用于离子筛选的聚合物自组装多层膜传感器中的设计、制备和应用的制作方法

专利名称：用于离子筛选的聚合物自组装多层膜传感器中的设计、制备和应用的制作方法
技术领域：
本发明的实施方案涉及外在地补偿的多层膜。
背景技术：
功能膜应用于各种领域，在上述领域中，分离和传感器是两个重 要的应用类型。在传感器应用领域，功能膜通常置于和连接到转换器 的表面，该转换器例如是离子选择性的场效应晶体管(ISFET)，离子 选择性的电极(ISE)，光学纤维、微悬臂、表面声波(SAW)，体音波(BAW) 和石英晶体微量天平(QCM)等等。这类膜的最重要的作用是它们的感 测能力，具体而言，它们需要识别所感兴趣的被分析物和产生能够由 转换器探测的信号。典型地，该膜通过将功能材料引入基体来制备。 作为一个实例，钠敏感膜能够通过将钠离子栽体引入到增塑的聚氯乙 烯(PVC)基体来制备；作为另一实例，尿素敏感膜能够通过将酶(尿素 酶)包埋到指定量的聚乙烯醇(PVA)基体中来制备。另外，转换器表 面上所放置的理想的功能膜应该选择性地限制或减少溶液中一些不希 望有的组分流动或穿行到达转换器，以显著地提高传感器的性能(如敏 感性、选择性、动态范围和响应时间)。
最近，在开发人类新陈代谢参数象尿素、肌酸5f、葡萄糖等等参 数的实时监测的生理传感器上有特别的兴趣。在制备该生理传感器 中，功能感测膜是极端重要的。该膜的典型生产涉及将功能材料包封 在聚合物基体中，例如，酶(尿素酶)包封在PVA基体中来制备尿素敏 感膜。这里，与功能膜相关的主要挑战是能够从本体溶液减少不受欢 迎组分的流动或筛选某些离子，例如HC03-， Na+等等的技术策略， 在某些情况下它们对于膜和传感器的性能有不希望有的作用。
已经探索了各种方法来生产传感应用的功能膜。最近，人们见证 了传感应用的多层功能膜的设计和生产。该方法包括将功能材料(如酶) 包封在自组装的多层膜中。功能材料需要识别所感兴趣的被分析物和 产生需要由转换器探测的信号；而多层膜，除稳定被包封的功能材料(如 酶)之外，还需在本体溶液中筛选不希望有的离子。 一般地，多层膜以
层叠层自组装方法为基础，该方法包括二种类型的聚合电解质、即聚 阴离子和聚阳离子的连续自组装。例如，如果在制备过程中以正电荷 的基材开始，聚阴离子首先被吸附入该表面以使得表面带负电。尔后， 聚阳离子被吸附到表面上以使得表面再次带正电。反复重复此循环能 够生产具有交替的聚阴离子/聚阳离子层的膜，该膜意指自组装多层膜。
术语"内在补偿"和"外在补偿"表征了层叠层自组装膜，特别 表征了它的离子筛选能力。如果一种聚合物上的电荷由另一种聚合物 上的相反电荷平衡(或中和)，例如聚阳离子由聚阴离子平衡或反之亦 然，这称作"内在地补偿"。另一方面，如果一种聚合物上的电荷由 流动离子的相反电荷来平衡(不通过不能够自由移动的聚合物上的电荷 平衡)，例如聚阳离子由溶液中自由移动的阴离子或聚阴离子由溶液中 自由移动的阳离子来平衡，它称为"外在地补偿的"。在前面段落所 描述的膜是内在地补偿，归因于层中的电荷由相对应聚合电解质中和 (即，聚阳离子的正电荷由聚阴离子的负电荷中和)。在所有制备离子 筛选多层膜的现有技术中，在二种聚合物上的电荷全部内在地补偿， 并且未报道以外在补偿为基础的多层膜。


