用于测量pH的传感器和方法

背景

检测个体内的各种分析物有时候对于监测他们的健康和安乐状况来说可以是至关重要的。从正常分析物水平的偏离往往可以是潜在的生理学病况如代谢病况或疾病的指示。

个体中的分析物监测可以定期进行或在一段时间内连续地进行。定期的分析物监测可以通过以设定的时间间隔抽取体液如血液样品，并且体外分析来进行。连续的分析物监测可以使用一种或多种传感器来进行，该传感器保持至少部分地植入个体的组织如真皮、皮下或静脉内，以便可以在体内进行分析。植入的传感器可以以任何规定的速率收集分析物数据，这取决于个体的特定健康需求和/或先前测量的分析物水平。

定期的体外分析物监测可足以测定许多个体的生理学状况。然而，体外分析物监测对于某些人来说可能是不方便或痛苦的。此外，如果分析物测量结果没有在适当的时间获得，则无法恢复丢失的数据。

利用体内植入的传感器的连续分析物监测对于具有严重的分析物调节异常和/或快速波动的分析物水平的个体可以是更令人期望的方案，虽然它对于其他个体也可以是有益处的。尽管利用植入的传感器的连续分析物监测可以是有利的，但是仍然存在与这些类型的测量相关联的挑战。静脉内分析物传感器具有提供直接来自血液的分析物浓度的优点，但是它们是侵入性的，并且有时候对于个体穿戴来说可以是痛苦的，特别在延长的时间段内。皮下的、间质的或真皮的分析物传感器往往对于个体穿戴来说可以是不太痛苦的，并且在许多情况中可以提供足够的测量精度。

任何分析物可以适合于体内分析，前提是可以确定合适的化学来传感所述分析物。确实地，已经开发了配置成测定葡萄糖的体内电流传感器，并且在近年内进行了完善。对于监测来说可以类似地是期望的常常经受生理学调节异常的其他分析物包括但不限于乳酸盐、氧、pH、A1c、酮、药物水平等。

为了发挥正常的生物学功能，体内pH水平典型地保持在相当窄的范围内。正常的血液pH例如是约7.4，并且小于6.9或大于7.6的血液pH值可以有生命危险。生物学pH调节异常的后果包括但不限于生物流体中的一种或多种组分的体内沉淀，酶活性减退或活性过度，改变的生物膜渗透性，对于一些类型癌症的倾向性，和其他不期望的病况。一些可以导致pH测量结果偏移的病况的实例包括呼吸性酸中毒、呼吸性碱中毒、代谢性酸中毒和代谢性碱中毒。关于酸中毒，呼吸性酸中毒可以尤其由胸廓畸形或损伤、慢性肺和气道疾病、镇静剂过量使用、或肥胖引起。代谢性酸中毒可以尤其由长时间锻炼、缺氧、某些药物(包括水杨酸盐)、低血糖、酒精、病发作、肝衰竭、某些癌症、肾病、严重脱水和中毒(例如甲醇中毒)引起。关于碱中毒，呼吸性碱中毒可以尤其由缺氧、发烧、肺病、肝病和水杨酸盐中毒引起。代谢性碱中毒是罕见的，但是可以尤其由严重脱水、囊性纤维化，和碱中毒试剂如抗酸剂的过量使用引起。

除了直接归因于体内pH值调节异常的健康后果之外，与某些分析物相关联的传感性化学物质也可以受到局部pH环境和/或局部pH环境改变的影响。例如尿素检测可以基于当生物流体与脲酶相互作用以产生作为产物的氨时发生的pH改变。氨改变了局部pH环境，并且pH测量可以允许测定尿素浓度。然而，在没有测量pH的精确方式的情形下，获得可靠的尿素和类似分析物的浓度测量结果可以是困难的，甚至当体内pH水平不直接影响分析物浓度本身时。

个体中的pH水平的测量通常通过以设定的时间间隔抽取生物流体样品并且体外分析来进行。虽然该方案在某些情况中可能是可以接受的，但是在pH水平快速变化的情况中，可能难以以足够快地测量pH水平来确定已经发生了pH调节异常。此外，由于经常存在与获得体外pH测量相关联的时滞，因此显著的健康后果可能在pH调节异常已经出现变得非常明显的时间才发生。

虽然令人期望的是测量体内pH水平，特别是利用单个植入的传感器在延长的测量时间内进行，但是常规pH测量的性质使得该任务是困难的。首先，常规pH测量典型地使用玻璃电极或离子传感场效应晶体管(ISFET)来进行。两种类型的装置对于表面结垢是极其灵敏的，这可以影响所测量的表面电位和因此影响所测量的pH。其次，与测量pH结合使用的参比电极经受漂移、尤其是在体内，这导致另外的测量误差源。相比之下，用于体内测量分析物例如葡萄糖的参比电极可以在平台电位下以电流测定方式运行，并且明显较少地经受漂移效应。因此，常规方案不是特别好地适合于测量体内pH值，特别是在延长的测量时间内。

