CN102313767B - 一种高灵敏聚离子选择性电极及其测试方法 - Google Patents

一种高灵敏聚离子选择性电极及其测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及传感器，具体地说是一种高灵敏可再生的针对多电荷离子的电位传感器(聚离子选择性电极)。将离子交换剂掺杂的聚合物膜用主离子(目标聚离子)预活化，预活化后电极转入背景电解质中激活，即得到高灵敏聚离子选择性电极.测试中或测试后测试液中加入的高浓度主离子可使电极再生。该方法中的高灵敏度是基于敏感膜体相到膜界面的主离子流将待测主离子抑制在膜的外界面层中。该方法的可再生性是因为不需要将主离子从膜中完全清除。该传感器不需要复杂的旋转圆盘电极装置和外加电流，便实现了电极灵敏度和再生性的显著改善，对聚离子的直接电位测定和以聚离子电极为信号转换器的滴定测定、酶测定和免疫测定具有重要意义。

Description

一种高灵敏聚离子选择性电极及其测试方法
技术领域
本发明涉及传感器，具体地说是一种高灵敏聚离子选择性电极及其测试方法。
背景技术
聚合物液膜聚离子选择性电极是一种成本低廉、操作简单的多电荷离子电位传感器。该类传感器包括聚阳离子选择性电极和聚阴离子选择性电极，其中聚阳离子选择性电极敏感膜的活性位点为阳离子交换剂(硼酸盐衍生物或二壬基萘磺酸或其盐)，聚阴离子选择性电极敏感膜的活性位点为阴离子交换剂(季铵盐类有机物)。聚离子选择性电极的工作原理为：测试液中有聚离子存在时，聚离子会与敏感膜中的离子交换剂形成离子对，进而被萃取到敏感膜中。与此同时，聚离子会从样品溶液体相向样品溶液-敏感膜界面处传输，形成水相内向离子流；被萃取到膜内的聚离子会从界面处进一步向膜体相传输，形成膜相内向离子流。当这两个离子流流量相等时，会出现一个稳态电位值。该电位值与无主离子存在时的基线电位之差即为电位信号，该电位信号与主离子浓度正相关。
作为传感器的核心因素之一，聚离子电极的灵敏度受到了广泛关注。旋转圆盘电极法的引入虽可有效提高聚离子电极的灵敏度，但是旋转圆盘电极装置复杂昂贵，且带来了更大的电位噪音。
聚离子电极的可逆性是阻碍该类电极发展的重要问题。一般认为，聚离子电极在测试前不能与主离子接触，因为根据能斯特方程式，被多电荷主离子占据的膜不能产生可用的电位分析信号。因此，一旦电极被用于主离子测定后，膜中的主离子残留就使得该电极不能再得到与第一次测定时类似的响应信号。尽管基于电流控制的聚离子脉冲电极实现了聚离子传感器的重复使用，但是脉冲电极的灵敏度不及传统电极，故难以取代传统的零电流聚离子选择性电极。总之，发展一种既有较高的灵敏度又有优异的可逆性的聚离子选择性电极，对聚离子的高效准确低成本测定意义重大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高灵敏聚离子选择性电极及其测试方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高灵敏聚离子选择性电极，电极底部黏附聚合物敏感膜：
活化：将黏附于电极底部的敏感膜放入含有浓度为10μg/mL-1000μg/mL的聚阳离子或聚阴离子的0.12M NaCl水溶液中，10-30℃下作用4-24h；
激活：将活化后电极浸泡于0.5-10mL 0.12M NaCl水溶液中，浸泡10min-100min，即为聚阳离子或聚阴离子聚离子选择性电极。
测试方法：向聚阳离子或聚阴离子聚离子选择性电极所用的0.12MNaCl激活液中在搅拌条件下每隔3s-300s加入0.01μg/mL-10μg/mL主离子，测定选择性电极聚合物敏感膜上的电位变化，根据电位变化信号通过标准工作曲线测得待测离子浓度。
高灵敏聚离子选择性电极，电极底部黏附聚合物敏感膜：
活化：将黏附于电极底部的敏感膜放入含有浓度为10μg/mL-1000μg/mL的聚阳离子的0.12M NaCl水溶液中，10-30℃下作用4-24h；
