CN107764757B - 用于检测目标离子含量的装置、系统、制备方法和目标物含量测定方法以及试剂盒 - Google Patents

用于检测目标离子含量的装置、系统、制备方法和目标物含量测定方法以及试剂盒 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种用于检测目标离子浓度的装置及其应用。根据本发明的实施例，该方法包括：凝胶本体，所述凝胶本体是由凝胶与分散介质形成的；以及纳米传感器，所述纳米传感器设置在所述凝胶本体中，所述纳米传感器对所述目标离子具有选择性。根据本发明的实施例，由于凝胶中在大量微孔，只允许样本中小分子以扩散的方式通过，对样本中的大分子具有过滤功能，当纳米传感水凝胶与样本接触时，可以有效阻止如血细胞、蛋白质等的进入，使试剂不易受样本颜色背景和散射的干扰，样品无需前处理，可以测量全血；降低结果测量误差，提高含量测定的准确性。

Description

用于检测目标离子含量的装置、系统、制备方法和目标物含量 测定方法以及试剂盒
技术领域
本发明涉及分析、医疗检测领域。具体地，本发明涉及用于检测目标离子含量的装置、系统、制备方法和目标物含量测定方法以及试剂盒。
背景技术
钠离子、钾离子、钙离子等无机盐离子是维持生物体正常生理功能的重要物质，它们在人体内的浓度或含量往往处于一个相对稳定的平衡状态，因而测定这些离子在人体血液、尿液等中的含量成为衡量生物体健康状况的重要指标，也对食品、药品的配方和生产监测具有指导意义。
目前常用的上述离子含量测定手段主要包括基于离子选择性电极的电位分析法测定和基于离子选择性光极的光谱分析法测定。
离子选择性电极是一类利用膜电势测定溶液中离子的活度或浓度的电化学传感器，当它和含待测离子的溶液接触时，在它的敏感膜和溶液的相界面上产生与该离子活度直接有关的膜电势，使用该类电极测定目标离子含量准确、快速、便宜，但同时伴随需要经常维护、校正电极响应、样本输送中需防止血液凝固，和监测过程容易受外界电磁场干扰，以及体积较大，携带不便、且采样量大，不适于小量样本分析，等缺点。
离子选择性光极通常是一张具有载体支撑的高分子传感膜或是最新提出的纸基离子传感器，因样品离子浓度不同，经质子交换，而呈现与质子化的传感器分子不同程度的结合状态，最终显现不同的颜色，通过肉眼判断高分子膜或者纸张的颜色或测量其光谱信号，确定样品中离子的浓度，该产品体积小巧，受试样本量要求低，但是此法容易受样本背景干扰，并且需要控制pH,因此对样本要求高，往往需要在测试前进行稀释、离心、调节pH等预处理，人力设备成本高、检测速度慢，难以满足生活分析携带便利和门急诊快速测定的需求。
发明内容
本发明是基于发明人的下列发现而完成的：
发明人发现，现有离子含量检测手段难以同时满足无干扰、准确、快速测定和实现简便、采样量小和多场景应用等的需求，并进一步地发现，现有的离子选择性光极中传感器分子和制备得到的光极材料裸露在样品环境中，是导致受光学背景和化学背景干扰的主要原因，而光学背景和化学背景干扰以及为降低该影响而采取的样品预处理操作是影响实现准确、快速测定的关键因素。由此。本发明的发明人对纳米传感器的制备和应用进行了深入研究，首先制备得到性能优良的对目标离子具有选择性的纳米传感器，并通过广泛的筛选与试验，发现将纳米传感器置于凝胶中，以凝胶作为过滤手段，可以有效阻止大分子和血细胞等的进入，从而克服颜色背景和散射的干扰；与此同时，当在凝胶体系中填充缓冲液作为分散介质时，可以保持纳米离子传感器内外环境pH的稳定，避免受到样品pH的影响，将化学背景的干扰阻挡在水凝胶之外；更进一步地，为了同时满足生活分析和高通量监测的需求，发明人对具有纳米传感器的凝胶装置用于测定样本中离子含量的方法进行了探索，发现样本的离子浓度不仅和凝胶平衡后最终颜色有关，还与平衡过程中颜色变化速度或距离相关，从而开发了基于颜色、基于颜色变化距离和基于吸光度变化相对速度与离子浓度关联的测定方法，以满足不同应用场景中实现快速测定的需求。
有鉴于此，根据本发明的实施例，本发明提出了一种新型的简便、准确、快速测量样本中特定无机盐离子含量且不受样本中光学背景或其它化学背景的干扰、成本低廉、适用多场景需求的装置和检测方法。
在本发明的第一方面，本发明提出了一种用于检测目标离子浓度的装置。根据本发明的实施例该检测离子浓度的装置包括：凝胶本体，所述凝胶本体是由凝胶与分散介质形成的；以及纳米传感器，所述纳米传感器设置在所述凝胶本体中，所述纳米传感器对所述目标离子具有选择性。根据本发明的实施例，由于凝胶中在大量微孔，只允许样本中小分子以扩散的方式通过，对样本中的大分子具有过滤功能，当纳米传感水凝胶与样本接触时，可以有效阻止如血细胞、蛋白质等的进入，使试剂不易受样本颜色背景和散射的干扰，样品无需前处理，可以测量全血；降低结果测量误差，提高含量测定的准确性。
根据本发明的实施例，上述检测目标离子浓度的装置还可以具有下列附加技术特征的至少之一：
根据本发明的实施例，所述凝胶包括选自琼脂糖、几丁质、聚乙二醇、聚乙烯醇和聚丙烯酰胺的至少之一。
根据本发明的实施例，所述分散介质是pH缓冲盐水溶液，所述缓冲盐水溶液的pH为5-9。
根据本发明的实施例，所述纳米传感器的直径为20-200nm，并且所述纳米传感器的粒度分布指数PDI不超过0.4。
根据本发明的实施例，所述纳米传感器的直径为40～150nm，并且所述纳米传感器的粒度分布指数PDI不超过0.3。
