CN106501331A - pH传感器、制备方法以及用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了pH传感器、制备方法以及用途。该pH传感器包括：基体，所述基体为碳纤维；以及氢离子敏感膜层，所述氢离子敏感膜层设置在所述基体的外表面上。该传感器具有以下优点的至少之一：该传感器为固态电极，无需玻璃膜封装，且无电解液，因此避免了在活体检测中由于玻璃膜破损或是电解液泄漏而造成传感器破损以及对生物体的损伤；采用碳纤维作为基体，利于电极微型化，减少活体检测中的创口面积；该传感器对氢离子选择性高、灵敏度好、响应迅速。

Description

pH传感器、制备方法以及用途
技术领域
本发明涉及分析领域，具体地，本发明涉及pH传感器、制备方法以及用途。
背景技术
活体内氢离子浓度的测定意义重大，许多生理病理条件都伴随pH值的变化。检测pH值可以为疾病诊断提供标记性指标，从而可以用来指导优化医疗方案，也可以用于指示生化和生物进程。因此，生物体内pH值的活体实时分析具有重要的意义。
然而，目前能够用于活体检测的pH传感器仍有待改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
本发明是基于发明人的下列认识和发现而完成的：
目前可以用于活体检测的pH分析方法以及传感器均十分有限，发明人经过深入研究以及大量实验发现，这主要是由于活体内成分复杂，因此需要pH传感器具有较高的选择性以及较好的灵敏度以及较快的响应速度。并且，应用于活体检测的传感器与普通传感器相比，对于生物相容性、电极尺寸、传感器的稳定性也具有较高的要求。而目前的玻璃膜封装或是基于聚合物玻璃膜的传感器，则很难满足上述要求。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种pH传感器。根据本发明的实施例，该pH传感器包括：基体，所述基体为碳纤维；以及氢离子敏感膜层，所述氢离子敏感膜层设置在所述基体的外表面上。该传感器具有以下优点的至少之一：该传感器为固态电极，无需玻璃膜封装，且无电解液，因此避免了在活体检测中由于玻璃膜破损或是电解液泄漏而造成传感器破损以及对生物体的损伤；采用碳纤维作为基体，利于电极微型化，减少活体检测中的创口面积；该传感器对氢离子选择性高、灵敏度好、响应迅速。
根据本发明的实施例，所述氢离子敏感膜层包括氢离子载体、离子交换剂、聚合物基体以及增塑剂。由此，可以进一步提高该pH传感器的使用性能。
根据本发明的实施例，所述离子交换剂为亲脂性离子交换剂；所述氢离子载体包括三月桂胺、4-十九基吡啶、双十八烷基甲胺以及异烟酸十八烷基酯的至少之一；所述增塑剂包括芳香醚、脂肪醚、羧酸酯以及磷酸酯的至少之一；所述聚合物基体包括聚氯乙烯、丙烯酸聚合物、硅橡胶以及聚氨酯橡胶的至少之一。
具有上述成分的氢离子敏感膜层具有较好的氢离子响应性能，且上述成分的生物兼容性较好，在活体内稳定性强，不会在活体检测中对生物体造成伤害。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备前面所述的pH传感器的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)提供基体；(2)在所述基体的外表面形成氢离子敏感膜层。上述方法操作简单、成本低廉、生产周期短，利于上述pH传感器的大规模制备以及推广。
根据本发明的实施例，所述氢离子敏感膜层是通过旋涂以及干燥形成的。由此，可以简便地实现氢离子敏感膜层的涂覆。
在本发明的又一方面，本发明提出了前面所述的pH传感器在活体检测中的应用。该传感器稳定性以及生物兼容性好，利于电极微型化，对氢离子选择性高、灵敏度好、响应迅速，特别适用于活体检测。
附图说明
图1显示了根据本发明一个实施例的pH传感器的结构示意图；
图2显示了根据本发明另一个实施例的pH传感器的结构示意图；
图3显示了本发明实施例1中制备的pH传感器的电位响应曲线图(a)以及检测氢离子的电位E-pH关系图(b)；
