CN107835940B - 增强的氯离子选择性膜 - Google Patents
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Abstract
提供了一种氯离子选择性膜，其包含与化学计算量的氨基化合物和活化剂反应的基于环氧化物的基质，使得所述基于环氧化物的基质包含许多季铵基团。
Description
本申请根据35 USC§119（e）要求2015年5月18日提交的美国临时申请号62/162,843的权益。上述参考的专利申请的全部内容以此通过引用明确地并入本文。
技术领域
本公开一般涉及诊断测试领域，并且更具体地涉及改进的氯离子选择性膜，结合了其的电极以及用于制造其的方法。
背景技术
离子选择性电极（ISE）通常包含增塑聚合物基质，其包含对感兴趣的离子具有选择性的离子载体或其它离子物质。例如，已经开发了用于检测和/或测定钠（Na+）、钾（K+）、镁（Mg2+）、钙（Ca2+）和氯离子（Cl-）的离子选择性电极。
在用于这样的离子物质的多种诊断测定中，可以为感兴趣的分析物提供正偏差或负偏差的干扰物是特别关注的。因此，一个要求是相关的离子选择性电极为特定的离子提供足够的选择性。另外，现在可以理解，某些类型的样品可能对离子选择性电极产生不利影响。例如，氯根离子选择性电极已被证明倾向于通过某些化合物将增塑剂和离子载体从膜中提取出来，从而导致膜的灵敏度受到损害。此外，特别对于血清、尿液、血浆和全血等生物流体，认为亲脂性阴离子物质如碳酸氢根、水杨酸根和肝素可通过与电极膜上的活性位点结合而进一步干扰氯离子检测。
美国专利号7,384,523提出了一种针对具有氯离子选择性膜的氯离子传感器的解决方案，该氯离子选择性膜包含环氧树脂和选自聚酰胺、酰氨基胺及其混合物的胺试剂。为了提供足够的用于检测氯离子的季铵官能团，胺试剂以化学计算过量提供。用于提供氯离子传感器改进的灵敏度、稳定性、再现性和使用寿命的其他解决方案是需要的。
附图简述
在下面的描述中参考附图来解释本发明，附图示出：
图1示出了根据本发明的一个方面的包括氯离子选择性膜的示例性传感器。
图2示出了模拟血清样品中每4小时校准的传感器的两周稳定性。根据本发明的一个方面。 图3示出了根据本发明的另一个方面，在15天的时间内60mg/dL水杨酸盐加标血清样品对传感器的<10％干扰。
图4示出了根据本发明的另一方面暴露于肝素化血浆样品时氯离子传感器的稳定性。
发明详述
一方面，本发明人已经开发了氯离子选择性膜，其包含与化学计算量的氨基化合物和活化剂反应的基于环氧化物的基质，使得基于环氧化物的基质包含许多季铵基团。样品中季铵位点与氯离子之间的反应产生电位信号，用于确定样品中氯离子的量。如本文所述的膜表现出离子选择性电极的优异的灵敏度、稳定性、再现性和改进的使用寿命，特别是对于生物样品。在一个方面，如本文所述的膜可以形成结构屏障，其基本上限制潜在的亲脂性干扰物例如碳酸氢盐、水杨酸盐、肝素和蛋白质扩散到膜中，从而改进膜的使用寿命和性能。
根据另一方面，提供了一种氯离子选择性膜，其包含化学计算量的环氧树脂、氨基化合物和活化剂，其中所述活化剂促进所述组分之间的反应以提供所述膜多个季铵官能团。
根据另一方面，提供了形成氯离子敏感膜的方法，其包括将化学计算量的环氧树脂、氨基化合物和活化剂组合，其中活化剂促进组分之间的反应以提供膜多个季铵官能团。
如本文所使用的，术语“约”是指所述值的±10％的值。
如本文所用，术语“烷基”是指可以是直链或支链的饱和脂族烃链和取代的饱和脂族烃链。
如本文所用，术语“芳基”是指含有稠合在一起，直接连接或间接连接的单个芳环或多个芳环的基团。
如本文所用，短语“有效量”是指适于实现预期结果的材料的量。
如本文所用，术语“化学计算量”是指理论上需要与至少第二组分的全部反应性基团反应的组分的量。
