專利名稱：用于離子篩選的聚合物自組裝多層膜傳感器中的設(shè)計(jì)、制備和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施方案涉及外在地補(bǔ)償?shù)亩鄬幽ぁ?
背景技術(shù)：
功能膜應(yīng)用于各種領(lǐng)域，在上述領(lǐng)域中，分離和傳感器是兩個(gè)重 要的應(yīng)用類型。在傳感器應(yīng)用領(lǐng)域，功能膜通常置于和連接到轉(zhuǎn)換器 的表面，該轉(zhuǎn)換器例如是離子選擇性的場效應(yīng)晶體管(ISFET)，離子 選擇性的電極(ISE)，光學(xué)纖維、微懸臂、表面聲波(SAW)，體音波(BAW) 和石英晶體微量天平(QCM)等等。這類膜的最重要的作用是它們的感 測能力，具體而言，它們需要識別所感興趣的被分析物和產(chǎn)生能夠由 轉(zhuǎn)換器探測的信號。典型地，該膜通過將功能材料引入基體來制備。 作為一個(gè)實(shí)例，鈉敏感膜能夠通過將鈉離子栽體引入到增塑的聚氯乙 烯(PVC)基體來制備；作為另一實(shí)例，尿素敏感膜能夠通過將酶(尿素 酶)包埋到指定量的聚乙烯醇(PVA)基體中來制備。另外，轉(zhuǎn)換器表 面上所放置的理想的功能膜應(yīng)該選擇性地限制或減少溶液中一些不希 望有的組分流動(dòng)或穿行到達(dá)轉(zhuǎn)換器，以顯著地提高傳感器的性能(如敏 感性、選擇性、動(dòng)態(tài)范圍和響應(yīng)時(shí)間)。
最近，在開發(fā)人類新陳代謝參數(shù)象尿素、肌酸5f、葡萄糖等等參 數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測的生理傳感器上有特別的興趣。在制備該生理傳感器 中，功能感測膜是極端重要的。該膜的典型生產(chǎn)涉及將功能材料包封 在聚合物基體中，例如，酶(尿素酶)包封在PVA基體中來制備尿素敏 感膜。這里，與功能膜相關(guān)的主要挑戰(zhàn)是能夠從本體溶液減少不受歡 迎組分的流動(dòng)或篩選某些離子，例如HC03-， Na+等等的技術(shù)策略， 在某些情況下它們對于膜和傳感器的性能有不希望有的作用。
已經(jīng)探索了各種方法來生產(chǎn)傳感應(yīng)用的功能膜。最近，人們見證 了傳感應(yīng)用的多層功能膜的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。該方法包括將功能材料(如酶) 包封在自組裝的多層膜中。功能材料需要識別所感興趣的被分析物和 產(chǎn)生需要由轉(zhuǎn)換器探測的信號；而多層膜，除穩(wěn)定被包封的功能材料(如 酶)之外，還需在本體溶液中篩選不希望有的離子。 一般地，多層膜以
層疊層自組裝方法為基礎(chǔ)，該方法包括二種類型的聚合電解質(zhì)、即聚 陰離子和聚陽離子的連續(xù)自組裝。例如，如果在制備過程中以正電荷 的基材開始，聚陰離子首先被吸附入該表面以使得表面帶負(fù)電。爾后， 聚陽離子被吸附到表面上以使得表面再次帶正電。反復(fù)重復(fù)此循環(huán)能 夠生產(chǎn)具有交替的聚陰離子/聚陽離子層的膜，該膜意指自組裝多層膜。
術(shù)語"內(nèi)在補(bǔ)償"和"外在補(bǔ)償"表征了層疊層自組裝膜，特別 表征了它的離子篩選能力。如果一種聚合物上的電荷由另一種聚合物 上的相反電荷平衡(或中和)，例如聚陽離子由聚陰離子平衡或反之亦 然，這稱作"內(nèi)在地補(bǔ)償"。另一方面，如果一種聚合物上的電荷由 流動(dòng)離子的相反電荷來平衡(不通過不能夠自由移動(dòng)的聚合物上的電荷 平衡)，例如聚陽離子由溶液中自由移動(dòng)的陰離子或聚陰離子由溶液中 自由移動(dòng)的陽離子來平衡，它稱為"外在地補(bǔ)償?shù)?。在前面段落所 描述的膜是內(nèi)在地補(bǔ)償，歸因于層中的電荷由相對應(yīng)聚合電解質(zhì)中和 (即，聚陽離子的正電荷由聚陰離子的負(fù)電荷中和)。在所有制備離子 篩選多層膜的現(xiàn)有技術(shù)中，在二種聚合物上的電荷全部內(nèi)在地補(bǔ)償， 并且未報(bào)道以外在補(bǔ)償為基礎(chǔ)的多層膜。


