CN108027341B - 具有氧化还原活性表面区域的固态电极和传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了固态电极，所述固态电极包括用于分析物感测设备和各种产品平台设备中的氧化还原活性表面区域。

Description

具有氧化还原活性表面区域的固态电极和传感器
背景技术
技术领域
本发明提供了具有适用于电化学分析(包括pH测量)的经优化的表面特性和几何结构的固态电极，以及用于制备和使用本发明的材料及包含这些材料的电极、传感器和各种产品平台设备的方法。因此，本发明涉及化学领域，尤其是电化学领域，以及分析物测量领域，尤其是pH测量领域，以及进行此类测量的各种领域。
相关公开内容说明
此前已经描述了基于分析物不敏感材料(“AIM”)和/或分析物敏感材料(“ASM”)电化学的电极和分析物感测设备。参见例如美国专利No.4,857,167、No.5,223,117、No.7,901,555、No.8,177,958、No.8,197,650、No.8,506,779、No.8,562,797、No.8,877,037、No.8,956,519、No.8,961,754，以及PCT公布No.2010/026842、No.2010/028726、No.2011/045385、No.2013/112767、No.2013/134582、No.2014/106066和No.2015/035428，这些专利中的每一篇以引用方式并入本文。利用AIM二茂铁的电极在以下文献中有所描述：Lafitteet al.(2008),Electrochemistry Communications,10(12),1831-1834(Lafitte等人，2008年，《电化学通讯》，第10卷第12期，第1831-1834页)；Hickman et al.(1991),Science,252(5006),688-691(Hickman等人，1991年，《科学》，第252卷第5006期，第688-691页)；Robinson and Lawrence(2006),Electroanalysis,18(2006)677-683(Robinson和Lawrence，2006年，《电分析》，第18卷第2006期，第677-683页)；以及Robinson andLawrence(2008),Analytical Sciences 24.339-343(Robinson和Lawrence，2008年，《分析科学》，第24卷，第339-343页)。
利用ASM/AIM和方波伏安法(SWV)的电化学传感器(有时称为“伏安传感器”)因提供“免校准”感测的可能性(意味着传感器不必由最终用户校准)而被交口赞誉，尤其适用于pH测量。在这些传感器中，由WE生成的pH敏感信号和由IE生成的pH不敏感信号通过给定的分析物使用SWV方法同时生成。如果分析物是水合氢离子(用于pH测量)，则ASM工作电极(“WE”)响应于水合氢离子浓度的变化而改变电势，而pH计中指示电极(“IE”)的理想AIM产生不随pH变化的恒定电势。如图1所示，相对于参比电极(RE)电势测量这两个电势。
继续参见图1，A部分示出了不存在RE时WE的信号偏移。离开RE的参考数据，将无法理解A部分所示的WE偏移。B部分示出了RE的信号偏移，从而提供了所观察到的WE偏移的背景。C部分示出了基于所观察到的RE的信号偏移数据校正WE和IE的信号偏移的过程。
因此，通过校正信号漂移的过程，WE(即，ASM)和IE(即，AIM)信号之间的差值或偏移可与pH或其它分析物相关联。理想情况下，该差值与RE的绝对电势无关，其中RE可为常规参比电极(“CRE”，例如，KCl溶液中的Ag/AgCl或Hg2Cl2线)或伪参比电极(“PRE”，例如，暴露的固体铂、银或Ag/AgCl线)。因此，对于伏安传感器而言，RE的变化对结果的影响比在常规电位计pH传感器中的影响小得多，所述常规电位计pH传感器完全依赖于RE的稳定性和准确性。实际上，对于伏安传感器，可使用更简单的PRE取代CRE。
然而，对免校准传感器技术的需求仍然存在，因为被称为“免校准”的传感器在实践中并没有被证明为是无需校准的，并且/或者在准确度和信号强度方面存在缺陷。例如，现有技术中基于二茂铁(Fc)的AIM电极(IE)通常具有较弱并且噪音相对较高的信号。另外，现有技术的IE和WE生成相对弱和/或不稳定的信号，特别是在严苛的测试条件下。另外，这些电极的几何结构和/或官能团密度未针对改善信号水平的目的进行优化。此外，可获得的官能团密度通常低于反应位点的密度，这导致信号水平低以及随之产生的电极电势测量的不确定性。
此外，此前提供完全固态的干湿可逆pH传感器的尝试并没有形成商业产品；在本发明之前，仍然没有基于AIM/ASM固态技术的商业化的固态pH计。由于WE无法产生足够的信号强度，在使用或储存期间信号衰减过快，在足够宽的pH范围内灵敏度不足，和/或对分析物样本或其它使用条件的稳定性不足，因此先前的尝试可能失败。
发明内容
在一个实施方案中，本发明提供了具有适用于电化学分析(包括pH测量)的经优化的表面特性和几何结构的固态电极，以及用于制备和使用本发明的材料及包含这些材料的电极、传感器和各种产品平台设备的方法。例如，本发明的一些设备包括平坦表面，该平坦表面包括一个或多个具有经优化的表面特性和几何结构的固态电极，所述表面特性和几何结构被构造成实现期望范围内的输出信号。
在一个实施方案中，提供了一种具有可替换的固态电极的手持式pH测量设备，所述可替换的固态电极包括经优化的几何结构和表面特性。在一个实施方案中，提供了一种固态电极，该固态电极具有能够产生在大约5μA至大约400μA范围内的输出信号的材料和表面特性。在一个实施方案中，提供了一种固态电极，该固态电极具有能够产生在大约200μA至大约5mA范围内的输出信号的材料和表面特性。
本发明的固态电极包含一种或多种氧化还原活性材料(“RAM”)和基质材料，如美国专利申请序列号13/812,135、13/263,067、14/758,491、14/373,894、14/383,873和14/758,491以及美国专利No.8,877,037、No.8,956,519和No.9,347,907所述，这些专利中每一篇的全文以引用方式并入本文。一些实施方案还包括伪参比电极(PRE)，该伪参比电极包括暴露的经烧结的Ag/AgCl参比电极。一些实施方案还包括反电极(CE)，该反电极包含不锈钢、哈氏合金、钛涂布的铂或任何惰性金属或碳材料诸如高密度碳材料。在一些实施方案中，CE材料基于材料的预期应用、机械强度和/或防锈特性来选择。例如，诸如医疗诊断设备或药物输送设备的应用可能要求CE材料包含贵金属。
本发明的一些实施方案还包括具有两个或更多个固态电极的传感器，所述固态电极包括经优化的电极表面积和/或RAM密度以在各个电极之间提供期望的感测比。在一个实施方案中，两个或更多个电极之间的感测比经过优化以改善其中容纳电极的传感器设备的整体灵敏度。在一个实施方案中，两个或更多个电极之间的感测比经过优化以改善其中容纳电极的设备在该设备用于扫描期望的分析物的电化学参数时的性能。因此，本发明涉及化学领域，尤其是电化学领域，以及分析物测量领域，尤其是pH测量领域，以及进行此类测量的各种领域。
在一个优选的实施方案中，本发明的经优化的电极是干湿可逆的小型紧凑型固态电极，其具有能够生成至少5μA至不超过400μA的信号的基于ASM的WE并且具有基于AIM的IE，其中将WE的ASM和IE的AIM结合到交联水凝胶基质中，该交联水凝胶基质非共价地附接到导电衬底，诸如碳、掺杂硅、改性硅或导电硅衍生物或导电聚合物材料。在一个实施方案中，WE导电衬底包含石墨/碳纤维环氧树脂、乙烯基酯/碳纤维环氧树脂、铂、金、银或包含惰性金属的任何合适的组合物中的至少一种。
在第一方面，本发明提供了一种分析物感测设备，该分析物感测设备具有其上布置有一个或多个经优化的电极的一个或多个经改性的表面，其中所述一个或多个经改性的表面提供足够的表面积以容纳所述一个或多个经优化的电极，从而提供经优化的分析物感测设备。
在第二方面，本发明的经优化的电极包括暴露的氧化还原活性表面区域(RASA)，其中当经优化的电极接触包含分析物的材料或溶液时，暴露的RASA能够触及分析物。在一些实施方案中，暴露的RASA的大小和/或尺寸经过优化以产生期望范围内的输出信号。在一些实施方案中，施加于暴露的RASA的RAM的厚度或密度经过优化以产生期望范围内的输出信号。在一些情况下，经优化的电极为固态电极。在一些情况下，混杂式传感器包括至少一个固态电极和至少一个传统电极或非固态电极。
在第三方面，本发明提供了一种分析物感测设备，该分析物感测设备包括具有一个或多个经改性的表面的传感器尖端，并且每个表面包含一个或多个经优化的电极，其中每个经优化的电极包括具有RAM的暴露的RASA。在第四方面，本发明提供了一种可替换的传感器模块，该传感器模块具有一个或多个经改性的表面，并且每个表面包含一个或多个经优化的电极，其中每个经优化的电极包括具有RAM的暴露的RASA。
在第五方面，本发明提供了一种分析物感测设备，该分析物感测设备具有用于接收本发明的可替换的传感器模块的接收器。在一些实施方案中，接收器包括插座，该插座具有多个用于可操作地接收可替换的传感器模块的电触点。在一个实施方案中，分析物感测设备包括手持式pH计，该手持式pH计具有包括插座的远侧端部，其中可替换的传感器模块包括可替换的传感器尖端，该可替换的传感器尖端具有多个用于可操作地插入插座内的电触点。
在第六方面，本发明提供了一种产品平台设备，该产品平台设备具有一个或多个经优化的电极，所述电极包括具有RAM的暴露的RASA。在一些情况下，产品平台设备包括食品封装。在一些情况下，产品平台设备包括反应容器。在一些情况下，产品平台设备包括样本板或样本容器，诸如
Figure GDA0001608804980000051
或
Figure GDA0001608804980000052
管。在一些情况下，产品平台设备包括平坦结构，其中设备结合到设计用于分析物的物品的壁表面或其它平坦表面上。在一些情况下，产品平台设备包括健康诊断设备，该健康诊断设备具有包括经优化的电极的经改性的表面，该经优化的电极用于检测少量液体样本诸如一滴样本中的分析物。在一些情况下，产品平台设备包括手持式传感器。在一些情况下，产品平台设备旨在一次性使用。在一个实施方案中，产品平台设备包括一个或多个经优化的固态电极。在一个实施方案中，产品平台设备包括混杂式传感器，该混杂式传感器包括至少一个经优化的固态电极和至少一个传统电极或非固态电极。
在第七方面，本发明提供了一种读取器，该读取器包括用于接收和/或编译来自一个或多个经优化的电极的电信号的系统电子器件。在一些情况下，电信号通过蓝牙信号在读取器与所述一个或多个经优化的电极之间传输。在一些情况下，电信号通过有线连接传输。
