分析物传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基质材料，如含有氧化还原活性材料的聚合物衍生物，所述基质材料可用于形成适于在pH计和其他分析物感测装置中使用的电极和探头。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】分析物传感器
技术介绍
本专利技术整体涉及用于检测分析物的技术。在多种实施例中，本专利技术涉及用于测量pH(氢离子浓度指数）的装置，pH是溶液酸性或碱性的度量。通过溶液内所溶解的氢离子 (H+)(也称为水合氢离子，H3O+)的浓度来测定溶液的pH。随着溶液内所溶解的氢离子的浓 度增加，溶液变得更呈酸性。相反地，随着溶液内所溶解的氢离子的浓度降低，溶液变得更 呈碱性。传统上，通过连接至显示PH读数的电子计的玻璃电极来测量溶液内所溶解的氢离 子的浓度。传统上，可互换地使用术语探头和电极来描述组件电极的功能性分组。如 本文所用，术语电极用来指代探头中的特定电极，即，诸如工作电极、参比电极或反 电极，并且探头是指足以产生信号的电极的功能性分组，所述信号可被处理以生成指示 溶液中所关注的分析物的浓度的读数。 传统的玻璃pH探头具有工作电极（WE)，该电极是由对氢离子敏感的易碎、掺杂的 玻璃膜制成的离子选择性电极。PH响应性玻璃膜是这种类型探头中主要的分析物感测元 件，并因此被称为工作电极。样品溶液内的氢离子结合到玻璃膜的外部，从而引起膜外表 面上的电位变化。针对常规参比电极（RE)(诸如基于银/氯化银的电极）的恒定电位来测 量电位的这种变化。然后通过在校准曲线上对电位差作图而使电位差与PH值相关联。校 准曲线通过繁琐的多步过程而建立，因此使用者要为各种已知的缓冲标准品对电位变化作 图。传统的PH计基于这种原理。 传统的玻璃工作电极（以及含有它们的探头和测量计）对pH的响应是不稳定的， 并且玻璃探头定期地需要进行仔细校准，这些校准涉及繁琐耗时的过程、多种试剂以及训 练有素的操作者。玻璃探头的特殊性质和构造还需要始终保持玻璃膜处于湿润状态。因此， 玻璃探头的日常保养需要由训练有素的操作者进行麻烦且高成本的储存、维护和定期校准 以确保适当的工作性能。 除了繁琐的维护和储存要求外，传统的玻璃探头还易碎，从而限制了玻璃探头的 应用领域。具体地讲，玻璃探头的易碎性质使其不适用于食品和饮料应用，以及不适用于无 人照管、苛刻或有害的环境。因此，本领域中需要解决和克服采用玻璃探头的传统PH探头 和测量计的局限性的PH探头和测量计（以及其他分析物探头和测量计）。 根据传统玻璃探头pH测量系统的上述局限性，提出了伏安系统来为pH的测定 提供更有力的系统。在伏安系统中，以通常随时间而线性变化的受控方式来施加电位， 并借助于例如稳压器来监测流过导电材料的相应电流（参见例如Wang，Analytical Electrochemistry， 3rded,JohnWiley&Sons, 2006 (Wang，分析电化学，第 3 版，约翰威 立出版公司，2006年）。最初的提议（参见美国专利No. 5, 223, 117)基于由导电基底构成 的WE的概念，该导电基底具有附接到其表面上的氧化还原活性分子。假设是：假如使用了 适当的对分析物敏感的氧化还原活性材料（ASM)，最大电流在该系统中流动所处的电位 将是分析物溶液的PH的函数。然而，这种最初的提议所得到的支持寥寥无几，也许是因为 其展示了使用金作为基底的电极。 当研究者发现碳可以替代金作为导电基底，并且此外不论基底如何均可以在伏安 系统中使用氧化还原活性材料的混合物时，基于伏安法的分析物感测系统的理论和研究实 验室实践方面均取得了明显的进步（参见PCT公布No. 2005/066618和2005/085825)。由 这些研究者提出的一个特别吸引力的提议是：可以将对分析物敏感的氧化还原活性材料 (ASM)和对分析物不敏感的氧化还原活性材料（AIM)的混合物附接至导电基底，并有效 地将其转化成WE(通过ASM产生的信号）和参比电极（RE)(通过AM产生的信号）。然而， 在这些最初的提议和研究（参见例如PCT公布No. 2007/034131和2008/154409)之后一段 时间在理论或实践方面都没有取得明显的进步。 当科学家发现实际上没有氧化还原活性材料完全是对分析物不敏感的并且 伏安技术的实际应用应该集中在没有AM的WE上时，本领域中出现了下一个明显的进 步。然而，这些科学家也发现，无论氧化还原活性材料是否被表征为ASM或AIM(在本文 统称为氧化还原活性材料或RAM），它们均可以通过在离子介质中的螯合而真正成为 对分析物不敏感的。该发现产生了对分析物不敏感的电极或AIE，其不仅可以被用作传统 pH测量系统中的常规RE的替代品，而且可以基于伏安法与WE-起使用。参见PCT公布 No. 2010/104962。在这些发现之后不久，产生了适于在实验室工作台上使用以及用于重要 研究和开发应用的pH计。