专利名称：基于阴离子硼簇状物的电势感应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电势装置，它包括基于阴离子硼簇状物的感应器膜；因此，本发明属于化学科学技术领域，即化合物的化学分析，所述化合物包含可质子化的氮作为整体化元素或者所述化合物可以进行季铵化，并可用于化学和/或药学之类的领域中。
背景技术：
目前有各种分析方法可用于测定各种基质中的含氮分析物(例如抗生素、氨基酸、肽、染料等)H°，尤其是色谱法、光谱法、伏安法和安培法。这些方法非常有效，但是一般来说，它们对于进行常规分析而言速度慢且较昂贵。另外，当在实验室以外进行分析时，这些缺点更加严重。由于制药工业中分析需求的增长(例如品质控制、药物监测等)，必须存在快速的分析方法。常规方法基于色谱分析(TLC ;HPLC-UV，GC-MS)n_13。这些方法要求复杂的预处理和许多专门处理，使得这些方法不适合用于分析许多样品。另一方面，常用于测定生物介质和食物样品中氨基酸含量的大多数分析方法是与多种检测系统(例如紫外-可见吸收法、荧光法和质谱法)、荧光光谱法和分光光度法联合的容量法、毛细管电泳法、伏安法、化学发光法、安培法、极谱法、色谱法14_19。在这些方法中，容量法简单，但是不敏感也无选择性；毛细管电泳法是一种具有高分辨率的方法，但是不容易进行，因为该法需要高度专业的人员。伏安法是一种选择性的、灵敏的且较便宜的技术，但是在许多情况下，该法难以获得最大信息。一些方法需要对样品进行复杂的预处理，进行分析的时间较长，非常昂贵的设备，以及人员的专业性。因此，一般来说，重要的是开发更直接且更快速的技术用于分析化合物，尤其是那些含氮的化合物。这些电化学方法中的一些方法(极谱法2°、伏安法21)已经用于分析含电活性氮的化合物并取得良好的结果。对于这些应用，使用碳、金或钼之类的工作电极。为了改善电化学信号的选择性，可以使用化学改性的电极。近年来，电化学检测作为用于电活性化合物的灵敏且具有选择性的技术的重要性有所提高。丝网印刷电极代表了电化学感应器设计中的一种最令人感兴趣的选项22。这些电极已经广泛用于生物医疗、环境和工业分析中作为感应器23。另一方面，电势法(更具体来说是离子选择性电极(ISE))是一种用于测定许多分析物的非常经济且有效的分析方法28_29。具体来说，基于亚甲基蓝-硅钨酸盐基础上的离子对的电势感应器已经成功地用于测定某些染料，如亚甲基蓝24。还已经使用各种基于生物特异性分子、离子交换或中性载流子的ISE来分析药物
化合物25^26O使用PVC膜的方法是最简单、最便宜和最直接类型的ISE。用ISE进行药物分析的优点允许对制药有益的各种有机阳离子或阴离子的活性进行直接且选择性地测定，在大多数情况下不需要对制剂基质的活性物质进行预处理。样品所需的唯一操作是溶解在水中。因此，已经使用基于PVC膜的ISE，使用四苯基硼酸盐作为离子对的产生剂，对药物化合物(普鲁卡因、地麦德洛尔、利多卡因、罂粟碱)进行了测定27。可以将离子选择性电极小型化，使之用于体内或体外分析中，用于分析工业中或取样点中的流体。从文献数据中已知，对于商业化生产中抗生素分析的准确性和精确性，使用PVC膜感应器时的情况总体上要好于使用液体膜时的情况3°。关于测定铵有机离子所用的离子选择性电极的研究表明，膜的惯常组分是增塑剂NPOE、DBP、DNA 二壬基己二酸酯、TEHP三(2-乙基己基)磷酸盐和三(壬基氧基)苯磺酸钾(K(TNOBS));作为离子交换剂的四(4-氯苯基)硼酸钾(K(TpClPB))，以及二苯并-18-冠状物(Corona)-6作为中性阳离子载体；以及硝酸十四烷基铵(TDA)NO3作为阳离子添加剂
