pH计的制作方法
【专利说明】
[0001] 发明背景
技术领域
[0002] 本发明提供改良的分析物传感器，其能够精确地测量分析物浓度，包括但不限于 水合氢离子浓度或pH。本发明一般而言涉及分析化学领域，具体地涉及pH测量技术。
[0003] 相关公开描述
[0004] 样品中分析物浓度例如PH的测量受限于可得到的样品体积。大多数可商业获得 的PH电极需要至少毫升体积的样品。可得到极少的包括工作电极（"传感器"）、参考电极 和反电极的被宣传为能够测量少到〇. 5微升样品体积的pH的专用型玻璃探针，并且那些很 昂贵（例如，Thermo Scientific Orion 9810 BN)。但是，针对小样品体积设计的玻璃探针 呈现出诸多挑战。
[0005] -个挑战在于探针在样品中的定位。适宜的探针放置需要确保探针的玻璃膜和参 考结与样品之间的充分接触。玻璃探针的球根形使这个挑战尤其困难。相似地，当使用玻 璃探针时，因为对于小体积的半固体样品，探针形状还可导致不充分的样品接触，所以半固 体样品，例如来自于组织活检的样品，可能需要相对于液体样品而言更大的体积。另一个挑 战在于由于盐或其它材料（"质量"）从探针中的电极转移到样品中而污染样品的可能性。 随着样品体积减少，对于任何探针，此类质量转移的效果增加。另一个挑战是样品蒸发，因 为在小体积样品中蒸发相对较大，所以蒸发效果可能难以监测。样品体积的损失可产生错 误的结果。
[0006] 更普遍地，玻璃探针只能每次测量一个样品。为了使利用玻璃探针需要测量分析 物浓度的系统中的通量增高，必须增加所用的探针数量或减少每次测量所需的平均时间。 因为利用玻璃电极的PH测量需要电位信号达到稳态（针对给定系统可利用算法定义），所 以减少测量时间本身就是一种有限的方法。然而，玻璃探针制造相对昂贵，为了重复使用， 在样品之间必须清洗它们以减少交叉污染的机会，进一步妨碍了 PH测量中的高样品通量。 污垢，是漂移和误差的来源，因为含有蛋白质、糖或与玻璃相互作用的其它成分的样品可弄 脏探针，对玻璃探针也尤其成为问题。玻璃探针需要经常维护以消除或减少污垢并确保准 确性，也需要经常再校准。这些操作增加了损坏的风险，其只在小体积样品所必要的小范围 中增加。
[0007] 大多数可商业获得的pH电极以呈基本上球形的玻璃膜为特征。对于"组合电极"， 参考结也提供在位于玻璃膜附近的电极体内。在所有情况下，必须将所有组合电极浸到足 以覆盖参考结的深度，除了在复杂设计中之外不可将参考结与玻璃膜共面安置。另一个限 制来源于参考电极的液体结。参考电极的适当运转取决于分析物与内参考溶液之间通过多 孔结（例如玻璃料）的流体连通。在通常使用条件下，允许少量内参考溶液通过多孔结进 入分析物。此流动旨在防止分析物进入内参考溶液中，可导致参考电位漂移。但是，在极少 量样品中，内参考溶液进入分析物改变了分析物的组成并可负面地影响测量。
[0008] 传统玻璃pH探针具有工作电极（WE)，其为一种由对氢离子敏感的易碎的、掺杂的 玻璃膜制成的离子-选择性电极。pH-响应性玻璃膜为此类探针中的主要的分析物传感元 件并因此称为"工作"电极。样品溶液中的氢离子结合到玻璃膜外部，进而引起膜内表面电 位的改变。对照传统的参考电极（RE)例如基于银/氯化银的电极的恒电位，测量此电位变 化。然后，通过在校准曲线上绘制差异使电位差与PH值相关。通过多步法产生校准曲线， 进而使用者对各种已知的缓冲标准绘制电位变化。传统的PH计基于此原理。
[0009] RE在测量准确度中发挥着关键作用。高度稳定的电极电位是必要的。这通常利用 氧化还原系统实现，其中所有的活性组分维持在恒定的浓度下。在一个典型的银/氯化银 RE中，将经氯化物处理的银线浸在浓氯化钾（KCl)溶液中。该KCl溶液通过多孔玻璃料与 分析物流体连通和电连通。此液体结产生对内KCl溶液的可能污染，可改变电极电位，导致 测量的漂移。其它缺点包括内电解质泄漏，以及由于液体结内部干燥或沉淀而堵塞的倾向。
[0010] 已经进行多种尝试来改善RE的稳定性。参见，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 ;美国专利 7,628,901 ; 美国专利申请2009/0283404 ;以及Chang,等，Electroanalysis, 2012, 24。这些尝试旨在 为电位测量系统提供稳定的RE。
[0011] 本发明提供传感器，传感器部件，以及它们的制造及使用的方法，尤其用于检测分 析物浓度的伏安法或安培法，其不仅能够测量小体积样品中的分析物浓度也对所有样品体 积提供改善的性能。
【发明内容】
