包含聚合物凝胶载体和聚合物指示剂的指示剂材料的制作方法

1.本发明的目的是一种固定在聚合物凝胶载体(polymeric gel carrier)中的聚合物指示剂(polymeric indicator)，该聚合物指示剂适用于测量ph。本发明的其他目的是用于制备固定在聚合物凝胶载体中的聚合物指示剂的方法、包含该指示剂的传感器(sensor)、以及该指示剂和该传感器的用途。


背景技术：

2.根据光化学原理工作的聚合物基指示剂和包含该指示剂的传感器是已知的。
3.us 2009009768公开了硅氧烷基光化学传感器，在该光化学传感器中，生色团(参与电子激发的含有易激发电子的原子基团)基团(通常是酚酞衍生物)被沉积在单层中并且化学地固定在透明支承件(例如，玻璃)上的交联聚硅氧烷上。测量方法是全反射，即通过反射/导电介质在待测量表面上测量多重反射。该传感器适用于在极端环境(高温高压)中、例如在钻井孔废水中使用。测量范围为pka
±
3.5个ph单位，该测量范围由在440nm和575nm处获得的峰的比率来确定。
4.us 5,774,603公开了光化学传感器，该光化学传感器包含物理地固定在通过溶胶-凝胶法制备的支承件(zr/si玻璃)上的指示剂。指示剂染料的实施例是尼罗蓝、荧光素。目标是生产在扩展ph范围内工作的传感器。传感器层所附着的光导为硅玻璃。传感器层也可以被应用到光缆上。ph敏感范围为：9.5-12。
5.ep 0529247公开了ph敏感膜，该ph敏感膜具有化学地结合至由乙烯基苯和丙烯酸酯衍生物制成的聚合物的指示剂染料(酚红和酚酞衍生物)。
6.wo 2016051217公开了一种用于测量ph的、在宽范围内工作的传感器，该传感器包含结合至预先形成的固体支承件的4-硝基苯酚-甲醛缩合聚合物指示剂[聚(4-硝基苯酚-甲醛)指示剂]。
[0007]
wo 2009070722公开了一种用于维持细胞培养物ph的ph敏感水凝胶。聚(乙二醇)-聚(环氧丙烷)嵌段共聚物和聚(乙烯亚胺)-用于ph的光化学测量的用途是未知的-与多异氰酸酯胶凝化。据描述，将ph敏感染料物理地引入到细胞培养物或凝胶中适用于细胞培养物ph的非侵入性测定。没有提及这些指示剂与凝胶的化学结合，对此没有给出实施例；仅提及加入到介质中。
[0008]
某些类型的ocean optics传感器(由ocean optics,8060bryan dairy rd,largo fl 33777，美国制造)根据反射原理工作，在该原理中传感器层粘合至在含有待测液体的罐(通常是生物反应器、发酵反应器)的壁上，所述传感器从外部被照射以进行测量。
[0009]
与传统玻璃电极相比，根据光化学原理工作的聚合物基指示剂的优势在于它们的尺寸更小、结构更简单，因此可以相对容易地、以低成本大量生产。它们的特点是可以它们适用于在合适条件下通过一次校准来长时间测量ph。然而，当前可用的此类传感器的缺点是它们的使用受到限制，因为它们仅在短时间内稳定(dorota w.等：optical chemical ph sensors,anal.chem.2014,86,15-29)。另一个缺点是精度较低，因为需要合适的光学系统
甲醛)的uv-vis透射光谱。
[0024]
图1d示出了在不同ph的缓冲液中测量的聚(4-对氰基酚-甲醛)的uv-vis透射光谱。
[0025]
图2a示出了pind传感器和peg-pind传感器在ph 5时的对照测量数据(control measurement data)。
[0026]
图2b示出了pind传感器和peg-pind传感器在ph 8时的对照测量数据。
[0027]
图3示出了ph测量设备的框图。
[0028]
图4示意性地示出了根据本发明的固定在聚合物凝胶载体中的聚合物指示剂的实施方案的结构。
具体实施方式
[0029]
如上所述，本发明的目的是固定在聚合物凝胶载体中的聚合物指示剂，其中聚合物凝胶载体包含亲水性聚合物，其中通过化学键连接的聚合物指示剂和亲水性聚合物一起形成交联网络。
[0030]
更具体地，本发明涉及固定在聚合物凝胶载体中的聚合物指示剂，其中确定的亲水性聚合物与各种聚合物指示剂交联在一起。聚合物指示剂与亲水性聚合物以均质相的形式一起存在，其中聚合物指示剂和亲水性聚合物形成化学固定结合的水凝胶。共同形成的交联网络提供了均匀性，其结果是根据本发明的固定在聚合物凝胶载体中的聚合物指示剂示出了用于测量ph的足够透明度。
[0031]
根据本发明的水凝胶可以用可见光或紫外光透照，并且因此可以合并到适用于测量ph的传感器中。
[0032]
如本文所使用的，“聚合物凝胶载体聚合物指示剂结合体”、“固定在聚合物凝胶载体中的聚合物指示剂”或“具有载体的聚合物指示剂”和类似表述在本发明的范围内是指化学地键合共同形成的交联水凝胶，换而言之，由给定的亲水性聚合物(也称为亲水性基质)和给定的聚合物指示剂共同形成的结合交联水凝胶。术语“载体”和“亲水性聚合物”或“亲水性基质”在上述解释中可互换地使用。
[0033]
如本文所使用的，本发明范围内的术语“聚合物凝胶载体”是指结合的成分，尽管它在结构的形成中起重要作用，但不直接参与ph测量。这种聚合物成分不是传统意义上的、另一种成分附着在该聚合物表面的支承件，而是与其他成分形成结合的交联网络，即这种聚合物成分与聚合物指示剂一起形成交联网络结构，该交联网络结构在水性介质中溶胀并且形成凝胶。
[0034]
值得注意的是，虽然聚合物载体不直接参与ph测量，但它间接参与指示剂的功能。一方面，使用载体聚合物形成的结构允许决定ph的氢离子到达凝胶中的聚合物指示剂。另一方面，由两种成分产生的凝胶可以被透照至任何程度，这对于基于光学原理的测量而言很重要。这意味着聚合物载体不仅承载指示剂，不仅提供物理稳定性，还通过结合的交联网络结构在聚合物指示剂的功能中起作用。
[0035]
如本文所使用的，本发明范围内的术语“聚合物指示剂”包括任何物质，该物质由重复化学单元组成，并且该物质在不同ph值下表现出不同物理、物理化学和/或化学性质，这些物质的性质之间的转变取决于不同的ph值。
[0036]
如本文所使用的，术语“通过化学键固定”或“化学地键合”等是指本发明范围内的聚合物指示剂与亲水性聚合物之间的键的类型。根据本发明，化学键是共价键。
[0037]
如本文所使用的，本发明范围内的术语“适用于测量ph”是指相关的聚合物指示剂、具有载体的聚合物指示剂和/或传感器能够使用任何物理、物理化学和/或化学方法测量和/或确定ph。物理、物理化学和/或化学方法的实施例包括基于测量光吸收(包括可见光或紫外光的吸收)的方法、以及基于测量体积变化的方法和基于测量ph-依赖的电参数的方法。
[0038]
根据本发明的具有载体的聚合物指示剂包括任何已知的聚合物指示剂。通过桥联单元(bridging element)链接的芳族单体的聚合物是优选的。
