WO2009016236A1 - Optochemisches sensorelement - Google Patents

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WO2009016236A1
WO2009016236A1 PCT/EP2008/060075 EP2008060075W WO2009016236A1 WO 2009016236 A1 WO2009016236 A1 WO 2009016236A1 EP 2008060075 W EP2008060075 W EP 2008060075W WO 2009016236 A1 WO2009016236 A1 WO 2009016236A1
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sensor element
fluorophore
polymer matrix
optochemical sensor
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Rolf Thrier
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Mettler Toledo GmbH Germany
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Mettler Toledo AG
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    • G01N2021/7786—Fluorescence
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    • Y10T436/00—Chemistry: analytical and immunological testing
    • Y10T436/20—Oxygen containing

Definitions

  • the present invention relates to optochemical sensor elements for measuring gaseous or dissolved analytes, in particular of oxygen, and their use.
  • the determination of the concentration of gaseous or dissolved analytes is necessary in a variety of applications and processes. For example, the monitoring of oxygen concentration in biotechnological processes is essential for controlling the processes. This also applies to a number of other analytes, such. As CO 2 , SO 2 , H 2 O 2 or nitric oxide.
  • optochemical measuring methods have recently been developed. These methods are based on a sensor element whose properties change depending on the amount of analyte present. Such a property is the
  • Fluorescence of such optochemical sensor elements which can be excited or quenched by the analyte, for example.
  • US Pat. No. 6,432,363 B2 describes an optochemical sensor element which contains a luminescent dye immobilized in a polymer matrix.
  • the polymer matrix is free of plasticizers and comprises at least one polymer having phenyl groups in the main chain.
  • WO 95/26501 A1 discloses an optical sensor element for the determination of ions in aqueous solutions.
  • the sensor element contains a transparent support which is coated with a hydrophobic polymer having a glass transition temperature (Tg) in the range of -150 0 C to 50 0 C.
  • Tg glass transition temperature
  • the fluorophore is immobilized in this coating.
  • No. 5,387,525 A describes a process for the fluorescence activation of polyanionic fluorophores by quaternary ammonium salts, such as tetra-butylammonium hydroxide, and their use in an optochemical sensor element.
  • WO 2004/027412 A1 describes a sensor element which discolors under the influence of an analyte and can thus be used, for example, as an indicator of spoilage of foods.
  • the sensor element comprises a transition metal complex immobilized in a matrix, which may also be a fluorescent dye or fluorophore.
  • Y. Amao et al. (Analytica Chimica Acta 407 (2000) 41-44) describe a fluorescence-based sensor element for oxygen, in which an Al-Phtalocyanin- fluorophor immobilized finds application in a polystyrene film.
  • Y. Amao et al. (Analytica Chimica Acta 421 (2000) 167-174) describe oxygen measurement utilizing luminescence changes of metalloporphyrins immobilized in a poly (isobutyl methacrylate-co-trifluoromethacrylate) film.
  • Process media which z. B. contain polar organic solvents.
  • the cleaning, autoclaving and CIP / SIP treatments are those with sensor elements provided measuring devices important.
  • the high temperatures associated with sterilization or autoclaving often cause loss of immobilized fluorophores, e.g. B. by thermal decomposition and fading of the fluorophore and by washing out the fluorophore from the matrix.
  • high temperatures lead to increased mobility of the polymer chains in the polymer matrix and thus to increased diffusion of the fluorophore through the polymer matrix and thus to increased washing out.
  • 6,432,363 B2 have an intrinsic color due to the aromatic character of the polymer backbone, which influences their optical transparency or transparency and thus makes the measurement of the fluorescence more difficult.
  • Such an intrinsic color can also be caused by aging processes, which are caused by the effect of temperature or moisture and which, for example, lead to a yellowing of the polymer matrix.
  • the term stability includes various aspects.
  • Sensor element is preferably thermally stable and the fluorophore is bleached or washed out either under thermal stress or due to aging processes, which can be caused by the use in the process, CIP processes or autoclaving.
  • the optical and mechanical properties of the polymer matrix should not change over time and the polymer matrix should neither yellow, become brittle or show similar aging effects.
  • the polymer or polymer matrix is preferably resistant to interfering substances, such as water, ions and / or solvents, even after aging, so that damage to the polymer matrix and the fluorophore embedded therein can be prevented.
  • the polymer matrix should be stable to the solvents used, not swelling in them, and should have a constant concentration and uniform distribution of the fluorophore, and show a constant Stern-Vollmer characteristic.
  • the object of the present invention is to provide an improved optochemical
  • the sensor element to provide that high mechanical stability and high stability to cleaning processes and process media and thus is substantially resistant to aging and has a long life.
  • the sensor element should essentially not have any inherent color caused by the polymer matrix.
  • this should also provide an economical alternative to the commercially available optochemical sensor elements, which preferably also meet the requirements for use in critical biological and biochemical processes and are compatible with the substances used there.
  • An optochemical sensor element according to the invention comprises a suitable fluorophore immobilized in a polymer matrix.
  • the polymer used to form the polymer matrix has a non-aromatic backbone.
  • Preferred layer thicknesses of the polymer matrix are in the range of about 3 to 10 microns.
  • backbone is meant the main chain of the polymer. That is, only the main chain of the polymer is non-aromatic. Side chains or side groups may also have aromatic components.
  • analyte is meant the substance to be measured, in particular oxygen.
  • the intrinsic color of the polymer matrix can be reduced to a low level and the best possible optical transparency of the polymer matrix can be achieved.
  • the following polymers can be used for the formation of the polymer matrix of optochemical sensor elements according to the invention: cyclic olefin copolymers (COC), such as ethylene-norbornene copolymer, cyclic olefin polymers (COP) and poly (n-methylmethacrylimide) (PMMI). It is also possible to use mixtures of these polymers.
  • COC cyclic olefin copolymers
  • COP cyclic olefin polymers
  • PMMI poly (n-methylmethacrylimide)
  • fluorophore depends on the analyte to be measured and its solubility in the polymer matrix. Fluorophores with a long fluorescence lifetime and those whose fluorescence has a pronounced dependence on the concentration of the analyte to be determined are suitable.
  • fluorophores examples include Pt (II) meso-tetra (pentafluorophenyl) -porphin, Pt (I) -5, 10,15,20-tetrakis (2,3,4, 5,6-pentafluorophenyl) -porphyrin (PtTFPP), Pt (II) -octaethylporphine (PtOEP), Pt (II) -octaethylporophosphone (PtOEPK) corresponding to these analogous Pd (II) complexes PdTFPP, PdOEP and PdOEPK, and Pd (II) meso-tetraphenyl- (tetrabenzo) porphine (PdTPTBP).
  • PtTFPP Pt (I) -5, 10,15,20-tetrakis (2,3,4, 5,6-pentafluorophenyl) -porphyrin
  • fluorophores such as Ir (III) ((N-methyl-benzoimidazol-2-yl) -7- (diethylamino) -cumene)) 2 (acac ), Ir (III) ((benzothiazol-2-yl) -7- (diethylamino) -coconut)) 2 - (acac).
  • fluorophores such as Ir (III) ((N-methyl-benzoimidazol-2-yl) -7- (diethylamino) -cumene)) 2 (acac ), Ir (III) ((benzothiazol-2-yl) -7- (diethylamino) -coconut)) 2 - (acac).
  • Ir (III) ((N-methyl-benzoimidazol-2-yl) -7- (diethylamino) -cumene)) 2 (acac )
  • the fluorophores used have a sufficient solubility in order to be able to be dissolved in a sufficient concentration both in the solvents used for the preparation of the polymer matrix and in the polymer and in the polymer matrix itself.
  • the dissolved fluorophores are preferably substantially free of agglomerates in these solvents and in the polymer matrix and are preferably dissolved homogeneously.
  • hydrophobic porphyrin complexes mentioned are particularly suitable in a hydrophobic COC or COP matrix.
  • PMMI matrices more hydrophilic fluorophores can also be used.
  • various ruthenium or osmium complexes such as tris (phenanthroline) Ru (II) chlohd, tris (4,7-diphenyl-1, 10-phenanthroline) Ru (II) -TMS or Ths (4,4 -diphenyl-2,2-bipyhdine) Ru (II) chloride can be used.
  • These hydrophilic fluorophores can also be used in the specified polymer matrices, but they should be used to attenuate their hydrophilicity used together with a lipophilic counterion, for example tetraphenylborate.
  • the inventive optochemical sensor elements show excellent resistance to cleaning processes and sterilizations, eg. B. autoclaving (30 min at 130 0 C in steam atmosphere) or against CIP treatments (30 - 60 min with 3% NaOH solution at 90 0 C).
  • the polymer is selected from ethylene-norbornene copolymers and poly (n-methylmethacrylimide). These polymer matrices are commercially available under the names Topas (ethylene-norbornene copolymers) and Pleximide (poly (n-methylmethacrylimide)).
  • polymers are particularly suitable as polymer matrices for the immobilization of fluorophores for autoclavable optochemical sensor elements, in particular oxygen-sensitive sensor elements, due to their properties described below.
  • the polymers have a very good optical transparency so that optical radiation through the polymer matrix can excite the fluorophore.
  • the polymers have good light and / or radiation resistance, so that the optical transparency of the polymer matrix remains ensured even after irradiation of the sensor element with a radiation suitable for exciting the fluorophore.
  • Suitable fluorophores are z. B. excited with radiation from the near UV range and / or UV-VIS range, preferably with radiation having a wavelength between about 320 nm and about 700 nm.
  • the polymers also have very high resistance to gamma radiation and gamma-sterilization, as well as to sterilization with ethylene oxide. These are frequently used methods for the sterilization of sensor elements.
  • the optochemical sensor elements, in particular the polymers used must neither yellow nor take other damage, such. As embrittle, hydrophilize or polymer degradation, degradation of the chain lengths or an uncontrolled polymer crosslinking subject.
  • polymer matrices of ethylene-norbornene copolymers or poly (n-methyl methacrylimide) are also resistant to steam sterilization (130 0 C in steam atmosphere).
  • OPTMS oxygen permeation
  • the preferred polymer matrices show only low water absorption, water vapor permeability and swell in polar solvents such as acetone or isopropanol. This is advantageous because water and various solvents can alter the matrix and their Stern-Vollmer characteristics. Furthermore, with increasing water absorption also with a polar solvents such as acetone or isopropanol.
  • the polymer matrix thus also has a membrane function in that on the one hand it is permeable to the analyte, in particular of oxygen, and on the other hand retains water, water vapor, solvents and ions, so that degradation of the fluorophore by penetrating substances can be avoided.
  • topas ethylene-norbornene copolymers
  • the fluorophores are readily soluble in the preferred polymer matrices.
  • the concentration of the fluorophore dissolved in the polymer is sufficiently large in order to obtain a good fluorescence response and a fast or short response time for thin sensor elements.
  • Suitable polymers are cyclic olefin polymers (COP), which are commercially available under the name Zeonex or Zeonor, or poly (n-methyl methacrylimide) (PMMI), which is commercially available under the name pleximide.
  • COP cyclic olefin polymers
  • PMMI poly (n-methyl methacrylimide)
  • the glass transition temperature of Zeonex and Zeonor is adjustable depending on the actual composition of the polymers.
  • the polymer is soluble in a suitable solvent with high vapor pressure. It is important that the chosen fluorophore also dissolve in sufficient concentration in the same solvent to achieve uniform distribution of the fluorophore in the polymer matrix.
  • Possible solvents for the polymers according to the invention are chloroform and cyclohexane.
  • the polymer matrix comprises ethylene-norbornene copolymers.
  • the ethylene-norbornene copolymers (cyclic olefin copolymers, COC) have high glass transition temperatures (Tg). With glass transition temperatures which are higher than the 130 0 C usually selected during autoclaving, it is prevented that the polymer chains become mobile during an autoclaving cycle and the
  • Fluorophore can diffuse out of the matrix. As a result, a loss of the fluorophore is practically avoided, which causes a long life of the inventive sensor element.
  • the glass transition temperature of the polymer can be influenced and thus adjusted to the desired purpose.
  • the polymer matrix comprises cyclic olefin polymers (Zeonex, Zeonor, COP) or poly (n-methylmethacrylimide) (PMMI).
  • the polymer matrix is applied to a carrier.
