專利名稱：采用導電金剛石涂覆電極的電化學分析法、以及基于它的電化學分析系統(tǒng)的制作方法
第一，本發(fā)明涉及使用適合量化固體金屬的導電金剛石涂覆電極的電化學分析法，其中測試金屬通過摩擦轉(zhuǎn)移到電極上；第二，本發(fā)明涉及適合量化電離金屬的同一分析法，其中測試金屬通過電鍍轉(zhuǎn)移到電極上；第三，本發(fā)明涉及使用適合量化有機樣品溶液的導電金剛石涂覆電極或陽極氧化金剛石涂覆電極的流動注射電化學分析系統(tǒng)；第四，本發(fā)明涉及適合單獨從抗壞血酸(通常共存于同一生物測試材料中)中選擇性量化尿酸的尿酸分析法、以及一種基于它的尿酸分析系統(tǒng)。
最近已知，金剛石具有優(yōu)異的電化學性能(尤其是在穩(wěn)定性上)，因此預期金剛石可在電化學分析中替代常規(guī)的碳電極。金剛石本身具有高電阻，因此是一種優(yōu)異的絕緣體。但如果摻雜硼作為雜質(zhì)，金剛石的電阻就會下降。因此，通過調(diào)節(jié)硼在金剛石中的加入量，可以使金剛石的電阻處于高導電金屬與半導體電阻之間的任何所需位置上。
摻硼金剛石電極有許多其它優(yōu)點與常規(guī)電極相比，它具有較寬的電位范圍，且可在用作電極時產(chǎn)生低背景電流。因此，對將金剛石電極引入化學分析中的前景已引起廣泛關(guān)注。的確，摻硼金剛石電極能夠檢測出發(fā)生在高電位時的電化學氧化作用，因為它具有較寬的電位范圍。
電化學分析廣泛用于各種領(lǐng)域，包括金屬工業(yè)、環(huán)境科學、能源化學、成像工程、電子、生物、醫(yī)藥等。
對于這種電化學分析，常規(guī)使用一種如

圖1描述的系統(tǒng)。該系統(tǒng)例如可用于分析溶液中的測試對象(如，金屬)。在該圖中，1表示用于分析的容器。它包含電極溶液1a，其中含有待分析的測試對象(如，金屬離子)。該容器用密封膜1b密封。放置活性電極2和反電極3，使得它們以特定的相互間距離浸漬在分析容器1內(nèi)的電解液1a中?；钚噪姌O2例如由石墨電極、玻璃碳電極、汞電極(如，汞涂覆電極或滴汞電極)或類似物組成。反電極3例如由鉑制或碳制電極組成。
活性電極2和反電極3分別通過導線2a和3a連接到恒電位儀4上。恒電位儀4上還連接有電位掃描器4a和記錄儀4b。參比電極5(或基電極)通過毛細管5a與活性電極2，并通過導線5b與恒電位儀4電連接。參比電極5由飽和甘汞電極組成。
加料管6將氮氣(N2)供給反電極3的附近。攪拌器7在分析容器1的底部旋轉(zhuǎn)圓盤7a，這樣可在分析容器1內(nèi)攪動電解液1a。
以下描述圖1系統(tǒng)分析金屬的方法。首先，恒電位儀4將活性電極2的電位由原始水平掃描至負值，這樣可通過電鍍將電解液中的金屬離子連續(xù)沉積到活性電極2的表面上(還原濃縮)。
然后，恒電位儀4將活性電極2的電位掃描至正值，這樣可通過陽極剝離將沉積在活性電極上的金屬溶解到電解液1a中。每種沉積金屬在特征氧化電位時溶解。因此，如果金屬溶解到電解液1a中，可在所需的掃描速度下，通過檢測響應(yīng)活性電極2電位變化的電流變化來分析金屬。
如圖1所描繪的系統(tǒng)確實能夠?qū)﹄娊庖褐械慕饘匐x子進行電化學分析。但如果測試物質(zhì)為固體，它必須溶解在電解液中，才能沉積到活性電極上進行分析。這需要時間，因此可能會在處理過程中損壞測試物質(zhì)。因此，這種系統(tǒng)僅適用于范圍有限的物質(zhì)。
即便測試對象是金屬離子，如圖1描繪的常規(guī)系統(tǒng)還存在另一問題。就拿使用滴汞電極或汞涂覆電極(以下稱作汞電極)的常規(guī)電化學分析作為例子。該方法包括將溶液中的金屬離子在汞電極表面上還原，這樣可將金屬同化到汞電極的表面上或?qū)⑵涔R化到汞電極上；掃描汞齊化電極的電位，這樣可使該電極進行陽極剝離；然后測量響應(yīng)電位變化的電流。
采用碳電極或汞電極的常規(guī)系統(tǒng)可用于分析包含1.0×10-6MPb(NO)3、1.0×10-6M ZnSO4、1.0×10-6M Cu(NO3)2、0.10M KCl和H2O(pH值3.3)的電解液。
分析過程包括將活性電極的電位保持在-1200mV達90秒，這樣可將金屬離子沉積到活性電極上，將活性電極的電位掃描至正值，然后測量在50mV/s的掃描速率下響應(yīng)電位變化的電流變化。
結(jié)果在圖2中由跡線g(基于碳電極的分析)和h(基于汞電極的分析)給出。如這些跡線所示，記錄沉積金屬溶解到電解液時的響應(yīng)電位變化的電流變化?？赏ㄟ^讀取產(chǎn)生峰值電流(在這種情況下，極小值)時的電位來分析Zn、Pb和Cu。
但如果該系統(tǒng)使用碳電極，那么可歸于Cu和Zn離子的那些峰就變得不清晰。另一方面，如果使用汞電極，可觀察到的歸于Hg離子的峰值電位比歸于Cu離子的產(chǎn)生峰值電流的電位要高。能夠檢測到?jīng)]有特意加入溶液中的Hg離子的原因可解釋為涂覆在電極上的Hg溶解到該溶液中。因此，基于汞電極的該系統(tǒng)不可能檢測出氧化電位高于Hg離子的Pt之類的金屬離子。
此外，如圖1描繪的這種常規(guī)系統(tǒng)不可能完全氧化所沉積的金屬，因為這些金屬可通過汞齊化而在電極中作為雜質(zhì)繼續(xù)存在。這會逐漸降低汞電極在每次分析之后的可靠性。
因此，如果重復使用同一汞電極用于分析，那么這些雜質(zhì)必須在每次分析之后進行處理。這需要時間。如果汞電極在每次需要分析時換成新電極，分析成本會增加。
此外，汞是有害的，而且隨意處置會污染環(huán)境。因此，在重復使用之后，從廢汞電極中處理汞就產(chǎn)生另一問題。
溶液中有機物質(zhì)的電化學測定與測定溶液中的金屬一樣重要。對于包含在生物樣品中的有機物質(zhì)，尤其如此。
就拿組胺的測定作為例子。組胺是保持生物活性不可缺少的一種胺。實際上，少量組胺存在于各種各樣的植物和水果中，因此只要少量存在就不會有害。但如果發(fā)酵食物和飲料如啤酒、涂油防腐的魚、酒等沒有以足夠衛(wèi)生的方式進行處理，它們的組胺含量會增加，因此人偶然食用這種食物之后會產(chǎn)生消化道、心血管系統(tǒng)或神經(jīng)系統(tǒng)的病癥。組胺是一種化學介質(zhì)，引起與肥胖和各種變態(tài)反應(yīng)有關(guān)的血管收縮。因此，在測試樣品中檢測組胺是非常重要的。
為了測定組胺，已廣泛使用了帶有流動池的電化學分析系統(tǒng)，因為這樣在結(jié)合液相色譜時能夠進行連續(xù)分析。
用帶有流動池的電化學分析系統(tǒng)進行的分析包括將包含溶解在緩沖劑中的測試對象的每種樣品溶液通過泵導向流動池，在流動池中的活性電極與反電極之間施加電壓，這樣可引起活性電極與反電極之間的反應(yīng)以產(chǎn)生信號，然后將該信號傳送到包括恒電位電流儀和分析儀(個人計算機或類似設(shè)備)的分析裝置中，這樣將信號加以控制并測定分析。該系統(tǒng)中的緩沖劑是一種加入測試物質(zhì)中的有助于電化學測定的溶液，或例如是一種加入用于控制樣品溶液pH值的溶液。
在這種電化學測定系統(tǒng)中，通常使用玻璃碳電極作為保持在流動池中的活性電極。
為何使用玻璃碳電極作為活性電極可解釋為，玻璃碳如熱解石墨導電性非常高，對化學作用穩(wěn)定，且不滲透氣體，此外它還便宜而且在氫氣或氧氣的存在下具有較高的超電位。
但在測定組胺時，使用玻璃碳電極的常規(guī)系統(tǒng)存在困難，因為組胺在高電位下會發(fā)生電化學氧化。
此外，如果長期重復使用同一玻璃碳電極，測定的精確度會發(fā)現(xiàn)逐漸下降，因此長期使用同一電極不可能重復得到精確的測定結(jié)果。
圖3給出了通過電化學測定系統(tǒng)得到的50μM脫氫煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)在0.1M緩沖劑(pH值＝7)中的測定結(jié)果，其中將玻璃碳電極用作活性電極。如圖所示，用新玻璃碳電極在起始測定階段所得到的特性圖、與用同一電極在測定1小時之后所得到的特性圖相互有很多不同。
如果要將尿酸與通常共存于同一生物樣品的抗壞血酸區(qū)別開來，該問題尤為突出。
尿酸是嘌呤在體內(nèi)新陳代謝的一種最終產(chǎn)物它非本征地來自肌肉所含嘌呤，且本質(zhì)上是組織核酸的分解產(chǎn)物、或不經(jīng)由核酸而合成直接的產(chǎn)物。在血清中，部分尿酸與血清蛋白結(jié)合，其余則游離存在。它在紅細胞中的濃度只有血清中的一半。成人所含尿酸的總量為1-2克，大多數(shù)都存在于心血管系統(tǒng)之外。成人每日尿排泄的尿酸為0.4-0.8克，該量反映出嘌呤在體內(nèi)的新陳代謝。
尿酸可通過腎小球濾出，但大多數(shù)這種濾出的尿酸又被腎小管吸收。因此，尿中的尿酸大多數(shù)由腎小管分泌。高尿酸血癥部分由于嘌呤在體內(nèi)產(chǎn)生過多(例如，在痛風時)，也部分由于尿酸從腎臟中異常增加分泌而引起。但高尿酸血癥在高血壓和肥胖時也會出現(xiàn)。因此，高尿酸血癥作為異常新陳代謝的疾病反應(yīng)已引起注意。
為了測定尿酸，已經(jīng)采用了還原法和尿酸酶(酶)法。
(a)還原法還原法基于這樣一種反應(yīng)，尿酸在堿性溶液中與磷鎢酸鹽接觸時，將其還原成能夠產(chǎn)生鎢藍的化合物。已經(jīng)開發(fā)出各種堿化試劑以增加該反應(yīng)的敏感度，防止反應(yīng)溶液渾濁，或為了穩(wěn)定顏色。其中，廣泛采用使用碳酸鈉的Caraway法及其變型。血清中除尿酸之外的反應(yīng)性物質(zhì)包括抗壞血酸、SH化合物和酚?？箟难岬淖饔每赏ㄟ^向樣品中或向喪失蛋白質(zhì)的樣品中加入堿性物質(zhì)，然后留下所得樣品而基本上消除。以下描述磷鎢酸鹽還原法。
