DE4212910C2

DE4212910C2 - Process for coating sensors with selectively permeable polymer membranes

Info

Publication number: DE4212910C2
Application number: DE19924212910
Authority: DE
Inventors: Rainer Hintsche; Wolfgang Benecke; Uwe Schnakenberg
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1992-04-18
Filing date: 1992-04-18
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2012-04-19
Also published as: DE4212910A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Her stellung von selektiv durchlässigen Polymermembranen für Sensoren zur Bestimmung chemischer Substanzen.The invention relates to a method for manufacturing provision of selectively permeable polymer membranes for sensors for the determination of chemical substances.

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. Layers of polymer materials for under different substances different solubility on. This is used both for polymer membranes - so-called sol diffusion membrane - as well as for selective Sensors exploited.

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.Sensors coated with polymers and in particular accordingly coated semiconductor sensors can be found in the measurement of chemical substances and in particular in chemical and medical analysis applications 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.In the previously proposed sensors with polymer layers that we selectively permeable membrane ken, are used as a diffusion barrier for disruptive parties separate polymer membranes.

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.Separate polymeric membrane filters, such as those from Bio sensors are used have a cut-off limit Molecular weights of about 500 daltons; with that is ge means that molecules with a molecular weight of more than 500 daltons with a statistically defined certainty be held back.

Sensorbeschichtungen mit signifikanten Trenneigenschaf ten für organische Moleküle mit einem Molekulargewicht unter 500 Dalton sind bisher nicht bekannt geworden.Sensor coatings with significant separation properties for organic molecules with a molecular weight below 500 daltons have so far not been known.

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.From the book "Working with ion-selective Electrodes "by Camman, Springer Verlag Berlin Heidelberg chap. 3.2.3-3.5.3 are separation membranes knows that a charge transport between a calibration and enable a measurement solution, a real mass However, transport of the molecules to be analyzed takes place not instead.

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.The invention has for its object a method for coating sensors with selectively permeable gene to specify polymer membranes through which u. a. Polymer layers with separation properties for molecules with one Molecular weight of less than 500 daltons can be generated can, and in particular an attitude of Separation limit allowed.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.An inventive solution to this problem is in Claim 1 specified. Developments of the invention are the subject of the subclaims.

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.The invention is based on the knowledge that only through a fixed on a solid sensor surface layer of at least one organic polymer the defined relationships can be created, the separation properties defined for the realization required are.

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.Furthermore, it is used according to the invention that the pro Time and area diffusing through the polymer layer Number of molecules except by the thickness of the polymer Film can only be influenced by the polymer properties is. For those directly coated with polymers This is because sensors determine the material properties the polymer used, d. H. its pore structure and the charge distribution on the surfaces, the separation egg properties of the system.

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.According to the invention are therefore by setting the Thickness of the polymer layer and / or the solubility / Diffusion properties and / or their pore properties the specified separation properties 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.In other words, the features of the invention exist in it, a sensor surface with a firmly adhering to coat polymeric film and by removing it suitable molecules structures defined in the way to produce and / or the thickness of the film appropriately to deliver that only those intended for the measuring process Molecules can reach the active sensor surface.

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.The thickness of the polymer film can be particularly precise be made when the polymer or polymers in one Solvent dissolved on the sensor surface be brought.

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.To influence the solution / diffusion behavior it is essential that the one or more Polymer (s) chemical substances are mixed in a different from the polymer or polymers Have solution behavior. After applying the the firmly adhering layer or the added Remove all or part of the substances with a solvent solved so that additionally defined pores result 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.It is also advantageous if in the Layer structures are created that are small molecules, that previously could not pass through to the sensor Allow surface and only slightly larger moles hold back the cooler selectively.

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. The inventive method for coating Sensors with selectively permeable polymer membranes allows the production of sensors for measuring chemical substances, in particular for the chemi cal analysis and process control on different Areas such as biotechnology, environmental protection, healthy security systems can be used.