图4显示了本发明实施例1中制备的pH传感器的选择性测试结果；
图5显示了本发明实施例1中制备的pH传感器活体检测测试结果；
图6显示了本发明实施例1中制备的pH传感器经过活体检测后的稳定性测试结果。
附图标记：
100：基体；200：氢离子敏感膜层；
1000：检测部；1200：电极连接部；1100：传感器外壳；1300：封装盖。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的第一方面，本发明提出了一种pH传感器。根据本发明的实施例，参考图1，该电极包括：基体100以及氢离子敏感膜层200，其中，基体100为碳纤维。该传感器具有以下优点的至少之一：该传感器为固态电极，无需玻璃膜封装，且无电解液，因此避免了在活体检测中由于玻璃膜破损或是电解液泄漏而造成传感器破损以及对生物体的损伤；采用碳纤维作为基体，利于电极微型化，减少活体检测中的创口面积；该传感器对氢离子选择性高、灵敏度好、响应迅速。
根据本发明的实施例，采用碳纤维作为基体100，可以利用碳纤维自身的导电性能，实现该传感器与外部电路的连接以及传感信号的输出。碳纤维自身具有良好的生物兼容性以及稳定性，因此采用碳纤维作为基体100的pH传感器，在用于活体检测时不会对生物体造成损伤，传感器基体也能够在生物体复杂的环境中稳定存在，而不会影响该pH传感器的传感性能。并且，碳纤维具有较细的直径，便于通过较小的创口植入体内进行pH值的监测。此外，碳纤维还具有良好的力学性能，因此采用碳纤维作为基体100的pH传感器，在活体复杂的环境中也能够保持该传感器的完整。
本领域技术人员能够理解的是，为了进一步提高基体100与氢离子敏感膜200之间的结合力，可以预先对基体100进行预处理。例如，可以利用电化学方法，对基体100进行活化。
根据本发明的实施例，氢离子敏感膜层200设置在基体100的外表面。由此，可以简便地实现氢离子浓度的传感。根据本发明的实施例，氢离子敏感膜层200可以包括氢离子载体、离子交换剂、聚合物基体以及增塑剂。根据本发明的具体实施例，离子交换剂可以为亲脂性离子交换剂，例如，可以为四(4-氯苯基)硼酸钾。增塑剂包括芳香醚、脂肪醚、羧酸酯以及磷酸酯的至少之一，可以为双(2-乙基己基)癸二酸酯。氢离子载体包括三月桂胺、4-十九基吡啶、双十八烷基甲胺以及异烟酸十八烷基酯的至少之一；聚合物基体包括聚氯乙烯、丙烯酸聚合物、硅橡胶以及聚氨酯橡胶的至少之一。具有上述成分的氢离子敏感膜层具有较好的氢离子响应性能，且上述成分的生物兼容性较好，在活体内稳定性强，不会在活体检测中对生物体造成伤害。根据本发明的具体实施例，离子敏感膜的组成可以为：基于离子敏感膜的质量，含有1wt％的氢离子载体，0.6wt％亲脂性离子交换剂，32.8wt％聚合物基体，65.6wt％增塑剂，溶于四氢呋喃。采用上述氢离子敏感膜层200，可以避免在该pH传感器中引入液态电解液，从而可以避免液态电解液泄露而对生物体造成损害，或是导致pH传感器失效。
根据本发明的实施例，为了进一步方便该pH传感器的使用以及运输，参考图2，该pH传感器还可以具有以下结构：检测部1000、电极连接部1200、传感器外壳1100以及封装盖1300。本领域技术人员能够理解的是，虽然具有基体100以及氢离子敏感膜层200的结构即可实现pH传感器的传感功能，但由于碳纤维构成的基体100的直径较细，因此不利于在使用过程中进行电极的连接，也不利用该pH传感器的运输和保存。根据本发明的实施例，检测部1000是由基体100以及氢离子敏感膜层200构成的，可以实现该pH传感器的传感以及信号输出功能。电极连接部1200的一端与基体100相连，另一端用于连接外部电极或是检测电路。例如，电极连接部可以为导电金属丝，一端通过导电胶与覆盖有氢离子敏感膜层的基体相连，另一端可以用于连接外部电路。传感器外壳1100套设在检测部1000以及电极连接部1200的外部，用于保护检测部1000。根据本发明的具体实施例，传感器外壳1100可以为毛细玻璃管。本领域技术人员能够理解的是，为了实现信号传感以及电极连接的功能，检测部1000不与电极连接部1200相连的一端暴露在传感器外壳1100之外。