크론이었다.
화학적 혼합물 II의 제조: 다이(에틸렌 글리콜)메틸 에테르(다우아놀 DM) 및 1-메톡시-2-프로판올(다우아놀 PM)의 65/35 중량% 혼합물 중의 25% pHEMA(MW 300,000) 10.0 g 용액에, 테트라부틸암모늄 브로마이드(TBAB) 120 ㎎, 및 물 200 ㎖에 용해된 일염기성 칼륨 포스페이트(KH2PO4) 36 ㎎을 가하였다. 상기 혼합물을 모든 고체가 용해될 때까지(최소 12 시간) 실온에서 교반하였다. 투명한 플라스틱 표면상에 제조된 상기 건조된 화학적 혼합물 I 위에 화학적 혼합물 II를 코팅하고 암실에서 수 시간의 기간에 걸쳐 건조시켰다. 상기 합한 최종 필름 두께는 10 내지 40 마이크론이었다.
도 33은 상기 장치에 대한 상이한 설파이트 농도에서의 전형적인 스펙트럼 세트를 나타낸다. 설파이트 농도를 고도의 알칼리성(1000 ㎎/L M-알칼리도) 및 높은 pH(pH 12)의 수 기질 중에서 준비하였다. 도 34는 상기 장치의 전형적인 반응 곡선을 나타낸다.
실시예 8. 알칼리도 센서
본 실시예에 사용된 산은 p-톨루엔설폰산이며, 사용된 지시자는 브로모스크레졸 그린(pKa = 수성 상 중의 4.9)이다. 중합체 용액 조성물을 표 2에 나타내었다. 중합체 용액 8 ㎕를 유리 슬라이드 상의 웰에 침착시켜 필름을 제조하였다. 상기 웰(직경 5.4 ㎜ 및 깊이 0.32 ㎜)을 다이-컷, 접착제 부착 중합체 차폐층으로 생성시켰다. 상기 차폐층을 상기 시험 중에 제거하지 않았다. 650 ㎚에서의 평균 흡광도를 사용하여 상기 샘플의 총 알칼리도를 정량분석한다. 보정 곡선을 도 35에 나타내었다.
중합체 용액 조성
스폿# TsOH(%) PHEMA = 10% BCG = 0.1% CTAMB = 0.2%
1 0.08
2 0.16
3 0.32
4 0.40
5 0.48
6 0.64
실시예 9. 염소 센서
하나의 실시태양에서, 나피온 중합체를 상기 센서 제형에 가하였다. 상기 나피온의 첨가는, 센서 신호 변화를 최고 시험 농도에서 나머지 흡광도로 표준화할 때 상기 센서 필름의 상대적인 반응성을 개선시켰다. 상기 농도의 위 및 아래에서, 상기 효과는 감소하였다. 하나의 적합한 지시자는 IR768 퍼클로레이트로서 공지된 2-[2-[3-[(1,3-다이하이드로-3,3-다이메틸-1-프로필-2H-인돌-2-일리덴)에틸리덴]-2-페녹시-1-사이클로헥센-1-일]에테닐]-3,3-다이메틸-1-프로필인돌륨 퍼클로레이트이다.
도 36은 증가된 양의 나피온 용액을 염료 제형 2000 ㎕에 첨가 시 566 ㎚에서 측정할 때 반응 감도의 개선을 나타낸다. 이러한 개선은 도 37에 나타낸 바와 같이 2 ppm의 염소에 노출 시 센서 신호로서 플롯팅될 수 있다. 상기 도면은 최대 센서 반응이 획득된 PHEMA 중의 나피온 농도의 임계의 비-직관적인 영역의 존재를 입증한다.
상기 내용을 전형적인 실시태양으로 예시하고 개시하였지만, 이는 기술된 세부사항으로 제한하고자 하는 것이 아니며, 따라서 본 내용의 진의로부터 어떠한 방식으로도 이탈됨 없이 다양한 변경 및 치환을 수행할 수 있다. 이와 같이, 당해 분야의 숙련가는 단지 통상적인 실험을 사용하여 본 발명의 내용을 추가로 변경하거나 등가물을 얻을 수 있으며, 모든 상기와 같은 변경 및 등가물은 하기 청구의 범위에 의해 한정된 상기 내용의 범위 내에 드는 것으로 간주되어야 한다.

