CN105353018A - 一种多项离子生化分析干片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多项离子生化分析干片及其制备方法，属于血气生化传感器技术领域，用于检测体液中的钠离子、钾离子、钙离子、氯离子、二氧化碳浓度。干片包括支撑层、钠离子选择电极、钾离子选择电极、钙离子选择电极、氯离子选择电极、二氧化碳选择电极、参比电极、中间层、盐桥、顶层。盐桥密封于中间层与顶层之间，分别将钠离子、钾离子、钙离子、氯离子、二氧化碳选择电极和参比电极与支撑层、中间层和顶层粘接组装成干片。测试时参比液与测试液通过盐桥的渗透作用相互导通。本发明干片能同时测量待测液中钠离子、钾离子、钙离子、氯离子和二氧化碳浓度，操作简单、响应速度快、体积小，且制备工序简单、生产成本低，适合工业化生产。

Description

一种多项离子生化分析干片及其制备方法

技术领域

本发明涉及血气生化传感器技术领域，特别是涉及一种多项离子生化分析干片及其制备方法。

背景技术

人体体液中的钠、钾、钙、氯离子和二氧化碳等参与体内许多重要的功能和代谢活动，对维持正常生命活动起着非常重要的作用，电解质和酸碱平衡紊乱可使全身各器官特别是心血管系统、神经系统的生理功能和机体的物质代谢发生相应的障碍，甚至危及患者生命。

目前临床上检测体液中钠、钾、钙、氯离子和二氧化碳浓度多采用传统的离子选择电极。传统离子选择性电极的内参比溶液一般采用电解质溶液，只能在较低的温度、压力下工作，另外传统的离子选择电极一次只能检测一种离子浓度，不能快速分析判断人体的电解质紊乱和酸碱平衡紊乱状况，延长了患者的救治时间，且使用和维护复杂、成本高、不易携带，无法满足手术、急诊、野外救护等场合的需求，也无法适应家庭医疗、现代医疗体外诊断器械模式的趋势。

中国专利CN202189033U公开了一种与干式电解质分析仪配套的卡片式电解质测试电极，该专利提供了一种同时测量钠、钾、氯、钙和氢离子浓度方法，但其钠、钾、氯、钙和氢离子电极需配对使用，结构和制备工艺相对复杂。

现有专利基本采用丝网印刷技术制备电极，但丝网印刷制得的金属层纯度不够，表面不均匀，会影响电势的稳定性和响应时间；现有固态离子选择电极中，均选用聚氯乙烯作为离子选择膜的非导电高分子粘结剂（专利CN101852761A、CN104330449A、CN102636532A、CN101871912A、CN102558724A），聚氯乙烯具有较高的强度和化学稳定性，且价格便宜，但其必须添加增塑剂才能确保离子选择膜响应，随着时间的推移，增塑剂和溶解在其中的载体会一起从离子选择膜中渗漏出来，导致离子选择膜响应下限变差，寿命变短。

发明内容

针对现有离子选择电极存在的问题，本发明提供一种多项离子生化分析干片及其制备方法，可同时测量体液中钠、钾、钙、氯离子和二氧化碳浓度，所制备干片测量精度高，长期稳定性好，响应时间短，且结构简单、体积小，制备工艺简单、生产成本低，适合大批量生产。

本发明多项离子生化分析干片包括：支撑层、钠离子选择电极、钾离子选择电极、钙离子选择电极、氯离子选择电极、二氧化碳选择电极、参比电极、中间层、顶层和盐桥。制备工艺如下：（1）制备金属/金属盐电极；（2）在电极上涂布配制好的参比层溶液、离子选择膜溶液制备钠、钾、钙离子选择电极，在电极上涂布配制好的高分子膜溶液制备氯离子电极、参比电极，在电极上涂布参比层溶液、离子选择膜溶液、缓冲层溶液制备二氧化碳选择电极；（3）在顶层设进液口和导气孔，中间层设液池，盐桥密封于中间层和顶层之间；（4）将钠离子、钾离子、氯离子、钙离子、二氧化碳选择电极和参比电极与支撑层、中间层和顶层粘接组装成干片。

支撑层起保护和支撑电极作用，顶层设有进液口和导气孔，中间层设有液池，盐桥密封于中间层和顶层之间；支撑层、中间层和顶层选自聚丙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚酯非导电高分子材料。盐桥为滤纸材料。

钠、钾、钙离子选择电极包括：电极、参比层、离子选择膜。氯离子选择电极和参比电极包括：电极、高分子膜。二氧化碳选择电极包括：电极、参比层、碳酸根离子选择膜、缓冲层。

