一种基于聚苯乙烯/金传感材料的自校准电极阵列及应用的制作方法

本发明涉及传感器阵列，具体的说是一种基于聚苯乙烯/金传感材料的自校准电极阵列及其应用。

背景技术：

1970年，某学者用涂丝电极来代替传统的液态电极，不仅解决了稳态离子通量的问题，而且使电极具有便携式，免维护，低成本，易于小型化和灵活设计的优点。该涂丝电极就是最早的全固态电位型离子选择性电极。然而由于缺乏离子-电子转导材料和易形成水层使得电极电位信号漂移，所以近年对于全固态电位型离子选择性电极性能的研究主要集中在新型疏水转导材料开发的方面。目前的转导材料主要有以下几类：导电聚合物，碳材料，氧化还原分子对，导电金属有机框架材料，微/纳米贵金属材料。目前，全固态电位型离子选择性电极最常用的制备方法是层层修饰法。首先在基础电极上修饰上离子-电子转导材料，然后再修饰上聚氯乙烯基敏感膜，制备步骤复杂繁琐，且聚氯乙烯基敏感膜溶液在滴涂过程中易形成气泡导致批次电极间的重现性差。除此之外，聚氯乙烯基敏感膜溶液中含有四氢呋喃溶液，这就使得该膜溶液不仅易挥发而且可能会损伤基础电极。

在电极阵列方面的研究主要是基于丝网印刷技术，喷墨打印技术或者芯片阵列结合不同的柔性材料来设计新型的传感设备。也有学者将传感阵列与微流控结合起来用于可穿戴传感设备的研究。但是，复杂的实际样品会干扰传感阵列的测试，引入误差降低准确性。尤其是家用式传感设备要求操作简便，仪器便携，故不能对样品进行预处理。因此如何在不对样品预处理的情况下提高测试准确性是急需解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是开发一种复合传感材料，并将其作为离子选择性敏感膜制备传感电极，然后将其与多通道电极结合制备可自校准的用于体液中电解质离子浓度检测的电位型传感阵列。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种聚苯乙烯/金传感材料的制备方法，该方法包括以下具体步骤：

步骤1：通过无皂乳液聚合法制备聚苯乙烯纳米颗粒，并通过原位还原法在聚苯乙烯纳米颗粒表面接金纳米颗粒：

1-1、将纯化后的苯乙烯单体和丙烯酸单体在室温下溶解于去离子水中，并通氮气以排除氧气；然后将反应物升温至40～90℃并加入过硫酸钾水溶液，反应持续5～20h，终产物通过离心水洗除去残余反应物，制得聚苯乙烯纳米颗粒；其中，苯乙烯单体、丙烯酸单体、过硫酸钾和去离子水的质量比为100∶1～2∶1～4∶500～2000；

1-2、将聚苯乙烯纳米颗粒水溶液和氯金酸水溶液分散到去离子水中，在搅拌状态下加热至沸腾；然后，将柠檬酸钠水溶液快速加入到沸腾水溶液中并持续反应1～10h，最后通过离心得到聚苯乙烯/金复合纳米颗粒；聚苯乙烯纳米颗粒、氯金酸、柠檬酸钠和去离子水的质量比为10～50∶2～3∶6～20∶3000～8000；

步骤2：通过加溶胀剂将离子载体和离子交换剂溶胀进聚苯乙烯/金复合纳米颗粒中，制得聚苯乙烯/金传感材料：

将目标离子载体或自校准离子载体和离子交换剂分散到溶胀剂中混合，并将该混合液打入快速斡旋状态的聚苯乙烯/金复合纳米颗粒水溶液中，然后在摇床中震荡5～20小时；最后将所述混合液放入真空干燥箱中使溶胀剂干燥挥发，通过离心水洗除去残余物得到目标离子或自校准离子聚苯乙烯/金传感材料；其中：

目标离子载体或自校准离子载体、离子交换剂、溶胀剂、聚苯乙烯/金复合纳米颗粒和去离子水的质量比为1～5∶0.6～3∶0.1～0.3∶0.7～9∶700～900；

所述目标离子载体为钾离子载体、钠离子载体、钙离子载体；所述自校准离子载体为银离子载体、汞离子载体、铜离子载体；所述的离子交换剂为四苯基硼烷衍生物；所述的溶胀剂为氢氧化钠，丙酮，氯仿或四氢呋喃。

