CN104380093B - 分析物传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基质材料，如含有氧化还原活性材料的聚合物衍生物，所述基质材料可用于形成适于在pH计和其他分析物感测装置中使用的电极和探头。

Description

分析物传感器
背景技术
本发明整体涉及用于检测分析物的技术。在多种实施例中，本发明涉及用于测量pH(氢离子浓度指数)的装置，pH是溶液酸性或碱性的度量。通过溶液内所溶解的氢离子(H+)(也称为水合氢离子，H3O+)的浓度来测定溶液的pH。随着溶液内所溶解的氢离子的浓度增加，溶液变得更呈酸性。相反地，随着溶液内所溶解的氢离子的浓度降低，溶液变得更呈碱性。传统上，通过连接至显示pH读数的电子计的玻璃电极来测量溶液内所溶解的氢离子的浓度。传统上，可互换地使用术语“探头”和“电极”来描述组件电极的功能性分组。如本文所用，术语“电极”用来指代探头中的特定电极，即，诸如“工作电极”、“参比电极”或“反电极”，并且“探头”是指足以产生信号的电极的功能性分组，所述信号可被处理以生成指示溶液中所关注的分析物的浓度的读数。
传统的玻璃pH探头具有工作电极(WE)，该电极是由对氢离子敏感的易碎、掺杂的玻璃膜制成的离子选择性电极。pH响应性玻璃膜是这种类型探头中主要的分析物感测元件，并因此被称为“工作”电极。样品溶液内的氢离子结合到玻璃膜的外部，从而引起膜外表面上的电位变化。针对常规参比电极(RE)(诸如基于银/氯化银的电极)的恒定电位来测量电位的这种变化。然后通过在校准曲线上对电位差作图而使电位差与pH值相关联。校准曲线通过繁琐的多步过程而建立，因此使用者要为各种已知的缓冲标准品对电位变化作图。传统的pH计基于这种原理。
传统的玻璃工作电极(以及含有它们的探头和测量计)对pH的响应是不稳定的，并且玻璃探头定期地需要进行仔细校准，这些校准涉及繁琐耗时的过程、多种试剂以及训练有素的操作者。玻璃探头的特殊性质和构造还需要始终保持玻璃膜处于湿润状态。因此，玻璃探头的日常保养需要由训练有素的操作者进行麻烦且高成本的储存、维护和定期校准以确保适当的工作性能。
除了繁琐的维护和储存要求外，传统的玻璃探头还易碎，从而限制了玻璃探头的应用领域。具体地讲，玻璃探头的易碎性质使其不适用于食品和饮料应用，以及不适用于无人照管、苛刻或有害的环境。因此，本领域中需要解决和克服采用玻璃探头的传统pH探头和测量计的局限性的pH探头和测量计(以及其他分析物探头和测量计)。
根据传统玻璃探头pH测量系统的上述局限性，提出了伏安系统来为pH的测定提供更有力的系统。在伏安系统中，以通常随时间而线性变化的受控方式来施加电位，并借助于例如稳压器来监测流过导电材料的相应电流(参见例如Wang，“AnalyticalElectrochemistry，”3rd ed,John Wiley&Sons,2006(Wang，“分析电化学”，第3版，约翰威立出版公司，2006年)。最初的提议(参见美国专利No.5,223,117)基于由导电基底构成的WE的概念，该导电基底具有附接到其表面上的氧化还原活性分子。假设是：假如使用了适当的“对分析物敏感的”氧化还原活性材料(ASM)，最大电流在该系统中流动所处的电位将是分析物溶液的pH的函数。然而，这种最初的提议所得到的支持寥寥无几，也许是因为其展示了使用金作为基底的电极。
当研究者发现碳可以替代金作为导电基底，并且此外不论基底如何均可以在伏安系统中使用氧化还原活性材料的混合物时，基于伏安法的分析物感测系统的理论和研究实验室实践方面均取得了明显的进步(参见PCT公布No.2005/066618和2005/085825)。由这些研究者提出的一个特别吸引力的提议是：可以将“对分析物敏感的”氧化还原活性材料(ASM)和“对分析物不敏感的”氧化还原活性材料(AIM)的混合物附接至导电基底，并有效地将其转化成WE(通过ASM产生的信号)和参比电极(RE)(通过AIM产生的信号)。然而，在这些最初的提议和研究(参见例如PCT公布No.2007/034131和2008/154409)之后一段时间在理论或实践方面都没有取得明显的进步。
当科学家发现实际上没有氧化还原活性材料完全是“对分析物不敏感的”并且伏安技术的实际应用应该集中在没有AIM的WE上时，本领域中出现了下一个明显的进步。然而，这些科学家也发现，无论氧化还原活性材料是否被表征为ASM或AIM(在本文统称为“氧化还原活性材料”或“RAM”)，它们均可以通过在离子介质中的螯合而真正成为对分析物不敏感的。该发现产生了对分析物不敏感的电极或AIE，其不仅可以被用作传统pH测量系统中的常规RE的替代品，而且可以基于伏安法与WE—起使用。参见PCT公布No.2010/104962。在这些发现之后不久，产生了适于在实验室工作台上使用以及用于重要研究和开发应用的pH计。参见PCT公布No.2010/111531和2010/118156。最新的进步包括开发其上共价附接有RAM的聚合物，如PCT公布No.2012/018632中所述。
然而，尽管有这些极具潜力的进步，实际上这些探头的性能需要在多个方面加以改进。第一，需要装有这些探头的稳固而经济的装置。第二，如果存在将常规pH计的常规玻璃电极替换成伏安探头的工具，则可以实现明显的优势。第三，一直需要改进通过现代数据处理工具和装置诸如计算机、智能手机、控制器以及使用有线或无线系统和协议的相关仪器和控制技术对测量结果的获取和利用。第四，在常规参比电极系统中普及的具有改善的抗漂移性和降低的维护要求的参比电极将是有益的。第五，需要用于将氧化还原活性材料固定到电极的导电基底的最佳方法和组合物，其提供更长的可用寿命并可用于多种多样的应用，所述基底用于基于伏安法的分析物感测系统以及电极、探头、pH计和基于伏安系统的其他分析物感测装置。第六，需要用于伏安应用的电极，其可以干燥状态储存，尤其是包括湿-干可逆参比电极的电极。本发明满足这些需求。
发明内容
本发明整体涉及伏安电极和传感器以及用于构造其各种组件(包括工作电极和参比电极)的方法和材料。本发明还提供用于使氧化还原活性材料固定在导电基底中的方法，可用于该方法的化合物和组合物，通过该方法产生的电极，以及装有本发明的一个或多个电极的pH计和其他分析物感测装置。
在一些实施例中，本发明提供能够与移动或远程计算装置通信的伏安传感器，所述传感器包括：工作电极、参比电极、反电极、具有任选的本地显示器和控件的用于伏安法和信号处理的固件和电子器件，以及通信接口。通信接口可通过导线或通过无线通信连接到移动或远程计算装置，该计算装置包括与传感器的接口兼容的通信接口以及用于显示、记录、存档或进一步处理pH(或其他分析物浓度)及相关信息(包括但不限于温度)的软件。
在其他实施例中，本发明提供与常规pH计结合使用的伏安传感器作为玻璃探头的通用替代品。该伏安传感器包括将表示测得的pH值的电子信号输出转化成常规pH计可接受、处理和显示的相应电位的模拟器(其在本文可称为“通用电位法模拟器”)。
另外，在一些实施例中，本发明提供了具有优异稳定性且不依赖于分析物浓度的参比电极，并避免了常规参比电极所需的频繁且依赖于操作者的维护。
再者，在一些实施例中，本发明借助通过物理化学方式(包括共价附接和物理捕获)将对分析物敏感的分子固定到导电基底而提供在宽分析物浓度(尤其是水合氢离子的浓度)范围内表现出精确、可重现响应的工作电极。本发明提供了用于将RAM固定在基质中的方法，所述基质可涂布到合适基底表面上以形成氧化还原活性表面，或可直接模制形成氧化还原活性基底，以用于分析物感测电极、探头和传感器，诸如pH计和其他分析物感测装置。该方法通常适用于任何氧化还原活性材料，但在许多实施例中，该方法使用已知可用于基于伏安法的分析物感测方法的AIM或ASM加以实践。在该方法中，将RAM共价附接到形成基质的聚合物或非共价捕获在所述聚合物内。在一些实施例中，将RAM首先共价附接到单体，然后聚合形成基质材料。在其他实施例中，将RAM与一种或多种单体以及任选的其他添加剂掺混，然后聚合形成基质材料，而RAM则捕获或固定在所述基质材料内。在其他实施例中，将RAM共价附接到可直接使用或交联后使用的聚合物或与所述聚合物掺混。还提供了这些实施例的变型形式和组合形式。
在其他实施例中，本发明涉及包含本发明的一种或多种基质材料的电极组件、电极、探头和测量计。在一些实施例中，本发明提供包含含有ASM的本发明的基质材料的工作电极，所述基质材料涂布在导电基底上，使得其保持与基底电接触。在其他实施例中，本发明提供由含有ASM的本发明的基质材料直接模制的工作电极(即，不存在单独的基底，但是可以存在起到在结构上支撑电极的作用的不导电材料)。本发明还提供包括此类WE的传感器，诸如pH计和其他分析物感测装置。在一些实施例中，在这些WE中的基质材料还可以具有附接到其上的一种或多种AIM。在其他实施例中，本发明提供包含含有ASM或AIM或两者的本发明的基质材料的AIE。在这些实施例的任一者中，本发明的基质材料均可涂布到不同导电基底的表面上以形成电极(或其组件)或可直接模制形成电极(或组件)。
附图说明
图1至3C显示了手持式仪器，其包括根据本发明的多种代表性实施例的伏安传感器。
图4提供了根据本发明代表性实施例的连接到移动(或远程)计算机或计算装置的本发明伏安传感器的框图。
图5显示了根据本发明代表性实施例的随时间变化的伏安传感器输出的代表性显示，所述输出包括pH、温度、电流峰值位置和峰值电流。
图6(a)显示了常规玻璃pH电极的测得电位与pH之间的关系。
图6(b)显示了根据本发明代表性实施例的伏安传感器的工作电极电位和pH以及温度之间的关系。
图7示出了根据本发明代表性实施例的通用电位法模拟器。
图8是根据本发明代表性实施例的包括AIE的伏安传感器的示意图。
图9是根据本发明代表性实施例的包括替代AIE的伏安传感器的示意图。
图10是根据本发明代表性实施例的用蒽醌(AQ)对聚乙烯醇(PVA)进行官能化的化学程序。
图11是曲线图，显示了根据本发明的代表性实施例在五种缓冲剂溶液中使用标准方波伏安法测试的电极的结果。
图12是曲线图，显示了根据本发明代表性实施例的电流达到最大值时所处的电位与分析物的pH值线性相关。
图13是根据本发明代表性实施例的伏安传感器系统的组件的示意图，该系统包括AIE参比电极，所述参比电极包括多孔玻璃料作为分析物、参比溶液、WE和CE之间的屏障。
图14是曲线图，显示了根据本发明的代表性实施例在多种分析物溶液中对稳压器进行的一系列测试的结果。
图15是根据本发明代表性实施例的伏安传感器盒的示意图，该盒结合了WE、CE和AIE(具有IWE和PRE)参比电极，所述参比电极包括多孔玻璃料作为分析物与参比溶液之间的屏障。
图16-18提供了各种表格和曲线图，其显示了根据本发明代表性实施例通过作为参比溶液的多种pH标准缓冲剂以及分析物溶液使用伏安传感器盒进行的测试的结果。
图19提供了曲线图和图表，其显示了根据本发明代表性实施例的包含多孔玻璃料作为分析物与参比溶液之间的屏障的伏安传感器盒的测试结果。
图20A和20B提供了曲线图和图表，其显示了根据本发明代表性实施例的具有湿-干可逆性的参比电极的测试结果。
图21A-21C提供了各种表格和曲线图，其显示了根据本发明代表性实施例使用伏安传感器盒进行的测试的结果。
图22是图表，其显示了根据本发明代表性实施例的伏安传感器盒的测试结果。
图23是曲线图，其显示了根据本发明代表性实施例的pH与[IWE-WE]之间的线性关系。
具体实施方式
