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Dokumentenidentifikation DE60311517T2 03.01.2008
EP-Veröffentlichungsnummer 0001565736
Titel MULTIIONOPHORE MEMBRANELEKTRODE
Anmelder Drew Scientific Co. Ltd., Dallas, Tex., US
Erfinder SLATER, Jonathan, M., Bloomsbury, London WC1H 0PP, GB;
MURPHY, Lindy, Bloomsbury, London WC1H 0PP, GB
Vertreter Rechts- und Patentanwälte Lorenz Seidler Gossel, 80538 München
DE-Aktenzeichen 60311517
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 21.11.2003
EP-Aktenzeichen 038118113
WO-Anmeldetag 21.11.2003
PCT-Aktenzeichen PCT/GB03/05114
WO-Veröffentlichungsnummer 2004048960
WO-Veröffentlichungsdatum 10.06.2004
EP-Offenlegungsdatum 24.08.2005
EP date of grant 24.01.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.01.2008
IPC-Hauptklasse G01N 27/333(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung sieht die Verwendung eines Sensors mit einer Polymermembran für ionensensitive Messung als Pseudoreferenzsensor vor.

Einleitung

Die Ermittlung von Ionenspezies in Proben wie Blut mit Hilfe von ionenselektiven Elektroden wird routinemäßig mit herkömmlichen Mehrzweck-Durchflussanalysatoren und in letzter Zeit mit einmal verwendbaren oder begrenzt wieder verwendbaren Einwegsensorpatronen durchgeführt. Die ersteren nutzen typischerweise eine herkömmliche Silber-/Silberchloridbezugselektrode in einer hoch konzentrierten equitransferanten Lösung (typischerweise 3M KCl) mit einer frei fließenden Flüssigkeitsgrenzfläche oder mit einer diffusionsbeschränkten Grenzfläche wie einer Fritte, während die letzteren häufig mikrogefertigte Silber-/Silberchloridelektroden mit einer Oberflächenschicht wie Hydrogel umfassen, die eine relativ konstante Konzentration an Chloridion enthält. Die Grenzfläche, an der sich die Probe und die Referenzlösung bzw. das Gel treffen, liefert ein Flüssigkeitsgrenzflächenpotential. Die veränderliche Natur von Blut oder anderen Proben kann nicht quantifizierbare Veränderungen des Flüssigkeitsgrenzflächenpotentials verursachen, was zu erheblichen Fehlern führen kann. Das Vorsehen einer Bezugselektrode, die keine Flüssigkeitsgrenzfläche hat, würde – aufgrund größerer Nähe der Sensoren und der Bezugselektrode – das Flüssigkeitsgrenzflächenpotential beseitigen und könnte die erforderliche Probenmenge senken. Ferner könnte eine Bezugselektrode dieser Art für den Einmalgebrauch die Herstellung von Einmalgebrauch-Sensorpatronen und die Auslegung herkömmlicher Durchfluss-Analysatoren vereinfachen. Eine Bezugselektrode für den Einmalgebrauch könnte im medizinischen Gebiet oder in anderen Bereichen eingesetzt werden, in denen eine potenziometrische Erfassung eingesetzt wird, beispielsweise Umweltüberwachung.

Polymermembranelektroden werden in Bezugselektroden ohne Flüssigkeitsgrenzfläche eingesetzt (Bakker8). Mi et al.5 beschreiben eine polyionenselektive Elektrode, die auf Anionenaustauscher-Tridodecylmethylammoniumchlorid beruht. Längeres Einwirken des polyanionischen Antikoagulans Liquoid ergab einen Sensor, der aufgrund der Substitution der Chloridionen durch die Polyanionenspezies auf Chloridione weitgehend nicht reagierte. Es wurde vorgeschlagen, dass der Sensor als Bezugselektrode für die Messung kleiner Kationen im polyanionischen Antikoagulans enthaltenden Blut verwendet werden könnte. Es ist aber längeres Einwirken der polyanionischen Spezies erforderlich, um eine vollständige Substitution der Chloridionen vor der Verwendung sicherzustellen.

Eine Bezugselektrode, die aus zwei parallelen Membranen besteht, wovon eine auf Anionen anspricht und die andere auf Kationen, wurde von Morf und Rooij3 und von Eine et al.4 beschrieben. Wenn die Reaktionen der beiden Membranen gleich sind, können sich die Potentialbeiträge von den beiden Membranen aufheben und die Elektrode kann als Bezugselektrode dienen. Die Verwendung der Elektrode als Bezugselektrode ist aufgrund von Nichtäquivalenz der Gefälle der Reaktion auf die Kationen und Anionen in echten Proben beschränkt.

Lee et al.6 haben über eine Polyurethanmembran berichtet, die sowohl Anionen- als auch Kationenaustauscher enthält und praktisch auf viele Ionen oder pH nicht anspricht und ein in etwa konstantes Potential vorsieht, so dass sie als Bezugselektrode verwendet werden kann. Man meint (Bakker8), dass das Polyurethan gegenüber der inneren Fülllösung als Membran niedriger Permeabilität dient, was die Elektrode bei hohen Probenionenkonzentrationen unwirksam machen würde.

Bei potenziometrischen Messungen mit ionenselektiven Sensoren wird die Reaktion eines ionenselektiven Sensors für gewöhnlich im Verhältnis zur Reaktion einer gewöhnlichen Bezugselektrode gemessen, wobei die herkömmliche Bezugselektrode während einer Messung eine konstante Reaktion hat und jede Veränderung der Reaktion der herkömmlichen Bezugselektrode zu einem Fehler führt. Alternativ zu einer herkömmlichen Bezugselektrode kann eine Pseudoreferenzelektrode verwendet werden, wobei die Pseudoreferenzelektrode während der Messung eine veränderliche Reaktion aufweist und diese Reaktion auf eine oder mehrere Spezies zurückzuführen ist und sich in einer vorhersehbaren Weise verhält. Die hierin erwähnte Pseudoreferenzelektrode reagiert auf mehrere Spezies.

Die Reaktion eines ionensensitiven Sensors (der auf nur eine der mehreren Spezies reagiert) verhält sich gemessen zur Reaktion der Pseudoreferenzelektrode ebenfalls in vorhersehbarer und messbarer Weise. Pseudoreferenzsensor bezieht sich auf die Verwendung einer Pseudoreferenzelektrode, die auf mehrere Spezies reagiert, in Kombination mit einem Sensor oder mehreren Sensoren, die auf eine der mehreren Spezies ansprechen.

Elektroden, die herkömmliche ionenselektive Polymermembrane enthalten, die mehr als ein Ionophor umfassen, sind bei spezifischen Anwendungen außer Pseudoreferenzelektroden bekannt.

Von Lee et al.7 wird die Verwendung einer Multi-Ionophoren-Membran, die vier Ionophore enthält, die für Natrium-, Kalium-, Calcium- und Ammoniumionen selektiv ist, als Multi-Ionen-Detektor bei Ionenchromatographie beschrieben. Es wird keine theoretische Beschreibung der Reaktion geliefert, und die Reaktion auf jedes Ion wurde bei Fehlen eines anderen Ions beobachtet. Von Forster und Diamond wurde die Verwendung einer Mischionophorenmembranelektrode, die drei Ionophore für Natrium-, Kalium- und Calciumionen enthält, in einer Ionen erfassenden Anordnung beschrieben. Die Mischmembranelektrode wurde in Verbindung mit Einionophorelektroden für die einzelnen Kationen und einer herkömmlichen Bezugselektrode verwendet.

