pH計的制作方法
【專利說明】
[0001] 發(fā)明背景
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明提供改良的分析物傳感器，其能夠精確地測量分析物濃度，包括但不限于 水合氫離子濃度或pH。本發(fā)明一般而言涉及分析化學(xué)領(lǐng)域，具體地涉及pH測量技術(shù)。
[0003] 相關(guān)公開描述
[0004] 樣品中分析物濃度例如PH的測量受限于可得到的樣品體積。大多數(shù)可商業(yè)獲得 的PH電極需要至少毫升體積的樣品?？傻玫綐O少的包括工作電極（"傳感器"）、參考電極 和反電極的被宣傳為能夠測量少到〇. 5微升樣品體積的pH的專用型玻璃探針，并且那些很 昂貴（例如，Thermo Scientific Orion 9810 BN)。但是，針對小樣品體積設(shè)計的玻璃探針 呈現(xiàn)出諸多挑戰(zhàn)。
[0005] -個挑戰(zhàn)在于探針在樣品中的定位。適宜的探針放置需要確保探針的玻璃膜和參 考結(jié)與樣品之間的充分接觸。玻璃探針的球根形使這個挑戰(zhàn)尤其困難。相似地，當(dāng)使用玻 璃探針時，因為對于小體積的半固體樣品，探針形狀還可導(dǎo)致不充分的樣品接觸，所以半固 體樣品，例如來自于組織活檢的樣品，可能需要相對于液體樣品而言更大的體積。另一個挑 戰(zhàn)在于由于鹽或其它材料（"質(zhì)量"）從探針中的電極轉(zhuǎn)移到樣品中而污染樣品的可能性。 隨著樣品體積減少，對于任何探針，此類質(zhì)量轉(zhuǎn)移的效果增加。另一個挑戰(zhàn)是樣品蒸發(fā)，因 為在小體積樣品中蒸發(fā)相對較大，所以蒸發(fā)效果可能難以監(jiān)測。樣品體積的損失可產(chǎn)生錯 誤的結(jié)果。
[0006] 更普遍地，玻璃探針只能每次測量一個樣品。為了使利用玻璃探針需要測量分析 物濃度的系統(tǒng)中的通量增高，必須增加所用的探針數(shù)量或減少每次測量所需的平均時間。 因為利用玻璃電極的PH測量需要電位信號達(dá)到穩(wěn)態(tài)（針對給定系統(tǒng)可利用算法定義），所 以減少測量時間本身就是一種有限的方法。然而，玻璃探針制造相對昂貴，為了重復(fù)使用， 在樣品之間必須清洗它們以減少交叉污染的機(jī)會，進(jìn)一步妨礙了 PH測量中的高樣品通量。 污垢，是漂移和誤差的來源，因為含有蛋白質(zhì)、糖或與玻璃相互作用的其它成分的樣品可弄 臟探針，對玻璃探針也尤其成為問題。玻璃探針需要經(jīng)常維護(hù)以消除或減少污垢并確保準(zhǔn) 確性，也需要經(jīng)常再校準(zhǔn)。這些操作增加了損壞的風(fēng)險，其只在小體積樣品所必要的小范圍 中增加。
[0007] 大多數(shù)可商業(yè)獲得的pH電極以呈基本上球形的玻璃膜為特征。對于"組合電極"， 參考結(jié)也提供在位于玻璃膜附近的電極體內(nèi)。在所有情況下，必須將所有組合電極浸到足 以覆蓋參考結(jié)的深度，除了在復(fù)雜設(shè)計中之外不可將參考結(jié)與玻璃膜共面安置。另一個限 制來源于參考電極的液體結(jié)。參考電極的適當(dāng)運轉(zhuǎn)取決于分析物與內(nèi)參考溶液之間通過多 孔結(jié)（例如玻璃料）的流體連通。在通常使用條件下，允許少量內(nèi)參考溶液通過多孔結(jié)進(jìn) 入分析物。此流動旨在防止分析物進(jìn)入內(nèi)參考溶液中，可導(dǎo)致參考電位漂移。但是，在極少 量樣品中，內(nèi)參考溶液進(jìn)入分析物改變了分析物的組成并可負(fù)面地影響測量。
[0008] 傳統(tǒng)玻璃pH探針具有工作電極（WE)，其為一種由對氫離子敏感的易碎的、摻雜的 玻璃膜制成的離子-選擇性電極。pH-響應(yīng)性玻璃膜為此類探針中的主要的分析物傳感元 件并因此稱為"工作"電極。樣品溶液中的氫離子結(jié)合到玻璃膜外部，進(jìn)而引起膜內(nèi)表面電 位的改變。對照傳統(tǒng)的參考電極（RE)例如基于銀/氯化銀的電極的恒電位，測量此電位變 化。然后，通過在校準(zhǔn)曲線上繪制差異使電位差與PH值相關(guān)。通過多步法產(chǎn)生校準(zhǔn)曲線， 進(jìn)而使用者對各種已知的緩沖標(biāo)準(zhǔn)繪制電位變化。傳統(tǒng)的PH計基于此原理。