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O 离子选择性电极容易制造，便于操作；因此这种方法相比于其它技术具有一些优 点；膜的制备简单，电活性组分容易制备，工具容易取得，与HPLC、FIA、光谱法相比，操作起来更便宜且更简单。但是，上述这些膜不如常用的离子稳定，例如四苯基硼酸盐的情况。发明概述为了确定给定化合物在生物流体、天然或合成流体中的存在及其浓度，需要基于物理方法、化学方法或其组合的分析工具。现有的分析工具是多种多样的，事实上可以直接或间接地检测每种化合物；问题在于技术的复杂性、必需设备的成本、要求对分析人员进行的培训、完成检测必需的时间、以及找寻的分析物的定量、或者设备成为移动式或固定式的可能性。便携式和轻型设备是很重要的，对于连续控制具体分析物、其受控分配(例如在药物的情况中)、或其在任何情况与情形中的可用性更为重要。一般来说，大型仪器具有充足的选项，不要求对具体的分析物具有选择性；相反，小型装置必须对一种或一些分析物具有选择性，才能在技术上具有吸引力。另一方面，大型仪器是固定式的，很昂贵，而小型装置可以是移动式的，成本低。后者需要能选择性地检测给定的分析物及其浓度的感应器，以及能传输信号而不论其种类如何(例如声学、光学或电学)并且该信号与电解质浓度成正比的传感器。因此，移动式化学感应器的关键点在于其选择性，S卩，其主要对唯一的一种分析物产生响应的能力，该信号必须与其浓度成正比。通过这种方式，本发明提供了一种膜，该膜能与不同的传感器联合，用于检测与膜中存在的阳离子化学相关的分析物。基本上，得到的感应器装置包括感应器膜，该感应器膜掺有呈簇状物的阴离子盐，单阴离子或多阴离子，该感应器膜包含硼和其它元素，例如硼烷、碳硼烷或金属碳硼烷，具有要测定的分析物的阳离子形式，以及增塑剂、聚合物和其他任选的添加剂。更具体来说，这些感应器能检测分子中包含一个或多个氮原子的给定分析物并对其定量。存在其他优点使得电势法成为不同于目前使用的其它方法的用于分析含氮化合物的备选方法。-离子选择性电极(ISE)容易制造，便于操作。与现有技术中使用的其它技术相t匕，该方法具有一些优点；膜的制备简单，电活性组分容易制备，工具容易获得，与HPLC、FIA或分光光度法相比，操作起来更便宜且更简单。-电势测定可以在几分钟内进行，而采用其他官方或常规标准方法进行分析时需要较长的时间。
-本发明揭示了电势感应器的设计和一般功能特征，该电势感应器具有用于氮化合物的塑性膜。一些待测定的分析物可以是用于治疗结核病的抗生素，例如异烟肼或对二氮苯酰胺。已经证明，可以方便地转化另一种ISE的主要离子中的干扰物，例如对二氮苯酰胺是异烟肼ISE的干扰物。换言之，第二电极中的主要离子是对二氮苯酰胺，而异烟肼是干扰离子。两种电极事实上都是理想化的，基于二(双碳杂硼烷基合)钴(cobaltbis(dicarbollide))阴离子。本发明中的电极对于测定分析物具有良好的分析特征，不需要进行任何预分离操作，显示出良好的重现性。-ISE膜不仅作为试剂受控释放的聚合物基质(如其在光学感应器的聚合物释放系统中那样)，而且用作选择性电势测定的传感器。这种组合使得ISE对于感应器小型化非常具有吸引力。-在ISE中，膜的组成是这种“装置”的最重要的部分。简单地通过更换膜的电活性部分(或电活性物质)，可以形成对另一种分析物具有选择性的另一种电极，从而能够在 复杂基质(例如药物、临床或环境样品)中对其进行测定。