CN1170154C - 一种具有自诊断功能的微型固态参比电极 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电位测量电极系统的参比电极，其特征在于：增大了与样品溶液接触的接界，并采用了含有离子选择性物质的离子敏感性薄膜作为内部参比溶液的保护膜，该保护膜包括：基底；金属层；难溶性金属盐层；用于将金属层与水溶液隔离开的隔离膜；用作内部参比溶液的水凝胶；水凝胶上与样品溶液接触的接界；除接界以外在水凝胶整个表面上形成的离子敏感性保护膜，用于将样品溶液和内部参比溶液分隔开，或其可用作对接界污染物敏感的离子敏感性薄膜，由此就能容易地检查到由接界污染物引起的操作异常性，并能达到快速活化。

Description

一种具有自诊断功能的微型固态参比电极

技术领域

本发明涉及一种用于电位测量电极系统的固态参比电极，具体涉及一种微型固态参比电极，其特征在于：采用了离子敏感性薄膜，该离子敏感性薄膜包括一种离子选择性物质作为内部参比溶液的保护膜，并增大了与样品溶液接触的接界面积，由此可由它自己来检查操作异常性，并可做到快速活化。

现有技术

液体中目的分子水平是有用的指数，通过该指数可了解液体状态，由此，非常重要的是，为临床诊断目的需要快速而精确地测量例如血液、尿等等生理性液体中的分子水平。这种重要性也同样存在于生活用水(例如自来水和污水)、工业用水以及环境和健康方面的废水。此外，为检查产品质量，都需要将工业成品、副产品和半成品作为特定分子进行分析。

利用电位测量法的电极系统具有许多用途，它可用于进行广谱的分子分析，所述分子涵盖血液和尿中的生化化合物(例如尿素、肌酸酐、葡萄糖)、离子(例如K⁺、Na⁺、NH₄ ⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、HPO₄ ^2-、Cl^-、CO₃ ^2-等)和气体如工业物质中的pH、pCO₂、pO₂、pNO_x、pSO_x等等，用于临床分析、水质检查和技术分析领域中。

通常，这种进行电位测量的电极系统由两个电极构成：工作电极，它与目的离子反应产生电势差；参比电极，它保持预定的电势。在该系统中，工作电极上测得的电势值不是绝对值，它们表示的是与参比电极所维持的预定电势之间的相对值，换句话说，它是工作电极与参比电极之间的电势差。因此，维持预定电势的稳定参比电极的开发对于进行电位测量的电极系统的进步有着非常重要的意义。

象其它分析方法一样，用于临床、液体和工业物质分析的电位测量法要求样品在被采集后不会发生变化。然而，样品在运送过程中很可能被污染或由于测量的延迟使其性质发生改变，这样就导致了误差。因此，这种分析法需要对测量非常小心谨慎(point-of-care)。特别是，对于临床物质(例如血液)的医学分析必需要解决上述问题，以及由于从被化验者(例如内科病人)仅可得到少量的样品用于临床目的，因此还需要解决样品稀少的问题。

为满足这些要求，人们已经并继续积极地进行测量装置微型化的研究。在这点上，必要的先决条件是使由工作电极和参比电极构成的电极系统微型化。实际上，说这是对于进行电位测量的电极系统的微型化是必要的并不过分。在进行电位测量的电极系统的部件中，工作电极已经并将继续得到积极的研究，结果已经实现并提出了许多方法。在另一方面，作为工作电极对应部分的参比电极的微型化离成功差得很远，并且事实上已经处于研究不足的状态，这成为实现整个进行电位测量的电极系统微型化的最大障碍因素。

作为参比电极，甘汞Ag/AgCl电极是通用电极，其使用毛细管或多孔陶瓷作为其中的接界。然而，还不可能将这些常规参比电极大规模地小型化和进行制造。此外，常规参比电极的一个缺陷是生产成本高。结果，这些参比电极不适合用于小型或一次性分析器。

