title: New pH sensitive sensor materials. Luminescent fiber-optic dual sensors for non-invasive and simultaneous measurement of pH and pO2 (dissolved oxygen) in biological systems
Creators: name: Kocincová, Anna S.
Publisher: name: Universität Regensburg
Year: 2007
Subjects: subject: Sauerstoffkonzentration , faseroptischer Sensor , chemischer Sensor , Wasserstoffionenkonzentration , Wässrige Lösung , Lumineszenz , pH sensor , Mikrosensor , Hybrid Sensor , faser-optic sensor , dual sensor , pH , oxygen , bioprocess
subject: 540 Chemie

description: This thesis describes the development and characterization of novel, pH-sensitive, optical sensor materials. Special attention is given to the development of dual optical chemical sensors for non-invasive determination of pH and dissolved oxygen (DO) in biological systems. A new measurement scheme is introduced to evaluate and calculate the data for these two parameters via dual luminophore referencing (DLR). An application example for simultaneous monitoring of pH and DO in bioprocessing is given and discussed. Chapter 1 gives an introduction to the importance of optical pH and DO sensors. Furthermore, the overview of existing planar dual sensor materials and dual microsensors was presented. Referencing methods for measurement with luminescent optical sensors were described. Chapter 2 describes the application and spectral properties of a new type of fluorescent pH indicators with different dynamic pH ranges. The indicators used (ACIB, ACIDA and ACISA) are based on the luminescent dye iminocoumarin and were covalently immobilized on the surface of amino-modified polymer microbeads and incorporated into a hydrogel matrix to obtain novel pH-sensitive materials. Due to self-referencing of the ACISA-based microbeads, the ACISA-containing sensor membrane can be read out via ratiometric dual wavelength referencing. A membrane capable of optical pH sensing over a very wide pH range (pH 1 � pH 11) by using a mixture of two different microbeads was also developed. In Chapter 3, pH-sensitive sensor membranes for the DLR scheme, based on carboxyfluorescein, dichlorocarboxyfluorescein and iminocoumarin are presented. The membranes are characterized with respect to their cross-sensitivity towards ionic strength at 25 and 140 mM. The sensor membrane based on iminocoumarin is found to possess no cross-sensitivity towards ionic strength at all, while for the other two a small effect is observed, which, however, was small compared to other pH indicators like HPTS. All three membranes showed an excellent photostability. The indicators immobilized on the microbeads are suitable for DLR measurements using polyacrylonitrile-derived nanoparticles incorporating Ru(dpp)32+ as reference standard. It was found that the variety of pH indicators in the DLR scheme results in pH sensors with pKa values from 4 to 8. In Chapter 4, a novel modified dual lifetime referencing method (m-DLR) for simultaneous sensing of pH and pO2 with a single fiber-optic sensor is introduced. Three different dual sensor materials were investigated. The dual sensor membrane consisted of fluorescent indicators immobilized in different kinds of organic polymer microbeads, which in turn were contained in a single polyurethane-type hydrogel matrix. The phase-modulated light of an LED excites the luminescence of the indicators, and average decay times or phase shifts served as the analytical information. Data were evaluated by the m-DLR method which relates the phase shift (as measured at two different frequencies) to pH and to oxygen partial pressure. The working range of the dual sensor (pH 4 - pH 9 and 0 � 21.3 kPa pO2) meets the requirements for application in biological systems. A fiber-optic microsensor for minimal-invasive measurements is presented in Chapter 5. The tip of the optical fiber with a diameter of ~ 140 µm was covered with a sensor composition based on luminescent microbeads (HPTS/p-HEMA microbeads as pH-sensing system and Ru(dpp)32+/ormosil microbeads as oxygen probe) dispersed in a hydrogel polymer matrix. Measurements and evaluation were performed according to the method introduced in chapter 4. The optimal working range of the sensor was from pH 5 to pH 10 and for pO2 0 � 21.3 kPa. The sensor was characterized with respect to its photostability, reproducibility and reversibility. Chapter 6 describes a new approach towards simultaneous, non-invasive and continuous measurements of pH and DO in 24-well microbioreactors. The performance of the system was demonstrated by monitoring pH and DO kinetics during cultivation of Pseudomonas putida and Escherichia coli. The results obtained in microbioreactors were compared with a conventional shake flask. The technique can be used for high-throughput bioprocess optimization.
