[发明专利]pH计

说明书

发明背景

技术领域

本发明提供改良的分析物传感器，其能够精确地测量分析物浓度，包括但不限于水合氢离子浓度或pH。本发明一般而言涉及分析化学领域，具体地涉及pH测量技术。

相关公开描述

样品中分析物浓度例如pH的测量受限于可得到的样品体积。大多数可商业获得的pH电极需要至少毫升体积的样品。可得到极少的包括工作电极(“传感器”)、参考电极和反电极的被宣传为能够测量少到0.5微升样品体积的pH的专用型玻璃探针，并且那些很昂贵(例如，ThermoScientificOrion9810BN)。但是，针对小样品体积设计的玻璃探针呈现出诸多挑战。

一个挑战在于探针在样品中的定位。适宜的探针放置需要确保探针的玻璃膜和参考结与样品之间的充分接触。玻璃探针的球根形使这个挑战尤其困难。相似地，当使用玻璃探针时，因为对于小体积的半固体样品，探针形状还可导致不充分的样品接触，所以半固体样品，例如来自于组织活检的样品，可能需要相对于液体样品而言更大的体积。另一个挑战在于由于盐或其它材料(“质量”)从探针中的电极转移到样品中而污染样品的可能性。随着样品体积减少，对于任何探针，此类质量转移的效果增加。另一个挑战是样品蒸发，因为在小体积样品中蒸发相对较大，所以蒸发效果可能难以监测。样品体积的损失可产生错误的结果。

更普遍地，玻璃探针只能每次测量一个样品。为了使利用玻璃探针需要测量分析物浓度的系统中的通量增高，必须增加所用的探针数量或减少每次测量所需的平均时间。因为利用玻璃电极的pH测量需要电位信号达到稳态(针对给定系统可利用算法定义)，所以减少测量时间本身就是一种有限的方法。然而，玻璃探针制造相对昂贵，为了重复使用，在样品之间必须清洗它们以减少交叉污染的机会，进一步妨碍了pH测量中的高样品通量。污垢，是漂移和误差的来源，因为含有蛋白质、糖或与玻璃相互作用的其它成分的样品可弄脏探针，对玻璃探针也尤其成为问题。玻璃探针需要经常维护以消除或减少污垢并确保准确性，也需要经常再校准。这些操作增加了损坏的风险，其只在小体积样品所必要的小范围中增加。

大多数可商业获得的pH电极以呈基本上球形的玻璃膜为特征。对于“组合电极”，参考结也提供在位于玻璃膜附近的电极体内。在所有情况下，必须将所有组合电极浸到足以覆盖参考结的深度，除了在复杂设计中之外不可将参考结与玻璃膜共面安置。另一个限制来源于参考电极的液体结。参考电极的适当运转取决于分析物与内参考溶液之间通过多孔结(例如玻璃料)的流体连通。在通常使用条件下，允许少量内参考溶液通过多孔结进入分析物。此流动旨在防止分析物进入内参考溶液中，可导致参考电位漂移。但是，在极少量样品中，内参考溶液进入分析物改变了分析物的组成并可负面地影响测量。

传统玻璃pH探针具有工作电极(WE)，其为一种由对氢离子敏感的易碎的、掺杂的玻璃膜制成的离子-选择性电极。pH-响应性玻璃膜为此类探针中的主要的分析物传感元件并因此称为“工作”电极。样品溶液中的氢离子结合到玻璃膜外部，进而引起膜内表面电位的改变。对照传统的参考电极(RE)例如基于银/氯化银的电极的恒电位，测量此电位变化。然后，通过在校准曲线上绘制差异使电位差与pH值相关。通过多步法产生校准曲线，进而使用者对各种已知的缓冲标准绘制电位变化。传统的pH计基于此原理。

RE在测量准确度中发挥着关键作用。高度稳定的电极电位是必要的。这通常利用氧化还原系统实现，其中所有的活性组分维持在恒定的浓度下。在一个典型的银/氯化银RE中，将经氯化物处理的银线浸在浓氯化钾(KC1)溶液中。该KC1溶液通过多孔玻璃料与分析物流体连通和电连通。此液体结产生对内KC1溶液的可能污染，可改变电极电位，导致测量的漂移。其它缺点包括内电解质泄漏，以及由于液体结内部干燥或沉淀而堵塞的倾向。

已经进行多种尝试来改善RE的稳定性。参见，例如，Bakker,Electroanalysis1999,11,788；TBlaz,等,Analyst,2005,130,637；Kakikuchi等,Anal.Chem.2007,79,7187；Cicmil等,Electroanalysis,2011,23,1881；美国专利7,628,901；美国专利申请2009/0283404；以及Chang,等,Electroanalysis,2012,24。这些尝试旨在为电位测量系统提供稳定的RE。

本发明提供传感器，传感器部件，以及它们的制造及使用的方法，尤其用于检测分析物浓度的伏安法或安培法，其不仅能够测量小体积样品中的分析物浓度也对所有样品体积提供改善的性能。