DE102014107837B4 - Optical sensor for the quantitative detection of an analyte in a sample and method for manufacturing the sensor - Google Patents
Optical sensor for the quantitative detection of an analyte in a sample and method for manufacturing the sensor Download PDFInfo
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Abstract
Sensor (1) zum quantitativen Nachweis eines Analyten in einer Probe (7), wobei der Sensor (1) zumindestwenigstens einen Farbstoff (2), der ein optisches Verhalten aufweist, welches innerhalb des Sensors (1) durch den Analyten beeinflussbar ist und ein Medium (3), das den Farbstoff (2) enthält, umfasst,gekennzeichnet durchmindestens einen Hohlfaserabschnitt (4), in dessen Innerem sich das Medium (3) mit dem Farbstoff (2) befindet, und durcheine Osmolalität im Medium (3), welche größer ist als eine vorgegebene maximale Probenosmolalität, für die der Sensor (1) vorgesehen ist.Sensor (1) for the quantitative detection of an analyte in a sample (7), the sensor (1) at least one dye (2) having an optical behavior that can be influenced by the analyte within the sensor (1) and a medium (3) containing the dye (2), characterized by at least one hollow fiber section (4), inside of which the medium (3) with the dye (2) is located, and by an osmolality in the medium (3) which is greater is a predetermined maximum sample osmolality for which the sensor (1) is intended.
Description
Die Erfindung betrifft einen Sensor zum quantitativen Nachweis eines Analyten in einer Probe, bei dem ein optisches Verhalten wenigstens eines Farbstoffs zum quantitativen Nachweis des Analyten genutzt wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sensors.The invention relates to a sensor for the quantitative detection of an analyte in a sample, in which an optical behavior of at least one dye is used for the quantitative detection of the analyte. The invention also relates to a method for producing such a sensor.
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Die ohne vorausgehende Offenlegung nachveröffentlichte deutsche Patentschrift
Die Patentschrift
Optische Sensoren zur Detektion saurer oder basischer Gase, zum Beispiel Ammoniak oder Schwefeldioxid, in gasförmigen Proben oder in Flüssigkeiten gelöst, sind hinlänglich bekannt. Diese Sensoren verfügen über einen Farbstoff mit einem optischen Verhalten, das durch das nachzuweisende Gas beeinflusst wird, oftmals indirekt, etwa über eine Änderung des pH-Werts einer den Farbstoff enthaltenden Pufferlösung. In der Regel ist die Pufferlösung mit dem Farbstoff von der zu untersuchenden Probe durch ein gaspermeables Material, zum Beispiel ein gaspermeables Polymer, getrennt. Gelangt nun Wasser aus der Probe in die Pufferlösung, weil das gaspermeable Material selbst wasseraufnahmefähig ist und Wasser dann aus dem gaspermeablen Material in die Pufferlösung gelangt, oder weil Wasser in Form von Dampf durch das gaspermeable Material in die Pufferlösung diffundiert, so ändert sich die Konzentration des Puffers und damit der pH-Wert. Dadurch ergeben sich Bedingungen im Sensor, welche nicht mehr der Kalibrierung des Sensors entsprechen. Da der Wassertransport in die Pufferlösung von den Osmolalitäten der Pufferlösung und der Probe bestimmt wird, resultiert eine Osmolalitätsquerempfindlichkeit des Sensors. Diese ist vor allem dann problematisch, wenn sich die Osmolalität der Probe über die Zeitdauer einer Messung ändert. Diese Problematik tritt beispielsweise im Biotechnologie-Bereich auf, hier werden Sensoren der beschriebenen Art zur Überwachung von Bioprozessen, etwa Fermentationen oder Zellkultivierungen eingesetzt. Auch im medizinischen Bereich, bei online oder offline Messungen in Blut, Urin oder Geweben, können starke Änderungen der Osmolalität auftreten, welche bei den beschriebenen Sensoren nach dem Stand der Technik zu großen Messfehlern führen.Optical sensors for the detection of acidic or basic gases, for example ammonia or sulfur dioxide, in gaseous samples or in Liquids dissolved are well known. These sensors have a dye with an optical behavior that is influenced by the gas to be detected, often indirectly, for example via a change in the pH value of a buffer solution containing the dye. As a rule, the buffer solution with the dye is separated from the sample to be examined by a gas-permeable material, for example a gas-permeable polymer. If water from the sample gets into the buffer solution because the gas-permeable material itself is water-absorbent and water then gets from the gas-permeable material into the buffer solution, or because water in the form of vapor diffuses through the gas-permeable material into the buffer solution, the concentration changes of the buffer and thus the pH value. This results in conditions in the sensor which no longer correspond to the calibration of the sensor. Since the water transport into the buffer solution is determined by the osmolalities of the buffer solution and the sample, the sensor is cross-sensitive to osmolality. This is particularly problematic if the osmolality of the sample changes over the duration of a measurement. This problem occurs, for example, in the field of biotechnology, where sensors of the type described are used to monitor bioprocesses, such as fermentations or cell cultivation. Also in the medical field, with online or offline measurements in blood, urine or tissue, strong changes in the osmolality can occur, which lead to large measurement errors in the sensors described according to the prior art.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sensor bereitzustellen, der eine gegenüber dem Stand der Technik verringerte Osmolalitätsquerempfindlichkeit aufweist, und dessen Kalibrierung somit von der Osmolalität der Probe weitgehend unabhängig ist.The object of the invention is to provide a sensor which has a reduced cross-sensitivity to osmolality compared to the prior art, and the calibration of which is therefore largely independent of the osmolality of the sample.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Sensor gemäß Anspruch 1.This object is achieved by a sensor according to
