WO2007017260A2 - Sensor with multi-phase, segmented polymer network - Google Patents

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WO2007017260A2
WO2007017260A2 PCT/EP2006/007863 EP2006007863W WO2007017260A2 WO 2007017260 A2 WO2007017260 A2 WO 2007017260A2 EP 2006007863 W EP2006007863 W EP 2006007863W WO 2007017260 A2 WO2007017260 A2 WO 2007017260A2
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sensor
polymer network
indicator substance
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Michael Hanko
Jürgen HEINZE
Jörg TILLER
Nico Bruns
Sara Rentmeister
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Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
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    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/544Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals the carrier being organic
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    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01N31/00Investigating or analysing non-biological materials by the use of the chemical methods specified in the subgroup; Apparatus specially adapted for such methods
    • G01N31/22Investigating or analysing non-biological materials by the use of the chemical methods specified in the subgroup; Apparatus specially adapted for such methods using chemical indicators

Definitions

  • the present invention relates to a sensor, in particular for the qualitative and / or quantitative determination of analytes in gaseous and / or liquid samples, comprising at least one polymeric material and at least one indicator substance, and a method for producing such a sensor and its use.
  • Sensors of the type mentioned above have a sensitive layer of a polymeric material which changes one of its physical properties on contact with an analyte, for example a noxious gas or a pollutant solution.
  • an analyte for example a noxious gas or a pollutant solution.
  • the change in absorption of the sensitive layer is frequently evaluated as a measured variable.
  • the sensitive layer usually has at least one indicator substance which is immobilized in the polymeric material. In this case, the strongest possible immobilization of the indicator substance is desired since it can otherwise elute from the polymeric material, in particular during use, but also during storage of the sensor.
  • the polymeric material used to immobilize an indicator substance must meet at least two requirements.
  • the indicator substance used must firmly adhere to the polymeric matrix, so that it can not migrate or the indicator substance is flushed out on contact with an analyte
  • the polymeric matrix must be sufficiently permeable to the analyte, such as a noxious gas or a pollutant solution, so the analyte can come into contact and (optionally) react with the indicator substance.
  • the prior art discloses a large number of predominantly polymeric matrix materials which immobilize the indicator substance via various interactions.
  • chemically-modified indicator substances are also used, or adjuvants are added to the polymeric material, for example phase-mediated reagents.
  • DE 199 57 708 A1 discloses a process for the immobilization of color indicators in polymer membranes, in which a color indicator such as o-tolidine or bromophenol blue is immobilized in a silicone-polycarbonate copolymer membrane. The immobilization takes place primarily via hydrogen bonds.
  • a disadvantage of the sensors known from the prior art is that a particular polymeric material must be used in each case for numerous indicator substances to be used, or the indicator substance must be chemically modified accordingly in order to be sufficiently immobilized in a given polymeric material. For this purpose, expensive tests are often necessary in individual cases. Likewise, the use of particular phase-mediated reagents is not always possible. In addition, a variety of the known polymeric materials are not sufficiently permeable, so that in particular a sensitive and rapid measurement, for example, at a given gas flow is not possible. Furthermore, it is often necessary to add the indicator substances already during production of the polymer matrix of the sensor, so that in particular a subsequent and controlled introduction of the indicator substance into a polymeric matrix is not possible.
  • the concentration of the indicator substance in the polymeric matrix is also limited since otherwise phase separation processes take place and the indicator substance crystallizes out.
  • the sensitivity of corresponding sensors is limited, and in particular the measurement periods are lengthened, while at the same time the possible exposure duration of sensors that work integratively over longer periods according to the dosimeter principle is shortened.
  • a sensor in particular for the qualitative and / or quantitative determination of analytes in gaseous and / or liquid samples, in particular comprising at least one polymeric material and at least one indicator substance, wherein the polymeric material comprises at least two-phase, segmented, in particular nanophase-separated polymer film formed as a polymer in which the at least one indicator substance is immobilized.
  • segmented polymer networks are network structures in which a polymer A is crosslinked with at least one further polymer B.
  • At least two-phase means that the polymer network has a spatially separated phase structure, wherein the separation of the phases can also take place only due to entropic effects.
  • Preferred within the meaning of the present invention are polymer networks with separated phases of different hydrophilicity and / or hydrophobicity, as well as polymer networks with exactly two phases. Examples of two-phase systems are, for example, amphiphilic polymer networks. Preference is given to polymer networks which have hydrophilic and hydrophobic units.
  • Nanophase-separated according to the present invention means that the polymer network, which is formed from the polymeric sensor material has a segmentation in at least two phases, which are preferably formed as cocontinuous phases, wherein the phase units thus formed are in the nanometer range, ie thickness or Diameter maximum about 1000 nm.
  • the segmentation or nanophase separation can be monitored and determined, for example, by AFM measurements (atomic force microscopy measurements).
  • AFM measurements atomic force microscopy measurements
  • the three-dimensional information about the nanophase separation obtained by AFM measurements is translated into a one-dimensional or two-dimensional variable.
  • the nanophase-separated polymer networks of the present invention preferably have hydrophilic or hydrophobic walls or domains.
  • the nanophase separation of the polymer network according to the present invention is given both on the surface and in the mass of the polymeric sensor material.
  • the sensors according to the invention are suitable both for use in the liquid phase, be it in the aqueous phase or in organic solvents, but also for the use of gas determinations.
  • the solvent used such as water or an organic solvent, preferably has a different polarity than the phase formed by the polymeric material and the at least one indicator substance.
  • At least two-phase within the meaning of the present invention includes not only Polymer networks, which have hydrophilic and hydrophobic units, but also those polymer networks, which have amphiphilic and non-amphipilic areas.
  • Such polymers are usually formed as block copolymers, triblock copolymers, etc. of the construction type AB, ABA, BAB, etc., which are used as building blocks for the production of the segmented, multi-phase polymer network.
  • block copolymers, triblock copolymers, etc. can be formed by means of certain monomers into polymer networks with amphiphilic and non-amphiphilic units.
  • An example here is the polyethylene glycol ⁇ -polypropylene glycol-6-polyethylene glycol available from the company BASF, Ludwigshafen, Germany, available under the trade name Pluronic.
  • the at least two-phase, segmented polymer network of the sensor according to the invention is designed such that the size of the segmented units is not smaller than the indicator substances to be stored in this or other substances such as enzymes.
  • the more hydrophobic or the more hydrophilic areas of the nanophase-separated polymer network swell, so that the indicator substance and / or the further used enzyme diffuse into the polymer network and either to the can attach more hydrophilic or more hydrophobic units.
  • a uniform distribution of the indicator substance in the nanophase-separated polymer network is obtained while the binding of the indicator substance after drying in this same, so that the sensor according to the invention can be provided in a uniform and reworkable quality.
  • the polymeric material has hydrophobic domains with a diameter in a range from about 5 to about 500 nm, preferably from about 8 to about 300 nm, more preferably from about 8 to about 50 nm, the latter ranges especially for immobilizing additional enzymes . More preferably, the polymeric material has hydrophilic walls having a thickness in a range from about 5 to about 500 nm, preferably from about 8 to about 300 nm, more preferably from about 8 to about 50 nm, the latter ranges especially for immobilizing additional enzymes. Due to this morphology, the polymeric sensor material is designed to accommodate and immobilize a variety of different indicator substances and / or enzymes. At the same time, a sufficient permeability for the gaseous or liquid substances or mixtures to be determined is made possible.
  • the polymer chains thereof are the same three-dimensionally interconnected.
  • a single large molecule is present as a polymeric network.
  • the synthesis of the polymeric networks used in the sensor according to the invention can be carried out in principle by crosslinking of linear polymer chains by means of a polymer-analogous reaction or by crosslinking copolymerization with a crosslinker.
  • the copolymerization macromonomers can be used instead of monomers.
  • this term is understood to mean oligomers or polymers having polymerizable groups.
  • Copolymerization of a macromonomer modified in both end groups with a polymerizable group and a low molecular weight monomer results in networks with a segmented topology located between the grafted or comb polymers and those of interpenetrating networks.
  • segmented polymer networks have nanophase separation and are commonly referred to as poly (A) -linked poly (B), where poly (B) is a polymeric crosslinker for monomer (A).
  • the nanophase-separated polymer network obtained by polymerization is in a wide range of compositions of the two starting components both in organic solvents also swellable in aqueous media.
  • a phase separation actually occurs between the polar and nonpolar components or chain segments of the nanophase-polymer network, macroscopic phase separation is prevented by the covalent bonds between the individual segments. This results in domains or walls in the polymer network with predominantly hydrophilic or hydrophobic properties.
  • Amphiphilic polymer networks in the context of the present invention are composed of immiscible, ie incompatible polymer chains.
  • the polymer network of the sensor according to the invention is preferably produced by copolymerization of a monomer (hydrophilic or hydrophobic) with a macromonomer (hydrophobic or hydrophilic) or by copolymerization of two macromonomers of different hydrophilicity.
  • the component for producing the hydrophobic unit of the polymeric material is selected from a group comprising alkyl (meth) acrylates, styrene, vinyl acetates, olefins, poly ( ⁇ -caprolactone), lactic acid, diisocyanates, diols, diamines, diacids, polyactides, Polypropylene fumarate, diglycidyl ethers of, for example, bisphenol A, polytetrahydrofuran and / or polyalkyloxazolines (for example 2-phenyloxazoline), perfluoropolyethers or siloxanes, for example dimethylsiloxane, and copolymers of the abovementioned Substances.
  • alkyl (meth) acrylates styrene, vinyl acetates, olefins, poly ( ⁇ -caprolactone), lactic acid, diisocyanates, diols, diamines, diacids, polyactides, Polyprop
  • a polydialkylsiloxane macromonomer as the hydrophobic component of the polymer network of the sensor according to the invention, wherein a polydimethylsiloxane macromonomer is particularly preferably used.
  • the hydrophobic moiety generating component comprises a polydimethylsiloxane macromonomer having a molecular weight M n in a range of about 500 to about 1 million g / mol, more preferably in a range of about 1,000 to about 500,000 g / mol ,
  • an ⁇ , ⁇ -end-functionalized polydialkylsiloxane macromonomer for example a bifunctional ⁇ , ⁇ -methacryloyloxypropyl-functionalized polydimethylsiloxane (PDMS) macromonomer, is preferably used for the synthesis of the polymeric material
  • the substance used to form the hydrophilic unit of the polymer network is not specifically limited.
  • the component for producing a hydrophilic unit is particularly preferably selected from a group comprising (meth) acrylate and its derivatives, diisocyanates, diols, diamines, diacids, acrylamide, N-isopropylacrylamide, N-vinylcaprolactam, 2,3-
  • Particularly preferred hydrophilic components are (meth) acrylic acid and (meth) acrylates and derivatives thereof, in particular hydroxyethyl (meth) acrylate, dimethylacrylamide and dimethylaminoethyl (meth) acrylate.
  • acrylic acid or (meth) acrylate are named for the purposes of the present invention, acrylic acid and methacrylic acid or acrylate and methacrylate.
  • the polymeric network is insoluble in solvents, and advantageously swellable in solvents.
  • the polymeric material is preferably disposed on a carrier.
  • This support means is selected such that it does not hinder the determination of in particular harmful gases and pollutants by means of the sensor according to the invention.
  • a glass carrier may be provided as the carrier means, preferably a glass carrier made of a borosilicate glass.
  • the polymeric material is covalently bonded to the carrier. This is achieved by a special pretreatment of the carrier, in particular a glass carrier.
  • the polymeric material of the sensor according to the invention is formed as a film.
  • This film is advantageously translucent, more advantageously wise transparent and clear.
  • the film preferably has a thickness in a range from about 0.1 ⁇ m to about 1000 ⁇ m, preferably from about 1 ⁇ m to about 200 ⁇ m.
  • the film can be arranged on one or both sides of a carrier, in particular also in several layers one above the other. Also, a reflective layer can be applied between the support and the film or on the back of the transparent support for measurement in reflection.
  • the indicator substance in the sensor according to the invention is advantageously immobilized by van der Waals interactions, dipole-dipole interactions, hydrogen bonds, ionic interactions as well as covalent bonds to the polymeric network material therein.
  • the sensor according to the invention advantageously also comprises at least one enzyme which, like the indicator substance, is advantageously immobilized in the at least two-phase, segmented, in particular nanophase-separated polymer network of the polymeric material.
  • This makes it possible to carry out enzyme-catalyzed reactions in the polymer network, in which case the product of enzymatic catalysis can be determined, for example, optically or electrochemically. In this way it is possible, for example, to reliably determine harmful gases or pollutants (in the liquid phase) which can not be measured by optical evaluation units, thereby making it possible to inexpensively avoid the acquisition of additional evaluation units.
  • Enzymes which can be used in the sensor according to the invention are, for example, horseradish peroxidase (HRP) or chloroperoxidase (CPO), which are incubated in an aqueous enzyme solution. After drying the sensor, the enzyme is in the hydrophilic unit of the nanophase-separated polymer network, which has a high activity.
  • HRP horseradish peroxidase
  • CPO chloroperoxidase
  • peroxides in organic solvents can be determined by enzymatically HRP-catalyzed reactions with an optical evaluation unit in the visible range when a suitable indicator substance is selected.
  • loads of the nanophase-separated polymer network of the sensor according to the invention in a range of about 1 to about 100 micrograms of enzyme per cm 2 of the 20 micron thick film of a polymer network are possible.
  • the present invention relates to a method for producing a sensor according to the invention, wherein an at least two-phase, segmented, in particular nanophase-separated polymer network is produced by copolymerization two macromonomers of different hydrophilicity or of a monomer and a macromonomer, each having different hydrophilicity and this are loaded with at least one indicator substance.
  • a monomer and a macromonomer, each having different hydrophilicity is co polymehsiert, more preferably, a hydrophobic macromonomer is copolymerized with a hydrophilic monomer.
  • the at least two-phase, segmented, in particular nanophase-separated polymer network is polymerized in bulk, advantageously using protective group-modified monomers, to obtain a sufficient mixing of the components used.
  • An example of this is the replacement of the hydrophilic monomer (meth) acrylic acid ((M) AA) by the hydrophobic trimethylsilyl (meth) acrylate (TMS (M) A), which is well compatible with hydrophobic macromonomers.
  • TMS (M) A) hydrophobic trimethylsilyl (meth) acrylate
  • a precursor network is first formed, the polar chain segments of which carry trimethylsilyl protective groups. By hydrolysis with alcohol / water mixtures, these protective groups can then be split off, so that an amphiphilic network with hydrophilic and hydrophobic units is then obtained.
  • the polymer network is loaded with at least one enzyme in addition to the at least one indicator substance.
  • the loading preferably takes place during the addition of the at least one indicator substance, but it can also take place before the addition of the at least one indicator substance, but also subsequently.
  • the at least two-phase, nanophase-separated polymer network is carried out by UV-initiated radical copolymerization.
  • any other method of copolymerization may be provided.
  • a UV-initiated free-radical copolymerization of PDMS macromonomers and (meth) acrylates or their derivatives is carried out, wherein (meth) acrylic acid ((M) AA), hydroxyethyl (meth) acrylate (HE (M ) A) and dimethylaminoethyl (meth) acrylate (DMAE (M) A) can be used.
  • (M) AA and HE (M) A can be incorporated into the polymer network in the form of their hydrophobic trimethylsilyl-protected derivatives, after which the protective groups are subsequently removed to obtain an at least two-phase, nanophase-separated network.
  • the present invention further relates to the use of a polymeric material, which is designed as an at least two-phase, segmented, in particular nanophase-separated polymer network and is loaded with at least one indicator substance, as sensor material.
  • the present invention relates to the use of the sensor according to the invention for the quantitative and / or qualitative determination of analytes in a liquid and / or gaseous sample, in particular of noxious gases and / or pollutant solutions.
  • the determination is preferably carried out by optical methods, in particular by UV-VIS spectroscopy, but for example by NIR or FTIR spectroscopy. But also, for example, an evaluation by means of electrochemical methods, for example by measurements of overvoltages and in particular by means of the so-called SECM method (Scanning Electro Chemical Microscopy) is possible depending on the indicator substances used and analytes to be determined.
