DE4212910C2 - Verfahren zur Beschichtung von Sensoren mit selektiv durchlässigen Polymermembranen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Her­ stellung von selektiv durchlässigen Polymermembranen für Sensoren zur Bestimmung chemischer Substanzen.

Schichten aus Polymermaterialien weisen für unter­ schiedliche Substanzen unterschiedliche Löslichkeit auf. Dies wird sowohl für Polymermembrane - sog. Lös­ lichkeits-/Diffusionsmembrane - als auch für selektive Sensoren ausgenutzt.

Mit Polymeren beschichtete Sensoren und insbesondere entsprechend beschichtete Halbleiter-Sensoren finden in der Messung von chemischen Substanzen und insbesondere in der chemischen und der medizinischen Analytik Anwen­ dung.

Bei den bisher vorgeschlagenen Sensoren mit Polymer­ schichten, die als selektiv durchlässige Membrane wir­ ken, werden als Diffusionsbarriere für störende Parti­ kel und Moleküle separate Polymermembranen aufgelegt.

Separate polymere Membranfilter, wie sie etwa bei Bio­ sensoren verwendet werden, weisen eine Trenngrenze bei Molekulargewichten von ca. 500 Dalton auf; damit ist ge­ meint, daß Moleküle mit einem Molekulargewicht von mehr als 500 Dalton mit einer statistisch definierten Sicherheit zurückgehalten werden.

Sensorbeschichtungen mit signifikanten Trenneigenschaf­ ten für organische Moleküle mit einem Molekulargewicht unter 500 Dalton sind bisher nicht bekannt geworden.

Aus dem Buch "Das Arbeiten mit ionenselektiven Elektroden" von Camman, Springer Verlag Berlin Heidelberg Kap. 3.2.3-3.5.3 sind Trennmembranen be­ kannt, die einen Ladungstransport zwischen einer Eich- und einer Meßlösung ermöglichen, ein realer Massen­ transport der zu analysierenden Moleküle findet jedoch nicht statt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Beschichtung von Sensoren mit selektiv durchlässi­ gen Polymermembranen anzugeben, durch das u. a. Polymer­ schichten mit Trenneigenschaften für Moleküle mit einem Molekulargewicht von weniger als 500 Dalton erzeugt werden können, und das insbesondere eine Einstellung der Trenngrenze erlaubt.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß nur durch eine auf einer festen Sensoroberfläche fest haf­ tende Schicht aus wenigstens einem organischen Polymer die definierten Verhältnisse geschaffen werden können, die für die Realisierung definierter Trenneigenschaften erforderlich sind.

Weiterhin wird erfindungsgemäß ausgenutzt, daß die pro Zeit und Fläche durch die Polymerschicht diffundierende Zahl von Molekülen außer durch die Dicke des polymeren Filmes nur durch die Polymereigenschaften zu beeinflus­ sen ist. Bei den direkt mit Polymeren beschichteten Sensoren bestimmen nämlich die Materialeigenschaften des verwendeten Polymers, d. h. seine Porenstruktur und die Ladungsverteilung an den Oberflächen, die Trennei­ genschaften des Systems.

Erfindungsgemäß werden deshalb durch Einstellung der Dicke der Polymerschicht und/oder der Löslichkeits- /Diffusions-Eigenschaften und/oder deren Poreneigen­ schaften die vorgegebenen Trenneigenschaften reali­ siert.

Anders ausgedrückt, bestehen die Merkmale der Erfindung darin, eine Sensoroberfläche mit einem fest haftenden polymeren Film zu beschichten und durch Herauslösen geeigneter Moleküle Strukturen in der Weise definiert zu erzeugen und/oder die Dicke des Films geeignet ein­ zustellen, daß nur die für den Meßvorgang bestimmten Moleküle an die aktive Sensorfläche gelangen können.

Die Dicke des Polymerfilms kann besonders genau einge­ stellt werden, wenn das oder die Polymere in einem Lösungsmittel gelöst auf die Sensoroberfläche aufge­ bracht werden.

Zur Beeinflussung des Lösungs-/Diffusionsverhaltens ist es wesentlich, daß dem oder den eingesetzten Polymer(en) chemische Stoffe beigemischt werden, die ein von dem oder den Polymeren unterschiedliches Lösungsverhalten aufweisen. Nach dem Aufbringen der fest haftenden Schicht werden der oder die zugesetzten Stoffe mit einem Lösemittel ganz oder teilweise heraus­ gelöst, so daß sich zusätzlich definierte Poren erge­ ben.

Hierbei ist es weiterhin von Vorteil, wenn in der Schicht Strukturen erzeugt werden, die kleine Moleküle, die vorher nicht hindurchtreten konnten, an die Sensor­ oberfläche gelangen lassen und nur wenig größere Mole­ küle selektiv zurückhalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Beschichtung von Sensoren mit selektiv durchlässigen Polymermembranen erlaubt die Herstellung von Sensoren zur Messung von chemischen Substanzen, die insbesondere für die chemi­ sche Analytik und Prozeßkontrolle auf verschiedenen Gebieten, wie Biotechnologie, Umweltschutz, Gesund­ heitswesen einsetzbar sind.

