DE4108808A1 - Analytical sensor comprising silicone membrane on end of fibre optic - held in carrier tube, for measuring oxygen@ concn. in fermentation from quenching of fluorescent dye dissolved in the membrane - Google Patents

Analytical sensor comprising silicone membrane on end of fibre optic - held in carrier tube, for measuring oxygen@ concn. in fermentation from quenching of fluorescent dye dissolved in the membrane

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Abstract

Sensor arrangement for determn. of an analyte comprises: (1) a light conductor (fibre optic) set in a carrier; and (2) on the front of the conductor, a sensor consisting of a silicone membrane in which is dissolved a fluorescence indicator (I). The membrane is stretched over a transparent holder (pref. convex on its front side) mounted on the front end of the conductor. (I) is pyrene-butyric acid, decacylene or a Ru complex. USE/ADVANTAGE - The sensor is used to monitor the O2 concn. in fermentation processes based on increased quenching of fluorescence emission from (I) as the O2 concn. increases. It can be operated without supervision and the sensor is easily exchanged.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Bestimmung eines Analyts, umfassend eine Lichtleiteranordnung mit stirnseitig angeordnetem Sensor.The invention relates to a sensor arrangement for determination of an analyte, comprising a light guide arrangement with sensor arranged at the front.

Zur Fermentationskontrolle werden herkömmlich amperometri­ sche Sauerstoffsonden eingesetzt. Diese Sauerstoffsonden um­ fassen eine Meßelektrodenanordnung, bei der die Elektroden in eine Probenlösung eintauchen. Von Zeit zu Zeit müssen die Elektrolyten oder Elektrodenmetalle ausgetauscht werden. Kommt es zu elektromagnetischen Störungen, so wirken sich diese auf die Meßergebnisse aus. Infolgedessen werden an den entsprechenden Stellen aufwendige Abschirmungen vorgesehen.For fermentation control, amperometri are conventionally used cal oxygen probes are used. These oxygen probes around summarize a measuring electrode arrangement in which the electrodes Immerse in a sample solution. From time to time they have to Electrolytes or electrode metals are exchanged. If there are electromagnetic disturbances, they have an effect these based on the measurement results. As a result, the corresponding shielding provided complex shields.

Die Bestimmung von Sauerstoffübergangskoeffizienten liefert eine für aerobe Prozesse in Bioreaktoren wichtige Kenngröße, da der Transport von Sauerstoff von der Gasphase bis hin zur gelösten Phase in der Zelle oft limitierend ist. Es sind dy­ namische und statische Meßmethoden entwickelt worden, die z. B. in Chem.-Ing.-Tech. 57, S. 501-505, 1985 beschrieben sind. Bei den dynamischen Methoden ist die sehr schnelle Verfolgung der Gelöstsauerstoff-Konzentration wichtig und die Änderung der Sauerstoff-Flüssigphasen-Konzentration wird bei einer sprunghaften Änderung der Gaszusammensetzung ver­ folgt. Entsprechend kann ein Sprung in der Gasphasenzusam­ mensetzung auch durch die schlagartige Druckabnahme hervor­ gerufen werden.The determination of oxygen transfer coefficients provides an important parameter for aerobic processes in bioreactors, because the transport of oxygen from the gas phase to dissolved phase in the cell is often limiting. It's dy Named and static measuring methods have been developed e.g. B. in Chem.-Ing.-Tech. 57, pp. 501-505, 1985 are. The dynamic method is very fast Tracking the dissolved oxygen concentration is important and the change in oxygen-liquid phase concentration will in the event of a sudden change in the gas composition follows. Accordingly, a jump in the gas phase together also due to the sudden decrease in pressure be called.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranord­ nung zur Bestimmung eines Analyts, insbesondere zur Bestim­ mung der Sauerstoffkonzentration im Fermenter zu schaffen, die weitgehend wartungsfrei arbeitet und einen einfachen Sensoraustausch ermöglicht.The invention has for its object a sensor arrangement tion for the determination of an analyte, in particular for the determination to create the oxygen concentration in the fermenter, which works largely maintenance-free and a simple one Sensor exchange possible.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einer Sensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Wei­ terbildungen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung sind Ge­ genstand der Unteransprüche.This task is according to the invention in a sensor arrangement solved with the features of claim 1. Favorable Wei Further developments of the sensor arrangement according to the invention are Ge subject of the subclaims.

