一种可同时检测镁、氯离子的集成电极检测卡及其制备方法与流程

本申请涉及电化学
技术领域：
，具体而言，涉及一种可同时检测镁、氯离子的集成电极检测卡及其制备方法。
背景技术：
：离子型物质的检出和测量在生物医学研究、环境监控和生产过程控制等多个领域有重要意义。电解质离子通过自身在时间和空间上的复杂变化使得生物体对各种类型的刺激做出响应，从而达到维持体内平衡，催化反应、调节细胞功能的作用。长期以来，离子型物质的检测，很大程度上依靠发展高灵敏度，准确，正确的分析方法。至今人们已经能够成功地使用一些化学方法接近实时地测量监控一些无机离子，例如ca2+,mg2+,h+,na+,k+,cl-等，一些生物医学相关的离子型药物及代谢产物，以及氨基酸、一些必需的微量金属元素离子等等，但所采用的分析方法一般都要求昂贵的大型仪器(高效液相色谱质谱仪(hplc-ms),毛细管电泳仪(cze),原子吸收光谱仪(aas),电感耦合等离子体原子发射光谱仪(icp-oes),电感耦合等离子体质谱仪(icp-ms)等，同时需要经过复杂的分离纯化步骤，这些方法都存在着仪器昂贵、操作复杂费时、不易携带，难以进行实时实地测量等缺点。更为重要的是，这些方法一般只允许不连续的测量，并且不能得到实际生物或样品中有关离子活度的动态信息。现代分析化学的主要发展趋势之一是研究具有消耗样品少，分析时间短，灵敏度高，价格低，易携带，可抛弃等多种优点检测装置。与上述的方法相比较，化学和生物传感技术提供了在特定的真实环境中测量监控各种离子的可能性，从而可以更好的、实地实时的理解这些离子的配合和相互作用而无需复杂的仪器设备。特别是选择性的载体化学传感器，例如离子选择电极和光极建立在可逆的主客体化学识别过程上，能够选择性地结合萃取小分子的离子进入亲脂性有机膜，从而特别适合研究生物体系中的各种离子型物质。在血液电解质中，镁(mg2+)是体内含量最多的阳离子之一。成人体内含镁0.823-1.234mol，其中50％存在于骨骼，45％在细胞内液，细胞外液占5％。肝、肾和肌肉含镁较多，在细胞内液镁的含量仅次于钾而居第二位，其浓度约为细胞外液的10倍。在细胞外液，镁的含量仅次于钠、钾、钙而居第四位。在许多生理化学过程中镁都参与反应并占重要地位，比如是多种酶的激活剂。碱性和酸性磷酸酶、磷酸变位酶、焦磷酸酶、肌酸激酶、己糖激酶、亮氨酸氨基肽酶和羧化酶等，它们的催化作用都须有镁离子的激活；镁是组成dna、rna及核糖体大分子结构所必需的元素；也是维持正常神经功能和肌肉的重要元素。细胞外血清里的镁有3种形态：与白蛋白结合(25％)，与阴离子(磷酸根、碳酸氢根、柠檬酸根等)结合(8％)，自由离子态(65％)。其中离子态镁(img)是细胞外镁的具有生理学活性和检测意义的部分。常见检测方法为生化分析仪检测血清中所有mg浓度(光学方法)，再换算成img浓度，往往造成检测误差。技术实现要素：针对现有技术中的不足之处，本发明使用高选择性的离子螯合剂和高分子材料，制备镁离子和氯离子选择性传感膜，以及全固态参比电极，在集成电极检测卡上实现对血液样品中img、cl-的联合检测。本发明所述的可同时检测镁、氯离子的集成电极检测卡，所述的集成电极检测卡包括选择性电极和参比电极；所述的选择性电极由导电基底和选择性高分子传感膜组成，所述的选择性电极包括镁离子传感器和氯离子传感器。具体的，所述的镁离子传感器包括下层和上层，所述的下层为导电物质，所述的上层为镁离子高分子传感膜，包含镁离子螯合剂、离子交换剂共同溶解分散在高分子体系中。所述的离子交换剂为：四苯基硼酸钠，四苯基氯化砷、四(4-氯苯基)硼酸钾、四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠、四[3,5-二(三氟甲基)苯基]硼酸钾，三(十二烷基)甲基氯化铵中的一种或多种；所述的高分子为：聚氯乙烯、聚氨酯、硅橡胶中的一种或多种。