专利名称：：基于碳纳米管的全固体接触离子选择性电极的制作方法
技术领域：
：本发明处于电化学领域内，尤其涉及基于全固体接触离子选择性电极的电化学传感器。具体而言，本发明涉及一种基于碳纳米管的全固体接触离子选择性电极。所述电极允许以良好的再现性和可靠性，对极多种不同分析物进行定性、定量或半定量分析。
背景技术：
：现有技术中众所周知的是，离子选择性电极或ISE已用于各种分析物的定性或定量分析，尽管其最初是用来分析溶液中的离子浓度。常规构造包括在离子选择性薄膜和所产生电信号的导电元件之间的内部转导溶液，它能够将离子流变换为电流(EricBakker，Ern6PretSch，TrendsinAnalyticalChemistry,24(2005)，199-207，"Potentiometricsensorsfortrace-levelanalysis")。然而，该构造不适于某些应用，尤其是小型化电极，由于这个缘故内部溶液已被固体接触所代替，从而引起了全固体接触ISE或全固体状态ISE的发展。因此，新的离子选择性电极的生成或许可能利用固体内部接触来构建。这是由于与包含内部溶液的那些电极相比，这些全固体接触电势电极在提供更简单小型化和构造的可能性方面具有明显的优点(PretschE.，TrAC26(2007)，46-51，"Thenewwaveofion-selectiveelectrodes")。在某些情况下，离子选择性薄膜(membrane)直接沉积在导电元件上，这就是具有涂覆线材电极或CWE的情况，尽管响应稍微有点不稳定，并且薄膜对金属的粘着性降低。在其他情况下，使离子选择性薄膜经由导电性聚合物或CP层与导电元件接触。该聚合物层充当内部转导器，将离子流转换为电流。在其他聚合物当中，聚吡咯、聚噻吩或聚苯胺，适当掺杂后用作导电性聚合物，例如掺杂有氯阴离子的聚吡咯，或掺杂有氰亚铁酸盐阴离子的聚卩比咯(AgataJ.Michalska，CharlesAppaih-Kusi，LeeYookHeng，SebastianWalkiewicz禾卩ElizabethA.H.Hall，Anal.Chem.，76(2004)2031-2039，"AnExperimentalStudyofMembraneMaterialsandI皿erContactingLayersforIon-SelectiveK+ElectrodeswithaStableResponseandGoodDynamicRange")。尽管导电性聚合物用作在离子选择性外部薄膜与所生成电信号的导电元件之间的转导器提高了全固体接触电极的稳定性这一事实，但对于每种个别应用来说仍然需要一种优化导电性聚合物掺杂的方法，以便使离子流到电流的转导最大化(Bobacka，电解分析(J.Electroanalysis)，18(2006)7-18，"基于导电性聚合物的固态离子选择性电极(Conductingpolymer-basedsolid-stateionselectiveelectrodes)，，；Michalska,A.，生物分析化学(Anal.Bioanal.Chem.)，384(2006)391-406，"带有基于导电性聚合物的离子-电子转导器的ISE的分析性能和构建的优化(OptimizingtheanalyticalperformanceandconstructionISEswithconductingpolymer—basedion_to_electrontransducers)，，)。现有技术中，仍然需要能够克服现有技术缺陷的新固体接触ISE。本发明人已经发现，将基于碳纳米管(CNT)的层用作内部转导器，它将使传感层(离子选择性薄膜等)与导电元件接触，从而产生全固体接触ISE，它为极多种不同化学物质的定性或定量分析带来极佳优点，即低检测级别、低响应时间和高度的选择性。这些新的全固体接触ISE也非常易于开发，因此它们的成本非常合理。现有技术中，碳纳米管由于它们得自其化学结构的非凡特性而知名。对于电化学传感器领域，它们最有意义的一些特性是表面与容量之间非常高的比率，以及它们促进多相之间电荷转移的强大能力(Davis等人，J.Electroanal.Chem.1997，440，279-282;Luo等人Anal.Chem.2001，73，915-920;Britto等人，AdV.Mater.1999，11(2)，154-157)。