膜的基于环氧化物的基质可以包含任何包含一个或多个环氧基团的组合物（例如化合物、聚合物等），所述环氧基团可以与氨基化合物、活化剂和/或如本文所述的氨基化合物与活化剂之间的反应的产物反应。在一个实施方案中，基于环氧化物的基质包含每分子具有预定数量的环氧基团的环氧树脂。例如，在一个实施方案中，环氧树脂每个分子可具有多于一个环氧基团，且在另一个实施方案中，每个分子可具有多于约1.5个环氧基团。此外，环氧树脂可以是饱和或不饱和的，直链或支链的，脂族的，脂环族的，芳族的或杂环的，并且是取代的或未取代的。用于本文的示例性环氧树脂包括但不限于2,2-双(4-羟基苯基)丙烷（双酚-A）；2,2-双(4-羟基-3-叔丁基苯基)丙烷；1,1-双(4-羟基苯基)乙烷；1,1-双(4-羟基苯基)异丁烷；和1,1-双(4-羟基-3-烷基苯基)乙烷。许多环氧树脂是市场上可买到的，并且可以用在本文所述的膜中，例如可得自Resolution Performance Products的EPONTM环氧树脂；可得自Dow Chemical Company的DERTM环氧树脂；和可得自Huntsman AdvancedMaterials的AralditeTM环氧树脂。在一个特别的实施方案中，环氧树脂可以包含DERTM331，其包含表氯醇和双酚A之间的液体反应产物（DER 331）。本发明人已经发现DERTM 331为本文所述的膜提供特别稳定的基于环氧化物的基质。
氨基化合物可以包含任何合适的包含一个或多个氨基的化合物，所述氨基将与基于环氧化物的基质的环氧基团反应。氨基化合物可以包含伯胺、仲胺和/或叔胺。虽然可以在膜中提供伯胺和/或仲胺，因为伯胺和/或仲胺可以最终在连续反应中转化为期望的季铵位点，但是在一个实施方案中，氨基化合物包含可以直接转化为期望的季铵位点的叔胺。起始自叔胺允许单一步骤提供期望的季铵位点并简化生产期望的膜所需的反应。
一方面，叔胺包含多胺，其中不饱和且未取代的碳链存在于多胺中的两个相邻氨基之间。尽管不希望受理论束缚，但据信碳链越大，得到的化学网络越具刚性。刚性化学网络可有助于形成结构屏障，以阻止诸如碳酸氢盐、水杨酸盐和肝素之类的干扰物渗透膜。
在某些实施方案中，氨基化合物可以包含二胺。这样，氨基化合物可以再次包含多个氨基，其在与基于环氧化物的基质的环氧基团反应的过程中可以提供所需的季铵位点。季铵位点对样品中的氯离子具有选择性。在一个实施方案中，季铵位点可以具有下式：
NR4 +，其中例如R=氢、烷基或芳基。
在具体的实施方案中，氨基化合物可以包含叔多胺如叔二胺。用于本文的示例性叔多胺包括但不限于N,N,N',N'-四甲基-1,6-己二胺(TMHA)、N,N,N',N'-四甲基-2-丁烯-1,4-二胺（TMBEA）和N,N,N',N'-四甲基-1,4-丁二胺（TMBA）。
活化剂可包含相对于不包含活化剂的方法而言促进基于环氧化物的基质中的季铵官能团的产生的任何合适的化合物。在一个实施方案中，活化剂包含与氨基化合物反应以产生两种离子物质的化合物，其中的每一种将与含环氧基团的单体或由基于环氧化物的基质提供的化合物反应。在一个实施方案中，活化剂包含硫醇化合物。在一个特别的实施方案中，活化剂包含多硫醇化合物，例如具有四个巯基的多硫醇。示例性的多硫醇包括但不限于季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)、三羟甲基丙烷三(3-巯基丙酸酯)和乙二醇二(3-巯基丙酸酯)。虽然不希望被理论所束缚，但也认为活化剂可有助于维持基于环氧化物的基质中所需的结构。基于环氧化物的基质的三维结构可能是基质如何有效地作为潜在干扰物如碳酸氢盐、水杨酸盐和肝素的屏障的一个促成因素。例如，更有限的孔隙度将有助于充当干扰物的屏障。
在某些实施方案中，氨基化合物可以被活化剂质子化以提供一对反应性物质，其中的每一种可以与含环氧基团的化合物反应以最终产生具有季铵官能团的期望的基于环氧化物的基质。在特定的示例性实施方案中，膜的制备根据以下反应进行。
首先，有效量的氨基化合物和活化剂反应以提供一对反应性离子物质：
这可以被称为“活化阶段”。接着，根据以下反应（“聚合阶段”），反应性物质可以与基于环氧化物的基质的环氧化物单体反应：
在上述反应中，在一个实施方案中，R1可以是烷基；R2可以包含烷基；并且R3可以包含二缩水甘油醚(diglycidal ether)。