  • the sensor according to the invention can be designed such that it is hereby measured in situ, for example, at a certain gas flow, but it can also be designed, for example, as a passive sensor for particularly large measuring periods.
  • An optical evaluation of the sensor according to the invention can be carried out both in the transmission and in the reflection mode, including a measurement by multiple reflection.
  • Fig. 1 Chemical structure of 3-methacryloyloxypropyltrimethoxysilane
  • Fig. 2 Chemical structure of trimethylsilyloxyethyl acrylate (TMSOEA);
  • Fig. 3 Chemical structure of methacrylate-terminated polydimethylsiloxane
  • Fig. 4 Chemical structure of the prepared nanophase-separated amphiphilic
  • FIG. 5 Chemical structure of N, N'-diphenyl-1,4-phenylenediamine (DPPD);
  • FIG. 6 shows changes in the transmission spectrum of a sensor according to Example 1 when gassing with 5 ppm of NO 2 in synthetic air over 10 minutes;
  • Fig. 7 Transmission change at 450 nm of a sensor chip according to Example 1 with gassing with 5 ppm NO 2 in synthetic air over 10 min;
  • Fig. 8 Chemical structure of dimethylaminoethyl acrylate (DMAEA);
  • FIG. 10 Transmittance change at 425 nm of a sensor according to Example 2 at
  • Fig. 11 Chemical structure of trimethylsilyl acrylate (TMSA);
  • Fig. 12 Changes in the transmission spectrum of a sensor according to Example 3 when gassed with 10 ppm H 2 S in synthetic air at 60% relative
  • Fig. 13 Transmittance change at selected wavelengths of a sensor according to Example 3 when gassed with 10 ppm H 2 S in synthetic air at 60% relative humidity over 10 min;
  • Fig. 14 Chemical structure of diphenylamine
  • Fig. 15 Changes in the transmission spectrum of a sensor according to Example 4 when gassed with 100 ppb NO 2 in air at less than 5% relative humidity over 21 days;
  • Fig. 16 Transmittance change at 390 nm of a sensor according to Example 4 at
  • FIG. 17 Chemical structure of 2,2'-azino-bis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid) diamonium salt (ABTS);
  • ABTS 2,2'-azino-bis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid) diamonium salt
  • FIG. 18 Change in absorption at 414 nm after addition of tert-butyl hydroperoxide to a biosensor according to Example 5.
  • Example 1 Sensor for the detection of nitrogen dioxide in gaseous samples
  • the glass supports were heated at room temperature for two hours in a 20% by volume solution of 3-methacryloyloxypropyltrimethoxysilane (Figure 1) (Fluka, Steinheim, Germany) in toluol (pa, Fa. Merck, Darmstadt, Germany) and then treated for 10 min in an ultrasonic bath.
  • Figure 1 3-methacryloyloxypropyltrimethoxysilane
  • the glass slides were placed in a vessel with dest. Transferred water and treated for 5 min in an ultrasonic bath. This process was repeated and then the glass slides with about 10 ml dest. Rinsed off water.
  • the devisberichttio- ized glass slides were stored in vacuo (0.1 mbar) at 40 ° C overnight and until further use in a refrigerator at -40 0 C.
  • TPO photoinitiator Lucirin TPO
  • TSOEA trimethylsilyloxyethyl acrylate
  • TMS groups trimethylsilyl groups
  • the transparent glass carriers coated with the uncharged nanophase-separated amphiphilic polyhydroxyethyl acrylate / polydimethylsiloxane polymer network were also included Rinsed about 10 ml of methanol and dried overnight in vacuo (0.1 mbar) at 40 0 C.
  • the PHEA - / - PDMS-coated glass slides were incubated for about 15 min in a solution of 2 mg • ml '1 N, N'-diphenyl-1, 4-phenylenediamine (DPPD, Fig 4; Aldrich, Steinheim, Germany.. ) in toluene (pa) and after brief drying in room air, the back of the coated glass slide with a cotton swab soaked in toluene of DPPD residues cleaned. / - - Subsequently, the transparent PHEA were PDMS coated and DPPD-loaded glass support under vacuum (1 mbar) at 30 0 C. Further storage took place in an airtight container in the dark and at room temperature.
  • the PHEA / PDMS coated and DPPD loaded glass slides were excellently suited for the detection of nitrogen dioxide (NO 2 ) in gaseous samples.
  • NO 2 nitrogen dioxide
  • mass flow regulators type F-201C-RAA-33-E, Bronkhorst Hi-Tec, Ruurlo, Netherlands
  • NO 2 was taken from a test gas cylinder, the synthetic air from a compressed gas cylinder (both Messer Griesheim GmbH, Krefeld, Germany).
  • the gas mixture produced in this way was passed through a measuring tube made of quartz glass (Hellma, Müllheim, Germany) in which a PHEA / PDMS DPPD sensor chip was attached in such a way that it was perpendicular to the measuring beam of a UV / VIS spectrophotometer (Omega 20, Bruins Instruments, Puchheim, Germany).
  • Example 2 Sensor for the detection of sulfur dioxide in gaseous samples
  • the PTMAEA-S-co-PDMAEA - / - PDMS-coated glass slides were placed in an aqueous solution of 0.107 mM bromophenol blue sodium salt (Na-BPB) (Merck, Darmstadt, Germany) for 60 minutes, then approximately three times each 5 ml of dist. Rinsed water and dried in vacuo (0.1 mbar) at 40 0 C overnight. Fixed, BPB-loaded, transparent films (PTMAEA-SZ-BPB-CO-PDMAEA-Z-PDMS) were anchored to the functionalized glass slide. Further storage took place in an airtight container in the dark and at room temperature.
  • Na-BPB bromophenol blue sodium salt
  • the PTMAEA-SZ-BPB-co-PDMAEA / PDMS coated glass slides were excellently suited for the reversible detection of acetic acid (AcOH) in gaseous samples .
  • acetic acid acetic acid
  • Example 1 a gas mixture of different proportions by volume AcOH in Synthetic air with a flow rate of 1000 ml • min '1 and a relative humidity of 60% was prepared.
  • the concentration of AcOH was adjusted by passing different proportions of synthetic air through about 10 ml of AcOH (> 99.8%) (Riedel-de-Haen, Seelze, Germany), the moistening was carried out by means of a dest. Water filled gas wash bottle.
  • the gas mixture thus prepared was passed through a quartz glass measuring cuvette in which a PTMAEA-SZ-BPB-co-PDMAE - / - PDMS sensor chip was mounted so as to be irradiated vertically by the measuring beam of a UVZVIS spectrophotometer.
  • the periodic recording of transmission spectra revealed a rapid change in the transmission spectrum of the PTMAEA-S / BPB-co-PDMAE / PDMS sensor chips as a decrease in transmission at 425 nm in the presence of AcOH (Figure 8), as well as an increase on the initial value of transmission in the subsequent absence of AcOH.
  • Figure 8 By plotting the change in the transmission at this wavelength versus time, the variation shown in Fig. 9 was obtained by varying the AcOH concentration.
  • the transmission decrease was dependent on the AcOH concentration and can therefore be used to calibrate the sensor.
  • Example 3 Sensor for the detection of hydrogen sulfide in gaseous samples
  • Solid films anchored to the functionalized glass slide were obtained from polytrimethylsilyl acrylate-co-polytrimethylsilyloxyethyl acrylate / polydimethylsiloxane polymer network (PTMSA-co-PTMSOEA - / - PDMS).
  • the PAA-co-PHEA - / - PDMS-coated glass slides were immersed in a 0.1 M aqueous potassium carbonate solution for 10 min. Solution with a pH of about 12, then twice with about 5 ml of dist. Rinsed briefly water and dried under vacuum (1 mbar) at 40 0 C. Solid films anchored to the functionalized glass slide were obtained from polyacrylate-acrylate-co-polyhydroxyethyl acrylate / polydimethylsiloxane polymer network (PKA-co-PHEA - / - PDMS).
  • the PKA-co-PHEA - / - PDMS-coated glass slides were placed in a solution of 50 mM lead (II) acetate (Merck, Darmstadt, Germany) in methanol (pa) for 60 min, then three times with about 5 rinsed methanol and dried overnight under vacuum (0.1 mbar) at 40 0 C.
  • Solid films anchored to the functionalized glass slide were obtained from poly-lead (II) acrylate-co-polyhydroxyethyl acrylate / polydimethylsiloxane polymer network (PBA-CO-PHEA - / - PDMS). The further storage was carried out in an airtight container in the dark and at room temperature.
  • H 2 S hydrogen sulfide
  • a gas mixture of 10 ppm H 2 S in synthetic air with a volume flow of 1000 ml • min -1 and a relative humidity of 60% was prepared according to Example 1.
  • the H 2 S was in this case a test gas cylinder (Messer Griesheim GmbH, Krefeld, Germany), the moistening was carried out by means of a gas washing bottle filled with distilled water, and the gas mixture thus produced was passed through a quartz glass measuring cuvette in which a PBA co-PHEA / PDMS sensor chip was attached in such a way that it was irradiated vertically from the measuring beam of a UV / VI S spectrophotometer.
  • the PHEA - / - PDMS-coated glass slides were for about 30 1 diphenylamine min in a solution of 20 mg • ml "( Figure 13; Aldrich, Steinheim, Germany..) In chloroform (pa) shaken and, after brief drying in room air The back side of the coated glass slide was cleaned of diphenylamine residues with a cotton swab soaked in chloroform, then the transparent PHEA / PDMS coated and diphenylamine loaded glass slides were dried in room air for about half an hour.
  • the PHEA / PDMS coated and diphenylamine loaded glass slides were excellently suited for integrative detection of low concentrations of nitrogen dioxide (NO 2 ) in gaseous samples.
  • NO 2 nitrogen dioxide
  • a gas mixture of 100 volume ppb NO 2 in air with a volume flow of 1000 ml ⁇ min '1 and a relative humidity of less than 5% was prepared according to Example 1.
  • the gas mixture was passed through a desiccator in which the PHEA / PDMS diphenylamine sensor chips were in convection-induced convection in a protected polypropylene open box.
  • the transmission spectra of the PHEA - / - PDMS diphenylamine sensor chips were recorded at the beginning of the fumigation and thereafter at intervals of several days using a UV ⁇ / IS spectrophotometer. This showed a marked change in the Transmission spectrum of the PHEA - / - PDMS-diphenylamine sensor chips to form a new transmission band at 390 nm (Fig. 14). By plotting the change in the transmission at this wavelength versus time, the result was an approximately linear curve over 3 weeks, the slope of which depended on the N0 2 concentration and thus could be used to calibrate the sensor (FIG. 15).
  • the monomer mix for PHEA - / - PDMS films was prepared by adding Irgacure 651 photoinitiator (0.3 mg, 1.2 ⁇ mol) in freshly distilled trimethylsilyloxyethyl acrylate
  • the amphiphilic network surface-bonded film was placed in a methanol / water mixture (90 ml, 1: 1). It was incubated at room temperature with shaking and with two changes of the solvent until no signals of the TMS protective group could be detected in the ATR-FTIR spectrum. Finally, the surface-bonded films were washed with 5 ml of methanol and dried in a drying oven (50 mbar, 60 ° C.) until the weight remained constant.
  • a surface-bound PHEA - / - PDMS film (1.5 cm 2 ) was swollen overnight at room temperature in 0.1 M phosphate buffer (pH 7.0) and then in 2 ml of a solution of horseradish peroxidase (1 mg / ml) and 2 , 2'-Azino-bis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) diammonium salt (ABTS, Fig. 16) (0.93 mg / ml, 1.7 mmol / l) in 0.1 M phosphate buffer (pH 7 , 0) and incubated at 4 ° C with gentle shaking overnight. The film was rinsed with 0.1 M phosphate buffer (pH 7.0) and dried under nitrogen.
  • the film was positioned in a cuvette in the beam path of a UV / VIS spectrophotometer. After addition of 3 ml of n-heptane, the absorption at 414 nm was measured over time. After 21 minutes, 5.45 .mu.l of a 5.5 M te / f-butyl hydroperoxide solution in decane were added and stirred vigorously for 30 s. The concentration of terf-butylhydroperoxide in the cuvette was 10 nM. A rapid increase in absorbance at 414 nm was observed (Figure 17).
  • the present invention thus makes available for the first time a sensor matrix which has a universally usable polymeric nanophase-separated network in which a multiplicity of different indicator substances and optionally additional enzymes can be incorporated and used. It is therefore also possible to form the sensor according to the invention as an array with sensor fields separated from one another, each individual field being provided with a different indicator substance, which then enables rapid and simultaneous measurement of a wide variety of noxious gases or of pollutants or other substances, and can also be automated.

Abstract

The present invention relates to a sensor, in particular for the qualitative and/or quantitative determination of analytes in gaseous and/or liquid samples, comprising at least one polymer material and at least one indicator substance, as well as to a method for producing such a sensor and the use thereof. The polymer material is characterised in that it is an at least two-phase, segmented polymer network in which the at least one indicator substance is immobilised.

Description

Sensor mit mehrphasigem, segmentiertem Polymernetzwerk Sensor with multiphase, segmented polymer network
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor, insbesondere zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung von Analyten in gasförmigen und/oder flüssigen Proben, umfassend mindestens ein polymeres Material und mindestens eine Indikatorsubstanz, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Sensors und dessen Verwendung.The present invention relates to a sensor, in particular for the qualitative and / or quantitative determination of analytes in gaseous and / or liquid samples, comprising at least one polymeric material and at least one indicator substance, and a method for producing such a sensor and its use.
Sensoren der eingangs genannten Art weisen eine sensitive Schicht aus einem polyme- ren Material auf, die bei Kontakt mit einem Analyten, beispielsweise einem Schadgas oder einer Schadstofflösung, eine ihrer physikalischen Eigenschaften ändert. Speziell bei optisch auswertbaren Sensoren wird dabei als Messgröße häufig die Absorptionsänderung der sensitiven Schicht ausgewertet. Die sensitive Schicht weist neben einem polymeren Material in aller Regel mindestens eine Indikatorsubstanz auf, welche in dem polymeren Material immobilisiert ist. Dabei wird eine möglichst starke Immobilisierung der Indikatorsubstanz gewünscht, da diese ansonsten insbesondere bei Benutzung, aber auch bei Lagerung des Sensors aus dem polymeren Material eluieren kann.Sensors of the type mentioned above have a sensitive layer of a polymeric material which changes one of its physical properties on contact with an analyte, for example a noxious gas or a pollutant solution. Especially in the case of optically evaluable sensors, the change in absorption of the sensitive layer is frequently evaluated as a measured variable. Aside from a polymeric material, the sensitive layer usually has at least one indicator substance which is immobilized in the polymeric material. In this case, the strongest possible immobilization of the indicator substance is desired since it can otherwise elute from the polymeric material, in particular during use, but also during storage of the sensor.
Das zur Immobilisierung einer Indikatorsubstanz eingesetzte polymere Material muss mindestens zwei Anforderungen genügen. Einerseits muss die eingesetzte Indikatorsubstanz fest in der polymeren Matrix haften, so dass dieser nicht migrieren kann oder die Indikatorsubstanz bei Kontakt mit einem Analyten ausgespült wird, andererseits muss die polymere Matrix hinreichend permeabel für den Analyten, beispielsweise ein Schadgas oder eine Schadstofflösung, sein, damit der Analyt in Kontakt und (gegebenenfalls) Reaktion mit der Indikatorsubstanz treten kann.The polymeric material used to immobilize an indicator substance must meet at least two requirements. On the one hand, the indicator substance used must firmly adhere to the polymeric matrix, so that it can not migrate or the indicator substance is flushed out on contact with an analyte, on the other hand, the polymeric matrix must be sufficiently permeable to the analyte, such as a noxious gas or a pollutant solution, so the analyte can come into contact and (optionally) react with the indicator substance.