Eine erfindungsgemäße Sensoranordnung zur Bestimmung eines Analyts umfaßt somit eine Lichtleiteranordnung mit stirnsei­ tig angeordnetem Sensor, wobei ein Lichtleiter in einem Tra­ ger angeordnet ist und als Sensor eine Silikonmembran mit darin gelöstem Fluoreszenzindikator vorgesehen ist.A sensor arrangement according to the invention for determining a Analyts thus comprises a light guide arrangement with a face tig arranged sensor, wherein a light guide in a Tra ger is arranged and as a sensor with a silicone membrane fluorescence indicator dissolved therein is provided.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung dient zur Messung der Sauerstoffkonzentration mittels Bestimmung der Fluoreszenz des in der Silikonmembran gelösten Fluoreszenzindikators. Die Fluoreszenz des Indikators wird mittels Licht angeregt, das durch den Lichtleiter auf die Silkonmembran geführt wird. Die Fluoreszenz des Indikators nimmt mit zunehmender Sauerstoffkonzentration ab, d. h. die Fluoreszenz wird durch den Sauerstoff dynamisch gequencht.The sensor arrangement according to the invention is used to measure the Oxygen concentration by determining the fluorescence of the fluorescence indicator dissolved in the silicone membrane. The fluorescence of the indicator is excited by light, through the light guide onto the silicone membrane becomes. The fluorescence of the indicator increases with increasing Oxygen concentration from d. H. the fluorescence is through dynamically quenched the oxygen.

Bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist der Lichtlei­ ter in einem Träger angeordnet, an dem stirnseitig vorteil­ haft ein transparenter Membranhalter sitzt. Auf diesen Mem­ branhalter ist die Silikonmembran aufgespannt.In the sensor arrangement according to the invention, the light guide ter arranged in a carrier, on the end face advantage a transparent membrane holder sits. On this mem the silicone membrane is stretched out.

Der Membranhalter ist vorzugsweise stirnseitig konvex, d. h. linsenförmig. Diese Form bewirkt, daß sich vor der sauer­ stoffempfindlichen Silikonmembran keine störenden Luftblasen befinden. Diese wandern vielmehr zum Rand der Membran hin, d. h. sie steigen dorthin auf, und stören dann die Messung nicht mehr. Andernfalls käme es aufgrund der unterschiedli­ chen Partialdrücke des Sauerstoffs in der flüssigen oder in der Gasphase zu Störungen in der Gelöstsauerstoff-Bestim­ mung.The membrane holder is preferably convex on the end face, i. H. lenticular. This shape causes itself to be pissed off fabric-sensitive silicone membrane no annoying air bubbles  are located. Rather, they migrate to the edge of the membrane, d. H. they go up there and then interfere with the measurement no more. Otherwise it would come because of the differ Chen partial pressures of oxygen in the liquid or in the gas phase to disturbances in the dissolved oxygen determination mung.

Zweckmäßig ist der Membranhalter aus Quarzglas. Es kann dann eine Quarzglaslinse verwendet werden.The membrane holder made of quartz glass is useful. Then it can a quartz glass lens can be used.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsge­ mäßen Sensoranordnung ist der Lichtleiter ein Y-Lichtleiter. Bei diesem Sensoraufbau wird das Licht durch das eine Bündel des Y-Lichtleiters auf die Silikonmembran geführt und das Fluoreszenzlicht des Indikators durch das andere Bündel des Y-Lichtleiters zum Detektor geführt.In a preferred embodiment of the fiction According to the sensor arrangement, the light guide is a Y light guide. With this sensor design, the light is transmitted through one bundle of the Y light guide on the silicone membrane and that Fluorescent light from the indicator through the other bundle of the Y light guide to the detector.