所述的钾离子载体为缬氨酶素或2-十二烷基-2-甲基-1,3-丙二基双[n-[5-硝基(苯并-15-冠-5)-4-基]氨基甲酸酯]；所述的钠离子载体为eth227、eth157、eth4120或十二烷基甲基丙二酸双[(12-冠-4)甲酯]；所述的钙离子载体为eth129或eth5234；所述的银离子载体为o,o-双[2-(甲硫基)乙基]-叔-丁基杯[4]芳烃；所述的汞离子载体为n,n-二苄基-4,13-二氮杂-18-冠-6-醚；所述的铜离子载体为邻亚二甲苯基二(n,n-二异丁基二硫代氨基甲酸酯)或n,n,n,n-四环己基-2,2-硫代二乙酰胺；所述的四苯基硼烷衍生物为四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠或四(十二烷基)-四(4-氯苯基)硼酸铵。

一种上述方法制得的目标离子聚苯乙烯/金传感材料和自校准离子聚苯乙烯/金传感材料。

一种基于聚苯乙烯/金传感材料的自校准电极阵列的制备方法，该方法包括以下步骤：

（1）通过丝网印刷制备基础柔性电极阵列：

首先，在柔性基材上设计基础柔性电极阵列图形，并通过丝网印刷制备基础柔性电极阵列；所述基础柔性电极阵列包括一列银/氯化银电极通道，一列自校准电极通道，至少两列碳基电极通道；每一列电极通道包括电路通道、usb接口和电极传感区域；

将银墨水印刷在每列电极通道的电路通道和usb接口处，并放入烘箱中在40-150℃下干燥20-100分钟；接着将碳墨水印刷在每列电极通道的电路通道、usb接口和电极传感区域处，放入烘箱中在40-150℃下干燥2-100分钟；然后选择一个印刷了碳墨水的电极通道，并将银/氯化银墨水印刷在其传感区域制得银/氯化银电极；最后将绝缘浆印刷在除了usb接口和电极传感区域外的所有柔性基材上，并放入烘箱中在40-150℃下干燥20-100分钟；其中，所述的柔性基底材料为聚丙烯合成纸或聚对苯二甲酸乙二酯薄膜；

（2）通过滴涂法对基础柔性电极阵列进行修饰，得到自校准电极阵列：

2-1、聚乙烯醇缩丁醛树脂参比膜溶液的配置：将氯化钠、聚乙烯醇缩丁醛树脂和无水甲醇按50～100mg∶100～250mg∶2ml的质量体积比混合均匀；

2-2、将聚乙烯醇缩丁醛树脂参比膜溶液滴涂在基础柔性电极阵列的银/氯化银电极表面，为参比电极；将自校准离子聚苯乙烯/金传感材料滴涂在基础柔性电极阵列中任意一列碳基电极表面，为自校准电极；将目标离子聚苯乙烯/金传感材料滴涂在基础柔性电极阵列中任意一列碳基电极表面，为传感电极；在4-37℃中真空干燥5-20h，得到自校准电极阵列，并储存于0-4℃待用；其中，聚乙烯醇缩丁醛树脂参比膜厚度为10～40um；自校准离子聚苯乙烯/金传感材料和目标离子聚苯乙烯/金传感材料的厚度分别为260～1300nm。

一种上述方法制得的基于聚苯乙烯/金传感材料的自校准电极阵列。

所述自校准电极阵列包括一列参比电极、至少一列传感电极和一列自校准电极。

所述的基于聚苯乙烯/金传感材料的自校准电极阵列在检测体液中电解质离子浓度的应用。

本发明所述的聚苯乙烯/金传感材料是纳米颗粒、纳米棒或纳米片。

本发明通过将转导性能与识别性能集于一体的聚苯乙烯/金传感材料，简化电极的制备步骤。并且通过在电极阵列上设计自校准通道使该阵列在测试复杂样品时可以自动扣除背景信号来提高电极的准确性。本发明的技术方案不仅提高电极之间的重现性而且提高其准确性，使其在家庭健康监测方面有广泛的应用。本发明的创新之处正在于此。

