WO1992010739A1 - Indikatorsubstanz einer fluoreszenzoptischen messanordnung zur messung des ph-wertes einer probe sowie optischer sensor mit einer derartigen indikatorsubstanz - Google Patents

Indikatorsubstanz einer fluoreszenzoptischen messanordnung zur messung des ph-wertes einer probe sowie optischer sensor mit einer derartigen indikatorsubstanz Download PDF

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Max Lippitsch
Marco Jean-Pierre Leiner
Hellfried Karpf
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Avl Medical Instruments Ag
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Definitions

  • the invention relates to an indicator substance for a luminescence-optical measuring arrangement for the continuous, reversible measurement of the pH value of a sample within a measuring range of interest, the sample being in at least indirect contact with the indicator substance present as acid or base and the luminescence decay time ⁇ of the indicator substance from the pH Value of the sample depends, as well as a sensor with such an indicator substance.
  • WOLFBEIS Fiber Optic pH Sensors, in: CRC Book on Fiber Optic Chemical Sensors and Biosensors, OSWOLFBEIS (ed.), CRC Press Inc., Boca Raton, Florida 1991. Two methods have proven to be particularly useful: pH measurement -Values about the change in absorption and measurement about the change in luminescence of a suitable indicator.
  • Optical absorption sensors are characterized by a greater simplicity of the concept, but are faced with considerable problems in the technical implementation (small signal changes, high scattered light, lack of long-term stability, etc.). Luminescence-optical sensors circumvent some of these problems, but their long-term stability is often insufficient, since the concentration of the indicator changes over time due to various influences and signal changes occur, which falsify the measurement result.
  • the second implementation of a decay time sensor for the pH was derived from "New luminescent metal complex for pH transduction in optical fiber sensing" MC MORENO-BONDI et al. SPIE 1368, 1990, 157-164.
  • An indicator substance is used, for example a ruthenium complex, the fluorescence of which is dynamically quenched by acids, which changes the fluorescence decay time.
  • the extent of quenching is determined by the type and concentration of the buffer as well as by the chemical composition of the quenching acid and only indirectly by the pH. In many cases, this makes a sensible application as a pH sensor impossible. Used abbreviations:
  • the object of the invention is to avoid the disadvantages of known decay time sensors for measuring the pH and to propose indicator substances with which the direct determination of the pH is possible.
  • the pKs value of the indicator substance in its electronic ground state (S 0 ) lies in the measuring range of interest, that the protonation rate k p of the base or the deprotonation rate k dp of the acid in the excited state (S 1 , X) of the indicator substance is smaller than the decay rate k A of the excited state, and that the luminescence decay times ⁇ S and ⁇ B of the acid forms (AH * , BH + * ) and the base forms (A - * , B * ) of the indicator substance are different or that 2.) the pKs * value of the indicator substance in its electronically excited state (S 1 , X) lies in the measuring range of interest, that the protonation rate kp of the base or the deprotonation rate k dp of the acid in the excited state (S 1, X) the indicator substance is greater than the decay rate k A of the excited state, and that the luminescence decay times 7-5 and ⁇
  • a first group requires that at least two excited states (S 1 , X) of the neutral form of the indicator substance (base B * or acid AH * ) are present in the opposite order to one another than the corresponding excited states of the ionic form of the indicator substance ( conjugate acid BH + * or conjugate base A - * ), and that the radiationless conversion rate between the at least two excited states of the neutral form is greater than the decay rate k A of the excited states of the neutral form.
  • the radiation decay rate k R of the excited neutral form of the indicator substance (base B * or acid AH * ) and the excited ionic form of the indicator substance (conjugated acid BH + * or conjugated base A - * ) are different.
  • a third group of indicator substances is characterized in that the radiation-free deexcitation rate k C of the excited neutral form of the indicator substance (base B * or acid AH * ) and the excited ionic form of the indicator substance (conjugate acid BH + * or conjugate base A - * ) are different.
  • a luminescence-optical sensor for the continuous, reversible measurement of the pH of a sample has one of the indicator substances mentioned in the three groups.
  • the pK s value of the electronically non-excited acid lies in the measuring range of interest.
  • the deprotonation rate k dp (BH + * ⁇ B * + H + ) of the conjugate acid (BH + ) is smaller than the luminescence decay rate k A (BH + * ⁇ BH + + hv) .
  • the luminescence decay rate k A (B * ⁇ B + hv) of the electronically excited base (B * ) is large compared to its protonation rate k p (B * + H + ⁇ BH + *).
  • At least two states (eg ⁇ - ⁇ * and n- ⁇ * ) of the electronically excited base (13 *) have opposite energetic positions relative to one another than the corresponding electronically excited states of the conjugate acid (BH + * ).
  • the non-radiative conversion rate k S1 X (S 1 (BH + * ) ⁇ X (BH + * )) is larger than that
  • Luminescence decay rate k A of the excited state S 1 (BH + * ), so that different luminescence decay times ( ⁇ ) of the excited states (BH + * and B * ) result.
  • the luminescence decay rate k A ( ⁇ * ⁇ B + hv) of the electronically excited base (B) and the luminescence decay rate k A (BH + * ⁇ BH + + hv) of the electronically excited conjugate acid (BH + * ) are different (e.g. by different Transition probabilities and similarly high quantum yield of both forms), so that different luminescence decay times ( ⁇ ) of the excited states (BH + * and B * ) result.
  • the radiationless deexcitation rate k C (B * ⁇ B) for the excited base (B * ) is different from the radiationless deexcitation rate k C (BH + * ⁇ BH + ) of the excited conjugate acid (BH + * ), so that there are different luminescence decay times ( ⁇ ) of the excited states (BH + * and B * ).
  • indicator acids (AH) AH
  • the protonation rate k p (A - * ⁇ A - + hv) of the conjugate base (A - * ) in the electronically excited state is lower than its luminescence decay rate k A (A - * ⁇ A " + hv) .
  • the luminescence decay rate k A (AH * ⁇ AH + hv) of the electronically excited acid (AH * ) is large compared to its deprotonation rate A dp (AH * ⁇ A - * + H + ) .
  • At least two states (eg ⁇ - ⁇ * and n- ⁇ ) of the electronically excited acid (AH * ) have opposite energetic positions relative to one another than the corresponding states of the electronically excited conjugate base (A - * ).
  • the unconstrained conversion rate k S1 X (S1 (AH * ) ⁇ X (AH * )) ⁇ si is greater than that
  • Lumincszetizabkligrale k A of the excited state S 1 (AH * ), so that different luminescence decay times ( ⁇ ) of the excited states (All and A- * ) result.
  • the radiation-free de-excitation rate k C (AH * ⁇ AH) for the excited acid (AH * ) is different from the radiation-free de-excitation rate k C (A - * ⁇ A ⁇ ) of the excited conjugate base (A - * ), so that there are different luminescence decay times ( ⁇ ) of the excited states (A - * and A - * ). 2. Profonation or dissociation of the indicator substance takes place in the excited state
  • the pK s * value of the electronically excited acid lies in the measuring range of interest.
  • the pK s value of the conjugate acid (BH + ) in the electronic ground state is lower than the lower limit of the measuring range of interest.
  • the luminescence decay rate k A (B * ⁇ B + hv) of the electronically excited base (B * ) is lower than its protonation rate k p (B * + H + ⁇ BH + *), so that protonation takes place in the electronically excited state.
  • At least two states (eg ⁇ - ⁇ * and n- ⁇ * ) of the electronically excited conjugate acid (BH + * ) have opposite energetic positions relative to one another than the corresponding states of the electronically excited base
  • Luminescence decay rate k A of the excited state S 1 (BH + * ), so that different luminescence decay times ( ⁇ ) of the excited states (BH + * and B * ) result.
  • the luminescence decay rate k A ((B * ⁇ B + h ⁇ ) of the electronically excited base (B * ) and the luminescence decay rate k A (BH + * ⁇ BH + + hv) of the electronically excited conjugate acid (BH + * ) are different (e.g. due to different probabilities of similarity and similarly high quantum yield of both forms), so that there are different luminescence decay lines ( ⁇ ) of the excited states
  • the radiation-free de-excitation rate k C (B * ⁇ B) for the excited base (B * ) is different from the radiation-free de-excitation rate A C (BH + * ⁇ BH + ) of the excited conjugate acid (BH + * ), so that there are different luminescence decay times ( ⁇ ) of the excited states (BH + * and B).
  • the pK s value of the acid (AH) in the electronic ground state is higher than the upper limit of the measuring range of interest.
  • At least two states (eg ⁇ - ⁇ * and n- ⁇ * ) of the electronically excited acid (AH * ) have opposite energetic positions relative to one another than the corresponding states of the electronically excited conjugate base (A - * ).
  • the conversion-free conversion rate k S1 ((S1 (AH * ) ⁇ X (AH * )) is greater than that
  • Luminescence decay rate k A of the excited state S 1 (AH * ), so that different luminescence decay lines ( ⁇ ) of the excited states (AH * and A- * ) result.
  • the radiation-free de-excitation rate k C (AH * ⁇ AH) for the excited acid (AH * ) is different from the radiation-free de-excitation rate k C (A - * ⁇ A-) of the excited conjugate base (A - * ), so that there are different luminescence decay times ( ⁇ ) of the excited states (AH * and A - * ).
  • indicator acids which e.g. phenolic hydroxyl groups (-OH), carboxylic acid groups (-COOH) contain. These release protons with increasing pH values of the solution.
  • Indicators mentioned earlier in the literature in connection with the measurement of the fluorescence intensity are also suitable, such as coumarins, fluoresceins, naphthyl and pyrene derivatives.
  • Possible substituents for influencing the pK value of the indicator substance are -CH 3 , -CF 3 , cyano, carboxy, carboxyamido, phenyl and higher halides.
  • the chromophoric molecular part of the indicator substances comes e.g. Homo- or heterocyclic (mono- or polycyclic) aromatic hydrocarbons in question.
  • the indicator is immobilized, for example on a solid substrate, and brought into contact with the sample.
  • the fluorescence is excited with a short-term light source (e.g. a coaxial flash lamp, a pulsed laser, a pulsed light-emitting diode), either (if the absorption spectra of neutral form and ionic form do not overlap) spectrally so broadband that the spectrum used for the excitation absorbs of the indicator is covered both in neutral and in ionic form or (if the absorption spectra of the two forms overlap) spectrally narrow-band Example for 1.1.
  • a short-term light source e.g. a coaxial flash lamp, a pulsed laser, a pulsed light-emitting diode
  • Indicator base aeridine
  • Both forms are present in the measuring range of interest (pH 4-7).
  • the pK s * in the excited state is 5.25 units larger than the pK s in the ground state.
  • the luminescence decay rate k A of the electronically excited base (B * ) is greater than its protonation rate k p .
  • the fluorescence is detected in a spectrally broadband manner by an edge filter (for example with a photomultiplier or a pin photodiode) and the decay time is measured electronically.
  • Both forms (AH and A-) are present in the measuring range of interest (pH 7-9).
  • the pK s in the excited state is approx. 6.5 units smaller than the pK s in the ground state.
  • Acid (AH * ) is greater than its deprotonation rate A dp .
  • Two states ( ⁇ - ⁇ * and n- ⁇ * ) of the electronically excited acid (AH * ) have opposite energetic positions relative to each other than the corresponding states of the electronically excited conjugate base (A - * ).
  • the radiationless conversion rate K S1X (S1 (AH * ) ⁇ X (AH * )) is greater than the luminescence decay rate k A of the excited one
  • Indicator acid indole-3-acetic acid
  • Both forms (AH and A-) are present in the measuring range of interest (pH 2-4).
  • the pK s * in the excited state is approx. 2 units smaller than the pK s in the ground state.
  • the luraence decay rate k A of the electronically excited acid (AH * ) is greater than its deprotonization rate k dp .
  • the radiationless deexcitation rate k C of the electronically excited acid (AH * ) is different from the radiationless deexcitation rate k C of the electronically excited conjugate base (A - * ).
  • Salicylic acid amide to 1.2.c Biliverdine derivatives
  • a suitable indicator is immobilized on a solid support and immersed in the sample.
  • the excitation is monochromatic with a short-time light source (e.g. coaxial flash lamp) and a color filter (e.g. interference filter) matched to the absorption wavelength of the indicator, the detection after separation of the excitation light by an edge filter is spectrally broadband (e.g. using a photomultiplier or pin photodiode).
  • the pH value is again determined from the measured decay time via a stored calibration function.
  • the base form (B) predominates in the measuring range of interest (pH 0.2-3.2).
  • the pK s * in the excited state is 1.7 units larger than the pK s in the ground state.
  • the Basenfo ⁇ n (B) is mainly excited in the measuring range of interest.
  • the luminescence decay rate k A of the electronically excited base (B * ) is lower than its protonation rate k p , so that the base (B * ) is protonated in the electronically excited state.
  • the acid form (AH) In the measuring range of interest (pH 1.3 - 3.3) only the acid form (AH) is available.
  • the pK s * in the excited state is 7 units smaller than the pK s in the ground state.
  • the luminescence decay rate k A of the electronically excited acid (AH * ) is lower than its deprotonation rate k dp , so that deprotonation takes place in the electronically excited state.
  • the luminescence decay rate k A of the electronically excited acid (AH * ) and the electronically excited conjugate base (A - * ) are different.
  • 1 and 2 show diagrams in which the pH value is plotted on the abscissa and energy levels E are plotted in arbitrary units on the ordinate.
  • the protonation or dissociation of the indicator substance takes place in the ground state S 0 .
  • the pK S value lies in the measuring range M of interest.
  • the basic states of the conjugate acid BH + and the base B of the indicator are denoted by 1 and 2 and in the excited state S 1 by 1 * and 2 *.
  • the pK S * value in the pH scale is above the measuring range. In the presence of an indicator acid, however, the pK S * value is below the measuring range M.
  • the protonation k p of the indicator base B * takes place in the excited state S 1 .
  • the pK S * value lies in the measuring range of interest M.
  • the pk S value in the ground state lies below the measuring range M of interest.
  • the measured luminescence decay time ⁇ is a function of the luminescence decay times ⁇ B and ⁇ S in both basic cases, the weighting of which depends on the pH value prevailing in the sample.

