电位式过氧化氢传感器制造技术

使用电位传感器检测测试或者临床样本中的过氧化氢或磷酸相关化合物，其中参比电极和过氧化氢选择电极都通过位于其间的聚电解质连接。更特别地，公开了具有新型配置的用于检测溶液中的化学物种的电位传感器装置。测溶液中的化学物种的电位传感器装置。测溶液中的化学物种的电位传感器装置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电位式过氧化氢传感器


[0001]本专利技术涉及医学领域，特别是涉及使用电位传感器检测测试或临床样本中的过氧化氢或磷酸相关化合物。更特别地，本专利技术解决提供具有新型配置的用于检测溶液中的化学物种的电位传感器装置的问题。

技术介绍

[0002]使用Pt电极的混合电位(MP)来解释对过氧化氢或者对磷酸相关化合物的电位响应，并且在这里展示特定聚电解质涂层的使用，作为控制导致电极的静息电位的动力学过程的方式(Baez等人，Analytica Chimica Acta 1097(2020)204
‑
213)。众所周知，像使用很多其他金属一样，Pt电极在电解质溶液中的静息电位并不是处于平衡，而是处在混合电位(MP)状态下，其中氧化(电子生成)和还原(电子失去)反应产生阳极(i
a
)和阴极(i
c
)交换电流。这些电流中的每一个可以通过它们的Butler
‑
Volmer方程来描述：
[0003][0004]其中下标“k”表示指定的反应，i
k
是总电流，是交换电流密度，α
k
是对称因子，n
k
是在限速步骤中交换的电子数。反应的驱动力，过电位(η
k
)，在研究中是电极的静息电位(E)和反应的平衡电位之间的差值，并且F、R和T分别是法拉第常数、通用气体常数和绝对温度。对于足够大的过电位，反应的其中一个方向变得可忽略不计，即，阳极交换电流的阴极分量和阴极交换电流的阳极分量可以忽略。因此，上述方程可以由此减至Tafel近似。假设每一个过程仅由一个反应促成，交换电流可以表达为：
[0005][0006][0007]当对条件求解电位的值时，可以获得系统的MP。然后，在MP状态下，具有由于总电流的零值而到达稳定状态的过电位(η)的净非零值。因此，这些系统的OCP((开路电位(Open Circuit Potential，OPC)，其是被动法，也称作开路电压、零流电位、腐蚀电位、平衡电位或者静息电位，其通常用于寻找系统的静电位，其他实验以其为基础)不显示Nernstian依赖性，而是它由描述交换电流的Tafel关系式来控制。Tafel方程通常以线性形式表达：
[0008]E
a
＝K
a
+β
a
log(i
a
),
[0009]E
c
＝K
c
+β
c
log(i
c
),
[0010]其中E
a
和E
c
是对阳极或阴极交换电流计算的电极电位，K
a
和K
c
包括用于每一个反应的一系列参数和常数项，以及β
a
和β
c
是用于阴极和阳极过程的Tafel斜率。通常而言，对于
α＝0.5，预计的Tafel斜率对于一电子和2电子转移分别是120mV和60mV。然而，导致更复杂的反应机制的其他因素要求对Tafel方程进行修正，这导致更宽广的范围的斜率。
[0011]Tafel斜率对于理解这些MP系统的电位响应是关键的，因为OCP与交换电流的变化有关。导致交换电流的重新调整的任何干扰都会导致电极电位根据它们的Tafel斜率的改变，例如工作电极(WE)向含有待检测的化学实体的溶液的暴露。这是为什么很多金属电极(包括Pt)的OCP对溶氧浓度进行响应的原因。氧还原反应(ORR)：
[0012]O2+4H
+
+4e
‑
→
2H2O(E
o
＝1.23V)
[0013]是很多金属的MP中的i
c
的主要贡献者之一。因此，O2的浓度的变化改变了i
c