电极。本发明电极包括金属层和金属盐层。金属盐层与金属层形成界面电位，具有稳定的电势响应。金属层金属选自金、银、铜、汞、铂、镍。金属盐选自金属层金属的不溶性金属盐。金属盐可使用金属层金属的氧化物，例如金属卤化物。优选电极为银/氯化银电极。

电极金属层附着于不导电高分子材料表面，为提高电极的稳定性、缩短响应时间，本发明可以采用真空镀膜、化学镀或电镀的方式制备金属层，优选化学镀法。使用化学镀法，金属层表面均匀，可瞬间建立相界之间的平衡，形成稳定的响应电势，缩短响应时间。金属盐层可以采用化学氧化的方法制得，使用氯化铁或高锰酸钾溶液对金属层进行氧化。

参比层。本发明钠离子、钾离子、钙离子和二氧化碳选择电极参比层包括：粘结剂、表面活性剂、灭菌剂、分散剂、缓冲剂、金属盐。金属盐选用氯化钠和氯化钾复配，氯化钠和氯化钾配比为5:1时，离子选择电极具有最佳响应。同时参比层含水量过高或过低会都会影响参比层与离子选择膜的结合强度，从而降低信号准确性和长期稳定性，参比层最优含水量为30%~40%。

参比层通过层压或涂布的方式直接附着在电极金属盐层上。通过控制参比层干燥时间、温度、湿度固定参比层中氯化钠和氯化钾配比和含水量。优选干燥条件：温度25℃、相对湿度50%、时间40min。

离子选择膜包括：非导电高分子粘结剂、离子载体、载体溶剂、离子干扰剂和表面活性剂。

为降低增塑剂的用量，减少载体流失，提升离子选择膜的长期稳定性，本发明所使用的非导电高分子粘结剂为丙烯酸酯类材料，其物理和机械性能可控，可减少增塑剂的使用，同时其优异的物理性能可提升离子选择膜与固态电解质参比层的粘附性能，改善离子选择电极的响应信号的稳定性。丙烯酸酯具有较低的扩散系数，有利于获得更广的检测范围，且较小的扩散系数有利于载体均匀分散和抑制载体流失，消除载体流失对响应电势的影响，提升了测试的准确性。丙烯酸酯类粘结剂选自丙烯酸乙酯、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸正癸酯中的一种或几种，优选：甲基丙烯酸甲酯，占离子选择膜总质量的15%~35%。

高分子膜。高分子膜包括粘结剂、溶剂、挥发性溶剂、增塑剂、表面活性剂。高分子膜由非导电高分子材料制备，均匀微孔结构，孔径1~3μm，具有较好的纵向扩散系数和渗透性，同时对电极具有保护作用。

高分子膜粘结剂选自聚酰胺、聚烯烃、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚醚醚酮、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、醋酸纤维素、丙酸纤维素、丁酸纤维素中的一种或几种，占高分子膜总质量的30%~50%。

为确保高分子膜的渗透性能，需采用溶剂和挥发性溶剂配合使用的方式制备。溶剂与挥发性溶剂由于沸点不同，高分子膜干燥后会形成均匀的微孔，使高分子膜具有较好的渗透性。溶剂选自二氯甲烷、四氯乙烷、二甲基酰胺、二甲基亚砜。挥发性溶剂选自甲醇、乙醇、丙酮、丁酮、甲苯、四氢呋喃、乙酸甲酯、乙酸乙酯、四氯化碳。通过使用不同沸点溶剂、调节溶剂与挥发性溶剂的配比和优化干燥工艺，控制高分子膜形成固定孔径且均匀的微孔。溶剂与挥发性溶剂的配比优选3:1，优选溶剂与挥发性溶剂分别为：四氢呋喃和二氯甲烷，最佳干燥工艺是：温度25℃、相对湿度25%、时间60min。

缓冲层。缓冲层为碱性，待测液中的二氧化碳、碳酸氢根离子通过缓冲层都转化为碳酸根离子，进而通过测量碳酸根离子的浓度得到待测液中的二氧化碳总量。缓冲层pH范围为7.5~10。

缓冲层包括：粘结剂、缓冲剂、表面活性剂。缓冲层粘结剂选自琼脂、明胶、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯酮、聚乙酸乙酯-乙烯醇、聚氯乙烯-乙酸乙酯-乙烯醇和合成乙烯基高分子亲水性材料中的一种或几种，占缓冲层总质量的40~90%。缓冲剂选自三羧基甲基氨基甲烷、二乙醇胺、2-氨基-2-甲基-1,3-丙二醇酸和缓冲剂、有机酸类缓冲剂中的一种或几种，占缓冲层总质量的0.1%~10%。

