DE60128279T2 - Optischer Sensor zum Nachweis mehrerer Analyte - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zum gleichzeitigen Analysieren mehrerer Analyten in Fluiden und im besonderen auf Vorrichtungen und Verfahren zum gleichzeitigen Bestimmen der Konzentration mehrerer Analyten in einer unbekannten Fluidprobe unter Verwendung einer optischen Abfrage.
  • Die analytische Chemie ist und war maßgeblich daran beteiligt, weltweit Milliarden von Menschen ein gesünderes und angenehmeres Leben zu ermöglichen. Zum Beispiel werden zum Schutz der Umwelt Proben von Wasser, Luft, Mikroorganismen, Fasern von Pflanzen und Tieren analysiert. Im medizinischen Bereich werden Proben von Körperfasern und physiologischen Fluiden routinemäßig analysiert, um Patienteninformationen für Diagnose- sowie Überwachungszwecke über bereitzustellen. In der Vergangenheit wurden die Analysen hauptsächlich durch Sammeln von Proben und Liefern derselben an ein Labor zur Analyse unter Verwendung großer, teurer Ausrüstungsteile durchgeführt. In anderen Fällen wurden die Analysen sogar manuell unter Verwendung von Chemie nasschemischer Reaktionen durchgeführt. Um die Konzentration oder das Vorliegen unterschiedlicher Analyten in einer unbekannten Probe zu bestimmen, muss die unbekannte Probe, wie z. B. eine Flüssigkeit, oft in viele Anteile aufgeteilt werden und Analyt pro Analyt analysiert werden. Somit ist die Analyse mehrerer Analyten in einer unbekannten Probe mühsam und zeitaufwändig.
  • Einige Beispiele von Instrumenten, die mehrere Analyten gleichzeitig erfassen können, sind AVL Opti CCA, Chiron Centaur, Instrumentation Laboratory GEM 201, I-STAT Portable Analyzer usw. AVL Opti CCA ist ein tragbarer Analysator, der die Messung von pH-Wert, Gesamthämoglobin, Sauerstoffsättigung, Blutgas und Elektrolytparametern liefert. Der Analysator verwendet ein Opti-CCA-Kassettensystem, das ein Einmalkassettensystem ist, in das eine Optische-Erfassung-Technologie eingebaut ist. Die Kassette enthält Optische-Fluoreszenz-Sensoren, und zwar jeweils einen für pH, PCO2, PO2, Na+, K+, iCa++ (ionisches Calcium) und Cl–. Die Analyten SO2 und tHb (Gesamthämoglobin) werden unter Verwendung optischer Absorbanz bzw. optischen Reflexionsvermögens gemessen. Auch IRMA von Diameterics ist ein tragbarer Analysator, der pH, PCO2, PO2, Na+, K+, iCa+ +, Cl–, Hct (Hämatokrit) und Glukose misst. Bei IRMA von Diameterics sind Wegwerfpatronen aufgebaut, um verschiedene Kombinationen dieser Parameter unter Verwendung eines elektrochemischen Sensors für jeden Parameter bereitzustellen. Die Glukosepatrone ist eine alleinstehende Patrone, in der Optisches-Reflexionsvermögen-Technologie eingesetzt wird. Die Vorrichtung von I-STAT verwendet ebenso auf elektrochemischen Sensoren beruhende Patronen, und zwar einen für jeden Parameter. Für unterschiedliche Kombinationen der Parameter, die pH, PCO2, PO2, Na+, K+, iCa+ +, Cl–, Hct, Glukose, Blutharnstoffstickstoff (BUN = blond urea nitrogen) und Kreatinin umfassen, sind mehrere unterschiedliche Patronen verfügbar. Es sei darauf hingewiesen, dass, auch wenn unter Verwendung dieser Analysatoren eine große Anzahl von Parametern gemessen werden kann, keiner dieser Analysatoren verwendet werden kann, um sämtliche Parameter unter Verwendung einer einzigen Patrone zu analysieren. Darüber hinaus wird bei den Analysatoren oft eine Kombination sowohl optischer als auch elektrochemischer Erfassungstechnologien verwendet.
  • Auch wenn eine gleichzeitige Analyse einer Mehrzahl von Analyten bereits möglich ist, sind die Analyseinstrumente oft komplex. Zum Beispiel bringen ältere Verfahren zum optischen Erfassen mehrerer Analyten eine Verwendung mehrerer optischer Sensoren mit sich, von denen jeder zum Erfassen eines spezifischen Analyten optimiert ist. Die Sensoren sind entworfen, um für den Analyten, den sie anvisieren, spezifisch zu sein und auf keinen anderen Analyten, der in der Probe vorliegen kann, anzusprechen. Ein Nachteil derar tiger Verfahren ist, dass ein hochspezifischer Sensor entworfen werden muss. Ein Entwerfen einer derartig hohen Spezifität ist kosten- und zeitintensiv und nicht immer zweckmäßig. Darüber hinaus können derartig entworfene Sensoren lediglich in gut definierten Proben, von denen bekannt ist, dass sie keine störenden Spezies von Analyten enthalten, verwendet werden. Ein Misslingen des Sicherstellens einer derartigen Spezifität bei dem Sensor könnte zu unzuverlässigen Messungen führen. Zum Beispiel können manche Blutglukosesensoren nicht verwendet werden, wenn Acetaminophen in der Blutprobe vorliegt. Ein weiterer Nachteil dieses Entwurfs ist die Tatsache, dass jeder der Sensoren ein unterschiedliches Abfrageverfahren erforderlich macht. Zum Beispiel kann ein pH-Sensor auf einer optischen Absorbanz eines Indikators bei einer bestimmeten Wellenlänge basieren, während ein Sauerstoffsensor auf einer Fluoreszenzlöschung bei einer anderen Wellenlänge basieren kann. Für eine Glukoseerfassung muss unter Umständen ein drittes Verfahren, wie z. B. Kolorimetrie, verwendet werden, usw. für weitere Analyten. Als Folge kann es sein, dass das Instrument zum Analysieren mehrerer Komponenten kompliziert, teuer, unhandlich und durch einen hohen Leistungsverbrauch gekennzeichnet sein kann.
  • Vor kurzem beschrieben Wolfbeis u. a. mit „Set of luminescent decay time based chemical sensors for clinical applications", Sensors and Actuators B 51 (1998) 17–24, ein Verfahren zum Herstellen optischer Sensoren für mehrere Spezies, die mit einer einzigen optischen Quelle und einem einzigen Detektor abgefragt werden können. Auch wenn es den Anschein hat, dass ein auf diesem Konzept basierendes Instrument einfach und kostengünstig sein sollte, sind die Sensoren an sich hoch unselektiv. Wolfbeis u. a. haben gezeigt, dass diese Sensoren auf pH ansprechen. Deshalb wären derartige Sensoren in einem Umfeld, in dem sich der pH-Wert verändert, ungeeignet. Zudem hat ältere Literatur, wie z. B. „Non-crosslinked Organosilicon matrix for Luminescent Quenching based Fiber Optic Oxygen Sensors" SPIE Proceedings, Bd. 1886, (1993), von Mauze u. a. gezeigt, dass der Luminophor dieser Sensoren auch sauerstoffempfindlich ist. Diese Sensoren, wie sie durch Wolfbeis u. a. beschrieben sind, sind daher an sich auch für Messungen in einer sich verändernden Sauerstoffumgebung nicht anwendbar.
  • Ein weiterer Typ von älteren Erfassungsvorrichtungen verwendet Arrays aus Sensoren, die hoch unspezifisch gegenüber den flüchtigen Analyten in der Probe sind. Derartige Vorrichtungen sind z. B. in dem U.S.-Patent 5,698,089 , in dem U.S.-Patent 5,788,833 , und in Anal Chem. 1986, 58, 3058–3066 von Ballantine u. a. beschrieben. Derartige Arrays bestehen aus Sensoren, die physikalische, optische oder elektrische Eigenschaften wie z. B. Dichte, Brechungswinkel bzw. elektrischen Widerstand messen, die sich in Relation zu den Konzentrationen der Spezies, die zu dem Erfassungselement der Sensoren hindurchdringen, verändern. Die Veränderungen bei derartigen Eigenschaften werden gemessen, und die Daten werden unter Verwendung von Mustererkennungsmethoden analysiert, um die Konzentration jeder Spezies zu bestimmen. Derartige Sensoren weisen einen begrenzten dynamischen Bereich auf, der durch die Eigenschaften der Erfassungsregion vorgegeben ist. Darüber hinaus können diese Erfassungsarrays lediglich zum Analysieren flüchtiger Spezies verwendet werden. Diese Sensoren sprechen auf jede beliebige Spezies an, die die Erfassungsregion durchdringt. Es müssen Kalibrierungsmodelle oder Übungssätze entworfen werden, um sämtliche derartige Spezies zu umfassen, die in der Probe vorliegen könnten. Somit sind sie störanfällig, wenn auf eine Sonderspezies gestoßen wird.
  • Einen Sensor zu entwerfen, der auf lediglich einen Analyten anspricht, ist eine sehr schwierige Aufgabe. Viele Sensoren, mit denen Versuche unternommen worden waren, wurden wieder aufgegeben, da Interferenzen durch einen oder mehrere andere Analyten nicht entfernt werden konnten. Oft ist es nur eine Spezies, die mit der Messung interferiert. In derartigen Fällen wurden Versuche unternommen, einen Sensor speziell für die interferierende Spezies ohne eine Interferenz von anderen, der für die Interferenz mathematisch korrekt ist, zu entwerfen. Ein derartiger zusätzlicher Sensor erfordert jedoch ein neues Verfahren zum Abfragen des Sensors. Dies erhöht die Komplexität des Instruments. Diese Herausforderung ist besonders abschreckend, wenn eine große Anzahl von Analyten gemessen werden muss und viele Spezies miteinander interferieren. Oft ist es nicht möglich, einen hochspezifischen Sensor für eine interferierende Spezies herzustellen.
  • Die WO 00/04372 offenbart ein System für die schnelle Charakterisierung von Mehranalytfluiden, das eine Lichtquelle, ein Sensorarray und einen Detektor umfasst. Der Sensor ist aus einem Trägerbauglied, in das eine Mehrzahl von Resonatoren gebildet werden kann, geformt. In die Resonatoren werden eine Reihe von chemisch empfindlichen Teilchen positioniert, die aufgebaut sein können, um ein Signal zu erzeugen, wenn ein mit dem Teilchen gekoppelter Rezeptor mit dem Analyten interagiert. Unter Verwendung von Mustererkennungsmethoden können die Analyten in einem Mehranalytfluid charakterisiert werden.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung, wie sie in Patentanspruch 1 beansprucht ist, bereitgestellt.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, wie es in Patentanspruch 8 beansprucht ist, bereitgestellt.
  • Es besteht Bedarf nach einem zuverlässigen Verfahren zum Analysieren von mehreren Spezies in einer Probe unter Verwendung eines einfachen Instruments, z. B. einer einzigen Quellendetektoreinheit. Darüber hinaus ist es erwünscht, sicherzustellen, dass die Vorrichtungen auf keine interagierbare Weise auf die anderen nicht anvisierten bekannten oder unbekannten Spezies, die in der Probe vor liegen können, ansprechen. Es ist auch erwünscht, dass die Vorrichtung auf nichtflüchtige Spezies sowie auf die flüchtigen Spezies in der Probe anwendbar ist. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Anforderungen und stellt eine Methode zum gleichzeitigen Analysieren mehrerer Analyten (z. B. der Analyten in einer Probe einer Flüssigkeit von unbekannter Zusammensetzung) bereit. Die vorliegende Methode verwendet eine Mehrzahl von Sensoren, um eine Mehrzahl von Analyten zu erfassen, wobei manche der Analyten unter Umständen mit den Sensoren, die andere Analyten erfassen, interferieren, und bringt die Antworten der Sensoren derart miteinander in Beziehung, dass die Analyten, trotz der Tatsache, dass die Analyten unter Umständen miteinander interferieren, genau erfasst werden.
  • In einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Gerät zum gleichzeitigen Analysieren mehrerer Analyten in einem unbekannten Fluid (d. h., einer Probe einer unbekannten Flüssigkeitszusammensetzung) bereit. Das Gerät umfasst eine Mehrzahl von Sensoren, jeweils zum Inberührungbringen mit einer Probe des unbekannten Fluids. Die Mehrzahl von Sensoren umfasst Gruppen von Sensoren, wobei jede Gruppe einen spezifischen Analyten anvisiert und einen oder mehrere Sensoren umfasst, die eine analytenspezifische Chemikalie umfassen, die spezifischer mit einem Analyten als mit anderen zu analysierenden Analyten interagiert. Jeder Sensor in einer Gruppe weist eine unterschiedliche Chemikalie auf, die spezifisch mit dem Analyten interagiert. In dem Gerät ist eine Lichtquelle zum Bereitstellen von Licht, das auf die Sensoren gelenkt wird, um eine Lichtinteraktion mit den Sensoren zu bewirken, vorhanden. Unterschiede bei den Sensoren führen zu Unterschieden bei der Lichtinteraktion mit den Sensoren. Es werden Detektoren verwendet, um die Lichtinteraktion durch die Sensoren zu bestimmen. Es wird ein Prozessor zum Analysieren der Lichtinteraktion durch die Sensoren verwendet, um eine Interferenz bei der Lichtinteraktion zwischen den Analyten zu berücksichtigen, wodurch die Konzentration jedes der Analyten in dem unbe kannten Fluid bestimmt wird. Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum gleichzeitigen Analysieren mehrerer Analyten in einem unbekannten Fluid bereit.
