TW201809655A - 用於測定生理樣本中陽離子濃度之普魯士藍網版印刷電極 - Google Patents

用於測定生理樣本中陽離子濃度之普魯士藍網版印刷電極 Download PDF

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Abstract

利用電化電池測定生理液體中單陽離子濃度，其具有普魯士藍電極作為工作電極。

Description

用於測定生理樣本中陽離子濃度之普魯士藍網版印刷電極
本申請案係申請補充美國專利申請號62/344,257於2016年6月1日提申之內容，其揭示內容在此併入本案以作為參考資料。
本發明係有關於用於測定生理樣本中陽離子濃度之普魯士藍網版印刷電極。
鹼金屬族包括鋰、鈉、鉀、銣、銫、鍅(Li、Na、K、Rib、Cs、及Fr)。鉈(TI)雖屬於鹼性金屬族，但亦呈現鹼金屬單陽離子(monocation)性質。生理上重要之鹼金屬包括鈉與鉀。鉀離子(K+)為主要胞內陽離子且鈉離子(Na+)為主要胞外陽離子。彼等陽離子之濃度差異產生正常細胞功能所需之膜電位，尤其是肌肉功能。因此，重要的是，能監測人類液體中胞外鉀離子濃度，尤其是在心臟手術之前或期間。
儘管檢測陽離子，如鉀離子與鈉離子，之分析裝置及方法有所進展，仍有改進之裝置及方法的需求，使其有利於在其他離子存在下能選擇性檢測所需之陽離子。本發明尋求實現此需求以及提供進一步相關之優勢。
本發明提供用於檢測陽離子之方法，其係利用普魯士藍電極(例如，普魯士藍網版印刷電極)。
於一態樣，本發明提供用於電化學測定樣本中陽離子濃度之方法。於一實施例中，本方法包含以電化電池接觸含一或多種陽離子之樣本，其包含普魯士藍電極(例如，普魯士藍網版印刷電極)(工作電極)、相對電極、及參考電極；利用電化電池改變施加至樣本之電位及測量電流以提供伏安圖(voltamagram)；以及自伏安圖測定一或多種單陽離子之濃度。
於特定實施例中，普魯士藍電極(例如，普魯士藍網版印刷電極)為碳電極。
於特定實施例中，相對電極為普魯士藍電極之基材且可為碳電極。
於特定實施例中，參考電極包含導電金屬(例如，銀)。
於特定實施例中，相對電極為碳電極且參考電極為銀電極。
應用於本方法之適用樣本包括生理樣本，如人類血漿、血清、血尿、汗液、或淚液。
於特定實施例中，單陽離子濃度係以連續方式測定。
於特定實施例中，測定單陽離子濃度包含於複數種其他單陽離子存在下測定特定單陽離子濃度。
代表性可檢測及可定量單陽離子包括鋰離子、鈉離子、鉀離子、銣離子、銫離子、及銨離子。於特定實施例中，單陽離子為鈉離子或鉀離子。於特定實施例中，單陽離子為銫離子；銣離子；或者鋰離子。於特定實施例中，單陽離子為鈉離子。於特定實施例中，單陽離子為鉀離子。於特定實施例中，鉀離子濃度係於鈉離子存在下測定。
於另一態樣，本發明提供用於電化學測定樣本中鈉離子與鉀離子濃度之方法。於一實施例中，本方法包含以電化電池接觸含鈉離子與鉀離子之樣本，其包含普魯士藍電極(例如，普魯士藍網版印刷電極)(工作電極)、相對電極、及參考電極；利用電化電池改變施加至樣本之電位及測量電流以取得伏安圖；以及自伏安圖測定鈉離子與鉀離子濃度。
於特定實施例中，相對電極為碳電極且參考電極為銀電極。
應用於本方法之適用樣本包括生理樣本，如人類血漿、血清、血尿、汗液、或淚液。
於特定實施例中，鈉離子與鉀離子濃度係以連續方式測定。
於特定實施例中，所測定及定量之鈉離子濃度為約1 mM至約500 mM。
於特定實施例中，所測定及定量之鉀離子濃度為約1 mM至約100 mM，且於生理上鈉離子(約100 mM)存在下進行。
