CN105319250A - 一种二氧化碳生化分析干片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二氧化碳生化分析干片及其制备方法，属于血气生化传感器技术领域，用于检测体液中的二氧化碳浓度。本发明干片包括：支撑层、绝缘层、盐桥、电极、参比层、碳酸根离子选择膜和缓冲层。制备金属/金属盐薄片电极，参比层附着于电极上，参比层中氯化钠和氯化钾配比及含水量恒定，固态参比层上依次附着碳酸根离子选择膜和缓冲层，制备二氧化碳选择电极，碳酸根离子选择膜使用羟基乙烯基树脂为粘结剂。本发明所制备的干片克服传统离子选择电极存在的操作复杂、使用和维护成本高、响应慢、不易携带等缺点，操作简单、响应速度快、体积小、且制备工序简单、生产成本低，适合工业化生产。

Description

一种二氧化碳生化分析干片及其制备方法

技术领域

本发明涉及血气生化传感器技术领域，特别是涉及一种二氧化碳生化分析干片及其制备方法。

背景技术

血液中的二氧化碳浓度是反映机体呼吸性酸、碱中毒的重要指标之一，有助于诊断和治疗因酸碱平衡紊乱引起的疾病，是医院不可缺少的检验项目之一。

临床检验医学中，有四种二氧化碳浓度测定原理，即基于离子选择电极、基于离子敏场效应管、基于气体对光谱选择性吸收原理和基于气体通透皮肤特性的测定等。其中，基于离子选择电极原理的测试应用的最广。

中国专利CN102156157A公开了一种全固态碳酸根离子选择性电极及其制备方法，但专利中的离子选择电极测试时需要与外接参比电极配对使用，使用方法复杂。中国专利CN103868965A公开了一种CO₂微电极及其制备方法，该专利是通过测试待测液中的氢离子浓度间接计算二氧化碳含量，过程相对复杂。

现有专利基本采用丝网印刷技术制备电极，但丝网印刷制得的金属层纯度不够，表面不均匀，会影响电势的稳定性和响应时间；现有固态离子选择电极中，均选用聚氯乙烯作为离子选择膜的高分子粘结剂（专利CN101852761A、CN104330449A、CN102636532A、CN101871912A、CN102558724A），聚氯乙烯具有较高的强度和化学稳定性，且价格便宜，但其必须添加增塑剂才能确保离子选择膜响应，随着时间的推移，增塑剂和溶解在其中的载体会一起从离子选择膜中渗漏出来，导致离子选择膜响应下限变差，寿命变短。

发明内容

针对现有二氧化碳选择电极存在的问题，本发明提供一种二氧化碳生化分析干片及其制备方法，所制备干片测量精度高，长期稳定性好，响应时间短，且结构简单、体积小，制备工艺简单、生产成本低，适合大批量生产。

本发明二氧化碳生化分析干片包括支撑层、绝缘层、盐桥、电极、参比层、碳酸根离子选择膜和缓冲层。制备工艺如下：（1）制备金属/金属盐薄片电极；（2）在电极上依次涂布配制好的参比层溶液、碳酸根离子选择膜溶液和缓冲层溶液并干燥制备二氧化碳选择电极；（3）在绝缘层上开导气孔，盐桥密封于绝缘层内；（4）将两片二氧化碳选择电极与支撑层、绝缘层粘接组装干片。

本发明中支撑层起保护、支撑二氧化碳选择电极作用，绝缘层起粘接电极、密封盐桥作用，盐桥起连通电极作用；绝缘层上开有导气孔，测试时可以改善参比液和测试液的流动速率，缩短测试时间；支撑层、绝缘层选自聚丙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚酯非导电高分子材料，盐桥为滤纸材料。

电极。本发明电极包括金属层和金属盐层。金属盐层与金属层形成界面电位，具有稳定的电势响应。金属选自金、银、铜、汞、铂、镍。金属盐选自金属层金属的不溶性金属盐。金属盐层可使用金属层金属的氧化物，例如金属卤化物。优选电极为银/氯化银电极。