本发明提供优于本领域中目前已知的那些的化合物、组合物、方法、电极和传感器，包括固态分析物传感器。下面将详细描述本发明，为便于读者理解，将详细说明分成多个部分。第1部分提供定义。第2部分描述本发明的伏安传感器，其用于整装的、任选手持式的仪器，或者其输出通过有线或无线连接而传输到其他计算机装置和系统以进行显示、存储或进一步处理。第3部分描述作为玻璃探头的替代品并与利用玻璃探头的电位式pH测量装置相容的本发明的伏安传感器。第4部分描述本发明的改进参比电极。第5部分描述本发明的改进工作电极。
第1部分：定义
如本说明书与所附权利要求书中所用，除非上下文另有规定，佛则单数形式的“一个”、“一种”和“该/所述”包括多个指代物。因此，例如提及“一种粘结剂”包括仅一种粘结剂的组合物以及作为粘结剂混合物的组合物。
“链烷基”是指饱和的支链、直链或环状烷基基团。典型的链烷基基团包括但不限于甲烷基；乙烷基；丙烷基类，诸如丙烷-1-基、丙烷-2-基(异丙基)、环丙烷-1-基等；丁烷基类，诸如丁烷-1-基、丁烷-2-基(仲丁基)、2-甲基-丙烷-1-基(异丁基)、2-甲基-丙烷-2-基(叔丁基)、环丁烷-1-基等。
“链烯基”是指通过从母体烯烃的单个碳原子除去一个氢原子而衍生的具有至少一个碳-碳双键的不饱和的支链、直链或环状烷基基团。该基团可处于关于所述双键的顺式或反式构象。典型的烯基基团包括但不限于乙烯基；丙烯基类，诸如丙-1-烯-1-基、丙-1-烯-2-基、丙-2-烯-1-基(烯丙基)、丙-2-烯-2-基、环丙-1-烯-1-基；环丙-2-烯-1-基；丁烯基类，诸如丁-1-烯-1-基、丁-1-烯-2-基、2-甲基-丙-1-烯-1-基、丁-2-烯-1-基、丁-2-烯-1-基、丁-2-烯-2-基、丁-1,3-二烯-1-基、丁-1,3-二烯-2-基、环丁-1-烯-1-基，环丁-1-烯-3-基、环丁-1,3-二烯-1-基等。
术语“烷氧基”本身或作为另一取代基的一部分是指基团–OR100，其中R100表示如本文所定义的烷基基团。代表性例子包括但不限于甲氧基、乙氧基、丙氧基、丁氧基等。
“烷基”是指通过从母体烷烃、烯烃或炔烃的单个碳原子除去一个氢原子而衍生的饱和或不饱和的支链、直链或环状一价烃基。典型的烷基包括但不限于甲基；乙基类，诸如乙烷基、乙烯基、乙炔基；丙基类，诸如丙烷-1-基、丙烷-2-基、环丙烷-1-基、丙-1-烯-1-基、丙-1-烯-2-基、丙-2-烯-1-基(烯丙基)、环丙-1-烯-1-基；环丙-2-烯-1-基、丙-1-炔-1-基、丙-2-炔-1-基等；丁基类，诸如丁烷-1-基、丁烷-2-基、2-甲基-丙烷-1-基、2-甲基-丙烷-2-基、环丁烷-1-基、丁-1-烯-1-基、丁-1-烯-2-基、2-甲基-丙-1-烯-1-基、丁-2-烯-1-基、丁-2-烯-2-基、丁-1,3-二烯-1-基、丁-1,3-二烯-2-基、环丁-1-烯-1-基、环丁-1-烯-3-基、环丁-1,3-二烯-1-基、丁-1-炔-1-基、丁-1-炔-3-基、丁-3-炔-1-基等。术语“烷基”特别地旨在包括具有任何饱和度或水平的基团，即，具有全部碳-碳单键的基团、具有一个或多个碳-碳双键的基团、具有一个或多个碳-碳三键的基团和具有碳-碳单键、双键和三键混和的基团。在意指特定饱和水平的地方，使用表达“链烷基”、“链烯基”和“炔基”。表达“低级烷基”是指包含1至8个碳原子的烷基基团。
“炔基”是指通过从母体炔烃的单个碳原子除去一个氢原子而衍生的具有至少一个碳-碳三键的不饱和的支链、直链或环状烷基。典型的炔基基团包括但不限于乙炔基；丙炔基类，诸如丙-1-炔-1-基、丙-2-炔-1-基；丁炔基类，诸如丁-1-炔-1-基、丁-1-炔-3-基、丁-3-炔-1-基等。
“芳基”是指通过从母体芳族环系的单个碳原子除去一个氢原子而衍生的一价芳族烃基。典型的芳基基团包括但不限于由以下物质衍生的基团：醋蒽烯、苊烯、醋菲烯、蒽、薁、苯、屈、蒄、荧蒽、芴、并六苯、己芬、环己二烯(hexalene)、不对称引达省、对称引达省、茚满、茚、萘、并八苯、辛芬、并环辛二烯、卵苯、戊-2,4-二烯、并五苯、并环戊二烯、戊芬、苝、迫苯并萘、菲、苉、七曜烯、芘、吡蒽、玉红省、苯并菲、三萘等。芳基基团可以为例如(C5-C14)芳基，包括但不限于(C5-C10)。示例性芳基包括环戊二烯基、苯基和萘基。
“芳基烷基”是指其中键合到碳原子的氢原子之一被芳基替代的无环烷基基团，所述碳原子通常为末端或sp3碳原子。典型的芳基烷基基团包括但不限于苄基、2-苯基乙烷-1-基、2-苯基乙烯-1-基、萘基甲基、2-萘基乙烷-1-基、2-萘基乙烯-1-基、萘并苄基、2-萘并苯基乙烷-1-基等。在意指特定烷基部分的地方，使用命名芳基链烷基、芳基链烯基和/或芳基炔基。在优选实施例中，芳基烷基基团是(C6-C20)芳基烷基，例如芳基烷基的链烷基、链烯基或炔基部分为(C1-C6)而芳基部分为(C5-C14)。示例性的实施例包括芳基烷基基团(C6-C13)，例如芳基烷基基团的链烷基、链烯基或炔基部分为(C1-C3)而芳基部分为(C5-C10)。
“分析物”是存在于样品中的所关注的化学物质，其存在是可检测的或者其浓度可以使用装有工作电极的分析物传感器系统进行测量。
“对分析物敏感的材料”或“ASM”是在那些使用者定义的应用特定容限内对样品中分析物的存在或浓度敏感或基本敏感的氧化还原活性材料。对分析物“基本敏感”用于表示在给定应用的所需容限内敏感，那些容限由最终使用者定义。
“对分析物不敏感的材料”或“AIM”是对样品中分析物的存在或浓度不敏感或基本不敏感的氧化还原活性材料。对分析物“基本不敏感”用于表示在给定应用的所需容限内不敏感，那些容限由最终使用者定义。
“对分析物不敏感的电极”(AIE)是参比电极的特例，其中电流部分地取决于氧化还原过程，该氧化还原过程与包含但不限于分析物的样品组合物中物质的存在或浓度无关(除了支持电解质的最小阈值外)。AIE用于提供不随时间或样品组成而改变的响应，并因此可用作WE响应与之可比的内标或“零点”。参见以引用方式并入本文的PCT公布No.2010/104962。AIE含有：一种或多种与导电基底电接触的RAM，伪参比电极(PRE，如下文所定义)，以及用于将RAM并通常为PRE置于恒定化学环境中的工具，该恒定化学环境与分析物溶液分离但与其电气和流体连通。AIE的导电基底和RAM在本文可称为“内部工作电极”或“IWE”。如本文所用，根据上下文，AIE可指代集成功能单元(IWE，恒定化学环境，和PRE)或指代IWE或仅指代IWE的基质材料成分。在本发明的上下文中，恒定化学环境是抵抗水合氢离子或氢氧根离子(即，pH)的变化使得RAM输出稳定、可再现的伏安信号的缓冲材料。缓冲溶液是恒定化学环境的最简单形式。本发明的ASM精确响应缓冲材料的配方，缓冲材料可包括各种缓冲固体和半固体、缓冲溶液和缓冲剂溶液。该特征导致刻意使用缓冲材料来产生甚至比常规参比电极(诸如Ag/AgCl/KCl)更稳定的信号。形成恒定化学环境的材料的设计和实施在下文予以详细描述。显然的是，与诸如二茂铁的AIM结合使用的恒定化学环境克服了该化合物的两个缺点，即：1)其对分析物pH的变化发生轻微响应的倾向，尽管与预料的相反；以及2)二茂铁以可用的伏安信号作出响应的有限pH范围(约4或以上)。
“分析物感测装置”为传感器，测量来自传感器的信号的工具，并且任选地显示所述信号的工具。pH计是分析物感测装置的一种类型。因此，在一些实施例中，分析物感测装置包括控制器/处理器单元、相关的程序和算法以及探头。
有时也称为“辅助电极”的“反电极”或“CE”是在一些分析物传感器中所需的电极，以使电流穿过电化学池来完成电路。CE用作电子的源或库，并允许电流流过WE以实现氧化还原反应。为了避免在CE处发生可干扰在WE处测得的信号的不期望的电化学氧化还原过程，通常使用相对化学惰性的材料(通常为铂(Pt))来制作CE，但通常也采用碳同素异形体。也可以使用某些其他金属，尤其是在苛刻环境中表现出稳定性的那些金属。例子包括但不限于金、不锈钢、钛和特种合金。
“同轴”是指各种组件(例如电极)定位在其周围的共同轴。在一些实施例中，“同轴”是指同心或近似同心定位的组件的径向对称。在一些实施例中，术语“同轴”是指一个或多个电极同心定位在外部或外侧定位的电极组件内；例如但不限于当CE是浸没在分析物溶液中的传感器顶端的外环，WE在该顶端的中央，RE插入CE与WE之间时，WE、CE和RE同轴定位。参见以引用方式并入本文的PCT公布No.2010/111531。
关于材料的“分散的”或“缔合的”是指其溶解在溶液中或作为胶体悬浮在气体、液体或固体中。该术语还涵盖其中材料共价键合到固体表面上或固体组分上的实施例。该术语还涵盖其中材料作为掺杂剂掺入晶格中的实施例。该术语还涵盖插入固体内的材料。
“电极”是探头的组件。
“伪参比电极”或“PRE”是其电位根据其环境条件可预测地变化的电极分类中的一种电极。一旦建立后，这种关联即可用于计算已知条件的电极电位，即使当这些条件超出常规参比电极适用的相对窄的范围，例如非水性溶液或远离环境温度的温度时也是如此。在那些情形下，它们在电化学实验的时间表中提供相对恒定的电位，并且如果需要可将PRE的绝对电位反校准到RE。伪参比电极通常不包括两个氧化还原半电对。PRE的一个例子为银丝(常用于非水性电化学)。最近，PRE已被用作AIE的组件。
“氧化还原活性材料”是可被氧化和还原的化合物或组合物。“氧化还原活性”是指那些过程之一或两者。
“参比电极”(RE)是用于建立施加到WE上的电位差的电极。常规RE具有某一固定的化学组成，并由此具有固定的电化学电位，因此能够以已知、受控的方式测量施加到WE上的电位差。RE通常包含与具有固定化学组成和离子强度的电解质接触的两个氧化还原半电对。因为存在这两个氧化还原半电对并且涉及的所有物质的组成均是固定的，所以该体系保持平衡，并且该RE的电极-电解质接口两端的电位降(即，测得的电压)是热力学固定和恒定的。例如，常用的RE体系是具有确定和恒定的KCI浓度的Ag/AgCl/KCl体系。两个半电池反应因此为：Ag++e-→Ag；和AgCl+e-→Ag+Cl-。总电池反应因此为：AgCl→Ag++Cl-，对此给出能斯脱平衡电位如下：E＝E0–(RT/F)*ln[Cl-]，其中E是测得的RE电位，E0是所有物质在单位活度下Ag/AgCl电对相比标准氢电极的标准电位(按照惯例，标准氢电极定义为具有0.0V的电位)；并且R、T和F是分别以适当单位表示的通用气体常数、温度和法拉第常数。因此，该体系的电位仅取决于存在的Cl-离子的浓度(更严格地说是活度)，如果其为固定则提供稳定、固定的电位。许多其他RE体系在本领域是已知的。必要的是，RE的组成保持恒定，因此几乎没有电流穿过RE(否则将发生电解，RE的组成将改变)，这使得必须使用第三电极(反电极(CE))以完成电路。然而，在其中WE是具有至少一个通常小于100微米的维度的微电极的特殊情况下，可以使用双电极构造。在这种情况下，在WE上通过的电流较小，因此可以与RE一起使用双电极电池，但不需要CE。
“探头”是指含有多个电极的传感器。探头可以包括例如工作电极、反电极以及参比电极(常规参比电极或伪参比电极)。探头可以包括例如工作电极、反电极以及对分析物不敏感的电极(IWE和PRE)。
“传感器”是响应于分析物的存在而产生信号的电极或电极的集合。
电极的“表面”是指功能性表面，即与分析物样品接触并用于电学或电化学目的的表面部分。例如其将不包括没有电流或电压通过的绝缘WE外壳。WE的表面是与相对于RE检测电流或电位的样品接触的电极表面的部分。CE的表面是指用于将电流输送至WE或接受来自WE的电流的与样品接触的部分。