於進一步態樣，本發明提供用於選擇性電化學測定含鈉離子樣本中鉀離子濃度之方法。於一實施例中，本方法包含以電化電池接觸含鉀離子與鈉離子之樣本，其包含普魯士藍電極(例如，普魯士藍網版印刷電極)(工作電極)、相對電極、及參考電極；利用電化電池改變施加至樣本之電位及測量電流以取得伏安圖；以及自伏安圖測定鈉離子與鉀離子濃度。
於特定實施例中，相對電極為碳電極且參考電極為銀電極。
應用於本方法之適用樣本包括生理樣本，如人類血漿、血清、血尿、汗液、或淚液。
於特定實施例中，鉀離子濃度係以連續方式測定。
於特定實施例中，所測定及定量之鉀離子濃度為約1 mM至約100 mM，且於生理濃度之鈉離子(約100 mM)存在下進行。
本發明提供用於檢測陽離子之方法，其係使用普魯士藍電極(例如，普魯士藍網版印刷電極)。本發明之電極、電化電池、及方法係適用於以電化學方式檢測單陽離子，其係於其他單陽離子存在下進行。本發明電極及方法之優勢在於提供生理液體中的單陽離子定量。
網版印刷普魯士藍電極(例如，可卸電極)係用於在低檢測電位下測定過氧化氫。彼等電極適於開發以氧化酶為主之酵素型生物感測器、微量作業、及分散試驗(decentralized assays)。一代表性網版印刷普魯士藍電極之配置如下：陶瓷基板：L33 x W10 x H0.5 mm/電接點：銀。電化電池組成自：(1)工作電極：普魯士藍/碳(4 mm直徑)；(2)相對電極：碳；以及(3)參考電極：銀。此電極可為製得或購自Dropsens，Parque Tecnológico de Asturias - Edif. CEEI. 33428 LLanera (Asturias) Spain。
普魯士藍為深藍色顏料且理想之化學式為Fe7(CN)18。在治療上，普魯士藍係作為治療特定種類重金屬中毒(例如，鉈及銫之放射性同位素)之螯合劑。普魯士藍之治療活性係利用其離子交換性質及針對特定「軟性」金屬陽離子之高親和力。
普魯士藍可合併鹼金屬族單陽離子。普魯士藍之親和力隨著陽離子之離子半徑增加而增加。其結果為，普魯士藍結合銫(離子半徑0.169 nm)與鉈(0.147 nm)之能力優於鉀(0.133 nm)與鈉(0.116 nm)。然而，相關生理離子為鉀離子與鈉離子，其他鹼金屬離子僅微量存在於生理液體。
欲實踐本發明方法，以普魯士藍電極(例如，普魯士藍網版印刷電極，其係以普魯士藍改良碳電極)作為電化電池之工作電極。使用於此，術語「普魯士藍電極」意指電極，如碳電極，其係經改良以包括普魯士藍(亦即，理想之化學式為Fe7(CN)18)。使用於此，術語「普魯士藍網版印刷電極」意指網版印刷電極，如碳電極，其係經改良以包括普魯士藍。
於一態樣，本發明提供用於電化學測定樣本中陽離子濃度之方法。於一實施例中，本方法包含以電化電池接觸含一或多種陽離子之樣本，其包含普魯士藍電極(例如，普魯士藍網版印刷電極)(工作電極)、相對電極、及參考電極；利用電化電池改變施加至樣本之電位及測量電流以提供伏安圖；以及自伏安圖測定一或多種單陽離子之濃度。
於特定實施例中，相對電極為碳電極且參考電極為銀電極。
應用於本方法之適用樣本包括生理樣本，如人類血漿、血清、血尿、汗液、或淚液。
於特定實施例中，單陽離子濃度係以連續方式測定。
於特定實施例中，測定單陽離子濃度包含於複數種其他單陽離子存在下測定特定單陽離子濃度。
代表性可檢測及可定量單陽離子包括鋰離子、鈉離子、鉀離子、銣離子、銫離子、及銨離子。於特定實施例中，單陽離子為鈉離子或鉀離子。於特定實施例中，單陽離子為銫離子、銣離子、或鋰離子。於特定實施例中，單陽離子為鈉離子。於特定實施例中，單陽離子為鉀離子。於特定實施例中，鉀離子濃度係於鈉離子存在下測定。
