DE69716870T2

DE69716870T2 - Zusammensetzung und verfahren zur herstellung von sensoren mit ionenselektiver elektrode

Info

Publication number: DE69716870T2
Application number: DE69716870T
Authority: DE
Inventors: Robert Craig; David Hamerslag
Original assignee: Dade Behring Inc
Current assignee: Siemens Healthcare Diagnostics Inc
Priority date: 1996-06-21
Filing date: 1997-06-17
Publication date: 2003-09-11
Anticipated expiration: 2017-06-18
Also published as: EP0861439B1; JP3595907B2; WO1997048981A1; US5964994A; EP0861439A1; US5951837A; ES2185956T3; DE69716870D1; JPH11511858A

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die optische Untersuchung von Produkten, die bei der automatischen Produktion hergestellt wurden. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf ein Verfahren zur Markierung halbtransparenter Polymerschichten, die in einer mehrschichtigen Sensorstruktur enthalten sind, um die optische Untersuchung und Ausrichtung der Schichten zu erleichtern.

Beschreibung des Standes der Technik

Im Gesundheitsbereich, insbesondere auf dem Gebiet der klinischen Diagnostik, werden häufig Sensoren mit ionenselektiven Elektroden (ISE) verwendet, um die Aktivität oder Konzentration verschiedener Ionen und Metabolite, die in biologischen Flüssigkeiten vorhanden sind, zu messen. Bei ISE-Sensoren werden potentiometrische oder amperometrische elektrochemische Vorgänge eingesetzt, die Potential- oder Stromsignale erzeugen, die mit der Aktivität eines interessierenden Ions in einer Probe zusammenhängen. Zum Beispiel werden ISE-Sensoren typischerweise verwendet, um den Gehalt an Chlorid-, Kalium-, Lithium-, Calcium-, Magnesium-, Carbonat-, Wasserstoff- und Natriumionen in solchen Flüssigkeiten zu messen. Im Allgemeinen ist das innerhalb des Sensors erzeugte Signal bei potentiometrischen Analysen linear vom Logarithmus der Aktivität des interessierenden Ions abhängig. Die Aktivität eines interessierenden Ions ist definiert als seine Konzentration, multipliziert mit einem Aktivitätskoeffizienten, wobei der Aktivitätskoeffizient allgemein bekannt oder in der Fachliteratur verfügbar ist.
Typischerweise wird in Festkörper-ISE-Sensoren eine feste Membran als Messelement oder Elektrode verwendet, wobei die Membran hochselektiv für die gesuchte Ionenspezies ist und auf die Ionenspezies mit Änderungen der Ionenleitfähigkeit reagiert. Außerdem können herkömmliche ISE-Sensoren eine interne Referenzelektrode enthalten. Im Betrieb wird eine Oberfläche der Messmembran in eine biologische Probenlösung von Ionen, für die sie selektiv ist, eingetaucht, wodurch sich an der Grenzfläche zwischen der Lösung und der Membran ein Potential über die Membranoberfläche entwickelt. Bei einem potentiometrischen Sensor variiert dieses Potential mit der Konzentration der Ionen in der Lösung, und sein Wert wird als Spannung gemessen. Durch Vergleich der an der Messmembranoberfläche erzeugten Spannung mit der Spannung, die durch eine Referenzelektrode unter Verwendung einer Referenzionenlösung erzeugt wird, ist es möglich, die Konzentration der gesuchten Ionenspezies zu berechnen. Die gewünschte Selektivität wird häufig erreicht, indem man in die Membran einer ionenselektiven Elektrode ein ionenselektives Mittel, wie ein Ionophor, einbaut, um die Permeabilität von Zellmembranen für ein spezielles Ion zu erhöhen. Im Allgemeinen werden ionenselektive Membranen aus einer stark weichgemachten Polymermatrix, wie Polyvinylchlorid, die das für das interessierende Ion selektive Ionophor enthält, gebildet. Zum Beispiel wird das Ionophor Valinomycin in eine Schicht einer für Kaliumionen selektiven Membran eingebaut; Trifluoracetyl-p-butylbenzol oder andere Trifluoracetophenon-Derivate werden als Ionophore verwendet, die selektiv für Carbonationen sind.
"Biologische Probe" bedeutet irgendeine Flüssigkeit biologischer Herkunft einschließlich Flüssigkeiten biologischer Herkunft, die vor der Analyse chemisch und/oder physikalisch behandelt, verdünnt oder konzentriert wurden. Beispiele für biologische Proben sind Serum, Urin, Plasma, Vollblut, Liquor, Amnionflüssigkeit, Speichel und Tränen.
Eine allgemeine Diskussion der Prinzipien von ISE-Sensoren liefern Foreman et al., "Ion Selective Electrodes", Automatic Chemical Analysis, Ellis Horwell Ltd., Chichester, England (1975). ISE-Sensoren können gemäß der Art des Membranmaterials klassifiziert werden und umfassen Festkörpermembranelektroden, Glasmembranelektroden, Flüssigmembranelektroden mit geladenen ionenselektiven Mitteln sowie neutrale Flüssigmembranelektroden mit Membranen, die aus einer organischen Lösung gebildet sind, die ein elektrisch neutrales ionenselektives Mittel, wie ein Ionophor, das in einer inerten Polymermatrix gehalten wird, enthält.
Herkömmliche ISE-Sensoren sind typischerweise sperrig und erfordern häufig ein unerwünscht großes Volumen an biologischer Flüssigkeit. Aus diesen Gründen wird der Entwicklung von ISE-Sensoren geringerer Größe viel Aufmerksamkeit gewidmet. Diese kleineren ISE-Sensoren können kostengünstig in Massenproduktion hergestellt werden, wobei man ähnliche Techniken verwendet wie die, die bei der Herstellung von mehrschichtigen Elektronikkomponenten eingesetzt werden; zu diesen Techniken gehören zum Beispiel Photolithographie und Siebdruck, wie es im US-Patent Nr. 4,454,007 beschrieben ist. Solche ISE- Sensoren können in Form einer Einwegkartusche oder eines Sensorverbunds zur Verwendung in einem chemischen Analysator vorliegen und werden im Allgemeinen auf einem planaren Substrat gebildet, auf dem mehrere Referenzelemente und mehrere Sensorelemente gebildet sind. Für jedes Element befinden sich auf der Substratfläche elektrische Kontakte, und ein Kanal befindet sich typischerweise über den Referenz- und Sensorelementen des Substrats, um die Probe, die gerade analysiert wird, über die Sensorelemente zu leiten. Flüssigkeitsleitungen sind geeignet, um dem Kanal biologische Proben zuzuführen und sie wieder aus der ISE-Sensorvorrichtung zu entfernen. Das ISE-Sensorsubstrat wird vorteilhafterweise so gewählt, dass es aus einem strukturell steifen Material besteht, das eine vernachlässigbare Verzerrung aufweist, wenn Druck aus dem Kanalelement ausgeübt wird, und ein elektrischer Isolator ist, so dass man einen Träger für die Schichten eines mehrschichtigen Ionensensors erhält. Ein bevorzugtes Material für das Substrat ist Aluminiumoxid.
Die Herstellung eines vollständigen ISE-Sensors beinhaltet zahlreiche aufeinanderfolgende Herstellungsschritte, bei denen die Muster innerhalb von benachbarten Schichten, die während eines nachfolgenden Produktionsvorgangs hergestellt werden, mit den Mustern, die durch vorangehende Vorgänge erzeugt wurden, richtig ausgerichtet werden müssen. Diese aufeinanderfolgenden Herstellungsschritte sind recht komplexer Natur und können herkömmlichen Siebdruck unter Verwendung einer Siebmaske oder photographischen Maske sowie Brennvorgänge für pastenartige Zusammensetzungen beinhalten, um die gewünschte Leistungsfähigkeit zu ergeben. Das Muster und die Struktur des Sensors, die sich aus jedem Schritt dieser vielen aufeinanderfolgenden Schritte ergeben, müssen genau mit den Mustern und Strukturen, die in vorangegangenen Verfahrensschritten erzeugt wurden, ausgerichtet werden. Eine Fehlausrichtung bei einem einzigen Schritt kann zu einer elektrischen Unterbrechung oder einem Kurzschluss in dem fertigen Sensor führen.
Die Verwendung von immer feineren Gittern und eng gepackten Strukturen, wie man sie in modernen ISE-Sensoren findet, erfordert einen sehr hohen Grad an Positionierungsgenauigkeit der aufgedruckten Strukturen. Folglich st die Fehlausrichtung von Musterstrukturen auf den Platten, die durch Fehlausrichtung der Platte und der Siebmaske oder des Maschinenwerkzeugs in irgendeinem einzelnen Schritt des mehrstufigen Herstellungsverfahrens auftreten kann, ein besonders kritisches Problem, das die Produktionsausbeute betrifft. Wegen der Wichtigkeit des Aufrechterhaltens einer korrekten Ausrichtung aller Strukturen, die durch die Abfolge der Herstellungsschritte im gesamten Herstellungsvorgang erzeugt werden, müssen moderne ISE-Sensoren häufig in verschiedenen Stadien ihrer Herstellung untersucht werden.
Um die Genauigkeit der Untersuchung während der sequentiellen Herstellung von mehrschichtigen Vorrichtungen bei Massenproduktionsmengen zu verbessern, werden häufig automatische Bildverarbeitungssysteme eingesetzt. Automatische Bildverarbeitungssysteme empfangen durch einen elektronischen Sensor ein Bild eines ausgewählten Teils der Vorrichtung und bestimmen durch Verwendung eines Computers die Existenz irgendwelcher fremden Strukturen oder Merkmale in dem Bild und die Annehmbarkeit dieser Merkmale. Bei dieser Technologie wird häufig eine Schwarzweiß- oder Farbfernsehkamera des Festkörper-CCD- (charge coupled device) oder MOS-Typs (Metalloxid-Halbleiter) eingesetzt. Weitere Komponenten eines automatischen Bildverarbeitungssystems sind normalerweise eine Linse, die an der Fernsehkamera befestigt ist, sowie Spiegel, Strahlteiler (teilversilberte Spiegel, die Licht gleichzeitig reflektieren und durchlassen können), Farbfilter, Polarisatoren usw. Diese zusätzlichen Komponenten können verwendet werden, um den Kontrast zu verstärken und/oder die Wirkung unerwünschter Informationen zu reduzieren, um die benötigte optischgeometrische Anordnung in einem begrenzten Raum zu erhalten, um das Bild zu empfangen, um ein zweidimensionales Bild zu erfassen und zu speichern und um das Bild durch irgendeine Form von Computer zu verarbeiten und zu analysieren. Automatische Bildverarbeitungssysteme können auch wichtige und genaue Informationen zur Verfahrenskontrolle liefern, um die Identifizierung von "Problembereichen" des sequentiellen Herstellungsverfahrens zu unterstützen, so dass sie korrigiert werden können, um Qualität und Ausbeute zu verbessern.
Bei der Gestaltung von ISE-Sensoren umfassen viele der festen Membranen, die selektiv für die gesuchten Ionenspezies sind, eine polymere Membranzusammensetzung, die sich optisch im Wesentlichen nicht von einem umgebenden oder darunterliegenden Material unterscheidet, d. h. durchscheinend oder halbtransparent ist oder ein optisches Reflexionsvermögen hat, das im Wesentlichen ähnlich wie das des umgebenden Materials ist. Folglich können die Integrität, Struktur und Kontur des aufgedruckten Membranschichtenmusters möglicherweise von automatischen Bildverarbeitungssystemen nicht leicht zu unterscheiden sein. Es ist bekannt, das zu identifizierende Material in solchen Fällen mit fluoreszierenden Verbindungen zu markieren, die leichter nachgewiesen werden können. Die Verwendung von Fluoreszenztechniken zum Nachweisen der Anwesenheit von Verbindungen ist in der Technik bekannt. Beim Fluoreszenz-Scannen werden markierte Proben durch einen Lichtstrahl mit einer Anregungswellenlänge stimuliert, und die resultierende stimulierte Fluoreszenzemission wird untersucht. Die stimulierte Fluoreszenz tritt typischerweise bei einer anderen Wellenlänge oder in einem anderen Wellenlängenband als die Anregungswellenlänge auf. Siehe zum Beispiel US-Patent Nr. 5,459,325, "High Speed Fluorescent Scanner", Hueton et al. Eine Lichtquelle, die Licht im nahen Infrarot emittieren kann, beleuchtet das zu untersuchende Material, und ein optisches Filter wird verwendet, um nur die von der fluoreszierenden Markerverbindung emittierten Wellenlängen auszuwählen.
Das US-Patent Nr. 4,983,817 bezieht sich auf die Ablesung eines lumineszenten und im Wesentlichen transparenten Strichcodes auf einem Hintergrund, dessen Reflexionsvermögen variieren kann. Elektrische Signale, die Lichtreflexionen sowohl von lumineszenten als auch von nichtlumineszenten Teilen des Strichcodes entsprechen, werden verarbeitet, so dass man ein endgültiges Signal erhält, das decodiert wird, um die gewünschte Ablesung zu ergeben.
Das US-Patent Nr. 4,186,020 beschreibt die Entwicklung von fluoreszenten Tinten, die in Fällen, wo die Hintergrundfluoreszenz geringer ist, durch ultraviolettes Licht zur Fluoreszenz bei längeren Wellenlängen aktiviert werden können.
Das US-Patent Nr. 5,095,204 stellt ein System und ein Verfahren pur Behandlung oder Modifizierung von Schüttgut oder Formteilen vor, so dass sie unter ultravioletter Strahlung gesichtet und identifiziert werden können, ohne ihr Aussehen oder ihre Eigenschaften permanent zu verändern.
Das US-Patent Nr. 5,461,136 bezieht sich auf ein Verfahren zur "Markierung" eines thermoplastischen polymeren Materials, indem man eine oder mehrere im nahen Infrarot fluoreszierende Verbindungen einbaut, und auf ein Verfahren zur Trennung oder Sortierung eines Gemischs von thermoplastischen Behältern, wie Flaschen. Ebenfalls bereitgestellt werden thermoplastische Polymerzusammensetzungen, die mit solchen Verbindungen oder Resten markiert sind, sowie bestimmte neue Verbindungen, die als im nahen Infrarot fluoreszierende Marker geeignet sind.
Ein Nachteil bei der Anwendung herkömmlicher automatischer Bildverarbeitungssysteme auf die Untersuchung von Sensormembranen ist jedoch die Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der Sensormembranen aufgrund des Einschlusses von fluoreszierenden Verbindungen, um sie optisch unterscheidbar zu machen. Die Selektivität und Empfindlichkeit einer ISE-Sensormembran hängen entscheidend von ihren chemischen Bestandteilen und deren relativer Ausgewogenheit ab. Folglich hat sich ein Bedürfnis nach einem chemisch inerten Bestandteil, wie einem Fluorophor, entwickelt, das in einer Menge zu der Sensormembran gegeben werden kann, die die analytische Leistungsfähigkeit des Sensors nicht beeinträchtigt, die jedoch die benötigte Fluoreszenz liefert, um richtig ausgerichtete Schichten zu unterscheiden sowie Membranfehler zu identifizieren, die aus dem Herstellungsverfahren resultieren.

Kurzbeschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist in den Ansprüchen 1, 7, 8 und 9 definiert und betrifft die Probleme der Analysetechniken mit automatischer Bildverarbeitung des Standes der Technik, indem sie eine Polymerzusammensetzung, die aus fluoreszierenden Verbindungen oder Resten besteht, sowie Artikel, die solche Zusammensetzungen umfassen und für die Herstellung einer Schicht aus leicht nachzuweisendem Material durch Verwendung solcher Zusammensetzungen geeignet sind, bereitstellt. In bevorzugten Ausführungsformen werden auch Cumarinverbindungen bereitgestellt, die bei der praktischen Durchführung dieser Erfindung als fluorophore Marker geeignet sind. Die Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung ergeben also einen verbesserten Mechanismus zur Sichtbarmachung verschiedener Bestandteile von Sensoren, so dass sie untersucht und bewertet werden können und das Verfahren für ihre Herstellung optimiert werden kann, ohne dass die Leistungsfähigkeit des Sensors darunter leidet.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung ist durch Bezugnahme auf die mehreren Zeichnungen besser zu verstehen, in denen gleiche Bezugszahlen verwendet werden, um gleiche Komponenten zu bezeichnen:
Fig. 1 ist eine Draufsicht auf mehrere Sensorvorrichtungen, die die vorliegende Erfindung verkörpern; Fig. 1a ist ein Querschnitt einer Sensorvorrichtung, die die vorliegende Erfindung verkörpert;
die Fig. 2a und 2b sind Querschnittsansichten eines einzigen Sensorelements der Sensorvorrichtungen von Fig. 1;
Fig. 3 ist eine Graphik, die die Ergebnisse von Untersuchungen durch automatische Bildverarbeitung aus der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 4 ist eine Draufsicht auf ein einzelnes Sensorelement der Sensorvorrichtungen von Fig. 2b, die verschiedene Ausrichtungssituationen veranschaulichen;
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht, die Ausrichtungsabmessungen eines einzelnen Sensorelements der Sensorvorrichtungen von Fig. 1 zeigt;
die Fig. 6, 7 und 8 sind Draufsichten auf ein einzelnes Sensorelement der Sensorvorrichtungen von Fig. 4, die verschiedene Ausrichtungssituationen veranschaulichen;
die Fig. 9a und 9b sind schematische Ansichten eines automatischen Bildverarbeitungssystems, das für die praktische Durchführung dieser Erfindung geeignet ist; und
Fig. 10 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung zeigt.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 zeigt ein Sensorsubstrat 20 mit mehreren individuellen Sensorbasen 21, die in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind, wobei die Basen 21 durch Einritzen des regelmäßigen Musters auf ein berührend geformtes einzelnes Produktionsstück definiert werden, das für die Handhabung durch automatische Produktionsgeräte geeignet ist. Nachdem die Produktionsverfahren beendet sind, können die Sensorbasen 21 in mehrere individuelle Sensoren getrennt werden. Auf jeder der Sensorbasen 21 ist in planarer Anordnung eine einzige Sensorvorrichtung 22 integriert, die mehrere Leiterbahnen 25 umfasst, die in Mustern abgeschieden sind und in elektrischen Kontaktflächen 23 enden, wobei die Leiterbahnen 25 in Sensorelementen 30 entspringen, wobei die Sensorelemente 30 aus einzelnen Schichten 24, 26 und 28 bestehen (am besten in den Fig. 2a und 2b zu sehen). Die Sensorelemente 30 sollen entweder Referenz- oder Messaufgaben durchführen und sind vorzugsweise in Reihen aus linear abgeschiedenen Sensorelementen angeordnet, wobei es sich bei den Sensorelementen 30 um ein Sensorelement 30R mit Referenzfunktion, das sich auf einer Seite oder Reihe befindet, handelt und es sich bei den Sensorelementen 30 um ein Sensorelement 30M mit Nachweis- oder Messfunktion für den Analyten auf der anderen Seite oder Reihe handelt.
Bei einer kommerziellen Anwendung können die Sensorelemente 30 vorteilhafterweise innerhalb eines chemischen Analysators verwendet werden, in Kombination mit einem Kanalelement 31 (siehe Fig. 1a) mit Rillen 33, die sich über den Sensorelementen 30R mit der Referenzfunktion und den Sensorelementen 30M mit der Messfunktion befinden und an einem Ende jeder Rille miteinander verbunden sind, so dass sie Flüssigkeitskanäle definieren (nicht gezeigt). Die obere Fläche der Sensormembranschicht 26 befindet sich so in Fluidkontakt und elektrolytischem Kontakt mit biologischen Probeflüssigkeiten, die durch die Rillen 33 zugeführt werden. Die Menge des Analyten in einer Probeflüssigkeit kann bestimmt werden, indem man die Sensorvorrichtungen in Paaren verwendet, wobei die eine Sensorvorrichtung einer Referenzlösung ausgesetzt ist, die eine bekannte Menge des Analyten enthält, und die andere einer Probelösung ausgesetzt ist, die eine unbekannte Menge des Analyten enthält. Das US-Patent Nr. 5,284,568 der Anmelderin umfasst ein Beispiel für eine solche Vorrichtung. Unter Verwendung wohlbekannter Kalibrierungstechniken kann ein Assay in einem komparativen oder differentiellen Messverfahren durchgeführt werden, um die Mengen eines Analyten in Probeflüssigkeiten zu bestimmen.
Wie am besten in Fig. 2a zu sehen ist, umfasst jedes Sensorelement 30 eine erste dielektrische Schicht 24 und eine darauf gebildete zweite dielektrische Schicht 28 in Kontakt mit einer leitenden Elektrodenbahn 25, wobei die Schichten 24 und 28 Muster von Öffnungen enthalten, wobei die Öffnungen in den Mustern unter Bildung eines "brunnenartigen" Hohlraums ausgerichtet sind, der allgemein mit dem Buchstaben "D" bezeichnet wird. Wie man in Fig. 2b erkennt, kann dann eine Sensormembran 26 innerhalb des durch Öffnungen in den Schichten 24 und 28 gebildeten Hohlraums D aufgetragen werden und befindet sich in Kontakt mit der Elektrodenbahn 25. Das Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung, vorzugsweise unter Verwendung von herkömmlichen Dickfilm-Siebdrucktechniken und geeigneten Trocknungseinrichtungen, ist in der Technik wohlbekannt, wie es zum Beispiel im US-Patent Nr. 4,454,007 der Anmelderin beschrieben ist. Beispielsweise scheidet man zuerst die Leiterschicht 22 ab, wobei man typischerweise eine herkömmliche Silberleiterpaste verwendet, zum Beispiel der Serie QS175, die von E.I. du Pont de Nemours & Co. Wilmington, Delaware, erhältlich ist, dann die erste dielektrische Schicht 24, typischerweise eine herkömmliche keramische dielektrische Paste, zum Beispiel der Serie QS482, die zweite dielektrische Schicht 28, ebenfalls zum Beispiel der Serie QS482, und schließlich die Sensormembranschicht 26. Der Zweck der dielektrischen Schichten 24 und 28 besteht darin, ein Hohlraum D von ausreichender Tiefe, im Allgemeinen zwischen 20 und 40 um, zu bilden, um die minimale erforderliche Dicke der Sensormembranschicht 26 unterzubringen (siehe Fig. 2a und 2b). Gegebenenfalls kann sich eine Grenzflächenschicht, die im Allgemeinen aus einem leitfähigen Metall und leitfähigen Metallsalzverbindungen besteht, zwischen der Leiterschicht 25 und der Sensormembranschicht 26 befinden, um die Grenzfläche zwischen Leiter und Membran zu stabilisieren.
Eine Vielzahl von ionenselektiven Membranzusammensetzungen kann für die Membranschicht 26 verwendet werden, die im Allgemeinen ein Ionophor für ein interessierendes Ion, eine Verbindung, die das Ionophor auflösen kann, und eine Trägermatrix, die aus einem oder mehreren Bindematerialien besteht, umfasst. Bei der Matrix kann es sich um jedes Material handeln, das einen Film mit ausreichender Permeabilität bilden kann, um in Kombination mit dem Ionophor und dem Lösungsmittel eine Mobilität des Analytenions durch den Film zu erhalten. Das US-Patent Nr. 5,401,377 enthält Informationen über die verschiedenen chemischen Bestandteile und anwendbaren Herstellungsverfahren, die für die Herstellung von ISE-Sensoren mit einem ionenempfindlichen Element in direktem Kontakt mit einem elektrischen Leiter geeignet sind, und ist allgemein bezeichnend für den Stand der Technik.
Zu den geeigneten Ionophoren gehören Ionenträger, wie Hemisphäranden, Kronenether, Monensin und Ester davon (z. B. Methylmonensin), und andere, die in der Technik bekannt sind. Zu den Ionophoren gehören auch Ionenaustauscher, wie polymere Ionenaustauschmaterialien, sowie wasserunlösliche Salze. Die Wahl des Ionophors hängt von der Natur des zu bestimmenden Ions ab, z. B. Valinomycin für Kalium, Methylmonensin für Natrium, Tri-n-dodecylmethylammonium für Chlorid usw. Das Ionophor wird von einem oder mehreren organischen Lösungsmitteln aufgelöst, wodurch man Mobilität von Natriumionen erhält. Wenn ein hydrophobes Bindemittel als Trägermatrix verwendet wird, muss das Lösungsmittel mit dem Bindemittel verträglich sein. Das Lösungsmittel wird in der Technik zuweilen als Trägerlösungsmittel identifiziert. Zu den geeigneten Lösungsmitteln gehören Phthalate, Sebacate, aromatische und aliphatische Ether, Phosphate, gemischte aromatisch-aliphatische Phosphonate, Adipate, nitrierte Ether oder Ester oder Gemische davon und andere, die in der Technik bekannt sind. Die polymeren Matrixmaterialien wurden aus einer Vielzahl von Substanzen gewählt, die aus der Gruppe ausgewählt wurden, die aus Polyvinylchlorid, Copolymeren von Polyvinylchlorid, Polyurethanen, Methacrylatpolymeren, Acryl polymeren und mit Polyvinylchlorid verträglichen Polymeren und Gemischen davon besteht, wobei Polyvinylchlorid im Allgemeinen bevorzugt ist.
Geeignete Membranen, die hydrophobe Bindematerialien, ein Ionophor und solvatisierende Lösungsmittel enthalten, werden unter Verwendung bekannter Filmbeschichtungs- oder Gieß- oder Siebdrucktechniken hergestellt. Materialien einschließlich synthetischer und natürlicher polymerer Materialien, wie Polyvinylchlorid, carboxyliertes Polyvinylchlorid, Poly(styrol-co-styrolsulfonsäure), Poly- (vinylchlorid-co-styrolsulfonsäure), Poly(vinylchlorid-co-styrolcarbonsäure) und dergleichen, können mit Vorteil verwendet werden. Hochmolekulares Polyvinylchlorid wurde bei der praktischen Durchführung dieser Erfindung erfolgreich verwendet. Zu den geeigneten Weichmachern gehören 2-Ethylhexyladipat und/oder Dioctylsebacat. Ein Problem bei der Verwendung solcher polymeren Materialien tritt als Konsequenz ihrer optischen Eigenschaften auf. Insbesondere fällt die optische Transmission solcher polymerer Materialien im Allgemeinen in einen Bereich von Werten, die für die Beleuchtungssysteme, die in kommerziellen optischen Untersuchungssystemen verwendet werden, im Wesentlichen transparent sind. Ein verwandtes Problem tritt immer dann auf, wenn das optische Reflexionsvermögen der Membran in einen Bereich von Werten fällt, die denjenigen der darunterliegenden dielektrischen Schichten und/oder des Substratmaterials im Wesentlichen äquivalent sind, was bewirkt, dass ein Bildverarbeitungssystem nicht zuverlässig zwischen der Membran und den dielektrischen Schichten differenzieren kann. Das Problem des unzureichenden Kontrasts zwischen Schichten kann durch die Verwendung optischer Untersuchungssysteme, die so gestaltet sind, dass sie Fluoreszenz nachweisen können, in Kombination mit Membranen, die so modifiziert sind, dass sie anders als die darunterliegenden Schichten fluoreszieren, angegangen werden.
Die bevorzugte Klasse von Fluorophoren für diese Anwendung ist die Klasse der Cumarine. Diese scheinen im Vergleich zu Fluorophoren aus den Klassen der Rhodamine oder Fluoresceine die Genauigkeit der Sensoren nicht zu beeinträchtigen. Es hat sich gezeigt, dass bestimmte Vertreter innerhalb der Cumarinklasse eine überlegene Fluoreszenzeffizienz haben, die man aufgrund ihrer strukturellen Ähnlichkeiten oder aufgrund der spektralen oder Fluoreszenzdaten in den Herstellerangaben für diese Produkte nicht erwarten würde. Die bevorzugten Fluorophore der vorliegenden Erfindung werden aus der Klasse der 7-Aminocumarin- Derivate ausgewählt, die im Allgemeinen die unten gezeigte Struktur haben:
wobei R&sub1;, R&sub2;, R&sub3; und R&sub4; Wasserstoff, Alkyl- oder Alkylengruppen sind und R&sub5; und R&sub6; Wasserstoff, Alkyl-, Alkylen-, Halogenalkyl-, Aryl- oder aromatische, Halogen-, Carboxyalkyl-, Oxoalkyl- oder Cyansubstituenten sind. Es hat sich gezeigt, dass ein bevorzugtes Fluorophor, Cumarin 6 (3-(2'-Benzothiazolyl)-7-N,N-diethylaminocumarin), eine überlegene Fluoreszenz in den Membranen aufweist, ohne die Eignung der damit hergestellten ISE-Sensoren zu beeinträchtigen. Die Struktur von Cumarin 6 ist unten gezeigt:
Ein weiteres bevorzugtes Cumarin ist Cumarin 314 (1, 2,4, 5,3H,6H,10H-Tetrahydro-9-carbethoxy[1]benzopyrano[9,9a, 1-gh]chinolizin-10-on) mit der unten gezeigten Struktur:

Fluoreszenzsensormembranen

Materialien

Die Sensorgestaltung, das Substrat und die polymere Paste, die zur Herstellung der ungetrockneten Membranen verwendet werden, wurden nach dem Verfahren hergestellt, das in US 5,522,978 der Anmelderin beschrieben ist. Rhodamin 6G, Fluorescein, Methylenchlorid, Isophoron, carboxyliertes Polyvinylchlorid, Siliciumoxid, Tridodecylmethylammoniumchlorid und Glycidoxypropyltrimethoxysilan können von der Aldrich Chemical Co. (Milwaukee, Wisconsin) kommerziell erhalten werden.
Die Cumarine wurden von Acros Organics (New Jersey) kommerziell erhalten. Das Natrium-Ionophor (Fluke III), Valinomycin, Dioctyladipat und Kaliumtetra- (chlorphenyl)borat können von Fluka Chemika-BioChemika (Ronkonkoma, New York) erhalten werden.
Die Leistungsfähigkeit der fertigen Sensorbaueinheiten wurde unter Verwendung von Standardarbeitsvorschriften mit einem klinisch-chemischen System des Typs Dimension® AR getestet, das von Dade Chemistry Systems (Newark, Delaware) erhalten wurde. Ultraviolettspektren wurden unter Verwendung eines HP Modell 8452 Diodenfeld-Spektrophotometers erhalten, das von der Hewlett Packard Co. (Palo Alto, Kalifornien) erhältlich ist.

Analytische Leistungsfähigkeit von ISE-Sensoren:

Elektrolyttests wurden durchgeführt, indem man die integrierten Sensoranordnungen auf einem Dimension®-System installierte, das mit Pumpen, Eichsubstanzen, Sensorkartuschen und geeigneter Software, die von Dade Chemistry Systems Inc., Newark, Delaware, erhalten wurde, ausgestattet war. Die Tests wurden durchgeführt, indem man die Kartuschen zuerst mit zwei Niveaus jedes Elektrolyts kalibrierte und dann eine Gruppe von Testproben testete, die aus zwei Niveaus wässriger gepufferter Elektrolyte und drei Proben von Kontrollprodukten auf Serumbasen bestanden. Die Eichsubstanzen und Verifier wurden von Dade Chemistry Systems Inc. erhalten, und die Kontrollprodukte sind kommerzielle Multiqual®-Reagentien von der Ciba-Corning Co., Medfield, Maine. Die wässrigen gepufferten Proben sind die von Dade kommerziell erhältlichen "Verifier 1" (V1) und "Verifier 2" (V2). Die Kontrollprodukte hatten Multiniveau- Konzentrationen von 1, 2 bzw. 3 (MQ1, MQ2 bzw. MQ3). Die Verifier-Konzentrationen wurden durch Vergleich mit Standards auf der Basis von gravimetrisch bestimmten Mengen von reinen Natrium- und Kaliumsalzen bestimmt. Die Zuordnungen der Kontrollproduktkonzentrationen wurden durch Vergleich mit mehrfachen Chargen von Sensoren, die ohne Fluorophore hergestellt wurden, bestimmt.

Beispiel 1: Herstellung der Membranpaste:

1A: Nichtfluoreszente Pastenzusammensetzungen:

Die Pasten, die zur Herstellung der ionenselektiven Membranen vor dem Einbau eines Ionophors verwendet wurden, wurden hergestellt, indem man die unten in Tabelle 1 aufgeführten Bestandteile miteinander mischte: Tabelle 1 Pastengewichtszusammensetzungen
* carboxyliertes Polyvinylchlorid
** Glycidoxypropyltrimethoxysilan
*** Tridodecylmethylammoniumchlorid
**** Kaliumtetra(chlorphenyl)borat

1B: Fluoreszente Pastenzusammensetzung:

Zu den fertigen Pastenzusammensetzungen von Beispiel 1A wurden Fluorophore gegeben, so dass man eine Konzentration des Fluorophors von 250 ug/g erhielt. Nach der Entfernung der Lösungsmittel (Isophoron und Dichlormethan) betrug die Konzentration in der Natriumsensormembran etwa 710 ug/g. Dann wurden die in Tabelle 2 gezeigten Fluorophore bewertet. Tabelle 2

Beispiel 2:

2A: Rhodaminhaltige Sensoren:

Gemäß Beispiel 1B, Tabelle 2, wurden Sensoren hergestellt, wobei man Natrium-, Kalium- und Chloridpaste verwendete, die 250 ug/ml Rhodamin 6G enthielt. Die Ergebnisse sind unten in Tabelle 3 gezeigt: Tabelle 3 Leistungsfähigkeit von Sensoren mit Rhodamin-Fluorophor
Die Leistungsfähigkeit des Natriumsensors war für die rhodaminhaltige Zusammensetzung unbefriedigend, trotz der geringen Konzentration des Fluorophors im Vergleich zum Ionophor. Wegen der Empfindlichkeit der Sensormembran gegenüber ihren Bestandteilen wurde erwartet, dass eine bestimmte Menge Rhodamin die Leistungsfähigkeit des Natriumsensors beeinträchtigen würde, doch ist es überraschend, dass die in diesem Beispiel getestete geringe Menge so störend sein würde, wie sich zeigte. Die Eichsteigung betrug weniger als 50 mV/Dekade im Vergleich zu einer typischen Reaktion von 57-60 mV/Dekade, wenn kein Fluorophor zugesetzt wird. Außerdem war die Kaliumreaktion für die MQ2- und MQ3-Ergebnisse im Vergleich zu den Werten, die mit fluorophorfreien Sensoren zugeordnet wurden, leicht um wenigstens eine Standardabweichung erhöht.

