DE2851138C2 - - Google Patents
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- G01N31/00—Investigating or analysing non-biological materials by the use of the chemical methods specified in the subgroup; Apparatus specially adapted for such methods
- G01N31/22—Investigating or analysing non-biological materials by the use of the chemical methods specified in the subgroup; Apparatus specially adapted for such methods using chemical indicators
- G01N31/221—Investigating or analysing non-biological materials by the use of the chemical methods specified in the subgroup; Apparatus specially adapted for such methods using chemical indicators for investigating pH value
Description
Die Erfindung betrifft eine optische Sonde nach dem Ober
begriff des Hauptanspruchs.
Optische Sonden zur pH-Wertmessung müssen sich zum Implan
tieren in den Körper eines Menschen oder eines Tieres eignen,
um dort physiologische Messungen vornehmen zu können. Genauer
gesagt, ist eine derartige Sonde ein miniaturisierter pH-
Messer, der mit Hilfe von reversiblen Farbstoffindikatoren
und einzelner Faseroptiken hergestellt wird und der klein
genug ist, durch einer 22er Spritzennadel eingeführt zu
werden, und daher für physiologische Untersuchungen im Gewebe
implantiert werden kann.
PH-Bestimmungen werden in einem großen Bereich der
Biologie benötigt. Insbesondere für die Sauerstoff-
Hämoglobin-Dissoziation ist der pH-Wert ein wichtiger
Parameter und sollte für Untersuchungen des Blut-Sauer
stoffgehaltes ermittelt werden. Für einige Krankheiten,
zum Beispiel Sichelzellenanämie, ist es wünschenswert,
diese Dissoziationskurve in vivo während körperlicher
Bewegung aufzunehmen. Bisher bekannte pH-Sonden be
sitzen eingebaute Detektionseinheiten, wie z. B. in dem
Glaselektroden-pH-Sensor, der in eine Spritzennadel ein
gebaut ist, wie bei J. D. Czaban et al., Analytical
Chemistry, 47, Nr. 11, 1787-92 (September 1975) und
ebenda, 48, No. 2, 277-81 (Februar 1976) beschrieben.
Derartige Elektroden eignen sich zwar für einige Einsatz
gebiete, ihrer starre Konstruktion läßt sich jedoch in
bestimmten physiologischen Versuchen, wie z. B. Bewegungs
studien, nicht verwenden, da Irritationen hervorgerufen
werden. Außerdem ist mit derartigen Elektrodenanordnungen
stets die Gefahr elektrischer Schläge und ähnlichem
verbunden.
Weitere pH-Meßgeräte sind aus den US-PS 40 33 330 (DE-OS 26
37 501) und 40 41 932 bekannt. Diese Hilfsmittel sind zur
pH-Messung außerhalb des Körpers bestimmt und eignen sich
nicht zur Implantation in einen Körper.
Aus der DE-OS 22 15 984 ist eine optische Sonde nach dem
Oberbegriff des Hauptanspruches bekannt, die zur Messung der
Sauerstoffsättigung des Blutes in vivo in Blutgefäßen und im
Herzen dient. Der Hohlkörper, in dem die Endflächen der
beiden optischen Fasern angeordnet sind, hat dabei zum einen
optische Aufgaben, indem er an seiner Innenseite verspiegelt
oder geschwärzt ist oder als Halterung für Spiegelelemente
dient, zum anderen aber auch die Funktion eines Abstands
halters zwischen den Endflächen der optischen Fasern und den
Gefäßwänden. Entsprechend seiner Aufgabe muß der Hohlkörper
daher so ausgestaltet sein, daß ein Durchgang des Blutes
durch ihn möglichst wenig behindert wird. Zu diesem Zweck
ist er entweder mit mindestens einer größeren Blutdurchgangs
öffnung versehen oder siebartig durchlöchert. Für pH-Wert
messungen ist die bekannte Sonde daher völlig ungeeignet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannte
Sonde dahingehend weiterzuentwickeln, daß sie zum Zwecke der
pH-Wertmessung bei in-vitro- oder in-vivo-Studien im Gewebe
implantiert werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer gattungsge
mäßen Sonde durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches
aufgeführten Merkmale gelöst.
Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Sensor arbeitet nach einem Prinzip der optischen
Detektion der Farbveränderung von pH-abhängigen Farb
indikatoren. Die erfindungsgemäße Sonde ist leicht
herstellbar, ihre Herstellung ist billig, und sie kann
leicht in großen Mengen hergestellt werden.
