Title:
Optischer Sensor und Sensorfeld
Kind Code:
B4


Abstract:

Optischer Sensor, zur Bestimmung zumindest eines Parameters in einer Probe, mit einem auf den Parameter ansprechenden Indikatormaterial (in 1) kurzer Abklingzeit und einem auf den Parameter nicht ansprechenden Referenzmaterial (in 1) langer Abklingzeit zur Erfassung eines den zu bestimmenden Parameter anzeigenden Meßsignals auf der Basis der gemeinsam erfaßten Lumineszenzenantworten des Indikator- und Referenzmaterials,
wobei das Indikatormaterial und das Referenzmaterial in einer Sensorschicht (1) auf einem gemeinsamen Träger (3) immobilisiert sind,
wobei die zur Probe weisende Seite der Sensorschicht (1) von einer Abdeckschicht (5) abgedeckt ist, die einen Kontakt zwischen dem Indikatormaterial und der Probe erlaubt, jedoch für das zur Erregung des Indikator- und Referenzmaterials verwendete Licht im wesentlichen undurchlässig ist, und
wobei zur Messung des pH-Wertes oder von Chlorid oder anderen lonen die Abdeckschicht (5) eine für in der Probe gelöste Substanzen permeable und ionenpermeable Hydrogelschicht ist, die hydrophiles Polyurethan oder/und Poly-Hydroxyethylmethacrylat oder/und Ruß enthält.




Inventors:
Klimant, Ingo (93098, Mintraching, DE)
Leiner, Marco Jean Pierre (Graz, AT)
Application Number:
DE10101576A
Publication Date:
02/18/2016
Filing Date:
01/15/2001
Assignee:
PreSens Precision Sensing GmbH, 86633 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE19829657A1N/A1999-02-04
DE19548922A1N/A1997-07-03
DE69123619T2N/A1997-05-22
DE3853457T2N/A1995-10-26
DE3532563A1N/A1986-03-27
DE3430935A1N/A1985-03-14
DE2801455A1N/A1978-07-20
DE1598855A1N/A1970-05-06



Foreign References:
GB2132348A1984-07-04
36128661971-10-12
51026251992-04-07
55771371996-11-19
56187321997-04-08
56283101997-05-13
56329581997-05-27
EP02832891988-09-21
EP03542041990-02-07
EP05975661994-05-18
EP09070741999-04-07
WO2000013003A12000-03-09
WO1992004618A11992-03-19
WO1995010766A11995-04-20
WO1999060383A11999-11-25
Attorney, Agent or Firm:
Weickmann & Weickmann Patentanwälte - Rechtsanwalt PartmbB, 81679, München, DE
Claims:
1. Optischer Sensor, zur Bestimmung zumindest eines Parameters in einer Probe, mit einem auf den Parameter ansprechenden Indikatormaterial (in 1) kurzer Abklingzeit und einem auf den Parameter nicht ansprechenden Referenzmaterial (in 1) langer Abklingzeit zur Erfassung eines den zu bestimmenden Parameter anzeigenden Meßsignals auf der Basis der gemeinsam erfaßten Lumineszenzenantworten des Indikator- und Referenzmaterials,
wobei das Indikatormaterial und das Referenzmaterial in einer Sensorschicht (1) auf einem gemeinsamen Träger (3) immobilisiert sind,
wobei die zur Probe weisende Seite der Sensorschicht (1) von einer Abdeckschicht (5) abgedeckt ist, die einen Kontakt zwischen dem Indikatormaterial und der Probe erlaubt, jedoch für das zur Erregung des Indikator- und Referenzmaterials verwendete Licht im wesentlichen undurchlässig ist, und
wobei zur Messung des pH-Wertes oder von Chlorid oder anderen lonen die Abdeckschicht (5) eine für in der Probe gelöste Substanzen permeable und ionenpermeable Hydrogelschicht ist, die hydrophiles Polyurethan oder/und Poly-Hydroxyethylmethacrylat oder/und Ruß enthält.