图1中所显示的现有的内在地补偿的层叠层的自组装方法是常用 的，这归因于它的简单性。虽然此多层膜已经成功地运用于筛选
(screen)某些类型的离子，例如从一般的具备高緩冲能力的碳酸盐 緩冲液中筛选HC03 —，但是它的性能仍然需要改进以满足某些具体 应用的要求，这些具体应用如用于尿素、肌酸酐和葡萄糖等的功能感 测膜。

发明内容
本发明所解决的问题与通常所用的内在地补偿的多层功能膜的无 效离子筛选有关。本发明描述了新型离子筛选多层功能膜，该膜具有 由通过中性聚合物层粘结在一起的外在地补偿的、带电的聚合物层，并且 具有高的离子筛选能力，以及本发明还4^供设计和制备该膜的方法。
附图的简述
图1显示通过自组装聚阳离子/聚阴离子制备内在地补偿的层叠层 多层膜的现有技术。现有技术用于制备高内在地补偿的膜，这没有有 效地筛选离子。
图2显示制备外在地补偿的层叠层自组装多层膜的创造性方法，该
多层膜包括具有官能团给体和受体的带电聚合物和中性聚合物的层。
图3a是具有固定于转换器表面的功能感测膜的传感器设备的一 种可能的构型的示意图；图3b是包括感测材料和外在地补偿层叠层 的多层结构的功能感测膜的可能的构型示意图。情况I展示通过一步 法得到的功能感测膜，即在自组装期间，直接将功能材料引入到层叠 层多层膜里。情况II显示通过二步法得到的功能感测膜，即，首先旋 转涂覆包含功能材料的感测层，然后制备层叠层多层膜。
本发明的概述
本发明的实施方案涉及放置于传感器的转换器上的多层功能感测 膜的设计和制备。膜能够在溶液中(如緩冲溶液中)选择性地减少一些 不希望有的离子的流动或穿行到达转换器表面并且因此提高传感器的 性能。特别地，本发明涉及具有层叠层结构的多层膜，其中存在二种 类型的层。即层的第一种类型包括带电的(负性或正性)聚合物并且层 的第二种类型包括中性聚合物。层的二种类型被定为交替的方式。此
类型的膜具有外在补偿特征并且在传感器制备中可以是非常有用的。
本发明的实施方案解决了常规所用的膜，如内在地补偿多层功能 膜，在从溶液中，如緩冲溶液中筛选一些不希望有的离子的无效的问 题。本发明描述了新型的具有外在地补偿的、带电的聚合物层的离子 筛选多层膜，该聚合物层通过中性(无电荷)聚合物层粘结在一起的带 电聚合物层，并且该离子筛选多层膜具有高的离子筛选能力，本发明 还提供设计和制备该膜的方法。
本发明实施方案涉及聚合物的设计和合成方法，该聚合物能够用 于制备外在地补偿功能多层自组装膜。
本发明实施方案也同具备包含外在地补偿多层的感测膜的高性能 传感器的制备相关。本发明实施方案描述感测膜的二种构型。在第一 优选实施方案中，传感器通过将感测材料(如类似于尿素酶的酶)和聚 合物(如PVA)的混合物旋转涂覆到转换器表面上，随后以上所述的外 在地补偿的层叠层自组装多层膜进行第二次涂覆来制备。在第二优选 的实施方案中，在自组装过程期间，传感器通过将感测材料(如酶)直 接引入到外在地补偿的层叠层自组装多层膜里来制备。
将会认识到，本发明能够实现其它和不同的实施方案，并且它的细节 能够以各种明显的方式进行改进，全部没有脱离本发明的范围.
