CN114199976A - 一种基于阻抗分析的钾离子浓度传感器和检测装置及方法 - Google Patents
一种基于阻抗分析的钾离子浓度传感器和检测装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114199976A CN114199976A CN202111353128.2A CN202111353128A CN114199976A CN 114199976 A CN114199976 A CN 114199976A CN 202111353128 A CN202111353128 A CN 202111353128A CN 114199976 A CN114199976 A CN 114199976A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- potassium ion
- impedance
- ion concentration
- sensor
- selective membrane
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229910001414 potassium ion Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 145
- NPYPAHLBTDXSSS-UHFFFAOYSA-N Potassium ion Chemical compound [K+] NPYPAHLBTDXSSS-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 131
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 15
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 45
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 42
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 38
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims abstract description 38
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims abstract description 38
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 38
- 108010067973 Valinomycin Proteins 0.000 claims abstract description 9
- FCFNRCROJUBPLU-UHFFFAOYSA-N compound M126 Natural products CC(C)C1NC(=O)C(C)OC(=O)C(C(C)C)NC(=O)C(C(C)C)OC(=O)C(C(C)C)NC(=O)C(C)OC(=O)C(C(C)C)NC(=O)C(C(C)C)OC(=O)C(C(C)C)NC(=O)C(C)OC(=O)C(C(C)C)NC(=O)C(C(C)C)OC1=O FCFNRCROJUBPLU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- FCFNRCROJUBPLU-DNDCDFAISA-N valinomycin Chemical compound CC(C)[C@@H]1NC(=O)[C@H](C)OC(=O)[C@@H](C(C)C)NC(=O)[C@@H](C(C)C)OC(=O)[C@H](C(C)C)NC(=O)[C@H](C)OC(=O)[C@@H](C(C)C)NC(=O)[C@@H](C(C)C)OC(=O)[C@H](C(C)C)NC(=O)[C@H](C)OC(=O)[C@@H](C(C)C)NC(=O)[C@@H](C(C)C)OC1=O FCFNRCROJUBPLU-DNDCDFAISA-N 0.000 claims abstract description 9
- 238000007602 hot air drying Methods 0.000 claims description 16
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 15
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 15
- 238000001453 impedance spectrum Methods 0.000 claims description 13
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 claims description 12
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 12
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 11
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 11
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 11