已经作了多种尝试来开发固态参比电极，以便使其完全能用于小型进行电位测量的电极系统，下面两项技术已被评价为最成功的例子。

一种技术是采用液体接界代替例如毛细管或多孔物质的固体接界，在该液体接界中构造了两个流动系统：一个流动系统对应于难溶性金属盐的电极，例如AgCl，另一个流动系统对应于工作电极。这两个流动系统被设计成能符合构成电极接界的点。难溶性金属盐的电极可与特定离子反应(从AgCl到Cl离子)。参比溶液包括特定离子(在使用AgCl、NaCl溶液的情况下)并具有稳定浓度，使该参比溶液流到流动系统，该流动使难溶性金属盐电极保持恒定电势(参比电极系统)。另一方面，当校准溶液或样品溶液已经流过安装了工作电极的流动系统时，工作电极就与特定的离子发生反应，此时测量作为相对于参比电极系统的电势差的电势变化。即使上面所提及的参比电极在构造上相对简单，但该参比电极仍具有需要补充参比溶液和需要高维护费用的缺点，此外，由于其溶液分流成两部分，因此其流动不容易控制。

另一个可选择的技术提供了这样一种机构：其中参比溶液形成在例如AgCl的难溶性金属盐上的水凝胶，并用聚合物保护薄膜涂覆在除水凝胶与样品溶液进行接触的窗口(接界)之外的整个水凝胶面积上。内部参比溶液用一种例如KCl的盐饱和，这使难溶性金属盐的电势恒定，但由于饱和的盐逐渐通过接界渗出，这改变了水凝胶的盐浓度，也由此改变了难溶性金属盐电极的电势。此外，难溶性金属盐电极在产生电势变化前扮演了几分钟的参比电极的角色。该类型的参比电极具有构造简单和易于控制的优点，因此，它不需要附加机构。然而，该普通参比电极在为标准操作进行的水凝胶的活化时间方面存在一些问题，即，水凝胶吸收样品水分以便维持稳定状态的时间比较长。此外，作为接界的小窗口容易被构造得不精确或常常被例如样品飘浮物的杂质所阻塞。而且，不运行参比电极就不会检测到由上述问题造成的参比电极的异常性，因此所测得的数值的可靠性较差。

发明内容的公开

针对进行电位测量的电极系统的深入细致研究已经反复进行，以便克服普通参比电极的上述问题，研究的结果导致了以下发现：将离子选择性物质用到内部参比溶液的保护薄膜连同扩大的参比电极与液样接触的接界中，这能够测定有关参比电极是否处于操作失调状态，例如接界处污染以及污染物是否减少，并保证参比电极在溶液中快速地活化。

因此，本发明的一个目的是提供一种具有自诊断功能的固态参比电极，该参比电极在接界污染方面得到了改进，并能在短时间内得到活化。

根据本发明提供了一种平面型的固态参比电极，它包括：基底；金属层；难溶性金属盐层；隔离金属层与水溶液的隔离膜；用作内部参比溶液的水凝胶；扩大了的与水凝胶的接界，在此水凝胶与液样接触；在水凝胶表面上除接界外的整个表面形成的离子选择性保护膜，用以将内部参比溶液和外部液样隔离开，该保护膜还作为对接界污染物敏感的离子敏感性薄膜。

附图简要说明

通过下面的详细描述并结合附图，将使本发明的上述和其它目的、特征和其它优点更清楚地被理解，其中：

图1是表示由工作电极和参比电极构成的双电极电位测量系统的示意性横截面视图；

图2是图1中双电极电位测量系统的正视图；

图3是表示由工作电极、参比电极和校正电极构成的三电极电位测量系统的示意性横截面视图；

图4是一个显示本发明的电位测量电极系统的操作特征的图，(a)当接界未被污染时的参比电极表示，(b)当接界被污染时的参比电极表示，以及设有钾离子选择性电极薄膜时的工作电极表示；

图5是一个表示对形成一个接界(a)和形成两个接界(b)之间的参比电极活化时间的比较图；

图6是一个表示本发明的参比电极对临床上重要血液内的离子的稳定性的图：对钾离子和氯离子(a)；对钠离子和氯离子(b)；以及对钙离子和氯离子(c)；

图7是一个表示本发明的参比电极对PH变化的稳定性的图；以及

图8是一个表示本发明的参比电极对混合离子浓度变化的稳定性的图。

本发明的最佳实施方式

本发明提供了一种用于电位测量电极系统的固态参比电极，其特征在于，扩大了的与液样接触的接界，并将含有离子选择性物质的离子选择性薄膜作为内部参比溶液的保护膜。

根据本发明的平面固态参比电极具有自诊断功能，其能自动检测到本身的操作异常，从而提高了测量值的可靠性。此外，还减少了由于接界污染物产生的误差，以及由于扩大了接界面积，因此容易在较短时间内实现溶液的活化。

