CN113588759B - 一种虹吸式离子选择电极电解质检测试纸 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虹吸式离子选择电极电解质检测试纸，包括依次设置的塑料基片层、电极层、绝缘层、桥接层、亲水膜层、密封膜层和盖片层，其特征在于，所述电极层附着在塑料基片上，所述电极层包括监测电极和离子选择电极，每组监测电极或离子选择电极均由工作电极和参比电极组成，所述工作电极集中布置于样本池区，所述参比电极集中布置于参比池区，每个所述工作电极和参比电极通过金属导线连接有一个金属导盘，用于与检测仪器连接导通。本发明试纸测试时免加参比溶液，直接微量指尖血一步快速准确检测电解质，且易批量化自动生产，成本低。

Description

一种虹吸式离子选择电极电解质检测试纸

技术领域

本发明属于电化学试纸技术领域，具体涉及一种虹吸式离子选择电极电解质检测试纸。

背景技术

血液、尿液、脑脊液、透析液中的Na⁺、K⁺、Ca⁺⁺、Cl^-等电解质是常见的生化检验项目，通过对以上物质的检验可了解人体内电解质的含量，及时补充电解质维持体内渗透压及酸碱平衡，是多种疾病诊断、治疗评估和预后判断的重要依据。在人口老龄化加剧，医保控费、分级诊疗等政策推动，智慧数字医疗快速布局，易伴随电解质紊乱的高血压、糖尿病等慢病人口日趋庞大等背景下，适应急诊、野外救护、基层医疗、药店监护、家庭管理等现代移动快检场景的电解质检测十分必要。

目前较为匹配移动快检场景的电解质检测是基于电化学原理的电解质分析仪，通过离子选择电极实现对目标离子浓度的测量，根据移动便捷化程度由低到高可大致归为三类。第一类是：与湿式电解质分析仪匹配的棒状型离子选择电极，必须填充内参比液，与含外参比液、清洗液、定标液的试剂包配套使用，其结构复杂，电极和液路维护成本高，批量化生产困难，仅适合在手术室、重症监护室、麻醉科等相对静止的场合配备专业医护人员抽取动脉或静脉血检测。第二类是：与湿式电解质分析仪匹配的平板型离子选择电极。虽然这类离子选择电极将液态内参比液固化，但仍需与含外参比液的试剂包搭配使用，其制作成本高、使用麻烦、存储条件苛刻、携带不便等问题并未得到本质改进，也只能由专业医护人员抽取动脉或静脉血，在手术室、重症监护室、麻醉科等相对静止的场合使用。第三类是：与干式电解质分析仪匹配的平板型离子选择电极。与第二类相比，尽管无需在配套仪器内封装外参比液体包，但必须随测试卡提供离子浓度已知的参比溶液，由测试人员手动滴加到指定区域后，再分步滴加待测样本实现完整测量，此检测过程繁琐，交叉污染的风险较大。另外，受限于目前此类电极的结构设计，仅支持滴加进样，非专业人员很难在灵活场景随时抽取到适配样本，而依赖冷藏或冷冻等低温环境才能有效存储的参比溶液和离子选择电极更进一步削弱了它的现代移动快检适应性，尤其是在野外救护、药店监护、家庭管理等场景中。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种虹吸式离子选择电极电解质检测试纸，该试纸与手持干式电解质分析仪配套，测试时免加参比溶液，直接微量指尖血一步快速准确检测电解质，且易批量化自动生产，成本低。

为了实现上述技术目的，本发明具体采用以下技术方案：

一种虹吸式离子选择电极电解质检测试纸，包括塑料基片层、电极层、绝缘层、桥接层、亲水膜层、密封膜层和盖片层，所述电极层附着在塑料基片上，所述电极层包括监测电极和离子选择电极，每组监测电极或离子选择电极均由工作电极和参比电极组成，所述工作电极与参比电极分别集中布置于样本池区和参比池区且互相分隔，每个所述工作电极和参比电极通过金属导线连接有一个金属导盘，用于与检测仪器连接导通。

