用于检测一氧化二氮的电化学传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电化学传感器且更具体地涉及用于检测一氧化二氮的电化学传感器 和相应的方法及应用。
【背景技术】
[0002] 对于众多目的，例如环境监测、生物研宄或废水处理，能够检测或定量测量一氧化 二氮是有益的。用于测量一氧化二氮的传感器先前已被提出，但可能被认为是迟钝的和/ 或笨重的。
[0003] 用于测量一氧化二氮的传感器已在文章"An oxygen insensitive microsensor for nitrous oxide''，Knud Andersen, Thomas Kjaer and Niels Peter Revsbech, Sensors and Actuators B 81 (2001) 42-48中提出，该文章描述了制造一种对02不灵敏且对N 20快 速响应的微传感器的方法。通过在对〇2和1〇都敏感的电化学微传感器的尖端的前面附上 带有抗坏血酸盐的碱溶液的毛细管消除了 〇2的干扰。当在空气饱和的溶液中（〇2分压为 21kPa)测量时，0. 1mm的pH 12的2M抗坏血酸盐层能够去除所有的02，且未观察到N20被抗 坏血酸盐还原。从0至1. 2mM间所述传感器对N20的响应是线性的，且检测极限小于1 y M。 详细描述的传感器的尖端直径是50-80微米，但可构建更小的传感器。90%的响应时间是 约40-50秒。对于环境监测，显示二氧化碳的干预是可以忽略的，且在脱氮研宄中通常用于 抑制一氧化二氮还原酶的乙炔的敏感性可保持足够低以用于实验工作。
[0004] 用于检测一氧化二氮的改进的传感器将是有利的，且特别地，更有效的、灵敏的、 耐用的、紧凑的和/或可靠的传感器将是有利的。
【发明内容】
[0005] 提供更有效的、灵敏的、耐用的、紧凑的、稳定的、温度不敏感的和/或可靠的传感 器用于检测一氧化二氮可看做是有利的。提供现有技术的一种替代选择也可看做本发明的 另一目的。为更好地解决一个或多个这些关注点，本发明的第一个方面提供用于检测相关 体积（106)中一氧化二氮（N 20)的电化学传感器（100)，所述传感器包含
[0006] _第一室（110)，其具有朝向相关体积（106)的第一开口（112)，
[0007] _第二室（120)，其与第一室（110)相邻设置或被第一室（110)部分环绕，所述第 二室（120)包含，
[0008] -工作电极（104)，
[0009]-参比电极（108)，和 [0010]-含非质子溶剂的电解质，
[0011] 其中所述第二室（120)具有朝向第一室（110)的第二开口（122)，其中在第二开口 (122)中设置第二膜（124)，
[0012] 其中所述第二膜（124)可渗透一氧化二氮且被设置以分隔第一体积（116)和第二 体积（126)，所述第二体积在第二室（120)内，所述第一体积在第一室（110)内，
[0013]其中第一室（110)包含用于阻止氧进入第二体积（126)中的装置，且其中工作电 极（104)包含铟（In)。
[0014] 词语"第二（膜）"能够区分开第二膜和其他膜，例如第一膜，例如能够区分"第二 膜"和"第一膜"。理解的是，"第二膜"不暗示"第一膜"的存在。在整个该申请中，"第二 膜"与和/或可能与"第二开口膜"交换使用。在整个该申请中，"第一膜"与和/或可能与 "第一开口膜"和"第一膜"交换使用。
[0015] 在另一个实施方案中，提供用于在相关体积（106)中检测一氧化二氮（N 20)的电 化学传感器（100)，所述传感器包含
[0016] -第一室（110)，其具有朝向相关体积（106)的第一开口（112)，其中在第一开口中 设置第一膜（114)，