[0009] RE在測量準(zhǔn)確度中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。高度穩(wěn)定的電極電位是必要的。這通常利用 氧化還原系統(tǒng)實現(xiàn)，其中所有的活性組分維持在恒定的濃度下。在一個典型的銀/氯化銀 RE中，將經(jīng)氯化物處理的銀線浸在濃氯化鉀（KCl)溶液中。該KCl溶液通過多孔玻璃料與 分析物流體連通和電連通。此液體結(jié)產(chǎn)生對內(nèi)KCl溶液的可能污染，可改變電極電位，導(dǎo)致 測量的漂移。其它缺點包括內(nèi)電解質(zhì)泄漏，以及由于液體結(jié)內(nèi)部干燥或沉淀而堵塞的傾向。
[0010] 已經(jīng)進(jìn)行多種嘗試來改善RE的穩(wěn)定性。參見，例如，Bakker, Electroanalysis 1999，11，788 ;T Blaz,等，Analyst ,2005，130，637 ;1(&101〇1。11；[等，厶11&1· Chem. 2007, 79, 7187 ;Cicmil 等，Electroanalysis, 2011，23, 1881 ;美國專利 7,628,901 ; 美國專利申請2009/0283404 ;以及Chang,等，Electroanalysis, 2012, 24。這些嘗試旨在 為電位測量系統(tǒng)提供穩(wěn)定的RE。
[0011] 本發(fā)明提供傳感器，傳感器部件，以及它們的制造及使用的方法，尤其用于檢測分 析物濃度的伏安法或安培法，其不僅能夠測量小體積樣品中的分析物濃度也對所有樣品體 積提供改善的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 在一些實施方案中，本發(fā)明提供具有基本上平坦的傳感表面的傳感器，在該傳感 表面上所有傳感元件彼此共面放置。這些配置允許甚至小體積的樣品接觸所有傳感元件， 例如以傳感表面與另一個固體表面之間捕獲的液膜形式。任選地，傳感元件可位于相對表 面上，捕獲液體。樣品因毛細(xì)管作用而保持在由傳感器形成的空隙內(nèi)而不利用樣品容器。以 此方式，樣品大小不再取決于傳感器大小，而取決于由傳感器與互補(bǔ)表面形成的空隙的尺 寸。作為一個實例，通過調(diào)節(jié)由12-_直徑的平坦傳感器和另一個12-_直徑的圓柱形成 的空隙的大小，可形成具有10微升或更少體積的均一液膜。其次，因為靈敏度主要由傳感 器表面積而非樣品體積決定，所以測量靈敏度不會隨樣品體積減少而降低。的確，可制得與 用傳統(tǒng)玻璃探針可能的傳感器表面積相比顯著更大的傳感器表面積以允許檢測低分析物 濃度。因此，本發(fā)明的一些實施方案提供能夠精確地容納小樣品體積的系統(tǒng)，以及具有促進(jìn) 與互補(bǔ)的固體表面形成小空隙的平面幾何結(jié)構(gòu)的傳感器，包括傳感元件位于該界定空間的 一側(cè)或兩側(cè)上的布置。
[0013] 在一些實施方案中，本發(fā)明提供用于測量微升級液體樣品（例如，約IOyL或更 少）中分析物濃度的裝置及方法，其中通過表面張力將樣品固持在兩個鐵砧之間，每個鐵 砧包括樣品放置（或接觸）的容置區(qū)域。一個或兩個鐵砧在它們中嵌入與具有樣品潤濕的 容置面積的鐵砧的表面導(dǎo)電接觸的分析物傳感器的一個或多個電極。在一些實施方案中， 容置區(qū)域由未被分析物潤濕的表面環(huán)繞的分析物潤濕的表面界定，其中分析物潤濕的表面 包括傳感元件。在一些實施方案中，通過將電極部件涂覆或印刷在適宜基材上制造傳感器 的一個或多個電極，此類基材包括固體、多孔、和/或柔性材料。
