专利名称：聚离子的可逆电化学传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及聚离子传感器。本发明进一步涉及用于检测聚离子(比如，鱼精蛋白和肝素)的膜，和通过在电化学电池中引入该膜的这种检测方法。具体地，本发明涉及通过使聚离子强制运动穿过该膜来检测聚离子的方法，其中聚离子的运动是可逆的，以便允许膜的再使用。
背景技术：
在过去十年中，随着采用增塑聚合物膜用于聚离子高分子检测的电势测定传感器的开发，在离子选择性电极领域中出现了新的方向。这一领域中的早期工作建议了含有亲脂性阴离子交换剂的聚合物膜电极，其能够检测聚阴离子肝素。参见Ma，S.C.，Yang，V.C.和Meyerhoff，M.E.，“Anal.Chem.”(1992，64，694)。肝素选择性聚合物膜电极进一步描述在US专利No.5,236,570和US专利No.5,453,171中。
肝素是具有-70的平均电荷和15,000道尔顿的平均分子量的高度硫酸化的多糖。下面提供了肝素化合物的一个单元的分子式。
肝素在重大的外科手术和体外操作，如心脏直视手术、分流手术和透析中用作抗凝血剂。然而在医学操作中使用过量肝素是有害的，需要对肝素给药的精确监测。在血液中肝素浓度的实时监控对于在手术过程中防止出血过多的风险和减少手术后并发症是特别有用的。活化凝血时间测量(ACT)是估测在全血中肝素浓度的普通方法。虽然这一方法已广泛使用，但是它是非特异性的和间接的，和结果受到许多变量的影响。与ACT相比，肝素选择性电极能够直接在全血或血浆样品中检测肝素浓度。
类似地，也已经建议了用于感测聚阳离子鱼精蛋白的电极。参见Yun，J.H.，Meyerhoff，M.E.和Yang，V.C.，“Anal Biochem.”(1995，224，212)。多肽鱼精蛋白一般用于中和肝素的活性(即，促进凝聚)。下面举例说明的鱼精蛋白是具有+20的平均电荷的聚阳离子并且富含精氨酸残基。
鱼精蛋白的碱性胍鎓基与肝素的磺酸根进行静电络合，使得肝素的抗凝血活性无效。然而鱼精蛋白的过量使用也是有害的。例如，鱼精蛋白的使用常常导致不利的血液动力学和血液学副作用，如高血压、减低的氧消耗、血小板减少症兼有肺部血小板挤伤扣留、和白血球减少症。因此需要能够精确地检测和测量在生物流体如血液中的鱼精蛋白浓度。
鱼精蛋白的可靠检测可以实现该试剂的小心给药，因此避免了以上指出的相关问题。此外，由于能够用离子选择性电极检测鱼精蛋白，也有可能通过用鱼精蛋白滴定样品来测定样品中的肝素浓度。这可能归因于如上所述的特定的肝素-鱼精蛋白相互作用。此类作用也由Ramamurthy等人在“Clin.Chem.”(1998，606)中进行了描述。
现有技术中已知的肝素特定膜电极所观察到的响应不能按照传统的平衡近似法来解释。由于这些离子的高电荷，能斯特(Nernst)方程式应该对于肝素和鱼精蛋白分别得到低于1mV/decade和2mV/decade的电极函数的斜率。随后描述了解释这一不平常机理的准稳态模型。参见Fu，B.等人，“Anal Chem.”(1994，66，2250)。电势测定聚离子传感器的响应在性质上是动力学原理。在水溶液和膜相中均出现了聚离子的强劲流通，归因于聚离子自发提取到聚合物膜中和伴随而来的其与来自膜中的亲水性离子的交换，这会导致在聚离子存在下的电位变化。
因为当使用现有技术的肝素特定膜电极时，聚离子的提取是不可逆过程，所以通常观察到强烈的电位漂移。在与聚离子溶液接触相对短的时间之后，传感器开始损失它的响应。提取的聚离子必须通过传感器的重新调节(如在浓氯化钠溶液中)来从膜相中除去。现有技术中已经建议了多种方法来克服由于膜表面上的聚离子浓度所引起的响应损失。已经有人建议pH交叉敏感的电势测定肝素传感器，其中传感器含有离子交换剂和电荷H+离子载体。根据这一方法，肝素溶出能够通过调节样品pH来实现。克服损失的传感器响应的另一种方法是使用一次性传感器。
因此，尽管有选择性提取原理的存在，但是迄今不可能设计出可逆的聚离子传感器。因此。尽管聚离子传感器在关键性的护理应用中是非常有用的，但是它们的使用受到传感器响应快速损失的限制。单次使用的传感器会导致增加成本，和由单独方法取出传感器并重新调节该传感器的必要性是相当费时并且不利地限制了传感器的有用性。因此，拥有完全可逆的检测聚离子的传感器是有用的，其中这一可逆性可以迅速地、重复地、和在无需取出传感器到单独溶液中的情况下进行。
发明概述本发明提供了用于聚离子的可逆电化学传感器。该传感器采用电势测定响应机理来测定聚离子分析物的浓度，但是提取和离子溶出的过程能够在电化学上加以控制。自发的聚离子提取可通过使用含有不具有离子交换性能的高度亲脂性电解质的膜来抑制。如果在本发明的膜电极两侧施加固定时间的恒定电流脉冲，则会诱导聚离子的可逆提取。随后，通过施加恒定的溶出电位来除去聚离子。溶出聚离子(有效地再生传感器)的这一能力解决了以前建议的聚离子传感器所面临的问题，所述问题是倾向于漂移和在进行另一次测量之前需要与浓的盐溶液长时间接触以便从感测膜中溶出聚离子。
包括亲脂性电解质的膜能够与电化学电池一起使用，以便连续测量样品溶液中的聚离子浓度但无需取出电极进行重新调节或更换该电极。因此，聚离子如肝素的滴定是可能的。例如，通过使用鱼精蛋白滴定法来测定全血样品中的肝素浓度是可能的。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于电化学电池的聚离子选择性膜，其中该膜包括具有亲脂性阳离子组分和亲脂性阴离子组分的亲脂性电解质。优先地，亲脂性阳离子组分和亲脂性阴离子组分中的一种对于特定的聚离子有选择性。根据本发明所特别希望检测的聚离子是肝素和鱼精蛋白。可用本发明的膜检测的其它聚离子包括脱氧核糖核酸(DNA)、核醣核酸(RNA)、腐殖酸、角叉藻聚糖和其它聚离子高分子。
如上所述，该亲脂性电解质的亲脂性阳离子组分和亲脂性阴离子组分中的一种对于特殊的聚离子有选择性。因此，在本发明的一个实施方案中，该亲脂性电解质包括对鱼精蛋白有选择性的亲脂性阴离子组分。优先地，在这一实施方案中，该亲脂性电解质是四(十二烷基)铵1，3-二壬基萘-4-磺酸盐(TDDA-DNNS)。类似地，在另一个实施方案中，该亲脂性电解质包括对肝素有选择性的亲脂性阳离子组分。优先地，在这一实施方案中，该亲脂性电解质是十二烷基胍鎓四(对-氯苯基)硼酸盐(DDG-TClPB)。
在本发明的另一个实施方案中，提供了一种聚离子选择性膜，其包括聚合物成膜材料、增塑剂和具有亲脂性阳离子组分和亲脂性阴离子组分的亲脂性电解质，其中该亲脂性阳离子组分和亲脂性阴离子组分中的一种对于特定的聚离子有选择性。优先地，该聚合物成膜材料是聚氯乙烯和该增塑剂是2-硝基苯基辛基醚。
在根据本发明的仍然另一个实施方案中，提供了一种用于电化学电池的聚离子选择性膜，其中该膜包括有混合物分散在其中的微孔疏水性基质，该混合物包括增塑剂和具有亲脂性阳离子组分与亲脂性阴离子组分的亲脂性电解质。优先地，该亲脂性阳离子组分和亲脂性阴离子组分中的一种对于特定的聚离子有选择性。
