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Die Erfindung betrifft einen Fluoreszenzindikator für eine Messvorrichtung zur optischen Bestimmung von Stoffkonzentrationen, insbesondere in Blutgasen, welcher aus einer organischen Substanz in Lösung besteht, in selektiven Diffusionskontakt mit einer Probe und in optischen Kontakt mit einer Fluoreszenzanregungs-und-messeinrichtung bringbar ist und auf eine Änderung der zu messenden Stoffkonzentration in der Probe mit einer Änderung seines Anregungs- bzw.
Fluoreszenzspektrums reagiert.
Eine Messvorrichtung mit einem derartigen Indikator ist z. B. aus der DE-OS 2508637 bekannt.
Diese Vorrichtung besteht aus einem Gehäuse, welches zumindest einen Monochromator und eine Lichtmesseinrichtung enthält, sowie aus einem flachen, Optode genannten Indikatorraum, der an der der zu vermessenden Probe zugewendeten Seite durch eine für den zu messenden Probenbestandteil selektiv durchlässige Membran und an der dem vom Monochromator kommenden Anregungslicht zugewendeten Seite durch eine lichtdurchlässige Fläche abgeschlossen ist. Der in dem flachen Indikatorraum befindliche organische Indikator setzt sich schnell auch mit sehr geringen Mengen des zu messenden Stoffes in der Probe, welcher durch selektive Diffusion in den Indikatorraum eindiffundiert, ins Gleichgewicht, und spricht daher sehr schnell und zuverlässig durch
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wellenlänge beim Durchfahren des Spektrums des emittierten Lichtes erhaltene zu verstehen).
Die
Monochromatisierung des Anregungslichtes erfolgt dabei durch geeignete Einrichtungen wie z. B. selektive Filter oder Prismen mit nachgeschalteter Spaltblende und das registrierte Fluoreszenzlicht des Indikators wird, ebenfalls wellenlängenabhängig, von einer geeigneten Lichtmesseinrichtung registriert.
Als Indikator werden bei dieser bekannten Vorrichtung bestimmte organische Verbindungen, wie z. B. ss-Methylumbelliferon verwendet, welche in Abhängigkeit von der Konzentration an positiven Wasserstoffionen in der den Indikator enthaltenden Lösung mit einer Änderung ihres Anregungsspektrums reagieren. Bei Ermöglichung der selektiven Diffusion von Wasserstoffionen aus der zu vermessenden Probe in den Indikatorraum bzw. die Indikatorlösung kann also die Wasserstoffionenkonzentration bzw. der PH-Wert der Probe gemessen werden. Da es weiters nach dem Prinzip von "STOW & RANDALL" bekannt ist andere Stoffkonzentrationen, wie z.
B. den Partialdruck von CO in einer Probe auf dem Umweg über die Änderung der Wasserstoffionenkonzentration zu bestimmen, ist mit einer derartigen Vorrichtung auch die Konzentrationsmessung von "sauren oder basischen Gasen" möglich.
Es ist aus dieser Druckschrift auch bekannt, dass die Intensität des Fluoreszenzspektrums von bestimmten organischen Verbindungen, wie beispielsweise der Pyrenbuttersäure, durch Anwesenheit von molekularem Sauerstoff in der Probe, bzw. durch die Ermöglichung der selektiven Diffusion auch im Indikatorraum, in einem Mass verringert wird, welches dem Sauerstoffpartialdruck der den Indikator enthaltenden Phase und somit der Probe in weiten Grenzen verhältnisgleich ist, womit eine derartige Einrichtung auch zur Messung des Sauerstoffpartialdruckes verwendbar ist.
Diese bekannte Anordnung hat jedoch den Nachteil, dass die gleichzeitige Messung der Konzentration von mehreren verschiedenen Stoffen in der Probe relativ aufwendig ist. Es sind dazu z. B. mehrere nebeneinanderliegende Indikatorräume vorgesehen, welche je einen auf den zu messenden Stoff ansprechenden Indikator enthalten, die über jeweils zugeordnete Monochromatoren beleuchtet sind und deren Fluoreszenzlicht von entsprechenden eigenen Lichtmesseinrichtungen ausgewertet wird. Der Aufwand für eine derartige Simultan-Messeinrichtung wird natürlich durch die zusätzlich notwendigen Monochromatoren und Leichtmesseinrichtungen beträchtlich erhöht.