利用这些特性，CNT已经被用作场效应晶体管(FET)(PostmaHWCh，Science293(2001)76-79，"CNTsingle-electrontransistorsatroomtemperature")、电容器(SnowES，Science,307(2005)1942-5，"Chemicaldetectionwithasingle-walledcarbonnanotubec即acitor")和串联的纳米电极，其已应用于伏安法测定分析(TuY，Electroanalysis，17(2005)79-84，"CarbonNanotubesBasedNanoelectrode.ArraysFabrication'')。此夕卜，美国专利申请2006/0200044描述了一种以非电势测定技术来测量葡萄糖水平的碳纳米管微电极，并且在美国专利申请2004/0146863中，碳纳米管被用作一种在采用电势测定技术对分析物进行检测和量化中使用的常规生物传感器电极的导电性材料。然而，迄今为止还没有人将CNT用作电势测定分析中的转导器。Ka卿gen等人，(Ka卿genM.，RothS.，JElectroanal.Chem586(2006)72-76，"Transparentandflexiblecarbonnanotube/polyanilinepHsensors，，)将CNT包括作为PH电极的部件；然而，正如作者他们自己清楚表明的，碳纳米管被用作导电性聚合物层(聚苯胺)的支撑结构，它同时充当传感层，假定氧鎗(oxonium)离子与聚苯胺的氨基相互作用，并且由于其作为导电性聚合物的特性而作为转导器层(transducerlayer)。因此，不能预料到在极多种不同的全固体接触ISE中把CNT用作内部转导器层，它能够将源自传感层(根据要检测或量化的分析物的各种特性)的化学信号有效地转换为可以被测量的电信号。然而，本发明人已首次说明了CNT可以在多种不同的全固体接触ISE中充当高度活性的转导器，其特征在于，通过包含基于碳纳米管的中间层，实现来自相应传感层的化学信号朝向导电性元件的转导。因此，本发明提供了一种替代的全固体接触ISE，它使得以可靠和可再现的方式，对极多种不同化学物质进行检测或量化成为可能，还具有源于其简单性和低制造成本的额外优势。发明目的因此，本发明旨在提供全固体接触(all-solid-contact)ISE，它包括使传感层和导电元件接触的碳纳米管的转导器层(transducerlayer)。本发明的另一目的在于提供该全固体接触ISE的制备方法。本发明的最终目的在于提供该全固体接触ISE用于对分析物进行定性、定量或半定量分析的用途。附图简述图la示出了本发明的全固体接触ISE的转导器层，其由"细筛(lawn)"或"意大利式细面条(spaghetti)"型网络形式的若干碳纳米管组成。图lb表示本发明的全固体接4触ISE的转导器层，其由"毛刷(brush)"型垂直网络形式的若干碳纳米管组成。图2示出了可以形成本发明全固体接触ISE的转导器层的单壁碳纳米管(SWCNT)和多壁碳纳米管(丽NT)。图3示出了在本发明全固体接触ISE中用作转导器层的纳米管网络的AFM(原子力显微镜)图像。图4示出了包含各种基底的本发明全固体接触ISE的三种可能构造。图5示出了本发明的全固体接触ISE对钾离子活性对数的电势响应(potentiometricresponse)(电云力势，EMF=零电流下的电压)。图5bis示出了本发明的全固体接触ISE对钾离子活性某一范围内(_4.5和_1.5之间)钾离子活性对数的电势响应(电动势，EMF=零电流下的电压)。图6示出了本发明的全固体接触ISE对时间的电势响应(电动势，EMF=零电流下的电压)。图7示出了本发明的全固体接触13￡对于随时间变化抽取的1(+的不同活性的电势响应(电动势，EMF=零电流下的电压)。图8示出了本发明的全固体接触ISE的传感层中使用的a-凝血酶15_基适体(a-thrombin15_mer即t咖er)。图9示出了本发明的全固体接触ISE的，用羧基官能化并且用EDC(l-乙基-3-[3-二甲基氨基丙基]碳二亚胺盐酸盐)活化的单壁碳纳米管(SWCNT)。图10示出了本发明的全固体接触ISE的，共价键合到(a-凝血酶)选择性适体的单壁碳纳米管(SWCNT)。图11示出了本发明的全固体接触ISE对于随时间变化的凝血酶不同浓度的电势响应(电动势，EMF=零电流下的电压)。发明详述本发明提供一种全固体接触ISE，它包括使传感层与导电元件接触的碳纳米管的转导器层，在下文中称作"本发明电极"。如上所指出的，术语离子选择性电极或ISE是由于假定最初的电极只具有经由以介入的电荷为特征的力介入来识别离子的能力的历史原因而建立的。