Um dieses Problem zu lösen, sind aus dem Stand der Technik eine Vielzahl von vorwiegend polymeren Matrixmaterialien bekannt, welche über verschiedene Wechselwirkungen die Indikatorsubstanz immobilisieren. Dabei werden teilweise auch chemisch-modifizierte Indikatorsubstanzen eingesetzt, oder aber dem polymeren Material werden Hilfsstoffe zugesetzt, beispielsweise phasenvermittelte Reagenzien. So ist beispielsweise aus DE 199 57 708 A1 ein Verfahren zur Immobilisierung von Farbindikatoren in Polymermembranen bekannt, bei welchem ein Farbindikator wie o-Tolidin oder Bromphenolblau in einer Silikon-Polycarbonat-Copolymermembran immobilisiert wird. Dabei erfolgt die Immobilisierung in erster Linie über Wasserstoffbrückenbindungen. Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren ist jedoch, das für zahlreiche einzusetzende Indikatorsubstanzen jeweils ein spezielles polymeres Material eingesetzt werden muss, oder aber die Indikatorsubstanz muss entsprechend chemisch modifiziert werden, um in einem vorgegebenen polymeren Material hinreichend immobili- siert zu werden. Hierzu sind oftmals im Einzelfall aufwändige Tests notwendig. Ebenso ist der Einsatz von insbesondere phasenvermittelten Reagenzien nicht in jedem Falle möglich. Zudem sind eine Vielzahl der bekannten polymeren Materialien nicht hinreichend permeabel, so dass insbesondere eine sensitive und schnelle Messung beispielsweise bei einem vorgegebenen Gasfluss nicht möglich ist. Des Weiteren ist es oftmals notwendig, die Indikatorsubstanzen bereits bei Herstellung der polymeren Matrix des Sensors zuzufügen, so dass insbesondere ein nachträgliches und kontrolliertes Einbringen der Indikatorsubstanz in eine polymere Matrix nicht möglich ist. Hierdurch werden insbesondere bei Vorliegen einer Lösemittelinkompatibilität der Indikatorsubstanz mit dem polymeren Matrixmaterial Probleme verursacht, so dass hier bestenfalls nur eine inhomogene Verteilung der Indikatorsubstanz erfolgt. Hierdurch werden wiederholbare Ergebnisse und Bestimmungen insbesondere quantitativer Art bei zum Beispiel Schadgasen verhindert, zudem tritt oftmals vermehrt eine Eluation der Indikatorsubstanz aus der polymeren Matrix auf. Zudem sind oftmals die polymeren Sensormatrixmaterialien in Lösemitteln löslich, wodurch ein Einsatz derartiger Sensoren zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung in Flüssigkeiten ausgeschlossen ist. Wirken schließlich zwischen dem eingesetzten polymeren Material und der Indikatorsubstanz lediglich schwache Wechselwirkungen wie Van- der-Waals-Wechselwirkungen, so ist auch die Konzentration der Indikatorsubstanz in der polymeren Matrix begrenzt, da ansonsten Phasenseparationsprozesse ablaufen und die Indikatorsubstanz auskristallisiert. Hierdurch ist die Empfindlichkeit entsprechender Sen- soren begrenzt, insbesondere verlängern sich auch die Messdauern, wobei sich gleichzeitig auch die mögliche Expositionsdauer von Sensoren, die integrativ über längere Zeiträume nach dem Dosimeterprinzip arbeiten, verkürzt.In order to solve this problem, the prior art discloses a large number of predominantly polymeric matrix materials which immobilize the indicator substance via various interactions. In some cases, chemically-modified indicator substances are also used, or adjuvants are added to the polymeric material, for example phase-mediated reagents. Thus, for example, DE 199 57 708 A1 discloses a process for the immobilization of color indicators in polymer membranes, in which a color indicator such as o-tolidine or bromophenol blue is immobilized in a silicone-polycarbonate copolymer membrane. The immobilization takes place primarily via hydrogen bonds. However, a disadvantage of the sensors known from the prior art is that a particular polymeric material must be used in each case for numerous indicator substances to be used, or the indicator substance must be chemically modified accordingly in order to be sufficiently immobilized in a given polymeric material. For this purpose, expensive tests are often necessary in individual cases. Likewise, the use of particular phase-mediated reagents is not always possible. In addition, a variety of the known polymeric materials are not sufficiently permeable, so that in particular a sensitive and rapid measurement, for example, at a given gas flow is not possible. Furthermore, it is often necessary to add the indicator substances already during production of the polymer matrix of the sensor, so that in particular a subsequent and controlled introduction of the indicator substance into a polymeric matrix is not possible. As a result, problems are caused in particular in the presence of a solvent incompatibility of the indicator substance with the polymeric matrix material, so that at best only an inhomogeneous distribution of the indicator substance takes place here. As a result, repeatable results and determinations, in particular of a quantitative nature, of, for example, noxious gases are prevented; moreover, an elution of the indicator substance from the polymer matrix often occurs. In addition, often the polymeric sensor matrix materials are soluble in solvents, whereby a use of such sensors for qualitative and / or quantitative determination in liquids is excluded. Finally, if only weak interactions such as van der Waals interactions work between the polymeric material used and the indicator substance, then the concentration of the indicator substance in the polymeric matrix is also limited since otherwise phase separation processes take place and the indicator substance crystallizes out. As a result, the sensitivity of corresponding sensors is limited, and in particular the measurement periods are lengthened, while at the same time the possible exposure duration of sensors that work integratively over longer periods according to the dosimeter principle is shortened.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor zur Verfügung zu stellen, welcher die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile nicht aufweist.It is therefore an object of the present invention to provide a sensor which does not have the disadvantages known from the prior art.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Sensor, insbesondere zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung von Analyten in gasförmigen und/oder flüssigen Proben, insbesondere umfassend mindestens ein polymeres Material und mindes- tens eine Indikatorsubstanz, wobei das polymere Material ein mindestens zweiphasiges, segmentiertes, insbesondere nanophasensepariertes, als Film ausgebildetes Polymernetzwerk ist, in welchem die mindestens eine Indikatorsubstanz immobilisiert ist. Unter segmentierten Polymernetzwerken werden im Sinne der vorliegenden Erfindung und auch im Allgemeinen Netzwerkstrukturen verstanden, in denen ein Polymer A mit mindestens einem weiteren Polymer B vernetzt ist. Mindestens zweiphasig im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass das Polymernetzwerk eine räumlich separierte Phasenstruktur aufweist, wobei die Separation der Phasen auch lediglich aufgrund entro- pischer Effekte erfolgen kann. Bevorzugt sind dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung Polymernetzwerke mit separierten Phasen unterschiedlicher Hydrophilie und/oder Hydrophobie, sowie Polymernetzwerke mit genau zwei Phasen. Beispiele für zweiphasige Systeme sind beispielsweise amphiphile Polymernetzwerke. Bevorzugt sind dabei Polymer- netzwerke, welche hydrophile und hydrophobe Einheiten aufweisen. Nanophasensepa- riert im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass das Polymernetzwerk, welches aus dem polymeren Sensormaterial gebildet wird, eine Segmentierung in mindestens zwei Phasen aufweist, die bevorzugt als kokontinuierliche Phasen ausgebildet sind, wobei die hierdurch gebildeten Phaseneinheiten im Nanometerbereich liegen, d.h. Dicke bzw. Durchmesser maximal etwa 1000 nm aufweisen.This object is achieved according to the invention by a sensor, in particular for the qualitative and / or quantitative determination of analytes in gaseous and / or liquid samples, in particular comprising at least one polymeric material and at least one indicator substance, wherein the polymeric material comprises at least two-phase, segmented, in particular nanophase-separated polymer film formed as a polymer in which the at least one indicator substance is immobilized. For the purposes of the present invention, and also in general, segmented polymer networks are network structures in which a polymer A is crosslinked with at least one further polymer B. For the purposes of the present invention, at least two-phase means that the polymer network has a spatially separated phase structure, wherein the separation of the phases can also take place only due to entropic effects. Preferred within the meaning of the present invention are polymer networks with separated phases of different hydrophilicity and / or hydrophobicity, as well as polymer networks with exactly two phases. Examples of two-phase systems are, for example, amphiphilic polymer networks. Preference is given to polymer networks which have hydrophilic and hydrophobic units. Nanophase-separated according to the present invention means that the polymer network, which is formed from the polymeric sensor material has a segmentation in at least two phases, which are preferably formed as cocontinuous phases, wherein the phase units thus formed are in the nanometer range, ie thickness or Diameter maximum about 1000 nm.
Die Segmentierung bzw. Nanophasenseparation kann beispielsweise über AFM- Messungen (Atomic Force Microscope-Messungen) beobachtet und bestimmt werden. Zur Vereinfachung werden im Sinne der vorliegenden Erfindung dabei die durch AFM- Messungen erhaltenen, an sich dreidimensionalen Informationen über die Nanophasenseparation übersetzt in eine ein- bzw. zweidimensionale Größe. Bevorzugt weisen die nanophasenseparierten Polymernetzwerke der vorliegenden Erfindung hydrophile bzw. hydrophobe Wände bzw. Domänen auf. Vorzugsweise ist die Nanophasenseparation des Polymernetzwerkes im Sinne der vorliegenden Erfindung sowohl auf der Oberfläche als auch in der Masse des polymeren Sensormateriales gegeben. Hierdurch wird einerseits eine ausreichende Permeabilität der polymeren Sensormatrix sichergestellt, andererseits können hierdurch kontrolliert und getrennt voneinander eine oder mehrere Indikatorsubstanzen sowie weitere Materialen wie beispielsweise auch Enzyme im polymeren Material immobilisiert werden. Hierdurch eignen sich die erfindungsgemäßen Sensoren sowohl zum Einsatz in flüssiger Phase, sei es in wässeriger Phase oder in organischen Lösemitteln, aber auch zum Einsatz von Gasbestimmungen. Bei Messung von Schadstofflösungen weist dabei bevorzugt das eingesetzte Lösemittel, wie Wasser oder ein organisches Lösemittel, eine andere Polarität auf als die durch das polymere Material und die mindestens eine Indikatorsubstanz gebildete Phase.The segmentation or nanophase separation can be monitored and determined, for example, by AFM measurements (atomic force microscopy measurements). For simplicity, in the sense of the present invention, the three-dimensional information about the nanophase separation obtained by AFM measurements is translated into a one-dimensional or two-dimensional variable. The nanophase-separated polymer networks of the present invention preferably have hydrophilic or hydrophobic walls or domains. Preferably, the nanophase separation of the polymer network according to the present invention is given both on the surface and in the mass of the polymeric sensor material. On the one hand, sufficient permeability of the polymeric sensor matrix is ensured on the one hand, and on the other hand, one or more indicator substances and other materials, such as, for example, enzymes, can be immobilized in the polymeric material in a controlled and separate manner. As a result, the sensors according to the invention are suitable both for use in the liquid phase, be it in the aqueous phase or in organic solvents, but also for the use of gas determinations. When measuring pollutant solutions, the solvent used, such as water or an organic solvent, preferably has a different polarity than the phase formed by the polymeric material and the at least one indicator substance.
Mindestens zweiphasig im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst dabei nicht nur Polymernetzwerke, welche hydrophile und hydrophobe Einheiten aufweisen, sondern auch solche Polymernetzwerke, welche amphiphile und nicht amphipile Bereiche aufweisen. Derartige Polymere sind in aller Regel als Blockcopolymere, Triblockcopolymere etc. des Aufbautyps AB, ABA, BAB etc. gebildet, welche als Bausteine zur Erzeugung des segmentierten, mehrphasigen Polymernetzwerkes eingesetzt werden. Derartige Blockcopolymere, Triblockcopolymere etc. können mittels bestimmter Monomeren zu Polymernetzwerken mit amphiphilen und nicht amphiphilen Einheiten ausgebildet werden. Ein Beispiel ist hier das unter dem Handelsnamen Pluronic erhältliche Polyethylenglykol-ό- Polypropylenglykol-6-Polyethylenglycol der Firma BASF, Ludwigshafen, Deutschland.At least two-phase within the meaning of the present invention includes not only Polymer networks, which have hydrophilic and hydrophobic units, but also those polymer networks, which have amphiphilic and non-amphipilic areas. Such polymers are usually formed as block copolymers, triblock copolymers, etc. of the construction type AB, ABA, BAB, etc., which are used as building blocks for the production of the segmented, multi-phase polymer network. Such block copolymers, triblock copolymers, etc. can be formed by means of certain monomers into polymer networks with amphiphilic and non-amphiphilic units. An example here is the polyethylene glycol ό-polypropylene glycol-6-polyethylene glycol available from the company BASF, Ludwigshafen, Germany, available under the trade name Pluronic.
Das mindestens zweiphasige, segmentierte Polymernetzwerk des erfindungsgemäßen Sensors ist dabei derart gestaltet, dass die Größe der segmentierten Einheiten nicht kleiner ist als die in dieser einzulagernden Indikatorsubstanzen bzw. weitere Substanzen wie Enzyme. Je nach Art der Lösemittel, in welchem die Indikatorsubstanz gelöst ist, quellen entweder die mehr hydrophoben oder die mehr hydrophilen Bereiche des nanophasen- separierten Polymernetzwerkes, so dass die Indikatorsubstanz und/oder aber das weiterhin eingesetzte Enzym in das Polymernetzwerk eindiffudieren und sich entweder an die mehr hydrophilen oder mehr hydrophoben Einheiten anlagern kann. Hierdurch wird eine gleichmäßige Verteilung der Indikatorsubstanz im nanophasenseparierten Polymernetz- werk bei gleichzeitig fester Bindung der Indikatorsubstanz nach Trocknung in diesem erhalten, so dass der erfindungsgemäße Sensor in einer gleichmäßigen und nacharbeitbaren Qualität zur Verfügung gestellt werden kann.The at least two-phase, segmented polymer network of the sensor according to the invention is designed such that the size of the segmented units is not smaller than the indicator substances to be stored in this or other substances such as enzymes. Depending on the nature of the solvent in which the indicator substance is dissolved, either the more hydrophobic or the more hydrophilic areas of the nanophase-separated polymer network swell, so that the indicator substance and / or the further used enzyme diffuse into the polymer network and either to the can attach more hydrophilic or more hydrophobic units. As a result, a uniform distribution of the indicator substance in the nanophase-separated polymer network is obtained while the binding of the indicator substance after drying in this same, so that the sensor according to the invention can be provided in a uniform and reworkable quality.
Vorteilhafterweise weist das polymere Material hydrophobe Domänen mit einem Durch- messer in einem Bereich von etwa 5 bis etwa 500 nm, bevorzugt etwa 8 bis etwa 300 nm, weiter bevorzugt etwa 8 bis etwa 50 nm auf, letztere Bereiche insbesondere zur Immobili- sation zusätzlicher Enzyme. Weiter bevorzugt weist das polymere Material hydrophile Wände mit einer Dicke in einem Bereich von etwa 5 bis etwa 500 nm, bevorzugt etwa 8 bis etwa 300 nm, weiter bevorzugt etwa 8 bis etwa 50 nm auf, letztere Bereiche insbe- sondere zur Immobilisation zusätzlicher Enzyme. Aufgrund dieser Morphologie ist das polymere Sensormaterial dafür geschaffen, eine Vielzahl unterschiedlichster Indikatorsubstanzen und/oder von Enzymen aufzunehmen und zu immobilisieren. Gleichzeitig ist auch eine hinreichende Permeabilität für die zu bestimmenden gasförmigen oder flüssigen Substanzen bzw. Mischungen ermöglicht.Advantageously, the polymeric material has hydrophobic domains with a diameter in a range from about 5 to about 500 nm, preferably from about 8 to about 300 nm, more preferably from about 8 to about 50 nm, the latter ranges especially for immobilizing additional enzymes , More preferably, the polymeric material has hydrophilic walls having a thickness in a range from about 5 to about 500 nm, preferably from about 8 to about 300 nm, more preferably from about 8 to about 50 nm, the latter ranges especially for immobilizing additional enzymes. Due to this morphology, the polymeric sensor material is designed to accommodate and immobilize a variety of different indicator substances and / or enzymes. At the same time, a sufficient permeability for the gaseous or liquid substances or mixtures to be determined is made possible.