[0039]
根据本发明的一实施方案，聚合物指示剂是具有式(i)的通用结构的聚合物或其盐、水合物或溶剂合物
[0040][0041]
其中，
[0042]
w是连接芳族单体的桥联单元，该桥联单元可以是直链的或支链的烯基，任选地含有一个或两个氧代基团(oxo groups)；
[0043]
m具有的值为0到6；
[0044]
x为氧、硫或n-q，其中n为氮、并且q为h或c
1-c4烷基；
[0045]
r1、r2和r3彼此独立地为选自h、no2、so2nh2、cn、sf5、卤素、苯基、苄基、c
1-c4烷基、c
2-c4烯基、c
2-c4炔基、c
1-c4烷氧基、c
1-c4酰基、硝基苯基二氮烯基和磺基苯基-二氮烯基的组；
[0046]
n具有的值为1到1000；
[0047]
a和b彼此独立地选自h、ch2oh、ch2o-(c
1-c4烷基)、ch
2-卤素、w-oh、w-o-(c
1-c4烷基)和w-卤素的组。
[0048]
在式(i)的定义中，卤素是指氟、氯、溴或碘。c
1-c4烷基是指具有1至4个碳原子的饱和脂肪烃，例如甲基、乙基、丙基、异丙基或任何丁基异构体。c
2-c4烯基是指具有一个或多个碳-碳双键的、具有2至4个碳原子的不饱和脂肪烃，例如乙烯基、丙烯基、异丙烯基或任何丁烯基异构体。c
2-c4炔基是指具有一个或多个碳-碳三键的、具有2至4个碳原子的不饱和脂肪烃，例如乙炔基、丙炔基、异丙炔基或任何丁炔基异构体。c
1-c4烷氧基是指通过氧原子键合
的c
1-c4烷基，例如甲氧基、乙氧基、丙氧基、异丙氧基或任何丁氧基异构体。c
1-c4酰基是甲酰基或通过co基团附接的具有1至4个碳原子的饱和脂肪烃，例如乙酰基、丙酰基、异丙酰基或任何丁酰基异构体。
[0049]
w优选为ch2(亚甲基)、ch
2-ch2(亚乙基)、ch
3-ch(甲基-亚甲基)或co(羰基)基团。
[0050]
指数m具有的值优选为0至5，特别优选为0或1。
[0051]
x优选为氧或硫。
[0052]
r1、r2和r3彼此独立地优选为氢、硝基、氰基、磺酰胺、甲基、(3-硝基苯基)二氮烯基、(4-硝基苯基)二氮烯基和(1-苯磺酸)-二氮烯基基团。
[0053]
a和b彼此独立地优选为h、ch2oh、ch2o-(c
1-c4烷基)、ch
2-卤素。
[0054]
在式(i)中，n具有的值优选为20至500，更优选为50至200。
[0055]
在本发明的一实施方案中，芳族单体是相同的。
[0056]
在本发明的另一实施方案中，芳族单体是不同的。
[0057]
在本发明进一步的实施方案中，连接芳族单体的桥联单元w是ch2(亚甲基)、ch
2-ch2(亚乙基)、ch
3-ch(甲基-亚甲基)或co(羰基)基团，芳族单体选自4-硝基苯酚、4-硝基-苯硫酚、2-硝基苯酚、4-氰基苯酚、4-羟基苯磺酰胺、3,5-二甲基-4-硝基苯酚、4-五氟硫代-苯酚、2-(4-羟基-亚苄基胺)-4-硝基苯酚、4-[(3-硝基苯基)二氮烯基]苯酚、4-[(4-硝基苯基)二氮烯基]苯酚和[(4-羟基苯基)二氮烯基]苯磺酸的组。在本发明进一步的实施方案中，连接芳族单体的桥联单元w是ch2(亚甲基)或ch
3-ch(甲基-亚甲基)基团，并且聚合物包含至少两种不同的单体。
[0058]
在本发明进一步的实施方案中，连接芳族单体的桥联单元w是ch2(亚甲基)或ch
3-ch(甲基-亚甲基)基团，并且单体中的至少之一选自4-硝基苯酚、4-硝基-苯硫酚、2-硝基苯酚、4-氰基苯酚、4-羟基苯磺酰胺、3,5-二甲基-4-硝基苯酚、4-五氟硫代-苯酚、2-(4-羟基-亚苄基胺)-4-硝基苯酚、4-[(3-硝基苯基)二氮烯基]苯酚、4-[(4-硝基苯基)二氮烯基]苯酚和4-(4-羟基苯基)-二氮烯基]苯磺酸的组。
[0059]
在本发明进一步的实施方案中，连接芳族单体的桥联单元w是ch2(亚甲基)或ch
3-ch(甲基-亚甲基)基团，并且单体中的至少之一是4-硝基苯酚。
[0060]
在本发明的另一实施方案中，指数m具有的值为0到5。
[0061]
在本发明进一步的实施方案中，指数m具有的值为0或1。
[0062]
在本发明进一步的实施方案中，聚合物指示剂选自聚(4-硝基苯酚-甲醛)、聚(2-硝基苯酚-甲醛)、聚(4-硝基苯酚-共聚-4-氰基-苯酚-甲醛)、聚(4-硝基苯酚-共聚-4-羟基-苯磺酰胺-甲醛)、聚(3,5-二甲基-4-硝基苯酚-甲醛)、聚[2-(4-羟基-亚苄基胺)-4-硝基苯酚]、聚{4-[(3-硝基苯基)二氮烯基]-苯酚}、聚{4-[(3-硝基苯基)二氮烯基]苯酚-甲醛}、聚{4-[(4-硝基苯基)二氮烯基]苯酚}、聚{4-[(4-硝基苯基)二氮烯基]苯酚-甲醛}、聚{4-[(4-羟基苯基)二氮烯基]苯磺酸}和聚{4-[(4-羟基苯基)二氮烯基]-苯磺酸-甲醛}等的组(对于其中的一些，uv-vis透射光谱在图1a-d中示出)。
[0063]
在本发明进一步的实施方案中，聚合物指示剂选自聚(4-硝基苯酚-甲醛)、聚[2-(4-羟基-亚苄基胺)-4-硝基苯酚]、聚{4-[(3-硝基苯基)二氮烯基]苯酚-甲醛}、聚{4-[(4-硝基苯基)二氮烯基]苯酚-甲醛}、聚{4-[4-羟基苯基)二氮烯基]-苯磺酸-甲醛}的组。
[0064]
在本发明进一步的实施方案中，聚合物指示剂以盐、水合物或溶剂合物的形式使
用。聚合物指示剂的盐通常为碱金属、碱土金属、铵盐或伯胺盐、仲胺盐或叔胺盐，优选为钠盐。聚合物指示剂的盐还包括阴离子盐，例如卤化物、硝酸盐、硫酸盐、硫酸氢盐、磷酸盐、草酸盐、马来酸盐。水合物和溶剂合物通常每摩尔聚合物含有0.5至5摩尔、优选1至3摩尔的水或溶剂。溶剂合物中的溶剂通常为醇、醚、n,n-二甲基甲酰胺，优选为醇。盐、水合物和溶剂合物的制备通常以常规方式进行。盐优选通过使聚合物指示剂与碱金属氢氧化物或其他成盐化合物反应来制备。水合物优选通过用水或者从水中处理、沉淀或蒸发聚合物指示剂来制备。溶剂合物优选如制备水合物所描述的那样制备，不同的是使用合适的溶剂代替水。
[0065]
本发明中使用的某些聚合物指示剂通常是已知的并且是可商购的和/或可以通过已知方法制备。例如，聚(4-硝基苯酚-甲醛)从wo 2016051217中已知，聚[2-(4-羟基亚苄基胺)-4-硝基苯酚]从m.yildirim、a.aydin和i.kaya，“syntheses and ph sensing applications of imine-coupled phenol and polyphenol species derived from 2-amino-4-nitrophenol”，j.fluoresc.,vol.22，no.3，第961-970页，2012中已知。上面没有提到的指示剂不是市售的，它们是我们在实验室条件下生产的。