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 11
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 9
- 239000012086 standard solution Substances 0.000 claims description 9
- WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N Tetrahydrofuran Chemical compound C1CCOC1 WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M Potassium chloride Chemical compound [Cl-].[K+] WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 7
- 229910021538 borax Inorganic materials 0.000 claims description 6
- MIMDHDXOBDPUQW-UHFFFAOYSA-N dioctyl decanedioate Chemical group CCCCCCCCOC(=O)CCCCCCCCC(=O)OCCCCCCCC MIMDHDXOBDPUQW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- UQGFMSUEHSUPRD-UHFFFAOYSA-N disodium;3,7-dioxido-2,4,6,8,9-pentaoxa-1,3,5,7-tetraborabicyclo[3.3.1]nonane Chemical group [Na+].[Na+].O1B([O-])OB2OB([O-])OB1O2 UQGFMSUEHSUPRD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000005485 electric heating Methods 0.000 claims description 6
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 claims description 6
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 claims description 6
- 235000010339 sodium tetraborate Nutrition 0.000 claims description 6
- 239000004328 sodium tetraborate Substances 0.000 claims description 6
- 239000007853 buffer solution Substances 0.000 claims description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 4
- 239000001103 potassium chloride Substances 0.000 claims description 4
- YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N tetrahydrofuran Natural products C=1C=COC=1 YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 235000011164 potassium chloride Nutrition 0.000 claims description 3
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 abstract description 4
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 abstract description 4
- 239000002555 ionophore Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000236 ionophoric effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 abstract description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 abstract 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 14
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 11
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 6
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000012488 sample solution Substances 0.000 description 6
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 3
