本發(fā)明涉及分析領(lǐng)域，具體地，本發(fā)明涉及pH傳感器、制備方法以及用途。

背景技術(shù)：

活體內(nèi)氫離子濃度的測(cè)定意義重大，許多生理病理?xiàng)l件都伴隨pH值的變化。檢測(cè)pH值可以為疾病診斷提供標(biāo)記性指標(biāo)，從而可以用來(lái)指導(dǎo)優(yōu)化醫(yī)療方案，也可以用于指示生化和生物進(jìn)程。因此，生物體內(nèi)pH值的活體實(shí)時(shí)分析具有重要的意義。

然而，目前能夠用于活體檢測(cè)的pH傳感器仍有待改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問(wèn)題之一。

本發(fā)明是基于發(fā)明人的下列認(rèn)識(shí)和發(fā)現(xiàn)而完成的：

目前可以用于活體檢測(cè)的pH分析方法以及傳感器均十分有限，發(fā)明人經(jīng)過(guò)深入研究以及大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這主要是由于活體內(nèi)成分復(fù)雜，因此需要pH傳感器具有較高的選擇性以及較好的靈敏度以及較快的響應(yīng)速度。并且，應(yīng)用于活體檢測(cè)的傳感器與普通傳感器相比，對(duì)于生物相容性、電極尺寸、傳感器的穩(wěn)定性也具有較高的要求。而目前的玻璃膜封裝或是基于聚合物玻璃膜的傳感器，則很難滿足上述要求。

在本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提出了一種pH傳感器。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該pH傳感器包括：基體，所述基體為碳纖維；以及氫離子敏感膜層，所述氫離子敏感膜層設(shè)置在所述基體的外表面上。該傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)的至少之一：該傳感器為固態(tài)電極，無(wú)需玻璃膜封裝，且無(wú)電解液，因此避免了在活體檢測(cè)中由于玻璃膜破損或是電解液泄漏而造成傳感器破損以及對(duì)生物體的損傷；采用碳纖維作為基體，利于電極微型化，減少活體檢測(cè)中的創(chuàng)口面積；該傳感器對(duì)氫離子選擇性高、靈敏度好、響應(yīng)迅速。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述氫離子敏感膜層包括氫離子載體、離子交換劑、聚合物基體以及增塑劑。由此，可以進(jìn)一步提高該pH傳感器的使用性能。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述離子交換劑為親脂性離子交換劑；所述氫離子載體包括三月桂胺、4-十九基吡啶、雙十八烷基甲胺以及異煙酸十八烷基酯的至少之一；所述增塑劑包括芳香醚、脂肪醚、羧酸酯以及磷酸酯的至少之一；所述聚合物基體包括聚氯乙烯、丙烯酸聚合物、硅橡膠以及聚氨酯橡膠的至少之一。

具有上述成分的氫離子敏感膜層具有較好的氫離子響應(yīng)性能，且上述成分的生物兼容性較好，在活體內(nèi)穩(wěn)定性強(qiáng)，不會(huì)在活體檢測(cè)中對(duì)生物體造成傷害。

在本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提出了一種制備前面所述的pH傳感器的方法。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該方法包括：(1)提供基體；(2)在所述基體的外表面形成氫離子敏感膜層。上述方法操作簡(jiǎn)單、成本低廉、生產(chǎn)周期短，利于上述pH傳感器的大規(guī)模制備以及推廣。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述氫離子敏感膜層是通過(guò)旋涂以及干燥形成的。由此，可以簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)氫離子敏感膜層的涂覆。

在本發(fā)明的又一方面，本發(fā)明提出了前面所述的pH傳感器在活體檢測(cè)中的應(yīng)用。該傳感器穩(wěn)定性以及生物兼容性好，利于電極微型化，對(duì)氫離子選擇性高、靈敏度好、響應(yīng)迅速，特別適用于活體檢測(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的pH傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的pH傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3顯示了本發(fā)明實(shí)施例1中制備的pH傳感器的電位響應(yīng)曲線圖(a)以及檢測(cè)氫離子的電位E-pH關(guān)系圖(b)；