根据本发明的实施例，所述纳米传感器包括：芯体和形成在所述芯体表面的表面活性剂，所述表面活性剂为选自两性嵌段共聚物、聚乙烯醇的至少之一，其中，所述芯体含有：离子交换剂，所述离子交换剂为选自四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠、四(4-氯苯基)硼酸钾的至少之一；生色离子载体，所述生色离子载体为选自生色离子载体I,II,III,VII的至少之一；以及目标离子载体，所述目标离子载体为选自钠离子载体，钾离子载体，钙离子载体的至少之一。
根据本发明的实施例，所述芯体还含有母体材料。
根据本发明的实施例，所述纳米传感器为钾离子纳米传感器。
在本发明的第二方面，本发明提出了一种用于检测目标离子含量的系统，根据本发明的实施例，该系统包括：前面所述的用于检测目标离子含量的装置；信号捕获装置，所述信号捕捉装置被配置为适于捕获所述凝胶本体的物理特征信号；信号分析装置，所述信号分析装置被配置为适于基于所述物理特征信号，确定待测样本中的目标离子的含量。如前所述，根据本发明的实施例，由于凝胶中在大量微孔，只允许样本中小分子以扩散的方式通过，对样本中的大分子具有过滤功能，当纳米传感水凝胶与样本接触时，可以有效阻止如血细胞、蛋白质等的进入，使试剂不易受样本颜色背景和散射的干扰，样品无需前处理，可以测量全血；降低结果测量误差，提高含量测定的准确性。由此，利用该系统也能够有效地对样品中的目标离子例如钾离子等进行检测。
根据本发明的实施例，上述用于检测目标离子含量的系统还可以具有下列附加技术特征的至少之一：
根据本发明的实施例，所述物理特征信号包括所述凝胶本体的颜色和吸光度的至少之一。
根据本发明的实施例，所述信号捕获装置为选自光谱仪、相机或酶标仪。
根据本发明的实施例，所述信号分析装置被配置为适于基于预先设定的信号-含量关联而确定所述待测样本中的目标离子含量。
根据本发明的实施例，所述预先设定的信号-含量关联是基于相同时段内，在垂直于扩散方向上，凝胶本体颜色变化距离与含量的对数，例如自然对数，成线性相关而确立的。
根据本发明的实施例，所述预先设定的信号-含量关联是基于在扩散方向上，凝胶本体吸光度的相对时间二分之一次方的变化速度与含量的对数，例如自然对数，成线性相关而确立的。
根据本发明的实施例，所述预先设定的信号-含量关联是基于在扩散达到平衡后，凝胶本体吸光度与含量具有相关性而确立的。
根据本发明的实施例，所述预先设定的信号-含量关联是基于在扩散达到平衡后，凝胶本体的颜色与含量具有相关性而确立的。
根据本发明的实施例，所述信号捕获装置被配置为适于通过肉眼观察。
根据本发明的实施例，所述预先设定的信号-含量关联是以标准曲线的形式提供的。
另外，本领域技术人员能够理解的是，前面关于用于检测目标离子含量的装置所描述的特征和优点同样适用于该用于检测目标离子含量的系统，在此不再赘述。
在本发明的第三方面，本发明提出了一种制备前面所述的用于检测目标离子含量的装置的方法，根据本发明的实施例，该方法包括：将纳米传感器设置在凝胶本体中，以便获得所述装置，其中，所述凝胶本体是由凝胶和分散介质形成的，所述纳米传感器对所述目标离子具有选择性。由此，利用该方法能够有效地获得前面所述的用于检测目标离子含量的装置。如前所述，根据本发明的实施例，由于凝胶中在大量微孔，只允许样本中小分子以扩散的方式通过，对样本中的大分子具有过滤功能，当纳米传感水凝胶与样本接触时，可以有效阻止如血细胞、蛋白质等的进入，使试剂不易受样本颜色背景和散射的干扰，样品无需前处理，可以测量全血；降低结果测量误差，提高含量测定的准确性。
根据本发明的实施例，前面所描述的制备目标离子含量的装置的方法还可以具有下列附加技术特征的至少之一：
根据本发明的实施例，包括：(a)将含有所述纳米传感器的分散液与凝胶分散相原料混合；(b)将步骤(a)中所得到的混合物加热至凝胶分散相原料溶解；以及(c)将步骤(b)中所得到的混合物冷却，以便得到所述装置。
根据本发明的实施例，所述凝胶包括选自琼脂糖、几丁质、聚乙二醇、聚乙烯醇和聚丙烯酰胺的至少之一；以及所述纳米传感器分散液的制备方法，包括：(a)将表面活性剂、离子交换剂、生色离子载体、目标离子载体溶解于有机溶剂中，(b)将(a)步骤所得有机溶液加入到分散介质中，混合，待体系达到平衡，(c)基于(b)步骤形成的平衡体系，除去其中的有机溶剂；其中，所述表面活性剂为选自两性嵌段共聚物、聚乙烯醇的至少之一，所述离子交换剂为选自四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠，四(4-氯苯基)硼酸钾的至少之一；所述生色离子载体为选自生色离子载体I,II,III,VII的至少之一；所述目标离子载体为选自选自钠离子载体，钾离子载体，钙离子载体的至少之一；所述分散介质选自水或选自磷酸盐，Tris-HCl,Tris-H2SO4,HEPES,Mes-NaOH,Tris-Mes的缓冲盐水溶液或选自聚乙二醇水溶液；且所述分散介质的pH为5～9；所述有机溶剂为选自四氢呋喃，1,4-二氧六环，乙醚，二氯甲烷，氯仿，甲苯，二甲苯，乙酸乙酯，乙酸甲酯，石油醚，正己烷的至少之一。
在本发明第四方面，本发明提出了一种用于检测待测样本中目标离子的方法，所述方法采用前面所述的系统，所述方法包括：使所述待测样本与所述用于检测离子的装置接触；用所述信号捕获装置捕获所述凝胶本体的物理特征信号；利用所述信号分析装置被配置为基于所述物理特征信号，确定待测样本中的目标离子含量。如前所述，根据本发明的实施例，由于凝胶中在大量微孔，只允许样本中小分子以扩散的方式通过，对样本中的大分子具有过滤功能，当纳米传感水凝胶与样本接触时，可以有效阻止如血细胞、蛋白质等的进入，使试剂不易受样本颜色背景和散射的干扰，样品无需前处理，可以测量全血；降低结果测量误差，提高含量测定的准确性。由此，利用该方法也能够有效地对样品中的目标离子例如钾离子等进行检测。