附图说明

包括下图来说明本公开的某些方面，并且下图不应当视为排他性实施方案。所公开的主题能够在形式和功能方面有相当大的改动、变化、组合和等价物，而不脱离本公开的范围。

图1A和1B显示了根据本文所述的各种实施方案的具有两个工作电极和对/参比电极的pH传感器的示例性构造。

图2显示了根据本文所述的各种实施方案的具有两个工作电极、参比电极和对电极的pH传感器的示例性构造。

图3显示了根据本文所述的各种实施方案的适于穿戴在身上并且能够基于从第一和第二工作电极接收的信号来测量pH的示例性传感系统的图。

图4显示了含有聚合物结合的甲苯胺蓝的工作电极在各种pH值的集合循环伏安图的绘图。

图5显示了含有聚合物结合的锇络合物的工作电极在各种pH值的集合循环伏安图的相应绘图。

图6显示了对应于表1中所示的pH相比于电压差值数据的校准曲线。

详述

本公开通常描述了用于测量pH的传感器和方法，和更特别地，尤其适合于测量体内pH值的传感器和方法。

如以上所讨论的，pH值的体内电化学测量可以是复杂的，这归因于一个或多个电极或类似的pH测量装置的表面结垢和漂移。虽然这些问题在体内可以是特别成问题的，但是将理解当在体外或在实验室设施中测量pH值时有时候也会遇到这些问题。在没有准备好的能力以在体内精确测量pH值的情形下，可难以实时地或接近实时地评估个体的生理学状况。此外，与测量某些分析物浓度相关联的传感性化学物质可以是pH依赖性的，并且不精确的分析物浓度测量可能源自没能力以足够精度测量pH。

在本公开中，描述了克服上面提及的挑战并且还可以提供另外益处的pH传感器。特别地，本公开的pH传感器很大程度上不受表面结垢和漂移效应的影响。本公开的pH传感器使用两个不同的工作电极，其中每个工作电极的活性部分显示出不同的电化学性能。如本文所用，术语“活性部分”指的是位于工作电极的一部分上的层或一个或多个点，在这里发生期望的电化学反应。即，在本公开的pH传感器中，位于所述第一工作电极上的活性部分包含具有pH依赖性氧化-还原化学的物质，和位于所述第二工作电极上的活性部分包含具有基本上不随pH变化的氧化-还原化学的物质。根据一些实施方案，位于所述第一工作电极的活性部分中的物质可以包含这样的物质，其在氧化-还原反应过程中改变它的质子化状态，虽然这不是必要的。氧化态改变时的电位可以在所述第一工作电极的伏安扫描期间测定。根据一些或其他各种实施方案，位于所述第二工作电极的活性部分中的物质并不必然在感兴趣的给定pH范围内在伏安扫描期间具有完全不变的测量电位。将理解在给定pH范围内测量的电压的改变可以小于预定的合适值，例如在感兴趣的给定的pH范围内小于约100mV可变性或小于约50mV可变性，或小于约10mV可变性。所述变化可以通过从在有用的pH范围的极值之间的电压扫描中所观察的最大电压减去最小电压来确定。可接受的变化量可以基于pH测量要求怎样的精度来确定。根据一些实施方案，位于所述第二工作电极的活性部分中的物质可以在经历氧化-还原反应过程中保持(不改变)它的质子化状态，但是这同样不是必要的。

可以从所述第一工作电极和所述第二工作电极接收信号以计算与该pH传感器接触的流体的pH值。特别地，所观察的流体的pH值可以基于所述第一信号和所述第二信号之间的差值来计算。通过查询查找表、校准曲线等，可以将该信号差值相关到pH值(例如使用合适的处理器或手工进行)。

虽然本文公开的pH传感器可以包含参比电极和对电极或对/参比电极，但是不必需接收、参考、利用或以其他方式加工来自所述参比电极或对/参比电极的信号以测定pH值。即，由于所述第一工作电极和第二工作电极是针对所述参比电极或对/参比电极单独参比的，因此当确定信号差值时，抵消了用于所述第一和第二信号的校正。换言之，第一工作电极和第二工作电极针对彼此内部参比。因此，本文所述的pH传感器通过消除对于使用参比电极或对/参比电极的信号校正的需要，而克服了与常规pH传感器相关联的漂移问题。此外，考虑到参比电极无需用于信号校正，本文所述的pH传感器的一些实施方案可以完全缺少参比电极。在这样的实施方案中，第二工作电极可以被认为是第一工作电极的参比，反之亦然，并且可以存在合适的对电极以提供闭合电路。

此外，本文所述的pH传感器还解决了对于常规电化学pH传感器而言是成问题的表面结垢问题。即，第一和第二工作电极的活性部分包含相对厚的聚合物层或一个或多个点，其中在整个聚合物层或一个或多个点中而非只在它的表面上发生传感化学。电子通过聚合物层到第一和第二电极的通路使得氧化-还原化学在整个活性部分中而非只在表面上发生。因此，表面结垢效应在本文公开的pH传感器中可以是有限的。此外，由于氧化-还原反应没有局限于本文公开的pH传感器中的活性部分的表面，因此多种质量受限或生物相容性膜可以适合用于与所述pH传感器结合使用，因为所述膜与活性部分的界面基本上不影响在所述活性部分内部发生的氧化-还原反应。多种质子可透过性膜可以合适用于与本文公开的pH传感器结合使用。合适的质子可透过性膜可以对于第一和第二活性部分中所含的物质基本上不透过，由此促进了那些物质在所述活性部分中的保留，以使得pH传感能力在延长的测量时间内得以保持。