  • Preferred materials from which supports can be made are glass, polyesters, amorphous or partially crystalline polyamides, polyacrylates, polycarbonates, COC polymers (Topas), COP polymers (Zeonor, Zeonex) and poly (n-methyl methacrylimide).
  • COC polymers are available under the name Topas (Ticona polymer), COP polymers under the brand names Zeonor or Zeonex (Zeon Chemicals) and poly (n-methyl methacrylimide) under the name Pleximid (Rohm GmbH).
  • hybrid supports may also be used from combinations of these materials, such as a glass-polymer composite material.
  • Copolymers are preferred as the material for the carrier because they have substantially no autofluorescence and very good optical transparency, which they retain even after aging.
  • the sensor element has a cover layer.
  • This cover layer must be permeable to the analyte and impermeable to extraneous radiation, so that a disturbance of the fluorescence measurement by extraneous light or fluorescence from the measurement sample can be avoided.
  • Possible materials for the cover layers are white, porous Teflon layers (thickness 5 ⁇ m) or white oxygen-permeable silicone layers or white porous papers.
  • the polymer matrix is in the form of
  • Polymer spheres or matrix fragments embedded in a silicone film The fluorophore is immobilized directly in the polymer spheres or matrix fragments. This is advantageous because the spheres or fragments embedded in the silicone increase the fluorescence due to diffuse scattering.
  • the analyte is gaseous or dissolved oxygen, which z.
  • aqueous solutions or media or in media containing small amounts of polar solvents such as. As methanol, ethanol, acetone or isopropanol, is dissolved.
  • the analyte is gaseous or dissolved SO 2 , gaseous or dissolved H 2 O 2, SO 2 or nitric oxide.
  • the support is impermeable to oxygen and has the lowest possible oxygen solubility. In this way, the operability of the optochemical sensor element can be ensured and this can be operated substantially drift-free and with a short response time.
  • the support has oxygen permeability and oxygen solubility which is substantially less than that of the polymer matrix in which the fluorophore is immobilized.
  • Sensor elements according to the invention can be produced by various methods, as will be described below in connection with several exemplary embodiments.
  • the layer thickness of the polymer matrix with the immobilized fluorophore influences two important quantities when measuring analytes by means of fluorescence quenching.
  • the layer thickness determines the emission rate or reflection rate and thus the intensity of the fluorescence response and, on the other hand, it is decisive for the response time of the measuring device.
  • the polymer matrix is formed with the fluorophore as a film either directly on a support or applied to the support after film formation.
  • adhesion promoters or adhesives are preferably used.
  • the polymer matrix can be applied to a support by various methods, such as dip-coating, spin coating or by doctor blade formation.
  • a polymer matrix with immobilized fluorophore directly to a core of a light guide.
  • the application to an optical fiber core is, for example possible with topaz.
  • the polymer matrix with the immobilized fluorophore is placed directly on the core of a POF (Polymer Optical Fiber), the core of which is preferably made of a high refractive index polymer, such as poly (pentabromo-phenyl acrylate-co-glycidyl methacrylate).
  • FIG. 1 shows an optochemical measuring device with a sensor element according to the invention
  • FIG. 2 shows an optochemical sensor element as a partial enlargement of FIG. 1;
  • FIG. 1 shows the structure of an optochemical measuring device 1 with a sensor element 9 according to the invention.
  • the measuring device 1 comprises a housing 3 in which a radiation source 5, for example an LED, a mirror 7, the optochemical sensor element 9, a beam splitter or filter 11, a detector 13 and a measuring electronics 15 are arranged.
  • the radiation emitted by the radiation source 5, the excitation light or the excitation radiation is directed via the mirror 7 and the beam splitter 11 onto the optochemical sensor element 9.
  • the optochemical sensor element 9 is in contact with the medium 17 containing the analyte to be measured.
  • the fluorescence emitted after excitation of the fluorophore in the optochemical sensor element 9 passes through the beam splitter 11 without deflection and impinges on the detector 13 whose signal is processed by the measuring electronics 15 and passed on via a transmitter or an interface 19.
  • the beam path 21 is indicated only schematically.
  • FIG. 2 shows in a partial enlargement of the optochemical measuring device 1 the optochemical sensor element 9 in its simplest embodiment. It comprises a polymer matrix 23 and a fluorophore 25 immobilized therein.
  • FIG. 3 shows an embodiment of the optochemical sensor element 9 of the measuring device 1.
  • the polymer matrix 23 with the fluorophore 25 immobilized therein is arranged on a carrier 27. This carrier gives the membrane 9 the necessary mechanical stability, for example, to withstand pressure fluctuations.
  • the excitation radiation 29 which, after passing through the carrier 27, strikes the fluorophore 25 immobilized in the polymer matrix 23 and the fluorescence 31 emitted by it.
  • the intensity of the fluorescence response is determined by the analyte 33, e.g. As oxygen, influenced.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the optochemical sensor element 9 which has at least one, here two shown, additional cover layer 34, 36 for delimiting the polymer matrix 23 from the medium.
  • This cover layer 34, 36 is preferably permeable to the analyte and impermeable to extraneous radiation, so that externally incident extraneous radiation is preferably reflected on the cover layer 34, 36 and does not penetrate into the polymer matrix 23.
  • the sensor element 9 comprises a glass wafer as carrier 27, to which, as already shown in FIG. 3, a polymer matrix 23 is applied, in which a fluorophore 25 is immobilized.
  • the polymer matrix 23 is substantially optically transparent.
  • the polymer matrix 23 is adjoined by a first cover layer 34, which here is, for example, a white silicone layer. At this first cover layer 34 is the
  • Excitation radiation 29 is substantially reflected, so that a high fluorescence yield and small response times can be realized.
  • the emitted fluorescence or fluorescence response 31 is reflected or diffused almost completely at the boundary layer 35 between the first cover layer 34 and the polymer matrix 27 and then directed to the detector (see Figure 1).
  • the sensor element 9, as shown here, can be covered with a further cover layer 36, which is designed, for example, as a black silicone layer.
  • the further cover layer 36 is preferably permeable to the analyte and radiopaque so that neither fluorescence radiation from the
  • analogous Pd (II) compound Pd (II) -meso-tetra (pentafluorophenyl) -porphine was used, which is particularly suitable for measurements of low oxygen concentrations.
  • the film formation can alternatively be carried out by solvents according to all common methods for film formation.
  • the films were obtained by spin coating.
  • the spin coater (Lot Oriel, Model SCI-20) was loaded with the wafers.
  • the wafer surface had to be completely covered with the fluorophore polymer solution.
  • the spun-off solution was preferably collected, redissolved and thus recycled.
  • the wafers were coated with the fluorophore polymer solution in a dip-coating or dipping process.
  • the wafers were immersed in the fluorophore polymer solutions and then hung to dry the membrane layer.
  • a problem with this method was that the solution accumulated about 2-3 mm at the lower wafer edge, which led to increased film thicknesses there. These parts of the wafers were discarded during further processing because of too high and / or too non-uniform layer thickness. With this method, somewhat uneven layer thicknesses of around 6 ⁇ m resulted, with the layer thickness slightly increasing towards the lower wafer edge.
  • the fluorophore polymer solution is sprayed onto the wafers by spray-coating.
  • the wafers are sprayed at some distance below the flow limit of the solution.
  • the fluorophore polymer solution can also be applied slightly more concentrated, which increases their viscosity quickly.
  • films were produced by means of a doctor blade machine in so-called thick film technology.
  • the doctor blade was set at a slot pitch (blade-to-wafer distance) of 60 ⁇ m, and films were drawn from the fluorophore polymer solution. Then you could evaporate the solvent. Resulting films were slightly wavy and had a layer thickness of approximately 5.1 ⁇ m ⁇ 0.4 ⁇ m.
  • polymer spheres were prepared with immobilized fluorophore. These were then embedded in silicon and the embedded ones Spheres were pulled out to film according to the fourth method.
  • the polymer spheres were recovered by precipitation from fluorophore polymer solution with addition of another solvent in which the polymer spheres are insoluble and subsequent centrifugation.
  • Polar solvents for example water, acetone, ethanol or mixtures thereof, are especially suitable as further solvents.
  • polymer spheres can be prepared by a spray drying process.
  • the layer thicknesses of the polymer matrix are important in that they affect two important magnitudes in optical measurement of oxygen content by fluorescence quenching. First, the layer thickness determines the emission rate or
  • Concentrations of the analyte has a certain minimum intensity, which causes a minimum concentration of the fluorophore in the polymer matrix. Furthermore, wash the fluorophores z. As in autoclaving less quickly, if the layer thicknesses are greater. To the largest possible fluorescence responses At the same time to obtain thin layers, the concentration of fluorophores in the polymer matrix and in the polymer solution on the one hand should be large, but at the same time be small enough not to adversely affect the polymer properties, in particular Tg, the thermal properties and the diffusion properties through the polymer , With a fluorophore concentration of 2.3% g / g polymer good results could be achieved. Further possibilities for amplifying the measurement signal by changing the surface structure of the polymer matrix are explained in more detail in connection with Examples 4 to 6.
  • the solvent cyclohexane can also be used.
  • the polymer Topas dissolves even better in this solvent and a cold-dissolving of the polymer is possible in concentrations up to 10% g polymer / g.
  • the solubility for the selected in this example fluorophore is slightly worse, so that the solution had to be heated before the film formation and cooled again.
  • the solvent it is important to note that both the polymer and the fluorophore must show sufficient solubility.
  • the solvent should have the lowest possible boiling point, so that it can be removed again from the polymer matrix. Removal of the solvent must be done carefully to avoid blistering in the polymer matrix. Therefore, the films were pre-dried in a vacuum oven in the air at room temperature before drying.
  • the coated wafers were dried for 1 h at 120 0 C in a vacuum oven.
  • the layers produced in this way were then alternately provided with white, porous Teflon layers (thickness 5 ⁇ m) or else with white silicone layers as optical cover or covering layer in order to protect the measuring system from extraneous light and interfering fluorescence from the measuring medium.
  • the sensitive layer can also be covered with a white, porous paper or flow sheet.
  • Pt (II) meso-tetra (pentafluorophenyl) porphine shows a first absorption maximum at about 492 nm and two further weaker maxima at about 507 nm and about 540 nm.
  • the detection limit of the fluorescence yield was about 5000 counts for the measuring device used. If this value is undershot, the analyte concentration is below the detection limit and / or the sensor element is to be replaced.
  • the response times were only marginally prolonged after 30 autoclaving cycles.
  • the intensity of the detected fluorescence of the spots by autoclaving hardly decreased, the fluorophores were hardly washed out and are hardly bleached by the thermal treatment. It is known that the dye itself is temperature resistant.
  • the good resistance to washing out and degradation of the fluorophore is attributed to the high Tg of the immobilizing polymer and its low water absorption, especially at high temperatures.
  • an optochemical sensor element of the invention involves the use of polymeric wafers as the carrier.
  • Polymeric wafers as carriers improve the adhesion of the polymer matrix with the immobilized fluorophore on the support, especially after aging or a variety of
  • Polymeric wafers are much more hydrophobic than glass surfaces, and the hydrophilicity of the solvent, here chloroform or cyclohexane, to the wafer substrate is much better, allowing better wetting of the wafer and thus more homogeneous film surfaces with less topography. Also, the adhesion of the spun polymer films to the polymeric wafers is better than on silanized glass surfaces. On a layer structure by gluing the individual layers can be completely dispensed with.
  • the improved adhesion is based, on the one hand, on an improved hydrophilic match between polymer film or polymer matrix and the underlying wafer, and on the other hand on the fact that the solvents partially attack these wafers and are able to dissolve the topmost polymer layer of the wafer.
  • the solvent evaporates the dissolved polymer chains of the wafer then become wedged with the polymer chains of the applied film which are still in solution, which leads to an enormous increase in adhesion and greatly improves the autoclavability of the sensor elements. With the following procedure optimal spots could be obtained.
  • Topas 6015S-04 were dissolved in 178 g of cyclohexane under reflux. After cooling, 0.46 g of Pd (II) meso-tetra (pentafluorophenyl) porphine was added to the solution. For a better solution of the fluorophore, the solution had to be brought to boiling again briefly.
  • Working temperature 160 0 C, auto
  • the spun solution spreads better and more uniformly on the surface and leads to more uniform films than when spinning on untreated glass wafers or on silanized glass wafers.
  • the wafer wetting is much better and faster, so that the surface forming films do not have strong topography bumps.