附图说明

图1为本发明实施例1中钠离子聚苯乙烯/金传感材料的透射电子显微镜扫描图和元素分析图；

图2为本发明实施例1中基于聚苯乙烯/金传感材料的自校准电极阵列制备流程图；

图3为本发明实施例1中基于聚苯乙烯/金传感材料的自校准电极阵列的电位响应图和标准工作曲线；

图4为本发明实施例2中基于聚苯乙烯/金传感材料的自校准电极阵列制备流程图；

图5为本发明实施例2中电解质离子，小分子氮化物和蛋白质对自校准电极阵列电位信号的影响示意图；

图6为本发明实施例2中自校准电极阵列的电位响应图和标准工作曲线图；

图7为本发明实施例2中十片自校准电极阵列的斜率和截距重现性分析图。

具体实施方式

以下通过具体实施例及附图进一步对本发明进行详细描述。

实施例1

1.钠离子聚苯乙烯/金传感材料的制备：

聚苯乙烯采用无皂乳液聚合法制备。具体的步骤是90ml的去离子水，10g的苯乙烯和0.2g的丙烯酸单体加入带有回流装置和机械搅拌棒的三口烧瓶中，在聚合反应前先通氮气以排除氧气。然后将反应物升温至60度并加入5ml20mg/ml的过硫酸钾水溶液。反应持续6小时。终产物通过离心水洗除去残余反应物。

聚苯乙烯/金纳米颗粒的制备过程：

首先，5ml100mg/ml的聚苯乙烯纳米颗粒和2%的氯金酸水溶液分散到50ml的去离子水中，将上述混合液在搅拌状态下加热至沸腾。然后，将1ml0.189m的柠檬酸钠水溶液快速加入到沸腾水溶液中并持续反应2小时。最后通过离心得到聚苯乙烯/金复合纳米颗粒。

钠离子聚苯乙烯/金传感材料的制备步骤：

将0.2ml的四氢呋喃，4mg的钠离子载体vi和2.4mg的四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠混合均匀后，用移液器打入0.8ml的4mg/ml的聚苯乙烯/金复合纳米颗粒水溶液中，然后在摇床中震荡10个小时。最后将上述混合液放入真空干燥箱中使四氢呋喃干燥挥发。通过离心水洗除去残余物。钠离子聚苯乙烯/金传感材料的透射电子显微镜扫描图和元素分析图分别参见图1a和图1b。如图1a所示，钠离子聚苯乙烯/金传感材料呈球形，直径大约在260nm，且表面有颗粒状的金颗粒。如图1b所示，钠离子聚苯乙烯/金传感材料里含有碳元素、硼元素和氟元素，说明四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠离子交换剂溶进聚苯乙烯/金纳米颗粒内。

自校准离子聚苯乙烯/金传感材料的制备步骤：

将0.2ml的四氢呋喃，4mg的银离子载体iv和2.4mg的四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠混合均匀后，用移液器打入0.8ml的4mg/ml的聚苯乙烯/金复合纳米颗粒水溶液中，然后在摇床中震荡10个小时。最后将上述混合液放入真空干燥箱中使四氢呋喃干燥挥发。通过离心水洗除去残余物。

聚乙烯醇缩丁醛树脂参比膜溶液的配置：将100mg的氯化钠，250mg的聚乙烯醇缩丁醛树脂和2ml的无水甲醇混合均匀制备聚乙烯醇缩丁醛树脂参比膜溶液。

2.基于聚苯乙烯/金传感材料的自校准电极阵列的制备：

基础纸电极阵列的制备：

通过丝网印刷制备三通道的基础纸电极阵列，该基础纸电极阵列包含两列碳电极通道和一列银/氯化银电极通道。该基础纸电极阵列的示意图如图2a所示，图中，1为usb接口，2为电路通道，3为参比电极传感区域，4为碳电极传感区域。1、2和3组成银/氯化银电极通道，1、2和4组成碳电极通道。具体印刷过程如下：选用0.5mm厚的pp合成纸作为电极的基底材料。银墨水作为导电层印刷在1和2处，并放入烘箱中在100℃下干燥20分钟。然后在1，2，3和4处印刷碳墨水，放入烘箱中在100℃下干燥20分钟。然后将银/氯化银墨水印刷在3处来制备银/氯化银电极。最后将绝缘浆印刷在除了1，3和4区域外的所有pp纸基材料上，并放入烘箱中在100℃下干燥20分钟。电极的直径是3mm。

