氧传感器及其用途
【专利摘要】本发明公开了氧传感器及其用途，而更具体地涉及用于在气调条件下在包装外封内储存制品的产品包装中使用的氧传感器，其中氧传感器包含可选地用一种或多种配体改性和/或可选地具有聚合物结构的固态氧代-羟基金属离子材料。所述传感器可存在于，例如，由如明胶等材料形成的水合的氧可渗透基质。所述传感器适用于许多【技术领域】，并且在食品包装领域找到具体应用，因为其安全一次性的（例如，是环境友好的），生产廉价，并且在氧存在下提供易于读取的可检测的变化。
【专利说明】氧传感器及其用途
【技术领域】
[0001]本发明涉及氧传感器及其用途，更具体地，涉及用于在气调(modifiedatmosphere)条件下于包装外封内储存制品的产品包装中使用的氧传感器。
【背景技术】
[0002]气调包装，特别是无氧包装，对于延长易腐产品，如食品的保质期，或为其它类型的敏感产品提供保护性气氛正日益重要。然而，这种增长由于缺乏能够确定氧水平保持于合适低水平的合适传感器而受到限制。
[0003]本【技术领域】的这种失败是对理想传感器需求多样化所致。一般来说，这类传感器需要价格低廉，因为包装不能带来过高的成本，特别是对消费产品，如食品。它们也必须是安全且无毒的，因为它们可能与食物接触，可能会发生浸出，或者它们可能具有例如被儿童误食的危险。此外，这种传感器对包装失效的反应优选需要在正常包装环境下是不可逆的。这是很重要的，因为当发生包装失效时氧水平的升高可能由于微生物滋生而发生变质，并可能发生其代谢活性恢复低氧水平。这意味着，可逆传感器可能会指示没有发生包装失效。此外，如果传感器的灵敏度是可以调节(tailorable)的将是有用的，这是因为包装的不同应用可以容许不同氧水平。最后，所述传感器应该理想地易于使用，提供普通用户(unsophisticated user)能够识别的可观察的变化,而无需借助于额外的设备，并很容易引入包装之中。
[0004]市场上有几种产品可商购获得，S卩，Oxy2Dot?,RedEye?和Ageless Eye?。然而，它们却遭致诸多重大限制。
[0005]由OxySense?制造的Oxy2Dot?，是基于荧光的氧传感器。这种产品是粘贴至
包装内侧的小圆圈，并且与氧水平成反比的荧光强度通过光检测器进行测定。采用这种传感器的两个主要问题是(a)需要昂贵的传感设备，和(b)临时高氧水平可能由于传感器按
照可逆模式运行而被忽视。RedEye?按照类似于Oxy2Dot?的原理运行，而因此也遭致类似的限制。
[0006]由Mitsubishi Gas Chemical (MGC)生产的 Ageless Eye?, 一旦氧化就会变化可见颜色。在低氧浓度(〈0.1%)下，传感器显现粉红色的，但当氧浓度逐渐增加时，颜色逐渐变成蓝色。这种传感器的限制在于，其并非是不可逆的，其较昂贵(每个60p)并且染料(亚甲基蓝)是有害的。
[0007]进一步的产品正在开发中。UV活化的氧指示剂目前正由Mills开发。这种传感器，使用与Ageless Eye? (亚甲基蓝)相同的染料，涂布到包装膜的内侧，并仅仅在暴露于UV光时才活化，而其颜色由蓝色变为白色。当传感器暴露于氧时，其恢复蓝色。这种传感器的主要问题是由于使用亚甲基蓝的安全问题、美观(食物污点)和由于长时间暴露在货架灯光下的漂白作用(由蓝至白色)，这可能会导致假阴性。
[0008]对于开发适用于非食品相关领域，如包装药物和保健品，以及适用于其它领域，如储存珍稀书籍和手稿，以及适用于高价值产品的包装，如电子器件和组件的有效氧传感器，也存在需求。
[0009]在其它【技术领域】中已经开发了氧传感。US3，663，176描述了元素周期表第IV B族和第VB族元素的金属盐作为聚合工艺过程中链烯烃(烯烃)流的比色氧指示剂的用途。US2008/0300133公开了一种氧清除剂和指示剂，包含三种组分:(a)氧吸收剂，其是能够从一种氧化态转化成另一种氧化态的金属或金属化合物，(b)金属或金属氧化形式的氧化还原指示剂和/或络合剂，和(c)至少一种聚合物或凝胶电解质。本申请的氧指示剂显然在金属的氧化通过与氧化还原指示剂或络合剂相互作用中的变化而导致所述氧吸收剂物理性质变化如颜色变化之时发生作用。
[0010]GB2, 369，808公开了基于可溶性过渡金属化合物，一般是可溶性配位复合物的颜色变化，用于食品包装的氧或水传感器。
[0011]从以上的讨论，显而易见的是，提供气调包装，尤其是食品包装的有效传感器，在本【技术领域】仍是未解决的问题。
【发明内容】
[0012]概括而言，本发明涉及氧传感器及其用途，更具体地，涉及用于在气调条件下于包装外封内储存制品的产品包装中使用的氧传感器，其中氧传感器包含可选地用一种或多种配体改性的固态聚氧代-羟基金属离子材料。在一些实施方式中，固态聚-氧代-羟基金属离子材料存在于，例如，由某种材料如明胶形成的水合的氧可渗透基质中。尽管本发明可适用于许多【技术领域】，但其尤其适用于食品包装领域。在包装的食品中氧的存在导致食物通过酶催化反应、调味料和营养成分的氧化和/或通过允许好氧食物变质微生物生长而变质。在其中食物包装用惰性气体如氮或二氧化碳吹扫的气调包装，降低氧水平并延长食品的货架寿命。这种包装的市场日益增长，但是当前由于缺乏确保食品包装储存和处理期间维持低氧水平的廉价氧监测仪即氧传感器而受到限制。本发明通过开发出安全一次性的(例如，环境友好的)、生产廉价并在氧存在下提供易于读取的可检测变化的无机氧代-氢氧化物-基传感器而解决了该问题。另外或可替代地，本发明的氧传感器可以由使之对于食品应用内在安全的食品级GRAS试剂进行合成。
[0013]因此，与依靠于响应氧的存在与氧化还原指示剂相互作用而产生可检测的变化的US2008/0300133中所用的传统配位络合物相反，本发明使用了固态聚氧代_羟基金属离子材料。
[0014]因此，在第一方面中，本发明提供了一种氧传感器，包含具有能够响应氧而氧化至第二氧化态的第一氧化态过渡金属离子的固态聚氧代-羟基金属离子材料，其中在固态聚氧代-羟基金属离子材料具有的聚合物结构中一种或多种配体非化学计量地取代氧代和/或羟基基团，而使材料暴露于氧导致固态聚-氧代-羟基材料中的金属离子发生氧化而在材料中产生可检测的变化。在某些情况下在本发明的这个方面中，固态聚氧代-羟基金属离子材料以纳米粒子或纳米结构形式存在。
[0015]在进一步的方面中，本发明提供了一种氧传感器，包含具有能够响应氧而氧化至第二氧化态的第一氧化态过渡金属离子的固态聚氧代-羟基金属离子材料，其中固态聚-氧代-羟基金属离子材料存在于水合的氧可渗透的基质中，而使氧渗透基质导致固态聚-氧代-羟基材料中的金属离子发生氧化而在材料中产生可检测的变化。
[0016]可替代地或另外，本发明提供了一种氧传感器，包含具有能够响应氧而氧化至第二氧化态的第一氧化态过渡金属离子的固态氧代-羟基金属离子材料，其中固态氧代-羟基金属离子材料以纳米粒子或纳米结构形式存在，而使材料暴露于氧导致固态氧代-羟基材料中的金属离子发生氧化而在材料中产生可检测的变化。