Abstract

Eine Indikatorsubstanz für eine lumineszenzoptische Meßanordnung zur kontinuierlichen, reversiblen Messung des pH-Wertes einer Probe innerhalb eines interessierenden Meßbereiches (M), deren Lumineszenzabklingzeit τ vom pH-Wert der Probe abhängt, weist folgende Eigenschaften auf. Der pKs-Wert der als Säure oder Base vorliegenden Indikatorsubstanz liegt in deren elektronischen Grundzustand (S0) im interessierenden Meßbereich. Die Protonierungsrate kp der Base oder die Deprotonierungsrate kdp der Säure im angeregten Zustand (S1, X) der Indikatorsubstanz ist kleiner als die Abklingrate kA des angeregten Zustandes und die Lumineszenzabklingzeiten τS und τB der Säureformen (AH*, BH+*) und der Basenformen (A-*, B*) der Indikatorsubstanz sind verschieden. Falls der pKs*-Wert der Indikatorsubstanz in deren elektronisch angeregten Zustand (S¿1?, X) im interessierenden Meßbereich liegt, ist die Protonierungsrate kp der Base oder die Deprotonierungsrate kdp der Säure im angeregten Zustand (S1, X) der Indikatorsubstanz größer als die Abklingrate kA des angeregten Zustandes.