[0066]
在本发明的一实施方案中，使芳族单体和用于连接芳族单体的醛在碱或酸的存在下、在搅拌和升高的温度下聚合以生产聚合物指示剂，其中，芳族单体与醛单体的摩尔比通常为1:2至2:1，优选为1:1。在以常规方式加工、纯化和任选干燥之后，作为产品获得的聚合物指示剂可以直接并入到聚合物凝胶载体中。
[0067]
作为聚合物凝胶载体(也称为亲水性聚合物或亲水性基质)，使用水溶性和/或水溶胀性聚合物。作为亲水性聚合物，可以优选地使用聚缩水甘油(例如，超支化聚缩水甘油或线性聚缩水甘油)；再者，聚(乙二醇)和聚(乙二醇)衍生物；聚(乙烯醇)；聚(n-乙烯基吡咯烷酮)；聚(n-乙烯基咪唑)；聚(丙烯酰胺)和聚(丙烯酰胺)衍生物，更特别地为聚(羟乙基丙烯酰胺)；聚(丙烯酸)和聚(丙烯酸)衍生物，更特别地为聚(丙烯酸羟乙酯)；聚(甲基丙烯酸)和聚(甲基丙烯酸)衍生物，更特别地为聚(甲基丙烯酸羟乙酯)；线性聚(亚乙基亚胺)或超支化聚(亚乙基亚胺)；聚(甲基乙烯基醚)；聚(甲基恶唑啉)，聚(乙基恶唑啉)和聚(异丙基恶唑啉)；以及它们与各种异氰酸酯的衍生物，特别是与1,6-六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、2,4-甲苯二异氰酸酯、1,1'-亚甲基-双(4-苯基异氰酸酯)和1,3,5-三(6-异氰酸根合己基)-1,3,5-三嗪烷-2,4,6-三酮等的衍生物。
[0068]
当使用异氰酸酯衍生物时，异氰酸酯衍生物参与化学键的形成。特别地，亲水性聚合物的异氰酸酯衍生物除了作为形成结合的水凝胶的成分之外，还通过异氰酸酯基团起到偶联剂的作用。在结合的水凝胶的形成期间，异氰酸酯基团与羟基官能团反应，从而形成氨基甲酸酯链接基团。
[0069]
在本发明进一步的实施方案中，聚合物凝胶载体选自聚缩水甘油、聚(乙二醇)和聚(乙烯醇)的组。
[0070]
根据本发明使用的聚合物凝胶的亲水性基质通常是已知的，并且可以商购获得和/或通过已知方法制备。例如，聚(乙二醇)(sigma aldrich、tci等)、聚缩水甘油(doi：10.1039/c6ra27843d(communication)rsc adv.,2017,7,4348-4352)、聚(乙烯醇)(sigma aldrich、tci等)、聚(甲基丙烯酸羟乙酯)(sigma aldrich)是可商购的。
[0071]
在根据本发明的固定在载体中的聚合物指示剂的情况下，聚合物指示剂的量通常是聚合物凝胶的亲水性基质重量的0.01至2倍，优选0.05至1.5倍。
[0072]
如上所述，在根据本发明的固定在载体中的聚合物指示剂的情况下，聚合物凝胶载体包含亲水性聚合物，其中，聚合物指示剂和亲水性聚合物以通过化学键固定的结合交联水凝胶网络的形式一起存在。由聚合物指示剂和亲水性聚合物形成的结合交联水凝胶网络可以以任何外观的物理结构形式存在。
[0073]
在本发明的一实施方案中，共价键作为聚合物指示剂与亲水性聚合物之间的化学键存在。结合的交联水凝胶网络的一实施方案在图4中示出，其中，未填充的线示出了聚合物指示剂的链，并且实线示出了亲水性聚合物的链。
[0074]
根据本发明的固定在载体中的聚合物指示剂通过交联制备，其中，任选地在偶联剂的存在下，聚合物指示剂与亲水性聚合物或其衍生物交联。在所得产物中，亲水性聚合物和聚合物指示剂一起形成交联网络，使得聚合物指示剂化学地固定在交联网络中，从而构成交联网络不可分割的一部分。
[0075]
为了制备根据本发明的固定在载体中的聚合物指示剂，亲水性聚合物或其衍生物、和聚合物指示剂彼此独立地溶解在合适的溶剂中。作为合适的溶剂，可以优选地使用无水有机溶剂，特别是n,n-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二甲基乙酰胺、二乙二醇二甲醚、乙二醇二甲醚和n-甲基-2-吡咯烷酮等，或一种或多种所述溶剂的混合物。
[0076]
任选地，亲水性聚合物或其衍生物、和/或聚合物指示剂在溶解于合适的溶剂中之前被干燥。通常在60℃至120℃、特别是60℃至80℃的温度下进行干燥，通常进行12至48小时，特别是24至36小时。特别优选地，在真空下进行干燥。
[0077]
在聚合物凝胶载体和聚合物指示剂的情况下，所得溶液的浓度通常为10至40重量％、优选为35至40重量％，并且在聚(乙烯醇)载体的情况下，所得溶液的浓度通常为10至20重量％。聚合物凝胶载体和聚合物指示剂溶液的浓度可以相同或不同。
[0078]
然后，将所得溶液结合，并且为了形成交联水凝胶网络，任选地将添加剂，优选偶联剂、催化剂和交联点密度增强剂等加入到混合物中。
[0079]
偶联剂优选具有2至4个官能团，特别优选2至3个官能团，在亲水性聚合物也用作偶联剂的情况下、偶联剂的官能团数与聚合物指示剂的官能团数之比(在下文中：官能团比)优选为0.2-0.9:1，特别优选0.6-0.8:1，或者在使用单独的偶联剂的情况下、偶联剂的官能团数与亲水性聚合物和聚合物指示剂的结合官能团数之比(在下文中：官能团比)优选为0.2-0.9:1，特别优选0.6-0.8:1。如果偶联剂与亲水性聚合物和聚合物指示剂的结合官能团数的官能团比为1:1或更大，则聚合物指示剂的指示剂功能在不存在官能团的情况下终止。
[0080]
适用的偶联剂的实施例为二异氰酸酯，特别是1,6-六亚甲基二异氰酸酯(1,6-hexamethylene diisocyanate，hdi)、异佛尔酮二异氰酸酯(isophorone diisocyanate，idi)、2,4-甲苯二异氰酸酯(2,4-toluene diisocyanate，tdi)和亚甲基二苯基二异氰酸酯(methylene diphenyl diisocyanate，mdi)等；以及二醛，特别是戊二醛(glutaraldehyde，gda)等。
[0081]
选择合适的偶联剂对于所得水凝胶的光学性质(例如，透明度)很重要。在本发明的一实施方案中，在聚(乙二醇)的情况下，二异氰酸酯用作偶联剂。如上所述，在本发明的一优选实施方案中，在聚(乙二醇)的情况下，偶联剂(交联剂)是本身含有异氰酸酯基团的亲水性聚合物载体。在本发明的另一实施方案中，在聚缩水甘油的情况下，hdi用作偶联剂。
二甲基甲酰胺/水混合物)的索氏萃取进行萃取。
[0094]
根据本发明的固定在载体中的聚合物指示剂可以合并到用于测量ph的传感器中。传感器可以是任何类型，优选基于测量光吸收的传感器、基于测量体积变化的传感器或基于测量ph依赖的电参数的传感器。传感器的制造通常以常规方式进行。
[0095]
在本发明的一实施方案中，光源、固定在聚合物凝胶载体中的聚合物指示剂和检测器以此顺序沿着直线布置。