最后，本公开的pH传感器可以令人期望地通过在感兴趣的给定pH测量范围内进行传感化学的伏安扫描(例如循环伏安法、微分脉冲伏安法、脉冲-波伏安法、方波伏安法等)来操作。使用这些技术在伏安扫描的给定位置处测量的电位基本上不随电极几何形状如厚度和每个工作电极上的活性部分的面积而变化。因此，活性部分的制造差异具有最小的结果。在一些实施方案中，活性部分可以包含具有精确几何形状的传感点，例如描述在美国专利申请公开2012/0150005中的那些，并且通过引用并入本文。因此，所测量的电位的特征在于在给定的pH下的每个活性部分中的化学。这个特征可以促进pH传感器的校准。根据一种或多种实施方案，所测量的电位可以例如是阳极峰值电位、阴极峰值电位、半波电位等。根据更具体的实施方案，在每个工作电极处测量的电位可以包含同一类型的测量(例如第一工作电极和第二工作电极二者的阳极峰值电位、阴极峰值电位或半波电位)，以计算信号差值。

因此，本公开的pH传感器可以包含传感器尾，该传感器尾包含第一工作电极、第二工作电极和至少一个其他电极；位于所述第一工作电极上的第一活性部分，所述第一活性部分包含具有pH依赖性氧化-还原化学的物质；和位于所述第二工作电极上的第二活性部分，所述第二活性部分包含具有基本上不随pH变化的氧化-还原化学的物质。用于所述第一和第二活性部分的合适的氧化-还原化学在下文中进一步详细讨论。

包含两个工作电极的pH传感器的各种构造是可以的，如下文参考附图所讨论的。本文公开的pH传感器中的至少一个其他电极根据一些实施方案可以包含对电极或对电极加上参比电极，和在其他实施方案中可以包含对/参比电极。因此，根据各种实施方案，本文公开的pH传感器可以包含总共至少3个或至少4个电极。在下文中，在讲演四电极构造之前首先讨论三电极构造。

图1A和1B显示了根据本文所述的各种实施方案的具有两个工作电极和对/参比电极的pH传感器的示例性构造。如图1A所示，工作电极104和106设置于pH传感器100中的基底102上。活性部分110设置于工作电极104的表面上，和活性部分112设置于工作电极106的表面上。活性部分110和112中的一个含有具有pH依赖性氧化-还原化学的物质，和另一个含有具有基本上不随pH变化的氧化-还原化学的物质。对/参比电极120通过介电层122与工作电极104电隔离。虽然显示为定位于工作电极104上，但是将理解在一些实施方案中对/参比电极120可以交替定位于工作电极106上。外介电层130和132定位于工作电极106和对/参比电极120上。将理解每个层的长度可以从所绘的变化。活性部分110和112可以暴露，以使得它们可以与分析物相互作用。

根据各种实施方案，膜140可以外覆活性部分110和112之一或二者。根据本文的公开，膜140可以包含具有生物相容性和/或具有限制分析物(即质子)到活性部分110和112的流动的能力的聚合物。限制分析物流动对于避免浸透所述传感器可以是期望的。根据各种实施方案，膜140的厚度可以改变分析物流动。膜140的厚度沿着传感器长度可以变化或保持恒定。在各种实施方案中，膜140的厚度可以是约1微米至约100微米、或约微米至约50微米，或约20微米至约90微米。pH传感器100的一个或两个面或整个pH传感器100可以用膜140外覆。

如图1A所绘，工作电极104和106定位于基底100的相对面上。图1B显示了一种可替代的构造，其中工作电极104和106定位于pH传感器101中基底102的同一面上，并且通过介电层122间隔开。其他可替代的构造也保留在本公开的范围内。

具有对电极和参比电极二者的传感器构造可以在结构上类似于图1A和1B所示的那些，除了包括另外的电极之外。图2显示了具有两个工作电极、参比电极和对电极的pH传感器的示例性构造。如所示的，工作电极204和206位于pH传感器200中的基底202上。活性部分210位于工作电极204的表面上，和活性部分212位于工作电极206的表面上。活性部分210和212中的一个含有具有pH依赖性氧化-还原化学的物质，和另一个含有具有基本上不随pH变化的氧化-还原化学的物质。对电极220通过介电层222与工作电极204电隔离，和参比电极221通过介电层223与工作电极206电隔离。外介电层230和232分别定位于参比电极221和对电极220上。根据各种实施方案，膜240可以外覆至少活性部分210和212。如图1A和1B那样，pH传感器200的一个或两个面、或整个pH传感器200可以用膜240外覆。

对电极220和参比电极221的定位可以与图2中所绘的相反。另外，工作电极204和206不需要必须以图2中所绘方式位于基底202的相对面上。如图1A和1B那样，pH传感器200的一个或两个面、或整个pH传感器200可以用膜240外覆。