Description

Indikatorsubstanz einer fluoreszenzoptischen Meßanordnung zur Messung des pH-Wertes einer Probe sowie optischer Sensor mit einer derartigen Indikatorsubstanz
Die Erfindung betrifft eine Indikatorsubstanz für eine lumineszenzoptische Meßanordnung zur kontinuierlichen, reversiblen Messung des pH-Wertes einer Probe innerhalb eines interessierenden Meßbereiches, wobei die Probe mit der als Säure oder Base vorliegenden Indikatorsubstanz in zumindest indirektem Kontakt steht und die Lumineszenzabklingzeit τ der Indikatorsubstanz vom pH-Wert der Probe abhängt, sowie einen Sensor mit einer derartigen Indikatorsubstanz.
Die Messung des pH-Wertes ist in vielen wissenschaftlichen und technischen Gebieten, wie etwa Chemie, Verfahrenstechnik, Fertigungstechnik oder Umweltanalytik, essentiell. Optische Verfahren bzw. Vorrichtungen zur Messung dieser Größe sind bereits vielfach vorgeschlagen worden. Eine Übersicht über den aktuellen Stand der Technik geben LEINER &. WOLFBEIS: Fiber Optic pH Sensors, in: CRC Book on Fiber Optic Chemical Sensors and Biosensors, O.S.WOLFBEIS (ed.), CRC Press Inc., Boca Raton, Florida 1991. Es haben sich insbesondere zwei Methoden als brauchbar erwiesen: Messung des pH-Wertes über die Änderung der Absorption sowie Messung über die Änderung der Luminszenz eines geeigneten Indikators. Absorptionsoptische Sensoren zeichnen sich durch größere Einfachheit des Konzepts aus, sind jedoch in der technischen Durchführung mit beträchtlichen Problemen konfrontiert (geringe Signalanderungen, hohes Streulicht, mangelnde Langzeitstabilität etc). Lumineszenzoptische Sensoren umgehen einige dieser Probleme, ihre Langzeitstabilität ist jedoch häufig unzureichend, da die Konzentration des Indikators durch verschiedene Einflüsse mit der Zeit verändert wird und dadurch Signalanderungen entstehen, die das Meßergebnis verfälschen.
Eine Methode, die Langzeitstabilität von lumineszenzoptischen, insbesondere fluoreszenzoptischen Sensoren entscheidend zu verbessern, besteht darin, nicht die Fluoreszenzintensität sondern die Abklingzeit der Fluoreszenz für die Messung heranziziehen (LIPPITSCH et al., Analytica Chimica Acta 205 (1988), 1-6). Die Lumineszenz- bzw. Fluoreszenzabklingzeit ist weitgehend unabhängig von der Indikatorkonzentration und vermeidet daher konzentrationsbedingte Meßfehler. Lumineszenzoptische Sensoren mit Abklingzeitmessung werden bisher vor allem für physikalische Meßgrößen (z.B. Temperatur) und für Sauerstoffkonzentrationsmessungen entwickelt. Lumineszenzoptische pH- Sensoren konnten lange Zeit nicht realisiert werden, da keine Indikatorsubstanzen bekannt waren, welche auf eine Änderung des pH-Wertes mit einer reversiblen Änderung der Lumineszenzabklingzeit reagieren.
Es wurden bisher erst zwei Versuche unternommen, fluoreszenzoptische pH-Sensoren auf der Basis der Abklingzeitmessung zu realisieren.
So ist es aus der AT-PS 393 035 bekannt geworden, in einem optischen Sensor zwei in räumlich engem Kontakt stehende Substanzen vorzusehen, wobei die erste Substanz ein auf den zu bestimmenden pH-Wert nicht ansprechender Fluorophor und die zweite Substanz ein die Fluoreszenz des Fluorophors beeinflussender Chromophor ist. Die durch den Energietransfer zwischen Chromophor und Fluorophor hervorgerufene Verringerung der Fluoreszenzabklingzeit τ wird zur quantitativen Bestimmung des pH-Wertes herangezogen. Das Ausmaß des Energietransfers hängt jedoch von der Überlappung des Fluoreszenzspektrums des Fluorophors (Donor) mit dem Absorptionsspektrum des pH-Indikators (Akzeptor) und ihrem räumlichen Abstand zusammen und ist daher in nachteiliger Weise von der räumlichen Verteilung bzw. der Konzentration der beiden Substanzen abhängig. Damit geht der wesentliche Vorteil der Abklingzeitsensoren, nämlich die Unabhängigkeit von der Konzentration des Indikators, verloren.
Die zweite Realisierung eines Abklingzeitsensors für den pH-Wert wurde aus "New luminescent metal complex for pH transduction in optical fiber sensing" M.C. MORENO-BONDI et al. SPIE 1368, 1990, 157-164 bekannt. Dabei wird eine Indikatorsubstanz verwendet, z.B. ein Rutheniumkomplex, dessen Fluoreszenz durch Säuren dynamisch gequenσht wird, wodurch sich die Fluoreszenzabklingzeit ändert. Allerdings wird das Ausmaß des Quenchens durch Art und Konzentration des Puffers sowie durch die chemische Zusammensetzung der quenchenden Säure und nur indirekt durch den pH-Wert bestimmt. Damit ist eine sinnvolle Anwendung als pH-Sensor in vielen Fällen unmöglich. Verwendete Abkürzungen:
* elektronisch angeregter Zustand
H Konzentration
AH Säure
A- konjugierte Base
H+ Proton
pH=-log(H+) pH-Wert
B Base
BH+ konjugierte Säure
Ks Säurekons taute (Dissoziationsgleichgewichtskonstante einer Säure) pKs=-log(Ks) pK-Wert einer Säure oder einer konjugierten Säure kR Strahlungsabklingrate
kC strahlungslose Deexcitationsrate (S1-S0 Internal conversion oder
S1-T1 intersystem crossing)
kA Abklingrate des angeregten Zustands (Lumineszenzabklingrate) kA = kR + kC τ Lebensdauer des angeregten Zustands (Lumineszenzabklingzeit) τ = 1 /kA kS1X Strahlungslose Kunversionsrate vom elektronisch angeregten Zustand S1 zu einem elektronisch angeregten Zustand X kp Protonierungsrate
kdp Deprotonierungsrate
Im folgenden wird die BRÖNSTED-LOWRY Definition für Säuren und Basen verwendet:
Säuren:
Reaktion: Säurekonstante:
Figure imgf000005_0001
Basen:
Reaktion: Säurekonstante:
Figure imgf000005_0002
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile bekannter Abklingzeitsensoren zur Messung des pH-Wertes zu vermeiden und Indikatorsubstanzen vorzuschlagen, mit welchem die direkte Bestimmung de pH-Wertes möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß 1.) der pKs-Wert der Indikatorsubstanz in deren elektronischen Grundzustand (S0) im interessierenden Meßbereich liegt, daß die Protonierungsrate kp der Base oder die Deprotonierungsrate kdp der Säure im angeregten Zustand (S1, X) der Indikatorsubstanz kleiner ist als die Abklingrate kA des angeregten Zustandes, sowie daß die Lumineszenzabklingzeiten τS und τB der Säureformen (AH*, BH+*) und der Basenformen (A-*, B*) der Indikatorsubstanz verschieden sind oder daß 2.) der pKs*-Wert der Indikatorsubstanz in deren elektronisch angeregten Zustand (S1, X) im interessierenden Meßbereich liegt, daß die Protonierungsrate kp der Base oder die Deprotonierungsrate kdp der Säure im angeregten Zustand (S1, X) der Indikatorsubstanz größer ist als die Abklingrate kA des angeregten Zustandes, sowie daß die Lumineszenzabklingzeiten 7-5 und τB der Säureformen (AH*, BH+*) und der Basenformen (A-*, B*) der Indikatorsubstanz verschieden sind. Die gemessene Lumineszenzabklingzeit τ ist in beiden grundlegenden Fällen eine Funktion der Lumineszenzabklingzeiten τB und τS wobei deren Gewichtung von dem in der Probe vorherrschenden pH-Wert abhängt.