所述的镁离子螯合剂为：n,n′-二庚基-n,n′-二甲基-1,4-丁二酰胺、n,n″-亚辛基双(n′-庚基-n′-甲基-甲基丙二酰胺)、n,n′,n″-三[3-(庚基甲氨基)-3-氧代丙酰]-8,8′-亚氨基二辛胺、4,13-[双(n-金刚烷基氨基甲酰基)乙酰基]-1,7,10,16-四氧-4,13-二氮环十八烷中的一种；进一步的，本发明所述的镁离子高分子传感膜还含有辅剂、增塑剂，所述的辅剂为：树脂颗粒、石英粉、二氧化硅颗粒、硅胶粉、氧化铝中的一种或多种。所述增塑剂是不挥发的有机化合物液体。具体的，本发明所述的氯离子传感器包括下层和上层，所述的下层为导电物质，所述的上层为氯离子高分子传感膜，包含本剂和固化剂。所述的本剂为：环氧树脂、丙烯酸树脂、聚胺酯中的一种或多种；所述的固化剂为：脂肪胺、脂环胺、芳香胺、聚酰胺、芳香类固化剂中的一种或多种。具体的，所述的参比电极包括下层和上层，所述的下层为导电物质，所述的上层为参比电极高分子传感膜，包含憎水性有机离子化合物共同溶解分散在高分子体系中。所述的憎水性有机离子化合物为：四正丁基四苯基硼酸铵，四正丁基四丁基硼酸铵，四(4-氯苯基)硼酸四(十二烷基)铵；所述的高分子为：聚氯乙烯、聚氨酯、硅橡胶。本发明中所述的导电材料为：金、铂、钯、碳、银、银/氯化银、金属-导电高分子等。本发明所提供的集成电极检测卡中所述的选择性电极主要包括镁离子传感器和氯离子传感器，但不局限于这两种传感器，还可以与其他传感器配合使用，包括钠离子电极、钾离子电极、钙离子电极、锂离子电极、ph电极、碳酸氢根电极、氧气电极、二氧化碳电极、红细胞压积电极、肌酐电极、尿素氮电极、胆红素电极、血糖电极、乳酸电极中的一种或多种。进一步的，本发明所述选择性电极还包括：钠离子电极、钾离子电极、钙离子电极、锂离子电极、红细胞压积电极。更进一步的，本发明所述的选择性电极还包括：钠离子电极、钾离子电极、钙离子电极、锂离子电极、ph电极、碳酸氢根电极、氧气电极、二氧化碳电极、红细胞压积电极。更进一步的，本发明所述的选择性电极还包括：钠离子电极、钾离子电极、钙离子电极、锂离子电极、ph电极、碳酸氢根电极、氧气电极、二氧化碳电极、红细胞压积电极、肌酐电极、尿素氮电极、胆红素电极、血糖电极、乳酸电极。此外，本发明还提供了上述集成电极检测卡的制备方法，包括如下步骤：a)将含有镁离子螯合剂的原料、离子交换剂、高分子、共同溶解于挥发性溶剂中，充分溶解后，将溶液滴涂于导电基底表面，待挥发性溶剂挥发完全后制备得到镁离子高分子传感膜；b)将本剂和固化剂分别溶于不同溶剂中，以一定比例混合后，滴涂或浸渍到导电基底上，完全固化后使用，制备得到氯离子高分子传感膜；c)将憎水性有机离子化合物、、高分子、共同溶解于合适的挥发性溶剂中，充分溶解后，将溶液滴涂或浸渍于导电基底表面，待挥发性溶剂挥发完全后制备得到参比电极；d)将镁离子电极、氯离子电极和参比电极置于同一平面底板上固定，制备得到集成电极检测卡；或者使用丝网印刷空白集成电极阵列，在不同的导电基底上分别滴涂镁离子传感膜溶液、氯离子传感膜溶液和参比电极膜溶液，待溶剂完全挥发后得到集成电极检测卡。本制备方法中所述的挥发性溶剂是指暂时用于混合各个组分的挥发性溶剂，会在成膜过程中挥发除去。当需要调节传感膜溶液粘度和传感膜厚度时，本发明会在步骤a、步骤c中，加入辅剂，充分振荡混合制成均匀溶液。当需要调节高分子传感膜的刚性、成膜性和电极选择性时，本发明会在步骤a、步骤c中，加入增塑剂，充分溶解混合制成均匀溶液。当所述的电极不仅仅是镁离子传感器和氯离子传感器时，其他的选择性电极是在步骤a中加入，余下步骤与步骤d相同，此处不再赘述。有益效果：本发明成功实现在含高浓度干扰离子(k+、na+、ca2+)的复杂样品中直接检测离子型镁的浓度。成功实现在复杂样品中直接检测氯离子的浓度。和传统的光学方法比较，我们使用的电化学方法检测准确度高、重复性好、操作简便、检测时间短、仪器小巧。附图说明图1是镁离子的工作曲线图图2是在干扰离子存在下镁离子的工作曲线图图3是氯离子电极响应时间和信号变化图图4是cl离子电极在不同干扰离子存在时的工作曲线图图5是平面ph电极对ph响应工作曲线图图6是平面ph电极的响应时间和稳定性的示意图图7是葡萄糖平面电极对葡萄糖的响应工作曲线图具体实施方式为了使本