Es ist weiters aus dieser Druckschrift bekannt, zwei auf verschiedene Stoffe ansprechende Indikatorräume in Serie hintereinander anzuordnen, wobei ein mindestens zwei monochromatische Komponenten enthaltender anregender Lichtstrahl nach Durchstrahlung der beiden Indikatorräume durch zumindest zwei monochromatische Lichtmesseinrichtungen messbar ist. Auch dies bedeutet einen
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erheblichen konstruktiven Mehraufwand für die Messvorrichtung und bringt auch zusätzlich die
Gefahr einer gegenseitigen Beeinflussung des Fluoreszenzlichtes aus den einzelnen Indikatorräu- men durch das als Anregungslicht wirkende Fluoreszenzlicht des jeweiligen andern Indikatorraumes.
Dieser gravierende Nachteil haftet auch einem weiteren aus dieser Druckschrift bekannten
Vorschlag zur Ermöglichung einer Simultan-Messung von mehreren verschiedenen Stoffen in einer
Probe an, bei dem in einem Indikatorraum mehrere, auf verschiedene Stoffe ansprechende Indikatoren durchmischt sind. Durch die gegenseitige Anregung der einzelnen Indikatoren ist zur Auswertung der Messung eine komplizierte und nur bedingt genaue Mehrkomponentenanalyse notwendig, wodurch einigermassen zuverlässige Messergebnisse bei einer derartigen Simultan-Messung nur mit grossem Aufwand bei der Auswertung erzielbar sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der für solche Anordnungen bekannten Indikatoren insbesondere hinsichtlich der Verwendung zur gleichzeitigen Messung der Konzentrationen von mehreren verschiedenen Stoffen in der Probe zu vermeiden und damit die Simultan-Messung von verschiedenen Stoffkonzentrationen auf einfache Weise zu ermöglichen.
Dies wird gemäss der Erfindung erreicht durch die Verwendung einer substituierten aromatischen bzw. heteroaromatischen Verbindung als organische Substanz für den Fluoreszenzindikator, bzw. als Indikator selbst, wobei die substituierte aromatische bzw. heteroaromatische Verbindung einen oder mehrere Substituenten enthält.
Derartige Indikatoren, welche durch Farbverschiebung im Anregungsspektrum sowie Intensitätsänderung im Fluoreszenzspektrum in deutlich unterscheidbarer Weise auf die Änderung der Konzentration von zumindest zwei verschiedenen Stoffen in der Probe reagieren, wobei die Farbverschiebung sowie die Intensitätsänderung als Mass für die jeweilige Konzentrationsänderung der nachzuweisenden Stoffe dient, weisen als funktionelle Gruppe insbesondere mindestens eine Phenol-, Carbonsäure-, Sulfonsäure, Amidinium-, primäre, sekundäre oder tertiäre Aminofunktion oder eine reversibel ringöffnende Lactongruppe oder eine Kombination dieser Gruppen auf.
Es werden also organische Substanzen als Indikator verwendet, welche durch Farbverschiebung und Intensitätsänderung des nach Anregung ausgesendeten Fluoreszenzlichtes auf Konzentrationsänderungen der zu vermessenden Stoffe in der Lösung im Indikatorraum und damit in der Probe reagieren. Da diese beiden Vorgänge sich nicht gegenseitig beeinflussen können, ist die Auswertung einer Simultan-Messung ohne aufwendige Mehrkomponentenanalyse möglich, womit derartige Simultan-Messungen einfach, schnell und genau durchführbar sind.
Bei Verwendung eines Indikators der oben genannten Art in einer Messvorrichtung zur Blutgasanalyse kann beispielsweise der Indikator aus einer Substanz bestehen, welche bei Änderung der Wasserstoffionenkonzentration in der Probe mit einer Farbverschiebung ihres Anregungsspektrums reagiert und bei Änderung der Konzentration von molekularem Sauerstoff in der Probe weiters mit einer Intensitätsänderung ihres Fluoreszenzspektrums reagiert, wobei die isosbestische Wellenlänge zumindest annähernd konstant bleibt. Die Intensität des Fluoreszenzlichtes bei Anregung mit der isosbestischen Wellenlänge ist definitionsgemäss eine PH-unabhängige Grösse und stellt ein Mass für die gesamte Konzentration der Indikatorsubstanz in der im Indikatorraum enthaltenen Lösung dar.