圖4顯示了本發(fā)明實(shí)施例1中制備的pH傳感器的選擇性測(cè)試結(jié)果；

圖5顯示了本發(fā)明實(shí)施例1中制備的pH傳感器活體檢測(cè)測(cè)試結(jié)果；

圖6顯示了本發(fā)明實(shí)施例1中制備的pH傳感器經(jīng)過(guò)活體檢測(cè)后的穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果。

附圖標(biāo)記：

100：基體；200：氫離子敏感膜層；

1000：檢測(cè)部；1200：電極連接部；1100：傳感器外殼；1300：封裝蓋。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明提出了一種pH傳感器。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，參考圖1，該電極包括：基體100以及氫離子敏感膜層200，其中，基體100為碳纖維。該傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)的至少之一：該傳感器為固態(tài)電極，無(wú)需玻璃膜封裝，且無(wú)電解液，因此避免了在活體檢測(cè)中由于玻璃膜破損或是電解液泄漏而造成傳感器破損以及對(duì)生物體的損傷；采用碳纖維作為基體，利于電極微型化，減少活體檢測(cè)中的創(chuàng)口面積；該傳感器對(duì)氫離子選擇性高、靈敏度好、響應(yīng)迅速。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，采用碳纖維作為基體100，可以利用碳纖維自身的導(dǎo)電性能，實(shí)現(xiàn)該傳感器與外部電路的連接以及傳感信號(hào)的輸出。碳纖維自身具有良好的生物兼容性以及穩(wěn)定性，因此采用碳纖維作為基體100的pH傳感器，在用于活體檢測(cè)時(shí)不會(huì)對(duì)生物體造成損傷，傳感器基體也能夠在生物體復(fù)雜的環(huán)境中穩(wěn)定存在，而不會(huì)影響該pH傳感器的傳感性能。并且，碳纖維具有較細(xì)的直徑，便于通過(guò)較小的創(chuàng)口植入體內(nèi)進(jìn)行pH值的監(jiān)測(cè)。此外，碳纖維還具有良好的力學(xué)性能，因此采用碳纖維作為基體100的pH傳感器，在活體復(fù)雜的環(huán)境中也能夠保持該傳感器的完整。