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein Sensor hergestellt werden kann, der eine gegenüber dem Stand der Technik verringerte Osmolalitätsquerempfindlichkeit aufweist, und dessen Kalibrierung somit von der Osmolalität der Probe weitgehend unabhängig ist.A further object of the invention is to provide a method with which a sensor can be produced which has a reduced cross-sensitivity to osmolality compared to the prior art, and the calibration of which is thus largely independent of the osmolality of the sample.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 16.This object is achieved by a method according to
Der erfindungsgemäße Sensor zum quantitativen Nachweis eines Analyten in einer Probe umfasst wenigstens einen Farbstoff, der ein optisches Verhalten aufweist, welches innerhalb des Sensors durch den Analyten beeinflussbar ist, welches also direkt oder, bedingt durch die Ausgestaltung des Sensors, indirekt von dem Analyten abhängt. Dies bedeutet, aus dem optischen Verhalten des wenigstens einen Farbstoffs kann quantitativ auf den Analyten geschlossen werden, es kann also beispielsweise eine Konzentration oder ein Partialdruck für den Analyten ermittelt werden. Hierzu wird vorteilhaft eine Kalibrierung des Sensors verwendet. Unter quantitativem Nachweis des Analyten wird verstanden, dass ein Wert für die Konzentration oder den Partialdruck des Analyten bis auf fachübliche Fehlergrenzen bestimmt wird, aber auch, dass lediglich festgestellt wird, dass die Konzentration oder der Partialdruck des Analyten innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegen; der vorgegebene Bereich kann dabei eine Untergrenze und eine Obergrenze, oder nur entweder eine Untergrenze oder eine Obergrenze haben.The sensor according to the invention for the quantitative detection of an analyte in a sample comprises at least one dye which has an optical behavior which can be influenced by the analyte within the sensor, which is therefore directly or indirectly dependent on the analyte due to the design of the sensor. This means that conclusions can be drawn quantitatively about the analyte from the optical behavior of the at least one dye, for example a concentration or a partial pressure for the analyte can be determined. A calibration of the sensor is advantageously used for this purpose. Quantitative detection of the analyte is understood to mean that a value for the concentration or the partial pressure of the analyte is determined up to the error limits customary in the art, but also that it is only established that the concentration or the partial pressure of the analyte are within a predetermined range; the specified range can have a lower limit and an upper limit, or only either a lower limit or an upper limit.
Ferner umfasst der erfindungsgemäße Sensor ein Medium, in welchem der wenigstens eine Farbstoff enthalten ist; das Medium kann beispielsweise eine Flüssigkeit umfassen, in welcher der wenigstens eine Farbstoff gelöst ist; je nach Ausführungsform kann das Medium weitere Komponenten beinhalten, wie im Weiteren noch dargelegt wird.Furthermore, the sensor according to the invention comprises a medium in which the at least one dye is contained; the medium can for example comprise a liquid in which the at least one dye is dissolved; Depending on the embodiment, the medium can contain further components, as will be explained below.
Erfindungsgemäß umfasst der Sensor mindestens einen Hohlfaserabschnitt, in dessen Innerem sich das Medium mit dem Farbstoff befindet, und ebenso erfindungsgemäß ist im Medium eine Osmolalität gegeben, welche größer ist als eine vorgegebene maximale Probenosmolalität, für welche eine Verwendung des Sensors vorgesehen ist. Für Proben mit einer Osmolalität größer als diese maximale Probenosmolalität sollte der erfindungsgemäße Sensor nicht eingesetzt werden, da die Messergebnisse in solch einem Fall nicht verlässlich wären. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Sensor eine Vielzahl von Hohlfaserabschnitten, in deren Innerem sich das Medium befindet.According to the invention, the sensor comprises at least one hollow fiber section, inside of which the medium with the dye is located, and also according to the invention there is an osmolality in the medium which is greater than a predetermined maximum sample osmolality for which the sensor is intended to be used. The sensor according to the invention should not be used for samples with an osmolality greater than this maximum sample osmolality, since the measurement results would not be reliable in such a case. In a preferred embodiment, the sensor comprises a plurality of hollow fiber sections, inside of which the medium is located.