Die grundlegenden Eigenschaften der erfindungsgemäßen Indikatorsubstanzen werden schematisch in den Diagrammen der Fig. 1 und 2 dargestellt.
Verschiedene Gruppen von Indikatorsubstanzen können nun dadurch unterschieden werden, wie die unterschiedlichen Lumineszenzabklingzeiten τB und τS zustande kommen.
So wird von einer ersten Gruppe erfindungsgemäß gefordert, daß zumindest zwei angeregte Zustände (S1, X) der Neutralform der Indikatorsubstanz (Base B* oder Säure AH*) relativ zueinander in umgekehrter Anordnung vorliegen als die korrespondierenden angeregten Zustände der ionischen Form der Indikatorsubstanz (konjugierte Säure BH+* oder konjugierte Base A-*), sowie daß die strahlungslose Konversionsrate zwischen den zumindest zwei angeregten Zuständen der Neutralform größer ist als die Abklingrate kA der angeregten Zustände der Neutralform. Für eine zweite Gruppe ist erfindungsgemäß vorgesehen,daß die Strahlungsabklingrate kR der angeregten Neutralform der Indikatorsubstanz (Base B* oder Säure AH*) und der angeregten ionischen Form der Indikatorsubstanz (konjugierte Säure BH+* oder konjugierte Base A-*) unterschiedlich sind.
Schließlich zeichnet sich eine dritte Gruppe von Indikatorsubstanzen dadurch aus, daß die strahlungslose Deexcitationsrate kC der angeregten Neutralform der Indikatorsubstanz (Base B* oder Säure AH*) und der angeregt ionischen Form der Indikatorsubstanz (konjugierte Säure BH+* oder konjugierte Base A-*) unterschiedlich sind.
Ein lumineszenzoptischer Sensor zur kontinuierlichen, reversiblen Messung des pH-Wertes einer Probe weist erfindungsgemäße eine der in den drei Gruppen genannten Indikatorsubstanzen auf.
Es ergeben sich somit folgende, auf den nächsten vier Seiten zusammengefaßte Kriterien bzw. kennzeichnende Merkmale zur Auswahl von pH-sensitiven Indikatorsubstanzen, deren Lumineszenzabklingzeit T direkt und reversibel vom pH-Wert einer Probe abhängt.
1.Profonienung bzw. Dissoziation der In dikatorsubstanz erfolgt im Gr undzustand
Der pKs-Wert der elektronisch nicht angeregten Säure (AH bzw. BH+) liegt im interessierenden Meßbereich.
1.1. Indikalorhasen (B)
Die Deprotonierungsrate kdp(BH+* → B* + H+) der konjugierten Säure (BH+) ist kleiner als ilire Lumineszenzabklingrate kA(BH+*→ BH+ + hv).
Die Lumineszenzabklingrate kA (B*→ B + hv) der elektronisch angeregten Base (B*) ist groß gegenüber ihrer Protonierungsrate kp(B* + H+→ BH+*).
1.1.a.
Mindestens zwei Zustände (z.B. π-π* und n-π*) der elektronisch angeregten Base (13*) haben relativ zueinander umgekehrte energetische Positionen als die korrespondierenden elektronisch angeregten Zustände der konjugierten Säure (BH+*). Die slrahlungslose Konversionsrate kS1 X(S 1(BH+*)→X(BH+*)) ιst größer als die
Lumineszenzabklingrate kA des angeregten Zustands S1(BH+*), so daß sich unterschiedliche Lumineszenzabklingzeiten (τ) der angeregten Zustände (BH+* und B*) ergeben.
1.1.b.
Die Lumineszenzabklingrate kA(ß*→ B + hv) der elektronisch angeregten Base (B ) und die Lumineszenzabklingrate kA(BH+*→ B H+ + hv) der elektronisch angeregten konjugierten Säure (BH+*) sind verschieden (z.B. durch unterschiedliche Übergangswahrscheinlichkeiten und ähnlich hohe Quantenausbeute beider Formen), so daß sich unterschiedliche Lumineszenzabklingzeiten (τ) der angeregten Zustände (BH+* und B*) ergeben. 1.1.c.
Die strahlungslose Deexcitationsrate kC(B* → B) ist fur die angeregte Base (B*) verschieden von der strahlungslosen Deexcitationsrate kC(BH+*→ BH+) der angeregten konjugierten Säure (BH+*), so daß sich unterschiedliche Lumineszenzabklingzeiten (τ) der angeregten Zustände (BH+* und B*) ergeben. 1.2, Indikatorsäuren (AH)
Die Protonierungsrate kp(A-* → A- + hv) der konjugierten Base (A-*) im elektronisch angeregten Zustand ist kleiner als ihre Lumineszenzabklingrate kA(A-* → A" + hv).
Die Lumineszenzabklingrate kA(AH*→ AH + hv) der elektronisch angeregten Säure (AH* ) ist groß gegenüber ihrer Deprotonierungsrate Adp(AH*→ A-* + H+ ).
1.2.a.
Mindestens zwei Zustände (z.B. π-π* und n-π ) der elektronisch angeregten Säure (AH*) haben relativ zueinander umgekehrte energetische Positionen als die korrespondierenden Zustände der elektronisch angeregten konjugierten Base (A-*). Die stralilungslose Konversionsrate kS1 X(S1(AH*)→X(AH*)) ιsi größer als die
Lumincszetizabkligrale kA des angeregten Zustands S1(AH*), so daß sich unterschiedliche Lumineszenzabklingzeiten (τ) der angeregten Zustände (All und A-*) ergeben.
1.2.b.
Die Lumineszcnzabklingrale kA(AH*-→ AH + hv) der elektronisch angeregten Säure
(AH*) und die Lumineszenzabklingrate kA(A-* → A- + hv) der elektronisch angeregten konjugierten Base (A" ) sind verschieden (z.B. durch unterschiedliche Übergangswahrscheinlichkeiten und ähnlich hohe Quantcnausbeule beider Formen), so daß sich unterschiedliche Lumineszenzabklingzeiten (τ) der angeregten Zustände
(AH* und A-* ) ergeben.
1.2.c.
Die stralilungslose Deexcitationsrate kC(AH*→ AH) ist für die angeregte Säure (AH*) verschieden von der strahlungslosen Deexcitationsrate kC(A-* → A~) der angeregten konjugierten Base (A-*), so daß sich unterschiedliche Lumineszenzabklingzeiten (τ) der angeregten Zustände (A-* und A-*) ergeben. 2. Profonierung bzw. Dissoziation der Indikatorsubstanz erfolgt im angeregten Zustand
Der pKs *-Wert der elektronisch angeregten Säure (AH* bzw. BH+*) liegt im interessierenden Meßbereich.
2.1. Indikalorbasen
Der pKs Wert der konjugierten Säure (BH+) im elektronischen Grundzustand ist niedriger als die untere Grenze des interessierenden Meßbereichs.
Die Lumineszenzabklingrate kA (B*→ B+ hv) der elektronisch angeregten Base (B*) ist kleiner als ihre Protonierungsrate kp(B* + H+→ BH+*), SO daß eine Protonierung im elektronisch angeregten Zustand erfolgt.
2.1.a.
Mindestens zwei Zustände (z.B. π-π* und n-π*) der elektronisch angeregten konjugierten Säure (BH+*) haben relativ zueinander umgekehrte energetische Positionen als die korrespondierenden Zustände der elektronisch angeregten Base
(B*). Die strahlungslose Konversionsrate kS1X(S1(BH+*)→X(BH+*)) ist größer als die
LumineszEnzabklingrate kA des angeregten Zustands S1(BH+*), so daß sich unterschiedliche Lumineszenzabklingzeiten (τ) der angeregten Zustände (BH+* und B*) ergeben.
2.1.b.
Die Lumineszenzabklingrate kA(( B*→ B + hυ) der elektronisch angeregten Base (B*) und die Lumineszenzabklingrate kA(BH+*→ BH+ + hv) der elektronisch angeregten konjugierten Säure (BH+*) sind verschieden (z.B. durch unterschiedliche Übergaugswahrscheinlichkeiten und ähnlich hohe Quantenausbeute beider Formen), so daß sich unterschiedliche Lumineszenzabklingzeilen (τ) der angeregten Zustände