根据本发明的实施例，所述目标离子是钠离子、钾离子或钙离子中的至少一种。
根据本发明的实施例，所述样本包括生物样本或非生物样本。
根据本发明的实施例，所述生物样本选自全血、血浆、血清或尿液。
根据本发明的实施例，所述物理特征信号包括所述凝胶本体的颜色和吸光度的至少之一。
根据本发明的实施例，所述信号捕获装置为选自光谱仪、相机或酶标仪。
根据本发明的实施例，所述信号分析装置被配置为适于基于预先设定的信号-含量关联而确定所述待测样本中的目标离子含量。
根据本发明的实施例，所述预先设定的信号-含量关联是基于相同时段内，在垂直于扩散方向上，凝胶本体颜色变化距离与含量的对数，例如自然对数，成线性相关而确立的。
根据本发明的实施例，所述预先设定的信号-含量关联是基于在扩散方向上，凝胶本体吸光度的相对变化速度与含量的对数，例如自然对数，成线性相关而确立的。
根据本发明的实施例，所述预先设定的信号-含量关联是基于在扩散达到平衡后，凝胶本体吸光度与含量具有相关性而确立的。
根据本发明的实施例，所述预先设定的信号-含量关联是基于在扩散达到平衡后，凝胶本体的颜色与含量具有相关性而确立的。
根据本发明的实施例，所述信号捕获装置被配置为适于通过肉眼观察。
根据本发明的实施例，所述预先设定的信号-含量关联是以标准曲线的形式提供的。
在本发明的第五方面，提出了一种用于检测目标离子的试剂盒，根据本发明的实施例，该试剂盒包括：凝胶分散相原料；分散介质；以及离子传感器，所述离子传感器是如前面所述限定的。
在本发明的第六方面，提出了一种用于检测目标离子的试剂盒，根据本发明的实施例，该试剂盒包括：凝胶分散相原料；分散介质；表面活性剂，所述表面活性剂为选自普朗尼克F-127的两性嵌段共聚物或选自聚乙烯醇的至少之一；离子交换剂，所述离子交换剂为选自四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠，四(4-氯苯基)硼酸钾的至少之一；生色离子载体，所述生色离子载体为选自生色离子载体I,II,III,VII的至少之一；以及目标离子载体，所述目标离子载体为选自钠离子载体，钾离子载体，钙离子载体的至少之一。利用该试剂盒，可以有效地用于对样品中的目标离子进行检测，本领域技术人员能够理解的是，在本发明的其他方面所描述的特征和优点同样适用该试剂盒，在此不再赘述。
另外，任选地，根据本发明的实施例，所述装置的凝胶为选自琼脂糖、几丁质、聚乙二醇、聚乙烯醇和聚丙烯酰胺的至少之一，所述凝胶相对于纳米传感分散液的质量比为0.1％-10％。
任选地，根据本发明的实施例，所述装置的分散介质为水PEG或缓冲溶液；优选缓冲溶液，所述缓冲溶液为选自磷酸盐，Tris-HCl,Tris-H2SO4,HEPES,Mes-NaOH,Tris-Mes等缓冲溶液的至少之一；所述缓冲盐体系的pH为5-9，优选pH为6-8。
任选地，根据本发明的实施例，所述装置的纳米传感器的直径为20-200nm，并且所述纳米传感器的粒度分布指数PDI不超过0.4；优选地所述纳米传感器的直径为40～150nm，并且所述纳米传感器的粒度分布指数PDI不超过0.3。
根据本发明的实施例，相对于制备纳米传感器的原料的总质量：
所述离子载体的含量为3％-30％；
所述离子交换剂的含量为1％-20％；
所述生色离子载体的含量为1％-30％。
所述表面活性剂的含量为10-80％。
任选地，根据本发明的实施例，所述装置包括纳米传感器，水相体系和凝胶，所述水相体系包括缓冲盐体系，PEG水溶液或水，优选缓冲盐体系。
任选地，根据本发明的实施例，所述缓冲盐体系为选自磷酸盐，Tris-HCl,Tris-H2SO4,HEPES,Mes-NaOH,Tris-Mes缓冲体系，pH为5-9，优选pH为6-8。
任选地，所述芯体还包括母体材料，该母体可以是选自聚氯乙烯与增塑剂的任意比例组合，所述增塑剂优选双(2-乙基己基)癸二酸酯。
根据本发明的实施例，利用本发明提供的用于检测目标离子的装置(在本文中也称为纳米传感水凝胶)，以每5秒测定一个数据点，每个样本测5个数据点以得到吸光度与时间的相关系数，实现单个样本测定仅需25秒，结合商用的96孔板试剂盒在酶标仪上测定，加上每次换板的时间为5秒，当96孔板平行测量时，一小时内可以测量大约96*3600/30＝11520个样品，远远超过目前离子选择性电极法的测量约600个/小时的通量。
综上所述，以及根据本发明的实施例，本发明依次提出的一种离子选择性试剂、离子选择性试剂的制备方法、样本中目标离子含量测定方法以及用于样本中目标离子含量测定的试剂盒，分别具有下列优点的至少一种：
1、根据本发明的实施例，由于所述的纳米传感器粒径微小，纳米传感器能均匀、稳定地分散于凝胶溶液中，通过冷却即可得到任意形状的凝胶状固体，因而获得的纳米传感水凝胶易于成型，能稳定存在，长期保存，且便于携带。
2、根据本发明的实施例，由于凝胶中在大量微孔，只允许样本中小分子以扩散的方式通过，对样本中的大分子具有过滤功能，当纳米传感水凝胶与样本接触时，可以有效阻止如血细胞、蛋白质等的进入，使试剂不易受样本颜色背景和散射的干扰，样品无需前处理，可以测量全血；降低结果测量误差，提高含量测定的准确性。
3、根据本发明的实施例，纳米传感水凝胶内部可以填充pH缓冲液，通过凝胶能缓冲与样品的直接接触，从而有效稳定纳米离子传感器内部和周围环境中的pH，因而无需控制样品的pH，大大节约了检测成本和时间，大大提高了检测效率。节约了样品预处理成本和时间。
4、根据本发明的实施例，本发明提供的传感器水凝胶装置对目标离子具有良好的选择性，可以阻止化学背景的干扰，进一步保证了目标离子含量测定的有效性和准确性。
