專利名稱：：基于碳納米管的全固體接觸離子選擇性電極的制作方法
技術領域：
：本發明處于電化學領域內，尤其涉及基于全固體接觸離子選擇性電極的電化學傳感器。具體而言，本發明涉及一種基于碳納米管的全固體接觸離子選擇性電極。所述電極允許以良好的再現性和可靠性，對極多種不同分析物進行定性、定量或半定量分析。
背景技術：
：現有技術中眾所周知的是，離子選擇性電極或ISE已用于各種分析物的定性或定量分析，盡管其最初是用來分析溶液中的離子濃度。常規構造包括在離子選擇性薄膜和所產生電信號的導電元件之間的內部轉導溶液，它能夠將離子流變換為電流(EricBakker，Ern6PretSch，TrendsinAnalyticalChemistry,24(2005)，199-207，"Potentiometricsensorsfortrace-levelanalysis")。然而，該構造不適于某些應用，尤其是小型化電極，由于這個緣故內部溶液已被固體接觸所代替，從而引起了全固體接觸ISE或全固體狀態ISE的發展。因此，新的離子選擇性電極的生成或許可能利用固體內部接觸來構建。這是由于與包含內部溶液的那些電極相比，這些全固體接觸電勢電極在提供更簡單小型化和構造的可能性方面具有明顯的優點(PretschE.，TrAC26(2007)，46-51，"Thenewwaveofion-selectiveelectrodes")。在某些情況下，離子選擇性薄膜(membrane)直接沉積在導電元件上，這就是具有涂覆線材電極或CWE的情況，盡管響應稍微有點不穩定，并且薄膜對金屬的粘著性降低。在其他情況下，使離子選擇性薄膜經由導電性聚合物或CP層與導電元件接觸。該聚合物層充當內部轉導器，將離子流轉換為電流。在其他聚合物當中，聚吡咯、聚噻吩或聚苯胺，適當摻雜后用作導電性聚合物，例如摻雜有氯陰離子的聚吡咯，或摻雜有氰亞鐵酸鹽陰離子的聚卩比咯(AgataJ.Michalska，CharlesAppaih-Kusi，LeeYookHeng，SebastianWalkiewicz禾卩ElizabethA.H.Hall，Anal.Chem.，76(2004)2031-2039，"AnExperimentalStudyofMembraneMaterialsandI皿erContactingLayersforIon-SelectiveK+ElectrodeswithaStableResponseandGoodDynamicRange")。盡管導電性聚合物用作在離子選擇性外部薄膜與所生成電信號的導電元件之間的轉導器提高了全固體接觸電極的穩定性這一事實，但對于每種個別應用來說仍然需要一種優化導電性聚合物摻雜的方法，以便使離子流到電流的轉導最大化(Bobacka，電解分析(J.Electroanalysis)，18(2006)7-18，"基于導電性聚合物的固態離子選擇性電極(Conductingpolymer-basedsolid-stateionselectiveelectrodes)，，；Michalska,A.，生物分析化學(Anal.Bioanal.Chem.)，384(2006)391-406，"帶有基于導電性聚合物的離子-電子轉導器的ISE的分析性能和構建的優化(OptimizingtheanalyticalperformanceandconstructionISEswithconductingpolymer—basedion_to_electrontransducers)，，)。現有技術中，仍然需要能夠克服現有技術缺陷的新固體接觸ISE。本發明人已經發現，將基于碳納米管(CNT)的層用作內部轉導器，它將使傳感層(離子選擇性薄膜等)與導電元件接觸，從而產生全固體接觸ISE，它為極多種不同化學物質的定性或定量分析帶來極佳優點，即低檢測級別、低響應時間和高度的選擇性。這些新的全固體接觸ISE也非常易于開發，因此它們的成本非常合理。現有技術中，碳納米管由于它們得自其化學結構的非凡特性而知名。對于電化學傳感器領域，它們最有意義的一些特性是表面與容量之間非常高的比率，以及它們促進多相之間電荷轉移的強大能力(Davis等人，J.Electroanal.Chem.1997，440，279-282;Luo等人Anal.Chem.2001，73，915-920;Britto等人，AdV.Mater.1999，11(2)，154-157)。