圖1中所顯示的現(xiàn)有的內(nèi)在地補(bǔ)償?shù)膶盈B層的自組裝方法是常用 的，這歸因于它的簡單性。雖然此多層膜已經(jīng)成功地運(yùn)用于篩選
(screen)某些類型的離子，例如從一般的具備高緩沖能力的碳酸鹽 緩沖液中篩選HC03 —，但是它的性能仍然需要改進(jìn)以滿足某些具體 應(yīng)用的要求，這些具體應(yīng)用如用于尿素、肌酸酐和葡萄糖等的功能感 測膜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的問題與通常所用的內(nèi)在地補(bǔ)償?shù)亩鄬庸δ苣さ臒o 效離子篩選有關(guān)。本發(fā)明描述了新型離子篩選多層功能膜，該膜具有 由通過中性聚合物層粘結(jié)在一起的外在地補(bǔ)償?shù)摹щ姷木酆衔飳?，并?具有高的離子篩選能力，以及本發(fā)明還4^供設(shè)計(jì)和制備該膜的方法。
附圖的簡述
圖1顯示通過自組裝聚陽離子/聚陰離子制備內(nèi)在地補(bǔ)償?shù)膶盈B層 多層膜的現(xiàn)有技術(shù)。現(xiàn)有技術(shù)用于制備高內(nèi)在地補(bǔ)償?shù)哪?，這沒有有 效地篩選離子。
圖2顯示制備外在地補(bǔ)償?shù)膶盈B層自組裝多層膜的創(chuàng)造性方法，該
多層膜包括具有官能團(tuán)給體和受體的帶電聚合物和中性聚合物的層。
圖3a是具有固定于轉(zhuǎn)換器表面的功能感測膜的傳感器設(shè)備的一 種可能的構(gòu)型的示意圖；圖3b是包括感測材料和外在地補(bǔ)償層疊層 的多層結(jié)構(gòu)的功能感測膜的可能的構(gòu)型示意圖。情況I展示通過一步 法得到的功能感測膜，即在自組裝期間，直接將功能材料引入到層疊 層多層膜里。情況II顯示通過二步法得到的功能感測膜，即，首先旋 轉(zhuǎn)涂覆包含功能材料的感測層，然后制備層疊層多層膜。
本發(fā)明的概述
本發(fā)明的實(shí)施方案涉及放置于傳感器的轉(zhuǎn)換器上的多層功能感測 膜的設(shè)計(jì)和制備。膜能夠在溶液中(如緩沖溶液中)選擇性地減少一些 不希望有的離子的流動(dòng)或穿行到達(dá)轉(zhuǎn)換器表面并且因此提高傳感器的 性能。特別地，本發(fā)明涉及具有層疊層結(jié)構(gòu)的多層膜，其中存在二種 類型的層。即層的第一種類型包括帶電的(負(fù)性或正性)聚合物并且層 的第二種類型包括中性聚合物。層的二種類型被定為交替的方式。此
類型的膜具有外在補(bǔ)償特征并且在傳感器制備中可以是非常有用的。
本發(fā)明的實(shí)施方案解決了常規(guī)所用的膜，如內(nèi)在地補(bǔ)償多層功能 膜，在從溶液中，如緩沖溶液中篩選一些不希望有的離子的無效的問 題。本發(fā)明描述了新型的具有外在地補(bǔ)償?shù)?、帶電的聚合物層的離子 篩選多層膜，該聚合物層通過中性(無電荷)聚合物層粘結(jié)在一起的帶 電聚合物層，并且該離子篩選多層膜具有高的離子篩選能力，本發(fā)明 還提供設(shè)計(jì)和制備該膜的方法。
本發(fā)明實(shí)施方案涉及聚合物的設(shè)計(jì)和合成方法，該聚合物能夠用 于制備外在地補(bǔ)償功能多層自組裝膜。
本發(fā)明實(shí)施方案也同具備包含外在地補(bǔ)償多層的感測膜的高性能 傳感器的制備相關(guān)。本發(fā)明實(shí)施方案描述感測膜的二種構(gòu)型。在第一 優(yōu)選實(shí)施方案中，傳感器通過將感測材料(如類似于尿素酶的酶)和聚 合物(如PVA)的混合物旋轉(zhuǎn)涂覆到轉(zhuǎn)換器表面上，隨后以上所述的外 在地補(bǔ)償?shù)膶盈B層自組裝多層膜進(jìn)行第二次涂覆來制備。在第二優(yōu)選 的實(shí)施方案中，在自組裝過程期間，傳感器通過將感測材料(如酶)直 接引入到外在地補(bǔ)償?shù)膶盈B層自組裝多層膜里來制備。
將會(huì)認(rèn)識到，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)其它和不同的實(shí)施方案，并且它的細(xì)節(jié) 能夠以各種明顯的方式進(jìn)行改進(jìn)，全部沒有脫離本發(fā)明的范圍.
