CN101769891A - 一种测定离子的传感器及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器，具体地说是一种测定离子的传感器及其检测方法。控制电位仪通过导线分别连接工作电极和外参比电极；工作电极和外参比电极插入容器中，容器下设有磁铁；工作电极由聚氯乙烯管和插于之中的内参比电极组成，聚四氟乙烯管底部设有敏感膜；检测：将功能化磁性纳米材料的检测液与待测样品混合并发生反应，然后抽取混合溶液加入到工作电极中，在磁场的作用下，磁性纳米材料将被吸引到膜上同时产生电位变化，根据电位变化速率检测待测溶液中所测物质的含量。本发明具有灵敏度高、操作成本低、适合现场监测，可以在环境监测、临床检测等应用领域使用。
Description
技术领域
本发明涉及传感器，具体地说是一种测定离子的传感器及其检测方法。
背景技术
磁性纳米材料是近年来发展起来的一种新型材料，因其具有特殊的磁导向性、超顺磁性，并且表面可以连接各种功能材料，使其在核酸分析、临床诊断、靶向药物、细胞分离等领域被广泛的应用，而将这些性质应用到传感器中，可以显著提高传感器检测的灵敏度，缩短反应时间，提高检测通量，为传感器领域的发展开辟了广阔的前景。聚合物膜电极是近几十年才发展起来的新技术，具有响应好，灵敏度高等优点，已经成为传感器领域的新热点。现有的技术一般是将磁性纳米材料应用于电流型或光学传感器，本发明是磁性纳米材料在聚合物膜电极中的首次应用，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于磁性纳米材料特性的、快速、灵敏、简单的测定离子的传感器及其检测方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
测定离子的传感器，包括工作电极、参比电极和控制电位仪，控制电位仪3通过导线分别连接工作电极1和外参比电极2；工作电极1和外参比电极2插入容器4中，容器4下设有磁铁5；工作电极1由聚氯乙烯管6和插于之中的内参比电极7组成，聚氯乙烯管6底部设有敏感膜8；所述敏感膜成分：聚合物基体材料、增塑剂和ETH 500(购于美国sigma公司)按重量份数比为20-80∶20-80∶1-10混合，而后将混合物融入到四氢呋喃溶液中，充分搅拌均匀，在室温下挥发后即可。
所述聚合物基体材料为聚氯乙烯、聚丁基丙烯酸酯、聚丙烯酸丁酯、聚醚酰亚胺、硅橡胶或溶胶凝胶膜；增塑剂为邻-硝基苯辛醚(o-NPOE)、二-2-乙基己基癸酯、癸二酸二丁酯或癸二酸二辛酯。所述聚四氟乙烯管6内为内充液；容器4内为电解质溶液，电解质溶液和内充液为0.12摩尔每升的氯化纳(50mM Tris缓冲溶液，pH＝7.4)。
所述功能化磁性纳米材料的检测液是将离子交换剂、离子载体与增塑剂按质量比0.1-10∶1-100混合，溶解于四氢呋喃中得四氢呋喃溶液；然后将磁流体与水按体积比1∶1-10混合，得磁流体水溶液；最后将四氢呋喃溶液与磁流体水溶液按体积比1∶1混合，而后超声震荡20-40分钟，在室温下自然挥发12-36小时后，抽取水相中的磁流体即得磁性纳米材料功能化的检测液；所述的磁性纳米材料是将三价铁离子、二价铁离子按摩尔分数比1.5-2∶1混合，加酸调节pH值为3-5，搅拌并通氮除氧20-40分钟，而后加入浓碱到pH值为9-11，在30-80℃下反应20-40分钟，然后在80-90℃下熟化2-4个小时，自然冷却后磁性分离用超纯水洗6-8次至中性，加入分散剂溶液，在60-80℃下反应20-40分钟，自然冷却后磁性分离用超纯水洗3-6次，即得稳定的磁流体。