本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解的是，為了進(jìn)一步提高基體100與氫離子敏感膜200之間的結(jié)合力，可以預(yù)先對(duì)基體100進(jìn)行預(yù)處理。例如，可以利用電化學(xué)方法，對(duì)基體100進(jìn)行活化。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，氫離子敏感膜層200設(shè)置在基體100的外表面。由此，可以簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)氫離子濃度的傳感。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，氫離子敏感膜層200可以包括氫離子載體、離子交換劑、聚合物基體以及增塑劑。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例，離子交換劑可以為親脂性離子交換劑，例如，可以為四(4-氯苯基)硼酸鉀。增塑劑包括芳香醚、脂肪醚、羧酸酯以及磷酸酯的至少之一，可以為雙(2-乙基己基)癸二酸酯。氫離子載體包括三月桂胺、4-十九基吡啶、雙十八烷基甲胺以及異煙酸十八烷基酯的至少之一；聚合物基體包括聚氯乙烯、丙烯酸聚合物、硅橡膠以及聚氨酯橡膠的至少之一。具有上述成分的氫離子敏感膜層具有較好的氫離子響應(yīng)性能，且上述成分的生物兼容性較好，在活體內(nèi)穩(wěn)定性強(qiáng)，不會(huì)在活體檢測(cè)中對(duì)生物體造成傷害。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例，離子敏感膜的組成可以為：基于離子敏感膜的質(zhì)量，含有1wt％的氫離子載體，0.6wt％親脂性離子交換劑，32.8wt％聚合物基體，65.6wt％增塑劑，溶于四氫呋喃。采用上述氫離子敏感膜層200，可以避免在該pH傳感器中引入液態(tài)電解液，從而可以避免液態(tài)電解液泄露而對(duì)生物體造成損害，或是導(dǎo)致pH傳感器失效。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，為了進(jìn)一步方便該pH傳感器的使用以及運(yùn)輸，參考圖2，該pH傳感器還可以具有以下結(jié)構(gòu)：檢測(cè)部1000、電極連接部1200、傳感器外殼1100以及封裝蓋1300。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解的是，雖然具有基體100以及氫離子敏感膜層200的結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)pH傳感器的傳感功能，但由于碳纖維構(gòu)成的基體100的直徑較細(xì)，因此不利于在使用過(guò)程中進(jìn)行電極的連接，也不利用該pH傳感器的運(yùn)輸和保存。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，檢測(cè)部1000是由基體100以及氫離子敏感膜層200構(gòu)成的，可以實(shí)現(xiàn)該pH傳感器的傳感以及信號(hào)輸出功能。電極連接部1200的一端與基體100相連，另一端用于連接外部電極或是檢測(cè)電路。例如，電極連接部可以為導(dǎo)電金屬絲，一端通過(guò)導(dǎo)電膠與覆蓋有氫離子敏感膜層的基體相連，另一端可以用于連接外部電路。傳感器外殼1100套設(shè)在檢測(cè)部1000以及電極連接部1200的外部，用于保護(hù)檢測(cè)部1000。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例，傳感器外殼1100可以為毛細(xì)玻璃管。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解的是，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳感以及電極連接的功能，檢測(cè)部1000不與電極連接部1200相連的一端暴露在傳感器外殼1100之外。在傳感器外殼靠近電極連接部1200一側(cè)的一端，可以采用封裝蓋1300進(jìn)行封裝并固定電極連接部1200，為了方便連接外部電路，封裝蓋1300上部可以暴露出一部分電極連接部1200。由此，一方面可以避免雜質(zhì)進(jìn)入傳感器外殼1100內(nèi)部污染檢測(cè)部1000，另一方面可以防止電極連接部1200以及檢測(cè)部1000在傳感器外殼1100內(nèi)發(fā)生移動(dòng)，造成電極連接部以及檢測(cè)部之間脫落或是損傷檢測(cè)部1000。根據(jù)本發(fā)明的另一些實(shí)施例，還可以采用包括但不限于環(huán)氧樹(shù)脂等材料，對(duì)傳感器外殼1100靠近檢測(cè)部1000一側(cè)的一端進(jìn)行封裝。

綜上所述，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的pH傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)的至少之一：

(1)該pH傳感器具有高選擇性和高靈敏度，適用于在復(fù)雜的環(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)；

(2)該pH傳感器穩(wěn)定性強(qiáng)、制備簡(jiǎn)單、使用方便；

(3)采用碳纖維作為基體，易微型化、免維護(hù)，可以實(shí)時(shí)、原位、快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)活體內(nèi)pH值；

(4)碳纖維具有極小的直徑，可以最大限度地減少電極對(duì)生物體(例如腦組織)的損傷，并且提高了檢測(cè)的空間分辨率，使得檢測(cè)位置更精準(zhǔn)。

在本發(fā)明的又一方面，本發(fā)明提出了一種制備前面所述的pH傳感器的方法。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該方法包括：

(1)提供基體

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在該步驟中，提供碳纖維形成的基體。關(guān)于碳纖維基體的特征以及優(yōu)點(diǎn)，前面已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的描述，在此不再贅述。