Statt eines Y-Lichtleiters kann auch z. B. eine Anordnung mit einem einfachen Lichtleiter vorgesehen werden, vor dem ein halbdurchlässiger Spiegel angeordnet ist. Das Anregungslicht wird durch den halbdurchlässigen Spiegel in den Lichtleiter hineingekoppelt und das in dem Lichtleiter wieder zurückge­ führte Fluoreszenzlicht wird durch den halbdurchlässigen Spiegel in den Detektor gekoppelt.Instead of a Y light guide, z. B. an arrangement with a simple light guide can be provided before the one semi-transparent mirror is arranged. The excitation light is through the semi-transparent mirror in the light guide coupled in and that back in the light guide led fluorescent light is through the semi-transparent Mirror coupled into the detector.

Der Träger ist vorzugsweise ein Tauchrohr. Zur Halterung des Lichtleiters weist der Träger vorteilhaft einen oder zwei Zentriereinsätze auf. Am Kopf des Trägers bzw. Tauchrohrs kann eine Justiereinrichtung für den Lichtleiter vorgesehen sein. Eine besonders einfach handhabbare Justiereinrichtung ist eine Klemmschraube.The carrier is preferably an immersion tube. To hold the The light guide advantageously has one or two Centering inserts. At the head of the wearer or dip tube can be provided an adjustment device for the light guide be. A particularly easy-to-use adjustment device is a clamping screw.

Der Träger weist vorzugsweise stirnseitig eine abnehmbare Verschlußkappe auf. Dies ermöglicht es, die Silikonmembran auf einfache Weise auszutauschen. Dies ist z. B. zweckmäßig, wenn ein anderer Indikator verwendet werden soll.The carrier preferably has a removable end face Cap on. This enables the silicone membrane  exchange in a simple way. This is e.g. B. expedient, if another indicator is to be used.

Als Fluoreszenzindikatoren können vorteilhaft Pyrenbutter­ säure, Dekacyclen oder ein Rutheniumkomplex verwendet wer­ den. Es kann jedoch jeder beliebige Fluoreszenzfarbstoff verwendet werden, der eine Änderung der Fluoreszenzintensi­ tät mit der Sauerstoffkonzentration zeigt.Pyrene butter can advantageously be used as the fluorescence indicators acid, decacycles or a ruthenium complex the. However, it can be any fluorescent dye a change in fluorescence intensity can be used shows with the oxygen concentration.

Die Gesamtmeßvorrichtung ist bei Verwendung einer erfin­ dungsgemäßen Sensoranordnung außerordentlich einfach. Der Lichtleiter kann an ein herkömmliches Fluorimeter ange­ schlossen werden.The overall measuring device is invented when using a inventive sensor arrangement extremely simple. The Optical fibers can be attached to a conventional fluorimeter be closed.

Die Erfindung wird im folgenden weiter anhand eines bevor­ zugten Ausführungsbeispiels und der Zeichnung beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine Querschnittsan­ sicht einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration.The invention is further based on one before drafted embodiment and the drawing described. The only figure in the drawing shows a cross-section view of a sensor arrangement according to the invention for determination the oxygen concentration.

Bei der in der Zeichnung dargestellten faseroptischen Senso­ ranordnung ist ein Lichtleiter 2 an seinem vorderen Ende 4 nackt ausgebildet, d. h. die Umhüllung 6 ist in einer Länge von etwa 3 mm entfernt. Der Lichtleiter 2 ist durch ein als Träger dienendes hohles Tauchrohr 8 geführt, das an seinem vorderen Ende 10 offen ist.In the fiber optic sensor arrangement shown in the drawing, a light guide 2 is bare at its front end 4 , ie the sheath 6 is about 3 mm long. The light guide 2 is guided through a hollow dip tube 8 which serves as a carrier and is open at its front end 10 .