In mindestens zweiphasigen, segmentierten, insbesondere nanophasenseparierten Polymernetzwerken gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Polymerketten desselben dreidimensional untereinander verknüpft. Vorzugsweise liegt somit ein einziges großes Molekül als polymeres Netzwerk vor. Die Synthese der im erfindungsgemäßen Sensor verwendeten polymeren Netzwerke kann prinzipiell durch Vernetzung von linearen Polymerketten mittels polymer-analoger Reaktion oder durch eine vernetzende Copolymerisa- tion mit einem Vernetzer erfolgen. Bei der Copolymerisation können anstelle von Monomeren auch Makromonomere eingesetzt werden. Unter diesem Begriff wird im Sinne der vorliegenden Erfindung Oligo- oder Polymere mit polymerisierbaren Gruppen verstanden. Durch Copolymerisation eines in beiden Endgruppen mit einer polymerisierbaren Gruppe modifizierten Makromonomeres und einem niedermolekularen Monomer entstehen Netz- werke mit einer segmentierten Topologie, die zwischen der gepfropften bzw. Kammpolymeren und der von interpenetrierenden Netzwerken angesiedelt ist. Derartig segmentierte Polymernetzwerke weisen eine Nanophasenseparation auf, und werden üblicherweise mit PoIy (A)-Iinked-Poly (B) bezeichnet, wobei PoIy (B) ein polymerer Vernetzer für das Monomer (A) ist. Ist nun bei einem aus mindestens zwei Komponenten aufgebauten Netzwerk gemäß einer der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die eine Polymerkomponente hydrophil und die andere hydrophob ausgebildet, so ist das durch Polymerisation erhaltene nanophasenseparierte Polymernetzwerk in einem weiten Bereich von Zusammensetzungen der beiden Ausgangskomponenten sowohl in organischen Lösemitteln als auch in wässrigen Medien quellbar. Man spricht in diesem Fall von einem amphiphilen Netzwerk. Obwohl zwischen den polaren und unpolaren Komponenten bzw. Kettensegmenten des nanophasensepaherten Polymernetzwerkes eigentlich eine Phasenseparation auftritt, wird jedoch durch die kovalenten Bindungen zwischen den einzelnen Segmenten eine makroskopische Phasentrennung verhindert. Hierdurch entstehen Domänen bzw. Wände im Polymernetzwerk mit überwiegend hydrophilen bzw. hydropho- ben Eigenschaften. Amphiphile Polymernetzwerke im Sinne der vorliegenden Erfindung sind aus nicht miteinander mischbaren, d.h. unverträglichen Polymerketten aufgebaut. Vorzugsweise ist dabei das Polymernetzwerk des erfindungsgemäßen Sensors hergestellt durch Copolymerisation eines Monomers (hydrophil oder hydrophob) mit einem Makromonomer (hydrophob oder hydrophil) bzw. durch Copolymerisation zweier Makromo- nomere unterschiedlicher Hydrophilie.In at least two-phase, segmented, in particular nanophase-separated polymer networks according to the present invention, the polymer chains thereof are the same three-dimensionally interconnected. Preferably, therefore, a single large molecule is present as a polymeric network. The synthesis of the polymeric networks used in the sensor according to the invention can be carried out in principle by crosslinking of linear polymer chains by means of a polymer-analogous reaction or by crosslinking copolymerization with a crosslinker. In the copolymerization macromonomers can be used instead of monomers. For the purposes of the present invention, this term is understood to mean oligomers or polymers having polymerizable groups. Copolymerization of a macromonomer modified in both end groups with a polymerizable group and a low molecular weight monomer results in networks with a segmented topology located between the grafted or comb polymers and those of interpenetrating networks. Such segmented polymer networks have nanophase separation and are commonly referred to as poly (A) -linked poly (B), where poly (B) is a polymeric crosslinker for monomer (A). If, in a network composed of at least two components, according to one of the preferred embodiments of the present invention, one polymer component is hydrophilic and the other hydrophobic, the nanophase-separated polymer network obtained by polymerization is in a wide range of compositions of the two starting components both in organic solvents also swellable in aqueous media. In this case one speaks of an amphiphilic network. Although a phase separation actually occurs between the polar and nonpolar components or chain segments of the nanophase-polymer network, macroscopic phase separation is prevented by the covalent bonds between the individual segments. This results in domains or walls in the polymer network with predominantly hydrophilic or hydrophobic properties. Amphiphilic polymer networks in the context of the present invention are composed of immiscible, ie incompatible polymer chains. The polymer network of the sensor according to the invention is preferably produced by copolymerization of a monomer (hydrophilic or hydrophobic) with a macromonomer (hydrophobic or hydrophilic) or by copolymerization of two macromonomers of different hydrophilicity.
Vorzugsweise ist die Komponente zur Erzeugung der hydrophoben Einheit des polymeren Materiales ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Alkyl(meth)acrylate, Styrol, Vinylace- tate, Olefine, Poly(ε-Caprolacton), Milchsäure, Diisocyanate, Diole, Diamine, Disäuren, Polyactide, Polypropylenfumarat, Diglycidylether von beispielsweise Bisphenol A, PoIy- tetrahydrofuran und/oder Polyalkyloxazoline (z.B. 2-Phenyloxazolin), Perfluorpolyethern oder Siloxanen wie beispielsweise Dimethylsiloxan sowie Copolymeren der angeführten Substanzen. Besonders bevorzugt ist dabei der Einsatz eines Polydialkylsiloxan- Makromonomers als hydrophobe Komponente des Polymernetzwerkes des erfindungsgemäßen Sensors, wobei besonders bevorzugt ein Polydimethylsiloxan-Makromonomer eingesetzt ist. Bevorzugt weist daher die Komponente zur Erzeugung einer hydrophoben Einheit ein Polydimethylsiloxan-Makromonomer mit einem Molekulargewicht Mn in einem Bereich von etwa 500 bis etwa 1 Mio. g/mol, weiter bevorzugt in einem Bereich von etwa 1000 bis etwa 500.000 g/mol, auf. Vorzugsweise wird dabei zur Synthese des polymeren Materiales für den erfindungsgemäßen Sensor ein α, ω-endgruppen-funktionalisiertes Polydialkylsiloxan-Makromonomer, beispielsweise ein bifunktionelles α, ω- Methacryloyloxypropyl-funktionalisiertes Polydimethylsiloxan (PDMS)-MakromonomerPreferably, the component for producing the hydrophobic unit of the polymeric material is selected from a group comprising alkyl (meth) acrylates, styrene, vinyl acetates, olefins, poly (ε-caprolactone), lactic acid, diisocyanates, diols, diamines, diacids, polyactides, Polypropylene fumarate, diglycidyl ethers of, for example, bisphenol A, polytetrahydrofuran and / or polyalkyloxazolines (for example 2-phenyloxazoline), perfluoropolyethers or siloxanes, for example dimethylsiloxane, and copolymers of the abovementioned Substances. Particularly preferred is the use of a polydialkylsiloxane macromonomer as the hydrophobic component of the polymer network of the sensor according to the invention, wherein a polydimethylsiloxane macromonomer is particularly preferably used. Preferably, therefore, the hydrophobic moiety generating component comprises a polydimethylsiloxane macromonomer having a molecular weight M n in a range of about 500 to about 1 million g / mol, more preferably in a range of about 1,000 to about 500,000 g / mol , For the synthesis of the polymeric material for the sensor according to the invention, an α, ω-end-functionalized polydialkylsiloxane macromonomer, for example a bifunctional α, ω-methacryloyloxypropyl-functionalized polydimethylsiloxane (PDMS) macromonomer, is preferably used for the synthesis of the polymeric material
(MA-PDMS-MA) eingesetzt. Die zur Erzeugung der hydrophilen Einheit des Polymernetzwerkes eingesetzte Substanz unterliegt keiner spezifischen Beschränkung. Besonders bevorzugt ist die Komponente zur Erzeugung einer hydrophilen Einheit ausgewählt aus einer Gruppe umfassend (Meth)Acrylat und dessen Derivate, Diisocyanate, Diole, Diami- ne, Disäuren, Acrylamid, N-Isopropylacrylamid, N-Vinylcaprolactam, 2,3-(MA-PDMS-MA) used. The substance used to form the hydrophilic unit of the polymer network is not specifically limited. The component for producing a hydrophilic unit is particularly preferably selected from a group comprising (meth) acrylate and its derivatives, diisocyanates, diols, diamines, diacids, acrylamide, N-isopropylacrylamide, N-vinylcaprolactam, 2,3-
Dihydroxypropylmethacrylat, Maleinsäure, Fumarsäure oder Vinylacetat als Monomere und/oder als Makromonomere, Poly-1 ,3-Dioxolan, Polyethylenimin, Polypropylenimin, Polyethylenglycol, Polypropylenglycol und Polyoxazoline mit (Meth)Acrylat, Epoxy-, Ami- no-, Isocyanato- oder Hydroxylendgruppen. Besonders bevorzugt als hydrophile Kompo- nente sind (Meth)Acrylsäure und (Meth)Acrylate sowie deren Derivate, insbesondere Hydroxyethyl(meth)acrylat, Dimethylacrylamid und Dirnethylaminoethyl(meth)acrylat. Mit den Bezeichnungen (Meth)Acrylsäure bzw. (Meth)Acrylat sind im Sinne der vorliegenden Erfindung Acrylsäure und Methacrylsäure bzw. Acrylat und Methacrylat benannt.Dihydroxypropyl methacrylate, maleic acid, fumaric acid or vinyl acetate as monomers and / or as macromonomers, poly-1, 3-dioxolane, polyethyleneimine, polypropyleneimine, polyethylene glycol, polypropylene glycol and polyoxazolines with (meth) acrylate, epoxy, amino, isocyanato or hydroxyl end groups , Particularly preferred hydrophilic components are (meth) acrylic acid and (meth) acrylates and derivatives thereof, in particular hydroxyethyl (meth) acrylate, dimethylacrylamide and dimethylaminoethyl (meth) acrylate. With the names (meth) acrylic acid or (meth) acrylate are named for the purposes of the present invention, acrylic acid and methacrylic acid or acrylate and methacrylate.
Vorzugsweise ist das polymere Netzwerk in Lösemitteln unlöslich, sowie vorteilhafterweise in Lösemitteln quellbar. Das polymere Material ist vorzugsweise auf einem Trägermittel angeordnet. Dieses Trägermittel ist dabei derart ausgewählt, dass dieses eine Bestimmung von insbesondere Schadgasen und Schadstoffen mittels des erfindungsgemäßen Sensors nicht behindert. So kann insbesondere bei einem erfindungsgemäßen Sensor, welcher optisch auswertbar ist, als Trägermittel ein Glasträger vorgesehen sein, vorzugsweise ein Glasträger aus einem Borsilikatglas. Vorzugsweise ist dabei das polymere Material kovalent mit dem Trägermittel verbunden. Dies wird durch eine spezielle Vorbehandlung des Trägermittels, insbesondere eines Glasträgers, erzielt.Preferably, the polymeric network is insoluble in solvents, and advantageously swellable in solvents. The polymeric material is preferably disposed on a carrier. This support means is selected such that it does not hinder the determination of in particular harmful gases and pollutants by means of the sensor according to the invention. Thus, in particular in the case of a sensor according to the invention, which is optically evaluable, a glass carrier may be provided as the carrier means, preferably a glass carrier made of a borosilicate glass. Preferably, the polymeric material is covalently bonded to the carrier. This is achieved by a special pretreatment of the carrier, in particular a glass carrier.
Vorteilhafterweise ist das polymere Material des erfindungsgemäßen Sensors als Film ausgebildet. Dieser Film ist dabei vorteilhafterweise lichtdurchlässig, weiter vorteilhafter- weise durchsichtig und klar ausgebildet. Der Film weist dabei vorzugsweise eine Dicke in einem Bereich von etwa 0,1 μm bis etwa 1000 μm, bevorzugt etwa 1 μm bis etwa 200 μm auf. Der Film kann auf einer oder beiden Seiten eines Trägermittels angeordnet sein, insbesondere auch in mehreren Schichten übereinander. Auch kann eine Reflexionsschicht zwischen Trägermittel und Film oder auf der Rückseite des durchsichtigen Trägermittels angebracht werden zur Messung in Reflexion.Advantageously, the polymeric material of the sensor according to the invention is formed as a film. This film is advantageously translucent, more advantageously wise transparent and clear. The film preferably has a thickness in a range from about 0.1 μm to about 1000 μm, preferably from about 1 μm to about 200 μm. The film can be arranged on one or both sides of a carrier, in particular also in several layers one above the other. Also, a reflective layer can be applied between the support and the film or on the back of the transparent support for measurement in reflection.
Die Indikatorsubstanz im erfindungsgemäßen Sensor ist vorteilhafterweise durch Van-der- Waals-Wechselwirkungen, Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindun- gen, ionische Wechselwirkungen sowie kovalente Bindungen an das polymere Netzwerkmaterial in diesem immobilisiert.The indicator substance in the sensor according to the invention is advantageously immobilized by van der Waals interactions, dipole-dipole interactions, hydrogen bonds, ionic interactions as well as covalent bonds to the polymeric network material therein.
Der erfindungsgemäße Sensor umfasst vorteilhafterweise weiterhin mindestens ein Enzym, welches vorteilhafterweise ebenso wie die Indikatorsubstanz in dem mindestens zweiphasigen, segmentierten, insbesondere nanophasenseparierten Polymernetzwerk des polymeren Materiales immobilisiert ist. Hierdurch ist es ermöglicht, enzymkatalysierte Reaktionen im Polymernetzwerk durchzuführen, wobei dann das Produkt der enzymati- schen Katalyse beispielsweise optisch oder elektrochemisch bestimmt werden kann. Hierdurch ist es ermöglicht, beispielsweise üblicherweise nicht mit optischen Auswerte- einheiten messbare Schadgase bzw. Schadstoffe (in flüssiger Phase) auf indirektem Wege sicher zu bestimmen, wodurch eine Anschaffung zusätzlicher Auswerteeinheiten kostengünstig vermieden werden kann.The sensor according to the invention advantageously also comprises at least one enzyme which, like the indicator substance, is advantageously immobilized in the at least two-phase, segmented, in particular nanophase-separated polymer network of the polymeric material. This makes it possible to carry out enzyme-catalyzed reactions in the polymer network, in which case the product of enzymatic catalysis can be determined, for example, optically or electrochemically. In this way it is possible, for example, to reliably determine harmful gases or pollutants (in the liquid phase) which can not be measured by optical evaluation units, thereby making it possible to inexpensively avoid the acquisition of additional evaluation units.