在本发明的另一个方面中，提供了一种用于电化学电池的聚离子选择性膜电极。在一个实施方案中，该聚离子选择性膜电极包括外壳、包含在外壳内的参比溶液、和以可操作方式放置在外壳内的电极，使得电极与参比溶液接触。此外，根据这一实施方案，在外壳的一端设置聚离子选择性膜。膜与外壳内的参比溶液接触，并以可操作方式放置膜以便让其接触到在外壳之外的样品溶液。该膜包括具有亲脂性阳离子组分和亲脂性阴离子组分的亲脂性电解质，其中亲脂性阴离子组分和亲脂性阳离子组分中的至少一种对于特定的聚离子有选择性。
在本发明的另一个方面中，提供了一种测量样品溶液中的聚离子物质浓度的方法。根据本发明的这一方面的方法能够在电化学方面可控地、可逆地输运该聚离子物质穿过膜。因此，该方法可用于样品(如生物样品)溶液中的聚离子物质浓度的连续测定。
根据本发明的一个实施方案，提供了一种在其中包含聚离子物质的样品溶液。优先地，该样品溶液进一步包括本底电解质。该溶液与电连接的参比电极和膜电极进行接触。膜电极的膜是由具有亲脂性阳离子组分和亲脂性阴离子组分的亲脂性电解质组成的，该亲脂性阴离子组分和亲脂性阳离子组分中的至少一种对于聚离子物质有选择性。当样品溶液与电极接触时，对包括膜电极和样品溶液的电路施加外电流脉冲，所施加的电流驱使聚离子物质从样品溶液输运到膜中。优选，该外电流脉冲具有固定的持续时间。膜电极和参比电极之间的电势测定响应的测量能够在该电流脉冲过程中进行。聚离子物质的浓度然后能够作为电势测定响应的函数来计算。
在本发明这一方面的另一个实施方案中，该方法进一步包括将外电极电势施加于膜电极和参比电极上，从而驱使聚离子物质从膜中输运出来。在这一实施方案中，该方法允许有可逆的传感器，其中聚离子是反提取的，该膜因此重新调节以供进一步使用。
在根据这一方面的本发明的仍然另一个实施方案中，提供了一种测量样品溶液中的聚离子物质浓度的方法。该方法包括以下步骤a)提供一种包括聚离子物质和本底电解质的样品溶液；b)提供一种电化学电池装置，其包括i)包括膜的聚离子选择性膜电极，该膜包括具有亲脂性阳离子组分和亲脂性阴离子组分的亲脂性电解质，其中该亲脂性阴离子组分和亲脂性阳离子组分中的至少一种对于特定的聚离子有选择性，ii)电连接到膜电极上的参比电极，iii)电连接到膜电极上的反电极，iv)以可操作方式连接到电极上的电化学仪器，和v)与该电化学仪器连通的控制器设备；c)让样品溶液与电化学电池装置的电极接触；d)对包括膜电极、反电极和样品溶液的电路施加固定持续时间的外电流脉冲；e)测量在该电流脉冲过程中的电势测定响应；f)计算作为该电势测定响应的函数的聚离子物质浓度；和g)对膜电极和参比电极施加外电极电势，从而驱使聚离子物质从膜中输运出来。在一个优选的实施方案中，重复步骤d)至g)，获得了聚离子物质浓度的一个或多个额外测量值。
根据本发明的另一个方面，提供了一种电化学电池装置。该装置可用于测量样品溶液中的聚离子浓度。根据一个实施方案的装置包括包括膜的聚离子选择性膜电极，该膜包括具有亲脂性阳离子组分和亲脂性阴离子组分的亲脂性电解质，其中该亲脂性阴离子组分和亲脂性阳离子组分中的至少一种对于特定的聚离子有选择性；电连接到膜电极上的参比电极；和以可操作方式连接到膜电极和参比电极上的电化学仪器。
在根据本发明这一方面的另一个实施方案中，该电化学电池装置进一步包括电连接到膜电极上的反电极。
在根据本发明这一方面的又一个实施方案中，该电化学电池装置进一步包括与电化学仪器连通的控制器设备。在一个优选的实施方案中，该控制器设备是计算机管理的控制器。这种控制器使得该电化学电池装置部分或全部自动化。
附图简述
图1是包括根据本发明一个优选实施方案的聚离子选择性膜电极的电化学电池装置的示意图；图2是显示了(A)根据本发明的聚离子选择性膜电极和(B)现有技术的离子选择性电极在0.1M NaCl和含有10mg/L鱼精蛋白的0.1MNaCl之间交替使用时的电极再现性的图表；图3是显示了通过使用采用根据本发明聚离子选择性膜电极的测量方法，用于0.1M NaCl的溶液和0.1M NaCl与10mg/L鱼精蛋白的溶液的脉冲恒电流测量的电流/时间轨迹和电位/时间轨迹的图表；图4是显示了通过使用采用根据本发明聚离子选择性膜电极的测量方法，用于0.1M NaCl的溶液和0.1M NaCl与50mg/L鱼精蛋白的溶液的脉冲恒电流测量的电流/时间轨迹和电位/时间轨迹的图表；图5是显示了通过使用脉冲恒电流测量以及使用(A)根据本发明的聚离子选择性膜电极和(B)现有技术的离子选择性电极所获得的在0.1M NaCl中鱼精蛋白的校正曲线的图表；图6是显示了当在0.1M NaCl的空白溶液中施加-2μA的阴极电流和在10mg/L的鱼精蛋白存在时，搅拌对于根据本发明的聚离子选择性膜电极的响应之影响的图表；图7是显示了没有鱼精蛋白(下曲线)和添加了25mg/L的鱼精蛋白(上曲线)时，在-2μA的阴极电流下，样品pH对于根据本发明的聚离子选择性膜电极的响应之影响的图表；
图8是显示了在NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2的纯溶液中和含0.1MNaCl本底电解质的鱼精蛋白溶液中，根据本发明聚离子选择性膜电极的校正曲线的图表；图9提供两个图表，分别显示了(A)在不同浓度的支持电解质(0.01M NaCl、0.03M NaCl和0.1M NaCl)存在下鱼精蛋白的校正曲线和(B)在有或没有0.01M KCl的情况下，KCl浓度对于0.1M NaCl中的鱼精蛋白校正曲线的影响；图10是显示了使用根据本发明的聚离子选择性膜电极，对于全血中鱼精蛋白滴定，电位的振幅-时间行为的图表；和图11是一个图表，它显示了(A)使用根据本发明的聚离子选择性膜电极，分别含有0mM、0.25mM、0.5mM、1mM和2mM的肝素浓度的全血样品利用1g/L的鱼精蛋白溶液的滴定，和(B)使用根据本发明的聚离子选择性膜电极，对于全血中肝素-鱼精蛋白滴定的相应校正曲线。
发明详述本发明现将在下文中更充分地进行描述。然而，本发明可以许多不同的形式表现并且不应当认为限制于这里阐明的实施方案；相反地，提供这些实施方案以使得本公开内容满足可适用的法规要求。在说明书和权利要求书中所使用的单数形式“a”、“an”和“the”包括复数的所指示物，除非在上下文中清楚地另外指明。
本发明提供了一种可逆的聚离子传感器，其在测量过程中将质量传递限制的聚离子提取过程与用于在连续仪器控制下重新调节的后续反提取相结合。本发明使用包括亲脂性电解质的聚离子选择性膜。穿过膜的离子流通的仪器控制使得可以反复地将离子提取到膜中和从膜中溶出离子，得到高度可再现的传感器响应。此外，迅速地恢复传感器膜的能力，和在测试程序中，可以连续地发挥功能，以提供现实世界(real-world)的溶液中的聚离子浓度值。
以前在现有技术中已知的电势测定用聚离子选择性传感器是被动式传感器。这种传感器具有含有亲脂性阳离子交换剂分子(一般表示为通式R-Na+)和电解质水溶液的膜。在样品与这种传感器中的膜之间的相界电位可以根据方程式(1)确定EPB=E0+RTFlnαNa[Na+]pb---(1)]]>其中αNa是水溶液中钠离子的活度，[Na+]是在膜相的相边界上钠离子的所谓自由浓度和E0引入了将钠从水中转移到膜相中的自由能。术语R和T分别是气体常数和绝对温度。在样品中不存在鱼精蛋白(或其它聚阳离子)的情况下，通过忽视离子配对，膜相中的钠离子浓度是通过亲脂性阳离子交换剂的总浓度确定的，即，RT，其可以根据方程式(2)来计算。pb＝RT(2)因此，该膜的行为类似于基于离子交换剂的钠电极并可预期能斯特响应斜率。
