背景技術(shù)：
：：發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明提供了固態(tài)電極，該固態(tài)電極包括利用氧化還原活性分析物不敏感材料(“aim”)的“指示電極”(“ie”)和利用氧化還原活性分析物敏感材料(“asm”)的工作電極(“we”)以用于包括ph測量在內(nèi)的電化學(xué)分析，還提供了制造和使用本發(fā)明材料的方法以及包括這些材料的電極、傳感器和設(shè)備。在一個實施例中，將aim摻入到與偽參比電極(“pre”)結(jié)合使用的ie和用作we的asm中。該ie校正由pre電勢的變化引起的ph讀數(shù)(或其他分析物測量值)的漂移，從而提高測量精度并消除對于其他類型的分析物傳感器所需的校準(zhǔn)過程的需要。因此，本發(fā)明涉及化學(xué)領(lǐng)域，尤其是電化學(xué)領(lǐng)域，以及分析物測量領(lǐng)域，尤其是ph測量領(lǐng)域，以及進(jìn)行此類測量的各種領(lǐng)域。相關(guān)公開內(nèi)容說明此前已經(jīng)描述了基于aim和/或asm電化學(xué)的電極和分析物感測設(shè)備。參見美國專利no.4,857,167、no.5.223.117、no.7.901.555、no.8.177.958、no.8.197.650、no.8.506.779、no.8.562.797、no.8.877.037、no.8.956.519、no.8,961,754，前述專利以引用方式并入本文。還可參見pct公布no.2010/026842、no.2010/028726、no.2011/045385、no.2013/112767、no.2013/134582以及no.2014/106066，其各自以引用方式并入本文。利用aim二茂鐵的電極描述見于lafitteetal.(2008),electrochemistrycommunications,10(12),1831-1834(lafitte等人，2008年，《電化學(xué)通訊》，第10卷，第12期，第1831-1834頁)；hickmanetal.(1991),science,252(5006),688-691(hickman等人，1991年，《科學(xué)》，第252卷，第5006期，第688-691頁)；robinsonandlawrence(2006),electroanalysis,18(2006)677-683(robinson和lawrence，2006年，《電分析》，第18卷，第2006期，第677-683頁)，以及robinsonandlawrence(2008),analyticalsciences24.339-343(robinson和lawrence，2008年，《分析科學(xué)》，第24卷，第339-343頁)。盡管此前在本領(lǐng)域中已描述了二茂鐵水凝膠，但是這些教導(dǎo)內(nèi)容和材料限于用作氧化還原介質(zhì)，這是出于從單獨的感測元件轉(zhuǎn)換信號的目的。此外，這些參考文獻(xiàn)沒有提出或?qū)Ｗ⒂诒疚乃懻摰亩F水凝膠的物理性質(zhì)。此外，本發(fā)明提供了檢測和報告參考氧化還原信號的二茂鐵水凝膠ph感測元件。利用asm/aim和方波伏安法(swv)的電化學(xué)傳感器(有時稱為“伏安傳感器”)因提供“免校準(zhǔn)”感測的可能性(意味著傳感器不必由最終用戶校準(zhǔn))而被交口贊譽，尤其適用于ph測量。在這些傳感器中，由we生成的ph敏感信號和由ie生成的ph不敏感信號通過給定的分析物使用swv方法同時生成。如果分析物是水合氫離子(用于ph測量)，則asmwe響應(yīng)于水合氫離子濃度的變化而改變電勢，而ph計中ie的理想aim產(chǎn)生不隨ph變化的恒定電勢。如圖1所示，相對于參比電極(re)電勢測量這兩個電勢。這樣，asm信號和aim信號之間的差異可與ph或其他分析物相關(guān)聯(lián)，并且該差異在理想情況下與re的絕對電勢無關(guān)，該re可以是常規(guī)的參比電極(“cre”)或pre。因此，對于伏安傳感器而言，re的變化對結(jié)果的影響比在常規(guī)電位計ph傳感器中的影響小得多，所述常規(guī)電位計ph傳感器完全依賴于re的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。實際上，對于伏安傳感器而言，可使用更簡單的pre(例如，固體ag/agcl組合物)來代替cre(諸如包封在參比溶液中的ag/agcl或甘汞cre)。然而，對免校準(zhǔn)傳感器技術(shù)的需求仍然存在，因為被稱為“免校準(zhǔn)”的傳感器在實踐中并沒有被證明為是無需校準(zhǔn)的，和/或在精度、信號強度和/或耐久性方面存在缺陷。例如，此前使用二茂鐵(fc)作為內(nèi)部參比電極的自校準(zhǔn)傳感器表現(xiàn)出長期穩(wěn)定性差，并且該fc僅在有限的ph范圍內(nèi)具有足夠的ph不敏感性。任何ph敏感性均降低了任何所需校準(zhǔn)的精度，并限制了測試結(jié)果的可靠性。在敏感性方面，現(xiàn)有技術(shù)中基于fc的aim電極(ie)通常具有較弱并且相對有噪聲的信號。另外，現(xiàn)有技術(shù)的ie和we生成相對弱和/或不穩(wěn)定的信號，特別是在嚴(yán)苛的測試條件下。因此，仍然需要用于使用基于asm的we和基于aim的ie的分析物感測的改進(jìn)的材料和方法。本發(fā)明滿足這種需要。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的第一個目的是提供ph計的有用的新部件(包括we和ie)，以及提供可用于在各種條件下測量ph的完整的傳感器，迄今為止使用現(xiàn)有的技術(shù)和設(shè)備是不可能實現(xiàn)的。在一個優(yōu)選的實施例中，本發(fā)明的ph傳感器是干濕可逆的小型緊湊型固態(tài)傳感器，并且包括基于aim的ie，其中將we的asm和ie的aim結(jié)合到交聯(lián)水凝膠基質(zhì)中，該交聯(lián)水凝膠基質(zhì)非共價地附接到導(dǎo)電襯底，諸如碳、摻雜硅、改性硅或?qū)щ姽柩苌锘驅(qū)щ娋酆衔锊牧?。在第一方面，本發(fā)明提供了適合用作aim的材料。在一個實施例中，該材料是適用于形成包括aim的親水性交聯(lián)凝膠的可聚合單體的制備物。在另一個實施例中，該材料是包括aim的親水性交聯(lián)凝膠。在另一個實施例中，該材料是形成固體緩沖劑的可聚合單體的制備物，該固體緩沖劑被涂覆到充當(dāng)aim的asm上。在第二方面，本發(fā)明提供了包括多孔導(dǎo)電襯底的電極，該多孔導(dǎo)電襯底與包括aim或asm的親水性交聯(lián)水凝膠非共價連接。在一個實施例中，該電極是指示電極(ie)。在另一個實施例中，該電極是we。在另一個實施例中，該電極是ph計的傳統(tǒng)玻璃探針的固態(tài)替代物。在第三方面，本發(fā)明提供了一種分析物感測設(shè)備，該設(shè)備包括由包括aim的親水性交聯(lián)水凝膠組成的ie、包括asm的工作電極(we)和re，所述凝膠非共價地附接到多孔導(dǎo)電襯底。在一個實施例中，該re是固態(tài)pre，諸如銀和氯化銀的固體混合物(ag/agcl)或氯化的銀表面。在設(shè)備的一個實施例中，we的asm類似地共價附接到水凝膠或穩(wěn)定地包封在水凝膠內(nèi)，該水凝膠繼而非共價地附接到導(dǎo)電襯底來形成該we。導(dǎo)電襯底可以是多孔的或以其他方式成形或處理以有利于水凝膠基質(zhì)的粘附。在第四方面，本發(fā)明提供了一種方法，用于相對于re(諸如固態(tài)pre)測量自含asm的we和含aim的ie的電極電勢，并且在分析物濃度或水平與we和ie之間的電勢差之間建立相關(guān)性。在一個實施例中，使用該相關(guān)性導(dǎo)出分析物樣品的ph。