Der mindestens eine Hohlfaserabschnitt bewirkt eine mechanische Einschränkung einer Volumenveränderung des Mediums. Durch die Kombination dieser mechanischen Einschränkung mit der gegebenen Osmolalität im Medium ergibt sich eine definierte Aufnahme von Lösungsmittel, beispielsweise Wasser, in das Medium, wenn der Sensor mit einer Probe in Kontakt gebracht wird, in welcher der Analyt, also der nachzuweisende Stoff, in dem Lösungsmittel gelöst ist. Für gasförmige Proben kann entsprechend Wasser in Form von in der Probe enthaltenem Wasserdampf in den Sensor gelangen, und es ergibt sich analog eine definierte Aufnahme von Wasser. Solange die Osmolalität im Medium größer ist als in der Probe, wirkt der osmotische Druck auf ein Einströmen des Lösungsmittels in das Medium hin. Dieser Zustrom von Lösungsmittel würde zu einem Anschwellen des Mediums führen. Durch den mindestens einen Hohlfaserabschnitt ist die Volumenveränderung des Mediums, also insbesondere ein Anschwellen, aber scharf begrenzt; dadurch ist auch die Aufnahme von Lösungsmittel in das Medium klar begrenzt. In der Folge ergibt sich für einen gegebenen Sensor eine definierte Aufnahme von Lösungsmittel in das Medium, unabhängig von der Osmolalität der Probe, solange die Osmolalität der Probe geringer als die Osmolalität im Medium ist. Diese definierte Aufnahme von Lösungsmittel kann bei der Kalibrierung des Sensors berücksichtigt werden. Damit wird eine Kalibrierung des Sensors unabhängig von der Osmolalität der Probe, in welcher der Sensor eingesetzt wird, solange die Osmolalität der Probe geringer als die Osmolalität im Medium ist.The at least one hollow fiber section causes a mechanical restriction of a change in volume of the medium. The combination of this mechanical restriction with the given osmolality in the medium results in a defined absorption of solvent, for example water, into the medium when the sensor is brought into contact with a sample in which the analyte, i.e. the substance to be detected, is in the Solvent is dissolved. For gaseous samples, water can accordingly enter the sensor in the form of water vapor contained in the sample, and a defined absorption of water results analogously. As long as the osmolality in the medium is greater than in the sample, the osmotic pressure works towards the solvent flowing into the medium. This flow of solvent would cause the medium to swell. Due to the at least one hollow fiber section, the change in volume of the medium, that is to say in particular a swelling, is however sharply limited; through this is also the Clearly limited uptake of solvent in the medium. As a result, there is a defined uptake of solvent in the medium for a given sensor, regardless of the osmolality of the sample, as long as the osmolality of the sample is lower than the osmolality in the medium. This defined uptake of solvent can be taken into account when calibrating the sensor. This makes calibration of the sensor independent of the osmolality of the sample in which the sensor is used, as long as the osmolality of the sample is lower than the osmolality in the medium.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors ist der wenigstens eine Farbstoff mit einer Pufferlösung vermischt, die dann als Teil des Mediums anzusehen ist. Dies findet vor allem bei jenen Sensoren Anwendung, bei denen die Sensorwirkung auf einem pH-Wert-abhängigen optischen Verhalten des wenigstens einen Farbstoffs beruht, und der Analyt eine pH-Wert-Änderung im Medium bewirkt.In one embodiment of the sensor according to the invention, the at least one dye is mixed with a buffer solution, which is then to be regarded as part of the medium. This is mainly used in those sensors in which the sensor effect is based on a pH-value-dependent optical behavior of the at least one dye, and the analyte causes a pH-value change in the medium.
Die Osmolalität im Medium kann bei der Herstellung des Sensors durch Zusatz wenigstens einer Substanz zum Medium eingestellt werden. In Ausführungsformen kann die wenigstens eine Substanz mit dem wenigstens einen Farbstoff vermischt werden. Als Substanzen zur Einstellung der Osmolalität im Medium können beispielsweise Salze, etwa NaCI oder KCI, Polyelektrolyte oder Neutralmoleküle wie zum Beispiel Zucker, etwa Glucose, Fructose, Mannose, Saccharose, verwendet werden. Auch diese zugesetzten Substanzen sind als Teil des Mediums anzusehen. Wichtig ist hierbei selbstverständlich, dass die zugesetzten Substanzen den quantitativen Nachweis des Analyten nicht stören.The osmolality in the medium can be adjusted during the manufacture of the sensor by adding at least one substance to the medium. In embodiments, the at least one substance can be mixed with the at least one dye. For example, salts such as NaCl or KCl, polyelectrolytes or neutral molecules such as sugar such as glucose, fructose, mannose, sucrose can be used as substances for adjusting the osmolality in the medium. These added substances are also to be regarded as part of the medium. It is of course important here that the substances added do not interfere with the quantitative detection of the analyte.
Das optische Verhalten des Farbstoffs, welches zum quantitativen Nachweis eines Analyten genutzt wird, kann beispielsweise eine Lumineszenz sein, wobei Lumineszenz mindestens Phosphoreszenz und Fluoreszenz umfasst. Ebenso kann eine Lichtreflexion oder Lichtabsorption zum quantitativen Nachweis des Analyten genutzt werden. Eine weitere Möglichkeit ist, eine Farbe des Farbstoffs zu nutzen. Dabei zeigen jeweils die Farbe des Farbstoffs, die Lichtreflexion oder –absorption, oder die Lumineszenz eine Abhängigkeit von dem Analyten. Diese Abhängigkeit kann im Falle einer Lumineszenz darin bestehen, dass eine Relaxationszeit der Lumineszenz, es kann sich hierbei um eine Relaxationszeit für die Intensität der Lumineszenz oder für eine Polarisation der Lumineszenz handeln, von dem Analyten abhängt. Ebenso ist es denkbar, dass Intensität oder Wellenlänge des auftretenden Lumineszenzlichts von dem Analyten abhängen. Im Falle einer Farbe kann der Farbstoff je nach Konzentration oder Partialdruck des Analyten eine andere Farbe annehmen. Im Falle von Lichtreflexion oder -absorption kann sich die Reflektivität beziehungsweise der Absorptionsgrad einer den Farbstoff enthaltenden Schicht für bestimmte Lichtwellenlängen in Abhängigkeit vom Analyten ändern. Es kann auch mehr als eine Art optisches Verhalten für die Messung ausgenutzt werden, etwa eine Relaxationszeit der Lumineszenz und ein Absorptionsverhalten. Zu diesem Zweck kann mehr als ein Farbstoff verwendet werden, so dass etwa das Lumineszenzverhalten eines ersten Farbstoffs und das Absorptionsverhalten eines zweiten Farbstoffs ausgewertet werden, um einen Analyten quantitativ zu bestimmen. Bei Verwendung mehr als eines Farbstoffs kann auch die Effizienz strahlungsloser Energieübertragung zwischen den Farbstoffen, beispielsweise der Förster-Resonanzenergietransfer, soweit diese Effizienz quantitativ vom Analyten abhängt, zur quantitativen Bestimmung des Analyten genutzt werden.The optical behavior of the dye which is used for the quantitative detection of an analyte can, for example, be luminescence, with luminescence comprising at least phosphorescence and fluorescence. Light reflection or light absorption can also be used for quantitative detection of the analyte. Another possibility is to use a color of the dye. The color of the dye, the light reflection or absorption, or the luminescence show a dependency on the analyte. In the case of luminescence, this dependency can consist in the fact that a relaxation time of the luminescence, which can be a relaxation time for the intensity of the luminescence or for a polarization of the luminescence, depends on the analyte. It is also conceivable that the intensity or wavelength of the luminescent light that occurs depends on the analyte. In the case of a color, the dye can take on a different color depending on the concentration or partial pressure of the analyte. In the case of light reflection or absorption, the reflectivity or the degree of absorption of a layer containing the dye can change for certain wavelengths of light as a function of the analyte. More than one type of optical behavior can also be used for the measurement, for example a relaxation time of the luminescence and an absorption behavior. For this purpose, more than one dye can be used, so that, for example, the luminescence behavior of a first dye and the absorption behavior of a second dye are evaluated in order to determine an analyte quantitatively. If more than one dye is used, the efficiency of radiationless energy transfer between the dyes, for example the Förster resonance energy transfer, if this efficiency depends quantitatively on the analyte, can also be used for the quantitative determination of the analyte.
