New pH sensitive sensor materials [Elektronische Ressource] : luminescent fiber-optic dual sensors for non-invasive and simultaneous measurement of pH and pO_1tn2 (dissolved oxygen) in biological systems / vorgelegt von Anna S. Kocincová (geb. Vasylevska)

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• Publié par: universitat_regensburg
• Publié le: 01 janvier 2007
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• Langue: Deutsch
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Extrait

New pH Sensitive Sensor Materials. Luminescent Fiber-
Optic Dual Sensors for Non-Invasive and Simultaneous
Measurement of pH and pO (Dissolved Oxygen) in 2
Biological Systems.



DISSERTATION ZUR ERLANGUNG DES
DOKTORGRADES DER NATURWISSENSCHAFTEN
(Dr. rer. nat)

DER FAKULTÄT CHEMIE UND PHARMAZIE
DER UNIVERSITÄT REGENSBURG





vorgelegt von
Anna S. Kocincová
(geb. Vasylevska)
aus Odessa (Ukraine)
Mai 2007


Diese Doktorarbeit entstand in der Zeit von Februar 2004 bis Mai 2007 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 23.04.2007


Kolloquiumstermin: 21.05.2007

Prüfungsausschuß: Vorsitzender: Prof. Dr. B. Dick
Erstgutachter: Prof. Dr. O. S. Wolfbeis
Zweitgutachter: Prof. Dr. D. Belder
Prof. Dr. A. Göpferich Drittprüfer:


Danksagung

Mein erster Dank gilt Prof. Dr. Wolfbeis für die Vergabe der interessanten Themen, für sein
Interesse am Fortgang dieser Arbeit, sowie für die sehr guten Arbeitsbedingungen am
Lehrstuhl.

Ein besonderes Dankeschön geht an Dr. Christian Krause (PreSens Precision GmbH), der
mir unermüdlich die Grundlagen der optischen Sensorik beibrachte und für die problemlose
Bereitstellung von Chemikalien und Messgeräten. Danke auch trotz seiner knapp bemessenen
Zeit für die zahlreichen Diskussionen über meine angehäuften Schwierigkeiten.

Ein weiteres großes Dankeschön geht an Dr. Alexander Karasyov (Active Motif Chromeon
GmbH), der immer ein kompetenter Ansprechpartner für alle Fragen zur Synthese von
optischen pH-Sensoren war. Ich bedanke mich auch für die Hilfe an meinen ersten Tagen in
Deutschland und für die Diskussionen fernab der Chemie.

Dr. Sergey Borisov (Technische Universität Graz) möchte ich für sein Interesse an meiner
Arbeit danken, der immer Zeit für meine häufigen Nachfragen zur optischen Sensorik hatte
und gern versuchte, zu schwierigen Situationen die Lösung zu finden. Ich bedanke mich auch
für die lustige Zusammenarbeit und für seinen Trost bei bisweilen misslungenen
Experimenten.

Ganz herzlich möchte ich Dr. Sarina Arain (PreSens Precision GmbH) danken für die
Ermöglichung der Bakterienversuche und den Umgang mit dem SDR. Außerdem danke ich
Sarina und Dr. Claudia Schröder für die sehr sehr schöne gemeinsame Laborzeit und für die
ständige Hilfe im Alltag.

Weiterhin bedanke ich mich ganz herzlich bei den derzeitigen Mitgliedern unseres Institutes,
insbesondere Matthias Stich, Doris Burger, Petra Suchomel, Martin Link, Christian
Spangler, Corinna Spangler, Gisela Hierlmeier, Stefan Nagl und Dr. Michael
Schäferling für die wissenschaftlichen und nichtwissenschaftlichen Diskussionen und die
sehr gute Atmosphäre am Lehrstuhl.

Ein herzlicher Dank geht an die gute Seele des Lehrstuhls, Edeltraud Schmid, die mit
ihrem unermüdlichen Einsatz den Lehrstuhl mit stets guter Laune und großartigem
Organisationstalent am Laufen hält.

Dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) danke ich für die finanzielle
Unterstützung während dieser Arbeit.


Abschließend möchte ich mich bei meiner Familie bedanken:
Besonderen Dank an meine Eltern Sergej und Praskovja Vasilevskie und Schwester Natalia
für den Glauben an mich und ferne Unterstützung in schlechten und guten Zeiten. (Особая
благодарность моим родителям Сергею и Прасковьи Василевским, а также моей сестре
Наталии за веру в мои силы и моральную поддержку не толъко в лучшие, но и в
трудные времена).