本发明提供了一种平面型的固态参比电极，它包括：基底11，金属层12，难溶性金属盐层13，隔离膜18，用作内部参比溶液的水凝胶14，在水凝胶上形成的、与液样接触的两个或两个以上的接界16，在水凝胶表面上除接界外的整个表面形成的离子敏感性保护膜17，用以将内部参比溶液和外部液样分离，该保护膜还作为对接界污染物敏感的离子敏感性薄膜。

含有离子选择性物质的离子敏感性薄膜将离子选择性物质加入到纯聚合物薄膜中，这些聚合物例如为聚氯乙烯、聚四氟乙烯、硅橡胶、聚氨酯等等，该离子敏感性薄膜用作水凝胶的保护膜。当接界未被污染时，离子敏感性薄膜仅用作保护膜，它将液样与内部参比溶液(水凝胶)分隔开。在该情况下，离子敏感性薄膜构成断开式循环，由此它被排除在电极系统的回路部件之外。反之，接界的污染物使回路闭合，从而离子敏感性薄膜作为固有敏感性薄膜起作用，并显示出特性响应。由此，以采用离子敏感性保护膜的参比电极接界处的污染物为决定因素的操作特征能诊断出参比电极是处于正常还是异常，即，在样品测试前的电极系统校正过程中诊断接界是否受到污染。

虽然在传统技术中加载参比电极的一个位置形成接界，本发明的特征在于至少在参比电极的两个位置设置分离的接界。因此，尽管本发明的参比电极的一个接界位置受到污染，但电极仍可利用另一个接界工作。此外，本发明的参比电极通过两个或更多的接界位置吸收水分，因此根据本发明的参比电极可在比仅具有一个接界位置的传统参比电极在更短的时间内达到活化。

图1和2中示出了根据本发明的双电极电位测量系统，该测量系统包括：工作电极30、参比电极40和测量两个电极间电势差的伏特表20。

在细节上，工作电极30包括基底11、金属层12、难溶性金属盐层13、隔离膜18和离子选择性电极薄膜15。基底11由例如聚氯乙烯的塑料或例如氧化铝(Al₂O₃)的陶瓷制成。用于金属层12的金属可从由银(Ag)、铂(Pt)、金(Au)、铜(Cu)或其它合金构成的组中选择。难溶性金属盐层13可在金属层12上通过化学或物理方法形成。至于难溶性金属盐，最好从由氯化银(AgCl)、溴化银(AgBr)和碘化银(AgI)组成的卤化银组中选择。为将金属层与电极系统中使用的溶液隔离，例如将介电薄膜作为隔离膜18。离子选择性电极薄膜15与目的离子反应。

参比电极40包括基底11、金属层12、难溶性金属盐层13和作为工作电极30的隔离膜18，它进一步采用水凝胶14作为内部参比溶液。然而，本发明的特征在于：除参比电极的至少两个接界16位置之外，在参比电极的整个面积上形成离子敏感性保护膜17，该保护膜用于将液样60和内部参比溶液14分隔开来，该保护膜还扮演着对接界污染物敏感的离子敏感性薄膜的角色。金属层12和难溶性金属盐层13由与工作电极相同的材料制成。通过溶解水溶性的化合物来制备水凝胶，这些水溶性化合物选自由聚丙烯酸、甲基纤维素(methocel^)、聚乙烯醇、羟丙基甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯、琼脂和明胶，它们以0.5-30wt％浓度溶解在KCl、KNO₃或NH₄NO₃的饱和水溶液中。作为离子敏感性保护膜17，可采用普通的离子选择性电极薄膜，它们可用钾离子、钠离子、钙离子和氯离子选择性电极薄膜作示范。硅橡胶或聚氨酯也可用作离子敏感性保护膜的聚合物支持体。