在一個實施例中，本發(fā)明涉及改進(jìn)使用分析物傳感器測量分析物的工藝，該分析物傳感器包括：第一we，其中該第一we包括第一組氧化還原物質(zhì)(所述asm)，并且其中該第一組氧化還原物質(zhì)包括對所述分析物敏感的一種或多種氧化還原物質(zhì)；ie，其中該ie包括第二組氧化還原物質(zhì)(所述aim)，并且其中該第二組氧化還原物質(zhì)包括對所述分析物不敏感的一種或多種氧化還原物質(zhì)；反電極(“ce”)；re，其可以是cre或pre；用于在第一對電極和第二對電極之間施加方波電勢掃描的裝置，其中所述第一對電極包括所述第一we和所述re，所述第二對電極包括所述ie和所述re；以及用于檢測方波伏安圖中的第一峰和第二峰之間的相對偏移的裝置，其中第一峰由第一組氧化還原物質(zhì)的氧化和還原之一產(chǎn)生，并且第二峰由第二組氧化還原物質(zhì)的氧化和還原之一產(chǎn)生，所述改進(jìn)包括使用ie，其中第二組氧化還原活性物質(zhì)不共價附接到該ie的表面，而是被共價地、非共價地或以這兩種方式包封到附接于該ie表面的聚合物材料中。在另一個實施例中，改進(jìn)涉及使用we，其中第一組氧化還原活性物質(zhì)不共價附接到we表面，而是共價地、非共價地或以這兩種方式包封到附接于該we表面的聚合物材料中。在另一個實施例中，本發(fā)明提供了一種包括改進(jìn)的ie和改進(jìn)的we的設(shè)備。附圖說明圖1示意性地示出了在未校正的伏安傳感器中，re電勢中的任何漂移如何導(dǎo)致包含分析物敏感材料(asm)的原本穩(wěn)定的we的測量誤差(在該圖的a中示出)。無法將該測量誤差與分析物濃度的變化區(qū)分開。如果分析物不敏感材料(aim)用作額外的ie(在該圖的b中示出)，則任何表觀漂移必須歸因于re。因此，ie電勢的漂移可用于消除在工作電極中觀察到的漂移誤差(在該圖的c中示出)。這樣，we和ie的電勢差便與re的性質(zhì)或種類的變化有效地分離，并且傳感器提供對分析物的更精確的測量。圖2示出了證明二茂鐵甲醇(fc-meoh)在ph1至ph10的緩沖液中具有實際上相同的方波峰值電勢的數(shù)據(jù)。為了生成該數(shù)據(jù)，將含有1mmfc-meoh和100mm氯化鈉的緩沖液各掃描五次。誤差條反映標(biāo)準(zhǔn)偏差。本發(fā)明的一個目的是提供用于ie的二茂鐵水凝膠。圖3示出了本發(fā)明的免校準(zhǔn)固態(tài)ph傳感器的部件，如實例1中更具體的描述。asm位于we之上，而aim位于ie之上。碳纖維復(fù)合材料用作兩個電極的襯底。本實施例中的反電極(ce)是圍繞we的金屬(例如不銹鋼)環(huán)。在該示例中，相對于偽參比電極(pre)進(jìn)行所有伏安測量。圖4示出了對于包括如實例1中所述的本發(fā)明的aim水凝膠的ph傳感器而言，ph變化對we(即asm)ph峰值與ie(aim，例如fc)峰值的影響。圖5示出了re中的變化對如在實例1中所述的本發(fā)明的we-ie對的影響。結(jié)果證明we-ie關(guān)系與cre無關(guān)。圖6示出了如實例2中所述的全固態(tài)傳感器系統(tǒng)中的we-ie對的校準(zhǔn)。圖7示出了比較we-ie對和常規(guī)玻璃ph電極的結(jié)果，如實例3中所述。圖8示出了本發(fā)明的傳感器(設(shè)備)的各種電極配置。圖9示出了組裝了本發(fā)明的ph傳感器的多孔板。圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的代表性實施例，被設(shè)計用于測量微升樣品的ph傳感器的細(xì)節(jié)。具體實施方式現(xiàn)有技術(shù)中的基于aim的指示電極和基于asm的工作電極通常具有有限的精度、較差的穩(wěn)定性，并且對于aimie，其ph不敏感性范圍小，而對于asmwe，其ph敏感性范圍小。這些現(xiàn)有技術(shù)電極中的aim部分(例如二茂鐵)通常通過共價附接直接附接到襯底表面。對于其中aim或asm共價附接到襯底表面的電極，可實現(xiàn)的aim或asm的有效濃度受到可進(jìn)行反應(yīng)/結(jié)合的襯底的二維表面積的限制。此外，可獲得的官能團密度通常低于反應(yīng)位點的密度，這導(dǎo)致信號水平低以及隨之產(chǎn)生的電極電勢測量的不確定性。此外，此前提供完全固態(tài)的干濕可逆ph傳感器的嘗試并沒有形成商業(yè)產(chǎn)品；在本發(fā)明之前，仍然沒有基于aim/asm固態(tài)技術(shù)的商業(yè)化的固態(tài)ph計。先前已失敗的嘗試可能要歸因于：在we處不能產(chǎn)生足夠的信號強度；在使用或存儲過程中信號衰減過快；在相當(dāng)寬的ph范圍內(nèi)敏感性不足；分析物樣品或其他使用條件的魯棒性不足。本發(fā)明提供了克服這些限制的各種材料、方法、電極、傳感器和設(shè)備，首先通過提供水凝膠材料，該材料中asm或aim共價附接到或穩(wěn)定地包封在交聯(lián)的親水性聚合物基質(zhì)內(nèi)，稱為“水凝膠聚合物基質(zhì)”或“水凝膠”。水凝膠聚合物基質(zhì)在本發(fā)明的ie和we中，可以是二茂鐵衍生物或包括二茂鐵衍生物的aim和可以是蒽醌衍生物或包括蒽醌衍生物的asm，共價連接到或物理包封在高度溶脹的交聯(lián)的親水性聚合物基質(zhì)(一種“水凝膠”)內(nèi)，該基質(zhì)不共價連接到導(dǎo)電襯底，而是通過非共價鍵附接到其上。三維水凝膠結(jié)構(gòu)容許比現(xiàn)有技術(shù)中所實現(xiàn)的高得多的aim(或asm)的濃度。水凝膠的高水滲透性確保了aim(或asm)與正測試其分析物濃度的樣品之間的快速相互作用，這促進(jìn)了對樣品變化的迅速響應(yīng)。本發(fā)明的aim水凝膠和asm水凝膠還具有良好的干濕可逆性，干燥時保持物理完整性，并且在再潤濕時快速恢復(fù)氧化還原活性。本發(fā)明的ph傳感器的ph不敏感性范圍通常涵蓋至少ph2至ph10。二茂鐵(fc)已被描述為用于ie中的合適的aim，但是在高濃度下二茂鐵的固定作用通常導(dǎo)致在小的ph范圍之外的低卻顯著的ph敏感性。因此，aim的與分析物無關(guān)的性質(zhì)僅部分實現(xiàn)。例如，將聚乙烯二茂鐵(具有固有高官能團密度的aim)物理固定到襯底上產(chǎn)生低分辨率信號。本發(fā)明部分產(chǎn)生于某些二茂鐵衍生物的ph不敏感性范圍在溶液中比在固態(tài)中明顯更寬的發(fā)現(xiàn)。例如，如圖2所示，二茂鐵甲醇(fc-meoh,mw＝216)在ph1至ph10的緩沖液中具有實際上相同的方波峰值電勢。因此，本發(fā)明的一個目的是在固態(tài)電極和傳感器的實施例中保持aim的天然ph不敏感性和asm的天然ph敏感性。本發(fā)明提供的材料在分子水平上提供模擬游離溶液中aim的環(huán)境的aim操作環(huán)境。本發(fā)明的一般方法是將fc衍生物摻入水合聚合物基質(zhì)中。繼而將所得聚合物沉積在導(dǎo)電襯底上來形成電極。優(yōu)選地，fc衍生物共價附接到水凝膠上，被定義為通過水高度溶脹但不溶于水的交聯(lián)聚合物基質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的與fc和fc衍生物一起使用的典型水凝膠具有比聚合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高得多的平衡水含量。通過比較，通過熱交聯(lián)或化學(xué)交聯(lián)變得不可溶的聚合物，諸如聚乙烯醇(適用于形成本發(fā)明的we)具有與聚合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相當(dāng)或遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于聚合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。這些不太適合作為fc的主體聚合物，除非可接受更小的ph不敏感性范圍。對于本發(fā)明，合適的水凝膠被配制為包括一種或多種共聚單體的多組分體系，所述共聚單體形成能夠在鏈之間的空間中保持水的聚合物鏈的三維網(wǎng)絡(luò)。