首先介紹其原理。將碳酸鈉加入因為加入鎢酸鹽而缺少蛋白質(zhì)的血清濾液，分解與尿酸無關(guān)的色原。然后，加入磷鎢酸鹽試劑，將顯現(xiàn)的鎢藍進行比色。另外加入尿素以防反應(yīng)溶液發(fā)生渾濁。
所用試劑包括能去除蛋白質(zhì)的鎢酸鹽試劑、原始磷鎢酸鹽溶液、根據(jù)用途合適調(diào)節(jié)的磷鎢酸鹽溶液、14％碳酸鈉-尿素溶液和尿酸濃度100毫克/分升的尿酸標準溶液。為了得到標準曲線，在測定前用水系列地稀釋100毫克/分升尿酸標準溶液。稀釋溶液的濃度對應(yīng)于尿酸在血清中的濃度。如果標準曲線是線性的，那么給定測試的標準曲線只能通過測定水(空白)和0.5毫克/分升尿酸標準溶液的反應(yīng)強度而得到。
測試進行如下首先，將1.0毫升血清、8.0毫升水和0.5毫升2/3N硫酸加入燒瓶中進行混合，向其中加入0.5毫升10％鎢酸鈉，然后將它們攪拌混合，放置20分鐘。將內(nèi)容物轉(zhuǎn)移到中號測試管，然后在3000rpm下離心處理10分鐘。然后，取三個中號測試管A、S和B管A接收3.0毫升上層清液；管S是3.0毫升標準溶液，管B則是3.0毫升水(空白)。將1毫升碳酸鈉和1毫升尿素溶液加入每個測試管中進行混合，然后將混合物放置20分鐘。將0.5毫升近似調(diào)節(jié)的磷鎢酸鹽溶液加入每個測試管中進行充分混合，然后將混合物放置15分鐘以完全顯色。在這之后的30分鐘內(nèi)，測定管A和S在710納米(或可采用660納米)處的光吸收，并將管B的吸收值用作對比。如果將如此測定的管A和S的相對吸收測量值表示為EA和ES，那么尿酸的血清濃度可由以下等式得到尿酸的血清濃度＝(EA/ES)×5毫克/分升。
(b)尿酸酶法尿酸酶是一種將尿酸氧化成尿囊素和H2O2的酶，具有高度尿酸特異性，因此廣泛用于測定生物樣品中的尿酸含量。
該方法包括各種類型(1)一種方法是利用尿酸在293納米處有最大吸收的原理，在將樣品與尿酸酶反應(yīng)前后，測定樣品在293納米處的光吸收，然后通過測定反應(yīng)之后的光吸收降低值來確定樣品中的尿酸含量；(2)另一種方法是將尿酸酶與過氧化物酶進行共價連接，這樣可在尿酸的存在下產(chǎn)生H2O2，然后氧化4-氨基安替比林-苯酚系統(tǒng)(或苯胺系統(tǒng))或MBTH-DMA系統(tǒng)以顯色；(3)另一方法是將尿酸酶與過氧化氫酶共價連接，這樣可在尿酸的存在下產(chǎn)生H2O2，然后將甲醇氧化成甲醛，后者通過乙酰丙酮法而顯色；和(4)再一方法是基于酶固定的膜電極，該電極通過將尿酸酶固定在對H2O2選擇滲透的膜上，然后用該膜包裹H2O2電極而得到。以下描述尿酸酶-氫氧化氫酶法和尿酸酶-過氧化物酶法。首先給出尿酸酶-過氧化氫酶法。
以下介紹其原理。按照該方法，將尿酸酶與尿酸進行反應(yīng)，得到H2O2；H2O2在過氧化氫酶的存在下將甲醇氧化成甲醛；甲醛在乙酰丙酮和銨鹽的作用下顯現(xiàn)黃色；然后將該顏色在410納米處比色。該方法具有優(yōu)異的特異性和精確度，不受各種共存物質(zhì)的干擾影響。但該方法需要空白樣品，因為它使用了相當短波長的光束?？瞻讟悠酚袃煞N制備方法一種是去除蛋白質(zhì)，另一種是溶劑本身。一般使用后者。
所需試劑包括甲醇/丙酮溶液、過氧化氫酶/銨鹽溶液、尿酸酶/過氧化氫酶/銨鹽溶液、100毫克/分升的尿酸原料溶液、10毫克/分升的尿酸標準溶液等。通常，只要測定給定樣品中的尿酸含量，將100毫克/分升的尿酸標準原料溶液系列稀釋成2、4、6、8和10毫克/分升的溶液；每種溶液的尿酸含量都通過同一測試方法進行測定，得到標準曲線；如果該曲線基本上是線性的，只需測定對應(yīng)于標準溶液(包含10毫克/分升的尿酸)的電流強度，不管是否需要測定所用樣品的尿酸含量。
測試進行如下首先，取4個測試管A、B、S和SB管A和B分別接收2.0毫升樣品(如果樣品是尿，用水稀釋10倍)；然后管S和SB分別接收0.2毫升包含10毫克/分升的尿酸的標準溶液。將1毫升甲醇/丙酮溶液加入每個測試管進行混合。然后，用于測定的測試管A和S接收2.0毫升的反應(yīng)試劑，而用作空白的測試管B和SB則接收2.0毫升的空白試劑進行混合。將管加熱至37℃ 70分鐘。反應(yīng)完成之后，用水冷卻這些管，然后在710納米處進行比色(其中水用作空白)，測定管的光吸收或EA、ES、EB和ESB。尿酸在測試樣品中的血清濃度可由以下等式得到尿酸的血清濃度(毫克/分升)＝10×(EA-EB)/(ES-ESB)。
如果樣品為尿，以上結(jié)果必須乘以10倍。
以下描述尿酸酶/過氧化物酶法。首先介紹其原理。按照該方法，尿酸酶能夠?qū)⒛蛩嵫趸蒆2O2，后者有助于在POD的存在下通過氧化作用將4-氨基安替比林和偶聯(lián)試劑縮合成一種醌顏料，然后進行比色測定。因為尿酸在血清中的摩爾濃度低，使用苯胺或間甲苯胺化合物作為偶聯(lián)劑以產(chǎn)生最大吸收在550-600納米或稍長波長范圍的醌顏料。這可增加測量的靈敏度并防止包含在樣品中的血紅蛋白和膽紅素影響顏料的顯色。現(xiàn)在描述一種加入N-乙基N-(3-甲基苯基)-N’-乙酰乙二胺(EMAE)或間甲苯胺化合物作為偶聯(lián)劑的方法。
所用試劑包括0.1M磷酸鹽緩沖溶液(pH值為6.0)作為緩沖劑、包含1.2mM原始EMAE溶液的顯色試劑、和10毫克/分升尿酸標準溶液。為了測量，取3個測試管A、S和B，分別將50μl的樣品、標準溶液和純化水加入管A、S和B中。然后，將3.0毫升的顯色試劑加入每個測試管，將混合物加熱至37℃ 5分鐘。稍后，測定測試管A和S的光吸收，其中測試管B用作空白，得到EA和ES。尿酸濃度由以下等式計算尿酸濃度＝10×EA/ES毫克/分升。
但上述對尿酸的常規(guī)分析需要技巧和時間。近年來，已經(jīng)嘗試開發(fā)出一種人們能夠容易現(xiàn)場測定樣品的尿酸濃度的方法，而無論他是否技術(shù)熟練。其中一種方法包括使用酶傳感器。最近，開發(fā)出金剛石涂覆電極，而且已經(jīng)嘗試將這種金剛石涂覆電極用于尿酸分析。
但金剛石涂覆電極不可能直接檢測出樣品中的尿酸。通常，生物流體包含抗壞血酸以及尿酸。例如，尿酸在尿和血清(血液)中的濃度分別為約2-2.5毫摩爾/升和50-60微升/升。但在血液中，抗壞血酸的共存濃度是尿酸的約20-30倍。在尿中，抗壞血酸的共存濃度相同。為了適應(yīng)這種狀況，用于尿酸分析的樣品必須在分析前稀釋約100-5000倍，因為這種稀釋可減少樣品的基體效應(yīng)(例如由某些蛋白質(zhì)或其它電化學化學生物物質(zhì)產(chǎn)生的效應(yīng))。
由于尿酸如上所述與抗壞血酸共存，因此采用金剛石涂覆電極的尿酸傳感器難以將尿酸與抗壞血酸區(qū)別，因為它們在相同電位下產(chǎn)生電流信號。
根據(jù)以上問題，本發(fā)明得以提出且旨在首先提供特別適用于量化固體金屬的靈敏的、精確的、且使用導電金剛石涂覆電極的快速的電化學分析法。該方法包括使用摻雜高濃度硼的多晶體導電金剛石電極，將導電金剛石電極摩擦測試物體，例如金之類的固體金屬，這樣部分金屬就通過摩擦轉(zhuǎn)移到導電電極的表面上，將帶有金屬的導電電極浸漬在電解液中，通過示差脈沖伏安法將導電電極的電位逐漸由負值轉(zhuǎn)變至正值，這樣可將粘附于電極上的金屬溶解到電解液中，然后檢測響應(yīng)電位逐步轉(zhuǎn)變的電流變化。
第二，本發(fā)明提供了特別適用于量化電離金屬的電化學分析法。該方法包括使用摻雜高濃度硼的導電金剛石涂覆電極作為活性電極，將該電極與參比電極一起浸漬在包含測試對象如Pb、Cd之類電離金屬的溶液中，然后將電位相對參比電極掃描至負值，這樣金屬就沉積到導電金剛石電極的表面上。然后，逐步將導電金剛石電極的電位掃描至正值，這樣可將沉積其上的金屬溶解到溶液中，然后測定響應(yīng)電位階躍的電流變化，得到作為電位函數(shù)的電流特性。在電流特性圖上找到峰值，然后確定出現(xiàn)峰值時的電位，這樣可分析出溶液中所含的測試金屬。
第三，本發(fā)明提供了一種采用導電金剛石涂覆電極或陽極氧化金剛石涂覆電極的特別適用于量化有機物質(zhì)的流動注射型電化學分析系統(tǒng)，這樣可連續(xù)穩(wěn)定地測定多個測試物。該方法包括，使用硼摻雜金剛石電極或陽極氧化硼摻雜金剛石電極作為活性電極，所述陽極氧化硼摻雜金剛石電極通過將硼摻雜金剛石電極浸漬在酸性或堿性溶液中，將足夠強的電流通過，引起在金剛石電極上的氧化反應(yīng)，這樣可將陽極氧化作用施加到金剛石電極上。該方法基于流動池，其中置入這種硼摻雜金剛石電極或陽極氧化硼摻雜金剛石電極、以及參比和反電極，然后將電化學測定系統(tǒng)與流動池連接。因此，該方法還包括將包含測試對象如組胺之類有機物質(zhì)的樣品溶液加入流動池中，在活性電極與反電極之間施加電壓進行電化學分析，分析之后處理該溶液，然后重復同一過程用于另一測試對象，直到完全分析出整個系列的樣品。這種基于流動池的電化學分析系統(tǒng)可長期穩(wěn)定操作，因此可用于連續(xù)分析包括各種各樣化合物(如，具有高氧化電位的組胺)在內(nèi)的樣品。
第四，本發(fā)明提供了采用陽極氧化金剛石涂覆電極的電化學分析法，特別適合獨立于通常共存于同一生物樣品的抗壞血酸而選擇量化尿酸。該方法基于一種尿酸傳感器，其中置入一種陽極氧化硼摻雜金剛石電極、以及參考和反電極，然后將電化學分析系統(tǒng)連接到尿酸傳感器上。因此，該方法包括將包含測試對象(如，還可包含抗壞血酸的生物樣品中的尿酸)的樣品溶液加入傳感器，在活性電極與反電極之間施加電壓，測定響應(yīng)電位階躍的電流變化，這樣可得到作為電位函數(shù)的電流特性，其中歸于尿酸的峰由于活性電極的陽極氧化作用而明顯遠離歸于抗壞血酸的峰，然后選擇測定尿酸在樣品中的濃度而不受抗壞血酸的干擾影響。該方法還包括將尿酸傳感器改進為流動池，將流動池與置入流動注射裝置的電化學分析系統(tǒng)連接，然后使用這種基于所得流動池的電化學分析系統(tǒng)，對多個樣品的尿酸進行連續(xù)選擇分析。