技术领域：
的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。实施例1：镁离子选择电极传感膜制备和电极性质表征将镁离子载体、离子交换剂、高分子和增塑剂(质量比1：2)加入到3ml的有机溶剂里充分震荡溶解。最后取溶解均匀的有机溶液1～2μl滴涂到电极表面，室温下静置过夜，待溶剂完全挥发后即成固接镁离子电极。在高分子膜和电极之间可使用导电高分子、纳米碳管等导电材料，以增加体系稳定性。电位值测定的方法是：在室温下将电极浸在20ml去离子水中，滴加0.01m氯化镁母液，在搅拌停止后得到不同浓度的镁离子溶液，用6通道emf装置进行电位值的测量。使用双液接ag/agcl参比电极(内装3mkcl，外溶液为1m醋酸锂)。实验数据中用到的离子活度系数参照德拜-休克尔方程计算，所有电位值均经过亨德森方程校正，所有数据均为5个平行电极测得数据的平均值。从图1可以得到，电极对镁离子在10-5m-10-1m范围内有良好的线性响应(r＝0.99982)，检测下限为10-5m。在同样实验条件下，将镁离子电极和参比电极共置于20ml含干扰金属离子盐溶液中(4.3mmkcl、141.99mmnacl、2.29mmcacl2)，滴加0.01m氯化镁母液，在搅拌停止后得到不同浓度的镁离子溶液，进行电位测定，得到图2所示结果。根据公式1，镁离子检测下限和背景溶液中干扰离子的浓度计算选择性系数：na+：-2.32±0.067；k+：-0.35±0.008；ca2+：-0.11±0.011【选择性系数计算方程】aa：镁离子的检测下限；ab：干扰离子活度；za：镁离子电荷数；zb：干扰离子电荷数实施例2：氯离子选择电极传感膜制备和电极性质表征称取一定量的a胶(本剂)与b胶(固化剂)(a：b＝1：1wt％)，再加入有机溶剂，混合均匀。在ag/agcl基底电极上，每次滴涂适量的ab胶混合物溶液，干燥固化后制得cl离子选择电极。电位值测定的方法是：在室温下将电极浸在20ml去离子水中，滴加不同浓度的氯化钠母液，在搅拌停止后得到不同浓度的氯离子溶液，用6通道emf装置进行电位值的测量。使用双液接ag/agcl参比电极(内装3mkcl，外溶液为1m醋酸锂)。实验数据中用到的离子活度系数参照德拜-休克尔方程计算，所有电位值均经过亨德森方程校正，所有数据均为5个平行电极测得数据的平均值。从图3(其中(a)为cl离子电极的timetrace；(b)为cl离子的工作曲线)可以得到，电极对氯离子在98-106mm范围内有良好的线性响应(r＝0.99982)。基于离子选择电极的检测目标为血液，样品中可能含有的阴离子物质可能会对cl离子的检测产生干扰，故使用br-、clo4-、水杨酸根、硫氰酸根作为干扰物质对氯离子选择电极的性能进行抗干扰测试，具体方法如下：在室温下将电极浸在20ml分别含有【1-10mm】浓度的溴化钠、高氯酸钠、水杨酸、硫氰酸钠的去溶液中，滴加不同浓度的氯化钠母液，在搅拌停止后得到不同浓度的氯离子溶液，用6通道emf装置进行电位值的测量。使用双液接ag/agcl参比电极(内装3mkcl，外溶液为1m醋酸锂)。氯离子电极的选择性系数(表1)通过图4(其中(a)溴离子；(b)高氯酸根离子；(c)水杨酸：(d)硫氰酸根)中各工作曲线的检测下限和干扰离子浓度计算得到。