  • In einem Aspekt bringt die vorliegenden Methode ein Umwandeln der Analyse einer großen Anzahl von Analyten in die Analyse einer kleineren Anzahl von Chemikalien, derart, dass die Konzentration dieser kleineren Anzahl von Chemikalien unter Verwendung eines einfachen Erfassungsverfahrens analysiert werden kann, mit sich. Bei einem Ausführungsbeispiel werden bestimmte Ionen über eine chemische Zusammensetzung, die den pH-Wert in einem Sensor durch die Ionen verändert, erfasst. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel werden bestimmte Chemikalien über eine chemische Zusammensetzung, die die Sauerstoffkonzentration in dem Sensor verändert, erfasst.
  • Unter Verwendung der Methode der vorliegenden Erfindung kann vorteilhafterweise ein kompaktes Erfassungsinstrument verwendet werden, um die Konzentration oder das Vorliegen einer Mehrzahl von Analyten gleichzeitig zweckdienlich zu erfassen, auch wenn es sein kann, dass die Analyten miteinander interferieren. Wegen des einzigartigen Merkmals der Verwendung einer chemischen Umwandlung, um das Erfassen vieler Analyten in das Erfassen einiger gemeinsamer Chemikalien oder Ionen (z. B. Sauerstoff- und Wasserstoffionen) umzuändern, kann die gleiche chemische Zusammensetzung oder Erfassungsmethode verwendet werden, um die Konzentration oder das Vorliegen dieser wenigen gemeinsamen Chemikalien und Ionen zu bestimmen. Als Folge kann eine kleinere Anzahl von Lichtquellen zum Abfragen der Sensoren und eine kleinere Anzahl von Detektorentypen zum Erfassen von Veränderungen bei den Sensoren verwendet werden. Derartige Faktoren führen zu einfacheren und kompakteren Geräten zum Analysieren von Analyten.
  • Die vorliegende Methode ist besonders in der Medizin nützlich. Ein Beispiel von Fluiden, die unter Verwendung der Vorrichtungen und Verfahren dieser Erfindung analysiert werden könnten, ist Blut. Eine zweckdienliche Messung von Blutanalyten verbessert die Leichtigkeit und Einfachheit einer Überwachung des Gesundheitszustands von Patienten beträchtlich. Mehrere in einem derartigen exemplarischen Fluid zu messenden Analyten können pH, PO2, PCO2, K+, Na+, Ca+ +, Mg+ +, Glukose, Laktat, Kreatinin, Blutharnstoffstickstoff (BUN), Hot, Hb, Bilirubin, therapeutische Drogen, Missbrauchsdrogen usw. umfassen. Auch wenn sich das nachhinein beschriebene Beispiel auf ein wässriges Fluid bezieht, ist die Erfindung auch auf ein Analysieren anderer Fluide, wie z. B. Gase oder anderer Flüssigkeit anwendbar. Die Erfindung gilt im Besonderen für eine Hautstechvorrichtung, die in der Lage ist, Fluid aus der Haut zu transportieren. Ferner ist die vorliegende Erfindung zum Analysieren von Fluiden in nichtmedizinischen Bereichen, wie z. B. Umweltproben, Proben hei Herstellungsprozessen usw. anwendbar.
  • Es wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen eine Anzahl bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Es zeigen:
  • 1 ein Ausführungsbeispiel eines Schemas eines Geräts, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
  • 2 ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung (z. B. Sensorarray), das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
  • 3 einen Graphen, der eine Absorbanz und Lumineszenz eines Farbstoffs bei unterschiedlichen pH-Bedingungen zeigt.
  • 4 ein Ausführungsbeispiel der Lichtquelle und der Detektoranordnungsvorrichtung, die in dieser Erfindung verwendet werden.
  • 5 ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
  • 6 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Geräts zum Bestimmen der Konzentration oder des Vorliegens von Analyten, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst eine Methode, um mehrere Analyten in einer unbekannten Fluidprobe zweckmäßiger zu erfassen. Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist die Tatsache, dass sie die Interferenz von unterschiedlichen Analyten untereinander bei der Analyse der unbekannten Probe berücksichtigt.
  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zum gleichzeitigen Erfassen mehrerer Analyten. Die Erfassungsvorrichtung 10 umfasst eine Sensoranordnung 12, die durch eine Lichtquelle 14, die Licht eines geeigneten Wellenlängenprofils (Frequenzprofils) auf die Sensoranordnung 12 lenkt und auf dieselbe richtet. Die Lichtquelle 14 ist vorzugsweise durch einen Prozessor 16 gesteuert, um Licht in der erwünschten Wellenlänge und Dauer bereitzustellen, um die Sensorvorrichtung 12 abzufragen, wodurch eine Lichtinteraktion mit den Sensoren in der Sensoranordnung 12 bewirkt wird. Ein Lichtdetektor 18 erfasst Licht, das sich aus der Lichtinteraktion an der Sensoranordnung 12 ergibt. Signale von dem Lichtdetektor 18 werden zu einem Prozessor, vorzugsweise demselben Prozessor 16, zur Analyse zum Bestimmen des Vorliegens und/oder der Konzentration von Analyten in der unbekannten Probe befördert.
  • Es ist allgemein bekannt, dass manche Analyten eine Absorbtion von Licht bestimmter Wellenlängen bewirken und manche Analyten Veränderungen in der Fluoreszenz eines Detektormoleküls bewirken. Somit liegt nahe, dass sowohl Lichtabsorption als auch Fluoreszenz zum Erfassen des Vorliegens und der Konzentration von bestimmten Analyten verwendet werden können. Wie er hierin verwendet ist, bezieht sich der Begriff „Lichtinteraktion" auf Lichtabsorption, Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Lumineszenz und dergleichen, solange ein Sensor in der Sensoranordnung 12 bei dem Vorliegen der unbekannten Fluidprobe mit einem Licht bestrahlt wird, und ein Detektor verwendet werden kann, um Lichtveränderungen bei dem Sensor zu erfassen. Zum Zweck der Veranschaulichung wird ein Beispiel von Lumineszenz detailliert beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass es auch möglich ist, andere Typen von Lichtinteraktion zu erfassen, um in Anbetracht der vorliegenden Offenbarung das Vorliegen und die Konzentration von Analyten zu bestimmen.
  • In einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine neue Methode zum Messen eines oder mehrerer Analyten in einer Probe unter Verwendung einer Anordnung aus zwei oder mehr Sensoren bereit. Die Sensoren selbst können individuell auf mehr als einen Analyten ansprechen. Die individuellen Sensoren in der Sensoranordnung können gemäß dieser Erfindung derart entworfen sein, dass durch Verwendung mehrerer Sensoren und mathematisches Verarbeiten ihrer Ausgabe die Konzentration eines oder mehrerer Analyten genau bestimmt werden kann.
  • 2 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung (z. B. eines Sensorarrays) der vorliegenden Erfindung. Das Sensorarray 20 umfasst ein Array aus optischen Sensoren 22 (die Sensoren 22A, 22B, 22C, 22D, 22E, 22F, 22G, 22H, 22I, 22J umfassen), die auf einem Trägersubstrat 24 angeordnet sind. Es sei darauf hingewiesen, dass es nicht erforderlich ist, die Sensoren in einer Manier genau ausgerichteter Zeilen und Spalten anzuordnen. Jeder Sensor (22A–22J) umfasst eine Sensormatrix, die Chemikalien umschließt, die zu der Lichtinteraktion bei dem Vorliegen eines geeigneten Analyten beitragen, wenn Licht aus der Lichtquelle 14 auf dieselben auftrifft. In der Sensoranordnung (Array in 2) ist eine geeignete Anzahl von Senso ren beinhaltet, um geeignete Signale bezüglich aller interessierenden Analyten bereitzustellen.
  • Da einige der Sensoren, die bestimmte Analyten anvisieren, unter Umständen nicht vollständig unabhängig von dem Effekt anderer Analyten auf die Sensoren sind, kann, falls dies erwünscht ist, mehr als ein Sensor einen bestimmten Analyten anvisieren. Sensoren, die denselben Analyten anvisieren, können die Konzentration oder das Vorliegen des Analyten durch unterschiedliche Mechanismen chemischer Interaktion erfassen, derart, dass der Effekt anderer Analyten auf diese Sensoren, die denselben Analyten anvisieren, unterschiedlich ist. Es gibt zumindest einen Sensor, der einen spezifischen interessierenden Analyten anvisiert. Die Sensoren, die denselben Analyten anvisieren, können als eine Gruppe betrachtet werden. Es liegt nahe, dass in manchen Fällen eine Gruppe, die einen bestimmten Analyten anvisiert, lediglich einen Sensor umfasst.
  • Die Erfindung lehrt auch ein Verfahren zum Entwerfen der individuellen Sensoren in einer derartigen Weise, dass die Sensoren unter Verwendung einer einzigen optischen Quellendetektorkombination abgefragt werden können. Somit ermöglicht es die Erfindung, einen oder mehrere Analyten unter Verwendung von zwei oder mehr Sensoren, die bezüglich den interessierenden Analyten nicht vollständig spezifisch (d. h. nicht frei von Interferenz von anderen Analyten) sind, zu messen. 4 zeigt das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Lichtquellen- und Detektoranordnungsvorrichtung („Vorrichtung") dieser Erfindung. Die Anordnung 40 umfasst ein Array 42 von Lichtquellen- und Detektorclustern 44, von denen jeder eine Lichtquelle 46 und Detektoren 48 umfasst, das sich auf einem Körper 49 befindet. Vorzugsweise ist jede Lichtquelle 46 physisch derart angeordnet, dass das aus der Lichtquelle 46 austretende Licht zumindest teilweise zu dem entsprechenden optischen Sensor 22A usw. in der Anordnung von Sensoren 22 geliefert wird. Optische Charakteristika (Wellenlängenbereich und -intensität) dieses Lichts werden zumindest teilweise angepasst, um das Absorptionsspektrum der Fluoreszenzelemente in 4 zu überlappen. Die Detektoren der Cluster sind physisch derart angeordnet, dass zumindest ein Teil der Fluoreszenzstrahlung, die aus jedem der Sensoren 22A, 22B usw. in der Sensoranordnung 22 austritt, auf einen oder mehrere der Detektoren 46 des Clusters 44, das dem spezifischen Sensor entspricht, auftrifft. Somit ist, wenn die Anordnung 40 mit dem Sensorarray 20 gekoppelt ist, jeder Cluster 44 einem bestimmten Sensor 22A, 22B usw. in dem Sensorarray 20 zugewandt. Es sei darauf hingewiesen, dass bestimmte optische Elemente, wie z. B. Linsen und Beugungsgitter, zur Wirksamkeit und Zweckmäßigkeit des Leitens der Strahlung zu und von dem Sensor und den Quellendetektorelementen eingesetzt werden können.
  • Die Lichtquellen der 4 können oberflächenemittierende Vertikalresonatorlaser (VCSEL = vertical cavity surface emitting lasers), Laserdioden, Leuchtdioden, Glühquellen, Kombinationen derselben oder beliebige andere Lichtstrahlungseinrichtungen sein. Die Detektoren können Festkörperdioden, Ladungskopplungsvorrichtungen, CMOS-Detektoren, eine beliebige Kombination derselben oder ähnliche Erfassungseinrichtungen sein. Ein oder mehr VCSELs und eine Anzahl von Detektordioden können einen Cluster bilden, der zum Abfragen eines spezifischen Sensors vorgesehen ist. In einem derartigen Cluster können die VCSELs von einer Anzahl von Detektoren umgeben sein. Alternativ kann, statt eines Arrays aus Clustern, ein einziger derartiger Cluster verwendet werden, um sämtliche Sensoren unter Verwendung einer Abbildungsoptik, Zeitmultiplexens, physischen Bewegens des Clusters, um die Sensoren in dem Sensorarray sequentiell abzufragen, abzufragen. Die Quellen und Detektoren des Arrays können durch ein elektronisches Modul, das die Quellen treibt und die Ausgabe der Detektoren verarbeitet, um Informationen über die Konzentration und/oder das Vorliegen der interessierenden Analyten zu erzeugen, gesteuert werden. Sind die Sensoren derart hergestellt, dass dasselbe Erregungslicht zum Erregen des Fluorophors in den Sensoren verwendet werden kann, kann eine einzige Lichtquelle verwendet werden, um Licht zu erzeugen, und das Licht kann auf die verschiedenen Sensoren, z. B. durch ein Bündel aus optischen Fasern, übertragen werden. In diesem Schema kann eine einzige Lichtquelle einer bestimmten Wellenlänge verwendet werden, um die Konzentrationen oder das Vorliegen einer Vielfalt von Analyten zu erfassen. In Anbetracht der vorliegenden Offenbarung wäre die Wahl optischer Elemente (einschließlich Lichtquellen und Detektoren) für Fachleute auf dem Gebiet der optischen Konstruktion offensichtlich.