為了形成本發(fā)明的aim，在一個實施例中，至少一種共聚單體是反應(yīng)性fc衍生物，諸如乙烯基二茂鐵。乙烯基二茂鐵(mw＝212)是fc-meoh的反應(yīng)性類似物，但其不溶于水。然而，根據(jù)本發(fā)明，其可與其他親水性乙烯基共聚單體和交聯(lián)劑結(jié)合使用，從而形成基于聚丙烯酸酯、聚丙烯酰胺、它們的聚醚衍生物的水凝膠和本領(lǐng)域眾所周知的許多其他水凝膠。將乙烯基二茂鐵作為少量組分并將其他親水性共聚單體作為主要組分配制，用于溶劑化乙烯基二茂鐵并為其提供有利于保持其ph不敏感性的水合環(huán)境的目的。在優(yōu)選的實施例中，配制aim水凝膠，使得溶脹凝膠質(zhì)量的80％是水。在一些實施例中，配制aim水凝膠，使得溶脹凝膠質(zhì)量的85％至95％是水。含aim的水凝膠的組合物可被描述為聚合物基質(zhì)，而不管它是干燥的還是水合的。本發(fā)明闡述了影響aim性能的基質(zhì)的兩種性質(zhì)；這些是按占總聚合物單元的百分比計的摩爾百分比(或摩爾％)aim單元和按占總聚合物單元的百分比計的摩爾％交聯(lián)劑。對于本發(fā)明，單體被認(rèn)為是具有側(cè)鏈聚合型基團的分子。交聯(lián)劑是具有兩個聚合型基團的分子。假設(shè)聚合反應(yīng)完成并且所有單體都結(jié)合到聚合物鏈中，則摩爾％aim和摩爾％交聯(lián)劑都由所用單體的化學(xué)計量的量決定。在本發(fā)明的一個實施例中，聚合物基質(zhì)中的摩爾％aim保持在0.1和1之間。交聯(lián)度為交聯(lián)劑占所有共聚單體的1摩爾％至2摩爾％。這兩個變量都影響電化學(xué)性能。如果水凝膠中的fc單元未被良好地溶劑化，則其氧化還原性質(zhì)更類似于不溶解的二茂鐵材料的性質(zhì)。如果二茂鐵含量大于基質(zhì)的0.5摩爾％至1摩爾％，或者如果交聯(lián)密度大于1.5摩爾％至2摩爾％，則可能出現(xiàn)這種情況。如果二茂鐵含量小于0.1摩爾％至0.2摩爾％，將沒有足夠的二茂鐵密度來產(chǎn)生強的氧化還原信號。如果交聯(lián)密度小于0.8摩爾％至1摩爾％，則水凝膠將缺乏物理完整性，并且可從襯底分離或逐漸溶解。在某些情況下，聚合物基質(zhì)中的摩爾％aim保持在0.1和1.5之間。交聯(lián)度為交聯(lián)劑占所有共聚單體的1摩爾％至2摩爾％。所得的水凝膠表現(xiàn)出良好的結(jié)構(gòu)完整性，以及通過非共價附接與電極表面的良好結(jié)合強度。在某些情況下，將對這種類型的實施例進(jìn)行γ輻照處理，這種處理可為對用于生物技術(shù)、制藥和食品加工行業(yè)的傳感器滅菌所需的。在其他實施例中，可使用二茂鐵單體的親水性衍生物，使得在聚合物鏈中具有大于1摩爾％的二茂鐵時表現(xiàn)出良好的溶劑化。類似地，大體積的fc單體可用于防止聚集并有助于溶劑化。因此，在一些實施例中，本發(fā)明提供的用于制備ie的材料包括與親水性聚合物基質(zhì)(或與可用于形成這種基質(zhì)的單體)共價連接的aim。當(dāng)基質(zhì)如本文所述交聯(lián)時，其被稱為“水凝膠”。因此，本發(fā)明提供的材料包括“aim聚合物”、“aim水凝膠”、“aim單體”和用于制備它們的各種其他單體。在一個實施例中，本發(fā)明的aim水凝膠在交聯(lián)的親水性聚合物中包括二茂鐵。在一個實施例中，aim水凝膠通過乙烯基二茂鐵與一種或多種親水性共聚單體共聚而形成，其中至少一種共聚單體是雙官能或多官能的。雙官能或多官能共聚單體能夠在聚合時形成交聯(lián)，并且在本文中被稱為交聯(lián)劑。這些組分的共聚產(chǎn)生水凝膠，該水凝膠提供在swv操作條件下顯示ph不敏感信號的ie。然后，如上所述，該信號與來自asmwe的ph依賴性信號結(jié)合使用，以根據(jù)本文所述的方法產(chǎn)生對應(yīng)于分析物濃度的信號(在一個實施例中為ph)。在優(yōu)選的實施例中，aim水凝膠包括由n,n-二甲基丙烯酰胺(97-99摩爾％)、聚(乙二醇)二丙烯酸酯(1-2摩爾％)和乙烯基二茂鐵(0.1-1.5摩爾％)的自由基聚合形成的聚合物。在另一個實施例中，fc單體可用作沒有交聯(lián)的線性均聚物。如上所述，乙烯基二茂鐵不具有足夠的親水性，因而不是優(yōu)選的實施例。然而，可根據(jù)本發(fā)明利用fc和聚合型基團之間的合適親水性連接基來制備fc衍生物，諸如下表1的結(jié)構(gòu)fc-ii中所示的那些fc衍生物，以提高總體的親水性。在另一個實施例中，可單獨使用含有兩個或更多個聚合型基團的多官能fc單體，諸如下表1的結(jié)構(gòu)fc-iii中所示的多官能fc單體，來提供交聯(lián)的均聚物。在這種情況下，聚合物的每個重復(fù)單元將含有fc基團，導(dǎo)致異常高的fc功能性，但是可為一些應(yīng)用提供增加的ph敏感性。如在本發(fā)明的一些實施例中，通過引入親水性共聚單體作為連接基，使fc官能團被“稀釋”，從而使所得共聚物具有增強的親水性。在另一個實施例中，aim水凝膠是包括aim單體和一種或多種單官能共聚單體的線性共聚物。對此在以下表3中的線型聚合物1和線型聚合物2的結(jié)構(gòu)中進(jìn)行了說明。共聚單體可以是親水性的，具有有助于aim溶劑化的側(cè)基，如線型聚合物2中所示。線型聚合物必須足夠大(每鏈大于50至100個單體單元)，以防止從上面沉積有aim水凝膠的電極襯底浸出。在另一個實施例中，aim水凝膠包括物理包封在交聯(lián)聚合物基質(zhì)中的aim分子。合適的aim分子可以是長度為50至10,000單元的線型聚合物，如線型聚合物1的結(jié)構(gòu)中所示，或者可以是低聚物或樹枝狀聚合物，如下表4所示的結(jié)構(gòu)中所示。這種稱為互相貫通網(wǎng)(ipn)的結(jié)構(gòu)將使得任意的aim分子被包封在交聯(lián)的聚合物中，而不需要該aim上的聚合型基團。ipn的組分通常不會彼此共價結(jié)合。對于本實施例而言，優(yōu)選的聚合型基團是發(fā)生自由基聚合的那些，包括乙烯基、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯基團。這些基團具有產(chǎn)生化學(xué)穩(wěn)定且對水解穩(wěn)定的烷基聚合物鏈的優(yōu)點。分子本身可包括親水性基團，諸如醇類或乙二醇單元，或包括二茂鐵的aim部分。在另一個實施例中，聚合型基團包括通過形成酰胺或酯鍵發(fā)生反應(yīng)的那些基團，包括含有反應(yīng)性羰基(諸如酰氯)和親核體(諸如醇或胺基)的單體。這些導(dǎo)致產(chǎn)生聚酯或聚酰胺聚合物鏈。在另一個實施例中，該水凝膠包括非共價交聯(lián)的水凝膠，也稱為超分子水凝膠，其通常由兩親性膠態(tài)組分組成。該實施例被認(rèn)為不太有利，因為超分子水凝膠通常對于通過熱和溶劑的溶解不太穩(wěn)定。表1：含二茂鐵的單體表1中示出了典型的含二茂鐵的單體。在優(yōu)選實施例中使用的一個實例是乙烯基二茂鐵(fc-i)，其中聚合型基團直接連接到二茂鐵芳香環(huán)。在結(jié)構(gòu)fc-ii中示出了另一個實例，其特征在于通過亞甲基連接基連接的丙烯酸酯(x＝氧)或丙烯酰胺(x＝氮)聚合型基團。該連接基可以是cnh2n，其中n可以是1-6。連接基還可包括親水性基團，諸如乙二醇單元。聚合型基團的烯烴部分可以是丙烯?；?如圖所示)或甲基丙烯酰基，其中甲基附接到相對于羰基的α位置的碳上。由于聚合速率和耐水解性具有差異，所以這些不同的衍生物可為所需的。聚合物鏈上的側(cè)鏈aim部分的水解有助于信號衰減。另一類型的aim單體是含有兩個或更多個聚合型基團的單體，如上文的結(jié)構(gòu)fc-iii中所示。這種結(jié)構(gòu)在聚合物中提供交聯(lián)，并且可單獨使用或與其他單體一起作為共聚物使用。aim聚合物和aim水凝膠可基于任何親水性聚合物基質(zhì)。乙烯基聚合物尤其適用，因為通過控制單體、共聚單體和交聯(lián)劑的種類和配方可獲得多種特性。