如果鱼精蛋白存在于水溶液中，则将同时存在鱼精蛋白阳离子向表面上和膜相中的强流通，形成两个积滞的扩散层。因为在水相的该积滞层中的扩散是速率限制的步骤，在界面上可以观察到准稳态的扩散。鱼精蛋白阳离子从膜相边界置换出钠阳离子。这一离子交换过程降低了膜相中的钠离子浓度并提高了所观测的电位，如在方程式(1)中所计算的。在观测到的电位上的这一提高可以解释为是由于体系中的阳离子总浓度必须满足根据方程式(3)所述的电中性条件。pb＝RT-z[PAZ+]pb(3)其中[PAz+]pb是膜相边界中具有电荷z的鱼精蛋白的浓度。该浓度可以在假稳态流通考虑的基础上，表达为根据方程式(4)计算的鱼精蛋白体相浓度的函数[PAz+]pb=Daq,PAδmDm,PAδaqcPA,bulk---(4)]]>
其中Dorg、Daq、δorg和δaq，分别地是膜相中、水溶液中和所得扩散层厚度中的鱼精蛋白的扩散系数。方程式(4)可以现在代入到方程式(3)和方程式(1)中，获得低浓度下的鱼精蛋白响应。下面提供所得方程式(5)。
EPB=E0+RTFlnαNaRT-zDaq,PAδmDm,PAδaqcPA,bulk---(5)]]>如在上述计算中可确定的，如果αNa是固定的，膜的相界电位显示出对于鱼精蛋白的直接响应。因此，在高的鱼精蛋白浓度下，钠离子定量地从膜中被置换并且预期得到对于鱼精蛋白的近-能斯特响应斜率。这种定量置换对于稀的鱼精蛋白溶液也会发生，但需要延长的暴露时间(大约24小时)。所得的响应斜率太小，以致在分析上没有用。
这种自发离子提取传感器会因前述问题而受到损害，诸如在长时间使用之后的信号漂移和大多数传感器限于单次使用的问题。因此，直到本发明，才出现了一种用于重新调节传感器以便连续使用的简易、可靠的方法。
与如上所述依赖于离子提取过程中的自发离子交换的被动式电势测定传感器相反，本发明通过施加恒定的电流脉冲以电化学方式诱导离子提取。为了防止自发的提取，膜含有高度亲脂性的电解质，其一般根据通式R+R-来定义并且不具有固有的离子交换性能。因此，在膜本体(bulk)中鱼精蛋白或钠阳离子的起始浓度被假设为零。所施加的阴极电流i在膜相方向上诱导了阳离子J的净通量。为了简化所得到的方程式，假定仅仅钠和鱼精蛋白离子能够被提取到膜相中。因此，在电流I与钠通量JNa和鱼精蛋白通量JPA之间的关系能够根据方程式(6)计算。
i＝FAJNa+zFAJPA(6)其中A是暴露的膜面积。为简单起见假设线性浓度梯度和回想起来在膜本体中的钠浓度是零，钠通量可以与横跨有机相边界的浓度梯度相关，如在方程式(7)中所示的。
JNa=-Dm,Naδm[Na+]pb---(7)]]>如果不存在鱼精蛋白，方程式(6)和方程式(7)可以代入到方程式(1)中得到如下所示的方程式(8)。
EPB=E0+RTFlnFADm,NaiδmαNa---(8)]]>固定持续时间和幅度的阴极电流脉冲，随后恒电势的溶出脉冲以保持膜本体没有钠离子，将得到近-能斯特电极斜率。如果鱼精蛋白存在于样品溶液中，则鱼精蛋白将有效地与钠离子在提取过程中竞争。方程式(6)可以类似于方程式(7)进行重写，如以下方程式(9)所示。
i=-FADm,Naδm[Na+]pb-zFADmPAδm[PAz+]pb---(9)]]>现在假设由施加的电流强加的通量总是大于由单独的聚阳离子扩散所维持的通量，方程式(4)仍然有效并可代入到方程式(9)中。因此，钠通量JNa减少了，根据方程式(1)其提高了电位。将方程式(4)代入到方程式(9)中，求解出[Na+]pb，并代入方程式(1)中，因此得到了在低聚离子浓度下的预计的鱼精蛋白响应，其提供在以下方程式(10)中。
EPB=E0+RTFlnαNaδmDm,Na(-iFA-zDaq,PAδaqcPA,bulk)---(10)]]>在方程式(10)与在方程式(5)中对于现有技术已知的电势测定传感器所示的鱼精蛋白响应之间存在差异。重要地，膜相中的扩散层厚度现在以恒电流方式控制，而且在脉冲之间的恒电势的膜的更新确保了从一个脉冲到另一个脉冲的可重现的δm值。虽然本发明所提供的实施方案使用主要被选择的电流来达到最大的电位范围，但是本发明不受此限制。因此，所施加的电流脉冲的幅度可用于调节聚离子响应的测量范围。因为是所施加的电流，而不是离子交换剂，决定着钠离子提取到以脉冲的计时电位方式控制的膜中，膜相中的扩散系数不影响鱼精蛋白的响应范围。这与受方程式(5)支配的现有技术的电势测定传感器形成对照，其中已知在钠-鱼精蛋白的竞争性提取和膜扩散系数之间存在直接的依赖性。
借助于合适的以上背景理论，现在能够容易地看出本发明提供的优点。具体地，本发明提供了一种用于电化学电池的聚离子选择性膜。此外，该聚离子选择性膜可以是电化学电池电极的组成部分。该聚离子选择性膜和膜电极可以在用于测量样品溶液中的聚离子物质浓度的可逆方法中使用。
本发明的聚离子选择性膜的特征在于包括具有亲脂性阳离子组分和亲脂性阴离子组分的亲脂性电解质，其中该亲脂性阴离子组分和亲脂性阳离子组分中的至少一种对于特定的聚离子有选择性。术语“亲脂性”一般理解为用于描述对脂肪有亲合性并具有高的脂质溶解度的物质。亲脂性是描述具体物质在水和不混溶的有机物之间的分配平衡的物理化学性质。当水相也存在时，亲脂性能够进一步被描述为某种物质溶于脂质相中的能力。这种关系(即，分配系数)可以定义为物质在两相中的浓度的平衡常数。比较的标准一般是1-辛醇/水的分配系数。分配系数能够根据下面给出的方程式(11)来计算。
根据方程式(11)，显示出高亲脂性的分子预期在脂质中比在水中优先显示溶解性。
测定亲脂性的一个功能试验是将所要测试的化合物放置在容纳了50％水和50％脂质(如1-辛醇)的混合物的容器中。所关心的化合物放置在容器中，施加混合力以迫使化合物分布在两相中。容器然后静置，使得化合物在两相之间达到浓度平衡。然后测量化合物在各相中的浓度，和所述浓度可用于方程式(11)中以确定亲脂性。
计算机软件也可以用来确定物质的亲脂性。确定亲脂性的计算机程序的一个实例是在http//146.107.217.178/lab/alogps上在线可获得的ALOGPS程序。有关亲脂性的原理也由Bakker，E.和Pretsch，E.进行了讨论，“Lipophilicity of tetraphenylborate derivativesas anionic sites in neutral carrier-based solvent polymericmembranes and the lifetime of corresponding ion-selectiveelectrochemical and optical sensors”(“Analytica ChimicaActa”，1995，309，7-17)，其以全部内容引入本文供参考。
一般，具有大于100,000的计算的P值的化合物被认为是高度亲脂性的，因此根据本发明是有用的。然而，使用具有甚至更高P值的化合物一般可预计得到具有延长寿命的传感器。因此，优选的是根据本发明使用的亲脂性化合物具有大于100,000，更优选大于1,000,000，和最优选大于10,000,000的P值。