[0017] -第二室（120)，其与第一室（110)相邻设置或被第一室（110)部分环绕，例如在 第一室（110)中，所述第二室（120)包含，
[0018]-工作电极（104)，
[0019]-参比电极（108)，
[0020]_任选地，保护电极（109)，和
[0021] -含非质子溶剂的电解质，例如含其中溶解有离子化合物的非质子溶剂的电解质， 其中所述电解质使参比电极和工作电极和任选的保护电极（109)电连接，
[0022] 其中所述第二室（120)具有朝向第一室（110)的第二开口（122)，其中在第二开口 (122)中设置第二膜（124)，
[0023] 其中所述第一膜（114)可渗透一氧化二氮且被设置以分隔相关体积（106)和第一 体积（116)，所述第一体积在第一室（110)内，和
[0024] 其中所述第二膜（124)可渗透一氧化二氮且被设置以分隔第一体积（116)和第 二体积（126)，所述第二体积在第二室内，其中第一室（110)包含用于阻止氧进入第二体 积（126)中的装置，例如阻止氧从相关体积（106)中通过第一体积（116)流入第二体积 (126)，和
[0025] 其中工作电极（104)包含铟（In)。
[0026] 本发明特别地，但不是唯一地，有利于得到用于检测一氧化二氮的改进的传感器， 且特别地，更有效的、灵敏的、耐用的、紧凑的和/或可靠的传感器。利用金属铟的催化能力 以促进一氧化二氮在工作电极的表面还原可被特别地认为是有利的，如此以能够利用相对 低的极化电压，这反过来实现相对低的零值电流。可由此注意，如下可看做本发明的要旨： 发明人利用基本的洞察力，在工作电极中铟的使用能够得到对于给定浓度的一氧化二氮的 相对高的传感器响应，且同时得到完全使高信噪比成为可能的相对低的、稳定的和温度不 敏感的零值电流。极化水平理解为应用在工作电极和参比电极间的电压。
[0027] 此外，应该认识到，本发明者已通过创造力和大量的研宄实现了如下内容：尽管具 有基于非质子溶剂的电解质，在独立权利要求中描述的具体的传感器中，然而水蒸气可找 到它进入工作电极的方式并由于质子还原引起零值电流，例如升高的零值电流。虽然工作 电极的其它材料可产生较高的响应，该基本洞察力促进新的和创造性的材料的选择以用在 工作电极中，这不仅表现出对N 2o还原的催化性能，也实现了可容忍的零值电流，且因此能 够得到更好的零值电流和响应间的比例。
[0028] "电化学传感器"理解为通过在电极处氧化或还原分析物并检测，例如测量所产 生的电流而检测分析物例如一氧化二氮（N 20)的存在，例如测量其浓度的传感器。应理解 的是所产生的电流不必要作为电流测量，可以例如作为通过电阻器的电压降被测量。词语 "传感器"、"电化学传感器"和"用于检测一氧化二氮（N 20)的传感器"在本申请的语境中 通常可交换使用。在文章"An oxygen insensitive microsensor for nitrous oxide''， Knud Andersen, Thomas Kjaer and Niels Peter Revsbech, Sensors and Actuators B 81 (2001) 42-48中描述了电化学传感器的一个实例，该文章通过引用全文并入本文，且在描 述传感器构建的2. 1节中被特别引用。
[0029] "分析物"理解为感兴趣的化合物，例如分子，例如一氧化二氮。
[0030] "检测"理解为定性检测分析物的存在。在一些更具体的实施方案中，检测可被理 解为定量测量分析物的浓度。
[0031] "一氧化二氮（n2o)"理解为是具有式队〇(吧〇)的分子的化合物。一氧化二氮也被 称为二氮氧化物（dinitric oxide)或笑气。