在第八方面，本发明提供了包括图形用户界面的交互式传感器管理系统。在一些情况下，管理系统通过实施特定于应用的测试配置文件和基于经优化的电极的预期用途的内部标准，最大限度提高经优化的电极的准确度和寿命。在一些情况下，管理系统自适应地学习测试环境，以准确预测和/或推荐一个或多个产品平台设备的最佳测试配置文件和内部标准。在一些情况下，管理系统使用至少一种优化技术(例如，统计技术)改善采集和分析来自一个或多个经优化的电极的数据的准确度。在一些情况下，管理系统提供用户友好的、直观的显示器和一种或多种测试状态监测特征，诸如警报或所生成的电子邮件。在一些情况下，管理系统包括一种或多种质量控制特征，该质量控制特征用于检测和报告系统或测试错误，诸如传感器不兼容、产品开发套件变化或超出阈值水平或数值等。在一些情况下，管理系统被配置成监测和管理系统级可追溯性。在一些情况下，管理系统包括用于执行计划测试运行的特征。在一些情况下，管理系统能够进行远程操作。
附图说明
图1示意性地示出了在未校正的伏安传感器中，RE电势中的任何漂移如何导致包含分析物敏感材料(ASM)的原本稳定的WE的测量误差(在该图的A中示出)。无法将该测量误差与分析物浓度的变化区分开。如果分析物不敏感材料(AIM)用作额外的IE(在该图的B中示出)，则任何表观漂移必须归因于RE。因此，IE电势的漂移可用于消除在工作电极中观察到的漂移误差(在该图的C中示出)。这样，WE和IE的电势差便与RE的性质或种类的变化有效地分离，并且传感器提供对分析物的更精确的测量。
图2为根据本发明的代表性实施方案具有氧化还原活性表面区域、基质涂层和氧化还原活性材料的传感器的横截面侧视图。
图3为根据本发明的代表性实施方案的传感器的顶部平面图。
图4为根据本发明的代表性实施方案具有氧化还原活性表面区域和基质涂层的传感器的横截面侧视图。
图5A为根据本发明的代表性实施方案具有外表面的传感器的横截面顶视图，其中外表面包括氧化还原活性表面区域和设置于其上的基质涂层。
图5B为根据本发明的代表性实施方案具有内表面的传感器的横截面顶视图，其中内表面包括氧化还原活性表面区域和设置于其上的基质涂层。
图5C为根据本发明的代表性实施方案具有内表面和外表面的传感器的横截面顶视图，每个表面包括氧化还原活性表面区域和设置于其上的基质涂层。
图6A为根据本发明的代表性实施方案具有以分段布置方式设置于其上的多个电极的传感器的平面端视图。
图6B为根据本发明的代表性实施方案具有以同心布置方式设置于其中的多个电极的传感器的平面端视图。
图7A和图7B示出根据本发明的代表性实施方案的混杂式传感器探头组件的透视图。
图8A为根据本发明的代表性实施方案包括半球状横截面传感器的传感器探头组件的透视图。
图8B为根据本发明的代表性实施方案包括半球状横截面传感器的传感器探头组件的顶部平面图。
图9A为根据本发明的代表性实施方案被构造成增加传感器表面积的传感器探头组件的透视图。
图9B为图9A所示的传感器探头组件的平面侧视图。
图10A至图10F包括根据本发明的代表性实施方案的探头组件的各种视图，该探头组件具有传感器尖端，该传感器尖端包括被布置为提供增加的传感器表面积的传感器。
图11A和图11B示出根据本发明的代表性实施方案的传感器的侧视图和顶部平面图，该传感器包括两个半块，这两个半块一起用于检测分析物。
图11C示出根据本发明的代表性实施方案的液滴传感器的透视图、顶视图和侧视图。
图12示出本发明的整合到样本腔的内表面中的传感器的示例。未示出每个电极的电连接。根据本发明，这些连接可通过印刷的导电迹线、通孔镀覆及类似技术来实现。电极中的一者或多者还可位于样本腔的垂直内周表面上，从而使样本腔的底部的至少一部分保持透明并且可用于光学测量。
图13A至图13C示出根据本发明的代表性实施方案的各种产品平台设备和传感器接口设备的透视图。
图14A至图14D示出根据本发明的代表性实施方案的各种传感器对接站和样本容器的透视图。
图14E示出根据本发明的代表性实施方案的图14D所示室508的传感器组件的详细平面图。
图15A至图15H示出根据本发明的代表性实施方案用于各种产品和样本容器中的各种传感器接口的透视图。
图16为根据本发明的代表性实施方案包括多个传感器的封装材料的横截面侧视图。
图17为根据本发明的代表性实施方案包括多个传感器的薄膜封装材料的横截面侧视图。
图18为根据本发明的代表性实施方案具有多个传感器和相容的读取器设备的产品包装的横截面侧视图。
图19为根据本发明的代表性实施方案具有薄膜封装和具有集成触点的扫描仪的产品的透视图。
图20为示出根据本发明的代表性实施方案组装代表性传感器探头组件的过程的示意图。
具体实施方式
本发明提供了具有适用于电化学分析(包括pH测量)的经优化的表面特性和几何结构的固态电极，以及用于制备和使用本发明的材料及包含这些材料的电极、传感器和各种产品平台设备的方法。本发明的一些实施方案还包括一个或多个混杂式传感器，所述一个或多个混杂式传感器包括至少一个经优化的固态电极和至少一个传统电极或非固态电极。本发明的电极的经优化的表面特性和几何结构以及包括这些经优化的电极的各种产品平台设备克服了本领域中的各种局限性。
现在参见图2，其中示出具有暴露的RASA 12的固态电极10。电极10一般包含导电衬底材料14。例如，在一些情况下，衬底材料14包括导电材料，该导电材料选自碳、掺杂硅、改性硅、导电硅衍生物或导电聚合物材料。在一些实施方案中，衬底材料14还包括掺杂有聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)(PEDOT)的导电材料，例如铂、对甲苯磺酸酯、聚吡咯和其它合适的聚合物。
导电衬底材料14包括一个或多个RASA 12。在一个实施方案中，RASA 12包括电极衬底14的一部分，该部分在电极衬底浸没于分析物溶液中时暴露于并且接触分析物。如下文所述，RASA 12的大小和涂布于其上的氧化还原活性材料(“RAM”)18的厚度与电极衬底的电流密度直接相关。因此，本发明的一些实施方案提供了各种电极衬底构型，这些构型旨在最大程度增加RASA的大小或以其它方式提供所需的RASA大小。在一些情况下，RASA 12包括包含RAM的实际表面区域。
电极的大小和形状可影响由杂散电流场和电流密度变化引起的测量变异。在一些实施方案中，本发明的固态电极的电流密度通过增大或减小电极的RASA的大小来改变。增大电极的RASA的大小将减小电流密度，而减小电极的RASA的大小将增加电流密度。一般来讲，固态电极的电流密度在阴极降低。因此，在一个实施方案中，增加负电极的RASA以降低电流密度。在一个实施方案中，将负电极的RASA增加二倍。
在一些实施方案中，衬底14的RASA 12包括非共价地附接到其上的基质涂层16。在一些实施方案中，基质涂层16包含交联的聚乙烯醇水凝胶材料。在另一个实施方案中，基质涂层16包含交联的丙烯酰胺水凝胶材料，该交联的丙烯酰胺水凝胶材料包括作为共聚单体的乙烯基二茂铁、包括作为共聚单体的乙烯基二茂铁的交联的二甲基丙烯酰胺(DMAA)水凝胶材料或任何其它交联的丙烯酰胺水凝胶材料。在一些实施方案中，基质涂层16包括聚合物基质。本发明的一些实施方案还包括适用于根据本发明的教导内容的任何已知的基质涂层材料。因此，RASA 12可涂布有相容的基质涂层16。
在一些情况下，基质涂层16还包含共价地附接的一种或多种氧化还原活性材料(RAM)18。在一些实施方案中，交联的水凝胶基质材料16还包括RAM 18，该RAM包含根据本教导内容的ASM和AIM中的至少一种。本发明的一些实施方案还包括本领域中已知的一种或多种RAM。因此，基质涂层16可包括任何相容的RAM。
在一些实施方案中，RASA 12的大小、形状和/或布置影响pH计设备的测量变异。参考图3，WE 20和CE 30的RASA 12之间的空间间距是确保测试介质的均质性所需的。空间分离也可以是防止短路所需的。对于平坦的传感器平台，希望相邻RASA分离或RASA与另一个电极表面间隔至少RASA的直径，其中过度分离可能给分析物介质的传输特性带来问题，从而可能影响测量。
减小电极的电流密度可延长电极和/或传感器设备的使用寿命。在一些情况下，通过减小RASA上的基质材料的厚度来减小RASA的电流密度，其可以延长电极的寿命。在一些情况下，通过增加RASA的大小来减小RASA的电流密度。例如，在一些实施方案中，RASA包括平坦的二维表面区域，如图2所示。因此，本发明的实施方案提供了具有各种形状和构型的RASA，这些形状和构型旨在调节电极的电流密度。例如，在一些实施方案中，RASA 12包括三维表面区域，如图4所示。在一些实施方案中，RASA 12包括电极衬底的外表面、内表面或外表面和内表面，分别如图5A、图5B和图5C所示。
可通过改变RASA的多个物理参数来增加或减小电极衬底的电流密度(用A/m2表示)。例如，仅通过增加电极的大小和表面积来增加RASA的大小，将减小电极的电流密度，其可以延长电极和/或传感器组件、设备或模块的使用寿命。相反地，通过添加额外的基质涂层和氧化还原活性材料来增加RASA的大小，将提高电流密度。例如，增加RASA的氧化还原活性材料的厚度将提高电流密度。在一些实施方案中，电极衬底RASA的大小和/或基质涂层的厚度被选择为使电极获得期望的电流密度。例如，在一个实施方案中，电极衬底RASA的大小和/或基质涂层的厚度被选择为获得在大约1.0A/m2至大约20.0A/m2范围内的电流密度，并且在一个实施方案中获得大约8.8A/m2的电流密度。在一些实施方案中，RASA包括基质涂层，该基质涂层具有在大约0.06mm至大约0.25mm范围内的厚度，并且优选地具有0.123mm+/-0.01mm的厚度。
RASA还可包含被选择为使pH计设备获得期望的信号的表面积。例如，在一个实施方案中，WE和IE中的至少一个的RASA的表面积被选择为生成不小于5μA至不大于400μA的信号，并且优选地生成100μA的平均信号，其中电极的RASA的大小被选择为处于8mm2至75mm2的范围内，并且优选地处于16.97mm2至38mm2的范围内，并且还具有大约10A/m2的平均电流密度。在一个实施方案中，RASA的一个或多个物理参数被选择为提供20A/m2的电流密度。在另一个实施方案中，CE的表面区域的面积被选择为生成处于有效范围内的信号，其中CE的表面区域的大小为100mm2至400mm2，并且优选地为283mm2+/-10mm2。在另一个实施方案中，RERASA的面积被选择为生成处于有效范围内的信号，其中RE的RASA的大小为3.0mm2至15.0mm2，并且优选地为7.0mm2+/-0.1mm2。
在一些实施方案中，通过频繁的修复来进一步优化电极的RASA。在一个实施方案中，通过向电极施加适当的电势来修复电极的RASA。在另一个实施方案中，通过清洗和/或灭菌过程来修复电极的RASA，诸如用水冲洗、用热水冲洗或通过搅拌或现场清洗、现场蒸汽清洗、或伽玛射线灭菌。在一个实施方案中，本发明包括电化学可逆的固态电极，其中正向电流和反向电流的差值为大约59mV。
在一些实施方案中，通过将一个或多个固态电极布置或定位在包含分析物的容器内的最佳高度处进一步优化本发明的传感器组件、设备或模块。在一个实施方案中，最佳高度导致一个或多个固态电极被定位成靠近包含分析物的溶液内的转子。在一个实施方案中，最佳高度导致一个或多个固态电极居中定位在包含分析物的溶液内。在一些实施方案中，可通过在包含分析物的容器内手动移动和定位传感器组件，对一个或多个固态电极的位置进行设置和/或调整。在另一个实施方案中，可调整传感器组件的长度(例如，包括一个或多个固态电极的探头构件的长度)以使一个或多个固态电极在包含分析物的容器内获得期望的位置。
电极传感器构造