2B: Fluoresceinhaltige Sensoren:

In ähnlicher Weise wie in Beispiel 1B wurden Sensoren hergestellt, wobei man Natrium-, Kalium- und Chloridpaste verwendete, die 250 ug/ml Fluorescein enthielt, das als Fluorophor zugesetzt wurde. Diese Sensoren wurden denselben Tests wie in Beispiel 2A unterzogen, wobei man dieselben Verifier und Kontrollprodukte verwendete. Die Ergebnisse sind unten in Tabelle 4 gezeigt: Tabelle 4 Leistungsfähigkeit von Sensoren mit zugesetztem Fluorescein-Fluorophor
In allen Fällen ergaben die Sensoren mit zugesetztem Fluorescein Eichsteigungen, die mit denjenigen vergleichbar waren, die man mit Sensoren ahne Fluorophor erhielt. Der Natriumsensor ergab mit den Kontrollprodukten MQ1, MQ2 und MQ3 ungenaue Ergebnisse. Die Ergebnisse waren im Vergleich zu den Werten, die mit Sensoren ohne Fluorophor zugeordnet wurden, um 5-7 mV/l erhöht.

2C: Cumarin-6-haltige Sensoren:

In derselben Weise wie in Beispiel 1B.3 wurden Sensoren hergestellt, wobei man Chlorid-, Kalium- und Natriumpaste verwendete, die 250 ug/ml Cumarin 6 enthielt. Diese wurden Tests mit denselben Verifiern und Kontrollprodukten, wie sie zuvor verwendet wurden, unterzogen. Die Ergebnisse sind unten in Tabelle 5 gezeigt: Tabelle 5 Leistungsfähigkeit von Sensoren mit zugesetztem Cumarin-6-Fluorophor
Alle Sensoren ergaben sowohl mit den Verifiern als auch mit den Kontrollprodukten genaue Ergebnisse. Die Eichsteigungen waren ebenfalls befriedigend.

Beispiel 3:

3A: Cumarinfluoreszenz:

Proben von fluorophorhaltigen Membranen wurden für spektrale Untersuchungen hergestellt. Diese wurden unter Verwendung der in Beispiel 1B beschriebenen Zubereitung für Natriumpaste durchgeführt, mit zwei Änderungen das Silan- Kupplungsmittel und das Fluka-III-Ionophor wurden weggelassen. Die Konzentration an Fluorophor in der Paste betrug 250 ug/ml. Tabelle 6

Beispiel

3B: Membran-Fluoreszenzreaktion:

Die Pastenproben 3A.1 und 3A.2 wurden in die vorgeformten Löcher keramischer Substrate verteilt. Unter Verwendung der im folgenden beschriebenen Apparatur wurden die ungetrockneten Membranen beleuchtet und mit einer Videobilderfassungsvorrichtung, die mit optischen Elementen verbunden war, betrachtet. Die Bilder wurden digitalisiert, was Pixelreaktionen mit 256 Grauskalaniveaus ergab. Die digitalisierten Pixelwerte, die das Ausmaß der Fluoreszenzreaklion aus den ausgewählten Fluorophoren anzeigten, sind in Fig. 3 als Funktion der seitlichen Position durch die Membran gezeigt. Ausgehend vom linken Rand der Graphik zeigt der erste Abschnitt der Kurven eine niedrige Hintergrund-Pixelreaktion des keramischen Dielektrikums, wo keine Fluoreszenzmembranpaste aufgetragen wurde. Die vertikale gestrichelte Linie auf der linken Seite zeigt die Grenze des mit Paste bedeckten Bereichs an. Weiter durch die Graphik, die den Sensor darstellt, steigt die Pixelskalareaktion steil bis zu einem maximalen Wert an, erreicht ein Plateau im Bereich der maximalen Membrandicke und fällt dann auf der rechten Seite der Membran auf das Niveau der Hintergrundreaktion ab.
Die Reaktion aus Hintergrundlicht in Bereichen, die nicht mit Paste bedeckt waren, ergab Pixelreaktionswerte von etwa 45 Einheiten. Dies wurde von den in der nassen Membran erhaltenen Werten subtrahiert, was die in Fig. 3 gezeigten Ergebnisse lieferte. Die Reaktion bei Beispiel 3A.1 unter Verwendung des bevorzugten Cumarins 6 war überraschenderweise etwa 4mal so stark wie bei dem anderen Beispiel, 3A.2.