如上所提及的，所述活性部分之一可以含有具有pH依赖性氧化-还原化学的物质。具有pH依赖性氧化-还原化学的合适物质包括例如醌、氧化还原指示剂化合物或其任意组合。

醌可以显示出氧化-还原化学的改变和伴随的在伏安扫描期间所观察的峰位置的差异，其是随着pH改变而变成质子化或脱质子的结果。在低pH值下，酚形成占优势物。随着pH升高和开始发生酚脱质子化，氧化成醌形式可变得有利。合适的醌可以包括但不限于苯醌、萘醌、蒽醌、1,10-菲咯啉醌、四氯化苯醌(氯醌)、二氯化二氰基苯醌(DDQ)等，其官能化变体及其任意组合。在一些实施方案中，可以存在另外的官能团，其能够变成共价键合到工作电极和/或活性部分中的聚合物上。具有另外的官能团的合适醌可以包括但不限于指甲花醌、茜素、萘茜(naphthazarin)等及其任意组合。能够变成共价键合到工作电极和/或聚合物上的另外官能团可以直接位于醌环上或通过一个或多个间隔原子如亚烷基、氧亚烷基或羧酸衍生物来与之间隔开。在一些实施方案中，合适的醌可以具有式1中所示的结构，其中

Z

氧化还原指示剂化合物包括这样的物质，其基于它们在具体电极电位下经历变色的能力用于氧化还原滴定。适合用于本公开的具体的氧化还原指示剂化合物包括但不限于它的氧化-还原化学是pH依赖性的那些氧化还原指示剂化合物。具体的实例包括但不限于靛酚化合物、靛蓝染料、吩嗪、噻嗪等及其任意组合。具有pH依赖性氧化-还原化学的氧化还原指示剂化合物的具体实例包括但不限于靛酚、2,6-二溴酚-靛酚钠、2,6-二氯酚-靛酚钠、邻甲酚-靛酚钠、硫堇、亚甲基蓝(氯化甲基硫堇

根据一些实施方案，聚合物可以存在于第一和第二活性部分中。用于包括在第一和第二活性部分中的合适聚合物可以包括但不限于聚乙烯基吡啶(例如聚(4-乙烯基吡啶))、聚咪唑(例如聚(1-乙烯基咪唑))，其任意共聚物等及其任意组合。可以是合适的示例性共聚物包括但不限于含有单体单元如苯乙烯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、丙烯腈等及其任意组合的共聚物。

在更具体的实施方案中，第一活性部分可以包含共价键合到具有pH依赖性氧化-还原化学的物质上的聚合物。在一些实施方案中，第二活性部分同样可以包含共价键合到具有基本上不随pH变化的氧化-还原化学的物质上的聚合物。其中第一和第二活性部分中的物质变成共价键合的方式不被认为是特别受限的，并且可以取决于第一和第二活性部分中存在的聚合物或共聚物的类型。在一些实施方案中，所述物质可以通过季铵化聚合物中的杂环环(例如吡啶氮原子)来共价键合到聚合物上。

具有pH依赖性氧化-还原化学的物质到包含聚合物的第一活性部分上的共价键合可以经由合适的交联剂来进行。所述交联剂可以通过与合适的交联试剂反应来引入。用于与具有pH依赖性氧化-还原化学的物质中的氨基或羟基反应的合适交联试剂可以包括但不限于聚环氧化物如聚乙二醇二缩水甘油醚(PEGDGE)、氰尿酰氯、N-羟基琥珀酰亚胺、亚氨酸酯、表氯醇、其衍生变体等及其任意组合。用于与具有pH依赖性氧化-还原化学的物质中的羧酸基团反应的合适交联试剂可以包括但不限于碳二亚胺。

具有基本上不随pH变化的氧化-还原化学的合适物质不被认为有特别限制，前提是所述物质在给定的pH范围内显示出足够有限程度的响应可变性。根据各种实施方案，所述响应可变性可以波动约100mV或更小、或约50mV或更小、或约10mV或更小，或在感兴趣的给定的pH范围内显示出基本上无波动。在再更具体的实施方案中，所述响应可变性可以在约1至约14、或约2至约12、或约3至约7、或约7至约12、或约5至约8、或约6.5至约8.5、或约6.5至约8的pH范围内在上述限度内波动。

在再更具体的实施方案中，第二活性部分中具有基本上没有pH可变性的氧化-还原化学的物质可以包含过渡金属络合物如锇络合物，其公开在例如美国专利6134461和6605200中，其以其全部通过引用并入本文。所述过渡金属络合物在氧化还原反应期间可以促进电子向第二工作电极的传输，在其中pH可以改变或可以不改变。合适的过渡金属络合物可以包括可电还原的和可电氧化的离子，具有比标准甘汞电极(SCE)的氧化还原电位高或低几百毫伏的氧化还原电位的络合物或分子。用于包括在第二活性部分中的其他合适的物质可以包含例如钌、铁(例如聚乙烯基二茂铁)或钴的络合物。用于任何所述过渡金属络合物的合适配体可以包括但不限于二齿或更多齿配体例如二吡啶、二咪唑、菲咯啉、吡啶基(咪唑)等及其任意组合。其他合适的二齿配体可以包括但不限于氨基酸、草酸、乙酰丙酮、二氨基烷烃、邻二氨基芳烃等及其任意组合。单齿、二齿、三齿、四齿或更多齿配体的任意组合可以存在于所述金属络合物中以实现完全配位层。所述金属络合物中的一个或多个配体也可以共价键合到所述第二活性部分中的聚合物上。