Und ganz besonders herzlich möchte ich mich bei meinem Mann Mgr. LLM Jaroslav
Kocinec bedanken, der mir immer Ruhe und Kraft gegeben hat. „Zu zweit war und ist alles
immer halb so schwer und doppelt so schön.“
















Table of Contents
CHAPTER 1
Progress in Microsensing of pH and pO …………………………. 1 2

1.1 Motivation………………………………………………………………….. 1

1.2 State of the Art of Optical Sensing of pH, pO , and of Dual pH/pO 2 2
Sensing……................................................................................................... 3

1.2.1 pH Sensors……………………………………………………......... 3
1.2.2 pO Sensors………………………………………………………… 4 2
1.2.3 pH/pO Dual Sensors………………………………………………... 6 2
1.2.4 pH/pO Dual Microsensors…………………………………………… 7 2

1.3 Referencing Methods for Measurements of
Luminescent Optical Sensors………………………………………………. 8
1.3.1 Referencing via Ratiometric Measurements………………………......... 8
1.3.2 The Frequency Domain Dual Lifetime Referencing (DLR)
and Modified Dual Lifetime Referencing (m-DLR)…………………… 10

1.4 References………………………………………………………………... 15

CHAPTER 2
Novel Coumarin-Based Fluorescent pH Indicators, Probes
and Membranes Covering a Broad pH Range………………….. 28

2.1 Introduction………………………………………………………………. 28

2.2 Experimental…………………………………………………………....... 30
2.2.1 Materials…………………………………………………………………… 30
2.2.2 Synthesis…………………………………………………………………… 30
2.2.3 Preparation of the pH-Sensitive Sensor Beads and Sensor
Membranes…………………………………………………………………. 32
2.2.4 Preparation of the Ratiometric Sensing Material…………………………... 35
2.2.5 Preparation of the Mixed-Indicator pH Sensitive Sensor
I
Membrane………………………………………………………………….. 35
2.2.6 Instruments and Measurements……………………………………………. 35

2.3 Results and Discussion…………………………………………………… 37
2.3.1 Spectral Properties of the pH Indicators in Solution………………………. 37
2.3.2 Photostability of the pH Indicators………………………………………… 42
2.3.3 pH-Sensitive Membranes ………………………………………………….. 43

2.4 Conclusion………………………………………………………………... 47

2.5 References………………………………………………………………... 48

CHAPTER 3
Dual Lifetime Referenced Sensor Membranes for Fiber
Optic Determination of pH Using Microbeads and
Nanoparticles………………………………………………............54

3.1 Introduction………………………………………………………………. 54

3.2 Material and Methods…………………………………………………….. 56
3.2.1 Chemicals…………………………………………………………………... 56
3.2.2 Apparatus…………………………………………………………………... 56
3.2.3 Buffer Preparation………………………………………………………….. 57
3.2.4 Covalent Immobilization of the Indicators on Polymer Beads…………….. 58
3.2.5 Membrane Preparation……………………………………………………... 58
3.2.6. Dual Lifetime Referencing Frequency-Domain (DLR) Method………..…. 59

3.3 Results and Discussion…………………………………………………… 60
3.3.1 Choice of Materials………………………………………………………… 60
3.3.2 Sensor Characteristics……………………………………………………… 61
3.3.3. DLR-Referenced pH Membranes………………………………………….. 64

3.4 Conclusion………………………………………………………………... 69

3.5 References………………………………………………………………....70
II

CHAPTER 4
Indicator-Loaded Permeation-Selective Microbeads for Use
in Fiber Optic Simultaneous Sensing of pH and Dissolved
Oxygen……………………………………………………………...73

4.1 Introduction………………………………………………………………. 73

4.2 Experimental…………………………………………………................. .. 75
4.2.1 Materials and Reagents…………………………………………………...... 75
4.2.2 pH Meter…………………………………………………………………. .. 76
4.2.3 Buffer Preparation………………………………………………………….. 76
4.2.4 Preparation of Sensor Beads and Sensor Membranes……………………. .. 77
4.2.4.1 Preparation of the Oxygen-Sensitive Microbeads SB-1
and the Sensor Membrane SM-1…………………………………. 78
4.2.4.2 Preparation of the Oxygen-Sensitive Microbeads SB-2
and SB-3 and the Sensor Membranes SM-2 and SM-3…………... 78
4.2.4.3 Preparation of the pH-Sensitive Microbeads SB-4
and SB-5 and the Sensor Membranes SM-4 and SM-5…………... 79
4.2.4.4 Preparation of Dually Sensing Materials DS-1, DS-2
and DS-3…………………………………………………………. 79
4.2.5 Measurements……………………………………………………………. ...80

4.3 Results and Discussion…………………………………………………… 81
4.3.1 Choice of Materials………………………………………………………. .. 81
4.3.2 Response of the pH Sensor Materials SM-4 and SM-5……………………. 85
4.3.3 Response of the Oxygen Sensor Membranes……………………………….89
4.3.3.1 Oxygen-Sensitive Probe SM-1…………………………………… 89
4.3.3.2 Oxygen-Sensitive Probe SM-2…………………………………… 91
4.3.3.3 Oxygen-Sensitive Probe SM-3…………………………………… 93
4.3.4 Response of the Dual Sensor in the Intensity Mode……………………….. 95
4.3.5 Response of the Dual Sensor to pH in the Frequency Domain…………......99
4.3.6 Response of the Dual Sensor to Oxygen in the Frequency Domain……..