Sensorbaueinheit

Fig. 4 ist eine vergrößerte und etwas vereinfachte Ansicht eines einzelnen Sensorelements 30, die zusammen mit dem in Fig. 5 gezeigten Querschnitt eine typische Musteranordnung zeigt, die für ein einzelnes Sensorelement erhalten wurde, das unter Verwendung der polymeren Matrixzusammensetzung von Tabelle 1 hergestellt wurde, in der ein Ionenaustausch-Ionophor von wenigstens 0,001% und weniger als etwa 2 Gew.-% wenigstens eines der bevorzugten Cumarin-Fluorophore, die aus der Gruppe der hier ausführlicher beschriebenen 7-Aminocumarin-Derivate ausgewählt sind, dispergiert waren. Für eine ordentliche Funktion des Sensorelements 30 ist es wichtig, dass die Sensormembranschicht 26 mit den dielektrischen Schichten 24 und 28 ausgerichtet ist und mit diesen überlappt, so dass ein ringförmiger Überlappungsbereich 32 entsteht, der die vorbestimmten Minimalabmessungen überschreitet. Gleichzeitig muss sich die Sensormembran 26 in elektrischem Kontakt mit der darunterliegenden Leitungsbahnschicht 25 befinden. Wenn die Vorrichtung 21 eine Größe von ungefähr 1 inch mal 2 inch hat, ist der ringförmige Bereich 32 ungefähr ein Oval mit den Abmessungen 0,050 mal 0,200 inch, während die als "a" und "b" bezeichneten Überlappungsabmessungen idealerweise zum Beispiel in einen Bereich von 0,001 bis 0,020 inch fallen. Die minimalen Überlappungsabmessungen, die durch den ringförmigen Bereich 32 gebildet werden, werden als diejenigen Überlappungsabmessungen bestimmt, die erforderlich sind, um eine ausreichende Betriebsstabilität zu erhalten. Eine unzureichende Überlappung erhöht die Möglichkeit, dass im Flüssigkeitskanal 34 enthaltene Testflüssigkeiten unterhalb der Sensormembranschicht 26 diffundieren und falsche elektrische Verbindungen mit der Leiterschicht 22 bilden.
Die Fig. 6, 7 und 8 veranschaulichen mehrere der verschiedenen Mängel, die aufgrund einer Positionsungenauigkeit der aufgedruckten Strukturen vorkommen können. Zu den Fehlausrichtungen der Musterstrukturen, die aufgrund einer Fehlausrichtung der Sensorpastenschichten vorkommen können, gehören ein Nadelloch, das in der Sensormembranschicht 26 gebildet ist und in Fig. 7 durch den Buchstaben "c" bezeichnet ist, eine unvollständige Bedeckung der Sensormembranschicht 26, die in Fig. 6 durch den Buchstaben "d" bezeichnet ist, aufgrund einer Fehlausrichtung und unvollständigen Bedeckung der Sensormembranschicht 26, sowie in Fig. 8 durch den Buchstaben "e" bezeichnet ist, aufgrund einer unvollständigen Auftragung der Sensormembran in Fig. 8.
Bevorzugte automatische Bildverarbeitungssysteme, die bei der praktischen Durchführung dieser Erfindung verwendet werden, bestehen im Allgemeinen aus einem Host-Computer und Spezialverarbeitungs-Hardware mit Softwareimplementierten Anwendungen, so dass sie die erforderlichen digitalen Bildverarbeitungsoperationen durchführt. Solche Systeme sind von Herstellern wie Omron Electronics (Schaumburg, Illinois), Allen Bradley (Milwaukee, Wisconsin) und PPT Vision (Minneapolis, Illinois) erhältlich. Die dabei beteiligten Prinzipien sind wohlbekannt und werden zum Beispiel in "Digital Image Processing", Gregory A. Baxes, John Wiley & Sons, inc., New York, erläutert. Insbesondere werden Bilddifferenzierungstechniken eingesetzt, um kleine Variationen zwischen zwei Bildern zu bestimmen, die bei nicht unterstützter Beobachtung im Wesentlichen gleich zu sein scheinen. Unter Verwendung dieser Technik können zwei Bilder Pixel für Pixel miteinander verglichen werden, so dass die Bildteile, die identisch sind, sich zu Null (0) subtrahieren. Teile der Bilder, die verschieden sind, ergeben jedoch ein von Null (0) verschiedenes Signal. Dann können herkömmliche Bildverstärkungs- und -analysetechniken angewendet werden, um Objektformmessungen zu bestimmen, die das Aussehen eines Bildes gemäß des Pixelabstandes um den Rand des Bildes herum, die Pixelfläche des Innern des Bildes, die Pixelabstände der Haupt- und Nebenachse des Bildes, der bestimmten Anzahl von Löchern, die im Innern eines Bildes existieren, der Gesamtpixelfläche der Löcher und dergleichen charakterisieren. Ein Vergleich dieser Pixelwerte mit vordefinierten maximalen und minimalen annehmbaren Absolutbeträgen wird verwendet, um die Qualität der Membransensorschichten zu beurteilen. Diese Techniken sind in der Technik wohlbekannt.
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung von doppelten Strahlungseinrichtungen zur Beleuchtung des Sensors, um (1) die Orte von halbfertigen Sensorelementen zu bestimmen, wobei Strahlung verwendet wird, deren Energie außerhalb der Anregungsbande des Fluorophors liegt, und (2) um die Orte der entsprechenden Sensormembranpaste, wo sie abgeschieden wurde, zu bestimmen, wobei Strahlung einer Energie verwendet wird, die die in der Sensormembran 26 enthaltenen Fluorophore anzuregen vermag. Dies erlaubt einen Vergleich zwischen einem halbfertigen Sensorelement 30 (wie dem in Fig. 2a gezeigten), bevor die oberste Sensormembran 26 aufgetragen wird, und einem fertigen Sensorelement 30 (wie dem in Fig. 2b gezeigten), nachdem die oberste Sensormembran 26 aufgetragen wird. Dieser Vergleich wird erreicht, indem man eine erste Beleuchtungseinrichtung verwendet, deren Strahlung so gewählt ist, dass die Sensormembran 30 für die Bilderfassungseinrichtung im Wesentlichen transparent bleibt, in Kombination mit einer zweiten Beleuchtungseinrichtung, deren Strahlung so gewählt ist, dass die Sensormembran 30 für die Bilderfassungseinrichtung im Wesentlichen sichtbar wird. Geeignete Filter zum Auswählen der Strahlung, ohne dass die Bilder der Sensormembran 30 darunter leiden, sind eingeschlossen. Einrichtungen zur Erfassung, Verstärkung und Analyse der Bilder des Oberflächenbildes des Sensorelements 30 (nicht gezeigt) umfassen einen Bildabtaster und einen Mikroprozessor sowie Schnittstelleneinrichtungen, um eine variable Programmierung des auf einem Mikroprozessor beruhenden Computers des Systems für eine gewünschte Membrananwendung sowie für Untersuchungsaufgaben durch ein Anwenderinteraktives oder computergesteuertes Menüsystem zu ermöglichen. Das System wird vorzugsweise mit einem herkömmlichen Materialhandhabungssystem kombiniert, das typisch für die Stückproduktion ist und das die Sensorelemente 30 transportiert und dem automatischen Bildverarbeitungssystem präsentiert. Diese Mechanismen, ihre Installation und Verwendung sind dem Fachmann bekannt.
Fig. 9a zeigt ein solches beispielhaftes Sensorproduktionssystem, bei dem automatische Bildverarbeitung eingesetzt wird, um die Untersuchung von Sensorsubstraten 21 durchzuführen, die durch die Sensormembranzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung ermöglicht wird, wobei die Substrate 21 auf einen herkömmlichen, computergesteuerten "x-y-z"-Positioniertisch 29 montiert sind. Eine Strahlungsquelle 13, vorzugsweise Modell D-7918, das von Scholly Fiberoptik GmbH (Deutschland) erhalten wurde, ist geeignet, um ein Strahlungsmuster L1 mit Wellenlängen im Allgemeinen in einem Bereich von 300 bis 700 nm zu liefern. Ein erstes Filter 14, zum Beispiel Modell 51302, das von Oriel Instruments (Stratford, Connecticut) hergestellt wird und solche Bandpasseigenschaften hat, dass nur Strahlung mit Wellenlängen von mehr als etwa 500 nm durchgelassen wird, befindet sich proximal zur Strahlungsquelle 13, um das Strahlungsmuster L1 zu unterbrechen und zu filtern und so das halbfertige Substrat 21, insbesondere die Leiterschicht 25 und die beiden dielektrischen Schichten 24 und 28 zu beleuchten. Dieses gefilterte Strahlungsmuster L1 wird von der Ringleuchte 12 verteilt, zum Beispiel Modell 10-1602-03, das von Ram Optical Inspection (Huntington Beach, Kalifornien) hergestellt wird, so dass das Sensorsubstrat 21 unter einem Winkel von etwa 20 bis 40 Grad relativ zur optischen Achse, die durch eine Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats 21 definiert ist, beleuchtet wird.