Die Abhängigkeit des optischen Verhaltens vom Analyten kann aus einer direkten Wechselwirkung zwischen dem Analyten und dem wenigstens einen Farbstoff resultieren, etwa einem Energieaustausch oder einer chemischen Reaktion zwischen Molekülen des Farbstoffs und des Analyten, oder aus einer indirekten Wechselwirkung über dem Farbstoff zugesetzte Substanzen.Generelle Voraussetzung für das Funktionieren des Sensors ist damit, dass der Analyt mit dem wenigstens einen Farbstoff in eine solche direkte oder indirekte Wechselwirkung treten kann. Bei einem erfindungsgemäßen Sensor, bei dem etwa Farbstoff und Pufferlösung im Inneren des mindestens einen Hohlfaserabschnittes vorliegen, muss der Analyt das Gemisch aus Farbstoff und Pufferlösung erreichen können.The dependence of the optical behavior on the analyte can result from a direct interaction between the analyte and the at least one dye, for example an energy exchange or a chemical reaction between molecules of the dye and the analyte, or from an indirect interaction via substances added to the dye. General requirement for the functioning of the sensor is therefore that the analyte can enter into such a direct or indirect interaction with the at least one dye. In the case of a sensor according to the invention in which, for example, dye and buffer solution are present in the interior of the at least one hollow fiber section, the analyte must be able to reach the mixture of dye and buffer solution.
Beispiele für Analyte sind Gase in gasförmigen Gemischen oder in Flüssigkeiten gelöste Gase. Beispielsweise kann in Wasser gelöstes Gas, etwa Schwefeldioxid, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid oder Ammoniak durch einen erfindungsgemäßen Sensor erfasst werden. So ist das in Wasser basisch reagierende Ammoniak ein Beispiel, bei dem als Farbstoff für den Sensor ein Farbstoff mit pH-Wert-abhängigem optischem Verhalten gewählt werden kann. In Abhängigkeit von der Konzentration des in der Probe gelösten Ammoniaks stellt sich innerhalb des Mediums ein pH-Wert ein, welcher aus dem optischen Verhalten des Farbstoffs bestimmt werden kann. Indirekt ist so ein Rückschluss auf die Ammoniakkonzentration möglich. Selbstverständlich ist eine direkte Kalibrierung der Ammoniakkonzentration gegen das optische Verhalten möglich, eine tatsächliche Bestimmung eines pH-Wertes ist dann nicht erforderlich. Das eben angeführte Beispiel des Ammoniak-Nachweises ist auch ein Beispiel für eine indirekte Wechselwirkung zwischen dem Farbstoff und dem Analyten, hier also dem Ammoniak. Die Wechselwirkung geschieht hier über eine mit dem Farbstoff vermischte Pufferlösung, indem der Analyt den pH-Wert der Pufferlösung ändert, und das optische Verhalten des Farbstoffs vom pH-Wert seiner Umgebung, hier also der Pufferlösung, abhängt. Analoge Aussagen gelten auch für Schwefeldioxid und weitere Gase. Ein Beispiel für einen Farbstoff mit einem pH-Wert-abhängigen Fluoreszenzverhalten, mit dem Kohlendioxid nachzuweisen ist, ist Hydroxypyrentrisulfonsäure (HPTS). Zur Messung von Schwefeldioxid kann etwa Bromkresolrot verwendet werden. Für den quantitativen Nachweis von Ammoniak kann Bromthymolblau oder Bromphenolblau eingesetzt werden. Zahlreiche weitere Farbstoffe und ihre Einsatzmöglichkeiten für den quantitativen Nachweis unterschiedlichster Stoffe sind dem Fachmann hinreichend bekannt.Examples of analytes are gases in gaseous mixtures or gases dissolved in liquids. For example, gas dissolved in water, such as sulfur dioxide, carbon dioxide, carbon monoxide or ammonia, can be detected by a sensor according to the invention. Ammonia, which has a basic reaction in water, is an example in which a colorant with a pH-dependent optical behavior can be selected as the colorant for the sensor. Depending on the concentration of the ammonia dissolved in the sample, a pH value is established within the medium, which can be determined from the optical behavior of the dye. In this way, it is possible to draw conclusions about the ammonia concentration indirectly. It goes without saying that a direct calibration of the ammonia concentration against the optical behavior is possible; an actual determination of a pH value is then not necessary. The example of ammonia detection just mentioned is also an example of an indirect interaction between the dye and the analyte, in this case the ammonia. The interaction takes place here via a buffer solution mixed with the dye, in which the analyte adjusts the pH value of the Buffer solution changes, and the optical behavior of the dye depends on the pH value of its environment, in this case the buffer solution. Analogous statements also apply to sulfur dioxide and other gases. An example of a dye with a pH-dependent fluorescence behavior that can be used to detect carbon dioxide is hydroxypyrene trisulfonic acid (HPTS). For example, bromocresol red can be used to measure sulfur dioxide. Bromthymol blue or bromophenol blue can be used for the quantitative detection of ammonia. Numerous other dyes and their possible uses for the quantitative detection of the most varied of substances are sufficiently known to the person skilled in the art.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass zur expliziten quantitativen Bestimmung des Analyten aus dem optischen Verhalten des wenigstens einen Farbstoffs über eine entsprechende Kalibrierung diverse Möglichkeiten bekannt sind. So kann etwa eine Relaxationszeit einer Lumineszenz des wenigstens einen Farbstoffs gegen Partialdruck oder Konzentration des Analyten kalibriert werden. Statt die Relaxationszeit selbst zu benutzen, können auch davon abhängige, mit unter experimentell einfacher und unmittelbarer zu bestimmende Größen genutzt werden, wie zum Beispiel Quotienten von Integralen über den Zeitverlauf von Lumineszenzsignalen oder Phasenverschiebungen zwischen einem modulierten Anregungssignal und der Lumineszenzantwort des Farbstoffs. Diese und weitere Möglichkeiten sind im Stand der Technik hinreichend beschrieben, beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung
Erfindungsgemäße Sensoren können aber auch zum quantitativen Nachweis anderer gelöster Stoffe, auch von Ionen, verwendet werden.However, sensors according to the invention can also be used for the quantitative detection of other dissolved substances, including ions.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors ist der mindestens eine Hohlfaserabschnitt in eine Trägersubstanz eingebettet. Bevorzugt wird eine Vielzahl von Hohlfaserabschnitten verwendet, und die Trägersubstanz fixiert dabei die Hohlfaserabschnitte relativ zueinander. In diesem Fall muss der Analyt in der Lage sein, durch die Trägersubstanz hindurch zu dem Medium im Inneren des mindestens einen Hohlfaserabschnittes zu gelangen. Dies kann beispielsweise durch Diffusion des Analyten in die Trägersubstanz geschehen. In diesem Zusammenhang ist in einer Ausführungsform die Trägersubstanz gaspermeabel. In Ausgestaltungen ist die Trägersubstanz hydrophob. In speziellen Ausgestaltungen ist die Trägersubstanz ein Polymer oder ein Silikon.In one embodiment of the sensor according to the invention, the at least one hollow fiber section is embedded in a carrier substance. A multiplicity of hollow fiber sections is preferably used, and the carrier substance fixes the hollow fiber sections in relation to one another. In this case, the analyte must be able to get through the carrier substance to the medium in the interior of the at least one hollow fiber section. This can be done, for example, by diffusion of the analyte into the carrier substance. In this context, in one embodiment, the carrier substance is gas-permeable. In embodiments, the carrier substance is hydrophobic. In special configurations, the carrier substance is a polymer or a silicone.
In einer speziellen Ausführungsform beinhaltet der Sensor eine hygroskopische Substanz. Solche Ausführungsformen lassen sich in gasförmigen Proben, etwa an der Atmosphäre, einsetzen. Die hygroskopische Substanz nimmt aus der Probe Wasser auf, welches in der Probe etwa als Wasserdampf vorliegt. Damit wird für den wenigstens einen Farbstoff eine wässrige Umgebung erzeugt. Es können daher Farbstoffe und Zusätze wie etwa Puffer verwendet werden, welche sonst auf wässrige Proben beschränkt sind, um Messungen in der Gasphase vorzunehmen. Vorzugsweise ist die hygroskopische Substanz mit dem wenigstens einen Farbstoff vermischt.In a special embodiment, the sensor contains a hygroscopic substance. Such embodiments can be used in gaseous samples, for example in the atmosphere. The hygroscopic substance absorbs water from the sample, which is present in the sample as water vapor. This creates an aqueous environment for the at least one dye. It is therefore possible to use dyes and additives such as buffers, which are otherwise limited to aqueous samples, in order to carry out measurements in the gas phase. The hygroscopic substance is preferably mixed with the at least one dye.
In bestimmten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sensors ist der mindestens eine Hohlfaserabschnitt aus Glas, d.h. es handelt sich um einen Abschnitt einer Glashohlfaser. Glas besitzt eine hinreichend hohe mechanische Stabilität, um das durch den osmotischen Druck bedingte, vorstehend erwähnte Anschwellen des Mediums wirksam mechanisch einzuschränken. Es können für die Hohlfasern aber auch andere Materialien verwendet werden, welche eine zur wirksamen mechanischen Einschränkung des Anschwellens des Mediums hinreichende mechanische Stabilität aufweisen. Unter einer wirksamen mechanischen Einschränkung des Anschwellens des Mediums wird dabei verstanden, dass die durch den osmotischen Druck bedingte Volumenänderung des Mediums auf einen Wert limitiert wird, bei welchem ein durch diese Volumenänderung bedingter Messfehler unter einem vom Hersteller bzw. Benutzer des Sensors festgelegten Wert bleibt, etwa ein relativer Messfehler unter 5%, bevorzugt unter 1% und besonders bevorzugt unter 0,1%.In certain embodiments of the sensor according to the invention, the at least one hollow fiber section is made of glass, i.e. it is a section of a glass hollow fiber. Glass has a sufficiently high mechanical stability to effectively mechanically limit the above-mentioned swelling of the medium caused by the osmotic pressure. However, other materials can also be used for the hollow fibers which have sufficient mechanical stability to effectively restrict the swelling of the medium. An effective mechanical restriction of the swelling of the medium is understood to mean that the change in volume of the medium caused by the osmotic pressure is limited to a value at which a measurement error caused by this change in volume remains below a value specified by the manufacturer or user of the sensor, for example a relative measurement error below 5%, preferably below 1% and particularly preferably below 0.1%.