在其他实施方案中，所述第二活性部分中具有相对于pH基本上不可变性的氧化-还原化学的物质可以是pH-不依赖性的氧化还原指示剂。合适的pH-不依赖性的氧化还原指示剂可以包括例如2,2’-二吡啶钌，2,2’-二吡啶铁，硝基菲咯啉，N-苯基氨茴酸，1,10-菲咯啉硫酸铁络合物，N-乙氧基橘红(N-ethoxychysoidine)，5,6-二甲基菲咯啉铁，邻联茴香胺，二苯基胺磺酸钠，二苯基联苯胺，二苯基胺和紫罗碱。其他具有基本上没有pH可变性的氧化-还原化学的物质可以包括任何在感兴趣的pH范围内没有经历质子化或脱质子的物质，前提是氧化-还原反应是可逆的。

虽然第一和第二活性部分中的物质可以共价键合到每个活性部分中的聚合物上，但是到所述聚合物的其他关联手段也可以是合适的。在一些实施方案中，所述物质可以与所述聚合物离子地或配位地相关联。例如带电的聚合物可以与带相反电荷的物质离子地相关联。在再其他实施方案中，所述物质可以物理地夹带在所述聚合物内，而没有键合到其上。

根据本公开的各种实施方案，每个工作电极经配置以产生信号，以使得信号之间的差值可以相关到pH值。在进一步描述如何测定信号差值并且相关到pH值之前，提供了pH传感器可以如何将信号通信到用户或处理器以进一步分析的简述。

根据各种实施方案，本公开的pH传感器可以适于在身上穿戴，以使得所述传感器尾配置成插入组织、特别是真皮、皮下或皮肤下面的间质中。图3显示了根据本公开的适于在身上穿戴并且能够基于从第一和第二工作电极接收信号来测量pH的示例性传感系统的图。然而，要理解的是在本公开的一些实施方案中，具有不同于下文明确描述的那些或除了下文明确描述的那些之外的结构、构造和/或部件的pH传感器也可以合适地使用。

如图3所示，传感系统300包括传感器控制装置302和阅读器装置320，其经配置以在本地或远程通信路径或链路上彼此通信，其可以是有线或无线的、单向或双向的、以及加密或不加密的。根据一些实施方案，阅读器装置320可以构成输出媒体，以用于观察pH以及通过传感器304或与之相关联的处理器确定的警报或通知，以及允许一个或多个用户输入。阅读器装置320可以是多用途智能电话或专用电子阅读器仪器。虽然仅显示一个阅读器装置320，但是在某些情况中可以存在多于一个阅读器装置320。多个阅读器装置320可以彼此通信(例如共享和同步数据)。阅读器装置320也可以分别经由一个或多个通信路径/链路341和/或342与远程终端370和/或可信计算机系统380来通信，其也可以是有线或无线的、单向或双向的、以及加密或不加密的。阅读器装置320也可以或可替代地经由通信路径/链路351与网络350(例如移动电话网络、因特网、或云服务器)通信。网络350可以经由通信路径/链路352进一步通信地联接到远程终端370和/或经由通信路径/链路353联接到可信计算机系统380。在一些实施方案中，远程终端370和/或可信计算机系统380依次可以与网络350通信。可替代地，传感器302可以与远程终端370和/或可信计算机系统380直接通信，而没有存在插入的阅读器装置320。例如根据一些实施方案，传感器302可以通过到网络350的直接通信链路，与远程终端370和/或可信计算机系统380通信，如美国专利申请公开2011/0213225所述，并且以其全部通过引用并入本文。任何合适的电子通信协议可以用于每个所述的通信路径或链路，例如近场通信(NFC)、无线电频率识别(RFID)、

传感器控制装置302包括传感器外壳303，其可以容纳用于操作传感器304的电路和电源。任选地，可以省略电源和/或活性电路。处理器(未示出)可以通信地联接到传感器304，并且处理器物理上位于传感器外壳303或阅读器装置320内。根据一些实施方案，传感器304从传感器外壳303的下侧突出，并且延伸穿过适于将传感器外壳303粘附到组织表面如皮肤上的粘结剂层305。

传感器304适于至少部分地插入到感兴趣的组织中如皮肤之下。传感器304可以包含具有足够的长度以插入到皮肤之下期望的深度的传感器尾。根据一种或多种实施方案，传感器尾可以包含具有根据本文公开的两个工作电极的传感区。在本公开的各种实施方案中，可以监测感兴趣的任何生物流体如真皮液、间质液、血浆、血液、淋巴、滑液、脑脊液、唾液、支气管肺泡灌洗液、羊水等中的pH。