现有技术已知的聚离子选择性膜包括亲脂性电解质和亲水性反阳离子(即，R-Na+)。根据本发明，亲水性反离子被亲脂性的反离子替代。因此，本发明的聚离子选择性膜包括具有亲脂性阳离子组分和亲脂性阴离子组分(即，R-R+)的亲脂性电解质。通过使用两种亲脂性电解质，亲脂性反离子不再自发地与样品中所要测量的聚离子物质交换。优选，该亲脂性阴离子组分和亲脂性阳离子组分中的一种对于特定的聚离子有选择性，促进了该聚离子的感测。希望感测的特定聚离子的非限制性例子包括鱼精蛋白、肝素、腐殖酸、角叉藻聚糖、脱氧核醣核酸、核醣核酸和其它聚离子高分子。
在本发明的一个实施方案中，亲脂性电解质的亲脂性阴离子组分对于鱼精蛋白有选择性。该亲脂性阴离子组分的鱼精蛋白选择性取决于该阴离子的官能团。鱼精蛋白含有碱性胍鎓基(即，精氨酸残基)。因此，为了对鱼精蛋白有选择性，亲脂性阴离子必须包括能够与鱼精蛋白的胍鎓基形成离子对的官能团。在一个优选的实施方案中，具有羧基(COOH)、磺基(SO3H)、或硫酸基(OSO3H)的亲脂性阴离子用于鱼精蛋白的选择性。在一个特别优选的实施方案中，亲脂性电解质的亲脂性阴离子组分选自1，3-二壬基萘-4-磺酸根、2，6-二壬基萘-4-磺酸根、十二烷基苯磺酸根和3，9-二乙基-6-十三烷基硫酸根。下面显示这些化合物的化学式。
1，3-二壬基萘-4-磺酸根 2，6-二壬基萘-4-磺酸根 十二烷基苯磺酸根 3，9-二乙基-6-十三烷基硫酸根如上所述，当已知的膜电解质材料的亲水性反离子被第二种亲脂性电解质替代时，可以防止离子从样品中自发提取到聚离子选择性膜中。一般，亲水性反离子是钠，因为钠是样品溶液中存在的最大量的反离子。钠离子可以通过化学合成被亲脂性反离子替代。当聚离子选择性的阴离子对于鱼精蛋白有选择性时，可以预计具有约4到约16的烷基侧臂链长度的任何亲脂性季铵阳离子将是合适的反离子。
在一个优选的实施方案中，与鱼精蛋白选择性的亲脂性阴离子配对的亲水性反离子是选自四(十二烷基)铵、三(十二烷基)甲基铵和十二烷基三甲基铵的阳离子。下面显示这些阳离子的化学式。
四(十二烷基)铵 三(十二烷基)甲基铵 十二烷基三甲基铵根据亲脂性离子的以上叙述，有可能选择对于鱼精蛋白有选择性的亲脂性阴离子和亲脂性反阳离子的结合物来抑制与样品溶液的自发离子交换。因此，根据本发明可使用的鱼精蛋白-选择性的亲脂性电解质能够选自以上提供的鱼精蛋白选择性阴离子和反阳离子的可能结合物中的任何一种。根据一个优选实施方案，用于选择性地从溶液中提取鱼精蛋白的亲脂性电解质是四(十二烷基)铵1，3-二壬基萘-4-磺酸盐(TDDA-DNNS)。
在根据本发明的另一个实施方案中，亲脂性电解质包括对肝素有选择性的亲脂性阳离子组分。阳离子组分的肝素选择性取决于该化合物的官能团。肝素含有磺基和羧基。因此，为了对肝素有选择性，合适的阳离子必须含有一个或多个能够与肝素的磺基和羧基形成离子对的基团。特别地可用于提供肝素选择性的是胍鎓基。此外，从样品提取到有机感测相(如根据本发明的膜)中的肝素通过经由相邻阳离子的长脂族侧链或芳族环的堆叠作用而被稳定。因此，具有高亲脂性的阳离子能够通过将一个或多个胍鎓基连接到具有约4-约18个碳原子的链长度和/或合适的芳族官能度的脂族链上来制备。在一个优选的实施方案中，亲脂性电解质的亲脂性阳离子组分选自十二烷基胍鎓和N，N’-1，10-癸烷二基双(胍鎓)。下面显示这些阳离子的化学式。
十二烷基胍鎓 N，N′-1，10-癸烷二基双(胍鎓)再次，当亲水性反离子被第二种亲脂性电解质替代时，可以防止离子从样品中自发提取。一般，在试验溶液中最大量的阴离子，氯离子，经化学合成被亲脂性阴离子置换。根据这一实施方案可用作反离子的一组阴离子是四苯基硼酸根的衍生物，如下面提供的三种硼酸根。
四苯基硼酸根(TPB) 四(对-氯苯基)硼酸根(ClPB) 四(3，5-双(三氟甲基)苯基)硼酸根(TFPB)
另一组合适的阴离子是亲脂性的(全卤化或烷基化的)十二碳硼烷。十二碳硼烷是基于二十面体的碳硼烷阴离子，其处于完全未取代的形式时具有化学式CB11H12-。卤化的十二碳硼烷，如1-H-CB11Cl11、1-H-CB11Br11和1-H-CB11I11，根据本发明是尤其有用的和更充分地由Peper，S.等人，描述于“Ion-pairing Ability，Chemical Stability，and Selectivity Behavior of Halogenated Dodecacarborane CationExchangers in Neutral Carrier-Based Ion-Selective Electrodes”(“Analytical Chemistry”，(2003)75(9)，2131-2139)，其以全部内容引入本文供参考。
根据本发明也有用的是烷基化的十二碳硼烷，其中如上所述的卤素基团被各种烷基替代。在一个优选的实施方案中，与肝素选择性的亲脂性阳离子配对的亲水性反离子是四(对-氯苯基)硼酸根阴离子。
根据亲脂性离子的以上叙述，有可能选择对于肝素有选择性的亲脂性阳离子和亲脂性反阴离子的结合物来抑制与样品溶液的自发离子交换。因此，根据本发明可使用的肝素-选择性的亲脂性电解质能够选自以上提供的肝素选择性阳离子和反阴离子的可能结合物中的任何一种。根据一个优选实施方案，用于从溶液中选择性地提取肝素的亲脂性电解质是十二烷基胍鎓四(对-氯苯基)硼酸盐(DDG-TClPB)。
使用上述概括的原理，还有可能确定具有对除鱼精蛋白或肝素之外的特定聚离子有选择性的亲脂性阳离子组分或亲脂性阴离子组分的亲脂性电解质。因此，采用此类亲脂性电解质的膜也包括在本发明内。
在根据本发明的膜中存在的亲脂性电解质的量可以根据膜的物理性能而变化，膜的物理性能限制了盐在膜中的溶解度。优选地，亲脂性电解质是以基于膜总重量的约1-约15wt％的量存在。更优选地，亲脂性电解质是以基于膜总重量的约5-约12wt％的量存在。在一个优选的实施方案中，亲脂性电解质是以基于膜总重量的约10wt％的量存在。
除亲脂性电解质之外，根据本发明的膜可以进一步包括一种或多种增塑剂。增塑剂促进了混合的均匀性并且还帮助控制聚离子从样品溶液转移到膜的表面和转移到膜的本体中的流通。各种增塑剂可用于本发明的膜中，它们包括但不限于选自以下的增塑剂2-硝基苯基辛基醚、邻苯二甲酸二辛酯、癸二酸二辛酯、己二酸二辛酯、癸二酸二丁酯、邻苯二甲酸二丁酯、1-癸醇、5-苯基-1-戊醇、二苯基甲醇3，3’，4，4’-四羧酸四(十一烷基)酯、苄基醚、膦酸二辛基苯基酯、磷酸三(2-乙基己基)酯和2-硝基苯基辛基醚。在根据本发明的一个优选的实施方案中，可用于膜中的增塑剂是2-硝基苯基辛基醚(NPOE)。
一般优选的是，本发明的膜，除亲脂性电解质和增塑剂之外，还包括用作膜的本体形成材料的基质材料。用于形成可渗透膜的多种基质是本领域的技术人员已知的，本发明旨在包括全部此类基质。
在一个实施方案中，基质材料是聚合物成膜材料。根据这一实施方案的聚合物成膜材料可以是与亲脂性电解质和增塑剂化学相容的任何聚合物材料。此外，该聚合物材料应该能够成形为膜，如通过溶剂流铸。作为非限制性的例子，根据本发明可用的聚合物材料包括聚氯乙烯、聚氨酯、三乙酸纤维素、聚乙烯基醇、硅橡胶、它们的共聚物和三元共聚物。在一个优选的实施方案中，该聚合物成膜材料是聚氯乙烯。
在本发明的一个实施方案中，聚离子选择性膜包括约1-约15wt％的亲脂性电解质。根据这一实施方案的膜进一步包括约28-约49.5wt％的聚合物成膜材料和约42.5-约66wt％的增塑剂(全部重量是以膜的总重量为基础)。优先地，聚合物成膜材料和增塑剂是以约1∶1到约1∶2(按重量计)的比率存在。