激活：将活化后电极浸泡于0.5-10mL含有聚阴离子的0.12M NaCl中，浸泡10min-100min，即为滴定测定聚阴离子的聚阳离子选择性电极。
测试方法：向滴定测定聚阴离子的聚阳离子选择性电极所用的含有聚阴离子的0.12M NaCl激活液中在搅拌条件下每隔3s-300s加入0.01μg/mL-10μg/mL聚阳离子，至电位稳定，记录该过程中选择性电极聚合物敏感膜上的电位变化，根据滴定电位曲线测定待测聚阴离子浓度。
高灵敏聚离子选择性电极，电极底部黏附聚合物敏感膜：
活化：将黏附于电极底部的敏感膜放入含有浓度为10μg/mL-1000μg/mL的聚离子的0.12M NaCl水溶液中，10-30℃下作用4-24h；
激活：将活化后电极浸泡于0.5-10mL含有酶的0.12M NaCl中，浸泡10min-100min，即为测定与聚离子作用的酶的聚离子选择性电极。
测试方法：向测定与聚离子作用的酶的聚离子选择性电极所用的含有酶的0.12M NaCl激活液中在搅拌条件下每隔3s-300s加入与激活时NaCl溶液中酶作用的聚离子，测定选择性电极聚合物敏感膜上的电位变化，根据电位变化指示酶活性。
所述选择性电极经过使用后若敏感膜上聚离子浓度使膜呈现能斯特响应，选择性电极可继续使用；或使用后在测试液的测试条件下加入浓度为1-1000μg/mL的聚离子作用10s-300s，使电极进入能斯特响应区，之后电极可被继续使用。所述聚阳离子为鱼精蛋白、聚阳离子多肽、聚乙二胺树枝状化合物或聚丙烯亚胺树枝状化合物；聚阴离子为肝素、戊糖多硫酸钠、核酸、鹿角菜胶、硫酸葡聚糖、多硫酸软骨素或过硫酸化多硫酸软骨素。所述敏感膜为将聚合物基体材料、增塑剂和离子交换剂，按质量百分比20-80∶20-80∶0.1-10混合后溶入到四氢呋喃中，搅均后在室温下放置6-48h，待四氢呋喃挥发完全后即得到聚合物敏感膜。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、橡胶或溶胶凝胶膜；增塑剂为邻-硝基苯辛醚、二-2-乙基己基癸酯、癸二酸二丁酯或癸二酸二辛酯；离子交换剂为三-十二烷基甲基氯化铵、三-十四烷基甲基氯化铵、二壬基萘磺酸、二壬基萘磺酸盐或硼酸盐衍生物。
检测原理为：被主离子即聚离子预活化的聚合物液膜中充满了主离子，当该膜放到不含主离子的背景测试液中后，靠近测试液的敏感膜界面层中的大部分主离子将被背景离子(钠离子或氯离子)置换。置换后的敏感膜即被激活，因在膜的界面层中含有大量背景电解质离子而可对测试液中加入的聚离子产生电位响应。需要指出的是，被主离子充满的膜在激活过程中会向活化液(同时为测试背景液)中释放少量的主离子，但基于水相中大的主离子扩散系数以及活化后的对溶液的搅拌，主离子在水相中的实际浓度非常低，不足以干扰后续测定。本发明实验中电极可对低浓度主离子产生灵敏响应，即可证明。该电极之所以具有比传统电极高出一个数量级的灵敏度，是因为激活后的膜内存在一个从膜体相到膜表面的主离子流，这个离子流能够高效抑制样品液中加入的主离子从膜表面到膜体相的扩散，进而将主离子聚集在膜界面层，而这里聚集的主离子将大大促进膜的响应。该方法之所以能突破传统聚离子选择性电极一次性使用的局限，是因为该方法中每次测试都允许少量但恒定的主离子残留在聚合物膜的外表面，而这一小部分无法去除的主离子恰恰是传统背景电解质预活化的电极重复使用的核心障碍。而且，该方法中的测试过程也是电极的再生过程，这使得电极能够十分方便得被重复利用。
本发明的优点在于：
1.利用主离子预活化的电极在激活过程中自然产生的主离子流，将从样品液萃取到膜内的主离子高效限制在靠近样品液的膜界面层，达到了以往用复杂的旋转圆盘电极才能实现的灵敏度和检出限。
2.利用聚离子在聚离子电极上对背景电解质离子的高选择性，克服了传统聚离子电极要求将聚离子从膜中完全反萃才能实现再生的困难，允许了难以萃出的一小部分主离子残留。并采用了将膜充满主离子的再生方式，达到了需要施加额外电流才可能实现的可逆性。