然而，当今这些设备识别许多更多种离子或分子(例如参见BakkerE.等人，ChemRev.97(1997)3083)。因此，在本发明的范围内术语"全固体接触离子选择性电极"是指对各种分析物有选择性的全固体接触电极，所述分析物例如无机阳离子(碱金属，碱土，过渡金属等的)、无机阴离子(碳酸盐，硫氰酸盐(tiocyanate)，亚硝酸盐，羟基类(hydroxyl)，磷酸盐，硫酸盐，亚硫酸盐，氯化物等)、有机阳离子(苯乙胺，萘乙胺，麻黄碱，苯异丙胺，普萘洛尔(propanolol)等)、有机阴离子(水杨酸盐，邻苯二甲酰盐，顺丁烯二酸等)、中性分析物(二氧化碳，氨等)、低分子量有机分子(杀虫剂，杀真菌剂，糖类，维他命，核酸片段等)、高分子量有机分子(蛋白质，多糖类，酶，抗体等)或细胞(病毒，细菌，真菌等)。如上所指出的，碳纳米管负责信号的转导。因此它们将传感层中发生的化学识别事件转换为电信号，该电信号经由导电元件向外部设备发送。该导电元件由特征在于具有非常高导电性的固体材料组成。最典型的实例是金属导体(铜、钼或其他金属制成的导线或电缆)，尽管也使用诸如石墨或导电性聚合物的有机导体。该导电元件通过直接接触或者5通过作为复合导体(Ag/AgCl等)的粘性元件(也是导体)接合到纳米管的转导器层。因此所生成的电信号是电动势，换句话说是电势(与另一参比电极相比)，该电势在不存在显著电流的情况下，用具有高内部阻抗的电位计来测量。在本发明电极的具体实施方式中，碳纳米管的转导器层由一个或多个碳纳米管形成。当它由若干碳纳米管形成时，这些纳米管可以采用"细筛(lawn)"或"意大利式细面条(spaghetti)"网络的形式(图la)，或者垂直"毛刷(brush)"网络形式(图lb)，或者其他布置。此外，碳纳米管可以具有各种不同长度和直径。另外，它们的空间螺旋特性(chirality)可以改变，从而产生非导电性、半导体或金属纳米管。同样，碳纳米管可以用或者可以不用其他原子、分子、纳米微粒或其他组分来官能化。在本发明电极的另一具体实施方式中，转导器层的碳纳米管选自单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。单壁碳纳米管(SWCNT)是由巻起来的单一石墨层构成的圆柱体，其直径在小于lnm至3nm之间且长度最高达几微米。多壁碳纳米管(丽CNT)由若干个同心的单壁碳纳米管构成，并且具有变化的直径。图2示出了这种单壁和多壁纳米管的代表。本发明电极还可以使用其他结构特征的碳纳米管，比如竹子型碳纳米管。在本发明电极的具体实施方式中，碳纳米管的转导器层的厚度在1.5nm至50ym之间。在优选实施方式中，碳纳米管的转导器层的厚度在lym至30ym之间。在更优选实施方式中，碳纳米管的转导器层的厚度为15ym。再者，本发明电极的传感层可以由不同的组成部分构成，并且应当由专家根据所需应用来选取。因此，对于传感层而言，可以使用对离子或其他分析物有选择性的固体晶体或聚合体的薄膜，它包裹着转导器层并且其中包含能够识别所述分析物的化学物质(有时也称作离子载体(ionophore)或离子载运体)。由成对物质形成的众多例子在文献目录中有所描述识别要被分析的分子-分子或离子，允许该领域的专家为各应用选择适当的离子载体。最常见的类型是包含离子载体的类型，例如缬氨霉素，它用来分析钾，因为该分子能够与钾离子形成选择性配合物。关于离子选择性薄膜(membrane)的基质，它可以是聚(氯乙烯)(PVC)、或者丙烯酸衍生物例如丙烯酸正丁酯(n-BA)或甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸二甲酯(MMA-DMA)。传感层还可以由在它们的结构中包含能够识别所需分析物的化学物质的凝胶构成，通过被称为"捕获"的方法捕获到它们的基质中。可以使用许多类型的凝胶，但是最常见的是通过金属醇盐(Si-OR)当其与水混合时的水解来形成。该过程用下述反应来描述<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>在阶段1，醇盐与水反应(水解)以产生连接到Si原子上的醇基团(sylanol)和碱(R0H)。在阶段2a，相邻的硅醇基(sylanol)縮合以形成具有-Si-O-Si-结构整体的聚合体(凝胶)。在阶段2b，硅醇基还可以与最初的醇盐相互作用以形成阶段2中的凝胶。—旦给定了基质的多孔性质，它具有胶质的外观，"捕获的"传感器物质保持为易接近的(accessible)，并且可以与试样中要分析的化学物质相互作用。