圖1是通常已知的用于分析金屬的系統(tǒng)的示意圖。
圖2給出了作為電位函數(shù)的電流特性圖，表示用如圖1所描繪的分析系統(tǒng)對包含各種金屬離子的電解液進行分析的結(jié)果。
圖3給出了電流特性圖，表示使用電化學分析系統(tǒng)(其中采用了玻璃碳電極)對50μM NADH(在0.1M緩沖劑中，pH值為7)進行分析的結(jié)果。
圖4給出了在實施例1中所得到的作為電位函數(shù)的電流特性圖，其中分析了包含鉛的樣品S1。
圖5給出了在實施例1中所得到的作為電位函數(shù)的電流特性圖，其中分析了包含鐵的樣品S2。
圖6給出了在實施例1中所得到的作為電位函數(shù)的電流特性圖，其中分析了包含金的樣品S3。
圖7給出了在實施例2中所得到的作為電位函數(shù)的電流特性圖，其中分析了包含銅的樣品S4。
圖8給出了在實施例3中所得到的作為電位函數(shù)的電流特性圖，其中分析了包含合金或黃銅的樣品S5。
圖9給出了在實施例4中所得到的作為電位函數(shù)的電流特性圖，其中分析了由許多金屬元素組成的樣品S6。
圖10給出了在實施例5中所得到的作為電位函數(shù)的電流特性圖，其中分析了樣品S7或100日元硬幣。
圖11給出了在實施例5中所得到的作為電位函數(shù)的電流特性圖，其中分析了樣品S8或500日元硬幣。
圖12給出了在實施例5中所得到的作為電位函數(shù)的電流特性圖，其中分析了樣品S9或25美分(四分之一美元)硬幣。
圖13給出了在實施例6中所得到的作為電位函數(shù)的電流特性圖，其中分析了樣品S10或100日元硬幣。
圖14給出了在實施例6中所得到的作為電位函數(shù)的電流特性圖，其中分析了樣品S11或1美分(10美分)硬幣。
圖15給出了在實施例7中所得到的作為電位函數(shù)的電流特性圖，其中分析了包含1×10-6M Pb(NO3)2的樣品溶液S11。
圖16給出了在實施例8中所得到的作為電位函數(shù)的電流特性圖，其中分析了包含不同量Pb(NO3)2的樣品溶液S12-S16。
圖17給出了在校正來自背景電流的貢獻值之后，基于圖16中S12-S16的峰值電流的標準計量-響應(yīng)圖。
圖18給出了在實施例9中所得到的作為電位函數(shù)的電流特性圖，其中分析了包含1×10-6M Cd(NO3)2的樣品溶液S17。
圖19給出了在實施例10中所得到的作為電位函數(shù)的電流特性圖，其中分析了包含不同量Cd(NO3)2的樣品溶液S18-S22。
圖20給出了在校正來自背景電流的貢獻值之后，基于圖19中S18-S22的峰值電流的標準計量-響應(yīng)圖。
圖21給出了在實施例11中所得到的作為電位函數(shù)的電流特性圖，其中分析了包含1×10-6M Zn(NO3)2的樣品溶液S23。
圖22給出了在實施例12中所得到的作為電位函數(shù)的電流特性圖，其中分析了包含1×10-6M HAuCl4的樣品溶液S24。
圖23給出了在實施例13中所得到的作為電位函數(shù)的電流特性圖，其中分析了包含1×10-6M Pb(NO3)2的樣品溶液S25。
圖24給出了在實施例14中所得到的作為電位函數(shù)的電流特性圖，其中分析了包含5×10-7M Cd和Pb離子的樣品溶液S26。
圖25給出了在實施例15中所得到的作為電位函數(shù)的電流特性圖，其中分析了包含1×10-6M Cu(NO3)2的樣品溶液S27。
圖26給出了在實施例16中所得到的作為電位函數(shù)的電流特性圖，其中分析了包含不同量Cu(NO3)2的樣品溶液S28-S32。
圖27給出了在校正來自背景電流的貢獻值之后，基于圖26中S28-S32的峰值電流的標準計量-響應(yīng)圖。
圖28給出了在實施例17中所得到的作為電位函數(shù)的電流特性圖，其中分析了包含不同金屬離子的樣品溶液S33。
圖29是采用導電金剛石電極的電化學分析系統(tǒng)(流動注射分析系統(tǒng))的示意圖，表示本發(fā)明的一個實施方案。
圖30是使用表示本發(fā)明一個實施方案的電化學分析系統(tǒng)所得到的電流特性圖，這時將20微升的100μM NADH在1分鐘間隔內(nèi)與0.1M磷酸鹽緩沖劑通過注射閥重復注射到該系統(tǒng)中。
圖31A、31B和31C是使用表示本發(fā)明一個實施方案的電化學分析系統(tǒng)所得到的電流特性圖，這時將20微升的1μM、100nM或50nM NADH在1分鐘間隔內(nèi)與0.1M磷酸鹽緩沖劑通過注射閥重復注射到該系統(tǒng)中。
圖32是將20微升100μM NADH(在0.1M磷酸鹽緩沖劑中)以0.5毫升/分鐘注射到該系統(tǒng)時所得到的有關(guān)電位的特性圖。
圖33給出了電壓-電流特性圖，其中之一由使用導電金剛石電極的電化學分析系統(tǒng)得到，而另一圖則由使用導電玻璃碳電極的同一分析系統(tǒng)得到，這些分析都針對在0.1M緩沖劑(pH值為7)中的100μM組胺進行的。
圖34給出了使用表示本發(fā)明一個實施方案的電化學分析系統(tǒng)所得到的電流特性圖，這時將100μM組胺在1分鐘間隔內(nèi)重復注射到該系統(tǒng)中。
圖35A給出了使用表示本發(fā)明一個實施方案的電化學分析系統(tǒng)所得到的電流特性圖，這時將20微升的50μM、20μM、10μM和1μM組胺在1分鐘間隔內(nèi)通過注射閥重復注射到該系統(tǒng)中。
圖35B給出了涉及具有峰值電流的組胺濃度的圖。
圖36將由導電金剛石電極、玻璃碳電極、鉑電極和金電極在0.5M硫酸(在水中)所得到的電位范圍進行比較。
圖37是尿酸傳感器的示意圖，表示本發(fā)明的一個實施方案。
圖38是尿酸分析系統(tǒng)的示意圖，表示本發(fā)明的一個實施方案。
圖39給出了通過本發(fā)明分析法分析包含尿酸和抗壞血酸的樣品的結(jié)果。
圖40是說明如何在DPV中給出電位脈沖、以及如何將所得電流取樣的圖。
圖41是示差脈沖伏安圖。
圖42給出了包含非常微量測試對象的樣品在通過電位階躍計時電流法分析時的響應(yīng)特性圖。
圖43給出了通過電位階躍計時電流法所得到的背景電流特性圖。
圖44給出了尿酸的標準計量-響應(yīng)圖。
圖45給出了所得的電流特性圖，其中之一由不進行陽極氧化的金剛石電極而得到，另一圖則由陽極氧化金剛石電極而得到，樣品包含尿酸和抗壞血酸。
圖46A和46B給出了在導電金剛石電極接受陽極氧化之前進行尿酸分析的電流特性圖(圖46A)以及在接受陽極氧化之后的電流特性圖(圖46B)。
圖47A和47B給出了在導電金剛石電極接受陽極氧化之前進行抗壞血酸分析的電流特性圖(圖47A)以及在接受陽極氧化之后的電流特性圖(圖47B)。
圖48是將Ep或峰值電流時的電位對pH值作圖。
圖49給出了電流特性圖，表示基于流動注射的分析結(jié)果。
硼摻雜多晶體金剛石膜在高壓(用于等離子體輔助CVD的壓力是普通CVD時壓力(133.322Pa)的幾倍)下，通過等離子體輔助CVD，使用頻率2.45GHz的微波制備如下。使用由ASTeX提供的微波CVD膜制備裝置。
使用硅氧烷基材{Si(100)}。該基材要進行紋理處理(例如，用0.5μm粒徑的金剛石粉拋光)，然后在基材夾具中放置就位。用于制膜的材料包括丙酮與甲醇的混合物(9∶1的體積比)，向其中加入氧化硼(B2O3)，得到一種硼/碳比率(B/C比率)為104ppm的混合物。
將用作載體氣體的純H2氣體由用于成膜的材料通入一腔中，該腔由另一管線也通入氫氣(例如，流速為532毫升/分鐘)，得到特定壓力(例如，115×133.322Pa)。然后，施加頻率2.45GHz的微波用于放電，將功率調(diào)至5kW。穩(wěn)定之后，將用作載體氣體的H2氣體流過用于成膜的材料(液體)。成膜以1-4μm/小時的速率進行。調(diào)整成膜的持續(xù)時間，得到約30μm厚的膜。該裝置無需特意加熱基材，但在普通操作中，要將基材加熱至約850-950C。
這樣制備出摻硼(B3+)的多晶體金剛石膜(以下稱作導電金剛石電極)。它的拉曼光譜在1333厘米-1處有單峰，在1400-1600厘米-1處沒有任何活度，表明存在無定形碳。它的導電率為約10-3U.cm，且在0.5M H2SO4中得到的循環(huán)伏安圖表明，它具有較寬的電位范圍-1.25至+2.3V(與SHE相比)。
使用采用摻硼金剛石電極的分析系統(tǒng)對固體金屬的分析使用如圖1所示的分析系統(tǒng)，其中常規(guī)的活性電極已被本發(fā)明的導電金剛石電極所替換。該電解液由0.1M KCl(試劑級)組成，其pH值已通過加入HCl(試劑級)調(diào)節(jié)至pH值為1。使用恒電位儀(HZ 3000型，由Hokuto Electric Co.提供)。將導電金剛石電極插入分析系統(tǒng)中，使得浸入溶液中的其尖表面積為0.4厘米2。除非另有所指，在室溫下進行測定。
(實施例1)使用包含固體鉛(99％純度)的樣品S1進行分析。首先，用手簡單地將導電金剛石電極與樣品摩擦2-3次，這樣部分樣品就轉(zhuǎn)移到電極的表面上。通過SEM可檢查樣品與導電金剛石電極表面的粘附性樣品侵入電極表面上細晶體間的空間，但其粘附量非常微量(估計幾個納克)。然后，將導電金剛石電極放在分析系統(tǒng)中。