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 2
- 230000004060 metabolic process Effects 0.000 description 2
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 1
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000012190 activator Substances 0.000 description 1
- 238000012271 agricultural production Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000000872 buffer Substances 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 238000000840 electrochemical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000000157 electrochemical-induced impedance spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000000705 flame atomic absorption spectrometry Methods 0.000 description 1
- 235000011389 fruit/vegetable juice Nutrition 0.000 description 1
- 238000002847 impedance measurement Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 210000002977 intracellular fluid Anatomy 0.000 description 1
- 238000004255 ion exchange chromatography Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000002366 mineral element Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003204 osmotic effect Effects 0.000 description 1
- 230000029553 photosynthesis Effects 0.000 description 1
- 238000010672 photosynthesis Methods 0.000 description 1
- 230000000243 photosynthetic effect Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000001243 protein synthesis Methods 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000014616 translation Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/416—Systems
- G01N27/49—Systems involving the determination of the current at a single specific value, or small range of values, of applied voltage for producing selective measurement of one or more particular ionic species
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/28—Electrolytic cell components
- G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
- G01N27/333—Ion-selective electrodes or membranes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/416—Systems
- G01N27/4166—Systems measuring a particular property of an electrolyte
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
本发明提供一种基于阻抗分析的钾离子浓度传感器和检测装置及方法，包括传感器、反应腔和操作台；所述传感器安装在操作台上；所述反应腔设置在传感器上，反应腔设有进样口；所述传感器包括叉指金电极和钾离子选择性膜，钾离子选择性膜修饰在叉指金电极上；所述叉指金电极与电化学工作站连接。该装置为一体化操作台，采用叉指金电极传感器和以缬氨霉素为离子载体的钾离子选择性膜进行结合，通过检测离子交换膜内部的阻抗反映钾离子浓度，反应腔可限制样液扩散回流，从而提高微量样液下钾离子浓度的检测精度，操作台无需移动、拆卸即可进行传感器的快速清洗和干燥，方便快捷、实操性好。
Description
技术领域
本发明属于电化学传感器技术领域，尤其涉及一种基于阻抗分析的钾离子浓度传感器和检测装置及方法。