导入器可以临时存在以促进传感器304向组织中的引入。在示例性实施方案中，导入器可以包含针。公认的是其他类型的导入器如套管或刀片可以存在于可替代的实施方案中。更具体地，在插入前，针或类似的导入器可以临时存在于传感器304的邻近，然后在其后抽出。在存在时，针或其他导入器可以通过打开访问路径以用于传感器304跟随，来促进传感器304插入组织中。例如根据一种或多种实施方案，针可以促进作为访问路径的表皮到真皮的穿透，来允许进行传感器304的植入。在打开访问路径之后，针或其他导入器可以抽出，以使得它不产生锋利的伤害。在示例性实施方案中，针可以是实心或空心的，有斜面或无斜面的、和/或圆形或非圆形横截面的。在更特别的实施方案，针可以在横截面直径和/或尖端设计方面与针灸针是可比的，其的横截面直径可以是约250微米。然而，公认的是如果特定的应用需要，则合适的针可以具有更大或更小的横截面直径。

在一些实施方案中，针尖(在存在时)可以在传感器304的末端上成某一角度，以使得针首先穿过组织并且打开用于传感器304的访问路径。在其他示例性实施方案中，传感器304可以存在于针的内腔或凹槽中，并且针类似地打开用于传感器304的访问路径。在任一情况中，在促进插入之后，针随后抽出。

因此，在本公开的pH传感器中，第一工作电极可以经配置以产生第一信号和第二工作电极可以经配置以产生第二信号，以使得第一信号和第二信号之间的差值可以与pH相关。即，根据本公开的各种实施方案，通过从第一信号中减去第二信号，信号量级之间的差值可以相关到pH。信号差值可以手工地或用合适的处理器自动地计算。同样，一旦计算，信号差值可以手工地或用处理器自动地相关。

在更具体的实施方案中，本公开的pH传感器可以包含与第一和第二工作电极信号通信的处理器。处理器可以经配置以接收来自第一工作电极的第一信号和来自第二工作电极的第二信号。处理器可以进一步经配置以计算第一信号和第二信号之间的差值，和将信号之间的差值相关到pH。

在一些实施方案中，处理器可以经配置以访问包含多个pH值以及第一信号和所述第二信号之间的相应差值的查找表，来计算pH。该查找表可以在测量未知样品之前，通过测定具有已知pH的多个样品，测量第一和第二信号，和确定二者之间的差值来填充。处理器可以例如确定查找表中哪个差值最接近于已知样品所测量的差值，然后相应地报告该pH。在其他实施方案中，处理器可以内插到查找表中的差值之间，以确定所测量的pH值。内插可以假定所报告的差值之间的pH的线性变化。

在其他实施方案中，处理器可以经配置以访问pH值相比于第一信号和第二信号之间的相应差值的校准曲线，以计算pH。像查找表一样，校准曲线可以在测量未知样品之前，通过测定具有已知pH的多个样品，测量第一和第二信号，确定二者之间的差值，并且曲线拟合pH和差值以确定校准函数来确定。通过在工厂确定作为pH函数的信号差值，和将查找表或校准曲线赋予pH传感器，在批量水平下的工厂校准可以是可以的。由于每个信号的参比电极校正不是必需的，因此对于在第一活性部分和第二活性部分中给定的物质选择来说，在给定的pH范围内的信号差值在不同的传感器之间应当是不变的。

因此，本公开的pH测量方法可以包括：将pH传感器暴露于具有pH值的流体，该pH传感器包含第一工作电极、第二工作电极和至少一个其他电极，如上所述；测量与第一工作电极相关联的第一信号；测量与第二工作电极相关联的第二信号；计算第一信号和第二信号之间的差值；和将第一信号和第二信号之间的差值相关到pH值。在更具体的实施方案中，流体可以是生物流体，并且pH传感器可以暴露于体内的生物流体。

根据一些实施方案，第一信号和第二信号可以每个包含伏安峰值电位。该伏安峰值电位可以通过循环伏安法、微分脉冲伏安法、脉冲-波伏安法、方波伏安法等来测定。取决于所进行的伏安扫描的类型，可以确定在观察的曲线上的合适位置，以确定每个物质的伏安峰值电位。本领域普通技术人员将能够基于要进行的伏安扫描的类型来做出该确定。

根据各种实施方案，第一信号和第二信号可以同时或不同时测量。不同时测量可以包括例如分别进行每个工作电极的伏安扫描，并且不将电位施加到另一工作电极。根据一些实施方案，以此方式的测量可以使用单通道。在其他实施方案中，第一信号和第二信号可以通过经由第一通道和第二通道同时监测每个工作电极，来同时测量。

在另一实施方案中，本公开的方法可以包括访问包含多个pH值和第一信号与第二信号之间的相应差值的查找表，来计算pH。在其他另外的实施方案中，本公开的方法可以包括访问pH值相比于第一信号与第二信号之间的相应差值的校准曲线，以计算pH。在任一构造中，处理器可以经配置以接收第一信号和第二信号，以计算第一信号与第二信号之间的差值，并且访问查找表或校准曲线。根据各种实施方案，访问查找表或校准曲线可以包括进行电子查询。

本文公开的实施方案包括：

A.测量pH的传感器。该pH传感器包含：传感器尾，其包含第一工作电极、第二工作电极和至少一个其他电极；位于所述第一工作电极上的第一活性部分，所述第一活性部分包含具有pH依赖性氧化-还原化学的物质；和位于所述第二工作电极上的第二活性部分，所述第二活性部分包含具有基本上不随pH变化的氧化-还原化学的物质。