例如，可以通过将乙酰胆碱酯酶同样用作识别元素来分析氨基甲酸酯(BucurB.等人，Anal.Chim.Acta562(2006)115-121，"Biosensorsbasedonhighlysensitiveacetylcholinesterasesforenhancedcarbamateinsecticidesdetection")。类似地，传感层可以由半渗透性薄膜形成，它封住或包住分析物识别物质，换句话说，它不在其核心处包含识别物质，而仅仅是通过包围它们来见效。举例来说，这种半渗透性薄膜具有透析中使用的类型(乙酸纤维素)或者使用特氟隆(对某些气体有选择性)、Nafion、聚氨基甲酸酯、或聚碳酸酯来制成。这是用来开发带有在氧电极上沉积的包封薄膜的最早葡萄糖生物传感器的先有技术。传感层还可以由借助于范德华或其他类型(疏水力，氢键等)的弱化学键，直接或间接地(键合到吸附在碳纳米管上的其他化合物)吸附在碳纳米管上的化学分析物识别元素所组成。一个非常常见的实例是免疫球蛋白，其充当抗体，并且其为强力吸附在碳纳米管表面上的蛋白质。一旦吸附，它们能够通过相应的抗原-抗体的识别反应来识别想要的分析物(按照生物化学术语，抗原)，其可以是另一种蛋白质、细菌、病毒等。可选地，传感层可以由经由共价键通过直接共价键或者通过所谓的"交联剂"连接至碳纳米管自身的化学分析物识别元素组成。其实例是碳纳米管通过氧化而用羧基官能化，基团可以与其他分子发生化学反应，直到与传感分子例如对分析物有选择性的适体形成共价键。适体是RNA或DNA的小的寡核苷酸，它通常含有少于100个碱基。在寡核苷酸的链中基本单元(磷酸盐-糖类-嘌呤或嘧啶碱基)广泛多样的可能排列，连同它们可以采用的很多三维形态一起，是这样的特性，该特性允许适体非常有选择性地键合到要被分析的不同分析物上，所述分析物的范围可以从离子和小分子到蛋白质或完整细胞。此外，用羧基官能化的纳米管可以与其他分子发生化学反应，直到与传感器分子形成共价键，例如，能够识别带有硫醇基团(-SH)的分析物或其他类型感兴趣的分析物的纳米颗粒(Katz，ChemPhysChem，2004，5，1084-1104，"Biomolecule-functionalizedCNTs")最终，它们可以被应用由能够识别所感兴趣分析物的化学实体形成的传感层，进而与碳纳米管直接或间接接触(例如通过介入的薄膜)，该分析物例如分子印迹聚合物(MIP)、适体、DNA或RNA等的片段。在这些识别元素经由介入的薄膜放置得非常靠近碳纳米管的情况下，CNT涂覆有非常薄的聚合物薄膜(例如聚对二甲苯)，该聚合物薄膜拥有通过它们键合到MIP或DNA片段上的官能团。因此，在本发明电极的具体实施方式中，传感层选自离子选择性薄膜、带有在其基质中捕获的分析物识别元素的凝胶、带有包封的分析物识别元素的半渗透性薄膜、吸附在碳纳米管上的分析物识别元素层、共价键合到碳纳米管上的分析物识别元素层和通过介入的薄膜与碳纳米管接触的分析物识别元素层。在优选实施方式中，传感层是含有离子载体的离子选择性薄膜。在更优选实施方式中，传感层是含有缬氨霉素作为离子载体的钾离子选择性薄膜。本发明电极的传感层在任何情况下都不会同时是传感层和转导器，像Kaempgen的聚苯胺层那样(Kaempgen2006，supra)。在本发明电极的具体实施方式中，传感层的厚度在O.1至1000iim之间。在优选实施方式中，传感层的厚度在1至100iim之间。在更优选实施方式中，传感层具有50iim的厚度。在具体实施方式中，本发明电极也包括基底，在其上沉积碳纳米管层，或者例如以绝缘管的方式在其末端含有在碳纳米管的转导器层上沉积的传感层。该基底可以是或者也可以不是导体，例如PVC或Si02基底，或者可以具有导体性质，例如金属基底(Pt，Ag，Cu等)，或者玻璃化碳基底或其他导电性材料基底。这些基底可以具有不同的几何形式。因此，它们可以配置为导线或电缆、管、纤细的或较厚的层，或者采取其他设计。该基底是任选的，因为在某些情况下，碳纳米管自身可以以它们自身或者通过形成复合材料的一部分充当基底。本发明的全固体接触选择性电极的整体尺寸从由单个碳纳米管或几个碳纳米管形成的宏观尺寸(按cm或mm测量)到纳米级尺寸(按nm测量)不等，在之间还有微观尺寸(按ym测量)。在各种情况下，碳纳米管转导器层、传感层、以及只要在可适用情形下基底的测量，都能够得以适应。图4示出了带有基底的本发明电极的三种可能构造。图4a)表示圆柱型非导电性基底，在其上沉积了碳纳米管的转导器层，进而在之上沉积了传感层。图4b)表示绝缘管形式的非导电性基底，在其末端含有在碳纳米管的转导器层上沉积的传感层。