Claims (36)

  1. 샘플 용액 중의 화학 종의 농도를 센서 필름으로 정량적으로 측정하는 방법으로서,
    상기 샘플을 자가-완비된(self-contained) 센서 필름과 접촉시키고;
    샘플을 자가-완비된 센서와 접촉시킴으로써 생성된 상기 자가-완비된 센서 필름의 광학 성질의 변화를 측정하고;
    상기 광학 성질의 변화를 상기 농도로 전환시킴
    을 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 필름이 상기 화학 종의 농도를 측정하기 위해서 상기 필름 외부에 보조 시약을 필요로 하지 않도록 자가 완비되어 있고, 탄성 산란, 비탄성 산란, 흡수, 발광 강도, 발광 수명 또는 편광 상태의 변화를 포함한 상기 광학 성질의 변화와 함께 UV, 가시, 또는 근-IR 스펙트럼 범위에서 광학적 반응이 있으며, 상기 전환이 보정 곡선을 사용하여 수행되는, 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    센서 필름이, 투명한 플라스틱 표면을 박층의 화학적 혼합물로 코팅하고 건조시킴으로써 제조되고, 상기 필름이 10 내지 20 마이크론의 두께를 갖는, 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플 용액 중의 화학 종에 노출 시 광학 성질이 변하는 지시자를 포함하는 화학 조성물을 갖는 하이드로젤 센서 필름을 제조하고, 상기 필름을 고정 량의 상기 샘플 용액에 노출시킴을 추가로 포함하는, 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    광학 주사 장치를 사용하여 상기 지시자의 최대 흡광도 피크(λmax) 부근의 파장에서 상기 필름의 흡광도를 측정하고, 상기 센서 필름으로부터 측정한 평균 흡광도를 사용하여 상기 샘플 용액 중의 화학 종의 농도를 정량분석함을 추가로 포함하는, 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 하이드로젤 필름 중에 첨가된 화학 조성물이 유기염 또는 계면활성제 및 산을 포함하는, 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 센서가 몰리브데이트 염 및 염료를 포함하는 하나 이상의 분석물-특이성 시약, 및 하나 이상의 설폰산을 포함하는 pH 조절제를 포함하는, 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 지시자가 상기 지시자와 4급 암모늄, 4급 포스포늄, 4급 이미다졸륨, 4급 피리듐, 4급 피롤리디늄, 또는 4급 설포늄 이온 사이에 이온 쌍을 형성시킴으로써 상기 하이드로젤 필름 중에 고정화되어 있고, 이때 상기 4급 암모늄, 4급 포스포늄, 4급 이미다졸륨, 4급 피리듐, 4급 피롤리디늄, 또는 4급 설포늄 염의 농도가 상기 지시자의 이온 쌍 형성에 필요한 화학량론적 양보다 실질적으로 더 큰, 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 4급 암모늄염, 4급 포스포늄염, 4급 이미다졸륨, 4급 피리듐, 4급 피롤리디늄, 또는 4급 설포늄 염의 농도가 상기 지시자에 대해 화학량론적 양보다 약 5 내지 1000 배 더 큰, 방법.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 지시자가 설폰산, 포스폰산, 카복실산 및 페놀로 이루어진 그룹 중에서 선택된 산 사용에 의해 상기 하이드로젤 필름 중에서 pH 조절되고, 이때 상기 산의 농도가 상기 지시자의 이온 쌍 형성에 필요한 화학량론적 양보다 실질적으로 더 큰, 방법.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 센서 필름이 포스페이트 센서, 몰리브데이트 센서 필름, 마그네슘 센서 필름, 경도 센서 필름, 칼슘 센서 필름, 설파이트 센서 필름, 알칼리도 센서 필름, 및 염소 센서 필름으로 이루어진 그룹 중에서 선택되는, 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 필름이, 브로모파이로갈롤 레드를 pHEMA에 가하여 제조한 몰리브데이트 센서 필름, 클로로포스폰아조 III, 파라-톨루엔설폰산 및 벤질다이메틸테트라데실암모늄 클로라이드(제피라민)를 pHEMA에 가하여 제조한 칼슘 센서 필름인, 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 필름이, 자일리딜 블루 1, 나트륨 염 및 테트라부틸암모늄 브로마이드(TBAB) 폴리에틸렌이민, 에틸렌 글리콜-비스(아미노에틸에테르)-N,N,N',N'-테트라아세트산, 사나트륨 염(EGTA-Na4)을 pHEMA에 가하여 제조한 마그네슘 센서 필름인, 