對于示差陽極剝離伏安法，以20mV/s的掃描速率將導電金剛石電極相對參比電極的電位逐步由負側(cè)移動至正值一側(cè)。即，通過該步驟，粘附到導電金剛石電極表面上的樣品就溶解到電解液中，然后測定響應(yīng)電位階躍的電流變化，得到電流特性圖(示差脈沖伏安圖)。為了分析樣品S1，從電流特性圖上讀取歸于測試對象的峰值電流，并測定出現(xiàn)峰值電流時的電位。
在另一操作中，在如上的相同條件下測定由固體鐵(99％純度)組成的樣品。即，通過摩擦將部分樣品S2轉(zhuǎn)移到導電金剛石電極的表面上，然后溶解到溶液中進行分析。
在另一操作中，在相同條件下測定由固體金(99.95％純度)組成的樣品。即，通過摩擦將部分(非常微量)樣品S3轉(zhuǎn)移到導電金剛石電極的表面上，然后溶解到溶液中進行分析。
樣品S1、S2、和S3的分析結(jié)果分別在電流特性圖4、5和6中給出。如圖4所示，在電位為-0.48V時得到一明顯峰，表示樣品S1由鉛組成。參考圖5，在電位為0.8V時得到一明顯峰，表示樣品S2由鐵組成。再參考圖6，在電位為約0.95V時得到一明顯峰，表示樣品S3由金組成。
樣品S1的如圖4所示峰值電流的寬度(半峰寬度為0.3V或更低)大于樣品S2的如圖5所示峰值電流的寬度。電流寬度上的這種差異可解釋為，樣品S1相對樣品S2快速溶解到溶液中。
在該實施例中，可以證實，基于本發(fā)明導電金剛石電極的分析系統(tǒng)可測定出固體物質(zhì)，特別是固體金屬，包括鉛、鐵、金或類似物。此外，即使用于測定具有較高氧化電位的金之類的金屬，該系統(tǒng)也是適用的。
(實施例2)對于所有金屬，例如，如果通過氧化將銅溶解到具有高濃度氯根(如，KCl)的電解液中，Cu+就通過轉(zhuǎn)變成氯化物而逐步穩(wěn)定。因此，Cu可按照以下反應(yīng)式(1)-(3)表示的復雜方式(銅通過三個步驟進行氧化)進行氧化。
Cu0-->Cu+(1)
Cu+-->Cu2+(2)Cu0-->Cu2+(3)作為對比，如果通過氧化將銅溶解到?jīng)]有氯根的電解液(或具有甚低濃度氯根的電解液)中，氧化就按照以上反應(yīng)式(3)來進行(通過一個步驟進行氧化)。
在該實施例中，使用由固體銅組成的樣品S4。將部分(非常微量)樣品S4粘附到導電金剛石電極的表面上，然后溶解到電解液(具有非常高濃度的氯根)中進行分析。樣品S4的分析結(jié)果由電流特性圖7給出。如圖7所示，可在不同的電位上觀察到三個峰值電流，表示樣品S4由銅組成。
在該實施例中，可以證實，基于本發(fā)明導電金剛石電極的分析系統(tǒng)可測定出固體物質(zhì)，特別是進行多步氧化的固體金屬(如，銅)。
(實施例3)在該實施例中，使用由合金組成的樣品S5，即黃銅(由65％銅和35％鋅組成，Nilaco)。將部分(非常微量)樣品S5粘附到導電金剛石電極的表面上，然后溶解到電解液(具有非常高濃度的氯根)中進行分析。樣品S5的分析結(jié)果由電流特性圖8給出。
如圖8所示，可在電位-0.85、-0.02和0.42V時觀察到三個峰值電流。出現(xiàn)在-0.85V的峰值電流可歸于氧化(Zn/Zn+)溶解到溶液中的粘附物的所含鋅。出現(xiàn)在-0.02和0.42V的峰值電流相互靠近，可能由已經(jīng)歷氧化的粘附物的所含銅產(chǎn)生。這表明，樣品S5由鋅和銅組成。銅產(chǎn)生上述兩個峰值電流的原因可解釋為，Cu+可通過轉(zhuǎn)變成氯化物而穩(wěn)定包含在粘附物中的銅通過兩個步驟進行氧化(Cu0-->Cu+和Cu+-->Cu2+)。
在該實施例中，可以證實，基于本發(fā)明導電金剛石電極的分析系統(tǒng)可測定出固體物質(zhì)，特別是包含各種金屬的合金，如黃銅，而且可分析包含許多金屬的合金、這些金屬組分的相應(yīng)貢獻值、以及相互作用。還發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的分析系統(tǒng)可用于測定包含多步氧化的銅之類金屬作為其組分的合金。
(實施例4)在該實施例中，使用由金屬互化物組成的樣品S6，包括鋅、鎘、鉛、鋁、鈷、鎳和鉻。將部分(非常微量)樣品S6粘附到導電金剛石電極的表面上，然后溶解到電解液中進行分析。樣品S6的分析結(jié)果由電流特性圖9給出。
如圖9所示，在不同電位上有幾個峰值電流。根據(jù)產(chǎn)生峰值電流的電位，可以證實，樣品S6包含鋅、鎘、鉛、鋁、鈷、鎳、銅和鉻。
由此可以證實，基于導電金剛石電極的系統(tǒng)可分析出由許多金屬元素組成的金屬化合物。
(實施例5)在該實施例中，使用樣品S7、S8和S9樣品S7和S8是銀外觀但由銅鎳合金(75％銅和25％鎳)制成的日元硬幣(分別為100日元硬幣和500日元硬幣)；樣品S9是由包含8.33％重量鎳的銅鎳合金制成的25美分硬幣(四分之一美元硬幣)。將部分(非常微量)樣品S7-S9粘附到導電金剛石電極的表面上，然后溶解到電解液中進行分析。樣品S7-S9的分析結(jié)果由電流特性圖10-12給出。
在圖10和11中，峰值電流出現(xiàn)在同一電位上。由此可以證實，樣品S7和S8組成相同。相反，圖12的峰值電流就不同于圖7和8?？梢赃@樣解釋原因，100日元硬幣(或500日元硬幣)具有不同于四分之一美元硬幣的組成，而且這兩種硬幣所采用的制造工藝可以不同。
(實施例6)在該實施例中，使用樣品S10和S11樣品S10是棕色外觀且由青銅(95％銅、3-4％鋅、以及1-2％錫)制成的日元硬幣(10日元硬幣)；樣品S11是由鍍在鋅基材上的銅制成的1美分(10美分硬幣)。將部分(非常微量)樣品S10和S11粘附到導電金剛石電極的表面上，然后溶解到電解液中進行分析。樣品S10和S11的分析結(jié)果由電流特性圖13和14給出。
在圖13和14中，峰值電流出現(xiàn)在不同電位上?？梢赃@樣解釋原因，10日元硬幣具有不同于10美分硬幣的組成，而且這兩種硬幣所采用的制造工藝可以不同。
如實施例5所述，由以上內(nèi)容可以證實，基于導電金剛石電極的系統(tǒng)適用于分析任何硬幣，因此例如可用于鑒別真硬幣與假硬幣。
如上所述，作為本發(fā)明第一方面的基于導電金剛石電極的電化學分析法能夠高度準確和靈敏地分析特別是由惰性金屬和合金制成的測試物體。此外，由于這種系統(tǒng)在分析時只需要非常少量(納克級)的測試物體，因此可保持原測試物體基本上原封不動(非破壞性分析)。
用于本發(fā)明分析系統(tǒng)的導電金剛石電極并不局限于任何特定形式，或者可根據(jù)需要采取任何形式，只要它適用于通過摩擦而獲取部分測試物體。
使用摻硼金剛石電極的分析系統(tǒng)的電離金屬分析使用如圖1所示的分析系統(tǒng)，其中常規(guī)的活性電極已被替換為本發(fā)明的摻硼金剛石電極。該系統(tǒng)適用于在溶液中分析電化學活性測試對象。分析包括使用導電金剛石電極作為活性電極，將活性電極和反電極放在包含測試對象的溶液中，然后將活性電極的電位由原值掃描至負值，這樣電化學活性測試對象就電鍍到活性電極的表面上。然后，將活性電極的電位逐步掃描至正值，這樣電鍍測試對象就溶解到溶液中，同時檢測響應(yīng)電位階躍的電離變化以分析該電化學活性測試對象。
(實施例7)在該實施例中，使用樣品S12，在0.2M乙酸鹽緩沖劑(pH值為5)中的1×10-6M Pb(NO3)2。分析過程包括將導電金剛石電極的電位掃描至負值(相對參比電極)，然后在-1.0V下保持電位2分鐘，這樣將樣品溶液S12中的Pb離子(Pb2+)電鍍到導電金剛石電極的表面上，在此產(chǎn)生Pb沉積物。
然后，以100mV/s的掃描速率通過一系列脈沖(高度為100mV，在100ms內(nèi)的持續(xù)時間為50ms)，將導電金剛石電極的電位逐步轉(zhuǎn)變至正值一側(cè)，這樣可將沉積在金剛石電極上的測試對象溶解到溶液中，同時檢測響應(yīng)電位階躍的電流變化。
分析結(jié)果在電流特性圖15中給出。如圖15所示，得到一明顯峰，且得到峰值電流時的電位讀數(shù)表明，樣品電解液S12包含Pb離子。
(實施例8)在該實施例中，將不同量的Pb(NO3)2溶解在0.2M乙酸鹽緩沖劑(pH值為5)中，制備出樣品S13-17在0.2乙酸鹽緩沖劑(pH值為5)中，S13包含2.0×10-6M Pb(NO3)2、S14包含1.6×10-6M Pb(NO3)2、S15包含1.2×10-6M Pb(NO3)2、S16包含0.8×10-6M Pb(NO3)2、S17包含0.4×10-6M Pb(NO3)2。
分析過程包括將導電金剛石電極的電位掃描至負值(相對參比電極)，然后在-1.0V下保持電位5分鐘，這樣將樣品溶液中的Pb離子(Pb2+)電鍍到導電金剛石電極的表面上，在此產(chǎn)生Pb沉積物。
然后，以100mV/s的掃描速率通過一系列脈沖(高度為100mV，在10Oms內(nèi)的持續(xù)時間為50ms)，將導電金剛石電極的電位逐步轉(zhuǎn)變至正值一側(cè)，這樣可將沉積在金剛石電極上的測試對象溶解到溶液中，同時檢測響應(yīng)電位階躍的電流變化。
分析結(jié)果在電流特性圖16中給出。如圖16所示，得到明顯的電流峰，表示樣品電解液S13-S17中的Pb離子。
圖17給出了在校正出現(xiàn)在各峰值電流(S13-S17)時的背景電流之后的標準計量-響應(yīng)曲線。由圖17的標準計量-響應(yīng)曲線可以證實，峰值電流(S13-S17)的高度與Pb(NO3)2在樣品溶液中的濃度成正比增加。
(實施例9)在該實施例中，使用樣品S18，在0.2M乙酸鹽緩沖劑(pH值為5)中的1×10-6M Cd(NO3)2。按照以上實施例7的相同方式進行分析。分析結(jié)果在電流特性圖18中給出。如圖18所示，得到一明顯峰，且得到峰值電流時的電位讀數(shù)表明，樣品電解液S18包含Cd離子(Cd2+)。
