一种全固态型钠离子选择性电极及其制备方法与在生化电解质检测中的应用与流程

本发明属于生物传感器领域，具体涉及一种全固态型钠离子选择性电极及其制备方法与在生化电解质检测中的应用。

背景技术：

1、钠离子是人体维持电荷稳定和内环境稳定的最重要离子之一，也是人体含量最大的离子。正常人的钠离子浓度是135-145mmol/l，低于135mmol/l称为低钠血症，高于145mmol/l以上称为高钠血症。人体钠离子是维持正常稳定的，但中枢神经系统疾病、内分泌系统疾病或者胃肠道疾病有可能会造成钠离子紊乱，出现低钠血症或者高钠血症，比如严重的颅脑损伤、重症脑炎、脑出血、脑血管疾病，影响下丘脑对钠的调节会出现离子紊乱。此外，患者由于严重的胃肠道炎症、脱水或者中暑等也会诱发离子紊乱，出现低钠血症。所以一定要维持钠离子的稳定，对低钠血症要及早纠正，对患者出现的高钠血症也要及时纠正，否则容易造成内环境紊乱，出现渗透压改变，造成相应的不良预后。

2、目前医学检查采用的方法为血液生化检查和血液无机物测定。具体采用火焰光度计法、离子选择性电极分析法以及酶动力学法等方法。其中采用离子选择性电极测定钠离子具有测量速度快、选择性好、且测量过程不受样品颜色的干扰等优点，是一种直接的、非破坏性的分析方法。但是传统的离子选择性电极多为液态电极，体积大且不易携带、保存和运输。而全固态离子选择性电极具有体积小、易使用、携带方便、保存方便的特点，对全固态全固态型钠离子选择性电极的设计与开发至关重要。

3、有鉴于此，本发明旨在提供一种全固态型钠离子选择性电极，实现降低电极加工成本与难度的同时，针对钠离子进行多参数检测的高灵敏度、准确性的电化学检测电极。

技术实现思路

1、本发明所要解决的问题是实现对血液中钠离子的精准快速检测，提高检测的灵敏度和准确性。有鉴于此，本发明提供了一种全固态型钠离子选择性电极及其制备方法与在生化电解质检测中的应用。

2、本发明的目的是提供一种全固态型钠离子选择性电极，包括电极正面和电极背面，电极正面包括5个电极位点，分别为参比电极r、对电极c以及工作电极1、工作电极2、工作电极3，其中工作电极1、工作电极2为钠离子检测电极，工作电极电极3为校准电极。

3、电极正面和/或电极背面设置有电极接触位点，设置在电极正面的电极接触位点通过引线与电极位点对应相连，设置在电极背面的电极接触位点通过引线与导通通孔相连，通过导通孔与电极位点对应相连，电极位点相连位置设置有导通通孔。

4、电极位点表面设置有基底电极与其表面的全固态修饰物，包括内参比电极层(1)、导电高分子凝胶(2)与离子选择性透过膜(3)。

5、参比电极r、对电极c、工作电极1、工作电极2、工作电极3五个微电极均采用多层油墨加工工艺，形成同心圆形状的油墨围坝，同心圆直径为0.2～1.5mm，同心圆圆心距为20～150μm；油墨围坝采用pcb阻焊油墨加工，厚度为20～50μm。

6、参比电极r包括基底层、氯化银层以及保护膜。

7、进一步，基底层金属包括金、铂。

8、进一步，氯化银层采用10～15μl氯化银电子浆料，通过点样机点在基底层表面。

9、进一步，保护膜包括高分子聚合物、增塑剂和溶剂，具体将20.0～30.0％高分子聚合物、70.0～80.0％增塑剂混合溶解在100～200μl环己酮中，静置3小时，然后点涂1～2μl膜液在电极表面。

10、对电极c包括铂电极、金电极。

11、工作电极1、工作电极2和工作电极3均为多层结构，具体包括基底层、内参比电极层(1)、导电高分子凝胶(2)和离子选择性透过膜(3)。

12、进一步，基底层金属包括金、铂，其导电性好，稳定性较高，可以为选择性电极提供检测信号。

13、进一步，内参比电极层(1)为氯化银电极，内参比电极作为电子-离子传递剂，使其具有足够快的响应速度和可逆的离子电极传导性能。

14、进一步，导电高分子凝胶(2)是将100g/l pva水溶液与0.0133mol/l的聚苯胺微乳液充分搅拌，然后加入1mol/l的硫酸和2.5wt％戊二醛，形成分子凝胶，然后点涂1～2μl膜液在内参比电极层(1)表面。