  • 5 ist ein veranschaulichendes Beispiel einer Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Anordnung von Sensoren, die für eine Vorrichtung ähnlich der in 1 gezeigten hergestellt werden kann. In 5 umfasst die Titerplatte 50 ein Trägersubstrat 52, das Sensoren 54A, 54B, 54C usw., die jeweils Membranen 56A, 56B, 56C usw. aufweisen, trägt. Eine Flüssigkeit mit interessierenden Analyten kann derart auf der Titerplatte 50 platziert werden, dass die Analyten durch die Membranen 56A, 56B, 56C usw. hindurchgehen und durch die geeignete chemische Zusammensetzung in den Sensoren 54A, 54B, 54C usw., d. h. in den Sensormatrizen 58A, 58B, 58C usw. der Sensoren, erfasst werden können. Die Titerplatte 50 kann mit einer der Anordnung 40 ähnlichen Lichtquelle/Detektor-Anordnung 60 derart gekoppelt werden, dass jeder Lichtquellendetektorcluster mit den Sensoren in der Sensoranordnung 40 gekoppelt ist und denselben zugewandt ist. Die Titerplatte 50 kann derart hergestellt sein, dass ihre Größe ausreichend klein ist, so dass ein Tropfen einer interessierenden Flüssigkeit in die Sensormatrizen der zu analysierenden Sensoren hineintreten kann. Die Flüssigkeit, z. B. Blut, kann durch eine Kapillarwirkung oder Absorption durch die jeweiligen Membranen in die Sensormatrizen gezogen werden. Zum Beispiel kann, wenn N Analyten vorliegen, die Konzentration und das Vorliegen der N Analyten durch M Sensoren SENSOR1, SENSOR2, SENSOR3, SENSOR4, ..., SENSORM (wobei N ≤ M), von denen jeder in demselben eine Chemikalie zum spezifischen Interagieren mit einem unterschiedlichen Analyten aufweist, erfasst werden. Wie sie hierin verwendet sind, beziehen sich die Begriffe „chemisch interagieren" und „chemische Interaktion", wenn sie auf die Beziehung einer analytenspezifischen Chemikalie zu einem Analyten, den die Chemikalie anvisiert, bezogen sind, entweder auf eine chemische Reaktion, wie z. B. die durch die Bildung oder Trennung von ionischen oder kovalenten Bindungen, oder die physikalischen Veränderungen, die auf der individuellen Molekularebene wirken, wie z. B. das Ausmaß einer Ionisierung einer Verbindung oder die Löslichkeit einer Verbindung. Es sei darauf hingewiesen, dass statt einer Verwendung einer optischen Abfrage unter Einbeziehung von Lichtquellen und Detektoren die chemische Interaktion in den Sensoren bei dem Vorliegen einer zu analysierenden Flüssigkeit auch durch elektrische Einrichtungen, z. B. unter Verwendung einer pH-Elektrode, einer Sauerstoffelektrode, einer Temperatursonde usw. erfasst werden kann, und das Signal derartiger Elektroden durch Elektrizität an einen Prozessor zum Erstellen von Aufzeichnungen, für eine Anzeige, weitere Datenverarbeitung und dergleichen übertragen werden kann.
  • Ein Ausführungsbeispiel eines Geräts zum Bestimmen der Konzentration oder des Vorliegens von Analyten weist ein schematisches Diagramm, wie es in 6 gezeigt ist, auf. Das Gerät 60 umfasst eine Anordnung von Sensoren 62, die mit einer Anordnung von Detektoren 64 verbunden ist. Signale von der Anordnung von Detektoren 64 werden zur Analyse an einen Prozessor 66 übertragen. Der Prozessor 66 kann eine beliebige Recheneinrichtung, wie sie Fachleuten auf dem Gebiet bekannt ist, wie z. B. elektronische Computer (z. B. Personalcomputer), ein Mikroprozessor, Minicomputer, Großcomputer und dergleichen sein. Der Prozessor 66 kann auch die Bestrahlung der Sensoren durch die Lichtquelle steuern.
  • Der Entwurf jedes Sensors und der Anzahl von Sensoren, die in der Vorrichtung erforderlich sind, werden durch die zu messenden Analyten, die Gesamtzahl von zu messenden Analyten und die Anzahl von interferierenden Komponenten bestimmt. Die interferierenden Komponenten sind als Parameter definiert, die, wenn sie verändert werden, bewirken, dass die Messung eines interessierenden Analyten beeinflusst wird. Die interferierenden Komponenten könnten chemische Spezies, Druck, Temperatur, Volumen usw. der Probe sein. Somit könnte die Anzahl von Komponenten, die interferieren, wesentlich größer als die Anzahl von zu messenden Spezies (die Anzahl von Analyten) sein. Obwohl manche Spezies von Analyten unter Umständen nicht mit der Messung irgendeiner anderen Spezies interferieren, ist es möglich, dass eine oder mehr Spezies mit der Messung mancher anderer Analyten interferieren.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel einer optischen Abfrage basiert der Entwurf der Sensoren auf den folgenden Grundsätzen:
    • (1) Unter Verwendung einer geeigneten chemischen Zusammensetzung, ist es möglich, Veränderungen bei einem Analyten in Veränderungen bei einer anderen Spezies, die leichter zu erfassen ist, umzuwandeln. Somit verändert z. B. Glukoseoxidase (ein Enzym) Glukose bei dem Vorliegen von Sauerstoff O2 zu Gluconsäure. Die Bildung von Gluconsäure verändert den pH-Wert der Erfassungsmatrix im Verhältnis zu der Glukosekonzentration. Darüber hinaus ist, da bei dieser Reaktion Sauerstoff verbraucht wird, die Glukosekonzentration auch proportional zu der Veränderung in der Sauerstoffkonzentration in der Erfassungsmatrix. Somit können sowohl pH- als auch Sauerstoffsensoren verwendet werden, um Glukosemessungen vorzunehmen. Dies würde den Einfluss von Parametern, die nur entweder pH oder Sauerstoff beeinflussen, trennen. Ähnlich können unter Verwendung einer innenselektiven Membran, die eine schwache Säure einkapselt, die Veränderungen in der Ionenkonzentrati an in Veränderungen im pH der Membran umgewandelt werden. Unter Verwendung einer Reihe von Membranen, die bezüglich unterschiedlicher Ionen selektiv sind, können derartige Sensoren für unterschiedliche Innenspezies entworfen sein. Somit kann eine große Anzahl von Spezies unter Verwendung eines pH-Sensors oder eines Sauerstoffsensors oder beider analysiert werden. Verfahren zum Umwandeln von Veränderungen in einem beliebigen gegebenen Analyten zu Veränderungen bei dem pH oder Sauerstoff sind in der chemischen Industrie allgemein bekannt, und derartige Veränderungen werden bei der vorliegenden Erfindung ausgenutzt, um eine kleine Anzahl von Sensoren zu verwenden, um Analyten zu erfassen, die unter Umständen beim Erfassen miteinander interferieren. (Eine kurze Beschreibung der Chemie zum Messen von Analyten basierend auf Sauerstoff und pH wird nachfolgend geliefert). Ferner können innenselektive Membranen durch einen Fachmann auf dem Gebiet selektiv eingesetzt werden, um spezifische interessierende Ionen einzugrenzen.
    • (2) Es ist möglich, dass sich die pH- und die Sauerstoffkonzentration der Probe selbst verändern. In diesem Fall setzen sich die gemessenen Veränderungen aus Veränderungen in mehreren Analyten zusammen. Diese Erfindung lehrt Wege zum Herstellen und Wählen mehrerer pH-Sensoren und mehrerer Sauerstoffsensoren, die in einer Anordnung (z. B. einem Array) von Sensoren verwendet werden können. Die Signale für die individuellen Sensoren in der Anordnung (z. B. einem Array) können unter Verwendung von Rechenmethoden verarbeitet werden, um die Konzentrationen der Analyten in der Probe exakt zu bestimmen.
    • (3) pH- und Sauerstoffkonzentrationen in unterschiedlichen Sensoren könnten aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften oder aufgrund von zum Erfassen eines bestimmten Analyten verwendeten Puffern unterschiedlich sein. Darüber hinaus unterscheidet sich auch, abhängig von der bestimmten chemischen Erfassungszusammensetzung, die verwendet wird, der dynamische Bereich, über den sich diese Parameter (pH oder Sauerstoff) in den Sensormatrizen verändern. Bei dieser Erfindung können mehrere unterschiedliche pH- und Sauerstoffsensoren für unterschiedliche dynamische Bereiche optimiert werden. Somit kann ein Sensor für eine gegebene Matrix (Substanz, in der der Analyt in den Sensor hindurchgehen kann, um mit der chemischen Erfassungszusammensetzung zu interagieren) basierend auf dem dynamischen Bereich, über den sich seine pH- oder Sauerstoffkonzentration in dieser Matrix ansprechend auf den interessierenden Analyteen verändert, ausgewählt werden. Die Signale für diese Sensoren weisen orthogonale Komponenten auf und können zur Gesamtanalyse mathematisch verarbeitet werden.
    • (4) Bei dieser Erfindung kann das Erfassen von Analyten derart durchgeführt werden, dass die pH- und Sauerstoffsensoren unter Verwendung lediglich eines Satzes einer oder mehrerer optischer Quellen und Detektoren oder eines Arrays aus identischen Quellen und Detektoren abgefragt werden können. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Erfassens basiert auf Fluoreszenzlebensdauerzerfallsmessungen eines Rutheniumkomplexes. Dieser Fluorophor ist gut geeignet, da er eine lange Lebensdauer aufweist, die leichter zu messen ist. Darüber hinaus kann Fluorophor mit ohne weiteres verfügbaren Blau-Laserdioden und -detektoren oder anderen Festkörpervorrichtungen abgefragt werden. Dies führt zu einer weiteren Vereinfachung der Instrumentierung. Es sei darauf hingewiesen, dass es auch andere Fluorophore mit ähnlichen Charakteristika gibt, die für die Praxis dieser Erfindung angepasst werden können. Eine derartige Modifizierung wäre für Fachleute auf dem Gebiet von Fluoreszenzerfassung offensichtlich.
  • Bei einer Implementierung der im Vorhergehenden genannten Grundsätze enthält jede der Sensormatrizen eines oder mehrere der folgenden Elemente: 1) Eine Hauptmatrixkomponente, wie z. B. ein hydrophiles oder hydrophobes Polymer mit oder ohne einem oder mehreren Modifikationsmitteln. Ein Modifikationsmittel kann ein Weichmacher, eine Pufferlösung, ein Füllstoff oder eine beliebige derartige Spezies, die die Funktionalität der Erfassungselemente verbessert, sein. Zum Beispiel kann ein Weichmacher in eine Polymermatrix aufgenommen sein, um eine Beweglichkeit des Analyten oder eines Komplexes desselben in die Matrix hinein oder innerhalb derselben zu verbessern, und einen Füllstoff kann aufgenommen sein, um die physikalische Eigenschaft derart zu modifizieren, dass die Matrix die erwünschte physikalische Festigkeit und Dimensionsstabilität aufweist. Es können Puffer zugefügt werden, um den pH-Wert zu steuern. 2) Ein Erkennungselement, das seinen chemischen Zustand oder Konformationszustand mit hoher Spezifität ansprechend auf den interessierenden Analyten verändert. Ein derartiges Erkennungselement kann eine analytenspezifische Chemikalie sein, die eine spezifischere chemische Erkennungsinteraktion mit einem interessierenden Analyten als mit anderen Analyten, von denen vermutet wird, dass sie in einer zu analysierenden unbekannten Probe enthalten sind, aufweist. Das Erkennungselement wird weiter unten noch genauer beschrieben. Ein Beispiel einer derartigen analytenspezifischen Chemikalie ist ein Ionophor, wie z. B. Valinomycin, an das sich ein Kaliumion, K+, binden kann. 3) Ein chemisches Element, das seinen chemischen Zustand in Abhängigkeit von der Anzahl der Erkennungsereignisse ändert, wobei der veränderte Zustand selbst eine optisch absorbierende Spezies ist. Ein veranschaulichendes Beispiel eines derartigen chemischen Elements ist ein Farbstoff oder ein chemischer Indikator, wie z. B. Bromothymolblau, das mit dem pH-Wert seine Farbe verändert. 4) Ein chemisches Element, das proportional zu dem Betrag von Anregungsstrahlung, die ihm zugeführt wird, fluoresziert, wobei die Frequenzcharakteristika der abgegebenen Fluoreszenzstrahlung zumindest teilweise an die optischen Absorptionscharakteristika des veränderten Zustands des Elements in 3) angepasst sind.
  • Die im Vorhergehenden unter 1) beschriebene Matrix dient auch dazu, die Elemente unter 3) und 4) zusammen in einer chemischen Umgebung, die die Interaktion zwischen denselben optimiert, anzuordnen, wodurch das Signal/Rausch-Verhalten der Sensorelemente maximiert wird.