(2)形成氫離子敏感膜層

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在該步驟中，在基體的外表面形成氫離子敏感膜層。由此，可以簡(jiǎn)便地獲得具有較好穩(wěn)定性的固態(tài)離子選擇性電極。該步驟中制備的氫離子敏感膜層具有與前面描述的pH傳感器的氫離子敏感膜層相同的特征以及優(yōu)點(diǎn)，在此不再贅述。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，氫離子敏感膜層可以通過(guò)旋涂以及干燥形成。由此，可以簡(jiǎn)化制備步驟，節(jié)約生產(chǎn)成本。例如，根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例，可以將組成氫離子敏感膜層的組分，如氫離子載體、離子交換劑、聚合物基體、增塑劑，溶于四氫呋喃等易揮發(fā)的良溶劑中，然后旋涂在基體的外表面。待四氫呋喃等溶劑揮發(fā)后，即可獲得根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氫離子敏感膜層。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，為了進(jìn)一步提高利用該方法制備的pH傳感器的性能，在制備氫離子敏感膜之前，可以預(yù)先對(duì)碳纖維基體進(jìn)行電化學(xué)活化。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例，上述電化學(xué)活化的具體條件可以為：首先對(duì)碳纖維基體施加不同的電位進(jìn)行極化，再于采用0.0-1.0V的電位范圍以0.1V s^-1的掃描速度對(duì)碳纖維基體進(jìn)行循環(huán)掃描，直到得到穩(wěn)定的循環(huán)伏安曲線為止。

綜上所述，該方法操作簡(jiǎn)單、成本低廉、生產(chǎn)周期短，利于上述pH傳感器的大規(guī)模制備以及推廣。

在本發(fā)明的又一方面，本發(fā)明提出了前面所述的pH傳感器在活體檢測(cè)中的應(yīng)用。該傳感器穩(wěn)定性以及生物兼容性好，利于電極微型化，對(duì)氫離子選擇性高、靈敏度好、響應(yīng)迅速，特別適用于活體檢測(cè)。

下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明，需要說(shuō)明的是，下面的具體實(shí)施例僅僅是用于說(shuō)明的目的，而不以任何方式限制本發(fā)明的范圍，另外，如無(wú)特殊說(shuō)明，則未具體記載條件或者步驟的方法均為常規(guī)方法，所采用的試劑和材料均可從商業(yè)途徑獲得。

實(shí)施例1制備pH傳感器

首先將玻璃毛細(xì)管(內(nèi)徑1.5mm,長(zhǎng)度10cm)的兩端經(jīng)微電極拉制儀(WD-1型，成都儀器廠)拉制成兩個(gè)尖端。在顯微鏡下，用玻璃刀將玻璃毛細(xì)管的尖端斷開(kāi)，露出端口(端口內(nèi)徑約為30-50μm)。然后，將約2cm長(zhǎng)的碳纖維用導(dǎo)電銀膠粘在一根銅絲上，將銅絲穿入毛細(xì)管中，在毛細(xì)管的一端露出約3mm碳纖維。之后用環(huán)氧樹(shù)脂(乙二胺作為固化劑)將尖端封住。毛細(xì)管的另外一端用絕緣膠封住，使銅絲和毛細(xì)管固定在一起。在顯微鏡下，將露出的碳纖維暴露在毛細(xì)管外部的長(zhǎng)度截為0.5-1.0mm。

將制備好的碳纖維微電極分別被置于丙酮、3.0mol/L HNO₃和1.0mol/L KOH的溶液中超聲洗滌2min，然后在0.5mol/L硫酸溶液中進(jìn)行電化學(xué)活化。活化的條件是：先施加+2.0V的電位，極化30s；然后施加-1.0V的電位，極化10s；再于0.0-1.0V的電位范圍，以0.1V s^-1的掃描速度進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，直到得到穩(wěn)定的循環(huán)伏安曲線為止。

稱取100mg雙(2-乙基己基)癸二酸酯，50mg聚氯乙烯，1.5mg三月桂胺，0.7mg為四(4-氯苯基)硼酸鉀，溶于2mL四氫呋喃，配置成氫離子敏感膜溶液。在玻璃板上滴2μL氫離子敏感膜溶液，將暴露在毛細(xì)管外部的碳纖維浸于其中，轉(zhuǎn)動(dòng)電極，使碳纖維粘附氫離子敏感膜溶液，室溫干燥。反復(fù)滴涂數(shù)次至碳纖維完全被敏感膜包覆。室溫干燥6h。將干燥后的電極浸泡于0.1mol/L HCl溶液中活化12h，即得pH傳感器。