交聯(lián)提供了以下優(yōu)點：聚合物可以原位聚合，從而形成物理附接到襯底的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，任選地穿透具有一定孔隙度的襯底。通過摻入具有那些屬性的單體，可將各種水平的陰離子、陽離子或兩性離子特性引入水凝膠中。適用的單體包括下面的表2和表3中所列的那些。雖然下面引用了二茂鐵水凝膠，但是其他aim諸如有機金屬、離子鹽和氧化還原活性有機物質(zhì)也可使用這些單體形成水凝膠。例如，紫精聚合物是眾所周知的具有兩個可逆氧化還原峰的穩(wěn)定的親水性聚電解質(zhì)結(jié)構(gòu)(naokietal.“polyviologenhydrogelwithhigh-ratecapabilityforanodestowardanaqueouselectrolyte-typeandorganic-basedrechargeabledevice.”acsappliedmaterials&interfaces5.4(2013):1355-1361(naoki等人，“具有用于陽極朝向水性電解質(zhì)型和有機基可再充電設(shè)備的高速率能力的聚紫精水凝膠”，《美國化學(xué)學(xué)會應(yīng)用材料與界面》，第5卷，第4期(2013年)，第1355-1361頁))。傳統(tǒng)上用作氧化還原標(biāo)記物的金屬鹽(諸如，六氰合鐵酸鹽)也可根據(jù)本發(fā)明通過用聚合型基團代替配體之一來摻入聚合物中。表2：自由基引發(fā)的單體表2中示出了典型的自由基引發(fā)的單體。已知結(jié)構(gòu)i和結(jié)構(gòu)ii是兩親的單體，其能夠溶劑化疏水性分子并且還能夠賦予水凝膠親水性。這些結(jié)構(gòu)含有參與自由基鏈聚合的烯基，從而得到具有所示側(cè)基的烷基聚合物鏈?？蛇x擇側(cè)基來賦予聚合物親水性。結(jié)構(gòu)iii和結(jié)構(gòu)iv是用于在水凝膠中交聯(lián)的雙官能單體。在結(jié)構(gòu)iv中，間隔基團在優(yōu)選實施例中可含有1至10個乙二醇單元，或在其他實施例中含有20至1000個乙二醇單元。較長的間隔基團可影響交聯(lián)水凝膠的溶脹，具體取決于所使用的聚(乙二醇)鏈的本體特性。表3：離子單體表3中示出了兩種示例性離子單體。這些單體可增加aim聚合物的親水性，使其超過非離子單體可實現(xiàn)的親水性。通過改變共聚單體和/或交聯(lián)劑的選擇、這些組分的比率和水凝膠的總固體含量，可獲得多種聚合物/水凝膠特性。固體含量是指與水相比聚合物基質(zhì)所占的凝膠的比例。典型的水凝膠含有1％至10％的固體，并且這在很大程度上取決于材料吸水并溶脹的能力。該溶脹本身高度依賴于交聯(lián)度。在本發(fā)明的一些實施例中，aim聚合物或aim水凝膠在整個三維聚合物結(jié)構(gòu)中摻入乙烯基二茂鐵(或其他合適的二茂鐵衍生物或其他aim連接的單體或聚合物，或aim和單體的混合制劑)，從而使得aim的有效密度比以前可實現(xiàn)的大得多，但是不超過導(dǎo)致ph不敏感性范圍比期望的范圍更小的二茂鐵(或其他aim)基團的閾值密度。表4和表5中示出了使用本發(fā)明的方法制備的代表性聚合物。這些包括含有乙烯基二茂鐵和共聚單體n,n-二甲基丙烯酰胺(ii)或更親水的三乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯(i)或二乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯(類似于i，但是n＝2)的線型聚合物，以及與聚(乙二醇)二丙烯酸酯(iv)或亞甲基(雙)丙烯酰胺(iii)交聯(lián)的含二茂鐵的水凝膠。在表4和表5中，x、y和z是指各單體的化學(xué)計量比。例如，x:y的比率對應(yīng)于二茂鐵(或其他aim)取代主體聚合物的取代度(例如上文所討論的0.1摩爾％至1摩爾％的二茂鐵)。表4：線型聚合物表4示出了摻入fc作為aim的線型聚合物的實例。x、y、z值表明單體單元的化學(xué)計量比，其在整個聚合物中隨機分布。在用線型聚合物1說明的優(yōu)選實施例中，x和y的比率可以是100:1至1000:1。在用線型聚合物2說明的優(yōu)選實施例中，x、y和z的比率可以是90:1:10、85:1:15、80:1:20、900:1:100、800:1:200和0:1:100。在其他實施例中，可使用嵌段共聚物，使得單體鏈的基團的精確放置和分布是已知的。線型聚合物1和線型聚合物2說明了有關(guān)將fc(用于說明的目的；可使用任何aim)官能團摻入到親水性聚合物中的方法和材料。通過在線型聚合物2中使用三種共聚單體來控制親水性程度和其他物理性質(zhì)。然而，兩種線型聚合物隨時間推移而溶解于水中；因此，根據(jù)本發(fā)明可使用交聯(lián)以減慢或消除溶解。交聯(lián)聚合物1和交聯(lián)聚合物2分別包含如表5所示的交聯(lián)劑iii和交聯(lián)劑iv，其中交聯(lián)劑以粗體突出顯示。表5：交聯(lián)聚合物表5示出了摻入fc作為aim的交聯(lián)聚合物的實例。x、y、z值表明單體單元的化學(xué)計量比，其在整個聚合物中隨機分布。對于交聯(lián)聚合物2，可優(yōu)選地對雙官能交聯(lián)劑進(jìn)行改性，從而使其含有對水解更穩(wěn)定的酰胺鍵而不是酯鍵。在針對交聯(lián)聚合物的優(yōu)選實施例中，諸如所示的那些實施例，x、y和z的比率可以是1000:1:5至1000:1:20；1000:10:5至1000:10:20。在其他實施例中，聚合物僅由aim單體和交聯(lián)劑單體組成，比率為0:1:1000至0:20:1000。在一些實施例中，聚乙烯醇用本發(fā)明的二茂鐵和線型聚合物(例如，包括乙?；?、二茂鐵和羥基的線型聚合物)官能化，其被熱交聯(lián)、化學(xué)交聯(lián)或通過輻照交聯(lián)。例如，在一種情況下，交聯(lián)劑選自馬來酸酐、馬來酸、戊二醛、二異氰酸酯、二乙烯基醚、高碘酸鹽或任何通用的二醛，如在http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19790012957.pdf中所公開的那樣，該公開內(nèi)容全文并入本文。在某些情況下，使用具有長側(cè)鏈或較短側(cè)鏈和/或吸電子或供電子的基團的二茂鐵衍生物將pva官能化，這有利于根據(jù)應(yīng)用將峰值電勢調(diào)節(jié)為更正或更負(fù)的電勢。在一些實施例中，選擇特定的二茂鐵衍生物，因為它們更穩(wěn)定并且抗掃描引起的衰變，如在http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/pmc2975373/table/t1/中所公開的那樣，其全文并入本文。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，本發(fā)明提供了可用于制備we的單體、聚合物和水凝膠以及使用它們形成的we，這些we與上述aim材料的不同之處僅在于aim被asm代替。因此，本發(fā)明的水凝膠的電化學(xué)活性組分可包括分析物不敏感材料、分析物敏感材料或兩者。例如，可將乙烯基蒽或2-丙烯酰胺基蒽醌(如下表6所示)摻入上述水凝膠基質(zhì)中來形成本發(fā)明的asm水凝膠。作為另外一種選擇，在表現(xiàn)出分析物敏感響應(yīng)和分析物不敏感響應(yīng)兩者的相同水凝膠中，asm-乙烯基單體和aim-乙烯基單體都可用作共聚單體。表6：電化學(xué)活性組分在本發(fā)明的電極、傳感器和設(shè)備的各種實施例中，分別使用聚丙烯酰胺二茂鐵綴合物和聚丙烯酰胺蒽醌綴合物作為aim和asm。這樣的實施例包括兩種線型聚合物或共聚物，其中asm和aim兩者作為共聚單體摻入聚合物基質(zhì)中，得到具有所需組成的無規(guī)共聚物。這樣的實施例還包括其中we和ie位于單獨的襯底上的實施例。在一些實施例中，使用已經(jīng)為低聚物、聚合物或樹枝狀聚合物形式的aim(諸如二茂鐵衍生物)來制備aim水凝膠，其中aim不與水凝膠共價附接，而是通過物理包封保持在其中。