In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors sind die Hohlfaserabschnitte nicht in einer Trägersubstanz fixiert, sondern dazu vorgesehen, in einer Probe dispergiert zu werden. Die Hohlfaserabschnitte sind dann innerhalb der Probe beweglich. Insbesondere können die Hohlfaserabschnitte in der Probe schwimmen oder schweben. Vorzugsweise sind die Enden der Hohlfaserabschnitte dabei verschlossen, und das Material der Hohlfaserabschnitte selbst ist für den Analyten durchlässig. Hohlfaserabschnitte aus für den Analyten durchlässigem Material sind natürlich auch in Ausführungsformen denkbar, in denen der mindestens eine Hohlfaserabschnitt in eine Trägersubstanz eingebettet ist. Dabei können die Enden des mindestens einen Hohlfaserabschnitts offen oder verschlossen sein.In another embodiment of the sensor according to the invention, the hollow fiber sections are not fixed in a carrier substance, but are provided to be dispersed in a sample. The hollow fiber sections are then movable within the sample. In particular, the hollow fiber sections can float or float in the sample. The ends of the hollow fiber sections are preferably closed, and the material of the hollow fiber sections itself is permeable to the analyte. Hollow fiber sections made of material permeable to the analyte are of course also conceivable in embodiments in which the at least one hollow fiber section is embedded in a carrier substance. The ends of the at least one hollow fiber section can be open or closed.
Unabhängig davon, ob der mindestens eine Hohlfaserabschnitt in eine Trägersubstanz eingebettet ist oder dafür vorgesehen ist, direkt in eine Probe eingebracht zu werden, können die Enden des mindestens einen Hohlfaserabschnitts durch jeweils einen Pfropfen verschlossen sein. Ein solcher Pfropfen kann etwa aus einem Klebstoff, einem Polymer, einem Silikon oder einem Wachs bestehen. Die Enden des mindestens einen Hohlfaserabschnitts können auch durch Kappen verschlossen sein; solche Kappen können beispielsweise mit dem Hohlfaserabschnitt verklebt sein, oder lediglich auf die Enden des Hohlfaserabschnitts aufgesteckt und dort reibschlüssig gehaltert sein.Diese Möglichkeiten zum Verschluss der Enden des mindestens einen Hohlfaserabschnitts sind prinzipiell stets möglich, bieten sich aber insbesondere bei Hohlfaserabschnitten an, welche aus Glas oder einem nicht thermoplastischen Kunststoff wie beispielsweise Polyurethan (PU) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) bestehen. Das Material der Pfropfen oder der Kappen kann für den Analyten durchlässig sein.Regardless of whether the at least one hollow fiber section is embedded in a carrier substance or is intended to be introduced directly into a sample, the ends of the at least one hollow fiber section can each be closed by a plug. Such a plug can consist, for example, of an adhesive, a polymer, a silicone or a wax. The ends of the at least one hollow fiber section can also be closed by caps; Such caps can be glued to the hollow fiber section, for example, or simply pushed onto the ends of the hollow fiber section and held there with a friction fit or a non-thermoplastic plastic such as polyurethane (PU) or polytetrafluoroethylene (PTFE). The material of the plug or the caps can be permeable to the analyte.
Alternativ kann der mindestens eine Hohlfaserabschnitt selbst so geformt sein, dass die Enden des mindestens einen Hohlfaserabschnitts verschlossen sind. Bestehen die Hohlfaserabschnitte etwa aus einem thermoplastischen Kunststoff, wie beispielsweise Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polyethersulfon(PES), so können die Enden eines Hohlfaserabschnitts durch Quetschen mit einem Werkzeug hinreichend hoher Temperatur verschlossen werden. In diesem Zusammenhang ist eine Temperatur dann hinreichend hoch, wenn bei dieser Temperatur der jeweilige Kunststoff plastisch deformierbar ist, so dass das Material des Hohlfaserabschnitts durch das Werkzeug deformiert werden kann; die hierfür erforderliche Temperatur hängt vom jeweiligen Kunststoff ab.Durch die Deformation des Materials des Hohlfaserabschnitts an den Enden des Hohlfaserabschnitts resultiert in dem beschriebenen Fall eine Form des Hohlfaserabschnitts, bei der die Enden des Hohlfaserabschnitts verschlossen sind.Alternatively, the at least one hollow fiber section itself can be shaped in such a way that the ends of the at least one hollow fiber section are closed. If the hollow fiber sections consist of a thermoplastic such as polypropylene (PP), polyethylene (PE), polyvinylidene fluoride (PVDF) or polyethersulfone (PES), the ends of a hollow fiber section can be closed by squeezing with a tool at a sufficiently high temperature. In this context, a temperature is sufficiently high if the respective plastic is plastically deformable at this temperature, so that the material of the hollow fiber section can be deformed by the tool; the temperature required for this depends on the respective plastic. In the case described, the deformation of the material of the hollow fiber section at the ends of the hollow fiber section results in a shape of the hollow fiber section in which the ends of the hollow fiber section are closed.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Sensors zum quantitativen Nachweis eines Analyten in einer Probe umfasst die folgenden Schritte:
- Mindestens eine Hohlfaser wird mit einem Medium befüllt. Das Medium ist dabei von der vorstehend beschriebenen Art, das heißt, das Medium enthält wenigstens einen Farbstoff, der ein optisches Verhalten aufweist, welches innerhalb des Sensors durch den Analyten beeinflussbar ist, und das Medium weist eine Osmolalität auf, welche größer ist als eine vorgegebene maximale Probenosmolalität, für die der Sensor vorgesehen ist.
