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1、(10)申请公布号 CN 103975235 A (43)申请公布日 2014.08.06 CN 103975235 A (21)申请号 201180075306.8 (22)申请日 2011.12.15 G01N 27/30(2006.01) (71)申请人 梅特勒托利多公开股份有限公司 地址 瑞士格赖芬塞 (72)发明人 R特里尔 (74)专利代理机构 永新专利商标代理有限公司 72002 代理人 柴丽敏 于辉 (54) 发明名称 参比电极 (57) 摘要 本发明提供具有原位改性的多孔性隔膜的参 比电极以及对所述多孔性隔膜进行原位改性的 方法， 其中， 所述参比电极包括至少一个壳体 (1、。
2、 201、 301)、 第一导体元件 (4、 204、 304)、 能够自由 流动移动并且容纳在所述壳体 (1、 201、 301) 中 的改性电解质， 并且进一步包括多孔性隔膜 (3、 203、 303)， 所述多孔性隔膜 (3、 203、 303) 在所述 改性电解质和测量介质 (9、 209、 309) 之间建立液 体连接， 并且所述改性电解质在操作期间透过所 述多孔性隔膜 (3、 203、 303) 渗出， 其中， 所述改性 电解质包含第一组分和表面改性组分， 所述表面 改性组分在所述改性电解质透过期间对所述多孔 性隔膜 (3、 203、 303) 的表面进行原位改性。 (85)PCT。
3、国际申请进入国家阶段日 2014.06.05 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/EP2011/072873 2011.12.15 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2013/087106 DE 2013.06.20 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 12 页 附图 7 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书12页 附图7页 (10)申请公布号 CN 103975235 A CN 103975235 A 1/1 页 2 1. 参比电极， 其包括至少一个壳体 (1、 201、 301)、 第一导体元件 (4、 204、 。
4、304)、 能够自 由流动移动并且布置在所述壳体 (1、 201、 301) 中的改性电解质以及多孔性隔膜 (3、 203、 303)， 所述多孔性隔膜 (3、 203、 303) 在所述改性电解质和测量介质 (9、 209、 309) 之间建立 液体连接， 并且所述改性电解质在操作期间透过所述多孔性隔膜 (3、 203、 303) 渗出， 其中， 所述改性电解质包含第一组分和表面改性组分， 所述表面改性组分在所述改性电解质透过 期间对所述多孔性隔膜 (3、 203、 303) 的表面进行原位改性。 2. 如权利要求 1 所述的参比电极， 其特征在于所述多孔性隔膜 (3、 203、 303) 。
5、的所述表 面被连续改性。 3.如权利要求1或2所述的参比电极， 其特征在于所述参比电极被加压， 以使在操作期 间所述改性电解质连续地透过所述多孔性隔膜 (3、 203、 303) 渗出。 4. 如权利要求 1 到 3 中任一项所述的参比电极， 其特征在于所述改性电解质是其中浸 没有所述第一导体元件 (4、 304) 的参比电解质 (2、 302)。 5. 如权利要求 1 到 3 中任一项所述的参比电极， 其特征在于所述改性电解质是桥电解 质(218)， 并且所述参比电极进一步包括参比电解质(202)和具有另一个隔膜(219)的参比 壳体 (220)， 其中所述第一导体元件 (204) 浸没在所。
6、述参比电解质 (202) 中， 并且所述参比 电解质 (202) 经由所述另一个隔膜 (219) 与所述桥电解质 (218) 接触。 6. 如权利要求 1 到 5 中任一项所述的参比电极， 其特征在于所述表面改性组分包含以 静电方式起作用的物质。 7. 如权利要求 1 到 5 中任一项所述的参比电极， 其特征在于所述表面改性组分包含有 空间要求的物质。 8. 如权利要求 1 到 7 任一项所述的参比电极， 其特征在于所述表面改性组分包含具有 至少一个羟基取代基和至少一个羰基取代基的有机物质。 9. 如权利要求 8 所述的参比电极， 其特征在于所述表面改性组分包含乳酸、 柠檬酸、 苹 果酸、 酒。