在一个优选的实施方案中，聚离子选择性膜包括约10wt％的四(十二烷基)铵1,3-二壬基萘-4-磺酸盐、约30wt％的聚氯乙烯和约60wt％的2-硝基苯基辛基醚(全部重量是以膜的总重量为基础)。
根据以上实施方案之一的聚离子选择性膜是通过用适合于流延成薄膜的有机溶剂如四氢呋喃(THF)进行溶剂流铸来制备的。优先地，将聚合物成膜材料、增塑剂和亲脂性电解质制备为溶剂中的均匀溶液。溶液然后流延成薄膜。一旦制备为薄膜，该膜能够切成任何规定的尺寸，以便随后用于聚离子传感器。除了成形为薄膜，膜溶液可以施涂于基材如电极上，并在电极上干燥，从而直接在电极上形成膜。
根据本发明的一个实施方案，亲脂性阴离子组分和亲脂性阳离子组分中的至少一种能够共价连接到聚合物成膜材料的骨架结构中。例如，阴离子组分可以利用乙烯基键的共聚反应或一些其它合适形式的化学反应而连接到聚合物链上。此外，能够连接到聚合物结构上的亲脂性阳离子或阴离子组分可以是聚离子选择性组分或反离子组分。
在另一个实施方案中，基质材料是微孔疏水性基质。根据这一实施方案，增塑剂和亲脂性电解质形成混合物，然后分散到微孔疏水性基质上，其中增塑剂和亲脂性电解质的混合物吸收进入到基质的孔隙之中，然后让其固化。然后对其中分散有增塑剂和亲脂性电解质的微孔疏水性基质进行加工以便用于聚离子传感器中。根据本发明的一个实施方案的微孔疏水性基质可以选自聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚偏二氟乙烯、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、丙烯酸类共聚物、聚醚砜、以及它们的共聚物和三元共聚物。根据一个优选实施方案，该微孔疏水性基质是聚乙烯。特别优选用作微孔疏水性基质的是可从Celgard，Inc.，Charlotte，NC获得的Celgard膜。Celgard膜是可作为平片膜和中空纤维膜获得的基于聚乙烯的膜。
在本发明的一个优选实施方案中，聚离子选择性膜包括已经与包含约1-约15wt％的亲脂性电解质和约85-约99wt％的增塑剂的混合物接触的微孔疏水性基质，所述亲脂性电解质包含亲脂性阳离子组分和亲脂性阴离子组分，重量百分比是基于混合物的总重量。
本发明进一步提供一种可用于电化学电池的聚离子选择性膜电极。在本发明的一个实施方案中，聚离子选择性膜电极包括外壳、包含在外壳内的参比溶液、和以可操作方式放置在外壳内的电极，使得电极与参比溶液接触。此外，根据这一实施方案，在外壳的一端设置聚离子选择性膜。膜与外壳内的参比溶液接触，并以可操作方式放置膜以便让其接触到在外壳之外的样品溶液。如上所述，该膜包括具有亲脂性阳离子组分和亲脂性阴离子组分的亲脂性电解质，其中亲脂性阴离子组分和亲脂性阳离子组分中的至少一种对于特定的聚离子有选择性。
根据本发明的这一实施方案可以使用任何标准电极，只要该电极能够引入如上所述的聚离子选择性膜即可。在本发明一个特别优选的实施方案中，膜电极包括被引入到标准电极如Philips电极体(IS-561，Glasblserei Mller，Zürich，Switzerland)中的聚离子选择性膜。
可用于电极外壳内的参比溶液可以是本领域技术人员通常已知可以使用的任何电解质溶液。在一个优选的实施方案中，该电解质溶液是氯化钠溶液，尤其，1M NaCl的溶液。此外，电极本身可以是能够用于具有如下所述的电位和电流值的电化学电池中的任何类型的电极。特别有用的是Ag/AgCl电极。
根据一个优选实施方案，引入膜电极中的聚离子选择性膜对鱼精蛋白有选择性。优选，根据这一实施方案，用于聚离子选择性膜中的亲脂性电解质是TDDA-DNNS。
当与膜电极一起使用时，优选的是聚离子选择性膜具有约10mm2-约100mm2的表面积。更优选的是约20mm2-约50mm2的表面积。为了达到这样的表面积，可以如上所述地制备薄膜，和膜能够切成所需尺寸(例如用钻孔机)，以便与电极相配合。更优选的是，聚离子选择性膜具有约10μm-约1000μm，更优选约20μm-约300μm的平均厚度。
本发明进一步涉及一种电化学电池装置。在一个实施方案中，该电化学电池装置包括如前面所述的聚离子选择性膜电极、电连接到膜电极上的参比电极、和以可操作方式连接到膜电极和参比电极上的电化学仪器。
根据本发明的电化学电池装置的一个实施方案提供于图1中，其显示了用于测量样品中聚离子物质的电化学电池装置5。图1显示了聚离子选择性膜电极10、参比电极30、和以可操作方式放置于已装有样品溶液65的试验样品容器60内的反电极50。膜电极10包括电极外壳15、参比溶液17、和参比电极线21。放置在电极外壳15的一端的是根据本发明的聚离子选择性膜25。如图1所示的参比电极30是双盐桥电极(double junction electrode)，虽然其它类型的参比电极在不脱离本发明精神的前提下也可以使用。参比电极30包括外壳33、内壳36、外壳参比溶液39、内壳参比溶液41和参比电极线43。
如图1所示，聚离子选择性膜电极10、参比电极30和反电极50各自是以可操作方式连接到电化学仪器75上，后者进一步与控制器设备90连通。电化学仪器75优选是恒电流-恒电位仪。因此，电化学仪器能够将流过电化学电池的电流控制在预调值和也能够将工作电极(例如，聚离子选择性膜电极10)和参比电极30之间的电势控制在预调值。在发挥后一功能时，电化学仪器75能够迫使在工作电极(例如，聚离子选择性膜电极10)和反电极50之间所需的任何电流以保持所需的电位。在一个特别优选的实施方案中，电化学仪器75是双恒电位的，如从Pine Instruments(Grove City，PA)获得的AFCBP1Bipotentiostat。
如图1中所示的控制器设备90优选是能够执行算法的计算机，所述算法被设计用来自动调节电化学仪器75在控制所需的电流、电位、或电化学活性方面的功能。控制器设备90也优选能够收集来自电化学仪器75的数据和显示为用户看得见的数据和/或贮存该数据。当然，应当理解的是，图1中的电化学仪器75和控制器设备90将连接到电源(未显示)上。
本发明进一步涉及一种测量样品溶液中的聚离子物质浓度的方法。该方法一般包括以下步骤a)提供包括聚离子物质和本底电解质的样品溶液；b)使样品溶液与具有膜的聚离子选择性膜电极接触，该膜包括具有亲脂性阳离子组分和亲脂性阴离子组分的亲脂性电解质，其中该亲脂性阴离子组分和亲脂性阳离子组分中的至少一种对于该聚离子物质有选择性；c)使样品与参比电极接触，其中聚离子选择性膜电极和参比电极是电连接的；d)对包括聚离子选择性膜电极和样品溶液的电路施加固定持续时间的外电流脉冲，从而驱使聚离子物质从样品溶液输运到膜中；e)测量该电流脉冲过程中在聚离子选择性膜电极和参比电极之间的电势测定响应；和f)计算作为电势测定响应的函数的该聚离子物质的浓度。
固定持续时间的外电流脉冲优先施加约0.1秒到约2秒的持续时间。一般不需要测量所施加的电流脉冲的全部持续时间的电势测定响应。相反地，优选仅仅对于所施加的外电流脉冲持续时间的一部分测量电势测定响应。在一个尤其优选的实施方案中，电势测定响应是在外电流脉冲固定持续时间的最后约100毫秒过程中测量的。