电极金属层附着于不导电高分子材料表面，为提高电极的稳定性、缩短响应时间，本发明可以采用真空镀膜、化学镀或电镀的方式制备金属层，优选化学镀法。使用化学镀法，金属层表面均匀，可瞬间建立相界之间的平衡，形成稳定的响应电势，缩短响应时间。金属盐层可以采用化学氧化的方法制得，使用氯化铁或高锰酸钾溶液对金属层进行氧化。

参比层。参比层成分包括：粘结剂、金属盐、表面活性剂。参比层通过层压或涂布的方式直接附着于电极金属盐层上。

本发明参比层金属盐优选氯化钠与氯化钾复配。氯化钠与氯化钾的配比会直接影响响应电势稳定性，且会影响参比层与离子选择膜的粘接强度，通过改变氯化钠和氯化钾的配比可以提高响应的稳定性，优选氯化钠与氯化钾的配比为5:1，占参比层总质量的20%~50%。

参比层粘结剂选自明胶、琼脂、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇或其它乙烯基聚合物中的一种或几种，占参比层总质量的30%~80%。

为保证参比层与碳酸根离子选择膜的结合强度，防止二氧化碳生化分析干片响应信号准确性和长期稳定性降低，参比层含水量不能过高或过低，参比层最优含水量为30%~40%。

本发明通过控制参比层的干燥时间、温度、湿度固定参比层中氯化钠与氯化钾配比和含水量，最优干燥条件：温度25℃、相对湿度50%、干燥40min。

碳酸根离子选择膜。碳酸根离子选择膜成分包括：高分子粘结剂、离子载体、载体溶剂、离子干扰剂和表面活性剂。

为降低增塑剂的用量，减少载体流失，提升碳酸根离子选择膜的长期稳定性，本发明使用的高分子粘结剂为羟基乙烯基树脂类材料，羟基乙烯基树脂中羟基会增加离子选择膜的亲水性，可以缩短电极的响应时间，提高电极响应的稳定性。羟基乙烯基树脂侧链有利于减小分子间作用力，降低增塑剂的使用，减少载体流失，增加离子选择膜的检测范围和寿命。羟基乙烯基树脂选自氯乙烯、醋酸乙烯酯和乙烯醇三种结构单元的乙烯基聚合物中的一种或几种，优选聚氨酯-氯醋树脂，占碳酸根离子选择膜总质量的10%~40%。

离子载体选用对碳酸根离子具有选择性响应的化合物，载体选自多烷基取代的三氟苯乙酮及其衍生物，如4-丁烯基-ɑ,ɑ,ɑ-三氟苯乙酮、4-辛基-ɑ,ɑ,ɑ-三氟苯乙酮、正八烷基-ɑ,ɑ,ɑ-三氟苯乙酮、正十烷基-ɑ,ɑ,ɑ-三氟苯乙酮中的一种，占碳酸根离子选择膜总质量的0.1%~10%。

载体溶剂要求能溶解离子载体，且与高分子粘结剂具有较好的相容性，确保载体在高分子粘结剂中迁移。通常载体溶剂可作为高分子材料增塑剂使用，选自邻苯二甲酸酯、癸二酸酯、邻硝基苯辛醚、己二酸酯混合芳族脂族磷酸酯中的一种或几种，占碳酸根离子选择膜总质量的30%~70%。

离子干扰剂可在载体溶剂中溶解，排除样品溶液中其它离子对离子载体选择性的干扰，提高电极对碳酸根离子选择的灵敏度，扩大离子选择电极的线性响应范围。选自十二烷基三甲基氯化铵、十四烷基三甲基氯化铵、三辛基丙基氯化铵、聚乙二醇二烷基醚和环状冠醚中的一种或几种，占碳酸根离子选择膜总质量的0.1%~5%。

表面活性剂选自有机硅或硅氧烷类表面活性剂中的一种或几种，占碳酸根离子选择膜总质量的0.1%~5%。

缓冲层。缓冲层为碱性，待测液中的二氧化碳、碳酸氢根离子通过缓冲层都转化为碳酸根离子，进而通过测量碳酸根离子的浓度得到待测液中的二氧化碳总量。缓冲层pH范围为7.5~10。