5、根据本发明的实施例，由于纳米离子传感器颗粒径微小，分布均匀，凝胶本身无色透明，因而制得的凝胶剂也呈现均匀透明的状态，体系内部散射和背景色的干扰较低，使得关联离子浓度的显色更精确。
6、根据本发明的实施例，由于进入凝胶体系的离子受扩散控制，符合菲克定律，在扩散过程中，凝胶体系内离子浓度因位置和时间而改变，不同位置的离子浓度和同一位置不同时刻离子浓度不同，凝胶内分散的纳米离子传感器可以响应外界离子浓度，影响纳米颗粒内部的pH环境，从而显示出不同的颜色，并由分散的各纳米离子传感器颜色的集合直观地反映在透明的凝胶整体颜色变化上，基于光学、颜色等物理特征的变化可以获得离子扩散距离以及扩散速度的规律和与离子浓度的相关性，并以此作为测定样品中目标离子含量的方法基础。
7、根据本发明的实施例，开发了基于颜色、基于颜色变化距离和基于吸光度变化相对速度与离子浓度关联的测定方法，通过简单的图像分析、距离测量、速率分析即可获得样品中目标离子含量。
8、根据本发明的实施例，本发明提供的纳米传感水凝胶装置，制备方法简单，成本低廉，性质稳定，可以方便地制备成易于商品化的试剂盒，供大规模测试需要，试剂盒及时测定，一次性使用，无维护成本，不用担心血液凝块问题，成本低廉，大大提高了检测便捷度。
9、根据本发明的实施例，利用本发明提供的装置结合检测方法，在样品扩散过程中即可测定并获知离子浓度，检测时间缩短，检测效率大大提高。结合检测系统和96孔板试剂盒，每小时可以测量10000以上样品，远高于目前离子选择性电极法600个/小时的测量通量，以数量级的改进速度，为临床血钾离子等的含量检测提供了新的高通量途径。
10、根据本发明的实施例，利用本发明提供的装置既可以通过捕获装置和分析装置的手段，实现离子含量的精确、快速测定，满足商业化高通量的需求；也可以通过肉眼识别，在有限的精度范围内判断或确定离子浓度，直观、无需仪器设备的辅助、便于携带，适于日常生活分析和简单分析；因此，本发明提供了多种测定离子含量的方法，各具优势，能适用不同情景的快速分析需求，具有广泛的市场前景。
11、根据本发明的实施例，根据本发明提供的纳米传感水凝胶装置，通过简单的离子载体的置换，在合适的组分比例范围内，即可制备得到其它离子选择性的纳米传感水凝胶装置，实现更广泛的离子定性和定量分析。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1显示了根据本发明一个实施例的具有离子选择性的纳米传感器的结构示意图。
图2显示了根据本发明一个实施例的纳米传感水凝胶TEM照片。
图3显示了根据本发明一个实施例的结果示意图。(a).基于距离测定的离子含量分析，水凝胶与0.01M KCl溶液接触2分钟后的照片和扩散方向上不同位置的每一个像素条的RGB通道内红色通道和蓝色通道的数值比例图。(b).基于距离测定的离子含量分析，水凝胶和不同浓度的氯化钾溶液接触2分钟后的照片，以及紫红色扩散的距离和测量样品中钾离子浓度的线性关系图。
图4显示了根据本发明一个实施例的结果示意图。(a).基于吸光度测定和吸光度变化相对速度的离子含量分析：纳米传感器的水凝胶在加入不同浓度的含KCl溶液时在665nm处吸光度随时间的二分之一次方的系统变化曲线。(b).基于吸光度测定和吸光度变化相对速度的离子含量分析：吸光度对时间的二分之一次方的变化率和样品中钾离子浓度的线性关系图。
图5显示了根据本发明一个实施例的样品中干扰离子对钾离子传感器选择性和含量测定结果的影响比较。
图6显示了根据本发明一个实施例不同pH的样品对钾离子传感器选择性和含量测定结果的影响比较。
图7显示了根据本发明一个实施例纳米传感水凝胶在不同浓度钾离子溶液中的颜色对照。
图8显示了根据本发明一个实施例不同钾离子浓度下水凝胶颜色的色度(Hue值)与钾离子浓度的关系曲线图。
图9显示了根据本发明一个实施例不同浓度的NaCl溶液在665nm处的吸光度随时间的二分之一次方的系列变化曲线。
图10显示了根据本发明一个实施例含有和不含纳米传感器的水凝胶与血液接触两分钟后的照片空白对照图。
具体实施方式
实施例1
将质量分数14％的5mg的钾离子载体、8％的3mg的离子交换剂四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠、3％的1mg的生色离子载体I以及21％的8mg两性嵌段同聚物普朗尼克F-127和54％的20mg的母体材料双(2-乙基己基)癸二酸酯分别溶解于0.1mL/mg的四氢呋喃中得到混合溶液；将混合溶液加入到50倍体积、pH为7.4的磷酸盐缓冲液中，重复摇晃待体系达到平衡，通过减压去除四氢呋喃，即得钾离子纳米传感器的分散液，参见图1。
利用动态光散射测得钾离子纳米传感器分散液中纳米传感器的粒径为90±2nm，PDI为0.12±0.02。
经过检测，由此制备得到的纳米传感器粒径具有粒径小，分布均一的特点，由于粒径小，散射度低，形成的溶液无色透明，且能稳定存在于溶液体系中，该纳米传感器对钾离子具有较好的选择性，并能感应溶液中离子的浓度变化，显示出不同的颜色。
实施例2
向实施例1制备得到的钾离子纳米传感器的分散液中，加入约1.0％质量比的琼脂糖，加热至95摄氏度使琼脂糖溶解，将所得到的热溶解的溶液置于比色皿中，待冷至室温，即得钾离子选择性的纳米传感水凝胶。参见图2纳米传感水凝胶的TEM透射电镜测得照片。由此制备得到的纳米传感水凝胶，无色透明，性能稳定，能通过离子扩散，感应外部环境中离子浓度变化并显示出不同的颜色，在检测分析领域具有广泛的应用价值。
该纳米传感水凝胶的制备方法简单，且可以实现大规模生产，适于工业和商品化的生产需求。
实施例3(基于距离的测量方法)