“工作电极”或“WE”是在其上发生检测所关注分析物的电化学过程的电极。在传感器中，工作电极可以对测试样品中的一种或多种分析物敏感，或其可以用对分析物敏感的物质/材料进行化学改性。在对所研究的体系施加一些扰动后测量工作电极的电化学响应。例如，扰动可以是对WE施加引起电子迁移的电位差，随后作为施加的电位的函数记录在WE处所产生的电流(伏安模式)。该操作模式例子是示例性的而非穷举性的，因为许多其他模式在本领域中是已知的。本发明的WE含有可经历可逆电化学氧化还原反应的ASM，所述氧化还原反应取决于样品溶液中分析物(对于pH计而言是氢离子；对于其他分析物感测装置而言是其他分析物)的浓度和施加的电位。例如，如果样品溶液中存在高浓度的氢离子，则氧化还原反应在较低的电位下发生。相反地，如果样品溶液中存在低浓度的氢离子，则氧化还原反应在较高的电位下发生。在这些特征性电位与样品溶液pH之间的关系是ASM的化学本性的函数。算法将电位转化成pH值，以提供测定未知样品的pH的手段。
记住以上定义，读者可以更好地理解下文所述的本发明的各个方面和实施例。
第2部分：具有发射1器功能的伏安传感器、仪器
在一些实施例中，本发明提供用于测量pH的伏安传感器，其包括探头、信号处理算法以及允许显示或传输测量结果的电路。在一些实施例中，这些组件集成在整装的任选手持式仪器内，其示例性实施例在图1至3C中示出。在一些实施例中，该仪器的特征在于有利于将可拆卸式筒附接到头部单元并更换可拆卸式筒的定制连接器，所述可拆卸式筒容纳伏安传感器的WE、RE和CE，所述头部单元容纳电子电路、显示器和控制仪器各种功能的按钮开关。定制连接器在筒与头部单元之间建立稳固的机械和电连接。
在其他实施例中，伏安传感器在过程控制的背景下用作发射器。根据本发明的该系统(其在一些实施例中称为SenovaLinkTM系统(赛诺瓦系统股份有限公司，SenovaSystems,Inc.))的一些实施例包括多种组件，包括但不限于感测元件，进行伏安测量并将结果转化成电信号以经由缆线或以无线方式传输到移动或远程计算装置的固件和电子器件，以及用于分析、控制、显示并任选进一步与控制系统通信的应用软件。这些组件的示例性布置及其与分析物样品的关系在图4中以框图的形式示出。这些各种组件在下文进一步详细描述。
三个主要感测元件提供伏安电极的基本功能：工作电极(WE)，参比电极(RE)或AIE，以及反电极(CE)。这些电极的工作原理和成分已在本文进行了描述，合适的替代实施例在以引用方式并入本文的专利申请中有所描述。任选地，在一些实施例中，在其他感测元件的附近包括温度感测元件(例如热敏电阻器或热电偶)以便为pH信息的温度补偿提供信息。
本发明提供的伏安电子器件在一些实施例中为固件和专门设计的硬件的组合，其用于驱动各种传感器元件、捕获电化学响应、执行数据平滑和峰值拾取功能以及根据电位与pH校准信息的关系将结果转化成pH读数。
本发明的这些传感器实施例的通信接口可包括产生适于通过有线或无线方式传输到其他数字装置的信号的模拟和数字处理电路，诸如上文所述的电路。对于一些实施例，将电极系统与移动或远程计算装置相连需要它们共享通用通信接口。因此，在一些实施例中，传输系统配有硬件控制器和与移动或远程计算装置或其他接收系统上的那些协议兼容的通信协议。通用硬件接口的示例为USB(通用串行总线)或专有连接器，后者的示例为苹果计算机公司(Apple Computer Co.)用于其iPhone、iPad和其他装置的那些。无线通信协议和接口的示例为无线USB、蓝牙、ANT+和其他网络拓扑及通信方法。
结合本文所述的电极系统使用的合适的计算装置包括手机、平板电脑以及包括处理控制器的其他便携式或固定计算装置。这些装置提供处理能力、可编程性、分析、显示、控制和通信能力，它们为伏安传感器或从其得到的手持式仪器的能力提供补充，并大大超越常规pH计的能力。手机和平板电脑作为个人和任务特定信息的门户越来越受到依赖。作为通用通信和计算平台，它们可被配置成适应各种水平的复杂性和用户要求。因此，移动或远程计算装置可以为常规pH计的多用途替代品。移动或远程计算装置通常包括以下主要功能组件：用于与SenovaLink pH电极系统进行双向数据通信的收发机；具有辅助模拟-数字转换器以在需要时进一步处理输入信号流的微控制器或微处理器；以及显示和输入装置，包括触摸屏或键盘。另外，本发明的一些实施例利用有利于移动或远程计算装置与本文所述的SenovaLinkTM电极系统之间的通信的应用特定软件程序。
例如，在一些实施例中，提供与本发明的电极系统一起使用的应用程序，其包括用于任选的信号平均化、噪声过滤、数据比较、转化、记录和显示的算法。在一些实施例中，提供一种应用程序，其包括用户界面以指定电极系统的操作条件、监控和诊断。随着移动计算装置的能力的提高，它们的功能已变得与诸如笔记本电脑、台式机和工作站相当。用作发射器的伏安传感器被设计为与用作接收器和伏安传感器功能扩展的任何这些计算装置兼容。
参照图4，其示出了有线通信链路的代表性实施例，其包括使用合适的缆线的USB/VCP(通用串行总线/虚拟通信端口)连接。无线通信链路的其他实施例包括蓝牙射频通信子系统。
在一些实施例中，SenovaLinkTM系统提供在笔记本电脑或台式计算机上运行的称为pHit ReportsTM(赛诺瓦系统股份有限公司(Senova Systems,Inc.))的软件程序。pHitReportsTM托管标准图形用户界面和输入装置，其显示随时间变化的pH、温度、电流峰值电位和信号强度的实时测量值，如图5所示。该图形用户界面的变型形式可部署在显示选定的信息要素的手机或平板电脑中。pHit ReportsTM另外的任选特征包括自动缩放以将所显示的捕获数据保持在每个参数窗口内；审阅功能(诸如光标控制)、多数据集叠加、将数据转换成CSV(逗号分隔值)文件以及将捕获的数据存储到移动式存储装置或行业标准SQL数据库，以及其他功能。
在其他实施例中，SenovaLinkTM通过pHit ReportsTM图形用户界面(加利福利亚州森尼韦尔赛诺瓦系统股份有限公司(Senova Systems,Inc.,Sunnyvale,CA))提供对伏安传感器操作的远程控制，例如启动和终止连续pH测量。SenovaLinkTM系统的其他特征提供经由USB接口的固件加载、数据缓冲以及自动断开/重新连接逻辑以最大程度降低数据通信过程中的数据丢失。
第3部分：替换玻璃电极的伏安传感器
在本发明的一些实施例中，提供与常规pH计结合使用的伏安电极作为玻璃探头的通用替代品。这通过将伏安电极的功能组件与模拟器集成而实现，该模拟器在本文可称为“通用电位法模拟器”，其将表示测得的pH值的电信号输出转化成常规pH计可接受、处理和显示的相应电位。
常规pH计通过电位法运行，其中对玻璃pH感测电极与参比电极之间的电位进行测量。该电位是溶液pH的函数，如通过能斯脱方程(E＝E0+2.3RT/nF*log[H3O+]＝E0+2.3RT/nF*pH给出，其中E为测得的电位，E0为常数，R为气体常数，T为以开尔文度表示的温度，n为离子电荷，并且F为法拉第常数)。在25℃下，将pH 7溶液定义为具有0电位E，并且该电位按59mV/pH(也称为斜率)变化。该关系在图6(a)中示出。
在本发明的伏安传感器中，在测得的电位与随温度变化的pH之间也存在线性关系。该关系取决于ASM的本性和参比电极系统。图6(b)显示了本发明的典型实施例的这种关系，其中值使用标准pH缓冲剂溶液在已知温度下测得。
在操作中，伏安传感器向通用电位法模拟器发出命令和温度补偿pH信息。模拟器然后对信号进行转化并将其重映射，使得pH 7对应于0mV，而其他pH值遵循59mV/pH斜率(即，pH 8＝+59mV，而pH 6＝-59mV)。由此产生的电压根据常规pH计的设计以模拟或数字形式发送到常规pH计的差分输入。图7示出了这一过程，其被称为SenovaOmniTM系统(赛诺瓦系统股份有限公司(Senova Systems,Inc.))。
对于一些实施例，模拟器包括微处理器，其被编程以将来自伏安传感器的信号重映射到符合能斯脱方程的输出。在其他实施例中，模拟器还包括数字-模拟转换器。在大多数实施例中，将温度感测元件装入伏安传感器中。来自该传感器的温度信息用于以图6(b)所示的方式计算电位和pH输出。因此，转换后的信号模拟玻璃电极的行为，但不再需要常规pH计的温度补偿。在一些实施例中，通用电位法模拟器是通过缆线和BNC连接器或通过具有能够实现所述功能的组件的无线方式连接到常规pH计的附件。无线连接到伏安传感器通过已存在的嵌入式无线子系统或经由合适的缆线(诸如USB)而促成。在一些实施例中，将通用电位法模拟器的功能结合在伏安传感器的电子电路中，任选地在相同的壳体中并通过相同的电源供电。本发明所提供的一些电极为广泛使用的玻璃pH电极的即插兼容替代品。在一些实施例中，将模拟器内置到常规pH计中以使得其适于与本发明的伏安传感器结合使用。这种集成有利于通信协议以及优化的电子、机械和工业设计的具体实施。
第4部分：改进的参比电极
本发明的伏安传感器包括参比电极(RE)，其可以为常规RE、伪RE、对分析物敏感的电极(AIE)或由本发明提供的前述装置的改进形式。
适用于本发明的探头的多种常规参比电极在本领域中是已知的。参见例如以引用方式并入本文的Bard and Faulkner，“Electrochemical Methods:Fundamentals andApplications”(Wiley 2001)(Bard和Faulkner，“电化学方法：基本原理与应用”，威立出版社，2001年)。
在本发明的一些实施例中，常规参比电极是被电解质溶液围绕的氯化银丝。在其他实施例中，常规RE仅为氯化银丝。在其他实施例中，常规RE为以引用方式并入本文的美国专利No.4,495,050中所述的碘化物/三碘化物体系。在其他实施例中，常规RE为标准甘汞电极。
在一些情况下，在本发明的分析物传感器中使用了“伪参比电极”(PRE)(有时称为“准参比电极”)，尤其是对于非水性溶液而言，而不是使用常规RE。PRE的示例性但非限制性例子是通常用于非水性电化学的银丝。PRE的另一个例子是铂丝。其他PRE可根据具体应用而使用。PRE还用于包括WE和AIE的本发明的传感器，因为AIE包括PRE和IWE，如下文更广泛地讨论。
在一些实施例中，对暴露于分析物样品的常规RE的表面积进行选择，以便最小化或消除会对依赖于分析物的信号质量造成不利影响的事件。
因此，本发明还提供多种实施例，其中在相同的pH计量系统中，将特征在于氧化还原活性的对分析物敏感的材料的固态工作电极(WE)与常规RE或PRE起操作。这种混合式方法结合了固态装置所固有的稳健性以及许多电化学科学所基于的已接受的参比标准。
因此，本领域的普通技术人员将认识到本发明的多种实施例的独特混合式配置。具体地讲，本领域的普通技术人员将认识到固态WE与常规RE通常也与CE的本发明的组合。这种混合式配置提供了具有常规RE的可靠性的pH探头组件，而无传统玻璃工作电极的已知缺点。因此，本发明提供新型并且可用的电极组合，该组合克服了传统pH(或其他分析物)探头和计量系统的局限性。
在一些实施例中，本发明提供在本发明的传感器中用于代替常规RE的对分析物不敏感的电极(AIE)。AIE能够响应于电刺激的施加而产生实质性的对分析物不敏感的信号，所述电刺激在进行样品中分析物浓度的伏安或电流测量的过程中施加给正在分析的样品。AIE提供可用作内标(换句话讲，系统的内部标准)的可预测信号(可将对分析物敏感的信号连续地与之进行比较)，并因此允许在测定分析物浓度时获得更高的准确性和重现性。因此，在本发明的一些实施例中，当在进行分析物浓度的伏安和/或电流测量的过程中对分析物样品施加电刺激时，在电化学分析物感测装置中使用AIE以生成实质性的对分析物不敏感的电响应。