7、石酸、 抗坏血酸、 所述酸的盐或它们的混合物。 10. 如权利要求 8 所述的参比电极， 其特征在于， 所述表面改性组分包含聚赖氨酸聚乙 二醇。 11. 如权利要求 1 到 10 任一项所述的参比电极， 其特征在于所述改性电解质包含小于 0.1 重量、 特别地约 0.05 重量到 0.1 重量浓度的所述表面改性组分。 12. 如权利要求 1 到 11 任一项所述的参比电极， 其特征在于所述多孔性隔膜 (3、 203、 303) 本质上包含陶瓷材料。 13. 如权利要求 1 到 11 任一项所述的参比电极， 其特征在于所述多孔性隔膜 (3、 203、 303) 本质上包含金属结构。 14.对多孔。
8、性隔膜(3、 203、 303)进行原位改性的方法， 所述多孔性隔膜(3、 203、 303)作 为与测量介质 (9、 209、 309) 的液体连接布置在根据前述权利要求中任一项所述的参比电 极中， 其中， 所述方法包括以下步骤 ： a. 向布置在所述参比电极中的改性电解质中添加表面改性组分， 和 b. 确保所述改性电解质透过所述多孔性隔膜 (3、 203、 303) 向外迁移。 15. 如权利要求 14 所述的方法， 其特征在于， 所述改性电解质在操作期间连续地透过 所述多孔性隔膜 (3、 203、 303) 排出。 权 利 要 求 书 CN 103975235 A 2 1/12 页 3 。
9、参比电极 技术领域 0001 本发明涉及用于电化学测量链(measuring chain)的具有表面被原位改性的多孔 性隔膜的参比电极。 背景技术 0002 参比电极用于许多电化学传感器和 / 或测量链中， 例如用于电位型传感器或电流 型传感器中。 这些电化学传感器在实验室以及多个工业部门中使用， 例如化学工业、 食品工 业、 生物技术领域或医药工业。 对于此类电极必要的是， 它们提供的参比电位应尽可能地恒 定。 0003 已知的现有技术的参比电极包括例如壳体， 其内部含有电解质， 电解质经由界面 连接 (interface connection)( 也称为液体接界 (liquid junct。
10、ion) 与测量介质接触。 0004 在现有技术中另外已知的参比电极除参比电解质以外还包含桥电解质 (bridge electrolyte)， 其中桥电解质经由液体连接(也称为液体接界)与测量介质接触， 并且还经 由另一个界面与参比电解质接触。 特别是在在不容许参比电解质与测量介质直接接触的情 况下， 使用此类双室系统。 0005 尤其在生物技术、 医药领域中以及在食品部门中， 对参比电极以及传感器整体及 其内部含有的材料关于不存在安全问题以及容易清洁及杀菌方面提出了严格的要求。 与测 量介质接触的物质和材料在暴露于测量介质时应为化学惰性的并且应优选没有后顾之忧 ； 它们尤其不应为毒性的。参比。
11、电极应易于清洁及杀菌。已知的清洁方法包括例如在高温下 用高浓度的碱或酸进行的 CIP 循环和 / 或 SIP 循环 ( 就地清洁、 就地杀菌 )。此外， 还应防 止所谓的生物污垢， 即尤其在隔膜表面上出现的外来或干扰物质的沉积物和积聚物。 0006 液体接界可例如由开放的通道组成， 或其可构造为多孔性隔膜。液体接界一方面 应具有尽可能小的电阻， 同时另一方面应防止参比电解质或桥电解质与测量介质之间的混 合。满足此要求组合的尝试包括多种措施。 0007 例如， 在US7,387,716B2或EP1450019B1中， 公开了具有开放的界面通道以及固体 或凝固的参比电解质 ( 例如聚合物电解质 )。
12、 的参比电极。以这种方式， 可防止或至少大幅 降低参比电解质通过开放的界面通道的不受控的流出。然而， 用于此的聚合物电解质在许 多情况下由不一定无害且甚至可为毒性的有机化合物组成。 0008 另一种已知的尝试的解决方案是使用多孔性隔膜作为液体接界， 优选与流体电解 质组合。 多孔性隔膜同样具有防止或至少大幅降低参比电解质或桥电解质通过该液体接界 不受控的流出而进入测量介质中的能力。多孔性隔膜可例如用于在例如 DE 3 702 501 A1 中公开的所谓的加压参比电极这类中。 这些参比电极经设计而使得参比电解质由于内部超 压而连续地透过隔膜从加压参比电极渗出。为防止过度快速地消耗参比电解质， 隔。
