稳定的类脂膜装置的制作方法

专利名称:稳定的类脂膜装置的制作方法
本发明涉及一种基于类脂膜的装置，本发明特别适用于在电化学池中作为化学接收转换器的一种基于类脂膜的装置和将电化学池中的这种装置用于电介质水溶液中特殊化学试验物质的分析。
如Thompson和Krull(AnalytiaChimicaActa，147∶1-21，1983)所述，已经知道一种类脂膜可用于电化学池的化学接收转换器。
如Thompson等人(AnalytiaChimicaActa，117∶133-145，1980)、Albrecht等人(BiochimicaetBiophysicaActa，687∶165-1691982)、Kuhn(ThinsolidFilms99∶1-16，1983)和McConnell的美国专利4，490，216中所举的例子那样，已经知道一种被支承的类脂膜。此外，Krull等人也在CIC第67届年会(1984.6)的摘要11-2中记载Langmuir-Blodgett薄膜沉积技术在提供基质稳定的类脂膜结构方面的应用，提到了包括类脂物和基质碇系(Lipid-substrateanchorage)的方案的这类沉积技术。
McConnell专利是针对测定膜表面电荷变化的一种被支承的膜装置，McConnell的装置包括一种导体或半导体的固体层和一种使固体层与极性层电绝缘的类脂阻挡层(第13栏，5-11行)，类脂阻挡层是由与固体层非散布性连接并且比较硬的第一疏水层和用疏水的相互反应联结到第一疏水层以及能对它的环境变化起响应的第二疏水层组成，联接到第二疏水层末端的是定义为极性层的极性亲水顶端，在第12栏叙述了用一种甲硅烷基化试剂与固体层反应形成第一疏水层。
那里需要一种改进的、稳定的、基于类脂膜装置，特别需要一种在用于特殊化学试验物质分析的电化学池中作为化学接收转换器的这类离子渗透装置。因此，这种改进的基于类脂膜装置将是对该技术的一种有意义的贡献，并且，这种装置将使特殊化学试验物质分析的改进方法成为可能。
本发明的目的是提供一种改进的稳定类脂膜装置。
本发明进一步的目的是提供在用于各种特殊化学试验物质分析的电化学池中用作化学接收转换器的这类离子渗透装置。
更进一步的目的是提出一种改进的特殊化学试验物质分析的改进方法。
本发明的附加目的、优点和新颖性特征将在以下的说明书中显示出来，部份将在该技术领域：
的熟悉人员研究下面说明书时变得显而易见或通过实施发明时学习到。
为了达到前述目的和与本发明的目的相一致，此中作为具体化及更宽范围的叙述，提供出一种稳定的离子渗透类脂膜装置。这装置包括复杂成膜的类脂类和一种用于稳定由类脂形成的膜的支承物。这种类脂膜包括一种用于与特殊的化学物质选择性相互反应以提高膜离子渗透性的络合剂。
每一种形成膜的类脂类包括一个极性端基、使成膜类脂碇系在支承物上结合点的第一长链和不连在支承物上的第二长链。
支承物上的结合点间相互留出适当间隔以提供一个类脂分子充填密度，这一密度允许每个成膜类脂类绕碇系的长链作轴向转动，但相互间又是足够紧密，因此，在无干扰时，类脂分子充填密度对类脂膜可提供一个相对高的离子不渗透度。
此外，本发明也提供一种测定电介质水溶液中一种选择的化学物质浓度的方法，这方法包括由电介质水溶液和本发明的稳定离子渗透类脂膜装置组成的电化学池，然后在类脂膜二端加上电位差，该电位差推动离子通过、进入或离开膜，借此化学物质与插入膜中的络合剂相互反应以产生一种基于膜的离子渗透度增加的分析信号，测量分析信号，从测量出的信号测定化学物质的浓度。
现在说明作为本发明说明书一部份的附图。
图1是符合本发明的稳定的离子渗透的类脂膜装置的一种推荐的具体设备顶视图。
图2是图1装置中圆盘状部份24的导电层16部份截面的示意图，说明了类脂膜的结构。
图3是图1的3-3剖面。
图4是包括图1装置的电化学池的轮廓图，它是用于化学试验物质的分析。