B.测量pH的方法。该方法包括：将pH传感器暴露于具有pH值的流体，该pH传感器包含：传感器尾，其包含第一工作电极、第二工作电极和至少一个其他电极；位于所述第一工作电极上的第一活性部分，所述第一活性部分包含具有pH依赖性氧化-还原化学的物质；和位于所述第二工作电极上的第二活性部分，所述第二活性部分包含具有基本上不随pH变化的氧化-还原化学的物质；测量与所述第一工作电极相关联的第一信号；测量与所述第二工作电极相关联的第二信号；计算所述第一信号和所述第二信号之间的差值；和将所述第一信号和所述第二信号之间的差值相关到pH值。

实施方案A和B中的每个可以具有一种或多种或全部的以任意组合的以下另外要素：

要素1：其中所述传感器尾配置成插入组织中。

要素2：其中所述具有pH依赖性氧化-还原化学的物质包含醌、氧化还原指示剂化合物或其任意组合。

要素3：其中所述具有pH依赖性氧化-还原化学的物质包含：含有噻嗪的氧化还原指示剂化合物。

要素4：其中所述至少一个其他电极包含对电极和参比电极。

要素5：其中所述pH传感器进一步包含：介电层，其夹在所述至少一个其他电极与所述第一工作电极和第二工作电极中的至少之一的之间。

要素6：其中第一介电层夹在所述第一工作电极与对电极或参比电极之间，和第二介电层夹在所述第二工作电极与对电极或参比电极之间。

要素7：其中所述至少一个其他电极包含对/参比电极。

要素8：其中所述pH传感器进一步包含：介电层，其夹在所述对/参比电极与所述第一工作电极和第二工作电极中的至少之一的之间。

要素9：其中所述第一工作电极经配置以产生第一信号，和所述第二工作电极经配置以产生第二信号，并且将所述第一信号和所述第二信号之间的差值相关到pH。

要素10：其中所述pH传感器进一步包含：处理器，其经配置以接收来自所述第一工作电极的第一信号和来自所述第二工作电极的第二信号；其中所述处理器进一步经配置以计算所述第一信号和所述第二信号之间的差值，并且将该差值相关到pH。

要素11：其中所述处理器经配置以访问包含多个pH值和所述第一信号与所述第二信号之间的相应差值的查找表，来计算pH。

要素12：其中所述处理器经配置以访问pH值相比于所述第一信号与所述第二信号之间的差值的校准曲线，以计算pH。

要素13：其中所述具有pH依赖性氧化-还原化学的物质和所述具有基本上不随pH变化的氧化-还原化学的物质二者分别共价结合到所述第一活性部分和所述第二活性部分中的聚合物上。

要素14：其中所述流体是生物流体并且所述pH传感器暴露于体内的生物流体。

要素15：其中所述方法进一步包括：访问包含多个pH值和所述第一信号与所述第二信号之间的相应差值的查找表，以计算pH。

要素16：其中处理器经配置以接收所述第一信号和所述第二信号，计算所述第一信号和所述第二信号之间的差值，和访问所述查找表。

要素17：其中所述方法进一步包括：访问pH值相比于所述第一信号与所述第二信号之间的差值的校准曲线，以计算pH。

要素18：其中处理器经配置以接收所述第一信号和所述第二信号，计算所述第一信号和所述第二信号之间的差值，并且访问所述校准曲线。

要素19：其中所述第一信号包含所述具有pH依赖性氧化-还原化学的物质的伏安峰值电位，和所述第二信号包含所述具有基本上不随pH变化的氧化-还原化学的物质的伏安峰值电位。

要素20：其中所述第一信号和所述第二信号在不同时间测量。

要素21：其中所述第一信号和所述第二信号经由第一通道和第二通道同时测量。

作为非限定性实例，可应用于A和B的示例性组合包括：

A的pH传感器与要素1和2；1和3；1和4；1、4和5；1、4和6；1和7；1、7和8；1和9；1和10；1、10和11；1、10和12；1和13；2和4；2、4和5；2、4和6；2和7；2、7和8；2和9；2和10；2、10和11；2、10和12；3和4；3、4和5；3、4和6；3和7；3、7和8；3和9；3和10；3、10和11；3、10和12；4和10；4、10和11；4、10和12；7和10；7、10和11；7、10和12；2和9；3和9；4和9；7和9；10和11；10和12；10和13；10、11和13；和10、12和13组合。B的方法与要素2和13；2和14；2和15；2、15和16；2和17；2、17和18；2和19；2和20；2和21；3和13；3和14；3和15；3、15和16；3和17；3、17和18；3和19；3和20；3和21；13和14；13和15；13、15和16；13和17；13、17和18；13和19；13和20；13和21；14和15；14、15和16；14和17；14、17和18；14和19；14和20；14和21；15和16；15和19；15、16和19；15和20；15、16和20；15和21；15、16和21；17和19；17、18和19；17和20；17、18和20；17和21；17、18和21；19和20；以及19和21组合。