(BH+* und B*) ergeben.
2.1.c.
Die stralilungslose Deexcitationsrate kC(B* → B) ist fur die angeregte Base (B*) verschieden von der slrahlungslosen Deexcitationsrate AC(BH +*→ BH+) der angeregten konjugierten Säure (BH+*), so daß sich unterschiedliche Lumineszenzabklingzeiten (τ) der angeregten Zustände (BH+* und B ) ergeben. 2.2. Indikatorsäuren
Der pKs Wert der Säure (AH) im elektronischen Grundzustand liegt höher als die obere Grenze des interessierenden Meßbereichs.
Die Lumineszenzabklingrate kA (AH*→ AH + hv) der elektronisch angeregten Säure
(AH*) ist kleiner als ihre Deprotonierungsrate kdp(AH * → A-* + H +), so daß eine Deprotonierung im elektronisch angeregten Zustand erfolgt.
2.2.a.
Mindestens zwei Zustände (z.B. π-π* und n-π*) der elektronisch angeregten Säure (AH*) haben relativ zueinander umgekehrte energetische Positionen als die korrespondierenden Zustände der elektronisch angeregten konjugierten Base (A- *). Die stralilungslose Konversionsrate kS1χ(S1(AH*)→X(AH*)) ist größer als die
Lumineszenzabkligrate kA des angeregten Zustands S1(AH*), so daß sich unterschiedliche Lumineszenzabklingzeilen (τ) der angeregten Zustände (AH* und A- *) ergeben.
2.2,1).
Die Lumineszcnzabklingrate kA (AH*→ AH + hv) der elektronisch angeregten Säure
(AH *) und die Lumineszenzabklingrate kA (A-* →A- + hv der elektronisch angeregten konjugierten Base (Λ" ) sind verschieden (z.B. durch unterschiedliclie Übergangswahrscheinlichkeiten und ähnlich hohe Quantenausbeute beider Formen), so daß sich unterschiedliche Lumineszenzabklingzeiten (τ) der angeregten Zustände
(AH* und A- *) ergeben.
2.2.c.
Die stralilungslose Deexcitationsrate kC (AH*→ AH) ist für die angeregte Säure (AH*) verschieden von der strahlungslosen Deexcitationsrate kC(A-* → A-) der angeregten konjugierten Base (A-* ), so daß sich unterschiedliche Lumineszenzabklingzeiten (τ) der angeregten Zustände (AH* und A- * ) ergeben. Substanzen, welche die unter 1 und 2 angeführten Kriterien erfüllen, finden sich z.B. unter den Indikatorbasen, welche aliphatische oder aromatische Aminogruppen (-NH2,-NRH,-NR2) oder heterozytische Stickstoffverbindungen (=N-) enthalten. Die genannten Substanzen sind mit fallenden pH-Werten der Lösung in der Lage, Protonen an das freie Elektronenpaar des Stickstoffatoms zu binden.
Weiters existieren geeignete Substanzen unter den Indikatorsäuren, welche z.B. phenolische Hydroxygruppen (-OH), Carbonsäuregruppen (-COOH) enthalten. Diese geben mit zunehmenden pH-Werten der Lösung Protonen ab.
Andere unter die genannten Kriterien fallende Säure/Base-Indikatoren können nicht in dieses einfache Schema eingeordnet werden. Die pH-abhängige Änderung der spektralen Eigenschaften erfolgt hier über eine molekulare Umlagerung. Diese Umlagerung kann über mehrere Intermediate erfolgen.
Es eignen sich auch bereits früher in der Literatur im Zusammenhang mit der Messung der Fluoreszenzintensität genannte Indikatoren, wie Coumarine, Fluoresceine, Naphthyl- und Pyrenderivate.
Als mögliche Substituenten zur Beeinflussung des pK-Wertes der Indikatorsubstanz wären -CH3, -CF3, Cyano, Carboxy, Carboxyamido, Phenyl und höhere Halogenide zu nennen.
Als chromophorer Molekülteil der Indikatorsubstanzen kommen z.B. homo- oder heterozyklische (mono- oder polyzyklische) aromatische Kohlenwasserstoffe in Frage.
In einem Ausführungsbeispiel zu den unter 1. genannten Mechanismen wird der Indikator, z.B. auf einem festen Substrat, immobilisiert und mit der Probe in Kontakt gebracht. Die Anregung der Fluoreszenz erfolgt mit einer Kurzzeitlichtquelle (z.B. einer koaxialen Blitzlampe, einem gepulsten Laser, einer gepulsten Leuchtdiode), und zwar entweder (wenn die Absorptionsspektren von Neutralform und ionischer Form nicht überlappen) spektral so breitbandig, daß das zur Anregung dienende Spektrum die Absorption des Indikators sowohl in neutraler als auch in ionischer Form überdeckt oder (wenn die Absorptionsspektren der beiden Formen überlappen) spektral schmalbandig Beispiel zu 1.1. b.
Indikatorbase: Aeridin
Anregungs- /Emissions-Maximum der konjugierten Säureform 356 /475 nm
Anregungs- /Emissions-Maximum der Basenform 356 / 430 nm
Mcssbcrcicli pH 4.0 - 7.0
pKs der Säureform (BH+) im Grundzustand 5.45
pKs* der Säureform (BH*) im angeregten Zustand 10.7
Lumineszenzabklingzeiten der angeregten Zustünde:
: τ (BH+*) = 33 ns
: τ (B*) = 14 ns
Figure imgf000013_0001
Im interessierenden Meßbereich (pH 4-7) liegen beide Formen (BH+ und B) vor. Der pKs * im angeregten Zustand ist um 5.25 Einheiten größer als der pKs im Grundzustand. Hierdurch erfolgt im angeregten Zustand keine Deprotonierung der konjugierten Säure (BH+*). Die Lumineszenzabklingrate kA der elektronisch angeregten Base (B*) ist größer als ihre Protonierungsrate kp. Die
Lumineszenzabklingrate kA der elektronisch angeregten Base (B*) und der elektronisch angeregten konjugierten Säure (BH+*) sind verschieden. Hierdurch ergeben sich unterschiedliche Lumineszenzabklingzeiten der angeregten Zustände (τ (BH+*) = 33 ns, τ (B*)= 14 ns). innerhalb der Wellenlänge des Überlappungsbereichs. Die Fluoreszenz wird nach Abtrennung des Anregungslichtes durch ein Kantenfilter spektral breitbandig detektiert (z.B. mit einem Photomultiplier oder einer pin-Photodiode) und die Abklingzeit elektronisch gemessen. Da es sich um eine Dissoziation im Grundzustand handelt, wird sowohl das Absorptions- als auch das Fluoreszenzspektrum verändert, was wegen der Breitbandigkeit der Anregung und der Detektion bzw. der Wahl der Anregungswellenlänge im Überschneidungsbereich der Absorptionsspektren und der breitbandigen Detektion jedoch zu keiner Beeinträchtigung der Messung führt. Über eine einmal abgespeicherte Eichfunktion können die gemessenen Abklingzeiten auf einem angeschlossenen Rechner in pH-Werte umgerechnet werden.
Im folgenden seien nun einige konkrete Beispiele für erfindungsgemnäße Indikatorsubstanzen unter Erläuterung ihrer Funktionsweise angeführt.
Beispiel zu 1.2.a.
Indikatorsäure: Salicylaldehyd
Anregungs-/Emissions-Maximum der Säureformn : 327 /525 nm
Anregungs- /Emissions-Maximum der konjugierten Basenform 380/ 400 nm
Messbereich pH 7 - 10
pKs der Säurcform (AH) im Grundzustand ca. 8.5
pKs* der Säureform (AH*) im angeregten Zustand ca. 2
Lumineszenzabklingzeiten der angeregten Zustünde: : τ (AH*) = « 1 ns
: τ (A*) = ca. 3 ns
Figure imgf000015_0001
Im interessierenden Meßbereich (pH 7-9) liegen beide Formen (AH und A-) vor. Der pKs im angeregten Zustand ist ca. 6.5 Einheiten kleiner als der pKs im Grundzustand. Hierdurch erfolgt im angeregten Zustand keine Protonierung der konjugierten Base (A- *). Die Lumineszenzabklingrate kA der elektronisch angeregten