本发明关于不同WE化学(参见下文)的教导也适用于AIE的某些实施例。具体地讲，AIE的特征可在于与WE相同的pH(或其他分析物)响应性表面化学，并由于其特殊配制的恒定化学环境以及其所含有的PRE，而用于替代常规的RE(诸如Ag/AgCl/KCl)。参见以引用方式并入本文的PCT专利公布No.2010/104962。
常规RE通过建立稳定的、充分表征的电极电位而操作。这种电极电位的稳定性来源于具有氧化还原反应各参与者的恒定活性的氧化还原体系。使用以共价附接的ASM(或AIM)基质材料作为感测表面的电极可以获得稳定的电极电位。在恒定的化学环境中，诸如通过缓冲材料(诸如缓冲剂溶液)提供的恒定化学环境，这些电极产生可高度重现的电极电位。因此，本发明的AIE的一些实施例含有本发明的氧化还原活性基质材料(任选地附接到基底)和容纳在封闭空间内的缓冲剂溶液中的PRE。该封闭空间继而通过液体屏障(诸如多孔玻璃料)与分析物溶液流体和电气连通。在操作中，将该AIE与WE和CE共同放置，并且各电极与分析物溶液直接接触。无论氧化还原活性材料是表征为ASM还是AIM，它均可以通过在适当配制的离子介质(如在AIE中所含的)中的螯合作用而成为对分析物不敏感的。
在操作中，AIE表现出高度依赖于氧化还原活性材料性质和其螯合所处的恒定化学环境(即，在适当配制的离子介质中)性质的电极电位。如PCT公布No.2010/104961中所述，存在多种合适的离子介质；在一些实施例中，合适的离子介质仅为缓冲剂(其可以为固体或半固体)或缓冲剂溶液。例如，如以下实例中所示，合适的离子介质包括得自供应商的市售pH7缓冲剂(VWR部件号BDH5056-20L)，其为缓冲剂溶液的例子；或添加有作为粘度增强剂的羟乙基纤维素的液体pH 7缓冲剂(西格玛奥德里奇(Sigma Aldrich)部件号434973-250G)，其为半固体缓冲剂的例子；或添加有作为增加离子强度并保护氯化的银PRE的手段的KCl的半固体pH 7缓冲剂(西格玛奥德里奇(Sigma Aldrich)部件号P3911-2.5KG)。当合适的离子介质为液体时，还采用适当的液体屏障，以使得将分析物样品与液体离子介质之间的对流混合在所关注的时标上减少到不明显的水平。适当的液体屏障包括但不限于膜和玻璃料，如下文所述以及在本文实例中所示。任何分析物样品跨过液体屏障进入都只会对液体离子介质所提供的恒定化学环境造成轻微的影响，原因是液体离子介质中的缓冲剂溶液缓和因组成变化而导致的pH漂移的固有能力。结果是与常规RE(诸如Ag/AgCl/KCl，其中KCl溶液没有明显的缓冲能力)相比极其稳定的电极电位。AIE超越常规RE的这种基本优势连同来源于共价附接的或物理捕获的ASM(或AIM)基质材料的稳定性导致了包括此类AIE的这一类新的pH探头出人意料的优异性能。
AIE和WE的功能相似，因为两者都是氧化还原活性电极。在本发明的传感器的一些实施例中，在AIE和WE中的氧化还原活性材料和包含所述材料的基质(IWE)是相同的或基本上相似的。在传感器的其他实施例中，AIE和WE具有不同的化学组成，即，它们在所采用的氧化还原活性化合物方面或在所采用的基质方面或在这两个方面不同。后者的实施例提供了另外的自由度，并且极大地扩展了本发明的pH(和其他分析物)感测系统的不同类型，因为可以单独地定制AIE和WE以实现最有益的物理和性能属性的组合。例如，WE可基于为在宽pH范围内提供最高准确度而设计的化学组成，而替代的WE可基于为承受侵蚀性化学环境(诸如强酸或强碱)而设计的化学组成。在任一种情况下，AIE可基于在存在中性缓冲剂下表现出最高精确性的化学组成，以便为AIE提供最长的预期寿命。在本发明中所述的化学性质选项(包括各种连接化学性质)使得能够控制WE特性以满足这些多样的需求。
在本发明的多种实施例中，采用了其中恒定化学环境为半固体或固体形式的AIE。
因此，在一些实施例中，通过提供缓冲能力、导电性和离子渗透性的固体或半固体材料(“参比材料”)来提供AIE的恒定化学环境。在其他实施例中，该参比材料是具有足够离子含量的亲水性固体，以用作分析物溶液中氢离子的导管和CE与AIE之间电流的导体。该参比材料一侧与分析物直接接触，另一侧与氧化还原活性材料的功能性表面以及与PRE直接接触。在一些实施例中，该参比材料对氢离子可选择性渗透，但对分析物溶液中的其他实体基本上不可渗透，以使得在使用过程中AIE内的氧化还原活性材料将不被暴露于不断变化的化学环境。合适的参比材料包括具有模拟液体缓冲剂溶液的那些的组成的交联两性离子聚合物；例如强碱和弱酸官能性或强酸和弱碱官能性的组合。在水合时，此类聚合物将维持其固有的pH值，即使当少量的酸或碱与聚合物结构接触或扩散到聚合物结构中时也是如此。
在本发明的一些实施例中，将胶凝剂添加到常规缓冲剂溶液中以将其转化成固体缓冲材料。这种胶凝剂的例子为琼脂糖，其可溶于热水但在冷却时发生胶凝。这种行为使得含有琼脂糖的缓冲剂溶液能够在环境操作温度下呈凝固的橡胶态，从而提供主要由缓冲剂溶液决定的非流体恒定化学环境。
在多种其他实施例中，可通过配制离子单体制备参比材料以得到最终聚合物中的目标pH，从而实现聚合并使所得的聚合物与IWE接触以形成AIE。在布置交联聚合物的情况下，可原位进行交联，即，与IWE直接接触。以下是在本发明的AIE中使用的多种聚合物参比材料的合适示例性前体的非限制性例子：
(1)交联的基于丙烯酰胺的亲水性聚合物，其包含：(I)N,N-二甲基丙烯酰胺；(II)作为交联剂的N,N-亚甲基双丙烯酰胺；(III)作为强酸组分的2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸；以及(IV)作为弱碱组分的N-[3-(二甲基氨基)丙基]-甲基丙烯酰胺。在所得的聚合物中，特征性pH主要由III和IV的化学计量比决定：
(2)4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙磺酸(HEPES)的硅烷衍生物。
HEPES是在同一分子中含有磺酸基团和叔氨基基团的有机缓冲剂。因此，强酸与弱碱基团的化学计量比作为一个整体而恒定：
这一属性继续到下面所示的衍生物SEN-01-14b，其为能够与诸如TEOS的其他溶胶-凝胶前体反应的HEPES的硅烷衍生物。这产生具有缓冲特性的固体两性离子聚合物。通过在IWE的表面上进行溶胶-凝胶转化，形成了与RAM感测表面直接接触的恒定化学环境。
在一些实施例中，不论恒定化学环境是液体、半固体还是固体，均在恒定化学环境与分析物之间的界面处使用屏障以基本上防止分析物进入(例如，通过混合或溶解)恒定化学环境。该屏障可以为液体或固体的形式。
如果将液体用作屏障，则其应当不与液体恒定化学环境混溶，或在用作AIE的恒定化学环境的半固体或固体参比材料中具有微弱的溶解性。这种屏障可以为离子液体或室温离子液体的形式，在此情况下，可将多孔基质用于通过毛细管作用来保持所述液体并呈多孔基质(诸如多孔玻璃料或微孔膜)的物理形状因数。
该液体屏障也可以为离聚物的形式，离聚物是具有离子特性的合成聚合物。本发明所提供的一种类型的离聚物包含以下物质、由以下物质组成或基本上由以下物质组成：基于磺化四氟乙烯的含氟聚合物-共聚物，包括但不限于Nafion(由杜邦公司(DuPont)销售)。该材料可渗透质子但不渗透阴离子，为亲水性的，并表现出优异的耐化学性和生物相容性。某些其他传导质子的膜和复合物表现出类似的属性并为本发明的合适的替代物。(参见例如Mustarelli et al.,Advanced Materials,20(2008)1339-1343(Mustarelli等人，《先进材料》，第20期，2008年，第1339-1343页；Viswanathan et al.,Bulletin of theCatalysis Society of India,6(2007)50-66(Viswanathan等人，《印度催化学会简报》，第6期，2007年，第50-66页))。通过此类液体屏障，AIE克服了与维持湿参比体系相关的问题，可在干燥状态下保存直至使用，并可在暴露于分析物溶液之间保持干燥，即，具有湿-干可逆性。在一些实施例中，将一片Nafion膜用于密封管的一个末端。在管内置入缓冲剂溶液作为恒定化学环境。当将管置于分析物溶液中时，Nafion防止两种溶液混合。可以使用本文所述的恒定化学环境的其他形式(包括液体、半固体或固体)代替缓冲剂溶液。在所有情况下，离聚物膜也用作防止质子之外的分析物中的物质渗入恒定化学环境的屏障，这种渗入会影响恒定化学环境的组成。
Nafion在商业上以固体膜的形式供应，或作为可加热并固化的前体溶液而供应。固体Nafion膜可以有限的厚度范围获得。本领域熟知的是，Nafion溶液或其他离聚物前体溶液可被掺入多种多孔载体以提供适于其预期用途的形状因数。(参见例如ProtonConductors,P.Colomban,ed.,Cambridge University Press,1992(《质子导体》，P.Colomban编辑，剑桥大学出版社，1992年)。对于本发明，通过使用微孔膜固定Nafion溶液然后进行热处理以在多孔结构中形成连续Nafion相而形成复合膜。该方法结合了微孔膜基底的尺寸稳定性与Nafion的化学和电化学特性。合适的微孔膜的示例为孔径通常可用于微滤的聚砜、聚醚砜、聚偏氟乙烯。复合膜可通过技术人员已知的方法便利地制造，包括热密封和超声焊接，通常在将Nafion溶液或前体固定到其他离聚物前。此外，如下文的实例5中所示，包含Nafion型液体屏障的参比电极能够大大降低水跨过该屏障的转运速率而保持水合，即使在不与外部保存溶液(诸如具有玻璃料型液体接头的常规pH电极所需的缓冲剂或KCl溶液)恒定接触的情况下也是如此。因此，由于参比溶液的损失而导致的组成的变化大大降低。同时，Nafion型离聚物可渗透质子但因电荷排斥而几乎不渗透阴离子，并为中到大分子的优异屏障。这些属性允许本发明的电极在干燥状态下保存时抵抗功能的严重劣化，并避免在分析物溶液中的日常使用之间进行湿法保存的需要。
在其他实施例中，也可将微孔材料用作制备Nafion或其他离聚物的复合膜的基底。这些包括但不限于陶瓷或玻璃料(尤其在参比材料为溶液或半固体的情况下)，或陶瓷或玻璃膜(在参比材料为固体的情况下)。使用由聚合物或无机材料制备的固体多孔基底(诸如玻璃料或晶片)在需要额外稳健性的情况下在电极构造体中赋予机械刚度。
在本发明的其他实施例中，完全以固态构造包括WE、CE和湿-干可逆AIE参比的伏安电极。在一些实施例中，将第一导电基底用作WE的基础，在其上沉积包含ASM的基质材料以形成对分析物敏感的表面。将第二导电基底用作AIE的基础。在该基底上是按以下顺序沉积的材料层以得到对分析物不敏感的表面：1)包含RAM的基质材料；2)充当恒定化学环境的固体或半固体参比材料；3)包含Ag/AgCl、铂或嵌入参比材料中的其他合适材料的PRE；以及4)包含Nafion或其他合适离聚物的分析物屏障。通过具有WE的第一导电基底、具有RAM的第二导电基底以及PRE进行独立的电连接。功能性伏安电极通过以下方式形成：通常以一组传感器的形式与也独立地电连接的CE一起共定位WE、AIE，并根据本发明所述的方法执行方波伏安法。在一些实施例中，导电基底包含固有导电的(诸如金属、碳或导电聚合物)或通过涂层(诸如导电油墨或糊剂)或化学处理(诸如化学气相沉积或电晕放电)而使得导电的刚性材料。在其他实施例中，导电基底为具有上述组成的柔性材料，诸如聚合物膜(例如但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺和聚偏氟乙烯)、织物(例如非织造聚酯)、线材或导管、或它们的元件和组合。通过本发明而实现的刚性或柔性固态电极的优点众多，对许多预期用途和专门应用具有吸引力，超越了常规玻璃电极以及以之为基础的pH测量系统的能力。