所述离子交换剂为二壬基萘磺酸或三(十二烷基)甲基氯化铵；所述离子载体为电中性离子载体或电荷性离子载体，具体为缬氨霉素，N，N’-二庚基-N，N’-二甲基乙醛丙二酰胺，N，N-二环己基-N.N-十八醇酯-含氧戊酰胺，大环四硫醚，1，7二硫-12-冠-4，2，2，2-穴状配体，3，6-草酸辛烷二硫胺，N，N’-取代1，10-二氮-18-冠-6酯，4-叔丁基杯[4]芳烃-四(N，N-二甲基乙硫酰胺)，N，N，N’，N’-四环己烷-2，2’-硫代二乙酰基胺，N，N，N’，N’-四丁基-3，6-二氧硫代二辛基酰胺，N，N’-二十八烷基-N，N’-二丙基-3，6-二氧辛烷-1，8-二酰胺，S，S’-亚甲基二(N，N-二异丁基二硫甲酰胺)或N，N，N’，N’-四十二烷基-3，6-二氧辛烷二硫酰胺(均购自美国sigma公司)。所述增塑剂为邻-硝基苯辛醚(o-NPOE)、二-2-乙基己基癸酯、癸二酸二丁酯或癸二酸二辛酯。
所述工作电极可为离子选择性电极或固体接触式电极；所述磁铁可为永磁铁或电磁铁。
测定离子的传感器的检测方法：将工作电极和外参比电极插入电解质溶液中，将功能化磁性纳米材料的检测液与待测样品混合并发生反应，然后抽取混合溶液加入到工作电极中，在磁场的作用下，磁性纳米材料将其吸引到膜上同时产生电位变化，根据电位变化速率检测待测溶液中所测物质的含量。
所述功能化磁性纳米材料的检测液是将离子交换剂、离子载体与增塑剂按质量比0.1-10∶1-100混合，溶解于四氢呋喃中得四氢呋喃溶液；然后将磁流体与水按体积比1∶1-10混合，得磁流体水溶液；最后将四氢呋喃溶液与磁流体水溶液按体积比1∶1混合，而后超声震荡20-40分钟，在室温下自然挥发12-36小时后，抽取水相中的磁流体即得磁性纳米材料功能化的检测液；所述的磁性纳米材料是将三价铁离子、二价铁离子按摩尔分数比1.5-2∶1混合，加酸调节pH值为3-5，搅拌并通氮除氧20-40分钟，而后加入浓碱到pH值为9-11，在30-80℃下反应20-40分钟，然后在80-90℃下熟化2-4个小时，自然冷却后磁性分离用超纯水洗6-8次至中性，加入分散剂溶液，在60-80℃下反应20-40分钟，自然冷却后磁性分离用超纯水洗3-6次，即得稳定的磁流体。
所述离子交换剂为二壬基萘磺酸或三(十二烷基)甲基氯化铵；所述离子载体为电中性离子载体或电荷性离子载体具体为缬氨霉素，N，N’-二庚基-N，N’-二甲基乙醛丙二酰胺，N，N-二环己基-N.N-十八醇酯-含氧戊酰胺，大环四硫醚，1，7二硫-12-冠-4，2，2，2-穴状配体，3，6-草酸辛烷二硫胺，N，N’-取代1，10-二氮-18-冠-6酯，4-叔丁基杯[4]芳烃-四(N，N-二甲基乙硫酰胺)，N，N，N’，N’-四环己烷-2，2’-硫代二乙酰基胺，N，N，N’，N’-四丁基-3，6-二氧硫代二辛基酰胺，N，N’-二十八烷基-N，N’-二丙基-3，6-二氧辛烷-1，8-二酰胺，S，S’-亚甲基二(N，N-二异丁基二硫甲酰胺)或N，N，N’，N’-四十二烷基-3，6-二氧辛烷二硫酰胺(均购自美国sigma公司)。所述增塑剂为邻-硝基苯辛醚(o-NPOE)、二-2-乙基己基癸酯、癸二酸二丁酯或癸二酸二辛酯。