Dort ist ein Gewindestutzen 12 durch Preßpassung eingesetzt, der im Inneren hohl ist und durch den der Lichtleiter 2 hin­ durchgeführt ist. Der Gewindestutzen 12 weist etwa im mitt­ leren axialen Bereich einen Ringflansch 14 auf, der auf der Außenseite mit der Tauchrohrwandung fluchtet. Stirnseitig ist der Gewindestutzen mit einem äußeren, sich in axialer Richtung erstreckenden Flanschring 16 versehen, der auf der Außenseite ebenso wie der Mantel des Gewindestutzens bis zum Flanschring 14 mit einem Außengewinde 18 versehen ist. Durch den Flanschring 16 ist zusammen mit der Stirnseite des Ge­ windestutzens 12 eine Schulter gebildet. Bis zur Stirnseite des Gewindestutzens 12 erstreckt sich der Abschnitt des Lichtleiters 2, der mit der Umhüllung 6 versehen ist, so daß deren stirnseitiges Ende wiederum mit der Stirnseite des Ge­ windestutzens 12 fluchtet.There is a threaded connector 12 is inserted by press fitting, which is hollow inside and through which the light guide 2 is passed. The threaded connector 12 has an annular flange 14 approximately in the middle axial region, which is aligned on the outside with the dip tube wall. On the face side, the threaded connector is provided with an outer flange ring 16 which extends in the axial direction and which, like the casing of the threaded connector, is provided with an external thread 18 up to the flange ring 14 . Through the flange ring 16 together with the end face of the Ge threaded connector 12 a shoulder is formed. Up to the end face of the threaded connector 12 extends the portion of the light guide 2 , which is provided with the sheath 6 , so that its end face in turn is aligned with the end face of the threaded connector 12 Ge.

Auf der Schulter des Gewindestutzens 12 sitzt ein Zen­ triereinsatz 20, der am rückwärtigen Ende außenseitig eine Auflageschulter 22 aufweist und dessen axiale Bohrung 24 zur Stirnseite hin in einen Abschnitt mit größerem Durchmesser übergeht. Im Bereich dieses Abschnittes steht der Zen­ triereinsatz 20 über das stirnseitige Ende des Gewindestut­ zens 12 vor. Das stirnseitige Ende des Lichtleiters 2 er­ streckt sich bis fast zum stirnseitigen Ende des Zen­ triereinsatzes 20. Auf den Gewindestutzen 12 ist eine Ver­ schlußkappe 28 aufgeschraubt, die am rückwärtigen Ende ein Innengewinde 30 aufweist. Die Verschlußkappe 28 ist stirn­ seitig bis auf einen Ringabschnitt 32 offen, dessen Kante nach innen schräg zuläuft.On the shoulder of the threaded connector 12 sits a Zen trier insert 20 , which has a support shoulder 22 on the outside at the rear end and whose axial bore 24 merges towards the end face into a section with a larger diameter. In the area of this section, the Zen trier insert 20 protrudes over the front end of the threaded connector 12 . The end of the light guide 2 he stretches almost to the end of the Zen trier insert 20th On the threaded connector 12 , a United cap 28 is screwed, which has an internal thread 30 at the rear end. The closure cap 28 is open on the end face except for a ring section 32 , the edge of which tapers inwards at an angle.

Der Zentriereinsatz 20 steht mit mehreren O-Ringen 34, 36, 38 aus Gummi in Kontakt, die zur Abdichtung des Tauchrohrs mit dem Lichtleiter gegenüber dem zu untersuchenden Medium vorgesehen sind. Zwischen dem stirnseitigen O-Ring 38 und dem Ringabschnitt 32 ist ein scheibenförmiger Membranhalter 40 mit konvexer Stirnseite eingesetzt. Der Membranhalter 40 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Quarzlinse. Auf den Membranhalter 40 ist eine dünne Silikonmembran 42 mit einem gelösten Fluoreszenzfarbstoff gespannt. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Indikator Dekacyclen.The centering insert 20 is in contact with a plurality of rubber O-rings 34 , 36 , 38 , which are provided to seal the dip tube with the light guide from the medium to be examined. A disc-shaped membrane holder 40 with a convex end face is inserted between the front O-ring 38 and the ring section 32 . In the exemplary embodiment shown, the membrane holder 40 is a quartz lens. A thin silicone membrane 42 with a dissolved fluorescent dye is stretched onto the membrane holder 40 . In the exemplary embodiment shown, the indicator is decacycles.