Doppelionophorenmembranen, die ein wasserstoffionenselektives Ionophor und ein zweites Ionophor enthalten, wurden von Bakker und Pretsch2 untersucht. Die Reaktion der Membran auf das zweite Primärion bei hohem pH wurde zum Ermitteln der Stabilitätskonstanten der Ionophoren-Ionen-Komplexe mit Hilfe eines Modells verwendet, das auf einem Verdrängungsmechanismus von Wasserstoffionen durch das zweite Primärion beruht. Die Reaktion der Mischionophorenmembran wird nur für die Situation modelliert, bei der die Konzentration eines Ions um Größenordnungen größer als die des anderen Ions ist, so dass die Elektrode nur bei hoher Konzentration auf das Ion anspricht.

US 4,762,594 und US 4,946,562 beschreiben die Verwendung eines ersten Sensors, der auf eine erste und zweite Spezies anspricht, eines zweiten Sensors, der auf die erste Spezies anspricht, und eines dritten Sensors, der auf die zweite Spezies anspricht, um ein Mittel zum Ermitteln unbekannter Konzentrationen der ersten und zweiten Spezies in einer Probe vorzusehen. Es ist unklar, wie die Sensoren aufgebaut sind. Die mathematische Beschreibung der Reaktionen dieser drei Sensoren impliziert eine Nernstian-Reaktion auf jede der zwei Spezies am Sensor, der auf zwei Spezies anspricht, doch ist der genaue Mechanismus unklar.

Kurzdarlegung der Erfindung

Die Erfindung sieht die Verwendung eines Sensors mit einer Polymermembran, die ein Polymer, ein lipophiles Salz und mindestens zwei Ionophore selektiv für unterschiedliche chemische Spezies umfasst, als Pseudoreferenzsensor selektiv für mehrere Spezies, vor.

Die Polymermembranen sind bei ionenselektiver Elektrodenmessung, die die Verwendung von speziessensitiven Membranen bei herkömmlichen Elektrodenformaten mit einer inneren Fülllösung umfasst, oder zur Verwendung als Festkontaktelektroden geeignet. Alternativ können die erfindungsgemäßen speziessensitiven Polymermembranen in anderen Formaten eingesetzt werden, die für potenziometrische Erfassungsmembranen mit einem Ionophor geeignet sind. Die Sensoren können eingetaucht in Lösung, entweder in einer Dauerfluss- oder Stopp-Fluss-Betriebsart, oder in einem strömungsfreien Verfahren wie einem Messlattensensor oder Sensoren, bei denen ein Tropfen Blut auf die Oberfläche aufgebracht wird, verwendet werden. Die Polymermembranen werden bevorzugt bei einer potenziometrischen ionensensitiven Messung verwendet.

Eine Polymermembran kann optional einen Weichmacher umfassen. Eine erfindungsgemäße Polymermembran ohne Weichmacher umfasst zweckmäßigerweise 85 bis 95 Gewichtsprozent Polymer, bevorzugt 95 bis 99 Gewichtsprozent und bevorzugter 98 bis 99 Gewichtsprozent.

Die Membran umfasst zweckmäßigerweise 0,1 bis 5,0 Gewichtsprozent lipophiles Salz, bevorzugt 0,1 bis 1 Gewichtsprozent, bevorzugter 0,25 bis 0,6 Gewichtsprozent. Die Membran kann auch eine Gesamtmenge von 0,1 bis 10 Gewichtsprozent Ionophor, bevorzugt von 0,5 bis 2,0 Gewichtsprozent, bevorzugter von 1,0 bis 2,0 Gewichtsprozent, am bevorzugtesten von 1,2 bis 1,8 Gewichtsprozent umfassen.

Das Polymer wird zweckmäßigerweise aus Polyvinylchlorid (PVC) oder Derivaten davon, Polyurethan, Cellulosederivaten oder Copolymeren davon, einschließlich Celluloseacetat und Ethylcellulose, Silikongummi, Alkylmethacrylate und Derivate oder Copolymere davon, Polystyren oder Derivate oder Copolymere davon, Poly(vinyliden)chlorid, Polysiloxane und Gemische dieser Polymere, gewählt. Geeignete Derivate von PVC umfassen carboxyliertes PVC oder aminiertes PVC. Das Polymer ist bevorzugt PVC oder ein Copolymer oder Derivat davon und ist am bevorzugtesten PVC.

Die Polymermembran kann auch einen Weichmacher enthalten. Geeignete Weichmacher umfassen Bis(2-ethylhexyl)sebacat (DOS), 2-Nitrophenyloctylether (NPOE), Tris(2-ethylhexyl)phosphat, Dibutylsebacat, Dioctylsebacat, Bis(2-ethylhexyl)adipat, Bis(2-ethylhexyl)phthalat und Dioctylphenylphosphonat. Es können auch Gemische von Weichmachern verwendet werden. Die Art des in der Membran verwendeten Weichmachers kann gewählt werden, wobei die Zusammensetzung des jeweiligen Polymers berücksichtigt wird. Zum Beispiel kann eine Kombination aus PVC-Polymer mit DOS oder NPOE in der erfindungsgemäßen Membran verwendet werden. Der Weichmacher kann die relativen Raten der Verteilung der zu erfassenden Spezies in die Membran beeinflussen.

Falls enthalten, kann der Weichmacher in einer Menge von 40 bis 80 Gewichtsprozent, bevorzugt 60 bis 70 Gewichtsprozent, bevorzugter etwa 66 Gewichtsprozent vorliegen. Zweckmäßigerweise umfasst eine erfindungsgemäße weich gemachte Polymermembran 20 bis 60 Gewichtsprozent, bevorzugt 30 bis 40 Gewichtsprozent, bevorzugter 32 bis 34 Gewichtsprozent Polymer.

Die Bestandteile der Polymermembran ergeben insgesamt 100 Gewichtsprozent.

Die Polymermembran umfasst ein lipophiles Salz oder Gemische von lipophilen Salzen. Das Salz kann zum Stabilisieren der Elektrodenreaktion und zum Senken des spezifischen Widerstands der Membran dienen. Das lipophile Salz ist zweckmäßigerweise ein Salz, in dem mindestens eines von Anion und Kation lipophil ist. Beispiele für geeignete Salze, bei denen die lipophile Spezies anionisch ist, umfassen Kaliumtetrakis-(4-chlorphenyl)borat (KTCPB), Natriumtetrakis-(4-fluorphenyl)borat, Natriumtetraphenylborat und Ammoniumtetrakis-(chlorphenyl)borat. Weiterhin können auch quaternäre Boratsalze der Formel X+B(R1R2R3R4), wobei B(R1R2R3R4) ein lipophiles Boratanion ist und X+ ein hydrophiles Kation ist, geeignet sein.

Beispiele für Salze, bei denen die lipophile Spezies kationisch ist, umfassen Tetraoctadecylammoniumbromid, Tridodecylmethylammoniumnitrat, Tetradodecylammoniumnitrat und Tridodecylmethylammoniumchlorid Trioctylpropylammoniumchlorid. Weitere quaternäre Ammoniumsalze (R1R2R3R4)N+X, bei denen B(R1R2R3R4)N+ ein lipophiles Ammoniumkation ist und X ein hydrophiles Anion ist, können ebenfalls geeignet sein.

Bevorzugt sind sowohl das Anion als auch das Kation lipophil. Beispiele für geeignete Salze umfassen Tetradodecylammonium-tetrakis(4-chlorphenyl)borat (TDDA TCPB), Tetrabutylammoniumtetraphenylborat, Tetraheptylammoniumtetraphenylborat und Tetraphenylphosphoniumtetraphenylborat. Das lipophile Salz ist bevorzugt TDDA TCPB.