利用這些特性，CNT已經被用作場效應晶體管(FET)(PostmaHWCh，Science293(2001)76-79，"CNTsingle-electrontransistorsatroomtemperature")、電容器(SnowES，Science,307(2005)1942-5，"Chemicaldetectionwithasingle-walledcarbonnanotubec即acitor")和串聯的納米電極，其已應用于伏安法測定分析(TuY，Electroanalysis，17(2005)79-84，"CarbonNanotubesBasedNanoelectrode.ArraysFabrication'')。此夕卜，美國專利申請2006/0200044描述了一種以非電勢測定技術來測量葡萄糖水平的碳納米管微電極，并且在美國專利申請2004/0146863中，碳納米管被用作一種在采用電勢測定技術對分析物進行檢測和量化中使用的常規生物傳感器電極的導電性材料。然而，迄今為止還沒有人將CNT用作電勢測定分析中的轉導器。Ka卿gen等人，(Ka卿genM.，RothS.，JElectroanal.Chem586(2006)72-76，"Transparentandflexiblecarbonnanotube/polyanilinepHsensors，，)將CNT包括作為PH電極的部件；然而，正如作者他們自己清楚表明的，碳納米管被用作導電性聚合物層(聚苯胺)的支撐結構，它同時充當傳感層，假定氧鎗(oxonium)離子與聚苯胺的氨基相互作用，并且由于其作為導電性聚合物的特性而作為轉導器層(transducerlayer)。因此，不能預料到在極多種不同的全固體接觸ISE中把CNT用作內部轉導器層，它能夠將源自傳感層(根據要檢測或量化的分析物的各種特性)的化學信號有效地轉換為可以被測量的電信號。然而，本發明人已首次說明了CNT可以在多種不同的全固體接觸ISE中充當高度活性的轉導器，其特征在于，通過包含基于碳納米管的中間層，實現來自相應傳感層的化學信號朝向導電性元件的轉導。因此，本發明提供了一種替代的全固體接觸ISE，它使得以可靠和可再現的方式，對極多種不同化學物質進行檢測或量化成為可能，還具有源于其簡單性和低制造成本的額外優勢。發明目的因此，本發明旨在提供全固體接觸(all-solid-contact)ISE，它包括使傳感層和導電元件接觸的碳納米管的轉導器層(transducerlayer)。本發明的另一目的在于提供該全固體接觸ISE的制備方法。本發明的最終目的在于提供該全固體接觸ISE用于對分析物進行定性、定量或半定量分析的用途。附圖簡述圖la示出了本發明的全固體接觸ISE的轉導器層，其由"細篩(lawn)"或"意大利式細面條(spaghetti)"型網絡形式的若干碳納米管組成。圖lb表示本發明的全固體接4觸ISE的轉導器層，其由"毛刷(brush)"型垂直網絡形式的若干碳納米管組成。圖2示出了可以形成本發明全固體接觸ISE的轉導器層的單壁碳納米管(SWCNT)和多壁碳納米管(麗NT)。圖3示出了在本發明全固體接觸ISE中用作轉導器層的納米管網絡的AFM(原子力顯微鏡)圖像。圖4示出了包含各種基底的本發明全固體接觸ISE的三種可能構造。圖5示出了本發明的全固體接觸ISE對鉀離子活性對數的電勢響應(potentiometricresponse)(電云力勢，EMF=零電流下的電壓)。圖5bis示出了本發明的全固體接觸ISE對鉀離子活性某一范圍內(_4.5和_1.5之間)鉀離子活性對數的電勢響應(電動勢，EMF=零電流下的電壓)。圖6示出了本發明的全固體接觸ISE對時間的電勢響應(電動勢，EMF=零電流下的電壓)。圖7示出了本發明的全固體接觸13￡對于隨時間變化抽取的1(+的不同活性的電勢響應(電動勢，EMF=零電流下的電壓)。圖8示出了本發明的全固體接觸ISE的傳感層中使用的a-凝血酶15_基適體(a-thrombin15_mer即t咖er)。圖9示出了本發明的全固體接觸ISE的，用羧基官能化并且用EDC(l-乙基-3-[3-二甲基氨基丙基]碳二亞胺鹽酸鹽)活化的單壁碳納米管(SWCNT)。圖10示出了本發明的全固體接觸ISE的，共價鍵合到(a-凝血酶)選擇性適體的單壁碳納米管(SWCNT)。圖11示出了本發明的全固體接觸ISE對于隨時間變化的凝血酶不同濃度的電勢響應(電動勢，EMF=零電流下的電壓)。發明詳述本發明提供一種全固體接觸ISE，它包括使傳感層與導電元件接觸的碳納米管的轉導器層，在下文中稱作"本發明電極"。