  • Bei einem Entwerfen eines Detektors zum Erfassen mehrerer Analyten müssen viele Sensoren zusammen in einen einzigen Detektor implementiert werden. Da das Verhalten mancher der Sensoren durch mehr als einen Parameter, wie z. B. pH, Sauerstoffkonzentration, die Konzentration anderer Ionen wie z. B. Kalium, Calcium und dergleichen, beeinflusst sein kann, kann eine Mehrzahl von Sensoren, von denen sich jeder durch ein Aufweisen eines Unterschieds bei einem der vier Elemente von anderen Sensoren unterscheidet, verwendet werden. Tabelle 1 zeigt Beispiele von typischen Komponenten der Elemente 1 bis 4, die in die Sensormatrix des bevorzugten Ausführungsbeispiels dieser Erfindung aufgenommen sein können. Bei dem Entwerfen eines Sensors muss zumindest eine Komponente aus jeder der Spalten ausgewählt werden. Diese Elemente können auf verschiedene Arten kombiniert werden, um unterschiedliche Sensoren des Arrays herzustellen. Jeder der auf diese Art gebildeten Sensoren spricht auf einen Hauptanalyten an (d. h., visiert denselben an) und kann Interferenzen von einem oder mehreren der anderen Probenparameter aufweisen. Die Auswahl der in einen Sensor aufzunehmenden Elemente wird derart vorgenommen, dass der auf einer gegebenen Zusammensetzung basierende Sensor ein Ansprechverhalten aufweist, das vorzugsweise nicht proportional zu einem Ansprechverhalten eines beliebigen anderen Sensors auf eine bestimmte Umgebungsparameterveränderung, z. B. eine Veränderung bei der Sauerstoffkonzentration, ist. Mit anderen Worten, das Ansprechverhalten des Sensors auf eine bestimmte Umgebungsveränderung weist eine Komponente auf, die vorzugsweise orthogonal zu dem Ansprechver halten anderer Sensoren (die andere Kombinationen der Elemente in der Sensormatrix aufweisen) auf dieselbe Umgebungsveränderung ist. Somit kann eine ausreichend große Anzahl dieser Kombinationen ausgewählt werden, um eine Anordnung herzustellen, die eine vollständige und genaue Analyse der erwünschten Analyten in der Probe erlaubt. Selbstverständlich können redundante Sensoren, die auf eine Umgebungsveränderung auf eine Art und Weise ansprechen, die zu dem Ansprechverhalten eines anderen Sensors proportional ist, verwendet werden. Jedoch enthält die nachfolgende Beschreibung eine Verwendung der minimalen Anzahl von Sensoren, um eine feste Anzahl relevanter Parameter zu erfassen.
  • Die Anzahl von Sensoren, die in dem Detektor vorhanden sein müssen, um eine erwünschte Anzahl von Parametern zu erfassen, hängt, unter anderen Faktoren, von den Parametern und der Methode zum Messen derselben ab. Falls ein Sensor zum Bestimmen der Konzentration eines Analyten einen Mechanismus verwendet, der von dem Einfluss anderer Analyten vollständig unabhängig ist, genügt lediglich ein derartiger Sensor, um den Analyten zu messen, unabhängig davon, wie viele andere Sensoren benötigt werden, um die Konzentration der anderen Analyten zu messen. Angenommen, ein derartiger unabhängiger Sensor erzeugt ein Signal S für eine Konzentration, C, des Analyten, auf den der Sensor auf eine spezifische Weise anspricht, kann die Beziehung mathematisch wie folgt dargestellt werden: S = f (C) Gl.1wobei f eine Funktion ist, die das Signal S zu der Konzentration des Analyten in Beziehung setzt.
  • Vor einer Verwendung eines derartigen Sensors zum Analysieren einer Probe wird der Sensor kalibriert, um die Funktion f zu bestimmen. Dies wird in der Regel experimentell vorgenommen, wonach durch Anpassen der experimentellen Daten von durch den Sensor ansprechend auf eine Reihe von Proben mit variierenden Konzentrationen des Analyten erzeugten Signalen S und der entsprechenden Analytenkonzentrationen ein mathematischer Ausdruck für f entwickelt wird. Der mathematische Ausdruck könnte rein empirisch sein oder auf einer bestimmten theoretischen Funktionalitätsanalyse des Sensorverhaltens basieren. Die Wahl der spezifischen Methoden, die zum Kalibrieren der Sensoren verwendet werden können, ist in der Literatur weitgehend bekannt. Sind derartige vollständig spezifische Sensoren für jeden der Analyten in einer Probe verfügbar, dann ist die Anzahl von Sensoren, die erforderlich sind, um eine Probe vollständig zu analysieren, gleich der Anzahl von Analyten in der Probe. Eine Kalibrierung wäre eine unkomplizierte Aufgabe eines Bestimmens der Funktion f für jeden der Sensoren. In diesem Fall würden für eine Probe, die n Analyten enthält, n derartige Sensoren benötigt, und das Signal von jedem Sensor könnte zusammen mit seiner spezifischen Funktion f, bestimmt durch Kalibrierung, verwendet werden, um die Konzentration des entsprechenden Analyten festzustellen. Das Vorliegen anderer Analyten hätte keine Auswirkung auf die Analyse.
  • Jedoch lautet, wenn das Signal Si des i-ten Sensors in dem Array auch von der Konzentration anderer (interferierender) Analyten 1, 2, 3, 4, ... m, wobei m < oder = n (d. h. weniger oder gleich n), abhängig ist, die Gleichung folgendermaßen: Si = F(Ci, C1, C2, ..., Cm) Gl.2,wobei F die Funktion ist, die das durch den Sensor ansprechend auf die Konzentrationen der interessierenden Analyten und der interferierenden Materialien erzeugte Signal in Beziehung setzt. Gleichung 2 stellt den allgemeinsten Fall dar, in dem die Gesamtanzahl von Analyten, die zu dem Signal des Sensors beitragen, m ist. Die vorliegende Erfindung lehrt Verfahren zum Entwerfen von Sensoren, derart, dass jeder Sensor in dem Array hauptsächlich auf einen Analyten anspricht und ein relativ geringes Ansprechverhal ten gegenüber einer begrenzten Anzahl von anderen Analyten, die als Interferenten bezeichnet werden (die interferierenden Analyten), aufweist. Somit ist m in der Regel kleine Zahl < 10.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass, obwohl Ci als die Konzentration des i-ten Analyten bezeichnet wird, er auch ein anderer Parameter als der der Konzentration sein könnte. Zum Beispiel könnte die Temperaturabweichung zu dem Gesamtsignal Si beitragen. Wirkungen anderer Parameter wie z. B. Druck, Feuchtigkeit, usw., könnten ebenfalls in ähnlicher Weise nachgewiesen werden. Ein derartiger Sensor erzeugt das Gesamtsignal Si, das von den Konzentrationen mehrerer Analyten einschließlich der interferierenden Analyten und anderer Variablen wie z. B. die Temperatur abhängig ist. Deshalb kann ein derartiger Sensor nicht als einziger verwendet werden, um die Konzentration eines Analyten in einer Probe, die andere interferierende Analyten aufweist, zu analysieren.
  • Ein derartiges Array aus Sensoren mit mehreren Interferenzen kann verwendet werden, um die Konzentrationen eines oder mehrerer Analyten in einer Probe zu bestimmen. Um ein derartiges Array zu kalibrieren, muss eine Anzahl von Kalibrierlösungen verwendet werden. In dem allgemeinsten Fall ist das Ansprechverhalten der Sensoren nicht linear oder bilinear, weshalb Gl.2 nicht linearisiert werden kann. Zur Erzeugung der Funktion in Gleichung 2 können Verfahren neuronaler Netze unter Verwendung der erforderlichen Anzahl von Kalibrierproben eingesetzt werden. Derartige Methoden sind in der Literatur bekannt.
  • Die vorliegende Erfindung lehrt ferner ein Verfahren zum Linearisieren des Ansprechverhaltens der Sensoren derart, dass Gleichung 2 vereinfacht werden kann. Darüber hinaus lehrt diese Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen von Sensoren mit lediglich wenigen Interferenten, so dass die mathematischen Formulierungen, die das Sensoransprechver halten zu den Analyten- und Interferentenkonzentrationen in Beziehung setzen, vereinfacht werden und einfache Matrixhandhabungen verwendet werden können, um ein Modell zu erzeugen, das verwendet werden kann, um die Analytenkonzentrationen zu bestimmen.
  • Beispielsweise wird ein auf einer Fluoreszenzlöschung von Ruthenium tris Diphenyl Phenanthrolin basierender Sauerstoffsensor in der Regel nicht durch das Vorhandensein von Ionen und anderen Gasen beeinflusst. Somit muss lediglich ein Sensor, der spezifisch eine Sauerstoffkonzentration anvisiert, vorhanden sein. Jedoch können eine Glukosekonzentration und eine Konzentration von Metaboliten wie z. B. Laktat durch Sensoren gemessen werden, die auch durch eine Sauerstoffkonzentration oder pH-Veränderungen beeinflusst werden. Es können auch Sensoren unter Verwendung von Ionophoren, Indikatorfarbstoffen und Fluorophoren hergestellt werden, wie es nachfolgend beschrieben ist. Derartige Innensensoren können durch pH beeinflusst werden. Somit ist es bei Kenntnis der spezifischen interessierenden Analyten und durch Auswahl der entsprechenden Ionophoren, Indikatoren und der Fluorophoren in einem Sensor möglich zu bestimmen, welche Parameter unter Umständen das Sensorverhalten beeinflussen, d. h. welche Analyten unter Umständen als Interferenten auftreten. Gl.2 kann so für die spezifischen gut definierten Proben vereinfacht werden. Ein derartig entworfenes Array kann unter Verwendung der vereinfachten Form von Gl.2 und einer geeigneten Modellierungsmethode wie z. B. neurale Netze ohne weiteres kalibriert werden. Eine weitere Vereinfachung des Modells wird später basierend auf den nachfolgend erörterten Sensorfunktionen gelehrt.
  • pH-Sensoren
  • Optische pH-Sensoren können auf Lichtabsorbanz- oder Fluoreszenzveränderungen eines schwach dissoziierenden Farb stoffs ansprechend auf Veränderungen des pH-Werts basieren. Ein schwach dissoziierender Farbstoff HA (in Säureform) in Lösung befindet sich gemäß der Gleichung HA <=> A– + H+ Gl.S1im Gleichgewicht mit seiner Basenform A–.
  • Wenn eckige Klammern die Konzentration einer Substanz anzeigen, wobei [A-] die Konzentration von A–, [H+] die Konzentration von H+, und [HA] die Konzentration von HA ist, ist die Gleichgewichtskonstante Ka für diese Reaktion: Ka = [A-] [H+]/[HA] Gl.S2.
  • Da pH = –log [H+] und pKa = –log Ka, pH = pKa – log [HA]/[A–] Gl.S3.
  • Bei einem Sensor, bei dem eine feste Menge des Farbstoffs C ist, was der Fall sein kann, wenn der Farbstoff in einer Matrix immobilisiert ist, bleibt C bei Nichtvorhandensein von Bleichen oder anderen Farbstoffverlusten konstant und C = [HA] + [A–] Gl.S4.
  • Dies führt zu Folgendem: pH = pKa + log (C/[HA] – 1} Gl.S5.
  • Somit kann der pH-Wert durch Messen der Konzentration beider Formen des Farbstoffs, d. h. [HA] oder [A–], gemessen werden.
  • Bei manchen pH-empfindlichen Farbstoffen, wie z. B. Phenolrot, absorbieren die Säureform und die Basenform Strahlung in unterschiedlichen spektralen Regionen. Somit weist für Phenolrot die Säureform eine Absorptionsspitze bei etwa 430 nm und die Basenform eine Absorptionsspitze bei etwa 550 nm auf. Gemäß dem Beer-Lambert-Gesetz gilt Folgendes: Absorbanz [A–] = ∊ L [A-] = log Io/I Gl.S6,wobei ∊ der molare Extinktionskoeffizient von A– ist, L die Länge des durch das Licht zurückgelegten Weges ist, und Io und I die Intensitäten des übertragenen Lichts bei Nichtvorhandensein bzw. Vorhandensein von A– sind.
  • Durch Kombinieren von Gl.S5 und Gl.S6 ergibt sich Folgendes: pH = pKa – log {C ∊ L/log (Io/I) – 1} Gl.S7.
  • Gl.S7 ergibt eine S-förmige Kurve, die den pH-Wert zu dem Verhältnis von Intensitäten (Io/I) in Beziehung setzt.
  • Bei Fluoreszenzfarbstoffen wie z. B. HPTS (8-Hydroxy-1,3,6-Pyrentrisulfonsäure) wird die durch HA und A– (bei Wellenlängen von etwa 405 nm bzw. etwa 470 nm) absorbierte Energie als Fluoreszenz bei etwa 520 nm abgegeben. Die Beziehung zwischen einer Fluoreszenzintensität, IF, die durch eine Probe, die eine Fluorophorkonzentration C mit einem Extinktionskoeffizienten ∊ enthält, abgegeben wird und einer Fluoreszenzquantenausbeute Φ (das Verhältnis der Anzahl von abgegebenen Photonen zu der Anzahl von absorbierten Photonen) ist IF = Io Φ η {1 – exp(–∊ LC)} Gl.S8,wobei η die optische Sammelwirksamkeit des Instruments ist.
  • Bei niedriger Absorbanz kann die Gleichung vereinfacht werden, um wie folgt zu lauten: IF = 2,3 Io Φ η ∊ LC Gl.S9.
  • Für einen pH-empfindlichen Fluoreszenzfarbstoff, der auf der Absorptionsspitze der Basenform angeregt wird, wird die Fluoreszenzintensität, IFA, zu pH in Beziehung gesetzt durch: pH = pKa – log {konstant/IFA – l} Gl.S10.
  • Eine Gleichung für die Säureform des Farbstoffs kann in ähnlicher Weise abgeleitet werden.
  • PCO2-Sensoren
  • Teildruck von Kohlendioxid, PCO2, wird in der Regel unter Verwendung des Severinghaus-Prinzips, wie es nachfolgend gezeigt ist, gemessen. CO2 aufgelöst in Wasser dissoziiert in Wasserstoffionen (H+) und Bicarbonationen (HCO3 –). CO2 + H2O <=> H2CO3 <=> H+ + HCO3 – Gl.S11.