Die Polymermembran umfasst mindestens zwei für verschiedene chemische Spezies selektive Ionophore. Geeignete Ionophore können aus den für Natrium-, Kalium-, Lithium-, Wasserstoff-, Calcium-, Magnesium- und Ammoniumionen selektiven Ionophoren gewählt werden.

Ionophore, die verwendet werden können, um dem Sensor Empfindlichkeit zu verleihen, umfassen Valinomycin, 4-Tert-butylcalix[4]-Aren-viersäuriger Tetraethylester (allgemein als Natriumionophor X bekannt), Nonactin, Kronenether, Calixarene, Trialkylamine und Phosphatester. Geeignete Ionophore und die Empfindlichkeiten, die sie verleihen, umfassen:

Valinomycin, Bis[(benzo-15-Krone-4)-4'ylmethyl]pimelat (allgemein als Natriumionophor II bekannt) oder 2-Dodecyl-2-methyl-1,3-propanedi-yl-bis[N-(5'-nitro(benzo-15-Krone-5) (allgemein als BME 44 bekannt) für Kaliumionenreaktion,

4-Tert-butylcalix[4]aren-viersäuriger Tetraethylester (allgemein als Natriumionophor X bekannt), Methoxyethyltetraester-calix[4]aren (allgemein als METE bekannt) oder Derivate von Monensin für Natriumionenreaktion,

N,N'-diheptyl-N,N',5,5-tetramethyl-3,7dioxanonoanediamid (allgemein als Lithiumionophor I bekannt) für Lithiumionenreaktion, Octyldecylisonicotinat (allgemein als Wasserstoffionophor IV oder ETH 1778 bekannt) oder 4-Nonadecylpyridin (allgemein als Wasserstoffionophor II oder ETH 1907 bekannt) für Wasserstoffionenreaktion,

Calcimycin (allgemein als Calciumionophor III bekannt) oder N,N-Dicyclohexyl-N',N-Dioctadecyl-3-oxapentanamid (allgemein als Calciumionophor IV bekannt) für Calciumionenreaktion,

N,N''-Octamethylenbis(N'-heptyi-N'-methylmalonamid (allgemein als Magnesiumionophor III oder ETH 4030 bekannt) für Magnesiumionenreaktion und

Nonactin (allgemein als Ammoniumionophor I bekannt) für Ammoniumionenreaktion.

Die Gesamtmenge des in einer Mischionophorenmembran enthaltenen Ionophors sollte ähnlich der Menge sein, die in einer herkömmlichen Einionophormembran enthalten ist. Hohe Ionophorenkonzentrationen können zu unvorhersehbaren Reaktionen führen.

Die Mischionophorenmembran umfasst mindestens zwei Ionophore. Die Membran kann 2, 3, 4, 5 oder sogar 6 Ionophore, bevorzugt 2, 3 oder 4, bevorzugter 2 oder 3, am bevorzugtesten 2 enthalten.

Die Polymermembran wird zweckmäßigerweise mit Hilfe bekannter Verfahren zum Erzeugen von Polymermembranen erzeugt, zum Beispiel durch Auflösen der Bestandteilmaterialien in einem organischen Lösungsmittel wie Cyclohexanon oder Tetrahydrofuran. Es können andere Lösungsmittel oder Gemische von Lösungsmitteln verwendet werden. Die so gebildete Membranlösung kann dann manuell oder durch ein automatisiertes Abgabeverfahren auf eine darunter liegende leitende Struktur aufgebracht werden. Man lässt das Lösungsmittel verdampfen, um die weich gemachte Erfassungsmembran zu erhalten.

Die darunter liegende leitende Struktur, auf die die Membranlösung aufgebracht werden kann, umfasst Kohlenstoffgranulat oder -stäbe, leitende Siebdruckschichten oder mikrogefertigte Strukturen, ist aber nicht hierauf beschränkt. Die Membranlösung kann auf leitende Flächen aufgebracht werden, die chemisch modifiziert wurden, um das Driften der Sensorreaktion zu mindern oder ein stabiles Potential an der inneren Grenzfläche vorzusehen. Diese können Modifikationen mit Silber/Silberchlorid, mit einem Redoxpaar oder mit einer leitenden Polymerschicht umfassen, sind aber nicht hierauf beschränkt. Weiterhin können die darunter liegenden Flächen behandelt worden sein, um das Anhaften der Polymermembran zu verbessern oder das Strömen der Membranlösung über die darunter liegende Struktur zu unterstützen.

Bei einem alternativen Verfahren zum Erzeugen der Membran kann eine Membranlösung wie vorstehend erzeugt werden und zum Bilden einer Scheibe aus Membranmaterial verwendet werden, allgemein durch Abscheiden in einen Träger wie einen auf eine Glasplatte geklemmten Glasring. Das Lösungsmittel wird verdampft, um das Membranmaterial zu erhalten. Eine Scheibe des Membranmaterials wird dann zugeschnitten und kann zum Bilden einer herkömmlichen Elektrode mit Philips-Körper verwendet werden.

Die Polymermembran, die mindestens 2 für verschiedene chemische Spezies selektive Ionophore umfasst, kann in einem Pseudoreferenzsensor verwendet werden. In diesem Fall umfasst der Pseudoreferenzsensor bevorzugt mindestens 2 weitere Polymermembranen, die jeweils ein Polymer, ein lipophiles Salz und eines der mindestens 2 Ionophore umfassen. Der Sensor kann als Mischionophorenmembransensor beschrieben werden.

Zweckmäßigerweise umfasst bei der Ermittlung von monovalenten Kationen A und B ein erfindungsgemäßer Mischionophoren-Pseudoreferenzsensor eine erste Membran, die auf jeweils A und B sensitive Ionophore umfasst, und zwei individuelle Membranen, wovon eine ein auf A sensitives Ionophor und die andere ein auf B sensitives Ionophor umfasst.

Analog würde bei der Ermittlung von Ionen A, B, C der Pseudoreferenzsensor zweckmäßigerweise eine erste Membran mit jeweils gegenüber A und B sensitiven Ionophoren und drei individuelle Membrane umfassen, wovon eine ein gegenüber A sensitives Ionophor umfasst, eine andere ein gegenüber B sensitives Ionophor und die andere ein gegenüber C sensitives Ionophor umfasst. Alternativ würde bei der Ermittlung von Ionen A, B und C der Pseudoreferenzsensor eine Membran mit Ionophoren, die gegenüber jedem von A, B und C sensitiv sind, und drei individuelle Membranen umfassen, wovon eine ein gegenüber A sensitives Ionophor umfasst, eine andere ein auf B sensitives Ionophor umfasst und die andere ein auf C sensitives Ionophor umfasst.

Bei dem Mischionophormembransensor, der wie vorstehend beschrieben zwei Ionophore enthält, glaubt man, dass der Mechanismus der Erzeugung einer potenziometrischen Reaktion in der Erzeugung von Ladung an der wässrigen Proben-/Membrangrenzfläche bei Extraktion von Spezies aus der wässrigen Probe in die Membran und der anschließenden Bildung eines Komplexes mit dem Ionophor liegt. Bei einer Ionophore IA und IB enthaltenden Membran, die gegenüber Primärilonen A bzw. B sensitiv sind, verteilen sich beide Ionen von der wässrigen Probe in die Membran und binden bevorzugt mit ihrem jeweiligen Ionophor, um Komplexe IA.A und IB.B zu bilden.