缓冲层成分包括：粘结剂、缓冲剂、表面活性剂。

缓冲层粘结剂选自琼脂、明胶、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯酮、聚乙酸乙酯-乙烯醇、聚氯乙烯-乙酸乙酯-乙烯醇和合成乙烯基高分子亲水性材料中的一种或几种，占缓冲层总质量的40~90%。

缓冲剂选自三羧基甲基氨基甲烷、二乙醇胺、2-氨基-2-甲基-1,3-丙二醇酸和缓冲剂、有机酸类缓冲剂中的一种或几种，占缓冲层总质量的0.1%~10%。

区别于现有专利中二氧化碳选择电极，本发明主要优点有：（1）除去了液态电解质层，采用全固态结构，方便快捷，使用时不需要长时间活化；（2）通过调整参比层中氯化钠和氯化钾配比、固定参比层含水量，且使用羟基乙烯基树脂为碳酸根离子选择膜的高分子粘结剂，提升二氧化碳生化分析干片的测量精度和长期稳定性；（3）制备的金属/金属盐薄片电极表面均匀，大大缩短二氧化碳生化分析干片响应时间，7s之内可以建立平衡，形成稳定的响应电势；（4）通过添加缓冲层，固定待测液PH值，将待测液中的二氧化碳、碳酸氢根离子都转化为碳酸根离子，通过测量碳酸根离子的浓度得到待测液中的二氧化碳总量，测量精度高；（5）结构简单、体积小，大小为10mm×10mm，易于集成化，可开发成超微型生化分析干片，且制备工艺简单、成本低廉，适于大规模工业化生产。

附图说明

图1为二氧化碳生化分析干片示意图。

图2为二氧化碳选择电极（电极、参比层、离子选择膜、缓冲层）示意图。

图3为二氧化碳生化分析干片测试标准液响应电势曲线。

图4为碳酸根离子选择膜测试不同浓度Na₂CO₃溶液响应电势。

图5为二氧化碳生化分析干片特性曲线。

图6为二氧化碳生化分析干片长期稳定性测试结果。

具体实施方式

结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，二氧化碳生化分析干片，包括支撑层1、二氧化碳选择电极2、绝缘层3、盐桥4。

如图2所示，二氧化碳选择电极包括：银层21、氯化银层22、参比层23、碳酸根离子选择膜24、缓冲层25。

具体实施步骤如下。

用化学镀的方法在聚对苯二甲酸乙二醇酯表面镀银层，制备银层21。

将银层21前2/3段采用化学法进行氧化。将需要氧化部位的接触电极浸泡在0.1mol/L氯化铁溶液中60s后，取出用纯水清洗干净并干燥，得到氯化银层22。

参比层涂布。将6g聚乙烯醇，1g甘油，5g氯化钠，1g氯化钾，0.02g杀菌剂，0.004g表面活性剂H212溶解于100g水中，将其涂布于氯化银层22上，干燥条件：温度25℃，相对湿度50%环境下干燥60min。

碳酸根离子选择膜涂布。将0.1g聚氨酯-氯醋树脂，0.1g邻硝基苯辛醚，0.005g双[(苯-15-冠醚-4)-4′-甲基]庚二酸酯，0.002g三辛基丙基氯化铵，0.005g表面活性剂H212溶解于丙酮中，将其涂布于参比层23上，并室温干燥。

缓冲层涂布。将5g聚乙酸乙酯-乙烯醇，Tris-HCl缓冲剂0.25g，0.02g杀菌剂，0.01g表面活性剂H212溶解于50g水中，将其涂布于碳酸根离子选择膜24上，并干燥。

缓冲层25干燥后，取两片二氧化碳选择电极2与绝缘层3粘接，固化后将绝缘层3与支撑层1粘接组装干片。

二氧化碳生化分析干片长期保存条件为：-18~-10℃。

二氧化碳生化分析干片使用方法，从低温环境下取出时需要在常温下放置1h后使用，测试时保持测试温度37±0.1℃。测试时将干片插入测试槽中，两边孔分别滴加参比液和测试液，所需样本5~10μL。