所述的绝缘层覆盖于电极层上，且漏出工作电极和参比电极的有效区域以及金属导盘。

所述的桥接层覆盖于绝缘层上，所述桥接层设置有第一通槽和第二通槽，第一通槽的一端开口，位于样本池区，用于虹吸采集检测样品，第二通槽的四周封闭，位于参比池区，用于盛装参比液；所述桥接层上设置有一根中空纤维用于连通样本池区和参比池区。

本发明参比液中含聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-甲基丙烯酸)或丙三醇。

所述的亲水膜层覆盖于桥接层上，在亲水膜层上设置有三个通孔，分别为样本池排气孔、参比池排气孔、参比池注样孔，所述样本池排气孔对应于第一通槽里侧，与第一通槽形成样本池用于采集样本，所述参比池排气孔和参比池注样孔分别对应于第二通槽两侧，与第二通槽形成参比池用于盛装参比液。

所述的密封膜层大于第二通槽，对应第二通槽覆盖于亲水膜层上用于密封参比池排气孔和参比池注样孔。

所述的盖片层覆盖于密封膜层上，所述盖片层设置有对应于第一通槽的第三通槽，提供可视化的进样观察区。

所述的离子选择电极由金属、对应金属盐、固态凝胶化内参比电解质薄膜、离子选择电极薄膜依次叠加组成。

所述的金属选自金、银、铂、铱或钛，通过丝网印刷、电镀、化学镀或真空镀等方法集成在塑料基片上。

所述的对应金属盐为上述金属的不溶性盐。

所述的固态凝胶化内参比电解质薄膜由凝胶聚合物、凝胶聚合物交联剂、增塑剂、无机盐和表面活性剂组成。

所述的离子选择电极薄膜由成膜聚合物、增塑剂、离子载体、离子盐和溶剂组成。

本发明的有益效果为：

本发明通过参比溶液配方改良和创新性结构设计，将离子浓度易发生变化的参比水溶液变为离子浓度稳定的凝胶溶液，将卡式电极变为轻薄的试纸条电极，将单独外包装的参比溶液变为直接集成在试纸内部，将繁琐的多步测量变为一步法测量，将低温存储或复温等待等苛刻的测试条件变为常温常压随时测量，将必须通过静脉或动脉抽血才能滴加进样变为指尖全血直接加样，实现快速准确的电解质检测。既提高用户操作便捷性，也降低检测成本，实现真正意义上的电解质移动快检。此外，在试纸上集成进样监测电极，进一步为离子选择电极的正确性响应提供保障，既降低误判率，也丰富了试纸检测功能。

附图说明

图1是本发明检测试纸的结构示意图；

图2是本发明检测试纸电极层结构示意图；

图3是本发明检测试纸绝缘层结构示意图；

图4是本发明检测试纸桥接层结构示意图；

图5是本发明检测试纸亲水膜层结构示意图；

图6是本发明检测试纸密封膜层结构示意图；

图7是本发明检测试纸盖片层结构示意图；

图8是本发明检测试纸在不同浓度K⁺缓冲溶液中的电位响应曲线；其中参比溶液中K⁺浓度为9.3mmol/L；

图9是本发明检测试纸在不同浓度Na⁺缓冲溶液中的电位响应曲线；其中参比溶液中Na⁺浓度为195mmol/L；

图中，1、塑料基片层，2～4、工作电极，5～7、参比电极，8～13、金属导线，14～19、金属导盘，20、绝缘层，21～26、开孔，27、桥接层，28、第一通槽，29、中空纤维，30、第二通槽，31、亲水膜层，32、样本池排气孔，33、参比池排气孔，34、参比池注样孔，35、密封膜层，36、盖片层，37、第三通槽。

具体实施方式

下面将结合本发明具体的实施例，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种虹吸式离子选择电极电解质检测试纸，包括从下而上设置的塑料基片层1、电极层、绝缘层20、桥接层27、亲水膜层31、密封膜层35和盖片层36。

