基于離子選擇性電極的電位分析法

基于離子選擇性電極的電位分析法

基于離子選擇性電極（ife）的電壓分析，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：所需設(shè)備簡(jiǎn)單；分析速度快。由于其高選擇性，通常不需要在樣品前處理。操作簡(jiǎn)單等。但傳統(tǒng)ISE的檢測(cè)限約10-5~10-6mol/L,使其在極低濃度樣品檢測(cè)方面的應(yīng)用大受限制。近年來(lái),檢測(cè)限低達(dá)10-12mol/L數(shù)量級(jí)的高靈敏度聚合物膜ISE屢見(jiàn)報(bào)道,Pretsch、Bakker[2~4]等指出,基于ISE的電位分析法已重?zé)ㄉ鷻C(jī)。本文就降低聚合物膜離子選擇性電極檢測(cè)限的原理及其相應(yīng)方法進(jìn)行評(píng)述。1離子通量的確定人們習(xí)慣認(rèn)為基于ISE的電位分析法在零電流下進(jìn)行,故可忽略離子通量對(duì)分析測(cè)定的影響。實(shí)際上,絕對(duì)的零電流并不存在,即便是在pA級(jí)測(cè)量電流下,也存在由膜相流向試樣體系的穩(wěn)態(tài)待測(cè)離子通量,導(dǎo)致了電極敏感膜與試樣體系界面層中的待測(cè)離子濃度比試樣本體中高出約10-6~10-7mol/L。這種離子通量對(duì)高濃度試樣的影響可以忽略,但對(duì)低濃度試樣的檢測(cè)卻是致命的,因?yàn)殡姌O電位受控于界面層中的待測(cè)離子濃度而非本體濃度,離子通量引起的、存在于界面層中的待測(cè)離子的微量濃度附加值直接決定了電極檢測(cè)限。該離子通量主要由內(nèi)參比液與試樣中的待測(cè)離子濃度不同引起,其傳輸機(jī)制包括:待測(cè)離子與具有相反電性的對(duì)離子的同向傳輸、待測(cè)離子與具有相同電性的干擾離子的逆向傳輸。同向傳輸大致有敏感膜中的待測(cè)離子與親脂性離子交換劑向試樣的共傳輸、內(nèi)參比液中的待測(cè)離子與親水性對(duì)離子向膜相的共傳輸以及活化階段被萃取入膜相的待測(cè)離子與親水性對(duì)離子向試樣的共傳輸3種途徑。如果內(nèi)參比液濃度較高或親脂性較強(qiáng),或者膜中的離子載體通過(guò)對(duì)待測(cè)離子的強(qiáng)絡(luò)合作用參與共萃取過(guò)程,內(nèi)參比液中的待測(cè)離子與親水性對(duì)離子向膜相的共傳輸尤顯重要。逆向傳輸則常來(lái)源于試樣中的干擾離子,在高濃度試樣中,干擾離子與待測(cè)離子的離子交換效應(yīng)很小,而在低濃度試樣中,這種離子交換則較顯著,使與試樣接觸一側(cè)的膜中待測(cè)離子濃度降低,而與內(nèi)參比液接觸一側(cè)的膜中待測(cè)離子濃度保持恒定,故在膜內(nèi)形成了一個(gè)濃度梯度,最終導(dǎo)致一個(gè)與干擾離子傳輸方向相逆、連續(xù)進(jìn)入試樣方向的待測(cè)離子通量?；谏鲜鲭x子通量決定電極檢測(cè)限的認(rèn)識(shí),Pretsch等總結(jié)了影響電極檢測(cè)限的因素(式(1)):該式表達(dá)了電極檢測(cè)限cI(DL)與膜中離子交換劑的濃度(RT)、選擇性系數(shù)KIJpot、試樣中干擾離子的濃度(cJ)、離子電荷(zI)、因子q等因素的函數(shù)關(guān)系。