根据本发明的一个方面，氨基化合物、活化剂和环氧化物基树脂以相对于彼此化学计算量提供。如上所述，已知的环氧基氯离子选择性膜被认为有必要使用化学计算过量的组分来为膜提供期望的季铵官能团。本发明的方面通过仅使用化学计算量的反应物来提供膜足够的季铵基团，由此实现材料和生产时间和成本的节约。
在一个方面，氨基化合物和活化剂以相对于基于环氧化物的基质中的环氧基团的数量的化学计算量提供。在一个实施方案中，该化学计算量在0.5:1至约1.5:1的范围内，如约1:1。
另一方面，氨基化合物和活化剂可以相对于彼此化学计算量提供。在一个实施方案中，氨基化合物相对于活化剂的量的化学计量比也可为约0.5:1至约1.5:1，例如约1:1。
在某些实施方案中，所述膜还可以包括有效量的用于所述膜组分的溶剂，以使所述膜达到合适的粘度以放置在用于生产电极的相关联的基材上。在一个实施方案中，溶剂包含用于已知离子选择性膜的有机溶剂，如苯甲醛、环己酮、异佛尔酮、二甲苯、四氢呋喃、甲苯等。
如本文所述的氯离子选择性膜的各种实施方案可以被结合到用于离子选择性电极和/或传感器的任何合适的结构中，如本领域公知的那样，以形成氯离子敏感电极。典型地，所描述的氯离子选择性膜是通过如本领域已知的将膜（或其组分单独形成膜）分配在惰性基材上以形成电极的一部分来生产的。在某些实施方案中，膜可以与聚合物层、电极层、导体层和/或转导物层一起作为电极中的层施加在基材上。本文所述的膜可以结合到其中的示例性结构进一步阐述在例如美国专利号7,384,523；6767450；和5,102,527；美国公开专利申请号20140158536；和WO2014092543A1中。这些参考文献中的每一个的全部内容通过引用结合于此。
图1显示了包含如本文所述的氯离子选择性膜的示例性传感器10。传感器10包括壳体12，其可以由任何合适的惰性材料形成。如本领域中已知的，设置在壳体12内的是流体连接器14和电连接器19。流体连接器14允许将样品和/或其他流体引入到传感器10中并且将样品和/或其他流体传送到流体通道构件16。包含如本文所述的氯离子选择性膜18的传感器板20是布置成使得引入到传感器10的样品传送到流体通道构件16并于传感器板20上方。在一个实施方案中，传感器板20包括由惰性材料形成的陶瓷基材或其它基材。电连接器19构造成检测膜18上的季铵位点与样品中的氯离子之间的反应时产生的电位信号。信号可以被传送到数据收集系统，如本领域中已知的用于处理。
根据另一方面，包含如本文所述的氯离子选择性膜的电极可设置在采用多个额外电极的筒中，用于检测选自例如钠、钾、镁和钙等的至少一种离子物质。在其他实施方案中，包含如本文所述的氯离子选择性膜的电极可设置在采用多个额外电极的筒中，用于检测一种或多种物质或性质，例如pH、钾离子、钠离子、镁离子等中的一种或多种。
包含如本文所述的氯离子选择性膜的电极适用于怀疑其中具有一定量的氯离子的任何样品。在一个实施方案中，电极适用于生物样品。生物样品可以来自人或非人受试者。此外，样品可来源于全血，血清，血浆，痰，淋巴液，精液，阴道粘液，粪便(feces)，尿液，脊髓液，唾液，粪便(stool)，脑脊液，眼泪，粘液等；生物组织例如头发，皮肤，切片或来自器官或其他身体部位的切除的组织等等。应理解，本领域技术人员会理解的是，样品可经历将样品提交到电极所需的任何预处理或准备。
另一方面，提供了形成具有上述组分的氯离子敏感膜的方法。在一个实施方案中，该方法包括将化学计算量的环氧树脂、氨基化合物和活化剂组合，其中活化剂促进组分之间的反应以提供膜多个季铵官能团。在某些实施方案中，氨基化合物和活化剂可以组合，并在它们与环氧树脂组合之前允许反应。
本发明的各方面通过以下实施例来说明，其不意在以任何方式进行限制。
实施例
实施例1：氯离子传感器膜和电极的制备
氯根离子选择性膜传感器的制备
改性的双酚A环氧树脂（DER 331）（Dow Chemical（Midland，MI））、N,N,N',N'-四甲基-1,6-己二胺（TMHA）、季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)购自Sigma Aldrich（St. Louis，MO）。