[0014] 在一些實施方案中，本發(fā)明提供能夠?qū)Χ鄠€微升樣品進(jìn)行多通道分析物濃度測量 的裝置，每個樣品通過表面張力固持在形成傳感器的兩個鐵砧表面之間，其中跨此類傳感 器的陣列進(jìn)行單伏安掃描。在一些實施方案中，用于對通過表面張力容置的多個微升液體 樣品進(jìn)行分析物濃度測量的裝置包括：用于通過表面張力將多個微升樣品容置在多組鐵砧 的相對的近端之間的器件，其中每組鐵砧提供功能性傳感器，所述鐵砧任選地呈基本上平 行的、間隔關(guān)系；用于向鐵砧提供電流的器件；用于固持鐵砧呈陣列的器件；用于進(jìn)行傳感 器的伏安掃描的器件；以及連接到傳感器以接收通過其傳送的信號并在其上進(jìn)行分析物濃 度測量值的器件，其中利用多于一個的傳感器和多于一個的用于接收信號并在其上進(jìn)行分 析物濃度測量的器件，同時在多于一個的傳感器上進(jìn)行分析物濃度測量。
[0015] 在一些實施方案中，本發(fā)明提供一種用于測量樣品中分析物濃度的分析物傳感 器，其包括：一起形成分析物傳感器的第一鐵砧和第二鐵砧，其中所述鐵砧通過能夠調(diào)節(jié)鐵 砧之間間隔的器件彼此機(jī)械耦連以使置于所述鐵砧中一個的表面上的液體樣品可與另一 個鐵砧的表面接觸，從而通過分析物建立兩個鐵砧之間的導(dǎo)電接觸，并維持在該位置足以 利用伏安掃描進(jìn)行分析物測量的時間段。
[0016] 在其它實施方案中，本發(fā)明提供用于制造用于本發(fā)明傳感器的電極部件的方法和 材料。在一些實施方案中，本發(fā)明材料為用于例如工作電極中的氧化還原-活性分析物-敏 感性材料（RAM)。在其它實施方案中，材料為包括與其共價連接的此類RAMS的聚合物。在一 些實施方案中，這些材料為適合于摻入可用于基于印刷的制作方法的印刷油墨中的RAMS。
[0017] 在本發(fā)明的一些實施方案中，材料為通過離子性液體、導(dǎo)電材料，包括但不限于 碳，以及聚合物，包括但不限于聚偏二氟乙烯（PVDF)形成的復(fù)合物，其用于形成電極例如 參考電極與待測量其中分析物濃度的樣品之間的結(jié)。本發(fā)明的方法包括用于制備并純化本 發(fā)明的RAMS、聚合物、及復(fù)合物的方法。
[0018] 此外，在一些實施中，本發(fā)明提供電極和電極部件以及它們的制造及使用的方法。 根據(jù)本發(fā)明的各種實施方案，這些電極和電極部件可用在用于測量微升級樣品中分析物濃 度的微型化傳感器中。在一些實施方案中，電極和電極部件用作普遍采用的傳感器的替代 件以提供更好的性能和/或降低維護(hù)成本。本發(fā)明的方法包括用于通過借助于各種涂覆 法、印刷法、微制造法、和光刻法將傳感材料沉積在適宜基材上制造微型化傳感器和微型化 電極的方法。
[0019] 在一些實施方案中，本發(fā)明提供使用復(fù)合物的參考電極，該復(fù)合物包括至少一種 室溫離子性液體（RTIL)、碳同素異形體、以及將RTIL和碳同素異形體組合成導(dǎo)電固體基質(zhì) 的聚合材料。所得的固體基質(zhì)用作包括內(nèi)參考系統(tǒng)例如浸于KCl溶液中的Ag/AgCl的RE 的部件，其中導(dǎo)電固體基質(zhì)將KCl溶液與分析物分開?；蛘?，導(dǎo)電固體基質(zhì)用作不含有內(nèi)溶 液的RE的部件。在任一個實施方案中，RE可與WE和反電極（CE)的各種組合聯(lián)合用在伏 安分析中。
[0020] 在功能方面，導(dǎo)電固體基質(zhì)用作具有特征電極電位的恒定化學(xué)環(huán)境與分析物之間 的障壁。該固體基質(zhì)導(dǎo)電并且基本上不可滲透除了其中的質(zhì)子之外的分析物。導(dǎo)電固體基 質(zhì)被稱為導(dǎo)電分析物障壁（CAB)。CAB的區(qū)別特征為其通過RTIL組分的質(zhì)子滲透性以及通 過碳組分的導(dǎo)電性。在一些實施方案中，CAB與接觸濃KCl溶液的傳統(tǒng)Ag/AgCl氧化還原 對聯(lián)用。在其它實施方案中，CAB直接接觸固體Ag/AgCl氧化還原對。根據(jù)本發(fā)明，可供選 擇的參考電極系統(tǒng)例如飽和甘萊或銅/硫酸銅系統(tǒng)