其中式中,cI為膜表面的待測(cè)離子濃度,cI,bulk為試樣本體中的待測(cè)離子濃度,[ILn]為接觸試樣的外側(cè)膜中待測(cè)離子-離子載體復(fù)合物的濃度,[ILn]′為接觸內(nèi)充液的內(nèi)側(cè)膜中待測(cè)離子-離子載體復(fù)合物的濃度,Dmemb為膜中待測(cè)離子的擴(kuò)散系數(shù),Daq為未攪動(dòng)Nernst層待測(cè)離子的擴(kuò)散系數(shù),daq為未攪動(dòng)Nernst層厚度,dmemb為膜厚度。由式(1)和(2)可知,通過(guò)優(yōu)化電極膜組成、優(yōu)化內(nèi)參比液、固相接觸、額外電流補(bǔ)償、改變電極活化方法等,可以有效降低電極檢測(cè)限。2方法2.1優(yōu)化電極膜的組成2.1.1整體柱內(nèi)纖維膜ca2+由式(2)得知,增加膜厚度dmemb可降低q值,進(jìn)而降低檢測(cè)限。傳統(tǒng)膜厚度為100~200μm,當(dāng)增加至4倍厚度時(shí),相同條件下Ca2+-ISE的檢測(cè)限明顯減低。Pretsch等采用將聚氯乙烯(PVC)溶液吸入整體柱的方法替代普通PVC膜,一方面大幅增加膜厚度dmemb,另一方面借助整體柱的多孔結(jié)構(gòu),限制待測(cè)離子在膜中的擴(kuò)散遷移行為以抑制跨膜離子通量,使Ca2+、Ag+、Na+檢測(cè)限均達(dá)10-8mol/L以下。此法雖簡(jiǎn)單易行,但膜阻抗也相應(yīng)增加,導(dǎo)致電極活化時(shí)間和測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。2.1.2共價(jià)聚合型將離子載體共價(jià)錨定在電極膜中,降低其擴(kuò)散靈活性即可減小Dmemb,達(dá)到減小q值、抑制膜內(nèi)離子通量之目的。如將H+-ISE的離子載體ETH2439通過(guò)共價(jià)聚合形成ETH2439-PU,將Pb2+-ISE的離子載體N,N′-二甲基硫乙酰胺衍生后,再與聚四氫呋喃二醇和2,2,4-三甲基環(huán)己烷二異氰酸酯共聚,形成三明治型固定化離子載體,均可顯著降低其檢測(cè)限。但目前通過(guò)何種配位方式可以有效提高電極響應(yīng)性能的規(guī)律尚不清楚。2.1.3基硼負(fù)離子對(duì)膜通量的影響膜內(nèi)離子交換劑一般選用親脂性高的物質(zhì)以避免泄露,如陽(yáng)離子選擇電極PVC膜中的離子交換劑通常是四苯基硼負(fù)離子,其作用是增加離子位點(diǎn)數(shù),降低膜電阻,故其在膜中濃度(RT)將直接影響膜中離子通量。由式(1)可知,RT應(yīng)盡量低。但因聚合物膜材料中通常含有一定量的本征離子交換劑且其選擇性不佳,故RT降低存在最低限度。在不影響電極選擇性前提下,調(diào)節(jié)RT、離子交換劑與離子載體的比例,可以?xún)?yōu)化膜的響應(yīng)。2.1.4pvc與增塑劑的比例膜中組分一般包括聚合物膜材料、增塑劑、離子交換劑、離子載體、待測(cè)離子等,其比例直接影響離子通量、擴(kuò)散系數(shù)、電位響應(yīng)特性和選擇性。傳統(tǒng)的聚合物膜材料一般采用PVC,通常約占33(wt)%;增塑劑一般約占66(wt)%,含量如此之高的目的是提供一個(gè)均勻的有機(jī)膜相,以增強(qiáng)各組分在膜中的固著能力。近期研究表明,PVC比例達(dá)到40(wt)%甚至更高也是可行的,且當(dāng)達(dá)到50(wt)%時(shí)可完全消除內(nèi)參比液中低活度待測(cè)離子所引起的超Nernst響應(yīng)。最近Gupta等[14~16]通過(guò)優(yōu)化膜中各成分比例得到一系列響應(yīng)較好的高價(jià)離子選擇性電極,其膜中PVC含量約30(wt)%~50(wt)%不等。