[0012] 在一些实施方案中，本发明提供具有基本上平坦的传感表面的传感器，在该传感 表面上所有传感元件彼此共面放置。这些配置允许甚至小体积的样品接触所有传感元件， 例如以传感表面与另一个固体表面之间捕获的液膜形式。任选地，传感元件可位于相对表 面上，捕获液体。样品因毛细管作用而保持在由传感器形成的空隙内而不利用样品容器。以 此方式，样品大小不再取决于传感器大小，而取决于由传感器与互补表面形成的空隙的尺 寸。作为一个实例，通过调节由12-_直径的平坦传感器和另一个12-_直径的圆柱形成 的空隙的大小，可形成具有10微升或更少体积的均一液膜。其次，因为灵敏度主要由传感 器表面积而非样品体积决定，所以测量灵敏度不会随样品体积减少而降低。的确，可制得与 用传统玻璃探针可能的传感器表面积相比显著更大的传感器表面积以允许检测低分析物 浓度。因此，本发明的一些实施方案提供能够精确地容纳小样品体积的系统，以及具有促进 与互补的固体表面形成小空隙的平面几何结构的传感器，包括传感元件位于该界定空间的 一侧或两侧上的布置。
[0013] 在一些实施方案中，本发明提供用于测量微升级液体样品（例如，约IOyL或更 少）中分析物浓度的装置及方法，其中通过表面张力将样品固持在两个铁砧之间，每个铁 砧包括样品放置（或接触）的容置区域。一个或两个铁砧在它们中嵌入与具有样品润湿的 容置面积的铁砧的表面导电接触的分析物传感器的一个或多个电极。在一些实施方案中， 容置区域由未被分析物润湿的表面环绕的分析物润湿的表面界定，其中分析物润湿的表面 包括传感元件。在一些实施方案中，通过将电极部件涂覆或印刷在适宜基材上制造传感器 的一个或多个电极，此类基材包括固体、多孔、和/或柔性材料。
[0014] 在一些实施方案中，本发明提供能够对多个微升样品进行多通道分析物浓度测量 的装置，每个样品通过表面张力固持在形成传感器的两个铁砧表面之间，其中跨此类传感 器的阵列进行单伏安扫描。在一些实施方案中，用于对通过表面张力容置的多个微升液体 样品进行分析物浓度测量的装置包括：用于通过表面张力将多个微升样品容置在多组铁砧 的相对的近端之间的器件，其中每组铁砧提供功能性传感器，所述铁砧任选地呈基本上平 行的、间隔关系；用于向铁砧提供电流的器件；用于固持铁砧呈阵列的器件；用于进行传感 器的伏安扫描的器件；以及连接到传感器以接收通过其传送的信号并在其上进行分析物浓 度测量值的器件，其中利用多于一个的传感器和多于一个的用于接收信号并在其上进行分 析物浓度测量的器件，同时在多于一个的传感器上进行分析物浓度测量。
[0015] 在一些实施方案中，本发明提供一种用于测量样品中分析物浓度的分析物传感 器，其包括：一起形成分析物传感器的第一铁砧和第二铁砧，其中所述铁砧通过能够调节铁 砧之间间隔的器件彼此机械耦连以使置于所述铁砧中一个的表面上的液体样品可与另一 个铁砧的表面接触，从而通过分析物建立两个铁砧之间的导电接触，并维持在该位置足以 利用伏安扫描进行分析物测量的时间段。
[0016] 在其它实施方案中，本发明提供用于制造用于本发明传感器的电极部件的方法和 材料。在一些实施方案中，本发明材料为用于例如工作电极中的氧化还原-活性分析物-敏 感性材料（RAM)。在其它实施方案中，材料为包括与其共价连接的此类RAMS的聚合物。在一 些实施方案中，这些材料为适合于掺入可用于基于印刷的制作方法的印刷油墨中的RAMS。
[0017] 在本发明的一些实施方案中，材料为通过离子性液体、导电材料，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)形成的复合物，其用于形成电极例如 参考电极与待测量其中分析物浓度的样品之间的结。本发明的方法包括用于制备并纯化本 发明的RAMS、聚合物、及复合物的方法。
[0018] 此外，在一些实施中，本发明提供电极和电极部件以及它们的制造及使用的方法。 根据本发明的各种实施方案，这些电极和电极部件可用在用于测量微升级样品中分析物浓 度的微型化传感器中。在一些实施方案中，电极和电极部件用作普遍采用的传感器的替代 件以提供更好的性能和/或降低维护成本。本发明的方法包括用于通过借助于各种涂覆 法、印刷法、微制造法、和光刻法将传感材料沉积在适宜基材上制造微型化传感器和微型化 电极的方法。
[0019] 在一些实施方案中，本发明提供使用复合物的参考电极，该复合物包括至少一种 室温离子性液体（RTIL)、碳同素异形体、以及将RTIL和碳同素异形体组合成导电固体基质 的聚合材料。所得的固体基质用作包括内参考系统例如浸于KCl溶液中的Ag/AgCl的RE 的部件，其中导电固体基质将KCl溶液与分析物分开。或者，导电固体基质用作不含有内溶 液的RE的部件。在任一个实施方案中，RE可与WE和反电极（CE)的各种组合联合用在伏 安分析中。
[0020] 在功能方面，导电固体基质用作具有特征电极电位的恒定化学环境与分析物之间 的障壁。该固体基质导电并且基本上不可渗透除了其中的质子之外的分析物。导电固体基 质被称为导电分析物障壁（CAB)。CAB的区别特征为其通过RTIL组分的质子渗透性以及通 过碳组分的导电性。在一些实施方案中，CAB与接触浓KCl溶液的传统Ag/AgCl氧化还原 对联用。在其它实施方案中，CAB直接接触固体Ag/AgCl氧化还原对。根据本发明，可供选 择的参考电极系统例如饱和甘萊或铜/硫酸铜系统