有效的物理包封需要水凝膠的有效網(wǎng)絡(luò)密度足夠高，以使二茂鐵衍生物(或其他aim)組分的擴散損失量降到最低。單體aim通常不適用于物理包封，因為所需的使其保持有效的高網(wǎng)絡(luò)密度與高度溶脹的水凝膠的要求相反。表7中所示的示例性二茂鐵材料適用于這種固定作用。替代的親水性支架包括基于溶膠-凝膠化學(xué)的支架(參見pct公布no.2012/018632，以引用方式并入本文)，該替代的親水性支架可用于形成ipn以固定aim聚合物或aim水凝膠(或用于制備本發(fā)明的we的具有asm的對應(yīng)材料)，其平均分子量與支架的有效孔徑相比足夠高以提供足夠的固定作用。表7：用于形成ipn的二茂鐵材料能夠包封在電極表面處的水凝膠中的二茂鐵材料二茂鐵(或其他aim)聚合物也可被共混到其他聚合物基質(zhì)中來產(chǎn)生本發(fā)明的aim聚合物和aim水凝膠。選擇這樣的基質(zhì)以賦予超出水凝膠性能包絡(luò)的某些屬性，例如耐熱性或耐化學(xué)性。聚偏氟乙烯(pvdf)、環(huán)氧樹脂、電聚合的聚吡咯和各種導(dǎo)電油墨制劑是可用于該目的的示例性材料。這些及其他聚合物有時用于滿足專用傳感器的機械、電介質(zhì)或物理化學(xué)要求。電極設(shè)計本發(fā)明提供了穩(wěn)定的電極，而無aim共價附接到襯底或?qū)sm共價附接到其襯底，所述襯底可以是相同的或不同的。在本發(fā)明的一些電極中，aim水凝膠通過非共價方式固定到襯底表面。本發(fā)明提供增強這種附接的襯底，所述襯底具有適當(dāng)水平的表面紋理、孔隙度和/或三維曲折度以確?？煽康墓潭ㄗ饔谩＿@些特征可改善aim水凝膠(或asm水凝膠)的附接和/或容納，而不影響aim與分析物的相互作用，這部分地受益于溶脹水凝膠的高度可滲透性質(zhì)。它們還提供保護(hù)，使得與沉積在光滑表面諸如玻璃碳或其他金屬和非金屬表面上的相同材料相比，免于受到原本可能由于aim水凝膠的反復(fù)溶脹和收縮產(chǎn)生的與接觸、磨損或脫離相關(guān)的物理損傷。效果上，質(zhì)構(gòu)化或多孔襯底的機械性能克服了aim水凝膠的固有脆性，從而得到高結(jié)構(gòu)完整性。任何導(dǎo)電襯底都可用作支承、固定和保護(hù)本發(fā)明的aim聚合物和aim水凝膠(以及asm聚合物和asm水凝膠)的電極。這些可包括碳同素異形體，諸如碳纖維、多孔石墨、大孔碳、中孔碳、微孔碳、納米多孔碳、碳納米纖維(通過將碳涂覆在諸如納米多孔氧化鋁的材料上制成)以及它們的復(fù)合材料；以及納米管及其復(fù)合材料。金屬可包括納米多孔金、鉑和銀。絲網(wǎng)印刷電極可具有各種具有所需粗糙度的表面涂層，包括中孔碳、碳納米纖維、碳納米管、石墨烯或印有微米級或納米級特征(諸如通道或孔)的碳墨。多孔導(dǎo)電襯底進(jìn)一步受益于非常短的信號路徑，從而提高信號捕獲效率。某些導(dǎo)電聚合物可用作電極襯底并用aim水凝膠涂覆。工程聚合物復(fù)合材料包含足夠量的碳同素異形體或金屬粒子來獲得導(dǎo)電性，該復(fù)合材料可用作aim水凝膠的支承物。用于這種復(fù)合材料的合適聚合物包括環(huán)氧樹脂、聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚吡咯、聚偏氟乙烯、其他含氟聚合物或共聚物，以及各種烯類聚合物諸如pvc、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯及其衍生物和共聚物、纖維素聚合物和硅氧烷聚合物。本發(fā)明的電極可使用剛性襯底諸如各種碳復(fù)合材料制成，或者在柔性導(dǎo)電襯底(例如，織造或非織造碳織物)上制成，或使用已經(jīng)使用導(dǎo)電涂層(諸如碳墨、氧化銦錫、銀等)賦予導(dǎo)電性的非導(dǎo)電支承膜(諸如聚酯、聚酰亞胺、聚烯烴等)制成。本發(fā)明的材料可成形為多種幾何圖案，由緊鄰的ce和pre進(jìn)行補充。例如，電極可被布置為同心環(huán)、區(qū)段和陣列，如圖8所示。導(dǎo)電涂層和由其得到的電極允許以寬范圍的形狀系數(shù)和尺寸來構(gòu)建傳感器。繼續(xù)參照圖8，在一些實施例中，固態(tài)傳感器的電極部件1、電極部件3和電極部件4被布置為圍繞中心電極2的單個同心環(huán)中的部分。例如，在一個實施例中，固態(tài)傳感器的感測表面包括單個同心環(huán)，該同心環(huán)具有多個電極段，即包括asm的we1、偽參比電極3和反電極4，其中各個電極區(qū)段圍繞位于中心的含aim的ie2徑向布置。感測表面還包括插置在多個電極之間的非導(dǎo)電材料5。在某些情況下，選擇各個電極段所暴露的表面積，以便產(chǎn)生相對于一個或多個其他電極區(qū)段的所需信號。在某些情況下，傳感器材料或復(fù)合材料形成為具有大約25微米或更小的特征半徑的微半球。這些尺寸的傳感器產(chǎn)生非常低的信號，但是它們降低的雙電層電容也縮短了響應(yīng)時間。(參見j.wang,analyticalchemistry,3rded.,2006,johnwiley(j.wang，《分析化學(xué)》，第3版，2006年，約翰威利出版社))。傳感器陣列可被構(gòu)造用于小型化電極或微電極，其具有可用于實際應(yīng)用的信號電平。在某些情況下，電極部件1、電極部件2和電極部件3被提供為圍繞位于中心的電極部件4的單獨同心環(huán)。非導(dǎo)電材料5插置在電極1、2、3和4的每一個之間，以隔離每個電極部件的相應(yīng)信號。在某些情況下，基于傳感器部件相對于一個或多個其他電極環(huán)所需的暴露的表面積來選擇傳感器部件的位置。在某些情況下，每個同心電極環(huán)具有相等的寬度。在某些情況下，一個或多個同心電極環(huán)相對于一個或多個其他電極環(huán)具有唯一的寬度。導(dǎo)電襯底還可使用堅固的支承材料諸如陶瓷、玻璃或通常用于印刷電路板的玻璃纖維增強復(fù)合材料來支承。這些材料提供用于將信號從感測元件傳送到電子電路的完善的連接選項。各種封裝選擇(諸如多層印刷電路板、貫通板觸點等)為傳感器和設(shè)備提供增加的封裝密度、可靠性和功能。aim水凝膠和asm水凝膠可作為涂層施加到襯底上。然而，在各種實施例中，aim水凝膠或asm水凝膠原位形成來獲得交聯(lián)結(jié)構(gòu)。當(dāng)作為涂層施加時，aim聚合物(或asm聚合物)必須充分溶于溶劑或溶劑混合物中以制備涂層溶液，但是在目標(biāo)分析物(通常為水)中充分不溶，以使其在傳感器的壽命期間保留在電極表面上。這通常會限制候選線性aim(或asm)聚合物的親水性。交聯(lián)aim(或asm)聚合物避免了這種折衷，因為即使是低交聯(lián)度也能使高親水性聚合物不溶。然而，由于該不溶性，交聯(lián)聚合物不能作為溶液施用并且必須原位制備。這涉及在襯底上施加單體和引發(fā)劑的溶液，并隨后引發(fā)聚合過程。因此，單體可在聚合反應(yīng)和交聯(lián)之前滲透進(jìn)入襯底的孔中。這確保了即使聚合物未共價連接到表面，聚合物也將具有與襯底的優(yōu)異粘附力并且適形于任何表面特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。交聯(lián)尤其有利于賦予尺寸穩(wěn)定性并且保留aim(或asm)水凝膠的較低分子量級分，這有助于延長aim傳感器(ie)或asm傳感器(we)的功能壽命。下面的實例1通過顯示如何制作本發(fā)明的含二茂鐵電極(ie)來示出本發(fā)明的該方面，制備方式為在電極表面上產(chǎn)生交聯(lián)水凝膠，其中襯底是碳襯底。本發(fā)明的aim水凝膠和asm水凝膠具有良好的干濕可逆性，從而在干燥時保持其物理完整性，并且在再潤濕時快速恢復(fù)其氧化還原活性和電極電勢。方波伏安法(swv)用于由本發(fā)明的傳感器部件產(chǎn)生信號?？赏瑫r或在不同時間間隔監(jiān)測we和ie產(chǎn)生的信號。在當(dāng)前使用環(huán)境下，術(shù)語“掃描(sweep)”和“掃描(scan)”可互換使用。在asm和aim都位于相同襯底上的實施例中，施用方波電勢掃描以引起來自asm和aim的獨立但同時發(fā)生的響應(yīng)。