特定离子检测传感器的制作方法

本实用新型属于电化学传感器技术领域，涉及一种传感器，特别是涉及一种特定离子检测传感器。

背景技术：

离子选择性电极(ISE)广泛用于测量各种生物和非生物流体中的离子浓度。待测饿离子在复杂性从饮用水(相对简单的溶液)中氟化物到血液(实质上更复杂的溶液)中的电解质不等的流体中。通常在生物溶液中，采用含有多种离子选择电极的传感器测量单一样品中的多种离子。

通常，离子选择电极由离子选择膜、导电聚合物和触点构成。该内参比电极包含在离子选择电极组件内部，且通常有银/氯化银电极组成，改电极与含有固定浓度的氯化物和该膜对其具有选择性的离子的适合溶液接触。该离子选择电极必须与参比电极(即“外”或“外部”参比电极)联合使用，由此形成完整的电化学电池。该构成通常表示为外参比电极|测试溶液 |膜|内参比电极，或者外参比电极|测试溶液|离子选择电极。测量的电位差(离子选择电极相对于外参比电极的电位)和溶液中给定离子的活度的对数成直线关系。该参比电极在电化学测量中普遍的条件下保持相对该溶液相对恒定的电位，并且进一步用于监控工作参比电极的电位。传统的离子选择性电极具有无法准确的测出溶液中各种离子的浓度，且需要反复标定，长时间在线测量等缺陷。

因此，如何提供一种特定离子检测传感器，以解决现有技术无法准确的测出溶液中各种离子的浓度，且需要反复标定，长时间在线测量等缺陷，实已成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种特定离子检测传感器，用于解决现有技术无法准确的测出溶液中各种离子的数量，且需要反复标定，长时间在线测量的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型一方面提供一种特定离子检测传感器，所述特定离子检测传感器包括：控制单元，用于输出检测指令；测量单元，用于接收所述检测指令，并根据该检测指令，反馈待检测溶液中特定离子的数量；其中，所述测量单元包括：特定离子选择电极、以及对电极；所述对电极与所述特定离子选择电极的极性相反；所述特定离子选择电极与所述对电极之间具有用于装载所述待检测溶液的液流通道；所述特定离子选择电极与待检测溶液接触的表面贴敷有一特定离子选择性薄膜；所述特定离子选择性薄膜用于从所述待检测溶液中吸附所述特定离子并排斥与该特定离子极性相同的其他离子；吸附在所述特定离子选择电极上特定离子的数量作为所述待检测溶液中特定离子的数量。

于本实用新型的一实施例中，所述控制单元电性连接于设于所述测量单元中特定离子选择电极上的第一集电单元、以及设于所述测量单元中所述对电极上的第二集电单元，以形成所述控制单元与测量单元间的连接。

于本实用新型的一实施例中，所述特定离子选择电极还包括：碳基材料层和导电基板；其中，所述特定离子选择性薄膜的另一面与所述碳基材料层的一面相贴合，及与所述碳基材料层的另一面与所述导电基板的一面相贴合。

于本实用新型的一实施例中，所述碳基材料层为碳基浆料形成的炭面；所述碳基炭浆料包括碳基材料、导电炭黑、聚偏氟乙烯、和有机溶剂；所述特定离子选择性薄膜为电解质选择吸附原料形成的贴层。

于本实用新型的一实施例中，所述电解质选择吸附原料包括特定离子载体、硼酸钠、硝基苯辛醚、聚氯乙烯、及四氢呋喃溶剂；其中，所述特定离子载体的极性与所述特定离子的极性相反。

于本实用新型的一实施例中，所述特定离子选择电极还包括与所述特定离子选择性薄膜相贴合的导电基板。

于本实用新型的一实施例中，所述特定离子选择性薄膜为用于吸附特定离子的混合原料形成的贴层；所述混合原料包括活性炭浆料和物质选择吸附原料。

于本实用新型的一实施例中，所述碳基材料层包括碳基浆料；所述碳基浆料包括碳基材料、导电炭黑、聚偏氟乙烯、和有机溶剂；所述碳基材料包括活性炭、碳纳米管或石墨烯；所述物质选择吸附原料包括特定离子载体、硼酸钠、硝基苯辛醚、聚氯乙烯、及四氢呋喃溶剂。

于本实用新型的一实施例中，在所述特定离子选择电极内部按照预定比例设置吸附孔，所述吸附孔的类型包括微孔、中孔及大孔；其中，所述微孔的的直径小于20nm；所述中孔的直径大于等于20nm，小于等于50nm；所述大孔的直径大于50nm。

如上所述，本实用新型的特定离子检测传感器，具有以下有益效果：

本实用新型所述特定离子检测传感器结合固态电极直接测量液态物质中各种电解质的浓度，测量准确，迅速，可长时间反复使用，且具有工艺流程短，投资少，生产过程操作简单，生产成本低，使用效果好、寿命长等优点。

