分析物感测装置 背景技术 [0001] 本发明整体涉及用于检测分析物的技术。在各个实施例中，本发明涉及用于测量pH(氢的电势)的装置，所述pH是溶液酸性或碱性的度量。溶液的pH通过溶液内溶解的+ + 氢离子(H)(也称为水合氢离子，H3O)的浓度来确定。随着溶液内溶解的氢离子的浓度增加，溶液变得更具酸性。相反地，随着溶液内溶解的氢离子的浓度降低，溶液变得更具碱性。 传统上，溶液内溶解的氢离子的浓度已用连接到显示pH读数的电子表的玻璃电极来测量。 传统上，术语“探针”和“电极”可互换地用于描述组件电极的功能组合。如本文所用，术语“电极”用于指探针中的特定电极，即，诸如“工作电极”、“参比电极”或“对电极”，并且“探针”是指足以产生信号的电极的功能组合，可对所述信号进行处理以产生指示溶液中所关注的分析物的浓度的读数。 [0002] 传统的玻璃pH探针具有工作电极(WE)，其是由对氢离子敏感的易碎、掺杂玻璃膜制成的离子选择性电极。pH响应性玻璃膜为此类探针中的主要分析物感测元件，并因此被称为“工作”电极。样品溶液内的氢离子结合到玻璃膜的外部，从而引起膜的内表面上的电势变化。电势的这种变化是针对常规参比电极(RE)(诸如基于银/氯化银的电极)的恒定电势而测量的。然后通过在校准曲线上绘制差值来使电势的差值与pH值相互关联。校准曲线通过繁琐的多步骤方法形成，据此使用者为各种已知的缓冲标准品绘制电势变化的图。传统的pH计都是基于该原理。 [0003] 传统的玻璃工作电极(和包含它们的探针和测量计)对pH的响应是不稳定的，并且玻璃探针需要周期性地仔细校准，所述校准涉及繁琐耗时的过程、多种试剂和受过训练的操作者。玻璃探针的特殊特性和构造还需要保持玻璃膜始终湿润。因此，玻璃探针的日常维护需要麻烦和昂贵的储存、维护和由受过训练的操作者进行定期校准，以确保适当的工作性能。 [0004] 除了繁琐的维护和储存要求，传统的玻璃探针是易碎的，从而限制了玻璃探针的应用领域。具体地讲，玻璃探针的易碎性质使它不适用于食品和饮料应用，以及无人值守的、恶劣的或危险的环境。因此，本领域需要能解决和克服使用玻璃探针的传统pH探针和测量计的局限性的pH探针和测量计(以及其他分析物探针和测量计)。基于伏安法的分析物感测系统已被提出作为玻璃探针的替代品；然而，那些系统是昂贵的并且在第一次开发时难以使用(参见Wrighton的美国专利No.5,223,117)。 [0005] 当研究者发现碳可替代金作为导电基底，并且此外，无论基底是什么，氧化还原活性材料的混合物都可用于伏安系统时，基于伏安法的分析物感测系统的理论和研究实验室实践方面都取得了显著进展(参见PCT公布No.2005/066618和2005/085825)。这些研究者提出的一个特别有趣的提议是：可将“分析物敏感的”氧化还原活性材料(ASM)和“分析物不敏感的”氧化还原活性材料(AIM)的混合物附接至导电基底，并有效地将其转换成WE(由ASM产生信号)和参比电极(RE)(由AIM产生信号)两者。然而，在这些最初的提议和研究(参见例如PCT公布No.2007/034131和2008/154409)之后的一段时间内，无论是理论还是实践方面都没有取得显著的进展。 [0006] 当科学家发现在实施过程中没有氧化还原活性材料完全是“分析物不敏感的”，并且伏安法技术的实践应用应集中于没有AIM的WE时，该领域出现了另一个显著的进展。然而，这些科学家还发现，不管氧化还原活性材料是否被表征为ASM或AIM(在本文中统称为“氧化还原活性材料”或“RAM”)，都可以通过在离子介质或“恒定化学环境”中的多价螯合作用来使其真正为分析物不敏感的。该发现产生了分析物不敏感的电极或AIE，其不仅可用作传统pH测量系统中的常规RE的替代品，而且还可以与基于伏安法的WE一起使用。参见PCT公布No.2010/104962。在这些发现之后不久，产生了适合在实验室工作台上使用并适用于重要研究和开发应用的pH计。参见PCT公布No.2010/111531和2010/118156。ASM化学、电极设计和制造技术方面的更多最新进展已经产生了共同提供改善的准确性、最小的信号漂移和使用便利性(诸如干湿可逆性)的WE和其他组件。参见共同待审的PCT申请US2013/023029，其以引用方式并入本文。 [0007] 本领域仍需要在延长的使用期内提供精确的测量并可由相对不熟练的工人在更广泛的各种条件下使用的基于伏安法的电极、探针、pH计和其他分析物感测装置。此外，常规的pH电极受到玻璃制造技术要求的尺寸和形状的限制。因此，在用的绝大多数pH电极都是长度有限的直的、刚性杆。也包含上述最新进展的益处的可以柔性、半刚性或用户可配置的形状系数包装的替代性pH传感器将允许多种新的应用。本发明满足这些需要。 发明内容 [0008] 本发明整体涉及包括新型氧化还原活性工作电极、参比电极和对电极的伏安传感器。本发明还提供了包括伏安传感器的pH计和其他分析物感测装置。在一些实施例中，手持式pH计包括容纳工作电极、参比电极、对电极和任选地布置成组的温度传感器的传感器盒。该盒可逆地连接到封装件上，封装件在本文中被称为头部单元，其容纳电路板、连接器、控制按钮和显示器。头部单元中的电子元件被设计为执行方波伏安法、捕集来自电极组的响应并将所述响应转换成可供显示或进一步传输的pH(或其他分析物浓度)。连接器的使用允许头部单元和盒可互换地操作，并有利于盒的置换。 [0009] 在其他方面，本发明提供了除了常规玻璃电极可能使用的各种形状系数的传感器盒。在一些实施例中，传感器盒包括柔性主体，其中传感器组位于主体的远端。这允许在通常难以接近玻璃电极的位置处进行测量，因为除了难以进行定期校准和维护之外，它们具有刚性、直的形状系数和固有的易碎性。在其他实施例中，传感器盒被设计为具有小于12mm的直径，例如5mm或更小，以确保如可容纳在(例如)Eppendorf管或多孔板的孔中的较小分析物体积的测量。 [0010] 在其他方面，本发明提供了用户界面(UI)，其包括用于控制伏安法测量的操作和显示测量结果的装置，所述测量结果包括pH、温度和任选的其他信息，诸如电流峰值位置和由工作电极产生的待测分析物的信号强度。 [0011] 在其他方面，本发明提供了改性参比电极。在一些实施例中，参比电极包括Ag/AgCl半电池和包含使用室温离子液体(RTIL)、聚合物和任选的碳同素异形体形成的复合材料的参比接点。 [0012] 本发明的这些和其他方面以及实施例在附图中示出并在下文中详细描述。 附图说明 [0013] 图1示出了本发明的示例性手持式pH计(在本文中有时称为“扫描仪”)，根据本发明的代表性实施例，其由具有LCD显示器的可拆卸头部、操作者控制按钮和通过定制的连接器(参见图2)连接至包含电极的可拆卸盒的盒释放按钮构成。 [0014] 图2示出了由相配合的插头和插座组成的定制连接器。插头在盒末端，其具有凸的连接器销轴、锁定凹槽和形成水密封的o型圈。根据本发明的代表性实施例，插座位于头部，其具有凹的销轴连接器和位于头部后面的盒释放按钮。 [0015] 图3示出了在12mm直径的可拆卸传感器盒的示例性实施例中用于相对于传感器模块定位伏安传感器电子元件的两种构形，根据本发明的代表性实施例，所述可拆卸传感器盒具有插入如图1所示的头部单元的定制连接器中的定制插头。图3A示出了连接至柔性电缆的传感器模块，所述柔性电缆直接连接至定制插头。图3B示出了连接至伏安传感器电子元件的传感器模块。两个实施例均具有直径为12mm的保护性不锈钢管。 [0016] 图4示意性地示出了根据本发明的代表性实施例的具有遥测和遥感能力并在刚性或柔性盒中组装了伏安传感器的两个pH变送器。图4A示出了具有刚性传感器盒的变送器，并且图4B示出了具有柔性传感器盒的变送器。两者均显示具有浸入液体或嵌入固体中的传感器盒，并具有暴露以有利于遥测通信的变送器。传感器盒连接至伏安传感器电子元件，所述伏安传感器电子元件的输出通过遥测/遥感模块传输。提供电源以用于系统的操作。 [0017] 图5示出了12mm传感器组，根据本发明的代表性实施例，其包括均位于同一平面上的316型不锈钢对电极(CE)、碳纤维工作电极(WE)和改性参比电极。这种共平面布置方式允许进行小体积测量，因为分析物样品表面与所有三个电极接触。传感器组还包括位于CE正下方用于改善热传导性的热敏电阻。 [0018] 图6示出了12mm传感器组的一些实施例，其包括均位于同一平面上的316型不锈钢CE、碳纤维WE和分析物不敏感的电极(AIE)。AIE包括缓冲溶液、伪参比电极(PRE)和碳纤维内部工作电极(IWE)。传感器组还包括位于CE正下方用于改善热传导性的热敏电阻。 [0019] 图7示出了柔性和用户可配置的传感器盒的实施例，根据本发明的代表性实施例，其包括5mm的传感器组(参见图9)、柔性导管、过渡性盒管和定制插头。 [0020] 图8示出了装配在容器(诸如Eppendorf管)中的5mm直径的传感器盒。根据本发明的代表性实施例，传感器盒包括传感器组(参见图9)、定制插头和过渡性盒管。 [0021] 图9示出了包括CE、WE、RE和热敏电阻的5mm传感器组。根据本发明的代表性实施例，在该实施例中，只有WE和RE是共平面的，而CE位于WE后面并且通过绝缘材料与其分离。这种布置方式依赖于分析物的位移，以使其与所有三个电极接触。 [0022] 图10示出了根据本发明的代表性实施例的手持式pH计的用户界面的逻辑流程图。 [0023] 图11示出了根据本发明的代表性实施例的用于本发明的手持式pH计的台座。在示出的实施例中，台座具有底部和竖直板，并且竖直板包括在其正面上用于完全组装的pH扫描仪的扣合支架，以及在它的背面上用于替换传感器盒的两组任选的扣合支架。 [0024] 图12示出了使用具有对应于整个pH范围的大约1200mV(即-1V至+0.2V)的扫描窗口的查找扫描(A)快速检测信号峰值的本发明方法。在该例子中，可以观察到峰值位置为大约-0.4V。追踪扫描(B)示出了居中位于大约-0.4V±300mV(即-765至-165mV)的更窄的扫描窗口。在该例子(B)中，可以观察到峰值位置更精确地位于大约-465mV处。 [0025] 图13示出了由伏安传感器在pH 7的缓冲液中产生的追踪扫描的代表性信号。可以用正向和反向电流之间的差值以产生差动电流(参见图12)。根据本发明的代表性实施例，“样本外”电流表明扫描仪未接触分析物样品。 [0026] 图14示出了根据本发明的代表性实施例的信号处理，在信号处理中检测到峰值，但低于2微安(μA)的信号阈值，使得pH扫描仪在LCD上报告“无信号”信息。 [0027] 图15示出了在pH 7的BDH缓冲液中测试90小时的伏安传感器的代表性稳定性特征。峰值电势稳定在-0.471±0.002V处。 [0028] 图16示出了在pH 7的BDH缓冲液中测试时图15中的同一伏安传感器的代表性信号强度特征。扫描80小时后的电流为87μA。 [0029] 图17示出了使用BDH缓冲液和图2A中示出的实施例中的传感器盒生成的多个温度下的峰值电势与pH之间的代表性关系。 [0030] 图18示出了使用BDH缓冲液和图2B中示出的实施例中的传感器盒生成的多个温度下的峰值电势与pH之间的代表性关系。 [0031] 图19示出了针对科尔-帕默甘汞电极(Cole-Parmer calomel electrode)(科尔帕默公司(Cole-Parmer)，EW-05990-50)的改性参比电极的稳定性特征。在pH 2至12的BDH缓冲液中以升序和降序顺序测量改性参比电极电势，并在pH 2和12之间进行若干次。 [0032] 图20A示出了来自在pH 7的BDH缓冲液中的分析物不敏感的电极(参见图6)的IWE的峰值电势(PP)信号。在0和17个小时之间观察到0.010V的漂移。 [0033] 图20B示出了来自在pH 7的BDH缓冲液中的分析物不敏感的电极的EWE的峰值电势信号。在0和17个小时之间观察到0.010-0.012V的漂移。 [0034] 图20C示出了来自分析物不敏感的电极的内部和外部工作电极的消减信号。这在 17个小时内产生了-0.025±0.002V的稳定电势。 具体实施方式 [0035] 本发明提供了使用各种形状系数的伏安传感器、使用各种信号处理方法和用户界面来测量分析物浓度(特别是pH)的仪器及其组件。 [0036] 定义 [0037] 如本说明书和所附权利要求中所用，除非上下文另外指出，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括多个指代物。 [0038] “分析物”是存在于样品中的所关注的化学物质，使用包括工作电极的分析物传感器系统可检测所述化学物质的存在或可测量所述化学物质的浓度。 [0039] “分析物敏感的材料”或“ASM”是在那些使用者所定义的特定应用范围内对样品中分析物的存在或浓度敏感或基本上敏感的氧化还原活性材料。对分析物“基本上敏感的”用于指在给定应用所要求的范围内敏感，如由最终用户所定义的那些范围。 [0040] “分析物不敏感的材料”或“AIM”是对样品中分析物的存在或浓度不敏感或基本上不敏感的氧化还原活性材料。对分析物“基本上不敏感的”用于指在给定应用所要求的范围内不敏感，如由最终用户所定义的那些范围。 [0041] “分析物感测装置”是传感器，一种用于测量来自传感器的信号的装置，并且任选地显示该信号的装置。pH计是分析物感测装置的一种类型。因此，在一些实施例中，分析物感测装置包括控制器/处理器单元、相关的程序和算法，以及探针。 [0042] “伪参比电极”或“PRE”是其电势根据其环境条件可预测地变化的电极类别中的一种电极。一旦建立，此类相关性可用于计算已知条件下的电极电势，即使那些条件超出常规参比电极所应用的相对较窄的范围，例如非水溶液或远离环境温度的温度。在那些情况下，它们在电化学实验的时间量程内提供合理的恒定电势，并且如果需要，可将PRE的绝对电势校准回到RE。伪参比电极通常不包括氧化还原电对的两个半部。PRE的一个例子是银线(通常用于非水电化学中)。最近，PRE已用作AIE的组件。 [0043] “氧化还原活性材料”为可被氧化和还原的化合物或组合物。“氧化还原活性”是指那些过程中的任一者或两者。 [0044] “参比电极”(RE)是用于建立施加至WE的电势差的电极。常规的RE具有某些固定的化学组成，并因此具有固定的电化学电势，从而允许用已知的受控的方式测量施加至WE的电势差。RE通常包括与具有固定化学组成和离子强度的电解质接触的氧化还原电对的两个半部。因为存在氧化还原电对的两个半部，并且所包含的所有物质的组成是固定的，所以系统保持平衡，并且横跨RE的电极-电解质界面的电势降(即，所测得的电压)那么会是热力学固定和恒定的。例如，常用的RE系统为具有确定和恒定浓度的KCl的Ag/+ - - - AgCl/KCl系统。因此两个半电池反应为：Ag+e →Ag；AgCl+e →Ag+Cl。因此总电池反+ - 应为：AgCl→Ag+Cl，对于总电池反应能斯特(Nernst)平衡电势被给定为：E＝E0–(RT/- F)*ln[Cl]，其中E为测得的RE电势，E0为Ag/AgCl电对与具有所有物质在单位活性下的标准氢电极(按照惯例，标准氢电极被定义为具有0.0V的电势)比较的标准电势；并且R、T和F分别为以适当单位计的普适气体常数、温度和法拉第常数。因此，该系统的电势仅取- 决于存在的Cl 离子的浓度(更严格地讲，是活性)，如果该浓度是固定的，则提供稳定的、固定的电势。许多其他RE系统在本领域中是已知的。必要的是，RE的组成保持不变，并因此几乎没有电流应穿过RE(否则将发生电解并且RE的组成将改变)，这需要使用第三电极(对电极(CE))来完成电路。然而，可以在特殊情况下使用两个电极的配置，在所述情况下，WE是具有至少一个通常小于100微米的尺寸的微电极。在这种情况下，WE上通过的电流是微弱的，并因此可以将RE与两个电极的电池一起使用，但不需要CE。 [0045] “传感器”是响应于分析物的存在而产生信号的电极或电极的集合。 [0046] “电极”为探针的组件。 [0047] “探针”是指包含多个电极的传感器。探针可以包括(例如)工作电极、对电极和参比电极(常规的参比电极或伪参比电极)。探针可以包括(例如)工作电极、对电极和分析物不敏感的电极(IWE和PRE)。 [0048] “工作电极”或“WE”是发生用于检测所关注的分析物的电化学过程的电极。在传感器中，工作电极可以是对测试样品中的一种或多种分析物敏感的，或其可以用分析物敏感物质/材料化学改性的。在对研究中的系统施加一些扰动之后，测量工作电极的电化学响应。例如，扰动可以是对WE施加电势差，这诱导发生电子转移，并且然后将WE上所得的电流记录为施加的电势的函数(伏安法模式)。该操作模式的例子是示例性的，并非详尽的，因为许多其他模式在本领域中是已知的。本发明的WE包含可发生可逆的电化学氧化还原反应的ASM，这种反应取决于样品溶液中的分析物(对于pH计而言为氢离子；对于其它分析物感测装置而言为其他分析物)的浓度和施加的电势。例如，如果样品溶液中存在高浓度的氢离子，氧化还原反应在较低的电势下发生。相反地，如果样品溶液中存在低浓度的氢离子，氧化还原反应在较高的电势下发生。这些特征电势与样品溶液pH之间的关系为ASM的化学特性的函数。一种算法将电势转换成pH值，以提供确定未知样品的pH的方法。 [0049] “分析物不敏感的电极”(AIE)为通过将氧化还原活性WE与包含具有缓冲特性的材料的恒定化学环境并置取得恒定电极电势的参比电极的特殊情况。恒定化学环境又与分析物离子连通，但与分析物对流地分离。