因此，附困和說明本質(zhì)上被認(rèn)為是舉例的和不認(rèn)為是限制性的。 詳細(xì)說明
如在說明書和所附權(quán)利要求中所使用的，單數(shù)形式包括復(fù)數(shù)指示 物，除非上下文另外清楚地指明。
術(shù)語"功能膜"是指具有功能聚合物的膜和它允許某些分子或離 子通過擴(kuò)散或促進(jìn)的擴(kuò)散穿過它。術(shù)語"功能聚合物"指一種聚合物， 它攜帶特定的化學(xué)基團(tuán)并且具有特定的物理，化學(xué)，生物，藥物學(xué)用 途或者取決于特定的化學(xué)基團(tuán)的其他用途。術(shù)語"促進(jìn)的擴(kuò)散"指一 種擴(kuò)散過程，其中分子在運(yùn)輸劑的幫助下跨膜擴(kuò)散，該運(yùn)輸劑例如是 某種分子(如蛋白質(zhì))。
"大分子"或"聚合物"包括共價(jià)地連接的兩個(gè)或多個(gè)單體。單 體可以是每次連接一個(gè)或以多個(gè)單體形成的鏈(通常稱為"齊聚物，，) 連接。因此例如， 一個(gè)單體和五個(gè)單體形成的鏈可以連接以形成六個(gè) 單體的大分子或聚合物。同樣地，五十個(gè)單體的鏈可以連接一百個(gè)單 體的鏈以形成一百五十個(gè)單體的大分子或聚合物。在這里所使用的術(shù) 語聚合物包括例如線性和環(huán)狀聚合物，雜聚物，其中化合物共價(jià)地鍵 接到聚合物和生物聚合物。
術(shù)語"生物聚合物"指自然界中所發(fā)現(xiàn)的特別類的聚合物。淀粉、
蛋白質(zhì)和肽、DNA和RNA是生物聚合物的所有實(shí)例，其中單體單元 分別是糖，氨基酸和核酸。生物聚合物尤其包括核苷酸，多核苷酸， 低聚核苷酸，肽，蛋白質(zhì)，配位體，接受體。
術(shù)語"聚陽離子"指一種分子，它有許多帶正電的基團(tuán)。術(shù)語"聚 陰離子"指一種分子，它有許多帶負(fù)電的基團(tuán)。
本發(fā)明的實(shí)施方案涉及新型帶電聚合物多層膜，后者相對于常規(guī) 所使用的膜，如內(nèi)在地補(bǔ)償?shù)膶盈B層自組裝膜而言，是外在地補(bǔ)償?shù)?并且有高得多的離子篩選能力。通過外在地補(bǔ)償?shù)亩鄬幽さ碾x子篩選 能力的增強(qiáng)未在現(xiàn)有技術(shù)中公開。
我們的結(jié)果以多層系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)。我們的模型包括三種 類型的基本方程(1)每層的電中和方程，(2)每種化學(xué)組分和每層 的化學(xué)勢平衡方程，和(3)每層的混合的、彈性和離子自由能的平衡 方程。求解這些方程的結(jié)果表明通過外在地補(bǔ)償?shù)膶盈B層膜在離子篩 選能力上有重大提高，這是指與內(nèi)在地補(bǔ)償?shù)哪切┍容^而言。為了將兩個(gè)或多個(gè)外在地補(bǔ)償?shù)膸щ娋酆衔锏膶诱辰釉谝黄?，使用中性電?聚合物層。
本發(fā)明實(shí)施方案涉及新穎的外在地補(bǔ)償?shù)膶盈B層多層膜，該多層
膜被舉例說明于附圖2中。本發(fā)明的實(shí)施方案的新穎性要點(diǎn)是本發(fā) 明是首次發(fā)明一種新型的聚合物多層膜，該多層膜是基本上外在地補(bǔ) 償?shù)牟⑶矣懈叩枚嗟碾x子篩選能力，這是指與常用的膜，如內(nèi)在地補(bǔ) 償?shù)亩鄬幽は啾容^而言。使用中性聚合物層來將二個(gè)具有相同電荷(聚 陰離子或聚陽離子)的外在地補(bǔ)償?shù)木酆衔飳诱辰釉谝黄鸬睦砟钜彩蔷?備新穎性的。
本發(fā)明的實(shí)施方案涉及在層中生產(chǎn)外在補(bǔ)償?shù)亩鄬泳酆衔锬?。?層膜的生產(chǎn)能夠以聚合電解質(zhì)(聚陽離子或聚陰離子)和中性聚合物開 始，兩者都擁有官能結(jié)構(gòu)部分(基團(tuán))以促進(jìn)自組裝過程。例如，如果 想要制備具有聚陽離子和中性聚合物的膜，制備的過程能夠是如下。 以在表面上具有質(zhì)子給予基團(tuán)的基體開始。然后將具有質(zhì)子接受基團(tuán)
的聚陽離子吸附于表面并且漂洗表面。爾后，將具有質(zhì)子給予基團(tuán)的 中性聚合物吸附到聚陽離子。重復(fù)該過程將生產(chǎn)出所謂的"層疊層自
組裝多層膜"。它的膜是外在地補(bǔ)償?shù)?，因?yàn)槟ぶ芯酆衔锏碾姾赏ㄟ^ 流動(dòng)抗衡離子來中和，而不是對應(yīng)的聚合電解質(zhì)。