Säure (AH*) ist größer als ihre Deprotonierungsrate Adp. Zwei Zustände (π-π* und n- π*) der elektronisch angeregten Säure (AH*) haben relativ zueinander umgekehrte energetische Positionen als die korrespondierenden Zustände der elektronisch angeregten konjugierten Base (A-* ). Die strahlungslose Konversionsrate KS1X(S1(AH*)→X(AH*)) ist große als die Lumineszenzabklingrate kA des angeregten
Zustands S1(AH*). Hierdurch ergeben sich unterschiedliche
Lumineszenzabklingzeiten der angeregten Zustände ( τ (AH*) << 1 ns, τ (A-*) = ca. 3 ns ). Beispiel zu 1.2.c.
Indikatorsäure: Indol-3-essigsäure
Anregungs- / Einissions-Maxiinum der Säurcform : 278 / 340 nm
Anregungs- /Emissions-Maximum der konjugierten Basenform 285 / 340 nm
Messbereich : pH 2 - 4
pKs der Säurcform (AH) im Grundzustand ca. 3
pKs* der Säureform (AH*) im angeregten Zustand ca.2
Lumineszenzabklingzeiten der angeregten Zustände: : τ (AH* ) = 2.5 ns
: τ (A-* ) = 9.0 ns
Figure imgf000016_0001
Im interessierenden Meßbereich (pH 2-4) liegen beide Formen (AH und A-) vor. Der pKs * im angeregten Zustand ist ca. 2 Einheiten kleiner als der pKs im Grundzustand. Hierdurch erfolgt im angeregten Zustand keine Protonierung der konjugierten Base (A-*). Die Luraineszenzabklingrate kA der elektronisch angeregten Säure (AH*) ist größer als ihre Deprotonisierungsrate kdp. Die strahlungslose Deexcitationsrate kC der elektronisch angeregten Säure (AH* ) ist verschieden von der strahlungslosen Deexcitationsrate kC der elektronisch angeregten konjugierten Base (A- *). Hierdurch ergeben sich unterschiedliche Lumineszenzabklingzeiten der angeregten Zustände (τ (AH*) = 2.5 ns, τ (A-*) = 9.0 ns). Weitere Beispiele für Indikatoren, deren Lumineszenzabklingzeit durch Säure-Basen-Reaktionen im elektronischen Grundzustand beeinflußt wird, sind folgende: zu 1.1.b: 9-Aminoacridin zu 1.2.a: 1-Hydroxy-acetylnaphthalin
Dihydroxyanthrachinon
4-Hydroxybenzonitril
9-Chloro-10-diethylaminomethylanthrazen zu 1.2.b: Benzothiazolderivate
Benzooxazolderivate
Benzimidazolderivate
Azaindol
Methylsalicylat
Harman
Norharman
Salicylsäureamid zu 1.2.c: Biliverdinderivate
Porphyrinderivate
In einem Ausführungsbeispiel zu den unter 2. genannten Mechanismen wird ein geeigneter Indikator auf einem festen Träger immobilisiert und in die Probe eingetaucht. Die Anregung erfolgt monochromatisch mit einer Kurzzeitlichtguelle (z.B. Koaxialblitzlampe) und einem auf die Absorptionswellenlänge des Indikators abgestimmten Farbfilter (z.B. Interferenzfilter), die Detektion nach Abtrennung des Anregungslichtes durch ein Kantenfilter spektral breitbandig (z.B. mittels Photomultiplier oder pin-Photodiode). Die Ermittlung des pH-Wertes erfolgt wieder aus der gemessenen Abklingzeit über eine gespeicherte Eichfunktion.
Im folgenden seien nun einige konkrete Beispiele für erfindungsgemäße Indikatorsubstanzen unter Erläuterung ihrer Funktionsweise angeführt: Beispiel zu 2.1.b.
Indikatorbase: 9(10H)-Acridinon
Anregungs- / Emissions-Maximum der konjugierten Säureform : 399 /456 nm
Anregungs- /Emissions-Maximum der Bascnform : 383 /440 nm
Messbereich : pH 0.5 - 2.5
pKs der Säureform (BH+) im Grundzustand : 0.02
pKs* der Säureform (BH+ ) im angeregten Zustand : 1.7
Lumineszenzabklingzeiten der angeregten Zustünde:
: τ (BH+*) = 15 ns
: τ (B*) = 26 ns
Figure imgf000018_0001
Im interessierenden Meßbereich (pH 0.2-3.2) überwiegt die Basenform (B). Der pKs * im angeregten Zustand ist 1.7 Einheiten größer als der pKs im Grundzustand. Hierdurch wird im interessierenden Meßbereich die Basenfoπn (B) überwiegend angeregt. Die Lumineszenzabklingrate kA der elektronisch angeregten Base (B* ) ist kleiner als ihre Protonierungsrate kp, so daß eine Protonierung der Base (B*) im elektronisch angeregten Zustand erfolgt. Die Lumineszenzabklingrate kA der elektronisch angeregten Base (B* ) und der elektronisch angeregten konjugierten Säure (BH+*) sind verschieden. Hierdurch ergeben sich unterschiedliche Lumincszcnzabklingzeiten der angeregten Zustände (τ (BH+*) = 15 ns, τ (B*) = 26 ns). Beispiel zu 2.2.b.
Indikatorsäure: 2-NapthoI
Anregungs- /Emissions-Maximum der Säureform 328 / 356 nm
Anregungs- /Emissions-Maximum der konjugierten Basenform 348 /410 nm
Mcssbcrcich pH 1.3 3.3
pKs der Säureform (AH) im Grundzustand ca.9.8
pKs* der Säureform (AH*) im angeregten Zustand ca.2.8
Lumineszenzabklingzeiten der angeregten Zustünde:
: τ (AH* ) = 9.0 ns
: τ (A-*) = 2.8 ns
Figure imgf000019_0001
Im interessierenden Meßbereich (pH 1.3 - 3.3) liegt nur die Säureform (AH) vor. Der pKs * im angeregten Zustand ist 7 Einheiten kleiner als der pKs im Grundzustand. Hierdurch wird im interessierenden Meßbereich nur die Säureform (AH) angeregt. Die Lumineszenzabklingrate kA der elektronisch angeregten Säure (AH*) ist kleiner als ihre Deprotonierungsrate kdp, so daß eine Deprotonierung im elektronisch angeregten Zustand erfolgt. Die Lumineszenzabklingrate kA der elektronisch angeregten Säure (AH*) und der elektronisch angeregten konjugierten Base (A- * ) sind verschieden. Hierdurch ergeben sich unterschiedliche Lumineszenzabklingzeiten der angeregten Zustände (τ (AH*) = 9.0 ns, τ (A-*) = 2.8 ns ). Weitere Beispiele für Indikatoren, deren Lumineszenzabklingzeit durch Säure-Basen-Reaktionen im elektronisch angeregten Zustand beeinflußt wird, sind folgende: zu 2.1.a: Chinidin
Chinin zu 2.1.b: 6-Methoxychinolin zu 2.2.b: 1-Hydroxypyren
1-Hydroxypyren-3,6,8-trisulfonsäure
5-Aminoindazol
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 und Fig. 2 Diagramme, in welchen auf der Abszisse der pH-Wert und auf der Ordinate Energieniveaus E in willkürlichen Einheiten aufgetragen sind.
In Fig. 1 erfolgt die Protonierung bzw. Dissoziation der Indikatorsubstanz im Grundzustand S0. Der pKS-Wert liegt im interessierenden Meßbereich M. Die Grundzustände der konjugierten Säure BH+ und der Base B des Indikators sind mit 1 und 2 bzw. im angeregten Zustand S1 mit 1* und 2* bezeichnet. Im dargestellten Beispiel einer Indikatorbase liegt der pKS *-Wert in der pH-Skala oberhalb des Meßbereiches. Bei Vorliegen einer Indikatorsäure liegt der pKS *-Wert hingegen unterhalb des Meßbereiches M.
In Fig. 2 erfolgt die Protonierung kp der Indikatorbase B* im angeregten Zustand S1. Der pKS *-Wert liegt im interessierenden Meßbereich M. Der pkS-Wert im Grundzustand liegt unterhalb des interessierenden Meßbereiches M.
Sowohl in Fig. 1 als auch in Fig. 2 sind die Abklingzeiten τB und τS unterschiedlich. Die gemessene Lumineszenzabklingzeit τ ist in beiden grundlegenden Fällen eine Funktion der Lumineszenzabklingzeiten τB und τS wobei deren Gewichtung von dem in der Probe vorherrschenden pH-Wert abhängt.
Patentansprüche:

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Indikatorsubstanz für eine lumineszenzoptische Meßanordnung zur kontinuierlichen, reversiblen Messung des pH-Wertes einer Probe innerhalb eines interessierenden Meßbereiches (M), wobei die Probe mit der als Säure oder Base vorliegenden Indikatorsubstanz in zumindest indirektem Kontakt steht und die Lumineszenzabklingzeit τ der Indikatorsubstanz vom pH-Wert der Probe abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß der pKs-Wert der Indikatorsubstanz in deren elektronischen Grundzustand (S0) im interessierenden Meßbereich liegt, daß die Protonierungsrate kp der Base oder die Deprotonierungsrate kdp der Säure im angeregten Zustand ( S1 , X) der Indikatorsubstanz kleiner ist als die Abklingrate kA des angeregten Zustandes, sowie daß die Lumineszenzabklingzeiten τS und τB der Säureformen (AH*, BH+*) und der Basenformen (A-*, B*) der Indikatorsubstanz verschieden sind.
2. Indikatorsubstanz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei angeregte Zustände ( S1 , X) der Neutralform der Indikatorsubstanz (Base B* oder Säure AH*) relativ zueinander in umgekehrter Anordnung vorliegen als die korrespondierenden angeregten Zustände der ionischen Form der Indikatorsubstanz (konjugierte Säure BH+* oder konjugierte Base A-*), sowie daß die strahlungslose Konversionsrate zwischen den zumindest zwei angeregten Zuständen der Neutralform größer ist als die Abklingrate kA der angeregten Zustände der Neutralform.
3. Indikatorsubstanz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsabklingrate kR der angeregten Neutralform der Indikatorsubstanz (Base B* oder Säure AH*) und der angeregten ionischen Form der Indikatorsubstanz (konjugierte Säure BH+* oder konjugierte Base A-*) unterschiedlich sind.
4. Indikatorsubstanz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlungslose Deexcitationsrate kC der angeregten Neutralform der Indikatorsubstanz (Base B* oder Säure AH*) und der angeregt ionischen Form der Indikatorsubstanz (konjugierte Säure BH+* oder konjugierte Base A-*) unterschiedlich sind.
5. Indikatorsubstanz für eine lumineszenzoptische Meßanordnung zur kontinuierlichen, reversiblen Messung des pH-Wertes einer Probe innerhalb eines interessierenden Meßbereiches (M), wobei die Probe mit der als Säure oder Base vorliegenden IndikatorSubstanz in zumindest indirektem Kontakt steht und die Lumineszenzabklingzeit τ der Indikatorsubstanz vom pH-Wert der Probe abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß der pKs*-Wert der IndikatorSubstanz in deren elektronisch angeregten Zustand (S1, X) im interessierenden Meßbereich liegt, daß die Protonierungsrate kp der Base oder die Deprotonierungsrate kdp der Säure im angeregten Zustand (S1, X) der Indikatorsubstanz größer ist als die Abklingrate kA des angeregten Zustandes, sowie daß die Lumineszenzabklingzeiten τ3 und τB der Säureformen (AH*, BH+*) und der Basenformen (A-*, B*) der Indikatorsubstanz verschieden sind.
6. Indikatorsubstanz nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei angeregte Zustände (S1, X) der Neutralform der Indikatorsubstanz (Base B* oder Säure AH*) relativ zueinander in umgekehrter Anordnung vorliegen als die korrespondierenden angeregten Zustände der ionischen Form der Indikatorsubstanz (konjugierte Säure BH+* oder konjugierte Base A"*), sowie daß die strahlungslose Konversionsrate zwischen den zumindest zwei angeregten Zuständen der Neutralform größer ist als die Abklingrate kA der angeregten Zustände der Neutralform.
7. Indikatorsubstanz nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsabklingrate kR der angeregten Neutralform der Indikatorsubstanz (Base B* oder Säure AH*) und der angeregten ionischen Form der Indikatorsubstanz (konjugierte Säure BH+* oder konjugierte Base A-*) unterschiedlich sind.
8. Indikatorsubstanz nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlungslose Deexcitationsrate kC der angeregten Neutralform der Indikatorsubstanz (Base B* oder Säure AH*) und der angeregt ionischen Form der Indikator Substanz (konjugierte Säure BH+* oder konjugierte Base A-*) unterschiedlich sind.
9. Lumineszenzoptischer Sensor zur kontinuierlichen, reversiblen Messung des pH-Wertes einer Probe mit einer chemisch oder physikalisch immobilisierten Indikatorsubstanz nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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US07/916,154 US5308581A (en) 1990-12-12 1991-12-12 Substance of an optical fluorescence measuring arrangement for measuring the pH of a sample and optical sensor with such an indicator substance
AT92901022T ATE123572T1 (de) 1990-12-12 1991-12-12 Indikatorsubstanz einer fluoreszenzoptischen messanordnung zur messung des ph-wertes einer probe sowie optischer sensor mit einer derartigen indikatorsubstanz.