Dabei erhält man Membranen mit bisher nicht erreichter Trennschärfe, die für die Analyse durchlässig sind, störende und nur wenig größere Moleküle aber signifi­ kant von der aktiven Sensorfläche fernhalten.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausfüh­ rungsbeispiels unter Bezugnahme auf die einzige Figur der Zeichnung exemplarisch näher beschrieben:

Bei dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel für chemische Sensoren mit planaren Festkörperoberflä­ chen in flüssigen Medien werden Dünnschicht-Platinelek­ troden in Silizium-Technologie als Träger für selektiv durchlässige Polymermembranen verwendet.

Auf den aktiven Oberflächen der Elektrodenchips (Pt; SiO₂) wird durch Auftropfen oder Aufschleudern einer Lösung von organischen Polymeren (z. B. Cellulosetriace­ tat in Aceton) eine adhäsiv fest haftende Polymer­ schicht erzeugt. Die Dicke dieser Schicht wird schritt­ weise durch die Konzentration der Polymerlösung so weit erhöht, daß sie für den Analyten und die störenden Substanzen gerade undurchlässig wird. Ein hierfür typische Dicke liegt zwischen ca. 20 und 40 µm, kann aber im Einzelfall deutlich abweichen.

Mischt man der so gefundenen Polymerlösung vor der Schichterzeugung wasserlösliche Substanzen wie Protei­ ne, Salze, Polyäthylenglycole verschiedener Kettenlän­ gen oder ähnliche Substanzen zu, kann man diese aus dem getrockneten wasserundurchlässigen Polymerfilm mit Was­ ser wieder herauslösen. Dabei entstehen Poren oder Ka­ nalstrukturen, die den Polymerfilm partiell wieder durchlässig machen.

Die Selektivität bzw. Trenneigenschaft des Polymerfilms ist dabei sowohl von den Materialeigenschaften des Polymeren als auch von der Art der zugemischten und dann herausgelösten Moleküle abhängig.

In der einzigen Figur der Zeichnung ist dargestellt, daß man durch geeignete Wahl der Beimischung zu einem gegebenen Polymer erreichen kann, daß der Polymerfilm selektiv bevorzugt von den kleinsten Molekülen durch­ drungen werden kann, während er für die größeren als Diffusionssperre wirkt.

Insbesondere ist in der Zeichnung der Einfluß von Cel­ lulosebeschichtungen mit definierten Poren auf Dünnfilm- Platinelektroden mit einer Fläche von 7 mm² in Si- Technologie auf den amperometrischen Nachweis von Was­ serstoffperoxid und Ascorbinsäure dargestellt.

Dabei sind die Signale von unbeschichteten Sensoren, mit einem reinen Cellulose-2,5-acetat-Film beschichte­ ten Sensoren sowie von Sensoren dargestellt, die mit einem Cellulose-2,5-acetat-Film mit

- 10 Gew.% HSA (Humanserum-albinum)
- TEABF (Tetraäthyl-ammonium-bortrifluorid)
- PEG (Polyäthylenglykol) mit einem mittleren Molekulargewicht von 1500, 8000, 20 000

beschichtet worden sind.

Praktisch angewendet kann man auf diese Weise bei einem Blutglucose-CHIP-Biosensor die als elektrodenaktive Substanz störende Ascorbinsäure stark unterdrücken, während das als Produkt einer Enzymreaktion zu messende Wasserstoffperoxid bevorzugt erfaßt wird.

Der Film kann auch als filterähnliche Zwischenschicht benutzt werden, indem er z. B. mit immobilisierten Bio­ komponenten überschichtet wird.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel wird auf einen 8×8mm Si-Chip mit einer oder mehreren Pt-Elek­ troden 40 µl einer Lösung von 2% Cellulose-2,5-acetat in Adeton mit 10 Gew.% (bezogen auf festes Polymer in der Lösung) Polyäthylenglykol mit einem mittleren Moleku­ largewicht von 8000 Dalton getropft.

Die Lösung läßt man zwei Stunden zum Film eintrocknen. Vor dem analytischen Gebrauch wird der Chip mit dem Polymerfilm für 10-24 Stunden in eine 0,1 mol/l wäß­ rige Phosphatpufferlösung gestellt. Danach ist er zu selektiven elektrochemischen Messungen von Wasserstoff­ peroxid nutzbar oder kann mit weiteren Beschichtungen, z. B. Biokomponenten, versehen werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung von selektiv durchlässigen Polymermembranen für Sensoren zur Bestimmung chemischer Substanzen, mit folgenden Merkmalen:

• - einer Lösung aus wenigstens einem organischen Polymer werden Stoffe mit einer bestimmten Molekülgröße beige­ mischt, die nach dem Erstarren ein verglichen mit den Polymeren unterschiedliches Löslichkeitsverhalten auf­ weisen,
• - die Mischung wird auf eine feste Sensoroberfläche zur Bildung einer fest haftenden Schicht aufgebracht,
• - zur Einstellung der vorgegebenen Trenneigenschaften werden die beigemischten Stoffe wenigstens teilweise herausgelöst.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beigemischten Stoffe mit Wasser oder einem organischen Lösemittel herausgelöst werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Schicht Strukturen erzeugt werden, so daß Moleküle mit einem Molekulargewicht unter 500 Dalton nachgewiesen werden können.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzstoffe wasserlös­ liche Substanzen wie Proteine, Salze oder Polyäthylen­ glycole verschiedener Kettenlänge sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenneigenschaften der Polymerschicht durch ihre Dicke, Löslichkeits- /Diffusions-Eigenschaften und/oder deren Poreneigenschaften eingestellt werden kann.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht zwischen etwa 20 und 40 µm beträgt.