Eine herkömmliche Einionophormembran zum Erfassen eines monovalenten Kations weist im Allgemeinen eine hohe Ionophorenvolumenkonzentration auf, die die der Molmenge von lipophilem Salz übersteigt, wobei das Kation hydrophil und das Anion lipophil ist. Ladungsbilanz wird in der Masse der Membran durch Bildung eines ausreichenden positiv geladenen Ionophoren:Primärionkomplexes verwirklicht, um die Ladung an der anionischen Zusatzstoffkonzentration zu bilanzieren. Die für diese Ladungsbilanz erforderliche Ionophorenmenge kann nicht bei dem Potential erzeugenden Mechanismus an der Membranoberfläche mitwirken.

In der folgenden Diskussion werden Mischionophorensensoren mit 2 Ionophoren in der Mischionophorenmembran erwähnt, die Diskussion gilt aber gleichermaßen für Membranen mit mehr als 2 Ionophoren.

Wenn ein lipophiler ionischer Zusatz mit sowohl einem lipophilen Anion als auch einem lipophilen Kation, zum Beispiel TDDA TCPB, verwendet wird, erzeugt der Ionophor bzw. erzeugen alle Ionophore an der Membranoberfläche eine Potentialreaktion bei Komplexbildung mit dem Primärion/den Primärionen. Die Menge der Komplexbildung pro Ionophoren:Ionen-Komplex wird erhalten durch: [IA.A] = KA &bgr;A,A[IA]aA(1) wobei KA der Verteilungskoeffizient für Ion A aus der Lösung in die Membran ist, &bgr;A,A die Komplexbildungskonstante für Ionophor IA und Ion A ist, [IA] die Molkonzentration des freien Ionophors IA ist und aA die Lösungsaktivität von Ion A ist. Bei einer Membran, die mehr als einen Ionophor enthält, ermöglicht die Kenntnis der vier Parameter KA, &bgr;A,A, (IA] und aA das Schätzen der relativen Konzentrationen jedes Ionophoren:Ionen-Komplexes in der Membran und das Maßschneidern der Reaktion der erfassenden Membran, um bestimmten Erfassungsanforderungen gerecht zu werden.

Zum Beispiel ist es möglich, Membranen zu erhalten, die vorrangig auf entweder Ion A oder Ion B reagieren, indem die relativen Mengen jedes Ionophors verändert werden. Eine erste vorläufige Schätzung des Spezieskonzentrationsbereichs in einer Probe kann durch jedes bekannte Verfahren ausgeführt werden, um dem Verwender das Verändern der Konzentrationen der Ionophoren nach Bedarf zu ermöglichen. Der Sensor der Erfindung kann zweckmäßigerweise über dem protokollierbaren Bereich für Natrium- und Kaliumkonzentrationen in Blut reagieren, die in dem Bereich von 100 bis 180 mM bzw. von 2 bis 9 mM liegen.

Geeignete Verhältnisse von Ionophorenmengen können auch durch Nutzen der Kenntnis von Komplexbildungskonstanten der Ionophoren:Ionen-Komplexe mit den Primärionen und mit eventuellen Sekundärionen ermittelt werden. Verfahren zum Ermitteln von Komplexbildungskonstanten in Polymermembranen sind in der Literatur bekannt, wie zum Beispiel von Bakker und Pretsch2 und von Mi und Bakker9 berichtet wird.

Die Wirkung der Lipophilizität der Polymermembran auf den Verteilungskoeffizienten kann ebenfalls einen gewissen Einfluss haben. Natrium- und Kaliumione verteilen sich bekanntermaßen gleichmäßigerweise in eine Membran mit lipophilerem Charakter, beispielsweise eine Dioctylsebacat als Weichmacher enthaltende Membran. Bei einer NPOE als Weichmacher enthaltenden Membran dagegen verteilen sich Kaliumionen bekanntermaßen in stärkerem Maße als Natriumionen.

Die Sensorreaktion einer Mischionophorenerfassungsmembran, die ein lipophiles Salz wie TDDA TCPB enthält, kann abhängig von den relativen Mengen von Ionophoren in der Membran durch eine von zwei Gleichungen beschrieben werden, Wenn Ionophore bei ähnlichen Molkonzentrationen vorliegen, kann die Reaktion der Erfassungsmembran durch die nachstehend dargelegte klassische Nikolsky-Eisenman-Gleichung beschrieben werden. Diese Art von Membran wird nachstehend als Membran der Klasse A bezeichnet. Wenn alternativ eine große Differenz zwischen den Molkonzentrationen der Ionophoren vorliegt, kann jede Art von Ionophor eine unabhängige Reaktion hervorrufen. Diese Art von Membran wird als Membran der Klasse B bezeichnet.

Bei einer Membran der Klasse A, die eine Mischionophorenerfassungsmembran ist, die ähnliche Ionophorenkonzentrationen und ein lipophiles Salz enthält, wobei sowohl das Anion als auch das Kation lipophil sind, beispielsweise TDDA TCBP, kann die Membranreaktion durch Berücksichtigen des Beitrags jedes Ionophoren:Ionen-Komplexes beschrieben werden. Zum Beispiel kann bei einer Mischionophorenerfassungsmembran, die zwei Ionophore IA und IB für Primärionen A und B enthält, wobei A und B die gleiche Ladung haben, die Sensorreaktion beschrieben werden durch:

wobei Emix das Halbzellenpotential der Mischionophorenmembran ist, E'mix die Konstantenbeiträge zum Potential der Halbzelle darstellt, R die molare Gaskonstante ist, T die Temperatur ist, n die Ladung an dem Ion ist und F die Faradaysche Konstante ist.

Diese Gleichung kann durch folgenden Ausdruck reduziert werden und ist äquivalent zur Nikolsky-Eisenman-Gleichung: Emix = E'mix + Smix log(aA + KmixA,B aB) wobei Smix das scheinbare Gefälle der Reaktion ist und K mixA,B i der scheinbare Selektivitätskoeffizient für den Mischionophorenmembransensor ist.

Zu beachten ist, dass der Sensor entweder mit A oder B als Primärion modelliert werden kann. Die Ionophore A und B sollten weit möglichst so gewählt werden, dass die Konzentration des Ionophoren:Primärionen-Komplexes viel größer als die Konzentration des Ionophoren:Ionen-Komplexes mit dem anderen Ion ist. Jedes Ionophor sollte mit anderen Worten eine gute Selektivität für das interessierende Primärion aufweisen.

Der scheinbare Selektivitätskoeffizient für einen Mischionophorenmembransensor kann durch Verändern der relativen Mengen der Ionophore in der Membran und auch durch Verändern der Lipophilizität der Membran, zweckmäßigerweise durch Verwenden eines anderen Weichmachers, erheblich verändert werden. Bei einer herkömmlichen ionenselektiven Membran, die ein Ionophor enthält, wird der Selektivitätskoeffizient dagegen weitgehend durch das Verhältnis der Komplexbildungskonstanten für das Primärion und das Störion mit dem Ionophor des Primärions bestimmt.