2. Optischer Sensor, zur Bestimmung zumindest eines Parameters in einer Probe, mit einem auf den Parameter ansprechenden Indikatormaterial (in 1) kurzer Abklingzeit und einem auf den Parameter nicht ansprechenden Referenzmaterial (in 1) langer Abklingzeit zur Erfassung eines den zu bestimmenden Parameter anzeigenden Meßsignals auf der Basis der gemeinsam erfaßten Lumineszenzenantworten des Indikator- und Referenzmaterials,
wobei das Indikatormaterial und das Referenzmaterial in einer Sensorschicht (1) auf einem gemeinsamen Träger (3) immobilisiert sind,
wobei die zur Probe weisende Seite der Sensorschicht (1) von einer Abdeckschicht (5) abgedeckt ist, die einen Kontakt zwischen dem Indikatormaterial und der Probe erlaubt, jedoch für das zur Erregung des Indikator- und Referenzmaterials verwendete Licht im wesentlichen undurchlässig ist, und
wobei die Abdeckschicht (5) zur Messung von Gasen, wie CO2, O2, eine für unter Normalbedingungen gasförmige Substanzen permeable und ionenimpermeable Silikon- oder Teflonschicht ist.

3. Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er zur Messung von Parametern aus biologischen Flüssigkeiten, insbesondere Körperflüssigkeiten, wie etwa Blut, oder Kulturmedien ausgelegt ist, insbesondere zur Messung zumindest eines Parameters wie pH-Wert, O2, CO2, Natrium, Kalium, Calcium, Chlorid, Lithium, Magnesium oder eine Kombination davon.

4. Optischer Sensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckschicht (5) für die zu messende, den Parameter bestimmende Substanz in der Probe durchlässig ist.

5. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckschicht (5) geschwärzt ist.

6. Optische Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckschicht (5) eine Polymerschicht ist, in die Pigmente, insbesondere Ruß oder Metalloxid, z. B. Eisenoxid oder Titandioxid, eingebettet sind.

7. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckschicht (5) unter Bildung einer Enzymoptode von einer für die zu messende Substanz spezifischen Enzymschicht (7) überlagert ist, z. B. Glukose-Oxidase zur Messung von Glukose oder Lactat-Oxidase zur Messung von Lactat.

8. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (3) ein zumindest teilweise transparenter Träger ist.

9. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter Bildung eines Sensorfelds an dem Träger (3) zumindest ein auf einen zweiten Parameter ansprechender zweiter optischer Sensor (in 1) angebracht ist, wobei der zweite optische Sensor (in 1) ausgeführt sein kann als ein optischer Sensor zur Bestimmung zumindest eines Parameters in einer Probe, mit einem auf den Parameter ansprechenden Indikatormaterial (in 1) kurzer Abklingzeit und einem auf den Parameter nicht ansprechenden Referenzmaterial (in 1) langer Abklingzeit zur Erfassung eines den zu bestimmenden Parameter anzeigenden Meßsignals auf der Basis der gemeinsam erfaßten Lumineszenzenantworten des Indikator- und Referenzmaterials, wobei das Indikatormaterial und das Referenzmaterial in einer Sensorschicht (1) auf einem gemeinsamen Träger (3) immobilisiert sind.

10. Optischer Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass von der Abdeckschicht (5) zumindest zwei der Sensoren gemeinsam abgedeckt sind.

11. Optisches Sensorfeld zur Bestimmung einer Mehrzahl von Parametern in einer Probe mit zumindest einem ersten optischen Sensor nach Anspruch 1 oder 2, und mit zumindest einem auf einen zweiten Parameter ansprechenden zweiten optischen Sensor in der Sensorschicht (1).

12. Optisches Sensorfeld nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Indikatormaterial des zweiten Sensors eine sich in Abhängigkeit von dem zweiten Parameter veränderliche Abklingzeit oder/und eine sich in Abhängigkeit von dem zweiten Parameter veränderliche Lumineszenzintensität aufweist.

13. Optisches Sensorfeld nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Sensor (in 1) ein auf den zweiten Parameter ansprechendes Indikatormaterial kurzer Abklingzeit und ein zugeordnetes, auf den Parameter nicht ansprechendes Referenzmaterial langer Abklingzeit zur Erfassung eines den zu bestimmenden Parameter anzeigenden Meßsignals auf der Basis der gemeinsam erfassten Lumineszenzantworten des Indikator- und Referenzmaterials aufweist.

14. Optisches Sensorfeld nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass auch der zweite Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgeführt ist.

15. Optisches Sensorfeld nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Indikatormaterial des zweiten optischen Sensors ein Lumineszenzfarbstoff, bevorzugt aus der Gruppe der lumineszierenden Übergangsmetallkomplexe mit Ru, Re, Os, Rh, Ir oder Pt als Zentralatom und α-Diiminliganden ausgewählt ist.