3.高灵敏可再生的检测模式大大降低了聚离子的测试成本，也有效避免了一次性使用模式中使用不同膜引起的批间差异。
4.该聚离子可以高灵敏的监测聚阳离子和聚阴离子的结合过程，以实现对低浓度反电荷聚离子的电位滴定测定。
5.该聚离子电极可以用于低浓度的聚离子相关酶类、聚离子标记免疫物等的准确测定。
附图说明
图1为本发明实施例，传感器示意图。
图2为本发明实施例，本测试模式下鱼精蛋白选择性电极各操作步骤的电位-时间曲线。
图3为本发明实施例，本测试模式与传统测试模式下鱼精蛋白选择性电极标准工作曲线的比较。其中○：钠离子活化的电极；■：鱼精蛋白活化的电极。
图4为本发明实施例，本测试模式下鱼精蛋白选择性电极的可再生性。
图5为本发明实施例，本测试模式下的鱼精蛋白选择性电极用于肝素的滴定测定。
具体实施方式
实施例1
高灵敏可再生鱼精蛋白选择性电极。
电位传感器，包括工作电极1、外参比电极2、内参比电极3和电位测定仪4，电位测定仪4通过导线分别连接内参比电极3和外参比电极4，内参比电极3插入盛有内充液8的工作电极1内，工作电极1和外参比电极2插入盛有检测液6的检测池5中，工作电极1为固定有聚合物敏感膜7的电极载体，检测池5中设有具有搅拌作用的磁性搅拌子9，检测池底配套有磁力搅拌器以转动磁力搅拌子。固定有聚合物敏感膜7的电极载体为聚氯乙烯管。
工作电极制备：以阳离子交换剂二壬基萘磺酸掺杂的聚合物膜为工作电极敏感膜，银-氯化银电极为内外参比电极，内参比电极与电化学工作站CHI760D的工作电极接头连接，外参比电极与参比电极接头连接(参见图1)，选择“开路电位-时间”技术测定电位值。
工作电极敏感膜的制备：按照质量百分数1％∶49.5％∶49.5％将二壬基萘磺酸、聚氯乙烯、邻-硝基苯辛醚共345mg的混合物溶解于到3.5mL四氢呋喃溶液中，室温下在平底玻璃环(内径为3.6cm)中放置，约8h后四氢呋喃蒸发完毕，即得到均匀的聚合物敏感膜。
固定有聚合物敏感膜的电极载体工作电极的制备：将上述所得聚合物敏感膜用打孔器打取直径约0.7cm的聚合物敏感膜，并通过四氢呋喃将打取的膜固定于聚氯乙烯管底部。
将上述电极在含有100μg/mL鱼精蛋白的0.12mol/L NaCl中预活化6h，同时电极用相同溶液做内充液。用去离子水冲洗干净电极表面后，转入4mL 0.12mol/L NaCl中激活20min。即得到鱼精蛋白选择性电极，可测定鱼精蛋白。
测定未知浓度鱼精蛋白，用上述选择性电极在磁力搅拌条件下，向所用4mL 0.12mol/L NaCl激活液中分别加入10-2-100μg/mL鱼精蛋白以达到图1所示浓度，每次加样后读取两分钟内的电位变化值。该电位变化值与相应的浓度作图即可得鱼精蛋白的标准工作曲线，而后再向背景电解质中加入未知浓度的鱼精蛋白，读取电位变化值根据标准工作曲线可实现对未知浓度鱼精蛋白的测定。鱼精蛋白活化的鱼精蛋白选择性电极与钠离子活化的鱼精蛋白选择性电极的标准工作曲线比较参见图2。
若检测中所测聚离子鱼精蛋白浓度足以使电极进入能斯特响应区(即25℃下，聚离子浓度变化c/co与所引起电位变化ΔEMF关系为：
Figure BSA00000170657700041
其中n为聚离子所带电荷数的绝对值，co为加入一次样前的聚离子浓度，c为加入一次样后的聚离子浓度。即已经使激活后的膜中阴离子位点重新被主离子饱和，主离子即为待测物质)，则测试即可实现再生，测试完成后可直接开始新一轮的测试；若测试中聚离子鱼精蛋白浓度不足以使膜呈现能斯特响应(即激活后的膜尚未被主离子饱和)，则测试完成后需另加入浓度为10μg/mL的聚离子作用200s，之后电极可被继续使用。加入时直接在测试液和测试条件下加入。
实施例2
与实施例1不同之处在于：高灵敏可再生多聚硫酸钠选择性电极。
工作电极制备：以阴离子交换剂三-十二烷基甲基氯化铵掺杂的聚合物膜为工作电极敏感膜，银-氯化银电极为内外参比电极，内参比电极与电化学工作站CHI760D的工作电极接头连接，外参比电极与参比电极接头连接，选择“开路电位-时间”技术测定电位值。