化学计算量的环氧树脂和固化剂（叔胺和硫醇）由每种组分的平均当量环氧化物或胺氢重量（EEW或AHEW）计算。向20mL玻璃小瓶中加入1.9g DER 331、0.61g季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)、0.43g N,N,N',N'-四甲基-1,6-己二胺（TMHA）。加入0.5mL溶剂THF并搅拌以产生均匀的混合物。将混合物手动或自动涂覆到一次性陶瓷基材上的Ag/AgCl电极的表面上。将基材在80℃下加热5分钟以促进交联反应。
实施例2：环氧基氯离子传感器选择性
上述具有环氧膜的基材被安装到具有橡胶流体通道膜的塑料筒中。成品在Siemens Dimension Vista Clinical Chemistry Analyzer上进行测试。在14天的稳定性研究中每4小时自动校准一次。测量这种氯离子传感器对高水平水杨酸盐（60mg/dL）的加标马血清样品的选择性。
图2显示根据实施例1形成的传感器在模拟血清样品中每4小时校准的两周稳定性（x轴=天）。
图3显示了在15天的时间内传感器暴露于60mg/dL水杨酸盐加标血清样品时<10％的干扰。
实施例3：环氧基氯离子传感器选择性
血浆样品中的肝素可通过渗入选择性PVC膜而降解常规ISE传感器，并因此导致灵敏度降级和/或错误恢复。在该实施例中，使用所提出的环氧氯离子传感器测量了高体积的5000血浆样品。在14天的研究中，每天测量500个血浆样品。传感器保持稳定的斜率并以最小偏差恢复。
图4示出了根据本发明的一个方面暴露于肝素化血浆样品时根据实施例1形成的传感器的稳定性（x轴=天）。
虽然本文已经显示和描述了本发明的各种实施方案，但会是显而易见的是，这样的实施方案仅仅是作为示例提供的。在不背离本发明的情况下可以进行许多变化、改变和替换。因此，本发明意图仅由所附权利要求的精神和范围来限制。
本发明是包含氯离子选择性膜的氯离子选择性电极。氯离子选择性膜包含与化学计算量的氨基化合物和活化剂反应的基于环氧化物的基质，使得基于环氧化物的基质包含许多季铵基团。
膜的氨基化合物可以包含叔胺。叔胺可以是选自以下的成分：N,N,N',N'-四甲基-1,6-己二胺（TMHA）、N,N,N',N'-四甲基-2-丁烯-1,4-二胺（TMBEA）和N,N,N',N'-四甲基-1,4-丁二胺（TMBA）。此外，叔胺可以包含多胺，其中不饱和且未取代的碳链存在于多胺中的两个氨基之间。
膜的活化剂可以包含硫醇化合物。硫醇化合物可以包含选自季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)、三羟甲基丙烷三(3-巯基丙酸酯)和乙二醇二(3-巯基丙酸酯)的成分。
该膜的基于环氧化物的基质可以包含环氧树脂。此外，环氧树脂可以包含表氯醇和双酚A之间的液体反应产物（DER 331）。
膜中氨基化合物与活化剂可构成约0.5:1至约1.5:1的化学计量比，包括1:1的比率。
氨基化合物和活化剂相对于膜中基于环氧化物的基质中的环氧基团的数量可构成约0.5:1至约1.5:1的化学计量比，包括1:1的比率。
上述氯离子选择性电极可以是传感器组合件的一部分，该传感器组合件还包括用于检测选自钠、钾、镁和钙的离子物质的至少一个额外的传感器。
在另一个实施方案中，本发明是包含氯离子选择性膜的氯离子选择性电极，所述膜包含化学计算量的基于环氧化物的基质、胺和活化剂，其中活化剂促进组分之间的反应以提供膜多个季铵官能团。
膜的氨基化合物可以包含叔胺。叔胺可以是选自以下的成分：N,N,N',N'-四甲基-1,6-己二胺（TMHA）、N,N,N',N'-四甲基-2-丁烯-1,4-二胺（TMBEA）和N,N,N',N'-四甲基-1,4-丁二胺（TMBA）。此外，叔胺可以包含多胺，其中不饱和且未取代的碳链存在于多胺中的两个氨基之间。
膜的活化剂可以包含硫醇化合物。硫醇化合物可以包含选自季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)、三羟甲基丙烷三(3-巯基丙酸酯)和乙二醇二(3-巯基丙酸酯)的成分。