本发明的电极传感器可包括本领域中已知的各种结构和材料元件。下文是根据本发明所述的各种兼容元件的简要讨论。
电极设计
本发明的各种实施方案提供了包括RASA的固态电极，该RASA具有优化水平的表面纹理、孔隙度和/或三维曲折度以确保一个或多个RAM的可靠固定。在一些情况下，这些特征改善了RAM水凝胶(AIM或ASM)的附接和/或容纳，而不影响RAM与分析物的相互作用，这部分地受益于溶胀水凝胶的高度可渗透性质。这些特征还提供保护，使得与沉积在光滑表面诸如玻璃碳或其它金属和非金属表面上的相同材料相比，免于受到原本可能由于RAM水凝胶的反复溶胀和收缩产生的接触或磨损或脱离而发生的RAM的物理损伤。效果上，本发明的纹理化或多孔衬底的经优化的机械性能克服了RAM水凝胶的固有脆性，从而提供高结构完整性。
任何导电衬底都可用作支承、固定和保护本发明的RAM聚合物和RAM水凝胶的电极。这些衬底可包括碳同素异形体，诸如碳纤维、多孔石墨、大孔碳、中孔碳、微孔碳、纳米多孔碳、碳纳米纤维(通过将碳涂布在诸如纳米多孔氧化铝的材料上制成)以及它们的复合材料；以及纳米管及其复合材料。金属衬底可包括纳米多孔金、铂和银。本发明的经优化的丝网印刷电极可具有各种具有所需粗糙度的表面涂层，包括中孔碳、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯或带有微米级或纳米级特征(诸如通道或孔)的碳墨。本发明的一些多孔导电衬底进一步受益于非常短的信号路径，从而提高信号捕获效率。
本发明的某些导电聚合物涂布以用作电极衬底的RAM水凝胶。本发明的各种实施方案包含聚合物复合物，该聚合物复合物包含足够量的同素异形体或金属颗粒，这些同素异形体或金属颗粒被设计为具有导电性以用作RAM水凝胶的载体。用于这种复合材料的合适聚合物包括例如环氧树脂、聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚吡咯、聚偏氟乙烯、其它含氟聚合物或共聚物，以及各种烯类聚合物诸如PVC、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯及其衍生物和共聚物、纤维素聚合物和硅氧烷聚合物。
本发明的各种电极使用刚性衬底诸如各种碳复合材料制成，或者在柔性导电衬底(例如，织造或非织造碳织物)上制成，或使用已经使用导电涂层(诸如碳墨、氧化铟锡、银等)赋予导电性的非导电支承膜(诸如聚酯、聚酰亚胺、聚烯烃等)制成。本发明的一些材料形成各种几何图案，其可以包括使兼容电极或侣电极诸如CE和PRE被布置成彼此靠近的布置方式。例如，电极可被布置为同心环、区段和阵列，如图6A和图6B所示。导电涂层和由其得到的电极允许以宽范围的形状系数和尺寸来构建传感器。
水凝胶聚合物基质
本发明的一些实施方案包括一种或多种水凝胶基质材料，其中RAM(诸如ASM和/或AIM)共价地附接到或稳定地包埋于其中。例如，在一些实施方案中，IE的AIM(其可以是二茂铁衍生物或包含二茂铁衍生物)以及WE的ASM(其可以是蒽醌衍生物或包含蒽醌衍生物)共价连接到或物理包封在高度溶胀的交联的亲水性聚合物基质(一种“水凝胶”)内，该基质不共价连接到导电衬底，而是通过非共价键附接到导电衬底。三维水凝胶结构适应相应的RAM的高浓度。水凝胶的高透水性确保RAM和测试的包含分析物的样本之间快速相互作用，从而提供快速响应。在本发明的各种实施方案中，包含RAM的水凝胶电极表现出良好的干湿可逆性；在干燥时保持物理完整性，并且在重新润湿时快速恢复氧化还原活性。在一些实施方案中，本发明的传感器组件的pH敏感性范围通常涵盖至少pH 2至pH 10。合适的水凝胶先前已经公开于PCT/US2015/035428中，该专利以引用方式并入本文。
本发明的各种固态电极包括交联的水凝胶聚合物基质。交联提供了以下优点：聚合物可以原位聚合，从而形成物理附接到衬底的稳定网络，任选地穿透具有一定孔隙度的衬底。使本文所述的各种基质聚合物材料交联以提供RAM水凝胶聚合物。聚合单体的特性决定了水凝胶聚合物的具体类型。例如，在其中单体或共聚单体包含AIM(诸如Fc衍生物)的情况下，交联的聚合物材料可以被称为“AIM水凝胶”。
在一些实施方案中，合适的交联剂包含具有两个可聚合基团的分子。假设聚合反应完成并且所有单体都结合到聚合物链中，则摩尔％RAM和摩尔％交联剂都由所用单体的化学计量的量决定。
对于本发明的一些固态电极，水凝胶聚合物通过一种或多种亲水性共聚单体的共聚形成，其中共聚单体中的至少一种为双官能或多官能的。双官能或多官能共聚单体能够在聚合时形成交联，并且在本文中被称为交联剂。在一些实施方案中，这些组分的共聚产生水凝胶，该水凝胶提供在SWV操作条件下显示pH不敏感信号的电极。
本发明的一些固态电极包含使用一种或多种化学交联剂交联的PVA-Fc水凝胶聚合物基质材料，所述一种或多种化学交联剂选自：戊二醛(或其它二醛)、正硅酸乙酯(TEOS)、硼酸、二羧酸、甲苯二异氰酸酯、丙烯醛(acrolein)、聚丙烯酸、聚(甲基乙烯基醚-alt-MA)、TEA、琥珀酸酐和马来酸酐。在一些实施方案中，这些化学交联剂中的一者或多者可用于交联PVA。在一些情况下，化学交联剂包括戊二醛和TEOS的组合。在一些情况下，合适的化学交联剂包括甲苯二异氰酸酯与丙烯醛、聚丙烯酸、聚(甲基乙烯基醚-alt-MA)、TEA、琥珀酸酐和马来酸酐中的一者的组合。在一些情况下，本发明的PVA、PVA-AQ或PVA-Fc水凝胶聚合物基质材料通过热交联或辐射交联形成。本发明的热化学交联反应和非热化学交联反应的非限制性示例如表1所示。
表1：PVA化学交联
Figure GDA0001608804980000141
Figure GDA0001608804980000151
在一个实施方案中，利用戊二醛交联剂获得了比通常通过加热(诸如采用甲基丙烯酸缩水甘油酯交联剂时所需的)提高水凝胶的结晶度所获得的产物具有更小溶胀度的产物。在一些情况下，所选择的化学交联剂需要高的施加压力以实现效果。例如，在一些情况下，甲苯二异氰酸酯和丙烯醛需要高的施加压力以实现效果。在其它情况下，某些共聚物需要极高的施加压力，诸如马来酸酐/乙烯基甲醚共聚物。因此，PVA共聚物的高溶胀趋势可能导致聚合物的溶解、崩解或机械强度损失，其根据本发明的各种实施方案可以通过交联共聚单体来克服。在一些情况下，交联PVA共聚单体导致一些引起聚合物部分的亲水性的OH基团被消耗。在一些情况下，在交联PVA单体后，聚合物的亲水行为保持完整，而交联的聚合物在机械上坚固并且包括紧密的网络。
在一些实施方案中，聚乙烯醇用本发明的二茂铁和线性聚合物(例如，包括乙酸基团、二茂铁和羟基基团的线性聚合物)官能化，其被热交联、化学交联或通过辐照交联。例如，在一种情况下，交联剂选自马来酸酐、马来酸、戊二醛、二异氰酸酯、二乙烯基醚、高碘酸盐或任何通用的二醛，如在http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19790012957.pdf中所公开的那样，其公开内容全文并入本文。在一些情况下，使用具有长侧链或较短侧链和/或吸电子或供电子的基团的二茂铁衍生物将PVA官能化，这有利于根据应用将峰值电势调节为更正或更负的电势。在一些实施方案中，选择特定的二茂铁衍生物，因为它们更稳定并且抗扫描引起的衰变，如在http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2975373/table/T1/中所公开的那样，其公开内容全文并入本文。二茂铁上的官能团还可改变峰值电势，例如八甲基二茂铁在-80mV处而非220mV处出现峰。
本领域的技术人员将会知道，本发明的固态电极可包括AIM、ASM或两者。例如，在一个实施方案中，可将乙烯基蒽或2-丙烯酰胺基-蒽醌(如下表2所示)掺入水凝胶基质中以形成本发明的ASM水凝胶。另选地，ASM-乙烯基单体和AIM-乙烯基单体都可用作单一水凝胶材料中的共聚单体，其中水凝胶基质材料表现出分析物敏感响应和分析物不敏感响应。
表2：电化学活性组分
Figure GDA0001608804980000161
在本发明的电极、传感器和设备的各种实施方案中，分别使用聚丙烯酰胺二茂铁缀合物和聚丙烯酰胺蒽醌缀合物作为AIM和ASM。这样的实施方案包括两种线性聚合物或共聚物，其中ASM和AIM两者作为共聚单体掺入聚合物基质中，得到具有所需组成的无规共聚物。因此，ASM和AIM可集成在单个电极上，其中所述单个电极生成两个独立的信号。在一个实施方案中，ASM和AIM通过聚乙烯醇聚合物或聚乙烯醇类聚合物整合到单个电极上。在一个实施方案中，ASM和AIm通过丙烯酰胺聚合物网络整合到单个电极上。本发明还包括其中ASM(例如，WE)和AIM(例如，IE)提供于单独衬底上的实施方案。
在一些实施方案中，使用已经为低聚物、聚合物或树枝状聚合物形式的AIM(诸如二茂铁衍生物)来制备AIM水凝胶，其中AIM不与水凝胶共价附接，而是通过物理包封保持在其中。有效的物理包封需要水凝胶的有效网络密度足够高，以使二茂铁衍生物(或其它AIM)组分的扩散损失量降到最低。单体AIM通常不适用于物理包封，因为所需的使其保持有效的高网络密度与高度溶胀的水凝胶的要求相反。替代的亲水性支架包括基于溶胶-凝胶化学的那些(参见PCT公布No.2012/018632，该专利以引用方式并入本文)，该替代的亲水性支架可用于形成IPN以固定AIM聚合物或AIM水凝胶(或用于制备本发明的WE的包含ASM的对应材料)，其平均分子量与支架的有效孔径相比足够高以提供足够的固定作用。
对于本发明的一些固态电极，二茂铁(或其它AIM)聚合物被混入其它聚合物基质中以得到本发明的AIM聚合物和AIM水凝胶。在一些实施方案中，此类基质被选择为赋予超出未经优化的水凝胶性能包络的某些经优化的属性，诸如耐热性或耐化学性。可用于赋予经优化的属性的其它材料包括聚偏二氟乙烯(PVDF)、环氧树脂、电聚合聚吡咯以及各种导电油墨制剂。这些聚合物及其它聚合物可用于本发明的各种固态传感器实施方案中，以满足针对特定应用的传感器组件和/或设备的机械、介电或理化要求。
电极布置方式
本发明提供了稳定的电极，而无AIM共价附接到衬底或将ASM共价附接到其衬底，所述衬底可以是相同的或不同的。在本发明的一些电极中，AIM水凝胶通过非共价方式固定到衬底表面。本发明提供增强这种附接的衬底，所述衬底具有适当水平的表面纹理、孔隙度和/或三维曲折度以确保可靠的固定作用。这些特征可改善AIM水凝胶(或ASM水凝胶)的附接和/或容纳，而不影响AIM与分析物的相互作用，这部分地受益于溶胀水凝胶的高度可渗透性质。它们还提供保护，使得与沉积在光滑表面诸如玻璃碳或其它金属和非金属表面上的相同材料相比，免于受到原本可能由于AIM水凝胶的反复溶胀和收缩产生的与接触、磨损或脱离相关的物理损伤。效果上，质构化或多孔衬底的机械性能克服了AIM水凝胶的固有脆性，从而得到高结构完整性。
任何导电衬底都可用作支承、固定和保护本发明的AIM聚合物和AIM水凝胶(以及ASM聚合物和ASM水凝胶)的电极。这些可包括碳同素异形体，诸如碳纤维、多孔石墨、大孔碳、中孔碳、微孔碳、纳米多孔碳、碳纳米纤维(通过将碳涂布在诸如纳米多孔氧化铝的材料上制成)以及它们的复合材料；以及纳米管及其复合材料。金属可包括纳米多孔金、铂和银。丝网印刷电极可具有各种具有所需粗糙度的表面涂层，包括中孔碳、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯或印有微米级或纳米级特征(诸如通道或孔)的碳墨。多孔导电衬底进一步受益于非常短的信号路径，从而提高信号捕获效率。