  • the topaz wafers were spun directly after application of the solvent-saturated atmosphere solution. Topaz is solubilized by the applied cyclohexane, which improves the adhesion of the spun-on film. In this way transparent clear spots could be built up.
  • Polyamide wafers are much more resistant to cyclohexane and can be dissolved by the latter at best.
  • COC / Topas in particular has a very good optical transparency in the lower wavelength range, which is particularly important at short excitation wavelengths of the fluorophores (up to 400 nm). This increases the fluorescence yield, since the absorption of the fluorescence in the carrier material of the optochemical sensor element is lower.
  • the wafers were subjected to an initial autoclaving cycle.
  • the spots were measured analogously to Example 1. This resulted in response times of about 30 seconds in the gas phase and about 80 seconds in condensed phases. With approximately 14000 counts (in air) for the spots on topaz wafers, the fluorescence yield was sufficiently high, while the spots on PA wafers only showed about 9000 counts, which is due to the lower transparency of the PA wafers.
  • Hybrid wafers essentially consist of an oxygen-impermeable glass which is provided with a well-adhering polymeric adhesion promoter for the fluorophore polymer solution to be spun on.
  • the adhesion promoter was applied as thin as possible, so that while it can interact with the solvent during spinning of a polymer film, however, the oxygen reservoir resulting from the adhesion promoter is kept as low as possible.
  • Adhesion promoters should not exceed a layer thickness of 10-20 ⁇ m, as small as possible
  • hybrid wafers show substantially no oxygen permeability in comparison with polymeric wafers and, in addition, drift-free sensor elements can be realized.
  • the low oxygen reservoir also reduces the response time of the sensor element.
  • adhesion promoter a topaz layer or an epoxy layer was first applied.
  • Topaz as a primer was applied as a 10 ⁇ m thick layer to a hybrid wafer by spin coating. The wafer thus prepared was then further treated as described in Example 1.
  • Epoxy as a primer is essentially optically transparent and, in addition, epoxies have a particularly low oxygen solubility, which also makes them thicker
  • Adhesion promoters which can be used, for example, are the low-viscosity epoxy products which are sold under the name EPOTEK 301, 302, 302FL by EPOTEK and can be spun onto glass wafers in thin layers by means of spin coaters.
  • the epoxy adhesion promoter layer was applied to a glass wafer as follows, which was subsequently treated further in accordance with the method described in Example 1.
  • the glass wafers were previously pretreated with epoxypropyltrimethoxysilane for better wetting of the epoxy layers, on the one hand the silane group reacts with the glass surface and on the other hand forms a covalent bond between the epoxy group of the silane and the epoxy adhesion promoter. Smooth epoxy films can be spun onto the wafer pretreated in this way.
  • Epotek301 was then spun onto the pretreated glass wafer at a final speed of approximately 3000 rpm / min.
  • which set spinnte epoxy first one was carried out at 50 0 C only partially cured here until about 2/3 of its final hardness, and only after applying the fluorophore polymer layer together with this fully cured.
  • the curing time of EPOTEK 301 is about 1 h 65 ° C or 24h 23 ° C.
  • the polymer matrix with the immobilized fluorophore as cladding or part of the cladding is applied to the core of a POF optical fiber (Polymeric Optical Fiber).
  • a light guide usually consists of a light-conducting core, which is surrounded by a cladding and a jacket. The jacket serves primarily as external protection of the light guide.
  • the polymer in which the fluorophore is immobilized has a smaller refractive index than the material of the underlying core, so that total reflection occurs at the core cladding interface.
  • the fluorophore in the polymer matrix is then replaced by the evanescent field of the
  • the core should comprise a material with a refractive index of about 1.6 to 1.8.
  • COC type 60155S-04
  • PMMI pleximide 8817
  • the cladding and the cladding were removed from the POF light guide over a distance of about 3 mm.
  • the underlying core material of poly pentabromophenyl acrylate-co-glycidyl methacrylate was subsequently purified with ethanol.
  • the tip was coated by dip-coating in a very low viscosity fluorophore polymer solution (6.25% Topas dissolved in chloroform, 2.5% fluorophore g / g polymer).
  • the resulting by dip coating polymer drops at the end
  • the glass fiber was cut by means of a knife and the subsequently exposed fiber end was coated with silver as a reflector.
  • the entire fiber end (tip with silver coating incl. 3 mm polymer layer with immobilized fluorophore) was provided with an oxygen-permeable cladding or jacket.
  • the cladding should have the smaller refractive index than the underlying polymer cladding.
  • the panel should be oxygen permeable and elastic to provide good protection for the core and cladding.
  • An example of such an oxygen permeable panel is a white RTV silicone (silicone of vinyl-terminated poly (dimethylsiloxane)), which has already been used as an optical cover in Examples 1 to 3.
  • the silicone is preferably white in this case in order to prevent the coupling of interfering extraneous light into the light guide.
  • the cladding was applied with a maximum layer thickness of about 100 ⁇ m in order to realize sensor elements with a short response time.
  • Possible products for such cladding are the Gelest Inc. (Gelest OE TM 41/42/43) silicone products having refractive indices of 1.41 to 1.43 filled with titanium dioxide or a regular DowCorning low viscosity RTV silicone, e.g. RTV 732 "white.”
  • the latter silicone is available as a white silicone and approved by the FDA for food contact, and other suitable silicone products are commercially available.
  • analogous Pd (II) compound Pd (II) meso-tetra (pentafluorophenyl) - porphine was used.
  • a further alternative was to dissolve topaz in cyclohexane and to add Pd (II) meso-tetraphenyl-tetrabenzo-phosphine.
  • the optical protective layers or the cladding for the optical waveguides became relatively thick, which was reflected in the response times of the sensor elements produced in this way.
  • the Gelest product made it possible to obtain the thinner cladding because of the lower viscosity, resulting in faster-reacting sensor elements than the "white" type silicon (type 732) coated optical fiber, while the gel-coated optical fiber is more sensitive to extraneous light.
  • Example 5 Wafer with structured surface
  • a glass wafer with a structured surface is used as the carrier, which is an irregular or regular structuring.
  • the structuring of the wafer can be done by sandblasting, grinding or various known etching techniques.
  • photolithographic methods it is also possible by etching to produce a regular, defined structuring and / or diffusely scattering geometries.
  • Structured wafer surfaces with recesses having depths of about 50-100 ⁇ m were produced by one of the known methods.
  • a fluorophore polymer solution was spun onto the structured surface of the wafers as in the preceding examples, or alternatively the structured surface was rinsed with the solution.
  • the sensor element produced in this way was sanded off after drying so that recesses of about 5-20 ⁇ m remained.
  • the abrasion produced on the structured surface both free glass areas and areas covered by the polymer matrix with the immobilized fluorophore.
  • the free glass areas have an increased aging resistance compared to the coated areas.
  • a radiation-impermeable cover layer can then in thicknesses of z. B. 50 microns easily be jerked over.
  • Polymer spheres from the previously mentioned fluorophore polymer mixtures were on the one hand by precipitation from the dissolved in chloroform or cyclohexane fluorophore polymer solution with the addition of a second solvent, for. As water, in which the polymer spheres are insoluble, and then centrifuging recovered. The resulting spheres were then embedded in a silicone film.
  • fluorophore polymer films less than 10 ⁇ m thick have been non-adherently spun onto glass substrates. The resulting films were peeled or peeled from the substrates and crushed. The fragments of the polymer matrix were then incorporated into silicone films.
  • the size or the size distribution of the polymer spheres has an influence on the response time of the resulting sensor element.
  • the thickness of the silicone layers had no great influence on the response time. It was shown that even with a total layer thickness of the sensor element of about 100 ⁇ m sufficiently small response times could be realized.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein optochemisches Sensorelement (9) zur Messung von gasförmigen oder gelösten Analyten, insbesondere von Sauerstoff. Das Sensorelement (9) umfasst einen in einer Polymermatrix (23) immobilisierten Fluorophor (25), wobei die Polymermatrix (23) aus einem Polymer mit einem nicht-aromatischen Rückgrat gebildet wird. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des Sensorelements (9) in einer Messvorrichtung.

Description

Optochemisches Sensorelement
Die vorliegende Erfindung betrifft optochemische Sensorelemente zur Messung gasförmiger oder gelöster Analyte, insbesondere von Sauerstoff, und deren Verwendung.
Die Bestimmung der Konzentration gasförmiger oder gelöster Analyte ist in einer Vielzahl von Anwendungen und Vorgängen notwendig. Beispielsweise ist die Überwachung der Sauerstoffkonzentration in biotechnologischen Prozessen für die Steuerung der Prozesse unerlässlich. Dies gilt auch für eine Reihe weiterer Analyte, wie z. B. CO2, SO2, H2O2 oder Stickoxid.
Von den bekannten Methoden zur Messung solcher Analyte haben einige den
Nachteil, dass sie die Konzentration des Analyten während der Messung verändern, da dieser bei der Messung verbraucht wird. Als Alternative zu solchen Messmethoden wurden in jüngerer Zeit optochemische Messverfahren entwickelt. Diese Verfahren basieren auf einem Sensorelement, dessen Eigenschaften sich in Abhängigkeit von der Menge des anwesenden Analyten ändern. Eine solche Eigenschaft ist die
Fluoreszenz derartiger optochemischer Sensorelementen, die durch den Analyten beispielsweise angeregt oder gelöscht bzw. gequencht werden kann.
In US 6,432,363 B2 wird ein optochemisches Sensorelement beschrieben, das einen lumineszierenden Farbstoff, immobilisert in einer Polymermatrix, enthält. Die Polymermatrix ist frei von Weichmachern und umfasst mindestens ein Polymer mit Phenylgruppen in der Hauptkette.
Die WO 95/26501 A1 offenbart ein optisches Sensorelement zur Bestimmung von Ionen in wässrigen Lösungen. Das Sensorelement enthält einen transparenten Träger, der mit einem hydrophoben Polymer mit einer Glasübergangstemperatur (Tg) im Bereich von -1500C bis 500C beschichtet ist. Der Fluorophor ist dabei in dieser Beschichtung immobilisiert. In US 5,387,525 A wird ein Verfahren zur Fluoreszenzaktivierung von polyanionischen Fluorophoren durch quartäre Ammoniumsalze, wie tetra-Butylammoniumhydroxid, beschrieben sowie deren Verwendung in einem optochemischen Sensorelement.
In WO 2004/027412 A1 wird ein Sensorelement beschrieben, welches sich unter Einfluss eines Analyten verfärbt und so beispielsweise als Indikator für das Verderben von Lebensmitteln eingesetzt werden kann. Das Sensorelement umfasst einen in einer Matrix immobilisierten Übergangsmetallkomplex, weicher auch ein Fluoreszenzfarbstoff oder Fluorophor sein kann.
Y. Amao et al. (Analytica Chimica Acta 407 (2000) 41 -44) beschreiben ein Fluoreszenz-basiertes Sensorelement für Sauerstoff, in welchem ein Al-Phtalocyanin- Fluorophor immobilisiert in einem Polystyrol-Film Anwendung findet.
Y. Amao et al. (Analytica Chimica Acta 421 (2000) 167-174) beschreiben die Sauerstoffmessung unter Ausnutzung von Lumineszenz-Änderungen von Metalloporphyrinen, die in einem Poly(isobutylmethacrylat-co-trifluoromethacrylat)-Film immobilisiert sind.
Y. Amao et al. (Analytica Chimica Acta 445 (2001 ) 177-182) beschreiben einen lumineszierenden Ihdium(lll)-Komplex, immobilisert in einem Polymer-Film, als Material zur optischen Sauerstoff-Bestimmung.
In M. Florescu, A. Katerkamp (Sensors and Actuators B 97 (2004) 39-44) wird die Optimierung von Polymer-Membranen zur optischen Sauerstoffmessung beschrieben. Als Fluorophor wurde ein Ruthenium-Metall-Komplex (Ru(dpp)3CI2) verwendet.