如上所指出的，術語離子選擇性電極或ISE是由于假定最初的電極只具有經由以介入的電荷為特征的力介入來識別離子的能力的歷史原因而建立的。然而，當今這些設備識別許多更多種離子或分子(例如參見BakkerE.等人，ChemRev.97(1997)3083)。因此，在本發明的范圍內術語"全固體接觸離子選擇性電極"是指對各種分析物有選擇性的全固體接觸電極，所述分析物例如無機陽離子(堿金屬，堿土，過渡金屬等的)、無機陰離子(碳酸鹽，硫氰酸鹽(tiocyanate)，亞硝酸鹽，羥基類(hydroxyl)，磷酸鹽，硫酸鹽，亞硫酸鹽，氯化物等)、有機陽離子(苯乙胺，萘乙胺，麻黃堿，苯異丙胺，普萘洛爾(propanolol)等)、有機陰離子(水楊酸鹽，鄰苯二甲酰鹽，順丁烯二酸等)、中性分析物(二氧化碳，氨等)、低分子量有機分子(殺蟲劑，殺真菌劑，糖類，維他命，核酸片段等)、高分子量有機分子(蛋白質，多糖類，酶，抗體等)或細胞(病毒，細菌，真菌等)。如上所指出的，碳納米管負責信號的轉導。因此它們將傳感層中發生的化學識別事件轉換為電信號，該電信號經由導電元件向外部設備發送。該導電元件由特征在于具有非常高導電性的固體材料組成。最典型的實例是金屬導體(銅、鉬或其他金屬制成的導線或電纜)，盡管也使用諸如石墨或導電性聚合物的有機導體。該導電元件通過直接接觸或者5通過作為復合導體(Ag/AgCl等)的粘性元件(也是導體)接合到納米管的轉導器層。因此所生成的電信號是電動勢，換句話說是電勢(與另一參比電極相比)，該電勢在不存在顯著電流的情況下，用具有高內部阻抗的電位計來測量。在本發明電極的具體實施方式中，碳納米管的轉導器層由一個或多個碳納米管形成。當它由若干碳納米管形成時，這些納米管可以采用"細篩(lawn)"或"意大利式細面條(spaghetti)"網絡的形式(圖la)，或者垂直"毛刷(brush)"網絡形式(圖lb)，或者其他布置。此外，碳納米管可以具有各種不同長度和直徑。另外，它們的空間螺旋特性(chirality)可以改變，從而產生非導電性、半導體或金屬納米管。同樣，碳納米管可以用或者可以不用其他原子、分子、納米微粒或其他組分來官能化。在本發明電極的另一具體實施方式中，轉導器層的碳納米管選自單壁碳納米管和多壁碳納米管。單壁碳納米管(SWCNT)是由巻起來的單一石墨層構成的圓柱體，其直徑在小于lnm至3nm之間且長度最高達幾微米。多壁碳納米管(麗CNT)由若干個同心的單壁碳納米管構成，并且具有變化的直徑。圖2示出了這種單壁和多壁納米管的代表。本發明電極還可以使用其他結構特征的碳納米管，比如竹子型碳納米管。在本發明電極的具體實施方式中，碳納米管的轉導器層的厚度在1.5nm至50ym之間。在優選實施方式中，碳納米管的轉導器層的厚度在lym至30ym之間。在更優選實施方式中，碳納米管的轉導器層的厚度為15ym。再者，本發明電極的傳感層可以由不同的組成部分構成，并且應當由專家根據所需應用來選取。因此，對于傳感層而言，可以使用對離子或其他分析物有選擇性的固體晶體或聚合體的薄膜，它包裹著轉導器層并且其中包含能夠識別所述分析物的化學物質(有時也稱作離子載體(ionophore)或離子載運體)。由成對物質形成的眾多例子在文獻目錄中有所描述識別要被分析的分子-分子或離子，允許該領域的專家為各應用選擇適當的離子載體。最常見的類型是包含離子載體的類型，例如纈氨霉素，它用來分析鉀，因為該分子能夠與鉀離子形成選擇性配合物。關于離子選擇性薄膜(membrane)的基質，它可以是聚(氯乙烯)(PVC)、或者丙烯酸衍生物例如丙烯酸正丁酯(n-BA)或甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸二甲酯(MMA-DMA)。傳感層還可以由在它們的結構中包含能夠識別所需分析物的化學物質的凝膠構成，通過被稱為"捕獲"的方法捕獲到它們的基質中。可以使用許多類型的凝膠，但是最常見的是通過金屬醇鹽(Si-OR)當其與水混合時的水解來形成。該過程用下述反應來描述<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>在階段1，醇鹽與水反應(水解)以產生連接到Si原子上的醇基團(sylanol)和堿(R0H)。在階段2a，相鄰的硅醇基(sylanol)縮合以形成具有-Si-O-Si-結構整體的聚合體(凝膠)。在階段2b，硅醇基還可以與最初的醇鹽相互作用以形成階段2中的凝膠。