Durch die Erfindung wird insgesamt die Herstellung
einer optischen Sonde ermöglicht, die sich zur
Implantation in Gewebe für physiologische Untersuchungen
eignet. Die Sonde enthält im wesentlichen eine für Wasser
stoffionen durchlässige Membranumhüllung, die die Enden
eines Paars optischer Fasern umschließt. In der Umhüllung be
findet sich ein pH-empfindlicher Farbstoffindikator.
Die Sonde arbeitet nach dem Prinzip der optischen
Detektion einer Farbänderung eines pH-empfindlichen
Farbstoffs.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Zeichnung des distalen
Endes der erfindungsgemäßen Sonde,
Fig. 2 eine Darstellung der optischen Absorption des
Indikatorfarbstoffes und
Fig. 3 die experimentelle Bestimmung des Verhält
nisses des reflektierten Lichtes bei 450 nm
zum reflektierten Licht bei 560 nm in
Abhängigkeit des pH.
Die Erfindung besteht, wie in Fig. 1 gezeigt, aus einer
optischen Sonde 10, die eine für Wasserstoffionen
durchlässige Membran umfaßt, die die Enden eines Paars
optischer Fasern 12 und 13 umschließt. Diese Umhüllung
ist vorteilhaft röhrenförmig, d. h. ein hohler, gestreckter
Zylinder 11, der dicht über den beiden Fasern 12 und 13
abschließt. Innerhalb des Zylinders 11 und im Anschluß
an die Enden der Fasern 12 und 13 befindet sich ein
pH-anzeigendes, farbstoffhaltiges Material 14. Ein
passendes Dichtungsmaterial, wie z. B. ultraviolett-
härtender optischer Zement, wird benutzt, um das ab
schließende Ende 15 des Zylinders 11 zu verschließen.
Derartige Dichtungsmaterialien werden auch an der Stelle benutzt,
an der die optischen Fasern 12 und 13 in den Zylinder eintreten,
um die Anordnung sicher zusammenzuhalten.
Der Membran-Zylinder 11 kann aus jedem geeigneten
Material sein, das stark genug ist, ein schützendes
Schild für die darin enthaltenen Komponenten zu liefern,
während es andererseits genügend flexibel und nicht
brüchig sein darf, um ohne Schwierigkeiten in ver
schiedenen Teilen des Körpers eingesetzt zu werden, ohne
zu zerbrechen. Eine zusätzliche Voraussetzung für
die Membran besteht darin, daß sie Poren besitzen
muß, die groß genug sind, Wasserstoffionen hindurch
zulassen, während sie andererseits ein Durchdringen des
Farbstoffmaterials verhindern soll. Ein Membran-
Material, das mit gutem Erfolg eingesetzt wurde, ist
ein Dialyseröhrenmaterial, das als Cuprophan B4AH be
kannt ist, eine regenerierte Zellulose, deren Eigen
schaften in Tabelle 1 angegeben sind.
Messungen der Membranstärke von Cuprophan B4AH |
Maximale Spannungsbeanspruchung |
Maximale Auslenkung (Reißen) |
größer als 300 g |
größer als 20% |
Die hier verwendeten speziellen Cuprophanschläuche hatten
einen inneren Durchmesser von 300 µm und eine Wanddicke
von 19 µm.
Die farbstoffhaltige, pH-anzeigende Verbindung 14,
kann jedes Material sein, das in Verbindung mit der
Membran im optischen Bereich innerhalb des
Zylinders 11 bleibt, ohne durch sie hindurchzudiffundieren,
und die eine pH-Anzeige innerhalb des benötigten Bereichs
ermöglicht.
Bei der Auswahl des farbstoffhaltigen Materials 14
sollte immer bedacht werden, daß die zu verwendende
Substanz 14 auch selbst ein Farbstoff sein kann, wenn
die Farbstoffmoleküle groß genug sind, daß sie nicht
durch die Membran des Zylinders 11 aus dem optischen Bereich
herausdiffundieren. Beispiele solcher Farben sind die
Naturfarben, die man aus Pflanzen erhält, wie z. B.
Azolitmin. Solche Farbstoffe haben ein so großes Mole
kulargewicht, daß sie nicht leicht diffundieren und
deshalb als pH-Indikatoren benutzt werden können.
Wenn der Farbstoff selbst statt einer Verbindung eines
Farbstoffes mit einem größeren Molekül, z. B. einem Polymeren
verwendet wird, kann sich daraus das Problem ergeben,
daß die entsprechende Membran, die diese Moleküle
zurückhalten soll, eine Porengröße hat, die so klein
ist, daß die Diffusionsgeschwindigkeit der Wasserstoff
ionen zu langsam ist, um eine gute Ansprechgeschwindigkeit
auf den pH zu ermöglichen. Dieses gilt insbesondere, wenn
schnelle pH-Änderungen während Übungen des Patienten
gemessen werden sollen.