Als Nachteil der beschriebenen optochemischen Sensorelemente erweist sich oft ihre eher geringe Stabilität gegenüber Reinigungsprozessen und dem Sterilisieren in der Prozessanlage, z. B. Autoklavieren, CIP-Behandlungen (Clean In Place), SIP- Behandlung (Stehlize In Place), und auch ihre ungenügende Stabilität in
Prozessmedien, welche z. B. polare organische Lösungsmittel enthalten. Gerade bei Sensorelementen, die im biotechnologischen Bereich eingesetzt werden, sind das Reinigen, das Autoklavieren und CIP/SIP-Behandlungen der mit Sensorelementen versehenen Messvorrichtungen wichtig. Die mit dem Sterilisieren bzw. Autoklavieren einhergehenden hohen Temperaturen bewirken oft einen Verlust an immobilisierten Fluorophoren, z. B. durch thermische Zersetzung und Ausbleichen des Fluorophors sowie durch Auswaschen des Fluorophors aus der Matrix. Vor allem bei Polymeren mit niedriger Glasumwandlungstemperatur führen hohen Temperaturen zu einer erhöhten Beweglichkeit der Polymerketten in der Polymermatrix und somit zu einer erhöhten Diffusion des Fluorophors durch die Polymermatrix und damit zu einem erhöhten Auswaschen. Zudem weisen insbesondere die in US 6,432,363 B2 genannten Polymermatrizen aufgrund des aromatischen Charakters des Polymerrückgrats eine Eigenfarbe auf, welche ihre optische Durchlässigkeit oder Transparenz beeinflusst und damit die Messung der Fluoreszenz erschwert. Eine solche Eigenfarbe kann auch durch Alterungsprozesse entstehen, welche durch Temperatur- oder Feuchtigkeits- Einwirkung hervorgerufen werden und die beispielsweise zu einer Vergilbung der Polymermatrix führen.
Der Begriff Stabilität umfasst verschiedene Aspekte. Das optochemische
Sensorelement ist vorzugsweise thermisch stabil und der Fluorophor wird weder unter thermischen Belastung noch aufgrund von Alterungsprozessen, welche durch den Einsatz im Prozess, CIP-Prozesse oder Autoklavieren hervorgerufen können, ausgeblichen oder ausgewaschen werden. Weiterhin sollten sich die optischen und mechanischen Eigenschaften der Polymermatrix im Laufe der Zeit nicht verändern und die Polymermatrix weder vergilben, spröde werden oder ähnliche Alterungseffekte zeigen. Um die Funktionsfähigkeit zu erhalten, ist das Polymer bzw. die Polymermatrix vorzugsweise gegenüber interferierende Stoffen, wie Wasser, Ionen und/oder Lösungsmittel, auch nach einer Alterung beständig, so dass eine Schädigung der Polymermatrix und des darin eingebetteten Fluorophors verhindert werden kann. Zudem sollte die Polymermatrix gegen die verwendeten Lösungsmittel stabil sein, in diesen nicht aufquellen, sowie eine konstante Konzentration und gleichmässige Verteilung des Fluorophors aufweisen, sowie eine konstante Stern-Vollmer- Charakteristik zeigen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes optochemisches
Sensorelement zur Verfügung zu stellen, das eine hohe mechanische Stabilität sowie eine hohe Stabilität gegenüber Reinigungsprozessen und Prozessmedien und damit im Wesentlichen alterungsbeständig ist und eine lange Lebensdauer aufweist. Das Sensorelement sollte im Wesentlichen auch keine durch die Polymermatrix hervorgerufene Eigenfarbe aufweisen. Zudem soll dadurch auch eine wirtschaftliche Alternative zu den kommerziell erhältlichen optochemischen Sensorelementen zur Verfügung gestellt werden, welche vorzugsweise auch den Anforderungen für den Einsatz in kritischen biologischen und biochemischen Prozessen entsprechen und kompatibel mit den dort eingesetzten Substanzen sind.
Die Aufgabe wird durch ein verbessertes optochemisches Sensorelement gemäss dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erfindungsgemässes optochemisches Sensorelement umfasst einen geeigneten Fluorophor, der in einer Polymermatrix immobilisiert ist. Das Polymer, welches zur Bildung der Polymermatrix verwendet wird, weist ein nicht-aromatisches Rückgrat auf. Bevorzugte Schichtdicken der Polymermatrix liegen im Bereich von etwa 3 bis 10 μm.
Mit "Rückgrat" wird die Hauptkette des Polymers bezeichnet. Das heisst, dass lediglich die Hauptkette des Polymers nicht-aromatisch ist. Seitenketten oder Seitengruppen können auch aromatische Komponenten aufweisen.
Mit "Analyt" wird die zu messende Substanz, insbesondere Sauerstoff, bezeichnet.
Durch das nicht-aromatische Rückgrat kann die Eigenfarbe der Polymermatrix auf ein geringes Mass reduziert und eine möglichst gute optische Transparenz der Polymermatrix erzielt werden. Folgende Polymere können für die Bildung der Polymermatrix erfindungsgemässer optochemischer Sensorelemente eingesetzt werden: Cyclische Olefin-Copolymere (COC), wie Ethylen-Norbornen Copolymer, cyclische Olefin-Polymere (COP) und Poly(n-methylmethacrylimid) (PMMI). Es ist auch möglich, Mischungen dieser Polymere einzusetzen.
Der Einsatz dieser Polymere als Polymermatrix in Sensorelementen ist vorteilhaft, da diese eine besonders hohe mechanische Stabilität und eine hohe Stabilität gegenüber sauren und basischen Reinigungsprozessen aufweisen, woraus eine lange Lebensdauer der Sensorelemente resultiert.
Die Wahl des Fluorophors hängt von dem zu messenden Analyten und dessen Löslichkeit in der Polymermatrix ab. Geeignet sind Fluorophore mit einer langen Fluoreszenzlebensdauer und solche deren Fluoreszenz eine ausgeprägte Abhängigkeit von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten aufweist. Beispiele für geeignete Fluorophore, insbesondere für die Sauerstoff-Bestimmung, stellen Pt(ll)-meso-Tetra(pentafluorophenyl)-porphin, Pt(I l)-5, 10,15,20-tetrakis- (2,3,4,5,6-pentafluorphenyl)-porphyrin (PtTFPP), Pt(ll)-octaethylporphyhn (PtOEP), Pt(ll)-octaethylporphyhnketone (PtOEPK), die zu diesen analoge Pd(ll)-Komplexe PdTFPP, PdOEP und PdOEPK, sowie Pd(ll)-meso-Tetraphenyl-(tetrabenzo)porphin (PdTPTBP) dar. Desweiteren können Fluorophore wie lr(lll)((N-methyl-benzoimidazol- 2-yl)-7-(diethylamino)-cumahn))2(acac), lr(lll)((benzothiazol-2-yl)-7-(diethylamino)- cumahn))2-(acac) eingesetzt werden. Zahlreiche weitere geeignete Fluorophore sind kommerziell erhältlich.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die eingesetzten Fluorophore über eine ausreichende Löslichkeit verfügen, um sowohl in den zur Herstellung der Polymermatrix verwendeten Lösungsmitteln als auch im Polymer sowie in der Polymermatrix selbst in ausreichender Konzentration gelöst werden zu können. Vorzugsweise liegen die gelösten Fluorophore in diesen Lösungsmitteln sowie in der Polymermatrix im Wesentlichen agglomeratfrei vor und sind vorzugsweise homogen gelöst.
Für die Verwendung als Fluorophor eignen sich daher in einer hydrophoben COC- oder COP-Matrix besonders die erwähnten hydrophoben Porphyrin-Komplexe. In PMMI-Matrizen können auch hydrophilere Fluorophore eingesetzt werden.
Als Fluorophor können weiterhin verschiedene Ruthenium- oder Osmium-Komplexe, wie Tris(phenanthrolin)Ru(ll)-Chlohd, Tris(4,7-diphenyl-1 ,10-phenanthrolin)Ru(ll)-TMS oder Ths(4,4-diphenyl-2,2-bipyhdin)Ru(ll)-Chlorid eingesetzt werden. Diese hydrophilen Fluorophore können ebenfalls in den angegebenen Polymermatrizen verwendet werden, allerdings sollten sie zur Abschwächung ihrer Hydrophilie zusammen mit einem lipophilen Gegenion, beispielsweise Tetraphenylborat, eingesetzt werden.
Die erfindungsgemässen optochemischen Sensorelemente zeigen eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber Reinigungs-Prozessen und Sterilisationen, z. B. Autoklavieren (30 min bei 1300C in Wasserdampfatmosphäre) oder gegenüber CIP-Behandlungen (30 - 60 min mit 3%-iger NaOH-Lösung bei 900C).
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Polymer aus Ethylen-Norbornen Copolymeren und Poly(n-methylmethacrylimid) ausgewählt. Diese Polymermatrizen sind kommerziell unter dem Namen Topas (Ethylen-Norbornen Copolymeren) und Pleximid (Poly(n-methylmethacrylimid)) erhältlich.
Diese Polymere sind als Polymermatrizen zur Immobilisierung von Fluorophoren für autoklavierbare optochemische Sensorelemente, insbesondere sauerstoffsensitive Sensorelemente, aufgrund ihrer nachfolgend beschriebenen Eigenschaften besonders gut geeignet.
Die Polymere weisen eine sehr gute optische Transparenz auf, so dass optische Strahlung durch die Polymermatrix hindurch den Fluorophor anregen kann. Die optische Transparenz (gemäss ISO 13468-2) für Topas liegt bei ca. 91 % (Typen: 5013X25 Tg = 134°C; 6013S-04 Tg = 138°C; 6015S-04 Tg = 158°C; 6017S-04 Tg = 178°C; 5013S-04 Tg = 134°C; TKX-0001 Tg = 134°C) und für PMMI bei etwa 90-91 %. Alternativ wird für die optischen Topas-Grade der „Haze" nach ISO 14782 angegeben. Dieser beträgt für die Topas-Qualitäten < 1 % (Typen: 5013X14 Tg = 136°C; 6013F-04 Tg = 1400C).
Die Polymere besitzen eine gute Licht- und/oder Strahlungsbeständigkeit, so dass die optische Transparenz der Polymermatrix auch nach Bestrahlung des Sensorelements mit einer zur Anregung des Fluorophors geeigneten Strahlung gewährleistet bleibt. Geeignete Fluorophore werden z. B. mit Strahlung aus dem nahen UV-Bereich und/oder UV-VIS-Bereich angeregt, vorzugsweise mit Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen etwa 320 nm und etwa 700 nm. Die Polymere weisen auch eine sehr hohe Beständigkeit gegenüber Gammastrahlung und Gammastehlisation sowie gegenüber Sterilisation mit Ethylenoxid auf. Dieses sind häufig eingesetzte Methoden zur Sterilisation von Sensorelementen. Die optochemischen Sensorelemente, insbesondere die verwendeten Polymere, dürfen dabei weder vergilben noch andere Schäden nehmen, wie z. B. verspröden, hydrophilisieren oder einem Polymerabbau, einem Abbau der Kettenlängen oder einer unkontrollierte Polymervernetzung unterliegen.
Zudem sind Polymermatrizen aus Ethylen-Norbornen Copolymeren oder Poly(n- methylmethacrylimid) auch beständig gegenüber Dampfsterilisationen (1300C in Wasserdampfatmosphäre).
Die bevorzugten Polymermatrizen besitzen eine ausreichend hohe Sauerstoffpermeation (250 cm3*100μm/(m2*Tag*bar) für Topas 5013X14 Tg = 136°C und 280 cm3*100μm/(m2*Tag*bar) für Topas 6013F-04 bei 23°C 50% rel. Feuchte) (gemäss ASTM D3985). Dadurch können erfindungsgemässe optochemische Sensorelemente mit kleinen Ansprechzeiten realisiert werden.
Im Weiteren zeigen die bevorzugten Polymermatrizen eine nur geringe Wasseraufnahme, Wasserdampfdurchlässigkeit und Quellneigung in polaren Lösungsmitteln wie Aceton oder Isopropanol. Dieses ist deshalb vorteilhaft, da Wasser und verschiedene Lösungsmittel die Matrix sowie deren Stern-Vollmer-Charakteristik verändern können. Ferner ist mit zunehmender Wasseraufnahme auch mit einer
Diffusion von Ionen, insbesondere von Fremdionen, in die Polymermatrix zu rechnen, was aus Gründen der Interferenz letzterer dringend zu vermeiden ist. Zudem führt eine Aufnahme von Wasser oder Lösungsmittel auch zu einer unerwünschten Quellung der Polymermatrix, was letztlich die Fluorophor-Konzentration im Polymer bzw. in der Polymermatrix beeinflusst, und was in Messungenauigkeiten resultieren kann. Die Polymermatrix hat also auch eine Membranfunktion, indem sie einerseits für den Analyten, insbesondere für Sauerstoff, permeabel ist und andererseits Wasser, Wasserdampf, Lösungsmittel und Ionen zurückhält, so dass ein Abbau des Fluorophors durch eindringende Stoffe vermieden werden kann. Für Topas (Ethylen-Norbornen Copolymere) werden die folgende Wasseraufnahme und die folgende Wasserdampfpermeation angegeben.