Im erfindungsgemäßen Sensor einsetzbare Enzyme sind beispielsweise Meerrettichpero- xidase (HRP) oder Chlorperoxidase (CPO), welche in einer wässerigen Enzymlösung inkubiert werden. Nach Trocknung des Sensors befindet sich das Enzym in der hydrophilen Einheit des nanophasenseparierten Polymernetzwerkes, wobei dieses eine hohe Aktivität aufweist. Hierdurch können beispielsweise Peroxide in organischen Lösemitteln durch enzymatisch mittels HRP katalysierte Reaktionen mit einer optischen Auswerteein- heit im sichtbaren Bereich bei Auswahl einer geeigneten Indikatorsubstanz bestimmt werden. Dabei sind beispielsweise Beladungen des nanophasenseparierten Polymernetzwerkes des erfindungsgemäßen Sensors in einem Bereich von etwa 1 bis etwa 100 μg Enzym pro cm2 des 20 μm dicken Filmes eines Polymernetzwerkes möglich.Enzymes which can be used in the sensor according to the invention are, for example, horseradish peroxidase (HRP) or chloroperoxidase (CPO), which are incubated in an aqueous enzyme solution. After drying the sensor, the enzyme is in the hydrophilic unit of the nanophase-separated polymer network, which has a high activity. In this way, for example, peroxides in organic solvents can be determined by enzymatically HRP-catalyzed reactions with an optical evaluation unit in the visible range when a suitable indicator substance is selected. For example, loads of the nanophase-separated polymer network of the sensor according to the invention in a range of about 1 to about 100 micrograms of enzyme per cm 2 of the 20 micron thick film of a polymer network are possible.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensors, wobei ein mindestens zweiphasiges, segmentiertes, insbesondere nanophasensepariertes Polymernetzwerk hergestellt wird durch Copolymerisation zweier Makromonomere unterschiedlicher Hydrophilie bzw. eines Monomers und eines Makromonomers mit jeweils unterschiedlicher Hydrophile und dieses mit mindestens einer Indikatorsubstanz beladen werden. Besonders bevorzugt ist dabei diejenige Alternative, dass ein Monomer und ein Makromonomer mit jeweils unterschiedlicher Hydrophilie co- polymehsiert wird, wobei weiter bevorzugt ein hydrophobes Makromonomer mit einem hydrophilen Monomer copolymerisiert wird. Um zu verhindern, dass die starke Unverträglichkeit zwischen den unterschiedlichen Kettensegmenten nicht schon bei der Synthese zu einer makroskopischen Phasentrennung führt, wird dabei vorteilhafterweise das mindestens zweiphasige, segmentierte, insbesondere nanophasenseparierte Polymernetz- werk in Masse polymerisiert, wobei vorteilhafterweise Schutzgruppen-modifizierte Monomere eingesetzt werden, um eine ausreichende Vermischung der eingesetzten Komponenten zu erlangen. Ein Beispiel hierfür ist der Ersatz des hydrophilen Monomers (Me- th)Acrylsäure ((M)AA) durch das hydrophobe Trimethylsilyl(meth)acrylat (TMS(M)A), welches mit hydrophoben Makromonomeren gut verträglich ist. Bei der Copolymerisation entsteht dabei dann zunächst ein Vorläufernetzwerk, dessen polare Kettensegmente Tri- methylsilyl-Schutzgruppen tragen. Durch Hydrolyse mit Alkohol/Wasser-Gemischen können diese Schutzgruppen dann abgespalten werden, so dass dann ein amphiphiles Netzwerk mit hydrophilen und hydrophoben Einheiten erhalten wird.Furthermore, the present invention relates to a method for producing a sensor according to the invention, wherein an at least two-phase, segmented, in particular nanophase-separated polymer network is produced by copolymerization two macromonomers of different hydrophilicity or of a monomer and a macromonomer, each having different hydrophilicity and this are loaded with at least one indicator substance. Particularly preferred is the alternative that a monomer and a macromonomer, each having different hydrophilicity is co polymehsiert, more preferably, a hydrophobic macromonomer is copolymerized with a hydrophilic monomer. In order to prevent that the strong incompatibility between the different chain segments does not lead to a macroscopic phase separation already in the synthesis, advantageously the at least two-phase, segmented, in particular nanophase-separated polymer network is polymerized in bulk, advantageously using protective group-modified monomers, to obtain a sufficient mixing of the components used. An example of this is the replacement of the hydrophilic monomer (meth) acrylic acid ((M) AA) by the hydrophobic trimethylsilyl (meth) acrylate (TMS (M) A), which is well compatible with hydrophobic macromonomers. In the course of the copolymerization, a precursor network is first formed, the polar chain segments of which carry trimethylsilyl protective groups. By hydrolysis with alcohol / water mixtures, these protective groups can then be split off, so that an amphiphilic network with hydrophilic and hydrophobic units is then obtained.
Weiter bevorzugt wird das Polymernetzwerk zusätzlich zu der mindestens einen Indikatorsubstanz mit mindestens einem Enzym beladen. Die Beladung erfolgt bevorzugt während der Zugabe der mindestens einen Indikatorsubstanz, sie kann jedoch auch vor Zugabe der mindestens einen Indikatorsubstanz, aber auch nachfolgend derselben erfolgen.More preferably, the polymer network is loaded with at least one enzyme in addition to the at least one indicator substance. The loading preferably takes place during the addition of the at least one indicator substance, but it can also take place before the addition of the at least one indicator substance, but also subsequently.
Vorteilhafterweise wird das mindestens zweiphasige, nanophasenseparierte Polymernetzwerk durch UV-initiierte radikalische Copolymerisation durchgeführt. Alternativ kann auch eine beliebige weitere Methode zur Copolymerisation vorgesehen sein. Vorzugsweise erfolgt dabei eine UV-initiierte radikalische Copolymerisation von PDMS- Makromonomeren und (Meth)Acrylaten bzw. deren Derivaten, wobei als hydrophile Kom- ponenten vorzugsweise (Meth)Acrylsäure ((M)AA), Hydroxyethyl(meth)acrylat (HE(M)A) und Dimethylaminoethyl(meth)acrylat (DMAE(M)A) eingesetzt werden. (M)AA und HE(M)A können dabei in Form ihrer hydrophoben trimethylsilyl-geschützen Derivate in das Polymernetzwerk eingebaut werden, worauf dann nachfolgend die Schutzgruppen entfernt und so ein mindestens zweiphasiges, nanophasensepariertes Netzwerk erhalten wird. Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren die Verwendung eines polymeren Materia- les, welches als ein mindestens zweiphasiges, segmentierte, insbesondere nanophasen- separiertes Polymernetzwerk ausgebildet und mit mindestens einer Indikatorsubstanz beladen ist, als Sensormaterial. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung die Verwen- düng des erfindungsgemäßen Sensors zur quantitativen und/oder qualitativen Bestimmung von Analyten in einer flüssigen und/oder gasförmigen Probe, insbesondere von Schadgasen und/oder Schadstofflösungen. Die Bestimmung erfolgt dabei vorzugsweise durch optische Methoden, insbesondere durch UV-VIS-Spektroskopie, aber beispielsweise auch durch NIR bzw. FTIR-Spektroskopie. Aber auch beispielsweise eine Auswertung mittels elektrochemischer Methoden, beispielsweise durch Messungen von Überspannungen und insbesondere mittels der so genannten SECM-Methode (Scanning Electro Chemical Microscopie) ist je nach eingesetzten Indikatorsubstanzen und zu bestimmenden Analyten möglich. Dabei kann der erfindungsgemäße Sensor derart ausgelegt sein, dass hiermit in situ beispielsweise bei einem bestimmten Gasfluss gemessen wird, er kann aber auch beispielsweise als passiver Sensor ausgelegt sein bei besonders großen Messzeiträumen. Eine optische Auswertung des erfindungsgemäßen Sensors kann sowohl im Transmissions- als auch im Reflexionsbetrieb erfolgen, einschließlich einer Messung durch Mehrfachreflexion.Advantageously, the at least two-phase, nanophase-separated polymer network is carried out by UV-initiated radical copolymerization. Alternatively, any other method of copolymerization may be provided. Preferably, a UV-initiated free-radical copolymerization of PDMS macromonomers and (meth) acrylates or their derivatives is carried out, wherein (meth) acrylic acid ((M) AA), hydroxyethyl (meth) acrylate (HE (M ) A) and dimethylaminoethyl (meth) acrylate (DMAE (M) A) can be used. (M) AA and HE (M) A can be incorporated into the polymer network in the form of their hydrophobic trimethylsilyl-protected derivatives, after which the protective groups are subsequently removed to obtain an at least two-phase, nanophase-separated network. The present invention further relates to the use of a polymeric material, which is designed as an at least two-phase, segmented, in particular nanophase-separated polymer network and is loaded with at least one indicator substance, as sensor material. Finally, the present invention relates to the use of the sensor according to the invention for the quantitative and / or qualitative determination of analytes in a liquid and / or gaseous sample, in particular of noxious gases and / or pollutant solutions. The determination is preferably carried out by optical methods, in particular by UV-VIS spectroscopy, but for example by NIR or FTIR spectroscopy. But also, for example, an evaluation by means of electrochemical methods, for example by measurements of overvoltages and in particular by means of the so-called SECM method (Scanning Electro Chemical Microscopy) is possible depending on the indicator substances used and analytes to be determined. In this case, the sensor according to the invention can be designed such that it is hereby measured in situ, for example, at a certain gas flow, but it can also be designed, for example, as a passive sensor for particularly large measuring periods. An optical evaluation of the sensor according to the invention can be carried out both in the transmission and in the reflection mode, including a measurement by multiple reflection.
Diese und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beispiele und Figuren näher erläutert. Es zeigen:These and other advantages of the present invention will become more apparent from the following examples and drawings. Show it:
Fig. 1 : Chemische Struktur von 3-Methacryloyloxypropyltrimethoxysilan;Fig. 1: Chemical structure of 3-methacryloyloxypropyltrimethoxysilane;
Fig. 2: Chemische Struktur von Trimethylsilyloxyethylacrylat (TMSOEA);Fig. 2: Chemical structure of trimethylsilyloxyethyl acrylate (TMSOEA);
Fig. 3: Chemische Struktur von Methacrylat-terminiertem PolydimethylsiloxanFig. 3: Chemical structure of methacrylate-terminated polydimethylsiloxane
(MA-PDMS-MA) mit n * 66);(MA-PDMS-MA) with n * 66);
Fig. 4: Chemische Struktur des hergestellten nanophasenseparierten amphiphilenFig. 4: Chemical structure of the prepared nanophase-separated amphiphilic
Polymernetzwerkes auf Basis von Polyacrylat-Polydimethylsiloxan- Copolymeren (ungeladen: R = 0-CH2-CH2-OH; kationisch: R = -CH2-CH2- N(Me)3 +; anionisch: R = 0") mit n, m, r, s > 1 und q = 66;Polymer network based on polyacrylate-polydimethylsiloxane copolymers (uncharged: R = O-CH 2 -CH 2 -OH; cationic: R = -CH 2 -CH 2 -N (Me) 3 + ; anionic: R = 0 " ) with n, m, r, s> 1 and q = 66;
Fig. 5: Chemische Struktur von N,N'-Diphenyl-1 ,4-Phenylendiamin (DPPD); Fig. 6: Änderungen des Transmissionsspektrums eines Sensors gemäß Beispiel 1 bei Begasung mit 5 ppm NO2 in synthetischer Luft über 10 min;Fig. 5: Chemical structure of N, N'-diphenyl-1,4-phenylenediamine (DPPD); FIG. 6 shows changes in the transmission spectrum of a sensor according to Example 1 when gassing with 5 ppm of NO 2 in synthetic air over 10 minutes; FIG.
Fig. 7: Transmissionsänderung bei 450 nm eines Sensorchips gemäß Beispiel 1 bei Begasung mit 5 ppm NO2 in synthetischer Luft über 10 min;Fig. 7: Transmission change at 450 nm of a sensor chip according to Example 1 with gassing with 5 ppm NO 2 in synthetic air over 10 min;
Fig. 8: Chemische Struktur von Dimethylaminoethylacrylat (DMAEA);Fig. 8: Chemical structure of dimethylaminoethyl acrylate (DMAEA);
Fig. 9: Änderung des Transmissionsspektrums eines Sensorchips gemäß Beispiel 2 bei Begasung mit unterschiedlichen Volumenanteilen AcOH in synthetischer Luft bei 60 % relativer Feuchte über 60 min;9 shows a change in the transmission spectrum of a sensor chip according to Example 2 when gassing with different proportions by volume of AcOH in synthetic air at 60% relative humidity over 60 minutes;
Fig. 10: Transmissionsänderung bei 425 nm eines Sensors gemäß Beispiel 2 beiFIG. 10: Transmittance change at 425 nm of a sensor according to Example 2 at
Begasung mit unterschiedlichen Volumenanteilen AcOH in synthetischer Luft bei 60 % relativer Feuchte über 60 min;Gassing with different proportions of AcOH in synthetic air at 60% relative humidity over 60 minutes;
Fig. 11 : Chemische Struktur von Trimethylsilylacrylat (TMSA);Fig. 11: Chemical structure of trimethylsilyl acrylate (TMSA);
Fig. 12: Änderungen des Transmissionsspektrums eines Sensors gemäß Beispiel 3 bei Begasung mit 10 ppm H2S in synthetischer Luft bei 60 % relativerFig. 12: Changes in the transmission spectrum of a sensor according to Example 3 when gassed with 10 ppm H 2 S in synthetic air at 60% relative
Feuchte über 10 min;Humidity over 10 min;
Fig. 13: Transmissionsänderung bei ausgewählten Wellenlängen eines Sensors gemäß Beispiel 3 bei Begasung mit 10 ppm H2S in synthetischer Luft bei 60 % relativer Feuchte über 10 min;Fig. 13: Transmittance change at selected wavelengths of a sensor according to Example 3 when gassed with 10 ppm H 2 S in synthetic air at 60% relative humidity over 10 min;
Fig. 14: Chemische Struktur von Diphenylamin;Fig. 14: Chemical structure of diphenylamine;
Fig. 15: Änderungen des Transmissionsspektrums eines Sensors gemäß Beispiel 4 bei Begasung mit 100 ppb NO2 in Luft bei weniger als 5 % relativer Feuchte über 21 Tage;Fig. 15: Changes in the transmission spectrum of a sensor according to Example 4 when gassed with 100 ppb NO 2 in air at less than 5% relative humidity over 21 days;
Fig. 16: Transmissionsänderung bei 390 nm eines Sensors gemäß Beispiel 4 beiFig. 16: Transmittance change at 390 nm of a sensor according to Example 4 at
Begasung mit 100 ppb NO2 in Luft bei weniger als 5 % relativer Feuchte über 21 Tage; Fig. 17: Chemische Struktur von 2,2'-Azino-bis(3-ethylbenzothiazolin-6-sulphon- säure)diamoniumsalz (ABTS);Fumigation with 100 ppb NO 2 in air at less than 5% relative humidity over 21 days; FIG. 17: Chemical structure of 2,2'-azino-bis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid) diamonium salt (ABTS); FIG.
Fig. 18: Änderung der Absorption bei 414 nm nach Zugabe von tert- Butylhydroperoxid zu einem Biosensor gemäß Beispiel 5.FIG. 18: Change in absorption at 414 nm after addition of tert-butyl hydroperoxide to a biosensor according to Example 5.
Beispiel 1: Sensor zum Nachweis von Stickstoffdioxid in gasförmigen ProbenExample 1: Sensor for the detection of nitrogen dioxide in gaseous samples
Oberflächenfunktionalisierung der Glasträger:Surface functionalization of glass slides:
Zur Reinigung wurden Glasträger aus Borosilikatglas (SIMAX®; Kavalier, Säzava, Tschechische Republik) der Größe 15 x 7 x 1 mm3 bei Raumtemperatur in einer Lösung aus 70 Vol.-% konz. Schwefelsäure und 30 Vol.-% Wasserstoffperoxidlösung (30 % in Wasser) für eine Stunde im Ultraschallbad behandelt. Die Glasträger wurden drei Mal mit destillier- tem Wasser gewaschen und im Trockenschrank bei 50 0C über Nacht getrocknet. Zur Funktionalisierung der Oberfläche der Glasträger mit Methacrylatgruppen wurden die Glasträger bei Raumtemperatur für zwei Stunden in einer 20 Vol-% Lösung von 3- Methacryloyloxypropyltrimethoxysilan (Fig. 1) (Fa. Fluka, Steinheim, Deutschland) in To- luol (p.a., Fa. Merck, Darmstadt, Deutschland) geschüttelt und anschließend 10 min im Ultraschallbad behandelt. Die Glasträger wurden in ein Gefäß mit dest. Wasser überführt und für 5 min im Ultraschallbad behandelt. Dieser Vorgang wurde wiederholt und die Glasträger anschließend mit etwa 10 ml dest. Wasser abgespült. Die oberflächenfunktio- nalisierten Glasträger wurden im Vakuum (0,1 mbar) bei 40 °C über Nacht getrocknet und bis zur weiteren Verwendung im Kühlschrank bei —40 0C gelagert.(Cavalier, Säzava, Czech Republic SIMAX ®) of the size 15 x 7 x 1 mm 3 of concentrated at room temperature in a solution of 70 vol .-% for cleaning glass substrate made of borosilicate glass were. Sulfuric acid and 30 vol .-% hydrogen peroxide solution (30% in water) for one hour in an ultrasonic bath. The glass slides were washed three times with distilled water and dried in an oven at 50 ° C. overnight. In order to functionalize the surface of the glass supports with methacrylate groups, the glass supports were heated at room temperature for two hours in a 20% by volume solution of 3-methacryloyloxypropyltrimethoxysilane (Figure 1) (Fluka, Steinheim, Germany) in toluol (pa, Fa. Merck, Darmstadt, Germany) and then treated for 10 min in an ultrasonic bath. The glass slides were placed in a vessel with dest. Transferred water and treated for 5 min in an ultrasonic bath. This process was repeated and then the glass slides with about 10 ml dest. Rinsed off water. The oberflächenfunktio- ized glass slides were stored in vacuo (0.1 mbar) at 40 ° C overnight and until further use in a refrigerator at -40 0 C.