(實施例10)在該實施例中，將不同量的Cd(NO3)2溶解在0.2乙酸鹽緩沖劑(pH值為5)中，制備出樣品S19-23在0.2M乙酸鹽緩沖劑(pH值為5)中，S19包含2.0×10-6M Cd(NO3)2、S20包含1.6×10-6M Cd(NO3)2、S21包含1.2×10-6M Cd(NO3)2、S22包含0.8×10-6M Cd(NO3)2、S23包含0.4×10-6M Cd(NO3)2。按照以上實施例8的相同方式進行分析。分析結(jié)果在電流特性圖19中給出。如圖19所示，得到明顯的峰值電流，表示樣品電解液S13-S17中的Cd離子。
圖20給出了在校正出現(xiàn)在各峰值電流(S19-S23)時的背景電流之后的標準計量-響應(yīng)曲線。由圖20的計量-響應(yīng)曲線可以證實，峰值電流(S19-S23)的高度與Cd(NO3)2在樣品溶液中的濃度成正比增加。
(實施例11)在該實施例中，使用樣品S24，在0.2M乙酸鹽緩沖劑(pH值為5)中的1×10-6M Zn(NO3)2。分析過程包括將導電金剛石電極的電位掃描至負值(相對參比電極)，然后在-1.3V下保持電位10分鐘，這樣將樣品溶液中的Pb離子電鍍到導電金剛石電極的表面上，在此產(chǎn)生Zn沉積物。
然后，以100mV/s的掃描速率通過一系列脈沖(高度為100mV，在100ms內(nèi)的持續(xù)時間為50ms)，將導電金剛石電極的電位逐步轉(zhuǎn)變至正值，這樣可將沉積在金剛石電極上的測試對象溶解到溶液中，同時檢測響應(yīng)電位階躍的電流變化。
分析結(jié)果在電流特性圖21中給出。如圖21所示，得到一明顯峰，表示樣品電解液S24中的Zn離子。
(實施例12)在該實施例中，使用樣品S25，在王水(由0.1MHCl與0.3MHNO3組成)中的1×10-6M HAuCl4。分析過程包括將導電金剛石電極的電位掃描至負值(相對參比電極)，然后在-1.0V下保持電位600秒，這樣將樣品溶液中的Au離子電鍍到導電金剛石電極的表面上，在此產(chǎn)生Au沉積物。
然后，以100mV/s的掃描速率通過一系列脈沖(高度為100mV，在100ms內(nèi)的持續(xù)時間為50ms)，將導電金剛石電極的電位逐步轉(zhuǎn)變至正電位，這樣可將沉積在金剛石電極上的測試對象溶解到溶液中，同時檢測響應(yīng)電位階躍的電流變化。
分析結(jié)果在電流特性圖22中給出。如圖22所示，得到明顯的電流峰，且得到峰值電流時的電位讀數(shù)表明樣品電解液S25包含Au離子。
(實施例13)目前，城市配水局(Metropolitan Water Distribution Bureau)將自來水所含Pb離子濃度限制在2.4×10-7M(50微克/升)或更低，而美國West Virginia的城市配水局則將該值限制在1.8×10-7M(37.9微克/升)或更低。一般來說，ICP或原子吸收光譜可以測定出數(shù)量級為10-7M的自來水中Pb離子濃度。但該方法需要高成本和時間。
為了檢查本發(fā)明系統(tǒng)是否可用于分析甚低濃度的Pb離子，在該實施例中使用了樣品S26，在0.1MKCl(pH值為1)中的1×10-9MPb(NO3)2。分析過程包括將導電金剛石電極的電位掃描至負值(相對參比電極)，然后在-1.0V下保持電位15分鐘，這樣將樣品溶液中的Pb離子電鍍到導電金剛石電極的表面上，在此產(chǎn)生Pb沉積物。
然后，以200mV/s的掃描速率通過一系列脈沖(高度為100mV，在100ms內(nèi)的持續(xù)時間為50ms)，將導電金剛石電極的電位逐步轉(zhuǎn)變至正值一側(cè)，這樣可將沉積在金剛石電極上的測試對象溶解到溶液中，同時檢測響應(yīng)電位階躍的電流變化。
分析結(jié)果在電流特性圖23中給出。如圖23所示，得到一明顯峰，表示溶液中的Pb離子。由此可以證實，本發(fā)明系統(tǒng)容易以低成本分析出Pb離子，即使Pb離子以甚低濃度存在于電解液中(或例如，在自來水中)。
(實施例14)在該實施例中，使用樣品S27，在0.1M KCl(pH值為1)中的5×10-7M Cd和Pb離子，其pH值已通過加入HCl調(diào)節(jié)至pH值1。按照以上實施例8的相同方式進行分析。分析結(jié)果在電流特性圖24中給出。
如圖24所示，在不同電位上觀察到兩個明顯的電流峰，且得到峰值電流時的電位讀數(shù)表明，樣品電解液S27包含Cd和Pb離子。由此可以證實，即使樣品溶液包含多種金屬離子，本發(fā)明系統(tǒng)也能夠?qū)⑦@些金屬離子相互分開測定。
(實施例15)
在該實施例中，使用樣品S28，在0.2M乙酸鹽緩沖液(pH值為5)中的1×10-6M Cu(NO3)2。按照以上實施例7的相同方式進行分析。分析結(jié)果在電流特性圖25中給出。如圖25所示，得到一明顯峰，且得到峰值電流時的電位讀數(shù)表明，樣品電解液S28包含Cu離子。
(實施例16)在該實施例中，將不同量的Cu(NO3)2溶解在0.2M乙酸鹽緩沖劑(pH值為5)中，制備出樣品S29-S33在緩沖劑中，S29包含2.0×10-6MCu(NO3)2、S30包含1.6×10-6MCu(NO3)2、S31包含1.2×10-6MCu(NO3)2、S32包含0.8×10-6M Cu(NO3)2、S33包含0.4×10-6M Cu(NO3)2。按照以上實施例8的相同方式進行分析。分析結(jié)果在電流特性圖26中給出。如圖26所示，得到明顯的峰值電流，表示樣品電解液S29-S33中的Cu離子。
圖27給出了在校正出現(xiàn)在各峰值電流(S29-S33)時的背景電流之后的標準計量-響應(yīng)曲線。由圖27的計量-響應(yīng)曲線可以證實，峰值電流(S29-S33)的高度與Cu(NO3)2在樣品溶液中的濃度成正比增加。
在圖25和26所示的分析結(jié)果中，溶液中的Cu離子只得到一個峰值電流。但如果樣品溶液中的銅溶解在具有高濃度氯根(高濃度氯離子)的電解液中，那么Cu+就通過轉(zhuǎn)變成氯化物而逐步穩(wěn)定。因此，Cu可按照以下反應(yīng)式(1)-(3)表示的復雜方式進行氧化，Cu0-->Cu+(1)Cu+-->Cu2+(2)Cu0-->Cu2+(3)因此產(chǎn)生三個不同的峰值電流。
由此可以證實，只要注意電解液的性質(zhì)，本發(fā)明系統(tǒng)可分析電解液中能進行多步氧化的金屬離子如Cu離子。
(實施例17)在該實施例中，使用樣品S34，在0.1M KCl中包含2×10-7M Zn、Cd、Pb和Cu離子，其pH值已通過加入HNO3調(diào)節(jié)至pH值1。分析過程包括將導電金剛石電極的電位掃描至負值(相對參比電極)，然后在-1.2V下保持電位300秒，這樣將樣品溶液中的Zn、Cd、Pb和Cu離子電鍍到導電金剛石電極的表面上，在此產(chǎn)生Zn、Cd、Pb和Cu沉積物。
然后，以200mV/s的掃描速率通過一系列脈沖(高度為100mV，在100ms內(nèi)的持續(xù)時間為50ms)，將導電金剛石電極的電位逐步轉(zhuǎn)變至正值一側(cè)，這樣可將沉積在金剛石電極上的測試對象溶解到溶液中，同時檢測響應(yīng)電位階躍的電流變化。
分析結(jié)果在電流特性圖28中給出。如圖28所示，在不同電位上可觀察到幾個電流峰，且得到電流峰時的電位讀數(shù)表明，樣品電解液S34包含Zn、Cd、Pb和Cu離子。
可以進一步證實，還可只分析溶液中的金屬離子，即，當金剛石電極的電位掃描至負值時，將電位限制在某個范圍內(nèi)進行轉(zhuǎn)變，這樣可將沉積在金剛石電極上的化學物質(zhì)僅限制為溶液中的金屬離子。
如上所述，表示本發(fā)明第二方面的基于導電金剛石電極的電化學分析法可用于分析具有較寬氧化電位范圍的電化學活性測試對象。這種分析法可非常準確和靈敏地分析(如，聯(lián)機監(jiān)控)包含在溶液(如，污水或飲用水)中的電化學活性物質(zhì)。
與使用碳傳感器作為活性電極的常規(guī)分析法相比，該實施方案的分析法可分析出在電解液中濃度甚低的電化學活性物質(zhì)。
通過調(diào)整分析條件，該實施方案的分析法還可如實施例16所述用于分析Cu離子之類的電化學活性物質(zhì)，這些活性物質(zhì)非常難以進行簡單分析。還可將分析局限于溶液中的目標電化學活性物質(zhì)。
該實施方案的分析法還可用于分析具有較高氧化電位的金屬離子(如，Au離子)。
在以上實施方案中，僅分析了溶液中的一種或多種金屬。但本發(fā)明分析法顯然可用于分析包含在溶液(如，農(nóng)用化學品、環(huán)境激素等)中的各種電化學活性物質(zhì)。此外，用于本發(fā)明分析系統(tǒng)的導電金剛石電極并不局限于任何特定形式，或可根據(jù)需要采用任何形式。
金剛石電極的陽極氧化導電金剛石涂覆電極的陽極氧化過程包括將金剛石電極放在0.1MKOH溶液中，然后施加2.4V(相對SCE)的電壓75分鐘。在此操作中，如果需要，以0.1V/秒的速率三次經(jīng)過0.1M KOH溶液掃描電壓，由+4V至-4V(相對SCE)，然后將電壓保持在4V下1分鐘。在以上實施方案中，使用了0.1M的KOH。但它可以替換成0.1M的H2SO4溶液或HClO4，或能夠在金剛石表面上進行陽極氧化的任何其它溶液(例如，HNO3、HCl或堿性溶液如NaOH)。
使用摻硼金剛石電極的流動池基分析系統(tǒng)的有機物質(zhì)分析圖29給出了表示本發(fā)明一個實施方案的電化學分析系統(tǒng)，其中帶有采用導電金剛石電極的流動池。在該圖中，11表示用于儲存緩沖劑的緩沖劑罐；12是用于液相色譜的泵；且緩沖劑罐11與泵12構(gòu)成一個緩沖劑引導裝置。注射閥13用于將樣品注射到包括反電極、活性電極和參比電極15、16和17的流動池14中。恒電位儀18用于控制/檢測由電極發(fā)出的信號，分析裝置19(個人計算機或類似裝置)根據(jù)這些信號進行各種分析。這兩個裝置18和19構(gòu)成一個分析裝置20。