因此，附困和说明本质上被认为是举例的和不认为是限制性的。 详细说明
如在说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式包括复数指示 物，除非上下文另外清楚地指明。
术语"功能膜"是指具有功能聚合物的膜和它允许某些分子或离 子通过扩散或促进的扩散穿过它。术语"功能聚合物"指一种聚合物， 它携带特定的化学基团并且具有特定的物理，化学，生物，药物学用 途或者取决于特定的化学基团的其他用途。术语"促进的扩散"指一 种扩散过程，其中分子在运输剂的帮助下跨膜扩散，该运输剂例如是 某种分子(如蛋白质)。
"大分子"或"聚合物"包括共价地连接的两个或多个单体。单 体可以是每次连接一个或以多个单体形成的链(通常称为"齐聚物，，) 连接。因此例如， 一个单体和五个单体形成的链可以连接以形成六个 单体的大分子或聚合物。同样地，五十个单体的链可以连接一百个单 体的链以形成一百五十个单体的大分子或聚合物。在这里所使用的术 语聚合物包括例如线性和环状聚合物，杂聚物，其中化合物共价地键 接到聚合物和生物聚合物。
术语"生物聚合物"指自然界中所发现的特别类的聚合物。淀粉、
蛋白质和肽、DNA和RNA是生物聚合物的所有实例，其中单体单元 分别是糖，氨基酸和核酸。生物聚合物尤其包括核苷酸，多核苷酸， 低聚核苷酸，肽，蛋白质，配位体，接受体。
术语"聚阳离子"指一种分子，它有许多带正电的基团。术语"聚 阴离子"指一种分子，它有许多带负电的基团。
本发明的实施方案涉及新型带电聚合物多层膜，后者相对于常规 所使用的膜，如内在地补偿的层叠层自组装膜而言，是外在地补偿的 并且有高得多的离子筛选能力。通过外在地补偿的多层膜的离子筛选 能力的增强未在现有技术中公开。
我们的结果以多层系统的数学模型为基础。我们的模型包括三种 类型的基本方程(1)每层的电中和方程，(2)每种化学组分和每层 的化学势平衡方程，和(3)每层的混合的、弹性和离子自由能的平衡 方程。求解这些方程的结果表明通过外在地补偿的层叠层膜在离子筛 选能力上有重大提高，这是指与内在地补偿的那些比较而言。为了将两个或多个外在地补偿的带电聚合物的层粘接在一起，使用中性电荷 聚合物层。
本发明实施方案涉及新颖的外在地补偿的层叠层多层膜，该多层
膜被举例说明于附图2中。本发明的实施方案的新颖性要点是本发 明是首次发明一种新型的聚合物多层膜，该多层膜是基本上外在地补 偿的并且有高得多的离子筛选能力，这是指与常用的膜，如内在地补 偿的多层膜相比较而言。使用中性聚合物层来将二个具有相同电荷(聚 阴离子或聚阳离子)的外在地补偿的聚合物层粘接在一起的理念也是具 备新颖性的。
本发明的实施方案涉及在层中生产外在补偿的多层聚合物膜。多 层膜的生产能够以聚合电解质(聚阳离子或聚阴离子)和中性聚合物开 始，两者都拥有官能结构部分(基团)以促进自组装过程。例如，如果 想要制备具有聚阳离子和中性聚合物的膜，制备的过程能够是如下。 以在表面上具有质子给予基团的基体开始。然后将具有质子接受基团
的聚阳离子吸附于表面并且漂洗表面。尔后，将具有质子给予基团的 中性聚合物吸附到聚阳离子。重复该过程将生产出所谓的"层叠层自
组装多层膜"。它的膜是外在地补偿的，因为膜中聚合物的电荷通过 流动抗衡离子来中和，而不是对应的聚合电解质。