Synthese der Polymernetzwerke:Synthesis of polymer networks:
Zur Herstellung von Filmen aus Polymernetzwerken wurden in einem Rollrandglas 11 ,76 mg des Photoinitiators Lucirin TPO (BASF, Ludwigshafen, Deutschland) in 576 μl frisch destilliertem Trimethylsilyloxyethylacrylat (TMSOEA, Fig. 2) unter Rühren gelöst. Anschließend wurden 1153 μl methacrylat-terminiertes Polydimethylsiloxan (MA-PDMS-MA, Fig. 3; eigene Darstellung) mit einem Molekulargewicht von 5200 g mol"1 zugegeben und die Lösung weitere 10 min gerührt. Hieraus ergab sich ein Volumenverhältnis von TMSOEA zu MA-PDMS-MA von 33 % zu 67 %. Unter Argon-Atmosphäre wurden nun 12 μl dieser Lösung auf einen mit Tesafilm beklebten Glas-Objektträger (76 x 26 x 1 mm3) aufgetragen und ein methacrylat-funktionalisierter Glasträger blasenfrei aufgelegt. Zur Photopolymerisation wurde der Glasträger aus einer Entfernung von 30 cm mit einer 500 W Nitraphot-Lampe (Osram GmbH, München, Deutschland) viermal für jeweils 60 s belichtet mit jeweils 15 s Belichtungspause. Hiernach wurde der Glasträger samt Objektträger umgedreht und durch den Objektträger hindurch noch zweimal für 60 s mit 15 s Pause belichtet. Unter Raumluft wurden die fest an dem funktionalisierten Glasträger veranker- ten, transparenten Filme aus Polytrimethylsilyloxyethylacrylat-/-Polydimethylsiloxan Polymernetzwerk (PTMSOEA-/-PDMS) mit Hilfe eines Skalpells von dem mit Tesafilm beklebten Objektträger entfernt.For the production of films from polymer networks, 11.75 mg of the photoinitiator Lucirin TPO (BASF, Ludwigshafen, Germany) in 576 μl of freshly distilled trimethylsilyloxyethyl acrylate (TMSOEA, FIG. 2) were dissolved in a rolled-edge glass with stirring. Subsequently, 1153 μl of methacrylate-terminated polydimethylsiloxane (MA-PDMS-MA, Figure 3, own illustration) having a molecular weight of 5200 g mol -1 were added, and the solution was stirred for a further 10 minutes, resulting in a volume ratio of TMSOEA to MA PDMS-MA of 33% to 67% Under argon atmosphere, 12 μl of this solution were then applied to a tesafilm-bonded glass slide (76 × 26 × 1 mm 3 ) and a methacrylate-functionalized glass support was applied bubble-free the glass carrier became from a distance of 30 cm with a 500 W Nitraphot lamp (Osram GmbH, Munich, Germany) exposed four times for 60 s each with 15 s exposure pause. Thereafter, the glass slide with slide was turned over and exposed through the slide twice for 60 s with 15 s rest. Under room air, the transparent films of polytrimethylsilyloxyethyl acrylate / polydimethylsiloxane polymer network (PTMSOEA - / - PDMS) firmly anchored to the functionalized glass slide were removed from the Tesafilm-coated slide using a scalpel.
Chemische Modifikation der Polymernetzwerke:Chemical modification of the polymer networks:
Zur Entfernung der Trimethylsilyl-Gruppen (TMS-Gruppen) wurden die PTMSOEA-/- PDMS-beschichteten Glasträger dreimal für jeweils einen Tag in einer 50 Vol.-% Lösung von Methanol (p.a.; Riedel-de Haen, Steinheim, Deutschland) in dest. Wasser geschüttelt, bis im ATR-FTI R-S pektrum keine Signale der TMS-Schutzgruppe mehr zu erkennen wa- ren. Anschließend wurden die nun mit dem ungeladenen nanophasenseparierten amphiphilen Polyhydroxyethylacrylat-/-Polydimethylsiloxan Polymernetzwerk (PHEA-/- PDMS) beschichteten, transparenten Glasträger mit etwa 10 ml Methanol abgespült und über Nacht im Vakuum (0,1 mbar) bei 40 0C getrocknet.To remove the trimethylsilyl groups (TMS groups), the PTMSOEA - / - PDMS-coated glass slides were washed three times for one day in a 50% by volume solution of methanol (pa; Riedel-de Haen, Steinheim, Germany) in dist , Shaking with water until no signals of the TMS protective group were recognizable in the ATR-FTI case. Subsequently, the transparent glass carriers coated with the uncharged nanophase-separated amphiphilic polyhydroxyethyl acrylate / polydimethylsiloxane polymer network (PHEA / PDMS) were also included Rinsed about 10 ml of methanol and dried overnight in vacuo (0.1 mbar) at 40 0 C.
Beladung der Polymernetzwerke mit Indikatorreagenz:Loading the Polymer Networks with Indicator Reagent:
Die PHEA-/-PDMS-beschichteten Glasträger wurden für etwa 15 min in einer Lösung aus 2 mg ml'1 N,N'-Diphenyl-1 ,4-phenylendiamin (DPPD, Fig. 4; Fa. Aldrich, Steinheim, Deutschland) in Toluol (p.a.) geschüttelt und nach kurzem Trocknen an Raumluft die Rückseite des beschichteten Glasträgers mit einem in Toluol getränkten Wattestäbchen von DPPD-Resten gesäubert. Anschließend wurden die transparenten PHEA-/-PDMS- beschichteten und DPPD-beladenen Glasträger im Vakuum (1 mbar) bei 30 0C getrocknet. Die weitere Lagerung erfolgte in einem luftdicht verschlossenen Behältnis im Dunkeln und bei Raumtemperatur.The PHEA - / - PDMS-coated glass slides were incubated for about 15 min in a solution of 2 mg ml '1 N, N'-diphenyl-1, 4-phenylenediamine (DPPD, Fig 4; Aldrich, Steinheim, Germany.. ) in toluene (pa) and after brief drying in room air, the back of the coated glass slide with a cotton swab soaked in toluene of DPPD residues cleaned. / - - Subsequently, the transparent PHEA were PDMS coated and DPPD-loaded glass support under vacuum (1 mbar) at 30 0 C. Further storage took place in an airtight container in the dark and at room temperature.
Verwendung als Sensor:Use as sensor:
Die PHEA-/-PDMS-beschichteten und DPPD-beladenen Glasträger (PHEA-/-PDMS- DPPD-Sensorchips) eigneten sich in ausgezeichneter Weise zum Nachweis von Stick- stoffdioxid (NO2) in gasförmigen Proben. Hierzu wurde mit Hilfe von Massedurchflussreglern (Typ F-201C-RAA-33-E, Fa. Bronkhorst Hi-Tec, Ruurlo, Niederlanden) ein Gasgemisch aus 5 Volumen-ppm NO2 in Synthetischer Luft (20,5 % O2 in N2) mit einem VoIu- menstrom von 1000 ml min'1 hergestellt. Das NO2 wurde hierbei einer Prüfgasflasche, die Synthetische Luft einer Druckgasflasche (beide Messer Griesheim GmbH, Krefeld, Deutschland) entnommen. Das so hergestellte Gasgemisch wurde durch eine Messküvet- te aus Quarzglas (Fa. Hellma, Müllheim, Deutschland) geleitet, in der ein PHEA-/-PDMS- DPPD-Sensorchip so befestigt war, dass dieser senkrecht vom Messstrahl eines UV/VIS- Spektralphotometers (Omega 20; Bruins Instruments, Puchheim, Deutschland) durchstrahlt wurde.The PHEA / PDMS coated and DPPD loaded glass slides (PHEA / PDMS DPPD sensor chips) were excellently suited for the detection of nitrogen dioxide (NO 2 ) in gaseous samples. For this purpose, using mass flow regulators (type F-201C-RAA-33-E, Bronkhorst Hi-Tec, Ruurlo, Netherlands), a gas mixture of 5 ppm by volume of NO 2 in synthetic air (20.5% O 2 in N 2 ) with a voucher stream of 1000 ml min '1 produced. The NO 2 was taken from a test gas cylinder, the synthetic air from a compressed gas cylinder (both Messer Griesheim GmbH, Krefeld, Germany). The gas mixture produced in this way was passed through a measuring tube made of quartz glass (Hellma, Müllheim, Germany) in which a PHEA / PDMS DPPD sensor chip was attached in such a way that it was perpendicular to the measuring beam of a UV / VIS spectrophotometer (Omega 20, Bruins Instruments, Puchheim, Germany).
Bei der periodischen Aufnahme von Transmissionsspektren zeigte sich eine rasche Ände- rung im Transmissionsspektrum der PHEA-/-PDMS-DPPD-Sensorchips (Fig. 5). Bei Auftragung der Transmissionsänderung bei einer Wellenlänge von 450 nm gegen die Zeit erhielt man einen im Anfangsbereich annähernd linearen Kurvenverlauf, dessen Steigung von der NO2-Konzentration abhängig war und somit zur Kalibrierung des Sensors herangezogen werden kann (Fig. 6).The periodic recording of transmission spectra showed a rapid change in the transmission spectrum of the PHEA - / - PDMS-DPPD sensor chips (Figure 5). By plotting the change in transmission at a wavelength of 450 nm versus time, an approximately linear curve was obtained in the initial region, the slope of which depended on the NO 2 concentration and thus could be used to calibrate the sensor (FIG. 6).
Beispiel 2: Sensor zum Nachweis von Schwefeldioxid in gasförmigen ProbenExample 2: Sensor for the detection of sulfur dioxide in gaseous samples
Oberflächenfunktionalisierung der Glasträger:Surface functionalization of glass slides:
Wie in Beispiel 1.As in Example 1.
Synthese der Polymernetzwerke:Synthesis of polymer networks:
Zur Herstellung von Filmen aus Polymernetzwerken wurden in einem Rollrandglas 13,58 mg des Photoinitiators Lucirin TPO in 667 μl Decalin (Fa. Aldrich, Steinheim, Deutschland) unter Rühren gelöst. Anschließend wurden 444 μl frisch destilliertes N1N- Dimethylaminoethylacrylat (DMAEA, Fig. 7; Fa. Aldrich, Steinheim, Deutschland) und 888 μl MA-PDMS-MA (siehe Beispiel 1) zugegeben und die Lösung weitere 10 min gerührt. Hieraus ergab sich ein Volumenverhältnis von DMAEA zu MA-PDMS-MA von 33 % zu 67 %. Das weitere Vorgehen erfolgte wie in Beispiel 1 beschrieben. Es wurden fest an dem funktionalisierten Glasträger verankerte, transparente Filme aus PoIy-N1N- dimethylaminoethylacrylaW-Polydimethylsiloxan Polymernetzwerk (PDMAEA-/-PDMS) erhalten.To produce films from polymer networks, 13.58 mg of the photoinitiator Lucirin TPO in 667 μl of decalin (from Aldrich, Steinheim, Germany) were dissolved in a rolled-edge glass while stirring. Subsequently, 444 ul of freshly distilled N 1 N- dimethylaminoethyl acrylate (DMAEA, FIG. 7; Aldrich, Steinheim, Germany.) And 888 ul MA-PDMS-MA (see Example 1) was added and the solution stirred for a further 10 min. This resulted in a volume ratio of DMAEA to MA-PDMS-MA of 33% to 67%. The further procedure was carried out as described in Example 1. Solid films anchored to the functionalized glass slide were obtained from poly-N 1 N-dimethylaminoethyl acrylate-W polydimethylsiloxane polymer network (PDMAEA - / - PDMS).
Chemische Modifikation der Polymernetzwerke: Zur Reinigung wurden die PDMAEA-/-PDMS-beschichteten Glasträger dreimal mit jeweils etwa 5 ml Dichlormethan (p.a.; Fisher Scientific, Loughborough, Großbritannien) gespült. Nach Trocknung im Vakuum (1 mbar) bei 40 0C wurden die PDMAEA-Z-PDMS- beschichteten Glasträger zur partiellen Quartärnisierung der Aminogruppen für 120 min in einer Lösung von 10 Vol.-% Dimethylsulfat (Fa. Fluka, Steinheim, Deutschland) in Aceto- nitril (Fa. Riedel-de-Haen, Seelze, Deutschland) bei Raumtemperatur geschüttelt, anschließend dreimal mit etwa 5 ml Wasser gespült und im Vakuum (1 mbar) bei 40 0C getrocknet. Es wurden fest an dem funktionalisierten Glasträger verankerte, transparente Filme aus Poly-N.N.N-trimethylaminoethylacrylyl-sulfat-co-Poly-N.N- dimethylaminoethylacrylaW-Polydimethylsiloxan Polymernetzwerk (PTMAEA-S-co- PDMAEA-/-PDMS) erhalten.Chemical modification of the polymer networks: For purification, the PDMAEA - / - PDMS coated glass slides were rinsed three times with about 5 ml each of dichloromethane (pa, Fisher Scientific, Loughborough, UK). After drying in vacuo (1 mbar) at 40 0 C the PDMAEA-Z-PDMS-coated glass support for partial quaternization of the amino groups of 120 were min in a solution of 10 vol .-% dimethyl sulfate (Messrs. Fluka, Steinheim, Germany) in Acetonitrile (Riedel-de-Haen, Seelze, Germany) shaken at room temperature, then rinsed three times with about 5 ml of water and dried in vacuo (1 mbar) at 40 0 C. Solid films anchored to the functionalized glass slide were obtained from poly-N, N-trimethylaminoethylacrylyl sulfate-co-poly-N, N-dimethylaminoethyl acrylate, W-polydimethylsiloxane polymer network (PTMAEA-S-co-PDMAEA - / - PDMS).
Beladung der Polymemetzwerke mit Indikatorreagenz:Loading the polymer networks with indicator reagent:
Die PTMAEA-S-co-PDMAEA-/-PDMS-beschichteten Glasträger wurden für 60 min in eine wässrige Lösung aus 0,107 mM Bromphenolblau-Natriumsalz (Na-BPB) (Fa. Merck, Darmstadt, Deutschland) gestellt, anschließend dreimal mit jeweils etwa 5 ml dest. Wasser gespült und über Nacht im Vakuum (0,1 mbar) bei 40 0C getrocknet. Es wurden fest an dem funktionalisierten Glasträger verankerte, mit BPB beladene, transparente Filme (PTMAEA-SZ-BPB-CO-PDMAEA-Z-PDMS) erhalten. Die weitere Lagerung erfolgte in einem luftdicht verschlossenen Behältnis im Dunkeln und bei Raumtemperatur.The PTMAEA-S-co-PDMAEA - / - PDMS-coated glass slides were placed in an aqueous solution of 0.107 mM bromophenol blue sodium salt (Na-BPB) (Merck, Darmstadt, Germany) for 60 minutes, then approximately three times each 5 ml of dist. Rinsed water and dried in vacuo (0.1 mbar) at 40 0 C overnight. Fixed, BPB-loaded, transparent films (PTMAEA-SZ-BPB-CO-PDMAEA-Z-PDMS) were anchored to the functionalized glass slide. Further storage took place in an airtight container in the dark and at room temperature.
