CN114544718A - 固态参考凝胶 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种用于pH传感器的固态凝胶，所述固态凝胶包括水、用于调节所述凝胶呈液态时的pH的缓冲剂体系、作为胶凝剂的聚乙二醇或其衍生物和盐的反应产物，其中所述水、所述缓冲剂、所述聚乙二醇和参考电解质盐在液态下混合时形成混合物，所述混合物在经受伽马辐照时形成所述反应产物。
Description
本公开涉及一种制备生物相容的固态参考凝胶的方法，该固态参考凝胶可用于被设计用于卫生应用的pH传感器。
在参考电极中使用液体参考电解质的pH传感器在暴露于正过程压力时可能出现不期望的响应波动。这种行为如图1所示，其中2个具有填充有液体参考溶液的参考电极的pH传感器暴露于0psi-90psi的各种过程压力下。随着过程压力从0psi上升到30psi，这两个pH传感器开始表现出响应波动。当过程压力达到90psi时，观察到高达1个pH单位的显著响应波动。这种波动会导致显著的测量误差，这是不可接受的。
这种不期望的压力灵敏度是由干扰离子从参考电极通过参考结点扩散到过程中引起的，从而导致不稳定的参考液体结点电位以及随后不稳定的传感器响应。因此，具有这种行为的pH传感器不适用于正压力和变化过程压力的应用。
解决这个问题的常见方法是向传感器参考电极施加内部压力，从而通过将参考电解质通过结点推出来抵消外部过程压力的影响。一些美国专利描述了将内部压力引入参考电极的设计和制造过程，包括US 7,704,359、US 2017/0176371和US 9,134,266 B2。加压参考室是解决这一问题的有效方法，但需要非常复杂的机械设计、验证和随后的制造工艺开发。
发明内容
本公开涉及一种用于pH传感器的固态凝胶。该固态凝胶包含水、用于调节凝胶呈液态时的pH的缓冲剂体系、作为胶凝剂的聚乙二醇或其衍生物和盐的反应产物，其中水、缓冲剂、聚乙二醇和参考电解质盐在液态下混合时形成混合物，该混合物在经受伽马辐照时形成该反应产物。
本公开还涉及反应产物，其中呈液态时，聚乙二醇或其衍生物占约2重量％至90重量％。
本公开还涉及反应产物，其中缓冲剂体系包括基于磷酸盐的缓冲剂或基于碳酸盐的缓冲剂。
本公开还涉及反应产物，其中参考电解质盐包括浓度为0.01M至饱和的氯化钾或浓度为0.01M至饱和的乙酸锂。
本公开还涉及反应产物，其中聚乙二醇具有约15,000的最小平均分子量。
本公开还涉及反应产物，其中凝胶的粘度通过聚乙二醇或其衍生物的浓度和分子量来调节。
本公开还涉及反应产物，其中将凝胶从液态转变为固态的伽马辐照剂量为至少1kGy。
本公开还涉及一种制造用于pH传感器的固态凝胶的方法。该方法包括将水、缓冲剂体系、聚乙二醇或其衍生物和参考电解质盐混合以形成混合物，并将该混合物暴露于伽马辐照以形成固体凝胶。
本公开还涉及这种方法，其中聚乙二醇或其衍生物占约2重量％至90重量％。
本公开还涉及这种方法，其中缓冲剂体系包括基于磷酸盐的缓冲剂或基于碳酸盐的缓冲剂。
本公开还涉及这种方法，其中参考电解质盐包括浓度为0.01M至饱和的氯化钾或浓度为0.01M至饱和的乙酸锂。
本公开还涉及这种方法，其中聚乙二醇具有约15,000的最小平均分子量。
本公开还涉及这种方法，其中凝胶的粘度通过聚乙二醇或其衍生物的浓度和分子量来调节。