背景技术
钾是生物体生长发育必不可少的元素，作为细胞内液中主要的阳离子，钾离子对动植物的新陈代谢起着举足轻重的作用。钾在植物体内以离子状态存在，不参与构成任何植物结构和化合物，但作为众多酶的活化剂，其参与到植物体内多种关键代谢过程，如钾能够促进光合作用和光合产物的运输、能够促进蛋白质的合成等。同样钾作为动物体内第三大矿物元素能够维持细胞渗透压、促进蛋白质合成、缓解应激反应等。因此，钾对于动植物的正常生长发育起着至关重要的作用，如何实现对动植物体内钾离子浓度的精确测量，探索具备简便、在线、精确、快速等优点的检测方法，对于实现农业生产的精细化管理具有重要的意义。
现如今，存在多种被广泛应用的钾离子浓度检测方法，包括离子色谱法、离子选择性电极法、火焰原子吸收光谱法、电化学分析法等。然而，使用这些方法进行测量时需要较多的被测液样，过程复杂、耗时，且需要有专业的人员操作。而面对微量的被测液样如温室作物体内汁液普遍存在着液量少且难以进行完全提取等问题，传统的检测方法不适用于精确测量。因此，探索操作方便、成本低、所需试验样液用量少的钾离子浓度快速检测装置及方法己成为必要。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于阻抗分析的钾离子浓度传感器和检测装置及方法，采用叉指金电极传感器和以缬氨霉素为离子载体的钾离子选择性膜进行结合，通过检测离子交换膜内部的阻抗反映钾离子浓度，反应腔可限制样液扩散回流，从而提高微量样液下钾离子浓度的检测精度，该装置为一体化操作台，无需移动、拆卸即可进行传感器的快速清洗和干燥，方便快捷、实操性好。
本发明的技术方案是：
一种基于阻抗分析的钾离子浓度传感器，包括叉指金电极和钾离子选择性膜，钾离子选择性膜修饰在叉指金电极上。
上述方案中，所述钾离子选择性膜的钾离子选择性膜液中钾离子载体为缬氨霉素、离子交换剂为四硼酸钠、聚合物基体材料为聚氯乙烯、增塑剂为癸二酸二辛酯，以溶质的总质量计，所述钾离子载体的质量百分比为1.5％-2.8％，所述离子交换剂的质量百分比为0.5％-0.8％，所述聚合物基体材料的质量百分比为32.2％-36.6％，所述增塑剂的质量百分比为62.5％-68.4％。
一种基于阻抗分析的钾离子浓度检测装置，包括传感器、反应腔和操作台；所述传感器安装在操作台上；所述反应腔设置在传感器上，反应腔设有进样口；所述传感器包括叉指金电极和钾离子选择性膜，钾离子选择性膜修饰在叉指金电极上；所述叉指金电极与电化学工作站连接。
上述方案中，还包括注入式清洗装置；所述反应腔还设有进液口和出液口，所述注入式清洗装置与反应腔的进液口连接。
上述方案中，还包括热风干燥机构；所述反应腔还设有至少一个进风口，热风干燥机构与进风口连接。
进一步的，所述热风干燥机构包括电热丝、电动机和开关；
所述开关分别与电热丝和电动机连接；电热丝将电动机旋转产生的风加热，热风通过进风口进入反应腔。
上述方案中，所述叉指金电极的引脚通过弹簧夹与电化学工作站相连接。
上述方案中，所述叉指电极基底为玻璃基底。
一种根据所述基于阻抗分析的钾离子浓度检测装置的方法，包括以下步骤：
步骤S1、钾离子传感器制作：将配制好的钾离子选择性膜液滴加在所述叉指金电极上，叉指金电极上形成一层用于选择钾离子的钾离子选择性膜，获得基于阻抗分析的钾离子传感器；
步骤S2、制作空白对照曲线：向所述反应腔内加入PBS缓冲液作为空白对照，以电化学工作站作为仪器平台进行电化学阻抗谱扫描，制作空白对照曲线；
步骤S3、制作阻抗和钾离子浓度相对应的线性曲线：配制不同浓度梯度的氯化钾标准溶液，采用电化学工作站进行电化学阻抗谱扫描，得到标准溶液的电化学阻抗扫频曲线，根据获得的钾离子标准溶液的电化学阻抗扫频曲线，选取不同浓度梯度之间阻抗差值最明显的频率，选择该频率下的数据制作阻抗和钾离子浓度相对应的线性曲线；
步骤S4、钾离子浓度检测：将待测样液从反应腔中加入，滴到所述叉指金电极的钾离子选择性膜上，电化学工作站进行电化学阻抗谱扫描，根据阻抗和钾离子浓度相对应的线性曲线得到钾离子浓度。
上述方案中，所述步骤S1中所述钾离子选择性膜液的配制具体为：
将钾离子载体缬氨霉素、离子交换剂四硼酸钠、聚合物基体材料聚氯乙烯、增塑剂癸二酸二辛酯溶解在四氢呋喃中搅拌均匀配制成粘稠溶液，作为钾离子选择性膜液，以溶质的总质量计，所述钾离子载体的质量百分比为1.5％-2.8％，所述离子交换剂的质量百分比为0.5％-0.8％，所述聚合物基体材料的质量百分比为32.2％-36.6％，所述增塑剂的质量百分比为62.5％-68.4％。
上述方案中，所述电化学工作站进行电化学阻抗谱扫描的交流电压为500毫伏，扫频范围为10Hz～1MHz。
上述方案中，所述步骤S3中阻抗和钾离子浓度相对应的线性曲线为：
y＝-0.25x-0.8198，R2＝0.9149。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过叉指金电极传感器和以缬氨霉素为离子载体的钾离子选择性膜进行结合，基于阻抗测量，无需外设参比电极，传感器结构紧凑、体积小，简化操作流程；本发明一体化操作台可快速实现注入式清洗和热风干燥功能，无需拆卸反应腔，操作简便；本发明可用于微量试验样液中钾离子浓度的测量，同时消耗微量试剂和药品，降低了成本。
附图说明
图1是本发明一实施方式的钾离子浓度检测装置整体结构示意图；
图2是本发明一实施方式的钾离子传感器示意图；
图3是本发明一实施方式的反应腔示意图；
图4是本发明一实施方式的热风干燥装置示意图；
图5为钾离子浓度检测装置检测钾离子的阻抗图谱；
图6为钾离子浓度检测装置分别与不同浓度的钾离子发生反应后阻抗与浓度之间的线性关系图；
