title: New fluorescent optical pH sensors with minimal effects of ionic strength
Creators: name: Weidgans, Bernhard M.
Publisher: name: Universität Regensburg
Year: 2004
Subjects: subject: Fluoreszenz , Fluoreszenzfarbstoff , Optischer Sensor , Faseroptischer Sensor , Chemischer Sensor , Wasserstoffionenkonzentration , Ionenstärke , , fluorescence , fluorescent dye , optical pH sensor , ionic strength , pH
subject: 540 Chemie

description: The thesis describes the development, characterization and application of fluorescence-based, optical pH sensors. Special attention is given to the dependence of the sensor signal and changes of ionic strength in the analyte solution. Based on three different methods for minimization of this dependence, various sensor membranes are presented in detail. Further, a new concept to reference fluorescence intensity signals is introduced and applied to an optical pH sensor. Chapter 1 emphasizes the necessity of precise pH control and measurements by means of examples. An overview of possible fields of pH sensors is given in general. In particular, three different formats of optical pH sensors are presented. Furthermore, the cross-sensitivity of the calibration curve of optical sensors towards ionic strength is mentioned. At the beginning of chapter 2, a short, review on the development of the term �pH� is given, followed by the explanation of the principle of optical pH sensors. The effect of ionic strength on the signal of optical pH sensor is explained by means of the law of Debye and Hückel and the definition of activity coefficients. A paragraph about the state of the art in optical pH sensor technology is followed by the second half of chapter 2, concerning the phenomena luminescence. Beside from basics, also methods for referencing and measurement techniques are explained. Chapter 3 describes the application and spectral properties of commercially available, pH-sensitive fluorescent dyes. HPTS, carboxyfluorescein and fluorescein were checked on their cross-sensitivity towards IS in the range from 25 to 500 mM. According to the theory of Debye and Hückel, the two-fold negative charged indicator fluorescein is less affected by IS than HPTS which carries four negative charges. A novel, partially positive charged indicator shows a contrary change of the dissociation constant. In an equimolar mixture with carboxyfluorescein, the effect of IS was distinctly reduced. In chapter 4, two methods are presented based on the principle described previously for the compensation of the effect of IS. The pH-indicator carboxyfluorescein was immobilized on partially amino-modified carboxycellulose. For the first method, the remaining carboxy groups were converted to positively charged groups. Again, mixing positively and negatively charged celluloses made an improvement of the cross-sensitivity towards IS in the range from 25 mM to 500 mM possible. For the second method, the negatively charged cellulose strand was partially loaded with negative charges. Six differently charged sensors were checked on their cross-sensitivity towards IS. One sensor shows a minimal cross-sensitivity towards IS and it shows the smallest zeta-potential, meaning a low charge density and a successful compensation of negative and positive charges. Chapter 5 deals with the third method for minimization the cross-sensitivity towards IS. Novel, fluorescein-based, lipophilic pH-indicators were embedded in an ion-permeable, charge-free polymer. The indicators were made lipophilic by esterification of the carboxy group with a C18 alkyl chain. This ester-modification reduces the number of charges to one and zero for basic and acid form, respectively. As a result of the charge reduction, the effect of IS is reduced to minimum and becomes negligible in the range from 25 to 500 mM. The fluorescent dyes differ in their substituents at 2�- and 7�-position of the xanthene structure. This variation of substituents results in dissociation constants between 5.5 and 8.5. Sensor properties like photo stability, temperature dependence and fluorescent lifetime were analyzed and discussed in detail. Finally, two applications using these sensor membranes were demonstrated. The chapter 6 deals with new amino-modified polymers. The polymers were embedded in hydrogel together with pH-inert reference particles. The fluorescence intensity of the sensors is converted into a phase shift by means of a novel referencing method (Dual Lifetime Referencing) using luminophores with different fluorescent decay times.