對于具有上述配置的分析系統(tǒng)，緩沖劑通過泵12由緩沖劑罐11轉(zhuǎn)移至流動池14，同時測試對象通過閥13注射到流動池14中。這樣可將包含測試對象和緩沖劑的樣品溶液導向流動池14。對樣品各組分的分析包括在流動池14中的活性電極16與反電極15之間施加電壓，然后通過分析裝置20處理由此產(chǎn)生的信號。分析測試對象結(jié)束之后，處理樣品溶液；清洗整個系統(tǒng)；將下一測試對象加入系統(tǒng)中進行重新分析，然后重復進行分析，直到完全分析該系列的測試對象。
(實施例18)通過注射閥13，在1分鐘間隔內(nèi)，將分別包含20微升10μM二氫煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)(在0.1M磷酸鹽緩沖劑中)的樣品傳輸?shù)搅鲃映?4中；然后測量每次注射時的電流變化。然后，如圖30所示，每次注射可得到相同的電流特性，包括樣品在進入流動池時的峰值電流、以及隨后去除樣品時的下降值。
由此可以證實，這種具有注射閥的電化學分析系統(tǒng)可精確地分析通過閥13重復注射的樣品。
在分析過程中，電位階躍設(shè)定為600mV(相對Ag/AgCl)，且流速為1毫升/分鐘。
(實施例19)在同一分析系統(tǒng)中進行類似分析，其中采用了較低的NADH濃度。
通過注射閥13，在1分鐘間隔內(nèi)，將分別包含20微升1μM、100nM或50nM NADH(在0.1M磷酸鹽緩沖劑中)的樣品傳輸?shù)搅鲃映?4中；然后測量每次注射時的電流變化。然后，如圖31(a)、31(b)和31(c)所示，對于所用的所有濃度，可在樣品進入流動池時得到一峰值電流。
如上在分析過程中，電位階躍設(shè)定為600mV(相對Ag/AgCl)，且流速為1毫升/分鐘。
由此可以證實，該系統(tǒng)可精確地分析即使包含非常少量測試對象的樣品。
從圖30和31還可顯然看出，對于這種基于采用導電金剛石電極的流動池的系統(tǒng)，不會與以前樣品發(fā)生交叉污染，而且同一樣品在重復分析時可得到相同的結(jié)果。這可能由于，導電金剛石電極的表面非常穩(wěn)定，可以防止測試對象粘附其上。即，測試對象在每次測量之后就完全離開流動池，不會粘附在電極表面上，這表明，導電金剛石電極特別適合基于流動池的本發(fā)明系統(tǒng)進行連續(xù)分析。
(實施例20)在泵12的控制下，將20微升100μM NADH(在0.1M磷酸鹽緩沖劑中，pH值為7.2)注射到本發(fā)明分析系統(tǒng)中，然后得到電流與電壓的相互關(guān)系(伏安圖)。
在該分析過程中，流速設(shè)定為1毫升/分鐘。
結(jié)果得到如圖32給出的曲線圖A。由曲線圖A可以證實，電流在600mV(相對Ag/AgCl)時基本上飽和。
同一圖中的曲線圖B表示僅將磷酸鹽緩沖劑流入分析系統(tǒng)時所得到的伏安圖。
由圖32的結(jié)果可以證實該系統(tǒng)可分析NADH，而且從僅將磷酸鹽緩沖劑流入該系統(tǒng)中的試驗可以看出，導電金剛石電極可得到非常低的背景電流。
一般來說，對基于流動池的分析系統(tǒng)來說，脈動可對分析結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。但由圖32的結(jié)果可以看出，導電金剛石電極可產(chǎn)生非常低的背景電流，因此使用這種導電金剛石電極的本發(fā)明系統(tǒng)就不大受脈動的影響，這樣可相對常規(guī)流動池基系統(tǒng)更加精確地進行分析。
(實施例21)將使用導電金剛石電極作為活性電極的本發(fā)明分析系統(tǒng)與其它方面類似只是使用玻璃碳電極作為活性電極的常規(guī)系統(tǒng)進行比較。
使用的樣品是在0.1M磷酸鹽緩沖劑(pH值為7)中的100μM組胺。
圖33給出了這兩種分析的線性掃描伏安圖(電流與電位之間的相互關(guān)系)。由此可以看出，與使用玻璃碳電極的常規(guī)系統(tǒng)相比，使用導電金剛石電極的本發(fā)明分析系統(tǒng)可將背景電流有效地抑制至較高電位例如，在1300mV(相對SCE)下的背景電流低很多，因此電位范圍更寬。
在另一操作中，使用500μM組胺，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過導電金剛石電極(即便該電極不經(jīng)歷陽極氧化)所得的信號/噪音(S/B)比率高達常規(guī)玻璃碳電極的10倍。
(實施例22)使用基于導電金剛石電極的本發(fā)明流動池系統(tǒng)，連續(xù)分析組胺。在1分鐘間隔內(nèi)，將分別包含20微升100μM組胺(在磷酸鹽緩沖劑中)的樣品傳輸?shù)搅鲃映?4中；電壓設(shè)定為1.3V(相對Ag/AgCl)；流速為0.5毫升/分鐘。結(jié)果在圖34中給出。
由圖34的結(jié)果可以看出，每次注射組胺可重現(xiàn)峰值電流，這表明可保證組胺的分析。
即，由這些結(jié)果可以看出，引入本發(fā)明分析系統(tǒng)中的導電金剛石電極對組胺的連續(xù)分析非常有效。
(實施例23)在本發(fā)明分析系統(tǒng)中進行類似分析，其中采用了較低濃度的組胺。
通過注射閥13，在1分鐘間隔內(nèi)，將分別包含20微升10、20和50μM組胺(在0.1M磷酸鹽緩沖劑中)的樣品傳輸?shù)搅鲃映?4中；然后測量每次注射的電流變化。然后，如圖35(a)所示，對于所有的濃度，在樣品進入流動池時出現(xiàn)峰值電流。
在該分析過程中，電位階躍設(shè)定為1275mV(相對Ag/AgCl)；流速為1毫升/分鐘。
在另一操作中，在如上相同條件下分析100μM組胺，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，歸于組胺的峰值電流為437.096nA。
圖35(b)給出了峰值電流與組胺濃度的關(guān)系，通過圖35(a)所示第一次操作的結(jié)果以及這次操作的結(jié)果而得到。由此可以看出，峰值電流與組胺濃度成比例，而且該系統(tǒng)可精確地分析甚低濃度的組胺。
(實施例24)測定在0.5M硫酸水溶液中使用導電金剛石電極、玻璃碳電極、鉑電極和金電極所得到的電位范圍進行比較，結(jié)果在圖36中給出。由此可以看出，通過導電金剛石電極所得到的電位范圍明顯比通過玻璃碳電極、鉑電極或金電極所得到的范圍要寬。
測定每種測試電極在電位范圍內(nèi)的殘余電流(用于充電雙層的電流)密度。通過金剛石電極得到的殘余電流密度是幾十至幾百個nA/cm2，而其它電極的相應(yīng)密度為約幾個μA/cm2前者遠低于后者。
此外，導電金剛石電極對氧化劑或還原劑響應(yīng)良好，而且電流密度由于氧化或還原的增加值與金屬電極一樣高。
(實施例25)將該導電金剛石電極陽極氧化，然后將該電極安裝在本發(fā)明分析系統(tǒng)的流動池中。使用該系統(tǒng)進行如上的相同分析，由結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)在某些種類分析中與前述系統(tǒng)一樣有效或更加有效。
還可看出，比起使用簡單導電金剛石電極的在其它方面類似的分析系統(tǒng)，使用陽極氧化金剛石電極的分析系統(tǒng)在結(jié)合使用液相色譜裝置時可得到較好的結(jié)果。
從以上可以看出，使用導電金剛石電極的流動池基分析系統(tǒng)即使在連續(xù)分析時也可抑制樣品間的交叉污染，得到甚低的背景電流，而且特別不受脈動的影響。這是因為，金剛石電極與常用作傳感器電極的材料相比具有較寬的電位范圍。
特別是，采用陽極氧化金剛石電極的流動池基分析系統(tǒng)在結(jié)合使用液相色譜裝置時可有效地連續(xù)分析各種活性物質(zhì)。
采用陽極氧化金剛石電極的分析系統(tǒng)的尿酸分析采用導電金剛石電極的前述分析系統(tǒng)在分析尿酸時并不有效。這是因為，尿酸通常在生物樣品中伴隨有抗壞血酸。例如，尿酸在尿和血清(血液)中的濃度分別為約2-2.5毫摩爾/升和50-60微升/升。但抗壞血酸的共存濃度為尿酸的約20-30倍。為了適應(yīng)這種狀況，用于尿酸分析的樣品必須在分析前稀釋約100-5000倍，因為這種稀釋可減少樣品的基體效應(yīng)(例如由某些蛋白質(zhì)或其它電化學化學生物物質(zhì)產(chǎn)生的效應(yīng))。
由于尿酸如上所述與抗壞血酸共存，即使帶有導電金剛石電極的尿酸傳感器也難以可靠地獨立于同一樣品中的抗壞血酸來分析尿酸。
因此采用金剛石涂覆電極的尿酸傳感器難以將尿酸與抗壞血酸區(qū)別，因為它們在相同電位下產(chǎn)生電流信號。
本發(fā)明的第四方面是提供采用陽極氧化金剛石涂覆電極的電化學分析法，這種電極能長期穩(wěn)定使用且能夠明確地將尿酸與抗壞血酸區(qū)別開來。
分析過程包括將變化尿酸的溶液取作樣品；將已經(jīng)歷陽極氧化的金剛石涂覆電極與反電極一起浸漬在溶液中；以恒定的掃描速率施加電壓；然后從表示陽極氧化金剛石電極所產(chǎn)生的電信號變化的曲線中，選擇性地檢測尿酸的貢獻值。
包含尿酸的溶液可以是酸性的，其pH值優(yōu)選小于2.7，更優(yōu)選接近pH值1。該溶液的pH值可根據(jù)需要具有較低的測定極限，這樣就不會破壞用于分析的設(shè)備。此外，包含尿酸的溶液可以是堿性的，即使用KOH或NaOH作為堿性試劑。