[0096]
根据本发明的一实施方案，传感器是根据光吸收测量原理工作的传感器。在这种情况下，聚合物指示剂用聚焦光源(例如，led光源)照射，其中光穿过样品。在透射期间，聚合物指示剂根据其吸收光谱吸收一些通过聚合物指示剂的光，该吸收光谱在样品的另一侧上用适合于光源和样品吸收性质的检测器进行测量。下面提及的光学单元是允许用于传感器的有利操作的非限制性实施例。光束可以优选地由准直透镜聚焦和控制。可以使用广谱led作为光源，其优选具有的波长范围为380-700nm，优选具有的相关色温(correlated colour temperature，cct)为3500至6500k。特别优选的色温范围是6000至6500k范围，这是冷白光led光源的特性。在这种情况下，作为led光源光谱强度分布特性的450nm与500nm之间的相对强度足够高，尤其是在例如聚(4-硝基苯酚-甲醛)聚合物指示剂的吸收变化最大的范围(430至510nm)内。白炽灯或闪光灯可以用作替代光源，但与led光源相比，它们的显著劣势是它们的消耗和发热要高得多。通过了解具有最大吸收变化的波长范围，使用具有在此范围内的辐射光谱的窄光谱led光源特别有利，对于聚(4-硝基苯酚-甲醛)聚合物指示剂而言的范围为430至510nm。也可以使用该波长范围内的激光代替led光源。在这种情况下，使用的前提是激光具有适当的功率密度，使得激光不会对聚合物指示剂材料造成损伤。
[0097]
可以用位于光路的、在样品后面一侧上的检测器来进行吸收以及因ph变化引起的吸收变化的测量。有几种类型的检测器适用于此。在广谱光源的情况下，使用光谱仪最为合适。这里，光栅或棱镜根据波长解析进入光谱仪的光，并且然后通过检测器测量每个波长的强度，从而给出样品的吸收光谱(例如，ocean optics sts-vis光谱仪)。在窄光谱光源的情况下，使用特定的探测器更为合适。这种检测器的实施例是光电二极管、光敏电阻、光电晶体管。光电二极管的工作由光效应保证。在落在二极管材料上的光的作用下，电子离开材料，从而产生光电流。光电流的大小与落在二极管材料上的光的强度成比例，该光具有对应于光电二极管的灵敏度范围的波长。在光敏电阻的情况下，由于落在检测器上的光，检测器材料的电阻会降低。光敏电阻由具有非常强的光电性质的材料(例如，硫化镉、硫化铅)制成。电阻降低的幅度是强度依赖的的和波长依赖的。光电晶体管的内部光电现象与对光电二极管的描述相同。光束到达用作光电二极管的发射极-基极过渡区，通过该发射极-基极过渡区触发光电流作为结果。该光电流由晶体管放大，使得从放大的光电流生成集电极电流。光电晶体管比光电二极管更敏感，因为它们对即使照明量的微小变化也更敏感。对于每种检测器类型，重要的是选择检测器的灵敏度范围以匹配光源的辐射光谱。
[0098]
基于光吸收测量的ph测量优选通过记录光源的参考光谱、并且然后将聚合物指示剂放置于已知ph的缓冲溶液中来进行。达到平衡后，测量指示剂的透射光谱，该透射光谱可以根据数学关系a＝-ig(i/i0)(吸光度是透射率的负十进制对数)进行转换，由此确定聚合物指示剂在给定ph下的吸收光谱。吸收光谱在不同的值下记录，优选在ph 5、6、7、8下记录。允许在每次测量之间达到平衡状态。由此获得的一系列重复数次的测量，并针对给定波长
(例如，480nm)确定在每个ph下测量的吸光度值的平均值和标准偏差。henderson-hasselbalch方程(lawrence j.henderson(1908).“concerning the relationship between the strength of acids and their capacity to preserve neutrality.”am.j.physiol.21:173
–
179)描述了吸光度与ph之间的关系。通过将该函数拟合到不同ph值下测量的吸光度平均值，通过确定拟合参数及其相对误差，得到一个关系，通过该关系可以从任何吸光度值确定ph值。ph测量的精度是根据误差计算中标准方法的、误差传播的高斯定律确定的，通过该高斯定律可以针对不同聚合物指示剂在不确定度值为0.1至0.3的情况下确定ph值。通过优化指示剂的参数，可以将ph测量的误差降低到0.1以下。
[0099]
对于吸光度ph依赖检测能力的技术前提是，由于1个单位的ph变化导致的通过聚合物凝胶的光的强度变化至少为1％至3％，优选大于5％。如果这种变化至少为7％至10％，则是特别优选的。吸光度也受样品均匀性的影响。样品越均匀，初始透光率(即，在待采用的最低ph下测量的透射光强度与光源强度之比)越高。在样品均匀性低的情况下，观察到由于ph变化导致的通过凝胶样品的光的强度变化较小，这使得检测能力变得困难(实施例19)。因此，优选使用具有最高初始透光率的、高均匀性的聚合物凝胶样品。
[0100]
在上述测量原理的优选实施方式中，光源和吸收传感器位于单独的印刷电路板(printed circuit board，pcb)上，固定在载体中的聚合物指示剂位于光源与吸收传感器之间。这样设置使得指示剂凝胶可以通过窗口与待测介质接触，但光源、检测器和其他电子元件与待测介质隔离以保护这些光源、检测器和其他电子元件。光源是在窄波长范围内工作的led，该光源的主波长优选在470至480nm的范围内。检测器是适用于测量吸收的传感器，该传感器是由位于单独的印刷电路上的光电二极管、放大器和ad转换器组成的电子单元。两个pcb都包括温度传感器，该温度传感器优选是ntc传感器。后一个温度传感器用于连续温度测量，基于后一个温度传感器可以在传感器数据的软件评估期间进行温度校正。第三印刷电路包括用于控制前一个温度传感器的电子元件，即通信接口和微控制器。微控制器运行实施测量协议的软件，该测量协议优选地但不排他地通过以下步骤进行：(1)开启led；(2)用光传感器开始测量；(3)在一定时间后停止测量；(4)关闭led；(5)将数据传输到处理单元(例如，计算机)；(6)以预定间隔重复步骤(1)至(5)。数据的处理，即基于测量的吸收强度值计算ph值，优选在计算机上完成，替代地，微控制器可以进行此计算，但是随后微控制器必须进行多个操作，由此增加了测量时间。
[0101]
在本发明的另一实施方案中，传感器是基于测量体积变化的传感器。在这种情况下，测量凝胶的溶胀。为此，将根据本发明的具有载体的聚合物指示剂填充到在两个相对侧上开放的支承结构中，其中压力测量传感器布置在该支承结构的两个封闭侧上。由于凝胶结构的变化，具有载体的聚合物指示剂的体积根据待测量的ph变化。施加在压力传感器上的压力与溶胀成比例地增加，这会引起通过传感器测量的压力的变化。通过适当校准，可以从压力变化确定ph的变化。测量体积变化的另一种可能方式是利用材料的相对介电常数随聚合物指示剂体积的变化而变化。为了测量这一点，聚合物指示剂布置在形成电容器电枢的两个绝缘金属板之间。电枢之间的电压根据具有载体的聚合物指示剂的介电常数以及电枢之间的距离而变化，而电枢之间的距离根据凝胶体积而变化。适当校准后，此方法还可以用以产生适合于测量ph的传感器。体积变化也可以通过压电测量来测量。在压电材料的情况下，可以由于机械变形来测量电压。通过将压电传感器放置在凝胶上，凝胶的体积变化会