在本发明的其他实施例中，可作为WE上的表面涂层将具有选择渗透性的膜的屏障特性有益地并入，以便为WE屏蔽分析物中的干扰物质。此类膜包括但不限于Nafion膜构造体。
第5部分：改进的伏安工作电极
在其他实施例中，本发明提供改进的伏安工作电极。这些电极包含共价附接至由合成聚合物制成的基质材料或捕获在其中的RAM(其可以为ASM或AIM)。所得的基质材料表现出聚合物的固有特性(聚合物起到骨架的作用以使ASM固定，同时为分析物与ASM(当RAM为ASM时)之间的接触提供空间分散)，与导电基底的粘结，以及在WE中所需的分析物(例如pH)响应性功能性或AIE所需的适当功能性。所关注的作为ASM基质材料的合成聚合物属性包括但不限于：良好的成膜特性，与导电基底的相容性，可调节的机械特性(诸如刚性、强度、被成形为不同形状因数的能力)，以及可通过共混、共聚、交联、接枝和在本体或表面水平上的物理或化学改性而获得的宽范围的特性。这些属性允许以满足不同需要的大小、形状因数和性能来设计和制造电极。本发明一些方法中的通用途径是使用具有对基质聚合物中的互补官能团有反应性的合适官能团的RAM。本领域的技术人员在考虑本公开时将认识到，可以使共价附接到聚合物的RAM的位置沿着基质聚合物的主链和/或基质聚合物的支链或侧链，并且通过引入ASM作为官能化的系链、交联剂或扩链剂，可以制备本发明的大量的不同基质。
在一些实施例中，将ASM结合到固有导电的聚合物以得到传感器，其中可有效地捕获由ASM产生的电化学信号，并经由导电聚合物直接传输到电子处理电路。在这个方面，所得的电极不具有传统的导电基底，这可以是有利的。例如，就用于pH计的WE而言，消除对pH敏感的基质材料与单独的导电基底之间的界面解决了与相异材料的物理、化学和电子相容性相关的几个问题。使用聚合物(包括导电聚合物)有助于降低复杂性并改进呈各种形状因数(包括大小、形状、柔性、机械设计、可处置性等)的电极的设计灵活性和可制造性，并因此为制造本发明的柔性传感器和微型化传感器提供了手段。
在一些实施例中，使用基于共价结合到聚(乙烯醇)或PVA的AQ的本发明的基质材料来制备WE。最终结构包含链烷基主链和栓系AQ部分的醚连接的侧链。PVA表现出对化学侵蚀的优异耐性，如连接AQ的醚键一样。PVA也是优异的成膜聚合物。此外，可以通过化学和热学方式来交联PVA，从而进一步增强最终结构的尺寸和环境的稳定性。在预计将遇到各种各样的操作条件的pH(或其他分析物)传感器中，这些都是可取的特性。
在其他实施例中，可被官能化以附接ASM(或AIM)部分的表现出良好物理、化学和机械属性的聚合物通常为PVA的合适替代形式，并且可以为用于特定应用和/或制造方法的PVA的优选替代形式。此类聚合物包括但不限于以下物质的衍生物：聚砜、聚醚砜、聚酰胺、聚磺酰胺、聚酰亚胺、聚酯、乙烯基聚合物、聚苯硫醚、多糖、纤维素、它们的衍生物、它们的共聚物、它们的共混物及它们的复合物。ASM(或AIM)附接方法包括但不限于与官能化ASM(AIM)反应、接枝已含有作为系链的ASM(或AIM)的聚合物、互穿多种聚合物或低聚物组分的网络、其中组分中的至少一种包含共价附接的ASM(或AIM)部分。
在其他实施例中，在聚合物的制备中将适当衍生化的RAM作为单体或共聚单体掺入。该方法的示例为双官能蒽醌衍生物与二异氰酸酯的反应：
普通技术人员将认识到可将反应物的各种组合用于制备在本发明范围内的一系列具有所需特性的聚合物。
对于其中将ASM(或AIM)捕获在基质内但非共价附接到基质的那些实施例，可通过物理或化学手段将ASM(或AIM)结合到到基质中。此类手段包括例如通常通过添加粘结剂或随后进行熔化和固化而混合或配混ASM(或AIM)的固体形式与预先形成的基质材料。作为另外一种选择，可将ASM(或AIM)作为溶液、胶态分散体或悬浮液加入基质前体的溶液。前体转化成固体基质随后在分子水平上均匀地固定ASM(或AIM)，例如，作为离散的聚集体或作为不同的物理域。
在一些实施例中，本发明的基质材料包含共价附接到机械上和化学上稳定的基质材料的ASM。在一些实施例中，本发明的基质材料包含非共价捕获在机械上和化学上稳定的基质材料内的ASM。在一些实施例中，将基质材料附接到基底表面。在其他实施例中，基质材料单独地用作电极(即，不存在单独的基底)。在许多实施例中，基质材料为导电基底上的表面涂层(由溶胶-凝胶或其他聚合物材料构成)的形式，它们一起形成WE(或AIE的IWE)。就WE而言，该实施例中的基质材料起到以下作用：使ASM附接到固体结构(导电基底)、使分析物样品无阻碍地接近ASM，并提供ASM与导电基底之间的有效电连接。在一些实施例中，基质材料含有不止一种ASM，它们在感测分析物所处的电位方面彼此不同。该多ASM系统的优点是与在相同测量中所取的多个数据点相关的精确度和准确度更高。该多ASM系统的另一个优点是它能够维持对分析物浓度的准确感测，即使测试样品的某些组分干扰ASM之一的正常响应。
在一些实施例中，本发明提供含有ASM和AIM两者的基质材料(溶胶-凝胶或聚合物材料)。该系统的理论优点在于系统中可以不需要单独的参比电极，因为来源于AIM的信号被用于参比点(参见PCT公布No.2005/085825)。与上文刚描述的WE一样，在该电极的一些实施例中，基质材料含有一种或多种ASM以及一种或多种AIM。
另外，在一些实施例中，本发明提供一种基质材料(例如，溶胶-凝胶或其他聚合物材料)，所述基质材料含有处于合适电环境下的一种或多种AIM和/或一种或多种ASM，以使得所得的电极起到AIE的IWE的作用。
合适的ASM材料可以包括例如但不限于：对pH敏感的ASM：蒽醌(AQ)、菲醌(PAQ)、N,N’-二苯基对苯二胺(DPPD)、蒽、萘醌、对苯醌、含有重氮基的化合物、卟啉、烟酰胺(包括NADH、NAD+和N-甲基烟酰胺)、醌硫醇、单季铵化N-烷基-4,4’-联吡啶鎓、RuO和Ni(OH)2、二茂铁羧酸盐以及那些化合物的衍生物；对CO敏感的ASM：二茂铁基亚铁氮杂环丁烯二硫化物；铁卟啉；对碱金属阳离子敏感的ASM：1,1’-(1,4,10,13-四氧杂-7,1-二氮杂环十八烷-7,16-二基二甲基)、二茂铁基硫醇、含有共价附接的穴状配体的其他二茂铁衍生物以及具有Fe2+/Fe3+、Co2+/Co3+、Cu+/Cu2+的某些金属络合物。合适的ASM例如在Hammond et al.,J.Chem.Soc.Perkin.Trans.707(1983)(Hammond等人，《英国化学会志：柏尔金汇刊》，第707页，1983年)；Medina et al.,J.Chem.Soc.Chem.Commun.290(1991)(Medina等人，《英国化学会志：化学通讯》，第290页，1991年)；Shu and Wrighton,J.Phys.Chem.92,5221(1988)(Shu和Wrighton，《物理化学杂志》，第92期，第5221页，1988年)以及PCT公布No.2010/111531中有所描述，这些参考文献的每一者均以引用方式并入本文。示例性例子包括上述二茂铁基亚铁氮杂环丁烯和二茂铁基穴状配体，其中将通常在化学上不敏感的氧化还原中心(二茂铁)以使得其氧化还原电位化学敏感的方式共价连接到化学识别位点。还合适的是传感器和参比官能团共价连接的分子或聚合物，诸如1-氢-1’-(6(吡咯-1-基)己基-4,4’-联吡啶鎓双(六氟磷酸盐)，如以引用方式并入本文的Shu and Wrighton,J.Phys.Chem.92,5221(1988)(Shu和Wrighton，《物理化学杂志》，第92期，第5221页，1988年)中所述。另外，染料工业已开发了多种多样的取代蒽醌。从中流传下来的许多化合物表现出适用于本发明的氧化还原活性。例如但不限于的是单、二或多羟基取代的AQ；单、二或多氨基取代的AQ；乙二醇或聚乙二醇改性的AQ等。技术人员将认识到通过适当筛选和进一步官能化可得到适用于本发明的另外ASM的许多选择。
在一些实施例中，WE包含两种或更多种对相同的分析物物质敏感的ASM，对所述ASM进行选择以便提供比通过单一ASM所提供的更敏感的测量，而最小化引入另外重叠峰的可能性，而所述重叠峰必须加以分辨以测定分析物浓度。在该实施例的一些例子中，WE同时包含菲醌(PAQ)和蒽醌(AQ)。在其他实施例中，WE包含两种或更多种对相同的分析物物质敏感的ASM，ASM的选择应确保并非它们所有都同样地易受可存在于测试样品中的潜在干扰物质(尤其是氧化还原电对)的影响。例如，诸如苯扎氯铵(一种季铵氯化物)的其他化合物可不利地干扰ASM，诸如AQ和PAQ。不易受这种干扰影响的ASM可以是例如具有一个或多个在空间上或离子上阻碍干扰物质接近的官能团的衍生物。在任何情况下，均可以将ASM共价附接到提供这种阻碍的如本文所述的基质材料或非共价捕获在所述基质材料内。在其他实施例中，WE还可以包含AIM作为内标，如上所述。再者，在一些实施例中，WE包含两种或更多种ASM，各ASM经选择以对不同的分析物物质敏感。
在一个方面，本发明提供基质材料和相应的电极、探头、pH计以及其他分析物感测装置，其中将ASM(和/或AIM)共价附接到使用溶胶-凝胶方法由硅烷改性的ASM(和/或AIM)前体和烷氧基硅烷制备的基质材料或非共价捕获在所述基质材料内。溶胶-凝胶加工是在材料科学中经常使用的技术，它使胶体溶液(溶胶)转变成整合的网络基质材料(凝胶)(参见以引用方式并入本文的Sol Gel Science:The Physics and Chemistry of Sol-GelProcessing,C.J.Brinker and G.W.Scherer,Academic Press,1990(溶胶凝胶科学：溶胶-凝胶加工的物理学和化学，C.J.Brinker和G.W.Scherer，学术出版社，1990年))。所得的基质材料通常表现出陶瓷和玻璃的某些特征，以及在pH传感器中所需的pH响应性功能性(在氧化还原活性材料是选择用于在pH传感器中使用的WE的ASM的情况下)。这些基质的制备可涉及本发明的以下示例性化合物、组合物和方法。
在第一步中，合成具有下式(I)的通式结构的硅烷前体或其盐、水合物和/或溶剂化物：
其中：至少两个并通常所有三个R1、R2和R3独立地为烷氧基或芳氧基，并且如果只有两个为烷氧基或芳氧基，则第三个可以为烷基或芳基；X1为-O-或化学键；L为连接基；Y1为连接基团。合适的连接基团包括但不限于-CO2H、卤素、-OH、-NHR4、-SO2H、-R5CO、-P(O)(OR6)(OH)、-N3或-CN，其中R4、R5和R6独立地为氢、烷基或芳基。硅烷改性的ASM前体的组成(包括-L-键合的性质)决定了所得到的电极和包括所述电极的传感器的电化学响应、寿命和耐化学性。
通常，X1可以是能够与硅形成共价键的任何种类的化学官能团，并且许多此类官能团是本领域技术人员已知的(参见例如以引用方式并入本文的Sol-Gel Science forCeramic Materials,S.K.Young,in Material Matters,Vol.1,No.3,pp 8-10,Sigma-Aldrich,2006(陶瓷材料的溶胶-凝胶科学，S.K.Young，《材料重要性》，第1卷，第3号，第8-10页，西格玛奥德里奇公司，2006年))。在一些实施例中，X1只是化学键。连接到X1的是式Y1—L的连接部分，其中L是连接基并且Y1是连接基团。如本领域技术人员在考虑本公开时将认识到，连接基L和连接基团Y1的性质存在巨大的变化。连接基L可以是亲水性或疏水性的、长的或短的、刚性的、半刚性的或柔性的。