向实施例2制备得到的纳米传感水凝胶中，分别加入浓度为0.01，0.003，0.001，0.0003mol/L的钾离子标准溶液，使标准溶液与凝胶充分接触，2分钟后，在垂直于钾离子进入凝胶的方向，用相机捕捉每一标准浓度下水凝胶的图像，分析相同时段内颜色的变化，参见图3(a)，计算颜色变化距离，建立颜色变化距离与钾离子浓度成线性相关的标准曲线，参见图3(b)。
向实施例2制备得到的装置中，加入全血，使全血与凝胶充分接触，2分钟后，在垂直于钾离子进入凝胶的方向，用相机捕捉水凝胶的图像，分析相同时段内颜色的变化，计算颜色变化距离，利用预先设定的颜色变化距离与钾离子浓度成线性相关的标准曲线，即可计算样品中钾离子的含量，参见图3(b)。
图3(a)显示纳米传感水凝胶与0.01M KCl溶液接触2分钟后的图像，图片中曲线以每一个像素条的RGB通道内红色通道和蓝色通道的数值比例为纵坐标，以像素条的位置为横坐标表示；据此，非水平的曲线区间即为纳米传感凝胶颜色变化的距离，也代表离子扩散的距离。由于样品中的离子进入凝胶受扩散控制，因此，样品浓度和离子扩散的距离存在相关性，即与颜色变化距离存在相关性，因而利用该相关性可以用于检测样品中离子的浓度。
该检测方法在样品扩散过程中即可测定并获知浓度结果，检测时间缩短，检测效率大大提高。
在本发明实施例的基础上，通过设置颜色信号采集装置酶标仪和分析装置，基于颜色变化距离与离子浓度的相关性，可以满足大规模样品测试需要。
实施例4(对比例)
向pH为7.4的磷酸缓冲液中加入1.0％的质量比的琼脂糖，加热至95摄氏度使琼脂糖溶解，在溶液冷却至室温前置于比色皿中，待冷至室温，得到无纳米传感器的空白水凝胶。
分别向空白水凝胶和实施例2制备得到的纳米传感水凝胶中，加入全血，并与凝胶充分接触，2分钟后，在垂直于钾离子进入凝胶的方向，用相机捕捉水凝胶的图像，参见图10。
由图10可以看出，与样品接触后，不含有钾离子纳米传感器的水凝胶无显著颜色变化，而含有钾离子纳米传感器的水凝胶会显示一段紫红色的扩散距离，说明水凝胶对血液中红细胞和大分子具有过滤功能，可以有效防止样品背景颜色的干扰，降低结果测量误差，提高含量测定的准确性。
在本发明实施例的基础上，通过设置光谱仪和分析装置，基于吸光度与离子浓度的相关性，可以适用大规模样品测试需要。
实施例5(基于吸光度测定方法)
向实施例2制备得到的钾离子传感水凝胶中，分别加入浓度为0.03，0.01，0.003，0.001，0.0003mol/L的钾离子标准溶液，使标准溶液与凝胶充分接触，在平行于样品中钾离子进入水凝胶装置的方向；针对同一浓度的钾离子溶液，分别每隔5秒，用紫外-可见分光光度计测量凝胶装置在665nm处的吸光度，以吸光度对时间的二分之一次方作图，参见图4(a)，二者具有线性关系，计算吸光度的相对变化速度，即斜率，基于该斜率值，建立吸光度的相对变化速度与钾离子浓度成线性相关的标准曲线，参见附图4(b)。
向实施例2制备得到的装置中，加入血浆，使血浆与凝胶充分接触，分别在0.5,2.0,3.0,5.0分钟的时候，在平行于钾离子进入凝胶的方向，用紫外-可见分光光度计测量凝胶装置在665nm处的吸光度，以吸光度对时间的二分之一次方作图，计算吸光度的相对变化速度，参见图4(b)中虚线所示，利用预先设定的吸光度相对变化速度与钾离子浓度成线性相关的标准曲线，计算样品中钾离子的含量。
图4(a)表示含钾离子纳米传感器的水凝胶在加入不同浓度的含KCl的样品时在665nm处的总体吸光度随时间的二分之一次方的变化图。由此可知，每一个浓度的样品，都可以构建一个吸光度随时间的二分之一次方呈线性变化的曲线，因而都具有一个斜率。
图4(b)表示图4(a)的各浓度下的斜率和浓度的线性关系，即吸光度对时间的二分之一次方的变化率和样品中钾离子浓度的关系曲线。
该方法通过测定不同时间的凝胶吸光度实现离子含量的测定，检测结果更精确；在样品扩散过程中即可测定获知浓度结果，检测时间缩短，检测效率大大提高。
实施例6(基于扩散终点的颜色分析测定)
向实施例2制备得到的装置中，分别加入浓度为0.01Mmol/L的钾离子标准溶液，使标准溶液与凝胶充分接触，当水凝胶的颜色不再变化时，拍照，建立颜色-浓度比色卡，参见图7；利用图像分析各浓度下装置凝胶颜色的色相(Hue值)，以色度对钾离子浓度作图，建立相关的标准曲线，参见图8不同钾离子浓度下水凝胶颜色的Hue值与水凝胶浓度的关系。
向实施例2制备得到的装置中，加入尿液，使尿液与凝胶充分接触，当水凝胶的颜色不再变化时，根据凝胶的颜色与预先建立的颜色-浓度比色卡比对，初步确定尿液中钾离子浓度的范围；对水凝胶拍照，并分析凝胶颜色的色相(Hue值)，利用预先建立的色度-钾离子浓度标准曲线图，精确计算样品中钾离子的浓度。
该方法基于扩散达到平衡以后，水凝胶内不同位置离子浓度恒定，凝胶整体颜色均一，因而基于凝胶颜色与离子浓度的相关性测定样品中离子的浓度。
图7显示了随着KCl离子浓度从0.0001mol/L逐渐增加到0.1mol/L时，凝胶颜色从浅蓝到浅紫，到粉紫、再到浅粉的渐变过程。基于颜色的测定既可以通过肉眼识别，粗略判断或确定一个范围，判断直观，无需仪器设备的辅助，便于携带，适于满足生活分析和简单分析的需求；也可以通过相机拍照，仪器分析，实现精确测定，满足商业大规模测定的需求。
实施例7(基于扩散终点的吸光度测定)
向实施例2制备得到的装置中，分别加入已知的钾离子标准溶液，使标准溶液与凝胶充分接触，当水凝胶的颜色不再变化时，用紫外-可见分光光度计测量凝胶装置在665nm处的吸光度，以吸光度对钾离子浓度作图，建立相关的标准曲线。