Wasseraufnahme(nach ISO 62): 0.01 % (alle Topas-Typen)
Wasserdampfpermeation (38°C, 90% rel. Feuchte): 1.0 g*100μm/(m2*Tag) (Topas Typ 5013X14) 1.3 g*100μm/(m2*Tag) (Topas Typ 6013F-04)
Gängige Polymermatrizen, die zur Immobilisierung von Fluorophoren verwendet werden, weisen wesentlich höhere Wasseraufnahmen auf, z. B. Polyethehmide (PEI) 0.25%, PSU 0.24% und Polyethersulphon 0.4%.
Weiterhin sind die Fluorophore in den bevorzugten Polymermatrizen gut löslich. Die Konzentration des im Polymer gelösten Fluorophors ist genügend gross, um bei dünnen Sensorelementen eine gute Fluoreszenzantwort und eine schnelle bzw. kurze Ansprechzeit zu erhalten.
Weitere geeignete Polymere sind cyclische Olefin-Polymere (COP), welche kommerziell unter den Namen Zeonex oder Zeonor erhältlich sind, oder Poly(n- methylmethacrylimid) (PMMI), welches unter dem Namen Pleximid kommerziell erhältlich ist.
Für diese Polymere werden die folgenden Eigenschaften angegeben:
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Die Glasübergangstemperatur von Zeonex und Zeonor ist je nach tatsächlicher Zusammensetzung der Polymere einstellbar.
Für die Filmbildung aus Lösung ist es vorteilhaft, dass das Polymer in einem geeigneten Lösungsmittel mit hohem Dampfdruck löslich ist. Es ist wichtig, dass sich der gewählte Fluorophor ebenfalls in genügender Konzentration in demselben Lösungsmittel löst, um eine gleichmässige Verteilung des Fluorophors in der Polymermatrix zu erreichen. Mögliche Lösungsmittel für die erfindungsgemässen Polymere sind Chloroform und Cyclohexan.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen optochemischen Sensorelements umfasst die Polymermatrix Ethylen-Norbornen Copolymere.
Die Ethylen-Norbornen Copolymere (Cyclische Olefin-Copolymere, COC) weisen hohe Glasübergangstemperaturen (Tg) auf. Mit Glasübergangstemperaturen, die höher liegen als die beim Autoklavieren üblicherweise gewählten 1300C wird verhindert, dass die Polymerketten während eines Autoklavierzyklus beweglich werden und der
Fluorophor aus der Matrix diffundieren kann. Dadurch wird ein Verlust des Fluorophors praktisch vermieden, was eine hohe Lebensdauer des erfindungsgemässen Sensorelements bewirkt. Durch die Variation des Norbornen-Anteils im Copolymer kann zudem die Glasübergangstemperatur des Polymers beeinflusst und damit dem gewünschten Zweck angepasst werden.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen des optochemischen Sensorelements umfasst die Polymermatrix cyclische Olefin-Polymere (Zeonex, Zeonor; COP) oder Poly(n-methylmethacrylimid) (PMMI).
In einer weiteren Ausführungsform ist die Polymermatrix auf einem Träger aufgebracht. Dadurch weist das optochemische Sensorelement eine sehr gute
Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Belastungen, z. B. erhöhten Drücke oder Druckschwankungen in Bioreaktoren, auf. Bevorzugte Materialien, aus welchen Träger hergestellt werden können, sind Glas, Polyester, amorphe oder teilkristalline Polyamide, Polyacrylate, Polycarbonate, COC- Polymere (Topas), COP-Polymere (Zeonor, Zeonex) und Poly(n-methylmethacrylimid). COC-Polymere sind unter dem Namen Topas (Ticona-Polymer), COP-Polymere unter den Markennamen Zeonor oder Zeonex (Zeon Chemicals) und Poly(n- methylmethacrylimid) unter dem Namen Pleximid (Röhm GmbH) erhältlich.
Neben den bereits erwähnten Trägermaterialien können auch hybride Träger aus Kombinationen dieser Materialien, wie beispielsweise einem Glas-Polymer- Verbundmaterial, verwendet werden.
Die zu den cyclischen Olefin-Copolymeren (COC) zählenden Ethylen-Norbornen
Copolymere sind als Material für den Träger bevorzugt, da sie im Wesentlichen keine Eigenfluoreszenz und eine sehr gute optische Transparenz aufweisen, welche sie auch nach einer Alterung behalten.
In einer weiteren Ausführungsform weist die das Sensorelement eine Deckschicht auf. Diese Deckschicht muss für den Analyten durchlässig sowie für Fremdstrahlung undurchlässig sein, so dass eine Störung der Fluoreszenzmessung durch Fremdlicht oder Fluoreszenz aus der Messprobe vermieden werden kann. Mögliche Materialien für die Deckschichten sind weisse, poröse Teflonschichten (Dicke 5 μm) oder weisse sauerstoffpermeable Siliconschichten oder weisse poröse Papiere.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Polymermatrix in Form von
Polymersphären oder Matrix-Bruchstücken in einen Siliconfilm eingebettet. Der Fluorophor wird direkt in den Polymersphären oder Matrix-Bruchstücken immobilisiert. Dieses ist vorteilhaft, die im Silicon eingebetteten Sphären oder Bruchstücke aufgrund von diffuser Streuung die Fluoreszenz verstärken.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Analyt gasförmiger oder gelöster Sauerstoff, welcher z. B. in wässrigen Lösungen oder Medien oder in Medien, die geringe Anteile an polaren Lösungsmitteln, wie z. B. Methanol, Ethanol, Aceton oder Isopropanol enthalten, gelöst ist. In weiteren Ausführungsformen ist der Analyt gasförmiges oder gelöstes SO2, gasförmiges oder gelöstes H2O2, SO2 oder Stickoxid.
Insbesondere zur Bestimmung von gasförmigem oder gelöstem Sauerstoff ist es vorteilhaft, wenn der Träger für Sauerstoff undurchlässig ist und eine möglichst geringe Sauerstoff-Löslichkeit aufweist. Auf diese Weise kann die Funktionsfähigkeit des optochemischen Sensorelements gewährleist werden und dieses im Wesentlichen driftfrei und mit einer kurzer Ansprechzeit betrieben werden. Vorzugsweise weist der Träger eine Sauerstoffpermeabilität und Sauerstofflöslichkeit auf, welche wesentlich kleiner ist als die der Polymermatrix in der der Fluorophor immobilisiert wird.
Erfindungsgemässe Sensorelemente können, wie es im Zusammenhang mit mehreren Ausführungsbeispielen im Folgenden beschrieben wird, mit verschiedenen Verfahren hergestellt werden.
Bei der Herstellung der erfindungsgemässen Sensorelemente beeinflusst die Schichtdicke der Polymermatrix mit dem immobilisierten Fluorophor zwei wichtige Grossen beim Messen von Analyten mittels Fluoreszenzlöschung. Zum einen bestimmt die Schichtdicke die Emissionsrate bzw. Reflexionsrate und damit die Intensität der Fluoreszenzantwort und zum anderen ist sie massgeblich für die Ansprechzeit der Messvorrichtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Polymermatrix mit dem Fluorophor als Film entweder direkt auf einem Träger gebildet oder nach der Film-Bildung auf den Träger aufgebracht. Um einen guten Verbund zwischen Film und Träger zu gewährleisten, werden vorzugsweise Haftvermittler oder Klebstoffe eingesetzt. Die Polymermatrix kann durch verschiedene Verfahren, wie Dip-Coating, Spin-Coating oder mittels Rakelfilmbildung auf einen Träger aufgebracht werden.
Es ist auch möglich, eine Polymermatrix mit immobilisiertem Fluorophor direkt auf einen Kern eines Lichtleiters zu applizieren. Interessant ist diese Methode vor allem für spröde Polymertypen, wie z. B. Topas (Tg = 1800C), welche nach dem Applizieren mechanisch möglichst nicht mehr belastet und damit beispielsweise durch Absplittern beschädigt werden dürfen. Die Auftragung auf einen Lichtleiterkern ist beispielsweise mit Topas möglich. Dazu wird die Polymermatrix mit dem immobilisierten Fluorophor direkt auf den Kern eines POF-Lichtleiters (Polymerie Optical Fibre) angeordnet, dessen Kern vorzugsweise aus einem Polymer mit hohem Brechungsindex besteht, wie beispielsweise Poly(pentabromo-phenylacrylat-co-glycidyl-methacrylat).
Es zeigen rein schematisch:
Fig. 1 eine optochemische Messvorrichtung mit einem erfindungsgemässen Sensorelement;
Fig. 2 ein optochemisches Sensorelement als Teilvergrösserung von Figur 1 ;
Fig. 3 eine Ausführungsform des optochemischen Sensorelements;
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform des optochemischen Sensorelements.
Figur 1 zeigt den Aufbau einer optochemischen Messvorrichtung 1 mit einem erfindungsgemässen Sensorelement 9. Die Messvorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 3, in dem eine Strahlungsquelle 5, beispielsweise eine LED, ein Spiegel 7, das optochemische Sensorelement 9, ein Strahlteiler oder Filter 11 , ein Detektor 13 und eine Messelektronik 15 angeordnet sind. Die von der Strahlungsquelle 5 emittierte Strahlung, das Anregungslicht oder die Anregungsstrahlung, wird über den Spiegel 7 und den Strahlteiler 11 auf das optochemische Sensorelement 9 gelenkt. Das optochemische Sensorelement 9 steht mit dem Medium 17, das den zu messenden Analyten enthält, in Kontakt. Die nach Anregung des Fluorophors im optochemischen Sensorelement 9 emittierte Fluoreszenz passiert den Strahlteiler 11 ohne Ablenkung und trifft auf den Detektor 13, dessen Signal von der Messelektronik 15 verarbeitet und über einen Transmitter oder eine Schnittstelle 19 weitergeleitet wird. Der Strahlengang 21 ist lediglich schematisch angedeutet.
Figur 2 zeigt in einer Teilvergrösserung der optochemischen Messvorrichtung 1 das optochemische Sensorelement 9 in seiner einfachsten Ausführungsform. Er umfasst eine Polymermatrix 23 und einen darin immobilisierten Fluorophor 25. Figur 3 zeigt eine Ausführungsform des optochemischen Sensorelements 9 der Messvorrichtung 1. Die Polymermatrix 23 mit dem darin immobilisierten Fluorophor 25 ist auf einem Träger 27 angeordnet. Dieser Träger verleiht der Membran 9 die nötige mechanische Stabilität, um beispielsweise Druckschwankungen standzuhalten. Ebenfalls gezeigt ist die Anregungsstrahlung 29, die nach dem Passieren des Trägers 27 auf den in der Polymermatrix 23 immobilisierten Fluorophor 25 trifft und die von diesem emittierte Fluoreszenz 31. Die Intensität der Fluoreszenzantwort wird durch den Analyten 33, z. B. Sauerstoff, beeinflusst.
In Figur 4 wird eine weitere Ausführungsform des optochemischen Sensorelements 9 gezeigt, welche mindestens eine, hier sind zwei gezeigt, zusätzliche Deckschicht 34, 36 zur Abgrenzung der Polymermatrix 23 gegenüber dem Medium aufweist. Diese Deckschicht 34, 36 ist vorzugsweise für den Analyten permeabel und für Fremdstrahlung undurchlässig, so dass von aussen einfallende Fremdstrahlung vorzugsweise an der Deckschicht 34, 36 reflektiert wird und nicht in die Polymermatrix 23 eindringt.