参见PCT公布No. 2010/111531和2010/118156。最新的进步包 括开发其上共价附接有RAM的聚合物，如PCT公布No. 2012/018632中所述。 然而，尽管有这些极具潜力的进步，实际上这些探头的性能需要在多个方面加以 改进。第一，需要装有这些探头的稳固而经济的装置。第二，如果存在将常规PH计的常规 玻璃电极替换成伏安探头的工具，则可以实现明显的优势。第三，一直需要改进通过现代数 据处理工具和装置诸如计算机、智能手机、控制器以及使用有线或无线系统和协议的相关 仪器和控制技术对测量结果的获取和利用。第四，在常规参比电极系统中普及的具有改善 的抗漂移性和降低的维护要求的参比电极将是有益的。第五，需要用于将氧化还原活性材 料固定到电极的导电基底的最佳方法和组合物，其提供更长的可用寿命并可用于多种多样 的应用，所述基底用于基于伏安法的分析物感测系统以及电极、探头、PH计和基于伏安系统 的其他分析物感测装置。第六，需要用于伏安应用的电极，其可以干燥状态储存，尤其是包 括湿-干可逆参比电极的电极。本专利技术满足这些需求。
技术实现思路
本专利技术整体涉及伏安电极和传感器以及用于构造其各种组件（包括工作电极和 参比电极）的方法和材料。本专利技术还提供用于使氧化还原活性材料固定在导电基底中的方 法，可用于该方法的化合物和组合物，通过该方法产生的电极，以及装有本专利技术的一个或多 个电极的PH计和其他分析物感测装置。 在一些实施例中，本专利技术提供能够与移动或远程计算装置通信的伏安传感器，所 述传感器包括：工作电极、参比电极、反电极、具有任选的本地显示器和控件的用于伏安法 和信号处理的固件和电子器件，以及通信接口。通信接口可通过导线或通过无线通信连接 到移动或远程计算装置，该计算装置包括与传感器的接口兼容的通信接口以及用于显示、 记录、存档或进一步处理PH(或其他分析物浓度）及相关信息（包括但不限于温度）的软 件。 在其他实施例中，本专利技术提供与常规pH计结合使用的伏安传感器作为玻璃探头 的通用替代品。该伏安传感器包括将表示测得的pH值的电子信号输出转化成常规pH计可 接受、处理和显示的相应电位的模拟器（其在本文可称为通用电位法模拟器）。 另外，在一些实施例中，本专利技术提供了具有优异稳定性且不依赖于分析物浓度的 参比电极，并避免了常规参比电极所需的频繁且依赖于操作者的维护。 再者，在一些实施例中，本专利技术借助通过物理化学方式（包括共价附接和物理捕本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能够与移动或远程计算装置通信的伏安传感器，所述传感器包括：工作电极、参比电极、反电极、具有任选的本地显示器和控件的用于伏安法和信号处理的固件和电子器件，以及通信接口。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.01.25 US 61/590,636;2012.03.08 US 61/608,4831. 一种能够与移动或远程计算装置通信的伏安传感器，所述传感器包括：工作电极、 参比电极、反电极、具有任选的本地显示器和控件的用于伏安法和信号处理的固件和电子 器件，以及通信接口。2. 根据权利要求1所述的传感器，所述传感器通过导线或通过无线通信连接到所述移 动或远程计算装置，所述移动或远程计算装置包括与所述传感器的接口兼容的通信接口以 及用于显示或记录pH(或其他分析物浓度）的软件。3. 根据权利要求1所述的传感器，所述传感器为整装的、任选手持式的仪器的形式。4. 根据权利要求3所述的传感器，所述传感器包括任选地可拆卸的容纳工作电极、参 比电极和反电极的盒，以及容纳电子电路、显示器和控制所述传感器操作的工具的头部单 JLi〇5. -种与根据权利要求1所述的传感器结合使用的移动或远程计算装置，所述移动或 远程计算装置包括通信接口、显示器、输入装置和具有图形用户界面的应用软件程序。6. -种与常规pH计一起使用的作为玻璃探头的通用替代品的伏安传感器，所述传感 器包括模拟器，所述模拟器将表示由所述伏安传感器测得的pH值的电子信号输出转换成 常规pH计可接受、处理和显示相同pH值的相应电位。7. 根据权利要求6所述的信号模拟器，所述信号模拟器为常规pH计的附件的形式。8. -种常规pH计，所述常规pH计包括允许其与根据权利要求6所述的伏安传感器一 起使用的模拟器。9. 一种包含聚合物的基质材料，所述聚合物具有共价附接到其上或非共价捕获在其中 的ASM或AIM。10. -种对分析物不敏感的电极（AIE)，包括： (i) 伪参比电极； (ii) 内部工作电极，所述内部工作电极包含基质材料，所述基质材料具有共价附接到...

【专利技术属性】
技术研发人员：E·李，
申请(专利权)人：赛诺瓦系统股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US