某些导电聚合物可用作电极衬底并用AIM水凝胶涂布。工程聚合物复合材料包含足够量的碳同素异形体或金属粒子来获得导电性，该复合材料可用作AIM水凝胶的载体。用于这种复合材料的合适聚合物包括环氧树脂、聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚吡咯、聚偏氟乙烯、其它含氟聚合物或共聚物，以及各种烯类聚合物诸如PVC、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯及其衍生物和共聚物、纤维素聚合物和硅氧烷聚合物。
本发明的电极可使用刚性衬底诸如各种碳复合材料制成，或者在柔性导电衬底(例如，织造或非织造碳织物)上制成，或使用已经使用导电涂层(诸如碳墨、氧化铟锡、银等)赋予导电性的非导电支承膜(诸如聚酯、聚酰亚胺、聚烯烃等)制成。本发明的材料可形成各种几何图案，其可以包括使CE或PRE被布置成彼此靠近的布置方式。例如，电极可被布置为同心环、区段和阵列，如图6A和图6B所示。导电涂层和由其得到的电极允许以宽范围的形状系数和尺寸来构建传感器。
本发明的各种实施方案包括具有两个或更多个电极的传感器组件、设备或模块，所述两个或更多个电极被唯一且有意地布置以优化其性能。在一些实施方案中，多个传感器的布置方式被选择为使两个或更多个兼容电极或侣电极获得期望的接近度。在一些实施方案中，多个传感器的布置方式被选择为使两个或更多个兼容电极或侣电极之间获得期望的RASA的比率。在一些实施方案中，多个传感器的布置方式被选择为最大限度减小传感器组件、设备或模块的插入深度。另外，在一些实施方案中，多个传感器的布置方式被选择为适应特定应用或产品平台设备。
在一些实施方案中，传感器组件、设备或模块包括被布置为同心环、分隔区段或阵列的多个电极，如图6A和图6B所示。参考图6A，本发明的一些实施方案包括具有分段传感器布置方式的导电衬底材料，该分段传感器布置方式包括含ASM的WE 60、含AIM的IE 62、PRE64和CE 66，其中每个电极被非导电材料68围绕以分开各个电极并且使其彼此隔离。电极还连接至传感器设备的电路以实现方波电压操作。
在一些情况下，传感器材料或复合材料形成为具有大约25微米或更小的特征半径的微半球。这些尺寸的传感器产生非常低的信号，但是它们降低的双电层电容也缩短了响应时间。(参见J.Wang,Analytical Chemistry,3rd ed.,2006,John Wiley(J.Wang，《分析化学》，第3版，2006年，约翰威利出版社))。传感器阵列可被配置用于小型化电极或微电极，其具有可用于实际应用的信号电平。在一些情况下，含AIM的电极和含ASM的电极被内置于交替的微象限中以提供ASM和AIM传感器的网络。在一个实施方案中，ASM和AIM传感器的网络中的这种多样性提高了监测分析物的速率，可能是应用所需的。例如，被配置于交替的微象限中的ASM和AIM传感器可被配置成使用相同或相似的扫描参数操作，但是在不同的扫描窗口中进行操作。在一个实施方案中，ASM和AIM传感器利用相同或不同的扫描参数进行交替扫描。在一个实施方案中，ASM和AIM传感器同时扫描。
参考图6B，本发明的一些实施方案包括具有同心传感器布置方式的导电衬底材料，该分段传感器布置方式包括含ASM的WE 60、含AIM的IE 62、PRE 64和CE 66，其中每个分段传感器被非导电材料68围绕以分开各个电极并且使其彼此隔离。电极还连接至传感器设备的电路以实现方波电压操作。
本发明的一些实施方案还包括混杂式传感器探头组件70，如图7A和图7B所示。传感器组件70包括位于组件的轴中心的PRE 71。环形WE 72围绕PRE 71并且还包括插置在WE72和PRE 71之间的绝缘材料或空间。传感器组件70还包括CE 73，该CE围绕WE 72并且为组件70提供外部尖端表面。传感器组件70还包括插置在WE 72和CE 73之间并且还插置在WE72和PRE 71之间的绝缘材料3、空间或环氧树脂沟槽(moat)。组件70还包括布置在CE 73和组件70的柄部75之间的绝缘材料，诸如橡胶索环74。另外，传感器组件70包括电路(未示出)，该电路可操作地使各种电极和传感器部件连接至板载印刷电路板(未示出)和耦接到外部印刷电路板(未示出)的线束76中的至少一个。
本发明的一些电极构型和/或传感器组件还包括最小插入深度。在一些实施方案中，最小插入深度由一个或多个电极的位置所决定，其中最小插入深度使一个或多个电极完全浸渍于分析物溶液中。例如，在一些情况下，CE 73包括最小插入深度77，该最小插入深度大约等于CE 73的高度。在一些实施方案中，最小插入深度由浸渍于分析物溶液中以便使传感器组件/设备获得期望范围内的最佳输出信号所需的一个或多电极的表面积的最小百分比所决定。例如，在一个实施方案中，最小插入深度或表面积被选择为提供毫安范围内的信号输出。在一个实施方案中，最小插入深度对应于浸入小于1％、1-5％、5-10％、10-20％、20-30％、30-40％、40-50％、50-60％、60-70％、70-80％、80-90％、或90-100％的最小电极表面积。在一个实施方案中，最小插入深度对应于浸入50％的最小电极表面积。在一个实施方案中，最小插入深度基于传感器组件的所有电极的最小总表面积来确定。在一个实施方案中，传感器组件的每个电极包括最小电极表面积，其中最小插入深度由插入深度决定，其中每个电极的最小电极表面积被浸入。在一些实施方案中，传感器组件的一个或多个电极的位置被布置，并且/或者传感器组件的一个或多个电极的特性被优化，以最大程度减小传感器组件的最小插入深度。
本发明的一些实施方案还包括分析物感测设备80，该分析物感测设备包括传感器尖端，该传感器尖端具有含ASM的WE 82、含AIM的IE 83和RE(或PRE)81，如图8A和图8B所示。在该实施方案中，WE 82和IE 83各自包括半球状横截面并且被定位在CE 84内部以围绕RE81。组件80还包括介于RE 81、WE 82、IE 83和CE 84的各个表面之间的绝缘材料或空间。橡胶索环或其它绝缘材料74还被插置在CE 84和柄部75之间，如上文所述。
在一些实施方案中，分析物感测设备包括各种特征以增加设备的电极中的一者或多者的RASA。例如，在一些情况下，分析物感测设备包括探头组件90，该探头组件包括传感器尖端，该传感器尖端具有含ASM的WE 92、含AIM的IE 93和RE(或PRE)91，其中每个电极的RASA的一部分朝远侧延伸超出CE 94的端表面，如图9A和图9B所示。在该实施方案中，WE 92和IE 93各自包括半球状横截面并且被定位在CE 94内部以围绕RE 91。组件90还包括介于RE 91、WE 92、IE 93和CE 94的各个表面之间的绝缘材料或空间。
现在参见图10A-10F，本发明的一些实施方案还包括具有传感器尖端102的探头组件100，该传感器尖端具有被布置成优化传感器尖端的每个电极的RASA的电极。在一些情况下，传感器尖端102包括经优化的平坦表面，该表面提供桨叶状延伸部106。在一些实施方案中，延伸部106包括相对的安装表面，该相对的安装表面具有经优化以最大程度增加耦接到其上的RASA的表面积。在一些情况下，兼容电极或侣电极安装于延伸部106相对的平坦表面。例如，在一个实施方案中，含ASM的WE 120安装于延伸部106的顶部表面，并且含AIM的IE130安装于延伸部106的底部表面。探头组件100还包括柱形CE 140，该柱形CE被定位成邻近延伸部106，并且其包括暴露的表面区域，该暴露的表面区域限定组件100的探头部分的外周边。CE 140经由橡胶索环或O形环74与WE 120、IE 130以及传感器尖端102剩余的非电极材料绝缘。另外，探头组件100包括RE 110，该RE包括延伸部106的端表面或远侧表面。RE110、WE 120和IE 130经由延伸部106的非电极材料彼此绝缘。在一些实施方案中，组件100还可包括嵌入在CE 140下方的PRE(未示出)。探头组件100还可包括电路和电触点104，以允许可操作地连接至探头柄部75和/或CE 140，如图10A所示。
在一些实施方案中，传感器尖端102永久性地耦接到柄部75和/或CE 140，其中传感器尖端102包括探头组件100的整体部件。在其它实施方案中，传感器尖端102包括可替换的传感器模块，该可替换的传感器模块以可移除方式经由一种或多种电连接耦接至传感器尖端102。例如，在一个实施方案中，柄部75的远侧端部包括电插座79，该电插座用于选择性地接收传感器尖端102的相容性电触点104。在一个实施方案中，电插座79包括母插座并且电触点104包括公插头。在一个实施方案中，传感器尖端102经由任何相容的电连接可操作地且选择性地耦接至柄部75的远侧端部。
在一些情况下，含ASM的WE 120和含AIM的IE 130包含碳纤维环氧树脂材料(龙板(Dragon Plate)或ACP复合物)和暴露的直径，其被选择为分别最大程度填充顶部表面和底部表面。在一些实施方案中，WE 120和IE 130与其相应的表面齐平，如图10A和图10C-10F所示。在一个实施方案中，WE 120和IE 130为安装到其相应的表面上的内层或表面，使得每个电极的一部分从安装表面向外延伸，从而增加电极的暴露的RASA，如图10B所示。
在一个实施方案中，CE 140包括316级不锈钢管，该不锈钢管具有大约19.69mm的高度77，其中高度970等于或近似等于探头组件100的最小插入深度。探头柄部75还包括304级不锈钢管，该不锈钢管经由橡胶索环或O形环74与CE 140绝缘。在一些情况下，探头柄部75、传感器尖端102、CE 140和O形环74包括大约164.41mm的组合高度。
现在参见图11A和图11B，本发明的一些实施方案还包括传感器构型，由此包括一个或多个传感器的第一传感器组203被布置在第一衬底206a上，并且包括一个或多个传感器的第二传感器组204被布置在第二衬底206b上，其中第一衬底206a和第二衬底206b的第一传感器组203和第二传感器组204被布置为接触单个分析物样本202的一部分。在一个实施方案中，第一传感器组和第二传感器组位于大约若干平方毫米或若干平方微米量级的区域中。传感器组的接近度确保电极将同时与样本接触。当分析物液滴跨接两个传感器组203和204之间的间隙时，第一衬底206a和第二衬底206b之间的电路完成。只有在样本液滴将传感器组件的两个传感器组桥接起来时，才有电流。
在一些情况下，第一传感器组203包括WE、IE和PRE，而第二传感器组204包括CE。根据本文所述和本文教导内容的精神，本领域的技术人员将会知道其它可能的传感器布置方式。在一个实施方案中，第一衬底206a和第二衬底206b被定位成彼此相对，使得第一传感器组203和第二传感器组204相对定位并且在传感器组203和204之间包括空间或间隙207，该空间或间隙被构造成接收分析物样本202。在一个实施方案中，分析物样本202为一滴分析物溶液，其中间隙207被构造成通过毛细力保持样本202。在一个实施方案中，分析物样本202包括大约1毫升、大约1微升、大约1纳升或大约1皮升的体积。液滴传感器设备的非限制性示例在图11C中示出。