[0017]优选地，本发明任何方面中所用的金属离子材料可以以纳米粒子或纳米结构形式分散于基质中。这有助于提高能够与氧可渗透基质接触的材料的表面积。优选地，在本发明的传感器中，金属离子材料未与形成基质的材料形成可溶性复合物，这是US2008/0300133公开的系统中的情况。
[0018]在一个实施方式中，氧传感器包含固态聚氧代-轻基金属离子材料，其具有一种或多种配体非化学计量低取代氧代和/或羟基的结构。正如以下将进一步进行的解释，这一般是指配体结合至固相材料中而具有至少一些可证实的金属-配体键合。
[0019]在进一步的方面中，本发明提供了用于在气调条件下于包装外封内储存制品的产品包装，其中产品包装在外封中包括本发明的氧传感器，而使得氧泄漏到包装外封内导致金属离子发生氧化而在材料中产生可检测的变化。
[0020]在进一步的方面中，本发明提供了本文中公开的氧传感器用于检测氧泄漏至气调条件下于包装外封内储存制品的产品包装而使氧泄漏到包装外封内导致氧代-羟基材料中的金属离子发生氧化而在所述材料中产生可检测的变化的用途。
[0021]在进一步的方面中，本发明提供了检测氧泄漏到用于在气调条件下于包装外封内储存制品的产品包装中的方法，该方法包括:
[0022](a)在气调条件下于包装外封内提供本发明的氧传感器，而使氧泄漏到包装外封内导致氧和氧代-羟基材料中的金属离子发生氧化而在材料中产生可检测的变化；以及
[0023](b)可选地检测材料中的变化以指示出氧向包装外封内的泄漏。
[0024]在进一步的方面中，本发明提供了用于生产本发明的氧传感器的方法，该方法包括:
[0025](a)在反应介质中在组分可溶的第一 pH (A)下混合包含过渡金属离子和可选地一种或多种配体的溶液；
[0026](b)将pH (A)改变至第二 pH (B)以导致固体沉淀或形成配体改性的聚氧代-羟基金属离子材料胶体；
[0027](C)分离、以及可选地干燥和/或配制步骤(b)中产生的固态聚氧代-羟基金属离子材料；以及
[0028](d)可选地加工处理固态聚氧代-羟基金属离子材料，以产生纳米粒子或纳米结构的材料；和/或
[0029](e)可选地实施一种或多种生产后处理(post production treatment),如加热。
[0030]正如以下更详细的解释，该方法可以包括通过将材料，或其前体与一种或多种形成基质的材料混合以形成能够传感氧的水合的氧可渗透基质而在基质中配制固态聚氧代-羟基金属离子材料的进一步的步骤。可替代地或另外，可以在反应时引入一种或多种形成基质的材料以沉淀固态聚氧代-羟基金属离子材料以使该方法包括在溶解的基质材料存在下沉淀固态聚氧代-羟基金属离子材料并固化所得到的材料以在半固态基质中产生固态聚氧代-羟基金属离子材料。
[0031]本发明基于以下认知:含氧化还原金属(MJ的材料在暴露于新的不同氧含量或氧化/还原电位的环境时能够转化氧化态并在某些情况下这会导致含凡的材料颜色变化。因此，本发明利用含凡材料作为改变氧或氧化环境的传感器。已经证明这些材料是高度特异性的含凡材料，其能够满足氧传感器的一种或多种一般要求。这些要求包括:(I)由于这些通常是“一次性”的传感器而需要价格低廉，(2)环境和生物相容性，尤其是用于涉及食品的用途，(3)对不同环境的传感需求可调节以及(4)容易作为传感器读取和解释，优选无需昂贵的设备或用户培训。通常，对于以固体和半固体形式的传感器，所述传感器将包括一定程度的水合度而有助于氧化还原活性，然而在溶液、悬浮液或凝胶相中，传感器优选充分分散以提供足够大的表面积，使之能够灵敏检测。本发明人已经发现，Mr聚氧代-氢氧化物(等同于本领域中所称的羟基-氧化物)的一些特定处理，满足上述所有标准，并且提供氧环境的灵敏和可调节的传感。此外，他们已确定，晶体形式，即氧化物或氢氧化物，也能够以这样的方式进行处理，而允许用于有用的氧传感。因此，在其自组装的早期阶段是聚合的或交联聚合的(记为“聚”)或其更多的晶体形式(记为氧化物或氢氧化物)的Mr氧代-氢氧化物，能够进行改性和/或处理至有用的传感氧水平。对本领域技术人员而言显而易见的是，这种材料的改性可能导致其结晶度降低或其无定形性质增加，这将在下面进行更详细介绍。
[0032]现在将以举例而非限制性的方式参照附图和实施例描述本发明的实施方式。
[0033]采用本文中所用的“和/或”来具体公开两个特定特征或组件中的每一个(在有或无另一个的情况下)。例如，采用1和/或8”来具体公开(1)4、()8和(1)八和8中的每一个，就如同在本文中单独给出每一个。
[0034]除非上下文另有规定，上面给出的特征的描述和定义并不仅限于本发明的任何特定方面或实施方式，而是同等地适用于所描述的所有方面和实施方式。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]图1a:在氮气氛下合成Fe2+4Q0H期间的相分布，其中用于描述这些材料的术语在下面描述。
[0036]图1b:引入到明胶中之前Fe2+4(l0H的粒径，表明未经改性，它将会形成大聚结体(N=3)。
[0037]图1c:分散于明胶基质中的2_15nm的Fe2+4(l0H纳米粒子的TEM图像。所述纳米粒子(在所述TEM图像中显示为小黑棒)是按照实施例8的描述生成并引入到明胶基质中，随后允许通过暴露于空气而氧化。
[0038]图2a:在Fe2+4Q0H-T2(IQ合成期间的相分布。
[0039]图2b:合成之后Fe2+4Q0H-T2(IQ纳米粒子的粒径分级(N=3)。
[0040]图3:氮气氛下合成·Fe2+4(l0H-T2(l(lSucc2(l(l期间的相分布。
[0041]图4:合成之后Cu2+2(l0H-Cys2(l纳米粒子的粒径分级(N=3)。
【具体实施方式】
[0042]金属离子(M)
[0043]本发明可以采用固态聚氧代-羟基金属离子材料作为响应氧存在的氧传感器的元素源。这些可以是或可以不是固态配体改性的聚氧代-羟基金属离子材料。固态配体改性的聚氧代-羟基金属离子材料的生产和表征公开于我们早期的专利申请W02008/096130中，通过引用将其全部内容清楚地并入本文中，并且这些方法也可以用于生产固态聚氧代-羟基金属离子材料，即，配体并未引入到材料中的材料。在配体引入其中的材料中，固态配体改性的聚氧代-羟基金属离子材料可以通过非化学计量式(MxLy(OH)n)表示，其中M表示一种或多种金属离子，L表示一种或多种配体而OH表示氧代或羟基基团，这要取决于这些基团是桥连(氧代基团(桥氧基，OXO group))还是固体氧代氢氧化物材料中的表面基团。如在本【技术领域】内众所周知的，非化学计量的化合物是具有并不能通过明确定义的自然数之比表示的元素组成的化学化合物，即以上式中的下标x、y和η不一定都是自然数，即使这种材料能够按照可重复再现的方式制成，并具有恒定一致的重现性能。
[0044]方便的是，在将最初以盐形式存在的金属离子溶解并随后引入以形成聚氧代-羟材料时，可以形成固态聚氧代-氢氧化物。这可以可选地在一种或多种配体(L)的存在下发生，并导致配体中的一些通过形式M-L键接(称为“配体键合”)而结合至固态相中，即并非所有的配体(L)都被本体材料简单地捕获或吸附于其中。材料中金属离子的键连，可以利用物理分析技术如红外光谱法测定，其中光谱将具有金属离子和配体(L)之间的键的特征峰，以及材料中存在的其它键的特征峰如配体物质(L)中的M-0、O-H和键。优选的金属离子(M)在材料适用并易于通过形成氧代-氢氧化物从水溶液中是可容易沉淀的条件下是生物相容的。