向实施例2制备得到的装置中，加入矿物水样本，使矿物水与水凝胶充分接触，当水凝胶的颜色不再变化时，用紫外-可见分光光度计测量凝胶装置在665nm处的吸光度，利用预先建立的吸光度-浓度标准曲线图，计算样品中钾离子的含量。
基于实施例3、5、6、7的多种方法，均可以实现钾离子的含量测定，各有优势，因而能适应不同情景的分析需求，具有广泛的市场前景。
实施例8
取钾离子纳米传感器的分散液，加入约2％质量比的琼脂糖，加热至95摄氏度使琼脂糖溶解，室温成胶前加入96微孔板中，冷却至室温后即得钾离子传感水凝胶的试剂盒。
利用该试剂盒，可以在酶标仪上进行吸光度测定：每隔5s测量一个数据点，每个孔大约测25s共5个数据点，即可完成一个样本的数据采集，
该传感水凝胶，制备方法简单，制造成本低廉，性质稳定，可以方便地制备成易于商品化的试剂盒，供大规模测试需要，试剂盒及时测定，一次性使用，无维护成本，不用担心血液凝块问题，成本低廉，大大提高了检测便捷度。
利用本发明提供的测定方法，使用96孔板的试剂盒，25s即可实现一个样本的测定，加上每次换孔板所需的约5s时间，那么96孔板平行测量时，一小时内可以测量大约96*3600/30＝11520个样品，预计每小时可以测量10000以上个样品，而目前离子选择性电极法的测量通量约600个/小时，远远高于现有方法的测量速度，为离子含量检测尤其是临床血钾离子的测定提供了新的高通量途径。
实施例9
将质量分数6.6％。的1mg的钾离子载体、4.6％的0.7mg的离子交换剂四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠、2.6％的0.4mg的生色离子载体I以及3.3％的5mg两性嵌段同聚物普朗尼克F-127和53.0％的8mg的母体材料双(2-乙基己基)癸二酸酯分别溶解于3mL的四氢呋喃中得到混合溶液；将混合溶液加入到100mL倍体积、pH为6.8的三(羟甲基)氨基甲烷-盐酸(Tris-HCl)缓冲液中，重复摇晃待体系达到平衡，通过减压去除四氢呋喃，即得钾离子纳米传感器的分散液，向分散液中，加入约1％质量比的琼脂糖，加热至96摄氏度使琼脂糖溶解，在溶液冷却温前置于比色皿中，待冷至室温，得钾离子传感水凝胶。
实施例10
将质量分数10.4％的2mg的钾离子载体、7.3％的1.4mg的离子交换剂四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠、4.2％的0.8mg的生色离子载体以及26.0％的5mg两性嵌段同聚物普朗尼克F-127和52.1％的10mg的母体材料双(2-乙基己基)癸二酸酯分别溶解于5mL的四氢呋喃中得到混合溶液；将混合溶液加入到50倍体积、pH为7.4的磷酸缓冲液中，重复摇晃待体系达到平衡，通过减压去除四氢呋喃，即得钾离子纳米传感器的分散液，向分散液中，加入约1.5％质量比的琼脂糖，加热至95摄氏度使琼脂糖溶解，在溶液冷却温前置于比色皿中，待冷至室温，得钾离子传感水凝胶。
实施例11(抗化学背景干扰实验)
配置标准样品A1：含有0.01mol/L的KCl的水溶液；
配置对照样品A2：含有0.01mol/L的KCl，0.1mol/L的NaCl，0.001mol/L的MgCl2和0.001mol/L的GaCl2的水溶液。
分别向实施例9制备得到的两份传感水凝胶中，加入标准样品A1和对照样品A2，使样品溶液与凝胶充分接触，每隔5S，在平行于钾离子进入凝胶的方向，用紫外-可见分光光度计测量凝胶装置在665nm处的吸光度，以吸光度对时间的二分之一次方作图，参见图5。
如图5所示，在有干扰离子背景和没有干扰离子背景条件下测得的信号相同，体现以吸光度对时间的二分之一次方作图的斜率，这说明传感器水凝胶对钾离子具有良好的选择性，可以阻止化学背景的干扰，保证了目标离子含量测定的准确性。
实施例12(样本pH干扰对结果的影响)
配置标准溶液B1：含有0.001mol/L的KCl，调节pH至等于5；
配置标准溶液B2：含有0.001mol/L的KCl，调节pH至等于7；
配置标准溶液B3：含有0.001mol/L的KCl，调节pH至等于9；
分别向实施例10制备得到的传感水凝胶中，加入标准溶液B1，B2和B3，使溶液与凝胶充分接触，每隔0.5分钟的时候，在平行于钾离子进入凝胶的方向，用紫外-可见分光光度计测量凝胶装置在665nm处的吸光度，以吸光度对时间的二分之一次方作图，参见图6。
如图6所示，具有不同pH的样品测得的信号相同，体现在以吸光度对时间的二分之一次方作图的斜率相同，说明样品的酸碱度对测定结果几乎无干扰，因而无需控制样品的pH，节约了检测成本和时间，大大提高了检测效率。
实施例13
将质量分数6％的2.5mg的钠离子载体(Sodium Ionophore 10)、2.5％的1mg的离子交换剂四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠、12％的5mg的生色离子载体II以及60％的25mg两性嵌段同聚物普朗尼克F-127和20％的8mg的母体材料双(2-乙基己基)癸二酸酯分别溶解于0.1mL/mg的四氢呋喃中得到混合溶液；将混合溶液加入到10倍体积的去离子水中，重复摇晃待体系达到平衡，通过在液体表面鼓吹空气去除四氢呋喃，即得钠离子纳米传感器的分散液。
取钠离子纳米传感器的分散液，加入约5％质量比的琼脂糖，加热至95摄氏度使琼脂糖溶解，在热的分散液置于比色皿中，冷却至室温后即得钠离子传感水凝胶。
向制备得到的钠离子传感水凝胶中，分别加入浓度,1.0，0.3，0.1，0.03，0.01mol/L的钠离子标准溶液，使标准溶液与凝胶充分接触，在平行于样品中钾离子进入水凝胶装置的方向；针对同一浓度的钾离子溶液，分别每隔5秒，用紫外-可见分光光度计测量凝胶装置在665nm处的吸光度，以吸光度对时间的二分之一次方作图，分别建立不同浓度下，吸光度-时间二分之一次方的线性相关的标准曲线，参见图9。