该膜的基于环氧化物的基质可以包含环氧树脂。此外，环氧树脂可以包含表氯醇和双酚A之间的液体反应产物（DER 331）。
膜中氨基化合物与活化剂可构成约0.5:1至约1.5:1的化学计量比，包括1:1的比率。
氨基化合物和活化剂相对于膜中基于环氧化物的基质中的环氧基团的数量可构成约0.5:1至约1.5:1的化学计量比，包括1:1的比率。
上述氯离子选择性电极可以是传感器组合件的一部分，该传感器组合件还包括用于检测选自钠、钾、镁和钙的离子物质的至少一个额外的传感器。
另一个实施方案是形成氯离子敏感膜的方法，其包括：
将化学计算量的基于环氧化物的基质、氨基化合物和活化剂组合，其中所述活化剂促进所述组分之间的反应以提供膜多个季铵官能团。
组合步骤可以包括将氨基化合物和活化剂组合以使氨基化合物和活化剂反应；并且将经反应的氨基化合物和活化剂加入到基于环氧化物的基质中以形成多个季铵官能团。
在该方法中，氨基化合物可以包含叔胺。叔胺可以是选自以下的成分：N,N,N',N'-四甲基-1,6-己二胺（TMHA）、N,N,N',N'-四甲基-2-丁烯-1,4-二胺（TMBEA）和N,N,N',N'-四甲基-1,4-丁二胺（TMBA）。此外，叔胺可以包含多胺，其中不饱和且未取代的碳链存在于多胺中的两个氨基之间。
在该方法中，活化剂可以包含硫醇化合物。硫醇化合物可以包含选自季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)、三羟甲基丙烷三(3-巯基丙酸酯)和乙二醇二(3-巯基丙酸酯)的成分。
在该方法中，基于环氧化物的基质可以包含环氧树脂。此外，环氧树脂可以包含表氯醇和双酚A之间的液体反应产物（DER 331）。
在该方法中，膜中氨基化合物与活化剂可构成约0.5:1至约1.5:1的化学计量比，包括1:1的比率。此外，氨基化合物和活化剂相对于膜中基于环氧化物的基质中的环氧基团的数量可构成约0.5:1至约1.5:1的化学计量比，包括1:1的比率。
Claims (9)
1.一种氯离子选择性膜，其包含：
与化学计算量的氨基化合物和活化剂反应的基于环氧化物的基质，使得所述基于环氧化物的基质包含许多季铵基团，和其中所述氨基化合物和所述活化剂相对于所述基于环氧化物的基质中的环氧基团的数量的化学计量比为约1:1，且其中所述氨基化合物与所述活化剂的化学计量比为约1:1，其中所述氨基化合物为N,N,N',N'-四甲基-1,6-己二胺(TMHA)，而所述活化剂为季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)。
2.权利要求1所述的膜，其中所述基于环氧化物的基质包括环氧树脂。
3.权利要求2所述的膜，其中所述环氧树脂包括表氯醇和双酚A之间的液体反应产物。
4.一种氯离子选择性电极，其包含权利要求1至3中任一项中所述的膜。
5.一种传感器组合件，包括权利要求4的氯离子选择性电极和至少一个额外的传感器，用于检测选自钠、钾、镁和钙的离子物质。
6.一种形成氯离子敏感膜的方法，包括：
将化学计算量的基于环氧化物的基质、氨基化合物和活化剂组合，其中所述活化剂促进组分之间的反应以向膜提供多个季铵官能团，和其中所述氨基化合物和所述活化剂相对于所述基于环氧化物的基质中的环氧基团的数量的化学计量比为约1:1，且其中所述氨基化合物与所述活化剂的化学计量比为约1:1，其中所述氨基化合物为N,N,N',N'-四甲基-1,6-己二胺(TMHA)，而所述活化剂为季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)。
7.权利要求6所述的方法，其中所述组合包括：
组合所述氨基化合物和所述活化剂以使所述氨基化合物和所述活化剂反应；和
将经反应的氨基化合物和活化剂加入到环氧树脂中以形成多个季铵官能团。
8.权利要求6或7所述的方法，其中所述基于环氧化物的基质包括环氧树脂。
9.权利要求8所述的方法，其中所述环氧树脂包括表氯醇和双酚A之间的液体反应产物。
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