尿酸傳感器圖37給出了尿酸傳感器的輪廓。該傳感器包括用于接收樣品溶液32的池體30的腔31，且具有活性電極33(以下描述其組成)、以及在腔31內(nèi)浸漬在樣品溶液32中的參比電極和反電極34和35?；钚噪姌O33制備如下在硅氧烷基材33a上形成陽極氧化金剛石電極33b；將硅氧烷基材33固定到連接基材33c上；然后將連接基材33c拴緊在管33d上；然后用環(huán)氧樹脂33e涂覆硅氧烷基材33a、金剛石電極33b、連接基材33c和管33d的頭部進行固定。
制備時必需注意，不要將環(huán)氧樹脂33e涂覆到與樣品溶液32接觸的那部分金剛石電極33b表面上。將鉛線36與金剛石電極33b連接，然后經(jīng)過管33d出來。該池體的形狀象一個盒，且用蓋37密封。
采用尿酸傳感器的尿酸分析系統(tǒng)圖38是說明采用尿酸傳感器的尿酸分析系統(tǒng)的輪廓圖。與圖37所示尿酸傳感器相同的部件采用同一符號來表示。在圖38中，41表示尿酸傳感器體，如圖37所述，而且在構(gòu)成尿酸傳感器體41的池體30的腔31中，放置有包含尿酸的樣品溶液32。尿酸傳感器體41配有活性電極33、參比電極34和反電極35，而且電極33、34和35分別將鉛線36、43和44送出。鉛線36、43和44導向信號控制/檢測部分45，即恒電位儀。信號控制/檢測部分45將通過電極接收的點信號轉(zhuǎn)移到分析裝置46，即計算機，分析出樣品中的目標物質(zhì)或在這種情況下的尿酸。
(實施例26)圖39給出了在將陽極氧化金剛石電極用于分析包含抗壞血酸以及尿酸的樣品時所得到的示差脈沖伏安圖(DPV)。
在DPV中，電位的絕對高度(Ei，n)有變化，而電位脈沖的增量高度(ΔE＝|Ei，n-Es，n|)則保持恒定，如圖40所示。通常，電位脈沖的增量高度保持在10-100mV，簡短電解時間Δt為5-100ms，且等待時間為0.5-180秒。此外，電流密度在以下兩點測定ts1或剛進入電位階躍時、和ts2或剛離開電位階躍時。這兩點之間的電流密度差值Δi遵循為電位階躍高度的函數(shù)，然后得到如圖41所示的跡線。如此所得電流-電位曲線稱作DPV。
在圖39的圖中，歸于尿酸(UA)的峰尖銳且明顯，而歸于抗壞血酸(AA)的峰則寬且不明顯。由此顯然可以看出，在使用陽極氧化金剛石電極時，可以明確地檢測尿酸。
(1)圖39的結(jié)果得自除了50μM尿酸還加入了高濃度抗壞血酸的樣品。
(2)可用于實際測量的尿酸分析法必須能夠檢測非常少量樣品中的尿酸。
(3)因此，將本發(fā)明方法用于檢測非常少量樣品中的尿酸。
(實施例27)圖42是通過電位階躍計時電流法(PSCA)，使用陽極氧化金剛石電極，得自非常少量樣品的響應(yīng)特性圖。由該圖顯然看出，使用陽極氧化金剛石電極可明確地檢測尿酸，即使尿酸以甚低濃度存在于非常少量的樣品中。例如，這種陽極氧化金剛石電極可在5μM抗壞血酸的存在下檢測出50nM的尿酸(抗壞血酸的濃度是尿酸濃度的100倍)。PSCA是一種觀察電位階躍的電流-時間響應(yīng)的方法將電位由外部電路施加到保持平衡的電極系統(tǒng)中；打破其中的平衡，產(chǎn)生電解電流；電流隨著時間而消失，在不確定的較長時間內(nèi)達到0，得到在時間內(nèi)響應(yīng)電位階躍的電流跡線。
在圖42中，曲線a表示0.1M HClO4溶液的測量結(jié)果，曲線b來自5μM AA+0.1M HClO4，曲線c來自5μM AA+50nM UA+0.1M HClO4。電位階躍為0V-0.92V(相對SCE)。0.92V(相對SCE)的電位階躍來自UA的峰，可從圖45中的數(shù)據(jù)加以證實。取樣時間為500ms。
圖43是通過PSCA所得到的背景電流的響應(yīng)特性圖。測試條件與圖42的相同。數(shù)據(jù)a、b和c之間基本上沒有差別，表明測試的可靠性。
根據(jù)如上所述表明測試可靠性的圖43數(shù)據(jù)，得到了如圖44所示的標準計量-響應(yīng)圖。在這些計量-響應(yīng)圖中，實線表示樣品不含抗壞血酸時的結(jié)果；間斷線表示樣品除了尿酸還包含1μM抗壞血酸時的結(jié)果，點劃線表示樣品除了尿酸還包含5μM抗壞血酸時的結(jié)果。由這些計量-響應(yīng)圖可以看出，本發(fā)明方法可檢測低至約0.7nM的尿酸。
通過這些試驗還可看出，陽極氧化金剛石電極可長期穩(wěn)定使用。因此，如上制備的金剛石涂覆電極可以可靠且穩(wěn)定地用于生物樣品中尿酸的例行分析。表1列出了實際用于以上實驗的生物樣品(尿樣品)中的尿酸的濃度。在該表中、A、B、C、E、F和G列出了尿酸在來自男人的尿樣品中的濃度，而D和H來自女人尿樣品。從表中的濃度數(shù)據(jù)可清楚地看出，所討論的電極可用于分析生物樣品中的尿酸。
表1
(實施例28)在分析另外包含或多或少抗壞血酸的樣品中的尿酸的有效性方面，將使用陽極氧化金剛石電極的分析系統(tǒng)與其它方面類似但使用簡單導電金剛石電極的系統(tǒng)進行比較。
在該實施例中，將包含0.2mM尿酸和1mM抗壞血酸的混合物溶解在0.1M HClO4中，得到一種樣品溶液。圖45給出了表示分析結(jié)果的循環(huán)伏安圖。在圖45中，間斷線表示帶有簡單導電金剛石電極的系統(tǒng)所得到的結(jié)果，而實線表示帶有陽極氧化金剛石電極的系統(tǒng)所得到的結(jié)果。電位掃描速率保持在100mV/s。圖45的實線跡線可清楚地表明，使用陽極氧化金剛石電極可將尿酸與抗壞血酸明顯區(qū)分。
(實施例29)這樣進行類似比較使用帶有簡單導電金剛石電極的系統(tǒng)來分析包含尿酸或抗壞血酸的樣品，取出電極進行陽極氧化，使用現(xiàn)包括陽極氧化金剛石電極的同一系統(tǒng)來分析同一樣品，然后將這兩次分析的結(jié)果進行比較。測試溶液包含50μM UA(在0.1M HClO4中，圖46)或50μMAA(在0.1M HClO4中，圖47)。電位掃描速率保持在10mV/s。
圖46A給出了僅包含尿酸的樣品在金剛石電極接受陽極氧化之前所得到的分析結(jié)果，而圖46B則給出了在金剛石電極接受陽極氧化之后所得到的分析結(jié)果。圖47A和47B給出了類似結(jié)果，只是使用僅包含抗壞血酸的樣品進行分析。
參考圖46A，簡單金剛石電極當然可得到一峰。但陽極氧化之后的同一電極可得到更高的峰，可以更確定地進行檢測。在分析抗壞血酸時，簡單金剛石電極可在0.68V的Ep(如圖47A所示)上產(chǎn)生明顯的電流峰，而接受陽極氧化之后的同一電極則沒有任何確定的峰。因此，如果使用陽極氧化金剛石電極，可將尿酸與抗壞血酸清楚地區(qū)別開來。
在圖46A和47A中，UA和AA產(chǎn)生明顯的峰，但這些峰都出現(xiàn)在同一電壓0.7V(相對SCE)上，相互重疊。因此，如果使用包含AA和UA的樣品進行分析，就難以將樣品中的UA與AA進行區(qū)分，或者在樣品非常少量時不可能區(qū)別這兩者。另一方面，如果替換使用陽極氧化金剛石電極，圖46B和47B所給出的結(jié)果、產(chǎn)生歸于UA和AA的峰值電流的電壓就相互轉(zhuǎn)移。特別是，陽極氧化金剛石電極如圖48B所示并不產(chǎn)生抗壞血酸的確定峰，而簡單金剛石電極則相反，如圖47A所示，它在相同條件下產(chǎn)生一峰(在0.7V時，相對SCE)。還發(fā)現(xiàn)，陽極氧化可將出現(xiàn)峰值電流時的電位轉(zhuǎn)移至1.15V(相對SCE)。
從以上結(jié)果可以看出，使用陽極氧化金剛石電極即使在分析包含AA和UA的樣品時也可獨立于AA而測定出UA的濃度。
(實施例30)在該實施例中，為了查看產(chǎn)生歸于尿酸和抗壞血酸的電流峰的電壓Ep如何隨著pH值而變化，取包含UA和AA的溶液，改變其pH值，這時產(chǎn)生歸于尿酸和抗壞血酸的電流峰的電壓Ep遵循DPV。參考圖48對結(jié)果進行描述。從圖48的結(jié)果可以看出，實際上對于pH值小于7的所有酸性范圍，特別是對于pH值小于2.70的范圍，可以將尿酸和抗壞血酸加以區(qū)分，產(chǎn)生歸于尿酸和抗壞血酸的電流峰的Ep通過降低pH值而相互分開。因此可以說，為了分析尿酸，樣品溶液優(yōu)選應(yīng)該是酸性的，特別是在pH值低于2.70時，可以更完美地將尿酸與抗壞血酸區(qū)分。此外，樣品應(yīng)該優(yōu)選pH值小于或等于2，最優(yōu)選pH值等于1，因為這時尿酸和抗壞血酸可在分析時更清楚地分開。pH值的下限可根據(jù)需要來確定，注意不要破壞暴露于如此強酸性溶液的測量裝置。
采用陽極氧化金剛石電極的流動池基尿酸分析系統(tǒng)制備出基本上與圖29所示流動池基分析系統(tǒng)相同的流動池基尿酸分析系統(tǒng)，只是它使用陽極氧化金剛石電極作為活性電極而不是簡單的導電金剛石電極。
(實施例31)使用這種基于流動注射的分析系統(tǒng)來分析包含尿酸和抗壞血酸的多個樣品，得到圖49所示的結(jié)果。由此可以看出，該分析系統(tǒng)可有效地在連續(xù)流動注射的樣品中根據(jù)歸于UA和AA的峰值電流強度將它們分開測定。測量條件如下流動池的容積為20微升；流動相是流速1毫升/分鐘的0.1M HClO4(pH值為0.9)；注射500nM UA或1μM AA；電位階躍設(shè)定在+0.93V(相對Ag/AgCl)。結(jié)果如圖49所示，尿酸和抗壞血酸所產(chǎn)生的電流峰都明顯不同于空白時所得到的電流峰。通過這種分析可以看出，在處于pH值小于1的范圍內(nèi)的pH值＝0.9下，這種帶有陽極氧化金剛石電極的流動注射分析系統(tǒng)甚至可在連續(xù)分析中分開測定尿酸和抗壞血酸。