AIE提供可用作内部标准(换句话讲，系统的标准内部)的可预测信号，可以使分析物敏感的信号与该信号进行连续比较，并因此允许在确定分析物浓度方面的更大的准确性和再现性。参见以引用方式并入本文的PCT申请No.US2013/023029和PCT公布No.2010/104962。 [0050] “温度传感器”允许对周围环境进行实时温度测量。它的一个例子为电阻温度检测器(RTD)、热敏电阻或热电偶。 [0051] 考虑到上述定义，读者可以更好地理解下文所述的本发明的各个方面和实施例。 [0052] 通常，本发明的伏安传感器技术使用包括基底的WE，其中分析物敏感材料(ASM)附接到该基底上。ASM本身可以在基质中。在本发明的一些实施例中，传感器技术还使用AIE。在一些情况下，提供的AIE还包括基底和氧化还原活性材料(RAM，它可以是ASM或AIM)。在一些方面，WE的ASM基质材料(或AIE的RAM基质材料)的基底为碳或包含碳。 [0053] 多种碳基底适合用作本发明电极中的基底材料，包括但不限于碳同素异形体，诸如石墨，包括热解石墨和各向同性石墨、无定形碳、炭黑、单壁或多壁碳纳米管、石墨烯、玻璃碳、硼掺杂的金刚石、热分解光致抗蚀剂膜和本领域中已知的其他材料。 [0054] 另外，所有上述碳同素异形体都可以粉末形式分散在合适的粘合剂中，或在WE的表面上原位形成。此类粘合剂包括有机或无机聚合物和粘性材料。在一些实施例中，基底为石墨粉，而粘合剂为环氧树脂。在其他实施例中，基底为石墨棒。在其他实施例中，基底为各向同性石墨固体。在其他实施例中，基底为碳纤维复合物。在其他实施例中，基底为石墨填充的聚合物，其例子包括但不限于聚苯硫醚、聚砜或聚偏二氟乙烯。在其他实施例中，基底包括用一种或多种碳同素异形体配制的油墨的表面涂层。在其他实施例中，基底包括用一种或多种金属(例如银、金和铂)配制的油墨的表面涂层。在其他实施例中，基底为离聚物。在其他实施例中，基底为包含用于提高基质的物理和电特性的碳同素异形体颗粒、碳纳米管、碳纳米线、石墨烯、金属或其它相容剂的分散体的离聚物，所述物理和电特性包括但不限于有助于传输来自RAM的电信号。 [0055] 本发明的WE(和AIE)可被配置为可从探针上拆卸，从而允许根据所需的设计和功能容易地对其进行互换或置换。本发明的WE可被配置和编程为置换传统的pH计中的传统玻璃探针和/或产生由电线传输或通过不需要电线的电磁装置传输至读出装置的信号(参见PCT申请No.US2013/023029，其以引用方式并入本文)。 [0056] 本发明的pH或其他分析物探针还可以包括参比电极(RE)。适用于本发明的探针的多个常规参比电极在本领域中是已知的。参见，例如，以引用方式并入本文的Bard和Faulkner的“Electrochemical Methods:Fundamentals and Applications”(电化学方法： 基础与应用)(威利出版社，2001年(Wiley 2001))。 [0057] 在本发明的一些实施例中，常规的参比电极为被电解溶液包围的氯化银线。在其他实施例中，常规的RE是仅氯化银线。在其他实施例中，常规的RE为如美国专利No.4,495,050中所述的碘化物/三碘化物系统，该专利以引用方式并入本文。在其他实施例中，常规的RE为标准甘汞电极。 [0058] 本发明还提供了多个实施例，其中具有氧化还原活性分析物敏感材料的固态工作电极(WE)结合常规的RE或PRE在相同的pH测量系统中操作。这种混合方法结合了固态装置中所固有的稳定性和很多电化学科学所依据的公认参考标准。在本发明的一些实施例中，使用无孔材料作为分析物和RE或PRE的内参比溶液之间的接点。选择无孔材料以向离子提供通道，但其具有对流流动抗性，从而使由于与分析物混合或在某些情况下与分析物中的物质发生化学交互作用产生沉淀或接点的堵塞而发生参比溶液中组成变化的可能性最小化。此类混合或交互作用的结果是参比氧化还原电对的化学环境发生变化，并因此参比电势发生偏移。在本发明的具体实施例中，参比接点材料包括RTIL、至少部分地易与RTIL混合的聚合物，以及任选的混合以提供除了上文所述的电化学和阻隔特性之外的良好的机械稳定性的碳同素异形体。 [0059] “对电极”或“CE”有时也称为“辅助电极”，其是一些分析物传感器中所需的用于使电流通过电化学电池以完成电路的电极。CE用作电极源或接收器并允许电流流过WE，以产生氧化还原反应。为了避免不需要的电化学氧化还原过程，CE通常用化学惰性导体制成，通常为不锈钢或其他特种合金、碳和它的复合物、某些导电聚合物或贵金属。本发明的所有实施例都可以包括CE。 [0060] 在本发明的各个实施例中，传感器还包括温度传感器，诸如电阻温度检测器(RTD)、热敏电阻或热电偶。样品的pH为温度的函数；因此，快速和准确地测量和监控分析物的温度通常是重要的。在一些实施例中，传感器组包括嵌入参比接点内的热敏电阻。在另一个实施例中，传感器组包括靠近分析物、工作电极和参比电极的热敏电阻，其优选地接触高导热性材料，使得快速和准确地测量分析物样品的温度。在其他实施例中，热敏电阻嵌入316型不锈钢对电极的正下方(参见图5和6)。 [0061] 在其他方面，本发明提供了包含一个或多个如本文所述的电极的手持式pH计(“扫描仪”)。本发明的手持式pH扫描仪为无需校准的固态pH计。仪器的架构在形状系数、工作环境和应用方面具有最大的灵活性。在一些实施例中，系统具有头部单元，其包含用户输入按钮、显示屏以及有利于附接和置换可拆卸传感器盒的定制连接器(参见图1和 2)。在一些实施例中，包含传感器组的可拆卸盒具有直径为12mm的管，以容纳传感器组和相关的电子电路。典型的玻璃pH电极已标准化为具有12mm的直径。许多实验室和工艺固定装置被设计为适合12mm直径的形状系数。本发明的这个实施例被设计为适用于这些使用环境(参见图3)。 [0062] 本发明提供的形状系数范围的另一个例子为“鹅颈”形式的传感器盒实施例，其是柔性的，并因此是用户可配置的。因为本发明的传感器盒不需要使用玻璃，因此没有与有限长度的刚性形状相关的限制。相反，可以用各种电缆和连接器将传感器盒和探针连接到头部单元上。参见图7。本发明的伏安传感器可被制造为具有远长于具有玻璃电极的传感器的可能长度的长度，玻璃电极很少超过一米的一小部分。通过使用合适的信号增强电路，本发明的刚性或柔性传感器可为大约10米。典型的长度包括(但不限于)例如0.25、0.5、1、 2、5和10米。 [0063] 在另一个实施例中，在适用于测量小容器(例如，Eppendorf管或多孔板的孔)中的样品的pH的较小的5mm传感器组的实施例中提供了本发明的可拆卸盒。该较小的形状系数示于图8中。 [0064] 在其他方面，本发明提供了电子电路和组件的多个包装选项以满足各种需求。在一些实施例中，传感器盒包括外壳、传感器组、与头部单元配合的连接器，以及传感器组与连接器之间的电线，如图3A所示。在替代性实施例中，承载前置放大器和/或模拟-数字转化器和任选的功率调节组件的小电路板直接连接到传感器组上，如图3B所示。在一些实施例中，盒外壳为刚性导管。在另一个实施例中，盒为由柔性材料制成的柔性导管(参见图 7)，所述柔性材料可以是但不限于PVC管(例如，Tygon B-44-3)、EPDM橡胶、有机硅橡胶、含氟弹性体、含氟聚合物、聚氨酯、共混物以及它们的共聚物。材料的选择取决于目标应用。 在一些实施例中，柔性导管是用户可配置的，用户可使用由(例如)强化或编织不锈钢(例如Hagitec WCD系列、MCD系列和CD系列)制成的鹅颈管进行配置。在其他实施例中，盒外壳包括屏蔽电缆和任选地铠装电缆，其被设计用于使电磁干扰最小化并抵御环境损坏。更一般的讲，使前置放大器和/或模拟-数字转化器靠近传感器组定位可提高信号强度，并从而增大可使用的传输距离。本发明的柔性探针的最大长度在很大程度上受到信号衰减和电磁噪声或干扰的限制。在实施过程中，长度为1m或更长(例如10米或更长)的本发明柔性pH探针能够进行与其刚性、较短的对应物难以区分的精确测量。 [0065] 在本发明的其他方面，传感器组和所有电子元件一起位于紧凑的自供电测量装置中，其中系统的操作和测量结果的检索通过无线通信远程进行。各个实施例适于结合遥测或遥感技术进行部署。配备有天线和集成电子元件的遥测/遥感模块可执行若干功能中的任一种，包括无线通信和地理定位。它还为伏安传感器电子元件的操作的远程控制建立链接。一个具体实施例提供了安装到浮动平台上的系统，其中伏安传感器位于刚性或柔性探针中的平台的底部，所述探针浸入分析物(通常为水)中至用户指定的深度。该设计特别适于测量用于环境监控的水体中的pH，或与供水、污水处理、海洋学研究和航道管理相关的水分析。在其他实施例中，将传感器盒或功能相当的结构和伏安传感器电子元件浸没至水表面下的各个深度，而遥测/遥感组件暴露在水表面上，以允许高效的信号上/下行。在其他实施例中，将多个传感器盒布置成覆盖限定空间的矩阵形式，以允许绘制pH梯度和其随时间推移的变化。 [0066] 其他陆地应用包括土壤样品的监控或灌溉排水的监测。在其他实施例中，传感器盒的阵列被部署成表征多个位置处的土壤pH，与上述提供的用于水分析的方法类似。此类应用是由本发明的优点以不受漂移、维护和位置因素影响的方式实现的无数应用中的示例，特别是稳定性和精确提供分析物信息的能力。图4A和4B示意性地示出了分别部署本发明的刚性和柔性传感器的这些系统的两个实施例。在其他实施例中，本发明的伏安传感器被固定在保护性外壳中，诸如用于海洋学应用的伏安传感器电子元件和电池组的防水封装件，或机械加固件，诸如用于地下布置的防腐蚀外壳。 [0067] 在各个实施例中，手持式pH计具有以下属性中的一者或多者：(i)传感器盒是可拆卸且可置换的；(ii)传感器盒中的传感器组是可拆卸且可置换的；(iii)传感器组和相关的电子电路组件在不同形状系数(例如5mm或12mm直径)的可拆卸盒中提供，各自被设计为具有连接器，其中连接器与本文所述的头部单元相容。在其他实施例中，上文标示为可置换的组件中的一者或多者由固定组件替代。 [0068] 本文所述的各个传感器盒的使用并不限于手持式pH扫描仪。作为替代，本发明的传感器盒可用于配备有接纳其的合适的连接器的仪器和系统。这些包括台式仪器、工业变送器和控制器的形状系数，以及具有合适接口硬件和算法的其他仪器和处理器的子系统。 [0069] 本发明还提供了提供改善的信号处理的方法和组件。方波伏安法为行之有效的电分析技术，其允许使电化学电池中的电流与所关注的溶液物质的浓度相关。它的原理、操作和应用已详细描述。参见，例如，“Square Wave Voltammetry”，J,G and R.A.Osteryoung,Analytical Chemistry 57,(1)1985,101A-110A(“方 波 伏安法”，J,G和R.A.Osteryoung，《分析化学》，第57卷，第1期，1985年，第101A-110A页 )；“Theory of Square Wave Voltammetry”and“Analytical Applications of Square Wave Voltammetry,”L.Ramaley and M.S.Krause,Analytical Chemistry 41,11(1969)1362-1365(“方波伏安法的理论”和“方波伏安法的分析应用”，L.Ramaley和M.S.Krause，《分析化学》，第41卷，第11期，1969年，第1362-1365页)。目前可用的各种商业仪器在各种电子设计中实施方波伏安法，这些电子设计通常具有定义主要操作参数的能力以及产生快速尖峰测量和有效抑制来自不可逆的氧化还原过程的错误信号的常见益处。 [0070] 本发明的信号处理电子元件和方法的实施提供能与其他商业系统相比的功能，并且还提供易用性和手持式仪器中的简单用户界面(UI)。UI的各个方面提供对扫描仪的操作的控制，显示主要测量结果，显示电源状态、传输数据或对装置进行编程。图10为逻辑流程图，示出了响应于各种事件的命令结构、系统，以及测量信息和系统状态的显示。系统的固件提供以下主要功能：(1)电源开/关控制；(2)系统检查，其验证电池状态，以及连接到头部单元上的传感器盒的存在；(3)传感器检查，其确定传感器盒与预先选择的内部相关数据库内的参比点的一致性，并校正其的任何偏离(在具体实施例中，将在pH 7缓冲溶液中测得的工作电极电势与来自具有相同类型的WE和RE的盒的标准化组并保存在头部单元的固件中的值进行比较)；(4)pH测量，其中开始是根据预设的方波伏安条件的电压扫描序列，以及收集和处理来自传感器盒的响应；(5)错误捕获，其中系统检测(i)传感器与分析物之间的接触损失，并报告具有“样本外”信息的条件；(ii)可用的信号不是由传感器盒生成的；或者(iii)其他可操作的不规则部分；(6)用户可选择显示pH、温度、峰值电势和信号强度；以及(7)系统指标，包括电池充电水平、扫描进度指标和系统状态的其他视觉指标。 [0071] 对于分析物浓度，即pH测量，本发明在一些实施例中提供了广泛的电压范围(扫描窗口)，其首先用于确定电流峰值的大致位置，其涵盖大部分pH范围(例如pH 2-12)；这被称为“查找扫描”。之后使用动态限定为包括电势范围的初始值的较窄的扫描窗口进行一系列扫描。这些测量被称为“追踪扫描”，它以比查找扫描更高的电压分辨率进行，以实现高准确性。将多个连续电势测量值在移动平均基准上进行比较，直到连续平均值差异小于阈值，因此认为该测量值是稳定的并进行相应地显示，并生成声音信号。 [0072] 目前市场上的绝大多数pH计使用电势pH探针，其需要用复杂的用户界面来处理探针的初始设置、维护和校准的高技术方面。这些pH计需要用户建立校准的关键方面，包括探针对pH(倾斜度)的响应和参比电极的波动(y轴截距)。为了校准传统的pH探针，用户必须将探针暴露于一系列不同pH的标准缓冲液中，并操作装置的用户界面，使得在测量所关注的样品的pH之前将校准信息正确输入至装置中。由于校准和其他设置程序的复杂性和技术性，pH计通常主要用于具有高级技术人员的实验室。即便如此，在设置pH计时仍存在错误校准和其他失误的可能，从而导致可能不为用户所知的错误pH读数。农业中的许多田地应用，诸如测量田地中土壤或水果的pH(可用于确定收获时间)，或环境监控应用，诸如测量河流、海洋珊瑚礁和工业废水的pH无法测量或在测量标准以下，因为目前可用的pH测量设备的操作复杂性和这些环境中的用户可能不是受过正规训练的化学家或操作人员的事实。 [0073] 本文所述的伏安传感器的免校准和机械稳固性质允许将传感器组联接到仅通过使用两个按钮就能操作的第一全功能用户界面上，并允许事实上没有受过任何技术训练的首次操作的用户测量pH值，其准确性和精确性等同于或优于目前市场上最好的电势(玻璃)pH计。本发明提供的用户界面使用极其简单，并允许用户通过单次按钮按压来测量所关注样品的pH，这是常规pH计无法复制的独特功能。此外，本发明提供了可构建在pH计内的错误捕获功能，如果传感器未接触样品或者如果来自传感器的信号太弱而无法实现准确的pH测量，它可以通知用户。对于第一次而言，即使是未受过训练的用户也可以通过大大简化的只具有两个按钮的用户界面进行高准确性的pH测量，其中两个按钮与复杂的程序联接，复杂程序通过下文详述的简单的按钮按压组合自动运行。在一些实施例中，pH计或扫描仪只有两个按钮：“电源开/关”按钮和“pH”按钮。在短按和长按pH和电源按钮的控制下操作本发明提供的用户界面(UI)。通过上述按钮和LCD屏幕的组合，用户能够执行可以是手持式扫描仪形式的pH计上的每个可用功能。 [0074] 在一些实施例中，通过按压电源按钮打开扫描仪的电源，这会初始化系统固件，然后使声音信号和显示器电源打开。此时，固件检测包括热敏电阻的传感器盒的存在和电池的充电水平。完成内部测试之后，显示器显示“准备就绪”，并且扫描仪准备好使用。可以从准备就绪屏幕通过长按(>7秒)电源按钮关闭测量计的电源。 [0075] 用户通过按压pH计的电源按钮并保持其处于电源开启状态来进行pH(或其他分析物)测量。然后用户冲洗pH计的传感器，诸如使去离子水或另一种清洁剂流过pH计探针的末端。然后用户将pH计的传感器端插入样品中。在测量计的传感器端设置在样品中时，用户按压pH计的pH按钮，从而引发对样品的扫描。如果用户需要对不同的样品进行pH测量，则用户重复冲洗传感器然后将pH计的传感器末端插入新样品并引发新的扫描的步骤。 用户可以在扫描过程中的任何时间通过按压pH按钮结束正在进行的扫描。下文所述的程序被设计为使得用户仅按压“pH”按钮，所述“pH”按钮引发一系列算法的运行，从而通过单次按钮按压得到高精度pH测量。从准备就绪屏幕，按压pH按钮开始pH测量，其中传感器经受电压扫描序列。在整个pH值测量过程中，LCD屏幕显示样品的pH读数、样品的温度和电池水平。如上简述，可对扫描仪进行编程以执行两种类型的扫描：查找扫描和追踪扫描。 通常，在本发明的伏安传感器中，由于pH改变而导致的峰值电流位置在电压范围上的变化将为约60mV/pH单位。在一些实施例中，查找扫描为低分辨率(例如4mV(～0.066pH单位))、宽范围(例如>600至1200mV(例如大约7至14pH单位的可测量范围))扫描，允许测量计在0至14的整个pH范围内或任选地该范围的一些部分(通常为7或更大的pH单位)内快速(即，约15秒)检测样品的pH。例如，如果传感器放置在pH范围相对熟知的工艺料流中(例如pH 6.6的牛奶)，可基于预期的pH值(就牛奶而言为6.6，但中心点可以是任何pH值)+/-一个范围(即，1个pH单位，或就pH 6.6的中心点而言为5.6至6.6的范围，但是该范围可以是0和14之间的任何范围)将伏安传感器电子元件调成扫描中心点，从而使显示器更快速地更新。