—旦給定了基質的多孔性質，它具有膠質的外觀，"捕獲的"傳感器物質保持為易接近的(accessible)，并且可以與試樣中要分析的化學物質相互作用。例如，可以通過將乙酰膽堿酯酶同樣用作識別元素來分析氨基甲酸酯(BucurB.等人，Anal.Chim.Acta562(2006)115-121，"Biosensorsbasedonhighlysensitiveacetylcholinesterasesforenhancedcarbamateinsecticidesdetection")。類似地，傳感層可以由半滲透性薄膜形成，它封住或包住分析物識別物質，換句話說，它不在其核心處包含識別物質，而僅僅是通過包圍它們來見效。舉例來說，這種半滲透性薄膜具有透析中使用的類型(乙酸纖維素)或者使用特氟隆(對某些氣體有選擇性)、Nafion、聚氨基甲酸酯、或聚碳酸酯來制成。這是用來開發帶有在氧電極上沉積的包封薄膜的最早葡萄糖生物傳感器的先有技術。傳感層還可以由借助于范德華或其他類型(疏水力，氫鍵等)的弱化學鍵，直接或間接地(鍵合到吸附在碳納米管上的其他化合物)吸附在碳納米管上的化學分析物識別元素所組成。一個非常常見的實例是免疫球蛋白，其充當抗體，并且其為強力吸附在碳納米管表面上的蛋白質。一旦吸附，它們能夠通過相應的抗原-抗體的識別反應來識別想要的分析物(按照生物化學術語，抗原)，其可以是另一種蛋白質、細菌、病毒等。可選地，傳感層可以由經由共價鍵通過直接共價鍵或者通過所謂的"交聯劑"連接至碳納米管自身的化學分析物識別元素組成。其實例是碳納米管通過氧化而用羧基官能化，基團可以與其他分子發生化學反應，直到與傳感分子例如對分析物有選擇性的適體形成共價鍵。適體是RNA或DNA的小的寡核苷酸，它通常含有少于100個堿基。在寡核苷酸的鏈中基本單元(磷酸鹽-糖類-嘌呤或嘧啶堿基)廣泛多樣的可能排列，連同它們可以采用的很多三維形態一起，是這樣的特性，該特性允許適體非常有選擇性地鍵合到要被分析的不同分析物上，所述分析物的范圍可以從離子和小分子到蛋白質或完整細胞。此外，用羧基官能化的納米管可以與其他分子發生化學反應，直到與傳感器分子形成共價鍵，例如，能夠識別帶有硫醇基團(-SH)的分析物或其他類型感興趣的分析物的納米顆粒(Katz，ChemPhysChem，2004，5，1084-1104，"Biomolecule-functionalizedCNTs")最終，它們可以被應用由能夠識別所感興趣分析物的化學實體形成的傳感層，進而與碳納米管直接或間接接觸(例如通過介入的薄膜)，該分析物例如分子印跡聚合物(MIP)、適體、DNA或RNA等的片段。在這些識別元素經由介入的薄膜放置得非常靠近碳納米管的情況下，CNT涂覆有非常薄的聚合物薄膜(例如聚對二甲苯)，該聚合物薄膜擁有通過它們鍵合到MIP或DNA片段上的官能團。因此，在本發明電極的具體實施方式中，傳感層選自離子選擇性薄膜、帶有在其基質中捕獲的分析物識別元素的凝膠、帶有包封的分析物識別元素的半滲透性薄膜、吸附在碳納米管上的分析物識別元素層、共價鍵合到碳納米管上的分析物識別元素層和通過介入的薄膜與碳納米管接觸的分析物識別元素層。在優選實施方式中，傳感層是含有離子載體的離子選擇性薄膜。在更優選實施方式中，傳感層是含有纈氨霉素作為離子載體的鉀離子選擇性薄膜。本發明電極的傳感層在任何情況下都不會同時是傳感層和轉導器，像Kaempgen的聚苯胺層那樣(Kaempgen2006，supra)。在本發明電極的具體實施方式中，傳感層的厚度在O.1至1000iim之間。在優選實施方式中，傳感層的厚度在1至100iim之間。在更優選實施方式中，傳感層具有50iim的厚度。在具體實施方式中，本發明電極也包括基底，在其上沉積碳納米管層，或者例如以絕緣管的方式在其末端含有在碳納米管的轉導器層上沉積的傳感層。該基底可以是或者也可以不是導體，例如PVC或Si02基底，或者可以具有導體性質，例如金屬基底(Pt，Ag，Cu等)，或者玻璃化碳基底或其他導電性材料基底。這些基底可以具有不同的幾何形式。因此，它們可以配置為導線或電纜、管、纖細的或較厚的層，或者采取其他設計。該基底是任選的，因為在某些情況下，碳納米管自身可以以它們自身或者通過形成復合材料的一部分充當基底。本發明的全固體接觸選擇性電極的整體尺寸從由單個碳納米管或幾個碳納米管形成的宏觀尺寸(按cm或mm測量)到納米級尺寸(按nm測量)不等，在之間還有微觀尺寸(按ym測量)。在各種情況下，碳納米管轉導器層、傳感層、以及只要在可適用情形下基底的測量，都能夠得以適應。圖4示出了帶有基底的本發明電極的三種可能構造。