- At least one hollow fiber is filled with a medium. The medium is of the type described above, that is, the medium contains at least one dye which has an optical behavior that can be influenced by the analyte within the sensor, and the medium has an osmolality which is greater than a predetermined one maximum sample osmolality for which the sensor is intended.
Die mindestens eine, nunmehr befüllte, Hohlfaser wird in Hohlfaserabschnitte zerteilt. Das Zerteilen kann beispielsweise durch Schneiden, Sägen, Stanzen oder Brechen erfolgen. Besteht die Hohlfaser aus einem thermoplastischen Kunststoff, so kann das Zerteilen der Hohlfaser auch dadurch geschehen, dass Abschnitte der Hohlfaser vom Rest der Hohlfaser durch ein Werkzeug hinreichend hoher Temperatur abgequetscht werden. Dabei werden zugleich die Enden der so entstehenden Hohlfaserabschnitte deformiert, so dass die Enden dieser Hohlfaserabschnitte verschlossen sind. In diesem Zusammenhang ist eine Temperatur dann hinreichend hoch, wenn bei dieser Temperatur der jeweilige Kunststoff plastisch deformierbar ist, so dass das Material der Hohlfaser durch das Werkzeug deformiert werden kann; die hierfür erforderliche Temperatur hängt vom jeweiligen Kunststoff ab. Als Werkzeug zum Abquetschen kann beispielsweise ein Draht verwendet werden; der Draht kann über einen durch ihn getriebenen elektrischen Strom auf die erforderliche Temperatur gebracht und auf dieser Temperatur gehalten werden.The at least one, now filled, hollow fiber is divided into hollow fiber sections. The dividing can be done, for example, by cutting, sawing, punching or breaking. If the hollow fiber consists of a thermoplastic synthetic material, the division of the hollow fiber can also take place in that sections of the hollow fiber are squeezed off from the rest of the hollow fiber using a tool at a sufficiently high temperature. At the same time, the ends of the hollow fiber sections thus created are deformed, so that the ends of these hollow fiber sections are closed. In this context, a temperature is sufficiently high if the respective plastic is plastically deformable at this temperature, so that the material of the hollow fiber can be deformed by the tool; the temperature required for this depends on the particular plastic. A wire, for example, can be used as a tool for squeezing off; the wire can be brought to the required temperature by an electric current driven through it and kept at this temperature.
Die Hohlfaserabschnitte werden mit einer Trägersubstanz vermischt, etwa durch Rühren; die Trägersubstanz liegt dabei in einer fluiden Form, beispielsweise als Gel oder als Flüssigkeit, vor. Das Gemisch aus Hohlfaserabschnitten und Trägersubstanz wird über eine Fläche verteilt, schließlich wird die Trägersubstanz ausgehärtet. Die Hohlfaserabschnitte sind damit in der Trägersubstanz fixiert.The hollow fiber sections are mixed with a carrier substance, for example by stirring; the carrier substance is in a fluid form, for example as a gel or as a liquid. The mixture of hollow fiber sections and carrier substance is distributed over a surface, and finally the carrier substance is hardened. The hollow fiber sections are thus fixed in the carrier substance.
Die Fläche, über die das Gemisch aus Hohlfaserabschnitten und Trägersubstanz verteilt wird, kann die Oberfläche einer Platte sein, welche als Trägerplatte für den Sensor fungieren soll. Es ist dabei denkbar, dass das Gemisch aus Hohlfaserabschnitten und Trägersubstanz großflächig über eine Platte verteilt wird, die Trägersubstanz dann gehärtet wird, und anschließend aus der Platte einzelne Sensoren etwa durch Schneiden, Sägen, Stanzen oder Brechen erhalten werden. In der Platte können dazu Sollbruchstellen vorgesehen sein.The area over which the mixture of hollow fiber sections and carrier substance is distributed can be the surface of a plate which is intended to function as a carrier plate for the sensor. It is conceivable that the mixture of hollow fiber sections and carrier substance is distributed over a large area over a plate, the carrier substance is then hardened, and then individual sensors are obtained from the plate, for example by cutting, sawing, punching or breaking. For this purpose, predetermined breaking points can be provided in the plate.
In Ausführungsformen des Verfahrens ist die Trägersubstanz ein Polymer oder ein Silikon. Das Aushärten der Trägersubstanz kann in diesem Fall das Vernetzen der Polymerketten oder Silikonketten umfassen.In embodiments of the method, the carrier substance is a polymer or a silicone. The curing of the carrier substance can in this case comprise the crosslinking of the polymer chains or silicone chains.
