基于离子选择性电极的电位分析法

基于离子选择性电极的电位分析法

基于离子选择性电极（ife）的电压分析，对现场检测具有许多独特的优势：所需设备简单；分析速度快。由于其高选择性，通常不需要在样品前处理。操作简单等。但传统ISE的检测限约10-5~10-6mol/L,使其在极低浓度样品检测方面的应用大受限制。近年来,检测限低达10-12mol/L数量级的高灵敏度聚合物膜ISE屡见报道,Pretsch、Bakker[2~4]等指出,基于ISE的电位分析法已重焕生机。本文就降低聚合物膜离子选择性电极检测限的原理及其相应方法进行评述。1离子通量的确定人们习惯认为基于ISE的电位分析法在零电流下进行,故可忽略离子通量对分析测定的影响。实际上,绝对的零电流并不存在,即便是在pA级测量电流下,也存在由膜相流向试样体系的稳态待测离子通量,导致了电极敏感膜与试样体系界面层中的待测离子浓度比试样本体中高出约10-6~10-7mol/L。这种离子通量对高浓度试样的影响可以忽略,但对低浓度试样的检测却是致命的,因为电极电位受控于界面层中的待测离子浓度而非本体浓度,离子通量引起的、存在于界面层中的待测离子的微量浓度附加值直接决定了电极检测限。该离子通量主要由内参比液与试样中的待测离子浓度不同引起,其传输机制包括:待测离子与具有相反电性的对离子的同向传输、待测离子与具有相同电性的干扰离子的逆向传输。同向传输大致有敏感膜中的待测离子与亲脂性离子交换剂向试样的共传输、内参比液中的待测离子与亲水性对离子向膜相的共传输以及活化阶段被萃取入膜相的待测离子与亲水性对离子向试样的共传输3种途径。如果内参比液浓度较高或亲脂性较强,或者膜中的离子载体通过对待测离子的强络合作用参与共萃取过程,内参比液中的待测离子与亲水性对离子向膜相的共传输尤显重要。逆向传输则常来源于试样中的干扰离子,在高浓度试样中,干扰离子与待测离子的离子交换效应很小,而在低浓度试样中,这种离子交换则较显著,使与试样接触一侧的膜中待测离子浓度降低,而与内参比液接触一侧的膜中待测离子浓度保持恒定,故在膜内形成了一个浓度梯度,最终导致一个与干扰离子传输方向相逆、连续进入试样方向的待测离子通量。基于上述离子通量决定电极检测限的认识,Pretsch等总结了影响电极检测限的因素(式(1)):该式表达了电极检测限cI(DL)与膜中离子交换剂的浓度(RT)、选择性系数KIJpot、试样中干扰离子的浓度(cJ)、离子电荷(zI)、因子q等因素的函数关系。其中式中,cI为膜表面的待测离子浓度,cI,bulk为试样本体中的待测离子浓度,[ILn]为接触试样的外侧膜中待测离子-离子载体复合物的浓度,[ILn]′为接触内充液的内侧膜中待测离子-离子载体复合物的浓度,Dmemb为膜中待测离子的扩散系数,Daq为未搅动Nernst层待测离子的扩散系数,daq为未搅动Nernst层厚度,dmemb为膜厚度。由式(1)和(2)可知,通过优化电极膜组成、优化内参比液、固相接触、额外电流补偿、改变电极活化方法等,可以有效降低电极检测限。2方法2.1优化电极膜的组成2.1.1整体柱内纤维膜ca2+由式(2)得知,增加膜厚度dmemb可降低q值,进而降低检测限。传统膜厚度为100~200μm,当增加至4倍厚度时,相同条件下Ca2+-ISE的检测限明显减低。Pretsch等采用将聚氯乙烯(PVC)溶液吸入整体柱的方法替代普通PVC膜,一方面大幅增加膜厚度dmemb,另一方面借助整体柱的多孔结构,限制待测离子在膜中的扩散迁移行为以抑制跨膜离子通量,使Ca2+、Ag+、Na+检测限均达10-8mol/L以下。此法虽简单易行,但膜阻抗也相应增加,导致电极活化时间和测量时间过长。2.1.2共价聚合型将离子载体共价锚定在电极膜中,降低其扩散灵活性即可减小Dmemb,达到减小q值、抑制膜内离子通量之目的。如将H+-ISE的离子载体ETH2439通过共价聚合形成ETH2439-PU,将Pb2+-ISE的离子载体N,N′-二甲基硫乙酰胺衍生后,再与聚四氢呋喃二醇和2,2,4-三甲基环己烷二异氰酸酯共聚,形成三明治型固定化离子载体,均可显著降低其检测限。但目前通过何种配位方式可以有效提高电极响应性能的规律尚不清楚。2.1.3基硼负离子对膜通量的影响膜内离子交换剂一般选用亲脂性高的物质以避免泄露,如阳离子选择电极PVC膜中的离子交换剂通常是四苯基硼负离子,其作用是增加离子位点数,降低膜电阻,故其在膜中浓度(RT)将直接影响膜中离子通量。