[发明专利]用于离子筛选的聚合物自组装多层膜：传感器中的设计、制备和应用

说明书

技术领域

本发明的实施方案涉及外在地补偿的多层膜。

背景技术

功能膜应用于各种领域，在上述领域中，分离和传感器是两个重要的应用类型。在传感器应用领域，功能膜通常置于和连接到转换器的表面，该转换器例如是离子选择性的场效应晶体管(ISFET)，离子选择性的电极(ISE)，光学纤维、微悬臂、表面声波(SAW)，体音波(BAW)和石英晶体微量天平(QCM)等等。这类膜的最重要的作用是它们的感测能力，具体而言，它们需要识别所感兴趣的被分析物和产生能够由转换器探测的信号。典型地，该膜通过将功能材料引入基体来制备。作为一个实例，钠敏感膜能够通过将钠离子载体引入到增塑的聚氯乙烯(PVC)基体来制备；作为另一实例，尿素敏感膜能够通过将酶(尿素酶)包埋到指定量的聚乙烯醇(PVA)基体中来制备。另外，转换器表面上所放置的理想的功能膜应该选择性地限制或减少溶液中一些不希望有的组分流动或穿行到达转换器，以显著地提高传感器的性能(如敏感性、选择性、动态范围和响应时间)。

最近，在开发人类新陈代谢参数象尿素、肌酸酐、葡萄糖等等参数的实时监测的生理传感器上有特别的兴趣。在制备该生理传感器中，功能感测膜是极端重要的。该膜的典型生产涉及将功能材料包封在聚合物基体中，例如，酶(尿素酶)包封在PVA基体中来制备尿素敏感膜。这里，与功能膜相关的主要挑战是能够从本体溶液减少不受欢迎组分的流动或筛选某些离子，例如HCO₃-，Na+等等的技术策略，在某些情况下它们对于膜和传感器的性能有不希望有的作用。

已经探索了各种方法来生产传感应用的功能膜。最近，人们见证了传感应用的多层功能膜的设计和生产。该方法包括将功能材料(如酶)包封在自组装的多层膜中。功能材料需要识别所感兴趣的被分析物和产生需要由转换器探测的信号；而多层膜，除稳定被包封的功能材料(如酶)之外，还需在本体溶液中筛选不希望有的离子。一般地，多层膜以层叠层自组装方法为基础，该方法包括二种类型的聚合电解质、即聚阴离子和聚阳离子的连续自组装。例如，如果在制备过程中以正电荷的基材开始，聚阴离子首先被吸附入该表面以使得表面带负电。尔后，聚阳离子被吸附到表面上以使得表面再次带正电。反复重复此循环能够生产具有交替的聚阴离子/聚阳离子层的膜，该膜意指自组装多层膜。

术语“内在补偿”和“外在补偿”表征了层叠层自组装膜，特别表征了它的离子筛选能力。如果一种聚合物上的电荷由另一种聚合物上的相反电荷平衡(或中和)，例如聚阳离子由聚阴离子平衡或反之亦然，这称作“内在地补偿”。另一方面，如果一种聚合物上的电荷由流动离子的相反电荷来平衡(不通过不能够自由移动的聚合物上的电荷平衡)，例如聚阳离子由溶液中自由移动的阴离子或聚阴离子由溶液中自由移动的阳离子来平衡，它称为“外在地补偿的”。在前面段落所描述的膜是内在地补偿，归因于层中的电荷由相对应聚合电解质中和(即，聚阳离子的正电荷由聚阴离子的负电荷中和)。在所有制备离子筛选多层膜的现有技术中，在二种聚合物上的电荷全部内在地补偿，并且未报道以外在补偿为基础的多层膜。

图1中所显示的现有的内在地补偿的层叠层的自组装方法是常用的，这归因于它的简单性。虽然此多层膜已经成功地运用于筛选(screen)某些类型的离子，例如从一般的具备高缓冲能力的碳酸盐缓冲液中筛选[HCO₃^-]，但是它的性能仍然需要改进以满足某些具体应用的要求，这些具体应用如用于尿素、肌酸酐和葡萄糖等的功能感测膜。

发明内容

本发明所解决的问题与通常所用的内在地补偿的多层功能膜的无效离子筛选有关。本发明描述了新型离子筛选多层功能膜，该膜具有由通过中性聚合物层粘结在一起的外在地补偿的、带电的聚合物层，并且具有高的离子筛选能力，以及本发明还提供设计和制备该膜的方法。

附图的简述

图1显示通过自组装聚阳离子/聚阴离子制备内在地补偿的层叠层多层膜的现有技术。现有技术用于制备高内在地补偿的膜，这没有有效地筛选离子。

图2显示制备外在地补偿的层叠层自组装多层膜的创造性方法，该多层膜包括具有官能团给体和受体的带电聚合物和中性聚合物的层。