在传感器外壳靠近电极连接部1200一侧的一端，可以采用封装盖1300进行封装并固定电极连接部1200，为了方便连接外部电路，封装盖1300上部可以暴露出一部分电极连接部1200。由此，一方面可以避免杂质进入传感器外壳1100内部污染检测部1000，另一方面可以防止电极连接部1200以及检测部1000在传感器外壳1100内发生移动，造成电极连接部以及检测部之间脱落或是损伤检测部1000。根据本发明的另一些实施例，还可以采用包括但不限于环氧树脂等材料，对传感器外壳1100靠近检测部1000一侧的一端进行封装。
综上所述，根据本发明实施例的pH传感器具有以下优点的至少之一：
(1)该pH传感器具有高选择性和高灵敏度，适用于在复杂的环境下进行检测；
(2)该pH传感器稳定性强、制备简单、使用方便；
(3)采用碳纤维作为基体，易微型化、免维护，可以实时、原位、快速、准确地检测活体内pH值；
(4)碳纤维具有极小的直径，可以最大限度地减少电极对生物体(例如脑组织)的损伤，并且提高了检测的空间分辨率，使得检测位置更精准。
在本发明的又一方面，本发明提出了一种制备前面所述的pH传感器的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：
(1)提供基体
根据本发明的实施例，在该步骤中，提供碳纤维形成的基体。关于碳纤维基体的特征以及优点，前面已经进行了详细的描述，在此不再赘述。
(2)形成氢离子敏感膜层
根据本发明的实施例，在该步骤中，在基体的外表面形成氢离子敏感膜层。由此，可以简便地获得具有较好稳定性的固态离子选择性电极。该步骤中制备的氢离子敏感膜层具有与前面描述的pH传感器的氢离子敏感膜层相同的特征以及优点，在此不再赘述。
根据本发明的实施例，氢离子敏感膜层可以通过旋涂以及干燥形成。由此，可以简化制备步骤，节约生产成本。例如，根据本发明的具体实施例，可以将组成氢离子敏感膜层的组分，如氢离子载体、离子交换剂、聚合物基体、增塑剂，溶于四氢呋喃等易挥发的良溶剂中，然后旋涂在基体的外表面。待四氢呋喃等溶剂挥发后，即可获得根据本发明实施例的氢离子敏感膜层。
根据本发明的实施例，为了进一步提高利用该方法制备的pH传感器的性能，在制备氢离子敏感膜之前，可以预先对碳纤维基体进行电化学活化。根据本发明的具体实施例，上述电化学活化的具体条件可以为：首先对碳纤维基体施加不同的电位进行极化，再于采用0.0-1.0V的电位范围以0.1V s-1的扫描速度对碳纤维基体进行循环扫描，直到得到稳定的循环伏安曲线为止。
综上所述，该方法操作简单、成本低廉、生产周期短，利于上述pH传感器的大规模制备以及推广。
在本发明的又一方面，本发明提出了前面所述的pH传感器在活体检测中的应用。该传感器稳定性以及生物兼容性好，利于电极微型化，对氢离子选择性高、灵敏度好、响应迅速，特别适用于活体检测。
下面通过具体实施例对本发明进行说明，需要说明的是，下面的具体实施例仅仅是用于说明的目的，而不以任何方式限制本发明的范围，另外，如无特殊说明，则未具体记载条件或者步骤的方法均为常规方法，所采用的试剂和材料均可从商业途径获得。
实施例1制备pH传感器
首先将玻璃毛细管(内径1.5mm,长度10cm)的两端经微电极拉制仪(WD-1型，成都仪器厂)拉制成两个尖端。在显微镜下，用玻璃刀将玻璃毛细管的尖端断开，露出端口(端口内径约为30-50μm)。然后，将约2cm长的碳纤维用导电银胶粘在一根铜丝上，将铜丝穿入毛细管中，在毛细管的一端露出约3mm碳纤维。之后用环氧树脂(乙二胺作为固化剂)将尖端封住。毛细管的另外一端用绝缘胶封住，使铜丝和毛细管固定在一起。在显微镜下，将露出的碳纤维暴露在毛细管外部的长度截为0.5-1.0mm。
将制备好的碳纤维微电极分别被置于丙酮、3.0mol/L HNO3和1.0mol/L KOH的溶液中超声洗涤2min，然后在0.5mol/L硫酸溶液中进行电化学活化。活化的条件是：先施加+2.0V的电位，极化30s；然后施加-1.0V的电位，极化10s；再于0.0-1.0V的电位范围，以0.1Vs-1的扫描速度进行循环伏安扫描，直到得到稳定的循环伏安曲线为止。