内在地补偿膜和外在地补偿膜之间的区别是非常清楚的。首先， 不同的原材料用于层叠层自组装多层膜的二种类型的制备。在外在地 补偿膜情况下，使用聚合电解质(聚阳离子或聚阴离子)和中性聚合物， 而在内在地补偿的膜情况下，使用聚阳离子和聚阴离子。第二，自组 装过程的驱动力是不同的。在外在地补偿膜情况下，驱动力可以包括 氢键、化学键等等；当在内在地补偿的膜情况下，驱动力是聚阴离子 和聚阳离子之间的离子相互作用。最后，在膜中的带电的聚合物的电 子中和也是不同的。在内在地补偿情况下，在某个聚合物中的电荷由 在另一个聚合物中的相反电荷平衡(或中和)，例如聚阴离子平衡的聚 阳离子或反之亦然；当在外在补偿情况下，在某个聚合物的电荷由流 动抗衡离子的相反电荷所平衡(不是通过不能够自由移动的聚合物上的 电荷)，例如聚阳离子由溶液中的流动抗衡阴离子或聚阴离子由溶液中 流动抗衡阳离子所平衡。
离子筛选层优选包含仅仅一种类型的、具有某些特殊官能结构部分的聚合电解质(带电的聚合物，负性或正性)。聚合电解质的种类的 选择取决于将被筛选的离子的种类。具体地，优选带负电的聚合物(聚
阴离子)来筛选阴离子，如HC03-、 HS03-等等和优选带正电的聚合物 (聚阳离子)来筛选阳离子，如Na+、 Ca^等等。需要特殊官能结构部 分来促进带电聚合物与第二种类型的聚合物的自组装，第二种类型的 聚合物典型地是包含第二种类型的官能结构部分的中性聚合物。包舍 中性聚合物的中性层分隔带电层，形成多层结构和因而增加多层膜的 离子筛选能力。
在本发明的实施方案中，带电聚合物和中性聚合物两者均有官能 结构部分或基团以促进自组装和将这二种类型的聚合物粘结在一起。 官能结构部分包括能够形成氢键、化学鍵等的那些基团。在一个优选 的实施方案中，氢键为自组装的驱动力。在这种情况下，官能结构部 分可以包括以下-OH， -COOH， -1\112等。本领域技术人员能够列 出能形成氢键的其他官能团。在另一个优选的实施方案，化学键为自 组装的驱动力。在这种情况下，结构部分可以包括-OH， -COOH， -NH2， -CHO等等，本领域技术人员能够列出其他能形成化学键的结构部分.
为简化起见，该官能结构部分能够划分成二种类型，分别命名为 给予基团("给体")和接受基团("受体")。带电的聚合物能够具有给 体和中性聚合物具有受体，或者相反，带电的聚合物具有受体和中性 聚合物具有给体。在给体和受体之间的键合力连接带电的聚合物层和 中性聚合物层。
二种方法能够用于引入官能团(即给体和受体)到所期望的聚合 电解质(聚阳离子和聚阴离子)和中性聚合物中。在一个优选的实施方 案中，官能团通过功能单体(包含所期望的官能结构部分(基团)、即给 体或受体的单体)与第二种单体(阳离子单体、阴离子单体或者非离子 单体)的共聚来在聚合物中引入。包含给体或受体的各种的单体是已知 的，例如，4-乙烯基吡啶，4_乙烯基吡咯烷酮，4-乙烯基苯纷，(甲基) 丙烯酸2-羟乙基酯，4-乙烯基苯胺，4-乙烯基苯曱醛。本领域技术人 员能列出更多功能单体。在本发明另一优选实施方案中，官能结构部 分(基团)可以通过对可利用的聚合物采用所需的给体或受体来改性而 引入到期望的聚合物中。本领域中技术人员能够为此目的来设计化学 反应和试剂'为了实施多层膜的实施方案，例如图2中所显示的方案，二种类 型的聚合物能够被设计和合成。第一种类型的聚合物能够负性或正性 带电并且具有给体或受体以促进与第二种类型的聚合物的自组装。第 二种类型的聚合物典型地是包含给体和受体以促进与第一种类型的聚 合物的自组装的中性聚合物。