圖4a)表示圓柱型非導電性基底，在其上沉積了碳納米管的轉導器層，進而在之上沉積了傳感層。圖4b)表示絕緣管形式的非導電性基底，在其末端含有在碳納米管的轉導器層上沉積的傳感層。圖4c)表示薄片型非導電性基底，在其上沉積了碳納米管的轉導器層，進而又在之上沉積了傳感層。在本發明的另一方面，提供一種用來制備前述全固體接觸ISE的方法，該方法包8括下述階段(a)制備碳納米管的轉導器層，禾口(b)使階段(a)中制備的轉導器層與傳感層接觸。在具體實施方式中，在方法的階段(a)中，能夠通過碳納米管的粉末壓制來制備轉導器層。在本發明電極包括在其末端含有在碳納米管轉導器層上沉積的傳感層的管型基底的情況下，其能夠通過首先將構成導電元件的固體圓盤附著到管末端來制備。關于處于"頭低(headdown)"的電極，在適當溶劑(例如，單壁碳納米管可以在二甲基甲酰胺中分散)中分散的碳納米管在該圓盤上沉積。一旦該溶劑已經揮發，留下了交聯的納米管層，其構成轉導器層。最終，使該轉導器層與傳感層接觸，通過沉積特征在于它所處位置的溶液液滴，將傳感層沉積在轉導器層之上。一旦傳感層的溶劑已經揮發，其以與在其他電極設計中涂覆納米管的方式類似的方式，完全地涂覆轉導器層。在本發明電極包括在其上沉積碳納米管的轉導器層的情況下，可以通過任何適當的沉積方法在基底上沉積該層。因此，在具體實施例中，在方法的階段(a)中，通過氣溶膠噴霧、沉積液滴、浸泡(immersion)或浸漬(impregnation)，用碳納米管的懸浮液來涂覆基底，從而制備轉導器層。該懸浮液例如通過在包括表面活性劑(例如十二烷基硫酸鈉，SDS)的極性溶劑(例如水或醇)中分散碳納米管粉末來制備。因此，表面活化劑包圍各個納米管，并確保它們在溶劑的極性介質中良好地分散。其他分散方法使用弱極性溶劑，例如二甲苯或氯苯。為了確保于這些后述溶劑的良好分散，要求超聲處理即高頻振動，使得自然地易于聚集在一起的納米管完全分散。碳納米管粉末可以在市場上獲取，實例包括由CarbonSolution,Inc.，HELIXMaterialSolutions或NTP公司銷售的類型；或者它可以例如在存在二氧化硅晶片作為催化劑的情況下，在90(TC的溫度下，由甲烷通過化學氣相沉積(CVD)來制備。在方法的階段(b)中，使制備好的轉導器層與傳感層接觸。因此，使離子選擇性薄膜通過浸漬(impregnation)與納米管層接觸，該浸漬為特征在于以下的的方法碳納米管結構或者涂覆有碳納米管層的基底在含有溶于適當溶劑的薄膜的濃溶液中浸沒。然后將其去除，留下與其粘附的薄膜并干燥。也使用特征在于以下的沉積技術含有薄膜的該濃溶液的液滴在納米管層上沉積。在含有于它們的基質中捕獲的分析物識別元素的凝膠的情況下，"原位"合成這些。因此，如上所指出的，一旦其單體組分通過浸漬(impregnation)在轉導器層上沉積，就形成凝膠。通過含有分析物識別元素的溶液液滴在碳納米管的轉導器層上沉積，使帶有包封的分析物識別元素的半滲透性薄膜與碳納米管的轉導器層接觸，分析物識別元素能夠在納米管上自身吸收，并且通過用先前制備的半滲透性薄膜完全地覆蓋它來完成整體的后繼密封。通過例如在包含有蛋白質作為識別元素的溶液中浸沒(submerging)碳納米管結構或者涂覆有碳納米管層的基底，簡單地使在碳納米管上吸收的分析物識別元素與碳納米管接觸。弱相互作用力例如范德華力或其他的那些確保了蛋白質在碳納米管的表面上被吸收。當分析物識別元素與碳納米管中包含的官能團發生化學反應時，分析物識別元素共價鍵合到碳納米管。例如，在包含具有氨基的識別分子的溶液中，浸沒(submerging)被基團-COOH官能化的碳納米管結構，或者浸沒涂覆有被-COOH官能化的納米管層的基底。這導致酰胺的化學形成，由此識別分子以穩定的方式鍵合到碳納米管上。在通過介入薄膜(interposedmembrane)使分析物識別元素層與碳納米管接觸的情況下，所述薄膜通過單體的"原位"聚合在碳納米管上沉積，接著該薄膜的官能團與識別分子以類似于先前部分所描述的方式發生共價反應。在本發明的另一方面，將提供前述全固體接觸ISE用于分析物的定性、定量或半定量分析的用途。如先前所指出的，這些分析物可以是無機陽離子或陰離子、有機陽離子或陰離子、中性分析物、具有低分子量的有機分子、具有高分子量的有機分子或細胞。在具體實施方案中，分析物是離子。因此，在測量條件下，對離子物質進行所述分析(例如，苯異丙胺只是來自約9.9的測量ra的離子)。在優選實施方案中，分析物是鉀離子。