聚合物膜离子选择性电极检测技术具有仪器简单、分析速度快、检测成本低、易于实现微型化等优点，已在生物分析和环境检测等领域得到应用广泛。传统的离子选择性电极检测基于热力学平衡原理，电位响应与待测离子的活度符合能斯特方程。虽然聚合物膜离子选择性电极已被报导用于环境分析，但是受热力学能斯特响应特征的局限以及环境基体的影响，电极测定灵敏度及抗干扰能力有待提高。此外，基于能斯特响应的离子选择性电极仅能用于单一目标物检测，难以实现多种目标物检测。动力学电位分析法具有灵敏度高、选择性好、可逆性强、可实现多组份分析等优势，因此本论文发展一系列基于动力学响应的聚合物敏感膜电极，通过离子通量的调控，实现对待测离子的形态分析和高灵敏检测；采用新的输出方式，降低环境中背景电解质的干扰；开发基于逻辑门和核酸适配体电位传感器，用于不同靶分子的检测，实现在单一聚合物敏感膜上的多组分分析；将生物放大等技术引入电位传感器的设计，实现信号放大和高灵敏电位检测。研究工作概况如下：

1. 聚合物膜钙离子选择性电极检测游离钙和总钙浓度

钙是自然界广泛存的一种元素，许多重要的生理作用与钙的存在形态密切关系。因此，钙的形态分析对于了解自然环境中的生物利用度和反应活性具有重要意义。本文发展了2种聚合物膜钙离子选择性电极，通过改变内充液的组成，分别实现了溶液中游离的钙离子活度以及在络合剂乙二胺四乙酸钠（EDTA）和腐殖酸存在下总钙浓度的检测。研究结果表明：当聚合物膜钙离子选择性电极的内充液为10^-3 M CaCl₂时，可实现低至10^-6 M 游离的钙离子活度的检测；而当聚合物膜钙离子选择性电极的内充液为10^-3 M CaCl₂与5 × 10^-2 M Na₂EDTA （pH 9.0）的混合溶液时，电极在10^-6-10^-5 M Ca²⁺范围内产生从样品溶液相到敏感膜相较强的钙离子通量，并伴随超能斯特现象发生，电位差值约180 mV，电极的电位响应与总钙浓度成线性相关，而与游离的钙离子浓度无关。据此，可实现以聚合物膜钙离子选择性电极对游离钙离子活度和总钙浓度的分析。本方法为进一步开展环境水体形态分析提供了一种简单、有效的技术手段。

2. 基于脉冲恒电流控制的聚合物膜钙离子选择性电极检测海水中钙离子

传统的钙离子选择性电极基于热力学平衡，电极的响应符合能斯特方程，响应斜率仅为30 mV/dec。在这种情况下，1mV电位变化会引起8 %的误差。海水中钙离子浓度变化很小，采用传统的钙离子选择性电极检测时会引起较大的误差。因此，需要发展一种高灵敏度的钙离子选择性电极。本文发展了一种基于脉冲恒电流控制的聚合物膜钙离子选择性电极，实现了海水中钙离子的高灵敏检测。该电极敏感膜以惰性亲脂盐ETH 500代替传统的离子交换剂，在这种情况下，通过膜相的离子通量完全由所施加脉冲恒电流控制。在0.5 M NaCl背景条件下，通过向电极敏感膜施加阴极脉冲恒电流，使得待测溶液中的钙离子被有效萃取到膜相，产生计时电位响应，用于钙离子检测。通过对所施加阴极脉冲电流的时间和大小优化，电极在10^-3—10^-2 M Ca²⁺ 浓度范围内呈超能斯特响应，响应斜率为80 mV/ dec。该电极对海水中高含量的Na⁺、Mg²⁺、K⁺ 具有较高的选择性，且表现出良好的重复性。将该电极应用于实际海水钙离子浓度的检测，测定结果与ICP-AES法相吻合；与传统电位法相比，本方法降低了测定的标准偏差。