如图2所示，塑料基片层1上通过丝网印刷、电镀、化学镀或真空镀等方法集成有电极层，电极层由工作电极(2～4)、参比电极(5～7)和金属导盘(14～19)组成。工作电极(2～4)分布于塑料基片层1的左侧形成样本池区域，参比电极(5～7)分布于塑料基片的右侧形成参比池区域，金属导盘(14～19)排列设置在塑料基片层1的顶部，每个工作电极(2～4)和参比电极(5～7)通过金属导线(8～13)对应连接一个金属导盘。

电极层根据测试功能分为两类：一类是由一对相同金属构成的进样监测电极，位于样本池的底端，样本填充样本池、覆盖离子选择电极的充盈度影响监测电极的导通性，根据阻抗信号即能判断进样量是否合适；另一类则是由金属、对应金属盐、固态凝胶化内参比电解质薄膜、离子选择电极薄膜依次叠加组成的离子选择电极。

具体的，本实施例中工作电极2与参比电极5、工作电极3与参比电极6配对使用形成离子选择电极，工作电极2与参比电极5组成钠离子选择电极，工作电极3与参比电极6组成钾离子选择电极，根据需要也可是钙离子选择电极、氯离子选择电极，锂离子选择电极、镁离子选择电极、磷离子选择电极。工作电极4与参比电极7配对使用组成监测电极，金属导线(8～13)则分别连接工作电极2与金属导盘14、工作电极3与金属导盘15、工作电极4与金属导盘16、参比电极5与金属导盘17、参比电极6与金属导盘18、参比电极7与金属导盘19，与检测仪器连通构成完整的电解质检测回路。

监测电极由一对惰性导电金属组成，位于样本池的顶端，样本填充样本池、覆盖离子选择电极的充盈度会影响到电极阻抗变化，提前确定好进样量不足的阻抗阈值并写入仪器，则可根据实测阻抗信号智能化地判断进样量是否合适并做出提醒与指示。当进样量不足时，则会在配套手持电解质分析仪的显示屏上提示用户样本量不足重新测试，从而降低了用户在使用过程中被错误结果误导的风险，保证检测稳定性的同时提升用户的体验感。

其中，塑料基片层1为试纸支撑体，选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、尼龙中的一种或几种，优选为聚对苯二甲酸乙二醇酯。

电极中金属选自金、银、铂、铱、钛，通过丝网印刷、电镀、化学镀、真空镀方法集成在塑料基片上，优选可获得均匀、低阻抗、高纯度(接近100％)银膜的真空镀方式，厚度200-1000nm。

电极中对应金属盐为上述金属的不溶性盐，优选氯化银。金属盐均匀附着在金属表面，通过高锰酸钾氧化、重铬酸钾氧化、氯化铁氧化形成，优选浓度为0.01-1mol/L的氯化铁溶液，氧化时间0.5-10min。

电极中固态凝胶化内参比电解质薄膜的化学组分包括：凝胶聚合物、凝胶聚合物交联剂、增塑剂、无机盐、表面活性剂。

凝胶聚合物提供网络结构供无机盐分子均匀嵌入分散在其中，测试时水汽分子迅速渗入固态凝胶膜，增加盐离子的迁移速率，得以快速、准确测量。选自聚乙烯醇、聚乙二醇、羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素、壳聚糖、海藻酸钠、聚丙烯酸酯、聚丙烯酰胺-丙烯酸中的一种或几种，优选为聚乙烯醇。凝胶聚合物占内参比电解质薄膜总质量的30％-90％。

凝胶聚合物交联剂通过化学键合、配位络合、范德华作用等原理与凝胶聚合物分子链上的活性基团发生交联作用，表现为锁住无机盐的网孔尺寸变小，有力降低了无机盐小分子挣脱内参比电解质层到测试液中的概率，从而提高了内参比稳定性。选自硼酸、柠檬酸、戊二醛、脲、单宁酸、氯化钡、氯化铁、氯化镁中的一种或几种，优选为硼酸。