13、膜的孔 应尽可能地小。通过将参比电解质设置在一定压力下， 流出的参比电解质可防止或至少减 轻测量介质的可能流入以及隔膜的孔的堵塞或阻塞。 0009 然而， 当用于生物质材料或含蛋白质的测量介质中时， 具有多孔性隔膜的参比电 说 明 书 CN 103975235 A 3 2/12 页 4 极仍然具有缺点。 在含蛋白质的测量介质中使用参比电极的一个显著问题是所谓的生物污 垢。大多数天然存在的蛋白质尽管具有中性 pH 值但带有负电荷， 并且因此对于氧化表面 上的吸附显示亲和性。隔膜通常由氧化物质 ( 例如氧化陶瓷 ) 组成， 从而使其在含蛋白质 的测量介质中尤其易于受污染和 / 或堵塞， 尤其在使用。
14、小孔径隔膜的情况下。含蛋白质的 测量介质污染隔膜会歪曲界面电位并且由此造成测量误差， 其中， 孔径越小， 污染趋势越强 烈。问题甚至可严重到错误的测量信号或参比电极完全失效的程度。即使加压参比电极的 升高的内部压力和因此导致的参比电解质或桥电解质的向外流动都不足以有效地清洁隔 膜。此外， 流出的参比电解质或桥电解质或位于隔膜上的沉积物可能污染测量介质。然而， 即使在用于含蛋白质的测量介质或生物质材料中时， 隔膜在操作期间仍然保持不受污染是 有利的。 0010 已知的用于避免或减少生物污垢 ( 具体地， 传感器表面和隔膜的蛋白质污染 ) 的 解决方案具有缺点。 在加压参比电极中， 仅可用相对高速。
15、率的流出物冲洗多孔性隔膜， 这导 致参比电解质或桥电解质的高消耗并且因此电极的频繁维护以补充参比电解质或桥电解 质。在参比电解质或桥电解质变浓稠并且因此较不自由流动的情况下， 通过冲洗来清洁隔 膜是不可能的。另外， 使用的许多增稠剂是不能归类为无风险并且例如是会污染测量介质 的有机物质。当然， 参比电解质或桥电解质还可与天然存在并且基本上无害的聚合物 ( 例 如琼脂或纤维素 ) 固结在一起。然而， 这些物质会不耐受上文提及的清洁技术。 发明内容 0011 因此， 本发明的目的是研发改进的参比电极， 甚至对于在生物质材料中的测量， 它 也提供可靠并且可再现的结果， 并且另外， 它在常规使用的清洁。
16、程序及过程条件下得以保 持。 0012 该任务由用于电化学传感器的参比电极解决， 所述参比电极包括壳体、 导体元件、 壳体中含有的自由流动的改性电解质和多孔性隔膜。 所述多孔性隔膜在改性电解质与测量 介质之间建立液体连接或界面， 其中改性电解质在操作期间透过所述隔膜渗出。所述改性 电解质包含第一组分和表面改性组分， 所述表面改性组分在改性电解质透过期间对隔膜的 表面进行原位改性。 0013 隔膜表面的原位改性与在工厂改性相比是有利的， 因为与在将电极交付使用之前 施加表面改性组分相比， 可在电极的操作状态 ( 即， 原位 ) 进行改性， 并且可在很大程度上 避免在例如 CIP 过程和 / 或 。
17、SIP 过程期间表面改性组分的老化效应和 / 或分离。 0014 参比电极的隔膜由填充有孔的多孔性材料组成， 所述孔容许连续通过隔膜。 因此， 在本文中， 隔膜的表面不仅指面向测量介质的表面， 还指由孔呈现的表面。 0015 改性电解质的第一组分可为经常用于参比电解质的或者作为某一组分或者单独 使用的电解导电的和 / 或电位限定的物质种类。 0016 第一组分是电解导电的， 优选选择是阴离子和阳离子在水溶液中具有基本上相同 的扩散速度的等迁移盐。 等迁移盐的使用作为降低界面处不希望的扩散电位的方式是有利 的。 0017 在第二种类的参比电极中， 第一组分可包括氯化物， 例如 KCl、 NaCl。
18、、 MgCl2或 CsCl2。 说 明 书 CN 103975235 A 4 3/12 页 5 0018 在以桥电解质作为改性电解质的双室参比系统中， 桥电解质可包括例如 Na2SO4作 为第一组分。当然， 还可使用已知作为参比电解质或桥电解质的其它物质作为改性电解质 的第一组分。在 pH 参比电极中， 第一组分包含 pH 缓冲系统， 并且在氧化还原参比系统中， 第一组分包含氧化还原缓冲剂。改性电解质的第一组分优选以水溶液的形式使用， 尤其是 氯化钾水溶液， 优选以 3mol/L 的浓度。 0019 多孔性隔膜的原位改性用以防止或至少大幅减少多孔性隔膜的表面上的生物污 垢， 如已经利用多种措施。