本发明实施方案涉及具有官能结构部分(给体或受体)的聚阳离子 的合成以供外在地补偿的层叠层自组装多层膜的生产所用。在一个优 选的实施方案中，聚合物能够通过阳离子单体(它赋予聚合物阳离子 特征)和功能单体(它赋予聚合物与对应中性聚合物形成氢键、化学 键等等的能力)的共聚来制备。各种阳离子单体可用于制备该聚合物， 比如，二烯丙基-二曱基氯化铵，丙烯酸N，N-二甲基氨基乙基酯的甲 基氯化物季按化物(N，N-dimethylaminoethyl acrylate methyl chloride quaternary),丙烯酰氧基乙基二甲节基氯化铵。本领域技术人员能列 出更多阳离子单体，在另一优选的实施方案中，可以通过将可用的聚 阳离子以官能团通过化学反应改性来制备聚阳离子。可利用的聚阳离 子包括天然聚阳离子或合成聚阳离子，如聚亚乙基胺 (polyethyleneamine) (PEI)。本领域技术人员能够列出一些聚阳离子， 它们能进一步改性以制备所需聚合物。本领域技术人员能够设计方案 来对这类聚阳离子采用如给体或受体的官能结构部分进行改性。
本发明实施方案涉及具有官能结构部分的聚阴离子的合成以供外 在地补偿的层叠层自组装多层膜的生产所用。在一个优选的实施方案 中，该聚合物能够通过阴离子单体(它赋予聚合物阴离子特征)和功 能单体(它赋予聚合物与对应中性聚合物形成氢键、化学键的能力) 的共聚来制备。各种阴离子单体可用于制备这样的聚合物，比如，丙 烯酸P-羧基乙基酯，l-烯丙氧基-2-羟基丙烷磺酸钠，烯丙基聚乙氧基 (IO)硫酸铵，丙烯酸钠，甲基丙烯酸钠。
本领域技术人员能列出更多的这样的单体。在另一优选的实施方 案中，聚阳离子可以通过将可利用的聚阴离子以官能团通过化学反应 改性来制备，可利用的聚阴离子包括天然聚阴离子或合成聚阴离子， 如聚丙烯酸。本领域技术人员能够列出一些聚阴离子，它们能进一步 改性以制备所需聚合物。本领域技术人员能够设计方案来将这类聚阴 离子通过采用如给体或受体的官能结构部分而改性。
本发明实施方案也涉及生产具有官能结构部分的中性聚合物以供 外在地补偿的层叠层自组装多层膜的生产所用。在一个优选的实施方 案中，中性聚合物能够通过非离子单体(它赋予聚合物非离子特征) 和功能单体(它赋予聚合物与对应聚阳离子或聚阴离子形成氢键、化 学键等等的能力)的共聚来制备。各种阴离子单体可用于制备这样的
聚合物，比如，(甲基)丙烯酸2-羟乙基酯，(甲基)丙烯酸二甲基氨基 乙基酯，丙烯酰胺，N-异丙基丙烯酰胺。本领域技术人员能列出更多 非离子单体。在另一优选的实施方案中，中性聚合物可以通过将可利 用的中性聚合物以官能团通过化学反应改性来制备，可利用的中性聚 合物包括某些天然或合成聚合物，如PVA、纤维素等等。本领域技术 人员能够列出 一 些中性聚合物，它们能进 一 步改性以制备所需聚合 物。本领域技术人员也能够设计方案来将这类中性聚合物通过采用如 给体或受体的官能结构部分而改性。
因为已经设计和合成了二种类型的聚合物，所以能够制备外在地 补偿的多层功能膜。本发明实施方案涉及通过层叠层自组装来生产外 在地补偿的多层膜。在一个优选的实施方案中，自组装的驱动力包含 氢键.例如，如果想要制备具有分别包含质子接受基团和质子给予基 团的聚阳离子和中性聚合物的膜，制备的过程能够是如下。可以以在 表面上具有质子给予基团的基体开始，然后具有质子接受基团的聚阳 离子通过氢键吸附于表面，它然后被漂洗以去除非氢键结合的聚合 物。尔后，具有质子给予基团的中性聚合物通过氢键吸附于聚阳离子 层并且再漂洗。重复该过程能生产具有交替聚阳离子/中性聚合物层的 多层膜。本领域技术人员能够了解其他规程也能够用于制备层叠层 自组装多层膜，其中氢键作为驱动力。在另一优选的实施方案中，自 组装的驱动力包括在二个聚合物之间形成化学键。