[0045]在本发明中，用于形成传感器的材料需要具有至少两种氧化态并需要产生可检测的变化，优选可见的颜色变化或UV-可见的变化，其中材料中的过渡金属离子响应于对氧或氧化环境的暴露而从第一较低氧化态氧化至第二较高氧化态。还优选它们是生物相容的材料，特别是对于它们在用于接近食品的应用。这些因素意味着，本发明的传感器优选基于过渡金属氧代-氢氧化物，因为它们通常具有所需的性质并具有以下附加优点:通过简单方法生产，容易合并于半固态基质中，安全并且一旦暴露于氧(在正常包装条件下)时发生不可逆的变化。金属离子的实例包括铜、铁、铬、钒、锰、钛、钴、钥和/或钨。产生本发明中可以使用的颜色变化的金属氧化态包括:铁(F62+至F/+)，铜(Cu+至Cu2+)和钴(C。2+至C。3+)，其中所有都具有在两种氧化状态下无毒的优点。还优选导致颜色变化的金属离子的氧化态变化是不可逆的，或至少在其中将其用作氧化传感器的条件下是不可逆的。在一些实施方式中，可以使用不只一种类型的金属离子(2、3、4或更多种)。
[0046]如果没有改性，本文所用材料的初级粒子具有金属氧化物核和金属氢氧化物表面，并在不同的学科内可以称为金属氧化物或金属氢氧化物。术语“氧代-羟基”或“氧代-氢氧化物”的使用是用来认知这些事实而并不涉及任何氧代或羟基基团的比例。因此，可以等价地使用羟基-氧化物。如上所述，本发明的配体掺杂的材料在金属氧代-氢氧化物的初级粒子水平上，采用至少一些配体L引入到初级粒子的结构中，即导致通过配体L掺杂初级粒子而进行改变。
[0047]本文中固态聚氧代-羟基金属离子材料的初级粒子通过称之为沉淀法的工艺进行生产。术语沉淀法的使用通常是指材料聚集体的形成，其通过沉淀或离心从溶液中分离出来。本文中，术语“沉淀”用来描述所有固相材料的形成，包括如上所述的聚集体和并未聚结而在悬浮液中保持为非可溶部分的固体材料，无论其是否是颗粒状的，例如，纳米粒子或纳米结构的。这些材料形式具有的优点在于，材料能够很容易分散于基质中或以粉末的形式使用，具有与氧反应的高表面积。本领域技术人员能够很容易地确定材料是否是纳米粒子或纳米结构的，例如如果以水性悬浮液存在，使用诸如动态光散射的技术，或相当的技术，或者如果作为粉末或在基质中存在，则使用TEM，或相当技术进行测定。优选地，纳米结构的材料包括其结构要素(簇、微晶或分子)具有尺寸在I至IOOnm范围内的材料。
[0048]在本发明中，可以参考具有聚合物结构的金属氧代-氢氧化物，其一般在超过临界沉淀PH值时形成。正如本文所用，这不应该视为表明材料的结构是具有规则重复单体单元的严格意义上的聚合物，因为，正如已经指出的情况，配体引入(正如可适用的情况下)，除非巧合，是非化学计量的。通过取代氧代或羟基基团而导致固态相序(phase order)发生变化而将配体物质引入到固相结构中。氧代-氢氧化物金属离子材料的聚合性质在Flynn，Chem.Rev.，84:31-41，1984 中进行了 讨论。
[0049]可替代地或另外，对于根据本发明所用的配体改性材料，还可以存在材料结构结晶度的降低或无序性的增加，这可以通过高分辨率透射电子显微镜测定。高分辨透射电子显微镜允许进行材料结晶图案的视觉评价。它能够指示初级粒子尺寸以及结构(如d-间距)并给出有关无定形和结晶材料之间分布的一些信息。使用这种技术，显而易见，相比于对应的未引入配体的材料，上述化学作用提高了我们所描述的材料的非晶相。这使用高角度环形暗场像差校正扫描透射电子显微镜，可能尤其明显，因为实现了高对比度同时维持了分辨率，从而允许表面以及材料初级粒子的本体的可视化。
[0050]本发明材料可再现的物理化学性质或特性将取决于材料的应用。可以例用本发明有用地调节的性质的实例包括:粒径、光吸收/反射性能、硬度-柔软度、颜色、氧化还原能力、溶解和封装性能。在本文上下文中，如果在标准偏差优选±20%，更优选±10%之内，甚至更加优选±5%的限制范围内，重复实验可再现，则性质或特性可以是可再现的。
[0051]配体(L)
[0052]在本发明的用于形成氧传感器的氧代-羟基金属离子材料是配体改性的实施方式中，固相配体改性的聚氧代-羟基金属离子物质由式(MxL-y (OH)n)表示，其中L表示一种或多种能够引入固相配体改性的聚氧代-羟基金属离子材料中的配体或阴离子。举例而言，配体可以用于调节一种或多种以下性质:材料暴露于氧之前和之后的颜色，响应氧的(颜色)变化速率，对氧，即氧水平的响应灵敏度，例如小于0.1%，或小于0.5%或小于1.0%或小于5.0%，需要诱导可检测的变化或者对氧或氧化环境响应的动力学。
[0053]在本文描述的材料中，优选的配体的实例可以包括一种或多种以下类型的配体。
[0054](a)经典的阴离子配体，选自磷酸根、硫酸根、硅酸根、硒酸根和/或碳酸氢根；和/或
[0055](b)食品添加剂配体，如麦芽醇和乙基麦芽醇；和/或
[0056](c)氨基酸配体，如色氨酸、谷氨酰胺或组氨酸；和/或
[0057](d)营养类配体，如叶酸、抗坏血酸盐或烟酸；和/或
[0058](e)羧酸配体，如葡糖酸或乳酸；和/或
[0059](f)来自半固态基质的侧基，例如，明胶的氨基酸侧链。
[0060]羧酸配体可以使用，如直链二羧酸配体。这些的实例包括式HOOC-R1-COOh表示的配体，其中R1是可选取代的烷基、烯基或炔基基团，或其离子化形式，例如，R1是C1,烷基基团，其中R1用一个或多个羟基基团可选取代。这些配体的具体实例包括琥珀酸、苹果酸、己二酸、戊二酸、庚二酸、柠檬酸、天门冬氨酸或酒石酸，或它们的离子化形式，即，其中配体是琥珀酸根、苹果酸根、己二酸根、戊二酸根、庚二酸根、柠檬酸根、天门冬氨酸根或酒石酸根。
[0061]羧酸配体作为酸存在还是部分或完全离子化并以羧酸盐阴离子的形式存在，取决于一系列因素，如材料生产和/或回收时的PH值，生产后的处理或配制步骤的使用，以及配体如何引入到聚氧代-羟基金属离子材料中。在一些实施方式中，由于材料通常在pH>4下回收则至少一定比例的配体将以羧酸根的形式存在，并且因为配体和带正电荷的金属离子之间的相互作用将会通过带负电荷的羧酸根离子的存在而大大增强。为免生疑问，根据本发明的羧酸配体的使用涵盖了所有这些可能性，即作为羧酸存在的配体，以非离子化的形式，以部分离子化的形式(例如，如果配体是二羧酸)或完全离子化为羧酸根离子，以及它们的混合物。
[0062]不希望受限于任何具体理论，本发明人认为，配体可以作为来自基质材料的侧基提供，在基质材料中金属氧代-氢氧化物是固定和/或分散的。例如，半固态基质如明胶可以用于固定和分散传感器而使明胶中氨基酸的一些侧链可以引入聚氧代-羟基金属离子材料的初级粒子表面，从而改变其理化性质。