为了更好的说明本发明的优点，本发明提供4组实验数据，具体如下。

实验1，用二氧化碳生化分析干片测试标准液，响应电势与测试时间的曲线如图3所示。

实验2，制备碳酸根离子选择膜测试不同浓度Na₂CO₃溶液（0.001mol/L、0.025mol/L、0.5mol/L）响应电势，测试结果如图4所示。

实验3，对二氧化碳生化分析干片定标。通过已知二氧化碳总浓度标准液（二氧化碳浓度8.13mmol/L和35.27mmol/L），测试二氧化碳生化分析干片响应电势，得到电势响应校正曲线。校正方程为：Y=30.1X+96.76，其中Y表示响应电势，X表示logC，C为溶液中碳酸根离子浓度。特性曲线如图5所示。

实验4，二氧化碳生化分析干片长期稳定性测试，同一批制备的二氧化碳生化分析干片90天内分别测量标准液（二氧化碳总浓度35.27mmol/L）的响应电势，测试结果如图6所示。

以上所述仅为本发明的实施方法，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明书及附图内容所作的等效结构或等效流程交换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种二氧化碳生化分析干片及其制备方法，其特征在于：所述二氧化碳生化分析干片包括支撑层、绝缘层、盐桥、电极、参比层、碳酸根离子选择膜和缓冲层；所述二氧化碳生化分析干片的主要制备步骤包括，（1）制备金属/金属盐薄片电极；（2）在电极上依次涂布配制好的参比层溶液、碳酸根离子选择膜溶液和缓冲层溶液并干燥制备二氧化碳选择电极；（3）在绝缘层上开导气孔，盐桥密封于绝缘层内；（4）将两片二氧化碳选择电极与支撑层、绝缘层粘接组装干片。

2.根据权利要求1所述支撑层、绝缘层，其特征在于：所述支撑层和绝缘层为片状结构，厚度0.5~2mm。

3.根据权利要求1所述电极，其特征在于：所述电极为金属/金属盐薄片电极，电极包括金属层和金属盐层；金属层金属选自金、银、铜、汞、铂、镍，金属盐选自金属层金属的不溶性金属盐。

4.根据权利要求1所述电极，其特征在于：所述电极采用化学镀、真空镀或电镀的方式附着于基板上，基板上金属层和金属盐层厚度0.1~10μm。

5.根据权利要求1所述参比层，其特征在于：所述参比层包括粘结剂、金属盐、表面活性剂；金属盐为氯化钠和氯化钾复配，配比为1:1~8:1，占参比层总质量的20%~50%。

6.根据权利要求1所述参比层，其特征在于：所述参比层附着于电极上，干燥温度20~40℃、干燥环境相对湿度20%~50%、干燥时间30~100min，参比层含水量30%~40%。

7.根据权利要求1所述碳酸根离子选择膜，其特征在于：所述碳酸根离子选择膜包括高分子粘结剂、离子载体、载体溶剂、离子干扰剂、表面活性剂；高分子粘结剂选用羟基乙烯基树脂，选自氯乙烯、醋酸乙烯酯和乙烯醇三种结构单元的乙烯基聚合物中的一种或几种，占碳酸根离子选择膜总质量的10%~40%。

8.根据权利要求1所述缓冲层，其特征在于：所述缓冲层包括粘结剂、缓冲剂、表面活性剂；粘结剂选自琼脂、明胶、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯酮、聚乙酸乙酯-乙烯醇、聚氯乙烯-乙酸乙酯-乙烯醇和合成乙烯基高分子亲水性材料中的一种或几种，占缓冲层总质量的40~90%；缓冲剂选自三羧基甲基氨基甲烷、二乙醇胺、2-氨基-2-甲基-1,3-丙二醇酸和缓冲剂或有机酸类缓冲剂中的一种或几种，占缓冲层总质量的0.1%~10%。

9.根据权利要求1所述缓冲层，其特征在于：所述缓冲层附着于碳酸根离子选择膜上，缓冲层为碱性，pH范围为7.5~10。