19、所尝试。 0020 多孔性隔膜可涂覆有例如惰性聚合物 ( 例如， PTFE( 聚四氟乙烯 ) 或亲水性交联 水凝胶。遗憾的是， 这些涂层难以施加， 在一些情况下， 它们容易再次自身脱离， 并且此外， 它们相对较厚， 因此多孔性隔膜的孔缩小过多， 这可导致隔膜的流动阻力不希望地增加。 0021 作为另一种可能， 隔膜表面可覆盖有经由共价键连接自身的物质。 然而， 这种情况 的缺点在于， 所产生的共价键在许多情况下不抵抗由例如用于清洁的酸和碱引起的水解， 并且此类涂层在一次CIP处理后有时已经自身脱离。 用于涂层的物质是例如硅烷。 具体地， 几乎完全抑制蛋白质沉积物形成的用 PEG( 聚乙二醇 )。
20、 基团聚乙二醇化的硅烷仍然具有上 述缺点。 0022 为克服现有技术的这些缺点， 改性电解质除第一组分以外还包含表面改性组分， 所述表面改性组分由于其特性而能够对隔膜的表面进行原位改性以使表面排斥蛋白质和 / 或氨基酸。改性原位发生， 这使得还可使用可逆地结合到表面并且由此改变表面上的电荷 的用于表面改性组分的物质。优选另外快速地与表面结合的表面改性物质。向在操作期间 透过隔膜渗出的改性电解质中添加表面改性组分， 由此在参比电极的操作期间， 隔膜表面 保持恒定覆盖有表面改性组分， 即使用于表面改性组分的物质是可逆地吸附的， 或是例如 在常规的清洁程序中从隔膜表面自身脱离的物质。 0023 具体。
21、地， 使用的表面改性组分应为无毒性的。如果本发明的参比电极打算用于生 物质或含蛋白质的溶液的测量， 这尤其重要。 0024 参比电极的设计优选使得在操作期间改性电解质连续地透过多孔性隔膜漏出， 由 此表面改性组分可连续地对隔膜的表面进行改性。 0025 参比电极的这种设计特别有利， 因为改性电解质连续地透过多孔性隔膜迁移的结 果是， 一方面， 通过改性电解质的流动将外来物质从多孔性隔膜冲洗出来而对多孔性隔膜 进行机械清洁， 并且另一方面， 表面改性可连续地更新或补充。 如果使用可逆地结合到隔膜 表面或通过物理吸附结合到隔膜表面的这种表面改性组分， 这尤其有利。可逆结合可经由 例如氢桥键、 静电。
22、相互作用或范德华力发生。 0026 作为确保并且优选还控制改性电解质透过多孔性隔膜的迁移的方式， 可对参比电 极进行加压。即使用非加压参比电极， 扩散及毛细管力也会使得表面改性组分缓慢地遍布 在隔膜表面上或被吸附到隔膜表面。由于加压， 改性电解质以恒定的向外流动速率透过隔 膜渗出， 因此改性组分透过隔膜的孔连续输送。这为隔膜表面的原位改性并且尤其是连续 改性创造了条件。另外， 可实现相对快速的原位改性。 0027 在参比电极的一种构造中， 改性电解质可为其中浸没有导体元件的参比电解质。 0028 在参比电极的另一种构造中， 改性电解质可为经由隔膜与测量介质接触的桥电解 质。这种构造的参比电极进。
23、一步包括参比电解质和具有另一个隔膜的参比壳体， 其中导体 说 明 书 CN 103975235 A 5 4/12 页 6 元件浸没在参比电解质中， 并且参比电解质经由所述另一个隔膜与桥电解质接触。此类参 比电极可例如包括具有内部电解质和外部电解质的双室系统， 其中外部电解质 ( 即， 桥电 解质 ) 经由隔膜与测量介质接触并且包含表面改性组分。 0029 作为另一个实施方案的实例， 本发明的参比电极构造为包含 pH 缓冲系统作为 改性电解质的第一组分的 pH 电极。此类系统也称为差示 pH 测量链 (differential pH measuring chain)。 pH缓冲系统可包含电位限定。
24、物质(例如乙酸盐缓冲剂或柠檬酸盐缓冲 剂 ) 作为第一组分。对于表面改性组分， 可使用上文提及的物质中的一种。 0030 可用作表面改性组分的物质具体地符合以下标准 ： 它们吸附在隔膜表面或沉降在 隔膜表面上并且随后抑制蛋白质的吸附或其它或额外外来物质的凝聚。优选地， 用作表面 改性组分的物质无毒性并且对于测量介质是化学惰性的。 通过以静电方式起作用的物质或 有空间要求的物质可抑制随后外来物质或干扰物质 ( 例如蛋白质 ) 的吸附。 0031 以静电方式起作用的物质改变隔膜的表面电荷， 由此抑制隔膜表面上的外来物质 的吸附， 以防止或至少减少生物污垢。如果对于吸附物 ( 例如蛋白质 ) 的吸引。