[0063]通常情况下，例如，相比于其中不存在一种或多种配体的聚氧代-羟基化的金属离子物质，将配体引入到固相聚氧代-羟基金属离子材料中以辅助固态材料的物理化学性质改性。在本发明的一些实施方式中，一种或多种配体L也可以具有一定的缓冲能力。本发明可以采用的配体的实例包括，但决不限于:羧酸如己二酸、戊二酸、酒石酸、苹果酸、琥珀酸、天门冬氨酸、庚二酸、柠檬酸、葡糖酸、乳酸或苯甲酸；食品添加剂如麦芽醇、乙基麦芽醇或香草醛；具有配体性质的“经典阴离子”如碳酸氢根、硫酸根、亚硝酸根、硝酸根和磷酸根；无机配体如硅酸根、硼酸根、钥酸根和硒酸根；氨基酸如色氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸、缬氨酸或组氨酸；以及营养类配体如叶酸、抗坏血酸盐、吡哆醇或烟酸或烟酰胺。通常，配体由于在溶液中对某些金属离子具有高亲和力或由于仅仅具有低亲和力而可以在本领域中良好地认知，或者对于给定金属离子通常根本就不被当作配体认知。然而，我们已经发现，在聚氧代-羟基金属离子材料中，尽 管在溶液中明显缺乏活性，但配体可能具有一定作用。通常，对金属离子的亲和力不同的一种配体或两种配体用于生产这些材料，尽管有零、一种、二种、三种、四种或更多种的配体在某些应用中可能有用。
[0064]对于许多应用而言，配体需要在所使用的条件下是生物相容的，而通常具有一种或多种在反应点具有孤对电子的原子。这些配体包括阴离子，弱配体和强配体。配体在反应期间可以具有一些本征缓冲容量。
[0065]一种或多种金属离子与一种或多种配体(L)的比率也是固相配体改性的聚氧代-羟基金属离子材料的参数，这些材料可以根据本文中公开的方法改变以改变这些材料的性质。一般来说，有用的M:L比将处于10:1、5:1、4:1、3:1、2:1和1:1至1:2、1:3、1:4、1:5或1:10之间。
[0066]贯穿这些实例，Mi+jOH-Lk的命名法适用于描述配体改性的聚氧代-羟基过渡金属材料的制备；其中I )M是指过渡金属，i+是指其价态，而j是其合成之前在初始溶液中的浓度和2)L是指配体而k是指其浓度。对于配体数没有限制并且如果不存在配体，所使用的命名法是Μ?+」0Η。例如，定义为Fe2+4(l0H-Tart2(l(l的纳米粒子聚氧代-羟基材料由包含40mM亚铁和200mM酒石酸的初始溶液制备。除了生产用于氧传感的改性或未改性的聚-氧代-羟基材料之外，表明也可以采用更结晶性的(more crystal I ine )类似物，即氢氧化物和氧化物。这些更结晶性的结构最初通过在配体存在下水性沉淀进行类似制备，但反应条件要经过选择而确保达到结晶度，这通常通过X-射线衍射测量进行评价。然而，这对于本【技术领域】技术人员而言显而易见的是，存在包括使用热的其它方法将聚氧代-羟基相转化成晶相。
[0067]生产和加工处理用于制作氧传感器的材料
[0068]一般而言，本发明的所述材料可以通过包括以下步骤的方法生产:
[0069](a)在组分可溶的第一 pH (A)下于反应介质中混合包含过渡金属离子和可选的一种或多种配体的溶液；
[0070](b)将pH (A)改变至第二 pH (B)以引起固体沉淀或形成可选的配体-改性的聚氧代-羟基金属离子材料的胶体；
[0071](c)分离和可选地干燥和/或配制步骤(b)中产生的固态聚氧代-羟基金属离子材料；以及
[0072](d)可选地处理固态聚氧代-羟基金属离子材料而使之产生纳米粒子或纳米结构的材料；和/或
[0073](e)可选地实施一种或多种生产后处理如加热。
[0074]在配体是由形成半固态基质的材料提供的情况下，该方法可以包括在一种或多种溶解的基质材料存在下沉淀固态聚氧代-羟基金属离子材料并固化所得到的材料以在半固态基质中产生固态聚氧代-羟基金属离子材料的步骤。尽管不期望受限于任何具体理论，但本发明人相信，在这种材料中源于半固体基质的侧基能够起到固态聚氧代-羟基金属离子材料中的配体的作用。
[0075]因为用于形成氧传感器的材料在大气氧存在下是可氧化的，则其最好是在惰性气氛下或减氧条件下制备将是显而易见的。可以采用的其它条件的实例包括以下使用小于
2.0的第一 pH值(A)和3.0至12.0之间，优选3.5至8.0而更优选4.0至6.0之间的第二 pH值(B)，并且在室温(20-25°C)下进行反应。在一般情况下，优选在步骤(a)中，溶液含有20至IOOmM的Fe3+和O至250mm的合适羧酸配体，更优选约40mM Fe3+和〈100mM的配体。如果使用配体，则优选的配体是酒石酸。
[0076]然后候选材料的分离，随后接着一个或多个表征或测试材料的步骤。进一步的步骤或生产后处理的实例包括，但不限于:加热、洗涤、离心、过滤、喷雾干燥、冻干、真空干燥、烘箱干燥、渗析、球磨、粒化、包封、嵌埋(例如，于明胶中)、压片、混合、压缩、纳米化和微米化。
[0077]当这些材料用作氧传感器时，进一步的步骤包括将固态聚氧代-羟基金属离子材料形成其用作氧传感器的形式。举例而言，固态聚氧代-羟基金属离子材料可以分散于形成基质的材料如明胶中以形成半固态基质，与水混合以形成水性悬浮液，或者涂布或喷雾干燥于基底上以提供粉末涂层形式的传感器。
[0078]应该指出的是，可以使用不同尺寸和形状的传感器以控制传感时间。例如，在较浅模具中制作的传感材料，与本文中所描述的那些相比，将会变色更快，因为在氧达到全部传感材料之前氧渗透通过半固态基质的距离更短。
[0079]羟基和氧代基团[0080]本发明可以采用在形成这些聚氧代-羟基材料时能够提供用于羟基表面基团和氧桥键合(0X0 bridging)的浓度下形成氢氧根离子的任何方式。实例包括，但不限于，碱溶液如氢氧化钠，氢氧化钾，碳酸氢钠，将其加入以提高ML混合物或M (+)溶液中的[0H];或者酸溶液如无机酸或有机酸，将其加入以降低ML混合物或M (+)溶液中的[0H]。
[0081]用于产生本发明组合物的条件可以经过调整以控制所述沉淀的物理化学性质，或有助于其收集，回收或与一种或多种赋形剂进行配制。这可能涉及有目的地抑制聚结作用，或使用干燥或研磨步骤进而影响材料的性质。然而，对于任何这种从溶液相提取固体的体系这些都是普通变量。在分离出沉淀的材料之后，在使用或进一步配制之前也可以可选地进行干燥。然而，干燥的产品可以保留一些水并且处于水合的固相配体改性的聚氧代-羟基金属离子材料的形式。对于本领域技术人员而言显而易见的是，在本文中描述用于回收固相的任何阶段，可以加入与固态聚氧代-羟基金属离子材料混合而不会改性初级粒子的赋形剂，并以对材料预想功能优化配制而是用。这些的实例可以是，但不限于，糖脂，磷脂(例如，磷脂酰胆碱)，糖及多糖，糖醇(例如，甘油)，聚合物(例如，聚乙二醇(PEG))和牛磺胆酸。
[0082]用途
[0083]本发明的氧传感器可以适用于许多应用，特别适用于包装和储存领域，尤其是在一般在包装外封内使用氮和/或二氧化碳的气调条件下储存的情况。因此，传感器可以适用于包装和/或存储食品、药品、保健食品、文件、书籍或手稿，或电子设备或组件等各种产品O
[0084]材料和方法
[0085]所有化学品，除了来自商业供应商(Oetker)的无色牛肉明胶之外，都购自SigmaAldrich (Dorset，UK)。
[0086]用于作为氧传感器的金属氧代-氢氧化物的合成