图7为混合溶液中钾离子传感器性能测试结果。
图中，1、传感器；101、叉指；102、钾离子选择性膜；103、玻璃基底；2、反应腔；201、进样口；202、进液口；203、出液口；204、进风口；3、注入式清洗装置；4、热风干燥机构；401、电热丝；402、电动机；403、开关；5、操作台；6弹簧夹；7.电化学工作站；8、烧杯。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明所述基于阻抗分析的钾离子浓度传感器，包括叉指金电极和钾离子选择性膜102，钾离子选择性膜102修饰在叉指金电极上。所述钾离子选择性膜(102)的钾离子选择性膜液中钾离子载体为缬氨霉素、离子交换剂为四硼酸钠、聚合物基体材料为聚氯乙烯、增塑剂为癸二酸二辛酯，以溶质的总质量计，所述钾离子载体的质量百分比为1.5％-2.8％，所述离子交换剂的质量百分比为0.5％-0.8％，所述聚合物基体材料的质量百分比为32.2％-36.6％，所述增塑剂的质量百分比为62.5％-68.4％。
图1-4所示为所述基于阻抗分析的钾离子浓度检测装置的一种较佳实施方式，所述基于阻抗分析的钾离子浓度检测装置，包括由MEMS加工工艺制造的叉指金电极和钾离子选择性膜102构成的传感器部分1、将待测样液限制在电极敏感区的反应腔2、注入式清洗装置3、热风干燥部分4、以及操作台5；所述传感器1安装在操作台5上；所述反应腔2设置在传感器1上，反应腔2设有进样口201；所述传感器1包括叉指金电极和钾离子选择性膜102，钾离子选择性膜102修饰在叉指金电极上；叉指金电极引脚通过弹簧夹6与电化学工作站7相连接，待测样液与电极敏感区上的钾离子选择性膜102接触后通过检测离子交换膜内部的阻抗变化来反映溶液钾离子浓度。
根据本实施例，优选的，所述反应腔2还设有进液口202和出液口203，所述注入式清洗装置3与反应腔2的进液口202连接。
根据本实施例，优选的，所述反应腔2还设有至少一个进风口204，热风干燥机构4与进风口204连接。所述热风干燥机构4包括电热丝401、电动机402和开关403；所述开关403分别与电热丝401和电动机402连接；电热丝401将电动机402旋转产生的风加热，热风通过进风口204进入反应腔2。
根据本实施例，优选的，所述叉指电极基底为玻璃基底103，厚度为0.5mm、长度12mm、宽度6mm。
根据本实施例，优选的，所述叉指金电极由MEMS加工工艺制成，采用钛、金材料制成，钛薄膜厚度为30nm，金薄膜厚度为100nm，包含100对叉指101，叉指宽10μm，相邻叉指间的间距为10μm。
优选的，测试过程中为防止待测样液在张力作用下往后部电极引脚与电化学工作站7连接部分扩散，设计反应腔2将待测样液限制在电极的敏感区。反应腔顶部设置锥形进样口201，防止样液的快速挥发，底部通过紧定螺钉连接在操作平台5上。
传统测试过程中需使用去离子水频繁清洗，设计注入式清洗装置3，在反应腔2顶部和底部分别设置进液口202和出液口203，清洗装置通过管道与进液口相连，清洗过后去离子水通过底部出液口相连的管道流至烧杯8，无需拆卸装置即实现清洗功能。
清洗后钾离子选择性膜表面仍会有水分残留，为解决水分干扰问题，设计热风干燥装置4，在反应腔2一侧设置两个进风口204，开关403启动后，电热丝401将电动机402旋转产生的风加热，热风通过进风口进入反应腔2，实现钾离子选择性膜的干燥。
所述操作台5使得以上装置实现一体化。
一种根据所述基于阻抗分析的钾离子浓度检测装置的方法，包括以下步骤：
步骤S1、钾离子传感器制作：将配制好的钾离子选择性膜液滴加在所述叉指金电极上，叉指金电极上形成一层用于选择钾离子的钾离子选择性膜102，获得基于阻抗分析的钾离子传感器；
步骤S2、制作空白对照曲线：向所述反应腔2内加入PBS缓冲液作为空白对照，以电化学工作站7作为仪器平台进行电化学阻抗谱扫描，制作空白对照曲线；
步骤S3、制作阻抗和钾离子浓度相对应的线性曲线：配制不同浓度梯度的氯化钾标准溶液，采用电化学工作站7进行电化学阻抗谱扫描，得到标准溶液的电化学阻抗扫频曲线，根据获得的钾离子标准溶液的电化学阻抗扫频曲线，选取不同浓度梯度之间阻抗差值最明显的频率，选择该频率下的数据制作阻抗和钾离子浓度相对应的线性曲线；
步骤S4、钾离子浓度检测：将待测样液从反应腔2中加入，滴到所述叉指金电极的钾离子选择性膜102上，电化学工作站7进行电化学阻抗谱扫描，根据阻抗和钾离子浓度相对应的线性曲线得到钾离子浓度。
具体的，所述基于阻抗分析的钾离子浓度检测装置的方法，包括以下步骤：
1钾离子传感器制作：将钾离子载体缬氨霉素、离子交换剂四硼酸钠、聚合物基体材料聚氯乙烯、增塑剂癸二酸二辛酯溶解在四氢呋喃中搅拌均匀配制成粘稠溶液。作为钾离子选择性膜液,以溶质的总质量计,其中钾离子载体的质量百分比为1％,离子交换剂的质量百分比为0.6％,聚合物基体材料的质量百分比为32.8％,增塑剂的质量百分比为65.6％。用移液器取30μl配制好的溶液均匀滴加在叉指金电极上，等待5min四氢呋喃挥发后，叉指金电极上形成一层用于选择钾离子的透明敏感膜——钾离子选择性膜102，即可获得基于阻抗分析的钾离子传感器。
2制作空白对照曲线：将叉指金电极的两个引脚分别通过操作台上的弹簧夹与电化学工作站相连接，优选的，电化学工作站7采用德国Zahner仪器有限公司Zennium型号的产品。然后用移液器向反应腔2内加入30μlPBS缓冲液(0.1M，pH＝7.4)作为空白对照，以电化学工作站7作为仪器平台进行电化学阻抗谱扫描，具体测试参数为：两个电极之间施加500毫伏的交流电压，扫频范围为10Hz～1MHz。