[0032] "相关体积"理解为与传感器邻近的相关的体积，且其可包含一氧化二氮。所述相 关体积不被理解为限制权利要求书的范围。可用传感器测量相关体积中一氧化二氮的浓 度。所述相关体积可包含流体、气体或基质，例如生物膜，例如细胞外基质。
[0033] "第一室"理解为将第一室内的第一体积与第一室之外的环境划分开的腔室，例如 盒。然而，本发明包括以下内容：第一室在定界壁（delimiting walls)上可具有一个或多 个通孔，例如为电线或膜的开口。然而，一般来说，第一室不允许从第一室外部至第一室内 部的流体通道。在具体的实施方案中，第一室可包含由至少部分玻璃形成的壁。在具体的 实施方案中，第一室可包含由至少部分聚合物材料，例如聚醚醚酮（PEEK)形成的壁。
[0034] "第一开口"理解为在第一室的壁上的通孔，该通口将相关体积与第一室内的第一 体积连接起来。
[0035] "第一膜"理解为设置在第一开口中的膜材料。第一膜被设置以使相关体积与第一 室内的第一体积隔开。更具体地，设置第一膜以填充第一开口，以堵塞从相关体积至第一体 积的任何不能穿透第一膜的物质的通道。应理解的是，第一膜可涉及分隔两种流体的薄的 膜状结构，所述两种流体例如是相关体积中的液体或气体，和第一体积中的液体或气体。然 而，也应理解的是，第一膜可作为选择性屏障，允许一些颗粒或化学品穿过但不允许其他物 质穿过。特别地，理解为，所述第一膜可渗透一氧化二氮。在具体的实施方案中，所述第一 膜可包含娃树脂，例如由娃树脂组成，所述娃树脂例如是可从Dow Corning得到的产品编号 为732或734的硅酮密封剂中的至少一种。使用硅树脂作为第一膜材料的一个可能的优势 可能是其结合了对玻璃良好的粘附和对N 20的高渗透性。
[0036] 可理解的是，在某些实施方案中，可省去第一膜。可理解的是，在这些实施方案的 一些实施方案中，提供用于将不需要的物质保持在第一体积外的装置，例如避免不需要的 物质到达第二膜。在一个示例性的实施方案中，第一室被分成分室，分室实施不同的功能， 例如一个分室是具有反应壁的曲折形通路，例如清除剂，如氧清除剂，可通过其扩散的膜， 或不需要的物质可通过其扩散的膜。在这样的实施方案中，不需要的物质可部分进入第一 室，例如第一分室，但可能不到达第二膜，或以少量的浓度达到第二膜。
[0037] "第二室"可理解为将第二室内的第二体积与第二室之外的环境划分开的腔室，例 如盒。第二室理解为与第一室相邻设置或被第一室部分环绕，例如在第一室内。然而本发明 包括以下内容：第二室在定界壁上可具有一个或多个通孔，例如为电线或膜的开口。然而， 一般来说，第二室不允许从第二室外部至第二室内部的流体通道。在具体的实施方案中，第 二室可包含由至少部分玻璃形成的壁。在具体的实施方案中，第二室可包含由至少部分聚 合物材料，例如聚醚醚酮（PEEK)形成的壁。
[0038] 应理解的是，在本发明的语境中"相邻"不被理解为对其中整个第一室是密切连接 的例如边界、第二室的实施方案的限制。在某些实施方案中，第一室可包含与第二室距离较 远的部分。此外可理解的是，第一室可被分成数个第一分室，例如被安排用于包含初级物质 的第一分室和用于确保例如从相关体积至第二膜的气体通道的另一个第一分室。在这样的 布置中，样品可通过第一室内的内膜与氧清除剂接触，所述内膜分隔所述第一分室。
[0039] "第二开口"理解为在第二室的壁上的通孔，该通口将第一体积与第二室内的第二 体积连接起来。