每个多项离子生化分析干片包括一个钠离子、钾离子、钙离子、氯离子、二氧化碳选择电极和一个参比电极，测试时参比电极分别与钠离子、钾离子、钙离子、氯离子、二氧化碳选择电极导通，形成回路分别测试待测液钠离子、钾离子、钙离子、氯离子、二氧化碳浓度。

区别于现有专利中离子选择电极，本发明主要优点有：（1）可同时测量待测液中钠离子、钾离子、钙离子、氯离子和二氧化碳浓度，操作简单，大大提升了工作效率；（2）制备的金属/金属盐薄片电极表面均匀，大大缩短电极响应时间，10s之内可以建立平衡，形成稳定的响应电势；（3）通过调整参比层中氯化钠和氯化钾配比、控制参比层含水量，选用丙烯酸酯为钠、钾、钙、碳酸根离子选择膜的高分子粘结剂，提升钠离子、钾离子、钙离子、氯离子和二氧化碳选择电极的测量精度和长期稳定性；（4）氯离子选择电极和参比电极高分子膜采用溶剂与挥发性溶剂配合使用，控制溶剂、挥发性溶剂的配比和干燥工艺，使生成固定孔径且均匀的微孔膜结构，提升氯离子选择电极和参比电极的测量精度、稳定性和响应速度，使多项离子的生化分析干片测量精度高，稳定性好；（5）仅需要一个参比电极配合多个离子选择电极使用，无需离子选择电极配对使用，体积小、结构简单、生产工序少，测试结果稳定，同时大大降低了成本，适于大规模工业化生产。

附图说明

图1为多项离子生化分析干片示意图；

图2为钠离子、钾离子、钙离子、氯离子和二氧化碳选择电极示意图。

具体实施方式

结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，多项离子生化分析干片包括：支撑层1、钠离子选择电极2、钾离子选择电极3、、钙离子选择电极4、氯离子选择电极5、二氧化碳选择电极6、参比电极7、中间层8、盐桥9、顶层10。

如图2所示，钠、钾、钙离子选择电极包括：银层21、氯化银层22、参比层23、离子选择膜24；二氧化碳选择电极包括：银层31、氯化银层32、参比层33、离子选择膜34、缓冲层35；氯离子选择电极、参比电极包括：银层41、氯化银层42、高分子膜43。

具体实施步骤如下：

用化学镀的方法在聚对苯二甲酸乙二醇酯表面镀银层，制备银层21、31、41。

将干燥后的银层21、31、41前2/3段采用化学法进行氧化。将需要氧化部位的接触电极浸泡在0.1mol/L氯化铁溶液中60s后，取出用纯水清洗干净并干燥，既得到氯化银层22、32、42。

参比层涂布。将6g聚乙烯醇，1g甘油，5g氯化钠，1g氯化钾、0.02g柠檬酸，0.02g杀菌剂，0.004g表面活性剂H212溶解于100g水中，将其涂布于氯化银层22、32上，干燥条件：25℃、相对湿度50%、干燥40min。

离子选择膜涂布。将0.1g甲基丙烯酸甲酯，0.1g邻硝基苯辛醚，0.004g离子载体，0.003g四苯硼钠，0.005g表面活性剂H212溶解于丙酮中，将其涂布于参比层23、33上，并室温干燥。

高分子膜涂布。将0.1g聚酰胺，0.2g磷酸三苯酯，0.005g表面活性剂H212溶解于1mL二氯甲烷和3mL四氢呋喃中，将其涂布于氯化银层42上，并在25℃、相对湿度25%环境下干燥60min。

缓冲层涂布。将5g聚乙酸乙酯-乙烯醇，Tris-HCl缓冲剂0.25g，0.02g杀菌剂，0.01g表面活性剂H212溶解于50g水中，将其涂布于碳酸根离子选择膜34上，并干燥。

将盐桥9密封与中间层8和顶层10之间。

取钠离子、钾离子、钙离子、氯离子和二氧化碳选择电极、参比电极按照开孔位置与中间层8对齐并粘接，固化后再与支撑层1粘接组装成干片。

多项离子生化分析干片长期保存条件为：-10~-18℃。

多项离子生化分析干片使用方法，从低温环境下取出时需要在常温下放置1h后使用，测试时保持测试温度37±0.1℃。测试时将干片插入测试槽中，两边孔分别滴加参比液和测试液，所需样本10~20μL，测试时间小于10s。

为了更好的说明本发明的优点，本发明提供1组实验数据，具体如下。

实施例1，用多项离子生化分析干片测试已知离子浓度溶液（钠离子浓度220mmol/L、钾离子浓度2mmol/L、钙离子浓度0.49mmol/L、氯离子浓度65mmol/L、二氧化碳总浓度35.27mmol/L）的响应电势，测量5次，测试结果如下表所示。