由式(1)可知,RT应尽量低。但因聚合物膜材料中通常含有一定量的本征离子交换剂且其选择性不佳,故RT降低存在最低限度。在不影响电极选择性前提下,调节RT、离子交换剂与离子载体的比例,可以优化膜的响应。2.1.4pvc与增塑剂的比例膜中组分一般包括聚合物膜材料、增塑剂、离子交换剂、离子载体、待测离子等,其比例直接影响离子通量、扩散系数、电位响应特性和选择性。传统的聚合物膜材料一般采用PVC,通常约占33(wt)%;增塑剂一般约占66(wt)%,含量如此之高的目的是提供一个均匀的有机膜相,以增强各组分在膜中的固着能力。近期研究表明,PVC比例达到40(wt)%甚至更高也是可行的,且当达到50(wt)%时可完全消除内参比液中低活度待测离子所引起的超Nernst响应。最近Gupta等[14~16]通过优化膜中各成分比例得到一系列响应较好的高价离子选择性电极,其膜中PVC含量约30(wt)%~50(wt)%不等。2.1.5分子印迹聚合物法在Ca2+-ISE膜外表面加入硅胶包裹的C-18亲脂性粒子,可以降低待测离子通向膜内的离子通量,原因可能是加入C-18粒子可增加膜电阻,降低Dmemb,但此方法影响选择性。秦伟等通过在膜中加入分子印迹聚合物颗粒,可检测1.6×10-6mol/L的三聚氰胺。笔者研究组在膜中加入限进介质–分子印迹聚合物二维功能材料(RAM-MIPs),并优化内充液,制备了高灵敏度孔雀石绿ISE,检测限达约7×10-9mol/L。2.1.6无增塑剂膜的制备虽然PVC膜具有制作简便、测试快速、成本低、检测范围宽、亲水和极性强等诸多优点,但也存在着在制作电极时PVC膜粘附于传感器表面的能力欠佳、测量过程中PVC膜内的增塑剂与电活性物质易渗漏、测量生物样品或药物时热稳定性差、电极寿命偏短等不少缺陷,故无增塑剂膜的研究受到重视。早期采用高柔韧型的硅氧烷共聚膜,但因其极性低导致电极选择性差,后又引入氰基、硝基醚、酰胺和氨基酯等增加膜的极性。因硅氧烷共聚膜合成较难,Edelmann等使用甲基丙烯酸二甲基硅氧烷酯作为膜基体,电活性物质直接加入膜中,依此法制得的K+-ISE、Ca2+-ISE的电化学特性优于PVC膜电极。聚甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸正丁酯无增塑剂共聚膜、聚甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(PMMA-PDMA)无增塑剂共聚膜亦见诸报道,此类共聚膜的玻璃转化温度(Tg)低至-20℃,无需使用增塑剂,不仅避免了增塑剂从膜向试样、内参比液的渗漏,且该膜基体固定性远远大于PVC膜,可强烈降低Dmemb,改善检测限。2.1.7阴离子受体的制备根据结合待测离子的特异性或配位能力,合成与选择最优的离子载体,可以降低KIJpot,提高选择性,降低检测限。Zamani等用合成的2,3-联苯基喹喔啉-4′,4″-双氧三乙烯基二醇作为Sr2+的离子载体,固定于PVC膜内检测Sr2+,其检测限为6.7×10-7mol/L,Nernst斜率为29.9mV/pC。采用阴离子受体2-(1H-咪唑[4,5-f]邻二氮杂菲-2-基)-6-甲氧基苯代替吡啶二酸三(十二烷基)甲基氯化铵作为离子载体,线性范围增宽,检测限降为10-8mol/L。Gupta等在开发新型离子载体方面做了大量工作,他们利用席夫碱N,N′-双水杨醛缩-1,2-环己烷二胺与Al3+有强的络合作用而与其它离子的络合较弱的特性,以之为Al3+的离子载体,检测限达10-9mol/L数量级;以N,N′-双(乙酰基丙酮)环己烷二胺和N,N′-双(邻羟基苯乙酮)-1,2-环己烷二胺作为Pd2+的离子载体,以N,N′-双((1H-吡咯-2-基)亚甲基)环己烷-1,2-二胺和3,3′-(环己烷-1,2-双(氨基-1-基-1-亚基)双(甲烷-1-基-1-亚基)双(5-羟甲基)嘧啶-2-醇)作为Nd3+的离子载体,以2-氨基1,4-苯醌及其衍生物作为In3+的离子载体,所制ISE的检测限均低于10-7mol/L。笔者研究组以分子印迹聚合物微粒为准离子载体,将四环素ISE的检测下限降低至2.5×10-8mol/L。