New fluorescent optical pH sensors with minimal effects of ionic strength [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Bernhard M. Weidgans

Informations

• Publié par: universitat_regensburg
• Publié le: 01 janvier 2004
• Nombre de lectures: 30
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 1 Mo

Extrait

New Fluorescent Optical pH Sensors with
Minimal Effects of Ionic Strength




Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften
(Dr. rer. nat.)
der Naturwissenschaftlichen Fakultät IV – Chemie und Pharmazie
der Universität Regensburg






vorgelegt von
Bernhard M. Weidgans
aus Passau
September 2004 Diese Doktorarbeit entstand in der Zeit von Juni 2001 bis September 2004 am Institut für
Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik an der Universität Regensburg.

Die Arbeit wurde angeleitet von Prof. Dr. Otto S. Wolfbeis.





















Promotionsgesuch eingereicht am 25.8.2004

Kolloquiumstermin: 24.9.2004
Prüfungsausschuß: Vorsitzender: Prof. Dr. H.-H. Kohler
Erstgutachter: Prof. Dr. O. S. Wolfbeis
Zweitgutachter: Prof. Dr. I. Klimant
Drittprüfer: Prof. Dr. W. Kunz
Danksagung



Diese Doktorarbeit entstand in der Zeit zwischen Juni 2001 und Juni 2004 am Institut für
Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik der Universität Regensburg.

Mein erster Dank gilt Prof. Dr. Otto S. Wolfbeis für die Bereitstellung der interessanten
Themen, für sein Interesse am Fortgang dieser Arbeit, sowie für die ausgezeichneten
Arbeitsbedingungen am Lehrstuhl. Für die Möglichkeit, zahlreiche nationale und internationale
Konferenzen zu besuchen, möchte ich mich auch bedanken.

Ein großes Dankschön möchte ich auch Prof. Ingo Klimant (TU Graz) aussprechen. Trotz
seiner knapp bemessenen Zeit in Regensburg nahm er sich wöchentlich meiner angehäuften
Schwierigkeiten an. Seine wissenschaftlichen Anleitungen und die ausgiebigen Diskussionen
halfen unüberwindbare Probleme am Ende einfach erscheinen zu lassen.

Ein herzliches Vergelt’s Gott geht an Dr. Christian Krause (PreSens Precision GmbH).
Gerade am Anfang der Arbeit war er ein unverzichtbarer Lehrer, der mir unermüdlich die
Grundlagen optischer pH-Sensorik beibrachte. Danke auch für die Bereitstellung von
Chemikalien und die zahlreichen Diskussionen fernab der Chemie und Sensorik.

Des Weiteren möchte ich mich bei Dr. Tobias Werner und den ehemaligen Mitgliedern unserer
Arbeitsgruppe Dr. Torsten Mayr, Michael Meier, Paweł Choijnacki und Hannelore Brunner
für die ausgezeichnete Arbeitsatmosphäre während des ersten Jahres der Doktorarbeit bedanken.

Weiterhin bedanke ich mich bei:
Athanas Apostolidis, Sarina Arain, Claudia Schröder, Dr. Gregor Liebsch, Stephan Nagl,
Bianca Wetzl und Dr. Axel Dürkop für lustige Kaffee- und Teepausen und eine sehr, sehr
schöne Zeit der Zusammenarbeit in unserer Arbeitsgruppe.
- meinen Kollegen aus dem Reich der Mitte, Dr. Meng Wu und Dr. Zhihong Lin, dass sie mir
eine fernöstliche Sicht des bayrischen Alltags beibrachten.
- den Mitarbeitern der Firmen PreSens Precision GmbH und Chromeon GmbH.

- allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Lehrstuhls, die zum Gelingen dieser Arbeit
beigetragen haben. Hervorgehoben seien hier Nadja Hinterreiter, die mir täglich die Vorzüge
eines ordentlich geführten Laborjournals demonstrierte und Edeltraud Schmid für ihre
organisatorische Unterstützung.

- den Bundesanstalten für Materialprüfung (BAM), Geographie und Rohstoffe (BGR) und der
Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) für die finanzielle
Unterstützung.



Mein größter Dank gilt meinen Eltern Renate und Maximilian Weidgans, die mich zu jeder Zeit
und in jeder Hinsicht unterstützt haben. Vor Euch liegt das Resultat, wenn man seinem Kind zum
zehnten Geburtstag einen Chemiebaukasten schenkt. I Table Of Contents

Table of Contents

1. Introduction
1.1. Motivation……………………………………………………………………... 1
1.2. Presentation of the Problem and Aim of the Work………………………….2
1.3. References……………………………………………………………………... 3

2. Physico-chemical Background
2.1 Determination of pH………………………………………………………….. 8
2.1.1. Definition of pH………8
2.1.2. Principle of Optical pH Sensing……………………………………………….10
2.1.3. Ionic Strength, Activity Coefficients and Debye-Hückel-Theory……………. 12
2.1.4. Optical Sensors versus Electrodes……………………………………………. 15
2.1.5. State of the Art………………………………………………………………... 16
2.2. Luminescence…………19
2.2.1. Fluorescence Intensity…………………………………………………………19
2.2.1.1. Referencing via Ratiometric Measurements…………………………………………………... 21
2.2.1.1. Referencing via Dual Lifetime Measurements (DLR)………………………………22
2.2.2. Fluorescence Decay Time…………………………………………………….. 24
2.3. References……………………………………………………………………. 25