如上所述，按照本發(fā)明接受陽極氧化的金剛石涂覆電極可在同一樣品中將尿酸與抗壞血酸清楚地區(qū)分，可長期溫度分析，而且還可檢測甚低濃度的尿酸。此外，人們?nèi)菀赚F(xiàn)場測定樣品的尿酸濃度，而無論是否是本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員。
本申請基于以下8個日本專利申請(1)申請?zhí)?000-64360，2000年3月9日遞交；(2)申請?zhí)朒11(1999)-149143，1999年5月28日遞交；(3)申請?zhí)朒11(1999)-184525，1999年6月30日遞交；(4)申請?zhí)朒11(1999)-195173，1999年7月9日遞交；(5)申請?zhí)朒11(1999)-201088，1999年7月15日遞交；(6)申請?zhí)朒11(1999)-153506，1999年6月1日遞交；(7)申請?zhí)朒11(1999)-233456，1999年8月20日遞交；和(8)申請?zhí)朒11(1999)-204394，1999年7月19日遞交。這8個日本專利申請在此都作為參考并入本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.采用導電金剛石電極的電化學分析法，包括通過將測試物體的表面摩擦導電金剛石電極的表面，將部分測試物體轉(zhuǎn)移到導電金剛石電極的表面上；將導電金剛石電極浸漬在電解液中；將導電金剛石電極的電位由負值改變?yōu)檎?，這樣可將轉(zhuǎn)移測試物體溶解到溶液中；然后檢測響應(yīng)電位變化的電流變化，這樣可分析出測試物體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用導電金剛石電極的電化學分析法，其中所述導電金剛石電極是一種摻硼的導電金剛石電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用導電金剛石電極的電化學分析法，其中所述導電金剛石電極的電位通過示差脈沖伏安法經(jīng)歷一個電位階躍，這樣可將轉(zhuǎn)移測試物體溶解到溶液中。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的采用導電金剛石電極的電化學分析法，其中所述導電金剛石電極的電位通過示差脈沖伏安法經(jīng)歷一個電位階躍，這樣可將轉(zhuǎn)移測試物體溶解到溶液中。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的采用導電金剛石電極的電化學分析法，其中所述測試物體是一種金屬或合金。
6.溶液中電化學活性物質(zhì)的分析法，包括使用導電金剛石電極作為活性電極；將該活性電極和反電極放入該溶液中；將活性電極的電位由原電極值掃描至負值，這樣所述電化學活性物質(zhì)就通過電鍍沉積到活性電極的表面上；將活性電極的電位逐步掃描至正值，這樣所沉積的物質(zhì)就溶解到該溶液中；然后同時檢測響應(yīng)電位階躍的電流變化，分析出所述電化學活性物質(zhì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的溶液分析法，其中目標電化學活性物質(zhì)在所述活性電極上的選擇沉積通過將負值限度限制至活性電極電位的掃描限度而實現(xiàn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的溶液分析法，其中所述導電金剛石電極是一種摻硼的導電金剛石電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的溶液分析法，其中所述導電金剛石電極是一種摻硼的導電金剛石電極。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的溶液分析法，其中所述導電金剛石電極的電位經(jīng)歷一個由示差脈沖伏安法驅(qū)動的電位階躍，這樣可將所沉積的物質(zhì)溶解到溶液中。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的溶液分析法，其中所述電化學活性物質(zhì)是一種金屬。
12.用于電化學分析的流動池，其中加入樣品溶液；在活性電極與參比電極之間施加電壓，這樣可分析出樣品溶液；然后處理該樣品溶液；然后重復以上過程進行連續(xù)電化學分析，其特征在于所述活性電極包括導電金剛石電極。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的用于電化學分析的流動池，其中所述導電金剛石電極是一種摻硼的導電金剛石電極。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的用于電化學分析的流動池，其中所述導電金剛石電極接受陽極氧化，該過程包括將所述導電金剛石電極放在酸性或堿性溶液中，然后通入足夠強的電流以使所述導電金剛石電極經(jīng)歷氧化反應(yīng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的用于電化學分析的流動池，其中所述導電金剛石電極接受陽極氧化，該過程包括將所述導電金剛石電極放在酸性或堿性溶液中，然后通入足夠強的電流以使所述導電金剛石電極經(jīng)歷氧化反應(yīng)。
16.電化學分析系統(tǒng)，包括流動池，其中加入樣品溶液；在活性電極與反電極之間施加電壓，這樣可分析出該樣品溶液；處理該樣品溶液；然后重復以上過程以進行連續(xù)電化學分析；和分析裝置，它連接到所述流動池上，并控制/檢測/分析由流動池發(fā)出的信號，該系統(tǒng)的特征在于，用于電化學分析的流動池如權(quán)利要求15所述采用導電金剛石電極作為所述活性電極。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電化學分析系統(tǒng)，它還包括緩沖劑引導裝置，用于將緩沖劑導向所述流動池；和樣品注射閥，用于注射緩沖劑引導裝置與流動池之間的樣品，這樣樣品在通過樣品注射閥注射之后就導向流動池。
18.采用陽極氧化金剛石涂覆電極的尿酸分析法，包括將包含尿酸的溶液取作待測試溶液；將已經(jīng)歷陽極氧化的金剛石涂覆電極與反電極一起浸漬在該溶液中；以恒定的掃描速率施加電壓；然后由表示金剛石涂覆電極所產(chǎn)生的電信號變化的曲線，選擇性地檢測尿酸。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的采用陽極氧化金剛石涂覆電極的尿酸分析法，其中所述測試溶液是酸性的。
20.一種陽極氧化金剛石涂覆電極，通過以下步驟而得到將金剛石涂覆電極放在酸性或堿性的電解溶液中，然后通入足夠量的電流以使所述金剛石涂覆電極經(jīng)歷氧化反應(yīng)，這樣可在該電極上進行陽極氧化。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的陽極氧化金剛石涂覆電極，其中所述酸性溶液包含H2SO4、HClO4、HNO3或HCl。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的金剛石涂覆電極，其中所述堿性溶液包含KOH或NaOH。
23.采用陽極氧化金剛石涂覆電極的尿酸傳感器，包括池體；在池體中形成的腔，用于接收待測試的溶液；已經(jīng)歷陽極氧化的金剛石涂覆電極，用作活性電極；和參比電極和反電極，浸漬在所述腔內(nèi)的測試溶液中，與所述金剛石涂覆電極保持恒定距離。
24.尿酸分析系統(tǒng)，包括尿酸傳感器，在其腔中包括用作活性電極的已經(jīng)歷陽極氧化的金剛石涂覆電極、以及參比電極和反電極；和信號控制/檢測部分，其中將測試溶液加料到所述傳感器的腔中，然后控制/檢測由陽極氧化金剛石涂覆電極、以及參比電極和反電極產(chǎn)生的信號；和分析裝置，用于接收由檢測部分控制/檢測到的信號，分析出所討論的物質(zhì)。
25.流動池基尿酸分析系統(tǒng)，包括用作活性電極的已經(jīng)歷陽極氧化的金剛石涂覆電極；在其腔中包括活性電極、以及參比電極和反電極的流動池；信號控制/檢測部分，這樣可控制/檢測由陽極氧化金剛石涂覆電極、以及參比電極和反電極產(chǎn)生的信號；分析裝置，用于接收由檢測部分控制/檢測到的信號進行分析；和流動注射裝置，包括用于儲存背景溶液的背景溶液罐；用于驅(qū)動背景溶液的泵；具有注射閥的溶液引導裝置，用于在泵壓下將樣品連續(xù)注射到流動池中；和每次測量之后用于流動池內(nèi)容物出料的出口，其中樣品與背景溶液一起通過溶液引導裝置連續(xù)加料到流動池中以連續(xù)分析所討論的物質(zhì)。
全文摘要
提供適于量化固體金屬的電化學分析法,包括使用摻硼金剛石涂覆電極,將導電金剛石電極摩擦測試物體,通過摩擦將部分物體轉(zhuǎn)移到導電電極的表面上,將帶有金屬的導電電極浸漬在電解液中,將導電電極的電位逐漸由負值轉(zhuǎn)變至正值,這樣可將粘附于電極上的物體溶解到電解液中,然后檢測響應(yīng)逐步電位轉(zhuǎn)變的電流變化,分析出測試物體。還提供了特別適用于量化電離金屬的采用導電金剛石電極的電化學分析法以及尿酸分析法電化學分析系統(tǒng)。
文檔編號G01N27/30GK1278063SQ00104989
公開日2000年12月27日 申請日期2000年4月7日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月28日
發(fā)明者藤嶼昭, D·A·特里克, E·普帕, A·馬尼萬南, T·N·勞, B·V·薩拉達 申請人:株式會社明電舍, 藤嶼昭