Bei einer Membran der Klasse B, die eine Mischionophorenerfassungsmembran sein kann, die Ionophore bei sehr unterschiedlichen Konzentrationen und ein lipophiles Salz enthält, wobei sowohl das Anion als auch das Kation lipophil sind, beispielsweise TDDA TCBP, folgt die Reaktion nicht der oben bei Klasse A gesehenen klassischen Nikolsky-Eisenman-Gleichung. Stattdessen scheinen die einzelnen Ionophore relativ unabhängig zu wirken, möglicherweise da sich diskrete Gruppen jedes Ionophors in der Membran separat bilden. Zum Beispiel kann die Sensorreaktion bei einer Mischionophorenerfassungsmembran, die zwei Ionophore IA und IB für Primärione A und B enthält, wobei A und B die gleiche oder ähnliche Ladung haben, beschrieben werden durch: Emix = E'mix + SA,mix log(aA) + SB,mix log(aB)(2) wobei SA ,mix und SB ,mix die scheinbaren Gefälle der Reaktion auf A und B sind und alle anderen Terme die gleiche Bedeutung wie zuvor haben. Die Reaktionen aufgrund der Ionophore A und B werden mutmaßlich durch die Terme SA,mix log(aA) bzw. SB ,mix log(aB) beschrieben. Der Grad der Komplexbildung jedes Ionophors mit seinem Primärion kann wie vorstehend beschrieben zum Schätzen des relativen Beitrags jedes Ionophors zur Sensorreaktion berücksichtigt werden. Eine Veränderung der relativen Mengen der Ionophore kann zu Sensorreaktionen mit unterschiedlichen scheinbaren Gefällen der Reaktion (SA,mix und SB , mix) auf Ione A und B führen.

Das Verändern der relativen Mengen von zwei Ionophoren in einer Reihe von Erfassungsmembranen kann zu einem Übergang einer Membran Klasse B zu einer Membran Klasse A führen, da die Ionophorenkonzentrationen gleicher werden. Der Bereich der durch Verändern der relativen Ionophorenmengen erhaltenen Sensorreaktionen lässt die Auswahl der optimalen Membranzusammensetzung für eine bestimmte Anwendung zu.

Es kann auch eine dritte Klasse einer Mischionophorenerfassungsmembran, Klasse C, beschrieben werden, wobei die Membran mehr als ein Ionophor und einen anionischen Zusatz umfasst, bei dem nur eines von Anion und Kation lipophil ist, beispielsweise KTCPB. Bei dieser Membranklasse bedeutet die Ladungsbilanz zwischen dem Ionophoren:Ionen-Komplex und dem anionischen Zusatz, dass ein Teil des Ionophors an der Grenzfläche zwischen wässriger Lösung und Membran nicht zur Signalerzeugung verfügbar ist. Der relative Beitrag jedes der Ionophoren:Primärionenkomplexe zur Ladungsbilanz mit dem anionischen Zusatz hängt von den relativen Konzentrationen jedes Ionophoren:Primärionkomplexes ab. Eine Schätzung dieser Konzentrationen kann wie vorstehend beschrieben erfolgen (Gleichung (1)). Bei einer in einer Fließinjektionsanalyse verwendeten Mischionophorenerfassungsmembran, bei der die Membran zwischen Proben einer konstanten Trägerlösungszusammensetzung ausgesetzt wird, kann die Einwirkung von konstanten Primärionkonzentrationen im Träger zu relativ konstanten Konzentrationen von Ionophor:Primärion-Komplexen führen, die bei der Ladungsbilanz mit dem anionischen Zusatz beteiligt sind. Folglich ist die Menge jedes Ionophorentyps, die zur Ladungserzeugung an der Grenzfläche Lösung/Membran frei und bereit ist, relativ konstant.

Die potenziometrische Reaktion von Membranen der Klasse C ist identisch mit der von Membranen der Klasse B, wobei die Nikolsky-Eisenman-Gleichung nicht befolgt wird und jedes Ionophor scheinbar unabhängig auf sein Primärion reagiert, wie durch Gleichung (2) beschrieben wird.

Die Beschreibung von Mischionophorerfassungsmembranen der Klassen A, B und C wird nicht als umfassend angenommen. Es sind Mischionophorenerfassungsmembranen mit anderen Zusammensetzungen als oben beschrieben möglich. Zum Beispiel Membrane mit mehr als zwei Ionophoren, Membrane mit Ionophoren für tone unterschiedlicher Ladung (z.B. A+ und B2+) oder Membrane mit Ionophoren, die andere Komplexe als 1:1-Komplexe mit einem Ion bilden. Andere Arten einer potenziometrischen Reaktion könnten auch experimentell ermittelt werden.

Wenn eines von A und B ein Wasserstoffion ist, könnte der Sensor den pH der Lösung überwachen. Einer der Ionophoren in der Mischionophoren-Pseudoreferenzelektrode wäre dann ein Wasserstoffionophor. In diesem Fall sollte besonders darauf geachtet werden, dass die Mengen der Komplexbildung der zwei Ionophore abgestimmt sind, da die Komplexbildungskonstanten von Wasserstoffionenionophoren häufig sehr hoch sind.

Das Dreisensorensystem aus einzelnen Ionophorensensoren für A und B und einem Mischionophorensensor sowohl für A als auch B kann als Referenzsystem für andere potenziometrische Sensoren verwendet werden. Für jede zusätzliche Spezies ist ein speziesspezifischer Sensor erforderlich, und das Potential dieses Sensors wird gegen das des Mischionophorensensors gemessen. Zusätzliche Sensoren könnten speziesspezifische Sensoren sein, die ein einzelnes Ionophor spezifisch für diese Spezies verwenden, oder könnten ein potenziometrischer Biosensor sein, beispielsweise ein auf der Immobilisierung von Urease auf einen ammoniumionensensitiven Sensor beruhender Harnstoffsensor. Das Dreisensorenreferenzsystem könnte auch in einer Anordnung potentiometrischer Sensoren sinnvoll verwendet werden, insbesondere in einer miniaturisierten Sensoranordnung.

Mischionophorenmembransensoren als Pseudoreferenzelektroden

Bei der herkömmlichen potenziometrischen Messung der monovalenten Katione A und B wird eine herkömmliche Bezugselektrode festen Potentials, beispielsweise eine Silber-/Silberchloridbezugselektrode, in Verbindung mit individuellen Einionenerfassungselektroden für jedes der tone A und B verwendet. Die Reaktionen der ionenselektiven Elektroden für jedes von Ion A und B werden durch die Nikolsky-Eisenman-Gleichung beschrieben:

wobei K potA,B der Selektivitätskoeffizient für Ion A gegen Ion B ist und K potB,A der Selektivitätskoeffizient für Ion B gegen Ion A ist.

Im Vergleich sind bei der Ermittlung der monovalenten Kationen A und B mit der erfindungsgemäßen Mischionophoren-Pseudoreferenzelektrode drei Sensoren erforderlich: zwei auf A und B ansprechende einzelne Sensoren, die jeweils ein einzelnes Ionophor selektiv für die Primärspezies verwenden, und einen sowohl auf A als auch B ansprechenden dritten Sensor, der zwei Ionophore verwendet, wovon jeder für eines der Primärione selektiv ist. Die gemessene Reaktion an Sensor A ist die Differenz der Reaktion von Sensor A und der Pseudoreferenzelektrode: EA,mix = EA – Emix wobei EA,mix die gemessene Reaktion an Sensor A ist, EA die potenziometrische Sensorreaktion von Sensor A ist, die durch die Nikolsky-Eisenman-Gleichung beschrieben wird, und Emix Mischionophorenmembransensorreaktion ist. Analog wird die Reaktion an Sensor B beschrieben durch: EB,mix = EB – Emix.

Die erfindungsgemäße Mischionophorenerfassungsmembran kann wie vorstehend beschrieben optimiert werden, um zu beiden Ionen über dem interessierenden Bereich an Konzentrationen adäquate Messreaktionen zu geben.