內(nèi)在地補(bǔ)償膜和外在地補(bǔ)償膜之間的區(qū)別是非常清楚的。首先， 不同的原材料用于層疊層自組裝多層膜的二種類型的制備。在外在地 補(bǔ)償膜情況下，使用聚合電解質(zhì)(聚陽離子或聚陰離子)和中性聚合物， 而在內(nèi)在地補(bǔ)償?shù)哪で闆r下，使用聚陽離子和聚陰離子。第二，自組 裝過程的驅(qū)動(dòng)力是不同的。在外在地補(bǔ)償膜情況下，驅(qū)動(dòng)力可以包括 氫鍵、化學(xué)鍵等等；當(dāng)在內(nèi)在地補(bǔ)償?shù)哪で闆r下，驅(qū)動(dòng)力是聚陰離子 和聚陽離子之間的離子相互作用。最后，在膜中的帶電的聚合物的電 子中和也是不同的。在內(nèi)在地補(bǔ)償情況下，在某個(gè)聚合物中的電荷由 在另一個(gè)聚合物中的相反電荷平衡(或中和)，例如聚陰離子平衡的聚 陽離子或反之亦然；當(dāng)在外在補(bǔ)償情況下，在某個(gè)聚合物的電荷由流 動(dòng)抗衡離子的相反電荷所平衡(不是通過不能夠自由移動(dòng)的聚合物上的 電荷)，例如聚陽離子由溶液中的流動(dòng)抗衡陰離子或聚陰離子由溶液中 流動(dòng)抗衡陽離子所平衡。
離子篩選層優(yōu)選包含僅僅一種類型的、具有某些特殊官能結(jié)構(gòu)部分的聚合電解質(zhì)(帶電的聚合物，負(fù)性或正性)。聚合電解質(zhì)的種類的 選擇取決于將被篩選的離子的種類。具體地，優(yōu)選帶負(fù)電的聚合物(聚
陰離子)來篩選陰離子，如HC03-、 HS03-等等和優(yōu)選帶正電的聚合物 (聚陽離子)來篩選陽離子，如Na+、 Ca^等等。需要特殊官能結(jié)構(gòu)部 分來促進(jìn)帶電聚合物與第二種類型的聚合物的自組裝，第二種類型的 聚合物典型地是包含第二種類型的官能結(jié)構(gòu)部分的中性聚合物。包舍 中性聚合物的中性層分隔帶電層，形成多層結(jié)構(gòu)和因而增加多層膜的 離子篩選能力。
在本發(fā)明的實(shí)施方案中，帶電聚合物和中性聚合物兩者均有官能 結(jié)構(gòu)部分或基團(tuán)以促進(jìn)自組裝和將這二種類型的聚合物粘結(jié)在一起。 官能結(jié)構(gòu)部分包括能夠形成氫鍵、化學(xué)鍵等的那些基團(tuán)。在一個(gè)優(yōu)選 的實(shí)施方案中，氫鍵為自組裝的驅(qū)動(dòng)力。在這種情況下，官能結(jié)構(gòu)部 分可以包括以下-OH， -COOH， -1\112等。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠列 出能形成氫鍵的其他官能團(tuán)。在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案，化學(xué)鍵為自 組裝的驅(qū)動(dòng)力。在這種情況下，結(jié)構(gòu)部分可以包括-OH， -COOH， -NH2， -CHO等等，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠列出其他能形成化學(xué)鍵的結(jié)構(gòu)部分.
為簡化起見，該官能結(jié)構(gòu)部分能夠劃分成二種類型，分別命名為 給予基團(tuán)("給體")和接受基團(tuán)("受體")。帶電的聚合物能夠具有給 體和中性聚合物具有受體，或者相反，帶電的聚合物具有受體和中性 聚合物具有給體。在給體和受體之間的鍵合力連接帶電的聚合物層和 中性聚合物層。
二種方法能夠用于引入官能團(tuán)(即給體和受體)到所期望的聚合 電解質(zhì)(聚陽離子和聚陰離子)和中性聚合物中。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方 案中，官能團(tuán)通過功能單體(包含所期望的官能結(jié)構(gòu)部分(基團(tuán))、即給 體或受體的單體)與第二種單體(陽離子單體、陰離子單體或者非離子 單體)的共聚來在聚合物中引入。包含給體或受體的各種的單體是已知 的，例如，4-乙烯基吡啶，4_乙烯基吡咯烷酮，4-乙烯基苯紛，(甲基) 丙烯酸2-羥乙基酯，4-乙烯基苯胺，4-乙烯基苯曱醛。本領(lǐng)域技術(shù)人 員能列出更多功能單體。在本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施方案中，官能結(jié)構(gòu)部 分(基團(tuán))可以通過對可利用的聚合物采用所需的給體或受體來改性而 引入到期望的聚合物中。本領(lǐng)域中技術(shù)人員能夠?yàn)榇四康膩碓O(shè)計(jì)化學(xué) 反應(yīng)和試劑'為了實(shí)施多層膜的實(shí)施方案，例如圖2中所顯示的方案，二種類 型的聚合物能夠被設(shè)計(jì)和合成。第一種類型的聚合物能夠負(fù)性或正性 帶電并且具有給體或受體以促進(jìn)與第二種類型的聚合物的自組裝。第 二種類型的聚合物典型地是包含給體和受體以促進(jìn)與第一種類型的聚 合物的自組裝的中性聚合物。