工作电极敏感膜的制备为：按照质量百分数1.5％∶66％∶32.5％将三-十二烷基甲基氯化铵、聚氯乙烯、癸二酸二辛酯共345mg溶解于到3.5mL四氢呋喃溶液中，室温下在平底玻璃环(内径为3.6cm)中放置，约8h后四氢呋喃蒸发完毕，即得到均匀的聚合物敏感膜。用打孔器打取直径约0.7cm的该聚合物膜，并通过四氢呋喃将打取的膜固定于聚氯乙烯管底部。
将上述电极在含200μg/mL多聚硫酸钠的0.12M NaCl中活化约8h，使用相同溶液作为电极内充液。用去离子水冲洗干净电极表面后，转入背景电解质0.12mol/L NaCl中激活20min。即得到多聚硫酸钠选择性电极，可测定多聚硫酸钠。
实施例3
与实施例1不同之处在于：
利用高灵敏可再生鱼精蛋白选择电极测定肝素。
用去离子水洗去被鱼精蛋白预活化的电极表面的鱼精蛋白后，将电极转入到4mL含有肝素的0.12M NaCl中，作用30min实现激活，即为滴定测定肝素的鱼精蛋白选择电极。
测定未知浓度肝素，利用上述选择性电极，开启磁力搅拌后，向上述4mL含有0.025-10μg/mL肝素的0.12M NaCl中每隔30s加入1μL 0.2mg/mL鱼精蛋白溶液。记录电位变化，至30s内电位变化不超过0.2mV时停止鱼精蛋白的加入。所得电位滴定曲线滴定终点处的鱼精蛋白浓度与相应的肝素浓度作图即可得肝素的标准工作曲线而后利用未知浓度的肝素产生不同的电位滴定终点，可对肝素定量。(参见图5)
实施例4
利用高灵敏可再生鱼精蛋白选择电极测定胰岛素。
与实施例1不同之处在于：
用去离子水洗去被鱼精蛋白预活化的电极表面的鱼精蛋白后，将电极转入到4mL含有0.2U/mL-400U/mL胰岛素的0.12M NaCl-50mM Tris-HCl缓冲液(pH＝7.4)中，作用30min实现激活，即得测定与聚离子作用的酶的聚阳离子选择性电极。
测定未知浓度胰岛素，利用上述选择性电极开启磁力搅拌后，向上述4mL含有0.2U/mL-400U/mL胰岛素的0.12M NaCl-50mM Tris-HCl缓冲液(pH＝7.4)中一次性加入0.2mg/mL鱼精蛋白溶液1-400μL。记录十分钟内的电位变化，该电位变化值与相应的浓度作图即可得胰岛素的标准工作曲线，而后根据未知浓度胰岛素产生的电位变化即可测定未知浓度胰岛素的活性。

Claims (7)

1.一种高灵敏聚离子选择性电极，电极底部黏附聚合物敏感膜，其特征在于：
活化：将黏附于电极底部的敏感膜放入含有浓度为10μg/mL-1000μg/mL的聚阳离子或聚阴离子的0.12M NaCl水溶液中，10-30℃下作用4-24h；
激活：将活化后电极浸泡于0.5-10mL0.12M NaCl水溶液中，浸泡10min-100min，即为聚阳离子或聚阴离子聚离子选择性电极；
所述聚阳离子为鱼精蛋白、聚阳离子多肽、聚乙二胺树枝状化合物或聚丙烯亚胺树枝状化合物；聚阴离子为肝素、戊糖多硫酸钠、核酸、鹿角菜胶、硫酸葡聚糖、多硫酸软骨素或过硫酸化多硫酸软骨素；
所述敏感膜为将聚合物基体材料、增塑剂和离子交换剂，按质量百分比20-80∶20-80∶0.1-10混合后溶入到四氢呋喃中，搅均后在室温下放置6-48h，待四氢呋喃挥发完全后即得到聚合物敏感膜；
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、橡胶或溶胶凝胶膜；增塑剂为邻-硝基苯辛醚、二-2-乙基己基癸酯、癸二酸二丁酯或癸二酸二辛酯；离子交换剂为三-十二烷基甲基氯化铵、三-十四烷基甲基氯化铵、二壬基萘磺酸、二壬基萘磺酸盐或硼酸盐衍生物。
2.一种高灵敏聚离子选择性电极，所述聚离子选择性电极为聚阳离子选择性电极，电极底部黏附聚合物敏感膜，其特征在于：
活化：将黏附于电极底部的敏感膜放入含有浓度为10μg/mL-1000μg/mL的聚阳离子的0.12M NaCl水溶液中，10-30℃下作用4-24h；
激活：将活化后电极浸泡于0.5-10mL含有聚阴离子的0.12M NaCl中，浸泡10min-100min，即为滴定测定聚阴离子的聚阳离子选择性电极；