在以上方法中测量的电位值取决于样品中存在的聚离子的类型。例如，如果存在阳离子，如鱼精蛋白，则将阴极电流(负)施加于电池上。当施加电流时，测量的电位变得更负。当存在阴离子如肝素时，将阳极电流(正)施加于电池上。当施加电流时，测量的电位变得更正。
尽管向其施加外电流的电路一般包括聚离子选择性膜电极和样品溶液，但电路还可包括电化学电池的一个或多个其它组件。例如，在根据本发明的一个实施方案中，该电路进一步包括反电极。这一实施方案将包括通常称为“三电极”电化学电池的电化学系统。另外，在另一个实施方案中，该电路进一步包括参比电极。这一实施方案包括通常称为“两电极”电化学电池的电化学系统。三电极系统典型地是优选的，以当外电流施加到这些电极上时避免参比电极的退化。
在以上方法中测量的电位的绝对值一般预计将随着时间推移而降低，归因于膜中稳定增加的扩散层厚度。如上所述，当测试聚阳离子如鱼精蛋白的存在时，施加阴极电流和观察到负电位。当鱼精蛋白(或另一种聚阳离子)存在于样品中时，所测量的电位比不存在聚阳离子的情况显著地更正。相反地，当测试聚阴离子的存在时，施加阳极电流和观察到的电位是正的。如果肝素(或另一种聚阴离子)存在于样品中时，所测量的电位将预计比不存在聚阴离子的情况显著地更负。在两种情况下，更正或更负电荷的走向是聚离子从样品溶液中提取到膜中的指示。在足够的时间后，由于聚离子在膜中的积聚，测量开始失败。
在本发明的一个优选实施方案中，该膜是再生的(rehabilitated)。根据这一实施方案，以上方法进一步包括将外电极电势施加于聚离子选择性膜电极和参比电极上，从而驱使聚离子物质从膜中输运出来。一旦该膜已经有效地被溶出聚离子，该聚离子选择性膜电极能够再次用于样品溶液中的聚离子测量。通过反复地施加包括外电流脉冲和随后的外电势脉冲的脉冲序列，使得聚离子物质的连续、可逆的检测成为可能。
优选的是，被施加以从膜中溶出聚离子的外电极电势是空白电位。空白电位的值可以依赖于电化学电池的对称性来变化。例如，在一个实施方案中，膜电极和参比电极使用相同的电极并具有在组成上与样品溶液相似的内参比溶液。在此类优选的实施方案中，空白电位是0V。其它的实施方案也是被设想的，其中电极在不同程度上显示出较低的对称性。在这些其它的实施方案中，空白电位预期是从0V开始变化。最佳的空白电位可以通过断开电化学仪器(参见图1)，然后用高阻抗伏特计将其替换以测量在膜电极和参比电极之间的零电流电位来测定。
为了有效地从膜中溶出聚离子，外电势施加的持续时间优选比外电流脉冲的固定持续时间长约10-约20倍。
本发明的进一步的实施方案根据下面实验的实施例来更清楚地描述。
实验本发明通过下面实施例来更充分地说明，这些实施例是为了举例说明本发明而不认为是限制本发明。除非另有说明，全部百分比是以聚离子选择性膜的总重量为基础的重量百分比。
实施例1鱼精蛋白-选择性膜的制备对引入了根据本发明的聚离子选择性膜的传感器在电化学电池中的使用能力进行试验。聚阳离子选择性膜特别地被配制成对于聚阳离子鱼精蛋白有选择性。膜是利用在2-硝基苯基辛基醚和聚氯乙烯的2∶1重量比混合物中的10wt％TDDA-DNNS来配制的。借助于将THF作为溶剂的溶剂流铸法来制备膜。使混合物干燥成膜，和制备约200μm厚度的鱼精蛋白-选择性膜。该膜用具有6mm直径的钻孔机裁切，以制备供引入到电极中的膜。
实施例2鱼精蛋白-选择性膜电极的制备将在实施例1中制备的鱼精蛋白-选择性膜引入到电极中。电极包括Philips电极体(IS-561)、0.1M NaCl的内参比溶液和Ag/AgCl的电极线。鱼精蛋白-选择性膜电极在实验用之前在与内参比溶液相同的溶液中调理过夜。
一组10个相同的电极按以上所述方法来制备，并在实际的实验使用之前在0.1M NaCl溶液中测试一致性。测试显示出在0至-10μA之间的给定电流下+/-7mV(标准偏差)的电极彼此之间的可变性。
膜电极也被测试来评价可逆性。膜反复地暴露于两种单独的溶液中，一种含有0.1M NaCl，和一种含有0.1M NaCl和10mg/L鱼精蛋白。也使用现有技术的离子选择性电极来进行相同的试验。试验的结果示于图2中，其中本发明的鱼精蛋白-选择性膜电极在曲线A中示出和现有技术的电极在曲线B中示出。在两曲线中能够看出，当存在鱼精蛋白时观察到更高的电位。在曲线A中，电位测量是以+/-1mV的变化呈现再现性。然而曲线B在少到5个周期中却显示出高于50mV的变化。
实施例3样品的计时电位测定响应有和没有鱼精蛋白制作在有和没有鱼精蛋白的0.1M NaCl中的计时电位图。电化学电池(如在图1中所示)，通过使用在实施例2中描述的鱼精蛋白-选择性膜电极来安装。参比电极是具有1M LiOAc桥电解质的双盐桥Ag/AgCl电极。反电极是铂丝。
伏安测量实验是利用由PCI-MIO-16E4接口板控制的AFCBP1Bipotentiostat(Pine Inst.，Grove City，PA)和在Macintosh计算机上的LabVIEW 5.0软件(National Instruments，Austin，TX)来进行的。在实验之前，双恒电位仪(K1)的第一电极输出端的操作采用第二工作电极(K2)输出端的恒电势控制来转换到电流控制。为了施加电流脉冲，工作电极利用由外部软件控制的模拟开关连接到K1输出端。当在电流脉冲之间施加空白电位时，工作电极连接到K2输出端。
在计时电位测量实验中，在每次所施加的-3μA的恒定电流脉冲(1秒持续时间)之后是在0V下的恒定电势脉冲(10秒持续时间)。取样的电位(其代表传感器响应)，是作为在各电流脉冲的最后100ms过程中的平均值获得的。全部实验是在实验室环境温度(21.5±0.5℃)下进行的。在95％水平下计算置信区间。
实验在两个样品中进行。第一个样品仅仅含有0.1M NaCl，而第二个样品含有0.1M NaCl和10mg/L浓度的鱼精蛋白(PA)。所施加的-3μA的阴极电流导致鱼精蛋白提取到膜中，与没有鱼精蛋白的样品相比，有鱼精蛋白的样品所观察到的电位显著不同。计时电位测量实验的电流-时间轨迹和电位-时间轨迹被提供于图3中。
实施例4样品的计时电位测量响应有和没有更高含量的鱼精蛋白通过使用与在实施例2中所提供的相同的试验装置，来制作在有和没有鱼精蛋白的0.1M NaCl中的第二计时电位图。在计时电位测量实验中，在每次所施加的-2μA的恒定电流脉冲(1秒持续时间)之后是在0V下的恒定电势脉冲(15秒持续时间)。取样的电位(其代表传感器响应)，是作为在各电流脉冲的最后100ms过程中的平均值获得的。全部实验是在实验室环境温度(21.5±0.5℃)下进行的。在95％水平下计算置信区间。
实验再次在两个样品中进行。第一个样品仅仅含有0.1M NaCl，而第二个样品含有0.1M NaCl和50mg/L浓度的鱼精蛋白。所施加的-3μA的阴极电流导致鱼精蛋白提取到膜中，与没有鱼精蛋白的样品相比，有鱼精蛋白的样品所观察到的电位显著不同。计时电位测量实验的电流-时间轨迹和电位-时间轨迹被提供于图4中。
在恒电势的静息脉冲(resting pulse)中，可以观察到离子从膜中的反扩散。当鱼精蛋白存在于样品中时，这一扩散是比较缓慢的，表明了在钠和鱼精蛋白离子之间的扩散行为上的差异。当电流在15秒的整个静息脉冲中积分时，所计算的电荷对应于在该电流脉冲过程中所施加的90％的电荷。
实施例5比较本发明的鱼精蛋白-选择性膜电极与现有技术的聚离子选择性膜对于鱼精蛋白的校正曲线通过反复地施加如在图3和图4中所示的脉冲序列和对于在各电流脉冲结束时读取的电位进行取样，鱼精蛋白的连续、可逆检测成为可能。因此，有可能获得鱼精蛋白的校正曲线。