Verwendung als Sensor:Use as sensor:
Die PTMAEA-SZ-BPB-co-PDMAEA-/-PDMS-beschichteten Glasträger (PTMAEA-SZ-BPB- co-PDMAEA-/-PDMS-Sensorchips) eigneten sich in ausgezeichneter Weise zum reversiblen Nachweis von Essigsäure (AcOH) in gasförmigen Proben. Hierzu wurde entsprechend Beispiel 1 ein Gasgemisch aus verschiedenen Volumenanteilen AcOH in Synthetischer Luft mit einem Volumenstrom von 1000 ml min'1 und einer relativen Feuchte von 60 % hergestellt. Die Konzentration an AcOH wurde durch hindurchleiten unterschiedlicher Anteile von Synthetischer Luft durch etwa 10 ml AcOH (>99,8%) (Fa. Riedel-de-Haen, Seelze, Deutschland) eingestellt, die Befeuchtung erfolgte mittels einer mit dest. Wasser gefüllten Gaswaschflasche. Das so hergestellte Gasgemisch wurde durch eine Messküvette aus Quarzglas geleitet, in der ein PTMAEA-SZ-BPB-co-PDMAE-/-PDMS-Sensorchip so befestigt war, dass dieser senkrecht vom Messstrahl eines UVZVIS-Spektralphotometers durchstrahlt wurde. Bei der periodischen Aufnahme von Transmissionsspektren zeigte sich eine rasche Änderung im Transmissionsspektrum der PTMAEA-S/-BPB-co-PDMAE-/-PDMS-Sensorchips als Abnahme der Transmission bei 425 nm bei Anwesenheit von AcOH (Fig. 8), sowie als Zunahme auf den Anfangswert der Transmission bei nachfolgender Abwesenheit von AcOH. Bei Auftragung der Transmissionsänderung bei dieser Wellenlänge gegen die Zeit erhielt man bei Variation der AcOH-Konzentration den in Fig. 9 gezeigten Verlauf. Die Transmissionsabnahme war abhängig von der AcOH-Konzentration und kann somit zur Kalibrierung des Sensors herangezogen werden.The PTMAEA-SZ-BPB-co-PDMAEA / PDMS coated glass slides (PTMAEA-SZ-BPB-co-PDMAEA - / - PDMS sensor chips) were excellently suited for the reversible detection of acetic acid (AcOH) in gaseous samples , For this purpose, according to Example 1, a gas mixture of different proportions by volume AcOH in Synthetic air with a flow rate of 1000 ml min '1 and a relative humidity of 60% was prepared. The concentration of AcOH was adjusted by passing different proportions of synthetic air through about 10 ml of AcOH (> 99.8%) (Riedel-de-Haen, Seelze, Germany), the moistening was carried out by means of a dest. Water filled gas wash bottle. The gas mixture thus prepared was passed through a quartz glass measuring cuvette in which a PTMAEA-SZ-BPB-co-PDMAE - / - PDMS sensor chip was mounted so as to be irradiated vertically by the measuring beam of a UVZVIS spectrophotometer. The periodic recording of transmission spectra revealed a rapid change in the transmission spectrum of the PTMAEA-S / BPB-co-PDMAE / PDMS sensor chips as a decrease in transmission at 425 nm in the presence of AcOH (Figure 8), as well as an increase on the initial value of transmission in the subsequent absence of AcOH. By plotting the change in the transmission at this wavelength versus time, the variation shown in Fig. 9 was obtained by varying the AcOH concentration. The transmission decrease was dependent on the AcOH concentration and can therefore be used to calibrate the sensor.
Beispiel 3: Sensor zum Nachweis von Schwefelwasserstoff in gasförmigen ProbenExample 3: Sensor for the detection of hydrogen sulfide in gaseous samples
Oberflächenfunktionalisierung der Glasträger:Surface functionalization of glass slides:
Wie in Beispiel 1.As in Example 1.
Synthese der Polymernetzwerke:Synthesis of polymer networks:
Zur Herstellung von Filmen aus Polymernetzwerken wurden in einem Rollrandglas 13,58 mg des Photoinitiators Lucirin TPO in 800 μl frisch destilliertem TMSOEA (siehe Beispiel 1 ) unter Rühren gelöst. Anschließend wurden 400 μl frisch destilliertes Trimethylsilylacry- lat (TMSA, Fig. 10; Fa. Aldrich, Steinheim, Deutschland) und 800 μl MA-PDMS-MA (siehe Beispiel 1) zugegeben und die Lösung weitere 10 min gerührt. Hieraus ergab sich ein Volumenverhältnis von TMSA zu TMSOEA zu MA-PDMS-MA von 20 % zu 40 % zu 40 %. Das weitere Vorgehen erfolgte wie in Beispiel 1 beschrieben. Es wurden fest an dem funktionalisierten Glasträger verankerte, transparente Filme aus Polytrimethylsilylacrylat- co-Polytrimethylsilyloxyethylacrylat-/-Polydimethylsiloxan Polymernetzwerk (PTMSA-co- PTMSOEA-/-PDMS) erhalten.In order to produce films from polymer networks, 13.58 mg of the photoinitiator Lucirin TPO in 800 μl of freshly distilled TMSOEA (see Example 1) were dissolved in a roll-top glass while stirring. Subsequently, 400 μl of freshly distilled trimethylsilyl acrylate (TMSA, Fig. 10, Aldrich, Steinheim, Germany) and 800 μl of MA-PDMS-MA (see Example 1) were added and the solution was stirred for a further 10 min. This resulted in a volume ratio of TMSA to TMSOEA to MA-PDMS-MA from 20% to 40% to 40%. The further procedure was carried out as described in Example 1. Solid films anchored to the functionalized glass slide were obtained from polytrimethylsilyl acrylate-co-polytrimethylsilyloxyethyl acrylate / polydimethylsiloxane polymer network (PTMSA-co-PTMSOEA - / - PDMS).
Chemische Modifikation der Polymernetzwerke:Chemical modification of the polymer networks:
Zur Entfernung der Trimethylsilyl-Gruppen wurde wie in Beispiel 1 beschrieben vorgegangen. Es wurden fest an dem funktionalisierten Glasträger verankerte, transparente Filme aus Polyacrylsäure-co-Polyhydroxyethylacrylat-/-Polydimethylsiloxan Polymernetzwerk (PAA-CO-PHEA-/-PDMS) erhalten.To remove the trimethylsilyl groups, the procedure was as described in Example 1. Polyacrylate-co-polyhydroxyethylacrylate / polydimethylsiloxane polymer network (PAA-CO-PHEA - / - PDMS) transparent films anchored firmly to the functionalized glass slide were obtained.
Zur partiellen Deprotonierung der Polyacrylsäure-Reste wurden die PAA-co-PHEA-/- PDMS-beschichteten Glasträger für 10 min in eine 0,1 M wässrige Kaliumcarbonat- Lösung mit einem pH-Wert von etwa 12 gestellt, anschließend zweimal mit jeweils etwa 5 ml dest. Wasser kurz abgespült und unter Vakuum (1 mbar) bei 40 0C getrocknet. Es wurden fest an dem funktionalisierten Glasträger verankerte, transparente Filme aus PoIy- kalium-acrylat-co-Polyhydroxyethylacrylat-/-Polydimethylsiloxan Polymernetzwerk (PKA- co-PHEA-/-PDMS) erhalten.For partial deprotonation of the polyacrylic acid residues, the PAA-co-PHEA - / - PDMS-coated glass slides were immersed in a 0.1 M aqueous potassium carbonate solution for 10 min. Solution with a pH of about 12, then twice with about 5 ml of dist. Rinsed briefly water and dried under vacuum (1 mbar) at 40 0 C. Solid films anchored to the functionalized glass slide were obtained from polyacrylate-acrylate-co-polyhydroxyethyl acrylate / polydimethylsiloxane polymer network (PKA-co-PHEA - / - PDMS).
Beladung der Polymernetzwerke mit Indikatorreagenz:Loading the Polymer Networks with Indicator Reagent:
Die PKA-co-PHEA-/-PDMS-beschichteten Glasträger wurden für 60 min in eine Lösung aus 50 mM Blei(ll)-acetat (Fa. Merck, Darmstadt, Deutschland) in Methanol (p.a.) gestellt, anschließend dreimal mit etwa 5 ml Methanol abgespült und über Nacht unter Vakuum (0,1 mbar) bei 40 0C getrocknet. Es wurden fest an dem funktionalisierten Glasträger verankerte, transparente Filme aus Poly-blei(ll)-acrylat-co-Polyhydroxyethylacrylat-/- Polydimethylsiloxan Polymernetzwerk (PBA-CO-PHEA-/-PDMS) erhalten. Die weitere La- gerung erfolgte in einem luftdicht verschlossenen Behältnis im Dunkeln und bei Raumtemperatur.The PKA-co-PHEA - / - PDMS-coated glass slides were placed in a solution of 50 mM lead (II) acetate (Merck, Darmstadt, Germany) in methanol (pa) for 60 min, then three times with about 5 rinsed methanol and dried overnight under vacuum (0.1 mbar) at 40 0 C. Solid films anchored to the functionalized glass slide were obtained from poly-lead (II) acrylate-co-polyhydroxyethyl acrylate / polydimethylsiloxane polymer network (PBA-CO-PHEA - / - PDMS). The further storage was carried out in an airtight container in the dark and at room temperature.
Verwendung als Sensor:Use as sensor:
Die PBA-co-PHEA-/-PDMS-beschichteten Glasträger (PBA-co-PHEA-/-PDMS-The PBA co-PHEA / PDMS coated glass slides (PBA-co-PHEA - / - PDMS-
Sensorchips) eigneten sich in ausgezeichneter Weise zum Nachweis von Schwefelwasserstoff (H2S) in gasförmigen Proben. Hierzu wurde entsprechend Beispiel 1 ein Gasgemisch aus 10 Volumen-ppm H2S in Synthetischer Luft mit einem Volumenstrom von 1000 ml min"1 und einer relativen Feuchte von 60 % hergestellt. Das H2S wurde hierbei einer Prüfgasflasche (Messer Griesheim GmbH, Krefeld, Deutschland) entnommen, die Befeuchtung erfolgte mittels einer mit dest. Wasser gefüllten Gaswaschflasche. Das so hergestellte Gasgemisch wurde durch eine Messküvette aus Quarzglas geleitet, in der ein PBA-co-PHEA-/-PDMS-Sensorchip so befestigt war, dass dieser senkrecht vom Messstrahl eines UV/VI S-Spektralphotometers durchstrahlt wurde.Sensor chips) were excellently suited for detection of hydrogen sulfide (H 2 S) in gaseous samples. For this purpose, a gas mixture of 10 ppm H 2 S in synthetic air with a volume flow of 1000 ml min -1 and a relative humidity of 60% was prepared according to Example 1. The H 2 S was in this case a test gas cylinder (Messer Griesheim GmbH, Krefeld, Germany), the moistening was carried out by means of a gas washing bottle filled with distilled water, and the gas mixture thus produced was passed through a quartz glass measuring cuvette in which a PBA co-PHEA / PDMS sensor chip was attached in such a way that it was irradiated vertically from the measuring beam of a UV / VI S spectrophotometer.
Bei der periodischen Aufnahme von Transmissionsspektren zeigte sich eine sehr rasche Änderung im Transmissionsspektrum der PBA-co-PHEA-/-PDMS-Sensorchips als Abnahme der Transmission bei Wellenlängen unterhalb 550 nm (Fig. 11). Bei Auftragung der Transmissionsänderung bei einer Wellenlänge von 325 nm gegen die Zeit erhielt man einen im Anfangsbereich annähernd linearen Kurvenverlauf, dessen Steigung von der H2S-Konzentration abhängig war und somit zur Kalibrierung des Sensors herangezogen werden kann (Fig. 12). Beispiel 4: Sensor zum integrativen Nachweis geringer Konzentrationen von Stickstoffdioxid in gasförmigen ProbenThe periodic recording of transmission spectra revealed a very rapid change in the transmission spectrum of the PBA-co-PHEA - / - PDMS sensor chips as a decrease in transmission at wavelengths below 550 nm (Figure 11). When the change in transmission at a wavelength of 325 nm was plotted against time, an approximately linear curve was obtained in the initial region, the slope of which depended on the H 2 S concentration and thus could be used to calibrate the sensor (FIG. 12). Example 4: Sensor for integrative detection of low concentrations of nitrogen dioxide in gaseous samples
Oberflächenfunktionalisierung der Glasträger:Surface functionalization of glass slides:
Wie in Beispiel 1.As in Example 1.
Synthese der Polymernetzwerke:Synthesis of polymer networks:
Wie in Beispiel 1.As in Example 1.
Chemische Modifikation der Polymernetzwerke:Chemical modification of the polymer networks:
Wie in Beispiel 1.As in Example 1.
Beladung der Polymernetzwerke mit Indikatorreagenz:Loading the Polymer Networks with Indicator Reagent:
Die PHEA-/-PDMS-beschichteten Glasträger wurden für etwa 30 min in einer Lösung aus 20 mg ml"1 Diphenylamin (Fig. 13; Fa. Aldrich, Steinheim, Deutschland) in Chloroform (p.a.) geschüttelt und nach kurzem Trocknen an Raumluft die Rückseite des beschichteten Glasträgers mit einem in Chloroform getränkten Wattestäbchen von Diphenylamin- Resten gesäubert. Anschließend wurden die transparenten PHEA-/-PDMS-beschichteten und Diphenylamin-beladenen Glasträger etwa eine halbe Stunde an Raumluft getrocknet.The PHEA - / - PDMS-coated glass slides were for about 30 1 diphenylamine min in a solution of 20 mg ml "(Figure 13; Aldrich, Steinheim, Germany..) In chloroform (pa) shaken and, after brief drying in room air The back side of the coated glass slide was cleaned of diphenylamine residues with a cotton swab soaked in chloroform, then the transparent PHEA / PDMS coated and diphenylamine loaded glass slides were dried in room air for about half an hour.
Verwendung als Sensor:Use as sensor:
Die PHEA-/-PDMS-beschichteten und Diphenylamin-beladenen Glasträger (PHEA-/- PDMS-Diphenylamin-Sensorchips) eigneten sich in ausgezeichneter Weise zum integrativen Nachweis geringer Konzentrationen von Stickstoffdioxid (NO2) in gasförmigen Pro- ben. Hierzu wurde entsprechend Beispiel 1 ein Gasgemisch aus 100 Volumen-ppb NO2 in Luft mit einem Volumenstrom von 1000 ml min'1 und einer relativen Feuchte von kleiner 5 % hergestellt. Das Gasgemisch wurde durch einen Exsikkator, in dem sich die PHEA-/- PDMS-Diphenylamin-Sensorchips in einer vom Gasdurchfluss verursachten Konvektion in einer geschützten offenen Polypropylen-Box befanden, hindurchgeleitet. Die Transmissi- onsspektren der PHEA-/-PDMS-Diphenylamin-Sensorchips wurden zu Beginn der Begasung und danach in Abständen von mehreren Tagen mit Hilfe eines UVΛ/IS- Spektralphotometers aufgenommen. Hierbei zeigte sich eine ausgeprägte Änderung im Transmissionsspektrum der PHEA-/-PDMS-Diphenylamin-Sensorchips als Ausbildung einer neuen Transmissionsbande bei 390 nm (Fig. 14). Bei Auftragung der Transmissionsänderung bei dieser Wellenlänge gegen die Zeit erhielt man einen über 3 Wochen annähernd linearen Kurvenverlauf, dessen Steigung von der N02-Konzentration abhängig war und somit zur Kalibrierung des Sensors herangezogen werden kann (Fig. 15).The PHEA / PDMS coated and diphenylamine loaded glass slides (PHEA / PDMS diphenylamine sensor chips) were excellently suited for integrative detection of low concentrations of nitrogen dioxide (NO 2 ) in gaseous samples. For this purpose, a gas mixture of 100 volume ppb NO 2 in air with a volume flow of 1000 ml min '1 and a relative humidity of less than 5% was prepared according to Example 1. The gas mixture was passed through a desiccator in which the PHEA / PDMS diphenylamine sensor chips were in convection-induced convection in a protected polypropylene open box. The transmission spectra of the PHEA - / - PDMS diphenylamine sensor chips were recorded at the beginning of the fumigation and thereafter at intervals of several days using a UVΛ / IS spectrophotometer. This showed a marked change in the Transmission spectrum of the PHEA - / - PDMS-diphenylamine sensor chips to form a new transmission band at 390 nm (Fig. 14). By plotting the change in the transmission at this wavelength versus time, the result was an approximately linear curve over 3 weeks, the slope of which depended on the N0 2 concentration and thus could be used to calibrate the sensor (FIG. 15).