本公开还涉及这种方法，其中将凝胶从液态转变为固态的伽马辐照剂量为至少1kGy。
本公开还涉及一种包括壳体和在壳体内的固态凝胶的pH传感器。该固态凝胶包含水、调节凝胶呈液态时的pH的缓冲剂体系、聚乙二醇或其衍生物和参考电解质盐的反应产物，这些组分形成混合物，并且使该混合物经受伽马辐照以形成固体凝胶。
本公开还涉及反应产物，其中呈液态时，聚乙二醇或其衍生物占约2重量％至90重量％。
本公开还涉及反应产物，其中缓冲体系包括基于磷酸盐的缓冲剂或基于碳酸盐的缓冲剂。
本公开还涉及反应产物，其中参考电解质盐包括浓度为0.01M至饱和的氯化钾或浓度为0.01M至饱和的乙酸锂。
本公开还涉及反应产物，其中聚乙二醇或其衍生物具有约15,000的最小平均分子量。
本公开还涉及反应产物，其中凝胶的粘度通过聚乙二醇的浓度和分子量来调节。
本公开还涉及一种制造pH传感器的方法，该pH传感器的参考电极填充有固态参考凝胶。该方法包括将水、缓冲剂体系、聚乙二醇或其衍生物和参考电解质盐混合以形成混合物，将该混合物置于传感器壳体内，并且在传感器壳体中时将该混合物暴露于伽马辐照以形成固体凝胶。
本公开还涉及这种方法，其中呈液态时，聚乙二醇或其衍生物占约2重量％至90重量％。
本公开还涉及这种方法，其中缓冲剂体系包括基于磷酸盐的缓冲剂或基于碳酸盐的缓冲剂。
本公开还涉及这种方法，其中参考电解质盐包括浓度为0.01M至饱和的氯化钾或浓度为0.01M至饱和的乙酸锂。
本公开还涉及这种方法，其中聚乙二醇或其衍生物具有约15,000的最小平均分子量。
本公开还涉及这种方法，其中凝胶的粘度通过聚乙二醇的浓度和分子量来调节。
本公开还涉及这种方法，其中将凝胶从液态转变为固态的伽马辐照剂量为至少1kGy。
附图说明
图1为现有技术传感器的压力灵敏度的图形视图。
图2为具有本公开的固态凝胶的传感器的压力灵敏度的图形视图。
具体实施方式
本公开描述了一种被开发用于在大约90psi下降低或消除不期望的传感器压力灵敏度的固态参考凝胶。该凝胶以液体形式制备，并且在制造过程中注入传感器参考电极后仍保持液态。这使得在制造中易于处理和加工。该液体凝胶经受伽马辐照过程，在此过程期间凝胶交联并转变为固化形式。伽马辐照还对适合在卫生环境中使用的传感器进行消毒。一旦凝胶固化，它就为传感器参考电极提供耐过程压力性。
本公开的凝胶为四种化学组分的反应产物：
1.水，用作溶剂
2.缓冲体系，用于调节凝胶呈液态时的pH
3.作为胶凝剂的聚乙二醇或其衍生物，用于在伽玛辐照下固化凝胶
4.提供稳定参考结点电位的参考电解质盐，诸如氯化钾或乙酸锂
缓冲体系可包括磷酸盐缓冲剂、碳酸盐缓冲剂或柠檬酸盐缓冲剂。
呈液态时，聚乙二醇或其衍生物占混合物的约2重量％至90重量％，这被认为足以形成固体凝胶，并且优选地约20重量％的聚乙二醇或其衍生物适于形成固体凝胶。聚乙二醇衍生物可包括但不限于甲氧基聚乙二醇和聚(乙二醇)甲基醚甲基丙烯酸酯。尽管具体提及了聚乙二醇及其衍生物作为胶凝剂，但可使用其他聚合物，只要该聚合物的水溶液在伽玛辐照下固化即可。其他合适的胶凝剂可包括但不限于聚丙二醇及其衍生物和聚亚烷基二醇及其衍生物。
本公开的凝胶还可用于多种pH传感器和氧化还原电位(ORP)传感器，无论凝胶是否受辐照。
当与传感器的Ag/AgCl导线耦合时，添加氯化钾以形成稳定且可预测的参考电位。当用于双结参考电极配置时，可使用其他参考电解质，诸如乙酸锂。然后辐照传感器的内容物以形成固体凝胶。