如前面的解释，本发明是针对一种新颖的离子渗透类脂膜装置。这装置的膜经稳定化处理和具有一个适当的分子填充密度。另外，本发明也针对应用本装置作为用于在电介质水溶液中特殊化学试验物质(兴奋剂)定量和定性分析的电化学池里的一种化学接收转换器。
本发明的稳定类脂膜的装置包括一个易扰动的类脂膜和一个稳定膜的支承物。通过插入一种对兴奋剂有选择性的络合剂的方法对类脂膜作改进，络合剂和兴奋剂之间的相互反应使类脂膜的离子渗透度增加，从而导致分析信号的产生。
络合剂及其在类脂膜中适当的密度在这种技术中是常用的，用于本发明装置中的络合剂可以是一种对有机化合物有选择性的接受体。例如，能在类脂膜中化学键合的接受体可能是一种天然产品或一种合成的有机化合物。全都熟悉的典型接受体-有机化合物对如下抗体-抗原、激素接受体-激素、酶-基质、酶抑制剂-酶和外源凝集素-聚糖，一种有利的糖原接受体是伴刀豆球蛋白A，它用于葡萄聚糖的分析。
另一方面，络合剂对无机离子可能有选择性，一种有用的这类络合剂包括多肽，如抗菌素多肽。例证性的抗菌素多肽在该技术中是熟知的，其包括短杆菌肽A、氨基霉素和无活菌素。
成膜类脂类可以是天然的或合成的，合适的类脂类包括磷脂，如磷脂酸、磷脂酰甘油、磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰肌醇，神经鞘脂类，如神经鞘磷脂，但并不限于此。假定考虑到生物相容性，选用磷脂酰丝氨酸是有利的。这些典型的类脂类包括磷酸脂部份作为一种极性端。
这装置的成膜类脂类包括二条长链，任何一条长链用于形成天然的或合成的双层或单层膜是适宜的，为了这个发明的目的，术语“长链”意指链在长度方面至少是6个碳原子和不超过大约30个碳原子。与本发明相一致的一条长链在链长度方面最好至少是6到大约20个碳原子，例证性长链是酰基链，如己酰基、月桂酰、肉豆蔻酰、棕榈酰、硬脂酰，能用适当的类脂类混合物来形成膜。
每一个成膜类脂可通过一条长链碇系在支承物的结合点上，这碇系的链可以含有用于进一步聚合或改良膜的流度和填充的官能团。
第二条长链不连接到支承物上，因此能自由地移动。这一长链可提供使类脂膜具有易扰动性所需的流度，其长度等于或小于被碇系的链。这链能含有各种官能团。
在成膜类脂具有一种甘油骨架的情况中，被碇系的长链是共价地键合到甘油骨架的中间碳原子上(C-2)，自由移动长链被共价键合到没被极性端基团占据的终端碳原子(C-3)上，在另外情况中，碇系的和自由移动的链在骨架上的位置是可交换的，但是，一种典型的碇系长链将共价键合到骨架部份的一个原子上，该骨架部份是位于被自由移动长链共价键合的原子和被极性端基共价键合的原子之间。
稳定类脂膜的支承物可以是导电的固体基质或一种水合聚合物凝胶，如聚丙烯酰胺，在导电固体基质的情况中，成膜类脂类是通过典型地用表面化学改良方法生成的结合点碇系到支承物的表面上。
作为例证的导电固体基质包括导电的金属，如银、铂和金或电解的玻璃化炭黑，但不仅限于此。电介的玻璃化炭黑是用沿晶体面切割结晶碳材料来制取，抛光切割的碳材料，处理抛光的材料使之具有作为水溶液中电极的功能，每一个作为例证的导电固体基质是适合于表面改良以提供具有活性结合点。
碇系的长链可以用共价键合方式键合到稳定膜的支承物上，也能以物理键合(如静电络合或化学吸附)的方式结合，但为了去除或脱附需要很高的能量。作为比较，Langmuir-Blodgett的薄膜沉积是由于仅仅存在弱的Vanderwaals力将产生一种不稳定的结合。
当用共价键方式碇系到支承物时，被碇系的链可以包括一个连接部份，如把链连接到活性结合点上连接原子的硅原子。当连接部份是硅原子时，用于与结合点反应的前体类脂化合物将是甲硅烷基化的类脂化合物，最好带有一个共价键合到硅原子上的卤素基团。