將相同掃描參數(shù)(諸如電壓掃描的范圍、基座高度和掃描之間的時間間隔，也稱為駐留時間)應(yīng)用于這兩個電極。在asm和aim分別位于分立的電氣獨立電極上的其他實施例中，并且根據(jù)本發(fā)明提供的重要新方法，可將具有不同掃描參數(shù)的兩個獨立方波電勢掃描應(yīng)用于電極。分別對we和ie采樣提供若干有益效果。第一，可針對asm和aim單獨優(yōu)化信號質(zhì)量。第二，與we相比，可不那么頻繁地對ie采樣，一些aim被設(shè)計成在不同分析物中保持不變。因此，只需要在分析物發(fā)生變化或預(yù)期到這種變化時對ie采樣，以再確認(rèn)停滯。未花費在對ie采樣的時間可用于恢復(fù)監(jiān)測we，實際上縮短了we駐留時間并得到更具響應(yīng)性的ph測量系統(tǒng)。第三，對ie的較不頻繁采樣允許采用某些aim材料，所述aim材料具有良好精度和較寬的ph不敏感性范圍，但是易受由于重復(fù)電化學(xué)激勵導(dǎo)致的信號丟失的影響。在一個實施例中，本發(fā)明傳感器的swv電子器件被配置成在來自we和ie的輸入之間復(fù)用。we和ie輸入在電氣上等效并且與參比電極/偽參比電極(re/pre)和ce電路相同。該系統(tǒng)的運行示于表8中。恒電勢器電路(框1至9)的區(qū)分特征是用于選擇asm電極或aim電極的復(fù)用器3?；プ杩狗糯笃?4)、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(adc)(5)、參比電極(6)、用于產(chǎn)生方波激勵(7)的數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(dac)和驅(qū)動反電極(9)的差分放大器(8)是we和ie二者所共有的。表8：swv系統(tǒng)運行swv運行參數(shù)，包括電壓掃描(或掃描)范圍、基座高度、平衡時間和駐留時間(即連續(xù)電壓掃描之間的休息時間)，可針對we和ie獨立調(diào)整。在一個實施例中，相同swv電路用于依次監(jiān)測we和ie。we掃描和ie掃描的總體時間順序在表9中示出。箭頭表示以設(shè)置成獨立駐留時間的定期時間間隔發(fā)生的掃描分組或重復(fù)。表9：we掃描和ie掃描的時間順序針對每個電極優(yōu)化掃描參數(shù)?？舍槍e和ie分別保持統(tǒng)計值，即一系列掃描重復(fù)的峰值電勢平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，以便能夠獨立地分析這些電極產(chǎn)生的結(jié)果。針對本發(fā)明的we和ie的swv的運行參數(shù)(包括典型范圍和優(yōu)選值)在表10中示出。表10：針對we和ie的swv的運行參數(shù)本發(fā)明的swv技術(shù)的特殊特征是實施兩種運行模式。第一，為了定位分析物中asm或aim的峰值電勢，在涵蓋相對較寬電勢范圍的每次電壓掃描開始時使用“查找”模式。第二，為了以較高分辨率定位來自電極的峰值電勢，使用具有較小電壓增量的“跟蹤”模式。在跟蹤模式中，例如2mv的階躍高度對應(yīng)于0.03ph單位的ph分辨率。這對于大多數(shù)ph分析應(yīng)用已經(jīng)足夠?？蛇M(jìn)一步將階躍高度減少至1mv(用于0.015ph單位的分辨率)，但是這樣做也增加了跨越±200mv范圍所需的時間。對于基本不變的aim峰值電勢而言，較窄掃描寬度就足夠。下面的過程描述了來自we和ie的信號如何用于導(dǎo)出所關(guān)注分析物的濃度，在這種情況下，水合氫離子濃度表示為ph。如表11至表13中所示，掃描起點(1)開始于以較低分辨率(2a)對we的較寬swv掃描，以查找后續(xù)we跟蹤掃描(2b)的中心。按照電壓范圍限值之間的每個電壓增量的階躍高度(sh)來設(shè)定掃描速率。在步驟3至6中概述了處理swv輸出以找出峰值。在we查找掃描(2a)剛剛結(jié)束后，但是在we跟蹤掃描(2b)開始之前，ie的較寬swv掃描(8a)查找后續(xù)ie跟蹤掃描的中心。ie跟蹤掃描的初始組被平均化以確定aim基線(9)，并且被保存在非易失性存儲器(10)中。后續(xù)aim跟蹤掃描(8b)的峰值(步驟3至6)與aim基線的差值等于δaim(11)。因為aim峰值是不變的，所以δaim反映了re或pre的漂移。asm峰值通過δaim校正(7)，作為等同于re或pre的漂移的校正因子來應(yīng)用。校準(zhǔn)表表征在若干溫度下(例如從5℃至50℃)以及一定ph范圍(例如從ph2至ph12)內(nèi)響應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)緩沖劑的平均asm。使用穩(wěn)定的re(諸如ag/agcl或甘汞)在受控條件下制作校準(zhǔn)表的條目。根據(jù)校準(zhǔn)表，在等于經(jīng)校正asm(7)的傳感器溫度和電壓下，測定樣品的對應(yīng)ph(12)。表11：we掃描，基線校正；峰值拾??；計算asm峰值電勢；asm校正表12：用于計算aim峰值電勢和δaim的ie掃描(經(jīng)基線校正、峰值拾取)表13：根據(jù)預(yù)定校準(zhǔn)表(或函數(shù))計算ph用本發(fā)明的we-ie對來確定ph(或其他分析物濃度)可按如下方式進(jìn)行?？墒褂迷谝詷?biāo)準(zhǔn)ag/agcl或甘汞參比電極為參考的溫度范圍內(nèi)asm對ph緩沖劑的響應(yīng)的校準(zhǔn)表，從而能夠響應(yīng)于aim的漂移來校正asm峰值。另一個方法是對于給定溫度范圍內(nèi)的ph緩沖劑，直接由asm峰值電勢和aim峰值電勢之間的差值制作校準(zhǔn)表?？蓪⑦@些操作并入到本發(fā)明的分析物感測設(shè)備的固件中。本發(fā)明的分析物感測設(shè)備包括傳感器組件，所述傳感器組件包括we、ie、re(cre或pre，但通常為pre)和ce中的至少一者。這些傳感器部件可按各種空間布置、表面積比、平面或三維設(shè)計、共軸或非共軸幾何結(jié)構(gòu)或它們的一些組合來構(gòu)造。本發(fā)明提供的一個期望的構(gòu)造是直徑為12mm的傳感器組件。該幾何結(jié)構(gòu)類似于常規(guī)玻璃電極，并且因此與儀器和安裝部分相容。本發(fā)明的感測元件可共定位于直徑為12mm的探針的末端平表面或者可適當(dāng)?shù)匕枷菀怨┍Ｗo(hù)，或者可組織成可觸及分析物的三維空間。反電極可為共定位在末端表面上的部件中的一個，或者可為圍繞其他感測元件的圈跡線或圓形跡線形式，如圖8中所示。本發(fā)明提供的另一實施例為多孔板或微孔板，其中在每個孔的底部和/或內(nèi)壁中具有可尋址傳感器，如圖9中所示。電極的構(gòu)造在一些實施例中類似于上述的12mm探針設(shè)計。在電極表面的尺寸上以及電子器件界面上存在主要差異。就多孔板而言，可通過板后側(cè)的孔或借助于導(dǎo)電跡線實現(xiàn)至每個電極的電連接。這些連接常見于用于監(jiān)測導(dǎo)電性的多孔板傳感器中。在典型構(gòu)型中，96孔板將在每個孔中含有50至200微升溶液。在每個孔底部的電極表面將大約為1至2平方毫米；孔的直徑為約1cm。傳感器設(shè)計的各種示例性實施例在圖8中示出。在一個替代實施例中，電極可并入到多孔板中，使得分析物將接觸所有感測元件從而能夠進(jìn)行測量。在某些實施例中，一個或多個電極位于樣品腔的壁上，留下底部的至少一部分(如果不是全部)透明以供光學(xué)分析。另選地，位于柔性膜上的印刷電極尤其適合用作柔性容器、管組中的部件，以及用于生物處理的其他部件(包括單次使用的或者說一次性的部件)?，F(xiàn)在參見圖10，本發(fā)明也可適用于測量極小體積的分析物樣品的ph，尤其是根據(jù)pct公布no.2014/106066，該pct公布以引用方式并入本文。該實施例包括用于測量數(shù)量級為微升或次微升的小液滴的傳感器組件，以及由這些組件得到的器械。在該實施例中，we、ie和pre都位于數(shù)量級為若干平方毫米的區(qū)域內(nèi)。