-对于通常使用的离子，例如四苯基硼酸盐，本发明的膜的独特性质在于，本发明的离子对中的阴离子能通过二氢键Cc-H…H-B (金属碳硼烷)进行自身组织，通过氢键Ce-H…0(金属碳硼烷)与增塑剂进行非共价键合，或者能与电活性阳离子形成弱的二氢键B-H…H-N。所有这些都表明，通过固定阴离子并提供更为有限的移动性产生了更大的结构稳定性，。由此形成更好的感应器膜，能够检测非常类似的化合物，例如对映异构体。因此，本发明第一方面包括一种用于电势感应器的膜，其特征在于，该膜(以下称为本发明膜)包含以下组分-热塑性材料-电活性物质；和-增塑剂。本发明膜的电活性物质是[阳离子]x[阴离子]7类型的盐，其中-所述阳离子是待测定的分析物的质子化形式，或者若已经存在，在普通条件下是阳离子形式的相同分析物。这种阳离子可以具有一个、两个或更多个正电荷，具体取决于质子化过程中的酸浓度以及分析物具有的可质子化的氮数量或普通条件下具有的正电荷数
量-所述盐的阴离子是一种簇状物，其包含硼原子和其它元素。在本发明中，术语“包含硼原子的簇状物”表示一种多面体形式的化合物，其顶点被硼原子占据。这些簇可以是但并不限于具有一个、两个或更多个负电荷的硼烷、碳硼烷或金属碳硼烷。本发明膜的一种优选实施方式包含一种盐，其中的硼烷具有式(BnXmHnJ2_或(LBnHn)-，其中n 的值为 6-12，X选自氢⑶、卤素、烷基或芳基，m 的值为 0-12，L是XR' R" R",或XR' R"基团，其中X是氮(N)原子、磷⑵原子、硫⑶原子或氧(0)原子，R'、R"和R"'是选自H原子、烷基或芳基的相同或不同的基团。
当m等于0时，即当X不存在时，该式变成(BnHn)2'这种阴离子的例子可以是但并不限于(B10H10)2-或(B12H12)2'本发明膜的另一种实施方式包含一种盐，其中的阴离子是碳硼烷，具有式(RCBnXmHnJ _，其中R是H、烷基或芳基，n 的值为 5-11，X是齒素、烧基或芳基,且m 的值为 0-11。当m等于0时，即当X不存在时，该式变成(RCBnHn)'这种阴离子的例子可以是但并不限于(CB11H12) _ 或(CB9H10)' 本发明膜的另一种优选实施方式包含一种盐，其中的阴离子是金属碳硼烷，具有式[M(C2B9H11)2]' [M(C2B9H11)2]2'它们的任意衍生物，例如但并不限于[M(C2B9Hn_yXy)2]_(其中X =氢、卤素、烷基或芳基)或至少两种金属碳硼烷的任意组合，包括单离子或二离子金属碳硼烷的任意组合，其中M是三价或二价的金属。这种阴离子的例子可以是但并不限于[Co (C2B9H11)2]\ [Co (C2B9H8Cl3)2]\ [Co (C2B9H8Br3)2]-或[Co(C2B9H8I3)2]'在本发明中，术语“烷基”表示包含一个或多个碳原子、优选为1-20个碳原子、更优选为1-10个碳原子的脂族直链或支链。例如但并不限于甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、叔丁基、正戊基等。在本发明中，术语“芳基”表示包含6个或更多个碳原子、优选6-12个碳原子的芳香族碳环链；可以是单独的环或具有多个分开的和/或稠合的环。典型的芳基包含1-3个分开的或稠合的环，每个环中有6至约18个碳原子，例如苯基、萘基、茚基、菲基或蒽基。