16. Optisches Sensorfeld nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines Abklingzeitsensors die Abklingzeit oder/und die spektralen Eigenschaften des Indikatormaterials des zweiten Sensors im Bereich der Abklingzeiten oder der spektralen Eigenschaften des Referenzmaterials des ersten Sensors liegt oder liegen.

17. Optisches Sensorfeld nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sensor auf pH oder CO2 oder Chlorid oder Salinität anspricht.

18. Optisches Sensorfeld nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite optische Sensor ein Abklingzeitsensor zur Messung der Temperatur ist.

19. Optisches Sensorfeld nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite optische Sensor ein Abklingzeitsensor zur Messung eines Gases, bevorzugt O2 ist.

20. Optisches Sensorfeld nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Messung von Parametern aus biologischen Flüssigkeiten, insbesondere Körperflüssigkeiten, wie etwa Blut, oder Kulturmedien ausgelegt ist, insbesondere zur Messung zumindest eines Parameters wie pH-Wert, O2, CO2, Natrium, Kalium, Calcium, Chlorid, Lithium, Magnesium oder eine Kombination davon.

21. Optisches Sensorfeld nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sensor einen pH-Sensor und einen CO2-Sensor umfasst, und dass der zweite Sensor einen O2-Abklingzeitsensor und gegebenenfalls einen Temperatur-Abklingzeitsensor umfasst.

22. Optisches Sensorfeld nach einem der Ansprüche 11 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren des Sensorfeldes auf einem gemeinsamen Träger (3) angeordnet sind.

23. Verfahren zur Bestimmung zumindest eines Parameters einer Probe, dadurch gekennzeichnet, dass ein optischer Sensor oder ein Sensorfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Indikator- und Referenzmaterialien des Sensors oder der Sensoren durch eine einzige Lichtquelle gemeinsam erregt werden.

25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung nur eine einzige Lichtquelle, jedoch mehrere den jeweiligen Sensoren zugeordnete Detektoren verwendet werden.

26. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Lumineszenzantworten der Indikator- und Referenzmaterialien des Sensors oder der Sensoren durch einen einzigen Detektor gemeinsam erfaßt werden.

27. Verfahren nach Anspruch 23 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung den jeweiligen Sensoren zugeordnete Lichtquellen, jedoch nur ein einziger Detektor verwendet werden.

28. Verfahren nach Anspruch 24 und 26, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Sensoren des Sensorfelds voneinander getrennt angeordnet sind und dass die Lichtquelle und der Detektor relativ zu dem Sensorfeld zwischen den einzelnen Sensoren bewegt werden.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht für den Sensor oder die Sensoren mit einer einzigen konstanten Frequenz moduliert wird, z. B. 45 Khz.

Description:

Die Erfindung betrifft einen intern referenzierten optischen Sensor zur Bestimmung zumindest eines Parameters in einer Probe mit einem auf den Parameter ansprechenden Indikatormaterial kurzer Abklingzeit und einem auf den Parameter nicht ansprechenden Referenzmaterial langer Abklingzeit zur Erfassung eines den zu bestimmenden Parameter anzeigenden Meßsignals auf der Basis der gemeinsam erfaßten Lumineszenzantworten von Indikator- und Referenzmaterial.

Der optische Senor benutzt ein Meßprinzip, welches die optische, insbesondere fluorometrische, Bestimmung verschiedener chemischer, physikalischer und biologischer Parameter mit Hilfe von z. B. zeitaufgelösten und Phasenmodulationstechniken ermöglicht. Hierbei wird z. B. die Summe aus den Lumineszenzsignalen des Indikatormaterials kurzer Abklingzeit und des Referenzmaterials langer Abklingzeit (mindestens einige hundert Nanosekunden) gemessen. Während die langlebige Lumineszenz vom den Parameter bestimmenden Analyten nicht beeinflusst wird, verändert sich die Intensität des hiermit coimmobilisierten Indikatormaterials kurzer Abklingzeit in Abhängigkeit von der jeweiligen Analytkonzentration. Da die durch Phasenmodulationstechniken ermittelte Phasenverschiebung zwischen den Lumineszenzantworten von Indikator- und Referenzmaterial nur vom Verhältnis der Intensitätsanteile der beiden Materialien abhängig ist, spiegelt sich darin direkt die Intensität der Lumineszenzantwort des Indikatormaterials wider. Man erhält somit eine interne Referenzierung der Signalintensität der Leuchtstoffe, so dass man im Prinzip mit einer einzigen Erregungslichtquelle und einem einzigen Photodetektor auskommt.