Zur Ermittlung unbekannter Ionenaktivitäten A und B in einer Probe kann das erfindungsgemäße Dreisensorensystem der Probe und dann einer bekannten Kalibriersubstanz ausgesetzt werden oder kann alternativ einer Kalibriersubstanz und dann der Probe ausgesetzt werden. Wenn der Mischionophorenmembransensor eine Membranart der Klasse A hat, dann ist die Messreaktion an Sensor A auf eine Kalibriersubstanz A, die A und B bei bekannten Konzentrationen A1 und B1 enthält:

wobei SA das scheinbare Gefälle der Reaktion auf A an der Einionophorelektrode ist. Die Messreaktion an Sensor A auf eine Probe, die A und B bei unbekannten Konzentrationen A2 und B2 enthält, lautet:

Dann lautet für Sensor A die Differenz der Potentialreaktion auf Kalibriersubstanz und Probe:

Unter der Annahme, dass

Für Sensor B wird ein ähnlicher Ausdruck erhalten:

Bei dem erfindungsgemäßen Dreisensorensystem, bei dem die Konstantenwerte, die die Sensorenreaktionen charakterisieren, bekannt sind (d.h. Gefällewerte sowie reale und scheinbare Selektivitätskoeffizienten), können die Gleichungen (3) und (4) für unbekannte Probenaktivitäten A und B unter Verwendung eines iterativen Vorgehens wie das von Solver in Microsoft Excel gelöst werden. Die Gleichungen können auch durch Optimierung der Membranzusammensetzungen der Einionophorsensoren vereinfacht werden, so dass der Selektivitätskoeffiziententerm in der Nikolsky-Eisenmann-Gleichung vernachlässigbar ist, d.h. aufgrund des Störions in dem Primärionkonzentrationsbereich eine vernachlässigbare Reaktion vorliegt.

Wenn der Mischionophorenmembransensor eine Membran der Klasse B hat, dann lautet alternativ die Messreaktion an Sensor A auf einen Kalibrierstoff, der A und B bei bekannten Konzentrationen A1 und B1 enthält:

Die Messreaktion an Sensor A auf eine A und B bei unbekannten Konzentrationen A2 und B2 enthaltende Probe lautet:

Dann lautet bei Sensor A die Differenz der Potentialreaktion auf den Kalibrierstoff und die Probe:

wobei die Annahme erfolgt, dass die Konstantzellenterme und der Selektivitätskoeffiziententerm für den Sensor vernachlässigbar sind. Ein ähnlicher Ausdruck wird für Sensor B erhalten:

Bei dem Dreisensorensystem, bei dem die Konstantenwerte, die die Sensorreaktionen charakterisieren, bekannt sind (d.h. Gefällewerte), können die Gleichungen (5) und (6) für unbekannte Probenaktivitäten A und B durch einfache arithmetische Manipulation der Gleichungen gelöst werden. Wenn alternativ der Selektivitätskoeffiziententerm für die Reaktion von Sensor A und/oder B nicht vernachlässigbar ist, können die Gleichungen durch ein iteratives Vorgehen, wie es oben erwähnt wurde, gelöst werden.

Die Sensoreigenschaften wie Reaktionsgefälle und reale und scheinbare Selektivitätskoeffizienten für die Einionophor- und Mischionophorensensoren können vor dem Einwirken einer Probe, die unbekannte Aktivitäten von Ionen A und B enthält, ermittelt werden. Bei der Massenfertigung von Sensoren ist die Herstellung von Sensoren mit reproduzierbaren Reaktionen möglich, und die Kalibrierung einer Auswahl von Sensoren von jeder Charge sollte eine kleine Veränderung der Sensoreigenschaften ergeben. Bei den Mischionophorenmembransensoren bestimmt das Verhältnis der Molmengen der Ionophoren die Größenordnung und Art der Sensorreaktion auf Primärionen für die Ionophore. Folglich sollte das Verhältnis der Molmengen bei Zubereitung der Membranlösung präzis ermittelt werden.

Beschreibung der Figuren

1 ist eine Skizze einer potenziometrischen Durchflusszelle, die unter Verwendung einer hierin beschriebenen Polymermembran erzeugt wurde.

2 zeigt einen Querschnitt eines hierin beschriebenen Pseudoreferenzsensors. Das Kohlenstoffgranulatkorn (1) wird in den unteren Polymethylacrylatblock (2) gegeben, so dass die obere Kante des Granulatkorns eben mit dem Boden der Aussparung (3) ist. Eine hierin beschriebene Ionenerfassungsmembran bedeckt den oberen Teil des Granulatkorns und füllt die Aussparung (4).

3 zeigt die Echtzeitreaktionen von natrium- und kaliumionenselektiven Sensoren auf Konzentrationsänderungen von Natrium- und Kaliumionen. Die bei der Messung verwendete Pseudoreferenzelektrode umfasst einen hierin beschriebenen Mischionophorenmembransensor, bei dem die Mischionophorenmembran Valinomycin und Natriumionophor X in einem Molverhältnis von 1:4 umfasst.

4 zeigt Diagramme der gemessenen Potentialverschiebung (y-Achse) zu berechneter Potentialverschiebung (x-Achse) für die Reaktionen von (A) Natrium- und (B) Kaliumsensoren für die potentiometrischen Reaktionen in 3.

Die Erfindung wird durch die folgenden nicht einschränkenden Beispiele veranschaulicht.

Beispiele Beispiel 1. Durchflusszelle und Elektrodenkonfiguration

Die potentiometrische Durchflusszelle wurde von Drew Scientific, Cumbria, U.K., geliefert. 1 zeigt eine Skizze der Durchflusszelle einschließlich der Sensoren.

Die Zelle ist aus Polymethacrylat gefertigt und besteht aus einem oberen Teil, der von der Seite (A) und von unten (B) gezeigt wird, sowie aus einem unteren Teil, der von oben (C) und von der Seite (D) gezeigt wird. Der obere Teil (A, B) enthält einen Einlass (1) und einen Auslass (2) für Fluidfluss, zwei Löcher (3) für Schrauben und eine Gummi-O-Ringdichtung (4). Der untere Teil (C, D) enthält Kohlenstoffstäbe (5) von etwa 1 mm Durchmesser und 2 mm Länge, die so eingeführt sind, dass der obere Teil des Kohlenstoffstabs eben mit der Unterseite der Aussparungen (6, 7 und 8) ist. Die Aussparungen haben einen Durchmesser von 2 mm, wobei sie auf der Mitte der Kohlenstoffstange zentriert sind, und haben eine Tiefe von 0,1 mm. Die Aussparungen sind mit ionenerfassender Membranlösung gefüllt (zum Beispiel die in nachstehendem Beispiel 2 erzeugten). Zweckmäßigerweise enthält die Aussparung (6) eine Kaliumerfassungsmembran, Aussparung (7) enthält eine Mischionophorenmembran (Natrium und Kalium) und Aussparung (8) enthält eine Natriumerfassungsmembran. Der unter Block weist einen Kanal (9) von 0,2 mm Tiefe, dessen Boden eben mit der Aussparung ist, sowie zwei Löcher (3) für Schrauben auf. Der obere und untere Block sind mittels Muttern und Schrauben (10) aneinander befestigt, um die Durchflusszelle (E) zu bilden. Elektrischer Kontakt wurde zur Rückfläche des Granulats hergestellt.

Beispiel 2. Erzeugung von Sensoren für Natrium- und Kaliumioinenerfassung Formulierung der Natriumionenerfassungsmembran

PVC (33%), NPOE (66,25%) und Natriumtetrafluorphenylborat (0,15%) wurden in ein Glasfläschchen abgewogen und durch einstündiges Erhitzen bei 60° in 0,5 mL Cyclohexanon aufgelöst. Der Gewichtsprozentsatz jeder Membrankomponente wird in Gewicht pro Gesamtgewicht der Membrankomponenten ausgedrückt. Diesem Gemisch wurde 0,6% METS (Methoxyethyltetraestercalixaren) zugegeben, und das Gemisch wurde eine weitere Stunde lang gerührt. Das Gesamtgewicht der Membrankomponenten betrug 0,17g.