增塑剂用来调节薄膜的柔韧性和吸湿性。选自丙二醇、丙三醇、异丙醇、季戊四醇、乙醇胺、尿素、二丁酯、己内酰胺、低分子聚乙二醇，优选为丙三醇。增塑剂占内参比电解质薄膜总质量的3％-20％。

无机盐是内参比电极的电解质有效成分，选用氯化钠和氯化钾混合物，二者共同占内参比电解质薄膜总质量优选30％。

表面活性剂利用其两亲特性，在内参比电解质溶液成膜过程有助于减少各组分间相分离，提高薄膜的均匀稳定性。选自聚氧乙烯月桂醚、辛基苯基聚氧乙烯醚、聚山梨酯非离子表面活性剂中的一种或几种。

电极中离子选择电极薄膜的化学组分包括：成膜聚合物、增塑剂、离子载体、离子盐、溶剂。

成膜聚合物是离子选择电极薄膜的支撑网状成分，其他小分子物质均匀分散或络合在其中。选自聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、聚氨酯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯及它们的共混或共聚物，优选为聚氯乙烯。

增塑剂一方面与成膜聚合物配对改良薄膜柔韧性，另一方面起到溶解离子载体的作用，极性较大且对离子载体溶解能力强的增塑剂对薄膜内阻降低很有帮助。选自己二酸二辛酯、癸二酸二辛酯等脂肪酸脂类，邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二异辛酯等邻苯二甲酸酯类，磷酸三甲苯酯、磷酸三苯酯等磷酸酯类，邻硝基苯辛醚、对硝基苯辛醚等硝基苯辛醚类中的一种或多种，优选为更能提供低温柔性的癸二酸二辛酯。

离子载体是对目标离子具有螯合络合作用，形成选择性响应的化合物。钠离子载体选自N,N’,N”-三庚基-N,N’,N”-三甲基-4,4’,4”-次丙基三(3-氧杂丁酰胺)、N,N’-二苄基-N,N’-二苯基-1,2-苯二氧基二乙酰胺、N,N,N’,N’-四环己基-1,2-苯二氧基二乙酰胺、4-十八烷酸甲基-N,N,N’,N’-四环己基-1,2-苯二氧基二乙酰胺、双(12-冠醚-4)甲基-2-十二烷基-2-丙二酸二甲酯、4-叔丁基杯4芳烃-四乙酸四乙酯中的一种或几种；钾离子载体选自2-十二烷基-2-甲基-1,3-丙二基双N-5’-硝基(苯并-15-冠-5)-4’-基氨基甲酸酯、18-冠醚-6、15-冠醚-5、12-冠醚-4、二苯并-18-冠醚-6、缬氨霉素中的一种或几种。

离子盐是一种亲脂性盐，可减小非目标离子对离子载体选择性的干扰。选自四(4-氯苯基)硼酸钾、四苯基硼酸钠、四苯基硼酸钾。

溶剂根据其对薄膜中其它组分的溶解能力和自身挥发性来选择，常将极性和沸点不同的有机溶剂共混搭配。选自环己酮、N-N二甲基甲酰胺、四氢呋喃、苯丙酮、N-甲基吡咯烷酮、三氯甲烷中的一种或几种。

如图3所示，绝缘层20为一层带背胶的绝缘塑料膜，绝缘层20覆盖于电极层上，底部边缘与塑料基片层1平齐，在绝缘层20上设置有开孔(21～26)，分别对应于工作电极(2～4)和参比电极(5～7)，漏出金属导盘(14～19)以及工作电极(2～4)和参比电极(5～7)的有效区域，其它导电部位完全遮盖。

如图4所示，桥接层27覆盖于绝缘层20上，桥接层27设置有第一通槽28和第二通槽30，第一通槽28底部为开口状作为样本池组成部分，第二通槽30为闭合长方形状作为参比池组成部分，第一通槽28对应工作电极(2～4)区域且漏出开孔(21～23)，第二通槽对应参比电极(5～7)区域且漏出开孔(24～26)。在桥接层27上设置一根中空纤维29连通第一通槽28和第二通槽30，用于连通工作电极(2～4)和其对应参比电极(5～7)。