在本发明膜的另一种优选实施方式中，热塑性材料是聚氯乙烯(PVC)或其它具有相同特性的塑料，例如但并不限于聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、甲基丙烯酸酯(PMMA)、聚氯乙烯(vinyl polychloride) (PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、特氟隆(或聚四氟乙烯，PTFE)或尼龙(一种聚酰胺)。更优选热塑性材料是PVC。在本发明膜的另一种优选实施方式中，增塑剂可以是聚羧酸或其任意盐或其衍生的酯，例如但并不限于邻苯二甲酸、邻苯二甲酸丁基苄基酯(Bps)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、邻苯二甲酸二乙基己酯(DEHP)、邻苯二甲酸二异壬酯(DINP)、邻苯二甲酸二辛酯(DOP)、己二酸、己二酸二(2-乙基己基)酯(DEHA)、己二酸二甲酯(DMAD)、己二酸单甲酯(MMAD)、己二酸二辛酯(DOA)、癸二酸衍生物(例如癸二酸二丁酯(DBS)、二(癸二酸2-乙基己酯)D0S);马来酸衍生物，例如马来酸二丁酯(DBM)或马来酸二异丁酯(DIBM)。其他增塑剂可以是苯甲酸，植物油，磺酰胺(BBSA-NBBS)，有机磷酸酯例如但并不限于磷酸三甲苯酯(TCP)或磷酸三丁酯(TBP)，衍生自乙二醇的聚醚或衍生自硝基苯的聚合物增塑剂，例如但并不限于硝基苯基辛基醚(NPOE)、硝基苯基己基醚(NPHE)、二硫化碳或水杨酸P -萘酯。另外，本发明膜中可结合其他添加剂。本发明的膜可以沉积在传感器的导电性、半导电性、或非导电性表面上。在ISE的具体情况中，这种膜沉积在导体或半导体上，例如石墨或填充有粘结材料的石墨，或者沉积在有机聚合物导体上，从而制成电势电极。它能检测与盐中存在的阳离子化学相关的分析物。
因此，本发明第二方面涉及一种离子选择性电极(ISE)，其特征在于，它包括在电导体或半导体形式的载体上的本发明的膜，所述电导体或半导体优选可以是石墨、含石墨的任意复合物、或有机聚合物(以下称为本发明ISE)。本发明的另一个方面涉及一种电势感应器，其特征在于，它包括本发明的离子选择性电极和传感器。所述传感器可以是电传感器、 电子传感器、电化学传感器、电磁传感器、光子传感器或光伏传感器。获得本发明膜的方法包括通过以下方式制备盐将待测定的分析物的阳离子(例如氨基酸(A)质子化物[HXA]X+)和由一簇组成的阴离子(其至少包含硼原子，例如是[Co(C2B9H11)2D —起沉淀在水或另一种溶剂中，形成组成为[阳离子]x[阴离子]y类型的盐。将得到的沉淀物与PVC或其他热塑性材料和增塑剂如邻苯二甲酸二辛酯或上述另一种增塑剂混合。获得了本发明膜之后，将其溶解在溶剂中，所述溶剂是例如但并不限于THF(四氢呋喃)，沉积在导体或半导体上，所述导体或半导体是例如但并不限于石墨或聚吡咯，从而形成离子选择性电极，该电极对分析物(A)敏感，该分析物的质子化形式是所述盐的阳离子[HXA]x+。就组分的性质及其重量％、阴离子、增塑剂和热塑性材料以及其他元素而言，本发明膜的组成取决于待测定的分析物A，按各种情况进行变化。同时，A的阳离子即[HXA]X+可能要求不同于X的值，该值可通过在质子化时酸的较高或较低的浓度实现。因此，为了制备盐[阳离子][阴离子]，将A溶解在溶液中，该溶液通常是水性溶液，但是也可以另一种包含特定浓度酸(取决于所需的质子化水平)的溶剂。例如，A的分子中可具有两个或更多个氮原子，由于不便对其全部进行质子化以获得较好的感应器选择性，所以要向该溶液中加入由簇状物组成的阴离子，该簇状物包含硼原子，例如是但并不限于阴离子[Co (C2B9H11)2]-或其他硼烷、碳硼烷或金属碳硼烷，获得沉淀物[阳离子][阴离子]。