图4c)表示薄片型非导电性基底，在其上沉积了碳纳米管的转导器层，进而又在之上沉积了传感层。在本发明的另一方面，提供一种用来制备前述全固体接触ISE的方法，该方法包8括下述阶段(a)制备碳纳米管的转导器层，禾口(b)使阶段(a)中制备的转导器层与传感层接触。在具体实施方式中，在方法的阶段(a)中，能够通过碳纳米管的粉末压制来制备转导器层。在本发明电极包括在其末端含有在碳纳米管转导器层上沉积的传感层的管型基底的情况下，其能够通过首先将构成导电元件的固体圆盘附着到管末端来制备。关于处于"头低(headdown)"的电极，在适当溶剂(例如，单壁碳纳米管可以在二甲基甲酰胺中分散)中分散的碳纳米管在该圆盘上沉积。一旦该溶剂已经挥发，留下了交联的纳米管层，其构成转导器层。最终，使该转导器层与传感层接触，通过沉积特征在于它所处位置的溶液液滴，将传感层沉积在转导器层之上。一旦传感层的溶剂已经挥发，其以与在其他电极设计中涂覆纳米管的方式类似的方式，完全地涂覆转导器层。在本发明电极包括在其上沉积碳纳米管的转导器层的情况下，可以通过任何适当的沉积方法在基底上沉积该层。因此，在具体实施例中，在方法的阶段(a)中，通过气溶胶喷雾、沉积液滴、浸泡(immersion)或浸渍(impregnation)，用碳纳米管的悬浮液来涂覆基底，从而制备转导器层。该悬浮液例如通过在包括表面活性剂(例如十二烷基硫酸钠，SDS)的极性溶剂(例如水或醇)中分散碳纳米管粉末来制备。因此，表面活化剂包围各个纳米管，并确保它们在溶剂的极性介质中良好地分散。其他分散方法使用弱极性溶剂，例如二甲苯或氯苯。为了确保于这些后述溶剂的良好分散，要求超声处理即高频振动，使得自然地易于聚集在一起的纳米管完全分散。碳纳米管粉末可以在市场上获取，实例包括由CarbonSolution,Inc.，HELIXMaterialSolutions或NTP公司销售的类型；或者它可以例如在存在二氧化硅晶片作为催化剂的情况下，在90(TC的温度下，由甲烷通过化学气相沉积(CVD)来制备。在方法的阶段(b)中，使制备好的转导器层与传感层接触。因此，使离子选择性薄膜通过浸渍(impregnation)与纳米管层接触，该浸渍为特征在于以下的的方法碳纳米管结构或者涂覆有碳纳米管层的基底在含有溶于适当溶剂的薄膜的浓溶液中浸没。然后将其去除，留下与其粘附的薄膜并干燥。也使用特征在于以下的沉积技术含有薄膜的该浓溶液的液滴在纳米管层上沉积。在含有于它们的基质中捕获的分析物识别元素的凝胶的情况下，"原位"合成这些。因此，如上所指出的，一旦其单体组分通过浸渍(impregnation)在转导器层上沉积，就形成凝胶。通过含有分析物识别元素的溶液液滴在碳纳米管的转导器层上沉积，使带有包封的分析物识别元素的半渗透性薄膜与碳纳米管的转导器层接触，分析物识别元素能够在纳米管上自身吸收，并且通过用先前制备的半渗透性薄膜完全地覆盖它来完成整体的后继密封。通过例如在包含有蛋白质作为识别元素的溶液中浸没(submerging)碳纳米管结构或者涂覆有碳纳米管层的基底，简单地使在碳纳米管上吸收的分析物识别元素与碳纳米管接触。弱相互作用力例如范德华力或其他的那些确保了蛋白质在碳纳米管的表面上被吸收。当分析物识别元素与碳纳米管中包含的官能团发生化学反应时，分析物识别元素共价键合到碳纳米管。例如，在包含具有氨基的识别分子的溶液中，浸没(submerging)被基团-COOH官能化的碳纳米管结构，或者浸没涂覆有被-COOH官能化的纳米管层的基底。这导致酰胺的化学形成，由此识别分子以稳定的方式键合到碳纳米管上。在通过介入薄膜(interposedmembrane)使分析物识别元素层与碳纳米管接触的情况下，所述薄膜通过单体的"原位"聚合在碳纳米管上沉积，接着该薄膜的官能团与识别分子以类似于先前部分所描述的方式发生共价反应。在本发明的另一方面，将提供前述全固体接触ISE用于分析物的定性、定量或半定量分析的用途。如先前所指出的，这些分析物可以是无机阳离子或阴离子、有机阳离子或阴离子、中性分析物、具有低分子量的有机分子、具有高分子量的有机分子或细胞。在具体实施方案中，分析物是离子。因此，在测量条件下，对离子物质进行所述分析(例如，苯异丙胺只是来自约9.9的测量ra的离子)。在优选实施方案中，分析物是钾离子。下述实施例说明本发明，但绝不构成对本发明范围的限制。实施例1制备全固体接触ISE，以用单壁碳纳米管的转导器层和钾离子选择性薄膜分析钾对于传感层，使用含有缬氨霉素作为离子载体的钾离子选择性薄膜。