本公开的传感器的所有四个组分都是生物相容的，这使得该传感器可用于卫生应用，但还设想了卫生以外的其他应用，并且本文的公开内容不应受如此限制。
凝胶的缓冲体系包含一对合适的酸及其共轭碱，诸如基于磷酸盐的缓冲剂或基于碳酸盐的缓冲剂。凝胶的pH可通过控制缓冲体系内的酸碱对的浓度比来调节。例如，通过改变NaH2PO4与NaOH的浓度比，可调节凝胶的pH。
凝胶的初始粘度可通过改变胶凝剂的浓度和分子量来控制。浓度和分子量越高，粘度越高。
实施例
通过首先将约0.106M的NaH2PO4、0.04M的NaOH和1M的KCl溶解在水中以形成磷酸盐缓冲剂溶液来制备凝胶原型。然后，在室温下，在磁力搅拌下向缓冲剂溶液中添加约20重量％的聚乙二醇(平均分子量为20,000)。在约2小时内形成均匀的液体凝胶，其中初始粘度约为53.7cP。
然后将液体凝胶填充到pH传感器的参考电极室中。然后将传感器以约55kGy伽马辐照，以进行灭菌和凝胶固化。在伽马辐照之后，液体凝胶固化，其中产生少量小气泡并被锁定在固化的凝胶中的适当位置。这防止了传感器内气泡的移动，气泡的移动会导致不期望的传感器尖峰。
在伽马辐照之前和之后校准填充有该凝胶的本公开的传感器，以验证其功能。如表1所示，当凝胶为液体和固化形式时，传感器成功校准，使用本公开的凝胶没有引入显著变化。
表1.在伽马辐照处理之前和之后填充有固态参考凝胶的本公开的传感器的校准结果
为了评估本公开的固态参考凝胶的有效性，将填充有该凝胶(标记为PEG 20000固化的凝胶)的传感器在15GPM的恒定流量下暴露于各种过程压力下。没有向本公开的传感器的参考室施加额外的内部压力。如图2所示，填充有本公开的固态凝胶的PEG 20000传感器在0psi至90psi的范围内没有产生压力响应。
Claims (34)
1.一种用于pH传感器的固态凝胶，所述固态凝胶包含水、用于调节所述凝胶呈液态时的pH的缓冲剂体系、作为胶凝剂的聚乙二醇或其衍生物和参考电解质盐的反应产物，其中所述水、所述缓冲剂体系、所述聚乙二醇或其衍生物和所述参考电解质盐在液态下混合时形成混合物，所述混合物在经受伽马辐照时形成所述反应产物。
2.如权利要求1所述的固态凝胶，其中所述聚乙二醇或其衍生物占所述混合物的约2重量％至90重量％。
3.如权利要求1所述的固态凝胶，其中呈液态时，所述聚乙二醇占约2重量％至90重量％。
4.如权利要求1所述的固态凝胶，其中所述缓冲剂体系包括基于磷酸盐的缓冲剂或基于碳酸盐的缓冲剂。
5.如权利要求1所述的固态凝胶，其中所述参考电解质盐包括浓度为0.01M至饱和的氯化钾或浓度为0.01M至饱和的乙酸锂。
6.如权利要求1所述的固态凝胶，其中所述聚乙二醇具有15,000的最小平均分子量。
7.如权利要求1所述的固态凝胶，其中所述凝胶的粘度通过所述聚乙二醇的浓度和分子量来调节。
8.如权利要求1所述的固态凝胶，其中所述聚乙二醇衍生物包括甲氧基聚乙二醇和聚(乙二醇)甲基醚甲基丙烯酸酯。
9.如权利要求1所述的固态凝胶，其中将所述凝胶从液态转变为固态的伽马辐照剂量为至少1kGy。