Formulierung der Ionenerfassungsmembran

PVC (33%), Bis(2-ethylhexyl)sebacat (64,5%) und KTCPB (0,5%) wurden in ein Glasfläschchen abgewogen und durch einstündiges Erhitzen bei 60° in 0,5 mL Cyclohexanon aufgelöst. Diesem Gemisch wurde Valinomycin (2,0%) zugegeben, und das Gemisch wurde eine weitere Stunde lang gerührt. Das Gesamtgewicht der Membrankomponenten betrug 0,17g.

Formulierung der Mischionophorenmembran

PVC (32,5%), TDDA TCPB (0,57%) und Dioctylsebacat (65,4%) wurden in ein Glasfläschchen abgewogen und durch einstündiges Erhitzen bei 60° in 0,5 mL Cyclohexanon aufgelöst. Diesem Gemisch wurde Valinomycin (0,33%) und Natriumionophor X (1,2%) zugegeben, und das Gemisch wurde eine weitere Stunde lang gerührt. Das Gesamtgewicht der Membrankomponenten betrug 0,17g.

Membranabscheidung

Für jeden Sensor wurden 2 aliquote Teile von 0,8 Mikroliter der Membranformulierung in schneller Folge in die Aussparung über dem Kohlenstoffgranulat pipettiert. Das Lösungsmittel ließ man vor der Verwendung über Nacht verdampfen. Das Volumen der Membranformulierung reichte aus, um die Aussparung zu füllen. Der Sensor wird in 2 im Querschnitt gezeigt.

Beispiel 3. Pseudoreferenzelektrode für Natrium- und Kaliumionensensoren

Es wurde Fließinjektionsanalyse zum Ermitteln der Reaktion der Sensoren auf Natrium- und Kaliumionenaktivität über den in Vollblut vorkommenden Bereichen eingesetzt. 3 zeigt die Reaktion der Sensoren auf Probeninjektionen. Die vorausgesagte Potentialverschiebung zur tatsächlichen Potentialverschiebung wird in 4 gezeigt.

Die in der Pseudoreferenzelektrode verwendeten Membranen werden wie in Beispiel 2 dargelegt erzeugt. Die Sensoren wurden in der Durchflusszelle von 1 bei einer Strömgeschwindigkeit von 120 uL/min mit einer Probenschleifengröße von 300 uL verwendet. Die Trägerzusammensetzung war 40 mM Bis-Tris (pH 6,95), 0,8 mM Na2EDTA, 140,4 mM NaCl und 4,2 mM KCl. Die Kalibrierstoffe wurden aus einem Puffer erzeugt, der 40 mM Bis-Tris (pH 6,95) und 0,8 mM Na2EDTA enthielt, und hatte unterschiedliche Mengen an NaCl und KCl, um die in 3 gezeigten Na+ und K+ Gesamtkonzentrationen zu ergeben. Die Konzentrationen der Natrium- und Kaliumionen wurden gewählt, um alle Kombinationen von oberen und unteren Referenzgrenzwerten und protokollierbaren Bereichen für die zwei Ionen im Vollblut zu geben.

Die Mischionophorenerfassungsmembran war eine Membranart der Klasse A, und die Reaktion wurde nach der Nikolsky-Eisenman-Gleichung modelliert, mit Kalium als Primärion und Natrium als Störion. Es wurde angenommen, dass die Einionophorsensorreaktionen vernachlässigbare Beiträge aus den Selektivitätskoeffiziententermen haben, d.h. eine vernachlässigbare Reaktion auf das Sekundärion. Die die Eigenschaften der Sensoren beschreibenden Konstantenterme wurden mit Hilfe von Solver in Microsoft Excel ermittelt. Für jeden Sensor und jeden Kalibrierstoff wurden die vorhergesagten Potentialverschiebungen mit Hilfe der modellierten Sensorreaktionen berechnet, und das Quadrat der Differenz zwischen der beobachteten Potentialverschiebung und der vorhergesagten Potentialverschiebung wurde berechnet. Unter Verwendung von anfänglichen Gefällewerten von 60 mV/Dekade und eines anfänglichen scheinbaren Selektivitätskoeffizientenwerts von 1 wurde die Summe der Quadrate der Potentialdifferenzen unter Verwendung von Solver durch Verändern der Gefällewerte und des scheinbaren Selektivitätskoeffizientenwerts minimiert. Die Einionophorsensorgefälle wurden für die Natrium- bzw. Kaliumsensoren als 57,70 und 57,14 mV/Dekade ermittelt. Bei dem Mischionophorensensor betrug das scheinbare Reaktionsgefälle 51,63 mV/Dekade und der scheinbare Selektivitätskoeffizient war 0,014. Die Summe der Quadrate der Potentialdifferenzen betrug 1,51 (Potentialwerte in mV).

Beispiel 4. Mischionophorenerfassungsmembranen für Natrium und Kalium

Die Wirkung des Molverhältnisses von Valinomycin auf Natriumionophor X kann durch Verändern des Molverhältnisses demonstriert werden, während die Konzentration von Natriumionophor X in etwa konstant gehalten wird. In Beispiel 2 werden Natrium- und Kaliummembranformulierungen beschrieben. Mischionophorenmembranformulierungen enthielten in etwa den gleichen Gewichtsprozentsatz an PVC, NPOE, TDDA TCPB und Ionophoren. Die präzisen Membranzusammensetzungen werden nachstehend in Tabelle 1 gezeigt.

Die Kalibrierung der Sensoren wurde mit Hilfe des in Beispiel 3 umrissenen Multikalibrierstoffexperiments ausgeführt, wobei die Mischionophorenerfassungsmembran als Pseudoreferenzelektrode für die zwei Einionophorsensoren dient. Die Sensorreaktionen wurden durch Berücksichtigen der Mischionophorenreaktion entweder als Membran der Art Klasse A oder als Membran der Art Klasse B analysiert. Die Anpassungsgüte jedes Modells wurde durch Minimieren der Summe des Quadrats der Residuen (SSR) zwischen den vorhergesagten Sensorreaktionen und den tatsächlichen gemessenen Sensorreaktionen mit Hilfe von Solver in Microsoft Excel ermittelt. Die Reaktionen der Natrium- und Kaliumsensoren wurden durch die Gefällewerte SNa und SK beschrieben, wobei vernachlässigbare Reaktionen auf das Sekundärion angenommen wurden. Bei der Mischionophorenerfassungsmembran wurde die Reaktion der Art Klasse A durch Smix und Kmix, das scheinbare Reaktionsgefälle und den scheinbaren Selektivitätskoeffizienten beschrieben, modelliert mit Kalium als Primärion und Natrium als Störion. Die Reaktion der Art Klasse B wurde durch SNa,mix und SK,mix, die scheinbaren Gefälle der Reaktion auf Natrium- bzw.