於另一態樣，本發明提供用於電化學測定樣本中鈉離子與鉀離子濃度之方法。於一實施例中，本方法包含以電化電池接觸含鈉離子與鉀離子之樣本，其包含普魯士藍電極(例如，普魯士藍網版印刷電極)(工作電極)、相對電極、及參考電極；利用電化電池改變施加至樣本之電位及測量電流以取得伏安圖；以及自伏安圖測定鈉離子與鉀離子濃度。
於特定實施例中，相對電極為碳電極且參考電極為銀電極。
應用於本方法之適用樣本包括生理樣本，如人類血漿、血清、血尿、汗液、或淚液。
於特定實施例中，鈉離子與鉀離子濃度係以連續方式測定。
於特定實施例中，所測定及定量之鈉離子濃度為約1 mM至約500 mM。
於特定實施例中，所測定及定量之鉀離子濃度為約1 mM至約100 mM，其係於生理上鈉離子(約100 mM)存在下進行。
本發明適用之普魯士藍電極(例如，普魯士藍網版印刷電極，如普魯士藍改良之碳網版印刷電極)僅需小體積之樣本(50 uL或以下)，其於生醫領域係有利，尤其是在測試病患血液或血清。本發明利用普魯士藍電極提供區別檢測K+與Na+。
測量係以Autolab PGSATA128N恆電位器(potentiostat)進行，其係使用循環伏安法(cyclic voltammetry)。電極係購自DropSens，且由普魯士藍網版印刷電極(碳工作電極)、碳相對電極、及銀參考電極組成。電路係利用50 µl液滴之LiCl、NaCl、KCl、MgCl2、或CaCl2溶液完成。循環伏安法掃描(cyclic voltammetry scans)係於100 mV/s下以-0.6至0.8 V進行。
當曝露於Na+或K+時，普魯士藍網版印刷電極呈現不同之循環伏安法掃描，而二價陽離子(Mg2+)或較小之鹼金屬(Li+)則無。Na+循環伏安法掃描之特徵在於氧化/還原尖峰位於-0.10V/-0.12V且寬肩峰為0.0-0.1V/-0.1至0.1V。K+循環伏安法掃描之特徵在於氧化/還原尖峰位於0.20V/0.05V且無肩峰。
於磷酸鹽緩衝溶液(PBS與FBS)中評估普魯士藍網版印刷電極之表現，其係模擬生理條件。二價陽離子(Mg2+)或較小鹼金屬(Li+)之存在不影響PBS或FBS循環伏安法掃描。K+濃度增加導致濃度依賴性由Na+移至K+。
圖1-9證實普魯士藍網版印刷電極在陽離子(例如，鉀離子)檢測及定量的表現。圖1-7顯示可於FBS形式之血漿/血清存在下檢測鉀離子，其具有高濃度之鈉離子及低生理濃度之鉀離子。於FBS中，未檢測到由鈉離子造成的大型尖峰(信號)，係因存在低濃度之鉀離子。
圖1係分別比較LiCl、NaCl、KCl、RbCl、CsCl、及NH4Cl之0.1 M溶液於FBS (胎牛血清)中的方波伏安圖(SWV)結果，其取得係利用普魯士藍網版印刷電極(SPE)(頻率1 Hz、振幅50 mV、沈積電位-1 V、終端電位1 V、沈積時間300 s)。圖1A至1F分別為含有0.1 M溶液之LiCl、NaCl、KCl、RbCl、CsCl、及NH4Cl之FBS的標準化SWV。各離子呈現不同SWV輪廓，儘管FBS所含之離子包括Na+與K+。這在圖1中各離子的單獨繪圖中皆相同，以進一步證實SWV輪廓的差異。
圖2A-2F係分別比較LiCl、NaCl、KCl、RbCl、CsCl、及NH4Cl稀釋液於FBS (胎牛血清)中的方波伏安圖(SWV)結果，其取得係利用普魯士藍網版印刷電極(SPE)(實線為0.1 M陽離子；虛線為0.01 M；點線為0.001 M；實黑線為僅FBS)。電極無法於FBS之離子中區別Li+與Na+ – 很有可能是Na+。然而，相較於FBS之內部Na+尖峰，電極能檢測K+，係因尖峰移動，以及Rb+、Cs+、及NH4+，係因尖峰下降。