通过使用上述在实施例3和4中所述的方法来获得在0.1M NaCl中鱼精蛋白校正曲线的时间轨迹。通过使用在实施例2中所述的鱼精蛋白-选择性膜电极和现有技术的离子选择性电极来获得曲线。两种曲线的对比提供在图5中，其中使用本发明的鱼精蛋白-选择性膜电极所获得的曲线示于曲线A中和现有技术电极的曲线示于曲线B中。在曲线B中观察到的强电位漂移源于在膜侧上扩散层厚度的弱控制。对数的鱼精蛋白浓度(mg/L)标在轨迹之上。
实施例6搅拌对于传感器响应的影响对于现有技术电势测定的聚离子传感器，已知观察到的电位会受到样品搅拌速率的强烈影响，其改变了含水扩散层并因此改变了进入到膜中的聚离子通量。事实上，近期的著作已经证实了在旋转的电极装置中在测量范围和转速之间的明显相互关系。为了考察在恒电流脉冲实验中搅拌如何影响根据本发明的聚离子选择性膜电极的响应，在未搅拌的溶液中和在100rpm的搅拌速度下测量电位。两者的对比提供于图6中。
与采用肝素响应性膜的电势测定结果(其中样品搅拌的突然停止引起了大约20mV的电位变化)相反，本发明的脉冲恒电流传感器的响应没有显示受搅拌速度的显著影响。在搅拌和未搅拌样品之间的电位差没有超过2-3mV。
实施例7pH对于传感器响应的影响虽然该鱼精蛋白传感器旨在全血中在7.4的生理pH下工作，但是也考察了pH对于传感器响应的影响。图7提供了在-2μA的阴极电流下观察的电位。下轨迹是对于包括0.1M NaCl、6.6mmol柠檬酸、11mmol硼酸和10mmol磷酸的空白溶液所观察到的电位，其中pH使用1M NaOH来调节。上轨迹是对于在样品中有25mg/L的鱼精蛋白的相同溶液所观察到的电位。由于高的鱼精蛋白浓度，在两种电位之间的差别可以认为是在0.1M NaCl中的最高传感器响应，或电位窗。
实施例8膜选择性膜的选择性是在pH7.4下通过记录钠、钾、钙和镁的氯化物盐的单独校正曲线来测定的。电位-盐浓度的log值的曲线提供于图8中。所获得的选择性系数与以前对于没有附加的离子载体的基于DNNS的ISE膜所报道的那些非常一致。发现在0.001M-0.1M的浓度范围中的全部斜率是稍微地super-Nernstian(70-72mV)，其使选择性系数在一定程度上偏离。该斜率有可能以Nernst-Plank方程式为基础通过膜界面上的离子迁移的贡献来解释，该方程式还没有在简化的理论模型中被考虑过。在10-4M左右的突变电位跳跃源于膜表面上的消耗过程。在0.1M NaCl中的鱼精蛋白校正曲线也示于图8中。较高的电位读数表明，与全部其它所试验的阳离子相比，该膜对于鱼精蛋白有强烈的优选性。
实施例9本底电解质浓度的影响本底电解质浓度预计会影响鱼精蛋白的响应曲线，因为该响应原理是以聚离子和钠离子之间的竞争性提取为基础的。例如，较低的钠本底浓度预计对于鱼精蛋白响应会产生较大的电位范围(参见方程式10)，并且也可能导致该响应偏移到较低的鱼精蛋白浓度(方程式10)。图9A显示了在三种氯化钠浓度(10mM、30mM和100mM)下的实验的鱼精蛋白校正曲线。鱼精蛋白电位范围随着NaCl浓度的提高而下降。
钾对于鱼精蛋白响应的微小影响示于图9B中，图中显示了在有和没有10mM KCl的0.1M NaCl中的两个鱼精蛋白校正曲线。在低的鱼精蛋白浓度下观察到的响应的最高偏差实际上不超过5mV。
实施例10鱼精蛋白在全血中的校正曲线图10示出了鱼精蛋白在全血中的校正曲线和在-2μA的阴极电流下该校正曲线的相应电位-时间轨迹。发现在全血中电位响应范围是约60mV，这对于在全血样品中鱼精蛋白的实际测定是可接受地大的。电位的标准偏差增加到1.5mV，相比之下在缓冲的NaCl溶液中观察到0.7mV。结果表明，低到0.5mg/L的鱼精蛋白浓度能够用电流脉冲的计时电位测量传感器测定。
实施例11全血样品的滴定可以采用实施方案，利用鱼精蛋白滴定的终点检测来测定血液中的肝素，与采用电势测定传感器的先前工作类似。将肝素贮备溶液的小的等分试样(2×10-5M，1.5g/L)添加到全血样品中，以便获得在0.25-2μM(0.6-4.5kU/L)范围内的肝素的不同模型浓度，并用1g/L鱼精蛋白进行滴定。将所获得的滴定曲线示于图11A中。
各点是作为10个连序的电位读数的平均值计算的，得到不大于1.5mV的标准偏差。通过将各滴定重复4次来评价再现性，得到了从一个样品到另一个样品的多至7mV的起始电位和结束电位的偏差，而在滴定过程中电位的总变化保持相同。因为各接收管含有7.2mg的EDTA的钾盐和在各管中收集的血液量是在2-4mL之间变化，大部分的偏差可以归因于钾浓度的变化(参见图9B)。
观察的终点作为全血中肝素浓度的函数被描绘在图11B中，并发现了预期的线性关系(相关系数0.995)。所得到的校正曲线的线性回归是作为C肝素＝V(6.6±0.4)×10-3M/L-0.6μM测定的。
实施例12寿命和传感器稳定性传感器的寿命和稳定性是重要的参数，尤其如果测量是在生理介质中进行的话。3小时的在含有10mg/L鱼精蛋白的pH缓冲0.1M NaCl中的连续脉冲计时电位测量(1分钟的测量时间间隔)没有产生看得见的电位漂移和最高电位变化为2mV。对于全血样品，在图11B示出的滴定曲线是用相同的传感器获得的，和血液中的总测量时间超过2.5小时(对于各点，收集了10个电位测量值)。在暴露于血液中之后，将传感器放置于缓冲的0.1M NaCl中，发现空白电位返回到初始值(对于各传感器±5mV)。传感器的寿命，定义为空白电位偏移不超过20mV的时间，是至少2周，有10小时的暴露于未稀释的全血样品中的总时间。
属于本发明领域的技术人员得益于在前面叙述中给出的教导可以获得在这里描述的本发明的许多改进和其它实施方案。因此，应当理解的是本发明不限于所公开的特定的实施方案并且这些改进和其它实施方案被认为包括在所附权利要求的范围内。虽然在这里使用了特定术语，但是它们仅仅以同属的和叙述性的意义使用，没有限制目的。
权利要求
1.一种用于电化学电池的聚离子选择性膜，所述膜包括具有亲脂性阳离子组分和亲脂性阴离子组分的亲脂性电解质，其中所述亲脂性阴离子组分和亲脂性阳离子组分中的至少一种对于特定的聚离子有选择性。
2.根据权利要求1的膜，其中所述亲脂性阴离子组分对于鱼精蛋白有选择性。
3.根据权利要求2的膜，其中所述亲脂性阴离子组分选自1，3-二壬基萘-4-磺酸根、2，6-二壬基萘-4-磺酸根、十二烷基苯磺酸根和3，9-二乙基-6-十三烷基硫酸根。
4.根据权利要求2的膜，其中所述亲脂性阳离子组分选自四(十二烷基)铵、三(十二烷基)甲基铵和十二烷基三甲基铵。
5.根据权利要求1的膜，其中所述亲脂性阳离子组分对于肝素有选择性。
6.根据权利要求5的膜，其中所述亲脂性阳离子组分选自十二烷基胍鎓和N，N’-1，10-癸烷二基双(胍鎓)。
7.根据权利要求5的膜，其中所述亲脂性阴离子组分选自四苯基硼酸根、四(对-氯苯基)硼酸根、四(3，5-双(三氟甲基)苯基)硼酸根和全卤化的十二碳硼烷。
8.根据权利要求1的膜，其中所述亲脂性电解质选自四(十二烷基)铵1，3-二壬基萘-4-磺酸盐(TDDA-DNNS)和十二烷基胍鎓四(对-氯苯基)硼酸盐(DDG-TC1PB)。
9.根据权利要求1的膜，其中所述亲脂性电解质是以基于所述膜总重量的约1wt％-约15wt％的量存在。