引起压电传感器的机械变形，因此即使是轻微的变化也可以被检测到。
[0102]
在本发明的另一实施方案中，传感器是基于测量ph依赖的电参数的传感器。凝胶的电阻和容量随ph变化。永磁商计(permanent-magnet quotient meter)用于测量直流中的该电阻是极好的。在测量中，总是比较两个电阻器，一个是已知值的电阻器，另一个是未知值的电阻器。在测量期间，两个电阻的值必须在同一数量级。具有可变频率信号发生器和示波器的西林电桥(schering bridge)可以用以测量凝胶的电容变化。
[0103]
因此，本发明的另一目的是用于测量ph的传感器，该传感器包含固定在聚合物凝胶载体中的根据本发明的聚合物指示剂。
[0104]
根据本发明的传感器适用于测量ph。可以利用根据本发明的传感器通过用于测量ph的任何已知方法来测量ph。用于测量ph的方法是基于确定物理变化和/或化学变化的程度。物理变化和/或化学变化的实施例包括：光学变化，即聚合物指示剂的颜色变化；溶胀的变化，即凝胶体积变化；电变化，即凝胶的介电常数变化；以及，压电测量。
[0105]
当测量光学变化时，由待确定的ph值引起的指示剂的颜色变化例如通过感官检测或仪器检测(例如，分光光度检测)来测量。
[0106]
为了调整ph测量的精度，传感器通过测量已知ph的缓冲剂进行校准。这样做时，确定了待测ph值与测量信号之间的关系(校准线、曲线、函数)，该关系优选被绘制为曲线图。基于测量信号从曲线图中读取待测样品的未知ph。
[0107]
包含根据本发明的固定在载体中的聚合物指示剂的传感器通常可以用以确定各种样品的ph。该传感器用于具有恒定或可变ph的样品的连续和长期测量是特别有利的。尤其是无需中间校准，即无需重复预校准，即可执行连续和长期测量。连续测量的持续时间最长可达三年。利用一次校准连续测量的持续时间为至少六个月，优选至少一年，尤其是至少三年。
[0108]
此外，包含根据本发明的固定在载体中的聚合物指示剂的传感器适用于在宽范围内测量ph。可测量的ph范围通常为2至12，尤其是4至10。
[0109]
在没有将权利要求限制于实施例的情况下，本发明通过以下实施例进一步说明。
[0110]
实施例1.聚合物指示剂的制备(一般方法)
[0111]
将12.50mmol对位取代苯酚衍生物、18.50mmol相应醛(多聚甲醛或福尔马林)和1.75ml蒸馏水的均匀混合物加热至130℃，并逐滴加入375μl水中的150mg(3.75mmol)氢氧化钠的溶液。混合物在搅拌下在该温度下保持24小时。将冷却至室温的产物溶于10-15ml四氢呋喃或该产物可溶于其中且与水可互溶的其他有机溶剂中，并且在剧烈搅拌下将溶液逐滴加入到100-150ml的0.1m盐酸中，然后将其在 4℃下储存过夜，最后，将沉淀的产物滤出或从中滗析出液体。如果需要，将产物反复溶解和沉淀。产物在60℃下真空干燥24小时。
[0112]
实施例2.聚(4-硝基苯酚-甲醛)聚合物指示剂的制备
[0113]
将25mmol的4-硝基苯酚和对应于37mmol甲醛的多聚甲醛称入50ml(或100ml)多颈圆底烧瓶中。将磁力搅拌棒放入烧瓶中，下方放置加热介质(油浴、铝加热块)和磁力搅拌加热器。使用能够测量至少0-200℃温度范围的温度计或热电偶测量温度。球形回流冷凝器放置在圆底烧瓶的一个磨口颈(ground-neck)中，温度计放置在另一个磨口颈中。
[0114]
开始搅拌和水冷，并且加热介质加热至130℃。如果使用福尔马林，则在4-硝基苯酚熔化后逐滴加入。当反应混合物到达90℃时，逐滴加入0.75ml的0.4g/ml naoh溶液作为
催化剂(在多聚甲醛的情况下，则5分钟后加入福尔马林)，然后继续反应24小时。由于存在的水回流，反应混合物的温度为约100℃。反应混合物最初是黄色的，在加入naoh的情况下变成橙色，并且在接近合成结束时，反应混合物变稠并变暗。反应完成后，将反应混合物冷却至室温，并且然后加入20-25ml四氢呋喃。通过在搅拌下将溶解产物逐滴加入到thf量的8至10倍量的0.1m盐酸中并允许其在冰箱中静置至少10小时，来使溶解产物沉淀。从沉淀产物中滗析出液体，如果产物没有完全沉降，则倾倒的液体以5000rpm离心30分钟，然后倾倒出水相。将产物重新溶解在20-25ml的thf中并在0.1m盐酸中沉淀。将纯化的产物在60℃下真空干燥24小时。所得产物的颜色为橙黄色。
[0115]
实施例3.聚[2-(4-羟基-亚苄基胺)-4-硝基苯酚]聚合物指示剂的制备
[0116]
开始时，制备单体。向2.6g(21.3mmol)的4-羟基苯甲醛和3.0g(19.5mmol)2-氨基-4-硝基苯酚中加入180ml甲苯。该烧瓶装有填充有硫酸镁的索氏萃取器(soxhlet extractor)，并在连续搅拌下回流24小时。反应期间形成红色沉淀。回流完成后，将所得的沉淀物通过nutsche过滤并用冷甲苯洗涤。冷却后，从母液中形成另外的沉淀物，也将另外的沉淀物滤出，并且将母液在旋转蒸发器上浓缩以在烧瓶中得到橙色结晶物质。所有三个结晶级分(crystalline fraction)在60℃下真空干燥过夜。级分通过1h-nmr分析，并且我们用最合适的一种继续进行进一步合成。
[0117]
第二步是聚合物的制备：在分析天平上称量hbanp单体，然后用量筒加入30ml的1,4-二氧六环，然后加热至110℃。在20分钟内逐滴加入2.5ml、13％w/w的次氯酸钠溶液，并允许混合物回流2小时。产物在250ml甲苯中沉淀。经过24小时后，产物在滗析后、在80℃下真空干燥24小时。
[0118]
实施例4.聚{4-[(3-硝基苯基)二氮烯基]苯酚-甲醛}聚合物指示剂的制备
[0119]
开始时，制备单体。将2.004g的3-硝基苯胺溶解在30ml的1m hcl中，并且向其中加入30ml水，并冷却至5℃以下。此后，将1.117g的nano2溶于30ml水中并逐滴加入到反应混合物中，并且然后逐滴加入15ml水中的1.367g苯酚的溶液，然后在室温下搅拌12小时。12小时后，真空过滤，滤出的沉淀用少量冷水洗涤。产物为黄色结晶物质。
[0120]