15、上述pva可替换为predot：pss水凝胶层，predot：pss水凝胶层具有良好的导电性和较大的电活性表面积，可以更好地实现导电效果。

16、导电聚合物作为全固态离子选择性电极中离子到电子的传递层及固态接触材料，可以和基底金属材料形成一种欧姆接触，可以在固态情况下将离子信号转化为电子信号。导电高分子凝胶(2)可以选择基于吡咯、噻吩、苯胺的电聚合或者化学聚合衍生物，如3，4-乙烯二氧噻吩、聚苯胺等，然后加入聚乙烯醇，搅拌均匀后形成分子凝胶。通过点样机点在氯化银层表面。

17、进一步，离子选择性透过膜(3)包括离子载体(1.0～3.0％)、亲脂性大分子(2.0～4.0％)、高分子聚合物(40.0～45.0％)、增塑剂(50.0～55.0％)以及溶剂。

18、进一步，离子载体包括十四烷基甲基丙烯酸双【(12-冠醚-4)甲基】酯、4-十八酰氧基甲基-n，n，n′，n′-四环己基-1，2-亚苯基二氧二乙酰胺、n，n，n′，n′-四环己基-1,2-亚苯基二氧二乙酰胺、n，n′-二苯基-n，n′-二苄基-1，2-亚苯基二氧二乙酰胺、2，2′-【1，2-亚苯基二(氧代)】二(n-苯甲基-n-苯基乙酰胺)、2，2，3，3,8,8，9，9-八甲基-1,4,7，10，13-五氧杂环十六烷、2，2，3，3，11，11，12，12-八甲基-1，4，7，10，13-五氧杂环十六烷、十四氢-17h-4a，20a：11a，15a-二丁基桥二苯并(b，k)(1，4，7，10,13)五氧杂环六癸炔、15-十八烷基-1，4，7，10，13-五氧杂环十六烷、3′，6′，9′，12′，15′-五氧杂螺【二环(2.2.1)庚烷-2，1′-环十六烷】-5-烯、十二氢-11h-14a，18a-丁基桥-1，4，7，10，14-苯并五氧杂环六癸炔、2，2′-【1，2-亚苯基二(氧代)】二(n-苯甲基-n-苯基乙酰胺)、3，5，6，7，9，10-六氢-2h-苯并[e][1，4，7，10]四氧杂环三癸炔、2，2’-【2-乙基-2-[(2-(庚基(甲基)氨基)-2-羰基乙氧基)甲基]丙烷-1，3-二基】二(氧代)二(n-庚基-n-甲基乙酰胺)、6，7，9，10，18，19-六氢-17h-二苯并[b，k][1，4，7，10，13]五氧杂环六癸炔、18-甲氧基-6，7，9，10，18，19-六氢-17h-二苯并[b，k][1，4，7，10，13]五氧杂环六癸炔、18-(2-甲氧基乙氧基)-7，9，10，17，18，19-六氢-6h-二苯并[b，k][1，4，7，10，13]五氧杂环六癸炔、n，n-二乙基-2-(6，7，9，10，18，19-六氢-17h-二苯并[b，k][1，4，7，10，13]五噁环十六英-18-氧基)乙酰胺、2-(6，7，9，10，18，19-六氢-17h-二苯并[b，k][1，4，7，10，13]五噁环十六英-18-氧基)-n，n-二戊基乙酰胺中的一种或几种。

19、钠离子载体作为钠离子的络合物，实现电极对钠离子的选择性，其质量百分比为1.0％-3.0％。

20、进一步，亲脂性大分子为解离在膜相中的亲脂性盐，包括四苯硼钠、四氯苯硼钠、四【3，5-二(三氟代甲基)苯基】硼酸钠中的一种或几种。

21、进一步，高分子聚合物包括聚氯乙烯、聚氨酯、聚醋酸乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或几种，高分子聚合物作为钠离子敏感膜的支撑体，其质量百分比为20.0～30.0％。