本发明桥接层27连通工作电极(2～4)和其对应参比电极(5～7)，与传统上浸泡在高浓度盐溶液中的参比电极经复杂的毛细盐桥与工作电极相接通不同，既不需要精细的毛细管流道，也不用引入液体盐溶液，仅通过一根中空纤维29即将工作电极(2～4)和参比电极(5～7)连通。

如图5所示，亲水膜层31覆盖于桥接层27上，在亲水膜层31上设置有三个通孔，分别为样本池排气孔32、参比池排气孔33、参比池注样孔34，其中，样本池排气孔32位于对应第一通槽28的顶部，参比池排气孔33位于对应第二通槽30的顶部，参比池注样孔34位于对应第二通槽30的底部，将样本池排气孔32设置于第一通槽28的顶部，与底层工作电极(2～4)区域形成虹吸作用，有助于样本液布满第一通槽28区域，实现直接微量指尖全血虹吸进样，此外还能兼顾支持静脉全血、动脉全血、血浆、血清、透析液等多种形式的样本测试。既简化了测量过程，拓宽了应用范围，保证了移动便捷性，又提高了抗干扰能力，为准确测量提供更好地保障。

如图6所示，密封膜层35为长方形，对应覆盖于第二通槽30上方用于密封参比池排气孔33和参比池注样孔34，为参比溶液在试纸内的稳定保存提供保险。

密封膜层选自铝、尼龙、聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯中的一种或多种复合，优选阻气阻水隔光优异的聚对苯二甲酸乙二醇酯/尼龙/铝/聚乙烯复合铝箔。

如图7所示，盖片层36覆盖于密封膜层35上，用于外封装和标签的双重作用。在盖片层36上设置有对应于第一通槽28的第三通槽37，漏出样本池排气孔32和工作电极(2～4)的有效区域，同时提供可视化进样观察区。

实施例2

本发明实施例还提供了参比液的制备方法。

制备方法一：

1)称取0.1100g NaCl和0.0066g KCl，然后加入5g超纯水在常温下300rpm磁力搅拌10min；

2)称取0.9g超纯水，然后加入0.1g 5-溴-5-硝基-1,3-二恶烷在常温下300rpm磁力搅拌30min；

3)移液枪移取10uL上述溶液2)加入到上述溶液1)中，然后在常温下300rpm磁力搅拌30min。

4)称取0.1g聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-甲基丙烯酸)共聚物，在1000rpm磁力搅拌下加入到5g超纯水中，然后采用冷凝回流方式，维持120℃加热1h。

5)将上述溶液3)与上述溶液4)混合，然后在常温下300rpm磁力搅拌30min即得到参比溶液，密封保存。

制备方法二：

1)称取0.1100g NaCl和0.0066g KCl，常温下搅拌溶解在0.5g超纯水中，然后加入12g丙三醇溶液在常温下300rpm磁力搅拌30min；

2)称取0.9g丙二醇溶液，然后加入0.1g 5-溴-5-硝基-1,3-二恶烷在常温下300rpm磁力搅拌30min，；

3)移液枪移取10uL上述溶液2)加入到上述溶液1)中，然后在常温下300rpm磁力搅拌30min后即得到参比溶液，密封保存。

本发明为使参比溶液中各电解质离子浓度在常温常压下维持稳定，参比液使用聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-甲基丙烯酸)或丙三醇来调节参比溶液的粘度和温敏性，适应在试纸内封装的条件，实现在试纸内的稳定存储，测量时一步加入待测样本即可，既简化了操作步骤，增加了移动便携性，又减少耗材种类节约了成本。