Das Sensorelement 9 umfasst einen Glaswafer als Träger 27, an den wie bereits in Figur 3 gezeigt eine Polymermatrix 23 aufgebracht ist, in der ein Fluorophor 25 immobilisiert ist. Die Polymermatrix 23 ist im Wesentlichen optisch transparent. An die Polymermatrix 23 grenzt eine erste Deckschicht 34 an, welche hier beispielsweise eine weisse Siliconschicht ist. An dieser ersten Deckschicht 34 wird die
Anregungsstrahlung 29 im Wesentlichen reflektiert, so dass eine hohe Fluoreszenzausbeute und kleine Ansprechzeiten realisiert werden können. Vorzugsweise wird die emittierte Fluoreszenz oder Fluoreszenzantwort 31 nahezu vollständig an der Grenzschicht 35 zwischen der ersten Deckschicht 34 und der Polymermatrix 27 reflektiert oder diffus gestreut und dann zum Detektor gelenkt (s. Figur 1 ).
Zusätzlich kann das Sensorelement 9, wie hier gezeigt, mit einer weiteren Deckschicht 36 abgedeckt werden, welche beispielsweise als schwarze Siliconschicht ausgestaltet ist. Die weitere Deckschicht 36 ist vorzugsweise für den Analyten permeable und strahlungsundurchlässig, so dass weder Fluoreszenzstrahlung aus dem
Sensorelement in das Messmedium austreten kann, noch die Messung mit dem Sensorelement 9 durch von aussen eindringendes Fremdlicht gestört werden kann. Als weisses Silicon wird hier beispielsweise mit TiO2 versetztes Silicon bezeichnet und als schwarzes Silicon mit Russpartikeln versetztes Silicon.
Beispiel 1 (Topas, Ethylen-Norbornen-Copolymere)
22g Topas 6017S-04 wurden in 275g Chloroform gelöst. Dieser Lösung wurden anschliessend 0.5g Pt(ll)-meso-Tetra(pentafluorophenyl)porphin (CAS-No.: 109781 - 47-7) zugesetzt. Nach kurzem Aufheizen und Abkühlen war die Lösung bereit für die Filmbildung. Pt(ll)-meso-Tetra(pentafluorophenyl)porphin eignet sich besonders gut für Messungen von hohen Sauerstoffkonzentrationen.
Alternativ wurde die analoge Pd(ll)-Verbindung Pd(ll)-meso-Tetra(pentafluorophenyl)- porphin eingesetzt, welches sich besonders gut für Messungen von niedrigen Sauerstoffkonzentrationen eignet.
Als weitere Alternative wurde Topas in Cylcohexan gelöst und mit Pd(ll)-meso- Tetraphenyl-tetrabenzophorphin versetzt.
Die Filmbildung kann alternativ nach allen gängigen Methoden für die Filmbildung aus Lösungsmitteln erfolgen. In einer ersten Methode wurden die Filme mittels Spin- Coating erhalten.
Ein 5x5 cm2 Glaswafer (Durchmesser = 1 mm) wurde gut gereinigt und mit einer alkoholischen Lösung von Glycidyloxypropyl-thmethoxysilan zur besseren Haftung der Polymermatrix vorbehandelt.
Anschliessend wurde der Spin-Coater (Lot Oriel, Modell SCI-20) mit den Wafern beladen. Zur gleichmässigeren Filmbildung musste die Waferoberfläche vollständig mit der Fluorophor-Polymerlösung bedeckt werden. Die den ganzen Wafer bedeckende Lösung wurde anschliessend mit einer Umdrehungszahl von 3000 UpM abgespinnt (Beschleunigung = 2000 UpM/Sec; Abspinnrate = 3000 UpM). Dabei wird verhältnismässig viel der teuren, Platin-Fluorophore enthaltenden Polymerlösung abgespinnt und verbraucht. Um trotzdem einen ökonomischen Filmbildungsprozess zu erhalten, wurde die abgespinnte Lösung vorzugsweise aufgefangen, wieder gelöst und so recycliert.
Mit dieser Methode konnten Filmdicken von ca. 5 μm ± 0.2 μm erhalten werden. Um der Filmbildungsneigung des Lösungsmittels entgegenzuwirken, wurden auch Versuche unternommen, die Filme in einer lösungsmittelgesättigten Atmosphäre innerhalb einer Kammer zu bilden. Dadurch konnten Lösungen durch Auftragung von 3 ml Fluorphor-Polymerlösung aus der Wafermitte verspinnt werden. Hierbei resultierten Filmdicken von ca. 5.3 μm, allerdings mit einer etwas grosseren Filmdickenvarianz.
Alternativ wurden die Wafer in einem Dip-Coating- oder Tauchbadverfahren mit der Fluorophor-Polymer-Lösung beschichtet. Die Wafer wurden in die Fluorophor- Polymerlösungen getaucht und anschliessend zur Trocknung der Membranschicht aufgehängt. Ein Problem dieser Methode bestand darin, dass sich die Lösung ca. 2- 3 mm am unteren Waferrand ansammelte, was dort zu verstärkten Filmdicken führte. Diese Teile der Wafer wurden bei der weiteren Verarbeitung aufgrund der zu hohen und/oder zu ungleichmässigen Schichtdicke verworfen. Mit dieser Methode resultierten etwas ungleichmässigere Schichtdicken um die 6 μm, wobei die Schichtdicke gegen den unteren Waferrand leicht zunahm.
Bei einer dritten Methode wird die Fluorophor-Polymerlösung mittels eines Spray- Coatings auf die Wafer gesprüht. Die Wafer werden mit einigem Abstand bis unter die Fliessgrenze der Lösung besprüht. Für etwas dickere Schichtdicken und erhöhte Fliessgrenzen bzw. besserer Standfestigkeit kann die Fluorophor-Polymerlösung auch leicht konzentrierter angesetzt werden, was deren Viskosität schnell erhöht. Mit dieser Methode konnten die gleichmässigsten und dünnsten Filme mit Schichtdicken von z. B. 3.1 μm ± 0.1 μm hergestellt werden.
Bei einer vierten Methode wurden Filme mittels einer Rakelmaschine in sogenannter Dickfilmtechnik hergestellt. Die Rakelmaschine wurde auf einen Schlitzabstand (Abstand Rakel zu Waferunterlage) von 60 μm eingestellt und es wurden Filme aus der Fluorophor-Polymerlösung gezogen. Anschliessend Hess man das Lösungsmittel abdampfen. Resultierende Filme waren leicht wellig und wiesen eine Schichtdicke von ca. 5.1 μm ± 0.4 μm auf.
Bei einer fünften Methode wurden Polymersphären mit immobilisiertem Fluorphor hergestellt. Diese wurden anschliessend in Silicon eingebettet und die eingebetteten Sphären wurden gemäss der vierten Methode zu einem Film ausgezogen. Die Polymersphären wurden durch Ausfällen aus Fluorophor-Polymerlösung unter Zugabe eines weiteren Lösungsmittels, in welchem die Polymersphären unlöslich sind und anschliessendem Zentrifugieren gewonnen. Als weiteres Lösungsmittel eignen sich vor allem polare Lösungsmittel wie beispielsweise Wasser, Aceton, Ethanol oder Mischungen daraus.
Alternativ können Polymersphären durch einen Sprühtrocknungsprozess hergestellt werden.
Als weitere Alternative bietet sich die Herstellung Fluorophor-freier Sphären an, welche anschliessend mit dem Fluorophor behandelt werden, so dass dieses in die Sphären eindiffundiert. Diese Methoden zur Herstellung von Sphären aus Polymermaterialien sind prinzipiell bekannt und werden daher nicht im Detail beschrieben.
Die Schichtdicken der Polymermatrix sind insofern wichtig, als dass sie zwei wichtige Grossen beim optischen Messen des Sauerstoffgehalts mittels Fluoreszenzlöschung beeinflussen. Erstens bestimmt die Schichtdicke die Emissionsrate bzw.
Reflexionsrate und damit die Intensität der Fluoreszenzantwort und zweitens ist sie massgeblich für die Ansprechzeit der Messvorrichtung.
Für eine gute Ansprechzeit sind möglichst dünne Filme vorteilhaft, damit der Sauerstoff einen möglichst geringen Diffusionsweg zur Löschung der Fluoreszenz zurücklegen muss. Die Sauerstoffdiffusionsrate durch das Polymer ist die zweite Grosse, welche die Ansprechzeiten der Sensorelemente beeinflusst. Diese sollte möglichst hoch sein und ist materialspezifisch. Für Topas-Qualitäten liegt sie im Bereiche von 250 (für Topas 5013X14 Tg = 136°C) bzw. 280 cm3*100 μm/(m2*Tag*bar).
Andererseits ist es notwendig, das die Fluoreszenzantwort auch für kleine
Konzentrationen des Analyten eine bestimmte Mindestintensität aufweist, was eine Mindestkonzentration des Fluorophors in der Polymermatrix bedingt. Ferner waschen die Fluorophore z. B. beim Autoklavieren auch weniger schnell aus, wenn die Schichtdicken grösser sind. Um möglichst grosse Fluoreszenzantworten bei gleichzeitig dünnen Schichten zu erhalten, sollte die Konzentration an Fluorophoren in der Polymermatrix und in der Polymerlösung also einerseits gross sein, gleichzeitig aber klein genug sein, um die Polymereigenschaften nicht ungünstig zu beeinflussen, insbesondere Tg, die thermischen Eigenschaften und die Diffusionseigenschaften durch das Polymer hindurch. Mit einer Fluorophor-Konzentration von 2.3% g/g Polymer konnten dabei gute Resultate erzielt werden. Weitere Möglichkeiten zur Verstärkung des Messsignals durch eine Veränderung der Oberflächenstruktur der Polymermatrix werden im Zusammenhang mit den Beispielen 4 bis 6 näher erläutert.
Anstelle des sehr giftigen Lösungsmittels Chloroform kann auch das Lösungsmittel Cyclohexan verwendet werden. Das Polymer Topas löst sich sogar noch besser in diesem Lösungsmittel und ein Kaltlösen des Polymers ist in Konzentrationen bis zu 10% g Polymer/g möglich. Allerdings ist die Löslichkeit für den in diesem Beispiel gewählten Fluorophor etwas schlechter, so dass die Lösung vor der Filmbildung zwingend aufgeheizt und wieder abgekühlt werden musste. Bei der Lösungsmittelwahl ist in jedem Fall zu beachten, dass sowohl das Polymer wie auch der Fluorophor ausreichende Löslichkeiten zeigen müssen. Ferner sollte das Lösungsmittel einen möglichst tiefen Siedepunkt aufweisen, damit es auch wieder aus der Polymermatrix entfernt werden kann. Das Entfernen des Lösungsmittels muss vorsichtig ablaufen, um Blasenbildung in der Polymermatrix zu vermeiden. Deshalb wurden die hergestellten Filme vor dem Trocknen im Vakuumtrockenschrank an der Luft bei Raumtemperatur vorgetrocknet.
Nach der Filmbildung und ca. 24-stündigem Trocknen an der Luft wurden die beschichteten Wafer während 1 h bei 1200C im Vakuumtrockenschrank getrocknet.
Die so hergestellten Schichten wurden anschliessend alternierend mit weissen, porösen Teflonschichten (Dicke 5 μm) oder aber mit weissen Siliconschichten als optische Abdeckung oder Deckschicht versehen, um das Messsystem vor Fremdlicht und störender Fluoreszenz aus dem Messmedium zu schützen. Um schnelle Ansprechzeiten zu erhalten und um auf eine Schichtdickenvergrösserung durch zusätzliche weisse Siliconschichten zu verzichten und trotzdem gute Reemissionswerte zu erzeugen, kann die sensitive Schicht auch mit einem weissen, porösen Papier oder Fliessblatt abgedeckt werden. Zusätzlich wurde teilweise noch eine weitere schwarze Silicon- oder Teflon-Deckschicht aufgebracht, um das Eindringen von störendem Fremdlicht in das Sensorelement weiter zu reduzieren.
Mit derartigen Sensorelementen, auch Spots genannt, wurden anschliessend, nach Ermittlung der Stern-Vollmer-Kennlinie, Sauerstoffmessungen sowohl in der Gasphase wie auch in Flüssigkeiten durchgeführt. Angeregt wurden die Fluorophore mittels einer grünen LED und entsprechenden optischen Filtern bei ca. 505 nm mittels eines sinusförmigen Anregungssignals. Aus der Fluoreszenzantwort bei 650 nm wurde anschliessend eine Phasenverschiebung ermittelt.