将0.601g的4-((3-硝基苯基)二氮烯基)苯酚和0.119g多聚甲醛称入100ml圆底烧瓶中，然后加入2.36ml二乙二醇二甲醚(diethylene glycol dimethyl ether,diglym)，并将反应混合物加热至120℃，然后缓慢加入0.208ml ch3ok并在120℃下搅拌24小时。搅拌停止后，在搅拌下将反应混合物逐滴加入到150ml的0.1m hcl中。沉淀的材料为深棕色沉淀物。沉淀后，允许静置24小时，然后在经过24小时后滗析，并在80℃下真空干燥24小时。
[0121]
实施例5.聚{4-[(4-硝基苯基)二氮烯基]苯酚-甲醛}聚合物指示剂的制备
[0122]
开始时，制备单体。向20.00g的4-硝基苯胺中加入300ml水和300ml的1m hcl溶液，然后将反应混合物冷却至5℃以下。在300ml水中的10.0g nano2的溶液逐滴加入到反应混合物，注意保持温度在10℃以下。加入结束时，将在183ml水中的15.0g苯酚的溶液缓慢加入到反应混合物。此后，将反应混合物在室温下搅拌12小时，然后第二天真空过滤并将沉淀物用100ml热水洗涤。产物为浅棕色结晶物质。
[0123]
第二步是聚合物的制备。将2,000g的4-[(4-硝基苯基)二氮烯基]苯酚和0.392g的多聚甲醛称入100ml圆底烧瓶中。加入7.8ml的二乙二醇二甲醚并将反应混合物加热至120℃，然后将在1ml甲醇中的0.27g t-buok的溶液缓慢加入并在120℃下搅拌24小时。搅拌停
止后，将反应混合物在搅拌下在100ml的0.1m hcl中沉淀。产物为红色固体。沉淀后，允许混合物静置24小时，然后在经过24小时后滗析出溶剂并在80℃下真空干燥24小时。
[0124]
实施例6.聚{4-[(4-羟基苯基)二氮烯基]苯磺酸-甲醛}聚合物指示剂的制备
[0125]
开始时，制备单体。将8.90g的磺胺酸和3.90的nano2加入250ml圆底烧瓶中，然后加入20ml水并冷却至5℃以下。缓慢逐滴加入41ml的18％w/w盐酸，然后搅拌1小时。逐滴加入在110ml的3m naoh中的8.47g苯酚的溶液，然后在室温下搅拌12小时。12小时后，通过加入cc.hcl将溶液的ph调节至2，然后将所得沉淀物抽滤并从160ml水中重结晶。产物为橙色结晶物质。
[0126]
第二步是聚合物的制备。将1.004g的4-[(4-羟基苯基)二氮烯基]苯磺酸和0.169g的多聚甲醛称入100ml圆底烧瓶中，加入3ml水并将反应混合物加热至130℃。当反应混合物达到90℃时，缓慢加入0.11ml的10m naoh溶液，然后在120℃下搅拌24小时。搅拌停止后，在搅拌下将反应混合物沉淀到100ml四氢呋喃中。产物为红色固体。沉淀后，将混合物静置24小时，然后在经过24小时后滗析出溶剂并在80℃下真空干燥24小时。
[0127]
实施例7.聚(乙二醇)-异氰酸酯的制备
[0128]
合成前，5g的peg(mn＝2000g/mol)在60℃的烘箱中真空干燥两天，然后溶解在足够的蒸馏甲苯中，得到30-35w/w％的溶液，然后加入100ml甲苯，从溶液中蒸馏出甲苯以除去痕量水。在100ml的三颈圆底烧瓶中进行合成，使用具有铝加热介质的加热磁力搅拌器进行加热和搅拌。开始引入惰性气体，然后，在加入10ml蒸馏甲苯和适量hdi后，开启加热，并在约100℃的温度下缓慢逐滴加入peg的甲苯溶液(使得所有材料在约1.5小时内均匀地逐滴加入)，并将温度保持在100℃。逐滴加入之后，停止加热，并将混合物冷却至室温。从关闭加热起约45-60分钟之后，将冷却的混合物逐滴加入到8-10倍量的无水己烷中，从而沉淀产物，并允许产物在4℃的冰箱中静置过夜。第二天，将液体滗析，然后在惰性气体流下干燥半小时(以除去表面己烷)。将沉淀产物溶解在10-15ml的蒸馏甲苯中，然后在8-10倍量的无水己烷中沉淀，并允许在4℃冰箱中再次静置过夜。纯化后的产物在严格清洁的条件下(不应存在水、醇、胺衍生物)、在室温的烘箱中真空干燥。该产品的颜色呈白色，摸起来通常呈蜡状。
[0129]
实施例8.固定在聚(乙二醇)载体中的聚合物指示剂的制备
[0130]
为了制备聚(4-硝基苯酚-甲醛)/聚(乙二醇)凝胶，将在60℃下真空干燥过夜的291.2mg的聚(4-硝基苯酚-甲醛)聚合指示剂溶解在536μl蒸馏的(无水)n,n-二甲基甲酰胺中，以得到约36重量％的溶液。溶解后，将三乙胺(triethylamine，tea)催化剂加入对应于其羟基含量的75％的聚合物指示剂溶液(222μl)。将对应于羟基含量的60％的实施例7的聚(乙二醇)-异氰酸酯(1354mg)溶解在2.19ml蒸馏的(无水)n,n-二甲基甲酰胺中，以得到40重量％的溶液。将溶液集中、均化，然后在80℃下加热48小时。冷却后，将所得凝胶浸泡在300ml的n,n-二甲基甲酰胺中、300ml的1:3体积比的水和n,n-二甲基甲酰胺的溶剂混合物、300ml的1:1体积比的水和n,n-二甲基甲酰胺的溶剂混合物、300ml的3:1体积比的水和n,n-二甲基甲酰胺的溶剂混合物、和水中1-1周，以萃取未反应的材料和催化剂(tea)并改变溶剂，使得凝胶不破裂。所得水凝胶的凝胶分数为88％。
[0131]
实施例9.固定在聚(乙二醇)载体中的聚合物指示剂的制备
[0132]
为了制备聚(4-硝基苯酚-甲醛)/聚(乙二醇)凝胶，将在60℃下真空干燥过夜的
二甲基甲酰胺、300ml的1:3体积比的水和n,n-二甲基甲酰胺的溶剂混合物、300ml的1:1体积比的水和n,n-二甲基甲酰胺的溶剂混合物、300ml的3:1体积比的水和n,n-二甲基甲酰胺的溶剂混合物、和水中1-1周，以萃取未反应的材料和催化剂(tea)并改变溶剂，使得凝胶不破裂。
[0139]
实施例13.固定在聚(乙二醇)载体中的聚合物指示剂的制备
[0140]
为了制备聚[2-(4-羟基-亚苄基胺)-4-硝基苯酚)/聚(乙二醇)凝胶，将在60℃下真空干燥过夜的300mg的聚[2-(4-羟基-亚苄基胺)-4-硝基苯酚)聚合物指示剂溶解在450μl蒸馏的(无水)n,n-二甲基甲酰胺中，以得到约40重量％的溶液。溶解后，将三乙胺(tea)催化剂加入到对应于其羟基含量的75％(245μl)的聚合物指示剂溶液中。将相当于羟基含量(1640mg)的60％的实施例7的聚(乙二醇)-异氰酸酯的量溶解在2.61ml蒸馏的(无水)n,n-二甲基甲酰胺中，以得到40重量％的溶液。将溶液集中、均化，然后在80℃下加热48小时。冷却后，将所得凝胶浸泡在300ml的n,n-二甲基甲酰胺、300ml的1:3体积比的水和n,n-二甲基甲酰胺的溶剂混合物、300ml的1:1体积比的水和n,n-二甲基甲酰胺的溶剂混合物、300ml的3:1体积比的水和n,n-二甲基甲酰胺的溶剂混合物、和水中1-1周，以萃取未反应的材料和催化剂(tea)并改变溶剂，使得凝胶不破裂。
[0141]