[0087]本文中描述的金属氧代-氢氧化物通过提高初始溶液的pH值来生产，该初始溶液包含至少能够发生氧化至较高氧化态的低氧化态可溶性过渡金属如Fe2+或Cu+。这种初始溶液通常呈酸性，处于1.0>ρΗ值>7.0之下，但也可以使用更高的pH值，条件是金属能够在这种初始条件下保持可溶性。这种初始溶液能够可选地包含本文中所述类型的一种或多种配体如酒石酸或琥珀酸。此外，电解质如NaCl或KC1，也可以加入到初始溶液中。随后，通过逐渐升高pH值(例如，NaOH)直至达到合适的pH值的胶体形成和/或沉淀的过程而形成氧代-氢氧化物材料。沉淀通常是在室温(20-25°C)下进行，但如果需要，也可以使用较高的温度。根据预期的应用，还原性化合物，包括还原性糖如葡萄糖或果糖可以在合成过程中在任何点加入以达到调节材料对氧的灵敏度的目的。最后，根据所述矿物质的性质和预期应用，可以通过一系列策略回收所形成的无机物(矿物质)。请注意，合成过程应该优选在低氧条件下完成，因为这防止初始可溶性金属或随后产生的金属氧代-氢氧化物的氧化。低氧条件能够通过本文中未描述的一系列策略，如氮流而实现。更结晶性的传感器的合成，可替代地实施例中其它地方描述的预先生产的非晶材料转化成更结晶的相，可以使用以上所述的类似条件获得。然而，较高的PH值(ρΗ>11)和/或更高的温度(>60°C)，也可以用于其合成之中。
[0088]合成后回收和测试[0089]用于本发明金属氧代-氢氧化物合成后回收的技术，取决于所合成的矿物质的应用和性质。金属氧代-氢氧化物可以通过一系列方法如过滤或离心进行回收。在以下实施例中，金属氧代-氢氧化物作为(i )水性悬浮液，(i i )干粉，或(i i i )作为半固态基质的一部分进行测试。
[0090]水性悬浮液
[0091]一旦合成，纳米粒子的金属氧代-氢氧化物稳定保持于悬浮液中，并能够直接用于氧传感。一旦暴露于大气氧，或其它任何氧源时，纳米粒子材料就会经历氧化过程，伴随可以被监测的相关颜色变化或UV吸收变化。
[0092]干粉
[0093]一旦合成，金属氧代-氢氧化物可以干燥并作为干粉用于氧传感。金属氧代-氢氧化物粉末可以直接由最终的悬浮液或通过离心、过滤或超滤获得的团粒直接进行干燥。一旦暴露于大气氧，或其它任何氧源，干燥的材料会经历氧化过程的，伴随能够用于氧传感的相关颜色变化。这种粉末也可以引入涂料或喷涂组合物中方便于应用。
[0094]半固态基质
[0095]一旦合成，金属氧代-氢氧化物可以结合至半固态基质，如明胶基质中，其以纳米粒子形式固定和分散材料。在不存在半固态基质的情况下，也可以分散将会维持微米尺度聚集体的材料。举例而言，基质能够通过将明胶粉末如牛肉明胶溶解于金属氧代-氢氧化物水性悬浮液中并随后将其冷却，从而形成半固态基质而进行生产。可替代地，基质可以作为用于生成金属氧代-氢氧化物的反应的一部分进行产生。方便的是，按照10%-20% w/w之间的量使用明胶。一旦暴露于大气氧，或其它任何氧源时，处于半固态基质中的金属氧代-氢氧化物，会经历氧化过程，伴随能够用于氧传感的相关颜色变化。
[0096]可以用作将本发明氧传感材料保持于分散体中并优选以纳米粒子化的形式的半固态基质的材料实例包括来自生物源的水性胶体或水凝胶，如，但不限于:
[0097]明胶(例如，牛肉、猪肉)，果胶，淀粉(例如，玉米、小麦、木薯、马铃薯等)，淀粉衍生物(例如，羧甲基淀粉、淀粉磷酸盐)，纤维素，纤维素衍生物(例如，羟基乙基纤维素、羧甲基纤维素)，植物树胶(例如，阿拉伯树胶、刺梧桐胶、刺槐豆、黄蓍胶、车前子种子、木瓜种子、黄原胶、落叶松、加蒂胶)，藻类衍生的树胶(褐藻胶、角叉菜胶、琼脂、琼脂糖、红藻胶)，细菌衍生的糖(例如，葡聚糖)，或壳聚糖。
[0098]来自合成有机聚合物的水性胶体或水凝胶如，但不限于，聚(乙烯醇)[PVA]，聚(丙烯酸)[PAA]，聚(乙二醇)[PEG]，聚(丙烯腈)[PAN]。
[0099]来自无机聚合物的亲水性胶体或水凝胶如，但不限于，硅酸盐，二氧化硅，硅酸镁铝，其它硅凝胶，氢氧化铝，膨润土，其它铝基凝胶，或硼酸盐基凝胶。
[0100]基质中包含这种材料是后果之一是，本发明人已经发现传感器颜色的一些变化可以通过用于制作氧传感器的基质材料和条件(如pH)的选择而进行设计。这提供了除了以上讨论的使用配体改性而为具体应用定制不同氧传感器的进一步方法。举例而言，如果向Fe2+4(l0H的悬浮液中加入明胶，则含有亚铁纳米粒子的半固态基质将会出现非常亮的绿色，而悬浮液将会显示更暗(更黑)的绿色。有趣的是，一旦氧化，明胶基基质将变成亮红色，而无明胶的悬浮液将会变成褐色/橙色。合成期间的相分布
[0101]除了几个等分试样在合成期间不同pH下收集之外，进行以上“适用于用作氧传感器的金属氧代-氢氧化物的合成”中描述的类似步骤。首先，初始等分试样也被收集用于分析“初始金属”浓度。接着，通过在恒定搅拌之下逐滴加入氢氧化钠的浓溶液直到混合物达到碱性PH (—般>8.0)而缓慢升高pH。在滴定过程中的不同点，收集混合物的均质等分试样(ImL)并转移至微量离心管中。任何形成的可离心相通过离心(IOmin, 13000rpm)从溶液中分离出来。为了区分上清液中可溶性铁和颗粒化的非可离心的铁(一般直径小于15nm的纳米粒子),在每个时间点,每个等分试样也进行超滤(Vivaspin3, OOODa分子量截止聚醚砜膜，Cat.VS0192, Sartorius Stedium Biotech GmbH, Goettingen,德国)，并再次通过 ICPOES分析。
[0102]电感耦合等离子体光学发射光谱分析(ICPOES)
[0103]溶液的金属含量测定方法采用JY2000-2ICP0ES (Horiba Jobin Yvon Ltd.,Stanmore, U.K.)进行测定。在分析之前，将溶液稀释于1%?7.5%的硝酸中。
[0104]TEM 分析
[0105]正常固定团粒随后通过所述醇/乙腈(acetylnitrile)梯度脱水之后固定于非水性Quettol树脂中7天。将非水性团粒直接再悬浮于100%乙醇中，过夜，然后再悬浮于乙腈中而最后再悬浮于树脂中。所得的嵌入团粒的树脂按照IOOnm厚的切片在400目铜网格上切片用于TEM分析。氧分析
[0106]氧水平米用测氧计(RapidoxllOO,Cambridge Sensotec, Cambridge, UK)进行监测。粒径分析
[0107]纳米粒子悬浮液的流体力学粒径通过动态光散射(DLS)使用Zetasizer, Nano-ZS(纳米激光粒度仪-ZS) (Malvern Instruments,UK)。较大的聚结体的流体力学粒径通过静态光衍射(SLD)米用 Mastersizer2000 (Malvern Instruments, UK)进行测定。
[0108]实施例
[0109]实施例1.亚铁氧代-氢氧化物，Fe2+40OH
[0110]所有溶液/悬浮液在合成之前和整个合成过程中用氮鼓泡而达到低氧条件。通过将硫酸亚铁加入到预先用盐酸酸化的水中制备亚铁溶液。最终的铁浓度为40mM并且pH值一般低于4.0,通常为约2.0。一旦所有的亚铁盐溶解，则将pH用5M的NaOH溶液升高至pH7.0-9.0，通常为8.0，在此期间，生成包含微米尺寸聚集体的绿色沉淀物，即亚铁氧代-氢氧化物。最后，这种材料作为纳米粒子分散体引入于半固态基质中。