本發(fā)明實(shí)施方案涉及具有官能結(jié)構(gòu)部分(給體或受體)的聚陽離子 的合成以供外在地補(bǔ)償?shù)膶盈B層自組裝多層膜的生產(chǎn)所用。在一個(gè)優(yōu) 選的實(shí)施方案中，聚合物能夠通過陽離子單體(它賦予聚合物陽離子 特征)和功能單體(它賦予聚合物與對應(yīng)中性聚合物形成氫鍵、化學(xué) 鍵等等的能力)的共聚來制備。各種陽離子單體可用于制備該聚合物， 比如，二烯丙基-二曱基氯化銨，丙烯酸N，N-二甲基氨基乙基酯的甲 基氯化物季按化物(N，N-dimethylaminoethyl acrylate methyl chloride quaternary),丙烯酰氧基乙基二甲節(jié)基氯化銨。本領(lǐng)域技術(shù)人員能列 出更多陽離子單體，在另一優(yōu)選的實(shí)施方案中，可以通過將可用的聚 陽離子以官能團(tuán)通過化學(xué)反應(yīng)改性來制備聚陽離子?？衫玫木坳栯x 子包括天然聚陽離子或合成聚陽離子，如聚亞乙基胺 (polyethyleneamine) (PEI)。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠列出一些聚陽離子， 它們能進(jìn)一步改性以制備所需聚合物。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠設(shè)計(jì)方案 來對這類聚陽離子采用如給體或受體的官能結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行改性。
本發(fā)明實(shí)施方案涉及具有官能結(jié)構(gòu)部分的聚陰離子的合成以供外 在地補(bǔ)償?shù)膶盈B層自組裝多層膜的生產(chǎn)所用。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案 中，該聚合物能夠通過陰離子單體(它賦予聚合物陰離子特征)和功 能單體(它賦予聚合物與對應(yīng)中性聚合物形成氫鍵、化學(xué)鍵的能力) 的共聚來制備。各種陰離子單體可用于制備這樣的聚合物，比如，丙 烯酸P-羧基乙基酯，l-烯丙氧基-2-羥基丙烷磺酸鈉，烯丙基聚乙氧基 (IO)硫酸銨，丙烯酸鈉，甲基丙烯酸鈉。
本領(lǐng)域技術(shù)人員能列出更多的這樣的單體。在另一優(yōu)選的實(shí)施方 案中，聚陽離子可以通過將可利用的聚陰離子以官能團(tuán)通過化學(xué)反應(yīng) 改性來制備，可利用的聚陰離子包括天然聚陰離子或合成聚陰離子， 如聚丙烯酸。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠列出一些聚陰離子，它們能進(jìn)一步 改性以制備所需聚合物。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠設(shè)計(jì)方案來將這類聚陰 離子通過采用如給體或受體的官能結(jié)構(gòu)部分而改性。
本發(fā)明實(shí)施方案也涉及生產(chǎn)具有官能結(jié)構(gòu)部分的中性聚合物以供 外在地補(bǔ)償?shù)膶盈B層自組裝多層膜的生產(chǎn)所用。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方 案中，中性聚合物能夠通過非離子單體(它賦予聚合物非離子特征) 和功能單體(它賦予聚合物與對應(yīng)聚陽離子或聚陰離子形成氫鍵、化 學(xué)鍵等等的能力)的共聚來制備。各種陰離子單體可用于制備這樣的
聚合物，比如，(甲基)丙烯酸2-羥乙基酯，(甲基)丙烯酸二甲基氨基 乙基酯，丙烯酰胺，N-異丙基丙烯酰胺。本領(lǐng)域技術(shù)人員能列出更多 非離子單體。在另一優(yōu)選的實(shí)施方案中，中性聚合物可以通過將可利 用的中性聚合物以官能團(tuán)通過化學(xué)反應(yīng)改性來制備，可利用的中性聚 合物包括某些天然或合成聚合物，如PVA、纖維素等等。本領(lǐng)域技術(shù) 人員能夠列出 一 些中性聚合物，它們能進(jìn) 一 步改性以制備所需聚合 物。本領(lǐng)域技術(shù)人員也能夠設(shè)計(jì)方案來將這類中性聚合物通過采用如 給體或受體的官能結(jié)構(gòu)部分而改性。
因?yàn)橐呀?jīng)設(shè)計(jì)和合成了二種類型的聚合物，所以能夠制備外在地 補(bǔ)償?shù)亩鄬庸δ苣?。本發(fā)明實(shí)施方案涉及通過層疊層自組裝來生產(chǎn)外 在地補(bǔ)償?shù)亩鄬幽ぁＴ谝粋€(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，自組裝的驅(qū)動(dòng)力包含 氫鍵.例如，如果想要制備具有分別包含質(zhì)子接受基團(tuán)和質(zhì)子給予基 團(tuán)的聚陽離子和中性聚合物的膜，制備的過程能夠是如下?？梢砸栽?表面上具有質(zhì)子給予基團(tuán)的基體開始，然后具有質(zhì)子接受基團(tuán)的聚陽 離子通過氫鍵吸附于表面，它然后被漂洗以去除非氫鍵結(jié)合的聚合 物。爾后，具有質(zhì)子給予基團(tuán)的中性聚合物通過氫鍵吸附于聚陽離子 層并且再漂洗。重復(fù)該過程能生產(chǎn)具有交替聚陽離子/中性聚合物層的 多層膜。