[0040] "第二膜"理解为设置在第二开口中的膜材料。第二膜被设置以使第一体积与第二 室内的第二体积隔开。更具体地，设置第二膜以填充第二开口，以堵塞从第一体积至第二体 积的任何不能穿透第二膜的物质的通道。应理解的是，第二膜可涉及分隔两种流体的薄的 膜状结构，所述两种流体例如是第一体积中的液体或气体，和第二体积中的液体或气体。然 而，也应理解的是，第二膜可作为选择性屏障，允许一些颗粒或化学品穿过但不允许其他物 质穿过。特别地，理解为，所述第二膜可渗透一氧化二氮。在具体的实施方案中，所述第二 膜可包含娃树脂，例如由娃树脂组成，所述娃树脂例如是可从Dow Corning得到的产品编号 为732或734的硅酮密封剂中的至少一种。使用硅树脂作为第二膜材料的一个可能的优势 可能是其结合了对玻璃良好的粘附和对N 20的高渗透性。
[0041] "工作电极"在本领域中是已知的，且理解为是在其上发生感兴趣的反应的电化学 传感器的电极。可被理解的是，一氧化二氮的还原发生在工作电极处。可被理解的是工作 电极可理解为阴极电极或阴极。
[0042] "参比电极"是本领域中是已知的，且理解为在测量和控制工作电极电位方面作为 参比的电化学传感器的电极。可被理解的是，参比电极在本申请中可被提及作为阳极电极 或阳极。在具体的实施方案中，在参比电极中或其上可使用银（Ag)。
[0043]"保护电极"理解为附加电极，例如附加阴极，其被配置以去除从第二室向工作 电极扩散的氧。在具体的实施方案中，工作电极被稍微朝向第一室的一端设置，例如具 有第二开口的端，例如靠近第二开口，且保护电极被设置在工作电极和第一室的中间部 分之间 ° 在 "An oxygen microsensor with a guard cathode"，NP Revsbech, Limnol. Oceanogr.，34 (2)，1989, 474-478中描述了保护电极，在此该文章通过引用并入本文。
[0044] "电解质"理解为含离子的液体。电解质理解为是导电的。应理解的是，电解质使 参比电极和工作电极电连接。电荷载体是溶解的离子化合物。
[0045] "非质子溶剂"在本领域是已知的，且理解为是不能提供质子的溶剂。其实例包 括碳酸丙烯酯、二甲基亚砜（DMS0)、乙腈（MeCN)、二甲基甲酰胺（DMF)、丙酮、乙酸乙酯 (EtOAc)、四氢呋喃（THF)。本发明者已发现在所述传感器中使用非质子溶剂的一个优势可 能是降低了零值电流，因为更少的质子可还原成H 2分子。
[0046] "离子化合物"理解为通过离子作用力结合在一起的化合物。然而，离子化合物可 溶解在一些流体中，例如TBA-I溶解在碳酸丙烯酯中以形成TBA离子和碘离子。
[0047]"用于阻止氧通过的装置"理解为阻止氧从相关体积，例如所述传感器的外部，经 过第一膜、第一体积和第二膜通过的装置。因此可理解的是，用于阻止氧通过的装置能够基 本保持来自相关体积的氧在第二体积之外。用于阻止氧通过的装置可通过例如在氧达到第 二体积之前封阻或降解氧来起作用。用于阻止氧通过的装置可包含初级物质，例如降解氧 的化学活性实体，例如氧清除剂。在另一个实施方案中，用于阻止氧通过的装置可为不可渗 透氧的选择性屏障。
[0048] 在一个具体的实施方案中，"用于阻止氧进入第二体积的装置"包含"用于阻止氧 扩散的装置"，其被理解为阻止氧扩散的装置，例如从相关体积如从所述传感器的外部通过 第一膜、第一体积和第二膜的氧的自由扩散。用于阻止氧扩散的装置可包含初级物质，例如 降解氧的化学活性实体，例如氧清除剂。在另一个实施方案中，用于阻止氧扩散的装置可为 不可渗透氧的选择性屏障。
[0049] 然而，用于阻止氧进入第二体积的装置不仅限于阻止氧的扩散，在某些实施方案 中也可被配置以阻塞被活跃地引入第一室的样品中的氧通道。
[0050] 在具体的实施方案中，提供一种电化学传感器，其中样品