description: Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung, Charakterisierung und Anwendung auf Fluoreszenzfarbstoffen basierender, optischer pH-Sensoren. Als Schwerpunkt wird die Abhängigkeit des Sensorsignals von der Ionenstärke der Analytlösung behandelt. Basierend auf drei unterschiedlichen Methoden zur Minimisierung des Effektes der Ionenstärke, werden verschiedene Sensormembranen detailliert vorgestellt. Ferner wird eine neuartige Methode zur Referenzierung des Fluoreszenz-Intensitätssignales vorgestellt und auf pH-Sensoren angewendet. Im ersten Kapitel wird die Notwendigkeit einer genauen Erfassung des pH Wertes anhand verschiedener Beispiele verdeutlicht. Ein Überblick über Einsatzbereiche von pH-Sensoren im Allgemeinen wird gegeben. Speziell werden drei unterschiedliche Ausführungen für optische Sensoren vorgestellt. Weiterhin wird die Problematik optischer pH-Sensoren und der Abhängigkeit des Messsignals von der Ionenstärke kurz erläutert. Im zweiten Kapitel wird zu Beginn ein historischer Überblick über die Entwicklung des pH-Wertes gegeben. Weiterhin wird das Prinzip der optischen pH-Wert-Messung erläutert und anhand der Gesetze von Debye und Hückel und der Definition von Aktivitätskoeffizienten wird der Einfluss der Ionenstärke auf das Signal, bzw. Dissoziationskonstante optischer pH-Indikatoren (bzw. Sensoren) geschildert. Nach einem kurzen Überblick über den Stand der Technik optischer pH Sensoren wird in der zweiten Hälfte des Kapitels das Phänomen Lumineszenz behandelt. Neben den Grundlagen werden auch Mess- und Referenzierungsmethoden erläutert. Im dritten Kapitel werden Anwendungen und spektrale Eigenschaften kommerziell erhältlicher, pH-sensitiver Fluoreszenzfarbstoffe beschrieben. Die Farbstoffe HPTS, Carboxyfluorescein und Fluorescein wurden im Bereich von IS = 25 mM bis 500 mM auf ihre IS-Querempfindlichkeit hin untersucht. Der Theorie von Debye und Hückel folgend, zeigt der zweifach negative geladene Farbstoff Fluorescein eine weitaus geringere Abhängigkeit als das vierfach, negativ geladene HPTS. Ein neuartiger, partiell positiv geladener Farbstoff zeigt eine konträre Veränderung der Dissoziationskonstante als die vorher untersuchten Farbstoffe. In einer äquimolaren Mischung mit Carboxyfluorescein konnte der Einfluss der Ionenstärke deutlich vermindert werden. Im vierten Kapitel werden zwei, auf dem oben genannten Prinzip, basierende Methoden zur Kompensation des Einflusses der Ionenstärke auf das Messsignal erarbeitet: Der Farbstoff Carboxyfluorescein wird auf teilweise amino-modifizierter Carboxycellulose immobilisiert. In der ersten Methode werden nachträglich die restlichen Carboxylgruppen dieser gefärbten Cellulose zu positiv geladenen Gruppen umgewandelt. Wiederum kann durch Mischung von positiv und negativ geladenen Cellulosen eine Verbesserung der IS-Querempfindlichkeit im Bereich von IS = 25 mM bis 500 mM im Vergleich zu den Ausgangssensoren erreicht werden. In der zweiten Methode wird die gefärbte, negativ geladene Cellulose schrittweise mit positiven Gruppen beladen. Sechs unterschiedlich geladene Sensoren werden auf ihre IS-Querempfindlichkeit hin untersucht. Ein Sensor zeigt eine minimale Querempfindlichkeit gegenüber der IS. Dieser Sensor zeigt bei Untersuchungen des Zeta-Potentials den kleinsten Wert und somit die kleinste Ladungsdichte, d.h. eine erfolgreiche Kompensation negativer und positiver Ladung. Im fünften Kapitel wird die dritte Methode zur Minimiserung des IS-Einflusses vorgestellt. Neuartige, auf Fluorescein basierende, lipophile pH-Indikatoren werden in ein ionenpermeables, ladungsneutrales Polymer eingebettet. Die hohe Lipophilie wird erreicht durch Veresterung der Carboxylgruppe in 2-Position mit einer C18-Kette. Durch die Veresterung wird die Zahl der Ladungen am Chromophor auf �1, bzw. 0 im basischen, bzw. sauren Milieu reduziert. Durch die Ladungsreduzierung erniedrigt sich der Einfluss der IS auf ein Minimum und wird vernachlässigbar im Bereich von 25 mM bis 500. Durch Variation der Substituenten in 2�- und 7�-Position am Xanthengerüst des Farbstoffes kann die Dissoziationskonstante von etwa 5.5 bis 8.5 variiert werden. Sensoreigenschaften wie Photostabilität, Temperaturabhängigkeit, Fluoreszenzabklingzeit wurden ausführlich untersucht und im Vergleich zu einem käuflichen Fluoresceinderivat diskutiert. Zwei Anwendungen der Sensormembranen werden am Ende des Kapitels mit der Messung des pH Wertes von �synthetischem� Blutplasma und der Messung der Enzymaktivität von Urease demonstriert. Im sechsten Kapitel werden neue, amino-modifizierte Polymere mit Carboxyfluorescein beladen. Diese Polymere wurden mit pH-inerten Referenzpartikeln in ein ladungsneutrales Hydrogel eingebettet. Mit Hilfe eines neuartigen Referenzierungsverfahrens (Dual Lifetime Referencing) wird die Fluoreszenzintensität der Sensormembranen über die unterschiedlichen Abklingzeiten der beiden Luminophore in eine Verschiebung der Phasenwinkels konvertiert.