Untersuchungen zur Stabilisierung und Miniaturisierung kationensensitiver Schichten für die Entwicklung von optochemischen Mikrosensoren

Markus Plaschke
1996
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden optochemische Sensoren (Optroden) zur Detektion der kationischen Spezies Quecksilber(II), Calcium(II) und zur Bestimmung von pH-Werten entwickelt und miniaturisiert. Der erste thematische Schwerpunkt der Arbeit widmet sich der Verbesserung der Stabilität von kationensensitiven Rezeptorschichten. Werden diese durch einfache Einkapselung von Indikatoren hergestellt, so wird die Stabilität der Schicht bedingt durch das Auswaschen des Farbstoffes auf etwa
more » ... stoffes auf etwa einen Tag begrenzt. Zur Unterdrückung dieses Farbstoffaustrages wurde eine neue Immobilisierungsmethode entwickelt und erprobt, die in der kovalenten Anhindung von Fluoreszenzindikatoren an das wasserlösliche Polysaccharid Dextran (70.000 g/mol) und der anschließenden Einkapselung der makromolekular gebundenen Indikatormoleküle in hydrophilen Matrices besteht. Als Matrices wurden anorganische Silikagele, die nach dem Sol-Gel-Verjahren hergestellt wurden, und das organische Hydrogel Polyhydroxyethylmethacrylat (PolyHEMA) eingesetzt. Die vorgestellte Immobilisierungsmethode weist gegenüber der direkten kovalenten Anhindung des Indikators an die Matrix eine deutlich erhöhte Flexibilität auf, was beispielhaft an drei Analyt-Rezeptor-Paaren dargestellt wird. Zur Herstellung von Quecksilber-sensitiven Schichten wurden zunächst Porphyrin-Dextrane synthetisiert und mittels spektroskopischer Methoden sowie durch Elektrophorese charakterisiert. Porphyrin-Dextran-dotierte, mesoporöse Silikagel-Schichten zeigten nach 40tägiger Lagerung in Meßpuffer noch 92% der anfänglichen Fluoreszenzintensität. Auf der Basis von Fluorescein-Dextran wurden pR-sensitive Silikagel-und PolyHEMA-Schichten hergestellt. Letztere zeigten einen Meßbereich von pH 5 bis 8 ·und Ansprechzeiten von 5 Sekunden/pR. Nach 18tägiger Lagerung in Meßpuffer zeigten die Sensoren noch über 95% der ursprünglichen Fluoreszenzintensitäten. Durch Coimmobilisierung von Calcium Green-Dextran und Texas Red-Dextran wurde ein Calcium-sensitiver Sensor mit interner Referenz hergestellt. Der Meßbereich des Sensors liegt zwischen 5 · 1 o-8 und 1 o-5 mol/1 Ca(II) bei Ansprechzeiten von 5 Sekunden bis zum Erreichen des Sättigungswertes. Der Sensor erwies sich als sehr selektiv gegenüber Interferenzen von Na(I), K(I) und Mg(II). Durch die interne Referenzierung des Meßsignals läßt sich die Reproduzierbarkeit der Sensorsignale entscheidend verbessern. Als zweiter Schwerpunkt der Arbeit wurde in mehreren Schritten die Miniaturisierung der Calciumsensoren mit interner Referenz vorgenommen. Unter Verwendung von optischer Fasertechnik wurden Mikrosensoren mit Durchmessern von 600 bzw. 50 j.tm entwickelt. Basierend auf verjüngten Faserspitzen (Taper) mit Durchmessern von etwa 300 nm wurden die derzeit kleinsten faseroptischen Calciumsensoren (Nanosensoren) erhalten. Aufgrund der verbesserten Stabilität und der extremen Miniaturisierung der vorgestellten optischen Sensoren lassen sich in Zukunft neue analytische Aufgabenstellungen (z.B. Messung in biologischen Zellen) mit einer Ortsauflösung im Nanometerbereich bearbeiten. 4.2.1 Anhindungsmethoden 35 4.2.2 Reinigung der Porphyrin-Dextrane 36 IR-Spektren der Porphyrin-Dextrane 131 In der medizinischen Analytik haben sich chemische Sensoren für bestimmte Anwendungen bereits etabliert. So werden zur Bestimmung physiologischer Parameter m Körperflüssigkeiten (z.B. pR-Wert, Glucosespiegel, Elektrolyte) bereits ionenselektive Elektroden und Enzymelektroden routinemäßig eingesetzt, wodurch besonders die Analysezeiten erheblich verkürzt werden können. Der Aspekt der Analysedauer ist auch in der Notfallmedizin von großer Bedeutung. Auch auf dem Gebiet der Arbeitssicherheit werden chemische Sensoren, etwa zur Personenüberwachung, eingesetzt. Dabei wird die individuelle Belastung einer Person mit toxischen Stoffen (z.B. toxische Gase wie Kohlenmonoxid oder Ammoniak) mit Hilfe von tragbaren Sensoren erfaßt. Dies stellt eine Anwendung dar, die mit klassischen Methoden prinzipiell nicht durchgeführt werden kann. Wie aus diesen Beispielen hervorgeht, sind Anwendungsgebiete für chemische Sensoren in solchen Bereichen zu suchen, in denen sie gegenüber der klassischen Laboranalytik wesentliche Vorteile aufweisen. Diese liegen besonders in den geringen Dimensionen, in der leichten Handhabung, in kurzen Analysezeiten und in wirtschaftlichen Erwägungen. Unter diesen Aspekten sind chemische Sensoren derzeit als eine sinnvolle Ergänzung zur klassischen Laboranalytik zu verstehen. 2 Im Rezeptorteil des Sensors wird die chemische Information in eme Energieform umgewandelt, die vom Transducer erkannt werden kann. Prinzipiell werden Rezeptoren zur Erfassung von physikalischen, chemischen oder biochemischen Informationen unterschieden. Der Transducer, der selber über keine Selektivität verfügt, wandelt die in Form von Energie gespeicherte Information in ein analytisches Signal um. In einer Auswerteeinheit werden die Signale erfaßt und weiterverarbeitet. Eine Klassifizierung chemischer Sensoren kann, wie in Tabelle 3 .1 auszugsweise zusammengestellt ist, nach der Art der Signalwandlung ( d. h. des Transducers) vorgenommen werden [ 1].
doi:10.5445/ir/67796 fatcat:2lkgignwnjaxzcecqiuzknfep4