为了促进更好地理解本文所述的实施方案，给出了下面的各种代表性实施方案的实施例。下面的实施例绝不应当解读为限制或定义本发明的范围。

实施例

工作电极#1：第一碳工作电极用甲苯胺蓝(TOB)的聚合层来涂覆。在涂覆之前，将裸工作电极在包含100mM柠檬酸/200mM磷酸盐/100mM KCl的溶液(pH＝4)中，通过以扫描速率50mV/s从电位-0.8V到1.2V循环扫描5个循环来预调节。TOB的电沉积通过将5mM TOB加入上述溶液中，并且以扫描速率50mV/s从电位-0.8V到1.2V循环60个循环来进行。所述传感器然后用蒸馏水冲洗和空气干燥。

工作电极#2：第二碳工作电极用具有共价连接到其上的锇络合物的聚合物涂覆。所述聚合物的结构显示在下式2中，其进一步详细描述在美国专利6605200中，并且以其全部并入本文。

具有45mg/mL的上述聚合物和15mg/mL的PEG400的溶液是在10mM的HEPES缓冲液(pH＝8)中新制备的。将所述溶液的三个20nL的等分部分施加到电极表面以产生3个传感(活性)层点，每个具有0.1mm

循环伏安法分别在每个工作电极上，在pH范围2-12的一系列pH缓冲液中，以扫描速率50mV/s从-0.8V到1.2V的电位范围内进行。在进行全部测量中使用碳对电极和Ag/AgCl参比电极。图4显示了第一工作电极(其含有TOB)在各种pH值的集合循环伏安图的绘图。图5显示了第二工作电极(其含有聚合物结合的锇络合物)在各种pH值的集合循环伏安图的相应绘图。下表1汇总了所观察的阳极峰值电位。

表1

表1末行中的差值和首行中相应的pH值可以构成查找表。可替代地，校准曲线可以通过将所述值绘图来构建。图6显示了对应于表1所示的pH相比于电压差值数据的校准曲线。

除非另有指示，否则表示本说明书和相关联权利要求中的量及类似物的全部数字被理解为在全部情况中用术语“约”修饰。因此，除非有相反指示，否则下面的说明书和附加的权利要求所阐述的数字参数是近似的，其可以根据本发明的实施方案所寻求获得的期望的性能而变化。首要的并且并非试图限制权利要求范围的等价学说的应用，每个数字参数应当至少按照所报告的有效数字的数和通过使用通常的四舍五入技术来解读。

本文提出了一种或多种引入各种特征的示例性实施方案。为了简要起见，在本申请中没有描述或显示物理实施的全部特征。要理解的是在引入本发明的实施方案的物理实施方案的开发中，必须进行许多实施专门的决策，以实现开发者的目标，例如符合系统有关的、商业有关的、政府有关的和其他的约束，该约束因实施而变化并且随时间变化。虽然开发者的努力可能是耗时的，但是这样的努力对于受益于本公开并且是本领域的普通技术人员来说是日常工作。

虽然在本文以术语“包含/包括(comprising)”各种部件或步骤的方式描述了各种系统、工具和方法，但是所述系统、工具和方法也可以“基本上由各种部件和步骤组成”或“由各种部件和步骤组成”。

如本文所用，措词“至少一个/至少之一”前述一系列项目，使用术语“和”或“或”来分开任何所述项目，整体上改变列表，而非列表的每个元件(即，每个项目)。措词“至少一个/至少之一”允许这样的含义，其包括所述项目的任意一种的至少一个/至少之一，和/或所述项目的任意组合的至少一个/至少之一，和/或每个所述物品的至少一个/至少之一。作为实例，措词“A、B和C的至少一个/至少之一”或“A、B或C的至少一个/至少之一”每个指的是仅A、仅B或仅C；A、B和C的任意组合；和/或每个A、B和C的至少一个/至少之一。

因此，所公开的系统、工具和方法特别适于获得所提及的结果和优点以及其中固有的那些。上面公开的特定实施方案仅是示例性的，因为本公开的教导可以进行改动和不同的实践，但是等价方式对于受益于本文教导的本领域技术人员来说是明显的。此外，没有意图限制不同于下面的权利要求所述的本文所示的结构或设计的细节。所以显然上面公开的特定示例性实施方案可以改变、组合或改动，并且全部这样的变化被认为处于本公开的范围内。本文中示例性公开的系统、工具和方法可以在任何没有在本文具体公开的要素和/或在本文公开的任何任选的要素不存在时合适地实施。虽然以“包含/包括(comprising)”、“含有(containing)”或“包括(including)”各种部件或步骤的方式描述了系统、工具和方法，但是所述系统、工具和方法也可以“基本上由各种部件和步骤组成”或“由各种部件和步骤组成”。上面公开的全部数字和范围可以以一些量来变化。无论何时公开具有下限和上限的数字范围时，具体公开了落入所述范围内的任何数字和任何所包括的范围。特别地，本文公开的每个值的范围(为“约a至约b”，或等价地“大致a至b”，或等价的“大致a-b”的形式)被理解为阐述涵盖在较宽值的范围内的每个数字和范围。同样，权利要求中的术语具有它们平常的、日常的含义，除非专利权人另有明确和清楚的定义。此外，权利要求中所用的不定冠词“一个(a)”或“一种(an)”在本文定义为表示它引入的一种或多于一种要素。如果在本说明书和可以通过引用并入本文的一篇或多篇专利或其他文献中的词语或术语的使用中存在任何矛盾，则应当采用与本说明书一致的定义。