25、力占主要地 位， 隔膜表面上的吸附将增强或加速。已由静电物质改变的隔膜表面具有排斥吸附的静电 电荷或静电力， 因此以静电方式阻止隔膜表面上不希望的蛋白质吸附。 这里应注意， 隔膜以 及吸附物的电荷通常为 pH 依赖性的量。 0032 在另一个实施方案中， 可使用有空间要求的物质作为表面改性组分， 所述有空间 要求的物质可以空间方式阻止或甚至防止测量介质中含有的物质 ( 尤其是蛋白质 ) 的凝 聚。术语 “有空间要求的” 是指物质由于其所占据的空间的大小而可显著阻止其它物质吸 附在隔膜表面上。所述现象还可影响反应的动力学并且例如减缓竞争吸附， 因为先前吸附 的空间占据物质可阻止其它物质的吸附。有。
26、空间要求的物质的实例是聚乙二醇 (PEG)。 0033 在其它实施方案中， 表面改性组分可为包含至少一个羟基取代基和至少一个羰基 取代基的有机物质。这些物质可尤其经由氢桥键结合到隔膜表面， 并且因此阻止其它物质 ( 例如蛋白质 ) 的吸附。 0034 此类有机物质的实例是有机酸， 例如乳酸、 柠檬酸、 苹果酸、 酒石酸、 抗坏血酸以及 其盐或它们的混合物。所有这些化合物包括至少一个羟基取代基和一个羰基取代基， 并且 此外以它们无毒性的事实来区分。已经作为实例提及的二羧酸带负电荷， 这使它们尤其有 效地经由吸附将自身附着到带正电荷的隔膜表面。 0035 苹果酸、 抗坏血酸或其它还原剂优选用于具有。
27、不含氯化银的改性电解质的参比电 极中， 因为尤其在较高温度下， 这些物质可造成氯化银不希望地还原成银。 0036 令人惊奇地， 已发现， 尤其柠檬酸及其盐由于其还原电位而甚至在升高的温度下 也基本上不会造成具有含 AgCl 的改性电解质的参比电极中的改变。因此， 柠檬酸及其盐尤 其适合用作 Ag/AgCl 参比电极中的表面改性组分。 0037 参比电极的另一个实施方案可包括聚赖氨酸聚乙二醇 (pLy-PEG) 作为表面改性 组分。该物质借助其聚氨基酸部分可由氧化表面吸附， 由此背离表面的 PEG 部分可防止其 它不希望的外来物质或干扰物质的吸附。在本文中的术语 “外来物质” 指例如易于吸附或 。
28、凝聚在开放的隔膜表面上并且因此堵塞隔膜并使其不能用的蛋白质及其它来自生物质的 分子。 0038 优选地， 表面改性组分以小于0.1重量(wt)并且特别地约0.01重量到0.1 说 明 书 CN 103975235 A 6 5/12 页 7 重量的低浓度添加到改性电解质中。 该浓度足以确保隔膜表面的改性， 并且同时足够低， 以基本上防止或至少大幅降低由添加的表面改性组分引起的干扰扩散电位 (interfering diffusion potentials) 的发生。 0039 多孔性隔膜可为例如陶瓷材料， 或可包括具有大表面的金属结构。 0040 优选使用含锆的陶瓷， 因为它们特别耐碱并且在常规。
29、的清洁程序中稳定， 这使其 特别适合用作参比电极中的多孔性隔膜。 0041 作为另一种可能， 硅酸铝陶瓷可用作多孔性隔膜， 但是它们明显较不耐受常规的 清洁方法。 0042 金属结构的实例采取由例如贵金属并且具体地钝化的铂组成的毛细管束或金属 丝团的形式。 0043 上述陶瓷材料以及金属结构以其对通常遇到的过程条件及清洁方法的高耐受性 而著称。 0044 本发明的另一个方面涉及对在本发明的参比电极中布置为界面或液体通道的多 孔性隔膜进行原位改性的方法。该方法除其它特征以外尤其包括以下步骤 ： 向包含在参比 电极中的改性电解质添加表面改性组分， 并且确保改性电解质透过多孔性隔膜向外迁移。 以这种。
30、方式， 参比电极的隔膜的表面可在操作期间 ( 即， 原位 ) 进行改性， 并且可有效地防 止存在于例如测量介质中的其它物质阻塞和 / 或污染隔膜。 0045 在有利的实施方案中， 对参比电极进行加压， 以确保改性电解质连续地透过隔膜 流动。 0046 下文中将借助附图对多个示例性实施方案、 本发明的参比电极以及多孔性隔膜的 原位改性的方法进行解释， 其中各图中相同的特征由相同的附图标记标示。 特别地， 通过根 据本发明的包括参比电解质的参比电极的 pH 测量链的实例描述实施方案。因此， 在下文 中， 术语 “参比电解质” 与术语 “改性电解质” 在某种程度上同义使用。当然， 本发明的参比 电极。
31、还可与其它电化学测量链或传感器一起使用。 附图说明 0047 概述各个附图 ： 0048 图 1 在纵向截面图中示意性地示出了具有参比电极的组合 pH 测量链 ； 0049 图2在纵向截面图中示意性地示出了具有参比电极的组合pH测量链， 其中参比电 极包含参比电解质和桥电解质 ； 0050 图 3 示意性地示出了用于 pH 参比电极相对于相同设计的外部参比 (external reference) 的比较测量的测量配置 ； 0051 图 4 显示理想地执行 Ag/AgCl 参比电极相对于相同设计的外部参比的电压 / 时间 图表， 其中使用 3mol/L KCl 溶液作为改性电解质的第一组分 ；。