Unter der Voraussetzung, dass die Verteilung von Indikator- und Referenzmaterial beim Herstellungsprozess konstant gehalten wird, ist die Phasenverschiebung ausschließlich von der Konzentration des zu bestimmenden Parameters abhängig, während Schwankungen im optoelektronischen System, Verlusten in Lichtleitern, welche den Sensor mit der Erregungslichtquelle und dem Photodetektor verbinden, und den optischen Eigenschaften der Probe, das Signal nicht beeinflussen.

Details dieses Meßprinzips und Ausführungsbeispiele sind in der DE 197 33 341.9, der hierauf aufbauenden DE 198 29 657.6 sowie der korrespondierenden PCT/EP/98/04779 beschrieben und gezeigt, deren vollständiger Offenbarungsinhalt unter Bezugnahme hierin aufgenommen wird.

Das zum Erregen von Indikator- und Referenzmaterial benutzte Licht könnte jedoch Substanzen in der Probe nachteilig beeinflussen, so dass die Meßgenauigkeit des Sensors abnimmt, z. B. dadurch, dass die zu messenden Substanzen selbst durch das Licht verändert werden oder die Substanzen selbst zu unerwünschter Lumineszenz angeregt werden. Von besonderer Wichtigkeit ist dies bei der Messung von Körperflüssigkeiten, z. B. Blut, insbesondere der sog. ”critical care analytes”, wie etwa pH, O2, CO2, Natrium, Kalium, Calcium, Chlorid, Lithium, Magnesium und dgl., oder Kulturmedien.

Die DE 195 48 922 A1 zeigt einen optischen Sensor zur Bestimmung zumindest eines Parameters in einer Probe, mit einem auf den Parameter ansprechenden Indikatormaterial kurzer Abklingzeit und einem auf den Parameter nicht ansprechenden Referenzmaterial langer Abklingzeit zur Erfassung eines den zu bestimmenden Parameter anzeigenden Meßsignals auf der Basis der gemeinsam erfaßten Lumineszenzantworten des Indikator- und Referenzmaterials, wobei das Indikatormaterial und das Referenzmaterial in einer Sensorschicht auf einem gemeinsamen Träger immobilisiert sind. Dort sind sowohl eine Ausführung als Zweischicht-Sensor (mit einer separaten, temperatursensitiven Schicht und einer chemisch sensitiven Schicht) als auch eine Ausführung, wo der Temperaturindikator und der chemische Indikator in der gleichen festen Matrix immobilisiert sind (Einschicht-Sensor) beschrieben. Der optische Temperatursensor enthält auch eine optische Abschirmung, die in jener Schicht enthalten ist, in der der temperatursensitive Sensor vorliegt.

Die WO 95/10766 A1 zeigt einen optischen Sensor, wo eine opake Deckschicht die Sensormatrix auf der von der Faser wegweisenden Seite bedeckt und die Faser mit dem Lichtanregungssystem verbunden ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei einem optischen Sensor der eingangs genannten Art die Meßgenauigkeit zu erhöhen.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein optischer Sensor nach Anspruch 1 und 2 vorgeschlagen.

Diese Abdeckschicht verhindert, dass das Erregungslicht zur Probe selbst gelangt, und dass die Probe selbst Licht an den Detektor zurückschickt. Dies erhöht die Meßgenauigkeit des Sensors und damit des gesamten Meßsystems.

Bevorzugt handelt es sich bei der Abdeckschicht um eine pigmentierte Polymerschicht, etwa mittels Ruß oder Metalloxid, z. B. Eisenoxid- oder Titandioxid.

Wenn, gemäß Anspruch 1, der Sensor zur Messung des pH oder von Chlorid oder anderen Ionen ausgelegt ist, handelt es sich bei der Abdeckschicht um eine für in der Probe gefärbte Substanzen permeable und ionenpermeable Hydrogelschicht, die hydrophiles Polyurethan oder/und Poly-Hydroxyethyirnethacrylat(HEMA) oder/und Ruß enthält.

Zur Messung von Gasen, wie etwa CO2, O2, wird gemäß Anspruch 2 eine für unter Normalbedingungen gasförmige Substanzen permeable und ionenpermeable Abdeckschicht aus Silikon oder Teflon verwendet. Falls ein weiterer Sensor zur Messung der Temperatur in einer Probe verwendet werden soll, in der sich Substanzen befinden, auf die das Indikatormaterial ansprechen würde, wird die Abdeckschicht für diese Substanzen undurchlässig gewählt.