产品平台设备
本发明的各种实施方案可广泛用于多个平台。例如，本发明的传感器组件和/或模块可结合到各种外壳中、容器、用于子系统集成的电子模块、样本板、样本管、细胞培养袋、Wave袋、生物袋、制药实验室反应器、材料(诸如食品或其它易腐坏的物品、饮料、乳制品、个人护理产品及生物材料和产品)的封装和监测、高通量应用等等。在一些情况下，本发明的传感器组件适用于各种市场或行业，包括但不限于院校和/或教育研究和开发、生命科学、生物制药、食品和饮料、乳制品、药物、营养品、化妆品、产品封装、农业、水培、土壤、环境、医疗器械、石油和天然气等等。在一些情况下，行业、市场或产品需要定制的形状因数、包装或开发途径，以将本发明的传感器组件的实施纳入其具体应用中。因此，本发明的传感器组件可根据需要修改以适应具体应用的需要。例如，在一些情况下，可根据需要减小或增大传感器组件的大小。在其它情况下，传感器组件可包括适用于期望的应用中的二维或三维结构。在其它情况下，传感器组件可包括一个或多个经优化的固态电极。
本发明的一些实施方案包括一个或多个产品平台设备，所述一个或多个产品平台设备包括具有根据本教导内容的RASA的一个或多个电极。产品平台设备可包括用于保持和/或分析分析物溶液或材料的任何部件、装置、表面或结构，其中部件、装置、表面或结构还包括具有根据本发明的RASA的一个或多个电极。产品平台设备的非限制性示例如图所示并且如下文所述。
传感器尖端模块
如上文结合图10A至图10F所述，本发明的各种实施方案提供了一种传感器模块，该传感器模块包括与手持式传感器探头组件一起使用的传感器尖端。在一些实施方案中，传感器尖端包括多个经优化的电极，所述多个经优化的电极可经过伽玛射线灭菌以重复使用。在其它实施方案中，传感器尖端模块包括可替换的、一次性和/或单次使用的传感器模块，该传感器模块具有一个或多个经优化的特征。在一些情况下，传感器尖端包括一个或多个固态电极，并且在一个具体实施方案中，包括固态RE。在一个实施方案中，传感器尖端模块被小型化并且被施加于用于外科应用的导管的远侧尖端，诸如连续流动池中的终点检测。
健康诊断
如前文结合图11A至图11C所述，本发明的一些实施方案包括健康诊断传感器组件，该健康诊断传感器组件可用于测量生物流体诸如血液、尿液或唾液中的分析物。在一个实施方案中，健康诊断传感器组件包括两个相对的半块，每个半块包括相对的传感器组，该传感器组具有一个或多个兼容电极或侣电极。相对的传感器组之间的间隙被构造成用于采集和保持生物体液样本，诸如通过毛细力保持生物体液样本。该间隙可被构造成用于保持小体积的体液，诸如1毫升、1微升、1纳升或1皮升体液。在一些情况下，健康诊断传感器组件的相对的传感器组被布置于连续流动系统中，使得体液接触相对的传感器组以测量体液中的分析物。
手持式pH探头传感器组件
如前文结合图10A-10F所述，本发明的一些实施方案包括手持式pH探头传感器组件，该手持式pH探头传感器组件具有包括一个或多个经优化的固态电极的传感器尖端，其中传感器尖端可以被手动插入包含分析物的溶液中。在一个实施方案中，探头组件的传感器尖端包括12mm的直径，其中经优化的固态电极中的一者或多者位于传感器尖端的远侧平坦表面上。在一个实施方案中，探头组件的CE位于传感器尖端的远侧平坦表面上。在另一个实施方案中，探头组件的CE包括围绕传感器尖端的剩余电极的套环或圆形迹线。适合本发明的经优化的固态电极一起使用的手持式pH探头组件公开于WO/2010/104962、WO/2010/111531、WO/2010/146152、WO/2012/018632、WO/2013/112767、WO/2013/134582、WO/2014/106066和WO/2015/191924中，这些专利以引用方式并入本文。
样本板
本发明提供的另一实施方案为多孔板或微孔板300，其中在每个孔302的底部和/或内壁中具有可寻址传感器，其中包括一个或多个经优化的固态电极304的传感器具有RASA，如图12所示。在一些实施方案中，电极的构型类似于上述手持式探头组件的传感器尖端。这些传感器之间的主要差别在于各个电极的大小和表面积以及电子接口。就多孔板而言，可通过板后侧的孔或借助于导电迹线实现至每个电极的电连接。这些连接常见于用于监测导电性的多孔板传感器中。在典型构型中，96孔板将在每个孔中含有50-200微升溶液。在每个孔底部的电极表面将大约为1-2平方毫米；孔的直径为约1cm。在一个替代实施方案中，电极可结合到多孔板中，使得分析物将接触所有感测元件从而能够进行测量。在某些实施方案中，一个或多个电极位于样本腔的壁上，留下底部的至少一部分(如果不是全部)透明以供光学分析。另选地，位于柔性膜上的印刷电极尤其适合用作柔性容器、管组中的部件，以及用于生物处理的其它部件(包括单次使用的或者说一次性的部件)，如本文所述。
产品开发套件
现在参见图13A-13C，本发明的一些实施方案包括可以与各种传感器组件或设备450、460和470一起使用的产品开发套件400。在一些实施方案中，产品开发套件400与包括具有RASA的至少一个电极的传感器组件或设备一起使用。在一些实施方案中，开发套件400包括可用于接收和编译来自本发明的各种传感器组件或设备的电信号的系统电子器件。在一个实施方案中，开发套件400包括软件和硬件，该软件和硬件能够对接收自一个或多个传感器组件或设备的电信号进行方波电压分析。在一些实施方案中，开发套件400包括至少一个I/O端口402，该I/O端口被配置成用于接收和连接至一个或多个传感器组件设备450、460和/或470以作为开发测试方案的一部分。因此，开发套件400可以在利用本发明的一个或多个传感器组件设备开发针对特定平台的应用中用作一体式工具。在一些情况下，开发套件400与交互式传感器管理系统420结合使用，该传感器管理系统包括产品开发套件400和图形用户界面，如下文所述。
在一个实施方案中，开发套件400与传感器探头组件450结合使用。在一些实施方案中，传感器组件包括设计用于集成用于各种容器和封装材料中的设备，该容器和封装材料旨在储存包含分析物的材料或溶液，诸如传感器组件460。在一些实施方案中，开发套件400还与二维通用传感器组件470结合使用，其可以结合到各种产品或感测设备中，如下文所述。
传感器组件储存容器
本发明的一些实施方案还包括传感器组件或设备，该传感器组件或设备包括其中或其上具有一个或多个表面的储存容器，该储存容器结合有具有RASA的一个或多个固态电极。在一些情况下，一个或多个固态电极被结合到单次使用的容器中，诸如细胞培养袋、反应容器、样本板、样本瓶、用于运输和销售食品的封装等等。在其它实施方案中，固态传感器电极被结合到多次使用或可重复使用的容器中。
在一些实施方案中，储存容器包括混杂式传感器组件，该混杂式传感器组件具有平坦设计并且配置有一个或多个经优化的固态电极以检测各种分析物。在一个实施方案中，提供的混杂式传感器组件在敏感环境中不产生污染。在一种情况下，混杂式传感器组件可经过灭菌，诸如通过伽玛射线辐射进行灭菌。混杂式传感器组件还可以是结构灵活的并且适合用于各种含分析物的材料或产品，诸如食品和饮料、生物样本、化学品等等。
样本对接站
现在参见图14A至图14D，本发明的一些实施方案包括传感器组件对接站500，该传感器组件对接站被配置用于各种具有嵌入或以其它方式布置在容器的一部分上的一个或多个固态电极的储存容器，其中当容器被置于传感器对接站500上时，所述一个或多个固态电极与传感器对接站可操作地连接。在一些实施方案中，对接站500包括传感器读取器510，该传感器读取器具有多个触点520，这些触点被定位成与位于储存容器的外表面上的对应的电极触点对准，该储存容器与对接站500一起使用。触点520电连接至具有电连接器504的线束502，该电连接器可耦接到相容的读取器，诸如产品开发套件400。对接站500可包括适用于期望的容器的任何大小、形状和/或表面构型。在一个实施方案中，样本对接站被构造成用于接收储存容器，该储存容器被构造成用于运输和/或储存加工过的食品、蔬菜和/或水果，其中样本对接站测量并且报告内容物的pH状态或变化。在一个实施方案中，内容物的pH状态指示容器中储存的产品的新鲜度或可用保质期。
反应容器
继续参见图14A和图14B，在一些实施方案中，提供适合与对接站500一起使用的反应容器550。在一些实施方案中，反应容器550包括可移除或不可移除的顶盖，该顶盖封闭内部体积。内部体积还包括传感器接口552，该传感器接口具有暴露于内部空间的多个经优化的固态电极，使得被置于内部体积中的液体或其它材料将接触所述多个电极。在一个实施方案中，提供具有传感器接口552的反应容器550，该传感器接口包括AIM电极560和ASM电极562、RE 564以及CE 566，其中传感器接口552形成反应容器550的底部表面。
在一个实施方案中，提供具有顶盖572的单次使用反应瓶570，在顶盖中结合具有多个固态电极的传感器接口，如图14C所示。在一个实施方案中，反应瓶570被配置用于实验室过程中。多个固态电极位于顶盖572的内部表面上，并且还包括位于顶盖572的外表面上的外部触点。当瓶570被反转并且置于对接站500上时，瓶570内的液体或其它分析物材料接触顶盖572的内表面，从而使对接站500的触点520接收来自位于顶盖572上的多个固态电极的电信号。
在一个实施方案中，本发明包括预试生产级反应室580，该反应室具有结合到反应室580的底部表面的固态传感器接口，如图14D所示。传感器接口包括多个固态电极，所述多个固态电极可操作地耦接到位于反应室底部的外表面上的相应的触点，使得当反应室580被置于对接站500上时，外部触点与对接站500的触点520对准，从而实现所述多个经优化的固态电极和对接站500之间的通讯。
集成传感器接口
本发明的各种实施方案包括传感器接口，该传感器接口配置用于结合到设计用于保持含分析物的材料或溶液的容器或封装内。现在参见图15A-15H，其中示出各种传感器接口，这些传感器接口具有被构造成有助于传感器接口安装或整合到容器的期望的表面内或表面上的一个或多个特征。
在一些实施方案中，传感器接口610包括凸缘620，该凸缘从平台612向外延伸以提供用于期望的容器的安装表面。在一些实施方案中，凸缘620或另一个安装表面通过机械干涉、螺接、焊接、塑性焊接、胶粘物、粘合剂、环氧树脂、机械夹具、紧固件或任何其它已知的紧固方法或设备中的至少一个耦接到期望的容器。传感器接口610大致整合到期望的容器的表面中，使得传感器平台612被定位于容器的内部，以使其与容器的内容物接触。在一些情况下，传感器接口610被结合到单次使用的生物反应袋650的柔性壁表面中，如图15D所示。另选地，传感器接口610可结合到开发和测试系统420的的刚性壁表面中，如图15E所示。
传感器接口610还可包括被配置为适合使该接口整合到期望的容器或产品平台中的任何形状和/或大小。例如，在一些实施方案中，传感器接口610包括圆形形状，如图15F-15H所示。在一些情况下，圆形形状对于将传感器接口610结合到具有圆形表面的容器中可能是期望的，所述圆形表面诸如图15G所示的生物反应容器650的底部表面。传感器接口610也可以是矩形的，对于结合到如图15H所示的cellbag 660的柔性侧表面或如图15E所示的开发和测试系统20的刚性壁表面中也可能是期望的。