  • Im Gleichgewicht ist die aufgelöste Konzentration von CO2 in einer wässrigen Probe wie z. B. Blut proportional zu dem Teildruck von CO2. Die Gleichgewichtskonstante (Dissoziationskonstante) für CO2 in Wasser ist KCO2 = {[H+] [HCO3 –]}/{[CO2] [H2O]} Gl.S12.
  • Ist das Medium, in dem die Messung vorgenommen wird, eine wässrige Lösung von NaHCO3, das vollständig in Na+- und HCO3 –-Ionen dissoziiert, bleiben die Gesamtkonzentrationen von HCO3 – und H2O in dem Medium relativ konstant und es zeigt sich, dass Gl.S12 zu PCO2 = konstantA [H+] oder pH = konstantB + log PCO2 Gl.S13führt.
  • Die obige Gleichung zeigt an, dass CO2 aufgelöst in einer Probe durch Messen des pH-Werts einer Bicarbonatlösung in Gleichgewicht mit der Probe gemessen werden kann. Um zu vermeiden, dass Veränderungen bei dem pH-Wert der Probe die CO2-Messungen beeinflussen, können der Sensor mit der Bicarbonatlösung und ein pH-empfindlicher Farbstoff zum optischen Erfassen durch eine Membran, die lediglich zulässt, dass CO2 mit der Pufferlösung äquilibriert, eingekapselt oder abgeschieden werden. Eine derartige Membran dient als eine Barriere gegen die Wasserstoffionen in der Testprobe.
  • PO2-Sensoren
  • Wasserstoff ist ein ausgezeichneter Löscher der Fluoreszenz vieler Fluorophore. Optische Methoden zur Sauerstofferfassung können auf einer Fluoreszenzlöschung eines angeregten Zustands eines Farbstoffmoleküls (Fluorophormoleküls) beruhen. Die Anregung eines Fluorophors F und seine Löschung durch ein Sauerstoffmolekül werden durch die folgenden Gleichungen dargestellt: F + hνex → F* Gl.S14,wobei h die Plancksche Konstante, νex die Anregungsfrequenz der Strahlung und * den angeregten Zustand einer Substanz darstellen.
  • Für den strahlenden Zerfall gilt F* → F + hνem Gl.S15,wobei νem die Frequenz der bei dem Zerfall von F* abgegebenen Strahlung ist.
  • Bei nicht-strahlenden Zerfall gilt F* → F + ΔH Gl.S16,wobei ΔH die Enthalpieveränderung ist. Wenn die Fluoreszenz durch einen Zusammenstoß mit Sauerstoffmolekülen gelöscht wird, ergibt sich F* + ½ O2 → F + O* Gl.S17und O* → ½ O2 + ΔH Gl.S18.
  • Somit kann die Menge von vorliegendem Sauerstoff durch Messen der Sauerstofflöschung einer angeregten Form des Fluorophors bestimmt werden.
  • Die Zerfallsrate eines angeregten Fluorophors F* nach momentaner Anregung ist d/dt [F*]o = –(γ + κ) [F*]o Gl.S19,wobei γ und κ Ratenkonstanten für einen strahlenden und nicht-strahlenden Zerfall (d. h. ohne Löscher) sind. Bei kontinuierlicher Beleuchtung wird eine dauerhafte Besetzung der angeregten Fluorophore, d. h. F*, hergestellt.
  • Bei Nichtvorhandensein eines Löschers (dargestellt durch eine nachgesetzte Kennung „o") gilt d/dt [F*]o = f(t) – (γ + κ) [F*]o = 0 Gl.S20, wobei f(t) die Gleichbleibende-Anregung-Funktion ist. Bei Vorhandensein eines Löschers lautet die Gleichung wie folgt d/dt [F*] = f(t) – {(γ + κ) + kq [Q]} [F*] = 0 Gl.S21, wobei kq die Ratenkonstante der durch Gl.S17 (Löschungsrate) dargestellten Reaktion und [Q] die Konzentration des Löschers O2 ist. Aus einem Ausschließen von f(t) und einem Schreiben von (γ + κ) als 1/τo, wobei τo die Lebensdauer des Fluorophors in Abwesenheit eines Löschers ist, folgt: [F*]o/[F*] = 1 + kq τo [Q] Gl.S22.
  • Angenommen, die Rate des nicht-strahlenden Zerfalls verändert sich bei dem Vorliegen eines Löschers nicht und die Fluoreszenzintensität ist proportional zu der Anzahl von strahlenden Fluorophoren, kann die Gleichung wie folgt lauten: IFo/IF = l + KSV[4] Gl.S23,wobei KSV gleich kq τo ist und als die Stern-Volmer-Konstante bekannt ist, und Gl.S22 und Gl.S23 Variationen der Stern-Volmer-Gleichung sind. Somit kann durch Messen der Intensität der Fluoreszenzemission durch einen kontinuierlich angeregten Fluorophor die Konzentration des Löschers wie z. B. Sauerstoff unter Verwendung der Stern-Volmer-Gleichung gemessen werden.
  • Für Lebensdauermessungen kann der Fluorophor durch eine Deltafunktion angeregt werden, und es wird die Fluoreszenzzerfallsrate beobachtet. Gemäß Gl.S20 ist die Lebensdauer des Fluoreszenzzerfalls bei Abwesenheit von Fluorophor τo = l/(γ + κ) Gl.S24.
  • Bei Vorhandensein eines Löschers ist die Lebensdauer τ = l/(l/τo + kq [Q]) Gl.S25und τo/τ = l + KSV [Q] Gl.S26, was die Lebensdauerform der Stern-Volmer-Gleichung ist und verwendet werden kann, um unter Verwendung von Lebensdauermessungen eine Sauerstoffkonzentration zu bestimmen.
  • Elektrolytsensoren
  • Kationen wie z. B. Na+, K+, Ca++ und Mg++ können gemäß sehr ähnlicher Richtlinien optisch gemessen werden. In der Regel wird ein innenselektiver Ionophor ausgewählt. Derartige Ionophore sind lipophile Einschlussverbindungen, die in der Regel eine Ringstruktur aufweisen. Bei einer derartigen Verbindung enthält der Ring mehrere geringfügig elektronegative Atome wie z. B. Sauerstoff. Die Größe des Rings und die Gesamtanzahl der Sauerstoffatome bestimmen die relative Präferenz (Selektivität) des Ionophors bezüglich der Kationen verschiedener Größen und geladener Zustände. Eine weitere Ionophorklasse durchläuft im Anschluss an eine selektive Bindung eines Kations Konformationsänderungen. Somit bildet ein auf einem Doppelkranzether basierender Ionophor, der als BME-44 bezeichnet wird, einen doppelschalenartigen Einschluss für ein aufgenommenes Kaliumion. BME-44 weist zwei durch eine Dreikohlenstoffkette verbundene Kranzether auf. Ist ein Kaliumion vorhanden. Liegt ein Kaliumion vor, falten sich die zwei Kranzether um, um die Doppelschale zu bilden. Jedoch ist die vorliegende Erfindung auch unabhängig von der wissenschaftlichen Theorie bezüglich Ionophoren anwendbar.
  • Diese Ionophore sind lipophil und werden in einem hydrophoben Polymer wie z. B. Polyvinylchlorid (PVC) zusammen mit einer großen Menge eines Weichmachers maskiert. Die Ionophore extrahieren das selektive Ion aus der wässrigen Lösung, die in Kontakt mit der Polymeroberfläche ist. Da sich das Ion in dem Ionophor in einem günstigeren Energieumfeld befindet als in der wässrigen Umgebung, tritt es ohne weiteres in die hydrophobe Phase des Polymers ein.
  • Dies bewirkt jedoch eine Ladungsungleichheit in der Polymerphase und auf der Oberfläche des Polymers. Der Überschuss an in dem Polymer aufgebauter Ladung kann verwendet werden, um ein weiteres, weniger erwünschtes Kation wie z. B. H+ aus der Polymerphase abzuspalten. Alternativ wird eine geladene Doppelschicht auf der Oberfläche des Polymers gebildet. Die Anzahl von abgespalteten Kationen oder der Potentialgradient auf der Oberfläche ist proportional zu der Konzentration des Kations in der wässrigen Lösung. Ähnliche Ionophore sind auch für manche Anionen wie z. B. Chloridionen verfügbar. Eine Extraktion eines Anions in die Polymerphase bewirkt, dass ein weiteres Anion abgespaltet wird oder ein Kation wie z. B. ein Wasserstoffion das Anion in die Polymerphase begleitet.
  • Der Aufbau an Potential auf der Oberfläche des Polymers kann unter Verwendung von potentialempfindlichen Farbstoffen optisch gemessen werden. Die Fluoreszenz mancher Farbstoffe, wie z. B. von Rhodamin B, hängt stark von der elektrischen Ladung in ihrer Umgebung ab. Somit kann eine Messung der Fluoreszenzveränderungen eines Polymerfilms, in dem ein derartiger Farbstoff zusammen mit einem Ionophor immobilisiert ist, verwendet werden, um die Konzentration des selektiven Ions in einer Probe zu messen.
  • Wie im Vorhergehenden erwähnt, kann eine Extraktion eines positiven Ions in ein hydrophobes Polymer durch ein Ionophor so sein, dass ein weiteres Kation wie z. B. ein Wasserstoffion abgespalten wird. Somit verliert, wenn ein pH-empfindlicher Farbstoff wie z. B. HPTS von Phenolrot oder Bromothymolblau in dem Polymer angeordnet ist, der Farbstoff ein Wasserstoffion, wenn ein Kation durch den Ionophoren aus der Probe extrahiert wird. Somit verändert sich die optische Absorption oder die Fluoreszenzemission des Farbstoffs wie bei den im Vorhergehenden beschriebenen pH-Sensoren. Eine Umkehrung dieses Effekts kann verwendet werden, um die Konzentration von Anionen zu bestimmen.
  • Die Faltung von BME-44 bei Vorliegen eines Kaliumions kann dazu benutzt werden, um einen Fluorophoren wie z. B. Rhodamin und einen Löscher wie z. B. Fluorescein näher zusammen zu bringen. Bei dieser Konfiguration bewirkt die Foerster-Energieübertragung von dem Fluorophor zu dem Löscher die Fluoreszenzveränderung im Verhältnis zu der Anzahl von extrahierten Kaliumionen. Wird ein Elektronendonator zwischen einen Fluorophor und einen Ionophor (für Kationen) platziert, wird die Fähigkeit des Donators, ein Elektron auf den angeregten Fluorophoren zu übertragen, blockiert, wenn sich ein Kation in dem Ionophor befindet. Somit ist der Fluoreszenzprozess nicht-strahlend, wenn kein Kation in dem Ionophor vorhanden ist. Wird ein Kation durch den Ionophoren eingefangen, wird die Elektronenübertragung auf den Fluorophoren blockiert und die Fluoreszenzenergie wird strahlend abgegeben.
  • Metabolitsensoren
  • Metabolite wie z. B. Glukose, Laktat und Kreatinin werden unter Verwendung enzymatischer Umwandlung dieser Spezies (Substrate) in ein anderes Molekül, wie z. B. Wasserstoffperoxid, gemessen. Alternativ ist die enzymatische Umwandlung des Substrats von einen Verbrauch einer weiteren Spezies wie z. B. Sauerstoff begleitet. Somit kann eine Sensormessung der Konzentration jeglicher dieser erzeugten oder verbrauchten Spezies verwendet werden, um die Konzentration des Substrats zu bestimmen.
  • Glukose wird gemäß der folgenden Gleichung mit dem Verbrauch von Sauerstoff durch Glukoseoxidase (GOD) in Wasserstoffperoxid umgewandelt: Glukose + GOD + O2 -> Glukonsäure + H2O2 Gl.S27
  • Katalysiert durch Laktatdehydrogenase und vermittelt durch NAD-erzeugende Wasserstoffionen wird Laktat in Pyruvat umgewandelt: Laktat + NAD -> Pyruvat + NADH + H+ Gl.S28
  • Kreatinin kann unter Verwendung eines Multienzymversuchs, bei dem die folgenden Reaktionen auftreten, gemessen werden: Kreatinin + H2O -> Kreatin (Enzym: Kreatinin-Amidohydrolase) Gl.S29 Kreatin -> Sarkosin + Harnstoff (Enzym: Kreatin-Amidinohydrolase) Gl.S30 Sarkosin + H2O + O2 -> Glycin + HCHO + H2O2 (Enzym: Sarkosin-Oxidase) Gl.S31
  • Die Gleichungen S27 bis einschließlich S31 zeigen an, dass Glukose und Kreatinin unter Verwendung von den im Vorhergehenden erörterten Sauerstofferfassungsverfahren gemessen werden können. Jedoch kann die Sauerstoffspannung in einer Probe wie Blut beträchtlich variieren. Es ist daher bevorzugt, diese Reaktion sauerstoffunabhängig zu machen. Bei der Glukoseerfassung wird dies durch Verwendung eines Mediators wie z. B. Cyanoferrat(III), das den Sauerstoff ersetzt, erzielt. Zum Messen von Laktat kann ein pH-Sensor verwendet werden. Hier wirkt sich eine Veränderung in dem pH der Probe auch auf die Laktatmessungen aus. In diesen Situationen ist es erforderlich, das PO2 und pH der Probe zu messen und die Interferenzen zu korrigieren.