本发明传感器检测方法的原理：为利用纳米材料粒径小的优势，降低传质阻力与扩散层厚度，使纳米粒子与被测物质迅速结合；并利用修饰在纳米材料表面的功能化物质特异性地与被测物质发生反应；最后利用磁铁将磁性纳米材料迅速吸引到电极膜表面，并立即产生电位变化，达到检测的目的。
本发明的优点在于：
1.本发明利用功能化的磁性纳米材料的粒径小，传质阻力小，反应迅速，具有高的选择性等优势，并且将其首次与电位型的传感器相结合，达到了快速检测的目的，并降低了检出限。
2.本发明电极制备简单，易于小型化，操作简单方便，灵敏度和准确度较高，检测条件温和，适用与实际样品检测。
3.本发明检测方法建准确、可靠、灵敏度高、可检测各种离子，在室温条件下实现现场、快速、准确测定，同时，还具有操作简单方便、灵敏度高和条件温和等优点，适用于环境检测、临床检测等实践过程。
附图说明
图1为本发明检测装置的示意图。
图2为本发明装置对不同浓度的鱼精蛋白溶液的标准工作曲线。
图3为本发明装置对不同浓度的鱼精蛋白溶液的电位变化曲线。
具体实施方式
实施例1
传感器为：控制电位仪3通过导线分别连接工作电极1和外参比电极2；工作电极1和外参比电极2插入容器4中，容器4下设有磁铁5；工作电极1由聚氯乙烯管6和插于之中的内参比电极7组成，聚氯乙烯管6底部设有敏感膜8；(参见图1)所述聚氯乙烯管6内为内充液；容器4内为电解质溶液，电解质溶液和内充液为0.12摩尔每升的氯化纳(50mM Tris缓冲溶液，pH＝7.4)。并且功能化磁性纳米材料的检测液与待测样品混合并发生反应，然后抽取混合溶液加入到工作电极1中。
所述敏感膜成分：PVC颗粒、增塑剂、ETH 500(购于美国sigma公司)的混合物共480mg，其中为32.7wt％PVC颗粒、65.3wt％增塑剂，2wt％ETH 500，移入到3ml四氢呋喃溶液中，搅拌4h使之分散均匀，后在室温下自然挥发12h，即得到聚离子敏感膜，厚度约为200μm。利用打孔器将敏感膜切割成0.6cm直径大小的均匀圆形切片，以四氢呋喃和PVC的混合液将敏感膜黏附到聚四氟乙烯管底部。电极在使用前应以0.12摩尔每升的氯化纳(50mMTris缓冲溶液，pH＝7.4)活化36h。
检测方法：测试样品中鱼精蛋白的含量，其测定步骤如下：
将功能化磁性纳米材料的检测液与待测样品混合并发生反应，然后抽取混合溶液加入到工作电极中，在磁场的作用下，磁性纳米材料将其吸引到膜上同时产生电位变化，根据电位变化速率检测待测溶液中所测物质的含量。
a.磁性纳米材料功能化检测液的制备：将二壬基萘磺酸、增塑剂按质量比0.1∶1混合，溶解于四氢呋喃中得四氢呋喃溶液，将磁流体与水按体积比1∶1混合得磁流体水溶液，然后将四氢呋喃溶液与磁流体水溶液按体积比1∶1混合，超声震荡20分钟，在室温下自然挥发12小时后，抽取水相中的磁流体即得磁性纳米材料功能化的检测液。增塑剂为邻-硝基苯辛醚(o-NPOE)
所述磁流体将三价铁离子、二价铁离子按摩尔分数比1.5∶1混合，加入盐酸调节pH值为3，搅拌并通氮除氧20分钟，而后加入浓氨水到pH值为9，在30℃下反应20分钟，然后在80℃下熟化4个小时，自然冷却后磁性分离用超纯水洗6次至中性，加入油酸钠溶液，在60℃下反应20分钟，自然冷却后磁性分离用超纯水洗3次，即得稳定的磁流体。