Falls der Sensor als Enzymoptode zur Erfassung eines enzymatisch zu bestimmenden Analyten verwendet werden soll, kann die Abdeckschicht von einer für den messenden Analyten spezifischen Enzymschicht überlagert sein, wie etwa Glukose-Oxidase zur Messung von Glukose oder Lactat-Oxidase zur Messung von Lactat.

Bei der oben erwähnten Sensoranordnung der DE 197 33 341.9 und der DE 198 29 657.6 bzw. PCT/EP98/04779 wird nur ein einziger intern referenzierter Sensor beschrieben, mit dem dann nur ein einziger Parameter in einer Probe gemessen werden kann.

In vielen Fällen ist es aber erwünscht, in einem einzigen Meßvorgang mehrere unterschiedliche Parameter gleichzeitig zu messen, wie z. B. in Körperflüssigkeiten in medizinischen Anwendungen.

Sollen mehrere verschiedene Parameter gleichzeitig gemessen werden können, kann unter Bildung eines Sensorfelds an dem Träger zusätzlich zumindest ein auf einen zweiten Parameter ansprechender zweiter optischer Sensor, z. B. der eingangs genannten Art, angebracht sein. Bei dem zweiten optischen Sensor kann es sich auch um einen sog. Abklingzeit-Sensor handeln, der auf den zweiten Parameter anspricht und dessen Indikatormaterial eine sich in Abhängigkeit von dem zweiten Parameter veränderliche Abklingzeit aufweist oder/und um einen Sensor, dessen Lumineszenzintensität sich in Abhängigkeit vom zweiten Parameter ändert. In beiden Fällen kann die Abdeckschicht sämtliche Sensoren des Sensorfelds oder zumindest zwei Sensoren davon gemeinsam abdecken.

Eine bevorzugte Kombination besteht zum Beispiel darin, dass erste intern referenzierte Sensoren zur Messung des pH und des CO2-Partialdrucks und zweite, als Abklingzeitsensor ausgeführte Sensoren zur Messung von Sauerstoff und gegebenenfalls Temperatur zu einem Sensorfeld kombiniert sind.

Das Indikatormaterial des zweiten Sensors kann so gewählt sein, dass dessen Abklingzeit im Bereich der Abklingzeit des Referenzmaterials des ersten Sensors liegt, wobei bevorzugt diese beiden Materialien identisch sind.

Man kann dann ein identisches Phasendetektionssystem zum Auswerten der Signale der intern referenzierten Sensoren sowie auch der Abklingzeitsensoren auf der Basis des identischen Phosphoreszenzfarbstoffs verwenden. Die gemessene Phasenverschiebung, als von jeweiligen Analyten abhängiger Meßparameter, beschreibt im Falle der intern referenzierten Sensoren das Intensitätsverhältnis zwischen der von der jeweiligen Analytkonzentration abhängigen Indikatorlumineszenz bzw. -fluoreszenz und der konstanten Lumineszenz bzw. Phosphoreszenz des Referenzmaterials, wie oben beschrieben.

Im Falle der Abklingzeitsensoren korreliert die gemessene Phasenverschiebung mit der Abklingzeit des jetzt als Indikator fungierenden Phosphoreszenzfarbstoffs des Referenzmaterials und hängt ebenfalls von der Konzentration des von diesem Abklingzeitsensor zu messenden Analyten ab. Hierdurch ist es möglich, ein Feld oder Array von intern referenzierten Sensoren und Abklingzeitsensoren herzustellen, die alle mit dem identischen Meßsystem ausgelesen werden können.

Die Sensoren des Sensorfelds können auf einem gemeinsamen Träger kombiniert sein. Der Träger kann eine Folie, eine von der Probe zu durchströmende Kassette oder auch ein planer oder faserartiger Lichtleiter sein.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren gemäß Anspruch 23 zur Bestimmung eines Parameters einer Probe mittels eines optischen Sensors bzw. Sensorfelds. Hierbei wird das Zeit- oder Phasenverhalten oder die zeitliche Intensitätsänderung der Lumineszenzantworten des Indikatormaterials kurzer Abklingzeit und des Referenzmaterials langer Abklingzeit zur Bildung einer Referenzgröße für die Bestimmung des Parameters verwendet. Als Referenzgröße kann auch ein Verhältnis der beiden Lumineszenzintensitätsanteile des Indikatormaterials kurzer Abklingzeit und des Referenzmaterials langer Abklingzeit verwendet werden, welches unabhängig von der Gesamtintensität des Lumineszenzsignals ist. Es besteht auch die Möglichkeit, dass die Referenzgröße mit Hilfe einer zeitaufgelösten Messung ermittelt wird, wobei die Referenzgröße ein Verhältnis zwischen der Lumineszenzintensität während des Anregungsimpulses und der Lumineszenzintensität nach dem Ausschalten der Lichtquelle darstellt.