Das Fluoreszenzspektrum einer derartigen Indikatorsubstanz erleidet also in Gegenwart von molekularem Sauerstoff in der Probe bzw. im Indikatorraum eine Schwächung im gesamten Spektralbereich. Die isosbestische Wellenlänge, welche bei Anwesenheit von molekularem Sauerstoff, also Abschwächung des Fluoreszenzspektrums, nicht notwendigerweise konstant bleiben muss, stellt in gewissem Sinne ein Auswahlkriterium für besonders geeignete Indikatorsubstanzen dar.
Bei zumindest annähernd konstant bleibender isosbestischer Wellenlänge wird nämlich die Durchführung der Messung bzw. die anschliessende Auswertung der Messresultate wesentlich vereinfacht, da damit die eindeutige Trennung der Abschwächung sowie der Farbverschiebung des Fluoreszenzlichtes und jeweilige Zuordnung zu einer Änderung der Wasserstoffionenkonzentration bzw. Änderung der Konzentration von molekularem Sauerstoff in der Probe möglich ist.
Die bei Anregung mit der isosbestischen Wellenlänge gemessene Fluoreszenzintensität des Indikators kann als Mass für den Sauerstoffgehalt der Probe und das Verhältnis der bei Anregung mit einer von der isosbestischen Wellenlänge abweichenden Wellenlänge gemessenen Fluoreszenzintensität zur Intensität bei der isosbestischen Wellenlänge als Mass für die Wasserstoffionenkonzentration in der Probe dienen. Bei einer Indikatorsubstanz, welche gemäss der vorgenannten
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Bedingung eine bei Änderung der Konzentration von molekularem Sauerstoff in der Probe annähernd konstant bleibende isosbestische Wellenlänge aufweist, ist es auf diese besonders einfache Weise möglich, die gemessenen Intensitäten zu den gesuchten Konzentrationen in Beziehung zu setzen.
Weiters kann als Indikator nach einem andern Merkmal der Erfindung eine Verbindung verwendet werden, welche ein aromatisches, heteroaromatisches oder zyklisches Gerüst enthält, das selbst PH-abhängig fluoresziert oder durch Einführung funktioneller Gruppen p-abhängig fluoresziert.
Der Indikator selbst kann in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung zur Verhinderung seiner Abdiffusion aus dem Indikatorraum an einen polymeren hydrophilen Träger, wie z. B. Polyacrylamid oder Polyvinylpyrrolidon kovalent gebunden sein. Auf diese Art wird das Austrocknen des Indikators, wodurch er inaktiv würde, verhindert, was konstante Messergebnisse auch über längere Einsatzzeiten ermöglicht.
In Weiterbildung der Erfindung kann der Indikator in einem hydrophilisierten hydrophoben Polymeren eingeschlossen oder kovalent gebunden sein. Die Hydrophilisierung kann dabei z. B. durch Zusatz von feinst verteilten Neutralsalzen, Glaspulver, Metalloxyden oder andern anorganischen Zusätzen erfolgen. Darüber hinaus kann ein den Indikator enthaltendes Polymere nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung neben dem Indikator Carrier-Moleküle enthalten, die für den Ionentransport bzw. die bessere Ionenbeweglichkeit sorgen.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 Anregungsspektren einer Indikatorsubstanz gemäss der Erfindung und Fig. 2 die schematische Darstellung einer entsprechenden Messvorrichtung.
Die messtechnisch nutzbare Wirkungsweise des Fluoreszenzindikators gemäss der Erfindung kann an Hand der Anregungsspektren von Fig. 1 näher erklärt werden. Auf der vertikalen Achse, welche mit --1-- bezeichnet ist, ist dabei die Intensität des z. B. photoelektrisch gemessenen Fluoreszenzlichtes und auf der horizontalen Achse die Anregungswellenlänge x aufgetragen.
Die dargestellten Spektren sind die eines Fluoreszenzindikators, welcher bei Änderung der Wasser-
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Anregungsspektrum und bei Änderung der Konzentration von molekularem Sauerstoff in der Probe, also bei Änderung des Sauerstoffpartialdruckes mit einer Intensitätsänderung reagiert, und zeigen die Abhängigkeit der Intensität des Fluoreszenzlichtes - gemessen bei einer bestimmten Emissions- wellenlänge - von der Anregungswellenlänge, sowie dem PH- und dem p02-Wert der Probe.