实施例14.固定在聚(乙二醇)载体中的聚合物指示剂的制备
[0142]
为了制备聚{4-[(4-羟基苯基)二氮烯基]苯磺酸-甲醛}/聚(乙二醇)凝胶，将在60℃下真空干燥过夜的97.0mg的聚{4-[(4-羟基苯基)-二氮烯基]苯磺酸-甲醛}聚合物指示剂溶解在560μl蒸馏的(无水)n,n-二甲基甲酰胺中，以得到约15重量％的溶液。溶解后，将三乙胺(tea)催化剂加入到对应于其羟基含量的75％(43.7μl)的聚合物指示剂溶液中。将相当于羟基含量的60％(321.9mg)的实施例7的聚(乙二醇)-异氰酸酯的量溶解在478μl蒸馏的(无水)n,n-二甲基甲酰胺中，以得到40重量％的溶液。将溶液集中、均化，然后在80℃下加热48小时。冷却后，将所得凝胶浸泡在300ml的n,n-二甲基甲酰胺、300ml的1:3体积比的水和n,n-二甲基甲酰胺的溶剂混合物、300ml的1:1体积比的水和n,n-二甲基甲酰胺的溶剂混合物、300ml的3:1体积比的水和n,n-二甲基甲酰胺的溶剂混合物、和水中1-1周，以萃取未反应的材料和催化剂(tea)并改变溶剂，使得凝胶不破裂。所得水凝胶的凝胶分数为94％。
[0143]
实施例15.固定在聚(乙二醇)载体中的聚合物指示剂的制备
[0144]
为了制备聚{4-[(4-硝基苯基)二氮烯基]苯酚}/聚(乙二醇)凝胶，将在60℃下真空干燥过夜的100mg的聚{4-[(4-硝基苯基)二氮烯基]苯酚}聚合指示剂溶解在950μl蒸馏的(无水)n,n-二甲基甲酰胺中，以得到约10重量％的溶液。溶解后，将三乙胺(tea)催化剂加入到对应于其羟基含量的75％(49μl)的聚合物指示剂溶液中。将相当于羟基含量的80％(368mg)的实施例7的聚(乙二醇)-异氰酸酯的量溶解在600μl蒸馏的(无水)n,n-二甲基甲酰胺中，以得到40重量％的溶液。将溶液集中、均化，然后在80℃下加热48小时。冷却后，将所得凝胶浸泡在300ml的n,n-二甲基甲酰胺、300ml的1:3体积比的水和n,n-二甲基甲酰胺的溶剂混合物、300ml的1:1体积比的水和n,n-二甲基甲酰胺的溶剂混合物、300ml的3:1体积比的水和n,n-二甲基甲酰胺的溶剂混合物、和水中1-1周，以萃取未反应的材料和催化剂(tea)并改变溶剂，使得凝胶不破裂。
[0145]
实施例16.固定在超支化聚缩水甘油载体中的聚合物指示剂的制备
[0146]
为了制备聚(4-硝基苯酚-甲醛)/聚缩水甘油凝胶，将在60℃下真空干燥过夜的32.0mg的聚(4-硝基苯酚-甲醛)聚合物指示剂以及在60℃下真空干燥过夜的310.4mg超支化聚缩水甘油溶解在544μl蒸馏的(无水)n,n-二甲基甲酰胺中，以得到基于两种聚合物约40重量％的溶液。溶解后，将三乙胺(tea)催化剂加入到聚合物指示剂/聚缩水甘油溶液中，对应于其羟基含量(10.0μl)的34％，然后加入对应于聚缩水甘油(101μl)的羟基含量的30％。均化后，将溶液在60℃下加热48小时。冷却后，将所得凝胶浸泡在5
×
400ml的n,n-二甲基甲酰胺中1-1周以萃取未反应的材料和催化剂(tea)。
[0147]
实施例17.固定在超支化聚缩水甘油载体中的聚合物指示剂的制备(比较例)
[0148]
为了制备聚(4-硝基苯酚-甲醛)/聚缩水甘油凝胶，将在60℃下真空干燥过夜的31.5mg的聚(4-硝基苯酚-甲醛)聚合物指示剂以及在60℃下真空干燥过夜的309.7mg的超支化聚缩水甘油溶解在542μl蒸馏的(无水)n,n-二甲基甲酰胺中，以得到基于两种聚合物约40重量％的溶液。溶解后，将三乙胺(tea)催化剂加入到聚合物指示剂/聚缩水甘油溶液中，对应于其羟基含量的75％(21.8μl)，然后加入对应于聚缩水甘油(101μl)的羟基含量的30％的1,6-六亚甲基二异氰酸酯(hdi)的量。均化后，将溶液在60℃下加热48小时。冷却后，将所得凝胶浸泡在5
×
400ml的n,n-二甲基甲酰胺中1-1周以萃取未反应的材料和催化剂(tea)。所得透明凝胶浑浊，且不能被透照。
[0149]
实施例18.固定在聚(乙二醇)载体中的聚合物指示剂的用交联点密度增强剂的制备
[0150]
为了制备聚(4-硝基苯酚-甲醛)/聚(乙二醇)凝胶，将在60℃下真空干燥过夜的150.2mg的聚(4-硝基苯酚-甲醛)聚合指示剂以及33.0mg的d-山梨糖醇溶解在291μl蒸馏的(无水)n,n-二甲基甲酰胺中，以得到约40重量％的溶液。溶解后，将三乙胺(tea)催化剂加入对应于其羟基含量的75％(236μl)的聚合物指示剂溶液中。将对应于羟基含量的60％的实施例7的聚(乙二醇)-异氰酸酯的量溶解在2.25ml蒸馏的(无水)n,n-二甲基甲酰胺中，以得到40重量％的溶液，该羟基含量对应于与100％聚合物指示剂对应的含量(1392mg)。将溶液集中、均化，然后在80℃加热48小时。冷却后，将所得凝胶浸泡在300ml的n,n-二甲基甲酰胺中、300ml的1:3体积比的水和n,n-二甲基甲酰胺的溶剂混合物、300ml的1:1体积比的水和n,n-二甲基甲酰胺的溶剂混合物、300ml的3:1体积比的水和n,n-二甲基甲酰胺的溶剂混合物、和水中1-1周，以萃取未反应的材料和催化剂(tea)并改变溶剂，使得凝胶不破裂。
[0151]
实施例19：在ph变化下具有不同初始透光率的聚合物凝胶样品的透射率变化的比较
[0152]
聚合物凝胶样品的均匀性会影响凝胶的吸收特性。均匀性可以通过在待采用的最低ph下测量透光率来间接表征。对于显著不同的样品，这些差异也可以从视觉上看出：透光率较低的样品表现出不透明的特性，而透光率较高的样品则更透明。通过将样品放置于不同ph值的缓冲液中，比较了三种不同初始透光率凝胶样品在480nm处的透射率变化。检查利用ph1缓冲液开始，并确定由凝胶透射的光强度相对于照明光源的百分比。随后，随着1个单位的ph变化，在所有ph值直至ph14下确定该值。当测量的强度值在至少15分钟内没有进一步变化时，则认为透射光的强度对于每次测量都是可接受的。凝胶样品越均匀，ph1变化的透射强度变化越大，即，与在具有较低初始透光率的那些样品的情况下相比，在具有较高初始透光率的样品的情况下该变化更容易被检测到。
[0153]
样品组成如下：
[0154]
样品1：初始透光率低；组成：聚(对-硝基苯酚-甲醛)、60％(官能团比为0.6:1)peg(2000)-异氰酸酯、75％(官能团比为0.75:1)tea催化剂、90％(官能团比为9:1)乙二胺交联密度增强材料。
[0155]
样品2：初始透光率中等；组成：聚(对-硝基苯酚-甲醛)、60％(官能团比为0.6:1)peg(2000)-异氰酸酯、75％(官能团比为0.75：1)tea催化剂。
[0156]