所述聚阳离子为鱼精蛋白、聚阳离子多肽、聚乙二胺树枝状化合物或聚丙烯亚胺树枝状化合物；聚阴离子为肝素、戊糖多硫酸钠、核酸、鹿角菜胶、硫酸葡聚糖、多硫酸软骨素或过硫酸化多硫酸软骨素；
所述敏感膜为将聚合物基体材料、增塑剂和离子交换剂，按质量百分比20-80∶20-80∶0.1-10混合后溶入到四氢呋喃中，搅均后在室温下放置6-48h，待四氢呋喃挥发完全后即得到聚合物敏感膜；
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、橡胶或溶胶凝胶膜；增塑剂为邻-硝基苯辛醚、二-2-乙基己基癸酯、癸二酸二丁酯或癸二酸二辛酯；离子交换剂为三-十二烷基甲基氯化铵、三-十四烷基甲基氯化铵、二壬基萘磺酸、二壬基萘磺酸盐或硼酸盐衍生物。
3.一种高灵敏聚离子选择性电极，电极底部黏附聚合物敏感膜，其特征在于：
活化：将黏附于电极底部的敏感膜放入含有浓度为10μg/mL-1000μg/mL的聚离子的0.12M NaCl水溶液中，10-30℃下作用4-24h；
激活：将活化后电极浸泡于0.5-10mL含有酶的0.12M NaCl中，浸泡10min-100min，即为测定与聚离子作用的酶的聚离子选择性电极；所述聚离子为聚阳离子或聚阴离子；
所述聚阳离子为鱼精蛋白、聚阳离子多肽、聚乙二胺树枝状化合物或聚丙烯亚胺树枝状化合物；聚阴离子为肝素、戊糖多硫酸钠、核酸、鹿角菜胶、硫酸葡聚糖、多硫酸软骨素或过硫酸化多硫酸软骨素；
所述敏感膜为将聚合物基体材料、增塑剂和离子交换剂，按质量百分比20-80∶20-80∶0.1-10混合后溶入到四氢呋喃中，搅均后在室温下放置6-48h，待四氢呋喃挥发完全后即得到聚合物敏感膜；
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、橡胶或溶胶凝胶膜；增塑剂为邻-硝基苯辛醚、二-2-乙基己基癸酯、癸二酸二丁酯或癸二酸二辛酯；离子交换剂为三-十二烷基甲基氯化铵、三-十四烷基甲基氯化铵、二壬基萘磺酸、二壬基萘磺酸盐或硼酸盐衍生物。
4.按权利要求1、2或3所述的高灵敏聚离子选择性电极，其特征在于：所述选择性电极经过使用后若敏感膜上聚离子浓度使膜呈现能斯特响应，选择性电极可继续使用；或使用后在测试液的测试条件下加入浓度为1-1000μg/mL的聚离子作用10s-300s，使电极进入能斯特响应区，之后电极可被继续使用。
5.一种按权利要求1所述的高灵敏聚离子选择性电极的测试方法，其特征在于：向聚阳离子或聚阴离子聚离子选择性电极所用的0.12M NaCl激活液中在搅拌条件下每隔3s-300s加入0.01μg/mL-10μg/mL主离子，测定选择性电极聚合物敏感膜上的电位变化，根据电位变化信号通过标准工作曲线测得主离子浓度。
6.一种按权利要求2所述的高灵敏聚离子选择性电极的测试方法，其特征在于：向滴定测定聚阴离子的聚阳离子选择性电极所用的含有聚阴离子的0.12M NaCl激活液中在搅拌条件下每隔3s-300s加入0.01μg/mL-10μg/mL聚阳离子，至电位稳定，记录该过程中选择性电极聚合物敏感膜上的电位变化，根据滴定电位曲线测定待测聚阴离子浓度。
7.一种按权利要求3所述的高灵敏聚离子选择性电极的测试方法，其特征在于：向测定与聚离子作用的酶的聚离子选择性电极所用的含有酶的0.12M NaCl激活液中在搅拌条件下每隔3s-300s加入与激活时NaCl溶液中酶作用的聚离子，测定选择性电极聚合物敏感膜上的电位变化，根据电位变化指示酶活性。
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CN101495838A (zh) * 2005-08-05 2009-07-29 奥本大学 用于聚离子的可逆电化学传感器

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