3. Effects of Ionic Strength on Fluorescent pH Indicators in
Aqueous Solutions
3.1. Introduction………………………………………………………………….. 30
3.2. Materials and Methods……………………………………………………… 33
3.2.1. Chemicals……………………………………………………………………... 33
3.2.2. Buffer Preparation……34
3.2.3. pH Meter……………………………………………………………………… 35
3.2.4. Fitting Function and Calibration Curves……………………………………… 35
3.2.5. Absorbance Measurements…………………………………………………… 35
3.2.6. Fluorescence Measurements………………………………………………….. 36 II Table Of Contents
3.2.7. Fluorescence Measurements in Microtiterplates……………………………... 36
3.2.8. Measurements……………………………………………….. 37
3.3. Results and Discussion………………………………………………………. 37
3.3.1. Choice of Indicators…………………………………………………………... 37
3.3.2. Effects of Ionic Strength on HPTS ................................................................... 38
3.3.3. Igth on Carboxyfluorescein…………………………….. 39
3.3.4. Effects of Ionic Strength on Fluorescein……………………………………... 41
3.3.5. Igth on Fluamin…………………………………………. 43
3.3.6. Effects of Ionic Strength on an Equimolar Mixture of Fluamin and
Carboxyfluorescein…………………………………………………………… 45
3.4. Conclusion and Outlook…………………………………………………….. 46
3.5. Syntheses……………………………………………………………………... 47
3.5.1. Synthesis of NC-Fluorescein…………………………………………………. 47
3.5.2. Synthesis of Fluamin……..…………………………………………………… 48
3.6. References……………………………………………………………………. 48


4. Optical Sensor for Physiological pH’s:
Minimizing the Effect of Ionic Strength
4.1. Introduction………………………………………………………………….. 51
4.2. Materials and Methods……………………………………………………… 52
4.2.1. Chemicals……………………………………………………………………... 52
4.2.2. Apparatus……………………………………………………………………... 53
4.2.3. Fitting Function and Calibration Curves……………………………………… 54
4.2.4. Preparation of amino-modified Carboxycellulose54
4.2.5. Photometric Determination of the Content of Amino Groups…………….….. 55
4.2.6. Covalent Immobilization of the Indicator…………….………………………. 55
4.2.7. Iation of the positively charged Amino Groups………..… 56
4.2.8. Membrane Preparation………………………………………………………... 56
4.2.9. Buffer Preparation…………………………………………………………….. 57
4.3. Results and Discussion………………………………………………………. 58
4.3.1. Choice of Indicator and polymeric Support…………………………………... 58
4.3.2. Minimizing the Effect of Ionic Strength with the Mixed-matrix
Compensation Method (MMCM)………………………………………….…. 60 IIITable Of Contents
4.3.3. Minimizing the Effect of Ionic Strength using the
Direct Immobilization Compensation method (DICM)……………………… 67
4.3.4. Zeta Potentials………………………………………………………………… 71
4.4. Conclusion…………………………………………………………………… 71
4.5. References……………………………………………………………………. 72


5. Lipophilic, Fluorescent pH Sensors with Negligible Sensitivity
to Ionic Strength
5.1. Introduction…………………………………………………………………..75
5.2. Materials and Methods………………………………………………………77
5.2.1 Chemicals……………………………………………………………………... 77
5.2.1. Apparatus……………………………………………………………………... 78
5.2.2. Buffer preparation…………………………………………………………….. 79
5.2.3. Experimental Set-up for Measurements at low Ionic Strength……………….. 79
5.2.4. Determination of Molar Absorbance…………………………………………. 80
5.2.6. Determination of Quantum Yields……………………………………………. 80
5.3. Syntheses……………………………………………………………………... 81
5.3.1. Synthesis of 2,4-Dihydroxy-2'-carboxybenzophenone……………………….. 81
5.3.2. Synthesis of 5-Chloro-2,4-dihydroxy-2'-carboxybenzophenone……………... 82
5.3.3. Synthesis of 2'-Chlorofluorescein (MCF)…………………………………….. 82
5.3.4. Sy'-Chloro-7'-hexylfluorescein (CHF)…………………………… 82
5.3.5. Synthesis of 2',7'-Dihexylfluorescein (DHF)…………………………………. 83
5.3.6. Sy',7'-Dichlorofluorescein octadecylester (DCFOE)…………….. 83
5.3.7. Synthesis of 2'-Chlorofluorescein octadecylester (MCFOE)…………………. 83
5.3.8. Sy'-Chloro-7'-hexylfluorescein octadecylester (CHFOE)………... 84
5.3.9. Synthesis of 2',7'-Dihexylfluorescein octadecylester (DHFOE)……………… 84
5.3.10. Preparation of sensor membranes…………………………………………….. 84
5.4. Results and Discussion………………………………………………………. 85
5.4.1. Choice of Materials…………………………………………………………… 85
5.4.2. Membrane Characteristics……………………………………………………. 86
5.4.3. Effect of Ionic Strength……………………