Eine Wechselvorrichtung 9 ist geeignet, um das erste Filter 14 durch ein zweites Filter 15 zu ersetzen, zum Beispiel Modell 57530, das von Oriel hergestellt wird, wobei das zweite Filter 15 enge Bandpassfiltereigenschaften hat, so dass nur Strahlung mit Wellenlängen, die vorzugsweise zwischen etwa 400 und 500 nm zentriert sind, um eine Beleuchtung zu liefern, ausgewählt werden, um die in der Sensormembran 26 enthaltenen Cumarin-Fluorophore anzuregen. Die gefilterte Strahlung L1 wird von der Ringleuchte 12 so emittiert, dass das Sensorsubstrat 21 unter einem Winkel von etwa 20 bis 40 Grad relativ zur optischen Achse beleuchtet wird.
Ein Strahlungsemissionsfilter 17, zum Beispiel Modell 51302, das von Oriel hergestellt wird und Bandpassfiltereigenschaften hat, die so gewählt sind, dass nur Strahlung mit solchen Wellenlängen, die größer sind als die repräsentativen Anregungswellenlängen von Cumarin-Fluorophoren, vorzugsweise zwischen etwa 400 und 800 nm, befindet sich vor der Bilderfassungseinrichtung 18, um die Strahlung zu unterbrechen, die von einem angeregten Fluorophor emittiert wird. Wenn das zweite Filter 15 verwendet wird, trifft also nur solche Strahlung auf die Bilderfassungsvorrichtung 18 auf, die Wellenlängen aufweist, die vom Markerfluorophor innerhalb der Sensormembran 26 emittiert werden. Die Bilderfassungseinrichtung 18 umfasst vorzugsweise einen hochauflösenden Festkörper- MOS-Typ (MOS = Metalloxidhalbleiter) mit asynchroner Bildrücksetzungsfähigkeit, zum Beispiel Modell XC77, das von der Sony Corporation (Tokyo, Japan) hergestellt wird und mit geeigneten optischen Elementen ausgestattet ist. Diese Fähigkeit erlaubt es der Bilderfassungseinrichtung 18, das Bild eines Sensorelements 30 mit einer räumlichen Auflösung von ungefähr 0,0003 inch pro Pixel aufzufangen. Ein Übergang zu anderen Größen/Formen von Sensorelementen 30 kann ermöglicht werden, indem man einfach die vertikalen Positionen der Bilderfassungseinrichtung 18 und des anderen optischen Elements 11 einstellt.
In einer alternativen Ausführungsform, die in Fig. 9b gezeigt ist, wird eine zweite Beleuchtungsquelle 16, zum Beispiel das Modell 50-3500-00, das von Ram Optical Inspection hergestellt wird, eingesetzt, um einen Strahl im Allgemeinen im Wellenlängenbereich von 550 bis 650 nm durch einen Strahlteiler 15, zum Beispiel Modell 0102020, das von Esco Products (Oak Ridge, New Jersey) hergestellt wird, der sich in der optischen Achse befindet, bereitzustellen, wobei der abgeteilte Teil des Strahls von der Bilderfassungseinrichtung 18 aufgefangen wird und der reflektierte Teil senkrecht zum Substrat auftrifft. Wenn sie in Kombination mit der in Fig. 9a gezeigten bevorzugten Anordnung verwendet wird, ermöglicht diese alternative Anordnung eine optimale Kombination von schief einfallender und senkrecht einfallender Strahlung auf das Substrat von einer der beiden Quellen 13 und 16, so dass man den höchsten Grad an Bildkontrast und Bildaufnahmequalität erhält, in Abhängigkeit von der Oberflächenrauigkeit und den optischen Absorptions-/Reflexionseigenschaften des Sensorsubstrats 21 und der Schichten 24, 25, 26 und 28. Die Anordnung und Handhabung der elektronischen Schaltung der Bilderfassungseinrichtung 18 und des Bildabtasters 19 sind allgemein bekannt, und die Routinen zum Vergleich der verschiedenen Bilder sind ebenfalls wohlbekannt.
Fig. 10 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung des Zielbereichs auf halbfertigen Sensorsubstraten 21 für die Auftragung der Sensormembranschicht 26, zum Nachweis von Auftragungsfehlern innerhalb der Sensormembranschicht 26 und von Fehlausrichtungen der aufgetragenen Sensormembranschicht 26. Das Verfahren ist weiterhin geeignet, um Korrekturinformationen für den Computer 22 zu erhalten. Bei diesem Verfahren werden Informationen, die die gewünschte Positionierung der Sensormembran betreffen, bestimmt, indem man das halbfertige Substrat 21 so beleuchtet, wie es in Fig. 2a gezeigt ist, wobei nur die Leiterschicht 25 und die erste und die zweite dielektrische Schicht 24 und 28 mit Strahlung, die durch das Bandpassfilter 14 gefiltert wurde, auf das Sensorsubstrat 21 gedruckt wurden, was durch Schritt 102 angezeigt ist. Die Bilderfassungseinrichtung 18 erfasst so ein Bild der oberen Fläche des halbfertigen Sensorelements, so dass der Ort jedes der Hohlräume D (Fig. 2a), die durch die dielektrischen Schichten 24 und 28 definiert sind und wo eine Sensormembran 26 aufgetragen werden soll (Fig. 2b), bestimmt werden kann, wie es in den Kästchen 102 und 104 gezeigt ist.
Nachdem der Computer 22 den genauen Ort des Hohlraums D bestimmt hat, wird eine Membranpastenauftragungsoperation eingeleitet, und die Membranauftragungseinrichtung (nicht gezeigt) trägt eine vorbestimmte Menge und ein vorbestimmtes Muster der Sensormembranpaste innerhalb des Hohlraums D auf, wie es im Kästchen 106 gezeigt ist. Herkömmliche Ausrichtungstechniken werden eingesetzt, um die Auftragungseinrichtung so zu steuern, dass die Membranpaste in richtiger Ausrichtung auf dem Sensorelement 21 aufgetragen wird, so dass jeder Hohlraum D mit nicht mehr als einem der leitenden Elemente 25 in Verbindung steht, die Membran 26 so innerhalb der Öffnungen portioniert und angeordnet ist, dass eine Verbindung zwischen dem Membranteil 26 und den leitenden Elementen 25 hergestellt wird. Die Auftragung der Membranzusammensetzung erfolgt unter Verwendung von Dosierungstechniken mit Geräten, die von Herstellern wie Asymtek (Carfsbad, Kalifornien), Otto Engineering (Carpentersville, Illinois) und Camalot Systems (Haverhill, Maine) erhältlich sind.
In dem anschließenden Membranuntersuchungsmodus wird ein zu untersuchendes Sensorelement 21 beleuchtet, wobei man Strahlung im Anregungsbereich des Fluorophors verwendet, so dass das Bilderfassungssystem ein Bild der Sensormembran 26 erfasst, die auf das Sensorelement 30 aufgetragen ist, wie es im Kästchen 108 gezeigt ist. Der Computer 22 und der Bildabtaster 19, die in dieser Erfindung verwendet werden, ermöglichen die Analyse der dicitalen Bilder im Kästchen 110. Folglich ist der Computer 22 in der Lage, das Bild der Sensormembran 26 in Bezug auf das zuvor im Kästchen 102 erzeugte Bild des Hohlraums D zu analysieren, wie es im Kästchen 112 gezeigt ist, um den Grad der zusammenfallenden Ausrichtung zu bestimmen, indem man eine herkömmliche Fehler- und Dimensionsanalyse zwischen den beiden Bildern durchführt, die sich durch Fehler bei der Auftragung der Sensormembran 26 ergeben, wie es im Kästchen 114 gezeigt ist. Anschließende herkömmliche Ausrichtungstechniken werden eingesetzt, um die Auftragung der Membranpaste in richtiger Ausrichtung auf dem Sensorelement 30 zu steuern, wie es im Kästchen 116 gezeigt ist.