Für den Fall, dass kein molekularer Sauerstoff in der Indikatorphase enthalten ist, wird das Anregungsspektrum als Funktion des pH-Wertes in der Indikatorphase verändert. Das Anregungsspektrum eines derartigen Indikators im basischen Milieu, wenn also der Indikator in voll
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reich zwischen voll assoziiertem und voll dissoziiertem Molekülzustand ergibt sich ein Anregungsspektrum für den Indikator wie es in der Kurve-Ax--dargestellt ist. Auf Grund des Gleichgewichtes zwischen jeweils zwei fluorometrisch erfassbaren Grössen schneiden sich die Spektren
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--I x -- bezeichnet.(z. B.-ly-auf der Kurve-Ab--), welche zur quantitativen Bestimmung der Wasserstoffionenkonzentration in der Indikatorphase und damit in der Probe herangezogen wird.
Bei Verwendung eines erfindungsgemässen Indikators in Gegenwart von molekularem Sauerstoff in der Probe bzw. in der Indikatorphase, reduziert sich das Anregungsspektrum des voll assoziierten Moleküls von der Kurve --A s -- auf die strichliert eingezeichnete Kurve g'-und das Anregungsspektrum des dissoziierten Moleküls von der Kurve --A b -- auf die ebenfalls strichliert
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Weiters Anregungsspektrum-A x'--. Diese"reduzierten"Anregungsspektren-As',A.b und Ax'-treffen sich wieder in einem isosbestischen Punkt-I x'--, welcher nicht notwendigerweise bei der selben isosbestischen Anregungswellenlänge wie bei Abwesenheit von molekularem Sauerstoff liegen muss.
Im dargestellten Beispiel ist dies jedoch der Fall ; die isosbestische Wellenlänge Ais ist also für beide Kurvenscharen die gleiche. Eine bei Änderung der Konzentration von molekularem Sauerstoff in der Indikatorphase zumindest annähernd konstant bleibende isosbestische Wellenlänge A is - dies bedeutet, dass die Fluoreszenzlöschung sich gleichmässig über den gesamten Wellenlängenbereich des Anregungsspektrums auswirkt - bringt den Vorteil, dass die technische Durchführung der Messung und die mathematische Auswertung der Messresultate wesentlich vereinfacht wird.
Die Messung mit einem derartigen Indikator macht sich die Tatsache zunutze, dass auf Grund der genannten Art der Indikatorsubstanz die Intensität gemessen bei der isosbestischen Anregung nur eine Funktion einer der gesuchten Konzentrationen (z. B. hier des Sauerstoff-Partialdruckes) in der Indikatorphase alleine ist. Durch Standardisierung mit bekannten Sauerstoff-Partialdrucken ist daher aus der Intensität bei der isosbestischen Anregung der Sauerstoff-Partialdruck in der Indikatorphase ermittelbar.
Darüber hinaus ist die Intensität bei einem definierten Sauerstoff-Partialdruck in der Indikatorphase wie bereits erwähnt ein Mass für die Gesamtkonzentration des Indikators und kann daher zum Ausgleich der Auswirkungen von Indikatorverlusten bzw. daraus resultierenden Einflüssen auf das Messergebnis herangezogen werden.
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--IxPH-Wert der Probe ermittelt werden.
Die in Fig. 2 schematisch dargestellte Messvorrichtung zur optischen Bestimmung von Stoffkonzentrationen weist einen z. B. zylindrisch ausgebildeten Probenraum --1-- mit einer Einlassöffnung --2-- und einer Auslassöffnung --3-- auf, mit welchen das Durchschleusen einer flüssigen oder gasförmigen Probe in Richtung der Pfeile 4 durch den Probenraum ermöglicht wird. An den Probenraum-l-schliesst an einer Seite ein Indikatorraum --5-- an, welcher Begrenzungsflächen --6 und 7-- aufweist.