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0628805A1 (de) * 1993-06-09 1994-12-14 AVL Medical Instruments AG Lumineszenzoptischer Indikator zur Bestimmung der Aktivität von Alkalimetallionen in einer Probenlösung
WO1995026501A1 (en) * 1994-03-25 1995-10-05 Ciba-Geigy Ag Optical sensor for the determination of ions
US5518694A (en) * 1993-10-14 1996-05-21 Minnesota Mining And Manufacturing Company Emission quenching sensors

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1992019957A2 (en) * 1991-05-03 1992-11-12 University Of Maryland At Baltimore Method for optically measuring chemical analytes
US5577137A (en) * 1995-02-22 1996-11-19 American Research Corporation Of Virginia Optical chemical sensor and method using same employing a multiplicity of fluorophores contained in the free volume of a polymeric optical waveguide or in pores of a ceramic waveguide
US5567624A (en) * 1995-04-27 1996-10-22 Utah Medical Products, Inc. Carbazine dyes and derivatives for pH measurement
US6590220B1 (en) * 1996-02-08 2003-07-08 Bright Solutions, Inc. Leak detection lamp
US7253557B2 (en) * 1996-02-08 2007-08-07 Bright Solutions, Inc. Light source provided with a housing enclosing voltage regulator means and method of manufacturing thereof
US20070225612A1 (en) * 1996-07-15 2007-09-27 Mace Leslie E Metabolic measurements system including a multiple function airway adapter
US6815211B1 (en) 1998-08-04 2004-11-09 Ntc Technology Oxygen monitoring methods and apparatus (I)
US6325978B1 (en) 1998-08-04 2001-12-04 Ntc Technology Inc. Oxygen monitoring and apparatus
AU5079698A (en) * 1996-10-08 1998-05-05 Photonics Biosystems Microbiological assessment method and device utilizing oxygen gradient sensing
US20050101032A1 (en) * 1997-02-10 2005-05-12 Metrika, Inc. Assay device, composition, and method of optimizing assay sensitivity
AU1060099A (en) * 1997-06-10 1999-01-25 American Research Corporation Of Virginia Detection of chemical agent materials using a sorbent polymer and fluores cent probe
US20060019404A1 (en) * 1998-05-06 2006-01-26 Blatt Joel M Quantitative assay with extended dynamic range
US6300638B1 (en) 1998-11-12 2001-10-09 Calspan Srl Corporation Modular probe for total internal reflection fluorescence spectroscopy
DE19919091C2 (de) * 1999-04-27 2002-01-17 Zeiss Carl Jena Gmbh Anordnung zur Einstellung der Laserleistung und/oder der Pulslänge eines Kurzpulslasers in einem Mikroskop
US20030211011A1 (en) * 2001-06-08 2003-11-13 Phillips Terry E. Ph sensor system and method for using same
US7198756B2 (en) * 2002-07-11 2007-04-03 Optical Sensors Incorporated Non-invasive measurement of pH
US7150995B2 (en) * 2004-01-16 2006-12-19 Metrika, Inc. Methods and systems for point of care bodily fluid analysis
US20050227370A1 (en) * 2004-03-08 2005-10-13 Ramel Urs A Body fluid analyte meter & cartridge system for performing combined general chemical and specific binding assays

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0354204A2 (de) * 1988-08-04 1990-02-07 AVL Medical Instruments AG Optischer Sensor und Verfahren zu dessen Herstellung
EP0397641A2 (de) * 1989-04-25 1990-11-14 AVL Medical Instruments AG Verfahren zur quantitativen Bestimmung zumindest eines chemischen Parameters eines Probenmediums

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4419583A (en) * 1980-05-31 1983-12-06 Noeller Hans Guenter Polarization fluoroimmunoassay with pulsed light source
DE3329461A1 (de) * 1983-08-12 1985-02-21 Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V., 3400 Göttingen Festmembran fuer einen indikatorraum
US4767718A (en) * 1984-06-18 1988-08-30 Southern Illinois University Foundation Fluorescent opioid reagents and methods of use thereof in the detection of opioid receptors
EP0272291B1 (de) * 1986-05-27 1992-04-01 CERCEK, Boris Verfahren zur messung polarisierter fluoreszenzemission
JPH0672845B2 (ja) * 1986-09-01 1994-09-14 富士写真フイルム株式会社 分析方法
US4775237A (en) * 1987-03-16 1988-10-04 Innovative Medical Systems Corp. Electro-optical detection system
AT389590B (de) * 1987-05-27 1989-12-27 Avl Verbrennungskraft Messtech Verfahren zur kontinuierlichen, quantitativen bestimmung von schwefeldioxid und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens
US4925268A (en) * 1988-07-25 1990-05-15 Abbott Laboratories Fiber-optic physiological probes

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0354204A2 (de) * 1988-08-04 1990-02-07 AVL Medical Instruments AG Optischer Sensor und Verfahren zu dessen Herstellung
EP0397641A2 (de) * 1989-04-25 1990-11-14 AVL Medical Instruments AG Verfahren zur quantitativen Bestimmung zumindest eines chemischen Parameters eines Probenmediums

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SPIE CHEMICAL, BIOCHEMICAL AND ENVIRONMENTAL FIBER SENSORS II Bd. 1368, 1990, Seiten 157 - 164; MORENO-BONDI ET AL.: 'NEW LUMINESCENT METAL COMPLEX FOR PH TRANSDUCTION IN OPTICAL FIBER SENSING. APPLICATION TO A CO2-SENSITIVE DEVICE' in der Anmeldung erwähnt *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0628805A1 (de) * 1993-06-09 1994-12-14 AVL Medical Instruments AG Lumineszenzoptischer Indikator zur Bestimmung der Aktivität von Alkalimetallionen in einer Probenlösung
US5518694A (en) * 1993-10-14 1996-05-21 Minnesota Mining And Manufacturing Company Emission quenching sensors
WO1995026501A1 (en) * 1994-03-25 1995-10-05 Ciba-Geigy Ag Optical sensor for the determination of ions
US6143570A (en) * 1994-03-25 2000-11-07 Novartis Corporation Optical sensor for the determination of ions

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