Wenn der zu verwendende Farbstoff ein zu niedriges
Molekulargewicht hat, kann man einen Farbstoff ver
wenden, der an ein anderes Material gebunden ist, wie
z. B. ein Polymeres. Unter den Farben, die normaler
weise als pH-Indikatoren verwendet werden, sind Phthaleine
und Sulfonphthaleine. Verfahren, derartige Farben mit
anderen Molekülen zu koppeln, schließen solche bekannten
Reaktionen wie die Mannich-Reaktion ein, d. h. Formaldehyd
kondensation des Farbstoffs mit einer Aminogruppe, wie
bei der Präparation von Komplexbildnern. Derartige Reak
tionen werden zum Beispiel in den folgenden Publikationen
beschrieben, die hier als Beispiele aufgeführt werden
sollen: R. O. Cinneide, Nature, 175, 47 (1. Januar 1955);
R. Prible, Analyst, 83, 188-95 (1958); CH-PS 2 98 194
(1. Juli 1954); US-PS 27 45 720; und G. Schwarzenbach
et al., Complexometric Titrations, Methuen Press (Barnes
and Noble), 1969. Weiterhin kann der Farbstoff an ein
Polymer angekoppelt werden, indem an das Polymer
Gruppen wie Aminogruppen angekoppelt werden, so daß an
schließend der Farbstoff mit diesen Gruppen reagieren
kann, derartige Methoden beschreiben z. B. J. K. Inman et
al., Biochemistry, 8, 4074-82 (1969), die hier als Be
zugsliteratur zitiert werden sollen. Diese Techniken be
nötigen zunächst einen Schritt für die Bildung des
Polymeren mit anschließender Reaktion mit dem Farbstoff.
Ein weiteres Verfahren, einen pH-Farbstoffindikator
an eine andere Substanz anzukoppeln, geht von Farb
stoffen aus, die mit einer Isothiocyanatgruppe ver
sehen wurden, solche Farbstoffe werden nach einem Ver
fahren wie z. B. in der US-PS 29 37 186 beschrieben,
hergestellt. Beispiele solcher Farbstoffe sind zum
Beispiel 5 (6) Rhodamin B - CNS und Fluorescein - CNS,
die beide bei Eastman Organic Chemical Co. erhältlich
sind. Ein Farbstoff mit der -CNS-Gruppe reagiert mittels
dieser Gruppe mit reaktionsfähigem Wasserstoff und kann
daher an viele andere Reaktionspartner angekoppelt
werden, wie z. B. in der US-PS 38 47 745 und auch
in J. J. Haaÿman et al., Journal of Immunological
Methods, 5, 359-74 (1974). Die letztere Literatur
stelle beschreibt das Ankoppeln von Fluorescein und
Rhodamin-Isothiocyanaten an Sephadexperlen, ein hydro
philes Polysaccharidpolymer, das von der Pharmacia
Corp. bezogen werden kann.
Ein allgemein bekanntes Verfahren, Farbstoffe anzu
koppeln, verwendet Cyanurchlorid (2,4,6-Trichlor-
1,3,5-Triazin), das mit Aminogruppen des Farbstoffs
reagiert, dieses Reaktionsprodukt kann dann mit
einer Amino- oder Hydroxylgruppe auf einer Matrix
reagieren, um den Farbstoff kovalent auf der Matrix
anzubinden. Derartige Methoden sind z. B. in C. V.
Stead, The Chemistry of Reactive Dyes and Its Relevance
to Intracellular Staining Techniques, in S. B. Kater et al.,
Intracellular Staining in Neurobiology, Seiten 41-59,
Springer-Verlag (1973), beschrieben.
Farbstoffindikatoren zur pH-Messung können auch durch
Herstellen von Mikroeinschlüssen entstehen, die dazu
verwendeten Techniken sind zum Beispiel in Science, 193,
134-137 (9. Juli 1976) beschrieben. Ein weiteres Verfahren,
farbstoffhaltige Verbindungen herzustellen, besteht
darin, radikalisch polymerisierbare Gele herzustellen,
z. B. Acrylate, die eine funktionelle Gruppe am Monomeren
besitzen, wie z. B. Hydroxyl, Amin oder Amid. Der Farb
stoff wird mit dieser funktionellen Gruppe entweder
vor oder nach der Polymerisation zur Reaktion gebracht.