2.1.5分子印跡聚合物法在Ca2+-ISE膜外表面加入硅膠包裹的C-18親脂性粒子,可以降低待測(cè)離子通向膜內(nèi)的離子通量,原因可能是加入C-18粒子可增加膜電阻,降低Dmemb,但此方法影響選擇性。秦偉等通過(guò)在膜中加入分子印跡聚合物顆粒,可檢測(cè)1.6×10-6mol/L的三聚氰胺。筆者研究組在膜中加入限進(jìn)介質(zhì)–分子印跡聚合物二維功能材料(RAM-MIPs),并優(yōu)化內(nèi)充液,制備了高靈敏度孔雀石綠ISE,檢測(cè)限達(dá)約7×10-9mol/L。2.1.6無(wú)增塑劑膜的制備雖然PVC膜具有制作簡(jiǎn)便、測(cè)試快速、成本低、檢測(cè)范圍寬、親水和極性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn),但也存在著在制作電極時(shí)PVC膜粘附于傳感器表面的能力欠佳、測(cè)量過(guò)程中PVC膜內(nèi)的增塑劑與電活性物質(zhì)易滲漏、測(cè)量生物樣品或藥物時(shí)熱穩(wěn)定性差、電極壽命偏短等不少缺陷,故無(wú)增塑劑膜的研究受到重視。早期采用高柔韌型的硅氧烷共聚膜,但因其極性低導(dǎo)致電極選擇性差,后又引入氰基、硝基醚、酰胺和氨基酯等增加膜的極性。因硅氧烷共聚膜合成較難,Edelmann等使用甲基丙烯酸二甲基硅氧烷酯作為膜基體,電活性物質(zhì)直接加入膜中,依此法制得的K+-ISE、Ca2+-ISE的電化學(xué)特性?xún)?yōu)于PVC膜電極。聚甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸正丁酯無(wú)增塑劑共聚膜、聚甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(PMMA-PDMA)無(wú)增塑劑共聚膜亦見(jiàn)諸報(bào)道,此類(lèi)共聚膜的玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)低至-20℃,無(wú)需使用增塑劑,不僅避免了增塑劑從膜向試樣、內(nèi)參比液的滲漏,且該膜基體固定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于PVC膜,可強(qiáng)烈降低Dmemb,改善檢測(cè)限。2.1.7陰離子受體的制備根據(jù)結(jié)合待測(cè)離子的特異性或配位能力,合成與選擇最優(yōu)的離子載體,可以降低KIJpot,提高選擇性,降低檢測(cè)限。Zamani等用合成的2,3-聯(lián)苯基喹喔啉-4′,4″-雙氧三乙烯基二醇作為Sr2+的離子載體,固定于PVC膜內(nèi)檢測(cè)Sr2+,其檢測(cè)限為6.7×10-7mol/L,Nernst斜率為29.9mV/pC。采用陰離子受體2-(1H-咪唑[4,5-f]鄰二氮雜菲-2-基)-6-甲氧基苯代替吡啶二酸三(十二烷基)甲基氯化銨作為離子載體,線(xiàn)性范圍增寬,檢測(cè)限降為10-8mol/L。Gupta等在開(kāi)發(fā)新型離子載體方面做了大量工作,他們利用席夫堿N,N′-雙水楊醛縮-1,2-環(huán)己烷二胺與Al3+有強(qiáng)的絡(luò)合作用而與其它離子的絡(luò)合較弱的特性,以之為Al3+的離子載體,檢測(cè)限達(dá)10-9mol/L數(shù)量級(jí);以N,N′-雙(乙?；?