Die Anmelder haben also gefunden, dass trotz der Empfindlichkeit der Leistungsfähigkeit der ISE-Sensormembran gegenüber ihren chemischen Bestandteilen bestimmte Fluorophore gefunden wurden, die vorteilhafterweise zu der Zusammensetzung der Sensormembran 26 gegeben werden können, ohne die Leistungsfähigkeit von Chlorid-, Kalium- oder Natriumsensoren zu beeinträchtigen. Es gibt zwei primäre Anforderungen an das Fluorophor, die bei einer solchen Gestaltung des Fluorophors erfüllt sein müssen: erstens darf es die analytische Leistungsfähigkeit des Sensors nicht beeinträchtigen, indem es eine Abweichung der Leistungsfähigkeit der Membran, in die es eingebaut ist, von mehr als 1% verursacht; und zweitens muss es innerhalb der Membran ausreichend fluoreszent sein, damit man unter Umgebungsbeleuchtung einen unterscheidbaren optischen Kontrast relativ zum Hintergrundteil des Sensors erhält.
Die erste Anforderung an das Fluorophor besteht darin, dass es eine Abweichung der Menge des gemessenen Analyten relativ zur Analytenkonzentration, die mit Zusammensetzungen ohne Fluorophor bestimmt wurde, von weniger als 1% verursacht. Es besteht eine allgemeine Einigkeit über die Zusammensetzungsanforderungen einer brauchbaren Sensormembran; die Wirkungen von Änderungen der Zusammensetzung und der speziellen Konzentrationen oder chemischen Strukturen der Komponenten versteht man jedoch nicht sehr gut. Da ISE- Sensoren bekanntermaßen hochempfindlich gegenüber der Zusammensetzung der Oberflächenschicht der Membran sind, ist es nicht offensichtlich oder selbstverständlich, warum einige Fluorophore stören und andere nicht, insbesondere bei der relativ geringen Konzentration an Fluorophor, die in den vorliegenden Beispielen verwendet wird. Das Fluorophor liegt in der Paste in einer Konzentration von 0,025% vor, während das spezifische Ionophor Für Natrium und Kalium etwa 1% beträgt, so dass das Ionophor eine ungefähr 40mal höhere Konzentration hat als das Fluorophor. Es wird erwartet, dass die Anwesenheit einer ionischen Spezies in der Membran von ISE-Sensoren eine nachteilige Wirkung auf die Leistungsfähigkeit des Sensors hat. Es ist jedoch überraschend, dass es bei einer Konzentration des aktiven Ionenträgers von weniger als 2,5% eine nachweisbare Verschlechterung der Leistungsfähigkeit gibt. Selbst bei dieser niedrigen Konzentration zeigen die oben angegebenen Beispiele mit Rhodamin und Fluorescein im Natriumsensor eine unerwartete und unannehmbare Störung. Diese Ergebnisse widersprechen denjenigen, die man aufgrund des Standes der Technik erwarten würde. Im Stand der Technik wird von einigen ionischen Spezies erwartet, dass sie die Leistungsfähigkeit verbessern. Zum Beispiel im Falle von Fluorescein, einem lipophilen Anion, ist der erwartete Effekt eine Verbesserung der Spezifität auf der Basis der Theorie, die von Lindner, Erno et al. in "Response of Site-Controlled, Plasticized Membrane Electrodes", Analytical Chemistry, 60 (1988), 295-301, beschrieben wird. Selbst bei dieser niedrigen Konzentration zeigen die vorliegenden Beispiele mit Rhodamin und Fluorescein eine im Natriumsensor unerwartete und unannehmbare Störung. Während die Aminocumarine im nativen Zustand keine Ladung tragen, könnten Nebenreaktionen zwischen diesen und anderen Komponenten der Sensormembran stattfinden, die ionische Produkte ergeben würden, die die Leistungsfähigkeit des Sensors beeinträchtigen würden. Es ist nicht offensichtlich, dass die Aminocumarine chemisch ausreichend inert sind, um frei von solchen Nebenreaktionen zu sein.
Zweitens ist eine ausreichend hohe Konzentration an Fluorophor innerhalb der Membran erforderlich, da die Membran eine ausreichende Menge von der Anregungslichtquelle auffangen muss, um eine Lichtmenge zu emittieren, die eine genaue Diskriminierung zwischen ihrer Fluoreszenz und dem Hintergrundbild aufgrund der reflektierten Beleuchtung aus störenden Lichtquellen der Umgebung erlaubt. Unglücklicherweise ist die Fluoreszenz von Fluorophoren bei den Konzentrationswerten, die erforderlich sind, um diese Bedingungen zu erfüllen, bekanntermaßen empfindlich gegenüber Selbstlöschung. Selbstlöschung ist ein allgemeiner Ausdruck in der Technik, der das Phänomen einer abnehmenden Fluoreszenzquantenausbeute beschreibt, die man beobachtet, wenn die Fluorophorkonzentrationen erhöht werden. Die Vorgänge, die für diese Selbstlöschung verantwortlich sind, sind im Prinzip verstanden, aber auch wieder nicht gut genug, um die Eignung spezieller Zusammensetzungen genau vorauszusagen.
Eine weitere Schwierigkeit bei der Auswahl des Fluorophors besteht darin, dass während der Bindung zwischen dem Fluorophor und dem Silankupplungsmittel, das verwendet wird, um eine kovalente Bindung der Membran an das Dielektrikum des Sensorkupplungsmittels zu erhalten, neben der Selbstlöschung unspezifische chemische Vorgänge stattfinden. Diese unspezifischen chemischen Vorgänge bewirken im Allgemeinen eine Reduktion der Fluoreszenzausbeute in unvorhersehbarem Ausmaß.
Überraschenderweise wurden bestimmte Fluorophore erfolgreich in die Sensormembran 26 eingebaut, wie in den vorstehenden Beispielen gezeigt wurde. Verbindungen aus der Cumarinklasse der Fluorophore haben sich als wirkungsvoll erwiesen, um eine nachweisbare Fluoreszenzemission aus den im folgenden beschriebenen, normalerweise transparenten Sensorpasten zu ergeben, ohne eine Störung der elektrochemischen Reaktion der Membran von mehr als 1% zu verursachen. Die in den Beispielen verwendeten Farbstoffe sind alle stark fluoreszent, wenn man bei niedrigen Konzentrationen in üblichen Lösungsmitteln misst. Zum Beispiel betragen die Quantenausbeuten der Fluoreszenz für die beiden oben beschriebenen Cumarine 85% für Cumarin 6 und 77% für Cumarin 314 (Eastman Laser Products Dataservice Publication JJ-169, 1977, Kodak Optical Products, Eastman Kodak Company, Rochester, New York). Auf der Basis der Fluoreszenz, die damit bei einer niedrigen Konzentration erreichbar ist, wurde erwartet, dass Rhodamin- und Fluoresceinzusammensetzungen für einen ISE-Sensor geeignet sind; die oben beschriebenen experimentellen Tests ergaben jedoch unerwarteterweise, dass sie bei diesen niedrigen Konzentrationen Fehler in der analytischen Leistungsfähigkeit der Sensoren von mehr als 1% verursachten.
Es liegt im Umfang der vorliegenden Erfindung, andere Sensormembranzusammensetzungen einzusetzen, um die Sichtbarmachung verschiedener Bestandteile von ionenselektiven Elektroden zu verstärken. Zum Beispiel kann durch Verwendung von zwei verschiedenen Fluorophoren in zwei Membranschichten, die hintereinander in einer unten/oben-Beziehung aufgetragen werden, ein optischer Vergleich der relativen Ausrichtung und Integrität der beiden Schichten erfolgen, wobei man im Wesentlichen dieselben Bilderfassungs- und -analysetechniken verwendet, wie sie hier beschrieben sind. Alternativ dazu kann durch Verwendung eines Fluorophors in der unteren Schicht und durch Verwendung eines Lichtabsorptionsmittels, das die einfallende Strahlung in der oberen Schicht im Wesentlichen blockieren kann, die relative Ausrichtung und Integrität der beiden Schichten unter Verwendung der hier beschriebenen Bilderfassungs- und -analysetechniken bestimmt werden. Das Mittel, zum Beispiel ein inertes Phthalocyanin-Pigment, muss außerdem eine Abweichung der Leistungsfähigkeit der Membranschicht von weniger als 1% verursachen.
Man sollte sich darüber im Klaren sein, dass die hier offenbarten Ausführungsformen der Erfindung nur beispielhaft für die Prinzipien der Erfindung sind und dass auch andere Modifikationen eingesetzt werden können, die noch innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung nicht auf diejenigen Ausführungsformen beschränkt, die in der Beschreibung genau gezeigt und beschrieben sind.