  • Basierend auf dem im Vorhergehenden genannten können unter Verwendung von Kombinationen aus Matrixmaterial, analytenspezifischen Chemikalien, Indikatorfarbstoffen und Fluorophoren Sensormatrizen hergestellt werden. Tabelle 1 zeigt eine Liste veranschaulichender Beispiele dieser Materialien, die ausgewählt werden können. Tabelle 1 Zusammensetzungsbeispiele typsicher Sensormatrizen
    (1) Matrixmaterialelement (2) Analytenspezifisches Element (3) Indikatorelement (4) Fluorophorelement
    Ein Hydrogel wie z. B. Poly(acrylamid) oder Poly(HEMA), Aerogels, Xerogels, Silikagels, Ethylzellulose, PVC, Silikongummi und seine Derivate, Polyamid und seine Derivate, Silikateilchen, Phasentransfermittel, Weichmacher Bromothymolblau, Ionophore wie z. B. Valinomycin, Monensin, TDMA-Cl Alizarin oder Mordant 11, Alizarinrot S oder Mordant Rot 3, Bromothymolblau, Alkaliblau 6B, Arsenazo III, Brilliantgrün, Chlorophenolrot, Malchitgrün, Methylpurpur, α-Naphtholphthalein, Nitrazingelb, Resazurin, Tetrabromophenolblau, Thymolblau Ru(II)-Tris (4,4'-Diphenyl-2,2'-Bipyridyl) Chlorid, Ru(II)tris-4,7-Diphenyl-1,10 Phenanthrolin Perchlorat, Ru-tris(Diphenyl-Dipyridyl) Perchlorat, oder beliebige andere Derivate von Ruthenium tris oder Bis- Verbindungen mit Phenanthrolin- oder Pyridyl-Liganden
  • Ein anderes Matrixmaterial kann auf der Basis seiner Löslichkeit für die Analyten und der Diffusionsrate der Analyten in der Matrix ausgewählt werden. Das analytenspezifische Element kann ausgewählt werden, um den spezifischen interessierenden Analyten anzuvisieren und, falls er wünscht, derart, um den Einfluss anderer Analyten auf den Sensor zu minimieren. Zum Beispiel wäre zum Erfassen von pH in dem physiologischen Bereich ein pH-empfindlicher Farbstoff wie z. B. Bromothymolblau geeignet. Jedoch wird zum Erfassen der pH-Wertveränderung aufgrund von Glukoseoxidation durch Glukoseoxidase in einem Glukosesensor bevorzugt ein anderer Farbstoff, der einen pK-Wert aufweist, der an einen pK-Wert dieser Oxidationsreaktion angepasst ist, ausgewählt. Darüber hinaus sollte, wie im Vorhergehenden erwähnt, der Wellenlängenbereich für optische Absorption dieses Farbstoffs die Fluoreszenzemissionswellenlänge des Fluorophors von Element (4) überlappen. Ein derartiger Farbstoff (Indikatorelement) kann aus den in Tabelle 1 aufgelisteten ausgewählt werden. Informationen über die pK-Werte und Bereiche optischer Absorption verschiedener pH-empfindlicher Indikatoren sind in der Literator ohne weiteres verfügbar (z. B. Sigma-Aldrich Handbook of Stains, Dyes and Indicators, ISBN-Nummer 0-041633-22-5). Den Fachleuten auf dem Gebiet optischer Indikatoren ist auch bekannt, wie manche Farbstoffe chemisch modifiziert werden können, um den pK-Wert und/oder den Wellenlängenbereich für optische Absorption anzupassen. Derartige Modifizierungen können vorgenommen werden, um die Erfordernisse dieser Erfindung zu erfüllen.
  • Die Fluorophore können ausgewählt sein, um in einem interessierenden Anregungswellenlängenbereich und einem interessierenden Fluoreszenzwellenlängenbereich zu arbeiten. Zum Beispiel können eine Reihe der in der vierten Spalte der Tabelle 1 aufgelisteten Fluorophore durch eine gemeinsame optische Quelle angeregt werden. Darüber hinaus zeichnen sich diese Fluorophore auch durch eine lange (0,5–4 Millisekunden) Fluoreszenzzerfallslebensdauer aus, die jeweils in einem Bereich liegt, der kurz genug ist, um unter Verwendung lediglich einer optoelektronischen Konfiguration gemessen werden zu können. Andere Fluorophore dieses Literaturtyps können stattdessen oft verwendet werden (z. B. Atlas of Fluorescence Spectra and Lifetimes of Dyes attached to Protein, Analytical Letters, 18(A4), 393–421 (1985)). Darüber hinaus ist es für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich, dass auch andere Farbstoffe modifiziert werden können, um die Anregung, die Emissionswellenlängen und die Lebensdauer einzustellen, um die Erfordernisse dieser Erfindung zu erfüllen. Es wird in Betracht gezogen, dass derartige modifizierte Farbstoffe in der Praxis dieser Erfindung verwendet werden.
  • Bei der Herstellung von Sensoren können, wie im Vorhergehenden erwähnt, viele interessierende Analyten wie z. B. in einer physiologischen Flüssigkeit (z. B. Blut, Speichel, Urin usw.) über Veränderungen bei der pH-Wert- und Sauerstoffmessung gemessen werden. Puffermethoden und Enzymumwandlung, Ionophore und Kombinationen aus schwachen Säuren (für eine Elektrolytmessung) können verwendet werden. Dies ermöglicht die Abfrageeffizienz der Sensoren. Somit nutzt zumindest ein Teil (z. B. mindestens ein Drittel oder mindestens die Hälfte oder alle) der Sensoren vorzugsweise die Messung der O2-Konzentration (oder das Vorliegen) oder die pH-Wertmessung, um die Konzentration oder das Vorliegen des interessierenden Analyten herzuleiten. Tabelle 2 zeigt eine veranschaulichende Auflistung von interessierenden Analyten und den Veränderungen, die zum Bestimmen der Konzentration der Analyten verwendet werden können. Tabelle 2 Verwendung einer pH- und PO2-Messung zum Analysieren verschiedener Analyten
    Interessierender Analyt Veränderungen, die verwendet werden, um den Analyten zu messen
    H+ pH (d. h. H+-Konzentration)
    CO2 pH
    Na+ pH
    K+ pH
    Ca++ pH
    Cl– pH
    BUN pH
    Glukose pH
    O2 O2
    Glukose O2
    Laktat O2
    Kreatinin O2
  • Beispielsweise kann bei einem Ausführungsbeispiel eines Sensors, der Kaliumionen erfasst, die Matrix mit dem Erkennungselement, dem Farbstoff und dem Fluorophor die Kaliumsensormembran sein, die durch Wolfbeis u. a. in „Set of luminescence decay time based chemical sensors for clinical applications", Sensors and Actuators, B51 (1998) 17–24 beschrieben ist. Die Offenbarung über Farbstoffe, Fluorophore, die chemische Zusammensetzung von Fluores zenz/Absorbanz, und den Aufbau von Sensoren ist bei Wolfbeis u. a. beschrieben. Eine derartige Matrix umfasst PVC (Polyvinylchlorid) mit einem Weichmacher, Ionophore von Valinomycin, einen chemischen Indikator von Bromothymolblau, und einen Fluorophor von Rutheniumtris(Dipyridyl)Perchlorat, d. h. Ru(Didipy).
  • 3 ist ein Absorbanz- und Lumineszenzgraph der Elemente in einem derartigen System (wie es durch Wolfbeis u. a. oben beschrieben ist) der zeigt, wie er verwendet werden kann, um das Vorliegen und die Menge von Kaliumionen zu erfassen. In 3 ist eine Kurve V1 die Absorbanz eines reaktiven Indikatorfarbstoffs N-9 unter alkalischen Bedingungen von etwa pH 9 (d. h., in einer alkalischen Lösung). Eine Kurve V2 ist die Absorbanz des Farbstoffs N-9 unter sauren Bedingungen von etwa pH 4. Diese zwei Kurven zeigen, dass sich die Absorbanzspitze mit dem Verändern des pH-Werts entlang der Frequenzachse (anders ausgedrückt, der Wellenlängenachse) bewegt. Eine Kurve V3 ist die Absorbanz des Fluorophor-Ru-Komplexes (d. h. Ru(Didipy)). Eine Kurve V4 ist die Fluoreszenzemission des Ru-Komplexes.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch ein Ausnutzen der Tatsache, dass pH die Absorbanzwellenlänge des Indikatorfarbstoffs verändert, die Fluoreszenzintensität des Fluorophors in einer Lösung verwendet werden, um die pH-Wertveränderung zu erfassen. Wenn z. B. der Fluorophor durch ein Licht von etwa 470 nm angeregt wird, emittiert der Fluorophor eine Fluoreszenz in einem Bereich, der seinen Spitzenwert bei etwa 630 nm hat. Diese Fluoreszenzspitze überlappt mit der Absorbanzspitze von N-9 bei pH 9. Es wird daher ein Teil des Fluoreszenzlichts durch den Farbstoff absorbiert. Wenn K+ durch den Ionophoren Valinomycin aufgenommen wird, erfordert das Ladungsgleichgewicht, dass die schwache Säure (Valinomycin) ein H+ abspaltet, was zu einem Abfall des pH-Werts führt. In dem Maße wie der pH-Wert fällt, bewegt sich die Absorbanzspitze des Farbstoffs N-9 hin zu kürzeren Wellenlängen und absorbiert daher weniger der Fluoreszenz des Ru-Komplexes. Ferner kann es sein, dass sich die N-9-Absorbanzspitze nahe genug an die Absorbanzspitze des Fluorophor-Ru-Komplexes heranbewegt, um mit dem Fluorophoren um das Anregungslicht von einer Lichtquelle zu konkurrieren, wodurch die Fluoreszenz des Ru-Komplexes weiter reduziert wird. Somit kann die Fluoreszenzemission des Ru-Komplexes erfasst werden, um die pH-Wertveränderung in der Lösung anzuzeigen. Es können mehrere unterschiedliche Indikatoren in unterschiedlichen Sensoren zum Einsatz kommen, um denselben Analyten zu erfassen. Offensichtlich haben unterschiedliche Indikatorfarbstoffe unterschiedliche Absorbanzcharakteristika, und unterschiedliche Fluorophore haben unterschiedliche Anregungs- und Fluoreszenzcharakteristika. Durch gewissenhafte Auswahl von Indikatorfarbstoffen und Fluorophoren können unterschiedliche Sensoren hergestellt werden, um unterschiedliche Fluoreszenzemissionen in demselben pH-Bereich oder in unterschiedlichen pH-Bereichen bereitzustellen.
  • Wie im Vorhergehenden erwähnt, kann ein Analyt unter Verwendung von zwei oder mehr unterschiedlichen Chemiemethoden analysiert werden. Zum Beispiel kann ein Glykosesensor auf dem enzymatischen Einwirken von Glukoseoxidase basieren, um Glukose in Glukonsäure umzuwandeln, die eine schwache Säure ist und zu einer Veränderung des pH-Werts führen würde. Darüber hinaus wird bei dem Umwandeln von Glukose in Glukonsäure O2 verbraucht und die Veränderungen im Sauerstoffgehalt in einer Probe können gemessen werden, um die Konzentration von Glukose in der Probe abzuleiten. Ein weiteres Beispiel ist Harnstoff, der durch das enzymatische Einwirken von Urease in CO2 und NH3 umgewandelt werden kann. CO2 löst sich in einer Bikarbonatlösung auf und verändert seinen pH-Wert, was durch einen pH-Sensor gemessen werden kann. Das gebildete NH3 wird durch Nitrifikationsbakterien, die O2 verbrauchen, verbraucht. Somit kann die Harnstoffkonzentration durch einen Sensor mit Nitrifikationsbakterien und einer Fähigkeit zur pH-Werterfassung bestimmt werden. Für unterschiedliche Gase können unterschiedliche Matrizen (z. B. Membranen) verwendet werden, um unterschiedliche Löslichkeiten der Gase in den Matrizen bereitzustellen. Um Ionen über eine Messung des pH-Werts durch die Methode des Verwendens eines für das interessierende Ion spezifischen Ionophors und eines Indikatorfarbstoffs zu erfassen, können Sensoren unter Verwendung mehrerer unterschiedlicher pH-empfindlicher Indikatorfarbstoffe hergestellt werden. Diese Indikatorfarbstoffe werden so ausgewählt, dass sie unterschiedlichen pK-Werte und somit eine andere Empfindlichkeit gegenüber den pH-Wertveränderungen aufweisen.
  • Basierend auf Tabelle 1 können durch das Auswählen von Ionophoren Schemata, die ähnlich zu dem vorhergehenden zum Erfassen von K+ sind, zum Erfassen anderer Ionen verwendet werden. Die vorliegende Erfindung stellt ein Schema bereit, bei dem ein Indikatorfarbstoff, der empfindlich gegenüber PO2 ist, so hergestellt sein, dass er auf pH anspricht, und umgekehrt. Wie im Vorhergehenden beschrieben, variiert die Fluoreszenzintensität bestimmter Fluoreszenzfarbstoffe (z. B. Ru(Didipy), das bei einer Spitze bei etwa 620 nm fluoresziert) in Abhängigkeit von der Konzentration des Löschers (hier Sauerstoff) gemäß der Stern-Volmer-Gleichung: IFo/IF = l + KSV [Q] Gl.S23.
  • Auch die Zeitkonstante eines Farbstoffs, wie er z. B. auch Ru(Didipy) ist, hängt von der Konzentration des Löschers ab: τ = l/(l/τo + kq [Q]) Gl.S25.