10.一种制备用于pH传感器的固态凝胶的方法，其中所述方法包括将水、缓冲剂体系、聚乙二醇和参考电解质盐混合以形成混合物，并将所述混合物暴露于伽马辐照以形成固体凝胶。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述聚乙二醇占约2重量％至90重量％。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述缓冲剂体系包括基于磷酸盐的缓冲剂或基于碳酸盐的缓冲剂。
13.如权利要求10所述的方法，其中所述参考电解质盐包括浓度为0.01M至饱和的氯化钾或浓度为0.01M至饱和的乙酸锂。
14.如权利要求10所述的方法，其中所述聚乙二醇具有15,000的最小平均分子量。
15.如权利要求10所述的方法，其中所述凝胶的粘度通过聚乙二醇的浓度和分子量来调节。
16.如权利要求10所述的方法，其中所述聚乙二醇衍生物包括甲氧基聚乙二醇和聚(乙二醇)甲基醚甲基丙烯酸酯。
17.如权利要求10所述的方法，其中将所述凝胶从液态转变为固态的伽马辐照剂量为至少1kGy。
18.一种包括壳体和在所述壳体内的固态凝胶的pH传感器，其中所述固态凝胶包含水、调节所述凝胶呈液态时的pH的缓冲剂体系、聚乙二醇和参考电解质盐的反应产物，这些组分形成混合物，并且使所述混合物经受伽马辐照以形成所述固体凝胶。
19.如权利要求18所述的pH传感器，其中呈液态时，所述聚乙二醇占约2重量％至90重量％。
20.如权利要求18所述的pH传感器，其中所述缓冲体系包括基于磷酸盐的缓冲剂或基于碳酸盐的缓冲剂。
21.如权利要求18所述的pH传感器，其中所述参考电解质盐包括浓度为0.01M至饱和的氯化钾或浓度为0.01M至饱和的乙酸锂。
22.如权利要求18所述的pH传感器，其中所述聚乙二醇具有15,000的最小平均分子量。
23.如权利要求18所述的pH传感器，其中所述凝胶的粘度通过聚乙二醇的浓度和分子量来调节。
24.如权利要求18所述的pH传感器，其特征在于，所述传感器在受到大约0psi至90psi范围内的外部压力时不产生压力响应。
25.如权利要求18所述的pH传感器，其中所述聚乙二醇衍生物包括甲氧基聚乙二醇和聚(乙二醇)甲基醚甲基丙烯酸酯。
26.如权利要求18所述的pH传感器，其中将所述凝胶从液态转变为固态的伽马辐照剂量为至少1kGy。
27.一种制造pH传感器的方法，所述pH传感器的参考电极填充有固态参考凝胶，所述方法包括将水、缓冲剂体系、聚乙二醇或其衍生物和参考电解质盐混合以形成混合物，将所述混合物置于传感器壳体内，并且在所述传感器壳体中时将所述混合物暴露于伽马辐照以形成固体凝胶。
28.如权利要求27所述的方法，其中呈液态时，所述聚乙二醇占约2重量％至90重量％。
29.如权利要求27所述的方法，其中所述缓冲剂体系包括基于磷酸盐的缓冲剂或基于碳酸盐的缓冲剂。
30.如权利要求27所述的方法，其中所述参考电解质盐包括浓度为0.01M至饱和的氯化钾或浓度为0.01M至饱和的乙酸锂。
31.如权利要求27所述的方法，其中所述聚乙二醇具有15,000的最小平均分子量。
32.如权利要求27所述的方法，其中所述凝胶的粘度通过聚乙二醇的浓度和分子量来调节。
33.如权利要求27所述的方法，其中所述聚乙二醇衍生物包括甲氧基聚乙二醇和聚(乙二醇)甲基醚甲基丙烯酸酯。
34.如权利要求27所述的方法，其中将所述凝胶从液态转变为固态的伽马辐照剂量为至少1kGy。
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