基于聚苯乙烯/金基纳米复合传感材料的自校准电极阵列的制备：

将20微升的聚乙烯醇缩丁醛树脂参比膜溶液滴涂在基础纸电极阵列的3处，作为参比电极。将30微升5mg/ml的自校准聚苯乙烯/金纳米复合传感材料滴涂在基础纸电极阵列的一个碳电极处，为自校准电极。将30微升5mg/ml的钠离子聚苯乙烯/金纳米复合传感材料滴涂在基础纸电极阵列的另一个碳电极处，为钠离子传感电极。然后在25℃中真空干燥10小时后得到自校准电极阵列，并放入4℃冰箱待用。基于聚苯乙烯/金基纳米复合传感材料的自校准电极阵列的示意图如图2b所示，图中，5为参比电极，6为自校准电极，7为钠离子传感电极。1、2和5组成参比电极通道；1、2和6组成自校准电极通道；1、2和7组成钠离子传感电极通道。

3.电位测试：

将聚苯乙烯/金传感材料的自校准电极阵列插入含不同钠离子浓度的人工尿样中，采用开路电位法测试各通道的电位值。钠离子传感电极通道和自校准电极通道的电位在10^-6m到0.1m中的电位响应如图3a所示，钠离子传感电极对人工尿样中的钠离子有良好的电位响应，而自校准电极对人工尿样中的钠离子基本没有电位响应。将钠离子传感电极通道和自校准电极通道的电位差与钠离子浓度的对数值进行线性拟合，结果如图3b所示，在10^-2m-10^-4m浓度范围内的钠离子有良好的线性响应，且响应斜率为50.3±1.3，接近能斯特理论值。所有的电化学测试都是在25℃下进行，且所有的电极在使用前都在对应的目标离子溶液中活化12小时。

实施例2

1.钠/钾离子聚苯乙烯/金传感材料的制备：

聚苯乙烯/金纳米颗粒的制备过程与实施例1相同。钠离子聚苯乙烯/金传感材料的制备步骤与实施例1相同。自校准离子聚苯乙烯/金传感材料的制备步骤与实施例1相同。聚乙烯醇缩丁醛树脂参比膜溶液的配置与实施例1相同。

钾离子聚苯乙烯/金传感材料的制备步骤：

将0.2ml的四氢呋喃，4mg的缬氨酶素和2.4mg的四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠混合均匀后，用移液器打入0.8ml的4mg/ml的聚苯乙烯/金复合纳米颗粒水溶液中，然后在摇床中震荡10个小时。最后将上述混合液放入真空干燥箱中使四氢呋喃干燥挥发。通过离心水洗除去残余物。

2.基于聚苯乙烯/金传感材料的自校准电极阵列的制备：

通过丝网印刷制备4通道的基础纸电极阵列，该基础纸电极阵列包含三列碳电极通道和一列银/氯化银电极通道。该基础纸电极阵列的示意图如图4a所示，图中，1为usb接口，2为电路通道，3为参比电极传感区域，4为碳电极传感区域。1、2和3组成银/氯化银电极通道，1、2和4组成碳电极通道。具体印刷过程如下：选用0.5mm厚的pp合成纸作为电极的基底材料。银墨水作为导电层印刷在1和2处，并放入烘箱中在100℃下干燥20分钟。然后在1、2、3和4处印刷碳墨水，放入烘箱中在100℃下干燥20分钟。然后将银/氯化银墨水印刷在3处来制备银/氯化银电极。最后将绝缘浆印刷在除了1，3和4区域外的所有pp纸基材料上，并放入烘箱中在100℃下干燥20分钟。电极的直径是3mm。