  • Mehrere Rutheniumfarbstoffe weisen diese Charakteristika auf, z. B. Ru(II)-Tris(4,4'-Diphenyl-2,2'-Bipyridyl)Chlorid und Ru(II)tris-4,7-Diphenyl-1,10 Phenanthrolin Perchlorat. Diese Rutheniumkomplexe und andere Komplexe aus Übergangsmetallen sind vorteilhafterweise zu verwenden, da sie lange Zeitkonstanten (z. B. in der Größenordnung von einigen Millisekunden) aufweisen, die sie besonders geeignet zur Messung von Veränderungen als Folge von Löschen machen. Durch ihre Anregungswellenlängen sind derartige Farbstoffe auch geeignet zur Verwendung im Zusammenhang mit handelsüblichen Laserdiodenlichtquellen und Photodiodendetektoren.
  • Wie es in 3 gezeigt ist, weisen die Fluoreszenzkurve des Ru-Farbstoffs und die Absorbanzspitze von Bromothy molblau (BTB) eine wesentliche Überlappung auf. Darüber hinaus hängt die Absorbanz von BTB (ABTB) von pH ab, und zwar gemäß pH = pKa – log {konstant/ABTB – l} Gl.S32,wobei Ka die Dissoziationskonstante von BTB ist. BTB weist eine Absorptionsspitze auf, die sich mit der Fluoreszenzspitze der Ru-Farbstoffe überlappt. Die resultierende Veränderung bei der Fluoreszenzemission und die damit einhergehende Veränderung bei der Fluoreszenzlebensdauer hängen von pH ab. Die Gleichungen Gl.S23 und Gl.S32 können kombiniert werden, und Gl.S25 kann über die Fluoreszenzabsorbanzüberlappungsregion mit Gl.S32 kombiniert werden, um eine Beziehung zwischen pH und Sauerstoffkonzentration zu erhalten.
  • Mehrere pH-empfindliche Farbstoffe weisen eine Absorbanzspitze auf, die sich mit der Fluoreszenzspitze von Rutheniumkomplexen überlappt. Die folgende Tabelle 3 ist eine Auflistung einiger Beispiele: Tabelle 3 Absorbanz pH-empfindlicher Farbstoffe
    Farbstoff Absorbanz, nm Region/Maximum pH-Bereiche
    Alizaria oder Mordant Rot 11 500–650/567, 610 5,5–6,8; 10,1–12,1
    Alizarinrot S, Mordant Rot 3 490–640/556, 596 3,7–5,2
    Alkaliblau 6B 500–700/603 9,4–14,0
    Brillantgrün 550–700/625 0–2,6
    Chlorophenolrot 450–620/572 4,8–6,4
    Malachitgrün 50–670/614 0-2,0; 11,6–14,0
    Methylpurpur 550–67-/620 4,8–5,4
    α-Naphtholphthalein 500–72- 7,3–8,7
    Nitrazingelb 450–700/586 6–7,2
    Resazurin 500–650/598 3,8–6,5
    Tetrabromophenolblau 500–670/610 3,0–4,6
    Thymolblau 480–670/596 1,2–2,8; 8,0–9,2
    Thymonaphthelein 500–689/592 8,8–10,5
    Bromothymolblau 500–700/615 6,0–7,6
  • Auch wenn nicht alle der Farbstoffe eine hohe pH-Empfindlichkeit über den Bereich, über den sich der pH-Wert der Probe verändert, aufweisen, können sie vorteilhafterweise verwendet werden, wenn die Matrix, in der der Farbstoff wirksam sein kann, nur wenig Interferenz von anderen Analyten zulässt. Zum Beispiel verhindert eine hydrophobe Membran, dass Ionen durch dieselbe hindurchgehen. Tabelle 4 zeigt eine Tabelle von Beispielen einer Polymersubstanz mit verschiedener Sauerstofflöslichkeit. Durch Verändern der Polymersubstanz können Sensoren mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten hergestellt werden. Tabelle 4 Löslichkeit von Sauerstoff in Polymeren
    Polymer Löslichkeit von Sauerstoff, ppm
    amorphes Polyethylen 110
    Naturgummi 160
    Polybutadien 140
    Butylgummi 175
    Polyvinylacetat 90
  • Beispiel
  • Die folgenden Beispiele veranschaulichen, wie verschiedene Elemente der Tabelle 1 ausgewählt werden können, um ein Sensorarray für einige der Parameter, die in der medizinischen Diagnostik routinemäßig gemessen werden, herzustellen. Beispiele von Sauerstoffsensoren: Zusammensetzungen der verschiedenen Elemente der Sauerstoffsensoren dieses Beispiels
    Sensornummer Element 1 Element 2 Element 3 Element 4
    Sensor 1 PSAR-Silikon, Phenyl Triacetoxysilan und L-90-Silika Tris(4,7-Diphenyl-1,10 Phenanthrolin) Ruthenium II Dichlorid Tris(4,7-Diphenyl-1,10 Phenanthrolin) Ruthenium II Dichlorid Tris(4,7-Diphenyl-1,10 Phenanthrolin) Ruthenium II Dichlorid
    Sensor 2 RTV 118 Silikongummi von General Electric Tris(4,7-Diphenyl-1,10 Phenanthrolin) Ruthenium II Dichlorid Tris(4,7-Diphenyl-1,10 Phenanthrolin) Ruthenium II Dichlorid Tris(4,7-Diphenyl1,10 Phenanthrolin) Ruthenium II Dichlorid
  • Sensor 1: Etwa 0,92 Gramm PSAR-148-Silikon (erworben von HUELS AMERICA) und 0,13 Gramm Phenyl Triacetoxysilan (HUELS AMERICA) werden in etwa 4 Milliliter Chloroform in einem Reagenzglas aufgelöst. Anschließend werden 0,13 Gramm L-90- „Cab-O-Sil"-Silika von CABOT CORPORATION beigemischt. Anschließend werden 5,2 Milliliter einer Lösung, die 0,01838 Gramm Tris(4,7-Diphenyl-1,10 Phenanthrolin) Ruthenium II Dichlorid pro 100 Milliliter Chloroform enthält, beigemischt. Die Mischung wird mit einem Homogenisator von BRINKMANN homogenisiert. Das resultierende Material kann in sauerstoffempfindliche Sensorfilme gegossen werden. Dieser Sensor kann bei einer Wellenlänge von etwa 450 nm beleuchtet werden, und die bei einer Wellenlänge von etwa 610 nm emittierte Fluoreszenz oder die Fluoreszenzlebensdauer kann gemessen werden. Die Fluoreszenzintensität oder die Lebensdauer ist auf die Sauerstoffkonzentration bezogen, wie es durch die Stern-Volmer-Gleichung oder eine geeignete Modifizierung derselben beschrieben ist.
  • Diese Materialzusammensetzung und andere ähnliche Zusammensetzungen zum Herstellen von Sauerstoffsensoren werden in den U.S.-Patenten 5,057,277 und 5,194,391 an Mauze u. a. gelehrt. Die Synthese von Tris(4,7-Diphenyl-1,10 Phenanthrolin) Ruthenium II Dichlorid ist ebenfalls in diesen Patenten beschrieben.
  • Sensor 2: etwa 1,5 Gramm handelsüblicher Silikongummi (RTV 118 von GENERAL ELECTRIC) wird in etwa 4 Milliliter Chloroform und etwa 5 Milliliter einer Lösung, die 0,01838 Gramm Tris(4,7-Diphenyl-1,10 Phenanthrolin) Ruthenium II Dichlorid pro 100 Milliliter Chloroform enthält, aufgelöst. Die gesamte Mischung wird gerührt. Die Lösung kann verwendet werden, um, wie erwünscht, Sensorfilme zu gießen. Dieser Sensor kann mit einer Anregungsquelle bei einer Wellenlänge von etwa 450 nm abgefragt werden, und die Emission kann bei einer Wellenlänge von etwa 610 nm gemessen werden. Es können Stern-Volmer-Gleichungen oder Modifizierungen derselben verwendet werden, um die Beziehung zwischen der Sauerstoffkonzentration und der Emissionsintensität oder der Fluoreszenzlebenszeit darzustellen. Beispiele von pH-Sensoren: Zusammensetzungen der verschiedenen Elemente der pH-Sensoren dieses Beispiels
    Sensornummer Element 1 Element 2 Element 3 Element 4
    Sensor A Polyurethan Wasserstoff D4 Bronothymolblau Ru(II) Tris(4,4'-Diphenyl-2-2'-Bipyridyl) Bisbromothmolblau Hexahydrat Ru(II) Tris(4,4'-Diphenyl2-2'-Bipyridyl)
    Sensor B D4TMI-PEG-Jefframin-Polymer-Netz [Ru (phen)2 [(phen)(OH)2]]2+ [Ru (phen)2 [(phen)(OH)2]]2+ [Ru (phen)2 [(phen)-(OH)2]]2+
    Sensor C D4TMI-PEG-Jefframin-Polymer-Netz [Ru (ph2phen)2 [(phen) (OH)2]]2+ [Ru(ph2phen)2 [(phen) (OH)2]]2+ [Ru(ph2phen)2 [(phen) (OH)2]]2+
  • Sensor A: Dieser Sensor wird unter Verwendung eines als Ru(II)Tris(4,4'-Diphenyl-2-2'-Bipyridyl) Bisbromothymolblau-Hexahydrat, (Ru(dph-bpy)BTB) bezeichneten Innenpaars hergestellt. Die Herstellung dieses Ionenpaars und anderer ähnlicher Ionenpaare, die hierin verwendet werden können, um diese Erfindung zu praktizieren, ist in „Strategies to Design pH Optrodes with Luminescence Decay Times in the Microsecond Time Regime", Ute Kosch, Ingo Klimant, Tobias Werner und Otto Wolfbeis, Analytical Chemistry, Bd. 70, Nr. 18, 15. September 1998, beschrieben.
  • Etwa 4 Gramm Polyurethan-Hydrogel D4 (TYNDALL-PLAINS-HUNTER LTD) werden in 72 Gramm Ethanol und 8 Gramm Wasser aufgelöst und für 5 Stunden gerührt. Etwa 2,0 × 10–6M des Ionen paarkomplexes, Ru(dph-bpy)BTB, wird dieser Lösung beigemischt und für etwa 10 Minuten gerührt. Diese Lösung wird verwendet, um pH-empfindliche Filme zu gießen. Dieser Sensor kann bei einer Wellenlänge von etwa 450 nm angeregt werden, und die Emission kann bei einer Wellenlänge von etwa 610 nm gemessen werden. Die gemessene Emissionsintensität oder die Emissionslebensdauer kann durch die Stern-Volmer-Gleichung oder eine Modifizierung derselben zu dem pH-Wert in Beziehung gesetzt werden.
  • Eine neue Klasse von pH-Sensoren, die auf [Ru (phen)2[(phen)-(OH)2]]2 +, (phen Komplex) oder [Ru (ph2phen)2[(phen)(OH)2]]2+, (Ph2phen Komplex), (phen = 1,10 Phenanthrolin, ph2, phen = 4,7-Diphenyl-1,10-Phenantrrolin und phen(OH)2 = 4,7-Diphydroxy-1,10-Phenanthrolin) basieren und in einem D4TMI-PEG-Jefframin-Polymer-Netz immobilisiert sind, wurde in „Polymer-Supported pH Sensors Based an Hydrophobically Bound Luminescent Ruthenum (II) Complexes", Jason M. Price, Wenying Xu, J. N. Demas und B. A. DeGraff, Analytical Chemistry, Bd. 70, Nr. 2, 15. Januar 1998 beschrieben. Die Synthese eines D4TMI-2EG-Jefframin-Polymer-Netzes ist in Xu, W.; McDonough, R. c. III; Langstorf, B.; Demas, J. N.; DeGraff, B. A. Analytical Chemistry, 1994, 66, 4.133-41 beschrieben. Die resultierenden Sensoren können in der Praxis des Fachgebiets, das durch diese Offenbarung abgedeckt ist, wie nachfolgend beschrieben verwendet werden.
  • Sensor B: Ein Sensor wird durch Laden eines D4TMI-PEG-Jefframin-Polymer-Netzes, in der Form eines Films von etwa 200 Mikrometer Dicke, durch Einweichen des Films für eine Dauer von etwa 24–36 Stunden in einer wässrigen Lösung des phen-Komplex-Komplexes von 12 μM hergestellt. Der resultierende Film kann als ein pH-Sensor verwendet werden. Dieser Film kann bei einer Wellenlänge von 400–500 nm angeregt werden, und die Emission kann bei einer Wellenlänge von etwa 640 nm gemessen werden. Die Fluoreszenzintensität dieses Films ist pH-abhängig.
  • Sensor C: Ein Sensor wird durch Laden eines D4TMI-PEG-Jefframin-Polymer-Netzes, in der Form eines Films von etwa 200 Mikrometer Dicke, durch Einweichen des Films für eine Dauer von etwa 24–36 Stunden in einer 15%ig wässrigen Ethanollösung des Ph2phen-Komplexes hergestellt. Der resultierende Film kann als ein pH-Sensor verwendet werden. Dieser Film kann ebenfalls bei einer Wellenlänge von 400–500 nm angeregt werden, und die Anregung kann bei einer Wellenlänge von etwa 640 nm gemessen werden. Wiederum ist die Fluoreszenzintensität dieses Films ist pH-abhängig. Beispiel eines Kaliumionensensors: Zusammensetzungen der verschiedenen Elemente des Kaliumionensensors dieses Beispiels
    Element 1 Element 2 Element 3 Element 4
    PVC, 2-Cyanophenyldodecylether (Weichmacher) Valinomycin Bromothy molblau Ru(dph-bpy)
  • Etwa 120 mg Polyvinylchlorid (PVC), 240 mg 2-Cyanophenyldodecylether (Weichmacher), 2 mg Valinomycin und 1 mg Ru(dph-bpy)BTB (beschrieben unter vorangehendem pH-Sensor) werden in 1,5 mL Tetrahydroxyfuran (THF) aufgelöst. Der Sensor wird durch ein Ausbreiten dieser Lösung und ein Gießen von Filmen hergestellt. Der Sensor kann bei einer Wellenlänge von etwa 470 nm angeregt werden, und die Emission kann bei einer Wellenlänge von etwa 610 nm gemessen werden.