22、进一步，增塑剂包括癸二酸二辛脂。

23、增塑剂作为离子载体的溶剂，可以使离子载体在其中迁移，其质量百分比为70.0～80.0％。

24、进一步，将离子载体、亲脂性大分子、高分子聚合物和增塑剂的混合物溶解在200～～300μl四氢呋喃或环己酮溶剂中，静置3小时，制成全固态型钠离子选择性电极膜液，然后点涂1～2μl离子选择性电极膜液在电极表面。

25、如附图1和附图2所示，为本发明的全固态型钠离子选择性电极正面示意图和背面示意图。

26、电极正面设置有五颗微电极，分别为参比电极r、对电极c、工作电极1、工作电极2和工作电极3，其中微电极检测位点区域采用金属pad点加工，金属pad点通过金属引线或者相连的导通孔与电极背面的电极接触位点对应相连。

27、电极接触位点可根据需要设置在电极正面或背面，正面接触位点可直接通过金属线路与微电极检测位点对应相连，背面接触位点可通过金属线路连接导通孔与微电极检测位点对应相连。

28、如附图3所示，为本发明全固态型钠离子选择性电极结构示意图。从图中可看出，基底电极表面修饰有全固态修饰物，由内到外依次为内参比电极层(1)、导电高分子凝胶(2)与离子选择性透过膜(3)，其中内参比电极层(1)为氯化银修饰层，而后修饰导电高分子凝胶(2)，并在其表面覆盖离子选择性透过膜(3)，以上修饰结构全部采用全固态结构，可大幅提升电极总体稳定性。

29、本发明的另一目的是提供一种全固态型钠离子选择性电极的制备方法，具体包括以下步骤：

30、s1、参比电极的制备：采用电镀方法制备金或铂基底电极，将10～15μl氯化银电子浆料通过点样机点在基底电极表面；将20.0～30.0％高分子聚合物、70.0～80.0％增塑剂混合溶解在100～200μl环己酮中，静置3小时，然后点涂1～2μl膜液在电极表面，获得参比电极；

31、s2、工作电极的制备：采用电镀方法制备金或铂基底电极，将10～15μl氯化银电子浆料通过点样机点在所述基底电极表面，形成内参比电极层(1)；将100g/l pva水溶液与0.0133mol/l的聚苯胺微乳液充分搅拌，然后加入1mol/l的硫酸和2.5wt％戊二醛，形成分子凝胶，然后点涂1～2μl膜液在内参比电极层(1)表面，形成导电高分子凝胶(2)；将1.0～3.0％的离子载体、2.0～4.0％的亲脂性大分子、40.0～45.0％的高分子聚合物、50.0～55.0％的增塑剂混合溶解在200～300μl四氢呋喃或环己酮溶剂中，静置3小时，制成全固态型钠离子选择性电极膜液，然后点涂1～2μl膜液于导电高分子凝胶(2)表面，制得离子选择性电极；其中所述离子载体包括十四烷基甲基丙烯酸双【(12-冠醚-4)甲基】酯、4-十八酰氧基甲基-n，n，n′，n′-四环己基-1，2-亚苯基二氧二乙酰胺、n，n，n′，n′-四环己基-1，2-亚苯基二氧二乙酰胺、n，n′-二苯基-n，n′-二苄基-1，2-亚苯基二氧二乙酰胺、2，2′-【1，2-亚苯基二(氧代)】二(n-苯甲基-n-苯基乙酰胺)、2，2，3，3，8，8，9，9-八甲基-1,4,7，10，13-五氧杂环十六烷、2，2，3,3,11，11，12,12-八甲基-1，4，7，10，13-五氧杂环十六烷、十四氢-17h-4a，20a：11a，15a-二丁基桥二苯并(b，k)(1，4，7，10，13)五氧杂环六癸炔、15-十八烷基-1，4，7，10，13-五氧杂环十六烷、3′，6’，9′，12′，15′-五氧杂螺【二环(2.2.1)庚烷-2，1’-环十六烷】-5-烯、十二氢-11h-14a，18a-丁基桥-1，4，7，10，14-苯并五氧杂环六癸炔、2，2′-【1，2-亚苯基二(氧代)】二(n-苯甲基-n-苯基乙酰胺)、3，5，6，7，9，10-六氢-2h-苯并[e][1，4，7，10]四氧杂环三癸炔、2，2′-【2-乙基-2-[(2-(庚基(甲基)氨基)-2-羰基乙氧基)甲基]丙烷-1，3-二基】二(氧代)二(n-庚基-n-甲基乙酰胺)、6，7,9,10，18，19-六氢-17h-二苯并[b，k][1，4，7，10，13]五氧杂环六癸炔、18-甲氧基-6，7，9,10，18，19-六氢-17h-二苯并[b，k][1，4，7，10，13]五氧杂环六癸炔、18-(2-甲氧基乙氧基)-7，9，10，17，18，19-六氢-6h-二苯并[b，k][1，4，7，10，13]五氧杂环六癸炔、n，n-二乙基-2-(6，7，9，10，18，19-六氢-17h-二苯并[b，k][1，4，7，10，13]五噁环十六英-18-氧基)乙酰胺、2-(6，7，9，10，18，19-六氢-17h-二苯并[b，k][1，4，7，10，13]五噁环十六英-18-氧基)-n，n-二戊基乙酰胺中的一种或几种，所述亲脂性大分子包括四苯硼钠、四氯苯硼钠、四【3，5-二(三氟代甲基)苯基】硼酸钠中的一种或几种，所述高分子聚合物包括聚氯乙烯、聚氨酯、聚醋酸乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或几种；所述增塑剂包括癸二酸二辛脂。