前体类脂化合物可有利地从端部基团和骨架部份合成，例如，应用甘油磷酰胆碱作为起始物质，一个长链可以连接到甘油骨架的C-3碳上。以后，一个具有活性终点如羟基的长链可以共价键合到C-2碳上。另一方面，C-3碳能用一个保护部份如咪唑加以屏蔽，在把具有活性终点的长链连接到C-2碳上以后，保护部份能够被一长链取代，在碇系前体类脂化合物后，保护部份能够被取代。
终端羟基非常适宜用于与甲硅烷基化试剂反应，在无水条件下能有利地与大约等克分子量的甲硅烷基化试剂反应，一种有益的甲硅烷基化试剂是二烷基-卤硅烷，最好含有甲基取代基，它生成一种二甲基甲硅烷基类酯衍生物，卤素基团典型的是氯化物或溴化物。作为例子的一种甲硅烷基化试剂是氯二甲基硅烷，二甲基甲硅烷基化类脂衍生物可以与3-溴丙烯反应生成一种前体类脂化合物，其特征是一种溴二甲基甲硅烷基化部份。
较为有利的是前体类脂化合物包括仅仅具有单一长链的骨架部份，在碇系到支承物上以后，再连接第二个长链。但是，前体类脂化合物能包括一个以上的长链。
为提供活性结合点的导电固体支承物的表面改性可以用常规的氧化作用或氮化作用来完成，氧化作用产生羟基结合点，氮化作用给出含氮结合点。活性结合点的其他可能性是-SH部份。例如，铂的基质可以在氧存在下用等离子体炬或用王水接着再用过氧化氢氧化，银基质可以用大约5%NaOH水溶液氧化，一种玻璃化炭黑表面可以在氧存在下和很高温度中烘烤。
在前体类脂化合物和例如支承物上羟基结合点之间形成共价键中，应使用过量的类脂化合物，大约2∶1过量是适宜的，以确保全部结合点被占用，含硅原子前体类脂化合物和羟基结合点反应在支承物和成膜类脂化合物之间形成一种-O-Si-共价键。
结合点相互之间必需留出足够远的间隔，以提供一个类脂化合物分子充填密度，从而允许每个成膜类脂化合物围绕碇系的长链作轴向转动。这种间隔度提供一种能通过络合剂与兴奋剂相互反应所扰动的类脂膜。
另一方面，支承物上的结合点之间必需足够紧密以提供一个类脂化合物分子填充密度，使在未受扰动时类脂膜有一个相对高的离子不渗透度。“相对高的离子不渗透度”的术语是指在0.1克分子KCl溶液中加在膜二端的电位是50mv时，离子渗透度大约在10-9到10-13amps/cm的范围。
因此，在支承物表面进行改性时，进度采用化学分析用的电子能谱技术来监视，以得到适宜的结合点密度，在本发明中，应用了宽范围的结合点密度，但是，适合于本发明的特别的实施例的结合点密度依赖于包括所用的成膜类脂化合物在内的许多因素，更确切地讲，类脂化合物所占据的平均分子面积确定结合点之间的间隔度对轴向运动性是否足够，对于未受扰动的膜而言，间隔度是否提供了相对高的离子不渗透性。
例如，在大约15到20个碳长度的二个酰基链中的每一个带有一个双键的磷酸酰胆碱的情况中，当表面压力大约是32m Nm-1时平均分子面积大约是0.6-0.7nm，通过比较，差别在于在每个长链上有二个双键的相同磷酸酰胆碱的平均分子面积范围大约是0.45-0.55nm，对于链的每个双键，典型的校正因子大约是0.5-1nm。
从上面叙述可以了解到，对于平均分子面积大约是0.5nm的成膜类脂化合物适合的结合点密度将大约是0.5nm。
最好的是，离子不渗透度和轴向运动性是这样的，即由于络合剂和兴奋剂相互反应使离子渗透度的增加达到最大值，在最佳的信噪比时观察最大值。
本发明装置典型的类脂膜具有大约500-2000mev的离子能量势垒，最好是大约800-1200mev。这个能量势垒原则上是所选类脂化合物的平均分子面积和二极间电位的函数，该电位通常在大约400到800mv范围内。可用未键合的类脂分子插入到碇系在支承物上的类脂类之间任何剩余的间隔中去的方法，对二极的电位、能量势垒和平均分子面积作最后的调节。
在成膜类脂化合物碇系到支承物上后，络合剂是典型地被插入到类脂膜之中。