2.2加入强干扰离子如前所述,离子通量主要由膜两侧溶液———内参比液与试样中的待测离子浓度不同引起,因此,内参比液的组成及相关离子的浓度是影响ISE检测限的重要因素。对于极低浓度的样品,内参比液中待测离子的浓度应该尽可能低以减少离子通量,但因无法维持浓度恒定,稀释不是有效方法。常见方法是加入配位剂[31~33]或加入离子交换树脂[34~36]。如果待测离子是金属离子,则在内参比液中加入可与待测离子配位的配位剂,如EDTA;而若待测离子是碱金属离子、Ag+、NH4+或部分阴离子如ClO4-等较难发生配位的离子,则在内参比液中加入可与待测离子进行离子交换的离子交换树脂。这两种方法通过配位平衡、离子交换平衡,一方面将待测离子浓度控制在较低水平,另一方面维持其恒定。然而,只使用配位剂和离子交换树脂并不能完全达到理想效果:EDTA具有亲水性,易与待测离子共传输,造成电压信号长期不稳,虽然用Et4N+代替EDTA可使电压信号稳定性增加,但Et4N+具有亲脂性,即使膜内含有高选择性离子载体,ISE对Et4N+的选择性系数KIJpot仍较大,形成强烈干扰;而离子交换树脂的加入,则使内参比液的精确成分和长时间稳定状态产生偏差。当试样浓度较低时,其中的干扰离子会造成逆向传输,改善检测限因此受到限制。如在内参比液中加入强干扰离子,造成膜内侧的待测离子与干扰离子间的净离子交换过程,降低膜内侧表面待测离子浓度,削弱逆向传输,可使得电极的检测限得到改善。因此,目前倾向的内参比液组成为待测离子、离子配位剂(或离子交换树脂)与强干扰离子,各物质浓度则需根据实际应用条件而作步骤繁杂的优化,这是困扰之处。2.3金属盘电极复合电极固相接触ISE的优点是:(1)为全固态形式,便于携带,检测方便;(2)可微型化,易集成于芯片;(3)无内参比溶液,避免了内参比液的优化;(4)是理想的两相萃取系统,无跨膜离子通量,检测限低,灵敏度佳。目前,固相接触被视为降低ISE检测限的最佳方法。早期的固相接触ISE为涂丝电极或涂碳电极,由于敏感膜与基底电极之间的“闭塞”界面造成电压不稳,故实际应用受限;且传统的含有66%增塑剂的PVC膜极易形成水层,在基底电极表面成为“电解质蓄水池”,待测离子沉积于此,导致低浓度样品测量时的同向传输。为克服之,人们以金属盘电极为基底电极,并在基底电极与电极膜之间加入中间层,如聚(3,4乙基二羟基苯)、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩和聚(3-辛基)噻吩等,这些中间层具有适当的氧化还原与离子交换特性,易实现电荷转换,增强电压稳定性,亦可有效抑制水层的形成[50~52]。最近,利用多孔碳材料或碳纳米管具有电子-离子转换能力强、导电性良好、电压稳定性高、对氧气和光敏感、强憎水性及不涉及氧化还原反应等特性,以三维有序大孔(3DOM)碳材料、单壁碳纳米管(SWCNTs)充当中间层,制作固相接触ISE,在增加电压稳定性、制作微型传感器、简化制备步骤等方面特点突出,显示出较好的应用前景。2.4电渗析过程机理应首先表现为内分法而不是电渗析法,现有的理论模型主要考给ISE提供一个nA级的额外电流补偿,理论上可以抑制同向传输或逆向传输形成的离子梯度,但实施该方法依赖于对ISE膜理论电压模型、电流通量和相应膜中离子电渗析过程的全面科学认识,且该电流大小取决于试样的组成,就未知样而言,甚至有可能会由于额外电流而引起更大浓度梯度,故目前尚无此方法的应用实例。2.5活化方法的影响习惯上,ISE使用前一般用待测离子浓度为约10-3mol/L的溶液进行活化,但这种活化方法易造成测量低浓度试样时的同向传输,对检测限产生不利影响。实际上,电极活化液浓度以10-8mol/L左右为好,所用体积必须足够大。另外,搅拌对电极响应的影响也不容忽视,增加搅拌速率可以减小daq,搅拌方法除采用搅拌磁子外,还可采用流动电解槽。3重现性和准确性通过上述方法,聚合物膜ISE的检测限大大降低,可检测10-12mol/L甚至更低浓度的样品。但就目前发展状况而言,仍存在着选择性、重现性和准确性、测量时间以及长期使用的稳定性等问题。理想的ISE应只对一种特定的待测离子具有Nernst响应,其它共存离子的干扰实际上难以忽略;温度、湿度、离子强度、搅拌、无法预测的干扰离子、电极的制作等众多因素,直接影响了电极电位值的重现性和准确性;随待测试液浓度的降低,电极响应时间变长,较低浓度可能会达72h甚至更长;寿命有限,可稳定使