，迫使系统达到新MP。对于溶解的O2的敏感性(对于一些青铜为120mV/十进位，对于Co为40mV/十进位，对于Cu为56至80mV/十进位)反映了该反应的不同动力学条件，这导致不同的Tafel斜率。虽然已经提出了将这些金属用作溶解氧传感器，但是需要对影响交换电流的其他因素(例如阻碍电极上的活性位点、表面改性、吸附等等)进行严格控制。例如，已经报道了基于氧化钴表面上的磷酸阴离子产生的交换电流的改变的电位式磷酸传感器(Meruva和Meyerhoff，Anal Chem 1996,68,2022
‑
2026)。这是这些混合电位系统的主要动力之一，并且还是主要缺点。一方面，它们能够提供极大的多功能性，以及潜力很大的敏感性。另一方面，它们显示出对于多个环境因素的强依赖性，这些环境因素必须精心地控制以在分析上有用。
[0014]就Pt电极来说，当分析MP时考虑的两个主要因素是，一方面，阴极和阳极交换电流，另一方面，表面条件。对于阴极过程，OCP与溶解的O2的浓度的强相关性证明ORR对i
c
的主要贡献。作为还原反应，ORR用于去除电子。因此，ORR速率的减小反映为电极电位的下降。反之，提高该反应的速率使得电位达到更高的值。另一方面，阳极反应通常与电极表面上的Pt的氧化相关。已经报道该反应具有非常低的Tafel斜率，这实际上意味着Pt电极的OCP将主要由阴极过程控制。因此，ORR的Tafel斜率将对确定OCP的敏感性起到关键作用。然而，与阳极过程更相关的是它产生PtO层，PtO层阻碍ORR，如将在下文所讨论的。
[0015]在过去的几十年中，Pt上的ORR受到相当大的关注，因为它是改善燃烧电单元的性能的限制因素(I Katsounaros,WB Schneider,JC Meier,U Benedikt,PU Biedermann,AA Auer,KJJ Mayrhofer,Phys.Chem.Chem.Phys.,2012,14,7384)。反应的真正机制没有被完全阐明，并且证据表明取决于条件可以产生不同的反应路径。Pt上的ORR是缓慢的并且不是以可逆的方式进行。作为多电子反应，ORR包括具有不同中间体的若干基本步骤(NM markovic,PN Ross Jr,Surface Science Reports 2002,45,117)。氧气可以被直接还原为水(4电子路径)或者首先被还原为过氧化氢，过氧化氢可以接着经历不同的反应。最新的模型和实验证据表明ORR的机制涉及O2吸附到Pt上的第一步骤。然后，一电子转移是限速步骤。在这些条件下，可以预计120mV/十进位的Tafel斜率(Markovic等人)。然而，若干因素可能会影响反应动力学。因此，通常报道的是60和120mV/十进位的Tafel斜率，但是也可以发现范围从40到80mV/十进位的值。
[0016]由于反应的第一步骤是O2的吸附，因此Pt电极的表面条件对MP有很大的影响。Markovic和Ross已经研究了物种在Pt上的竞争性吸附，他们评估了在存在硫酸和氯阴离子的情况下的ORR。最近还综述了这些观察物种对Pt的作用。一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电位池的体外用途，用于确定水溶液中的过氧化氢的浓度，其中所述电位池包括：i.参比电极，其包括支撑体，所述支撑体又包括导电材料；以及ii.过氧化氢选择电极，其包括由铂或金组成的多孔氧化还原敏感表面，其中每一个电极通过设置于电极之间的聚电解质桥与另一个电极连接，其中每一个电极的接触设置于电极之间的所述聚电解质桥的表面允许有效地接通电位电路；以及其中所述用途的特征在于，所述水溶液与所述工作电极直接接触，并且在于不是使用所述水溶液来接通两个电极，即所述过氧化氢选择电极和所述参比电极(RE)，之间的电位电路，而是所述电位池使用所述聚电解质桥来连接所述两个电极。