干片	钠离子响应电势/mV	钾离子响应电势/mV	钙离子响应电势/mV	氯离子响应电势/mV	二氧化碳响应电势/mV
						1	13.8	-61.6	-96.5	69.9	53.4
2	13.6	-61.6	-96.3	70.1	53.4
						3	13.6	-61.4	-96.6	70.1	53.5
4	13.9	-61.8	-96.3	69.6	53.6
						5	13.7	-61.8	-96.4	69.8	53.4
变异系数%	0.95	0.27	0.14	0.30	0.17

以上所述仅为本发明的实施方法，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明书及附图内容所作的等效结构或等效流程交换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种多项离子生化分析干片及其制备方法，其特征在于：所述多项离子生化分析干片包括支撑层、钠离子选择电极、钾离子选择电极、钙离子选择电极、氯离子选择电极、二氧化碳选择电极、参比电极、中间层、盐桥、顶层；所述多项离子生化分析干片主要制备步骤包括，（1）制备金属/金属盐薄片电极；（2）在电极上涂布配制好的参比层溶液、离子选择膜溶液制备钠、钾、钙离子选择电极，在电极上涂布配制好的高分子膜溶液制备氯离子选择电极、参比电极，在电极上涂布参比层溶液、离子选择膜溶液、缓冲层溶液制备二氧化碳选择电极；（3）在顶层设进液口和导气孔，中间层设液池，盐桥密封于中间层和顶层之间；（4）将钠离子、钾离子、氯离子、钙离子、二氧化碳选择电极和参比电极与支撑层、中间层和顶层粘接组装成干片。

2.根据权利要求1所述离子选择电极，其特征在于：所述的钠、钾、钙离子选择电极包括电极、参比层、离子选择膜，所述的氯离子选择电极、参比电极包括电极、高分子膜，所述的二氧化碳选择电极包括电极、参比层、碳酸根离子选择膜、缓冲层。

3.根据权利要求2所述电极，其特征在于：所述电极为金属/金属盐薄片电极，包括金属层和金属盐层；金属层金属选自金、银、铜、汞、铂、镍；金属盐选自金属层金属的不溶性金属盐。

4.根据权利要求2所述电极，其特征在于：所述电极采用化学镀、真空镀或电镀的方式附着于基板上，基板上金属层和金属盐层厚度0.1~10μm。

5.根据权利要求2所述参比层，其特征在于：所述参比层包括粘结剂、表面活性剂、灭菌剂、分散剂、缓冲剂、金属盐；金属盐选自氯化钠和氯化钾复配，配比为1:1~8:1，占参比层总质量的20%~50%。

6.根据权利要求2所述参比层，其特征在于：所述参比层附着于电极上，干燥温度20~50℃、干燥环境相对湿度20%~50%、干燥时间30~100min，参比层含水量30%~40%。

7.根据权利要求2所述离子选择膜，其特征在于：所述离子选择膜包括非导电高分子粘结剂、离子干扰剂、载体、载体溶剂、表面活性剂；非导电高分子粘结剂选自丙烯酸乙酯、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸正癸酯中的一种或几种，占离子选择膜总质量的15%~35%。

8.根据权利要求2所述高分子膜，其特征在于：所述高分子膜包括粘结剂、溶剂、挥发性溶剂、增塑剂、表面活性剂；高分子膜粘结剂选自聚酰胺、聚烯烃、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚醚醚酮、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、醋酸纤维素、丙酸纤维素、丁酸纤维素中的一种或几种，占高分子膜总质量的30%~50%；高分子膜溶剂选自二氯甲烷、四氯乙烷、二甲基酰胺、二甲基亚砜中的一种或几种；挥发性溶剂选自甲醇、乙醇、丙酮、丁酮、甲苯、四氢呋喃、乙酸甲酯、乙酸乙酯、四氯化碳中的一种或几种；高分子膜溶剂和挥发性溶剂配比1:1~10:1。

9.根据权利要求2所述二氧化碳选择电极缓冲层，其特征在于：所述缓冲层包括粘结剂、缓冲剂、表面活性剂；缓冲剂选自三羧基甲基氨基甲烷、二乙醇胺、2-氨基-2-甲基-1,3-丙二醇酸和缓冲剂或有机酸类缓冲剂中的一种或几种，占缓冲层总质量的0.1%~10%。

10.根据权利要求2所述二氧化碳选择电极缓冲层，其特征在于：所述缓冲层附着于碳酸根离子选择膜上，缓冲层为碱性，pH范围为7.5~10。