[0111]实施例2.纳米粒子酒石酸盐改性的亚铁氧代-氢氧化物，Fe2+4(l0H-T2QQ
[0112]所有溶液/悬浮液在合成之前和整个合成过程中用氮鼓泡而达到低氧条件。通过将硫酸亚铁加入到预先用盐酸酸化的水中并搅拌直至所有亚铁盐溶解来制备亚铁溶液。随后将该溶液加入到另一含酒石酸的溶液中。通过两种溶液混合而获得的溶液含有40mM铁和200mM酒石酸，而其pH —般低于4.0并通常为约2.0。将pH用5M的NaOH溶液升高至PH7.0-9.0,通常为8.0,在此期间，生成绿色纳米粒子悬浮液，即亚铁氧代-氢氧化物纳米粒子。最后，这种悬浮液直接用作传感器，通过过滤回收用于其它氧传感方法，或者优选地，作为纳米粒子分散体引入于半-固态基质中。
[0113]实施例3.纳米粒子酒石酸盐改性的亚铁氧代-氢氧化物，Fe2+4(l0H-T1M
[0114]使用120mM酒石酸替代作为配体重复实施例2。
[0115]实施例4.纳米粒子酒石酸盐-和琥珀酸盐-改性的亚铁氧代-氢氧化物，Fe2+40OH-T200Succ200
[0116]除了 200mM酒石酸之外使用200mM琥珀酸重复实施例2。
[0117]实施例5.琥珀酸盐-改性的亚铁氧代-氢氧化物，Fe2+40OH-Succ200
[0118]所有溶液/悬浮液在合成之前和整个合成过程中用氮鼓泡而达到低氧条件。通过将硫酸亚铁加入到预先用盐酸酸化的水中并搅拌直至所有亚铁盐溶解来制备亚铁溶液。随后将该溶液加入到另一含琥珀酸的溶液中。通过两种溶液混合而获得的溶液含有40mM铁和200mM琥珀酸，而其pH为约2.0。将pH用NaOH溶液升高至pH6.5-9.0，通常为8.0，在此期间，生成绿色沉淀，即琥珀酸盐改性的亚铁氧代-氢氧化物。最后，这种悬浮液直接用作传感器，通过过滤回收用于其它氧传感方法，或者优选地，作为纳米粒子分散体引入于半固态基质中。
[0119]实施例6.用碳酸钠生产的亚铁氧代-氢氧化物，Fe2+40OH
[0120]按照实施例1制备亚铁氧代-氢氧化物材料，除了用2.5M的Na2CO3代替5M的NaOH。最后，将这种材料作为纳米粒子分散体引入到半固态基质中。
[0121 ] 实施例7.干纳米粒子酒石酸盐改性的亚铁氧代-氢氧化物，Fe2+4(l0H-T2(KI
[0122]按照实施例2制备纳米粒子悬浮液。随后在旋转蒸发仪中于60°C下真空中蒸发此悬浮液。一旦干燥，江粉末磨碎并且可以用于传感氧。
[0123]实施例8.分散于明胶半固态基质中的亚铁氧代-氢氧化物
[0124]在氮气氛下进行以下工艺。亚铁氧代-氢氧化物材料按照实施例1或实施例5中的描述进行制备。接着，将牛肉明胶(15% w/w)加到此悬浮液中，同时搅拌。然后，将混合物加热至40°C以溶解明胶。一旦明胶完全溶解，用NaOH溶液将pH重新调节至原来的水平。最后，通过将悬浮液冷却至室温而形成固定和分散亚铁氧代-氢氧化物的半固态基质。应注意，通过在冷却之前将最终悬浮液的等分试样转移到适当的形状和尺寸的模具中，就可以获得不同尺寸和形状的传感器。
[0125]实施例9.固定于明胶半固态基质中的纳米粒子亚铁氧代-氢氧化物
[0126]在氮气氛下完成以下工艺。纳米粒子亚铁氧代-氢氧化物按照实施例2、实施例3或实施例4中的描述制备。接着，将牛肉明胶(15% w/w)添加到该悬浮液中，同时搅拌。然后，将混合物加热至40°C以溶解明胶。一旦明胶完全溶解，用NaOH溶液将pH重新调节至原来的水平。最后，通过将该悬浮液冷却至室温而形成固定亚铁氧代-氢氧化物纳米粒子的半固态基质。
[0127]应当注意，通过冷却之前将最终的悬浮液等分试样转移到适当形状和尺寸的模具中，就可以获得不同尺寸和形状的传感器。
[0128]如图1至图1b所示，Fe4tlOH在无基质如明胶存在时倾向于形成聚集体，但是当引入基质材料中时，基质的物理化学作用形成尺寸低于IOOnm的物理分散粒子。
[0129]实施例10.分散于羟乙基纤维素半固态基质的纳米粒子酒石酸盐改性的亚铁氧代-氢氧化物
[0130]在氮气氛下进行以下工艺。按照实施例2中的描述制备纳米粒子亚铁氧代-氢氧化物。接着，将悬浮液加热至40°C，随后向此悬浮液中加入羟乙基纤维素(10% w/w),同时搅拌。在加入羟乙基纤维素之后，固定亚铁氧代-氢氧化物纳米粒子的半固态基质非常迅速地形成。[0131]实施例11.亚铜氧代-氢氧化物，Cu+10OH
[0132]所有溶液/悬浮液在合成之前和整个合成过程中用氮鼓泡而达到低氧条件。通过将氯化亚铜加入到预先用盐酸酸化的水中来制备亚铜溶液。最终的铜浓度为IOmM并且pH一般低于2.0，且通常为约1.0。一旦所有亚铜盐溶解用NaOH溶液将pH升高至7.0-9.0，通常为8.0，在此期间，生成沉淀，即亚铜氧代-氢氧化物。该材料最初呈淡黄色，在含21%氧的气氛中测试时变成蓝色/绿色。最后，这种材料作为纳米粒子分散体引入于半固态基质中。
[0133]实施例12.亚铜氧代-氢氧化物，Cu+20OH
[0134]使用20mM的铜代替而重复实施例11。合成开始之前，要求初始pH约为1.0，才能
确保完全溶解亚铜盐。
[0135]实施例13.葡萄糖酸盐改性的亚铜氧代-氢氧化物，Cu+20OH-G1uc100
[0136]所有溶液/悬浮液在合成之前和整个合成过程中用氮鼓泡而达到低氧条件。通过将氯化亚铜加入到预先用盐酸酸化的水中并搅拌直至所有的亚铜盐溶解来制备亚铜溶液。随后将此溶液加入到含葡萄糖酸钠的另一溶液中。由两种溶液混合而获得的溶液含有20mM铜和IOOmM葡萄糖酸盐，而其pH为约1.0至2.0。用NaOH溶液将pH升高至7.0-9.0，通常为8.0，在此期间，生成蓝色/绿色沉淀，即葡萄糖酸盐改性的亚铜氧代-氢氧化物。最后，该悬浮液直接用作传感器，通过过滤回收而用于其它氧传感方法，或者，在一些优选的实施方式中，分散于半固态基质中。
[0137]实施例14.纳米粒子半胱氨酸改性的亚铜氧代-氢氧化物，Cu+20OH-Cys20
[0138]所有溶液/悬浮液在合成之前和整个合成过程中用氮鼓泡而达到低氧条件。通过将氯化亚铜加入到预先用盐酸酸化的水中并搅拌直至所有的亚铜盐溶解来制备亚铜溶液。随后将此溶液加入到含葡萄糖酸钠的另一溶液中。由两种溶液混合而获得的溶液含有20mM的铜和20mM的半胱氨酸。并且其pH为约1.0。然后用5M的NaOH溶液将pH升高至7.0至9.0，通常为8.0，在此期间，生成褐色纳米粒子悬浮液，即亚铜氧代-氢氧化物纳米粒子，其在氧化/传感时变为黑色。最后，该悬浮液直接用作传感器，通过过滤回收而用于其它氧传感方法，或者优选地，作为纳米粒子分散体引入半固态基质中。
[0139]实施例15.分散于明胶半固态基质中的亚铜氧代-氢氧化物
[0140]在氮气氛下完成以下工艺。首先，按照实施例11、实施例12或实施例13中的描述制备亚铜氧代-氢氧化物。接着，向该悬浮液中加入牛肉明胶(15%w/w)，同时进行搅拌。随后，将混合物加热至40°C以溶解明胶。一旦明胶完全溶解，就用NaOH溶液重新将pH调节回至其初始水平。最后，通过将该悬浮液冷却至室温而形成将亚铜氧代-氢氧化物固定和分散于纳米粒子中的半固态基质。