这种沉淀物应当滤出并干燥，随后与膜的其他组分混合。因此，本发明膜、ISE以及感应器都是根据待测定的化合物A设计的，该化合物A的分子中包含氮原子，它可以质子化，或者已经为带正电荷的质子化形式。由此如本发明所述获得含有阴离子的盐[阳离子][阴离子]。将这种盐与PVC或另一种热塑性材料和增塑剂混合。根据一种感应器的优化方法(它反应测试溶液中A的浓度、能检测的最好灵敏度即最小浓度，以及相对于其他干扰离子的最好灵敏度)，获得膜的化学组成、A的质子化水平、以及组分的比例，对于测试溶液中的A浓度，寻求物理性质对浓度的线性响应，对于电势感应器的情况而言，它最接近60mV/z，其中z是分析物的电荷数。本发明的膜是用于测定分子中包含氮原子的分析物的装置的敏感性部分。因此，本发明另一方面涉及本发明电势感应器或离子选择性电极用于检测包含至少一个氮原子的分析物和/或对其进行定量的应用。本发明另一方面涉及本发明的电势感应器或本发明的离子选择性电极用于对映异构体的选择性检测和/或定量的应用。优选在生物流体(血液、血浆、血清或尿液)或者其他天然或合成液体中进行检测
和/或定量。
在说明书和权利要求书中，术语“包括”及其变化形式并不旨在排除其他技术特征、添加剂、组分或步骤。对于本领域技术人员，可以部分地通过说明书、部分地通过实施本发明，了解本发明的其他目的、优点和特征。提供以下实施例作为例证，并不旨在限制本发明。
实施例以下根据发明人进行的测试说明本发明，这些测试显示了本发明ISE的选择性。实施例I-用于吡嗪酰胺的ISE离子对盐的制备首先由Cs[Co(l，2-C2B9Hn)2] (0. 30 克)和 IM HCl (15 毫升)获得 H+[Co (I，2-C2B9Hn)2]_，用二乙基醚(20毫升)萃取产物。重复萃取3次。将获得的固体在真空中干 燥，直至达到恒重。在搅拌下将吡嗪甲酰胺(PZA) (0. 0123克)溶解在10毫升3M HCl中(溶液I)。其次，通过以下方式制备化合物离子对H[H-PZA]2[COS]3 :同样在搅拌下将10毫升0. OlM “溶液I”与10毫升0. OlM H+[C0(l，2-C2B9Hn)2]_混合，形成黄色沉淀物。过滤沉淀物，用0. IM HCl溶液冲洗，在真空中干燥。离子选择性电极的制备通过以下方式制备用于检测吡嗪酰胺的ISE膜的组合物在搅拌下将7. 0% (w/w)(0. 040克)H[H-PZA]2[cos]3溶解在63.0% (w/w) (0. 360克)增塑剂(邻-硝基苯基辛基醚NP0E，或邻苯二甲酸二辛酯D0P，或邻苯二甲酸二丁酯DBP)中。然后在搅拌下将30.0%(w/w) PVC (0. 1714克)粉末分散在6毫升THF中，直至获得粘性的澄清溶液。通过搅拌将这两种溶液混合，直至达到均匀。用移液管小心地将这种混合物沉积在电极主体的表面上，使溶剂在环境温度蒸发两天。不使用电极时，将其储存在空气中，但是在使用前，必须将电极在分析物的稀溶液(IO-4M)中保存2小时。所用的设备I. Crison micropH 2000pH/毫伏计2. Ag/AgCl，KCl 参比电极3.按照 S. Alegret 等(S. Alegret，J. Alonso, J. Bartroli, J.M. Paulis,J. L. F. C. Lima 和 A. A. S. C. Machado,《国际分析化学杂志》(Anal. Chim. Acta)，1984,164,147)制备离子选择性电极主体。如表I和表2中所示，用于PZA的ISE表现出良好的结果、高选择性和极佳的电极性质。虽然膜的总组成类似，但是结果表明，包含NPOE作为增塑剂的PVC膜提供了最好的结果，斜率为56. 98mV/10点(decade)，在浓度5. OOX KT4-L 00X KT1M范围内具有线性，检测限为3. OOX 10_5M，已证明的最小平均寿命为45天。表I. PZA电极特征