所使用的钾选择性薄膜根据科学文献(LYHeng和EA.H.Hall，ACA403(2000)77-89，"Methacrylic-acrylicpolymersinion-selectivemembranes-achievingtherightpolymerrecipe")中描述的方法来构建，并且含有1.6重量％(20.lmmolkg-l)的缬氨霉素、0.5重量％(5.lmmolkg—1)的亲油性阴离子(四(4-氯苯基)硼酸钾)(KTC1PB)和97.9重量％的甲基丙烯酸甲酯_甲基丙烯酸二甲酯MMA-DMA单体。将200mg的该混合物溶解于2ml的二氯甲烷。为了制备电极，将1重量％的单壁碳纳米管(SWCNT)在十二烷基硫酸盐中的悬浮液以气溶胶形式喷雾(Kaempgen2006，supra)在充当机械基底的PVC绝缘线缆上(Furtado等人，J.Am.Chem.Soc.2004，126，6095-6105，"DebundlingandDissolutionofSingle-WalledCarbonNanotubesinAmideSolvents")。在用大量水洗涤并干燥之后，我们观测近似厚度为15iim的纳米管网络形成的转导器层。图3示出了所制备纳米管网络的AFM(原子力显微镜)图像。通过在上述二氯甲烷溶液中浸泡(immersing)涂覆有纳米管层的PVC线缆，在纳米管网络上沉积选择性薄膜(具有50iim的近似厚度)。图4a)示出了所制备本发明电极的构造。采用同样的方法，制备不具有单壁碳纳米管的转导器层的电极作为对照电极。实施例2使用实施例1中制备的全固体接触ISE分析钾离子浓度在室温(22°C)下持续搅动来测量电势。所使用的参比电极是Ag/AgCl/3MKCI的双接界电极(MethromAG型6.0729.100)，包含LiAc01M溶液作为盐桥。实验在用HN0310一、溶液预处理过夜的100ml玻璃烧杯中进行。测得的所有电动势(EMF)值都用亨德森(Henderson)方程对测得的液体接界电势值进行校正。使用德拜-休克尔(Debye-Huckel)近似来计算活性系数。带有高阻抗输入的电位计(keithley6514)用来测量电动势。结果和讨论柃测限在各种钾离子浓度下测量在实施例1中制备的全固体接触ISE的电动势或EMF(零电流下的电压)。在图5和图5bis中示出了由离子K+活性连续递增而获取的校准曲线(EMF相对于活性的对数)。图5示出了实施例1的电极对于K+活性的对数的电势响应(potentiometricresponse)。该电极处于0.01MKCI的条件中1个小时，并且在各次使用期间存储在相同的溶液中。所获得的检测限或LOD为10—55M。当使用对照电极(不带有单壁碳纳米管或SWCNT的转导期层的全固体接触ISE)时未获得任何信号。检测限(LOD)表示能够由电极可靠地检测出的所关注分析物的最小量或浓度。LOD越低，其可靠性越强。它使用所画出的直线段的交叉点来计算。实施例l中制备的电极可以检测离子K+的最小浓度为10—5'5M，换言之，与通过带有基于导电性聚合物的内部转导期层的全固体接触ISE所检测的相比，它能够检测的K+离子浓度为每升十分之几微摩尔的级别。图5bis示出了在钾活性的一个对数范围(_4.5到-1.5)内，实施例1的电极对于K+活性的对数的电势响应。所得的斜率(gradient)为(58.1±0.4)mV/活性的以10为底的对数(decadeofactivity)，它揭示能斯脱(Nernstian)响应。因此证实了该电极提供与应当在诸如K+离子等正1价离子的检测中获得的理论值(59.16mV/活性的以10为底的对数(decadeofactivity))非常类似的响应，换言之，该电极呈现良好的可靠性。选择性测量电势选择性系数K/°t，其中K是所关注的离子(钾)，J是也能够被检测的离子，构成了所纪录测量中的干扰(interference)。所述系数从数量上反映了电极与除了所关注分析物以外的其他化学物质相互作用的选择性或能力。表1示出了用实施例1中制备的全固体接触ISE获得的选择性系数，以及用类似的但具有导电性聚合物或CP转导器层的其他电极获得的选择性系数(Michalska，A.，AnalBioanalChem384(2006)391-406，OptimizingtheanalyticalperformanceandconstructionISEswithconductingpolymer-basedion_to_electrontransducers")。表1.