  • Um eine Mehrzahl von Analyten gleichzeitig zu messen, nutzt diese Erfindung die Tatsache aus, dass das Ausmaß von Interferenz für unterschiedliche Sensoren unterschiedlich ist, abhängig von der für den Sensor ausgewählten chemi schen Zusammensetzung. Jeder der Sensoren weist variierende Mengen an Interferenz von den Analytenspezies in der Probe auf. Somit kann unter Verwendung einer großen Anzahl von Sensoren und unter Verwendung von Korrelationsmethoden die Zusammensetzung der Probe bezüglich der Analytenspezies bestimmt werden. Derartige Korrelationsmethoden wurden bereits in anderen Forschungsgebieten verwendet und wir haben erkannt, dass sie zur Analytenanalyse in der vorliegenden Erfindung übernommen werden können.
  • Die vorhergehende Beschreibung hat gezeigt, dass die interessierenden Analyten alle unter Verwendung entweder eines pH-Sensors oder eines Sauerstoffsensors oder beider gemessen werden können. Die Stern-Volmer-Gleichungen (S23 und S26) zeigen, dass das Sensorsignal τ oder IF linear abhängig von der Konzentration des Löschers [Q] ist. Im Fall des Sauerstoffsensors ist der Löscher der Analyt. Im Fall des pH-Sensors und anderer Sensoren, die eine Analytenkonzentration basierend auf Titration eines pH-empfindlichen Indikators (das zweite Element) messen, ist das Sensorsignal eine charakteristische S-förmige Titrationskurve (siehe 8, Wolfbeis u. a., oben). Die Empfindlichkeit dieser Sensoren ist am größten, wenn das gemessene Sensorsignal (τ oder IF) auf dem quasilinearen zentralen Abschnitt der Indikatortitrationskurve liegt. Ein Verfahren, um dies zu erzielen, ist die Eingliederung einer schwachen Säure oder Base (ein Beispiel ist Natriumbicarbonat) in die Sensormembran (Element (1)), um den pH-Wert des Sensors in dem linearen Bereich einzustellen. Eine derartige Komponente des Elements (1) verschiebt die Titrationskurve wirksam, um es zu ermöglichen, dass der Sensor in dem linearen Bereich für den gewählten Indikator wirksam ist. Bei den Sensorarrays dieser Erfindung kann eine Anzahl von Sensoren verwendet werden, die sich lediglich in dem pK-Wert des Indikators oder (einschließlich) dem Typ und der Konzentration der Säure/Basen-Komponente, die die Titrationskurve verschiebt, unterscheiden. Dies stellt sicher, dass für einen gegebenen dynamischen Bereich der Analytenkonzentrationen eine Anzahl von Sensoren in dem linearen Ansprechbereich wirksam ist. Daher können aus einem Array lediglich die linearen Sensoren ausgewählt werden, um die mathematischen Operationen zur Kalibrierung und Erfassung durchzuführen.
  • Ein weiteres auf in dem Fachgebiet der Analyse allgemein bekanntes Verfahren ist als „Standardadditionsverfahren" bekannt. Bei diesem Verfahren wird eine geeignete Menge der interessierenden Analyten beigemischt, um die Konzentrationen der Analyten in den linearen Bereich zu verschieben. Somit könnten in die Sensorarrays dieser Erfindung variierende Mengen der Analyten in Element (1) eingegliedert werden, so dass der Bereich, über den sich die Analytenkonzentration verteilt, wenn eine Probe beigemischt wird, linear ist.
  • Somit können die Verfahren dieser Erfindung verwendet werden, um das Ansprechen der Sensoren zu linearisieren. Daher kann ein Kalibrieren und Modellieren der Sensorarrays durch eine Linearmatrixgleichung dargestellt werden: S = MC Gl.3,wobei S ein Spaltenvektor ist, der die von den n Sensoren in dem Array gewonnen Signale darstellt. M ist eine n × m-Matrix, die die Parameter, die die Sensorsignale mit den Konzentrationen der Analyten (einschließlich Interferenten) korrelieren, darstellt. C ist schließlich eine m × 1-Matrix, die die Konzentrationen der Analyten in der Probe enthält.
  • In Matrix M weisen lediglich die Spalten, die den interferierenden Analyten entsprechen, Nichtnullwerte auf. Somit weisen, wenn lediglich die pH- und Sauerstoffkonzentrationen ein Ansprechen von den Sensoren erzeugen, lediglich zwei Spalten der Matrix M Nichtnull-Werte auf. Wenn eine große Anzahl von Analyten in einer großen Anzahl von Sensoren eine Interferenzen bewirkt, ist die Matrix komplexer.
  • In jedem Fall kann eine derartige Gleichung durch chemometrische Methoden wie z. B. PLS gelöst werden. Bei PLS kann die unbekannte Konzentration, Cun, eines Analyten aus dem Signal, Sun, das durch Verwendung der folgenden Gleichung aus der Probe gewonnen wird, bestimmt werden: Cun= GSun Gl.4,wobei G aus den Spalten einer Matrix R von Sensorsignalen ansprechend auf eine Reihe von Kalibrierungsproben von Konzentrationen C geschätzt wird. Die Matrix G wird anschließend geschätzt durch: G = C R+ Gl.5,wobei R+ die Pseudoinverse von R ist. Wie vorhergehend erwähnt, kann die Anzahl von zu analysierenden Analyten geringer sein als die Anzahl von Analyten (einschließlich Interferenten), die zu den Sensorsignalen beitragen. In derartigen Fällen ist es unter Umständen nicht notwendig, die Konzentrationen der Interferenten in den Kalibrierungsproben zu kennen, um G zu erzeugen. Wenn alle Konzentrationen in C bekannt sind, kann eine Multikomponentenanalyse verwendet werden, um die Kalibrierung zu bestimmen. Wenn lediglich die Werte einiger der Zeilen von C bekannt sind, kann PLS zur Kalibrierung verwendet werden.
  • Mathematisch können mehrere Verfahren zum Ermitteln der Pseudoinverse von R durch Fachleute auf dem Gebiet verwendet werden. Das zuverlässigste und umfassendste Verfahren basiert auf einer Singularwertzerlegung (SVD = singular value decomposition). Die Anwendung dieser Methode, um R+ und damit G zu bestimmen, ist in der Literatur allgemein bekannt (z. B. Linear Algebra and its Applications, Gilbert Strang, Kapitel 9, Academic Press, New York).
  • Sobald G für einen umfassenden Satz von Kalibrierungsproben, der durch C dargestellt ist, bestimmt worden ist, kann Gl.4 verwendet werden, um die unbekannte Konzentration eines beliebigen Analyten in der Probe zu bestimmen, solange sämtliche der Analyten, die das Signal von dieser Probe erzeugen, auch in dem Kalibrierungssatz vorhanden waren. Es kann ein Prozessor programmiert werden, um gemäß einem Algorithmus, der die vorhergehende Mathematik implementiert, zu berechnen. Das Programm kann in einem Medium wie z. B. einer Festplatte, einer Diskette, einer CD-ROM, einem Band, einer Zip-Platte und dergleichen oder in dem Prozessor selbst gespeichert sein.
  • Auch wenn die im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung ausführlich beschrieben worden sind, sind für Fachleute auf dem Gebiet verschiedene Modifizierungen der vorliegenden Erfindung aus der vorhergehenden Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen ersichtlich, und sie liegen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung.

Claims (8)

  1. Eine Vorrichtung (10) zum gleichzeitigen Analysieren mehrerer Analyten in einem Fluid, die folgende Merkmale aufweist: (a) eine Mehrzahl von Sensoren (22A–22E), jeweils zum Inberührungbringen mit einer Probe des Fluids, wobei die Mehrzahl von Sensoren (22A–22E) folgende Merkmale umfasst: Gruppen von Sensoren, wobei jede Gruppe einen oder mehrere Sensoren umfasst und einen unterschiedlichen spezifischen Analyten anvisiert, indem sie eine analytenspezifische Chemikalie umfasst, die mit dem anvisierten Analyten auf spezifischere Weise interagiert als mit manchen anderen zu analysierenden Analyten, wobei die Sensoren, die denselben spezifischen Analyten anvisieren, verschiedene Mechanismen einer chemischen Interaktion verwenden, so dass der Effekt anderer zu analysierender Analyten auf jeden der Sensoren unterschiedlich ist; und wobei die Mehrzahl von Sensoren folgende Merkmale umfasst: Sensoren, die einen pH-Sensor oder einen Sauerstoffsensor verwenden, um die Konzentration eines Analyten, die nicht diejenige eines Wasserstoffions oder von Sauerstoff ist, zu bestimmen; (b) eine Lichtquelle (14) zum Bereitstellen eines Lichts, um Licht auf die Sensoren (22A–22E) der Mehrzahl von Sensoren zu lenken, um eine Lichtinteraktion mit den Sensoren (22A–22E) zu bewirken, wobei die Unterschiede bei den Sensoren zu Unterschieden bei der Lichtinteraktion führen; (c) Detektoren (44) zum Bestimmen der Lichtinteraktion durch die Sensoren (22A–22E); und (d) einen Prozessor (16) zum Analysieren der Lichtinteraktion durch die Sensoren (22A–22E), um eine Interferenz bezüglich der Lichtinteraktion unter den Analyten zu berücksichtigen und dadurch die Konzentration jedes der Analyten in dem Fluid zu bestimmen.
  2. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der zumindest manche der Sensoren (22A–22E) jeweils eine Matrix (58A), in die der interessierende Analyt eindringen kann, die analytenspezifische Chemikalie, die auf spezifische Weise mit dem Analyten chemisch interagiert, einen Fluorophor, der bei einer Fluorophorfrequenz fluoresziert, wobei die Fluoreszenz des Fluorophors durch die Menge des Analyten, der mit der analytenspezifischen Chemikalie chemisch interagiert, beeinflusst wird, umfassen.
  3. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 2, die einen chemischen Indikator aufweist, wobei die chemische Interaktion des Analyten mit der analytenspezifischen Chemikalie eine Absorption des chemischen Indikators bei Licht bei der Fluorophorfrequenz verändern kann.
  4. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der bei zumindest manchen der Sensoren (22A–22E) die analytenspezifische Chemikalie nicht dieselbe ist wie der chemische Indikator und das Ausmaß einer chemischen Interaktion der analytenspezifischen Chemikalie mit dem Analyten den chemischen Zustand des chemischen Indikators verändert, um die Absorption von Licht durch denselben bei der Fluorophorfrequenz zu beeinflussen.
  5. Eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der mehr als die Hälfte der Sensoren (22A–22E) in der Mehrzahl von Sensoren (22A–22E) entweder einen pH-Sensor oder einen Sauerstoffsensor umfasst.
  6. Eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, die Lichtauslässe (46) umfasst, die jeweils zum Lenken eines Lichts auf einen Sensor (z.B. 22A) ausgelegt sind, und wobei jeder Auslass (46) von Detektoren (48) umgeben ist.
  7. Eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, bei der der Prozessor (16) die Lichtinteraktion der Sensoren (22A–22E) unter Verwendung eines Matrixalgorithmus analysiert.
  8. Ein Verfahren zum gleichzeitigen Analysieren mehrerer Analyten in einem Fluid, das folgende Schritte umfasst: (a) Inberührungbringen jedes einer Mehrzahl von Sensoren (22A–22E) mit einer Probe eines zu analysierenden Fluids, wobei die Mehrzahl von Sensoren (22A–22E) Gruppen von Sensoren aufweist, wobei jede Gruppe einen anderen Analyten anvisiert und einen oder mehrere Sensoren aufweist, von denen jeder eine analytenspezifische Chemikalie umfasst, die mit einem anvisierten Analyten auf spezifischere Weise interagiert als mit manchen anderen zu analysierenden Analyten, wobei die Sensoren, die denselben Zielanalyten anvisieren, verschiedene Mechanismen einer chemischen Interaktion verwenden, so dass der Effekt anderer zu analysierender Analyten auf jeden der Sensoren unterschiedlich ist, und wobei die Sensoren auch einen pH-Sensor oder einen Sauerstoffsensor verwenden, um die Konzentration eines Analyten, die nicht diejenige eines Wasserstoffions oder von Sauerstoff ist, zu bestimmen; (b) Lenken von Licht auf die Sensoren (22A–22E) der Mehrzahl von Sensoren (22A–22E), um eine Lichtinteraktion mit den Sensoren (22A–22E) zu bewirken, wobei die Unterschiede bei den Sensoren (22A–22E) zu Unterschieden bei der Lichtinteraktion führen; (c) Erfassen der Lichtinteraktion durch die Sensoren (22A–22E); und (d) mathematisches Analysieren der Lichtinteraktion durch die Sensoren (22A–22E), um eine Interferenz bezüglich der Lichtinteraktion unter den Analyten zu berücksichtigen und dadurch die Konzentration jedes der Analyten in dem Fluid zu bestimmen.
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