環(huán)己烷二胺和N,N′-雙(鄰羥基苯乙酮)-1,2-環(huán)己烷二胺作為Pd2+的離子載體,以N,N′-雙((1H-吡咯-2-基)亞甲基)環(huán)己烷-1,2-二胺和3,3′-(環(huán)己烷-1,2-雙(氨基-1-基-1-亞基)雙(甲烷-1-基-1-亞基)雙(5-羥甲基)嘧啶-2-醇)作為Nd3+的離子載體,以2-氨基1,4-苯醌及其衍生物作為In3+的離子載體,所制ISE的檢測(cè)限均低于10-7mol/L。筆者研究組以分子印跡聚合物微粒為準(zhǔn)離子載體,將四環(huán)素ISE的檢測(cè)下限降低至2.5×10-8mol/L。2.2加入強(qiáng)干擾離子如前所述,離子通量主要由膜兩側(cè)溶液———內(nèi)參比液與試樣中的待測(cè)離子濃度不同引起,因此,內(nèi)參比液的組成及相關(guān)離子的濃度是影響ISE檢測(cè)限的重要因素。對(duì)于極低濃度的樣品,內(nèi)參比液中待測(cè)離子的濃度應(yīng)該盡可能低以減少離子通量,但因無(wú)法維持濃度恒定,稀釋不是有效方法。常見(jiàn)方法是加入配位劑[31~33]或加入離子交換樹(shù)脂[34~36]。如果待測(cè)離子是金屬離子,則在內(nèi)參比液中加入可與待測(cè)離子配位的配位劑,如EDTA;而若待測(cè)離子是堿金屬離子、Ag+、NH4+或部分陰離子如ClO4-等較難發(fā)生配位的離子,則在內(nèi)參比液中加入可與待測(cè)離子進(jìn)行離子交換的離子交換樹(shù)脂。這兩種方法通過(guò)配位平衡、離子交換平衡,一方面將待測(cè)離子濃度控制在較低水平,另一方面維持其恒定。然而,只使用配位劑和離子交換樹(shù)脂并不能完全達(dá)到理想效果:EDTA具有親水性,易與待測(cè)離子共傳輸,造成電壓信號(hào)長(zhǎng)期不穩(wěn),雖然用Et4N+代替EDTA可使電壓信號(hào)穩(wěn)定性增加,但Et4N+具有親脂性,即使膜內(nèi)含有高選擇性離子載體,ISE對(duì)Et4N+的選擇性系數(shù)KIJpot仍較大,形成強(qiáng)烈干擾;而離子交換樹(shù)脂的加入,則使內(nèi)參比液的精確成分和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定狀態(tài)產(chǎn)生偏差。當(dāng)試樣濃度較低時(shí),其中的干擾離子會(huì)造成逆向傳輸,改善檢測(cè)限因此受到限制。如在內(nèi)參比液中加入強(qiáng)干擾離子,造成膜內(nèi)側(cè)的待測(cè)離子與干擾離子間的凈離子交換過(guò)程,降低膜內(nèi)側(cè)表面待測(cè)離子濃度,削弱逆向傳輸,可使得電極的檢測(cè)限得到改善。因此,目前傾向的內(nèi)參比液組成為待測(cè)離子、離子配位劑(或離子交換樹(shù)脂)與強(qiáng)干擾離子,各物質(zhì)濃度則需根據(jù)實(shí)際應(yīng)用條件而作步驟繁雜的優(yōu)化,這是困擾之處。2.3金屬盤(pán)電極復(fù)合電極固相接觸ISE的優(yōu)點(diǎn)是:(1)為全固態(tài)形式,便于攜帶,檢測(cè)方便;(2)可微型化,易集成于芯片;(3)無(wú)內(nèi)參比溶液,避免了內(nèi)參比液的優(yōu)化;(4)是理想的兩相萃取系統(tǒng),無(wú)跨膜離子通量,檢測(cè)限低,靈敏度佳。目前,固相接觸被視為降低ISE檢測(cè)限的最佳方法。早期的固相接觸ISE為涂絲電極或涂碳電極,由于敏感膜與基底電極之間的“閉塞”界面造成電壓不穩(wěn),故實(shí)際應(yīng)用受限;且傳統(tǒng)的含有66%增塑劑的PVC膜極易形成水層,在基底電極表面成為“電解質(zhì)蓄水池”,待測(cè)離子沉積于此,導(dǎo)致低濃度樣品測(cè)量時(shí)的同向傳輸。