实施例1的全固体接触ISE(CNT转导器层)和现有技术电极(CP转导器层)的电势选择性系数IonJCNT转导器层CP转导器层logKKJpotlogKKJpotLi+—3.9±0.4—4.1Na+-4.1±0.6—4.2NH4+-2.3±0.2-2.0Ca2+-5.2±0.7—4.9Mg2+—5.2±0.4—5.1约低于10—25(logKK/°t<2.5)的选择性系数表明电极响应不因其他离子的显著浓度而改变。因此，与带有导电性聚合物转导器层的现有技术电极相类，实施例1的全固体11接触ISE显示了对钾离子的良好选择性。响应时间测量响应时间，该响应时间理解为由实施例1的全固体接触ISE获得从引入分析物直至稳定响应的时间。结果在图6中示出，它表示由实施例1的全固体接触ISE获得的随时间变化的电势响应(电动势，EMF二零电流下的电压)。插图示出了所选测量范围的放大图像。如从图6中可以观察到的，在分析物的低浓度下(10—9_10—8)，响应时间为1分钟。然而，在高浓度下(10—6-10—s)，响应时间几乎是即时的，低于5秒。因此，与带有内部溶液的现有技术电极类似，实施例1中制备的电极的响应非常快。响应可靠件在不同的钾离子浓度下，随着时间变化，测量实施例1中制备的全固体接触ISE的电动势或EMF(零电流下的电压)。结果在图7中示出。该电极处于0.01MKCI的条件下l个小时，并且在每次使用之间存储在同样的溶液中。图7示出了本发明电极随时间变化的响应稳定性由于在这些天测量同样的溶液，当测量非常低的浓度时，电极响应轻微地发生变化。然而，对于等于或大于10—5M的钾浓度，所得响应在22天之后是相同的。结果，实施例1的电极显示了随时间变化的高度响应稳定性。因此，可以认为，实施例1中制备的全固体接触ISE对于高于10—55MKCI的浓度而言是可靠和可再现的。实施例3制备全固体接触ISE，用单壁碳纳米管的转导器层和由共价键合到纳米管上的适体形成的传感层分析凝血酶。对于传感层，使用共价键合到转导器层的碳纳米管的适体。具体而言，对于图8中所表示的a-凝血酶，我们使用15个碱基(GGTTGGTGTGGTTGG)的选择性适体。在所述图8中，也可以观察基本单元的序列和观察空间排列两者，以及可以观察该适体通过其共价键合到单壁碳纳米管的点。为了制造该电极，采用下述工艺1.SWCNT的净化遵循Furtado等人的工艺(Furtado等人，2004，supra)，通过用HN032.6M处理4小时以回流。2.在圆柱型非导电性PVC基底上的羧化纳米管层(在阶段l中通过酸处理引入-COOH基团)(4a的构造)。采用科学文献(K.Maehashi，T.Katsura，K.Ke皿n，Y.Takamura，K.Mats翻to禾口E.Tamiya，Anal.Chem.79(2007)782-787，"Label-FreeProteinBiosensorBasedonAptamer-ModifiedCarbonNanotubeField-EffectTransistors")中所述的工艺，通过将在包含十二烷基硫酸钠的水溶液中分散的纳米管喷雾来进行沉积。将碳纳米管洗涤并干燥，并竖着附着到PVC基底上。3.使羧基活化，以将它们与a凝血酶(识别分子)的15个碱基适体共价键合。为了活化，使用诸如EDC(l-乙基-3-[3-二甲基氨基丙基]碳二酰亚胺盐酸盐)的碳二酰亚胺型化合物。为此，将包含羧化纳米管的PVC基底置于EDC的水溶液中，获得如图9中所示的官能化和活化的纳米管。4.遵循参考文献(Hye-MiSo，Jeong-0Lee等人，J.Am.Chem.Soc.127(2005)11906-11907"Single-WalledCarbonNanotubeBiosensorsUsingAptamersasMolecularRecognitionElements")中示出的图表，制造用EDC活化的纳米管，以在水溶液(将其上具有活化纳米管层的PVC基底引入到溶液中)中于室温下与凝血酶选择性适体的氨基起反应，获得共价键合到凝血酶适体(识别分子)上的纳米管，如图10所示。实施例4使用实施例3中制备的全固体接触ISE分析a-凝血酶的浓度在室温(22°C)下通过持续搅动来测量电势。所使用的参比电极是Ag/AgCl/3MKCI的双接界电极(MethromAG型号6.0729.100)，包含有LiAcO1M溶液作为盐桥。在用丽0310—、溶液预处理过夜的100ml玻璃烧杯中进行实验。测得的所有电动势(EMF)值都用亨德森(Henderson)方程对测得的液体接界电势值进行校正。使用德拜-休克尔(Debye-Huckel)近似来计算活性系数。