[发明专利]固态电极、制造方法及在传感中的使用方法

说明书

一种固态电极包括具有表面的金属电极；涂覆在表面的至少一部分上的纳米复合材料，所述纳米复合材料包含电极中使用的金属的化合物，以及纳米颗粒、蛋白质、聚合物、或纳米颗粒、蛋白质、和聚合物中的一种或多种；其中当固态电极与工作电极和流体电连接时，电极可以检测化学组成的变化，例如pH的变化小于或等于0.1pH单位，并且在20分钟的时间段内固态电极的电势稳定在5毫伏内、如在3毫伏内。固态电极可以例如用于生物传感、环境分析(例如土壤分析、或水分析)、药物分析和食品分析。

相关申请的引证

本申请要求2015年8月14日提交的美国临时专利申请62/205,380、2015年11月12日提交的美国临时专利申请62/254,402、2016年2月3日提交的美国临时专利申请62/290,501、以及2016年4月14日提交的美国临时专利申请62/322,273的优先权，其各自的内容通过引证以其整体并入本文。

背景技术

电极用于电化学传感应用(sensing application)中。常规的大尺寸电极技术已经开发了很长一段时间。随着对于便携式、微型电化学传感器的小型化技术的进步，电极本身也必须小型化。

例如，在水/湿条件下常规的大尺寸参比电极通常使用银/氯化银复合物以及氯化钾溶液，其有助于稳定涂覆在银线上的氯化银。另外，它们必须始终是湿的。这种布置不能用于微尺寸参比电极(微电极)，这是由于微尺寸电化学传感器中可用的空间小，这使稳定固态的氯化钾的单独溶液系统的小型化复杂化。因此，固态电极是微型电极的优选类型。为了期望的性能，在电化学传感期间，参比电极的电势应该是稳定的或不变的。当前的参比固态电极的一个问题是其电势不稳定。不稳定是由于在操作过程中氯化银溶解的事实。

常规的大尺寸工作电极，特别是需要使用膜的那些诸如离子选择性电极，当小型化时也形成挑战，这是由于常规工作电极膜也需要单独的溶液系统。另外，已知沉积在固态工作电极上的化学选择性膜如离子选择性电极膜存在不稳定的问题。这导致工作电极的测量电势的偏移。电势的不稳定性被认为是由在膜/工作电极界面处形成的贴片(patch)引起的。贴片在界面处引起水的随机收集，这导致可以到达界面的分析物的量的变化。已报导的该问题的解决方案包括使用导电聚合物作为电极和离子选择性膜之间的夹层膜。然而，这些夹层膜产生其它问题诸如环境敏感性，包括对光的敏感性或样品变化，例如pH偏移，当检测具有变化的成分的样品中的化学浓度时(例如在环境中或生物流体诸如体液中)，这产生问题。

因此，本领域中仍然需要用于诸如在水性条件下应用的稳定的固态电极(包括稳定的固态参比和工作电极)。稳定的固态电极对于使用汗液传感的非侵入性健康诊断领域是重要的，例如，最近的报告已经表明汗液中的各种生物标记物的浓度与其血液中的浓度相关。这意味着可佩戴的汗液传感器可以提供非侵入性的方式来连续地跟踪具有严重疾病的人的健康情况。

发明内容

一种固态电极，包括：具有表面的金属电极；

涂覆在表面的至少一部分上的纳米复合材料，所述纳米复合材料包括：

电极中使用的金属的化合物，以及纳米颗粒、蛋白质、聚合物、或包含上述中的至少一种的组合；其中，当固态电极与工作电极和导电物质电连接时，固态电极可以检测导电物质的化学组成的变化，并且固态电极的电势是稳定的。在一个实施方式中，在20分钟的时间段内固态电极的电势稳定在5毫伏内，优选在3毫伏内。作为实例，在一段时间内每分钟1mV、或0.5mV、或0.1mV的电势变化是稳定的。在一个实施方式中，在20分钟内每分钟0.1mV或更小的电势变化是稳定的。在一个实施方式中，在30分钟内每分钟0.1mV或更小的电势变化是稳定的。在一个实施方式中，系统使用具有生物识别元素的电流测量传感，如本文进一步描述的。