b.标准工作曲线的绘制：将工作电极插入内充液为0.12摩尔每升的氯化纳(50mM Tris缓冲溶液，pH＝7.4)中，将检测液稀释50倍后，抽取100微升加入到100微升鱼精蛋白的浓度分别为5，0.5，0.05，0微克每毫升的鱼精蛋白样品溶液中，电极对不同浓度的鱼精蛋白溶液的电位变化的速率不同，以电位变化速率对浓度做出标准工作曲线。(参见图2)
c.将磁性纳米材料功能化的检测液稀释50倍后，抽取100微升加入到100微升待测的鱼精蛋白样品溶液中，混合均匀待反应完全后抽出，加入到电极中，施加磁场，即得此浓度的鱼精蛋白的电位变化曲线，计算其最大电位变化速率，对照标准工作曲线，即可得到样品中鱼精蛋白的浓度。(参见图3)
实施例2
检测方法：测试样品中肝素的含量，其测定步骤如下：
将功能化磁性纳米材料的检测液与待测样品混合并发生反应，然后抽取混合溶液加入到工作电极中，在磁场的作用下，磁性纳米材料将其吸引到膜上同时产生电位变化，根据电位变化速率检测待测溶液中所测物质的含量。
a.磁性纳米材料功能化检测液的制备：将三(十二烷基)甲基氯化铵、增塑剂按质量比10∶100混合，溶解于四氢呋喃中得四氢呋喃溶液，将磁流体与水按体积比1∶10混合得磁流体水溶液，然后将四氢呋喃溶液与磁流体水溶液按体积比1∶1混合，超声震荡40分钟，在室温下自然挥发36小时后，抽取水相中的磁流体即得磁性纳米材料功能化的检测液。增塑剂为癸二酸二辛酯。
所述磁流体将三价铁离子、二价铁离子按摩尔分数比2∶1混合，加入盐酸调节pH值为5，搅拌并通氮除氧40分钟，而后加入浓氨水到pH值为11，在60℃下反应40分钟，然后在90℃下熟化4个小时，自然冷却后磁性分离用超纯水洗8次至中性，加入油酸钠溶液，在80℃下反应40分钟，自然冷却后磁性分离用超纯水洗6次，即得稳定的磁流体。
b.标准工作曲线的绘制：将工作电极插入内充液为0.12摩尔每升的氯化纳(50mM Tris缓冲溶液，pH＝7.4)中，将检测液稀释50倍后，抽取100微升加入到100微升肝素溶液中，浓度分别为50，5，0.5，0微克每毫升的肝素样品溶液中，电极对不同浓度的肝素溶液的电位变化的速率不同，以电位变化速率对浓度做出标准工作曲线。
c.将磁性纳米材料功能化的检测液稀释50倍后，抽取100微升加入到100微升待测浓度的肝素样品溶液中，混合均匀待反应完全后抽出，加入到电极中，施加磁场，即得此浓度的肝素溶液的电位变化曲线，计算其最大电位变化速率，对照标准工作曲线，即可得到样品中肝素的浓度。
实施例3
检测方法：测试样品中离子的含量，其测定步骤如下：
将功能化磁性纳米材料的检测液与待测样品混合并发生反应，然后抽取混合溶液加入到工作电极中，在磁场的作用下，磁性纳米材料将其吸引到膜上同时产生电位变化，根据电位变化速率检测待测溶液中所测物质的含量。
a.磁性纳米材料功能化检测液的制备：将离子载体4-叔丁基杯[4]芳烃-四(N，N-二甲基乙硫酰胺)(美国sigma公司)、增塑剂按质量比1∶50混合，溶解于四氢呋喃中得四氢呋喃溶液，将磁流体与水按体积比1∶5混合得磁流体水溶液，然后将四氢呋喃溶液与磁流体水溶液按体积比1∶1混合，超声震荡30分钟，在室温下自然挥发20小时后，抽取水相中的磁流体即得磁性纳米材料功能化的检测液。增塑剂癸二酸二辛酯。
所述磁流体将三价铁离子、二价铁离子按摩尔分数比1.6∶1混合，加入盐酸调节pH值为4，搅拌并通氮除氧30分钟，而后加入浓氨水到pH值为10，在40℃下反应30分钟，然后在85℃下熟化4个小时，自然冷却后磁性分离用超纯水洗7次至中性，加入油酸钠溶液，在70℃下反应30分钟，自然冷却后磁性分离用超纯水洗4次，即得稳定的磁流体。