[0141]实施例16.固定于明胶半固态基质中的纳米粒子亚铜氧代-氢氧化物
[0142]在氮气氛下完成以下工艺。按照实施例14中的描述制备纳米粒子亚铜氧代-氢氧化物。接着，将该悬浮液加热至40°C。随后，向该悬浮液中加入牛肉明胶(15%w/w)，同时进行搅拌。一旦明胶完全溶解，就用NaOH溶液重新将pH调节回至其初始水平。最后，通过将该悬浮液冷却至室温而形成将亚铜氧代-氢氧化物固定和分散于纳米粒子中的半固态基质。
[0143]实施例17.固定于明胶半固态基质中的亚铁氧代-氢氧化物材料:Fe2+4(l0H和Fe2+40OH-Succ200的灵敏度对比
[0144]Fe2+40OH和Fe2+4(l0H-SuCC2(l(l，都在ρΗ8.0下生成并按照实施例8中的描述固定于明胶中。在冷却下来之前，500微升的每种悬浮液在氮气流下分散于顶部开口的圆筒形模具(1.35cm内径)中。传感材料在整个传感试验的持续时间内都保持于顶部开口的模具中而开始都保持于无氧室(〈lOOppm O2)中。接着将氧浓度升高至0.5%以允许发生氧化。在
0.5%的O2下2小时30分之后，Fe2+40OH-Succ200材料由绿色变成橙色(Fe2+至Fe3+的氧化)而Fe2+4Q0H保持绿色，这表明相对于Fe2+4Q0H，引入琥珀酸盐提高了灵敏度。
[0145]通常应当注意，传感器不同的尺寸和形状影响传感时间。例如，在比本文中描述的较浅模具中制作的传感材料，会变色更快，因为氧会渗透通过半固态基质达到全部传感材料之前的距离更短。
[0146]实施例18.固定于明胶半固态基质中的亚铁氧代-氢氧化物材料:Fe2+4(l0H和Fe2+40OH-T200的灵敏度对比
[0147]Fe2+4Q0H和Fe2+4(l0H-T2(l(l，都在pH8.0下生成并按照实施例8和实施例9中的描述固定于明胶中。在冷却下来之前，500微升的每种悬浮液在氮气流下分散于顶部开口的圆筒形模具(1.35cm内径)中。传感材料在整个传感试验的持续时间内都保持于顶部开口的模具中而开始都保持于无氧室(〈lOOppm O2)中。接着将氧浓度升高至大气水平(21%)以允许发生氧化。在21%02T40min之后，在Fe2+4Q0H材料中由绿色变成橙色(Fe2+至Fe3+氧化)的变化已经可见而同时Fe2+4Q0H-T2(IQ中保持绿色。
[0148]纳米传感器:概念证明
[0149]氧传感器的测试
[0150]在下面的例子中，氧传感器直接在悬浮液中或夹陷于明胶基质中进行测试。传感器随后暴露于大气氧或保持于无氧环境(即，氮)中。为了原理证明的目的，使用明胶基质以“固态形式”稳定一些传感器，但在商业实施方式中，代替明胶或除明胶以外，可以使用其它材料。
[0151]悬浮液中的传感器
[0152]Fe2+40OH-T200是用酒石酸改性的纳米粒子亚铁氧代-氢氧化物，其为深绿色，而一旦暴露于氧，则溶液就变成橙色/褐色。这是由于作为亚铁氧代-氢氧化物的亚铁(Fe2+)氧化成三价铁(F:)。采用不同比率的铁/酒石酸获得了类似结果，但是颜色变化据发现发生更为迅速。
[0153]琥珀酸盐和柠檬酸也用作配体而所得的亚铁氧代-氢氧化物显示出类似的行为。一旦氧化，Fe2+4(l0H-T2(l(lSucc2(IQ的颜色变化由绿色变成橙色/褐色。一旦氧化，相比于采用Fe2+4(l0H-T2(l(l，纳米粒子悬浮液颜色较淡并形成更多沉淀，但是颜色变化仍然明显可见。
[0154]固态基质中的传感器
[0155]将未改性的(即未加入配体)和酒石酸盐掺杂的亚铁氧代-氢氧化物固定和纳米分散于明胶基质中作为原理证明。有利的是，固态基质中颜色的变化比溶液中更加明显。不希望受限于任何具体理论，本发明人认为，在这些使用基质材料如明胶的实验中观察到的颜色改变，可能是由于将来自基质的侧基基团引入到亚铁氧代-氢氧化物材料中所致，并指出，存在于基质材料中的这些侧基基团，如果提供合适的合成条件，则可以按照无配体如酒石酸盐的相似方式改变金属离子氧代-氢氧化物材料的物理化学性质。[0156]总之，这些结果表明，我们可以通过将这些氧传感器引入基质如明胶中而将其应用于包装中，并且建议可以使用其它可以形成凝胶或固态基质的成分，如淀粉或纤维素。此夕卜，这项工作表明，通过在不同PH值下生产传感器，可以获得不同的灵敏度。水合基质的使用也允许向所述传感器中添加其它组分如其它氧化还原敏感性材料，包括含M的材料、矿物质、化合物或复合物。
[0157]粉末形式的氧指示剂
[0158]我们已经研究了未改性的和酒石酸盐掺杂亚铁氧代-氢氧化物干粉作为传感器的用途，因为干粉可以优选用于某些应用，如表面涂层中。未改性的亚铁氧代-氢氧化物粉末最初是绿色的，但在干燥过程中的轻微氧化作用会将其变成褐绿色。然而，随后暴露于氧导致进一步的颜色变化表明，干粉如果在无氧环境中干燥，则能够用作传感器。掺杂酒石酸的亚铁氧代-氢氧化物粉末，相比于未改性的亚铁氧代-氢氧化物，表现出更细微且而更慢的颜色变化，这表明基于干粉的传感器的灵敏度可以通过配体改性而进行调节。
[0159]氧化的指示剂的重新活化
[0160]包装工艺可能由于意外暴露于氧而导致传感器部分氧化。我们已经找到证据，通过将本发明的传感器暴露于高温(>80°C)就可以将其重新活化。我们还发现，这种重新活化工艺如果存在还原性糖如葡萄糖或果糖而显著地更加有效。
[0161]铜基传感器
[0162]铜是在高pH下也能形成氧代-氢氧化物并在被氧化(亚铜[Cu+]至铜[Cu2+])时改变颜色的过渡金属。明胶基质中未改性的亚铜氧代-氢氧化物的颜色变化在氧存在下由最初非常淡的浅色(Cu+1Q0H)变成暗黄色(Cu+2Q0H)至蓝绿色(Cu2+)。Cu+1(l0H看起来透明但实际上是非常淡的黄色。
[0163]经由配体引入的灵敏度调节
[0164]将配体引入到金属离子氧代-氢氧化物材料中，能够用于提高灵敏度(例如，Fe2+40OH-Succ200 灵敏度 >Fe2+4(l0H 灵敏度)或降低灵敏度(Fe2+4Q0H-T2(IQ 灵敏度〈Fe2+4(l0H 灵敏度)。不希望受限于具体理论，本发明人认为，增加的灵敏度看起来是通过引入了对于金属离子低亲合力的配体而实现的，而引入较高亲合力的配体似乎将材料稳定于较低价态，从而降低其对氧的敏感性。
[0165]本说明书中提到的所有文献都以其全文结合于本文中作为参考。
【权利要求】
1.一种氧传感器，包含具有能够响应氧而氧化至第二氧化态的第一氧化态过渡金属离子的固态聚氧代-羟基金属离子材料，其中所述固态聚氧代-羟基金属离子材料具有聚合物结构，在所述聚合物结构中一种或多种配体非化学计量地取代所述氧代和/或羟基基团，而使所述材料暴露于氧，这引起所述固态聚氧代-羟基材料中的所述金属离子发生氧化而在所述材料中产生可检测的变化。
2.根据权利要求1所述的氧传感器，其中所述固态聚-氧代-羟基金属离子材料以纳米粒子或纳米结构形式存在。
3.一种氧传感器，包含具有能够响应氧而氧化至第二氧化态的第一氧化态过渡金属离子的固态氧代-羟基金属离子材料，其中所述固态氧代-羟基金属离子材料以纳米粒子或纳米结构形式存在，而使所述材料暴露于氧，这引起所述固态氧代-羟基材料中的所述金属离子发生氧化而在所述材料中产生可检测的变化。