32、 0052 图 5 显示 Ag/AgCl 参比电极相对于相同设计的外部参比的电压 / 时间图表， 其中 在开始后 600 秒向测量介质中添加柠檬酸钠， 并且其中参比电极包括 ： 0053 a. 平均孔径为 70nm 或 120nm 的二氧化锆隔膜， 0054 b. 平均孔径为 200nm 的二氧化锆隔膜， 0055 c. 平均孔径为 400nm 或 800nm 的二氧化锆隔膜 ； 说 明 书 CN 103975235 A 7 6/12 页 8 0056 图 6 显示 Ag/AgCl 参比电极相对于相同设计的外部参比的电压 / 时间图表， 其中 向改性电解质中添加 510-4mol/L 柠檬酸钠。
33、。 0057 图 7 显示 Ag/AgCl( 其中向改性电解质中添加 510-4mol/L 柠檬酸钠 ) 相对于相 同设计的外部参比的电压/时间图表， 其中在开始后600秒向测量介质中添加柠檬酸钠， 并 且其中参比电极包括 ： 0058 a. 平均孔径为 70nm 或 120nm 的二氧化锆隔膜， 0059 b. 平均孔径为 200nm 的二氧化锆隔膜， 0060 c. 平均孔径为 400nm 或 800nm 的二氧化锆隔膜。 具体实施方式 0061 图 1 在截面图中示意性地示出了具有加压参比电极的组合 pH 测量链。参比电极 具有填充有参比电解质 2 的基本上管形状的壳体 1。参比电极的壁。
34、中的通道构造为多孔性 隔膜3， 在操作期间参比电解质2透过其连续流动漏出。 第一参比元件或导体元件4浸没在 参比电解质 2 中。 0062 pH 测量链另外由内部壳体 5 组成， 内部壳体 5 布置在壳体 1 的内部， 包括 pH 敏感 性玻璃膜 6， 并且填充有内部缓冲剂 7。第二导体元件 8 浸没在内部缓冲剂 7 中。 0063 测量 pH 时， 将 pH 测量链浸没在测量介质 9 中， 以使至少玻璃膜 6 和多孔性隔膜 3 与测量介质接触。参比电解质 2 经由隔膜 3 与测量介质 9 接触。 0064 一种最为熟知的用于 pH 测量链的参比电极是所谓的 Ag/AgCl 电极， 其具有 A。
35、g/ AgCl 的第一导体元件 4 和参比电解质 2 的含氯化物的第一组分， 例如 KCl 溶液。其它现有 技术的参比电极是不含 AgCl 的 pH 差示电极或氧化还原参比电极。 0065 根据本发明， 向参比电解质 2 中添加表面改性组分。参比电解质 2 基本上由第一 组分组成， 因此， 添加有表面改性组分的参比电解质 2 是根据本发明的改性电解质。在含有 银离子的参比电极或参比系统中， 添加到参比电解质 2 中的表面改性组分优选为甚至在大 约 130或高于 130的温度下也不具有还原效应的种类， 例如柠檬酸及其盐。添加到 pH 差示电极的改性电解质中的表面改性组分优选为自身构成缓冲系统的种。
36、类， 例如柠檬酸盐 缓冲剂。 0066 现有技术包括许多其它类型的用于电化学传感器的参比电极， 此处并不作详细描 述。当然， 所有这些其它类型的参比电极在本发明的意义上同样可通过向改性电解质中添 加适合的表面改性组分进行改性。 0067 另外， 在图1中示出了在pH测量链中测量期间存在并且可影响测量结果的电化学 电位。这些电位包括第一导体元件 4 的电位 E1、 横跨隔膜 3 的扩散电位或隔膜电位 E2、 第 二导体元件的电位 E3、 玻璃膜 6 内侧的电位 E4、 第一导体元件 4 与第二导体元件 8 之间的 不对称电位 E5 以及玻璃膜 6 外侧的 pH 依赖性电位 E6。 0068 两个。
37、导体元件 4、 8 之间存在的电位 ( 在这个实例中为 pH 电位 E5) 可用伏特计 13 测量， 并且由所显示的电位的总和组成。可将其转化成 pH 值。在现有技术的 Ag/AgCl 参比 电极中， 根据能斯特方程 (Nernst equation)， 电位 E1 对应于第一导体 4 处氯离子的电位。 只要参比电解质 2 中 Cl 离子的浓度不改变， 电位 E1 将基本上恒定。在现有技术的 Ag/AgCl 参比电极中， 参比电解质中的Cl-浓度c(CL-)相对恒定为3mol/L。 这尤其适用于加压参比 说 明 书 CN 103975235 A 8 7/12 页 9 电极， 因为在加压下可基本。