圖3係比較鉀離子稀釋液於FBS中的方波伏安圖(SWV)結果，其取得係利用普魯士藍網版印刷電極(SPE)：0.1 M、0.05 M、0.025 M、0.0125 M、0.00625 M、0.003125 M、0.0015625 M KCl、僅FBS。尖峰隨著K+的量增加而出現劑量依賴性移動，顯示定量FBS或血清中的K+是可能的。
圖4A-4E係方波伏安圖(SWV)結果的三維(3D)繪圖比較(電流(A) v. 電壓(V) v. FBS中的鉀離子濃度(M))，其取得係利用普魯士藍網版印刷電極(SPE)。
圖5係電壓(V)對鉀離子濃度(M)(0.00至0.10 M，溶於FBS)作函數之等高線圖。當K+濃度增加時，尖峰電流(等高線圖上紅色部分)略微移至更正電壓。當K+濃度增加時，尖峰周圍之綠色數量(中間電流)下降，表示尖峰變得更尖銳。等高線圖清楚證實，Na+尖峰隨著K+的量增加而有劑量依賴性移動，以及尖峰銳化。
圖6A-6C係尖峰電壓(6A)、半高尖峰寬(6B)、及標準化之參數(與FBS之比率)(6C)對鉀離子濃度(0.001至0.1 M，溶於FBS)作函數之比較。此證實，利用尖峰電壓、未標準化或標準化之半高尖峰寬對比單獨之FBS (血清)，可達到定量K+。
圖7A與7B顯示鉀離子稀釋液於FBS中之數據分析。圖7A說明標準化之參數：與FBS對照組之比率，對鉀離子濃度(0.001至0.1 M，溶於FBS)及電流(0 V、0.15 V、0.1 V、0.158157 V (FBS之尖峰位置)、0.2 V、及0.3 V)作函數。與FBS對照組之比率 = (於X電壓時的電流) / (在FBS中，於X電壓時的電流)。舉例而言，圖7B為在FBS中之0.1 M KCl：(綠色點的電流) / (點的電流)。此顯示，於各電壓下之標準化參數可用於進一步精化最理想之參數以定量K+。
圖8與9顯示可於生理濃度之氯化鈉(0.1 M水溶液)存在下檢測鉀離子。彼等數據清楚證實，於FBS或血清中觀察到之效應，係因K+對Na+輪廓之影響；最可能是通過由電極移開Na+並以K+替代。
圖8係比較含鉀離子稀釋液之0.1 M氯化鈉水溶液的方波伏安圖(SWV)結果，其取得係利用普魯士藍網版印刷電極(SPE)：0.1 M、0.05 M、0.025 M、0.0125 M、0.00625 M、0.003125 M、0.0015625 M KCl、無鉀離子、僅0.1 M NaCl。
圖9A-9C係指定電壓尖峰電壓下之絕對電流(9A)(0 V、0.15 V、0.1 V、0.158157 V、0.2 V、0.3 V下之電流)(9A)、尖峰電壓(9B)、及半高尖峰寬(9C)對鉀離子濃度(0.001至0.1 M，溶於0.1 M NaCl)作函數之比較。
由於普魯士藍對特定單陽離子之選擇性，本發明方法之優勢在於提供測定液體中之彼等單陽離子，該液體含有其他普魯士藍不具選擇性之離子。舉例而言，本發明方法有效地測定鈉離子存在下之鋰離子、鉀離子、銣離子、及銫離子濃度。
普魯士藍電極(例如，普魯士藍網版印刷電極)顯示可用於K+與Na+之特異性檢測。生理緩衝液中K+之增加，該緩衝液主要含有Na+，造成循環伏安法掃描出現濃度依賴性移動。此性質係用於定量生理液體中之Na+與K+，或者是，膜電位。由於普魯士藍於體內無毒性，生物感測器於持續監測K+/Na+之應用上提供潛力。