例如，如果想要制 备分别包含给体(如-NH2)和受体(如，-CHO)的聚阳离子和中性聚合 物的膜，制备的过程能够是如下。例如，可以以在表面具有-CHO基 团的基体开始。然后具有-NH2基团的聚阳离子能够通过在二种官能团 之间的希夫(Schiff)碱键合的形成而吸附到表面，随后通过漂洗来 去除非化学鍵合的聚阳离子。尔后，具有-CHO基团的中性聚合物能 够通过化学键的形成来吸附到聚阳离子层上和再漂洗以去除非化学键 合的中性聚合物。重复该过程能生产具有交替聚阳离子/中性聚合物层
的多层膜。本领域技术人员能够了解其他规程也能够通过使用化学 键作为驱动力来用于制备层叠层自组装多层膜。
本发明的外在地补偿的多层膜的实施方案在传感器制备中能够是 非常有用的。该膜具有高离子筛选能力并且因此能够提高传感器的性 能。而且，本发明也描述方法来制备这样的功能感测膜。图3a是具
有固定于转换器表面的功能感测膜的传感器设备的一种可能的构型的 示意图；图3b是包括感测材料和外在地补偿的层叠层的多层结构的 功能感测膜的可能的构型示意图。
本发明的优选的实施方案是一种传感器，它具有上述膜来筛选或 者限制溶液中的某些不希望有的离子的流动到达感测层或转换器的表 面。传感器能够通过采用功能感测膜来改进转换器表面而制备。在一 个优选的实施方案中，转换器是ISFET设备。在另一优选的实施方案 中，转换器是ISE。在另一优选的实施方案中，转换器是光学纤维。 本领域技术人员了解其他转换器也可以为传感器的制备所使用。
本发明实施方案涉及传感器的生产，该传感器采用包含外在地补 偿的多层膜的功能感测膜来在本体溶液中如緩冲液中筛选不希望有的 离子。在本发明优选的实施方案中，功能感测膜包含功能材料，该功 能材料能够识别所感兴趣的被分析物并且产生能够由转换器探测的信 号。
各种各样的功能材料能够用于功能感测膜的制备。在一个优选的 实施方案中，功能材料能够是酶，它有选择性地连接并且分解所感兴 趣的被分析物并且产生能由某些转换器检测出的最后产物。比如，尿 素酶、肌酸肝酶、葡糖氧化酶能够用于制备尿素、肌酸酐和葡萄糖的 功能传感器。本领域技术人员了解更多被分析物能够被它的对应酶 识别和分解并且因此该酶能够使用作为传感的功能材料。众所周知的 是某种酶能够分解化合物，如尿素、肌酸酑和葡萄糖等等和产生最 后产物如C02, NHs等等。这样的最后产物能够容易地水解，结果造 成环境的pH变化和同时形成离子，如铵离子等等。该变化能够由转 换器，如ISFET， ISE等等容易地查出。在另一优选的实施方案中， 功能材料能够是酶与适当的离子栽体(也被命名作为"离子承栽体") 的组合。例如，尿素酶和铵离子载体，无活菌素，能够用于作为功能 材料来制备尿素传感器。这里尿素酶分解尿素形成(:<32和NH3，随后
被水解为铵离子。铵离子栽体，无活菌素，然后能够连接能够由转换 器检测出的铵离子。在另一优选的实施方案中，功能材料能够是酶和
pH敏感发色团的组合，如，2 '，7 '-双-(2-羧基乙基)-5-(和-6)-羧基荧光 素(BCECF酸)或2 '，7 '-双-(2-羧基乙基)-5-(和-6)-羧基荧光素，乙酰 氧基曱基酯(BCECF， AM)。例如，在上述情况，使用pH敏感发色 团代替铵离子栽体能够用于制备尿素感测膜。在上面所描述的所有感 测的过程中，各种离子通过某些类型的转换器来生产和探测。所以必 要的是在本体溶液中筛选潜在的干涉离子穿过感测膜到达转换器表 面。