利用动态光散射测得钠离子纳米传感器分散液中纳米传感器的粒径为61±1nm，PDI为0.08±0.01。
本实施例制备得到的纳米传感器水凝胶与实施例2的不同在于将纳米传感器内的钾离子载体替换成了钠离子载体，因而得到了钠离子选择性的纳米传感器和相应的水凝胶，并能以与钾离子纳米传感器水凝胶相同的方式实现钠离子含量的测定，并具备相同的优点。因此，通过简单的离子载体的置换，在合适的组分比例范围内，便可以制备得到不同离子选择性的纳米传感水凝胶，实现更广泛的离子定性和定量分析。
实施例14
将质量分数23％的3.5mg的钠离子载体、12％的1.8mg的离子交换剂四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠、20％的3mg的生色离子载体I以及25％的3.8mg聚乙二醇(PEG)和20％的3mg的母体材料双(2-乙基己基)癸二酸酯分别溶解于0.1mL/mg的四氢呋喃中得到混合溶液；将混合溶液加入到20倍体积的质量分数为3％的PEG水溶液中，重复摇晃待体系达到平衡，通过减压去除四氢呋喃，即得钾离子纳米传感器的分散液。
向分散液中，加入约0.5％质量比的几丁质，加热至几丁质溶解，在溶液冷却温前置于比色皿中，待冷至室温，即得钠离子传感凝胶。
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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (34)

1.一种用于检测目标离子浓度的装置，其特征在于，包括：
凝胶本体，所述凝胶本体是由凝胶与分散介质形成的；以及
纳米传感器，所述纳米传感器设置在所述凝胶本体中，所述纳米传感器对所述目标离子具有选择性；
所述纳米传感器的直径为20～200nm，并且所述纳米传感器的粒度分布指数PDI不超过0.4；
所述纳米传感器包括：芯体和形成在所述芯体表面的表面活性剂，所述表面活性剂为选自两性嵌段共聚物、聚乙烯醇的至少之一，
其中，所述芯体含有：
离子交换剂，所述离子交换剂为选自四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠、四(4-氯苯基)硼酸钾的至少之一；
生色离子载体，所述生色离子载体为选自生色离子载体I,II,III,VII的至少之一；以及
目标离子载体，所述目标离子载体为选自钠离子载体，钾离子载体，钙离子载体的至少之一。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述凝胶包括选自琼脂糖、几丁质、聚乙二醇、聚乙烯醇和聚丙烯酰胺的至少之一。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分散介质是pH缓冲盐水溶液，所述缓冲盐水溶液的pH为5-9。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述纳米传感器的直径为40～150nm，并且所述纳米传感器的粒度分布指数PDI不超过0.3。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述芯体还含有母体材料。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述纳米传感器为钾离子纳米传感器。
7.一种用于检测目标离子含量的系统，其特征在于，包括：
权利要求1～6任一项所述的用于检测目标离子含量的装置；
信号捕获装置，所述信号捕捉装置被配置为适于捕获所述凝胶本体的物理特征信号；
信号分析装置，所述信号分析装置被配置为适于基于所述物理特征信号，确定待测样本中的目标离子的含量。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述物理特征信号包括所述凝胶本体的颜色和吸光度的至少之一。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述信号捕获装置为选自光谱仪、相机或酶标仪。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述信号分析装置被配置为适于基于预先设定的信号-含量关联而确定所述待测样本中的目标离子含量。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述预先设定的信号-含量关联是基于相同时段内，在垂直于扩散方向上，凝胶本体颜色变化距离与含量的对数成线性相关而确立的。
12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述预先设定的信号-含量关联是基于在扩散方向上，凝胶本体吸光度的相对时间二分之一次方的变化速度与含量的对数成线性相关而确立的。
13.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述预先设定的信号-含量关联是基于在扩散达到平衡后，凝胶本体吸光度与含量具有相关性而确立的。
14.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述预先设定的信号-含量关联是基于在扩散达到平衡后，凝胶本体的颜色与含量具有相关性而确立的。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述信号捕获装置被配置为适于通过肉眼观察。