3制作阻抗和钾离子浓度相对应的线性曲线：空白对照曲线测量结束后，推动注入式清洗装置，用去离子水短暂冲洗后，启用热风干燥装置干燥，干燥完成后，再次分别加入30μl PBS缓冲液和30μl 10-5M的KCl溶液，等待五分钟后重复测量步骤2，得到10-5M对应的波特图。重复测量步骤2和3，直至完成10-4M、10-3M、10-2M、10-1M和1M的测量，最终得到钾离子选择性膜与6个不同浓度10-5，10-4，10-3，10-2，10-1，1M下的钾离子相互作用的阻抗谱曲线，如图5所示。在低频时，钾离子选择性膜阻抗的电阻分量占主导地位，这与频率无关，因此阻抗处于平缓状态。在较高频率下，叉指电极的电容对阻抗的贡献占主导地位，因此阻抗随频率增加而减小。可以看出，测量之间阻抗幅度的最大扩展约为100Hz，因此选择这个频率下的数据制作阻抗和钾离子浓度相对应的线性曲线。
以钾离子浓度的对数为横坐标，ΔZ(ΔZ＝Z-Z0，Z0是PBS中的阻抗值)为纵坐标，制作线性曲线对应的线性关系如图6所示。二者的对应关系式为：
y＝-0.25x-0.8198，R2＝0.9149
R2接近1说明传感器线性度良好，测量精度较高，因此本发明提出的基于阻抗分析的钾离子传感器可用于检测钾离子浓度，一体化操作台大大简化了钾离子浓度检测流程。
基于建立的钾离子浓度特性曲线，根据常见的干扰离子类型，配制已知浓度的0.1mol钾与不同离子的混合溶液，进行钾离子传感器的性能测试。在设计的一体化操作台上，采用制作的钾离子传感器进行混合溶液中钾离子浓度的测量，测量结果如图7所示。由图可知，所设计的钾离子检测传感器对钾离子具有较好的选择性，测量误差低于8％，精确度较高，能够满足溶液中钾离子浓度的测量要求。
本发明待测样液与电极敏感区钾离子选择性膜102接触后通过检测离子交换膜内部的阻抗变化来反映溶液钾离子浓度，设置注入式清洗装置3，无需拆卸反应腔2即可进行快速清洗，通过热风干燥装置4及时干燥腔内清洗残留，消除其对后续测试的影响。本发明通过阻抗变化测量钾离子浓度，无需外设参比电极，传感器结构紧凑、体积小，可用于微量试验样液中钾离子浓度的测量。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于阻抗分析的钾离子浓度传感器，其特征在于，包括叉指金电极和钾离子选择性膜(102)，钾离子选择性膜(102)修饰在叉指金电极上。
2.根据权利要求1所述的基于阻抗分析的钾离子浓度传感器，其特征在于，所述钾离子选择性膜(102)的钾离子选择性膜液中钾离子载体为缬氨霉素、离子交换剂为四硼酸钠、聚合物基体材料为聚氯乙烯、增塑剂为癸二酸二辛酯，以溶质的总质量计，所述钾离子载体的质量百分比为1.5％-2.8％，所述离子交换剂的质量百分比为0.5％-0.8％，所述聚合物基体材料的质量百分比为32.2％-36.6％，所述增塑剂的质量百分比为62.5％-68.4％。
3.一种基于阻抗分析的钾离子浓度检测装置，其特征在于，包括权利要求1所述的传感器(1)、反应腔(2)和操作台(5)；所述传感器(1)安装在操作台(5)上；所述反应腔(2)设置在传感器(1)上，反应腔(2)设有进样口(201)；所述传感器(1)包括叉指金电极和钾离子选择性膜(102)，钾离子选择性膜(102)修饰在叉指金电极上；所述叉指金电极与电化学工作站(7)连接。
4.根据权利要求3所述的基于阻抗分析的钾离子浓度检测装置，其特征在于，还包括注入式清洗装置(3)；所述反应腔(2)还设有进液口(202)和出液口(203)，所述注入式清洗装置(3)与反应腔(2)的进液口(202)连接。
5.根据权利要求3所述的基于阻抗分析的钾离子浓度检测装置，其特征在于，还包括热风干燥机构(4)；所述反应腔(2)还设有至少一个进风口(204)，热风干燥机构(4)与进风口(204)连接。
6.根据权利要求5所述的基于阻抗分析的钾离子浓度检测装置，其特征在于，所述热风干燥机构(4)包括电热丝(401)、电动机(402)和开关(403)；
所述开关(403)分别与电热丝(401)和电动机(402)连接；电热丝(401)将电动机(402)旋转产生的风加热，热风通过进风口(204)进入反应腔(2)。
7.一种根据权利要求2-6任意一项所述基于阻抗分析的钾离子浓度检测装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、钾离子传感器制作：将配制好的钾离子选择性膜液滴加在所述叉指金电极上，叉指金电极上形成一层用于选择钾离子的钾离子选择性膜(102)，获得基于阻抗分析的钾离子传感器；
步骤S2、制作空白对照曲线：向所述反应腔(2)内加入PBS缓冲液作为空白对照，以电化学工作站(7)作为仪器平台进行电化学阻抗谱扫描，制作空白对照曲线；
步骤S3、制作阻抗和钾离子浓度相对应的线性曲线：配制不同浓度梯度的氯化钾标准溶液，采用电化学工作站(7)进行电化学阻抗谱扫描，得到标准溶液的电化学阻抗扫频曲线，根据获得的钾离子标准溶液的电化学阻抗扫频曲线，选取不同浓度梯度之间阻抗差值最明显的频率，选择该频率下的数据制作阻抗和钾离子浓度相对应的线性曲线；
步骤S4、钾离子浓度检测：将待测样液从反应腔(2)中加入，滴到所述叉指金电极的钾离子选择性膜(102)上，电化学工作站(7)进行电化学阻抗谱扫描，根据阻抗和钾离子浓度相对应的线性曲线得到钾离子浓度。
8.根据权利要求7所述的基于阻抗分析的钾离子浓度检测装置的方法，其特征在于，所述步骤S1中所述钾离子选择性膜液的配制具体为：
将钾离子载体缬氨霉素、离子交换剂四硼酸钠、聚合物基体材料聚氯乙烯、增塑剂癸二酸二辛酯溶解在四氢呋喃中搅拌均匀配制成粘稠溶液，作为钾离子选择性膜液，以溶质的总质量计，所述钾离子载体的质量百分比为1.5％-2.8％，所述离子交换剂的质量百分比为0.5％-0.8％，所述聚合物基体材料的质量百分比为32.2％-36.6％，所述增塑剂的质量百分比为62.5％-68.4％。