本发明的各种传感器接口610还包括凸起的传感器平台612，在该传感器平台上布置有多个固态电极。在一些实施方案中，这些固态电极中的一者或多者根据本发明的一种或多种方法进行了优化。
传感器接口610的布置方式、大小、接近度和材料可以被选择，以便提供根据本发明所述的经优化的传感器组件、设备或模块。例如，在一个实施方案中，传感器平台612包括IE，该IE包含具有大约8.5mm的暴露表面直径的AIM盘613。在一个实施方案中，AIM盘613包含碳纤维环氧树脂材料(龙板或ACP复合物)。传感器平台612还包括WE，该WE包含具有大约8.5mm的暴露表面直径的ASM盘615。在一个实施方案中，ASM盘615包含碳纤维环氧树脂材料(龙板或ACP复合物)。在一个实施方案中，传感器平台612还包括CE 617，该CE包含316级不锈钢材料并且具有大约12.7mm的暴露表面直径。在一些情况下，CE 617被定位在平台612的侧面并且与AIM盘613和ASM盘615相对，同时在两个盘之间或中部大致对准。在一些实施方案中，平台612还包括PRE 619，该PRE居中位于平台612上并且大致居于AIM盘613、ASM盘615和CE 617中心的位置。在一个实施方案中，PRE 619包括大约2.1mm的暴露表面直径。另外，在一个实施方案中，平台612包括热敏电阻器621，诸如表面安装热敏电阻器。
薄膜传感器组件
本发明的一些实施方案包括结合到平坦结构中的传感器组件，该传感器组件易于整合到瓶、袋、球囊、流动池及其它类似表面中。在一个实施方案中，薄膜传感器组件包括用于储存食品的封装材料。在一个实施方案中，传感器组件包括薄型封装材料700，该薄型封装材料具有大约2mm或更大的剖面厚度，如图16所示。
在一个实施方案中，传感器组件为微型传感器组件，该微型传感器组件包括可整合到各种材料中以测量极小体积的分析物的小面积电极。例如，在一个实施方案中，提供的微型传感器组件包括整合到封装材料700的厚度中的AIM电极720、CE 740和ASM电极760，其中各种电极被布置在邻近封装材料的第一表面或顶部表面770处，并且耦接到电触点730，该电触点被布置在封装材料700的底部表面或第二表面790上，其中第二表面790与第一表面770相对。在一些情况下，电触点730通过电路710可操作地或电耦接到其相应的电极部件。在一些情况下，顶部表面770还包括热敏电阻器750。另外，在一些情况下，封装材料700包括横跨材料厚度的PRE 780。因此，可通过使电触点730与相容的读取器设备接触来检测来自各种电极的电信号。在一些情况下，相容的读取器设备932包括用于接收封装材料700的表面934，其中表面934包括限定的参数，所述限定的参数以这样的方式接收封装材料700，使得电触点730与读取器设备932的表面934上的相关触点930正确对准，如图18所示。
继续参见图16，在一些情况下，通过在封装材料700中钻孔或以其它方式提供孔来提供传感器组件，其中电极材料被镀覆或以其它方式填充到孔中。在一些情况下，诸如对于AIM电极720和ASM电极760，电极包含石墨纤维复合物，该石墨纤维复合物被加工，然后装入所提供的孔中。在一些实施方案中，CE 740包括装入所提供的孔中的一片金属。相似地，PRE780可包括插入所提供的孔内的经烧结的线。热敏电阻器750可包括任何相容的热敏电阻器。在一个实施方案中，热敏电阻器750包括0402表面安装热敏电阻器，该热敏电阻器具有0.4mm×0.2mm的尺寸和大约0.031瓦特的额定功率。
在另一个实施例中，本发明的传感器组件被结合到具有小于2mm的剖面厚度的平坦型材或薄膜封装材料800中，如图17所示。薄膜封装800可包含柔性材料，诸如塑性包裹物或Kapton挠性衬底材料。本局本发明所述的薄膜封装材料800可以为可扩展的并且适应卷对卷制造工艺，其具有互连的网络系统，允许在对接站上监测所包装的物品诸如食品以基于pH指示新鲜度。薄膜封装材料800包括传感器组件，该传感器组件包括AIM电极820、CE840和ASM电极860，其中AIM电极、CE和ASM电极表面安装于顶部表面870并且经由电路810电耦接到表面安装于底部表面890的触点。在一些情况下，顶部表面870还包括热敏电阻器850。另外，在一些情况下，薄膜封装材料800包括表面安装的PRE 880。因此，可通过使电触点830与相容的读取器设备1032接触来检测来自各种电极的电信号，如图19所示。在一些情况下，读取器设备1032包括具有集成触点1030的扫描仪，该扫描仪用于感测或读取电触点830以作为至少部分地包封于封装材料800中的产品或材料的过程的一部分，如图19所示。在一些情况下，读取器设备被结合到传送带中，该传送带用于传送至少部分地包封于封装材料800中的产品或材料。
继续参见图17，在一些情况下，通过在薄膜封装材料800中提供孔(诸如通过激光烧蚀实现)，由此提供传感器组件。然后将电极材料或其它相关部件镀覆或以其它方式填充到孔中。在一些情况下，诸如对于AIM电极820和ASM电极860，电极包含石墨，该石墨通过可丝网印刷的浆料或油墨材料进行施加。在一些情况下，CE 840可使用相容性材料诸如Cr-Au或Ti-Pt喷涂到材料800上。在一些实施方案中，PRE 880作为可丝网印刷的化合物被施加于材料800。至于热敏电阻器750，薄膜材料800还可包括热敏电阻器850，该热敏电阻器包括相容的热敏电阻器，诸如0402表面安装热敏电阻器。
在一些情况下，传感器组件被结合到用于体积处理的薄型封装材料700(诸如托盘，分立的或按扣切割(snap singulation)，如图18所示)中或结合到集成平台(诸如模制片材)中。在一些情况下，传感器组件被结合到包括卷构造的薄膜封装材料800(诸如一卷塑性包裹物，如图19所示)中或结合到集成平台(诸如Kapton挠性电路)中。在一些情况下，所述多个电极和对应的电路被结合到一个或多个粘合剂标签中，该粘合剂标签被施加于薄膜材料800的外表面和/或内表面，其中电极和电路可在薄膜材料上或通过薄膜材料中提供的孔来触及。
在一些情况下，传感器组件包括单体结构，其中每个单独的电极被组装成单一结构或外壳。在其它情况下，传感器组件包括多部件传感器组件，该多部件传感器组件通过一个或多个电路可操作地连接。在一些情况下，传感器组件包括多部件传感器组件，其中组件的各种部件中的至少一部分通过一个或多个无线电路可操作地连接。例如，在一个实施方案中，包括IE的第一传感器组件通过无线接口可操作地连接至包括WE的第二传感器组件。在一个实施方案中，第一传感器组件和第二传感器组件通过无线接口独立耦接到相容的读取器设备。另外，在一个实施方案中，第一传感器组件和第二传感器组件通过有线或无线接口可操作地互连，并且还通过无线接口可操作地连接至相容的读取器设备。
导电衬底还可使用坚固的支承材料诸如陶瓷、玻璃或通常用于印刷电路板的玻璃纤维增强复合材料来支承。这些材料提供用于将信号从感测元件传送到电子电路的完善的连接选项。各种封装选择(诸如多层印刷电路板、贯通板触点等)为传感器和设备提供增加的封装密度、可靠性和功能。
交互式传感器管理系统
本发明的实施方案还包括交互式传感器管理系统，该交互式传感器管理系统被配置成用于接收、分析、监测和/或报告由本发明的各种传感器组件、设备和模块生成的信号。本发明的固态电极、传感器组件、设备和模块的信号使用方波伏安法生成，如WO/2010/104962、WO/2010/111531、WO/2010/118156、WO/2013/112767、WO/2013/134582、WO/2014/106066和WO/2015/191924中所公开，这些专利以引用方式并入本文。在一些情况下，这些生成的信号由交互式传感器管理系统接收以进一步分析和处理，这可能是特定应用所期望的。
在一些情况下，管理系统通过实施特定于应用的测试配置文件和基于经优化的电极的预期用途的内部标准，最大限度提高经优化的电极的准确度和寿命。例如，在一个实施方案中，调整管理系统的测试配置文件或其它参数以由具有已知或未知电流密度的经优化的电极获得期望的信号电平。在一个实施方案中，调整管理系统的测试配置文件或其它参数以由多个电极获得一致的信号电平，其中每个电极包括独特的电流密度。因此，无论电极的电流密度如何，管理系统能够调谐经优化的电极的输出信号。
在一些情况下，管理系统自适应地学习测试环境，以准确预测和/或推荐一个或多个产品平台设备的最佳测试配置文件和内部标准。在一些情况下，管理系统使用至少一种优化技术(例如，统计技术)改善采集和分析来自一个或多个经优化的电极的数据的准确度。在一些情况下，管理系统提供用户友好的、直观的显示器和一种或多种测试状态监测特征，诸如警报或所生成的电子邮件。在一些情况下，管理系统包括一种或多种质量控制特征，该质量控制特征用于检测和报告系统或测试错误，诸如传感器不兼容、产品开发套件变化或超出阈值水平或数值等。在一些情况下，管理系统被配置成监测和管理系统级可追溯性。在一些情况下，管理系统包括用于执行计划测试运行的特征。在一些情况下，管理系统能够进行远程操作。
方波伏安法(SWV)用于由本发明的传感器部件产生信号。可同时或在不同时间间隔监测WE和IE产生的信号。在当前使用环境下，术语“扫描(sweep)”和“扫描(scan)”可互换使用。在ASM和AIM都位于相同衬底上的实施方案中，施用方波电势扫描以引起来自ASM和AIM的独立但同时发生的响应。将相同扫描参数(诸如电压扫描的范围、基座高度和扫描之间的时间间隔，也称为驻留时间)应用于这两个电极。
在ASM和AIM分别位于分立的电气独立电极上的其它实施方案中，可将具有不同扫描参数的两个独立方波电势扫描应用于电极。分别对WE和IE采样提供若干有益效果。第一，可针对ASM和AIM单独优化信号质量。第二，与WE相比，可不那么频繁地对IE采样，一些AIM被设计成在不同分析物中保持不变。因此，只需要在分析物发生变化或预期到这种变化时对IE采样，以再确认停滞。未花费在对IE采样的时间可用于恢复监测WE，实际上缩短了WE驻留时间并得到更具响应性的pH测量系统。第三，对IE的较不频繁采样允许采用某些AIM材料，所述AIM材料具有良好精度和较宽的pH不敏感性范围，但是易受由于重复电化学激励导致的信号丢失的影响。
在一些实施方案中，本发明传感器的SWV电子器件被配置成在来自WE和IE的输入之间复用。WE和IE输入在电气上等效并且与参比电极/伪参比电极(RE/PRE)和CE电路相同。该系统的运行示于表3中。
恒电势器电路(框1至9)的区分特征是用于选择ASM电极或AIM电极的复用器3。互阻抗放大器(4)、模拟-数字转换器(ADC)(5)、参比电极(6)、用于产生方波激励(7)的数字-模拟转换器(DAC)和驱动反电极(9)的差分放大器(8)是WE和IE二者所共有的。
表3：SWV系统运行
Figure GDA0001608804980000331
SWV运行参数，包括电压扫描(或扫描)范围、基座高度、平衡时间和驻留时间(即连续电压扫描之间的休息时间)，可针对WE和IE独立调整。在一个实施方案中，相同SWV电路用于依次监测WE和IE。
WE扫描和IE扫描的总体时间顺序在表4中示出。箭头表示以设置成独立驻留时间的定期时间间隔发生的扫描分组或重复。