表1氯离子电极选择性系数表干扰离子选择性系数溴-2.207±0.076高氯酸根-1.44±0.216水杨酸根-0.295±0.064硫氰酸根-0.112±0.052根据上述cl离子选择电极对这些干扰离子的选择性系数分析发现，在血液检测时，此cl离子选择电极的检测结果并不会因为上述干扰离子的存在而受影响。由于目标检测为血样或血清样，样品量一般在几十微升到几毫升之间，双液接玻璃参比电极尺寸大，不适合小样品体积的检测，且每次检测不同样品中间需要清洗以除去残余样品防止样品间交叉污染，费时费力；直接使用ag/agcl电极作为参比的话，由于不同血样中含有的cl离子浓度不同，会对cl离子检测造成偏差；因此本发明涉及的全固态集成离子选择电极中包含了参比电极，满足单次血样检测的需求，稳定且不受样品的异质性影响。实施例3：全固态参比电极的制作在样品瓶中先加入1.2ml有机溶剂；再边震荡边加入pvc，待pvc完全溶解后，再加入tba-tpb；最后加入npoe溶液(pvc：npoe＝1:2)。最后将上述玻璃瓶拧紧盖子，放入摇床中，50℃，300rpm，摇晃至混合物均匀溶解成粘稠状液体。然后在ag/agcl电极基底上滴涂0.6～2ul溶液，干燥固化后即得到全固态参比电极。所述mg2+、cl-选择电极的制作所使用的导电基底材料的制作方法如下：将导电材料(碳浆、银浆、银/氯化银浆)均匀涂抹至电极底板上，或者使用真空镀膜仪或磁控溅射将不同金属覆盖基底材料，然后使用激光雕刻机在有导电镀层的基底上刻出规则形状的电极阵列(包含直径为0.5～1.5mm的多个电极)。将带镀层的电极进行表面处理以得到稳定的检测电位。将传感材料溶液通过移液器或点胶机滴涂或印刷到电极表面，干燥后得到全固态离子选择电极。检测不同离子的传感膜固定在同一阵列内的不同电极基底上，可以对同一样品中的不同离子进行同时测定。将电极阵列和参比电极分别置于含有各种离子的标准溶液，和待测样品中，得到的电位值，使用一点校正或两点校正方法，计算待测样品中各个离子的浓度，和称量值进行比较，计算回收率。每个样品的检测均多次重复，从标准偏差和平均值计算精密度(cv％)，结果见表2。表2集成卡在模拟样品的准确性将电极阵列和参比电极分别置于含有各种离子的标准溶液，和血液样品中，得到的电位值，使用一点校正或两点校正方法，计算血液样品中各个离子的浓度，和商品化仪器检测结果进行比较，计算相关性。每个样品的检测均多次重复，从标准偏差和平均值计算精密度(cv％)，结果见表3。表3集成卡测得绵羊全血的准确性相关性/i-statmm/mmcv/％cl119.3/1054.19mg/6.41实验结果显示该电极阵列可以实现在复杂的真实样品(全血)同时检测mg2+和cl-，测量的重复性好，准确度高。实施例4所述的集成电极检测卡由镁离子传感器、氯离子传感器、钠离子电极、钾离子电极、钙离子电极和参比电极组成。将导电材料(碳浆、银浆)均匀涂抹至电极底板上，或者使用真空镀膜仪或磁控溅射将不同金属覆盖基底材料，然后使用激光雕刻机在有导电镀层的基底上刻出规则形状的电极阵列(1.7cm宽，包含直径为1mm的6个电极)。将带镀层的电极进行表面处理以得到稳定的检测电位。将传感材料溶液通过移液器或点胶机滴涂或印刷到电极表面，室温干燥。用于不同金属离子检测的传感材料均使用pvc和增塑剂的体系，分别使用钠离子螯合剂、钾离子螯合剂、钙离子螯合剂、镁离子螯合剂为活性传感材料，natfpb为离子交换剂。cl离子传感膜使用本剂和固化剂胶，在电极表面固化后制得。检测不同离子的传感膜固定在同一阵列内的不同电极基底上，可以对同一样品中的不同离子进行同时测定。将电极阵列和参比电极分别置于含有各种离子的标准溶液，和待测样品中，得到的电位值，使用一点校正或两点校正方法，计算待测样品中各个离子的浓度，和称量值进行比较，计算回收率。