由适用于将诸如Y1的连接基团与硅基团隔开的稳定键构成的多种多样的连接基L是本领域中已知的，并以举例而非限制性的方式包括烷基、芳基、芳基烷基、多环芳基、酯、醚、聚合醚等。因此，连接基L可以包含单键、双键、三键或芳族碳-碳键等。另外，L的替代实施例包括影响ASM的空间构型的支化结构，所述空间构型包括取向、与溶胶凝胶网络的距离、键合的柔性和/或电子转移效率。在一些实施例中，L是共轭体系或多个共轭体系。
在考虑本公开时，选择合适的连接基将在本领域技术人员的能力范围内。例如，如果需要刚性连接基，则L可以是刚性的多不饱和烷基或芳基、联芳基等。如果需要柔性连接基，则L可以是柔性饱和链烷基。亲水性连接基可以是例如多羟基化合物(多元醇)，诸如聚(乙烯醇)及其衍生物；或聚醚，诸如聚亚烷基二醇。疏水性连接基可以是例如烷基或芳基。
L的替代实施例包括烷基、芳基、烯丙基、醚、酯、烷氧基、酰胺、磺酰胺以及其他键合，所述其他键合包括杂环、线性、环状、无环或混合的共轭键合。连接基团Y1应当能够介导与ASM的互补反应性官能团形成共价键，以提供本发明的分离的硅烷改性的ASM前体。因此，连接基团Y1可以是在考虑本公开时由本领域技术人员已知适用于此类目的的任何反应性官能团。Y1可以是例如光化学活化的基团、电化学活化的基团、自由基供体、自由基受体、亲核基团或亲电基团。然而，本领域的技术人员将认识到，可以使在某些反应条件下通常无反应性的多种官能团活化变成反应性的。可被活化变成反应性的基团包括例如醇、羧酸，包括其盐。
因此，在一些实施例中，Y1为-CO2H、卤素、-OH、-NHR4、-SO2H、-R5CO、-P(O)(OR6)(OH)、-N3、-CN、醛、硫醇、烯烃或炔烃。
Y1—L的一些实施例包括例如其中L为—(CH2)n—，n为1与8之间的整数，Y1为CO2H、卤素、-OH、-NHR4、-SO2H、-R5CO、-P(O)(OR6)(OH)、-N3或-CN的化合物。在一些实施例中，Y1为-CO2H、卤素、-OH、-NHR4或-N3。在一些实施例中，L为–(C2H2)n-，其中n为1与24之间的整数。
在一些实施例中，R1、R2和R3独立地为烷氧基，L为-(CH2)n，X1为化学键，Y1为-CO2H、卤素、-OH、-NHR4或-N3并且n为2与6之间的整数。在其他实施例中，硅烷前体具有式(II)的结构：
在另外其他实施例中，硅烷前体具有式(III)的结构：
多种常规方法可用于制备上述硅烷前体并在技术人员的知识范围内。例如，将甲硅烷基氯化物(即Cl-SiR1R2R3)用Y1L-M或Y1-L-O-M(其中M为金属)进行亲核置换可提供上述硅烷前体。
在用于其中将RAM共价附接到基质材料的那些实施例的第二步中，将ASM(或AIM)基团共价附接到硅烷前体，以提供如下所示的式(IV)的本发明的ASM(或AIM)硅烷前体(ASM1在本文也被表示为ASM1)：
其中：至少两个并通常所有三个R1、R2和R3独立地为烷氧基或芳氧基，并且如果只有两个为烷氧基或芳氧基，则第三个可以为烷基或芳基；X1为-O-或化学键；L为连接基；Y1'为连接基团。合适的连接基团包括但不限于-CO2NR4-、-O-、-NR4CO-、-SO2-、-R5CO-、-P(O)(OR6)O-、-CO2-、-O2C-、-NR4O2-、-O2CNR4、-N＝N-或化学键，其中R4、R5和R6独立地为氢、烷基或芳基。式IV中的ASM1为对分析物敏感的材料(或对分析物不敏感的材料，或任一者的衍生物)。一般来讲，ASM1被视为ASM(或AIM)的衍生物，因为在式IV的结构中，它由于与Y1或(当Y1为化学键时)L形成共价键所必需的失去氢原子而与相应的ASM(或AIM)不同。在一些实施例中，R1、R2和R3独立地为烷氧基；L为-(CH2)n，X1为化学键；Y1'为-CO2NH或-O-或-NHR4；并且n为2与6之间的整数。
在一些实施例中，ASM1选自式V、VI、VII或VIII：
在其他实施例中，ASM1衍生自选自式IX、X、XI、XII、XIII、XIV、XV和XVI的ASM：
其中R20、R21、R22、R23、R24、R25、R26、R27、R28、R29、R30、R31、R32和R33独立地为氢、-CO2H、卤素、-OH、-NHR4、-SO2H、-R5CO、-P(O)(OR6)(OH)、-N3、-CN、烷基、芳基或烷氧基，前提是至少一个取代基为-CO2H、卤素、-OH、-NHR4、-SO2H、-R5CO、-P(O)(OR6)(OH)、N3或-CN。
在一些实施例中，本发明的ASM硅烷前体具有式XVII的结构：
为了清楚起见，前述结构中的CON是连接至N的羰基(因此N具有在所述结构中没有示出的附接到其上的氢)。在其他实施例中，本发明的ASM硅烷前体具有式XVIII的结构：
另外，在其他实施例中，本发明的ASM硅烷前体具有式XIX的结构：
通常，可以使用有机合成的常规方法由式(I)的硅烷前体和适当官能化的ASM组装式(IV)的ASM硅烷前体。这些方法包括例如酯、酰胺和磺酰胺缩合、烷基化、1-3偶极环加成，以及式(I)的互补官能化化合物与ASM之间的碳烯、氮烯和自由基加成。因此，本发明还提供新的化合物，其为适用于此类合成方法的互补官能化ASM。
在用于其中将RAM共价附接到基质材料的那些实施例的第三步中，制备了一种溶胶，其包含ASM(或AIM)前体、聚原硅酸烷基酯或类似的多官能硅烷、溶剂、酸催化剂以及任选的其他添加剂。在这点上，ASM(或AIM)前体中的硅烷基团和聚原硅酸烷基酯或类似的多官能硅烷发生水解并经历交联，从而使溶胶转化成凝胶。所得的溶胶-凝胶在一定程度上是异质的，其包含液体和固体区，这些区的形态可以在不连续颗粒至具有变化孔隙率的连续结构的范围内。在该过程中，还将ASM(或AIM)并入交联的网络中，以形成本发明的基质，如在以下反应方案中所示：
术语“有机改性硅”代表“有机改性的二氧化硅/硅酸盐”。
在以上方案中，至少两个并通常所有三个R1、R2和R3独立地为烷氧基或芳氧基，并且如果只有两个为烷氧基或芳氧基，则第三个可以为烷基或芳基。这些部分的每一个可独立地加以选择。因此，如果式IV中的R1为甲氧基，则式XX中的R1可以是芳氧基或另一个烷氧基，并且如果式XX中的R2和R3为烷氧基或芳氧基，则式XX中的R1可以是烷基或芳基，即使式IV中的R1为甲氧基时也是如此。通常，在式I、式IV和式XX的化合物中，至少两个并通常所有三个R1、R2和R3独立地为甲氧基或乙氧基。在形成溶胶-凝胶之后，将这种材料的涂层(其仍处于液体形式)施加到制得的导电基底上。最后，在受控的热处理条件(尤其是温度、压力和时间)下除去溶剂，这产生ASM共价键合到基质材料并在整个基质材料中分散的稳定结构，基质材料基本上与导电基底接触，从而形成本发明的电极。因此，基质是本发明的工作电极的对分析物(例如pH)敏感的表面，或本身形成为电极(在没有采用导电基底但基质材料本身是导电的那些实施例中)。如果将AIM用作ASM1，则基质用作AIE的IWE的活性表面或本身形成为电极(在没有采用导电基底但基质材料本身是导电的那些实施例中)。
本领域的技术人员将认识到，可以使用这些方法来产生含有一种或多种ASM、一种或多种AIM以及一种或多种ASM和/或一种或多种AIM的组合的传感器。此类组合可提供随分析物本性和浓度而改变的另外的响应信号，和/或基本上不随分析物本性和浓度而变化的参比信号。因此，此类组合在本发明的范围内。
在一些实施例中，溶胶-凝胶基质材料包含单一ASM(或单一AIM)。例如，单一ASMpH WE的一些实施例包含其中ASM选自2-羧基AQ、2-N-BOC乙二胺AQ、5,12-并四苯醌、1-乙酰基酰胺基AQ、2-羰酰胺基AQ以及3-羰酰胺基PAQ的化合物的溶胶-凝胶基质材料。在其他实施例中，单一ASM WE包含其中ASM为2-(β-萘酚)甲基蒽醌的溶胶-凝胶基质材料。如上所述，可出于本发明的目的确定在衍生化或无衍生化的情况下使用的其他合适的ASM。
在其他实施例中，本发明的溶胶-凝胶基质材料包含至少两种或更多种ASM(或ASM和AIM)化合物。因此，本发明的一些实施例包含具有至少一种ASM的溶胶-凝胶基质材料，并任选地包含一种或多种另外的ASM和/或一种或多种AIM。ASM和AIM均包括通过明确定义的循环伏安法表现出可逆氧化还原活性的氧化还原活性材料。
本发明的一些实施例还可以包括添加有AIM组分的溶胶-凝胶基质材料，所述AIM组分具有基本上对引入传感器的化学介质不敏感的氧化还原电位。此类AIM可包括例如但不限于选自以下的AIM：二茂铁、正丁基二茂铁、K4Fe(CN)6、聚乙烯基二茂铁、六氰铁酸镍、二茂铁聚合物和共聚物(包括二茂铁苯乙烯共聚物和二茂铁苯乙烯交联共聚物)、镍环拉胺(nickel cyclam)等。此外，非限制性例子包括二茂铁基硫醇、聚乙烯基二茂铁、紫精、聚紫精和聚噻吩。其他实施例包括含有通常在化学上敏感的材料的AIM，所述材料是化学上分离的，但与化学介质或分析物样品电接触。
在其他实施例中，将AIM(诸如取代的二茂铁，诸如下文如式XXI所示的)共价附接到使用溶胶-凝胶方法由硅烷改性的AIM前体和烷氧基硅烷制备的基质材料。
该AIM前体和特征在于替代性连接基团的类似AIM前体是本发明的化合物，其可用作共价附接到基于本发明溶胶-凝胶化学方法的基质材料的AIM的基础。AIM前体可用于与ASM前体的掺合物，以形成产生对分析物敏感的信号和对分析物不敏感的信号的电极。作为另外一种选择，可将AIM前体用于形成离散的结构(AIE)，其生成单一的、对分析物不敏感的信号，该信号可与通过共定位的WE产生的对分析物敏感的信号一起使用。
在本发明的其他方面，将单一ASM、多种ASM、AIM和/或多种AIM的组合共价附接到使用溶胶-凝胶方法由烷氧基硅烷和硅烷改性的ASM(或AIM)前体制备的基质材料，或共价附接到由任选交联的聚合物制备的基质材料，或非共价捕获在由烷氧基硅烷、聚合物或交联聚合物制备的基质材料内。
在一些实施例中，通过将多层含有ASM(或AIM)的溶胶-凝胶基质材料或聚合物基质材料施加到WE(或AIE)基底来增加WE上的ASM(或WE上的AIM或AIE上的IWE)的浓度。根据本发明，普通技术人员可以控制置于基底上的基质材料中所含的ASM(或AIM)的量，从而允许制造具有适于给定应用的大小和形状的WE(或AIE)以及包括它们的探头，以实现本发明的另外有益效果。
在一些实施例中，WE包含以足够的量存在以产生在1与500微安之间的pH依赖性信号的ASM。在一些实施例中，对WE的大小和形状进行选择以便最小化WE、RE和CE(或WE、AIE和CE)之中的有害电化学作用，而维持足以允许使用者从背景噪音中分辨出分析物依赖性信号的WE性能，同时维持信号质量。
本发明的WE(和AIE)可被构造成可从探头中移除，从而允许它们根据所需的设计和功能而易于互换或替代。如上所讨论，可以配置和编程本发明的WE以替代传统pH计中的传统玻璃探头和/或产生信号，所述信号通过电线或经由不需要电线的电磁装置传输到读出装置。
本发明的一些实施例还提供具有一个或多个WE的改进的分析物传感器，每个WE包含一种或多种ASM，所述ASM被捕集在溶胶-凝胶或其他聚合基质材料内并设置在基底上且与所述基底电连接。
在一些方面，WE包含作为ASM的AQ衍生物。在其他方面，本发明提供包含作为ASM的菲醌(PAQ)或其衍生物的WE。另外，在其他方面，本发明提供包含作为ASM的邻苯醌(OQ)或其衍生物的WE。再者，在其他方面，本发明提供包含作为ASM的N,N-二苯基对苯二胺(DPPD)或其衍生物的WE。
在一些方面，本发明提供包含作为ASM的蒽(AC)或其衍生物的电极。在其他方面，本发明提供包含作为ASM的萘醌(NQ)或其衍生物的电极。另外，在其他方面，本发明提供包含作为ASM的对苯醌(PQ)或其衍生物的电极。
鉴于本公开，本领域的技术人员将认识到，一般来讲，在本文中涉及ASM的许多教导可同样适用于AIM。