基于聚苯乙烯/金传感材料的自校准电极阵列的制备：

将20微升的聚乙烯醇缩丁醛树脂参比膜溶液滴涂在基础纸电极阵列的3处，作为参比电极。将30微升5mg/ml的自校准聚苯乙烯/金纳米复合传感材料滴涂在基础纸电极阵列的一个碳电极处，为自校准电极。将30微升5mg/ml的钠离子聚苯乙烯/金纳米复合传感材料滴涂在基础纸电极阵列的一个碳电极处，为钠离子传感电极。将30微升5mg/ml的钾离子聚苯乙烯/金纳米复合传感材料滴涂在基础纸电极阵列的一个碳电极处，为钾离子传感电极。然后在25℃中真空干燥10小时后得到自校准电极阵列，并放入4℃冰箱待用。基于聚苯乙烯/金基纳米复合传感材料的自校准电极阵列的示意图如图4b所示，图中，5为参比电极，6为自校准电极，7为钠离子传感电极，8为钾离子传感电极。1、2和5组成参比电极通道；1、2和6组成自校准电极通道；1、2和7组成钠离子传感电极通道；1、2和8组成钾离子传感电极通道。

3.基于聚苯乙烯/金传感材料的自校准电极阵列的自校准性能测试：

样品的背景成分可能会产生干扰信号，从而造成测量误差。因此，有必要在测量过程中自动扣除干扰信号。在基于聚苯乙烯/金传感材料的自校准电极阵列中设计了一个校准电极通道，以扣除复杂的背景信号并校准电位信号。自校准电极的选择原理是自校准电极对目标离子没有电位响应，但自校准电极受样品背景成分干扰而引起的非特异性响应与传感电极的一致。例如尿液主要含有电解质离子，例如k⁺，na⁺，mg²⁺，zn²⁺和ca²⁺，非蛋白质氮化物，例如尿素，尿酸和肌酐，也可能含有蛋白质。因此，测试了电解质离子，小分子氮化物和蛋白质对自校准电极阵列基础电位的影响，见图5a。将四通道的自校准传感阵列先插入10mm的磷酸缓冲液中测电位值，然后再插入含有10mm的钾离子溶液中测电位值，只有钾离子传感电极产生电位变化，而钠离子传感电极和自校准电极都没有电位变化。同样，将四通道的自校准传感阵列先插入10mm的磷酸缓冲液中测电位值，然后再插入含有10mm的钠离子溶液中测电位值，只有钠离子传感电极产生电位变化，而钾离子传感电极和自校准电极都没有电位变化。另外，将四通道的自校准传感阵列先插入10mm的磷酸缓冲液中测电位值，然后再分别插入含有10mm钙离子，10mm镁离子，10mm锌离子，125um尿酸，50um肌酐，2.5mm尿素，1mg/ml血红蛋白和1mg/ml球蛋白g中测电位值，钠离子传感电极，钾离子传感电极和自校准电极的电位变化很小且基本一致，这就证明了可以通过传感电极的电位值减去自校准电极的电位值来扣除干扰信号。将钾离子传感电极与自校准电极的电位差以及钠离子传感电极与自校准电极的电位差的数据分析总结在图5b中，可以看出当钾离子传感电极电位值减去自校准电极电位值后以及钠离子传感电极电位值减去自校准电极电位值后，都基本没有干扰信号。

4.电位测试：

将聚苯乙烯/金传感材料的自校准电极阵列插入含不同浓度钠离子和钾离子的人工尿样中，采用开路电位法测试各通道的电位值。钠离子传感电极通道和钾离子电极通道，以及相应的自校准电极通道的电位在10^-6m到0.1m中的电位响应如图6a所示，钠离子传感电极对人工尿样中的钠离子有良好的电位响应，钾离子传感电极对人工尿样中的钾离子有良好的电位响应，而自校准电极对人工尿样中的钠离子和钾离子基本都没有电位响应。将钠离子传感电极通道和自校准电极通道的电位差与钠离子浓度的对数值进行线性拟合，将钾离子传感电极通道和自校准电极通道的电位差与钾离子浓度的对数值进行线性拟合，结果如图6b所示，自校准传感阵列10^-2m-10^-4m浓度范围内的钠离子和钾离子有良好的线性响应，且响应斜率分别为50.3±1.3和53.5±1.2，都接近能斯特理论值。所有的电化学测试都是在25℃下进行，且所有的电极在使用前都在对应的目标离子溶液中活化12小时。十片自校准传感阵列的斜率和截距重现性见图7，十片自校准传感阵列的斜率和截距之间的rsd都小于5%，说明该自校准电极阵列有良好的响应重现性。