4.根据前述权利要求中任一项所述的氧传感器，其中所述金属离子材料存在于水合的氧可渗透基质中而使氧渗透所述基质，这引起所述金属离子发生氧化而在所述材料中产生可检测的变化。
5.根据权利要求4所述的氧传感器，其中所述金属离子材料不与形成所述基质的材料形成可溶性复合物。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的氧传感器，其中所述金属离子材料具有聚合物结构，在所述聚合物结构中一种或多种配体非化学计量地取代所述氧代和/或羟基基团。
7.根据前述权利 要求中任一项所述的氧传感器，其中所述氧代和/或羟基基团被选自磷酸根、硫酸根、硅酸根、亚硝酸根、硝酸根、硒酸根和/或碳酸氢根中的一种或多种配体非化学计量地取代。
8.根据前述权利要求中任一项所述的氧传感器，其中所述氧代和/或羟基基团被磷酸根非化学计量地取代，并且其中磷酸根成为高于所述氧代-氢氧化物无机相的主要无机相。
9.根据前述权利要求中任一项所述的氧传感器，其中所述氧代和/或羟基基团被硅酸根非化学计量地取代，并且其中硅酸根成为高于所述氧代-氢氧化物无机相的主要无机相。
10.根据前述权利要求中任一项所述的氧传感器，其中在气调包装中在正常使用下颜色变化是不可逆的。
11.根据前述权利要求中任一项所述的氧传感器，其中所述可检测的变化是可见的颜色变化。
12.根据权利要求1-10中任一项所述的氧传感器，其中所述可检测的变化是在UV光下可检测的。
13.根据前述权利要求中任一项所述的氧传感器，其中所述金属离子是铜、铁、铬、钒、猛、钦、钻、钥和/或鹤。
14.根据前述权利要求中任一项所述的氧传感器，其中所述金属离子是铜和/或铁。
15.氧传感器，其中所述过渡金属离子是(a)铁并且所述第一氧化态是Fe(II)以及所述第二氧化态是Fe (III);或(b)铜并且所述第一氧化态是Cu (I)以及所述第二氧化态是Cu (II);或(c)钴并且所述第一氧化态是Co (II)以及所述第二氧化态是Co (III)。
16.根据前述权利要求中任一项所述的氧传感器，其中所述基质由明胶、琼脂、琼脂糖、纤维素材料或它们的组合形成。
17.根据权利要求16所述的氧传感器，其中所述基质由动物明胶或植物明胶等价物形成。
18.根据前述权利要求中任一项所述的氧传感器，其中所述基质包含至少50%w/w的水。
19.根据前述权利要求中任一项所述的氧传感器，其中所述基质包含5%至25%w/w的所述固态金属尚子材料。
20.根据前述权利要求中任一项所述的氧传感器，其中所述氧传感器在气调条件下响应在外封中大于1%的氧浓度而产生所述可检测的变化。
21.根据前述权利要求中任一项所述的氧传感器，其中所述传感器是环境和/或生物相容的。
22.根据前述权利要求中任一项所述的氧传感器，其中所述氧传感器对于与食物、食物制品、保健品或药品的相容性是无毒的。
23.根据前述权利要求中任一项所述的氧传感器，其中所述基质是半固态基质、固态形式或水性悬浮液。
24.根据前述权利要求中任一项所述的氧传感器，其中所述氧传感器是粉末或被涂覆的表面。`
25.根据前述权利要求中任一项所述的氧传感器，其中所述配体是羧酸配体，如葡糖酸或乳酸；食品添加剂配体，如麦芽醇和乙基麦芽醇；氨基酸配体，如色氨酸、谷氨酰胺或组氨酸；营养类配体，如叶酸、抗坏血酸或烟酸；和/或经典阴离子配体，如磷酸根、硫酸根、硅酸根、硒酸根和/或碳酸氢根。
26.根据前述权利要求中任一项所述的氧传感器，其中所述羧酸配体是线性二羧酸配体。
27.根据权利要求26所述的氧传感器，其中所述羧酸配体由式HOOC-R1-COOh表示，其中R1是可选取代的烷基、烯基或炔基基团或它们的离子化形式。
28.根据权利要求26或权利要求27所述的氧传感器，其中所述羧酸配体是琥珀酸、苹果酸、己二酸、戊二酸、天门冬氨酸、酒石酸、庚二酸、柠檬酸或它们的离子化形式。
29.一种用于在气调条件下在包装外封内储存制品的产品包装，其中所述产品包装在所述外封中包括根据权利要求1至28中任一项所述的氧传感器，以使得氧泄漏到所述包装外封中引起所述金属离子发生氧化而在所述材料中产生可检测的变化。
30.根据权利要求1至28中任一项所述的氧传感器用于检测氧泄漏到用于在气调条件下在包装外封内储存制品的产品包装中的用途，以使得氧泄漏到所述包装外封中引起所述金属离子发生氧化而在所述材料中产生可检测的变化。
31.一种检测氧泄漏到用于在气调条件下在包装外封内储存制品的产品包装中的方法，所述方法包括: (a)在气调条件下在所述包装外封内提供根据权利要求1至28中任一项所述的氧传感器，以使得氧泄漏到所述包装外封中引起所述金属离子发生氧化而在所述材料中产生可检测的变化；以及(b)可选地检测所述材料中的变化以指示氧向所述包装外封中的泄漏。
32.根据权利要求32所述的方法，其中相比于大气条件，所述气调条件具有低氧水平。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述气调条件使用氮和/或二氧化碳。
34.根据权利要求32至34中任一项所述的用途或方法，其中所述包装用于选自以下各项的产品:食物制品、药品、保健品、文档、书籍或手稿、或者电子器件或组件。
35.一种用于生产根据权利要求1至28中任一项所述的氧传感器的方法，所述方法包括: (a)在反应介质中在各组分可溶的第一pH (A)下混合包含过渡金属离子和可选的一种或多种配体的溶液； (b)将所述pH(A)改变至第二 pH (B)以引起固体沉淀或形成所述配体改性的聚氧代-羟基金属离子材料的胶体； (c)分离并且可选地干燥和/或配制步骤(b)中产生的所述固态聚氧代-羟基金属离子材料；以及 (d)可选地处理所述固态聚氧代-羟基金属离子材料以产生纳米粒子或纳米结构材料。
36.根据权利要求36所述的方法，其中所述第一pH(A)小于2.0,并且所述第二 pH(B)在3.0至12.0之间，优选在3.5至8.0之间，并且更优选在4.0至6.0之间。
37.根据权利要求36或 权利要求37所述的方法，其中所述方法的步骤(a)在室温(20-25 °C)下进行。
38.根据权利要求36至38中任一项所述的方法，进一步包括化学地或物理地改变所述固态聚氧代-羟基金属离子材料的最终粒径。
39.根据权利要求36至39中任一项所述的方法，进一步包括通过将所述材料与一种或多种形成基质的材料混合以形成能够感测氧的水合的可渗透氧基质而在基质中配制所述固态聚氧代-羟基金属离子材料。
40.根据权利要求36至39中任一项所述的方法，其中所述方法包括以下步骤:在一种或多种溶解的基质材料存在下沉淀所述固态聚氧代-羟基金属离子材料并固化所得材料以在半固态基质中生成固态聚氧代-羟基金属离子材料。
【文档编号】G01N31/22GK103443623SQ201280014266
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2012年1月25日 优先权日:2011年1月25日
【发明者】乔纳森·约瑟夫·鲍威尔, 努诺·乔治·罗德里格斯·法里亚, 卡洛斯·安德烈·帕索斯·巴斯托斯 申请人:医学研究委员会