带有高阻抗输入的电位计(keithley6514)用来测量电动势。结果和讨论a-凝血酶的检测各种浓度的a-凝血酶下，随着时间变化测量在实施例3中制备的全固体接触ISE的电动势或EMF(零电流下的电压)。结果在图ll中示出。为此，首先在对应于生理pH(pH=7.4)的磷酸盐缓冲溶液中浸没该电极，并且观察到由构成电极提供的电动势保持恒定。在9分钟之后，我们将在磷酸盐缓冲液中溶解的a-凝血酶的溶液加入到该溶液中，以使溶液的总浓度为8nM。观测到响应的显著变化，它在小于1分钟的时间内稳定。对浓度为16、24和32nM的a-凝血酶重复该操作。在图11中，可以观察到电极正确地响应不同浓度的所选分析物，直到所有适体都与凝血酶反应，导致电极饱和。因此，实施例3的电极对于将凝血酶的浓度计算到与血液中发现的同样量级是有用的。权利要求一种全固体接触ISE，其特征在于，它包括使传感器层和导电元件接触的碳纳米管转导器层。2.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，所述碳纳米管转导器层由一个或多个碳纳米管形成。3.根据权利要求2所述的电极，其特征在于，所述碳纳米管选自单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。4.根据权利要求l所述的电极，其特征在于，所述碳纳米管转导器层的厚度在l.5nm至50iim之间。5.根据权利要求4所述的电极，其特征在于，所述碳纳米管转导器层的厚度在lym至30践之间。6.根据权利要求5所述的电极，其特征在于，所述碳纳米管转导器层具有15iim的厚度。7.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，所述传感层选自离子选择性薄膜、带有在其基质中捕获的分析物识别元素的凝胶、带有包封的分析物识别元素的半渗透性薄膜、在碳纳米管上吸收的分析物识别元素层、共价键合到碳纳米管的分析物识别元素层和通过介入薄膜与碳纳米管接触的分析物识别元素层。8.根据权利要求7所述的电极，其特征在于，所述传感层是离子选择性薄膜。9.根据权利要求8所述的电极，其特征在于，所述传感层是钾离子选择性薄膜。10.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，所述传感层的厚度在O.1至1000ym之间。11.根据权利要求10所述的电极，其特征在于，所述传感层的厚度在l至100iim之间。12.根据权利要求11所述的电极，其特征在于，所述传感层具有50ym的厚度。13.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，它包括基底。14.根据权利要求13所述的电极，其特征在于，所述基底是导电性基底。15.根据权利要求13所述的电极，其特征在于，所述基底是非导电性基底。16.根据权利要求1-15所述的全固体接触ISE的制备方法，其特征在于，所述方法包括(a)制备碳纳米管转导器层，禾口(b)使阶段(a)中制备的转导器层与传感层接触。17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，在阶段(a)中，通过经由气溶胶喷雾、沉积液滴、浸泡或浸渍用碳纳米管的悬浮液涂覆基底，从而制备所述转导器层。18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，在阶段(a)中，通过碳纳米管的粉末压制来制备所述转导器层。19.根据权利要求1-15所述的全固体接触ISE用于分析物的定性、定量或半定量分析的用途。20.根据权利要求19所述的用途，其特征在于，所述分析物是离子。21.根据权利要求20所述的用途，其特征在于，所述分析物是钾离子。全文摘要本发明限定了固体接触离子选择性的电极，其包括使传感器层和导电元件接触的碳纳米管转导器层。此外，本发明还限定了所述固体接触离子选择性的电极的制备方法及其用于分析物的定性、定量或半定量分析的用途。所述固体接触离子选择性的电极可靠地和可再现地检测或量化多种不同化学物质，并且还具有来源于其简单性和低制造成本的额外优势。文档编号G01N27/333GK101796404SQ200880101055公开日2010年8月4日申请日期2008年5月27日优先权日2007年5月29日发明者加斯顿·阿德里安·克雷斯波·帕拉巴诺,圣地亚哥·马乔·阿巴里西奥,弗朗斯克·沙维尔·瑞斯费洛斯,约第·瑞奥·拉塞尔申请人:洛维拉·依维尔基里大学