Bevorzugt werden die Luminophore der Sensoren des Sensorfelds durch eine einzige Lichtquelle gemeinsam erregt, und deren Lumineszenzantworten können von den jeweiligen Sensoren zugeordneten mehreren Detektoren erfaßt werden oder aber die Luminophore der Sensoren werden von mehreren jeweils zugeordneten Lichtquellen erregt und von einem einzigen Detektor gemeinsam erfasst.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Figur erläutert.

Bei dem intern referenzierten Sensor, der einzeln oder als Array bzw. Feld mehrerer solcher Sensoren auf gemeinsamen Träger angebracht ist, handelt es sich um Sensoren der in der DE 198 29 657 beschriebenen Sensortypen bzw. um Sensoren zum Nachweis von pH, Chlorid oder anderen Ionen, CO2 oder O2 und dgl., wie sie insbesondere im medizinischen Gebiet Anwendung finden. Die das Indikator- und Referenzmaterial enthaltende Sensorschicht ist in der Figur mit 1 bezeichnet und der Träger, auf dem die Sensorschicht befestigt ist, ist mit 3 bezeichnet. Dieser Träger 3 ist über einen nicht gezeigten Lichtleiter mit einer Lichtquelle und einem Fotodetektor eines fluorometrischen Meßgeräts verbunden. Bei den Lichtleitern kann es sich um planare Lichtleiter oder um Faseroptik handeln. Die Messung kann auch mit konventioneller Optik ohne Lichtleiter erfolgen. Die lichtundurchlässige Abdeckschicht ist in der Figur mit 5 bezeichnet. Die lichtundurchlässige Abdeckschicht 5 hat die Aufgabe, die Probe vor Wechselwirkung mit dem Anregungslicht zu schützen. Damit werden Verfälschungen des Meßsignals, wie sie z. B. durch in der Probe angeregte Untergrundfluoreszenz entstehen können, ausgeschlossen. Die Abdeckschicht 5 kann eine geschwärzte Polymerschicht sein, z. B. mit Ruß.

Soll der Sensor zur Messung des pH oder Chlorid oder anderen Ionen verwendet werden, wird für die Abdeckschicht 5 ein Polyurethanhydrogel oder Poly-Hydroxyethylmethacrylat (HEMA) vorgeschlagen. Soll CO2 oder O2 oder ein anderes Gas gemessen werden, wird für die Abdeckschicht Silikon oder Teflon vorgeschlagen. Soll die Temperatur gemessen werden, wird für die Abdeckschicht Polyacrylnitryl, Silikon oder Hydrogel vorgeschlagen.

Der Sensor oder einer der Sensoren eines Array kann auch als Enzymoptode ausgeführt sein, etwa zur Messung von Glukose oder Lactat. In diesem Fall ist dann die Abdeckschicht 5 von einer Enzymschicht 7, z. B. Glukose-Oxidase oder Lactat-Oxidase, überlagert, die dann die notwendigen Signale an das eigentliche Sensormaterial 1 weitergibt. In der Figur ist diese Enzymschicht gestrichelt dargestellt.

Die Signale der intern referenzierten Lumineszenzsensoren der eingangs genannten Art lassen sich mit identischen Meßsystemen auslesen, wie solche optische Sensoren, bei denen die Änderung der Abklingzeit der Meßparameter ist. Diese Meßsysteme basieren jeweils auf Phasenmodulationstechniken.