Beispiel 5: Biosensor zum Nachweis von Peroxiden in organischen LösungsmittelnExample 5: Biosensor for detection of peroxides in organic solvents
Oberflächenfunktionalisierung der Glasträger:Surface functionalization of glass slides:
Glasobjektträger (76 x 15 x 1 mm3) wurden 30 min in Piranha-Lösung (konz. H2SO4 in 30 % H2O2, 3:2) gegeben, anschließend mit Wasser gespült, an Luft getrocknet und in eine 20 Vol.-% Lösung aus 3-Methacryloyloxypropyltrimethoxysilan in Toluol überführt. Nach 2 h Ultraschallbehandlung bei Raumtemperatur wurden die Objektträger mit Wasser gespült und an Luft 16 h getrocknet.Glass slides (76 × 15 × 1 mm 3 ) were placed in piranha solution (concentrated H 2 SO 4 in 30% H 2 O 2 , 3: 2) for 30 minutes, then rinsed with water, dried in air and placed in a 20 Vol .-% solution of 3-methacryloyloxypropyltrimethoxysilane in toluene. After 2 h sonication at room temperature, the slides were rinsed with water and dried in air for 16 h.
Synthese der Polymernetzwerke:Synthesis of polymer networks:
Die Monomermischung für PHEA-/-PDMS-Filme wurde hergestellt, indem Photoinitiator Irgacure 651 (0,3 mg, 1 ,2 μmol) in frisch destilliertem TrimethylsilyloxyethylacrylatThe monomer mix for PHEA - / - PDMS films was prepared by adding Irgacure 651 photoinitiator (0.3 mg, 1.2 μmol) in freshly distilled trimethylsilyloxyethyl acrylate
(TMSOEA) (49,9 μl, 45,9 mg, 244 μmol ) unter Schütteln gelöst, dazu MA-PDMS-MA (8,4 mg, 1 ,62 μmol) gegeben und erneut kräftig geschüttelt wurde. Auf einen unmodifizierten Glasobjektträger wurde ein Polypropylen-Film geklebt und darauf 60 μl der Monomermischung gleichmäßig aufgetragen. Anschließend wurde ein oberflächenfunktionalisierter Glasobjektträger auf die Monomermischung blasenfrei aufgelegt und durch Bestrahlen mit einer UV-Polymerisationslampe (Heraflash, Heraeus Kulzer) für 12 min polymerisiert. Der Polypropylen-beschichtete Objektträger wurde danach vorsichtig von dem oberflächengebundenen Film aus amphiphilem Netzwerk abgelöst.(TMSOEA) (49.9 .mu.l, 45.9 mg, 244 .mu.mol) with shaking, added to MA-PDMS-MA (8.4 mg, 1, 62 .mu.mol) and shaken vigorously again. A polypropylene film was stuck to an unmodified glass slide, and 60 μl of the monomer mixture was uniformly applied thereto. Subsequently, a surface-functionalized glass slide was placed bubble-free on the monomer mixture and polymerized by irradiation with a UV polymerization lamp (Heraflash, Heraeus Kulzer) for 12 min. The polypropylene coated slide was then gently peeled off the surface-bonded amphiphilic network film.
Chemische Modifikation der Polymernetzwerke:Chemical modification of the polymer networks:
Der oberflächengebundene Film aus amphiphilem Netzwerk wurde in ein Methanol/Wasser-Gemisch (90 ml, 1 :1) gegeben. Es wurde bei Raumtemperatur unter Schütteln und mit zweimaligem Wechseln des Lösungsmittels inkubiert, bis im ATR-FTIR-Spektrum keine Signale der TMS-Schutzgruppe mehr zu erkennen waren. Abschließend wusch man die oberflächengebundenen Filme mit 5 ml Methanol und trocknete sie im Trockenschrank (50 mbar, 60 0C) bis zur Gewichtskonstanz. Beladung der Polymernetzwerke mit Indikatorreagenz:The amphiphilic network surface-bonded film was placed in a methanol / water mixture (90 ml, 1: 1). It was incubated at room temperature with shaking and with two changes of the solvent until no signals of the TMS protective group could be detected in the ATR-FTIR spectrum. Finally, the surface-bonded films were washed with 5 ml of methanol and dried in a drying oven (50 mbar, 60 ° C.) until the weight remained constant. Loading the Polymer Networks with Indicator Reagent:
Ein oberflächengebundener PHEA-/-PDMS Film (1 ,5 cm2) wurde über Nacht bei Raumtemperatur in 0,1 M Phosphatpuffer (pH 7,0) angequollen und anschließend in 2 ml einer Lösung von Meerrettichperoxidase (1 mg/ml) und 2,2'-Azino-bis(3-ethylbenzothiazolin-6- sulfonsäure) Diammoniumsalz (ABTS, Fig. 16) (0,93 mg/ml, 1 ,7 mmol/l) in 0,1 M Phosphat-Puffer (pH 7,0) überführt und bei 4° C unter leichtem Schütteln über Nacht inkubiert. Der Film wurde mit 0,1 M Phosphat-Puffer (pH 7,0) gespült und unter Stickstoff getrocknet.A surface-bound PHEA - / - PDMS film (1.5 cm 2 ) was swollen overnight at room temperature in 0.1 M phosphate buffer (pH 7.0) and then in 2 ml of a solution of horseradish peroxidase (1 mg / ml) and 2 , 2'-Azino-bis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) diammonium salt (ABTS, Fig. 16) (0.93 mg / ml, 1.7 mmol / l) in 0.1 M phosphate buffer (pH 7 , 0) and incubated at 4 ° C with gentle shaking overnight. The film was rinsed with 0.1 M phosphate buffer (pH 7.0) and dried under nitrogen.
Verwendung als Sensor:Use as sensor:
Der Film wurde in einer Küvette in dem Strahlengang eines UV/VIS-Spektralphotometers positioniert. Nach Zugabe von 3 ml n-Heptan wurde zeitabhängig die Absorption bei 414 nm gemessen. Nach 21 min wurden 5,45 μl einer 5,5 M te/f-Butylhydroperoxid-Lösung in Dekan zugegeben und 30 s kräftig gerührt. Die Konzentration an terf-Butylhydroperoxid in der Küvette betrug 10 nM. Es wurde eine rasche Zunahme der Absorption bei 414 nm beobachtet (Fig. 17).The film was positioned in a cuvette in the beam path of a UV / VIS spectrophotometer. After addition of 3 ml of n-heptane, the absorption at 414 nm was measured over time. After 21 minutes, 5.45 .mu.l of a 5.5 M te / f-butyl hydroperoxide solution in decane were added and stirred vigorously for 30 s. The concentration of terf-butylhydroperoxide in the cuvette was 10 nM. A rapid increase in absorbance at 414 nm was observed (Figure 17).
Durch die vorliegende Erfindung wird damit erstmalig eine Sensormatrix zur Verfügung gestellt, welche ein universell einsetzbares polymeres nanophasensepariertes Netzwerk aufweist, in welchem eine Vielzahl unterschiedlicher Indikatorsubstanzen und gegebenenfalls zusätzlich Enzyme aufgenommen und eingesetzt werden können. Es ist daher auch möglich, den erfindungsgemäßen Sensor auszubilden als ein Array mit voneinander ge- trennten Sensorfeldern, wobei jedes einzelne Feld mit einer unterschiedlichen Indikatorsubstanz versehen ist, wodurch dann eine schnelle und gleichzeitige Messung unterschiedlichster Schadgase bzw. von Schadstoffen oder sonstigen Substanzen ermöglicht wird und auch automatisierbar ist. The present invention thus makes available for the first time a sensor matrix which has a universally usable polymeric nanophase-separated network in which a multiplicity of different indicator substances and optionally additional enzymes can be incorporated and used. It is therefore also possible to form the sensor according to the invention as an array with sensor fields separated from one another, each individual field being provided with a different indicator substance, which then enables rapid and simultaneous measurement of a wide variety of noxious gases or of pollutants or other substances, and can also be automated.

Claims

Patentansprüche claims
1. Sensor, insbesondere zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung von Analyten in gasförmigen und/oder flüssigen Proben, umfassend mindestens ein polymeres Material und mindestens eine Indikatorsubstanz, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Material ein mindestens zweiphasiges, segmentiertes Polymernetzwerk ist, in welchem die mindestens eine Indikatorsubstanz immobilisiert ist.1. Sensor, in particular for the qualitative and / or quantitative determination of analytes in gaseous and / or liquid samples, comprising at least one polymeric material and at least one indicator substance, characterized in that the polymeric material is an at least two-phase, segmented polymer network, in which the at least one indicator substance is immobilized.
2. Sensor gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Material in Nanophasen mit Phasengrößen im Bereich von 5 bis 500 nm segmentiert ist.2. Sensor according to claim 1, characterized in that the polymeric material is segmented into nanophases with phase sizes in the range of 5 to 500 nm.
3. Sensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Material amphiphil ist.3. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the polymeric material is amphiphilic.
4. Sensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Material hydrophobe und hydrophile Einheiten aufweist.4. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the polymeric material has hydrophobic and hydrophilic units.
5. Sensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser hydrophobe Domänen mit einem Durchmesser in einem Bereich von etwa 5 bis etwa 500 nm aufweist.5. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that it has hydrophobic domains with a diameter in a range of about 5 to about 500 nm.
6. Sensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser hydrophile Domänen mit einem Durchmesser in einem Bereich von etwa 5 bis etwa 500 nm aufweist.6. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that it has hydrophilic domains with a diameter in a range of about 5 to about 500 nm.
7. Sensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente zur Erzeugung einer hydrophoben Einheit ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Alkyl(meth)acrylate, Styrol, Vinylacetate, Olefine, Poly(ε-Caprolacton), Milchsäure, Diisocyanate, Diole, Diamine, Disäuren, Polyactide, Polypropylenfumarat, Diglycidylether von Bisphenol A, Polytetrahydrofuran und/oder Polyalkyloxazoline, Perflu- orpolyether und Siloxane sowie deren Copolymere und/oder Makromonomere.7. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the component for producing a hydrophobic unit is selected from a group comprising alkyl (meth) acrylates, styrene, vinyl acetates, olefins, poly (ε-caprolactone), lactic acid, diisocyanates, diols , Diamines, diacids, polyactides, polypropylene fumarate, diglycidyl ethers of bisphenol A, polytetrahydrofuran and / or polyalkyloxazolines, perfluoroepolyethers and siloxanes and also their copolymers and / or macromonomers.
8. Sensor gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente zur Erzeugung einer hydrophoben Einheit ein Polydialkylsiloxan- oder Polydiarylsiloxan- Makromonomer mit einem Molekulargewicht Mn in einem Bereich von etwa 500 bis etwa 1 Mio. g/mol ist. 8. Sensor according to claim 7, characterized in that the component for producing a hydrophobic unit is a polydialkylsiloxane or polydiarylsiloxane macromonomer having a molecular weight M n in a range of about 500 to about 1 million g / mol.
9. Sensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente zur Erzeugung einer hydrophilen Einheit ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend als Monomere (Meth)Acrylat und dessen Derivate, Diisocyanate, Diole, Diamine, Disäuren, Acrylamid, N-Isopropylacrylamid, N-Vinylcaprolactam, 2,3- Dihydroxypropylmethacrylat, Maleinsäure, Fumarsäure oder Vinylacetat als Monomere und/oder als Makromonomere, Poly-1 ,3-Dioxolan, Polyetylenimin, Polypropylenimin, Po- lyethylenglycol, Polypropylenglycol und Polyoxazoline mit (Meth)acrylat-, Epoxy-, Amino-, Isocyanato- und/oder Hydroxylendgruppen.9. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the component for producing a hydrophilic unit is selected from a group comprising as monomers (meth) acrylate and its derivatives, diisocyanates, diols, diamines, diacids, acrylamide, N-isopropylacrylamide, N-vinylcaprolactam, 2,3-dihydroxypropyl methacrylate, maleic acid, fumaric acid or vinyl acetate as monomers and / or as macromonomers, poly-1,3-dioxolane, polyethyleneimine, polypropyleneimine, polyethylene glycol, polypropylene glycol and polyoxazolines with (meth) acrylate, epoxy -, amino, isocyanato and / or hydroxyl end groups.
10. Sensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Material in Lösemitteln unlöslich ist.10. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the polymeric material is insoluble in solvents.
11. Sensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Material in Lösemitteln quellbar ist.11. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the polymeric material is swellable in solvents.
12. Sensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Material auf einem Trägermittel angeordnet ist.12. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the polymeric material is arranged on a carrier means.
13. Sensor gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Material kovalent mit dem Trägermittel verbunden ist.13. A sensor according to claim 12, characterized in that the polymeric material is covalently bonded to the carrier.
14. Sensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Material als Film ausgebildet ist.14. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the polymeric material is formed as a film.
15. Sensor gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Film lichtdurchlässig ist.15. Sensor according to claim 14, characterized in that the film is translucent.
16. Sensor gemäß Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Film durchsichtig und klar ausgebildet ist.16. Sensor according to claim 14 or 15, characterized in that the film is transparent and clear.
17. Sensor gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Film eine Dicke in einem Bereich von etwa 0,1 μm bis etwa 1000 μm aufweist.17. A sensor according to any one of claims 14 to 16, characterized in that the film has a thickness in a range of about 0.1 microns to about 1000 microns.
18. Sensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser ein optisch auswertbarer Sensor ist.18. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that it is an optically evaluable sensor.
19. Sensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Indikatorsubstanz durch Van-der-Waals-Wechselwirkungen, Dipol-Dipol-Wechsel- Wirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen, ionische Wechselwirkungen und/oder kovalen- te Bindungen an das polymere Material in diesem immobilisiert ist.19. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the indicator substance by van der Waals interactions, dipole-dipole change Effects, hydrogen bonds, ionic interactions and / or covalent bonds to the polymeric material is immobilized in this.
20. Sensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mindestens ein immobilisiertes Enzym beinhaltet.20. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises at least one immobilized enzyme.
21. Verfahren zur Herstellung eines Sensors gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass21. A method for producing a sensor according to one of claims 1 to 20, characterized in that
- ein mindestens zweiphasiges, segmentiertes Polymernetzwerk durch Copolymerisation zweier Makromonomerer unterschiedlicher Hydrophilie bzw. eines Monomers und eines Makromonomers mit jeweils unterschiedlicher Hydrophilie hergestellt wird; und- An at least two-phase, segmented polymer network is prepared by copolymerization of two macromonomers of different hydrophilicity or of a monomer and a macromonomer, each having different hydrophilicity; and
- das Polymernetzwerk mit mindestens einer Indikatorsubstanz beladen wird.- The polymer network is loaded with at least one indicator substance.
22. Verfahren gemäß Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das Polymernetzwerk weiterhin mit mindestens einem Enzym beladen wird.22. The method according to claim 21, characterized in that the polymer network is further loaded with at least one enzyme.
23. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Polymernetzwerkes ein hydrophobes Makromonomer mit einem hydrophilen Monomer umgesetzt wird.23. The method according to any one of claims 21 or 22, characterized in that for the preparation of the polymer network, a hydrophobic macromonomer is reacted with a hydrophilic monomer.
24. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymernetzwerk hergestellt wird durch UV-initiierte radikalische Copolymerisation.24. The method according to any one of claims 21 to 23, characterized in that the polymer network is prepared by UV-initiated radical copolymerization.
25. Verwendung eines polymeren Materiales, welches als ein mindestens zweiphasiges, segmentiertes Polymernetzwerk ausgebildet und mit mindestens einer Indikatorsubstanz beladen ist, als Sensormaterial.25. Use of a polymeric material, which is formed as an at least two-phase, segmented polymer network and loaded with at least one indicator substance, as a sensor material.
26. Verwendung eines Sensors gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20 zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung von Analyten in gasförmigen und/oder flüssigen Proben. 26. Use of a sensor according to one of claims 1 to 20 for the qualitative and / or quantitative determination of analytes in gaseous and / or liquid samples.
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