b.标准工作曲线的绘制：将工作电极插入内充液为0.12摩尔每升的氯化纳(50mM Tris缓冲溶液，pH＝7.4)中，将检测液稀释50倍后，抽取100微升加入到100微升离子样品溶液中，浓度分别为5，0.5，0.05，0微摩尔每升的离子溶液中，电极对不同浓度的铅溶液的电位变化的速率不同，以电位变化速率对浓度做出标准工作曲线。
c.将磁性纳米材料功能化的检测液稀释50倍后，抽取100微升加入到100微升待测浓度的样品溶液中，混合均匀待反应完全后抽出，加入到电极中，施加磁场，即得此浓度的离子样品的电位变化曲线，计算其最大电位变化速率，对照标准工作曲线，即可得到样品中离子的浓度。
实施例4
与实施例3不同，所测的离子还可以是钾，镁，钙，铜，银，锌，镉汞，铬。所用的离子载体是缬氨霉素，N，N’-二庚基-N，N’-二甲基乙醛丙二酰胺，N，N-二环己基-N.N-十八醇酯-含氧戊酰胺，大环四硫醚，1，7二硫-12-冠-4，2，2，2-穴状配体，3，6-草酸辛烷二硫胺，N，N’-取代1，10-二氮-18-冠-6酯，4-叔丁基杯[4]芳烃-四(N，N-二甲基乙硫酰胺)，N，N，N’，N’-四环己烷-2，2’-硫代二乙酰基胺，N，N，N’，N’-四丁基-3，6-二氧硫代二辛基酰胺，N，N’-二十八烷基-N，N’-二丙基-3，6-二氧辛烷-1，8-二酰胺，S，S’-亚甲基二(N，N-二异丁基二硫甲酰胺)或N，N，N’，N’-四十二烷基-3，6-二氧辛烷二硫酰胺(均购自美国sigma公司)。
实施例5
与实施例1不同之处在于工作电极为用固体接触电极代替有内充液的电极，其敏感膜设于固体接触电极底部。
所述的敏感膜为：聚丁基丙烯酸酯、二-2-乙基己基癸酯、ETH 500，按重量份数比为32.7∶65.3∶2混合，而后融入到四氢呋喃溶液中，搅拌使之成为均匀溶液，在室温下过夜，即得到有弹性的聚合物敏感膜。
实施例6
所述的聚合物敏感膜为：硅橡胶、邻-硝基苯辛醚(o-NPOE)、ETH 500，按重量份数比32.7∶65.3∶2混合，而后融入到四氢呋喃溶液中，搅拌使之成为均匀溶液，室温下放置过夜，即得到有弹性的聚合物敏感膜。
实施例7
所述的聚合物敏感膜为：溶胶凝胶、癸二酸二辛酯、ETH 500，按重量份数比为32.7∶65.3∶2混合，而后融入到四氢呋喃溶液中，搅拌使之成为均匀溶液，室温下放置过夜，即得到有弹性的聚合物敏感膜。
实施例8
所述的聚合物敏感膜为：聚丁基丙烯酸酯、癸二酸二丁酯、ETH 500，按重量份数比为32.7∶65.3∶2混合，而后融入到四氢呋喃溶液中，搅拌使之成为均匀溶液，室温下放置过夜，即得到有弹性的聚合物敏感膜。
Claims (9)
1.一种测定离子的传感器，包括工作电极、参比电极和控制电位仪，其特征在于：控制电位仪(3)通过导线分别连接工作电极(1)和外参比电极(2)；工作电极(1)和外参比电极(2)插入容器(4)中，容器(4)下设有磁铁(5)；工作电极(1)由聚氯乙烯管(6)和插于之中的内参比电极(7)组成，聚氯乙烯管(6)底部设有敏感膜(8)；
所述敏感膜成分：聚合物基体材料、增塑剂和ETH 500按重量份数比为20-80∶20-80∶1-10混合，而后将混合物融入到四氢呋喃溶液中，充分搅拌均匀，在室温下挥发后即可。