本发明的稳定化的离子渗透类脂膜装置是用于测定电介质水溶液中兴奋剂浓度的电化学池，当一种水合聚合物凝胶作为支承物时，电化学池能用于测定离子流。另一方面，假如导电固体基质作为支承物，电化学池能用于测定类脂膜内部电容的变化。
一种用于兴奋剂分析的液相电化学池包括一个符合本发明的稳定的基于类脂膜的装置，一个参比电极，一个电桥测量装置(如电容电桥)，电源和一种电解液。这样一类池能按下述步骤用于分析兴奋剂的浓度将几个已知浓度的兴奋剂放入池中，用测定这些已知浓度的电容变化的方法作校正曲线，然后在池中放入未知浓度的兴奋剂，测定电容变化，通过把这一电容变化与校正曲线比较即可测得浓度。
在以下例子、整篇说明书及以下的权利要求
书中都采用重量百分比，除非另有规定，全部过程是在常温和常压下进行。
实施例1甘油磷酰胆碱与大约等克分子的己酸的酸性氯化物相反应来制备甘油磷酰胆碱衍生物，该衍生物带有以共价方式结合到甘油骨架上C-3碳的含有6个碳的酰基链。
壬二酸-甲基酯和亚硫酰氯化物回流11/2小时，在二氧杂环己烷中，酸性氯化物产物与氢硼化钠反应一小时，将酰基氯化物基团还原为一种羟基亚甲基部份，然后和10%NaOH回流11/2小时，裂化甲基酯基团以在化合物其它端部生成一个终端羧基基团。
二克分子新生成的羧酸在二氯甲烷中与一克分子二环己基碳二亚胺反应一小时得到一种酸酐中间体。酸酐中间体在氯仿和4-二甲基氨基吡啶中，在25℃温度下，和大约等克分子量的甘油磷酰胆碱衍生物搅拌30小时，从而以共价方式连接到C-2碳上，得到一种带有活性终端羟基的九碳酰基链。
生成的甘油磷酰胆衍生物是在无水的条件和大约等克分子量的氯二甲基硅烷一起搅拌8小时，产生一种带有连接在C-3碳上的酰基链和以共价方式键合到C-2端的二甲基甲基烷基部分的六碳长链的一种甲硅烷基化类脂化合物。在氯仿中将甲硅烷基化类脂化合物与3-硼-丙烯一起搅拌11/2小时，得到一种以共价方式键合到含有9碳的C-2链末端为特征的前体类脂化合物。
一种电介的玻璃化炭黑表面是在氧气存在下，800℃温度中烘烤，应用电子能谱法监视氧化的程度，按制氧化作用程度以产生羟基基团分子的间隔约为0.4nm的羟基基团密度，在前体类脂化合物碇系到支承物上后，这一密度将允许类脂化合物绕碇系的C-2链作轴向转动，还将提供使膜具有相对高离子不渗透度的一种类脂分子填充密度。
在无水条件以及二倍过量于支承物上结合点数目的情况下，前体类脂化合物与被氧化的玻璃化炭黑支承物上的羟基结合点反应，以后，不超过类脂膜表面50%以上的截面密度为50A×50A伴刀豆球蛋白A是用疏水效应吸收到膜中去，产生一个符合本发明的稳定的基于类脂膜的装置。
实施例2参照图1-3，按下述步骤生产符合本发明的一种稳定的、基于类脂膜的装置10。
把用于制作图1所示式样装置10的标准框放在1×4×0.1cm的干净玻璃薄片上，挑选出来有盖的玻璃薄片安放在真空室中。暴露的玻璃表面是用蒸汽沉积的方法镀一层厚度为20nm的Ti/w膜以改善银层的附着力，再在Ti/w层上沉积100nm厚的银层。
除去标准框，银层的引导部分用涂复一层疏水不导电的环氧树脂保护，该树脂是用混合100份双酚A的二环氧甘油醚(如壳牌化学公司的Epon825)、37份多氧丙邻二胺(如德士古化学公司的JeffamineD-230)和硅基疏水的触变胶(Silica-Based，HydrophobicThixatrope如卡勃塔公司的cab-o-silTs-720)。不导电的环氧树脂涂层放置在室温下固化12小时，然后在60℃下烘烤3天。
银层的圆盘状部份用5%NaOH溶液氧化以在表面形成羟基基团。控制氧化程度以产生一个羟基基团相互间隔大约为0.4nm的羟基基团密度。
在无水和在二倍过量于氧化支承物上结合点数目的条件下，例1的前体类脂化合物与银层的圆盘状部份上的羟基结合点反应，以后，不超过类脂膜表面50%的截面积密度为50A×50A伴刀豆球蛋白A用疏水效应吸收到膜中产生稳定的类脂膜装置10。