每个样品的检测均多次重复，从标准偏差和平均值计算精密度(cv％)，结果见表4。表4集成卡在模拟样品的准确性离子回收率cv/％na98.091.34k100.470.06ca101.971.51mg93.620.62cl100.75.09将电极阵列和参比电极分别置于含有各种离子的标准溶液，和血液样品中，得到的电位值，使用一点校正或两点校正方法，计算血液样品中各个离子的浓度，和商品化仪器检测结果进行比较，计算相关性。每个样品的检测均多次重复，从标准偏差和平均值计算精密度(cv％)，结果见表5。表5集成卡测得全血的准确性相关性/i-statmm/mmcv/％na83.64/1315.03k4.74/＞95.19ca0.93/＜0.256.00cl119.3/1054.19mg/6.41实验结果显示该电极阵列可以实现在复杂的真实样品中一次性检测多个离子，测量的重复性好，准确度高，和商品化仪器的相关性好。该电极阵列首次实现在血清和全血样品中检测常见电解质的同时，对离子镁的准确测定，钙离子对镁离子电极没有产生干扰。本实施例的集成电极检测卡适用于血清、血浆、全血、尿液中的电解质的检测。实施例5所述的集成电极检测卡由镁离子传感器、氯离子传感器、钠离子电极、钾离子电极、钙离子电极、锂离子电极、ph电极、碳酸氢根电极、氧气电极、二氧化碳电极、参比电极组成。离子选择电极均使用pvc和增塑剂的体系，分别使用钠离子螯合剂、钾离子螯合剂、钙离子螯合剂、镁离子螯合剂、氢离子螯合剂、碳酸氢根和碳酸根螯合剂为活性传感材料，加入离子交换剂。cl离子传感膜使用本剂和固化剂胶，在电极表面固化后制得。氧气电极使用平面clark电极，二氧化碳电极为severinghaus型气敏电极。图5是平面ph电极对ph响应工作曲线图6是平面ph电极的响应时间和稳定性表6在模拟血液样品中测定ph的cv值和回收率(n＝5)表7溶解氧电极在不同类型样品中的cv值和准确性(n＝5)样品类型回收率/％cv/％缓冲液pbs1015.62血清955.74全血1138.17本实施例的集成电极检测卡适用于血液样品中电解质和血气的同时快速测定。实施例6所述的集成电极检测卡由镁离子传感器、氯离子传感器、钠离子电极、钾离子电极、钙离子电极、锂离子电极、ph电极、碳酸氢根电极、氧气电极、二氧化碳电极、红细胞压积电极、肌酐电极、尿素氮电极、胆红素电极、血糖电极、乳酸电极和参比电极组成。离子选择电极均使用pvc和增塑剂的体系，分别使用钠离子螯合剂、钾离子螯合剂、钙离子螯合剂、镁离子螯合剂、氢离子螯合剂、碳酸氢根和碳酸根螯合剂为活性传感材料，加入离子交换剂。cl离子传感膜使用本剂和固化剂胶，在电极表面固化后制得。氧气电极使用平面clark电极，二氧化碳电极为severinghaus型气敏电极。肌酐电极、尿素氮电极、胆红素电极、血糖电极、乳酸电极分别在导电基底上固定肌酐酰胺水解酶、尿素酶、胆红素氧化酶、血糖氧化酶或脱氢酶、乳酸氧化酶或脱氢酶制备得到。图7是葡萄糖平面电极对葡萄糖的响应工作曲线图将葡萄糖氧化酶修饰的电极和参比电极置于含有一定浓度葡糖糖的标准溶液(5mm)和待测样品中，取加样后40s-60s时间内电流的平均值，工作曲线如图7所示。使用一点法计算待测样品中葡萄糖浓度，和理论值比较，计算回收率。检测的样本量n≥5,从标准偏差和平均值计算精密度(cv％),结果见表8：表8葡萄糖氧化酶电极在不同类型样品中的cv值和回收率样品类型回收率/％cv/％缓冲液pbs94.743.84血清110.411.24全血86.511.16本实施例的集成电极检测卡适用于快速同时测定临床危急症指标，可用于急诊、手术室、床边即时检测。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。当前第1页12