表4：WE扫描和IE扫描的时间顺序
Figure GDA0001608804980000332
针对每个电极优化扫描参数。可针对WE和IE分别保持统计值，即一系列扫描重复的峰值电势平均值和标准偏差，以便能够独立地分析这些电极产生的结果。
针对本发明的WE和IE的SWV的运行参数(包括典型范围和优选值)在表5中示出。
表5：针对WE和IE的SWV的运行参数
Figure GDA0001608804980000333
Figure GDA0001608804980000341
本发明的SWV技术的特殊特征是实施两种运行模式。第一，为了定位分析物中ASM或AIM的峰值电势，在涵盖相对较宽电势范围的每次电压扫描开始时使用“查找”模式。第二，为了以较高分辨率定位来自电极的峰值电势，使用具有较小电压增量的“跟踪”模式。在跟踪模式中，例如2mV的阶跃高度对应于0.03pH单位的pH分辨率。这对于大多数pH分析应用已经足够。可进一步将阶跃高度减少至1mV(用于0.015pH单位的分辨率)，但是这样做也增加了跨越±200mV范围所需的时间。对于基本不变的AIM峰值电势而言，较窄扫描宽度就足够。
下面的过程描述了来自WE和IE的信号如何用于导出所关注分析物的浓度，在这种情况下，水合氢离子浓度表示为pH。
如表6-8所示，扫描起点(1)开始于以较低分辨率(2a)对WE的较宽SWV扫描，以查找后续WE跟踪扫描(2b)的中心。按照电压范围限值之间的每个电压增量的阶跃高度(SH)来设定扫描速率。在步骤3至6中概述了处理SWV输出以找出峰值。在WE查找扫描(2a)刚刚结束后，但是在WE跟踪扫描(2b)开始之前，IE的较宽SWV扫描(8a)查找后续IE跟踪扫描的中心。IE跟踪扫描的初始组被平均化以确定AIM基线(9)，并且被保存在非易失性存储器(10)中。后续AIM跟踪扫描(8b)的峰值(步骤3至6)与AIM基线的差值等于ΔAIM(11)。因为AIM峰值是不变的，所以ΔAIM反映了RE或PRE的漂移。ASM峰值通过ΔAIM校正(7)，作为等同于RE或PRE的漂移的校正因子来应用。校准表表征在若干温度下(例如，5℃至50℃)以及一定pH范围(例如，pH 2至pH 12)内响应于标准缓冲剂的平均ASM。使用稳定的RE(诸如Ag/AgCl或甘汞)在受控条件下制作校准表的条目。根据校准表，在等于经校正ASM(7)的传感器温度和电压下，测定样本的对应pH(12)。
表6：WE扫描，基线校正；峰值拾取；计算ASM峰值电势；ASM校正
Figure GDA0001608804980000351
表7：用于计算AIM峰值电势和ΔAIM的IE扫描(经基线校正、峰值拾取)
Figure GDA0001608804980000352
表8：根据预定校准表(或函数)计算pH
Figure GDA0001608804980000353
用本发明的WE-IE对来确定pH(或其它分析物浓度)可按如下方式进行。可使用在以标准Ag/AgCl或甘汞参比电极为参考的温度范围内ASM对pH缓冲剂的响应的校准表，从而能够响应于AIM的漂移来校正ASM峰值。另一个方法是对于给定温度范围内的pH缓冲剂，直接由ASM峰值电势和AIM峰值电势之间的差值制作校准表。可将这些操作并入到本发明的分析物感测设备的固件中。
本发明的分析物感测设备包括传感器组件，所述传感器组件包括WE、IE、RE(CRE或PRE，但通常为PRE)和CE中的至少一个。这些传感器部件可按各种空间布置、表面积比、平面或三维设计、共轴或非共轴几何结构或它们的一些组合来配置，如上文所述。
本发明的各个方面也将在下面的实施例中示出。
实施例
实施例1：合成PVA-AQ
一种适用于本发明的传感器组件、设备、模块或产品平台中的合适的固态电极由水凝胶制成，该水凝胶由共价结合到蒽醌衍生物(PVA-AQ)的聚乙烯醇构成。PVA-AQ是使用二乙基氨甲基聚苯乙烯(常用于有机合成反应的一种聚合物碱)合成的。完成该反应通常需要大约48小时。为缩短反应时间，本发明提供了使正丁基锂、氢化钠和叔丁醇钾反应的方法，然而，有机合成反应中常用的许多碱类中的任一种都可以被取代，并且根据需要改变反应条件以制备所需的PVA-AQ，包括根据本发明所述用于改变反应时间和/或AQ官能化密度的任何取代。因此，可使用若干种不同的碱来定制本发明的方法和PVA-AQ化学反应，以实现特定应用期望的PVA官能化。将正丁基锂用作碱的示例性PVA-AQ合成反应在表9中示出。
表9：使用正丁基锂合成PVA-AQ
Figure GDA0001608804980000361
A.将正丁基锂用作碱来合成PVA-AQ
用于制备表9中的PVA-AQ的过程如下。用氩气吹扫带搅拌棒且用烘箱干燥过的500mL烧瓶30分钟。取1.77g(0.042mol)PVA，连同300mL干燥DMSO一起，经由转移套管加入烧瓶。将系统保持在正氩气压下，用油浴加热至50℃，同时用磁力搅拌棒搅拌，以使PVA溶解。两小时之后，将烧瓶冷却至室温，加入10.4mL(0.0166mol)正丁基锂。15分钟之后，加入5g2-溴甲基蒽醌。在环境温度和氩气氛下继续搅拌混合物20个小时。次日，将暗棕色的粗制反应混合物投入10倍体积的1,4-二氧六环中，边加边搅拌。得到焦糖棕色的溶液，其中有淡黄色固体。继续搅拌该溶液两小时，然后置于玻璃烧结的布氏漏斗上真空过滤。另选地，可让上述混合物静置，在通过滗析除去溶剂混合物之后，可分离出淡黄色固体。除去固体后，用丙酮进行洗涤。将固体再次溶解于DMSO中，加入1,4-二氧六环和丙酮使溶液沉淀，以除去任何未反应的溴甲基蒽醌。还用己烷洗涤，来帮助除去杂质。
B.将氢化钠用作碱来合成PVA-AQ
取一只带搅拌棒且用烘箱干燥过的圆底烧瓶(烧瓶1)，在氩气氛下放置30分钟。取924mg(21mmol)PVA，连同50mL干燥DMF一起，经由转移套管加入烧瓶。将油浴加热至120℃，把烧瓶放入油浴，以使PVA溶解。一旦PVA溶解，就从油浴取出烧瓶，使其冷却至室温。取20ml干燥DMF，经由转移套管加入第二只用烘箱干燥过的烧瓶(烧瓶2)。将氢化钠(400mg,10mmol)加入烧瓶2，然后搅拌。经由转移套管将烧瓶2的内容物加入烧瓶1。烧瓶1中的氢化钠/PVA混合物表现为淡黄色悬浮液。搅拌20分钟后，将溴甲基蒽醌(300mg,1mmol)加入反应混合物。5分钟后，混合物转变为深黄棕色，其中只有极少量未溶解固体。搅拌该混合物90分钟。加入0.5ml水猝灭反应，然后再搅拌30分钟。接着取10.5mL(10.5mmol)1M盐酸加入烧瓶1，以中和去质子化的PVA，这有助于使混合物增溶，结果是混合物转变为淡黄色。将烧瓶1的内容物投入装有1.5L丙酮的新烧瓶(烧瓶3)中，搅拌15分钟，期间形成了淡黄色沉淀。让沉淀静置10分钟，然后滗析，以减小沉淀的体积。然后，将滗出的沉淀置于冰浴上真空过滤。用丙酮洗涤固体，随后真空干燥。
实施例2：使用HCl合成PVA-Fc
一种适用于本发明的传感器组件、设备、模块或产品平台中的合适的固态电极由水凝胶制成，该水凝胶由共价结合到二茂铁衍生物(“PVA-Fc”)的聚乙烯醇构成。PVA-Fc的合成方法是：在室温下，通过过夜搅拌，将2.0g聚乙烯醇(4.55×10-2当量)溶于50mL 1-甲基-2-吡咯烷酮(“NMP”)中。再将500mg二茂铁甲醛(2.34×10-3摩尔)加入搅拌过的溶液中。然后加入1.0mL盐酸，在室温下将所得的溶液搅拌48小时(“搅拌过的溶液”)，随后将该搅拌过的溶液的等分试样稀释于二氯甲烷中，并通过TLC(二氧化硅，氯仿中的24％甲醇)进行检测，结果表明二茂铁甲醛未完全与PVA关联。
在剧烈搅拌下，将该搅拌过的溶液缓慢地加入250mL乙酸乙酯中，沉淀出聚合物。添加完成后，通过滗析除去乙酸乙酯。随后在搅拌下，用250mL乙酸乙酯对聚合物洗涤两次，以除去任何剩余的NMP和未结合的二茂铁甲醛。通过过滤分离出聚合物，用乙酸乙酯洗涤，并在真空下干燥，得到2.0g产物。使用盐酸合成PVA-Fc的示例性方法在表10中示出。
表10：使用HCl合成PVA-Fc
Figure GDA0001608804980000381
实施例3：PVA-Fc电极
一种适用于本发明的传感器组件、设备、模块或产品平台中的合适的固态电极由水凝胶制成，该水凝胶由共价结合到二茂铁衍生物(“PVA-Fc”)的聚乙烯醇构成。利用本发明的一种或多种方法形成PVA-Fc水凝胶并且直接交联到电极衬底上。在一种情况下，首先将碳电极衬底浸泡于润湿剂诸如
Figure GDA0001608804980000382
或聚乙二醇中，随后在4-10小时内转移至聚乙烯醇的溶液中。然后将浸泡过的碳衬底转移至40-50℃的二茂铁甲醛的盐酸溶液中，并搅拌以涂布衬底。然后在120-150℃下加热经过涂布的碳衬底以完成PVA-FC的合成和交联。
实施例4：PVA-Fc-MA固态电极
一种适用于本发明的传感器组件、设备、模块或产品平台中的合适的固态电极由水凝胶制成，该水凝胶由共价结合到二茂铁衍生物(“PVA-Fc”)的聚乙烯醇构成。利用本发明的一种或多种方法形成PVA-Fc水凝胶并且直接交联到电极衬底上。在一种情况下，首先将碳电极衬底浸泡于润湿剂诸如
Figure GDA0001608804980000392
或聚乙二醇中，随后在4-10小时内转移至聚乙烯醇的溶液中。通过将二茂铁甲醛溶解于盐酸中来制备PVA-Fc溶液。根据所需的交联程度和亲水性不同，向PVA-Fc溶液中加入5-20重量％的马来酸酐以得到PVA-Fc马来酸酐(“PVA-Fc-MA”)溶液。然后将浸泡过的碳衬底转移至40-50℃的PVA-Fc-MA溶液中并进行搅拌以涂布衬底。然后在120℃下加热经过涂布的碳衬底以完成PVA-FC-MA水凝胶的合成以及在碳电极衬底上的交联。PVA-Fc-MA的示例性合成方法在表11中示出。
表11：PVA-Fc-MA合成
Figure GDA0001608804980000391
实施例5：混杂式传感器组件
提供了一种混杂式传感器组件，该混杂式传感器组件包括手持式探头组件，其中探头组件的远侧端部包括传感器组件，该传感器组件包括多个根据本发明所述的经优化的固态电极。在一个实施方案中，混杂式传感器组件被配置用于实验室应用以及食品和饮料应用。传感器组件的RE包括Ag/AgCl凝胶涂布的聚乙烯过滤器，该过滤器具有两个接合点并且包括大约7.1mm2的表面积。传感器组件的CE包括大约282.58mm2的表面积，该表面积大约比ASM的RASA大8倍。传感器组件还包括WE，该WE包含三维圆环形衬底，在该衬底上涂布有分析物敏感材料(ASM)。WE凹进探头组件的尖端，使得衬底的侧面和背面被覆盖，从而仅暴露电极的前面或正面。根据衬底的孔隙度不同，含ASM的聚合物可以从前面渗入衬底的孔中，从而在其中形成三维幅材状网络。在一个实施方案中，所述一个或多个ASM的有效RASA被确定为大约37.55mm2，其平均电流为100μA，并且平均电流密度为102A/m2。
在一个实施方案中，在60mV/s的扫描速率下，采用100mV的幅值和60Hz的频率对混杂式传感器组件的ASM进行测试。由探头组件的ASM产生的平均信号密度/电流为220μA，平均电流密度为大约5.86A/m2。
在一个实施方案中，混杂式传感器组件包括至少21天的使用寿命，并且在25℃下储存于3M KCl中时可使用超过1000小时。