2.按权利要求1所述的测定离子的传感器，其特征在于：所述聚合物基体材料为聚氯乙烯、聚丁基丙烯酸酯、聚丙烯酸丁酯、聚醚酰亚胺、硅橡胶或溶胶凝胶膜；增塑剂为邻-硝基苯辛醚(o-NPOE)、二-2-乙基己基癸酯、癸二酸二丁酯或癸二酸二辛酯。
3.按权利要求1所述的测定离子的传感器，其特征在于：所述聚氯乙烯管(6)内为内充液；容器(4)内为电解质溶液。
4.按按权利要求1所述的测定离子的传感器，其特征在于：所述功能化磁性纳米材料的检测液是将离子交换剂、离子载体与增塑剂按质量比0.1-10∶1-100混合，溶解于四氢呋喃中得四氢呋喃溶液；然后将磁流体与水按体积比1∶1-10混合，得磁流体水溶液；最后将四氢呋喃溶液与磁流体水溶液按体积比1∶1混合，而后超声震荡20-40分钟，在室温下自然挥发12-36小时后，抽取水相中的磁流体即得磁性纳米材料功能化的检测液；
所述的磁性纳米材料是将三价铁离子、二价铁离子按摩尔分数比1.5-2∶1混合，加酸调节pH值为3-5，搅拌并通氮除氧20-40分钟，而后加入浓碱到pH值为9-11，在30-80℃下反应20-40分钟，然后在80-90℃下熟化2-4个小时，自然冷却后磁性分离用超纯水洗6-8次至中性，加入分散剂溶液，在60-80℃下反应20-40分钟，自然冷却后磁性分离用超纯水洗3-6次，即得稳定的磁流体。
5.按权利要求4所述的测定离子的传感器，其特征在于：所述离子交换剂为二壬基萘磺酸或三(十二烷基)甲基氯化铵；所述离子载体为电中性离子载体或电荷性离子载体；所述增塑剂为邻-硝基苯辛醚(o-NPOE)、二-2-乙基己基癸酯、癸二酸二丁酯或癸二酸二辛酯。
6.按权利要求1所述的测定离子的传感器，其特征在于：所述工作电极可为离子选择性电极或固体接触式电极；所述磁铁可为永磁铁或电磁铁。
7.一种按权利要求1所述的测定离子的传感器的检测方法，其特征在于：将工作电极和外参比电极插入电解质溶液中，将功能化磁性纳米材料的检测液与待测样品混合并发生反应，然后抽取混合溶液加入到工作电极中，在磁场的作用下，磁性纳米材料将其吸引到膜上同时产生电位变化，根据电位变化速率检测待测溶液中所测物质的含量。
8.按权利要求7所述的测定离子的传感器的检测方法，其特征在于：所述功能化磁性纳米材料的检测液是将离子交换剂、离子载体与增塑剂按质量比0.1-10∶1-100混合，溶解于四氢呋喃中得四氢呋喃溶液；然后将磁流体与水按体积比1∶1-10混合，得到磁流体水溶液；最后将四氢呋喃溶液与磁流体水溶液按体积比1∶1混合，而后超声震荡20-40分钟，在室温下自然挥发12-36小时后，抽取水相中的磁流体即得磁性纳米材料功能化的检测液；
所述的磁性纳米材料是将三价铁离子、二价铁离子按摩尔分数比1.5-2∶1混合，加酸调节pH值为3-5，搅拌并通氮除氧20-40分钟，而后加入浓碱到pH值为9-11，在30-80℃下反应20-40分钟，然后在80-90℃下熟化2-4个小时，自然冷却后磁性分离用超纯水洗6-8次至中性，加入分散剂溶液，在60-80℃下反应20-40分钟，自然冷却后磁性分离用超纯水洗3-6次，即得稳定的磁流体。
9.按权利要求8所述的测定离子的传感器的检测方法，其特征在于：所述离子交换剂为二壬基萘磺酸或三(十二烷基)甲基氯化铵；所述离子载体为电中性离子载体或电荷性离子载体；所述增塑剂为邻-硝基苯辛醚(o-NPOE)、二-2-乙基己基癸酯、癸二酸二丁酯或癸二酸二辛酯。
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