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 필름이, 옥사진, 티아진, 아조, 트라이페닐메탄, 시아닌, 카보시아닌 또는 이놀린 염료, 금속염 및 폴리알킬렌이민을 pHEMA에 가하여 제조한 경도 센서 필름인, 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 필름이, 옥사진, 티아진, 아조, 트라이페닐메탄, 시아닌, 카보시아닌 또는 이놀린 염료, 설폰산, 포스폰산, 카복실산 또는/및 페놀 및 4급 암모늄, 4급 포스포늄, 4급 피리디늄, 4급 피롤리디늄, 4급 이미다졸륨, 또는 설포늄염을 pHEMA(MW 300,000)에 가하여 제조한 몰리브데이트, 칼슘 또는 설파이트 센서 필름,인 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 필름이, 브릴리안트 그린 및 테트라부틸암모늄 브로마이드(TBAB)를 pHEMA에 가하여 제조한 설파이트 센서 필름인, 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 필름이, 나피온을 옥사진, 티아진, 아조, 트라이페닐메탄, 시아닌, 카보시아닌 또는 이놀린 염료 내지 pHEMA에 가하여 제조한 염소 센서 필름인, 방법.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 필름이, 금속 착체 및 염료를 포함하는 하나 이상의 분석물-특이성 시약, 하나 이상의 설폰산을 포함하는 pH 조절제, 및 하나 이상의 비 수성 용매 를 사용하여 제조한 포스페이트 센서 필름인, 방법.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 필름이, pHEMA 중의 옥사진, 티아진, 아조, 트라이페닐메탄, 시아닌, 카보시아닌 또는 이놀린 염료, 4급 암모늄, 4급 포스포늄, 4급 피리디늄, 4급 피롤리디늄, 4급 이미다졸륨, 또는 설포늄 염, 및 금속 포스페이트 염을 함유하는 필름을 pHEMA 중의 4급 암모늄, 4급 포스포늄, 4급 피리디늄, 4급 피롤리디늄, 4급 이미다졸륨, 또는 설포늄 염, 및 금속 포스페이트 염을 함유하는 제 2의 필름으로 상부코팅(overcoating)함으로써 제조한 2층 센서 필름인, 방법.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 하이드로젤 센서 필름의 형성 중에 중합체 첨가제를 첨가함을 추가로 포함하고, 이때 상기 첨가제가 염소 측정용 센서 필름의 생성을 위한 나피온인, 방법.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 필름이 염소 센서 필름 및 나피온과 같은 중합체 과산(super acid) 첨가제이고, 상기 지시자가 2-[2-[3-[(1,3-다이하이드로-3,3-다이메틸-1-프로필-2H-인돌-2-일리덴)에틸리덴]-2-페녹시-1-사이클로헥센-1-일]에테닐]-3,3-다이메틸-1-프로필인돌륨 퍼클로레이트인, 방법.
  22. 샘플 용액 중의 화학 종의 농도를 다수의 센서 필름으로 정량적으로 측정하는 방법으로서,
    상기 샘플 용액중에서, 상기 샘플 용액 중의 화학 종에 노출 시 자외선, 가시광선 또는 근 적외선 스펙트럼 범위에서 광학 성질이 변하는 다수의 하이드로젤 센서 필름을 제조하고(이때 상기 하이드로젤 필름에 첨가된 화학 조성물은 pH 지시자, 계면활성제 및 산을 포함한다);
    상기 다수의 필름 각각의 산 농도를 소정의 패턴에 의해 변화시키고;
    상기 필름을 고정 량의 상기 샘플 용액에 노출시키고;
    광학 주사 장치를 사용하여 상기 지시자의 최대 흡수 피크 부근의 파장에서 상기 필름의 흡광도를 측정하고;
    상기 센서 필름으로부터 측정한 평균 흡광도를 사용하여 상기 샘플 용액 중의 화학 종의 농도를 정량분석함
    을 포함하는, 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 센서 필름이 알칼리도 센서 필름이고, 최저 농도의 산을 갖는 상기 필름 중의 산 농도가 건조 pHEMA(하이드로젤)에 대해 약 0.8 중량%이며, 최고 농도의 산을 갖는 상기 필름 중의 산 농도가 건조 pHEMA에 대해 약 35 중량%인 방법.
  24. 몰리브데이트 염 및 염료를 포함하는 하나 이상의 분석물-특이성 시약; 및
    하나 이상의 설폰산을 포함하는 pH 조절제
    를 포함하는, 자가-완비된 센서.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 염료가 아조 염료, 옥사진 염료, 티아진 염료, 트라이페닐메탄 염료, 및 임의의 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 하나 이상을 포함하는, 자가-완비된 센서.