9.根据权利要求7所述的基于阻抗分析的钾离子浓度检测装置的方法，其特征在于，所述电化学工作站(7)进行电化学阻抗谱扫描的交流电压为500毫伏，扫频范围为10Hz～1MHz。
10.根据权利要求7所述的基于阻抗分析的钾离子浓度检测装置的方法，其特征在于，所述步骤S3中阻抗和钾离子浓度相对应的线性曲线为：
y＝-0.25x-0.8198，R2＝0.9149。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111353128.2A CN114199976A (zh) | 2021-11-16 | 2021-11-16 | 一种基于阻抗分析的钾离子浓度传感器和检测装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111353128.2A CN114199976A (zh) | 2021-11-16 | 2021-11-16 | 一种基于阻抗分析的钾离子浓度传感器和检测装置及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114199976A true CN114199976A (zh) | 2022-03-18 |
Family
ID=80647740
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111353128.2A Pending CN114199976A (zh) | 2021-11-16 | 2021-11-16 | 一种基于阻抗分析的钾离子浓度传感器和检测装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114199976A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114923970A (zh) * | 2022-04-29 | 2022-08-19 | 南京工业大学 | 一种pvc钙离子选择电极及其制备方法 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4935106A (en) * | 1985-11-15 | 1990-06-19 | Smithkline Diagnostics, Inc. | Ion selective/enzymatic electrode medical analyzer device and method of use |
| US5158868A (en) * | 1987-07-17 | 1992-10-27 | Iniziative Marittime 1991, S.R.L. | Method of sample analysis |
| US6004442A (en) * | 1994-10-18 | 1999-12-21 | Institut Fur Chemo- Und Biosensorik Munster E.V. | Analyte-selective sensor |
| US6200444B1 (en) * | 1996-03-29 | 2001-03-13 | Institut Fuer Chemo Und Biosensorik Muenster E.V. | Cation-selective sensor |
| CN1492998A (zh) * | 2001-01-04 | 2004-04-28 | ̨������Ƽ��з��ɷ�����˾ | 具有改善加样性能的生物传感器 |
| US20050000803A1 (en) * | 2003-05-15 | 2005-01-06 | Christoph Ritter | Potentiometric, ion-selective electrode |
| CN102636532A (zh) * | 2012-04-24 | 2012-08-15 | 南京工业大学 | 一种医用型全固态钾离子选择性传感器及其制备方法 |
| CN103472102A (zh) * | 2013-09-29 | 2013-12-25 | 浙江大学 | 基于阻抗分析的气味结合蛋白传感器的制备方法及应用 |
| CN106501340A (zh) * | 2016-09-23 | 2017-03-15 | 上海小海龟科技有限公司 | 电极、离子敏感传感器、电容和离子活度的检测方法 |
-
2021
- 2021-11-16 CN CN202111353128.2A patent/CN114199976A/zh active Pending
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4935106A (en) * | 1985-11-15 | 1990-06-19 | Smithkline Diagnostics, Inc. | Ion selective/enzymatic electrode medical analyzer device and method of use |
| US5158868A (en) * | 1987-07-17 | 1992-10-27 | Iniziative Marittime 1991, S.R.L. | Method of sample analysis |