Eine weitere Alternativmöglichkeit, Farbstoffe mit
einem hydrophilen Polymer zu verbinden, besteht
darin, einen geeigneten Farbstoff mit einem Acrylsäure
derivat-Monomeren wie Acrylamid, Methylmethacrylat
oder Hydroxymethylmethacrylat (Hydron) zu copolymerisieren,
wobei man ein hydrophiles Copolymerisat enthält, in dem
der pH-Farbstoffindikator in immobilisierter Form ge
bunden ist. Farbstoffe, die sich für dieses Verfahren
eignen, sind Phenolrot, Brillantgelb (CI 24 890) und
Rosolsäure. Diese Farbstoff-Polymerenkombination kann
auch in der Form von kleinen Kügelchen durch Emulsions
polymerisation (Wasser in Öl) hergestellt werden.
Genauere Angaben zur Herstellung derartiger Copolymere
findet man in der US 41 94 877
beschrieben, die gleichzeitig mit dieser Anmeldung
von John I. Peterson eingereicht wurde.
Die optischen Fasern 12 und 13 können bis zu ungefähr
1,8 m lang sein, um eine genügende Bewegungsfreiheit
des Gerätes 10 relativ zu einer Lichtquelle und einem
Lichtdetektor zu ermöglichen, die beide aus üblicher
weise verwendeten Bauteilen bestehen, und daher nicht
in den Zeichnungen gezeigt werden. Eine der Fasern 12
ist mit ihrem anderen Ende an der Lichtquelle angeschlossen,
während die andere Faser 13 mit ihrem anderen Ende am
Lichtdetektor angeschlossen ist. Die Fasern 12 und 13
sind übliche optische Fasern, wobei eine der beide Fasern
benutzt wird, um Licht von der Lichtquelle zum Meßort
in Richtung der Sonde 10 zu leiten, während die
andere Faser benutzt wird, Licht aufzunehmen und dieses
von der Sonde 10 zum Detektor zu leiten. Die Fasern
12 und 13 können zum Beispiel optische Fasern aus Kunststoff sein,
mit einem Durchmesser von ungefähr ⅛ mm. Die
beiden Fasern 12 und 13 können außerhalb der Meßsonde
von einem Teflonschlauch (1 mm Durchmesser) gegen
mechanische Beschädigungen geschützt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform verwendet als Indikator
farbstoff Phenolrot. Dieses ist eine organische Säure
(HA), die entsprechend der folgenden Gleichgewichts
konstante in ein Wasserstoffion (H⁺), und ein Anion (A⁻)
dissoziiert
Die in Klammern gesetzten Werte sind die Aktivitäten
oder Konzentrationen der gelösten Stoffe. Per definitionem
gilt: pH = log [1/(H⁺)], so daß
Das Anion (A⁺) absorbiert Licht der Wellenlänge 560 nm
als Funktion seiner Konzentration, wie in Fig. 2 ge
zeigt wird. Die Konzentration des undissoziierten Farb
stoffs (HA) ist nicht unabhängig von der des Anions (A⁻).
Daraus folgt, daß pH und optische Dichte bei 560 nm
direkt voneinander abhängen. Da die Absorption bei 485 nm
nicht vom pH abhängt (siehe Fig. 2), kann diese Wellen
länge als Bezugspunkt zur Normierung der Intensität
des Lichts bei 560 nm dienen. Man könnte ebenfalls Licht
der Wellenlänge <600 nm zum Vergleich benutzen, das
ebenfalls pH-unabhängig ist, weil der Farbstoff in diesem
Bereich nicht mehr absorbiert. In Sonde 10 findet Rück
streuung des Lichts der lichtemittierenden Faser durch
die Farbschicht in die lichtdetektierende Faser
statt. Wie in Fig. 3 gezeigt, besteht ein linearer
Zusammenhang zwischen dem pH und dem Verhältnis der
Intensitäten bei 560 nm und 485 nm.
Lichtquelle und Lichtdetektor sind die üblicherweise
für solche Anforderungen verwendeten. Anregungslicht
kann zum Beispiel durch eine 150-Watt-Wolfram-
Projektionslampe (ELV) mit hoher Intensität geliefert
werden. Kühlung durch erzwungene Konvektion und ein
im Infraroten wirkender Hitzereflektor schützen die
Kunststoffaser vor Überhitzung. Die große numerische Apertur
der Kunststoffaser (ungefähr 1,2 Radian einbeschriebener
Gesamtwinkel) dient zum erfolgreichen Sammeln des
Lichts. Die Messung des rückgeführten Lichts kann durch
eine übliche Fotodioden/Operationsverstärkereinheit
(zum Beispiel von EG & HAV-4000A), gefolgt durch einen
weiteren hochverstärkenden Meßverstärker, erreicht werden.