称取100mg双(2-乙基己基)癸二酸酯，50mg聚氯乙烯，1.5mg三月桂胺，0.7mg为四(4-氯苯基)硼酸钾，溶于2mL四氢呋喃，配置成氢离子敏感膜溶液。在玻璃板上滴2μL氢离子敏感膜溶液，将暴露在毛细管外部的碳纤维浸于其中，转动电极，使碳纤维粘附氢离子敏感膜溶液，室温干燥。反复滴涂数次至碳纤维完全被敏感膜包覆。室温干燥6h。将干燥后的电极浸泡于0.1mol/L HCl溶液中活化12h，即得pH传感器。
传感性能测试
线性范围测试
将实施例1中制备的pH传感器与Ag/AgCl参比电极组成双电极体系，放入磷酸缓冲溶液中，加入一定量的NaOH溶液，调节磷酸缓冲液的pH分别为5.70，5.91，6.11，6.32，6.53，6.73，6.94，7.13，7.31，7.47，7.62，7.74。实时检测碳纤维pH传感器与参比电极之间的电位。检测结构如图3所示。随着加入的NaOH浓度的增加，溶液pH增大，电位值也随之下降，可以看到该碳纤维pH传感器响应迅速，且电位与溶液的pH呈一定的线性关系。传感器对pH的灵敏度为58.0mV/pH，符合能斯特方程，线性范围pH 5.70-7.74，该范围区域非常广，包含了活体内pH 6.5-7.6的范围值，可以检测活体内pH。
选择性测试
采用实施例1制备的pH传感器，对活体中常见的干扰物质抗坏血酸(AA)、去甲肾上腺素(NE)、多巴胺(DA)、肾上腺素(E)、尿酸(UA)、3,4二羟基苯乙酸(DOPAC)、5-羟色胺(5-HT)、高香草酸(HVA)、钾离子(K+)和钠离子(Na+)的响应进行了测试。采用pH为7.3的人工脑脊液，分别配置浓度为100μM AA、10μM NE、2μM DA、10μM E、50μM UA、40μM DOPAC、30μM 5-HT、30μM HVA、4mM K+和4mM Na+的测试组，观察电位值的改变，测试结果如图4所示。可以看到相对于改变0.1pH的电位来说，这些干扰物质对电位的影响很小，基本无电压信号响应。表明该碳纤维pH传感器具有高的选择性，适用于活体内pH的检测。
活体检测测试
采用实施例1制备的碳纤维pH传感器进行活体检测。
将该碳纤维pH传感器植入大鼠鼠脑内，参考图5，连续三次给CO2 15s，使大鼠脑内pH发生改变，可以看到pH的电位响应，三次电位响应均改变9mV，根据体外校正，pH改变了0.15。之后电位下降，170s后电位恢复，表明pH恢复，三次结果均相同，说明该碳纤维pH传感器可以有效的检测活体内pH。更重要的是，将该碳纤维pH传感器从鼠脑中取出，做体外后校正实验，参考图6，碳纤维pH传感器在动物实验前(before)后(after)对pH的响应灵敏度几乎不变，表明该传感器可以准确检测活体内pH的改变。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种pH传感器，其特征在于，包括：
基体，所述基体为碳纤维；以及
氢离子敏感膜层，所述氢离子敏感膜层设置在所述基体的外表面上。
2.根据权利要求1所述的pH传感器，其特征在于，所述氢离子敏感膜层包括氢离子载体、离子交换剂、聚合物基体以及增塑剂。
3.根据权利要2所述的pH传感器，其特征在于，所述离子交换剂为亲脂性离子交换剂；
所述氢离子载体包括三月桂胺、4-十九基吡啶、双十八烷基甲胺以及异烟酸十八烷基酯的至少之一；
所述增塑剂包括芳香醚、脂肪醚、羧酸酯以及磷酸酯的至少之一；
所述聚合物基体包括聚氯乙烯、丙烯酸聚合物、硅橡胶以及聚氨酯橡胶的至少之一。
4.一种制备权利要求1-3任一项所述的pH传感器的方法，其特征在于，包括：
(1)提供基体；
(2)在所述基体的外表面形成氢离子敏感膜层。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述氢离子敏感膜层是通过旋涂以及干燥形成的。
6.权利要求1-3任一项所述的pH传感器在活体检测中的应用。
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