附图说明

图1A显示为本实用新型的特定离子检测传感器于一实施例中的原理结构示意图。

图1B显示为本实用新型的特定离子选择电极的一种结构示意图。

图1C显示为本实用新型的特定离子选择电极的另一种结构示意图。

元件标号说明

1 特定离子检测传感器

11 控制单元

12 第一集电单元

13 第二集电单元

14 测量单元

141 特定离子选择电极

142 对电极

143 液流通道

141A 导电基板

141B 活性炭面

141C 特定离子选择性薄膜

141A’ 导电基板

141B’ 特定离子选择性薄膜

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。

请参阅图1A至图1C。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

实施例一

本实施例提供一种特定离子检测传感器，所述特定离子检测传感器包括：

控制单元，用于输出检测指令；

测量单元，用于接收所述检测指令，并根据该检测指令，反馈待检测溶液中特定离子的数量；

其中，所述测量单元包括：特定离子选择电极、以及对电极；所述对电极与所述特定离子选择电极的极性相反；

所述特定离子选择电极与所述对电极之间具有用于装载所述待检测溶液的液流通道；所述特定离子选择电极与待检测溶液接触的表面与贴敷有一特定离子选择性薄膜的一面相贴敷；所述特定离子选择性薄膜用于从所述待检测溶液中吸附所述特定离子并排斥与该特定离子极性相同的其他离子；吸附在所述特定离子选择电极上特定离子的数量作为所述待检测溶液中特定离子的数量。

以下将结合图示对本实施例所提供的特定离子检测传感器进行详细描述。请参阅图1A，显示为特定离子检测传感器于一实施例中的原理结构示意图。如图1A所示，所述特定离子检测传感器1包括控制单元11、第一集电单元12、第二集电单元13、及测量单元14。所述测量单元14包括特定离子选择电极141和与所述特定离子选择电极141的极性相反的对电极 142。

所述控制单元11用于输出检测指令，且电性连接于特定离子第一集电单元12、及第二集电单元13，以形成所述控制单元与测量单元间的连接。在本实施例中，所述检测指令表现为通过所述第一集电单元12和第二集电单元13施加于所述测量单元14上持续一定时间长度的恒定电压。在本实施例中，该恒定电压的电压值在0.01V到1.2V之间，时间长度为1至 100秒之间。

在本实施例中，第一集电单元12和第二集电单元13用于形成所述控制单元与测量器间的连接，所述第一集电单元12设于所述测量单元14中特定离子选择电极上、以及所述第二集电单元13设于所述测量单元中所述对电极上。

所述测量单元14包括：特定离子选择电极141、以及对电极142；所述对电极142与所述特定离子选择电极141的极性相反。所述第一集电器11设置于特定离子选择电极141的外侧，所述第二集电单元13设置于对电极142的外侧。

所述第一集电单元12和第二集电单元13用于连接所述控制单元11和所述测量单元14，并传导该检测指令至所述测量单元14。具体地，所述第一集电单元12设置于特定离子选择电极141的外侧，所述第二集电单元13设置于对电极142的外侧。

所述测量单元14用于接收所述检测指令，并根据该检测指令，予以反馈待检测溶液中特定离子的数量。

在本实施例中，所述特定离子选择电极141与所述对电极142之间为液流通道143。所述液流通道143用于装载所述待检测溶液。在本实施例中，液流通道的厚度需控制在100微米到1000微米之间，厚度超过1000微米将影响传感器1的双电层效应和对特定离子的吸附。

请参阅图1B，显示为特定离子选择电极的一种结构示意图。如图1B所示，

所述特定离子选择电极141从上至下依次设置有导电基板141A，碳基材料层141B(碳基材料可以采用活性炭、碳纳米管或石墨烯等)及特定离子选择性薄膜141C。于本实施例中，所述碳基材料层141B以活性炭面141B为例在本实施例中，所述导电基板141A需要具备良好的电导率，方块电阻需低于10欧姆每平方厘米。例如，可以采用石墨片、石墨纸、导电玻璃、钛片等材料进行制备导电基板141A。

在选取好导电基板141A后，需在所述导电基板141A贴合活性炭面141B。在本实施例中，所述活性炭面141B为活性炭浆料形成的炭面，厚度控制在50-300微米之间。在本实施例中，所述活性炭浆料包括活性炭、导电炭黑、聚偏氟乙烯、和有机溶剂。

例如，活性炭浆料中各种成分活性炭：导电炭黑：聚偏氟乙烯(PVDF)以1:8:1的比例与有机溶剂进行混合。在本实施例中，所述有机溶剂采用N-甲基吡咯烷酮(NMP)，且N- 甲基吡咯烷酮(NMP)与聚偏氟乙烯(PVDF)的比例在5:1到20:1之间。