下述實施例說明本發明，但絕不構成對本發明范圍的限制。實施例1制備全固體接觸ISE，以用單壁碳納米管的轉導器層和鉀離子選擇性薄膜分析鉀對于傳感層，使用含有纈氨霉素作為離子載體的鉀離子選擇性薄膜。所使用的鉀選擇性薄膜根據科學文獻(LYHeng和EA.H.Hall，ACA403(2000)77-89，"Methacrylic-acrylicpolymersinion-selectivemembranes-achievingtherightpolymerrecipe")中描述的方法來構建，并且含有1.6重量％(20.lmmolkg-l)的纈氨霉素、0.5重量％(5.lmmolkg—1)的親油性陰離子(四(4-氯苯基)硼酸鉀)(KTC1PB)和97.9重量％的甲基丙烯酸甲酯_甲基丙烯酸二甲酯MMA-DMA單體。將200mg的該混合物溶解于2ml的二氯甲烷。為了制備電極，將1重量％的單壁碳納米管(SWCNT)在十二烷基硫酸鹽中的懸浮液以氣溶膠形式噴霧(Kaempgen2006，supra)在充當機械基底的PVC絕緣線纜上(Furtado等人，J.Am.Chem.Soc.2004，126，6095-6105，"DebundlingandDissolutionofSingle-WalledCarbonNanotubesinAmideSolvents")。在用大量水洗滌并干燥之后，我們觀測近似厚度為15iim的納米管網絡形成的轉導器層。圖3示出了所制備納米管網絡的AFM(原子力顯微鏡)圖像。通過在上述二氯甲烷溶液中浸泡(immersing)涂覆有納米管層的PVC線纜，在納米管網絡上沉積選擇性薄膜(具有50iim的近似厚度)。圖4a)示出了所制備本發明電極的構造。采用同樣的方法，制備不具有單壁碳納米管的轉導器層的電極作為對照電極。實施例2使用實施例1中制備的全固體接觸ISE分析鉀離子濃度在室溫(22°C)下持續攪動來測量電勢。所使用的參比電極是Ag/AgCl/3MKCI的雙接界電極(MethromAG型6.0729.100)，包含LiAc01M溶液作為鹽橋。實驗在用HN0310一、溶液預處理過夜的100ml玻璃燒杯中進行。測得的所有電動勢(EMF)值都用亨德森(Henderson)方程對測得的液體接界電勢值進行校正。使用德拜-休克爾(Debye-Huckel)近似來計算活性系數。帶有高阻抗輸入的電位計(keithley6514)用來測量電動勢。結果和討論柃測限在各種鉀離子濃度下測量在實施例1中制備的全固體接觸ISE的電動勢或EMF(零電流下的電壓)。在圖5和圖5bis中示出了由離子K+活性連續遞增而獲取的校準曲線(EMF相對于活性的對數)。圖5示出了實施例1的電極對于K+活性的對數的電勢響應(potentiometricresponse)。該電極處于0.01MKCI的條件中1個小時，并且在各次使用期間存儲在相同的溶液中。所獲得的檢測限或LOD為10—55M。當使用對照電極(不帶有單壁碳納米管或SWCNT的轉導期層的全固體接觸ISE)時未獲得任何信號。檢測限(LOD)表示能夠由電極可靠地檢測出的所關注分析物的最小量或濃度。LOD越低，其可靠性越強。它使用所畫出的直線段的交叉點來計算。實施例l中制備的電極可以檢測離子K+的最小濃度為10—5'5M，換言之，與通過帶有基于導電性聚合物的內部轉導期層的全固體接觸ISE所檢測的相比，它能夠檢測的K+離子濃度為每升十分之幾微摩爾的級別。圖5bis示出了在鉀活性的一個對數范圍(_4.5到-1.5)內，實施例1的電極對于K+活性的對數的電勢響應。所得的斜率(gradient)為(58.1±0.4)mV/活性的以10為底的對數(decadeofactivity)，它揭示能斯脫(Nernstian)響應。因此證實了該電極提供與應當在諸如K+離子等正1價離子的檢測中獲得的理論值(59.16mV/活性的以10為底的對數(decadeofactivity))非常類似的響應，換言之，該電極呈現良好的可靠性。選擇性測量電勢選擇性系數K/°t，其中K是所關注的離子(鉀)，J是也能夠被檢測的離子，構成了所紀錄測量中的干擾(interference)。所述系數從數量上反映了電極與除了所關注分析物以外的其他化學物質相互作用的選擇性或能力。表1示出了用實施例1中制備的全固體接觸ISE獲得的選擇性系數，以及用類似的但具有導電性聚合物或CP轉導器層的其他電極獲得的選擇性系數(Michalska，A.