参照图1-3，装置10包括支承物12(玻璃薄片)、有选择地在其上镀覆以增加导电层16对支承物12附着力的镀层14(Ti/w)、沉积在层14上的导电层16(银)、沉积在层16的引导部份20上面不导电的保护层18、和共价方式键合到层16的圆盘状部份24的一种类脂膜22。如图2的示意说明，成膜类脂分子相互间隔一个距离“d”，其数值大约是0.4nm2。
图2中装置10的化学和物理结构不过是为了说明本发明，例如，按以前的解释，强的物理键合可以用于碇系成膜的类脂类，除羟基基团以外的活性结合点能用于共价方式的键合。
实施例3应用实施例2中基于类脂膜的装置10、一个参比电极32(铂微电极)、测量电桥34(电容电桥)、电介质36(PH是7的0.1M KCl)组成了由图4概括地说明的一种液体电化学池30，从频率为100赫芝的电源38中采用+/-25mv的交流电压。池30是采用了几个已知浓度的右旋糖酐来作校正曲线，然后在电化学池中放入含有未知浓度的右旋糖酐，测定电容变化，通过电容变化与校正曲线比较可测定右旋糖酐浓度到10-6M。
上面的一些例子是为了叙述本发明。应该知道这些例子不能以任何方式解释为本发明范围的界限。相反，发明的范围应由下面叙述的权利要求
项确定，下面提出权利要求
的发明经仔细考虑会得到各种改进，这些改进是在该范围之中。
在工业上，本发明的稳定的基于类脂膜的装置可以用作用于电介质水溶液中特殊化学试验物质分析的电化学池里的一种化学接收转换器。
权利要求
1.一种稳定的基于类脂膜的装置。包括复杂成膜类脂类和一种用于稳定由类脂类形成的膜的支承物，类脂膜包括用于与特殊化学物质选择性相互反应以增加膜离子渗透度的络合剂；所说的每个成膜类脂类包括极性端基、用于将所说的成膜类脂化合物碇系到所说的支承物上结合点的第一长链和不连接到所说支承物上的第二长链；在所说的支承物上的结合点相互留出适当的间隔以提供一种类脂化合物分子填充密度，该密度使每个所说的成膜类脂类能绕碇系的长链作轴向转动，但结合点之间应足够紧密以使所说的膜在未受扰动时有相对高的离子不渗透度。
2.权利要求
1的装置，其中所说的支承物是一种导电的固体基质。
3.权利要求
1的装置，其中所说的第一长链是以共价键合的方式碇系的。
4.权利要求
1的装置，其中所说的成膜类脂化合物是选自基本上是磷脂酰胆碱和磷脂酰丝氨酸一组的磷脂。
5.权利要求
2的装置，其中所说的导电固体基质是选自基本上是电介的玻璃化炭黑和导电金属一类物质。
6.权利要求
5的装置，其中所说的导电金属是银。
7.权利要求
1的装置，其中所说的第一和第二长链是酰基链。
8.权利要求
1的装置，其中所说的络合剂是一种天然产品。
9.一种测定在电介质水溶液中选择性的化学物质浓度的方法，所说的方法包括(a)从权利要求
1的装置和所说的电介质水溶液组成一种电化学池;(b)在所说的类脂膜的二端施加一个电位差以推动离子通过、或进入和离开所说的膜，在那里附近所说的化学物质与插入在所说的类脂膜中的络合剂相互反应，产生一种基于膜离子渗透度增加的分析信号;(c)测量所说的分析信号;(d)从测量的分析信号测定所说的化学物质浓度。
10.权利要求
9的方法，其中所说的化学物质是选自基本上含有一种有机化合物和一种无机离子的一类物质。
专利摘要
本发明提供一种稳定的基于类脂膜的装置。这装置包括复杂成膜类脂类和一种稳定类脂膜的支承物，每个成膜类脂化合物包括一个能使类脂化合物碇系到支承物结合点的长链和另一个不连接到支承物的长链。支承物结合点是相互分隔以使类脂膜有一适当的分子填充密度。
文档编号G01N27/22GK86107737SQ86107737
公开日1987年6月24日 申请日期1986年11月18日
发明者阿兰曲·乔噶·克勒尔, 米切尔·汤姆帕孙 申请人:加拿大阿兰德-西格纳尔公司