傳感性能測(cè)試

線性范圍測(cè)試

將實(shí)施例1中制備的pH傳感器與Ag/AgCl參比電極組成雙電極體系，放入磷酸緩沖溶液中，加入一定量的NaOH溶液，調(diào)節(jié)磷酸緩沖液的pH分別為5.70，5.91，6.11，6.32，6.53，6.73，6.94，7.13，7.31，7.47，7.62，7.74。實(shí)時(shí)檢測(cè)碳纖維pH傳感器與參比電極之間的電位。檢測(cè)結(jié)構(gòu)如圖3所示。隨著加入的NaOH濃度的增加，溶液pH增大，電位值也隨之下降，可以看到該碳纖維pH傳感器響應(yīng)迅速，且電位與溶液的pH呈一定的線性關(guān)系。傳感器對(duì)pH的靈敏度為58.0mV/pH，符合能斯特方程，線性范圍pH 5.70-7.74，該范圍區(qū)域非常廣，包含了活體內(nèi)pH 6.5-7.6的范圍值，可以檢測(cè)活體內(nèi)pH。

選擇性測(cè)試

采用實(shí)施例1制備的pH傳感器，對(duì)活體中常見(jiàn)的干擾物質(zhì)抗壞血酸(AA)、去甲腎上腺素(NE)、多巴胺(DA)、腎上腺素(E)、尿酸(UA)、3,4二羥基苯乙酸(DOPAC)、5-羥色胺(5-HT)、高香草酸(HVA)、鉀離子(K⁺)和鈉離子(Na⁺)的響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試。采用pH為7.3的人工腦脊液，分別配置濃度為100μM AA、10μM NE、2μM DA、10μM E、50μM UA、40μM DOPAC、30μM 5-HT、30μM HVA、4mM K⁺和4mM Na⁺的測(cè)試組，觀察電位值的改變，測(cè)試結(jié)果如圖4所示?？梢钥吹较鄬?duì)于改變0.1pH的電位來(lái)說(shuō)，這些干擾物質(zhì)對(duì)電位的影響很小，基本無(wú)電壓信號(hào)響應(yīng)。表明該碳纖維pH傳感器具有高的選擇性，適用于活體內(nèi)pH的檢測(cè)。

活體檢測(cè)測(cè)試

采用實(shí)施例1制備的碳纖維pH傳感器進(jìn)行活體檢測(cè)。

將該碳纖維pH傳感器植入大鼠鼠腦內(nèi)，參考圖5，連續(xù)三次給CO₂ 15s，使大鼠腦內(nèi)pH發(fā)生改變，可以看到pH的電位響應(yīng)，三次電位響應(yīng)均改變9mV，根據(jù)體外校正，pH改變了0.15。之后電位下降，170s后電位恢復(fù)，表明pH恢復(fù)，三次結(jié)果均相同，說(shuō)明該碳纖維pH傳感器可以有效的檢測(cè)活體內(nèi)pH。更重要的是，將該碳纖維pH傳感器從鼠腦中取出，做體外后校正實(shí)驗(yàn)，參考圖6，碳纖維pH傳感器在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)前(before)后(after)對(duì)pH的響應(yīng)靈敏度幾乎不變，表明該傳感器可以準(zhǔn)確檢測(cè)活體內(nèi)pH的改變。

在本說(shuō)明書(shū)的描述中，參考術(shù)語(yǔ)“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說(shuō)明書(shū)中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不必須針對(duì)的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說(shuō)明書(shū)中描述的不同實(shí)施例或示例以及不同實(shí)施例或示例的特征進(jìn)行結(jié)合和組合。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。