多种基底材料适用于在其中采用基底的本发明的WE和AIE。这些基底材料包括但不限于碳、碳同素异形体及其衍生物、各种基于碳的材料、过渡金属、贵金属(诸如金和铂)、导电金属合金、各种导电聚合物和共聚物及其配混物和衍生物、聚合物共混物和聚合物复合物、半导体材料(诸如硅及其衍生物，包括掺杂的硅和掺杂的半导体材料)、任何这些材料的混合物或复合物，以及本领域技术人员已知的另外的合适材料。
在一些方面，基底是碳或包含碳。多种碳基底适于用作本发明电极中的基底材料，包括但不限于碳同素异形体(诸如热解石墨、石墨、无定形碳、碳黑、单或多壁碳纳米管、石墨烯、玻璃碳、硼掺杂的金刚石)、热解光致抗蚀膜以及本领域中已知的其他碳基底。另外，所有上述碳同素异形体均可以粉末形式分散在合适的粘结剂中，或在基底表面上原位形成。此类粘结剂包括有机或无机聚合物以及粘合材料。在一些实施例中，基底是石墨粉末而粘结剂是环氧树脂。在其他实施例中，基底是石墨棒。在其他实施例中，基底是碳纤维复合物。在其他实施例中，基底是石墨填充的聚合物，其示例为但不限于聚苯硫醚。在其他实施例中，基底包括用一种或多种碳同素异形体配制的油墨的表面涂层。在其他实施例中，基底包括用一种或多种金属配制的油墨的表面涂层，所述金属的示例为银、金和铂。在其他实施例中，基底为离聚物(其示例为杜邦公司(DuPont Co.)销售的Nafion)。在其他实施例中，基底是包含碳同素异形体粒子、碳纳米管、碳纳米丝、石墨、金属或其他用于增强基质物理和电性质的相容试剂的分散体的离聚物，所述性质包括但不限于有助于从RAM传输电信号。
因此，在一些实施例中，基底包含含有石墨和粘结剂(诸如环氧树脂)的复合材料。在一些实施例中，基底包含含有碳纤维和一种或多种粘结剂的复合材料。在一些实施例中，基底包含导电聚合物，诸如聚苯胺、聚吡咯或各种碳同素异形体填充的聚合物，其中聚合物组分可包括但不限于：聚苯硫醚、聚烯烃、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯、聚砜、聚醚砜、各种乙烯基聚合物、纤维素、聚(氨基酸)、它们的衍生物、它们的共聚物、它们的共混物及它们的复合物。在一些实施例中，基底包含表面经过以下方式处理的材料：电晕放电、电子束、γ辐照、等离子体，以及通过生成离子或自由基而产生活化表面的其他形式的辐照。任选地，可对这种活化表面进行进一步的改性以使得能够附接ASM(或AIM)衍生物或含有共价附接的或非共价捕获的ASM(或AIM)部分的基质材料。
在本发明的一些方面，在施加含有ASM(或AIM)的溶胶-凝胶或聚合基质材料之前，对基底的表面进行清洁或以其他方式进行“准备”。用于石墨/环氧树脂基底和其他基底的合适方法包括但不限于对可以形成为插塞的基底的表面进行磨砂和/或抛光，接着在基底表面上导入压缩空气或其他气体流，并任选地在合适的溶剂中进行超声处理以移去由磨砂或磨光所产生的粒子。作为另外一种选择并任选地，可以用各种溶剂、碱和/或酸，接着通过熟练专业人员所熟知的方式彻底除去这些清洁剂而清洁基底表面。选择性应用于与处理条件和化学品相容的基底的这些方法用来在附接含有ASM(或AIM)的基质材料之前去除表面的污染，从而改善将基质材料附接到基底的安全性和传感器的可用寿命。
基底充当整装实体，其用作溶胶-凝胶或聚合基质材料内的一种或多种ASM(或AIM)与电缆(诸如电线)之间的物理和电桥接单元。基底的物理功能是为ASM(或AIM)溶胶-凝胶或聚合基质材料提供支撑，以使得可以安全并方便地以探头或功能上等同的组合件的形式使电极与所关注的样品(通常是液体)直接接触。因此，基底和基质材料允许ASM(或AIM)与所关注的样品相互作用。基底的电功能是从电缆传播载流子(诸如电子)至ASM(或AIM)，以使得能够引起氧化还原反应。在一些实施例中，将基底材料选择为对将要分析的样品的预期环境在化学上是惰性的并且能够以最小的损失传导电流。
如上所讨论，本发明的几乎所有实施例均为包括反电极(CE)的探头。在操作中，CE用作电子源或库，从而穿过分析物样品将电流输送到pH探头内的其他电极。
合适的CE在本领域是已知的。参见例如以上的Bard和Faulkner的文献。为了避免在CE处发生可干扰在WE处所测得的信号的不期望的电化学氧化还原过程，CE通常由相对化学惰性的材料制成，通常为不锈钢、碳(例如，石墨)或铂。
在一些实施例中，如下文实例中所示，CE为基于石墨或碳的棒。在其他实施例中，CE为碳纤维管。另外，在一些实施例中，CE为另一种导电材料，如本领域所已知。
多种参考文献描述了CE:WE表面积比对传感器性能的重要性。在本发明的多种实施例中，对暴露于分析物样品的CE的表面积进行选择，以便最小化或消除会对依赖于分析物的信号质量和寿命造成不利影响的电极内电化学作用，如本文所述。在一些实施例中，CE表面积对WE表面积的比为约1:0.5至约1:20。
在一些实施例中，CE包含导电碳纤维或不锈钢管，其具有用于容纳pH传感器的各种其他组件的中空内腔。将碳纤维或不锈钢管与前置放大器模块电耦合，从而经由CE对样品溶液施加电压。本领域的技术人员将认识到，除了提供电化学电池驱动电位之外，导电的、低阻抗CE还用作电磁屏蔽以保护被容纳在CE内的组件(尤其是高阻抗RE)不受外部电磁干扰。在一些实施例中，实施同轴构造，其中CE的外部位置为RE和WE提供电磁屏蔽，这些电极同心或近似同心地设置在CE内。本领域的技术人员将进一步认识到，CE的屏蔽功能不依赖于RE和WE的同心设置。相反，本领域的技术人员将认识到可以相对于CE的外部位置在内部改变RE和WE的确切位置，并仍能受到如上所讨论的屏蔽保护。
关于产生体现某些所需属性的WE的本发明的原理和方法可应用于电极、探头、传感器组合件、分析物测量装置、测量计和系统以及仪器的各种设计。这些布置的每一者都将受益于本发明的电极超越常规电极系统(具体地讲，基于玻璃探头特别是玻璃pH探头的那些)的优点。
在考虑本公开时，本领域的技术人员将认识到存在许多实施和实现由本发明的各个方面和实施例提供的许多有益效果和优点的替代方式。因此，本发明的实施例被视为示例性的而非限制性的，并且本发明不限于本文给出的细节，但可以在所附权利要求书的范围和等同形式内进行修改。本文所引用的所有出版物和专利均以引用方式整体并入本文。提供下列实例仅出于示意性目的，而不限制本发明的范围。
实例
实例1：蒽醌-聚(乙烯醇)缀合物(AQ-PVA)以及由其得到的工作电极
首先使用图10所示的程序用AQ对聚乙烯醇PVA)进行官能化。
将PVA(0.53g，阿法埃莎公司(Alfa Aesar)，86-89％水解，低分子量)加入容纳有蛋形搅拌棒的干燥三颈圆底烧瓶。将烧瓶用氩气吹扫，并且所有后续步骤均在氩气下进行。将无水DMSO(25mL，奥德里奇公司(Aldrich))通过注射器加入。对混合物进行搅拌并在50℃下加热30分钟以溶解PVA。将溶液冷却到室温，使用1mL注射器经约30秒将正丁基锂(1.0mL，1.6M的己烷溶液，奥德里奇公司(Aldrich))加入。将顶部表面形成的凝胶通过快速搅拌并再添加10mL DMSO而破碎。在1小时连续搅拌后，反应混合物的外观均匀。将2-溴甲基蒽醌(0.5g，奥德里奇公司(Aldrich))作为固体一次性加入，溶液变成墨绿色且不透明。将混合物搅拌12小时，变成深色、均匀溶液。将溶液倒入1000mL锥形瓶中迅速搅拌的1,4-二烷(350mL，奥德里奇公司(Aldrich))。最初，二烷溶液为棕色和均匀的，但在搅拌3小时后，溶液颜色变浅成黄色，并形成棕色固体。
通过使用玻璃料(10-20微米)进行真空过滤而收集棕色固体。将过滤器中的固体用多个50mL为一部分的1,4-二烷洗涤四次，直到滤液无色。在过滤器上作为棕色粉末得到了约700mg干燥的AQ-PVA粉末。将聚合物保存在室温下在暗处的加盖玻璃小瓶中。
通过以下方式制备了涂布AQ-PVA的碳纤维电极：将聚合物溶于二甲基乙酰胺(50℃，6mg/mL的最终浓度)，将2微升的等分试样沉积在清洁后的碳纤维基底表面上，然后在100℃下将电极加热1小时。在pH值为2、4、7、10和12的五种缓冲溶液中使用标准方波伏安法对电极进行了测试。结果在图11中示出，其中测量了随电位E(单位为V)而变化的电流I(单位为A)。
电流达到最大值时所处的电位与分析物的pH值线性相关，如图12所示。该关系是本文所述的AQ-PVA的化学性质所特有的。
实例2：嵌入聚(乙烯醇)(PVA)基质中的2-甲基蒽醌以及由其得到的工作电极
该实例示出了可选择将RAM嵌入聚合物基质，其中RAM不共价键合到该基质。2-甲基蒽醌是用于实例1的2-溴甲基AQ的结构上类似的类似物。
在DMSO中配制PVA(6mg/mL，阿法埃莎公司(Alfa Aesar)，低分子量，86-89％水解)、甲苯-2,4-二异氰酸酯(TDI)(0.034M,Aldrich T39853)和2-甲基蒽醌(0.233M)的溶液。2-甲基蒽醌在搅拌下加热到50℃后溶解。通过将1mL聚合物溶液转移到玻璃小瓶并添加50μL TDI溶液和10μL 2-甲基蒽醌而对材料进行混合。将2μL充分混合的溶液液滴置于制备好的碳纤维基底的顶端。将该工作电极加热到100℃维持1小时。
使用标准缓冲剂溶液通过该工作电极进行了方波伏安法测试。采用pH7的缓冲剂，在-536mV处观察到了AQ特有的电流峰，信号强度为4.2μA。该信号在17小时的过程中减小了约三分之一。通过比较，用实例1中所述的AQ-PVA聚合物制备的工作电极在-504mV和21μA处表现出峰，在17小时中无明显的衰减。这些结果表明，虽然可以将RAM非共价地嵌入到基质，并可能通过工艺改进而实现渐进式改善，但是更好的性能可更容易地通过共价附接类似的RAM来实现。
实例3：包含多孔玻璃料作为分析物与参比溶液之间的屏障的AIE参比电极
制作了AIE参比电极，如图13所示。AIE参比电极包括多种组件，即内部工作电极(IWE)，其包括连接到稳压器(Metrohm Autolab PGSTAT12)的工作电极(WE)；填充盒的参比溶液(即，盒用含有作为添加剂的羟乙基纤维素(西格玛奥德里奇(Sigma Aldrich)部件号434973)和KCl(西格玛奥德里奇(Sigma Aldrich)部件号P3911)的pH 7缓冲剂(VWR部件号BDH5056)填充)；伪参比电极，其包括位于IWE附近并浸入参比溶液的银丝；玻璃料，其提供与分析物溶液的电接触而限制参比溶液与分析物之间的质量转移(即，Porex POR-4902，0.25英寸厚，15-45微米标称孔径)。
基于PCT公布No.2010/111531中所述的设计进一步制作了CE和EWE传感器。CE包括碳纤维套管。EWE等同于PCT公布No.2010/111531中所述的WE。IWE和EWE的构造相似，如下所述，但是可以在或可以不在所用的分析物感测材料(ASM)方面存在差异。
本发明的工作电极包括被聚合物外皮围绕的官能化含碳基底。对于下文所提供的示例性实例，碳纤维基底被同心地包封在聚醚醚酮(PEEK)中。切掉碳纤维基底的末端并抛光，以准备用于化学处理。将ASM附接到含碳基底的化学处理溶液的制备如下：将1.5mL 0.3重量％的蒽醌与3-氨基丙基三甲氧基硅烷加合物(AQ-APTOS)在二氯甲烷中的溶液加入3.5mL乙醇、250mL去离子水、1.05mL原硅酸四乙酯(TEOS)和200mL 0.1N盐酸的混合物。将反应混合物在70℃加热1小时。然后将0.27g辛基三甲基溴化铵(OTAB)在6.5mL乙醇中的溶液加入反应混合物。继续再搅拌30分钟。使抛光的碳基底与该化学处理溶液短暂接触，然后在150℃下加热1小时。在冷却到环境温度后，WE即准备好可供使用。