权利要求
1.一种用于电势感应器的膜，其特征在于，所述膜包含 -热塑性材料， -基于一种盐的电活性物质，其阳离子是待测定的分析物的质子化形式，阴离子是包含硼原子的簇状物；和-增塑剂。
2.如权利要求I所述的膜，其特征在于，所述阴离子是单阴离子或多阴离子。
3.如权利要求I或2所述的膜，其特征在于，所述硼簇状物选自硼烷、碳硼烷或金属碳砸烧。
4.如权利要求3所述的膜，其特征在于，所述硼烷具有式(BnHn)'(BnXmHnJ2-或(LBnHn)-，其中 η的值为6-12， X选自氢(H)、卤素、烷基或芳基， m的值为0-12， L是XR' R" R"'或XR' R"基团，其中X是N、P、S或O原子，且R'、R"和R"'是选自H、烷基或芳基的相同或不同的基团。
5.如权利要求3所述的膜，其特征在于，所述碳硼烷具有式(RCBnHn)-或(RCBnXmHn_m)_，其中 R是H、烷基或芳基， η的值为5-11， X是齒素、烧基或芳基，且 m的值为0-11。
6.如权利要求3所述的膜，其特征在于，所述金属碳硼烷具有式[M(C2B9H11)2]'[M(C2B9H11)2]2'它们的任意衍生物、或者至少两种金属碳硼烷的任意单离子或二离子组合，其中M是三价或二价金属。
7.如权利要求1-6中任一项所述的膜，其特征在于，所述热塑性材料是聚氯乙烯(PVC)。
8.如权利要求1-7中任一项所述的膜，其特征在于，所述增塑剂选自聚羧酸或其任意盐、苯甲酸盐、环氧化的植物油、磺酰胺、有机磷酸盐、由乙二醇衍生的聚醚、或由硝基苯衍生的任意聚合物增塑剂。
9.如权利要求8所述的膜，其特征在于，所述聚羧酸选自邻苯二甲酸、己二酸、癸二酸或马来酸。
10.离子选择性电极(ISE)，其特征在于，所述电极包括位于电导体或半导体载体上的如权利要求1-9中任一项所述的膜。
11.如权利要求11所述的离子选择性电极，其特征在于，所述载体是石墨、含石墨的任意复合物、或有机聚合物。
12.电势感应器，其特征在于，所述感应器包括如权利要求10或11所述的离子选择性电极和传感器。
13.如权利要求12所述的电势感应器或者如权利要求10或11所述的离子选择性电极在用于检测包含至少一个氮原子的分析物和/或对其进行定量中的用途。
14.如权利要求12所述的电势感应器或者如权利要求10或11所述的离子选择性电极在用于对对映异构体进行选择性检测和/或对其进行定量中的用途。
15.如权利要求13或14所述的用途，其特征在于，所述检测在生物流体或者其他天然或合成的液体中进行。
全文摘要
电势感应器，其包括离子选择性电极和位于电极上的膜，该膜的特征在于，其包含热塑性材料、基于一种盐的电活性物质、和增塑剂，所述盐的阳离子是待测定分析物的质子化形式，所述盐的阴离子是包含硼原子的簇状物。另外，本发明还涉及所述感应器用于检测包含至少一个氮原子的化合物和/或对其进行定量的应用。
文档编号G01N27/333GK102803946SQ200980163403
公开日2012年11月28日 申请日期2009年9月10日 优先权日2008年9月12日
发明者A·L·斯托伊卡, C·比尼亚斯, F·泰克西岛 申请人:最高科研理事会