Bei der Verwendung von Pt(ll)-meso-Tetra(pentafluorophenyl)porphin als Fluorophor ergaben sich dabei folgende Ergebnisse: Das UV/VIS-Spektrum des Fluorophors
Pt(ll)-meso-Tetra(pentafluorophenyl)porphin (CAS-No.: 109781 -47-7) zeigt ein erstes Absorptionsmaximum bei ca. 492 nm und zwei weitere schwächere Maxima bei ca. 507 nm und ca. 540 nm.
Das Spektrum des immobilisierten Fluorophors änderte sich kaum. Störende Matrixeffekte aufgrund einer möglichen Lumineszenz konnten bei Immobilisierung des Fluorophors Pt(ll)-meso-Tetra(pentafluorophenyl)porphin nicht festgestellt werden.
Folgende Ansprechzeiten wurden für die so hergestellten, Pt(ll)-meso- Tetra(pentafluorophenyl)porphin enthaltenden Sauerstoffelementen vor und nach dem Autoklavieren in der Gasphase sowie in Lösung ermittelt:
Figure imgf000021_0001
7**Ansprechzeiten t98% wurden ermittelt a.) aus Mediumswechsel Luft -> Stickstoff; Stickstoff -> Luft und b.) aus Mediumswechsel sauerstoffgesättigtes Wasser -> sauerstofffreies Wasser (Wasser + Na-Disulphit + Spur Cobalt).
Die Nachweisgrenze der Fluoreszenzausbeute lag für das verwendete Messgerät bei ca. 5000 counts. Wird dieser Wert unterschritten, liegt die Analytkonzentration unterhalb der Nachweisgrenze und/oder das Sensorelement ist zu ersetzen.
Die Ansprechzeiten verlängerten sich nach 30 Autoklavierzyklen nur unwesentlich. Je dicker die Schichten und insbesondere auch die Siliconschichten sind, desto länger wurden die Ansprechzeiten. Es konnten Messspots mit guten, für Sterilisationsprozesse in der Food- und Pharmaindustrie ausreichend schnellen Ansprechzeiten, auch nach mehreren Autoklavierzyklen, hergestellt werden. Auch nahm die Intensität der ermittelten Fluoreszenz der Spots durch das Autoklavieren (in Phosphatpuffer) kaum ab, die Fluorophore wurden kaum ausgewaschen und sind durch die thermische Behandlung kaum ausgebleicht. Es ist bekannt, dass der Farbstoff selbst temperaturresistent ist. Die gute Resistenz gegen Auswaschen und Degradation des Fluorophors wird dem hohen Tg des immobilisierenden Polymers, sowie dessen geringer Wasseraufnahme, vor allem bei hohen Temperaturen, zugeschrieben.
Beispiel Nr. 2: Optochemisches Sensorelement mit polymeren Wafern
Ein weiteres Beispiel für ein erfindungsgemässes optochemisches Sensorelement beinhaltet die Verwendung von polymeren Wafern als Träger. Polymere Wafer als Träger verbessern die Haftung der Polymermatrix mit dem immobilisierten Fluorophor auf dem Träger, insbesondere nach Alterung oder einer Vielzahl von
Autoklavierzyklen. Die Benetzung des Wafers während des Spin-Coating-Prozesses und somit die Filmuniformität wird zudem massgeblich von der Übereinstimmung der Hydrophilie zwischen Substrat oder Träger und dem aufgespinnten Lösungsmittel mit dem darin gelösten Polymer und Fluorophor beeinflusst.
Polymere Wafer sind wesentlich hydrophober als Glasoberflächen und der Hydrophiliematch des Lösungsmittels, hier Chloroform oder Cyclohexan, zum Wafersubstrat ist wesentlich besser, was eine bessere Benetzung des Wafers und somit homogenere Filmoberflächen mit geringerer Topographie zulässt. Auch ist die Haftung der aufgespinnten Polymerfilme auf den polymeren Wafern besser als auf silanisierten Glasoberflächen. Auf einen Layeraufbau durch Zusammenkleben der einzelnen Layer kann vollends verzichtet werden.
Die verbesserte Haftung beruht einerseits auf einem verbesserten Hydrophiliematch zwischen Polymerfilm oder Polymermatrix und dem darunter liegendem Wafer, andererseits auf der Tatsache, dass die Lösungsmittel diese Wafer teilweise oberflächlich angreifen und die oberste Polymerschicht des Wafers anzulösen vermögen. Beim Abdampfen des Lösungsmittels verkeilen dann die angelösten Polymerketten des Wafers mit den noch in Lösung befindlichen Polymerketten des aufgebrachten Films, was zu einer enormen Haftungssteigerung führt und die Autoklavierbarkeit der Sensorelemente stark verbessert. Mit folgendem Vorgehen konnten optimale Spots erhalten werden.
Polymerlösung:
22 g Topas 6015S-04 wurden in 178 g Cyclohexan unter Rückfluss gelöst. Nach Abkühlen wurden der Lösung 0.46 g Pd(ll)-meso-Tetra(pentafluorophenyl)porphin zugesetzt. Zur besseren Lösung des Fluorophors musste die Lösung nochmals kurz zum Sieden gebracht werden. Die Filmbildung erfolgte anschliessend mittels des Spin-Coating-Verfahrens auf polymeren Wafern, wie semikristallinem PA (z. B. der EMS-Chemie Typ TR XE 3942 Tg = 1900C; max. Gebrauchstemperatur = 1600C, autoklavierbar bei 130°C; Dicke der Wafer O.8 mm) oder Topas selbst (Typ 6015S-04; Dicke 0.8 mm ± 1 mm; max. Gebrauchstemp. > 145°C).
Dabei zeigten sich folgende Effekte:
Die aufgespinnte Lösung verteilte sich besser und gleichmässiger auf der Oberfläche und führt zu gleichmässigeren Filmen als beim Ausspinnen auf unbehandelten Glaswafern oder aber auf silanisierten Glaswafern.
Durch die bessere Übereinstimmung der Hydrophilie zwischen dem Lösungsmittels und dem Wafer, ist die Waferbenetzung wesentlich besser und schneller, so dass die sich an der Oberfläche bildende Filme keine starken Topographieunebenheiten aufweisen. Vorzugsweise wurden die Topas-Wafer direkt nach dem Aufbringen der Lösung aus Lösungsmittel-gesättigter Atmosphäre abgespinnt. Topas wird durch das aufgebrachte Cyclohexan angelöst, was die Haftung des aufgespinnten Films verbessert. Auf diese Weise konnten durchsichtige klare Spots aufgebaut werden.
Polyamid-Wafer (PA-Wafer) sind wesentlich beständiger gegenüber Cyclohexan und lassen sich durch letzteres allenfalls anlösen. Von den Polymer-Materialien weist vor allem COC/Topas eine sehr gute optische Transparenz im unteren Wellenlängenbereich auf, was insbesondere bei kurzen Anregungswellenlängen der Fluorophore (bis 400nm) wichtig ist. Dadurch vergrössert sich die Fluoreszenzausbeute, da die Absorption der Fluoreszenz im Trägermaterial des optochemischen Sensorelements geringer ist.
Nach Trocknung an der Luft und im Ofen bei 1200C wurden die Wafer einem initialen Autoklavierzyklus unterzogen.
Nach Applikation einer ca. 60 μm dicken optischen Abdeckung aus weissem Silicon wurden die Spots analog Beispiel 1 vermessen. Es resultierten Ansprechzeiten von ca. 30 Sekunden in der Gasphase und ca. 80 Sekunden in kondensierten Phasen. Mit ca. 14000 counts (in Luft) für die Spots auf Topas-Wafern war die Fluoreszenzausbeute genügend hoch, während die Spots auf PA-Wafern lediglich ca. 9000 counts zeigten, was an der geringeren Transparenz der PA-Wafer liegt.
Die Spots wurden anschliessend Alterungen und vor allem wiederholten CIP-Zyklen unterzogen, wobei sowohl mit Salpetersäure wie auch mit Natronlauge gereinigt wurde (70h 5% NaOH 800C oder 70h HNO3 5% 800C). Dabei zeigte sich die hervorragende Laugen- und Säurestabilität des Polymers COC. Die PA-Wafer zeigten nach Behandlung mit Lauge keine Veränderungen, vergilbten jedoch in Salpetersäure. Die nach Säurebehandlung vergilbten PA-Wafer wiesen eine erhöhte Absorptionsrate auf, was eine Verschlechterung der Sensorelementcharakteristik bedingte. Im Gegensatz dazu wiesen die COC-Wafer nach CIP-Prozeduren in Lauge wie auch in Säure keine Transmissionverluste oder Verfärbungen auf.
Beispiel Nr. 3: Optochemisches Sensorelement mit hybriden Wafern
Ein weiteres Beispiel weist hybride Wafer als Alternative zu den als Träger verwendeten polymeren Wafern aus Beispiel 3 auf. Hybride Wafer bestehen im Wesentlichen aus einem sauerstoffundurchlässigen Glas, welches mit einem gut haftenden polymeren Haftvermittler für die aufzuspinnende Fluorophor-Polymerlösung versehen ist. Vorzugsweise wurde der Haftvermittler möglichst dünn aufgebracht, so dass dieser beim Aufspinnen eines Polymerfilms zwar in Wechselwirkung mit dem Lösungsmittel treten kann, jedoch das durch den Haftvermittler entstehende Sauerstoffreservoir möglichst gering gehalten wird. Haftvermittler sollten eine Schichtdicke von 10-20 μm nicht übersteigen, eine möglichst geringe
Sauerstofflöslichkeit aufweisen und zudem transparent sein. Auf diese Weise wird wiederum eine Verkettung der Polymerketten zwischen dem angelösten Haftvermittler und dem aufzuspinnenden Polymer ermöglicht, was zu auch nach Alterung gut haftenden Sensorelementen führt, welche analog zu den in Beispiel 2 beschriebenen Sensorelementen hergestellt werden können.
Vorteilhaft an der Verwendung von hybriden Wafern ist, dass diese im Vergleich mit polymeren Wafern im Wesentlichen keine Sauerstoff-Permeabilität zeigen und zudem driftfreie Sensorelemente realisiert werden können. Das geringe Sauerstoffreservoir verringert zudem die Ansprechzeit des Sensorelements. Als Haftvermittler wurde zunächst eine Topas-Schicht oder einer Epoxy-Schicht aufgebracht.
Topas als Haftvermittler wurde als etwas 10 μm dicke Schicht auf einen hybriden Wafer durch Spin Coating aufgebracht. Der so vorbereitete Wafer wurde anschliessend wie in Beispiel 1 beschrieben weiterbehandelt.
Epoxy als Haftvermittler ist im Wesentlichen optisch transparent und zudem zeigen Epoxide eine besonders geringe Sauerstofflöslichkeit, wodurch auch dickerer
Schichten realisiert werden konnten. Als Haftvermittler können beispielsweise die niederviskosen Epoxyprodukte verwendet werden, welche unter der Bezeichnung EPOTEK 301 , 302, 302FL von EPOTEK vertrieben werden und in dünnen Schichten mittels Spin-Coater auf Glaswafer aufgespinnt werden können. Die Epoxy-Haftvermittlerschicht wurde wie folgt auf einen Glaswafer aufgebracht, welcher anschliessend gemäss dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren weiterbehandelt wurde.
Die Glaswafer wurden zur besseren Benetzung der Epoxyschichten vorgängig mit Epoxypropyltrimethoxysilan vorbehandelt, dabei reagiert einerseits die Silangruppe mit der Glasoberfläche und andererseits bildet sich eine kovalente Bindung zwischen der Epoxy-Gruppe des Silans und dem Epoxyhaftvermittler aus. Auf den so vorbehandelten Wafer können glatte Epoxyfilme aufgespinnt werden.
Auf den vorbehandelten Glaswafer wurde anschliessend Epotek301 mit einer Endrehzahl von ca. 3000 Upm/Min aufgespinnt. Um eine optimale Haftung der anschliessend aufgebrachten Fluorophor-Polymerschicht zu erreichen, wurde das aufgespinnte Epoxy zunächst 1 h bei ca. 500C nur teilweise ausgehärtet, hier bis ca. 2/3 seiner Endhärte, und erst nach Aufbringen der Fluorophor-Polymerlayer zusammen mit dieser vollständig ausgehärtet. Die Härtezeit von EPOTEK 301 liegt bei etwa 1 h 65°C oder 24h 23°C.