此外，本发明的特征在于，为达到更精确的自诊断功能，除上述机构外还进一步采用校正电极。

由于本发明的双电极电位测量系统在自诊断功能、活化时间、电势稳定性方面具有优势，该系统限于将参比电极的可靠性与工作电极的可靠性联系在一起的情况。由此，如果工作电极在功能上不是十分理想的，则参比电极的可靠性也变得很差。在本发明中，引入了功能得到完全保证的校正电极，以避免该问题并改善自诊断功能，并使参比电极独立。

因此，根据另一个实施例提供了一种三电极电位测量系统，它包括工作电极、参比电极，并增加了校正电极，其中测量工作电极和参比电极的电势相对于校正电极的电势而测量。

图3示出了本发明的三电极电位测量系统(工作电极、参比电极和校正电极)。工作电极和参比电极与本发明双电极电位测量系统中电极的相同。校正电极含有例如卤化银的难溶性金属盐，以保证对相应卤离子的理想功能。即，氯化银、溴化银和碘化银电极分别与氯离子、溴离子和碘离子极好地反应。

根据以下示例将更好地理解本发明，陈述这些示例仅是用于说明，而不能看成是对本发明的限制。

示例1：具有自诊断功能的进行电位测量的电极系统的构造

本发明的双电极电位测量系统如下进行构造。

将聚乙烯吡咯烷酮以6wt％的量溶解在2M的KCl的水溶液中，以制备内部参比溶液。

在1ml四氢呋喃中以33wt％的量溶解聚氨酯，连同1wt％的作为钾离子选择性物质的缬氨霉素和66wt％的作为增塑剂的己二酸双(2-乙基己基)酯一起作成离子选择性保护膜。

与上面制备包含钾离子选择性物质的离子选择性保护膜一样的制备工作电极中的钾离子选择性电极薄膜。

由此制备的参比电极与普通参比电极一起进行电化学特性测量。

示例2：与参比电极接界污染物对应的异常性的操作特征

参照图4，其示出了本发明的电位测量电极系统的操作特征，(a)是当接界未受到污染时参比电极所显示的操作特征，(b)是当接界受到污染时通过参比电极显示的操作特征，还有通过设有钾离子选择性电极薄膜的工作电极所显示的操作特征。如该电位测量图中所示，当接界未受到污染时，参比电极保持其电势与氯化钾的浓度变化无关。相反，接界污染物使参比电极依照氯化钾的浓度变化与钾离子反应，其显示出与设有钾离子选择性电极薄膜的工作电极的反应性类似的特征。因此，当参比电极接界处发生异常时，引入了这种自诊断功能的参比电极的电极系统显示出明显的异常反应。因此，参比电极能自己诊断其异常性，由此排除了由于普通参比电极中不能精确检查接界污染物而造成测量值不可靠的嫌疑。

示例3：与接界面积相应的参比电极的活化时间

参照图5，在形成一个接界(a)和形成两个接界(b)的参比电极之间比较其活化时间。如该图所示，具有一个接界(a)的电极活化需要花费约165秒的时间，而具有两个接界的参比电极活化仅需要花费75秒的时间，这相当于具有较小接界面积的参比电极活化时间的二分之一。可以这样确定活化时间：临床检验所需的最先满足势流每分钟为0.2mV或更少所花费的时间。

示例4：参比电极的稳定性

(1)对血液内对临床重要离子种类的稳定性

图6示出了本发明的参比电极对血液内临床重要离子的稳定性：(a)是对钾离子和氯离子；(b)是对钠离子和氯离子；以及(c)是对钙离子和氯离子。如这三幅图所示，本发明的参比电极保持稳定的电势，即使在浓度数十倍于临床正常浓度的情况下也是如此(钾离子：3.6-5.0mM，钠离子：135-145mM，钙离子：1.14-1.31mM，氯离子：101-111mM)由此，可实现其自身的全部功能。