儘管本發明之較佳實施例係經圖示及說明，但應理解到，其中可進行諸多改變，而不背離本發明之精神及範疇。
本發明之實施例，其中所請求之專屬所有權或特權係如下所界定。
當結合附圖並參考下面詳盡描述，本發明之前述態樣及許多相伴優勢將變得更易於理解。
圖1係分別比較LiCl、NaCl、KCl、RbCl、CsCl、及NH4Cl之0.1 M溶液於FBS (胎牛血清)中的方波伏安圖(SWV)結果，其取得係利用普魯士藍網版印刷電極(SPE)(頻率1 Hz、振幅50 mV、沈積電位-1 V、終端電位1 V、沈積時間300 s)。圖1A至1F分別為含有0.1 M溶液之LiCl、NaCl、KCl、RbCl、CsCl、及NH4Cl之FBS的標準化SWV。
圖2A-2F係分別比較LiCl、NaCl、KCl、RbCl、CsCl、及NH4Cl稀釋液於FBS (胎牛血清)中的方波伏安圖(SWV)結果，其取得係利用普魯士藍網版印刷電極(SPE)(實線為0.1 M陽離子；虛線為0.01 M；點線為0.001 M；實黑線為僅FBS)。
圖3係比較鉀離子稀釋液於FBS中的方波伏安圖(SWV)結果，其取得係利用普魯士藍網版印刷電極(SPE)：0.1 M、0.05 M、0.025 M、0.0125 M、0.00625 M、0.003125 M、0.0015625 M KCl、僅FBS。
圖4A-4E係方波伏安圖(SWV)結果的三維(3D)繪圖比較(電流(A) v. 電壓(V) v. FBS中的鉀離子濃度(M))，其取得係利用普魯士藍網版印刷電極(SPE)。
圖5係電壓(V)對鉀離子濃度(M)(0.00至0.10 M，溶於FBS)作函數之等高線圖。當K+濃度增加時，尖峰電流略微移至更正電壓。當K+濃度增加時，尖峰周圍之中間電流下降，表示尖峰變得更尖銳。
圖6A-6C係尖峰電壓(6A)、半高尖峰寬(6B)、及標準化之參數(與FBS之比率)(6C)對鉀離子濃度(0.001至0.1 M，溶於FBS)作函數之比較。
圖7A與7B顯示鉀離子稀釋液於FBS中之數據分析。圖7A說明標準化之參數：與FBS對照組之比率，對鉀離子濃度(0.001至0.1 M，溶於FBS)及電流(0 V、0.15 V、0.1 V、0.158157 V (FBS之尖峰位置)、0.2 V、及0.3 V)作函數。與FBS對照組之比率 = (於X電壓時的電流) / (在FBS中，於X電壓時的電流)。舉例而言，圖7B為在FBS中之0.1 M KCl：(綠色點的電流) / (點的電流)。
圖8係比較含鉀離子稀釋液之0.1 M氯化鈉水溶液的方波伏安圖(SWV)結果，其取得係利用普魯士藍網版印刷電極(SPE)：0.1 M、0.05 M、0.025 M、0.0125 M、0.00625 M、0.003125 M、0.0015625 M KCl、無鉀離子、僅0.1 M NaCl。
圖9A-9C係指定電壓尖峰電壓下之絕對電流(9A)(0 V、0.15 V、0.1 V、0.158157 V、0.2 V、0.3 V下之電流)(9A)、尖峰電壓(9B)、及半高尖峰寬(9C)對鉀離子濃度(0.001至0.1 M，溶於0.1 M NaCl)作函數之比較。

Claims (36)

  1. 一種用於電化學測定一樣本中陽離子濃度之方法，其包含： 以電化電池接觸含一或多種陽離子之樣本，該電化電池包含一普魯士藍電極以作為工作電極、一相對電極、及一參考電極； 利用該電化電池改變施加至該樣本之電位及測量電流以提供一伏安圖(voltamagram)；以及 自該伏安圖測定一單陽離子(monocation)之濃度。