该方法通过限制每次扫描的pH范围允许在单位时间内进行更多的扫描。一旦通过查找扫描确定峰值位置后，开始一系列的追踪扫描。追踪扫描为窄范围(例如200至600mV(3pH单位的可测量范围))内的高分辨率(如，2mV(～0.033pH单位))扫描，其中范围的中心位于对应于得自查找扫描的峰值位置的电压处。在各个实施例中，所述窄范围为对应于得自查找扫描的峰值位置的电压的+/-300mV。参见图12A和12B。 [0076] 在一些实施例中，当用户按压pH按钮时，扫描仪执行初始查找扫描。当查找扫描正在进行时，显示器上以闪光模式显示四条虚线以指示pH读数目前是未知的。一旦查找扫描确定了大致的pH值后，该值以闪光模式显示在显示器上，向用户指示还未达到稳定读数。然后扫描仪自动进行一系列追踪扫描，并且将每次追踪扫描得到的值并入例如三个连续读数的移动平均值中，在移动平均值中变化小于预定的但可在算法中调整的具体值。例如，小于6mV的变化对应于0.1pH单位精确度，并且2mV的变化对应于0.03pH单位精确度。 [0077] 此时，测量值被认为是稳定的，并且pH值被替换为稳定值。同时，发出可听见的声音以让用户知道扫描仪测得的pH值已稳定。如果来自追踪扫描的后续测量值使标准偏差落在预定极限之外，则扫描仪恢复回到查找扫描模式，并且重复该过程，随后进行追踪扫描，直到再次获得稳定读数。 [0078] 一旦追踪扫描已稳定，可以通过短按(即，1秒)电源按钮来查看另外的测量数据，诸如以毫伏(mV)为单位的峰值电势和以微安(μA)为单位的峰值电流。再一次短按电源按钮切换回显示pH和温度。即使达到稳定读数之后，扫描仪仍继续进行追踪扫描并更新和显示移动平均值。如果用户希望停止对样品的扫描，通过短按(即，1秒)pH按钮来完成。 然后显示器显示“最后读数”以及pH、温度、峰值电势和峰值强度的值。第二次短按pH按钮使显示器返回至“准备就绪”屏幕。 [0079] 基于被测样品的性质和频率，传感器组的WE具有有限的使用寿命。因此，允许用户定期对传感器的状态进行评价是有用的。这通过将传感器放置在已知的标准缓冲液(诸如pH 7缓冲液)中并长按(即，3秒)pH按钮来完成。状态栏显示在显示器上，并且扫描仪进行5次连续的高分辨率扫描(即，追踪扫描)，并将五个读数的平均值与预先选定的内部相关数据库中的参比点进行比较，并对其的任何偏差进行校正。功能正常的伏安传感器的独特特征是ASM对pH(即，倾斜度)的响应永远不会改变；因此，传感器检查特征内的这种嵌入式功能通过自动为用户重新设置y轴截距来校正参比电极(RE)中可能发生的任何变化。传感器检查还测量扫描的信号强度(以μA为单位的峰值强度)，以评价传感器的状态，其中低信号指示分析物难以测量或传感器接近其使用寿命的终点。一旦完成传感器检查，屏幕就会显示通过扫描确定的信号强度。在一些情况下，建议的信号强度阈值为15μA。 因此，如果15μA或更小的值显示在pH计显示器上，用户将要置换传感器盒。然后用户将使用新的盒进行上文所述的传感器检查。成功完成传感器检查之后，用户按压pH按钮，以返回pH计的主屏幕。如果用户希望退出传感器检查，短按pH按钮取消该过程并使显示器返回至“准备就绪”屏幕。 [0080] 与常规的电势pH探针不同，本发明提供的扫描仪能够检测和显示有助于用户减少测量错误并获得更可靠结果的信息。例如，如果传感器未与样品接触，则显示器将显示“样本外”，从而让用户知道要调整传感器或样品的位置。这通过检测传感器的DC电流来实现。参见图13。在pH测量或传感器检查功能期间可以触发“样本外”功能。 [0081] 另外，如果传感器未返回足够强的可靠读数的信号，则扫描仪能够检测并显示信息。这通过将峰值信号强度与最小阈值(例如2μA)进行比较来完成。参见图14。在pH测量或传感器检查过程中可触发“无信号”功能。触发时，pH测量或传感器检查停止，并且屏幕显示“无信号”，从而让用户知道传感器不能可靠地测量样品的pH。 [0082] 另外，扫描仪可配备有关机定时器功能。关机定时器的目的是通知用户扫描仪是否长时间闲置(即，大于5分钟)。可从“准备就绪”屏幕、“最后读数”、“无信号”、“样本外”屏幕以及在传感器检查结束时触发关机定时器，其旨在保持电池寿命。当触发关机定时器功能时，显示器显示“关机”。用户可以通过短按电源按钮取消关机，使扫描仪返回至“准备就绪”屏幕。如果用户什么都没做，扫描仪自动关机。关机定时器的独特功能是，如果触发关机定时器时扫描仪正显示稳定的测量值，则当扫描仪重新通电时，将显示最后读数。该独特功能确保用户不会因自动关机而导致数据的任何意外丢失。 [0083] 本发明还提供了适用于固定本发明的手持式pH计的多种台座。图11示出了用于本发明的手持式pH计的台座的示例性实施例。在示出的实施例中，台座具有底部和竖直板，并且竖直板包括在其正面上用于完全组装的pH计的扣合支架，以及任选的在其背面上用于替换盒的两组扣合支架。台座的其他实施例包括在竖直板背面具有更多、更少或没有扣合支架的那些。 [0084] 本领域的技术人员将会知道，存在实施和实现由本发明的各个方面和实施例提供的多个益处和优点的许多替代方法。因此，本发明实施例被视为示例性的和非限制性的，并且本发明并不限于本文给出的细节，而是可以在所附权利要求的范围和等同物内进行修改。本文引用的所有出版物和专利均全文以引用方式并入。以下提供的实例仅为了进行示意性的说明，并不限制本发明的范围。 [0085] 实例1：传感器盒 [0086] 构造包括以下组件的传感器盒：12mm OD×150mm 304型不锈钢(马萨诸塞州麦德维的MicroGroup公司(MicroGroup,Medway,MA))的盒管；被设计为与头部单元相配合的机电连接器(康涅狄格州瓦林福德镇安费诺公司(Amphenol,Wallingford,CT))；伏安传感器，其包括具有基于固定在碳纤维基底(加利福尼亚州利弗莫尔的ACP复合材料公司(ACP Composite,Livermore,CA))上的AQ-PVA化学的ASM功能表面的工作电极、具有Ag/AgCl/KCl系统的参比电极、由316型不锈钢制造的对电极，以及布置成组并安装在盒外壳的远端的热敏电阻(爱达荷州博伊西的高通技术公司(QTI,Boise,ID))。带状电缆将伏安传感器连接到与头部单元接合的机电连接器上。这些组件的布置方式示于图3A中。将这种设计的传感器盒连接到Autolab恒电势器上并在pH 7的缓冲溶液(BDH)中在25℃下进行测试。 监控为时间的函数的工作电极峰值电势和信号强度。结果示于图15和16中。在87小时的过程中，电势保持在约2mV内，其对应于约0.03pH单位。该稳定性优于常规玻璃电极的稳定性。 [0087] 该传感器盒的工作电极电势显示与分析物pH和温度具有线性关系，如图17所示。 这种相关性是将测得的电势转换成pH的基础。 [0088] 实例2：具有集成电子元件的传感器盒 [0089] 构造包括以下组件的传感器盒：12mm OD 304型不锈钢(MicroGroup公 司(MicroGroup))的盒管；被设计为与头部单元相配合的机电连接器(安费诺公司(Amphenol))；伏安传感器，其包括工作电极、参比电极、对电极，以及布置成组并安装在盒管的远端的温度传感器。提供印刷电路板，其上安装有前置放大器、模拟-数字转化器、功率调节器、支持逻辑和其他无源组件。将电路板连接到伏安传感器上。带状电缆将印刷电路板连接到与头部单元接合的机电连接器上。这些组件的布置方式示于图2B中。在类似于实例1的条件下测试这种设计的传感器盒。汇总在图18中的结果显示，mV-pH相关性不受与传感器组相关的电子电路的位置的显著影响。 [0090] 实例3：具有改性Ag/AgCl参比电极的伏安传感器 [0091] 传感器组被构造为具有由各向同性碳(TTK4，日本东洋炭素公司(Toyo Tanso))制成的环形圈形式的工作电极。该基底用固定化的AQ-PVA化学功能化。传感器组还包括用管状囊构造的参比电极，管状囊包含3MKCl溶液、饱和浓度的AgCl(包含过量的AgCl固体)和作为增稠剂添加的羟乙基纤维素(目录号434981，西格玛奥德里奇公司(Sigma Aldrich))。管状囊的一端用由2g聚偏二氟乙烯(Kynar 721，阿科玛公司(Arkema))、1.6g室温离子液体(IL-0045，Iolitec公司(Iolitec))和0.25g石墨粉(目录号496596，西格玛奥德里奇公司(Sigma-Aldrich))的均匀混合物制成的复合聚合物塞封端。将氯化银线浸入该溶液中。管状囊的另一端部用环氧密封剂封端。传感器组还包括用12mm O.D.316型不锈钢管材构造的对电极。热敏电阻(高通技术公司(QTI))安装在对电极的内表面处。 带状电缆将这些电极连接到机电连接器上。这些电极同轴安装以形成传感器，使得它们的截面彼此共平面，如图5所示。通过在范围在pH 2至pH 12的不同标准缓冲溶液中针对科尔-帕默标准甘汞电极(SCE)测量这种改性Ag/AgCl参比电极的电势来评价这种改性Ag/AgCl参比电极。图19中示出的结果表明，改性Ag/AgCl参比电极在宽pH范围内返回稳定的参比电势。 [0092] 实例4：具有分析物不敏感的电极(AIE)的伏安传感器 [0093] 传感器组被构造为具有由碳纤维复合物制造的环形圈形式的工作电极，其上固定有AQ-PVA。传感器组还包括AIE，AIE包括具有抛光末端的实心圆柱体形式的碳纤维的内部工作电极(IWE)，其上固定有AQ-PVA。IWE安装在管状囊的一端上，管状囊包含pH 7参比溶液(BDH)，在当前上下文中它被称为内部参比溶液。内部参比溶液还包含作为增稠剂的5重量％的羟乙基纤维素。管状囊的相对端上为包含非多孔性固体的分析物屏障，以允许离子通过，但不会使分析物与内部参比溶液混合。AIE包括由浸入内部参比溶液中的铂线构成的伪参比电极(PRE)。传感器组还包括用12mmO.D.316型不锈钢管材构造的对电极。热敏电阻安装在对电极的内表面处。这些电极同轴安装，使得它们的截面彼此共平面，如图6所示。使用pH 7的BDH缓冲溶液作为分析物来测试用该方法构造的伏安传感器。将内部工作电极的峰值位置(PP IWE)和外部工作电极(PP WE)的峰值位置作为时间的函数进行测量，还计算这些值之间的差值(PP IWE-WE)。结果示于图20中。要注意的是，尽管由于(例如)不稳定的PRE电势，内部和外部工作电极的各个电势之间具有差值，但差动信号相对地不受影响。AIE型伏安传感器的该特征提供了另外的稳定性和容错性。 [0094] 实例5：柔性传感器盒 [0095] 构造包括以下组件的柔性传感器盒。盒具有由1.2m长的Tygon R-3400管材(直径7/16英寸，壁厚1/16英寸)构成的外壳；被设计为与头部单元相配合的机电连接器；以及伏安传感器，其包括工作电极、参比电极、对电极，以及任选的布置成组并用液体密封安装在盒外壳的远端的温度传感器。图7示意性地示出了柔性传感器盒。 [0096] 实例6：5mm传感器盒 [0097] 构造包括以下组件的传感器盒：12mm OD×125mm 304型不锈钢(MicroGroup公司(MicroGroup))的盒外壳，其外径(OD)过渡下降至5mm；被设计为与头部单元相配合的机电连接器(安费诺公司(Amphenol))；伏安传感器，其包括工作电极(碳纤维，ACP复合材料公司(ACP Composite))、参比电极、对电极(316型不锈钢)和布置成组并安装在盒外壳的远端的热敏电阻(高通技术公司(QTI))。带状电缆将伏安传感器连接到与头部单元接合的机电连接器上。这些组件的布置方式示于图8和9中。