样品3：初始透光率高；组成：聚(对-硝基苯酚-甲醛)、80％(官能团比为0.8:1)peg(6000)-异氰酸酯、75％(官能团比为0.75:1)tea催化剂。
[0157]
结果总结在表1中：
[0158]
表1
[0159]
透光率对比
[0160][0161][0162]
实施例20.包含固定在载体中的聚合物指示剂的传感器的制备
[0163]
为了制备包含带有载体的聚合物指示剂的传感器，根据以上实施例8-10、12-16和18制备的任何带有载体的聚合物指示剂都是合适的。广谱白色led(相关色温：6200k，波长范围：410-780nm)光源用作传感器的一部分。检测器是ocean optics sts-vis光谱仪，测量波长范围为340-840nm。在传感器的构建期间，光源、聚合物指示剂和检测器在固定状态下以此顺序沿直线布置，从而确保光路恒定。在检测器的校准期间，记录由纯led检测器测量的强度，然后确定通过聚合物指示剂的透射强度。使用透射强度和参考光强度，可以根据给
定测量波长的朗伯-比尔定律计算样品的吸光度。通过在已知ph的缓冲溶液中校准系统，该系统适用于ph测量。
[0164]
通过用相同布置的窄谱led光源替换广谱led光源，可以创建具有类似操作的传感器，该窄谱led光源的发射波长范围落在聚合物指示剂的最大吸收范围内。然后，使用光电二极管检测器、光电晶体管或光敏电阻器作为检测器就足够了。这些检测器同样适用于传感器的制备；这些检测器的替换不是一种新的技术方案。
[0165]
实施例21.使用根据本发明的传感器对ph的测量(测量光吸收的通用方法)
[0166]
实施例20中所示的传感器用于测量ph。记录光源的参考光谱，并将聚合物指示剂放置于已知ph的缓冲溶液中。达到平衡后，测量指示剂的透射光谱，从该透射光谱中使用朗伯-比尔定律确定聚合物指示剂在给定ph下的吸收光谱。在ph值为5、6、7、8时记录吸收光谱。我们在每次测量之间等待3小时以确保达到平衡。所得的一系列测量重复5次，然后针对给定波长(480nm)确定在每个ph下测量的吸光度值的平均值和标准偏差。使用henderson-hasselbalch方程计算吸光度与ph之间的关系。该函数被拟合成在不同ph值下测得的吸光度平均值，并且通过确定拟合参数及其相对误差，我们获得了可用于从任何吸光度值确定ph值的关系。在误差传播的高斯定律(误差计算的标准方法)的基础上确定ph测量的精度，利用误差传播的高斯定律我们能够针对不同聚合物指示剂以0.1至0.3的不确定度确定ph值。通过优化指示剂的参数，可以将ph测量的误差降低到0.1以下。
[0167]
实施例22.包含固定在载体中的聚合物指示剂的ph测量装置的制备
[0168]
ph测量装置包含三个印刷电路板，一个具有xpebbl-l1-0000-00y05型led光源(cree制造)和ntc温度计传感器，另一个具有适用于测量吸收的opt3002光学传感器(microchip制造)和ntc温度计传感器。第三印刷电路板包含用于第一印刷电路板和第二印刷电路板的控制和通信的rs-485通信元件、rj-45连接器和atmega328p型微控制器。在光源和用作检测器的光学传感器之间，固定在载体中的聚合物指示剂位于支承框架中。led光源的主波长在470-480nm之间，且光通量为30.6lm。由于光通量值还取决于温度，因此需要使用温度计传感器来执行后续的温度校正。替代地，可以使用来自其他制造商的具有类似波长范围和发光强度的led光源。我们使用的led光源还包括准直透镜，以尽可能精确地聚焦光线。所用检测器的光谱灵敏度在测量范围内为90％，这满足测量任务的要求。构成检测器的传感器是集成电路中的光电二极管、放大器、ad转换器和i2c接口。微控制器运行实现吸收测量的程序，该吸收测量包括以下步骤：
[0169]
1.led打开
[0170]
2.开始opt3002传感器测量
[0171]
3.800ms后，测量停止
[0172]
4.led关闭
[0173]
5.通过rs-485接口传输数据
[0174]
6.根据选择以时间间隔重复
[0175]
数据在接收计算机上进行处理(吸收计算、温度校正、ph计算)。替代地，微控制器可以执行此计算，但这会导致测量时间增加。
[0176]
示出了根据实施例的装置的操作的框图显示于图3中。
[0177]
实施例23.根据本发明的传感器与已知传感器的比较
[0178]
使用根据wo 2016051217的包含聚合物指示剂[聚(4-硝基苯酚-甲醛)]([poly(4-nitrophenol formaldehyde)])的传感器(pind传感器)和根据本发明的包含在聚(乙二醇)(poly(ethylene glycol))凝胶载体中的相同聚合物指示剂的传感器(peg-pind)，以如实施例11所述地测量ph5、6、7和8下的ph(第0天)，其中，聚合物指示剂通过与三乙氧基异氰酸根合丙基硅烷(triethoxyisocyanatopropylsilane)形成的化学键固定在聚(甲基丙烯酸2-羟乙酯)亲水性聚合物中。在对于给定指示剂而言最优选波长下执行测量，对于pind传感器为430nm，而对于peg-pind传感器为470nm。在无需重复校准的情况下，在给定时间后以相同方式重复测量，并将每次测量中获得的吸光度值记录在已知ph的缓冲溶液中。获得的结果显示在表2和表3中、以及图2a和图2b上。
[0179]
表2
[0180]
在ph5下的pind传感器和peg-pind传感器对照测量
[0181]
经过时间(天)pindpeg-pind00.31790.5369140.2631-210.2386-22
‑‑
26
‑‑
280.19140.551036-0.5360420.1985-43-0.551064-0.555290
‑‑
[0182]
表3
[0183]
在ph8下的pind传感器和peg-pind传感器对照测量
[0184]
经过时间(天)pindpeg-pind00.6232-140.5803-210.5659-22-1.044526-1.0524280.5168-420.49621.083990-1.0783
[0185]
在对根据wo 2016051217的包含聚合物指示剂的传感器进行对照测量期间，在ph 5、6、7和8下也可以观察到吸光度的明确和连续的变化。
[0186]
相比之下，根据本发明的传感器的代表(基于pind的oh基团的量，含有75％tea的peg基pind凝胶)的类似对照测量在给定波长下没有显示出这种变化，即使在较长时间后进行测量。这在图2a和图2b中在测试的ph范围的最小值和最大值(ph5和ph8介质)下示出。
[0187]
这意味着包含固定在聚合物凝胶载体中的聚合物指示剂的传感器可以以一次校准在不同ph值下长时间使用，测量ph的精度为0.1-0.3个ph单位。