(2)对pH值的稳定性

参照图7，示出了参比电极的电势斜率为0.15mM/pH，在3-12的pH范围内(临床正常pH值为7.35-7.45)在电势上几乎保持不变。

(3)对混合离子浓度变化的稳定性

参照图8，相对于一段时间内混合离子浓度变化描绘参比电极的电势变化。为使混合离子浓度产生变化，使用临床校准物A(1mM钾离子，150mM钠离子，1mM钙离子，120mM氯离子，pH为7.4)，然后加入临床校准物B(10mM钾离子，50mM钠离子，5mM钙离子，50mM氯离子，pH为6.8)。如该图所示，参比电极不随混合离子种类的浓度变化，而保持电势恒定。

上面示例中获得的数据表明，本发明采用离子选择性保护膜的参比电极在自诊断功能、电势稳定性以及短时间内的活化方面存在优势。

如上文中所述，本发明提供了一种微型化的固态参比电极，它包括作为内部参比溶液保护膜的离子选择性薄膜，该薄膜含有离子敏感性物质，用以自己诊断例如接界污染所导致的操作异常性，该参比电极采用了双接界，以便即使当一个接界受到污染时，也能使用另一个接界来执行其全部功能。此外，由于固态参比电极能通过其开放的两个接界从样品吸收水分，因此该参比电极具有在短时间内实现活化的优点。

以说明的方式描述了本发明，但可以理解的是所用的术语仅为描述的性质而没有限制性的意图。根据上述教导可以作出许多修改和变形。因此，可以理解的是在所附权利要求的范围内，本发明可以与上体描述不同的其它方式实践。

Claims (8)

1.一种用于电位测量电极系统的参比电极，包括：

基底(11)；

金属层(12)；

难溶性金属盐层(13)；

隔离金属层与水溶液的隔离膜(18)；

用作内部参比溶液的水凝胶(14)；以及

形成在所述水凝胶上且包含离子选择性材料的水凝胶薄膜，该薄膜形成两个或更多个将内部参比溶液和液样分隔开的接界(16)，并作为在接界污染时的离子敏感性保护膜(17)。

2.根据权利要求1所述的用于电位测量电极系统的参比电极，其中基底由塑料或陶瓷制成，金属层由纯金属或合金制成，难溶性金属盐层由卤化银制成，隔离膜由无机或有机聚合物制成，水凝胶由盐饱和的含水聚合物制成，离子敏感性保护膜由普通离子选择性电极薄膜制成。

3.根据权利要求2所述的用于电位测量电极系统的参比电极，其中：基底由聚氯乙烯或氧化铝制成；金属层由从银、铂、金、铜或其合金构成的组中选择的金属制成；难溶性金属盐层由从氯化银、溴化银和碘化银组成的组中选择的卤化银制成；隔离膜是陶瓷膜、介电薄膜或光敏薄膜；水凝胶是通过将0.5-30wt％水溶性的化合物溶解在KCl、KNO₃或NH₄NO₃的饱和水溶液中制成的，这些水溶性化合物选自聚丙烯酸、甲基纤维素、聚乙烯醇、羟丙基甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯、琼脂和明胶组成的组；离子敏感性保护膜选自钾离子、钠离子、钙离子和氯离子选择性电极薄膜组成的组。

4.根据权利要求3所述的用于电位测量电极系统的参比电极，其中离子敏感性保护膜具有选自聚氯乙烯、硅橡胶或聚氨酯的聚合物支持体。

5.根据权利要求1所述的用于电位测量电极系统的参比电极，进一步包括为实现更精确自诊断功能采用的校正电极。

6.根据权利要求5所述的用于电位测量电极系统的参比电极，其中校正电极包括：金属层；难溶性金属盐层；以及用于将金属层与水溶液隔离开的隔离膜。

7.根据权利要求1所述的用于电位测量电极系统的参比电极，其中基底由塑料或陶瓷制成，金属层由纯金属或合金制成，难溶性金属盐层由卤化银制成，隔离膜由无机或有机聚合物制成。

8.根据权利要求1所述的用于电位测量电极系统的参比电极，其中基底由聚氯乙烯或氧化铝制成；金属层由从银、铂、金、铜和其合金构成的组中选择的金属制成；难溶性金属盐层由从氯化银、溴化银和碘化银组成的组中选择的卤化银制成；隔离膜是陶瓷膜、介电薄膜或光敏薄膜。

Images