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.This gives membranes with previously unreached Selectivity that is permeable to analysis, disturbing and only slightly larger molecules but signifi Keep the edge away from the active sensor surface.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausfüh rungsbeispiels unter Bezugnahme auf die einzige Figur der Zeichnung exemplarisch näher beschrieben:The invention is described below with reference to an embodiment Example with reference to the single figure The drawing is described in more detail as an example:

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.In the embodiment described below for chemical sensors with planar solid surface in liquid media become thin-film platinum electrodes Trodes in silicon technology as a carrier for selective permeable polymer membranes used.

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.On the active surfaces of the electrode chips (Pt; SiO₂) is made by dropping or spinning one Solution of organic polymers (e.g. cellulose triac did in acetone) an adhesive firmly adhering polymer layer created. The thickness of this layer is incremented wise by the concentration of the polymer solution so far that it increases for the analyte and the disruptive Substances just becomes impermeable. One for this typical thickness is between about 20 and 40 microns, can but differ significantly in individual cases.

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. If you mix the polymer solution found in this way before Layer formation of water-soluble substances such as protein ne, salts, polyethylene glycols of various chain lengths gen or similar substances, you can get these from the dried waterproof polymer film with what remove it again. This creates pores or Ka nal structures that partially restore the polymer film make permeable.

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.The selectivity or separation property of the polymer film is both of the material properties of the Polymers as well as the type of admixed and then dependent molecules depend.

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.The only figure in the drawing shows that one can by a suitable choice of the admixture to a given polymer can achieve that polymer film selectively preferred by the smallest molecules can be penetrated while being for the larger than Diffusion barrier works.

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.In particular, the influence of Cel loose coatings with defined pores on thin film Platinum electrodes with an area of 7 mm² in Si Technology on the amperometric detection of what represented peroxide and ascorbic acid.

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 mitThe signals from uncoated sensors, coat with a pure cellulose-2.5-acetate film sensors as well as sensors that are shown with with a cellulose-2.5-acetate film

- 10 Gew.% HSA (Humanserum-albinum)
- TEABF (Tetraäthyl-ammonium-bortrifluorid)
- PEG (Polyäthylenglykol) mit einem mittleren Molekulargewicht von 1500, 8000, 20 000- 10% by weight of HSA (human serum albinum)
- TEABF (tetraethyl ammonium boron trifluoride)
- PEG (polyethylene glycol) with an average molecular weight of 1500, 8000, 20,000

beschichtet worden sind.have been coated.

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.In this way you can put it into practice Blood glucose CHIP biosensor as an electrode active Strongly suppress substance-interfering ascorbic acid, while the one to be measured as the product of an enzyme reaction Hydrogen peroxide is preferably detected.

Der Film kann auch als filterähnliche Zwischenschicht benutzt werden, indem er z. B. mit immobilisierten Bio komponenten überschichtet wird.The film can also be used as a filter-like intermediate layer can be used by z. B. with immobilized bio components is overlaid.

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.In a practical embodiment, is on an 8 × 8mm Si chip with one or more Pt elec 40 µl of a solution of 2% cellulose 2,5-acetate in Adeton with 10% by weight (based on solid polymer in the Solution) polyethylene glycol with a medium molecule drop weight of 8000 Daltons.

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.The solution is allowed to dry to film for two hours. Before the analytical use, the chip with the Polymer film for 10-24 hours in a 0.1 mol / l aq phosphate buffer solution. After that he is closed selective electrochemical measurements of hydrogen Peroxide can be used or can be coated with other coatings, e.g. B. biocomponents.

Claims

1. A method for producing selectively permeable polymer membranes for sensors for determining chemical substances, with the following features:

a solution composed of at least one organic polymer is mixed with substances of a certain molecular size which, after solidification, have a different solubility behavior compared to the polymers,
the mixture is applied to a solid sensor surface to form a firmly adhering layer,
- To adjust the specified separation properties, the added substances are at least partially dissolved out.

2. The method according to claim 1, characterized in that the admixed substances with Water or an organic solvent become.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that structures in the layer are generated so that molecules with a molecular weight below 500 daltons can be detected.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the additives are water soluble Liche substances such as proteins, salts or polyethylene are glycols of different chain lengths.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the separation properties the polymer layer due to its thickness, solubility / Diffusion properties and / or their Pore properties can be adjusted.

6. The method according to claim 5, characterized in that the thickness of the layer is between about 20 and 40 microns.