16.根据权利要求10～14任一项所述的系统，其特征在于，所述预先设定的信号-含量关联是以标准曲线的形式提供的。
17.一种制备权利要求1～6任一项所述的装置的方法，其特征在于，包括：
将纳米传感器设置在凝胶本体中，以便获得所述装置，
其中，所述凝胶本体是由凝胶和分散介质形成的，所述纳米传感器对所述目标离子具有选择性。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，包括：
(a)将含有所述纳米传感器的分散液与凝胶分散相原料混合；
(b)将步骤(a)中所得到的混合物加热至凝胶分散相原料溶解；以及
(c)将步骤(b)中所得到的混合物冷却，以便得到所述装置。
19.根据权利要求17～18任一项所述的方法，其特征在于，所述凝胶包括选自琼脂糖、几丁质、聚乙二醇、聚乙烯醇和聚丙烯酰胺的至少之一；以及所述纳米传感器分散液的制备方法，包括：
(a)将表面活性剂、离子交换剂、生色离子载体、目标离子载体溶解于有机溶剂中，
(b)将(a)步骤所得有机溶液加入到分散介质中，混合，待体系达到平衡，
(c)基于(b)步骤形成的平衡体系，除去其中的有机溶剂；
其中，
所述表面活性剂为选自两性嵌段共聚物、聚乙烯醇的至少之一，
所述离子交换剂为选自四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠，四(4-氯苯基)硼酸钾的至少之一；
所述生色离子载体为选自生色离子载体I,II,III,VII的至少之一；
所述目标离子载体为选自钠离子载体，钾离子载体，钙离子载体的至少之一；
所述分散介质选自水或选自磷酸盐，Tris-HCl,Tris-H2SO4,HEPES,Mes-NaOH,Tris-Mes的缓冲盐水溶液或选自聚乙二醇水溶液；
且所述分散介质的pH为5～9；
所述有机溶剂为选自四氢呋喃，1,4-二氧六环，乙醚，二氯甲烷，氯仿，甲苯，二甲苯，乙酸乙酯，乙酸甲酯，石油醚，正己烷的至少之一。
20.一种用于检测待测样本中目标离子的方法，其特征在于，所述方法采用权利要求7～16任一项所述的系统，所述方法包括：
使所述待测样本与所述用于检测离子的装置接触；
用所述信号捕获装置捕获所述凝胶本体的物理特征信号；
利用所述信号分析装置被配置为基于所述物理特征信号，确定待测样本中的目标离子含量。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述目标离子是钠离子、钾离子或钙离子中的至少一种。
22.根据权利要求20所述的方法，所述样本包括生物样本或非生物样本。
23.根据权利要求22所述的方法，所述生物样本选自全血、血浆、血清或尿液。
24.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述物理特征信号包括所述凝胶本体的颜色和吸光度的至少之一。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述信号捕获装置为选自光谱仪、相机或酶标仪。
26.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述信号分析装置被配置为适于基于预先设定的信号-含量关联而确定所述待测样本中的目标离子含量。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述预先设定的信号-含量关联是基于相同时段内，在垂直于扩散方向上，凝胶本体颜色变化距离与含量的对数成线性相关而确立的。
28.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述预先设定的信号-含量关联是基于在扩散方向上，凝胶本体吸光度的相对变化速度与含量的对数成线性相关而确立的。
29.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述预先设定的信号-含量关联是基于在扩散达到平衡后，凝胶本体吸光度与含量具有相关性而确立的。
30.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述预先设定的信号-含量关联是基于在扩散达到平衡后，凝胶本体的颜色与含量具有相关性而确立的。
31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所述信号捕获装置被配置为适于通过肉眼观察。
32.根据权利要求26～30任一项所述的方法，其特征在于，所述预先设定的信号-含量关联是以标准曲线的形式提供的。
33.一种用于检测目标离子的试剂盒，其特征在于，包括：
凝胶分散相原料；
分散介质；以及
纳米传感器，所述纳米传感器是如权利要求1～6中任一项所述限定的。
34.一种用于检测目标离子的试剂盒，其特征在于，包括：
凝胶分散相原料；
分散介质；
表面活性剂，所述表面活性剂为选自普朗尼克F-127的两性嵌段共聚物或选自聚乙烯醇的至少之一
离子交换剂，所述离子交换剂为选自四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠，四(4-氯苯基)硼酸钾的至少之一；
生色离子载体，所述生色离子载体为选自生色离子载体I,II,III,VII.的至少之一；以及
目标离子载体，所述目标离子载体为选自钠离子载体，钾离子载体，钙离子载体的至少之一。
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