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠了解其他規(guī)程也能夠用于制備層疊層 自組裝多層膜，其中氫鍵作為驅(qū)動(dòng)力。在另一優(yōu)選的實(shí)施方案中，自 組裝的驅(qū)動(dòng)力包括在二個(gè)聚合物之間形成化學(xué)鍵。例如，如果想要制 備分別包含給體(如-NH2)和受體(如，-CHO)的聚陽離子和中性聚合 物的膜，制備的過程能夠是如下。例如，可以以在表面具有-CHO基 團(tuán)的基體開始。然后具有-NH2基團(tuán)的聚陽離子能夠通過在二種官能團(tuán) 之間的希夫(Schiff)堿鍵合的形成而吸附到表面，隨后通過漂洗來 去除非化學(xué)鍵合的聚陽離子。爾后，具有-CHO基團(tuán)的中性聚合物能 夠通過化學(xué)鍵的形成來吸附到聚陽離子層上和再漂洗以去除非化學(xué)鍵 合的中性聚合物。重復(fù)該過程能生產(chǎn)具有交替聚陽離子/中性聚合物層
的多層膜。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠了解其他規(guī)程也能夠通過使用化學(xué) 鍵作為驅(qū)動(dòng)力來用于制備層疊層自組裝多層膜。
本發(fā)明的外在地補(bǔ)償?shù)亩鄬幽さ膶?shí)施方案在傳感器制備中能夠是 非常有用的。該膜具有高離子篩選能力并且因此能夠提高傳感器的性 能。而且，本發(fā)明也描述方法來制備這樣的功能感測膜。圖3a是具
有固定于轉(zhuǎn)換器表面的功能感測膜的傳感器設(shè)備的一種可能的構(gòu)型的 示意圖；圖3b是包括感測材料和外在地補(bǔ)償?shù)膶盈B層的多層結(jié)構(gòu)的 功能感測膜的可能的構(gòu)型示意圖。
本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方案是一種傳感器，它具有上述膜來篩選或 者限制溶液中的某些不希望有的離子的流動(dòng)到達(dá)感測層或轉(zhuǎn)換器的表 面。傳感器能夠通過采用功能感測膜來改進(jìn)轉(zhuǎn)換器表面而制備。在一 個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，轉(zhuǎn)換器是ISFET設(shè)備。在另一優(yōu)選的實(shí)施方案 中，轉(zhuǎn)換器是ISE。在另一優(yōu)選的實(shí)施方案中，轉(zhuǎn)換器是光學(xué)纖維。 本領(lǐng)域技術(shù)人員了解其他轉(zhuǎn)換器也可以為傳感器的制備所使用。
本發(fā)明實(shí)施方案涉及傳感器的生產(chǎn)，該傳感器采用包含外在地補(bǔ) 償?shù)亩鄬幽さ墓δ芨袦y膜來在本體溶液中如緩沖液中篩選不希望有的 離子。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案中，功能感測膜包含功能材料，該功 能材料能夠識別所感興趣的被分析物并且產(chǎn)生能夠由轉(zhuǎn)換器探測的信 號。
各種各樣的功能材料能夠用于功能感測膜的制備。在一個(gè)優(yōu)選的 實(shí)施方案中，功能材料能夠是酶，它有選擇性地連接并且分解所感興 趣的被分析物并且產(chǎn)生能由某些轉(zhuǎn)換器檢測出的最后產(chǎn)物。比如，尿 素酶、肌酸肝酶、葡糖氧化酶能夠用于制備尿素、肌酸酐和葡萄糖的 功能傳感器。本領(lǐng)域技術(shù)人員了解更多被分析物能夠被它的對應(yīng)酶 識別和分解并且因此該酶能夠使用作為傳感的功能材料。眾所周知的 是某種酶能夠分解化合物，如尿素、肌酸酑和葡萄糖等等和產(chǎn)生最 后產(chǎn)物如C02, NHs等等。這樣的最后產(chǎn)物能夠容易地水解，結(jié)果造 成環(huán)境的pH變化和同時(shí)形成離子，如銨離子等等。該變化能夠由轉(zhuǎn) 換器，如ISFET， ISE等等容易地查出。在另一優(yōu)選的實(shí)施方案中， 功能材料能夠是酶與適當(dāng)?shù)碾x子栽體(也被命名作為"離子承栽體") 的組合。例如，尿素酶和銨離子載體，無活菌素，能夠用于作為功能 材料來制備尿素傳感器。這里尿素酶分解尿素形成(:<32和NH3，隨后
被水解為銨離子。銨離子栽體，無活菌素，然后能夠連接能夠由轉(zhuǎn)換 器檢測出的銨離子。在另一優(yōu)選的實(shí)施方案中，功能材料能夠是酶和
pH敏感發(fā)色團(tuán)的組合，如，2 '，7 '-雙-(2-羧基乙基)-5-(和-6)-羧基熒光 素(BCECF酸)或2 '，7 '-雙-(2-羧基乙基)-5-(和-6)-羧基熒光素，乙酰 氧基曱基酯(BCECF， AM)。例如，在上述情況，使用pH敏感發(fā)色 團(tuán)代替銨離子栽體能夠用于制備尿素感測膜。在上面所描述的所有感 測的過程中，各種離子通過某些類型的轉(zhuǎn)換器來生產(chǎn)和探測。所以必 要的是在本體溶液中篩選潛在的干涉離子穿過感測膜到達(dá)轉(zhuǎn)換器表 面。