2.根据权利要求1所述的用途，其中，所述过氧化氢选择电极位于所述参比电极正上方。3.根据权利要求1或2所述的用途，其中，所述过氧化氢选择电极包括由铂组成的多孔氧化还原敏感表面。4.根据权利要求1至3中任一项所述的用途，其中，连接电极的所述聚电解质桥包括全氟磺酸离聚物或者由全氟磺酸离聚物制成。5.根据权利要求4所述的用途，其中，连接电极的所述聚电解质桥包括Nafion或Aquivion，优选地包括Nafion，或者由Nafion或Aquivion制成，优选地由Nafion制成。6.根据权利要求5所述的用途，其中，连接电极的所述聚电解质桥包括Nafion或者由Nafion制成。7.根据前述权利要求中任一项所述的用途，其中，所述参比电极包括支撑体，所述支撑体又包括导电材料，所述导电材料选自以下清单中的任何一者：银、铂、金、镍、锌、铜、铝和碳。8.根据前述权利要求中任一项所述的用途，其中，所述参比电极和所述过氧化氢选择电极由相同的材料制成，优选地由金或铂制成。9.根据前述权利要求中任一项所述的用途，其中，所述过氧化氢选择电极包括由铂或金组成的多孔氧化还原敏感表面和位于所述氧化还原敏感表面上的至少一层质子交换膜层，其中所述质子交换膜层包括式(II)的共聚物，其中x、y、m和n表示重复单元的数目，其中m＝0，n＝1，并且其中重复单元的数目x和y为，使得对于每个y而言，少于15x单元。10.根据权利要求9所述的用途，其中，所述质子交换膜层还包括或遵循与另一PFSA共聚物的混合物，所述另一PFSA共聚物选自式II的共聚物，其中m＝1且n＝1，或者m＝0或1且n＝1至5，或者m＝0或3且n＝2至5，或者m＝0且n＝2，并且其中x和y为，使得对于每个y而言，少于15x单元。11.根据权利要求9或10所述的用途，其中，所述质子交换膜层还包括截留于其中的葡
萄糖氧化酶或者以过氧化氢为其产物的任何氧化酶。12.一种确定水溶液中的过氧化氢的浓度的体外方法，所述方法包括：a.提供与电位传感器或电位池的过氧化氢选择电极接触的水溶液，所述电位传感器或电位池包括：i.参比电极，其包括支撑体，所述支撑体又包括导电材料；以及ii.过氧化氢选择电极，其包括由铂或金组成的多孔氧化还原敏感表面，其中所述过氧化氢选择电极优选地位于所述参比电极的正上方，其中每一个电极通过设置于电极之间的聚电解质桥与另一个电极连接，其中每一个电极的接触设置于电极之间的聚电解质桥的表面允许有效地接通电位电路；以及其中连接电极的所述聚电解质桥包括聚电解质或由聚电解质制成，所述聚电解质例如为全氟磺酸离聚物或者聚铵盐离聚物；以及b.测量所述参比电极和所述过氧化氢选择电极之间的电位差；以及c.通过使用电压计求解所述电位差来确定所述水溶液中的过氧化氢的浓度；其中所述方法的特征在于不是使用所述水溶液来接通两个电极，即所述过氧化氢选择电极和所述参比电极(RE)，之间的电位电路，而是所述电位池使用所述聚电解质桥而非所述溶液来连接所述两个电极。根据权利要求12所述的方法，其中，所述过氧化氢选择电极位于所述参比电极的正上方。13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述过氧化氢选择电极包括由铂组成的多孔氧化还原敏感表面。14.根据权利要求12至13中任一项所述的方法，其中，连接电极的所述聚电解质桥包括全氟磺酸离聚物或者由全氟磺酸离聚物制成。15.根据权利要求14所述的方法，其中，连接电极的所述聚电解质桥包括Nafion或Aquivion，优选地包括Nafion，或者由Nafion或Aquivion制成，优选...

【专利技术属性】
技术研发人员：F，
申请(专利权)人：罗维拉威尔吉利大学，
类型：发明
国别省市：