38、上避免参比电解质 2 的稀释或污染。 0069 扩散电位 E2 是若干个量的函数， 包括参比电解质 2 与测量介质 9 之间的离子浓度 差以及受 电位及隔膜的孔径影响的隔膜 3 的表面电荷。扩散电位 E2 同样应基本上恒定 并且优选具有 0mV 的值。只要第二导体元件 8 处的氯离子电位及内部 pH 玻璃处的内部电 解质的H+离子电位保持基本上恒定(该条件因具有内部电解质7的封闭的内部壳体5而得 以满足 )， 电位 E3 和 E4 基本上恒定。只要温度保持恒定， 组合 pH 测量链的不对称电位 E5 可认为大致恒定。电位 E6 随玻璃膜 6 外侧的 H+电位 ( 即， 依赖于测量介质的 pH 。
39、值 ) 而变 化。 0070 图 2 示出了具有双室参比系统的组合 pH 测量链。该 pH 测量链具有与图 1 的 pH 测量链基本上相同的特征， 只是图 2 的 pH 测量链具有不同的参比电极。第一导体元件 204 位于含有参比电解质 202 的另一个参比壳体 220 中。该参比壳体 220 包括另一个隔膜 219， 其代表壳体 201 中含有的参比电解质 202 与桥电解质 218 之间的液体接界。桥电解质 218 经由隔膜 203 与测量介质 209 接触。桥电解质 218 在本发明的意义上代表改性电解质并且 包括第一组分以及表面改性组分， 因此隔膜 203 随桥电解质通过隔膜在操作期间。
40、被原位改 性。 0071 以下实施例旨在于证实尤其在含蛋白质的测量介质的情况下， 向电解质中添加表 面改性组分对 pH 测量的影响。 0072 在所有实施例 1 到 7 中， 使用图 3 的设置。所示例的配置包括浸没在第一容器 311 中的加压参比电极312， 以及外部参比315。 外部参比315包括另一个容器310， 并且两个容 器 310、 311 通过隔膜导管 314 彼此连接。隔膜导管 314 填充有液体并且构成两个容器 310、 311 之间的液体连接。容器 310( 例如玻璃烧杯 ) 含有外部参比 315 的电解质 316， 参比元 件 317 浸没在其中。因此， 容器 310 构。
41、成外部参比 315 的半电池。 0073 加压参比电极 312 浸没在由第二容器 311 容纳的测量介质 309 中。参比半电池或 参比电极312包括壳体301， 所述壳体301填充有参比电解质302并且具有隔膜303作为与 测量介质 309 的界面通道。第一导体元件 304 再次浸没在参比电解质 302 中。对参比电极 312 进行加压， 因此， 参比电解质 302 可连续地透过隔膜 303 向外流动。 0074 为证实添加表面改性组分 ( 例如柠檬酸钠 ) 如何对参比电极的测量性质进行影 响， 首先用图 3 的配置用不同构造的参比电极 312、 不同组成的参比电解质 302 及不同的测 量。
42、介质 309 进行测量。 0075 实施例 1 ： 标准类型的参比电极相对于外部参比 . 0076 对于参比电极 312， 使用加压 Ag/AgCl 电极， 所述电极具有用于第一导体元件 304 的 Ag/AgCl 金属丝及由微孔性二氧化锆制成的隔膜 303。参比电解质 302 仅包括 3mol/L KCl 水溶液作为第一组分， 不含表面改性组分。对所使用的参比电极进行加压， 以确保参比 电解质 302 透过隔膜 303 的受控迁移。 0077 使用容器 310 作为外部参比， 其包括 Ag/AgCl 金属丝作为第二导体元件 8 并且包 括 3mol/L KCl 水溶液作为电解质 317。 0。
43、078 测量介质同样为 3mol/L KCl 水溶液， 并且两个容器 310、 311 通过大孔性隔膜管 314 彼此连接。 0079 由于该实施例中的所有电解质以及测量介质均为相等浓度的 KCl 水溶液， 因此自 说 明 书 CN 103975235 A 9 8/12 页 10 身无法建立贯穿隔膜 303 及隔膜管 314 的浓度梯度， 所以测量中获得的扩散电位 E2 基本上 恒定为零值， 并且因此所有电位 E1 到 E6 的总和基本上为零。 0080 图 4 显示参比电极相对于外部参比的电压对时间图表曲线， 其示例的是上述描述 的情况。如在图中可以看到， 随时间流逝测量的电压基本上大约为零。