Eine Lichtquelle --8-- beleuchtet über eine optische Fokusierungseinrichtung --9-- und nach Passieren einer entlang des Pfeiles 10 verschiebbaren Filtereinheit --11-- die vom Proben-
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--1-- abgekehrte Begrenzungsfläche --6-- des Indikatorraumes --5--.fläche --6-- ist aus einem optisch zumindest für die Wellenlänge des entlang des Pfeiles 12 einfallenden Lichtes durchlässigen Material, welches weder für den Inhalt des Indikatorraumes --1-- noch für den zu messenden Stoff in der Probe durchlässig ist. Im einfachsten Fall kann dies z. B. eine Glasplatte, Plexiglasplatte oder auch eine Polymerfolie sein.
Die dem Probenraum --1-zugewendete Begrenzungsfläche --7-- des Indikatorraumes --5-- besteht aus einer für den zu messenden Stoff in der Probe selektiv diffusionsdurchlässigen Membran --7--, welche im ein-
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B.katorraum --5-- eindringen kann.
Das aus dem Indikatorraum, bei Beleuchtung desselben durch die Lichtquelle --8--, entlang des Pfeiles 13 austretende Fluoreszenzlicht gelangt über ein Filter --14--, welches im wesentlichen nur für eine Wellenlänge des emittierten Fluoreszenzlichtes durchlässig ist, die üblicherweise so gewählt ist, dass relativ hohe Intensität zu erwarten ist, in eine Lichtmesseinrichtung --15--, welche z. B. nach dem photoelektrischen Prinzip arbeitet und ein dem gemessenen Licht proportionales Signal an eine nicht dargestellte Auswerteeinrichtung abgibt.
Der Vorgang der Messung mit einer Anordnung gemäss Fig. 2 unter Verwendung eines Fluoreszenzindikators der erfindungsgemässen Art lässt sich wie folgt vereinfacht beschreiben.
Bei Verwendung der Anordnung gemäss Fig. 2 z. B. zur simultanen Bestimmung der Wasserstoffionenkonzentration und der Konzentration von molekularem Sauerstoff in einer in den Probenraum-l-einzubringenden Probe wird das Messsystem zunächst mit Flüssigkeiten, deren PHund pO 2 -Werte bekannt sind, kalibriert.
Nach Einbringung einer ersten Kalibrierflüssigkeit in den Probenraum --1-- wird über das selektive Filter --14-- und die Lichtmesseinrichtung --15--
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der bei Anregung mit der isosbestischen Wellenlänge Ais (im dargestellten Beispiel ist zu diesem Zweck die Filtereinheit --11-- so verschoben, dass ein im wesentlichen nur für die Wellenlänge Xi. durchlässiges Filter --16-- im Strahlengang liegt) auftretende Intensitätswert des Fluoreszenzlichtes bei durch das Filter --14-- gegebener Emissionswellenlänge gemessen und in geeigneter Weise gespeichert.
Sodann wird die Filtereinheit --11-- im Anregungslicht in Richtung des Pfeiles 10 so verschoben, dass ein zweites Filter --17--, welches im wesentlichen nur für eine von der isosbestischen Wellenlänge xabweichendeAnregungswellenlängex durchlässig ist, in den Strahlengang des Anregungslichtes gelangt. Über die Lichtmesseinrichtung --15-- wird wieder der von dieser Wellenlänge X, entsprechende Intensitätswert des Fluoreszenzlichtes aus dem Indikatorraum gemessen und gespeichert. Sodann wird auf analoge Weise die beschriebene Messung mit einer zweiten Kalibrierflüssigkeit mit andern PH- und p02 -Werten durchgeführt.
Die Monochromatisierung des Anregungslichtes kann dabei selbstverständlich auch auf jede andere geeignete Weise erfolgen. Ebenso kann auch die Lichtmesseinrichtung von der dargestellten Ausführungsform abweichen oder eine andere Anordnung des Proben- bzw. Indikatorraumes verwendet werden. Wichtig ist lediglich die Verwendung der erfindungsgemässen Indikatorsubstanz, welche auf Grund der genannten Eigenschaften die simultane und sich gegenseitig nicht beeinflussende Bestimmung der Konzentrationswerte von zwei verschiedenen Stoffen in der Probe ermöglicht.
Die Messung der gesuchten PH- und p02-Werte in einer unbekannten Probe erfolgt im weiteren durch Bestimmung der Intensitätswerte des Fluoreszenzlichtes in der bei der Kalibrierung besprochenen Art, wobei sodann der Intensitätswert bei der Anregung mit der isosbestischen Wellen-
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