本發(fā)明實(shí)施方案涉及傳感器，該傳感器采用包含外在地補(bǔ)償?shù)亩?層膜的功能感測膜來在本體溶液如緩沖液中篩選不希望有的離子。其 傳感器因此能夠有好得多的性能(更高的敏感性、選擇性、更寬的動(dòng)態(tài) 范圍和更短的響應(yīng)時(shí)間)，這是指與以其他技術(shù)制備的那些相比較而& 。
有二種構(gòu)型供功能感測膜所用。在第一優(yōu)選的實(shí)施方案中，功能 感測膜通過一種二步方法來制備。具體而言，感測層首先置于轉(zhuǎn)換器 表面并且隨后多層離子篩選或限流膜通過層疊層自組裝方法置于感測
層上。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，感測層包含諸如酶之類的功能材料， 該材料埋置在如聚合物的母體中。在另一優(yōu)選的實(shí)施方案中，感測層 包含酶和離子栽體的組合。在另一優(yōu)選的實(shí)施方案中，感測層包含酶 和pH敏感發(fā)色團(tuán)。在感測多層膜構(gòu)型的第二實(shí)施方案中，感測功能 膜通過直接引入感測材料而制備，如將酶引入層疊層自組裝多層膜 中》
本發(fā)明的實(shí)施方案涉及在轉(zhuǎn)換器表面上通過二步法生產(chǎn)功能感測 膜。首先，感測層通過功能材料(如酶)和聚合物(如PVA)的混合物的 沉積來涂覆到轉(zhuǎn)換器表面。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，然后此感測層 通過酶和聚合物的交聯(lián)而穩(wěn)定化。第二，離子篩選外在地補(bǔ)償?shù)亩鄬?通過使用上面所描述的層疊層自組裝方法來裝配到感測層。
本發(fā)明的實(shí)施方案也涉及在轉(zhuǎn)換器表面上通過一步法來生產(chǎn)功能 感測膜。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，功能材料被封閉入多層膜。本領(lǐng) 域技術(shù)人員很好地了解如何制備這樣的功能感測膜。
外在地補(bǔ)償多層膜能有和100%—樣高的，優(yōu)選地大于50%，更
優(yōu)選大于75%和最優(yōu)選大子95%的離子篩選值。此離子篩選因子取 決于各種膜因素，如層的數(shù)量和膜的可溶脹性。我們模型的結(jié)杲表明 離子篩選能力隨層的數(shù)量增加而增加，但隨膜的可溶脹性增加而減 少。本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解如何控制膜的可溶脹性。
將外在地補(bǔ)償?shù)木酆衔锒鄬幽?yīng)用在轉(zhuǎn)換器表面制備功能感測膜 是一種離子篩選的創(chuàng)新方法。它在傳感器開發(fā)例如生理傳感器、醫(yī)療 傳感器和化學(xué)傳感器等等開發(fā)中有巨大的潛力。這為采用功能膜作為 感測組件的生物/化學(xué)傳感器制備技術(shù)帶來技術(shù)創(chuàng)新。
使用外在地補(bǔ)償?shù)木酆衔锒鄬幽ずY選離子的理念也可以在其他領(lǐng) 域有潛在的應(yīng)用。例如，這樣膜可以在脫鹽，制藥工業(yè)等等中有潛在 的應(yīng)用。這意味本發(fā)明也能夠有其它和不同的實(shí)施方案，并且它的 細(xì)節(jié)能夠以各種明顯的方式進(jìn)行改進(jìn)，全部沒有脫離本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種外在地補(bǔ)償?shù)亩鄬幽?，它至少包括含有帶電的聚合物的第一層和含有中性聚合物的第二層，其中第一層具有外在補(bǔ)償?shù)奶卣?，其中帶電聚合物上的電荷通過流動(dòng)抗衡離子來平衡。
2. 權(quán)利要求1的外在地補(bǔ)償?shù)亩鄬幽?，其中第一層的流?dòng)抗衡 離子是陰離子和在膜中流動(dòng)抗衡離子由帶電聚合物上的陽離子來平 衡。
3. 權(quán)利要求1的外在地補(bǔ)償?shù)亩鄬幽ぃ渲械谝粚拥牧鲃?dòng)抗衡 離子是陽離子和在膜中流動(dòng)抗衡離子由帶電聚合物上的陰離子來平 衡。
4. 權(quán)利要求1的外在地補(bǔ)償?shù)亩鄬幽ぃ渲械诙影ㄖ行跃?合物來將外在地補(bǔ)償?shù)亩鄬诱辰釉谝黄鸷托纬山惶娴膶盈B層結(jié)構(gòu)。
5. 權(quán)利要求1的外在地補(bǔ)償?shù)亩鄬幽?，其中帶電的聚合物和?性聚合物包括能夠形成氫鍵和/或化學(xué)鍵來將第一和第二層粘接在一起 的官能團(tuán)給體和受體。
6. 權(quán)利要求5的外在地補(bǔ)償?shù)亩鄬幽ぃ渲械谝粚影ň哂泄?能團(tuán)給體或受體的帶負(fù)電聚合物。
7. 權(quán)利要求5的外在地補(bǔ)償?shù)亩鄬幽?，其中第一層包括具有?能團(tuán)給體或受體的帶正電聚合物。