Acht Schmalband-Interferenzfilter (ungefähr 5 nm
Halbwertsbreite), deren Hauptdurchlässigkeit bei
560 nm und 485 nm liegt, werden auf einem motorgetriebenen
Rad zwischen dem Ausgang der Rückführungsfaser und dem
Lichtdetektor alternierend angeordnet. Eine andere
Möglichkeit, das Licht beider Wellenlängen getrennt
zu messen, besteht darin, einen Filter für 560 nm und
einen weiteren Filter für 485 nm (oder Licht von
Wellenlängen <600 nm) zu verwenden, die abwechselnd
durch einen Schrittmotor in den Strahlengang gebracht
werden. Die erhöhte Meßdauer erlaubt eine elektronische
Signal-Mitteilung und daher größere Rausch-Unterdrückung.
Synchronisationspulse werden durch zwei zusätzliche
Fotodioden durch Detektion des durch entsprechend
angeordnete Löcher in dem oben erwähnten Filterrad
gegeben und steuern drei Moduln mit den Werten "Probe"
und "Warten", die die vom Sensor übertragenen Signale
für (a) 560 nm Licht, (b) 485 nm oder Licht mit
längeren Wellenlängen als 600 nm, und (c) kein einge
strahltes Licht messen. Der temperaturabhängige Dunkel
wert wird gemeinsam mit dem durch Streulicht (wenn
das Anregungslicht ausgeschaltet ist) übertragenen Wert
von den Meßdaten bei 560 und 485 nm abgezogen, bevor
das Verhältnis der beiden Lichtsignale in einem Analog-
Dividierer berechnet wird. Verstärkung und Gesamtaus
schlag werden so eingestellt, daß der pH direkt auf einem
Digital-Voltmeter abgelesen werden kann.
Bei der Herstellung des farbstoffhaltigen Materials
14 können vor dem Einfüllen in den hohlen Zylinder 11
lichtstreuende Partikel, z. B. Polystyrolkügelchen
mit einem Durchmesser von 1 µm zugemischt werden.
Der in Fig. 3 gezeigte in-vitro-Test mit einer
basischen Probe wurde mit einem Laborspektrometer
durchgeführt und zeigte eine Standardabweichung von
0,01 pH-Einheiten. Die Ansprechzeit kann angenähert
durch eine Zeitkonstante von 0,7 Minuten angegeben werden,
der Temperaturkoeffizient beträgt 0,02 pH-Einheiten/
°C und die Abhängigkeit des Meßergebnisses
von der Ionenstärke bei 37°C ist 0,01 pH-Einheiten
pro 8% Änderung in der Ionenstärke.
Claims (7)
1. Optische Sonde mit einem Paar optischer Fasern, deren
Endflächen an ihrem einen Ende in einer Ebene liegen und in
einem Hohlkörper angeordnet sind, wobei an dem anderen Ende
der einen optischen Faser eine Lichtquelle und an dem anderen
Ende der anderen optischen Faser eine Licht-Detektionssystem
angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper
aus einem flexiblen an mindestens einem Ende versiegelten
Membran-Zylinder (11) besteht, der die in einer Ebene liegenden
Enden der optischen Fasern (12, 13) und ein farbstoffhaltiges
Material (14), das pH-Indikator-Eigenschaften besitzt, um
schließt, wobei die Membran für Wasserstoffionen durchlässig
ist, ein Durchdringen des farbstoffhaltigen Materials (14)
aber verhindert.
2. Optische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das farbstoffhaltige Material (14) ein hydrophiles
Copolymer eines Acrylsäurederivat-Monomeren und eines Farb
stoffes ist.
3. Optische Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Acrylsäurederivat-Monomere Acrylamid, Methylmethacrylat
oder Hydroxymethylmethacrylat ist.
4. Optische Sonde nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß als Farbstoff Phenolrot, Rosolsäure oder
Brillantgelb (CI 24 890) vorgesehen sind.
5. Optische Sonde nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das farbstoffhaltige Material in
Form von kleinen Kügelchen vorliegt.
6. Optische Sonde nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß lichtstreuende Teilchen in das
farbstoffhaltige Material eingebettet sind.
7. Optische Sonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die lichtstreuenden Teilchen Polystyrolkügelchen umfassen.
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