实施例3

提供了一种离子选择电极电解质试纸的制作方法，包括以下步骤：

1)取聚对苯二甲酸乙二醇酯基板，将纯银靶材溅射到聚对苯二甲酸乙二醇酯基板上的指定区域，形成银导通盘、银连接导线和银电极点，其中银的纯度>99.9％；

2)配制0.01mol/L氯化铁溶液，滴涂到银点表面，等待20min后得到氯化银薄膜层，用超纯水冲洗干净，然后在烘箱内烘干，烘干温度为50℃，时间为30min。

3)使用质量比1:10的丙三醇/超纯水混合溶剂，配制5g 2％聚乙烯醇溶液，向其中加入0.025g NaCl、0.005g KCl搅拌溶解，然后在65℃、1000rpm磁力搅拌条件下加入200uL硼酸饱和溶液进行反应。最后取适量溶液滴涂覆盖住上述银和氯化银电极点，在烘箱内烘干得到固态凝胶内参比电解质薄膜，烘干温度为40℃，时间为30min。

4)分别配制2g钠和钾离子选择膜溶液，取适量滴涂覆盖住上述固态凝胶内参比电解质薄膜，在40℃条件下烘30min得到钠和钾离子选择薄膜。其中，使用环已酮/四氢呋喃混合溶剂，四(4-氯苯基)硼酸钾作离子干扰剂，N,N,N’,N’-四环己基-1,2-苯二氧基二乙酰胺作钠离子的载体，缬氨霉素作钾离子的载体，聚氯乙烯作成膜聚合物且质量占比40％，癸二酸二辛酯作增塑剂且质量占比55％。

5)烘干完离子选择电极薄膜后，依次贴上绝缘膜、桥接膜和亲水膜，然后将配好的参比溶液注入盛装池后用铝箔膜封住注样孔和气孔，最后贴上盖片。绝缘膜为带背胶的PET薄片，桥接膜上粘接有一根直径小于0.2mm的聚酯中空纤维贯穿样本池与参比池，亲水膜与样本池的贴合面经亲水剂处理过，铝箔膜则选用聚对苯二甲酸乙二醇酯/尼龙/铝/聚乙烯复合膜，盖片材料为合成纸。

6)用所制备的离子选择电极电解质检测试纸，分别测试不同K⁺和Na⁺浓度的人体模拟液，电位响应曲线见图8和图9。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种虹吸式离子选择电极电解质检测试纸，包括依次设置的塑料基片层、电极层、绝缘层、桥接层、亲水膜层、密封膜层和盖片层，其特征在于，所述电极层附着在塑料基片上，所述电极层包括监测电极和离子选择电极，每组监测电极或离子选择电极均由工作电极和参比电极组成，所述工作电极集中布置于样本池区，所属参比电极集中布置于参比池区，每个所述工作电极和参比电极通过金属导线连接有一个金属导盘，用于与检测仪器连接导通；

所述的监测电极由一对惰性导电金属组成；所述离子选择电极由金属、对应金属盐、固态凝胶化内参比电解质薄膜、离子选择电极薄膜依次叠加组成；

所述的绝缘层露出工作电极和参比电极的有效区域以及金属导盘；所述桥接层设置有第一通槽和第二通槽，第一通槽的一端开口，位于样本池区，用于虹吸采集检测样品，第二通槽的四周封闭，位于参比池区，用于盛装参比液；所述桥接层上设置有一根中空纤维用于连通样本池区和参比池区；

所述亲水膜层上设置有三个通孔，分别为样本池排气孔、参比池排气孔、参比池注样孔，所述样本池排气孔对应于第一通槽里侧，所述参比池排气孔和参比池注样孔分别对应于第二通槽两侧；

所述密封膜层对应第二通槽覆盖于亲水膜层上，且密封参比池排气孔和参比池注样孔；

所述盖片层设置有对应于第一通槽的第三通槽，提供可视化的进样观察区；

所述参比液中含聚（N-异丙基丙烯酰胺-co-甲基丙烯酸）或丙三醇。

2.根据权利要求1所述的一种虹吸式离子选择电极电解质检测试纸，其特征在于，所述密封膜层对应第二通槽覆盖于亲水膜层上，且密封参比池排气孔和参比池注样孔。

3.根据权利要求1所述的一种虹吸式离子选择电极电解质检测试纸，其特征在于，所述盖片层设置有对应于第一通槽的第三通槽，提供可视化的进样观察区。