44、。 0081 实施例 2 ： 含柠檬酸盐的测量介质 0082 在另一个实施例 ( 其本质上对应于实施例 1) 中， 在测量时间过去 600 秒之后， 向 测量介质 309(3mol/L KCl 溶液 ) 中添加 0.1mol/L 浓度的柠檬酸钠。 0083 这些测量是用不同孔径的多孔性氧化锆隔膜303的参比电极312进行， 具体地， 平 均孔径为 70nm、 120nm、 200nm、 400nm 和 800nm。 0084 当向测量介质 309 中添加柠檬酸钠时， 隔膜的表面首先聚集有柠檬酸根离子， 由 此隔膜表面的表面电位(电位)及等电点(pI)相应地改变， 因此扩散电位E2也改变， 即，。
45、 停止保持恒定。扩散电位 E2 的改变在小孔径的隔膜中以及在低离子浓度及 ( 作为后者的 结果 ) 高水平扩散的测量介质中尤其明显。 0085 由于电位 E2 的改变， 电位的总和并且因此测量结果也改变， 如图 5a 到图 5c 的图 表中的电位的阶跃改变所显示， 其中， 所观察到的图表的趋势与所使用隔膜的孔径无关。 在 图 5a 中， 实线显示平均孔径为 70nm 的隔膜的结果， 并且虚线显示平均孔径为 120nm 的隔膜 的结果。图 5b 显示平均孔径为 200nm 的隔膜的结果， 并且图 5c 显示平均孔径为 400nm( 实 线 ) 及 800nm( 虚线 ) 的隔膜的结果。 0086。
46、 该效应在较小孔径的隔膜中更强烈(图5a)， 这归因于离子(包括水合物包封)与 隔膜 303 的表面相互作用， 即其将由后者吸附和 / 或保留在隔膜 303 中的可能性增加， 这可 导致电荷分离并且因此扩散电位的改变。 0087 在较低离子浓度的测量介质中， 该效应更强烈， 这是由于扩散的驱动力增加， 并且 因此， 由参比电解质 302 与测量介质 309 的各自离子浓度的差异引起的扩散量也增加。 0088 电解质离子与隔膜相互作用的可能性越高， 测量信号的噪声水平以及扩散电位 E2 的改变越高。该可能性随隔膜孔径的减小而增加。扩散电位 E2 的改变造成图中在 600 秒 时看到的阶跃改变， 。
47、并且因此导致组合 pH 测量链中的测量误差。 0089 实施例 3 ： 含柠檬酸盐的参比电解质 0090 在该实施例中， 使用加压 Ag/AgCl 电极作为参比电极 312， 所述电极具有 Ag/AgCl 金属丝作为第一导体元件 304 以及由多孔性二氧化锆制成的隔膜 303。参比电解质 302 包 含 3mol/L KCl 水溶液作为第一组分， 其中添加 510-4mol/L 浓度 c( 柠檬酸钠 ) 的柠檬酸 钠作为表面改性组分， 由此使得参比电解质 302 能够作为改性电解质。对该实施例中所使 用的参比电极进行加压， 以确保参比电解质 302 透过隔膜 303 的受控迁移。 0091 使。
48、用第一容器 310 作为外部参比电极， 它含有 Ag/AgCl 金属丝作为参比元件 317 并且含有 3mol/L 浓度的 KCl 水溶液作为电解质 316。 0092 测量介质是 3mol/L 的 KCl 水溶液。 0093 在该实施例中， 电位 E2 基本上恒定， 但不为零， 它是隔膜的孔径的函数， 并且该函 数由于添加柠檬酸根离子而改变。因此， 电位的总和同样是恒定但不为零的量， 如图 6 的图 表中可以看到。 0094 表面改性组分(这里为柠檬酸钠)的优选连续的向外流动对隔膜表面的原位覆盖 说 明 书 CN 103975235 A 10 9/12 页 11 或改性导致参比电位的改变， 。
49、然而， 这可用适合的校准程序来补偿。组合 pH 测量链的零点 的位移 ( 在图 6 中可以看到 ) 可通过调整内部缓冲剂 7 进一步调节或调整归零。 0095 实施例 4 ： 含柠檬酸盐的参比电解质和含柠檬酸盐的测量介质 0096 在该实施例中， 向参比电解质 302 以及测量介质 309 中添加柠檬酸钠。另外， 在测 量进行到 600 秒时， 向测量介质 309 的 3mol/L KCl 水溶液中添加 0.1mol/L 浓度的柠檬酸 钠。测量设置的其它参数与实施例 3 中的相同， 但是， 此处， 用不同孔径的多孔性氧化锆隔 膜 3 进行测量， 具体地， 孔径为 70nm、 120nm、 200nm、 400nm 和 800nm。 0097 如在实施例 3 中， 隔膜表面通过参比电解质 302 的流动原位地并且优选连续地补 充有柠檬酸根离子， 所述参比电解质 30。