Die identischen Phosphoreszenzfarbstoffe, die in den intern referenzierenden Sensoren als langlebige Referenzluminophoren benutzt werden und hier von der Abdeckschicht 5 abgedeckt sind, können gleichzeitig auch als Lumineszenzindikator in Abklingzeitsensoren verwendet werden. Ein Beispiel hierfür ist der Rhutenium-tris-4,7-diphenyl-1,10-phenanthrolin-Komplex. Eingebaut in eine Matrix aus Polyacrylnitryl ist dieser Farbstoff für alle potentiellen chemischen Bestandteile einer Probe nicht zugänglich und bildet somit einen idealen Referenzstandard für die intern referenzierten Sensoren. In dieser Umgebung wird seine Lumineszenzabklinzeit nur von der Temperatur der Probe beeinflusst und stellt damit eine idealen intern referenzierten Abklingzeit-Temperatursensor dar. Wird der Farbstoff hingegen in einem hydrophoben, gut gasdurchlässigen Polymer eingebaut, hängt seine Abklingzeit vom jeweiligen Gaspartialdruck der Probe ab. Damit ist ein solches Material ein intern referenzierter Gassensor, beispielsweise ein Sauerstoffsensor. Ein identisches Phasendetektionssystem kann zum Auslösen der Signale, sowohl von intern referenzierten Sensoren als auch Abklingzeitsensoren auf der Basis der identischen Phosphoreszenzfarbstoffe, benutzt werden. Die gemessene Phasenverschiebung als vom Analyten abhängiger Meßparameter, gemessen beispielsweise bei einer Modulationsfrequenz von 45 kHz, beschreibt im Falle der intern referenzierten Sensoren das Intensitätsverhältnis zwischen der von der jeweiligen Analytkonzentration abhängigen Indikatorfluoreszenz und der konstanten Phosphoreszenz des Referenzmaterials gemäß folgender Gleichung: cotΦ = Aflu·cotΦflu + Aflu/Aref·sinΦp∊ø

Im Falle der Abklingzeitsensoren korreliert die gemessene Phasenverschiebung mit der Abklingzeit des jetzt als Indikator fungierenden Phosphereszenzfarbstoffs und hängt ebenfalls von der Konzentration des zu messenden Analyten ab, gemäß folgender Gleichung: tanΦ = 2·Π·fmod·τ

Hierdurch ergänzen sich die intern referenzierten und Abklingsensoren auf ideale Weise miteinander. Es lässt sich damit ein Array von intern referenzierten Sensoren und Abklingzeitsensoren herstellen, die alle mit dem identischen Meßsystem ausgelesen werden können.

Die folgende Tabelle stellt eine Auswahl von Sensoren dar, die in einem solchen Array miteinander kombiniert werden können. Alle diese Sensoren werden mit einer sinusförmig modulierten Leuchtdiode angeregt, wobei die Modulationsfrequenz immer gleich bleibt, z. B. 45 kHz beträgt.

Das bevorzugte Array für diagnostische Blutanalysen besteht aus allen in der folgenden Tabelle aufgeführten Sensoren, mit Ausnahme von Temperatur und Glukose.

Ein für Biotechnologie und Zellzucht bevorzugtes Array besteht aus Sensoren für die Parameter pH, pCO2, pO2 und Temperatur.

AnalytSensorschemaMeßbereichPhasensignalepH-WertDLR*6–855–23°CO2DLR*1–50 Torr22–45°Chlorid
(Salinität)
DLR*10–600 mM30–51°
SauerstoffAbklingzeit1–300 Torr58–33°TemperaturAbklingzeit0–50°C43–26°GlucoseAbklingzeit1–100 mM33–58°
*intern referenzierter Sensor der eingangs genannten Art

In der Figur ist mit dem Pfeil 9 das von der Lichtquelle durch einen Lichtleiter kommende Anregungslicht dargestellt und mit dem Pfeil 11 das Licht der Lumineszenzantworten von Indikator- und Referenzmaterial, welche durch diesen oder einen anderen Lichtleiter zum Photodetektor geleitet wird. Im Falle mehrerer Sensoren können die Sensoren nebeneinander voneinander getrennt auf dem Träger 3 angeordnet sein oder sie können auch vermischt vorliegen.

Der hierin benutzte Begriff ”Probe” beinhaltet Verbindungen, Oberflächen, Lösungen, umweltrelevante Flüssigkeiten (Abwässer, Regenwasser, Trinkwasser, Flusswasser, Meerwasser), Industrieflüssigkeiten und biologische Flüssigkeiten (z. B. Blut, Blutplasma, Blutserum, Urin, Cerebrospinalflüssigkeit), Emulsionen, Suspensionen, Gemische, Zellkulturen, Fermentationskulturen, Zellen, Gewebe, Sekrete und/oder Derivate oder Extrakte davon.

Der hierin auch benutzte Begriff ”Analyt” betrifft Elemente, Ionen, Verbindungen oder Salze, Dissoziationsprodukte, Polymere, Aggregate oder Derivate davon.