，AnalBioanalChem384(2006)391-406，OptimizingtheanalyticalperformanceandconstructionISEswithconductingpolymer-basedion_to_electrontransducers")。表1.實施例1的全固體接觸ISE(CNT轉導器層)和現有技術電極(CP轉導器層)的電勢選擇性系數IonJCNT轉導器層CP轉導器層logKKJpotlogKKJpotLi+—3.9±0.4—4.1Na+-4.1±0.6—4.2NH4+-2.3±0.2-2.0Ca2+-5.2±0.7—4.9Mg2+—5.2±0.4—5.1約低于10—25(logKK/°t<2.5)的選擇性系數表明電極響應不因其他離子的顯著濃度而改變。因此，與帶有導電性聚合物轉導器層的現有技術電極相類，實施例1的全固體11接觸ISE顯示了對鉀離子的良好選擇性。響應時間測量響應時間，該響應時間理解為由實施例1的全固體接觸ISE獲得從引入分析物直至穩定響應的時間。結果在圖6中示出，它表示由實施例1的全固體接觸ISE獲得的隨時間變化的電勢響應(電動勢，EMF二零電流下的電壓)。插圖示出了所選測量范圍的放大圖像。如從圖6中可以觀察到的，在分析物的低濃度下(10—9_10—8)，響應時間為1分鐘。然而，在高濃度下(10—6-10—s)，響應時間幾乎是即時的，低于5秒。因此，與帶有內部溶液的現有技術電極類似，實施例1中制備的電極的響應非常快。響應可靠件在不同的鉀離子濃度下，隨著時間變化，測量實施例1中制備的全固體接觸ISE的電動勢或EMF(零電流下的電壓)。結果在圖7中示出。該電極處于0.01MKCI的條件下l個小時，并且在每次使用之間存儲在同樣的溶液中。圖7示出了本發明電極隨時間變化的響應穩定性由于在這些天測量同樣的溶液，當測量非常低的濃度時，電極響應輕微地發生變化。然而，對于等于或大于10—5M的鉀濃度，所得響應在22天之后是相同的。結果，實施例1的電極顯示了隨時間變化的高度響應穩定性。因此，可以認為，實施例1中制備的全固體接觸ISE對于高于10—55MKCI的濃度而言是可靠和可再現的。實施例3制備全固體接觸ISE，用單壁碳納米管的轉導器層和由共價鍵合到納米管上的適體形成的傳感層分析凝血酶。對于傳感層，使用共價鍵合到轉導器層的碳納米管的適體。具體而言，對于圖8中所表示的a-凝血酶，我們使用15個堿基(GGTTGGTGTGGTTGG)的選擇性適體。在所述圖8中，也可以觀察基本單元的序列和觀察空間排列兩者，以及可以觀察該適體通過其共價鍵合到單壁碳納米管的點。為了制造該電極，采用下述工藝1.SWCNT的凈化遵循Furtado等人的工藝(Furtado等人，2004，supra)，通過用HN032.6M處理4小時以回流。2.在圓柱型非導電性PVC基底上的羧化納米管層(在階段l中通過酸處理引入-COOH基團)(4a的構造)。采用科學文獻(K.Maehashi，T.Katsura，K.Ke皿n，Y.Takamura，K.Mats翻to禾口E.Tamiya，Anal.Chem.79(2007)782-787，"Label-FreeProteinBiosensorBasedonAptamer-ModifiedCarbonNanotubeField-EffectTransistors")中所述的工藝，通過將在包含十二烷基硫酸鈉的水溶液中分散的納米管噴霧來進行沉積。將碳納米管洗滌并干燥，并豎著附著到PVC基底上。3.使羧基活化，以將它們與a凝血酶(識別分子)的15個堿基適體共價鍵合。為了活化，使用諸如EDC(l-乙基-3-[3-二甲基氨基丙基]碳二酰亞胺鹽酸鹽)的碳二酰亞胺型化合物。為此，將包含羧化納米管的PVC基底置于EDC的水溶液中，獲得如圖9中所示的官能化和活化的納米管。4.遵循參考文獻(Hye-MiSo，Jeong-0Lee等人，J.Am.Chem.Soc.127(2005)11906-11907"Single-WalledCarbonNanotubeBiosensorsUsingAptamersasMolecularRecognitionElements")中示出的圖表，制造用EDC活化的納米管，以在水溶液(將其上具有活化納米管層的PVC基底引入到溶液中)中于室溫下與凝血酶選擇性適體的氨基起反應，獲得共價鍵合到凝血酶適體(識別分子)上的納米管，如圖10所示。實施例4使用實施例3中制備的全固體接觸ISE分析a-凝血酶的濃度在室溫(22°C)下通過持續攪動來測量電勢。