description: In der vorliegenden Arbeit wurden die Entwicklung und Charakterisierung neuer, pH-sensitiver optischer Sensoren beschrieben. Der Schwerpunkt lag hierbei auf der Entwicklung von Dualsensoren für die nicht-invasive Messung von pH und Gelöstsauerstoff in biologischen Systemen. Ein neues Messschema zur Evaluierung und Kalkulation des pH-Werts und des Sauerstoffpartialdrucks aus den entprechenden Daten mit Hilfe der Dual Lifetime Referencing (DLR)-Methode wurde vorgestellt. Ein Anwendungsbeispiel für das gleichzeitige Monitoring von Sauerstoff und pH in Bioprozessen wurde gezeigt und diskutiert. Kapitel 1 gibt eine Einführung in die Bedeutung von optischen pH- und Sauetstoffsensoren. Ausserdem wurde eine Übersicht der existierenden Materialien für planare und Mikro-Dualsensoren präsentiert. Abschließend wurden Referenzierungsmethoden für die Messung mit optischen Lumineszenzsensoren beschrieben. Kapitel 2 beinhaltet die Anwendung und die spektrellen Eigenschaften eines neuen Typs von fluoreszierenden pH-Indikatoren für verschiedene dynamische pH-Bereiche. Die Indikatoren (ACIB, ACIDA und ACISA) basieren auf dem Lumineszenzfarbstoff Iminocoumarin, das kovalent an die Oberfläche von amino-modifizierten Polymer-Mikropartikeln immobilisiert wurde. Der neuen, pH-sensitiven Sensormembrane erhielt man durch Einrühren dieser Mikropartikel in eine Hydrogel-Matrix. Aufgrund der Möglichkeit zur Selbstreferenzierung kann die ACISA-haltige Sensormembran mittels ratiometrischer Zweiwellenlängen-Referenzierung ausgelesen werden. Eine Membran für die Messung über einen extrem weiten pH-Bereich (pH 1 bis 11) erhält man durch Mischen zweier verschiedener Mikropartikel. In Kapitel 3 wurden pH-sensitive Sensormembrane, die mit dem DLR-Schema ausgelesen werden können, vorgestellt. Diese Sensormembrane basieren auf den pH-Indikatoren Carboxyfluorescein, Dichlorcarboxyfluorescein und Iminocoumarin. Die Sensormembrane wurde auf ihre Querempfindlichkeit gegenüber Ionenstärke bei 25 mM und 140 mM untersucht. Während die Fluorescein-basierten Membrane eine, wenn auch im Vergleich zu anderen Indikatoren wie HPTS kleine, Querempfindlichkeit aufwiesen, ist die auf Iminocoumarin basierende Membran unabhängig von der Ionenstärke. Alle drei Sensormembranen zeigen eine ausgezeichnete Photostabilität. Die in Mikropartikel immobilisierten Indikatoren waren für DLR-Messungen geeignet. Hierbei wurde Ru(dpp)32+, das in polyacryl-basierte Nanopartikel eingebettet wurde, als Referenzpartikel verwendet. Bei Variation des pH-Indikators entstehen so pH-Sensoren für das DLR-Schema mit pKS-Werten von 4 bis 8. In Kapitel 4 wurde eine neue, modifizierte Dual Lifetime Referencing (m-DLR)-Methode für die gleichzeitige Bestimmung von pH und pO2 mit einem einzigen, faseroptischen Sensor vorgestellt. 3 verschiedene Dualsensor-Materialien wurden untersucht. Die Membran für die Dualsensoren besteht aus den Fluoreszenzindikatoren, die in verschiedenen organischen Polymerpartikeln immobilisiert sind, welche wiederum in einer Polyurethan-Hydrogelmatrix eingebettet sind. Das phasenmodulierte Anregungslicht einer LED regt die Lumineszenz der Indikatoren an, deren mittlere Abklingzeit oder Phasenverschiebung als analytische Information dienen. Die Daten wurden mit Hilfe der m-DLR-Methode evaluiert, die die bei zwei verschiedenen Frequenzen gemessenen Phasenverschiebungen in Beziehung zum pH-Wert bzw. Sauerstoffgehalt setzt. Der Messbereich der Dualsensoren (pH 4 � 9, 0 � 21,3 kPa pO2) enspricht den Anforderungen für Anwendungen in biologischen Systemen. Ein faseroptischer Mikrosensor für minimal invasive Messungen wird in Kapitel 5 vorgestellt. Die Spitze der optischen Faser, deren Durchmesser ca. 140 µm beträgt, wurde mit einem Sensorcocktail beschichtet, der aus lumineszierenden Mikropartikeln (HPTS/p-HEMA-Mikropartikel als pH-Sensor, Ru(dpp)32+ / Ormosil-Mikropartikel als Sauerstoffsensor) in einer Hydrogelmatrix besteht. Messung und Auswertung wurden wie in Kapitel 4 beschrieben durchgeführt. Der optimale Messbereich dieses Sensors ist pH 5 � 10 und 0 � 21,3 kPa für Sauerstoff. Der Sensor wurde mit Hinblick auf Photostabilität, Reproduzierbarkeit der Signale und Reversibilität charakterisiert. Kapitel 6 beschreibt eine neue Methode für gleichzeitige, nicht-invasive und kontinuierliche pH- und Sauerstoffmessung in 24-Well-Mikrobioreaktoren. Die Anwendbarkeit dieses Systems wurde anhand der pH- und Sauerstoffkinetiken während der Kultivierung von Pseudomonas putida und Escherichia coli demonstriert. Die Ergebnisse aus diesen Versuchen in den Mikrobioreaktoren wurden mit denen herkömmlicher Bioreaktoren (Schüttelkolben) verglichen. Die vorgeschlagene Technik kann für Bioprozess-Optimierungen mit hohem Durchsatz verwendet werden.