32、本发明的另一目的是提供一种全固态型钠离子选择性电极在血液检测中的应用，可以实现对血液中钠离子的快速分析。

33、将电极放入待测溶液中，工作电极与参比电极形成电池，测量两者的电势差。根据能斯特方程，电势差与待测离子浓度的对数成线性关系，以此来检测钠离子的浓度。对离子选择性电极来说，不同电极基础电压往往不同，即使同一片电极，电压也很容易漂移。在实际测量前都需要进行校准。采用校准电极3对工作电极进行校准。

34、如附图4所示，为本发明的全固态型钠离子选择性电极对na+浓度为140mmol/l(a样品)和110mmol/l(b)样品测试100s的电位-时间曲线。从图中可看出，电压在测试瞬间就达到稳定值。并且在100s的测试时间范围内，响应曲线始终趋于稳定，说明本发明制备的全固态型钠离子选择性电极对于钠离子具有良好响应性能。

35、如附图5所示，为本发明的全固态型钠离子选择性电极对钠离子浓度为110mmol/l、120mmol/l、130mmol/l、140mmol/l、150mmol/l的电位测试曲线。从图中可看出，电极表现出良好的线性，曲线斜率为55.2/decade，略小于理论值59.2/decade，表现出亚能斯特效应，表现出离子选择性电极的基本特性，说明本发明制备的全固态型钠离子选择性电极对于钠离子具有良好响应性能。

36、如附图6所示，为本发明的全固态型钠离子选择性电极对钠离子的选择性测试，对特定离子的选择性以及抗干扰性是评价离子选择性电极的重要指标。具体为在140mmol/l的钠离子溶液中加入5mm kcl，1mm mgcl2，1mm cacl2，以及1mm葡萄糖(glu)、1mm尿素(urea)和30μm抗坏血酸(aa)进行测试。从图中可看出，在还未加入干扰物之前，钠离子的加入均得到明显的响应信号，而当干扰物加入之后，没有检测到明显的响应变化，当再次加入钠离子后，又再次发生明显的响应信号，表明本发明制备的全固态型钠离子选择性电极具有较高的选择性和可靠的抗干扰性能。

37、本发明的有益效果是：

38、(1)本发明制备的电极可以实现对血液中微量钠离子的选择性检测，大大提高了检测速度，具体通过在微电极表面修饰多层结构，提升了电极针对钠离子的整体检测性能。

39、(2)本发明设计的电极结构大大提高分子检测电极的稳定性，具体将三电极体系设置为五个微电极集成，并设置校准电极，实现了电极自校准功能的实现，同时校准电极也可作为工作电极使用，用于某种目标物的单独检测，在一次性同时检测多个指标的基础上，大幅增加了电极稳定性与灵敏度。

40、(3)本发明将多个微电极检测位点集成在同一电极表面，并通过引线连接和导通孔连接等不同方式将多个微电极检测位点和电极接触位点相连，大幅节省了芯片面积，实现了微电极集成化目的，简化了微电极与金属引脚的连接线路结构设计，降低了加工难度与成本为多参数集成分子检测卡的开发与应用提供了基础。