| US6004442A (en) * | 1994-10-18 | 1999-12-21 | Institut Fur Chemo- Und Biosensorik Munster E.V. | Analyte-selective sensor |
| US6200444B1 (en) * | 1996-03-29 | 2001-03-13 | Institut Fuer Chemo Und Biosensorik Muenster E.V. | Cation-selective sensor |
| CN1492998A (zh) * | 2001-01-04 | 2004-04-28 | ̨������Ƽ��з��ɷ�����˾ | 具有改善加样性能的生物传感器 |
| US20050000803A1 (en) * | 2003-05-15 | 2005-01-06 | Christoph Ritter | Potentiometric, ion-selective electrode |
| CN102636532A (zh) * | 2012-04-24 | 2012-08-15 | 南京工业大学 | 一种医用型全固态钾离子选择性传感器及其制备方法 |
| CN103472102A (zh) * | 2013-09-29 | 2013-12-25 | 浙江大学 | 基于阻抗分析的气味结合蛋白传感器的制备方法及应用 |
| CN106501340A (zh) * | 2016-09-23 | 2017-03-15 | 上海小海龟科技有限公司 | 电极、离子敏感传感器、电容和离子活度的检测方法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114923970A (zh) * | 2022-04-29 | 2022-08-19 | 南京工业大学 | 一种pvc钙离子选择电极及其制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Valcárcel et al. | Flow–Through (Bio) Chemical Sensors | |
| Lewenstam et al. | Application of ion‐selective electrodes in clinical analysis | |
| US6994777B2 (en) | Chemical sensors utilizing conducting polymer compositions | |
| CN107085022B (zh) | 3-硝基酪氨酸的分子印迹电化学传感器的制备及应用 | |
| US20170363571A1 (en) | Electrochemical testing system | |
| CN106546727B (zh) | 一种石墨烯玻璃芯片的制备方法 | |
| CN114199976A (zh) | 一种基于阻抗分析的钾离子浓度传感器和检测装置及方法 | |
| EP3377881B1 (en) | Devices and methods for detecting analytes using thermal waves | |
| US10890584B2 (en) | Devices for detecting analytes using thermal waves and related methods | |
| CN102072930A (zh) | 血样中多电解质同时测定的流动注射微电极串联电化学自动方法及装置 | |
| CN105158310A (zh) | 一种基于微孔电极的微流控检测芯片及其应用 | |
| US11002725B2 (en) | Device and method for unit use sensor testing | |
| CN107064265A (zh) | 一种MPBA修饰的用于HbA1c检测的电化学生物传感器及其制备与应用 | |
| CN109187703B (zh) | 一种基于非损伤微测技术的铜离子选择性微电极以及植物根尖铜离子流速测定方法 | |
| Lynch et al. | Solid‐State Ion‐Selective Electrode Arrays | |
| CN114354715B (zh) | 一种血气分析仪微流控芯片及其配套装置和使用方法 | |
| JPH0213959Y2 (zh) | ||
| CN101424650B (zh) | 检测氯霉素的电导型传感电极及其分子印迹膜的制备方法 | |
| JP7434266B2 (ja) | 伝導度センサを含む流体チャネル内のヘマトクリットを測定する方法 | |
| CN115181657A (zh) | 一种原位监测核酸扩增过程的装置及方法 | |
| CN217587022U (zh) | 一种样品检测装置 | |
| CN206146942U (zh) | 一种多通道干式化学多项联合检测装置 | |
| CN212586316U (zh) | 药物溶出度仪的测定装置 | |
| CN218896041U (zh) | 一种无土栽培营养液成分在线检测装置 | |
| Li et al. | A negative-pressure flow-injection micro-electrode system for rapid and simultaneous determination of four electrolytes in human serums |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220318 |