在一個實施例中，該區(qū)域為we/ie模塊。we、ie和pre彼此靠近，確保we/ie模塊與re能夠同時與樣品接觸。在包括尺寸類似的ce的ce模塊被移到緊鄰we部件的位置之后，電路變得完整。這些傳感器部件之間形成的間隙用于通過毛細(xì)作用保持住分析物小滴，從而橋接并濕潤電極表面，使電化學(xué)電路變得完整。只有在樣品小滴將傳感器組件的兩個部分橋接起來時，才會有電流。本發(fā)明的各個方面也將在下面的實例中示出。實例實例1：通過在電極表面上形成交聯(lián)水凝膠而制備含二茂鐵的電極在該實例中，在用于形成水凝膠的聚合過程期間，本發(fā)明的aim水凝膠固定在(非共價結(jié)合到)電極表面上。聚合完成后，在水或水-溶劑混合物中清洗電極，除去污染物、未反應(yīng)的單體和反應(yīng)副產(chǎn)物。從電極表面除去過量的水凝膠。然后把電極安裝到外殼上，含水凝膠的表面在外殼上暴露于分析物溶液。將襯底的導(dǎo)電背面連接至恒電勢器。相對于參比電極或偽參比電極施加掃描方波電勢，獲得aim信號，從而給出電流峰值。然后，使用來自aim的電流峰值電勢校準(zhǔn)參比電極的偏移，或作為另一個工作電極(asm)的參比值。在該實例中，aim的化學(xué)結(jié)構(gòu)包括共價連接到本發(fā)明的親水性交聯(lián)聚合物基質(zhì)的二茂鐵。電極是在導(dǎo)電襯底的存在下聚合單體混合物而制得的。將包括具有5重量％聚乙二醇(peg)二丙烯酸酯和1重量％乙烯二茂鐵的n,n-二甲基丙烯酰胺(dmma)的單體溶液稀釋在正丁醇中，得到25％溶液。添加熱活化引發(fā)劑(偶氮二異丁腈，aibn)，至0.5％(重量/體積)濃度。把碳纖維圓盤電極浸入混合物，在用氬氣鼓泡的同時進(jìn)行超聲處理，以除去氧氣。將聚合物封端，在60℃下加熱24小時，得到本發(fā)明的水凝膠。從凝膠中切出電極，置于清水中洗滌兩天。然后從電極表面除去過量的水凝膠。把電極保存在水中，直到要用時再取出。另選地，通過在導(dǎo)電襯底的存在下聚合單體混合物來制備電極，其中，將包括具有3重量％n,n’-亞甲基雙丙烯酰胺和3重量％乙烯二茂鐵的n,n-二甲基丙烯酰胺(dmma)的單體溶液稀釋在正丁醇中，得到溶液。添加熱活化引發(fā)劑(例如，偶氮二異丁腈(aibn))，至0.5％(重量/體積)濃度。把碳纖維圓盤電極浸入混合物，在用氬氣鼓泡的同時進(jìn)行超聲處理，以除去氧氣。將聚合物封端，在75℃下加熱。膠凝作用在20分鐘至60分鐘之間發(fā)生，得到本發(fā)明的水凝膠。90分鐘之后，從凝膠中切出電極，讓電極在乙醇中膨脹12至18小時，此后將電極置于1:1的乙醇-水混合物中洗滌2小時，再置于去離子水中洗滌2小時。然后從電極表面除去過量的水凝膠。然后把電極保存在水中，直到要用時再取出?，F(xiàn)在參見圖3，將四個固態(tài)傳感器部件同時浸入給定的分析物溶液，來對其進(jìn)行配置。ie是將二茂鐵-水凝膠原位聚合到碳纖維襯底上而制備的。we是利用聚乙烯醇-蒽醌(pva-aq)，如美國專利申請公布no.20130168609(以引用方式并入本文)所述制備的。根據(jù)本發(fā)明，pva-aq的另選化學(xué)反應(yīng)在下面的實例4中提供。反電極ce是圍繞we的不銹鋼環(huán)。相對于偽參比電極(pre)進(jìn)行所有伏安測量，在這種情況下，偽參比電極是絲網(wǎng)印刷在柔性聚酯襯底上的銀/氯化銀膜。采用臨時準(zhǔn)備的方法來構(gòu)造圖3所示的we，在該方法中使用了堿，諸如正丁基鋰、氫化鈉或叔丁醇鉀。為核實aim水凝膠的ph不敏感范圍，制備了三個ie，將其置于一系列緩沖液(各自添加了100mm氯化鈉)中針對標(biāo)準(zhǔn)甘汞電極(sce)進(jìn)行測試。從五次測量中獲得方波伏安法峰值。理想的aim不論在何種ph下，都不會顯示出峰值電勢偏差。如下方的表14中所示，測試的ie(el1、el2、el3)在整個ph標(biāo)度內(nèi)顯示出穩(wěn)定性，但ph敏感性不同。在ph為7.5至6的生物相關(guān)范圍內(nèi)，最多存在2mv偏差。在整個較寬的范圍內(nèi)，偏差較大，且電極在ph2至ph10的范圍內(nèi)顯示出2mv或3mv的標(biāo)準(zhǔn)偏差?？紤]到asm的斜率為58mv/ph單位，則利用該誤差，可確定使用aim在給定的ph范圍內(nèi)可實現(xiàn)的分辨率。例如，6mv的誤差轉(zhuǎn)化為0.1單位的ph測量誤差。表14：二茂鐵-水凝膠電極的ph不敏感性用于產(chǎn)生表1中結(jié)果的aim水凝膠是與5％peg-二丙烯酸酯交聯(lián)并包含1重量％乙烯二茂鐵的dmaa基質(zhì)。el1和el2被聚合為在凝膠中包含20重量％的固體；el3被聚合為在凝膠中包含25重量％的固體。在每種緩沖液中對電極進(jìn)行五次swv掃描，每兩次掃描之間有90秒延遲。表1中所報告的值是共計5次的一系列掃描的最終測量結(jié)果。表1中ph為7的緩沖液的值，是在ph偏移開始與結(jié)束時測得結(jié)果的平均值。we和ie對ph改變的特征響應(yīng)在圖4中示出。在實驗誤差范圍內(nèi)，在ph為6、7、8的緩沖液中測得的aim峰值可疊加，而asm峰值隨ph變化顯示出期望的變化。改變we-ie對上的參比電極造成的影響在圖5中示出。在這種情況下，使用ph為6的緩沖液。使用圖3所示的固態(tài)ag/agclpre，獲得標(biāo)記為pre的數(shù)據(jù)(實線)。asm峰值(左側(cè))和aim峰值(右側(cè))分隔開675mv。使用商業(yè)ag/agcl參比電極替代之前的pre，獲得標(biāo)記為液體接界re的數(shù)據(jù)(虛線)。asm峰值和aim峰值分隔開671mv。盡管參考電勢的偏移接近100mv，但aim峰值與asm峰值之間的差值幾乎相同。簡單地說，這些結(jié)果表明，就本發(fā)明的這種we-ie對來說，aim-asm關(guān)系不受re制約。實例2：全固態(tài)ph傳感器系統(tǒng)的固有ph響應(yīng)采用常規(guī)swv時，ph與單個we的特征電勢直接相關(guān)。就we-ie對來說，這兩個電極的電勢差與ph相關(guān)。在該實例中，用由不銹鋼細(xì)棒制成的反電極配置兩個we-ie對，并將絲網(wǎng)印刷的銀/氯化銀電極用作pre。所有傳感器部件都為固態(tài)。如上所述，參比電極有少許柔性，并且ph校準(zhǔn)曲線只考慮aim峰值位置與asm峰值位置之間的差異。在這種情況下，在環(huán)境溫度(22℃至24℃)下使用20mm緩沖液和100mm氯化鈉，對復(fù)制的we-ie對進(jìn)行校準(zhǔn)。結(jié)果在圖6中示出。圖6示出了兩個獨立的we-ie對的電勢與ph的線性關(guān)系。在這種情況下，電勢是相對于pre測得的aim峰值與asm峰值之間的差值?？蓪⑵湟暈樾?zhǔn)曲線：使用斜率和截距，可確定未知的ph值。理想的是，asm與aim的電勢差將只取決于ph值，而不取決于pre的絕對電勢。實例3：we-ie對對于分析物擾動(例如離子強度)的響應(yīng)一般認(rèn)為，參比電極的電勢可能因分析物的離子強度變化而受到影響。用常規(guī)電位計測量ph時，可通過以期望的離子強度進(jìn)行校準(zhǔn)，來補償這些變化。使用本發(fā)明的we-ie電極對時，re(通常是pre)的電勢改變對asm和aim造成類似的影響。因此，誤差發(fā)生自身消除。這種效果在圖7中示出，圖中將asm-aim對與常規(guī)的玻璃ph電極(thermoorion)進(jìn)行了比較。首先在添加了100mm鹽(氯化鈉)的bdh參考標(biāo)準(zhǔn)緩沖液(vwrinternational)中校準(zhǔn)we-ie對。然后在10mm氯化鈉溶液中測量，這使pre電勢發(fā)生30mv偏移。用校準(zhǔn)過的玻璃ph探針測得的ph值由空心圓示出。使用we相對于ag/agclpre測得且未進(jìn)行任何校正的ph值由x標(biāo)記。誤差因pre出現(xiàn)偏移而產(chǎn)生。經(jīng)aim校正的ph值由實心圓示出。