将IWE维持在恒定pH环境中，而将EWE直接暴露于分析物溶液。对于下文所述的测试，将CE和EWE连接到稳压器。
使用多种外部分析物对AIE参比电极进行测试。例如，使用了多种商业缓冲剂溶液，即i)pH 2缓冲剂(VWR部件号BDH5012-20L)；ii)pH 4缓冲剂(VWR部件号BDH5028-20L)；iii)pH 7缓冲剂(VWR部件号BDH5056-20L)；和iv)pH 10缓冲剂(VWR部件号BDH5082-20L)。
在每种分析物溶液(pH 2、4、7和10，均在25℃下)中对稳压器进行了一系列测试，包括10个方波扫描。来自IWE的信号在图14中示出。
不论外部分析物pH如何，IWE均显示出-0.440V的峰值位置，其对应于pH 7。使用pH2缓冲剂作为外部分析物继续过夜测试表明IWE峰值位置在-0.440V处保持恒定。
实例4：结合了以下部分的伏安传感器盒的设计和操作：WE、CE和包含多孔玻璃料 作为分析物与参比溶液之间的屏障的AIE参比电极(具有IWE和PRE)
构造了具有图15所示的设计的装置用于pH测量。PRE包含银丝(阿法埃莎公司(Alfa Aesar)，部件号I08U016)；CE为碳纤维管(洛克外斯特组合物公司(RockWestComposites)，12mm外径)；AIE的IWE和WE(在图15中称为“外部工作电极”)是如上文所述而制作的工作电极。将不同的缓冲剂溶液用于装置中作为参比溶液。在操作中，将装置浸入分析物溶液达到淹没玻璃料的深度，在方波伏安法扫描过程中监测来自IWE和EWE的信号。
使用pH 2、pH 7和pH 10标准缓冲剂作为参比溶液并使用pH 2、pH 7和pH 10缓冲剂作为分析物溶液进行了以下测试。记录了IWE和EWE的与给定参比溶液相关的峰值位置。通过取参比溶液和缓冲剂溶液的峰值电位的差值确定分析物pH。这些测试的结果在图16-18的表格和曲线图中示出(PP表示峰值位置，单位为mV)。
这些结果表明，在各参比溶液(pH 2、pH 7和pH 10)中，IWE信号峰值位置在±2mV(对应于0.03个pH单位)内保持恒定，尽管分析物pH存在变化。IWE有效地表现出在宽pH范围内超越典型AIM(诸如二茂铁)的分析物不敏感性。同时，EWE表现出预期的与所用ASM相关的分析物敏感性。在本实例中，通过所有参比溶液均观察到了58mV/pH相关性。
可能的是在一个电流-电位扫描中对来自EWE和IWE的信号同时采样，只要参比溶液和分析物溶液的pH足够不同。如果它们的pH值相似，例如小于0.5-1.0个pH单位，则各个峰的检测可因信号处理伪影而受到不利影响。因此，在由本发明提供的用于测量pH的方法的一些实施例中，对参比溶液进行选择，其pH值据估计与预期分析物溶液pH相差约2个pH单位。图19所示的曲线图和图表显示了通过包含pH 1缓冲剂的参比溶液以及包含一系列pH 5至pH 12缓冲剂溶液的分析物进行的测试的结果。
参照图19所示的结果，IWE峰值位置在2mV内保持恒定，而EWE正确地指明pH 5至pH12的分析物溶液pH。
概括地说，本发明在一个方面提供一种基于ASM技术的pH探头，这种技术未采用通常用于商业电位pH电极的常规参比电极。这里展示的测试结果表明本发明提供了一种无需使用者校准的pH传感器。这里展示的测试结果还表明本发明的AIE在pH 2至pH 12的整个pH范围内稳定。
如果使用双重检测电路同时测量来自EWE和IWE的信号或通过单一检测电路复EWE和IWE信号，则可避免针对不同的分析物溶液使用不同的参比溶液。以此方式，来自EWE和IWE的信号作为非重叠峰而检测，这些峰的位置可准确地加以测量，从而使得甚至峰值位置的微小差异也可得到可靠的分辨。此外，可使用“通用”参比溶液覆盖全范围的分析物pH值。因此可优化该参比溶液以与pH探头中的传感器组件和其他构造材料在化学上和电化学上相容。
实例5：具有湿-干可逆性的AIE参比电极
使用Nafion复合膜替代玻璃料构造了如实例3中所述的AIE参比电极。通过使Nafion 117溶液吸入微孔聚醚砜膜(默克密理博(EMD Millipore)，0.45μm标称孔径)中然后在100℃下热处理1小时而制备了Nafion复合膜。将所得的膜切开以贴合管的开口端并机械密封。将管的内部填充含有羟甲基纤维素的3M KCl溶液，并将氯化的银丝浸入该增稠溶液中。使用根据实例3中的程序制造的WE以及作为CE的碳纤维管测试了完成的AIE参比电极。通过pH 2、7和12BDH缓冲剂溶液进行了测试。在开始测试前，将RE在干燥条件下保存过夜。依次在pH 2、7和12下进行测量，然后颠倒该顺序，在中间用去离子水漂洗。所有测试均在环境温度下进行。测量序列在约10分钟内发生。以1天为间隔进行另外的测试序列。在测试之间，使AIE参比电极在室内空气中干燥。图20A和20B中所示的结果表明在反复干燥后AIE参比电极仍完全运行正常。
实例6：包括WE、CE和湿-干可逆AIE参比电极的伏安电极
除了以下方面外如实例5中所述制作了AIE参比电极：使用市售Nafion膜，而不是Nafion/聚醚砜膜复合物。组装了如实例3所述的装置，以使用与EWE和CE接触的作为分析物的多种pH缓冲剂溶液进行测试。将银丝用作PRE。将pH 1缓冲剂溶液用作参比溶液。图21A-21C中提供的结果显示了来自IWE的非常恒定的信号，即使当分析物pH在4与12之间变化时也是如此。将分析物pH与[IWE–EWE]峰值电位差值之间的关系用于进一步计算未知分析物的pH。
该实例描述了结合以下优点的pH传感器系统：非玻璃电极的稳健性、与内部校准参比相关的稳定性以及因湿-干可逆性导致的使用便利性。
实例7：包括WE、CE和湿-干可逆AIE参比电极的伏安电极
如下所述构造了具有以下空间布置的一组包括WE、CE和AIE的传感器，以具有图8所示的构造。WE包括抛光碳纤维基底环，在其平坦表面上施加了ASM涂层。CE包括电镀销轴。AIE包括与实例5中所述的相似的Nafion复合膜。由交联的基于聚丙烯酰胺的聚合物、pH 7缓冲剂和甘油配制了恒定化学环境(CCE)凝胶。氯化的银丝形成了PRE。IWE包括抛光的平坦碳纤维基底，其上施加了ASM涂层。导线将这些传感器组件连接到信号处理电路。因此设计了集成的、成组的传感器以执行实例5中所述的装置的功能，但在具有明确限定的几何形状和纵横比的单一壳体中。
使用一系列pH 2.04至11.65的缓冲剂溶液对该组传感器进行了测试。交替地测量来自WE和IWE的信号，并根据缓冲剂溶液pH计算差值。这些测试的结果在图22中示出。
正如对AIE的预期，IWE信号保持恒定，尽管存在分析物pH的变化。pH与[IWE-WE]差值之间的关系几乎呈线性，如图23所示。因此，该组传感器允许直接测定未知分析物的pH。
在其他实施例中，如图9所示，使用刚性组件构造了该组传感器，包括含有在其中固定了CCE凝胶的多孔固体的恒定化学环境。该构造增加了传感器的稳健性。

Claims (23)

1.一种能够与移动或远程计算装置通信的伏安传感器，所述传感器包括：
工作电极，包括涂有包括交联的聚合物的基质材料的基底，其中所述聚合物被共价附接到作为对分析物敏感材料ASM或对分析物不敏感材料AIM的氧化还原活性材料，并且所述聚合物是从由以下项构成的组中选择的：多元醇、聚(乙烯醇)、聚砜、聚醚砜、聚酰胺、聚磺酰胺、聚酰亚胺、聚酯、乙烯基聚合物、聚苯硫醚、多糖、纤维素、任何前述项的共聚物或其组合；
参比电极；
反电极；
具有本地显示器和控件的用于伏安法和信号处理的固件和电子器件；以及
通信接口。
2.根据权利要求1所述的传感器，所述传感器通过导线或通过无线通信连接到所述移动或远程计算装置，所述移动或远程计算装置包括与所述传感器的接口兼容的通信接口并且显示或记录分析物浓度。
3.根据权利要求1所述的传感器，所述传感器为整装的、任选手持式的仪器的形式。
4.根据权利要求3所述的传感器，所述传感器包括任选地可拆卸的容纳工作电极、参比电极和反电极的盒，以及容纳电子电路、显示器和控制所述传感器操作的装置的头部单元。
5.一种与根据权利要求1所述的传感器结合使用的移动或远程计算装置，所述移动或远程计算装置包括通信接口、显示器、输入装置和图形用户界面。
6.一种与常规pH计一起使用的作为玻璃探头的通用替代品的伏安传感器，所述传感器是根据权利要求1所述的伏安传感器并且还包括模拟器，所述模拟器将表示由所述伏安传感器测得的pH值的电子信号输出转换成常规pH计可接受、处理和显示相同pH值的相应电位。
7.一种模拟器用于根据权利要求6所述的伏安传感器的用途，其中，所述模拟器为常规pH计的附件的形式。
8.一种常规pH计，所述常规pH计包括允许其与根据权利要求6所述的伏安传感器一起使用的模拟器。
9.一种能够与移动或远程计算装置通信的伏安传感器，所述传感器包括：包含交联的聚合物的基质材料，所述聚合物被共价附接到作为对分析物敏感材料ASM或对分析物不敏感材料AIM的氧化还原活性材料，并且所述聚合物是从由以下项构成的组中选择的：多元醇、聚(乙烯醇)、聚砜、聚醚砜、聚酰胺、聚磺酰胺、聚酰亚胺、聚酯、乙烯基聚合物、聚苯硫醚、多糖、纤维素、任何前述项的共聚物或其组合。
10.一种对分析物不敏感的电极AIE，包括：
(i)伪参比电极；
(ii)内部工作电极，所述内部工作电极包含涂有包括交联的聚合物的基质材料的基底，其中所述聚合物被共价附接到作为对分析物不敏感材料AIM的氧化还原活性材料，并且所述聚合物是从由以下项构成的组中选择的：多元醇、聚(乙烯醇)、聚砜、聚醚砜、聚酰胺、聚磺酰胺、聚酰亚胺、聚酯、乙烯基聚合物、聚苯硫醚、多糖、纤维素、任何前述项的共聚物或其组合；
(iii)与所述内部工作电极接触的恒定化学环境，所述恒定化学环境选自液体、半固体和固体；以及
(iv)与所述恒定化学环境接触的分析物屏障，所述分析物屏障为离聚物。
11.根据权利要求10所述的对分析物不敏感的电极 AIE，其中所述离聚物为基于磺化四氟乙烯的氟聚物共聚物。
12.根据权利要求10所述的对分析物不敏感的电极 AIE，其中所述离聚物由Nafion构成。
13.根据权利要求10所述的对分析物不敏感的电极 AIE，其中所述离聚物为两性离子聚合物。
14.根据权利要求10所述的对分析物不敏感的电极 AIE，其中所述分析物屏障为基本上防止对流的固体。
15.根据权利要求10所述的对分析物不敏感的电极 AIE，其中所述恒定化学环境为缓冲材料。
16.根据权利要求10所述的对分析物不敏感的电极 AIE，其中所述恒定化学环境包含缓冲剂溶液和以下至少一者：
(i)粘度增强剂；
(ii)胶凝剂。
17.根据权利要求10所述的对分析物不敏感的电极 AIE，其中所述恒定化学环境包含两性离子聚合物。
18.根据权利要求10所述的对分析物不敏感的电极 AIE，其中所述恒定化学环境包含被配制成与所述内部工作电极结合而赋予特定电位的离聚物。
19.根据权利要求10所述的对分析物不敏感的电极 AIE，其中所述恒定化学环境和所述分析物屏障中的一者或两者包含多孔加强基质。
20.根据权利要求10所述的对分析物不敏感的电极 AIE，其中所有功能性组分均为固态。
21.根据权利要求10所述的对分析物不敏感的电极 AIE，所述AIE能够湿-干可逆操作。
22.一种包括伏安电极的pH测量系统，所述伏安电极包括工作电极和根据权利要求10所述的AIE。
23.一种与常规pH计结合使用的伏安电极，所述电极包括：(i)根据权利要求22所述的伏安电极的组件；(ii)电子组件，所述电子组件将表示测得的pH值的电子信号输出转化成常规pH计能够接受、处理、显示以及任选地进一步与计算装置、仪器和控制系统通信的相应电位。
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