10.根据权利要求1的膜，其进一步包括增塑剂。
11.根据权利要求10的膜，其中所述增塑剂选自2-硝基苯基辛基醚、邻苯二甲酸二辛酯、癸二酸二辛酯、己二酸二辛酯、癸二酸二丁酯、邻苯二甲酸二丁酯、1-癸醇、5-苯基-1-戊醇、二苯基甲醇3，3’，4，4’-四羧酸四(十一烷基)酯、苄基醚、膦酸二辛基苯基酯、磷酸三(2-乙基己基)酯和2-硝基苯基辛基醚。
12.根据权利要求11的膜，其中所述增塑剂是2-硝基苯基辛基醚。
13.根据权利要求10的膜，其进一步包括微孔疏水性基质。
14.根据权利要求13的膜，其中所述微孔疏水性基质选自聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚偏二氟乙烯、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、丙烯酸类共聚物、聚醚砜、它们的共聚物和三元共聚物。
15.根据权利要求10的膜，其进一步包括聚合物成膜材料。
16.根据权利要求15的膜，其中所述聚合物成膜材料选自聚氯乙烯、聚氨酯、三乙酸纤维素、聚乙烯基醇、硅橡胶和它们的共聚物。
17.根据权利要求16的膜，其中所述聚合物材料是聚氯乙烯。
18.根据权利要求15的膜，其中所述聚合物材料是以28-49.5wt％的量存在，所述增塑剂是以42.5-66wt％的量存在和所述亲脂性电解质是以1-15wt％的量存在，基于所述膜的总重量。
19.根据权利要求15的膜，其中所述聚合物材料和所述增塑剂是以1∶1到1∶2的比率存在。
20.根据权利要求13的膜，其中所述增塑剂和所述亲脂性电解质构成分散在所述微孔疏水性基质中的混合物。
21.根据权利要求20的膜，其中所述混合物包括约1-约15wt％的所述亲脂性电解质，基于所述混合物的总重量。
22.一种聚离子选择性膜电极，其包括外壳；参比溶液，其包含在所述外壳内；电极，其以可操作方式放置在所述外壳内以便与所述参比溶液接触；和聚离子选择性膜，其设置在所述外壳的一端并与所述外壳内的所述参比溶液接触，而且其以可操作方式放置从而与所述外壳之外的样品溶液接触，所述膜包括具有亲脂性阳离子组分和亲脂性阴离子组分的亲脂性电解质，其中所述亲脂性阴离子组分和亲脂性阳离子组分中的至少一种对于特定的聚离子有选择性。
23.根据权利要求22的膜电极，其中所述亲脂性电解质选自四(十二烷基)铵1，3-二壬基萘-4-磺酸盐(TDDA-DNNS)和十二烷基胍鎓四(对-氯苯基)硼酸盐(DDG-TC1PB)。
24.根据权利要求22的膜电极，其中所述参比溶液是电解质溶液。
25.根据权利要求24的膜电极，其中所述电解质是氯化钠。
26.根据权利要求22的膜电极，其中所述电极是Ag/AgCl电极。
27.根据权利要求22的膜电极，其中所述膜具有约10mm2-约100mm2的表面积。
28.根据权利要求27的膜电极，其中所述膜具有约20mm2-约50mm2的表面积。
29.根据权利要求22的膜电极，其中所述膜具有约10μm-约1000μm的平均厚度。
30.根据权利要求29的膜电极，其中所述膜具有约20μm-约300μm的平均厚度。
31.一种测量样品溶液中的聚离子物质浓度的方法，其包括提供包括聚离子物质和本底电解质的样品溶液；使所述样品溶液与具有膜的聚离子选择性膜电极接触，该膜包括具有亲脂性阳离子组分和亲脂性阴离子组分的亲脂性电解质，其中所述亲脂性阴离子组分和亲脂性阳离子组分中的至少一种对于该聚离子物质有选择性；使该样品与参比电极接触，其中该膜电极和该参比电极是电连接的；对包括该膜电极和该样品溶液的电路施加固定持续时间的外电流脉冲，从而驱使该聚离子物质从该样品溶液输运到膜中；在该电流脉冲过程中测量在该膜电极和该参比电极之间的电势测定响应；和计算作为该电势测定响应的函数的该聚离子物质的浓度。
32.根据权利要求31的方法，其中该电势测定响应是在短于该外电流脉冲的总固定持续时间的一段时间中测量的。
33.根据权利要求31的方法，其中该外电流脉冲的固定持续时间是约0.1到约2秒。
34.根据权利要求31的方法，其中该电势测定响应是在该外电流脉冲固定持续时间的最后约100毫秒过程中测量的。
35.根据权利要求31的方法，其进一步包括将外电极电势施加到该聚离子选择性膜电极和该参比电极上，从而驱使该聚离子物质从该膜中输运出来。
36.根据权利要求35的方法，其包括连续地重复所述施加该外电流脉冲、测量该电势测定响应、计算该聚离子物质的浓度和施加该外电势的步骤。
37.根据权利要求35的方法，其中该外电极电势是空白电位。
38.根据权利要求37的方法，其中该空白电位是0V。
39.根据权利要求35的方法，其中该外电极电势施加的持续时间比该外电流脉冲的固定持续时间长约10-约20倍。
40.根据权利要求31的方法，其中向其施加固定持续时间的外电流脉冲的电路进一步包括该参比电极。
41.根据权利要求31的方法，其中向其施加固定持续时间的外电流脉冲的电路进一步包括反电极。
42.根据权利要求41的方法，其中该反电极由铂丝构成。
43.根据权利要求31的方法，其中该参比电极包括双盐桥电极。
44.根据权利要求31的方法，其中该样品溶液包括生物组分。
45.根据权利要求31的方法，其中该样品溶液是血液。
46.根据权利要求31的方法，其中该聚离子选自鱼精蛋白和肝素。
47.根据权利要求31的方法，其中该膜由聚氯乙烯、2-硝基苯基辛基醚和四(十二烷基)铵1，3-二壬基萘-4-磺酸盐构成。
48.一种电化学电池装置，其包括i)包括膜的聚离子选择性膜电极，该膜包括具有亲脂性阳离子组分和亲脂性阴离子组分的亲脂性电解质，其中所述亲脂性阴离子组分和亲脂性阳离子组分中的至少一种对于特定的聚离子有选择性；ii)电连接到所述膜电极上的参比电极；和iii)以可操作方式连接到所述膜电极和所述参比电极上的电化学仪器。
49.根据权利要求48的电化学电池装置，其中所述亲脂性电解质选自四(十二烷基)铵1，3-二壬基萘-4-磺酸盐(TDDA-DNNS)和十二烷基胍鎓四(对-氯苯基)硼酸盐(DDG-TC1PB)。
50.根据权利要求48的电化学电池装置，其进一步包括电连接到所述膜电极上的反电极。
51.根据权利要求50的电化学电池装置，其中所述反电极包括铂丝。
52.根据权利要求48的电化学电池装置，其进一步包括与所述电化学仪器连通的控制器设备。
53.根据权利要求52的电化学电池装置，其中所述控制器设备包括计算机。
54.根据权利要求48的电化学电池装置，其中所述电化学仪器是恒电流-恒电位仪。
55.根据权利要求48的电化学电池装置，其中所述电化学仪器是双恒电位仪。
全文摘要
本发明涉及一种用于聚离子的可逆电化学传感器。传感器使用活性成分提取和离子溶出，它们在电化学上加以控制。自发的聚离子提取可通过使用含有不具有离子交换性能的高度亲脂性电解质的膜来抑制。在膜两侧施加固定持续时间的恒定电流脉冲会诱导聚离子的可逆提取。随后，通过施加恒定的溶出电位来除去聚离子。传感器提供优异的稳定性和可逆性，并使得可以经由鱼精蛋白滴定来测量全血样品中的肝素浓度。
文档编号G01N17/00GK1846132SQ200480025259
公开日2006年10月11日 申请日期2004年7月8日 优先权日2003年7月9日
发明者E·巴克尔, A·施瓦勒弗 申请人:奥本大学