所使用的參比電極是Ag/AgCl/3MKCI的雙接界電極(MethromAG型號6.0729.100)，包含有LiAcO1M溶液作為鹽橋。在用麗0310—、溶液預處理過夜的100ml玻璃燒杯中進行實驗。測得的所有電動勢(EMF)值都用亨德森(Henderson)方程對測得的液體接界電勢值進行校正。使用德拜-休克爾(Debye-Huckel)近似來計算活性系數。帶有高阻抗輸入的電位計(keithley6514)用來測量電動勢。結果和討論a-凝血酶的檢測各種濃度的a-凝血酶下，隨著時間變化測量在實施例3中制備的全固體接觸ISE的電動勢或EMF(零電流下的電壓)。結果在圖ll中示出。為此，首先在對應于生理pH(pH=7.4)的磷酸鹽緩沖溶液中浸沒該電極，并且觀察到由構成電極提供的電動勢保持恒定。在9分鐘之后，我們將在磷酸鹽緩沖液中溶解的a-凝血酶的溶液加入到該溶液中，以使溶液的總濃度為8nM。觀測到響應的顯著變化，它在小于1分鐘的時間內穩定。對濃度為16、24和32nM的a-凝血酶重復該操作。在圖11中，可以觀察到電極正確地響應不同濃度的所選分析物，直到所有適體都與凝血酶反應，導致電極飽和。因此，實施例3的電極對于將凝血酶的濃度計算到與血液中發現的同樣量級是有用的。權利要求一種全固體接觸ISE，其特征在于，它包括使傳感器層和導電元件接觸的碳納米管轉導器層。2.根據權利要求1所述的電極，其特征在于，所述碳納米管轉導器層由一個或多個碳納米管形成。3.根據權利要求2所述的電極，其特征在于，所述碳納米管選自單壁碳納米管和多壁碳納米管。4.根據權利要求l所述的電極，其特征在于，所述碳納米管轉導器層的厚度在l.5nm至50iim之間。5.根據權利要求4所述的電極，其特征在于，所述碳納米管轉導器層的厚度在lym至30踐之間。6.根據權利要求5所述的電極，其特征在于，所述碳納米管轉導器層具有15iim的厚度。7.根據權利要求1所述的電極，其特征在于，所述傳感層選自離子選擇性薄膜、帶有在其基質中捕獲的分析物識別元素的凝膠、帶有包封的分析物識別元素的半滲透性薄膜、在碳納米管上吸收的分析物識別元素層、共價鍵合到碳納米管的分析物識別元素層和通過介入薄膜與碳納米管接觸的分析物識別元素層。8.根據權利要求7所述的電極，其特征在于，所述傳感層是離子選擇性薄膜。9.根據權利要求8所述的電極，其特征在于，所述傳感層是鉀離子選擇性薄膜。10.根據權利要求1所述的電極，其特征在于，所述傳感層的厚度在O.1至1000ym之間。11.根據權利要求10所述的電極，其特征在于，所述傳感層的厚度在l至100iim之間。12.根據權利要求11所述的電極，其特征在于，所述傳感層具有50ym的厚度。13.根據權利要求1所述的電極，其特征在于，它包括基底。14.根據權利要求13所述的電極，其特征在于，所述基底是導電性基底。15.根據權利要求13所述的電極，其特征在于，所述基底是非導電性基底。16.根據權利要求1-15所述的全固體接觸ISE的制備方法，其特征在于，所述方法包括(a)制備碳納米管轉導器層，禾口(b)使階段(a)中制備的轉導器層與傳感層接觸。17.根據權利要求16所述的方法，其特征在于，在階段(a)中，通過經由氣溶膠噴霧、沉積液滴、浸泡或浸漬用碳納米管的懸浮液涂覆基底，從而制備所述轉導器層。18.根據權利要求16所述的方法，其特征在于，在階段(a)中，通過碳納米管的粉末壓制來制備所述轉導器層。19.根據權利要求1-15所述的全固體接觸ISE用于分析物的定性、定量或半定量分析的用途。20.根據權利要求19所述的用途，其特征在于，所述分析物是離子。21.根據權利要求20所述的用途，其特征在于，所述分析物是鉀離子。全文摘要本發明限定了固體接觸離子選擇性的電極，其包括使傳感器層和導電元件接觸的碳納米管轉導器層。此外，本發明還限定了所述固體接觸離子選擇性的電極的制備方法及其用于分析物的定性、定量或半定量分析的用途。所述固體接觸離子選擇性的電極可靠地和可再現地檢測或量化多種不同化學物質，并且還具有來源于其簡單性和低制造成本的額外優勢。文檔編號G01N27/333GK101796404SQ200880101055公開日2010年8月4日申請日期2008年5月27日優先權日2007年5月29日發明者加斯頓·阿德里安·克雷斯波·帕拉巴諾,圣地亞哥·馬喬·阿巴里西奧,弗朗斯克·沙維爾·瑞斯費洛斯,約第·瑞奧·拉塞爾申請人:洛維拉·依維爾基里大學
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