  2. 如請求項1之方法，其中該普魯士藍電極為普魯士藍網版印刷電極。
  3. 如請求項1之方法，其中該普魯士藍電極為碳電極。
  4. 如請求項1之方法，其中該相對電極為碳電極。
  5. 如請求項1之方法，其中該參考電極為銀電極。
  6. 如請求項1之方法，其中該樣本為生理樣本。
  7. 如請求項1之方法，其中該樣本為人類血漿、血清、血尿、汗液、或淚液。
  8. 如請求項1之方法，其中該單陽離子之濃度係以連續方式測定。
  9. 如請求項1之方法，其中測定該單陽離子之濃度包含於複數種其他單陽離子存在下測定特定單陽離子之濃度。
  10. 如請求項1之方法，其中該單陽離子係選自於由鋰離子、鈉離子、鉀離子、銣離子、銫離子、及銨離子組成之群組。
  11. 如請求項1之方法，其中該單陽離子為鈉離子或鉀離子。
  12. 如請求項1之方法，其中該單陽離子為銫離子、銣離子、或鋰離子。
  13. 如請求項1之方法，其中該單陽離子為鈉離子。
  14. 如請求項1之方法，其中該單陽離子為鉀離子。
  15. 如請求項1之方法，其中鉀離子之濃度係於鈉離子存在下測定。
  16. 一種用於電化學測定一樣本中鈉離子與鉀離子濃度之方法，其包含： 以電化電池接觸含鈉離子與鉀離子之樣本，該電化電池包含一普魯士藍電極以作為工作電極、一相對電極、及一參考電極； 利用該電化電池改變施加至該樣本之電位及測量電流以取得一伏安圖；以及 自該伏安圖測定鈉離子與鉀離子之濃度。
  17. 如請求項16之方法，其中該普魯士藍電極為普魯士藍網版印刷電極。
  18. 如請求項16之方法，其中該普魯士藍電極為碳電極。
  19. 如請求項16之方法，其中該相對電極為碳電極。
  20. 如請求項16之方法，其中該參考電極為銀電極。
  21. 如請求項16之方法，其中該樣本為生理樣本。
  22. 如請求項16之方法，其中該樣本為人類血漿、血清、血尿、汗液、或淚液。
  23. 如請求項16之方法，其中該鈉離子與鉀離子之濃度係以連續方式測定。
  24. 如請求項16之方法，其中該測定之鈉離子濃度為自約1 mM至約500 mM。
  25. 如請求項16之方法，其中該測定之鉀離子濃度為自約1 mM至約100 mM。
  26. 如請求項25之方法，其中該鉀離子之濃度係於生理濃度之鈉離子存在下測定。
  27. 一種用於選擇性電化學測定一含鈉離子樣本中鉀離子濃度之方法，其包含： 以電化電池接觸含鉀離子與鈉離子之樣本，該電化電池包含一普魯士藍電極以作為工作電極、一相對電極、及一參考電極； 利用該電化電池改變施加至該樣本之電位及測量電流以取得一伏安圖；以及 自該伏安圖測定鉀離子之濃度。
  28. 如請求項27之方法，其中該測定之鉀離子濃度為自約1 mM至約100 mM。
  29. 如請求項27之方法，其中該鉀離子濃度係於生理濃度之鈉離子存在下測定。
  30. 如請求項27之方法，其中該普魯士藍電極為普魯士藍網版印刷電極。
  31. 如請求項27之方法，其中該普魯士藍電極為碳電極。
  32. 如請求項27之方法，其中該相對電極為碳電極。
  33. 如請求項27之方法，其中該參考電極為銀電極。
  34. 如請求項27之方法，其中該樣本為生理樣本。
  35. 如請求項27之方法，其中該樣本為人類血漿、血清、血尿、汗液、或淚液。
  36. 如請求項27之方法，其中該鉀離子之濃度係以連續方式測定。
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