本发明实施方案涉及传感器，该传感器采用包含外在地补偿的多 层膜的功能感测膜来在本体溶液如緩冲液中筛选不希望有的离子。其 传感器因此能够有好得多的性能(更高的敏感性、选择性、更宽的动态 范围和更短的响应时间)，这是指与以其他技术制备的那些相比较而& 。
有二种构型供功能感测膜所用。在第一优选的实施方案中，功能 感测膜通过一种二步方法来制备。具体而言，感测层首先置于转换器 表面并且随后多层离子筛选或限流膜通过层叠层自组装方法置于感测
层上。在一个优选的实施方案中，感测层包含诸如酶之类的功能材料， 该材料埋置在如聚合物的母体中。在另一优选的实施方案中，感测层 包含酶和离子栽体的组合。在另一优选的实施方案中，感测层包含酶 和pH敏感发色团。在感测多层膜构型的第二实施方案中，感测功能 膜通过直接引入感测材料而制备，如将酶引入层叠层自组装多层膜 中》
本发明的实施方案涉及在转换器表面上通过二步法生产功能感测 膜。首先，感测层通过功能材料(如酶)和聚合物(如PVA)的混合物的 沉积来涂覆到转换器表面。在一个优选的实施方案中，然后此感测层 通过酶和聚合物的交联而稳定化。第二，离子筛选外在地补偿的多层 通过使用上面所描述的层叠层自组装方法来装配到感测层。
本发明的实施方案也涉及在转换器表面上通过一步法来生产功能 感测膜。在一个优选的实施方案中，功能材料被封闭入多层膜。本领 域技术人员很好地了解如何制备这样的功能感测膜。
外在地补偿多层膜能有和100%—样高的，优选地大于50%，更
优选大于75%和最优选大子95%的离子筛选值。此离子筛选因子取 决于各种膜因素，如层的数量和膜的可溶胀性。我们模型的结杲表明 离子筛选能力随层的数量增加而增加，但随膜的可溶胀性增加而减 少。本领域技术人员将了解如何控制膜的可溶胀性。
将外在地补偿的聚合物多层膜应用在转换器表面制备功能感测膜 是一种离子筛选的创新方法。它在传感器开发例如生理传感器、医疗 传感器和化学传感器等等开发中有巨大的潜力。这为采用功能膜作为 感测组件的生物/化学传感器制备技术带来技术创新。
使用外在地补偿的聚合物多层膜筛选离子的理念也可以在其他领 域有潜在的应用。例如，这样膜可以在脱盐，制药工业等等中有潜在 的应用。这意味本发明也能够有其它和不同的实施方案，并且它的 细节能够以各种明显的方式进行改进，全部没有脱离本发明的范围。
权利要求
1.一种外在地补偿的多层膜，它至少包括含有带电的聚合物的第一层和含有中性聚合物的第二层，其中第一层具有外在补偿的特征，其中带电聚合物上的电荷通过流动抗衡离子来平衡。
2. 权利要求1的外在地补偿的多层膜，其中第一层的流动抗衡 离子是阴离子和在膜中流动抗衡离子由带电聚合物上的阳离子来平 衡。
3. 权利要求1的外在地补偿的多层膜，其中第一层的流动抗衡 离子是阳离子和在膜中流动抗衡离子由带电聚合物上的阴离子来平 衡。
4. 权利要求1的外在地补偿的多层膜，其中第二层包括中性聚 合物来将外在地补偿的多层粘接在一起和形成交替的层叠层结构。
5. 权利要求1的外在地补偿的多层膜，其中带电的聚合物和中 性聚合物包括能够形成氢键和/或化学键来将第一和第二层粘接在一起 的官能团给体和受体。
6. 权利要求5的外在地补偿的多层膜，其中第一层包括具有官 能团给体或受体的带负电聚合物。
7. 权利要求5的外在地补偿的多层膜，其中第一层包括具有官 能团给体或受体的带正电聚合物。
8. 权利要求6的外在地补偿的多层膜，其中带负电聚合物通过 阴离子单体与包括官能团给体或受体的功能单体的共聚来合成。
9. 权利要求6的外在地补偿的多层膜，带负电聚合物通过采用 官能团给体或受体对可利用的聚阴离子的改性来合成。