Beispiel 4: Applikation auf Lichtleiter
In einem weiteren Beispiel wird die Polymermatrix mit dem immobilisierten Fluorophor als Cladding oder Teil des Claddings auf den Kern eines POF-Lichtleiters (Polymerie Optical Fibre) aufgebracht. Ein Lichtleiter besteht in der Regel aus einem lichtleitenden Kern, welcher von einem Cladding und einem Mantel umgeben ist. Der Mantel dient vor allem als äusserer Schutz des Lichtleiters.
Es ist darauf zu achten, dass das Polymer, in dem der Fluorophor immobilisiert ist, über einen kleineren Brechungsindex verfügt, als das Material des darunterliegende Kerns, damit es am Kern-Cladding-Interface zu einer Totalreflektion kommt. Der Fluorophor in der Polymermatrix wird dann durch das evanescente Feld des
Lichtleiters angeregt. Der Kern sollte ein Material mit einem Brechungsindex von ca. 1.6 bis 1.8 umfassen. Geeignet sind beispielsweise Lichtleiter mit einem Kern aus Poly(pentabromophenyl acrylat-co-glycidyl methacrylat) (Tg. = 162°C, löslich in Chloroform, Fluka Art. -No.: 591408), welches einen hohen Brechungsindex aufweist.
Als Polymermatrix mit immobilisiertem Fluorophor oder Polymer-Cladding können somit alle Polymere mit einem Brechungsindex kleiner 1.6, die zudem über die nötigen thermischen und optischen Eigenschaften verfügen, eingesetzt werden.
Zu diesen zählen sowohl COC, COP als auch PMMI Polymere, welche über folgende Brechungsindices (ISO 489) verfügen: COC (Typ 60155S-04) n = 1.53 PMMI (Pleximid 8817) n = 1.53.
Vorgehen:
Vom POF-Lichtleiter wurde über eine Strecke von ca. 3 mm der Mantel und das Cladding entfernt. Das darunterliegende Kern-Material aus Poly(pentabromophenyl acrylat-co-glycidyl methacrylat) wurde anschliessend mit Ethanol gereinigt.
Anschliessend wurde die Spitze mittels Dip-Coating in einer Fluorophor-Polymerlösung sehr niedriger Viskosität (6.25 % Topas gelöst in Chloroform, 2.5 % Fluorophor g/g Polymer) beschichtet. Der durchs Dip-Coating resultierende Polymertropfen am Ende der Glasfaser wurde mittels eines Messers abgeschnitten und das anschliessend freiliegende Faserende wurde mit Silber als Reflektor beschichtet. Anschliessend wurde das ganze Faserende (Spitze mit Silberbelag incl. 3 mm-Polymerschicht mit immobilisiertem Fluorphor) mit einer sauerstoffpermeablen Verkleidung oder Mantel versehen.
Die Verkleidung sollte wiederum den kleineren Brechungsindex aufweisen als das darunterliegende Polymer-Cladding. Weiterhin sollte die Verkleidung sauerstoffpermeabel und elastisch sein, um einen guten Schutz für den Kern und das Cladding zu bieten. Ein Beispiel einer derartigen sauerstoffpermeablen Verkleidung ist ein weisses RTV-Silicon (Silicon aus Vinyl-terminiertem Poly(dimethylsiloxan)), wie es in den Beispielen 1 bis 3 bereits als optische Abdeckung verwendet wurde. Das Silicon ist hierbei vorzugsweise weiss, um die Einkopplung von störendem Fremdlicht in den Lichtleiter zu verhindern. Die Verkleidung wurde mit einer Schichtdicke von maximal etwa 100 μm aufgebracht, um Sensorelemente mit einer kurzen Ansprechzeit zu realisieren.
Mögliche Produkte für eine solche Verkleidung sind die Siliconprodukte der Gelest Inc. (Gelest OE™41 /42/43) mit Brechungsindices von 1.41 bis 1.43 gefüllt mit Titandioxid oder ein regulärer, niedrigviskoser RTV-Silicon der DowCorning, z. B. dem RTV 732 „weiss". Letzteres Silicon ist als weisses Silicon erhältlich und von der FDA für den Kontakt mit Lebensmitteln zugelassen. Weitere geeignete Siliconprodukte sind kommerziell erhältlich.
Applizierte Polymerlösung:
1g Topas (Typ 6015S-04) wurden in 15g Chloroform gelöst. Der Chloroformlösung wurden anschliessend 0.0253g Pt(ll)-meso-Tetra(pentafluorophenyl)porphin zugesetzt und gut gelöst. Hierfür wurde unter Rückfluss kurz aufgeheizt. In diese Lösung wurde anschliessend zum Dippen der vorbehandelten Glaswellenleiter verwendet.
Alternativ wurde die analoge Pd(ll)-Verbindung Pd(ll)-meso-Tetra(pentafluorophenyl)- porphin eingesetzt. AIs weitere Alternative wurde Topas in Cylcohexan gelöst und mit Pd(ll)-meso- Tetraphenyl-tetrabenzo-phorphin versetzt.
Resultat:
Wegen des Dippens in einer relativ viskosen Siliconlösung wurden die optischen Schutzschichten bzw. der Mantel für die Lichtwellenleiter relativ dick, was sich in den Ansprechzeiten der so hergestellten Sensorelemente niederschlug. Mit dem Gelest- Produkt konnten wegen der niedrigeren Viskosität die dünneren Verkleidungen erhalten werden, was zu schneller reagierenden Sensorelementen führte, als die mit Silicon (Typ 732) „weiss" beschichteten Lichtwellenleiter. Hingegen ist der mit Gelest- Coating beschichtete Lichtleiter empfindlicher gegenüber Fremdlicht, da er TiO2-frei und damit transparent, wie von Gelest erhalten, appliziert wurde. Für weitere Experimente sollte eine weisse Tiθ2-Schicht als Lichtbarriere eingeführt werden. Aufgrund der Transparenz des Materials mussten die Messungen unter Ausschluss von Fremdlicht durchgeführt werden. Mit beiden Arten von optischer Abdeckung konnten Sensorelemente mit einem ausreichenden Fluoreszenzsignal erhalten werden.
Aufgrund der Chloroform-Löslichkeit des Kernmaterials Poly(pentabromophenyl acrylat-co-glycidyl methacrylat) und dessen Temperaturstabilität, konnte eine gute Haftung zwischen dem Kernmaterial und dem aufgebrachten Polymer-Cladding erreicht werden. Es konnte gezeigt werden, dass so als Sensorelement präparierte Lichtleiter gegenüber Autoklavierzyklen beständig sind und sofern die Haftung zwischen der Verkleidung und dem Cladding gegeben ist auch für Hochtemperaturanwendungen bis 1300C einsetzbar sind. Die Haftung zwischen Verkleidung und Cladding kann analog zu Beispiel 1 verstärkt oder erzielt werden. Beispiel 5: Wafer mit strukturierter Oberfläche
In einem weiteren Beispiel wird ein Glaswafer mit einer strukturierten Oberfläche als Träger eingesetzt, wobei es sich um eine unregelmässige oder regelmässige Strukturierung handelt. Die Strukturierung des Wafers kann durch Sandstrahlen, Schleifen oder verschiedene bekannte Ätztechniken erfolgen. Mit Hilfe photolitographischer Methoden kann durch Ätzen auch eine regelmässige, definierte Strukturierung und/oder diffus streuende Geometrien hergestellt werden.
Vorgehen:
Es wurden strukturierte Waferoberflächen mit Vertiefungen mit Tiefen von ca. 50- 100 μm nach einem der bekannten Verfahren erzeugt.
Auf die strukturierte Oberfläche der Wafer wurde anschliessend eine Fluorophor- Polymerlösung wie in den vorangegangenen Beispielen aufgespinnt oder alternativ die strukturierte Oberfläche mit der Lösung überspült.
Das so hergestellte Sensorelement wurde nach der Trocknung noch abgeschliffen, so dass Vertiefungen von etwa 5-20 μm verblieben. Durch das Abschleifen entstanden auf der strukturierten Oberfläche sowohl freie Glasareale als auch mit der Polymermatrix mit dem immobilisierten Fluorophor bedeckte Areale. Die freien Glasareale weisen im Vergleich zu den beschichteten Arealen eine erhöhte Alterungsbeständigkeit auf.
Eine Strahlungsundurchlässige Deckschicht kann anschliessend in Dicken von z. B. 50 μm leicht darübergerackelt werden.
An diesen, unterschiedlich ausgeprägten Vertiefung wird das Anregungslicht diffus gestreut, wodurch das Messsignal, hier die Fluoreszenzintensität, verstärkt wird. Beispiel 6: In Silicon immobilisierte Polymershpären
In diesem letzten Applikationsbeispiel werden Sphären aus Topas mit immobilisiertem Fluorophor in Silicon eingebettet und die entstandene Polymermischung auf Glaswafern ausgerakelt.
Vorgehen:
Polymersphären aus den bereits vorgängig erwähnten Fluorophor-Polymer- Mischungen wurden einerseits durch Ausfällen aus der in Chloroform oder Cyclohexan gelösten Fluorophor-Polymerlösung unter Zugabe eines zweiten Lösungsmittels, z. B. Wasser, in welchem die Polymersphären unlöslich sind, und anschliessendem Zentrifugieren gewonnen. Die erhaltenen Sphären wurden anschliessend in einen Siliconfilm eingebettet.
Alternativ wurden Fluorophor-Polymer-Filme mit einer Dicke von weniger als 10 μm auf Glassubstraten nicht haftend ausgespinnt. Die entstandenen Filme wurden von den Substraten abgelöst oder abgezogen und zerkleinert. Die Bruchstücke der Polymermatrix wurden anschliessend in Siliconfilme eingearbeitet.
Resultat:
Es konnte gezeigt werden, dass die Grosse bzw. die Grössenverteilung der Polymersphären einen Einfluss auf die Ansprechzeit des resultierenden Sensorelements hat. Je kleiner die Sphären waren, desto kleiner bzw. schneller waren die Ansprechzeiten der resultierenden Sensorelemente. Die Dicke der Siliconschichten hatte keinen grossen Einfluss auf die Ansprechzeit. Es wurde gezeigt, dass sogar mit einer Gesamtschichtdicke des Sensorelements von ca. 100 μm ausreichend kleine Ansprechzeiten realisiert werden konnten.

Claims

Patentansprüche
1. Optochemisches Sensorelement (9) zur Messung von gasförmigen oder gelösten Analyten, insbesondere von Sauerstoff, umfassend einen in einer Polymermatrix (23) immobilisierten Fluorophor (25), wobei die Polymermatrix (23) ein Polymer mit einem nicht-aromatischen Rückgrat umfasst ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ethylen-Norbornen Copolymer, cyclischen Olefin-Polymere und Poly(n-methylmethacrylimid).
2. Optochemisches Sensorelement (9) gemäss Anspruch 1 , wobei das Polymer ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Poly(n-methylmethacrylimid) und Ethylen-Norbornen Copolymer.
3. Optochemisches Sensorelement (9) gemäss Anspruch 2, wobei das Polymer ein Ethylen-Norbornen Copolymer ist.
4. Optochemisches Sensorelement (9) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Polymermatrix (23) auf einem Träger (27) aufgebracht ist.
5. Optochemisches Sensorelement (9) gemäss Anspruch 4, wobei der Träger (27) ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Glas, Polyester, amorphem oder teilkristallinem Polyamid, Acrylat, Polycarbonat, Ethylen- Norbornen Copolymere (cyclische Olefin-Copolymere) und Kombinationen dieser Materialien.
6. Optochemisches Sensorelement (9) gemäss Anspruch 5, wobei der Träger (27) Ethylen-Norbornen Copolymere (Cyclische Olefin-Copolymere) umfasst.
7. Optochemisches Sensorelement (9) gemäss Anspruch 5, wobei der Träger (27) ein hybrider Träger ist.
8. Optochemisches Sensorelement (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Polymermatrix (25) mit dem immobilisierten Fluorophor direkt auf dem Kern eines Lichtleiters angeordnet ist.
9. Optochemisches Sensorelement (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Sphären oder Bruchstücke der den immobilisierten Fluorophor enthaltenden Polymermatrix in einer Siliconmatrix angeordnet sind.
10. Optochemisches Sensorelement (9) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Analyt gasförmiger oder gelöster Sauerstoff ist.
11. Verwendung eines optochemischen Sensorelements (9) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 10, in einer Messvorrichtung (1 ) zur Bestimmung von gasförmigen oder gelösten Analyten, insbesondere Sauerstoff.
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