Am rückwärtigen Ende des Tauchrohrs 8 ist ein weiterer Zen­ triereinsatz 44 durch Preßpassung gehaltert, der an der Au­ ßenseite zu einem Flanschstutzen 46 erweitert ist. Der Flanschstutzen 46 weist eine radiale, gewindeversehene Boh­ rung 48 auf, in die eine Klemmschraube 50 eingeschraubt ist.At the rear end of the dip tube 8 , another Zen trier insert 44 is held by an interference fit, which is expanded on the outside to a flange 46 . The flange connection 46 has a radial, threaded bore 48 tion, into which a clamping screw 50 is screwed.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel dient die Sensoranordnung zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in einem Fermen­ ter. Vor dem Sterilisieren des Fermenters wird die Sonde in die Standardports eingeschraubt und anschließend autokla­ viert.In the exemplary embodiment shown, the sensor arrangement is used for determining the oxygen concentration in a ferment ter. Before sterilizing the fermenter, the probe is in the standard ports screwed in and then autokla fourth.

Mit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung können aufgrund des druckfesten Aufbaus Sauerstoffübergangskoeffizienten nach einer Druckmethode bestimmt werden.With the sensor arrangement according to the invention, of the pressure-resistant construction oxygen transfer coefficient be determined by a printing method.

Claims (9)

1. Sensoranordnung zur Bestimmung eines Analyts, umfassend eine Lichtleiteranordnung mit stirnseitig angeordnetem Sen­ sor, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - in einem Träger (8) ein Lichtleiter (2) angeordnet ist und
  • - als Sensor eine Silikonmembran (42) mit darin gelöstem Fluoreszenzindikator vorgesehen ist.
1. Sensor arrangement for determining an analyte, comprising a light guide arrangement with a sensor arranged on the end face, characterized in that
  • - A light guide ( 2 ) is arranged in a carrier ( 8 ) and
  • - A silicone membrane ( 42 ) with a fluorescence indicator dissolved therein is provided as a sensor.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Silikonmembran (42) auf einen stirnseitig am Träger (8) sitzenden, transparenten Membran­ halter (40) gespannt ist.2. Sensor arrangement according to claim 1, characterized in that the silicone membrane ( 42 ) on an end face on the support ( 8 ) seated, transparent membrane holder ( 40 ) is stretched. 3. Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Membranhalter (40) stirnseitig konvex ist.3. Sensor arrangement according to claim 2, characterized in that the membrane holder ( 40 ) is convex on the end face. 4. Sensoranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Membranhalter (40) aus Quarzglas ist.4. Sensor arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that the membrane holder ( 40 ) is made of quartz glass. 5. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter ein Y-Lichtleiter ist.5. Sensor arrangement according to one of claims 1 to 4, there characterized in that the light guide is a Y light guide. 6. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ druch gekennzeichnet, daß der Träger (8) einen oder zwei Zentriereinsätze (20, 44) für den Lichtlei­ ter (2) aufweist. 6. Sensor device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the carrier ( 8 ) has one or two centering inserts ( 20 , 44 ) for the Lichtlei ter ( 2 ). 7. Sensoreinrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Träger (8) ein Tauchrohr ist und am Kopf eine Klemmschraube (50) als Justiereinrich­ tung für den Lichtleiter (2) vorgesehen ist.7. Sensor device according to claim 6, characterized in that the carrier ( 8 ) is a dip tube and on the head a clamping screw ( 50 ) as Justiereinrich device for the light guide ( 2 ) is provided. 8. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Träger (8) stirnseitig eine abnehmbare Verschlußkappe (28) aufweist.8. Sensor device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the carrier ( 8 ) has a removable closure cap ( 28 ) on the end face. 9. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der Fluoreszenzin­ dikator Pyrenbuttersäure, Dekacyclen oder ein Rutheniumkom­ plex ist.9. Sensor device according to one of claims 1 to 8, there characterized in that the fluorescence indicator pyrenebutyric acid, decacycles or a ruthenium com is plex.
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