Die fluide Form der Trägersubstanz ist in Ausführungsformen dadurch gebildet, dass die Trägersubstanz in einem Lösungsmittel gelöst ist. Das Aushärten der Trägersubstanz wird dann dadurch bewirkt, dass die Lösung der Trägersubstanz getrocknet wird. Insbesondere kann das Lösungsmittel abgedampft werden. Handelt es sich bei der Trägersubstanz um ein Polymer oder ein Silikon, so kann das Polymer oder Silikon insbesondere in einem organischen Lösungsmittel gelöst sein, welches zum Aushärten der Trägersubstanz abgedampft wird. Beispiele für geeignete Lösungsmittel sind Toluol, Tetrahydrofuran (THF), Hexan, Cyclohexan, Chloroform und Octan.In embodiments, the fluid form of the carrier substance is formed in that the carrier substance is dissolved in a solvent. The hardening of the carrier substance is then brought about by drying the solution of the carrier substance. In particular, the solvent can be evaporated. If the carrier substance is a polymer or a silicone, the polymer or silicone can in particular be dissolved in an organic solvent which is evaporated to harden the carrier substance. Examples of suitable solvents are toluene, tetrahydrofuran (THF), hexane, cyclohexane, chloroform and octane.
Entsprechend der oben diskutierten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sensors kann der Farbstoff im Medium mit einer Pufferlösung vermischt sein.According to the embodiments of the sensor according to the invention discussed above, the dye in the medium must be mixed with a buffer solution.
In Ausprägungen des Verfahrens werden zum Befüllen der mindestens einen Hohlfaser Kapillarkräfte ausgenutzt. Dazu wird ein Ende der mindestens einen Hohlfaser in einen Vorrat des Mediums eingetaucht. Durch die Kapillarkräfte wird dann Medium mit Farbstoff in das Innere der Hohlfaser gezogen. Je nach Ausgestaltung des Verfahrens kann das Befüllen der mindestens einen Hohlfaser durch zusätzliche Maßnahmen unterstützt werden, etwa durch Pumpen.In embodiments of the method, capillary forces are used to fill the at least one hollow fiber. For this purpose, one end of the at least one hollow fiber is immersed in a supply of the medium. The medium with dye is then drawn into the interior of the hollow fiber by the capillary forces. Depending on the configuration of the method, the filling of the at least one hollow fiber can be supported by additional measures, for example by pumping.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Vielzahl von Hohlfasern zeitgleich befüllt. Die Hohlfasern liegen dabei als ein Bündel vor. Ein Ende des Bündels und damit jeweils ein Ende der das Bündel bildenden Hohlfasern wird in den Vorrat des Mediums getaucht. Auf diese Weise werden die Hohlfasern unter Ausnutzung von Kapillarkräften befüllt, wie vorstehend erwähnt. Das Medium dringt in das Bündel aber auch in die Zwischenräume zwischen den Hohlfasern ein, d. h. es befindet sich nach dem Befüllen Medium auf der Außenseite der Hohlfasern. Dieses wird in einem folgenden Schritt abgewaschen, jedoch werden zuvor, um das Medium im Inneren der Hohlfasern vor dem Waschvorgang zu schützen, die Enden der Hohlfasern verschlossen.In one embodiment of the method, a large number of hollow fibers are filled at the same time. The hollow fibers are in the form of a bundle. One end of the bundle and thus one end of each of the hollow fibers forming the bundle is immersed in the supply of the medium. In this way, the hollow fibers are filled using capillary forces, as mentioned above. The medium penetrates into the bundle but also into the spaces between the hollow fibers, i. H. after filling, the medium is on the outside of the hollow fibers. This is washed off in a subsequent step, but beforehand, in order to protect the medium inside the hollow fibers from the washing process, the ends of the hollow fibers are closed.
Nach dem Abwaschen des Mediums von der Außenseite der Hohlfasern werden die Hohlfasern zu Hohlfaserabschnitten zerteilt und weiterverarbeitet wie zuvor bereits beschrieben.After the medium has been washed off the outside of the hollow fibers, the hollow fibers are divided into hollow fiber sections and processed further as already described above.
Das Medium kann weitere Stoffe enthalten. Insbesondere erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensors.The medium can contain other substances. In particular, the method according to the invention allows the production of a sensor according to the invention.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erörtert.
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors. -
2 zeigt schematisch das Befüllen einer Hohlfaser. -
3 zeigt schematisch das Befüllen eines Bündels von Hohlfasern. -
4 zeigt schematisch einen Hohlfaserabschnitt. -
5 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Sensor in einer Probe. -
6 zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors, bei dem die Hohlfaserabschnitte des Sensors in einer Probe dispergiert sind. -
7 zeigt schematisch einen Hohlfaserabschnitt, dessen Enden durch Pfropfen verschlossen sind. -
8 zeigt schematisch einen Hohlfaserabschnitt, dessen Enden durch Kappen verschlossen sind. -
9 zeigt schematisch einen Hohlfaserabschnitt, der so geformt ist, dass seine Enden verschlossen sind.
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1 shows a schematic sectional view of an embodiment of a sensor according to the invention. -
2 shows schematically the filling of a hollow fiber. -
3 shows schematically the filling of a bundle of hollow fibers. -
4th shows schematically a hollow fiber section. -
5 shows schematically a sensor according to the invention in a sample. -
6th shows schematically an embodiment of the sensor according to the invention, in which the hollow fiber sections of the sensor are dispersed in a sample. -
7th shows schematically a hollow fiber section, the ends of which are closed by plugs. -
8th shows schematically a hollow fiber section, the ends of which are closed by caps. -
9 Figure 4 shows schematically a hollow fiber section which is shaped so that its ends are closed.
Beispielsweise kann die Trägerplatte
In jedem Fall müssen das Polymer
Die Enden
Eine Schichtdicke
Prinzipiell kann ein erfindungsgemäßer Sensor auch ohne Trägerplatte
Durch Kapillarkräfte wird ein Teil des Mediums
Werden mehrere zu einem Bündel
Ferner ist eine beispielhafte Messanordnung
Die beispielhafte Messanordnung
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