实施例6：桨叶状传感器尖端
提供了一种具有桨叶状结构的传感器尖端，该桨叶状结构包括两个相对的平坦表面和单个远侧平坦表面。在一个实施方案中，传感器尖端被配置用于单次使用。单个远侧平坦表面包括经烧结的Ag/AgCl RE，该Ag/AgCl RE具有大约12.26mm2的表面积。传感器尖端的CE由哈氏合金制成，并且包括大约282.58mm2的表面积，该表面积大约比含ASM的WE的RASA大8倍。一个相对的平坦表面包括圆环形含ASM的WE，该WE由涂布有聚合物ASM/PVA-AQ基质材料的碳纤维环氧树脂或乙烯基酯/石墨环氧树脂构成，并且还包括大约37.42mm2的RASA。相对的另一平坦表面包括平坦的盘形AIM，该AIM包括大约57.42mm2的RASA。
在60mV/s的扫描速率和60Hz的频率下对传感器尖端的ASM进行测试。在30mV/s的扫描速率下，采用25mV的幅值和60Hz的频率对传感器尖端的AIM进行测试。由探头组件的ASM产生的平均信号密度/电流为220μA，平均电流密度为大约5.86A/m2。由传感器尖端的ASM产生的平均信号密度/电流为220μA，平均电流密度为大约5.86A/m2。由传感器尖端的AIM产生的平均信号密度/电流为400μA，平均电流密度为大约6.97A/m2。
在一个实施方案中，一次性传感器尖端包括至少25天的使用寿命，并且在25℃下储存于干燥环境时可以使用超过50天或1200小时。
实施例7：改良的传感器尖端
提供一种改良的传感器尖端以用于测量包含分析物的溶液。在一个实施方案中，传感器尖端被配置用于单次使用。传感器尖端包括具有大约12.26mm2的表面积的RE。传感器尖端的CE具有大约282.58mm2的表面积。传感器尖端还包括含ASM的WE，该WE包括拱形半圆环衬底，具有大约16.97mm2的RASA，其平均电流为150μA，并且电流密度为8.8A/m2。传感器尖端还包括含AIM的IE，该IE也包括拱形半圆环衬底，具有大约16.97mm2的RASA，其平均电流为20μA至43μA。
在60mV/s的扫描速率下，采用100mV的幅值和60Hz的频率对改良的传感器尖端的ASM进行测试。在30mV/s的扫描速率下，采用25mV的幅值和60Hz的频率对传感器尖端的AIM进行测试。由ASM产生的平均信号密度/电流为110μA，平均电流密度为大约6.48A/m2。由AIM产生的平均信号密度/电流为40μA，平均电流密度为大约2.35A/m2。
在一个实施方案中，传感器尖端在不放大的情况下包括至少21天的使用寿命，并且在25℃下储存于干燥环境时可以使用超过72天。
实施例8：平坦的感测材料
提供了一种平坦的感测材料，该平坦的感测材料具有刚性或柔性特性并且包括多个根据本发明所述的固态电极。在一个实施方案中，传感器材料被配置用于单次使用。感测材料包括集成RE，该集成RE包括大约12.26mm2的表面积。感测材料的CE包括大约126.45mm2的表面积。感测材料还包括由具有大约57.23mm2的RASA的碳纤维盘构成的含ASM的WE，其平均电流为100μA至300μA，还包括大约1.8×1016个ASM活性位点。感测材料还包括盘形AIM，该AIM包括大约57.41mm2的RASA。
在60mV/s的扫描速率下，采用100mV的幅值和60Hz的频率对平坦的感测材料的ASM进行测试。在30mV/s的扫描速率下，采用25mV的幅值和60Hz的频率对平坦的感测材料的AIM进行测试。由ASM产生的平均信号密度/电流为300μA，平均电流密度为大约5.34A/m2。由AIM产生的平均信号密度/电流为400μA，平均电流密度为大约6.97A/m2。
在一些实施方案中，平坦的感测材料包括至少21天的使用寿命，并且在25℃下储存于干燥环境时可以使用超过1000小时。
实施例9：混杂式传感器的组装
混杂式传感器组件3000按照本文所述及图20所示进行组装。在组装WE和RE组件3010时，首先将CE接触线3012、热敏电阻器子组件3014和WE接触环3016附接到WE和RE外壳3011，使得CE接触线3012、热敏电阻器子组件3014和WE接触环3016的电引线从外壳3011的近侧端部向外延伸。将CE环3013安装到外壳3011的外部远侧端部，并且将CE绝缘体3015插入外壳3011的远侧开口中。将RE插头3017插入外壳3011的近侧开口中并且通过摩擦配合保持。然后将组件3010螺接固定到RE头部和管3018，并且通过环氧树脂3019固定以提供传感器簇3020。使用热缩管3021和聚酰亚胺胶带3022使各种部件的接触引线进一步隔离和/或绝缘，同时使用30AWG线3023形成电连接以提供完整的簇组件3024。
将RE套筒3025插入组件3024的近侧端部内，并且通过环氧树脂3026附接到其中。然后在套筒3025中填充RE溶液3001以提供传感器模块3027。然后将模块3027装上传感器印刷电路板(PCB)3028，该传感器印刷电路板可操作地耦接到引线3023并且再通过热缩管3029隔离。PCB3028通过非导电环氧树脂3030附着到模块3027。将O形环3031装到管3018上并且定位为紧贴CE环3013以提供完整的传感器模块3032。然后将传感器模块3032通过螺接插入传感器护套、外壳或柄部3033内。最后，在模块3032的近侧端部将线缆组件3034耦接到PCB 3028以提供混杂式传感器组件3000。

Claims (30)

1.一种分析物感测设备，包括：传感器尖端，所述传感器尖端包括具有氧化还原活性表面区域RASA的固态电极，所述RASA包括结合到交联聚合物基质材料中的分析物不敏感材料AIM和分析物敏感材料ASM中的至少一种，所述交联聚合物基质材料非共价附接到所述RASA，所述固态电极具有选自如下构成的组中的物理参数：(1)3mm2至15mm2、8mm2至75mm2或100mm2至400mm2的所述RASA的暴露的表面区域；以及(2)0.06mm～0.25mm的所述交联聚合物基质材料的厚度，其中所述物理参数被配置为当所述固态电极的电流密度为1.0A/m2至20.0A/m2时生成5μA至400μA范围内的输出信号。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括具有远侧端部的探头，所述远侧端部包括所述传感器尖端。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述传感器尖端可操作地且选择性地耦接到所述探头的所述远侧端部。
4.根据权利要求1所述的设备，还包括包含ASM的第一固态电极和包含AIM的第二固态电极。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述RASA的所述暴露的表面为三维的。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述传感器尖端还包括常规参比电极，所述常规参比电极由与KCl溶液接触的Ag/AgCl线组成，其中所述传感器尖端包括混杂式传感器尖端。
7.一种分析物感测容器，包括：
壁表面，所述壁表面至少部分地围绕所述容器设备的内部；
分析物传感器，所述分析物传感器耦接到所述壁表面并且包括固态电极，所述固态电极具有至少部分地位于所述设备的内部并且被定位成接触储存于所述容器中的物品的RASA，所述RASA包括结合到交联聚合物基质材料中的AIM和ASM中的至少一种，所述交联聚合物基质材料非共价附接到所述RASA，所述固态电极具有选自如下构成的组中的物理参数：(1)3mm2至15mm2、8mm2至75mm2或100mm2至400mm2的所述RASA的暴露的表面区域；以及(2)0.06mm～0.25mm的所述交联聚合物基质材料的厚度，其中所述物理参数被配置为当所述固态电极的电流密度为1.0A/m2至20.0A/m2时生成5μA至400μA范围内的输出信号。
8.根据权利要求7所述的容器，其中所述壁表面还包括外壁表面和壁厚度，并且其中所述固态电极各自包括至少一个电触点，所述至少一个电触点穿过所述壁厚度，使得所述电触点的一部分位于所述外壁表面上。
9.根据权利要求8所述的容器，其中所述壁厚度小于2mm。
10.根据权利要求8所述的容器，其中所述容器包括柔性材料。
11.根据权利要求7所述的容器，其中所述容器为反应容器。
12.根据权利要求7所述的容器，其中所述容器为cellbag或生物反应袋。
13.根据权利要求7所述的容器，其中所述分析物传感器经由所述分析物传感器的安装表面耦接到所述壁表面。
14.根据权利要求13所述的容器，其中所述安装表面包括凸缘。
15.根据权利要求13所述的容器，其中所述分析物传感器经由机械干涉、螺接、焊接、粘合剂、机械夹具和紧固件中的至少一个耦接到所述壁表面。
16.根据权利要求13所述的容器，其中所述分析物传感器经由机械干涉、螺接、塑性焊接、胶粘物或环氧树脂、机械夹具和紧固件中的至少一个耦接到所述壁表面。
17.根据权利要求7所述的容器，其中所述分析物传感器包括粘合剂标签。
18.根据权利要求7所述的容器，其中所述容器为样本板。
19.一种分析物感测设备，包括：
第一单元，所述第一单元包括根据权利要求1的第一分析物传感器；
第二单元，所述第二单元包括根据权利要求1的第二分析物传感器；和
间隙，所述间隙介于所述第一分析物传感器和所述第二分析物传感器之间，所述间隙被构造成保持具有小体积的液体含分析物的样本。
20.根据权利要求19所述的设备，其中所述体积小于1毫升。
21.根据权利要求19所述的设备，其中所述体积小于1微升。
22.根据权利要求19所述的设备，其中所述体积小于1纳升。
23.根据权利要求19所述的设备，其中所述体积小于1皮升。
24.根据权利要求19所述的设备，其中所述液体含分析物的样本通过毛细力保持在所述间隙中。
25.一种样本对接设备，包括具有一个或多个电触点的分析物传感器读取器，所述一个或多个电触点用于可操作地连接至根据权利要求1的分析物感测设备的一个或多个固态电极，所述样本对接设备还包括用于接收来自所述一个或多个固态电极的输出信号的电路。
26.根据权利要求25所述的设备，还包括样本接口，所述样本接口具有至少一个结构特征以相容地接收所述分析物感测设备，使得所述至少一个结构特征有助于对准、定位或维持所述一个或多个电触点与所述一个或多个固态电极之间可操作连接。
27.一种分析物感测系统，包括：
传感器设备，所述传感器设备包括根据权利要求7至24中任一项所述的分析物传感器；和
根据权利要求25和26中任一项所述的样本对接设备。
28.一种产品开发套件，包括外壳，所述外壳具有电路和至少一个I/O端口以接收至少一个包括根据权利要求7至24中任一项所述的分析物传感器的传感器组件，所述套件还可操作地连接至计算系统，所述计算系统能够接收由所述至少一个传感器组件生成的输出信号。
29.根据权利要求27所述的分析物感测系统，还包括根据权利要求25或26所述的样本对接设备，所述样本对接设备可操作地且插置地定位在所述至少一个传感器组件与所述至少一个I/O端口之间。
30.根据权利要求28所述的套件，其中所述套件或计算系统被配置成使用至少一种方波伏安法由所述至少一个传感器组件的所述输出信号生成信号。
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