3. 以过渡时间为输出信号的计时电位分析法检测海水中钙离子浓度

对于动力学电位分析法，以电位为输出信号的聚合物膜钙离子选择性电极检测钙离子浓度时，通常会受到背景电解质的干扰。因此，需要发展一种受背景电解质干扰小的检测方法。本章提出以过渡时间作为分析信号的计时电位分析技术，用于海水高背景电解质条件下钙离子浓度的检测。钙离子选择性敏感膜内不包含离子交换剂，当向敏感膜相施加较长时间的阴极恒电流时，钙离子在敏感膜表面耗尽，此时背景离子钠离子随着主离子钙离子一起被萃取到膜相以保持施加的离子通量。钙离子在敏感膜表面耗尽的时间被称为过渡时间，表现为电位随时间瞬态斜率的变化。根据Sand方程，以施加恒电流时获得过渡时间的平方根为定量信号，用于钙离子浓度检测。通过改变施加恒电流的大小以及敏感膜的厚度，可以实现对过渡时间的优化。实验结果表明，过渡时间几乎不受背景电解质的干扰。因此，本章提出的以过渡时间作为分析信号的计时电位分析技术，可用于海水中钙离子浓度的检测。

4. 基于G-四链体脱氧核酶和逻辑门操作的电位型核酸适配体传感器检测卡那霉素和土霉素

传统电位型传感器的响应主要与聚合物敏感膜相的离子载体有关。因而，聚合物膜离子选择性电极主要应用于单一离子的检测，难以用于多种目标的检测。分子逻辑门通常需要分子能够对两种或以上的外界刺激有所响应，并由二进位布尔逻辑规则在分子体系实现输入信号到输出信号的转换。本文首次在单一敏感膜电极基础上，发展了基于G-四链体脱氧核酶和逻辑门操作的双组份检测的电位型核酸适配体传感器。将双功能核酸适配体和G-四链体核酸序列固定在磁珠上，形成DNA杂交结构；采用“OR”或“INHIBIT”逻辑操作，实现对卡那霉素和土霉素的同时电位检测。在“OR”逻辑操作中，以待测的抗生素作为输入信号，以不同抗生素产生的电位响应为输出信号。当有目标物存在时，目标物能够与磁珠上相应的核酸适配体作用，从而释放出G-四链体脱氧核酶信号输出序列；该序列能够与血红素作用形成G-四链体脱氧核酶，进而在H₂O₂存在条件下催化底物生成阳离子反应中间体TMB⁺，产生计时电位响应。在“INHIBIT”逻辑操作中，以不同抗生素以及其特异性识适体分别作为输入信号，各输入信号产生的电位响应为输出信号。当待测抗生素与其适体同时存在时，其适体将抑制抗生素与磁珠上的核酸适配体作用，则不产生G-四链体脱氧核酶信号输出序列释放。在最优条件下，该传感器对卡那霉素和土霉素的检出限为7.5 nM和9.8 nM，并能成功用于海水中卡那霉素和土霉素的检测。

5. 基于酶催化聚合诱导离子通量阻碍效应的电位型核酸适配体传感器检测土霉素

近年来，基于对离子通量阻碍效应的电位传感技术已受到广泛关注。但是，基于聚合物敏感膜表面阻碍被动离子通量的传感技术往往存在电位响应信号小以及重现性差等问题。计时电位分析可以快速精确地控制离子选择性电极的跨膜离子通量，显著提高电极响应的重现性。在此基础上，我们提出了一种原位酶催化聚合诱导离子通量阻碍效应的电位生物传感器，用于对目标物的高灵敏检测。该传感器的分子识别基于核酸适配体与目标物的高亲和性结合作用，其信号放大基于HRP催化多巴胺在聚合物敏感膜表面沉积形成牢固附着的聚多巴胺层。在脉冲恒电流条件下，该聚多巴胺层可以有效阻碍从水相至到敏感膜相的钙离子通量，从而降低电位响应，实现对目标物的高灵敏检测。本文选取抗生素土霉素为目标物。在优化条件下，该计时电位生物传感器对土霉素的检出限为28 pM，并能成功用于海水中土霉素的检测。