10. 权利要求7的外在地补偿的多层膜，其中带正电聚合物通过 阳离子单体与具有官能团给体或受体的功能单体的共聚来合成。
11. 权利要求7的外在地补偿的多层膜，带正电聚合物通过采用 官能团给体或受体对可利用的聚阳离子的改性来合成。
12. 权利要求5的外在地补偿的多层膜，其中中性聚合物通过中 性单体与具有官能团给体或受体的功能单体的共聚来合成。
13. 权利要求5的外在地补偿的多层膜，其中中性聚合物通过采 用官能团给体或受体对可利用的中性聚合物的改性来合成。
14. 通过层叠层自组装制备权利要求1的外在地补偿的多层膜的 方法，其中自组装驱动力包括在带电的聚合物层和中性聚合物层之间 的氢键和/或化学键。
15. 权利要求14的方法，其中自组装驱动力包括在带电的聚合物 层和中性聚合物层之间的氢键并且制备方法包括获得在表面具有质 子给予基团的基体，将具有质子接受基团的带电聚合物通过氢键吸附 于该表面，然后将具有质子给予基团的中性聚合物通过氬键吸附于带 电聚合物层和重复该过程来制备层叠层自组装多层膜。
16. 权利要求14的方法，其中自组装驱动力包括在带电的聚合物 层和中性聚合物层之间的化学键并且制备方法包括获得在表面具有 第一官能团的基体，将具有第二官能团的带电聚合物通过在两种类型 官能团之间的化学键吸附于该表面，然后将包含第一种类型的官能团 的中性聚合物通过化学键吸附于带电聚合物层和重复该过程来制备层 叠层自组装多层膜。
17. 将功能感测膜固定到转换器表面的传感器设备，其中感测膜 包括感测材料和外在地补偿的多层膜。
18. 权利要求17的传感器设备，包括转换器，该转换器选自离子 选择性场效应晶体管(ISFET)，离子选择性电极(ISE)，光学纤维、悬 臂、表面声波(SAW)，体音波(BAW)和石英晶体微量天平(QCM)。
19. 固定在转换器表面上的功能感测膜，其中功能感测膜包括感 测材料和外在地补偿的多层膜，其中感测材料适合识别被分析物和产 生由转换器探测的信号。
20. 权利要求19的功能感测的膜，其中外在地补偿的多层膜适合 在溶液中筛选不希望有的离子。
21. 权利要求19的功能感测膜，其中功能感测膜置于和连接到转 换器的表面。
22. 制备权利要求19的功能感测膜的方法，包括一步法装配功能 感测膜到转换器表面上，其中功能材料通过在生产外在地补偿的层叠 层多层膜的期间的自组装包封于多层膜。
23. 制造权利要求19的传感器设备的方法，包括二步法装配功能感测膜到转换器的表面，其中感测层通过功能材料和聚合物的混合物 的沉积来涂覆于转换器的表面上，以及外在地补偿的多层膜通过使用 层叠层自组装方法装配于感测材料的层上。
全文摘要
本发明的实施方案涉及外在地补偿的多层膜，它至少包括含有带电的聚合物的第一层和含有中性聚合物的第二层，其中第一层具有外在补偿特征和聚合物上的电荷通过流动抗衡离子来平衡。本发明的实施方案涉及i)用于离子筛选的外在地补偿的膜；ii)二种类型的聚合物用于制备外在地补偿的膜；iii)自组装的驱动力和在二个聚合物之间建立该驱动力的方法，它包括二种类型的聚合物通过官能结构部分(给体和受体)而官能化；iv)二种类型的聚合物的一种或多种合成方法；v)具有二种类型的聚合物的外在地补偿膜的生产；以及vi)功能感测膜和它的传感器的制备。
文档编号B01D69/12GK101164675SQ20061013568
公开日2008年4月23日 申请日期2006年10月20日 优先权日2006年10月20日
发明者J·周, Q·李 申请人:霍尼韦尔国际公司