Claims

1. Mehrschichtige Ionenempfindliche Elektrodenvorrichtung zum Messen von Elektrolyten in biologischen Flüssigkeiten, wobei die Vorrichtung eine Membran aufweist, die eine polymere Matrix umfasst, in der ein Ionophor dispergiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der polymeren Matrix weiterhin zwischen 0,001 und 2 Gew.-% wenigstens eines Fluorophors dispergiert sind, wobei das Fluorophor eine Abweichung von weniger als einem Prozent bei der Leistungsfähigkeit der Vorrichtung verursacht.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Fluorophor aus der Klasse der 7-Aminocumarin-Derivate mit der unten gezeigten Struktur ausgewählt ist:

wobei R&sub1;, R&sub2;, R&sub3; und R&sub4; Wasserstoff, Alkyl- oder Alkylengruppen sind und R&sub5; und R&sub6; Wasserstoff, Alkyl, Alkylen, Halogenalkyl, Aryl, Halogen, Carboxyalkyl, Oxoalkyl oder Cyan sind.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei es sich bei dem Fluorophor um Cumarin 6 oder Cumarin 314 handelt.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Ionophor gegenüber einem Ion empfindlich ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Chloridionen, Kaliumionen, Lithiumionen, Calciumionen, Magnesiumionen, Carbonationen, Wasserstoffionen und Natriumionen besteht.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die polymere Matrix aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polyvinylchlorid, Copolymeren von Polyvinylchlorid, Polyurethanen, Methacrylatpolymeren, Acrylpolymeren und mit Polyvinylchlorid verträglichen Polymeren und Gemischen davon besteht.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Vorrichtung weiterhin folgendes umfasst: ein planares Substrat, auf dem mehrere leitfähige Elemente angeordnet sind, wenigstens eine dielektrische Schicht mit mehreren hindurchführenden Öffnungen, wobei jede Öffnung mit nicht mehr als einem der leitfähigen Elemente in Verbindung steht, wobei die Membran so aufgeteilt und innerhalb der Öffnungen angeordnet ist, dass eine Verbindung zwischen den Membranteilen und den leitfähigen Elementen entsteht.

7. Mehrschichtige ionenempfindliche Elektrodenvorrichtung zum Messen von Elektrolyten in biologischen Flüssigkeiten, wobei die Vorrichtung eine Membran aufweist, die wenigstens zwei Schichten umfasst, wobei jede dieser Schichten eine polymere Matrix umfasst, in der ein Ionophor dispergiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der polymeren Matrix zwischen 0,001 und 2 Gew.-% wenigstens eines Fluorophors dispergiert sind, wobei das Fluorophor eine Abweichung von weniger als einem Prozent bei der Leistungsfähigkeit der Vorrichtung verursacht.

8. Mehrschichtige ionenempfindliche Elektrodenvorrichtung zum Messen von Elektrolyten in biologischen Flüssigkeiten, wobei die Vorrichtung eine Membran aufweist, die wenigstens zwei Schichten umfasst, die hintereinander in einer unten/oben-Beziehung angebracht sind, wobei die untere dieser Schichten eine polymere Matrix umfasst, in der ein Ionophor dispergiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der polymeren Matrix zwischen 0,001 und 2 Gew.-% wenigstens eines Fluorophors dispergiert sind, wobei das Fluorophor eine Abweichung von weniger als einem Prozent bei der Leistungsfähigkeit der Vorrichtung verursacht, und in der oberen der Schichten wenigstens ein strahlenabsorbierendes Mittel dispergiert ist, wobei das Mittel eine Abweichung von weniger als einem Prozent bei der Leistungsfähigkeit der Vorrichtung verursacht.

9. Verfahren zum Zusammenbau einer ionenselektiven Vorrichtung, wobei die Vorrichtung ein planares Substrat umfasst, das nacheinander folgendes aufweist: mehrere leitfähige Elemente, wenigstens eine dielektrische Schicht mit mehreren Öffnungen, die einen durchgehenden Hohlraum bilden, und eine Membran mit einer polymeren Matrix, einem Ionophor und zwischen 0,001 und 2 Gew.-% wenigstens eines Fluorophors, wobei das Fluorophor eine Abweichung von weniger als einem Prozent bei der Leistungsfähigkeit der Vorrichtung verursacht, wobei die Membran aufgeteilt und innerhalb der Öffnungen angeordnet ist, wobei das Verfahren folgendes umfasst:

Auftragen mehrerer leitfähiger Elemente auf das Substrat;

Auftragen wenigstens einer dielektrischen Schicht über die leitfähigen Elemente;

Auftragen der Membran innerhalb der in der dielektrischen Schicht gebildeten Öffnungen, so dass eine Verbindung zwischen den Membranteilen und den leitfähigen Elementen entsteht; und

Verwendung einer automatischen Bildverarbeitungsapparatur, die zur Bestimmung der Position der in der dielektrischen Schicht gebildeten Öffnungen und Steuerung des Aufbringens der Membran innerhalb der Öffnungen geeignet ist, wobei die automatische Bildverarbeitungsapparatur Beleuchtungseinrichtungen aufweist, um erstens die Orte von halbfertigen Sensorelementen zu bestimmen, wobei Strahlung verwendet wird, deren Energie außerhalb der Anregungsbande des Fluorophors liegt, und um zweitens die Orte der entsprechenden Sensormembranen, wo sie abgeschieden wurden, zu bestimmen, wobei Strahlung einer Energie verwendet wird, die das in der Sensormembran enthaltene Fluorophor anzuregen vermag;

wobei eine Verbindung zwischen den Membranteilen und den leitfähigen Elementen entsteht.