8. 權(quán)利要求6的外在地補(bǔ)償?shù)亩鄬幽ぃ渲袔ж?fù)電聚合物通過 陰離子單體與包括官能團(tuán)給體或受體的功能單體的共聚來合成。
9. 權(quán)利要求6的外在地補(bǔ)償?shù)亩鄬幽?，帶?fù)電聚合物通過采用 官能團(tuán)給體或受體對可利用的聚陰離子的改性來合成。
10. 權(quán)利要求7的外在地補(bǔ)償?shù)亩鄬幽?，其中帶正電聚合物通過 陽離子單體與具有官能團(tuán)給體或受體的功能單體的共聚來合成。
11. 權(quán)利要求7的外在地補(bǔ)償?shù)亩鄬幽?，帶正電聚合物通過采用 官能團(tuán)給體或受體對可利用的聚陽離子的改性來合成。
12. 權(quán)利要求5的外在地補(bǔ)償?shù)亩鄬幽?，其中中性聚合物通過中 性單體與具有官能團(tuán)給體或受體的功能單體的共聚來合成。
13. 權(quán)利要求5的外在地補(bǔ)償?shù)亩鄬幽?，其中中性聚合物通過采 用官能團(tuán)給體或受體對可利用的中性聚合物的改性來合成。
14. 通過層疊層自組裝制備權(quán)利要求1的外在地補(bǔ)償?shù)亩鄬幽さ? 方法，其中自組裝驅(qū)動(dòng)力包括在帶電的聚合物層和中性聚合物層之間 的氫鍵和/或化學(xué)鍵。
15. 權(quán)利要求14的方法，其中自組裝驅(qū)動(dòng)力包括在帶電的聚合物 層和中性聚合物層之間的氫鍵并且制備方法包括獲得在表面具有質(zhì) 子給予基團(tuán)的基體，將具有質(zhì)子接受基團(tuán)的帶電聚合物通過氫鍵吸附 于該表面，然后將具有質(zhì)子給予基團(tuán)的中性聚合物通過氬鍵吸附于帶 電聚合物層和重復(fù)該過程來制備層疊層自組裝多層膜。
16. 權(quán)利要求14的方法，其中自組裝驅(qū)動(dòng)力包括在帶電的聚合物 層和中性聚合物層之間的化學(xué)鍵并且制備方法包括獲得在表面具有 第一官能團(tuán)的基體，將具有第二官能團(tuán)的帶電聚合物通過在兩種類型 官能團(tuán)之間的化學(xué)鍵吸附于該表面，然后將包含第一種類型的官能團(tuán) 的中性聚合物通過化學(xué)鍵吸附于帶電聚合物層和重復(fù)該過程來制備層 疊層自組裝多層膜。
17. 將功能感測膜固定到轉(zhuǎn)換器表面的傳感器設(shè)備，其中感測膜 包括感測材料和外在地補(bǔ)償?shù)亩鄬幽ぁ?br> 18. 權(quán)利要求17的傳感器設(shè)備，包括轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器選自離子 選擇性場效應(yīng)晶體管(ISFET)，離子選擇性電極(ISE)，光學(xué)纖維、懸 臂、表面聲波(SAW)，體音波(BAW)和石英晶體微量天平(QCM)。
19. 固定在轉(zhuǎn)換器表面上的功能感測膜，其中功能感測膜包括感 測材料和外在地補(bǔ)償?shù)亩鄬幽?，其中感測材料適合識別被分析物和產(chǎn) 生由轉(zhuǎn)換器探測的信號。
20. 權(quán)利要求19的功能感測的膜，其中外在地補(bǔ)償?shù)亩鄬幽みm合 在溶液中篩選不希望有的離子。
21. 權(quán)利要求19的功能感測膜，其中功能感測膜置于和連接到轉(zhuǎn) 換器的表面。
22. 制備權(quán)利要求19的功能感測膜的方法，包括一步法裝配功能 感測膜到轉(zhuǎn)換器表面上，其中功能材料通過在生產(chǎn)外在地補(bǔ)償?shù)膶盈B 層多層膜的期間的自組裝包封于多層膜。
23. 制造權(quán)利要求19的傳感器設(shè)備的方法，包括二步法裝配功能感測膜到轉(zhuǎn)換器的表面，其中感測層通過功能材料和聚合物的混合物 的沉積來涂覆于轉(zhuǎn)換器的表面上，以及外在地補(bǔ)償?shù)亩鄬幽ねㄟ^使用 層疊層自組裝方法裝配于感測材料的層上。
全文摘要
本發(fā)明的實(shí)施方案涉及外在地補(bǔ)償?shù)亩鄬幽ぃ辽侔ê袔щ姷木酆衔锏牡谝粚雍秃兄行跃酆衔锏牡诙?，其中第一層具有外在補(bǔ)償特征和聚合物上的電荷通過流動(dòng)抗衡離子來平衡。本發(fā)明的實(shí)施方案涉及i)用于離子篩選的外在地補(bǔ)償?shù)哪?；ii)二種類型的聚合物用于制備外在地補(bǔ)償?shù)哪ぃ籭ii)自組裝的驅(qū)動(dòng)力和在二個(gè)聚合物之間建立該驅(qū)動(dòng)力的方法，它包括二種類型的聚合物通過官能結(jié)構(gòu)部分(給體和受體)而官能化；iv)二種類型的聚合物的一種或多種合成方法；v)具有二種類型的聚合物的外在地補(bǔ)償膜的生產(chǎn)；以及vi)功能感測膜和它的傳感器的制備。
文檔編號B01D69/12GK101164675SQ20061013568
公開日2008年4月23日 申請日期2006年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月20日
發(fā)明者J·周, Q·李 申請人:霍尼韋爾國際公司