為克服之,人們以金屬盤(pán)電極為基底電極,并在基底電極與電極膜之間加入中間層,如聚(3,4乙基二羥基苯)、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩和聚(3-辛基)噻吩等,這些中間層具有適當(dāng)?shù)难趸€原與離子交換特性,易實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)換,增強(qiáng)電壓穩(wěn)定性,亦可有效抑制水層的形成[50~52]。最近,利用多孔碳材料或碳納米管具有電子-離子轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)、導(dǎo)電性良好、電壓穩(wěn)定性高、對(duì)氧氣和光敏感、強(qiáng)憎水性及不涉及氧化還原反應(yīng)等特性,以三維有序大孔(3DOM)碳材料、單壁碳納米管(SWCNTs)充當(dāng)中間層,制作固相接觸ISE,在增加電壓穩(wěn)定性、制作微型傳感器、簡(jiǎn)化制備步驟等方面特點(diǎn)突出,顯示出較好的應(yīng)用前景。2.4電滲析過(guò)程機(jī)理應(yīng)首先表現(xiàn)為內(nèi)分法而不是電滲析法,現(xiàn)有的理論模型主要考給ISE提供一個(gè)nA級(jí)的額外電流補(bǔ)償,理論上可以抑制同向傳輸或逆向傳輸形成的離子梯度,但實(shí)施該方法依賴(lài)于對(duì)ISE膜理論電壓模型、電流通量和相應(yīng)膜中離子電滲析過(guò)程的全面科學(xué)認(rèn)識(shí),且該電流大小取決于試樣的組成,就未知樣而言,甚至有可能會(huì)由于額外電流而引起更大濃度梯度,故目前尚無(wú)此方法的應(yīng)用實(shí)例。2.5活化方法的影響習(xí)慣上,ISE使用前一般用待測(cè)離子濃度為約10-3mol/L的溶液進(jìn)行活化,但這種活化方法易造成測(cè)量低濃度試樣時(shí)的同向傳輸,對(duì)檢測(cè)限產(chǎn)生不利影響。實(shí)際上,電極活化液濃度以10-8mol/L左右為好,所用體積必須足夠大。另外,攪拌對(duì)電極響應(yīng)的影響也不容忽視,增加攪拌速率可以減小daq,攪拌方法除采用攪拌磁子外,還可采用流動(dòng)電解槽。3重現(xiàn)性和準(zhǔn)確性通過(guò)上述方法,聚合物膜ISE的檢測(cè)限大大降低,可檢測(cè)10-12mol/L甚至更低濃度的樣品。但就目前發(fā)展?fàn)顩r而言,仍存在著選擇性、重現(xiàn)性和準(zhǔn)確性、測(cè)量時(shí)間以及長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定性等問(wèn)題。理想的ISE應(yīng)只對(duì)一種特定的待測(cè)離子具有Nernst響應(yīng),其它共存離子的干擾實(shí)際上難以忽略;溫度、濕度、離子強(qiáng)度、攪拌、無(wú)法預(yù)測(cè)的干擾離子、電極的制作等眾多因素,直接影響了電極電位值的重現(xiàn)性和準(zhǔn)確性;隨待測(cè)試液濃度的降低,電極響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng),較低濃度可能會(huì)達(dá)72h甚至更長(zhǎng);壽命有限,可穩(wěn)定使