經(jīng)校正ph值的準(zhǔn)確性顯示，與pre相比，aim對離子強度的敏感性低得多。概括地說，這些結(jié)果表明，本發(fā)明的we-ie對補償了離子強度對cre或pre的影響。實例4：pva-aq(asm)化學(xué)反應(yīng)適用于本發(fā)明的ph計的電極可由共價結(jié)合到蒽醌衍生物(pva-aq)的聚乙烯醇所構(gòu)成的水凝膠制備而成。pva-aq是使用二乙基氨甲基聚苯乙烯(常用于有機合成反應(yīng)的一種聚合物堿)合成的。完成該反應(yīng)通常大約需要48小時。為縮短反應(yīng)時間，本發(fā)明提供了一種使正丁基鋰、氫化鈉與叔丁醇鉀反應(yīng)的方法；然而，可根據(jù)需要替換常用于有機合成反應(yīng)的多種堿中的任一種并更改反應(yīng)條件，以制得本發(fā)明期望的pva-aq，包括作出任何替換以改變反應(yīng)時間和/或aq官能化的密度。因此，可使用若干種不同的堿來定制本發(fā)明的方法和pva-aq化學(xué)反應(yīng)，以實現(xiàn)特定應(yīng)用期望的pva官能化。將正丁基鋰用作堿的示例性pva-aq合成反應(yīng)在表15中示出。表15：使用正丁基鋰來合成pva-aq將正丁基鋰用作堿來合成pva-aq用于制備表14中的pva-aqasm的過程如下。用氬氣吹掃帶攪拌棒且用烘箱干燥過的500ml燒瓶30分鐘。取1.77g(0.042mol)pva，連同300ml干燥dmso一起，經(jīng)由轉(zhuǎn)移套管加入燒瓶。將系統(tǒng)保持在正氬氣壓下，用油浴加熱至50℃，同時用磁力攪拌棒攪拌，以使pva溶解。兩小時之后，將燒瓶冷卻至室溫，加入10.4ml(0.0166mol)正丁基鋰。15分鐘之后，加入5g2-溴甲基蒽醌。在環(huán)境溫度和氬氣氛下繼續(xù)攪拌混合物20個小時。次日，將暗棕色的粗制反應(yīng)混合物投入10倍體積的1,4-二氧六環(huán)中，邊加邊攪拌。得到焦糖棕色的溶液，其中有淡黃色固體。繼續(xù)攪拌該溶液兩小時，然后置于玻璃燒結(jié)的布氏漏斗上真空過濾。另選地，可讓上述混合物靜置，在通過潷析除去溶劑混合物之后，可分離出淡黃色固體。用丙酮洗滌固體。將固體再次溶解于dmso中，加入1,4-二氧六環(huán)和丙酮使溶液沉淀，以除去任何未反應(yīng)的溴甲基蒽醌。還用己烷洗滌，來幫助除去雜質(zhì)。b.將氫化鈉用作堿來合成pva-aq取一只帶攪拌棒且用烘箱干燥過的圓底燒瓶(燒瓶1)，在氬氣氛下放置30分鐘。取924mg(21mmol)pva，連同50ml干燥dmf一起，經(jīng)由轉(zhuǎn)移套管加入燒瓶。將油浴加熱至120℃，把燒瓶放入油浴，以使pva溶解。一旦pva溶解，就從油浴取出燒瓶，使其冷卻至室溫。取20ml干燥dmf，經(jīng)由轉(zhuǎn)移套管加入第二只用烘箱干燥過的燒瓶(燒瓶2)。將氫化鈉(400mg,10mmol)加入燒瓶2，然后攪拌。經(jīng)由轉(zhuǎn)移套管將燒瓶2的內(nèi)容物加入燒瓶1。燒瓶1中的氫化鈉/pva混合物表現(xiàn)為淡黃色懸浮液。攪拌20分鐘后，將溴甲基蒽醌(300mg,1mmol)加入反應(yīng)混合物。5分鐘后，混合物轉(zhuǎn)變?yōu)樯铧S棕色，其中只有極少量未溶解固體。攪拌該混合物90分鐘。加入0.5ml水猝滅反應(yīng)，然后再攪拌30分鐘。接著取10.5ml(10.5mmol)1m鹽酸加入燒瓶1，以中和去質(zhì)子化的pva，這有助于使混合物增溶，結(jié)果是混合物轉(zhuǎn)變?yōu)榈S色。將燒瓶1的內(nèi)容物投入裝有1.5l丙酮的新燒瓶(燒瓶3)中，攪拌15分鐘，期間形成了淡黃色沉淀。讓沉淀靜置10分鐘，然后潷析，以減小沉淀的體積。然后，將潷出的沉淀置于冰浴上真空過濾。用丙酮洗滌固體，隨后真空干燥。實例5：制備碳纖維圓盤用220目砂紙打磨碳纖維/聚乙烯酯圓盤(直徑8.5mm)上預(yù)期用來感測的側(cè)面。然后把打磨過的圓盤放入100ml燒杯，向燒杯中加入50ml己烷(vwr)，超聲處理1分鐘。從燒杯中移除過量的己烷。取50ml乙醇(vwr)加入燒杯，繼續(xù)超聲處理1分鐘，之后移除過量的乙醇。再次向燒杯中加入50ml乙醇，對圓盤進(jìn)行1分鐘超聲處理，然后移除過量的乙醇，由此完成第三個洗滌步驟。把洗滌過的圓盤保存在干燥環(huán)境中，直到要用時再取出。實例6：預(yù)凝膠混合物i向干凈的小瓶中添加0.06g乙烯二茂鐵、0.06g雙丙烯酰胺和1.88gdmaa，獲得2g水凝膠單體溶液。混合小瓶的內(nèi)容物，以使乙烯二茂鐵溶解。在保存小瓶之前，先用干燥氬氣吹掃小瓶的頂部空間，具體做法是將氬氣流輕輕吹入小瓶中并持續(xù)吹送10秒。為小瓶加上頂蓋，然后把小瓶保存在制冷器(-18℃至-22℃)中，最長保存一周。實例7：預(yù)凝膠混合物ii向干凈的小瓶中添加0.10g乙烯二茂鐵、1.0g聚(乙二醇)二丙烯酸酯和8.9gdmaa，獲得10g水凝膠單體溶液。混合小瓶的內(nèi)容物，以使乙烯二茂鐵溶解。在保存小瓶之前，先用干燥氬氣吹掃小瓶的頂部空間，具體做法是將氬氣流輕輕吹入小瓶中并持續(xù)吹送10秒。為小瓶加上頂蓋，然后把小瓶保存在制冷器(-18℃至-22℃)中，最長保存一周。實例8：使用碳纖維電極原位形成水凝膠將油浴預(yù)熱至平衡溫度75℃(+/-2°)，同時用較寬的攪拌棒以50至100rpm的速率攪拌。取20mgaibn、0.75ml單體溶液和3.0ml正丁醇加入20ml小瓶，混合，以使aibn溶解。將打磨并洗滌過的碳纖維圓盤堆疊起來，放入小瓶底部，讓打磨過的表面朝上。把微攪拌棒放入小瓶，抵達(dá)圓盤頂部。然后對小瓶進(jìn)行10秒超聲處理。使用不銹鋼空心針，向小瓶中的溶液鼓入氬氣1分鐘，每隔20秒輕輕地漩渦混合溶液。然后將小瓶緊緊地蓋上，再浸入油浴，使小瓶的液體內(nèi)容物位于油面下方1cm處。小瓶處于油浴中時，用微攪拌棒以約50至100rpm的速率混合小瓶的液體內(nèi)容物，這樣，無需移動碳纖維圓盤，就輕輕地攪拌了溶液。膠凝作用在小瓶放入油浴約20分鐘至60分鐘時發(fā)生，由于微攪拌棒被固定而可見。小瓶在油浴中共計放置90分鐘后，取出小瓶，使其冷卻至環(huán)境溫度。實例9：洗滌并保存水凝膠電極用金屬抹刀打碎水凝膠溶液，使碳纖維圓盤離開原位。取15ml乙醇(95％)加入裝有碳纖維圓盤的小瓶，然后攪拌并混合小瓶12至18小時，以允許水凝膠溶液溶脹。然后從小瓶中移除過量的乙醇和溶脹的水凝膠。取15ml乙醇/水溶液(1:1)添加到小瓶內(nèi)的圓盤上，攪拌2小時，然后從小瓶中移除過量的溶液。接著，向小瓶內(nèi)的圓盤添加15ml水，再攪拌2小時。使用剃刀輕輕地刮過每個電極的表面和邊緣，來從電極表面除去過量的水凝膠。然后把電極放在紙(kimwipe)上干燥10分鐘。最后，將電極轉(zhuǎn)移到已貼上標(biāo)簽的帶螺旋蓋干凈小瓶內(nèi)。實例10：使用二茂鐵甲醛制備二茂鐵/pva乙縮醛參照表16，通過在室溫下攪拌過夜，而使聚乙烯醇(2.0gm，4.55×10-2當(dāng)量)溶解在1-甲基-2-吡咯烷酮(nmp，50ml)中。然后向該攪拌過的溶液添加二茂鐵甲醛(500mg，2.34×10-3摩爾)。再加入濃鹽酸(1.0ml)，室溫下攪拌所得溶液48小時。將nmp溶液緩慢地添加到經(jīng)用力攪拌的乙酸乙酯(250ml)中，沉淀出聚合物。添加完成后，從聚合物中潷出乙酸乙酯，然后將聚合物置于乙酸乙酯(每次250ml)中攪拌兩次，以除去殘留的nmp和未結(jié)合的二茂鐵甲醛。過濾分離聚合物，用乙酸乙酯洗滌，然后在真空下干燥。表16：二茂鐵/pva乙縮醛化合物實例11：在碳纖維材料上形成二茂鐵/pva乙縮醛水凝膠將sen-01-46b作為溶液施加到制備好的碳纖維圓盤上，隨后干燥固化，以使其變得不溶。另選地，首先將sen-01-46b溶液與純pva溶液混合，以調(diào)整二茂鐵的摩爾％濃度。然后把調(diào)整過的sen-01-46b溶液施加到制備好的碳纖維圓盤上。然后，將選自以下的交聯(lián)劑加入溶液，以利于在制備好的碳材料上形成水凝膠：馬來酸酐、馬來酸、戊二醛、二異氰酸酯、二乙烯基醚、高碘酸鹽或任何通用的二醛。當(dāng)前第1頁12當(dāng)前第1頁12