  26. 제 24 항에 있어서,
    폴리에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르, 폴리비닐 알콜, 및 임의의 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터의 하나 이상의 첨가제를 추가로 포함하는, 자가-완비된 센서.
  27. 제 24 항에 있어서,
    옥살산, 설폰산, 옥살레이트, 설포네이트, 및 임의의 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터의 하나 이상을 포함하는 신호 인핸서(enhancer)를 추가로 포함하는, 자가-완비된 센서.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 신호 인핸서 및 상기 pH 조절제가 동일 물질로 제조되는, 자가-완비된 센서.
  29. 제 24 항에 있어서,
    중합체 기질을 추가로 포함하는, 자가-완비된 센서.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 중합체 기질이 폴리(하이드록시에틸메트아크릴레이트), 폴리(메틸메트아크릴레이트), 폴리(아크릴산), 폴리(메트아크릴산), 폴리(글리세릴 메트아크릴레이트), 폴리(비닐 알콜), 폴리(에틸렌 옥사이드), 폴리(아크릴아미드), 폴리(N-아크릴아미드), 폴리(N,N-다이메틸아미노프로필-N'-아크릴아미드), 폴리(에틸렌 이민), 나트륨/칼륨 폴리(아크릴레이트), 폴리사카라이드, 폴리(비닐 피롤리돈), 및 이들의 공중합체로 이루어진 그룹으로부터의 하나 이상의 하이드로젤을 포함하는 자가-완비된 센서.
  31. 금속 착체 및 염료를 포함하는 하나 이상의 분석물-특이성 시약;
    하나 이상의 설폰산을 포함하는 pH 조절제; 및
    하나 이상의 비 수성 용매
    를 포함하는, 자가-완비된 포스페이트 센서.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 금속 착체가 아연 금속 착체, 구리 금속 착체 및 임의의 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터의 하나 이상을 포함하는, 자가-완비된 포스페이트 센서.
  33. 제 31 항에 있어서,
    상기 염료가 카테콜 염료, 트라이페닐메탄 염료, 티아진 염료, 옥사진 염료, 안트라센 염료, 아조 염료, 프탈로시아닌 염료, 및 임의의 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 하나 이상을 포함하는, 자가-완비된 포스페이트 센서.
  34. 제 31 항에 있어서,
    중합체 기질을 추가로 포함하는, 자가-완비된 포스페이트 센서.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 중합체 기질이 폴리(하이드록시에틸메트아크릴레이트), 폴리(메틸메트아크릴레이트), 폴리(아크릴산), 폴리(메트아크릴산), 폴리(글리세릴 메트아크릴레이트), 폴리(비닐 알콜), 폴리(에틸렌 옥사이드), 폴리(아크릴아미드), 폴리(N-아크릴아미드), 폴리(N,N-다이메틸아미노프로필-N'-아크릴아미드), 폴리(에틸렌 이민), 나트륨/칼륨 폴리(아크릴레이트), 폴리사카라이드, 폴리(비닐 피롤리돈), 및 이들의 공중합체로 이루어진 그룹으로부터의 하나 이상의 하이드로젤을 포함하는, 자가-완비된 센서.
  36. 샘플 중의 미량 농도의 화학 종의 농도를 측정하는데 사용되는 센서로서, 4급 암모늄, 4급 포스포늄, 4급 아미다졸륨, 4급 피리듐, 4급 피롤리디늄, 또는 4급 설포늄 염, 및 지시자, 염료, 안료 또는 시약 및/또는 그의 조합을 포함하는 하이드로젤 센서 필름을 포함하고, 이때 상기 지시자, 염료, 안료 또는 시약 및/또는 그의 조합이 상기 샘플 용액 중의 상기 화학 종에 노출 시 자외선, 가시광선 또는 근 적외선 스펙트럼 범위에서 광학적 성질이 변하며, 상기 지시자가 상기 4급 암모늄, 4급 포스포늄, 4급 이미다졸륨, 4급 피리듐, 4급 피롤리디늄, 또는 4급 설포늄 염과 이온 쌍을 형성함으로써 상기 하이드로젤 필름에 고정화되고, 상기 4급 암모늄 염의 농도가 이온 쌍 형성에 필요한 화학량론적 양보다 실질적으로 더 큰, 센서.
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