Kaliumionenaktivitäten beschrieben. Aus Tabelle 2 geht hervor, dass sich die Reaktion der Mischionophorenerfassungsmembran von Klasse A zu Klasse B ändert, wenn die Menge an Valinomycin in der Membran gesenkt wird. Molverhältnis von Valinomycin : Natriumionophor X 1:30 1:22 1:8,7 1:4 Gewichts% PVC 32,46 32,67 32,67 32,60 NPOE 65,60 66,09 66,09 66,00 TDDA.TCPB 0,57 0,60 0,60 0,60 Valinomycin 0,05 0,06 0,12 0,34 Natriumionophor X 1,26 ,20 1,14 1,20
Tabelle 1. Membranzusammensetzungen für Mischionophorenerfassungsmembranen, die Valinomycin und Natriumionophor X unter Verwendung des lipophilen Zusatzes TDDA TCPB enthalten.
Molverhältnis von 1:30 1:22 1:8,7 1:4 Valinomycin : NaX Klasse A SNa 57,89 56,14 54,66 58,18 SK 56,03 56,26 56,48 56,52 Smix 47,82 47,40 33,26 44,46 Kmix 0,26 0,12 0,03 0,01 SSR 12,12 16,69 7,18 5,21 Klasse B SNa 57,85 56,77 56,89 59,97 SK 57,41 57,63 56,83 53,01 SNa,mix 41,55 36,23 19,49 9,37 SK,mix 6,91 12,05 16,85 34,2 SSR 2,73 2,48 6,24 34,21
Tabelle 2. Sensorreaktionseigenschaften für Natrium, Kalium- und Mischionophorensensoren der in Tabelle 1 genannten Zusammensetzungen, wobei der Mischionophorensensor als Pseudoreferenzelektrode verwendet wird.

Beispiel 5. Mischionophorenerfassungsmembranen für Natrium und Kalium, die KTCPB enthalten

Die Wirkung des Molverhältnisses von Valinomycin zu Natriumionophor X wird für Mischionophorenmembranformulierungen unter Verwendung des anionischen Zusatzes KTCPB demonstriert. Die Membranen wurden mit in etwa dem gleichen Gewichtsprozentsatz von PVC, NPOE, KTCPB und Ionophoren erzeugt. In Beispiel 2 werden Natrium- und Kaliummembranformulierungen beschrieben. Die Mischionophorenmembranzusammensetzungen werden nachstehend in Tabelle 3 gezeigt.

Die Kalibrierung der Sensoren wurde mit Hilfe des in Beispiel 3 umrissenen Multikalibrierstoffexperiments ausgeführt, wobei die Mischionophorenerfassungsmembran als Pseudoreferenzelektrode für die zwei Einionophorsensoren dient. Die Sensorreaktionen wurden wie in Beispiel 4 durch Berücksichtigen der Mischionophorenerfassungsreaktion entweder als Membran der Art Klasse A oder als Membran der Art Klasse B analysiert. Aus Tabelle 4 geht hervor, dass die Reaktion dieser Mischionophorenerfassungsmembranen, die den lipophilen anionischen Zusatzstoff KTCPB enthalten, am besten durch den Ausdruck für eine Membran der Art Klasse B beschrieben wird. Der Großteil des Valinomycins wird durch Ladungsbilanzieren mit dem TCPB Anion aufgenommen und trägt nicht zur Reaktion der Erfassungsmembran bei. Folglich ermöglichen die viel höheren Konzentrationen von Valinomycin in diesen Membranen verglichen mit denen in Beispiel 4 immer noch, dass eine duale Reaktion auf Natrium- und Kaliumione erhalten wird. Molverhältnis von Valinomycin : Natriumionophor X 1:1,13 1:1,61 Gewichts% PVC 32,60 32,50 NPOE 65,75 65,55 KTCPB 0,25 0,25 Valinomycin 0,70 0,70 Natriumionophor X 0,70 1,00
Tabelle 3 Membranzusammensetzungen für Mischionophorenerfassungsmembranen, die Valinomycin und Natriumionophor X unter Verwendung des lipophilen anionischen Zusatzes KTCPB enthalten.
Molverhältnis von 1:1,13 1:1,61 Valinomycin: NaX Klasse A SNa 50,50 49,23 SK 60,01 61,49 Smix 46,53 50,13 Kmix 0,01 0,03 SSR 41,21 234,90 Klasse B SNa 64,53 63,56 SK 59,85 65,27 SNa,mix 21,60 37,77 SK,mix 38,24 28,75 SSR 5,32 8,67
Tabelle 4. Sensorreaktionseigenschaften für Natrium, Kalium- und Mischionophorensensoren der in Tabelle 3 gegebenen Zusammensetzungen, wobei der Mischionophorensensor als Pseudoreferenzelektrode verwendet wird.

Quellenangaben

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  • 2. E. Bakker and E. Pretsch, Analytical Chemistry, 1998, 70, 295-302.
  • 3. W.E. Morf und N.F. de Rooij, Electroanalysis, 1997, 9, 903-907.
  • 4. K. Eine, S. Kjelstrup, K. Nagy und K. Syverud, Sensors and Actuators B, 1997, 44, 381-388
  • 5. Y. Mi, S. Mathison und E. Bakker, Electrochemical and Solid-State Letters, 1999, 2, 198-200.
  • 6. H.J. Lee, U.S. Hong, D.K. Lee, J.H. Shin, H. Nam und G.S. Cha, Analytical Chemistry, 1998, 70, 3377-3383.
  • 7. K.S. Lee, J.H. Shin, M.J. Cha, M. Trojanowicz, D. Liu, H.D. Goldberg, R. W. Hower und R.B. Brown, Sens. Actuators B, 1994, 20, 239-246.
  • 8. E. Bakker, Electroanalysis, 1999, 11, 788-792.
  • 9. Y. Mi und E. Bakker, Anal. Chem., 71, 1999, 5279-5287.


Anspruch[de]
Verwendung eines Sensors mit einer Polymermembran, die ein Polymer, ein lipophiles Salz und mindestens zwei Ionophoren selektiv für unterschiedliche chemische Spezien umfasst, als Pseudoreferenzsensor selektiv für mehrere Spezien. Verwendung nach Anspruch 1 für eine potenziometrische ionensensitive Messung. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem lipophilen Salz mindestens eines von Anion und Kation lipophil ist. Verwendung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das lipophile Salz aus Kaliumtetrakis-(4-chlorphenyl)borat (KTCPB), Natriumtetrakis-(4-fluorphenyl)borat, Natriumtetraphenylborat, Ammoniumtetrakis-(chlorphenyl)borat, quaternären Boratsalzen der Formel X+B(R1R2R3R4), wobei B(R1R2R3R4) ein lipophiles Boratanion ist und X+ ein hydrophiles Kation ist, Tetraoctadecylammoniumbromid, Tridodecylmethylammoniumnitrat, Tetradodecylammoniumnitrat, Tridodecylmethylammoniumchlorid, Trioctylpropylammoniumchlorid oder Mischungen derselben gewählt wird. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem lipophilen Salz sowohl das Anion als auch das Kation lipophil sind. Verwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das lipophile Salz aus Tetradodecylammonium-tetrakis(4-chlorphenyl)borat (TDDA TCPB), Tetrabutylammoniumtetraphyenlborat, Tetraheptylammoniumtetraphenylborat und Tetraphenylphosphoniumtetraphenylborat oder Mischungen derselben gewählt wird. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer aus PVC, Polyurethan, Celluloseacetat, Ethylcellulose, Silikongummi, Alkylmethacrylaten, Poly(vinyliden)chlorid, Polysiloxanen oder Ableitungen oder Copolymeren derselben gewählt wird. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran weiterhin einen Weichmacher umfasst. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Weichmacher aus Bis(2-ethylhexyl)sebacat (DOS), 2-Nitrophenyloctylether (NPOE), Tris(2-ethylhexyl)phosphat, Dibutylsebacat, Dioctylsebacat, Bis(2-ethylhexyl)adipat, Bis(2-ethylhexyl)phthalat und Dioctylphenylphosphonat gewählt wird. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Ionophoren aus Ionophoren selektiv für Natrium-, Kalium-, Lithium-, Wasserstoff-, Calcium-, Magnesium- und Ammoniumione gewählt werden.






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