所述特定离子选择电极141与待检测溶液相接触的表面贴敷有用于从所述待检测溶液中吸附特定离子，并排斥与该特定离子极性相反的其他离子的特定离子选择性薄膜141C。所述特定离子包括特定离子和与特定离子极性相同的化合物。于实际应用中，所述特定离子可以为阳离子，阴离子，呈负电性的化合物或呈正电性的化合物。阳离子如钙离子，钠离子，铵根离子，镁离子等，阴离子如氯离子、氟离子、硝酸根离子、亚硝酸根离子、硫酸根离子等。所述对电极用于吸附与所述特定离子极性相反的离子。在本实施例中，以钙离子为例，钙离子选择电极吸附钙离子，排斥非钙离子的其他离子在钙离子选择电极的电极结构之外。

所述特定离子选择性薄膜141C为电解质选择吸附原料形成的贴层。在实施例中，所述电解质选择吸附原料包括特定离子载体、硼酸钠、硝基苯辛醚、聚氯乙烯、及四氢呋喃溶剂。

例如，1％重量比的钙离子载体ETH 129，0.2％的硼酸钠(KTFPB)，65.8％的硝基苯辛醚(NPOE)，33％的聚氯乙烯(PVC)，将这些原料溶解于四氢呋喃溶剂(THF溶剂中)，混合液的干重是15％。

若特定离子为其他离子，那么将电解质选择吸附原料中的特定离子载体更换为与该电解质对应的电解质载体。

请参阅图1C，显示为特定离子选择电极的另一种结构示意图。如图1C所示，所述特定离子选择电极141包括导电基板141A’，及与所述导电基板141A’相贴合的特定离子选择性薄膜141B’。

在本实施例中，所述导电基板141A’需要具备良好的电导率，方块电阻需低于10欧姆每平方厘米。例如，可以采用石墨片、石墨纸、导电玻璃、钛片等材料进行制备导电基板141A’。

在本实施例中，与所述导电基板141A’紧密贴合的所述特定离子选择性薄膜141B’为用于吸附特定离子的混合原料形成的贴层。所述混合原料包括活性炭浆料和离子选择吸附原料。

所述活性炭浆料包括活性炭、导电炭黑、聚偏氟乙烯、和有机溶剂。所述电解质选择吸附原料包括特定离子载体、硼酸钠、硝基苯辛醚、聚氯乙烯、及四氢呋喃溶剂。

在本实施例中，为了吸附更多特定离子，可在所述特定离子选择电极内部按照预定比例设置吸附孔，所述吸附孔包括微孔，中孔，及大孔；其中，所述微孔的的直径小于20nm；所述中孔的直径大于等于20nm，小于等于50nm；所述大孔的直径大于50nm。例如，传感器的阴极和阳极均有占电极体积约50％及以上的吸附孔。

本实施例所述的特定离子检测传感器的工作原理如下：

利用所述控制单元11为所述测量单元14施加一定时间长度的恒定电压。当在所述测量单元14的特定离子选择电极141和对电极142接收到该恒定电压后，所述液流通道143中的电解质在电压的作用下向与该电解质极性相反的电极处移动，例如，特定阳离子向阴极移动，或特定阴离子向阳极移动，产生离子电流，特定阳离子或特定阴离子存储在特定离子选择电极141中，相应的外电路中会产生电子电流，该电子电流与离子电流所传递的电荷总量一致。换句话说，被吸附的特定离子的数量可以近似的等同于施加电流在一定时间长度内通过外电路(第一集电单元和第二集电单元组成)转移的电荷总量(吸附在所述特定离子选择电极上特定离子的数量等于待检测溶液中特定离子的数量)。被吸附的特定离子数量的对数与水流通道中的离子数量的对数呈线性关系，因此可根据测定的被吸附的特定离子数量反推计算出水流通道中的离子数量)

在本实施例中，阴离子被吸附到阳极，阳离子被吸附到阴极，直到吸附饱和。当吸附饱和之后，可以调转阴阳两极的极性或者将两极短接，被吸附的离子被释放出来，电极得以再生，即可以重复使用。

采用本实施例所述的特定离子检测传感器与现有技术的检测精度比对请参阅表1

表1：本申请与现有技术的特定离子浓度检测精度比对表

从上述实验数据获知本实施例所述提供的特定离子检测传感器比现有技术的检测精度更高。

本实施例所述的特定离子检测传感器结合固态电极直接测量液态物质中各种电解质的浓度，测量准确，迅速，可长时间反复使用，且具有工艺流程短，投资少，生产过程操作简单，生产成本低，使用效果好、寿命长等优点。

综上所述，本实用新型所述特定离子检测传感器结合固态电极直接测量液态物质中各种电解质的浓度，测量准确，迅速，可长时间反复使用，且具有工艺流程短，投资少，生产过程操作简单，生产成本低，使用效果好、寿命长等优点。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。