Für die intern referenzierten Sensoren kommen z. B. in Frage:

  • – pH-Optoden mit Fluoreszeinderivaten als Indikator;
  • – pH-Optoden mit covalent gebundenen Hydroxipyren-trisolfonsäure als Indikator;
  • – Kohlendioxid-, Schwefelwasserstoff- und Ammoniumsensoren auf der Basis von Fluoreszinderivaten oder Rhodaminfarbstoffen als Indikator;
  • – optische Schwermetallsensoren auf der Basis von Fluareszenzlöschung;
  • – optische ionen-sensititive Sensoren zum Bestimmung von Calcium oder Magnesium mit PET-Indikatoren, wie etwa Calciumgrün, Calciumkarmesin- oder Furarot;
  • – Kationen-Sensoren zur Bestimmung von Natrium, Kalium, Lithium, Magnesium, Kalzium z. B. auf der Basis von PET-Naphtalimid-Indikatoren oder auch Zink, Blei, Barium, Cadmium, Quecksilber, Lanthan;
  • – Anionen-Sensoren auf der Basis von Fluoreszenzlöschung von Acrydin- und Bisacridin-Fluorophoren zum Erfassen von Chlorid, Bromid und Jodid;
  • – Anionen-Sensoren zur Messung von Chlorid, Bromid oder Nitrat auf der Basis von potential-empfindlichen Farbstoffen (wie etwa Rhodamine oder Styryl-Fluorophore);
  • – Kationen-Sensoren zur Messung von Kalium oder Natrium auf der Basis von potential-empfindlichen Farbstoffen;
  • – Sensoren mit fluorogenen Reaktanten zur Messung von Aminen, Aldehyden oder Alkoholen;
  • – Sensoren für Metabolite, wie Glukose, Laktat, Harnstoff, Kreatinin auf der Basis von fluorogenen Rezeptoren, beruhend auf Borsäurederivaten.

Als Biosensoren für verschiedene Metabolite kommen z. B. in Frage:

  • – enzymatische Sensoren zum Erfassen von Glukose oder Lactat auf der Basis von Fluoreszez-pH-optoden als Wandlerschicht 7;
  • – enzymatische Sensoren zum Erfassen von Harnstoff oder Kreatinin auf der Basis einer Fluoreszenz-Ammonium-, pH oder Ammoniumoptode;
  • – einen mikrobiellen Sensor zur Messung des biologischen Sauerstoffbedarfs mit einem fluoreszenten pH-Sensor als Wandler;
  • – enzymatische Sensoren zur Bestimmung von Glukose oder anderen Substraten auf der Basis der Messung der intrinsischen Fluoreszenz der Enzyme oder involvierten co-Enzyme (wie etwa in NADH).

Als Biosensoren auf Affinitätsbasis kommen z. B. in Frage:

  • – Immunosensoren mit oberflächenimmobilisierten Antigenen oder Antikörpern und kompetitiver Bindung von fluorophor-markierten Antikörpern;
  • – Biosensoren zum Identifizieren und Quantifizieren von Oligo-Nukleotiden oder DNA-Strängen auf der Basis von kompetitiver Bindung von fluorophor-markierten Oligo-Nukleotiden;
  • – Biosensoren zum Identifizieren und Quantifizieren von Oligo-Nukleotiden oder DNA-Strängen mit eingelagerten Farbstoffen.

Typische Gebiete für die Anwendung der erfindungsgemäßen Sensoren und Sensorfelder sind:

  • – die Erfassung von Gasen, Elektrolyten und Metaboliten in Körperflüssigkeiten, wie etwa Blut, Serum, Plasma oder Urin,;
  • – zweidimensionale Abbildung chemischer Parameter (z. B. transcutane Anwendungen);
  • – diagnostische Bestimmung von Antikörpern, Antigenen und Oligo-Nukleotiden in Körperflüssigkeiten;
  • – faseroptische Erfassung in Geweben oder gesamten Organen von Mensch oder Tier;
  • – Immunoassays in durchsatzstarken Screening-Anwendungen;
  • – Online-Nahrungsmittelanalyse (Bestimmung von Frische oder
  • – Aufbewahrungsbedingungen);
  • – Nahrungsmittelanalyse (genetische Tests);
  • – Umweltanalytik (fluorometrische Bestimmung von Huminsäuren, Chlorophyll oder polyzyklischen aromatischen Kohlenwassestoffen (PAH));
  • – Kalibrationsfreie Erfassungssysteme zur Steuerung von Kulturierungsbedingungen in Bioreaktoren und Wachstumskammern;
  • – Mikroplates mit integrierten optischen chemischen Sensoren;
  • – Immunosensoren zum Erfassen von mikrobiologischer Kontamination.