聚合物膜离子选择性电极是一类利用相界面电位变化指示目标物活度的电化学传感器。聚合物膜电极具有成本低廉、仪器可靠、易于小型化和集成化、抗颜色和浊度干扰等特点，在 pH测定、血液电解质分析、非损伤离子微测技术等领域应用广泛。间接电位分析是一种将聚合物电极与其它化学反应或化学作用相耦合，以检测在电极上无直接电位响应的目标物的电位检测技术。利用间接电位分析技术，已有多种无直接电位响应的无机、有机和生物分析物得到检测。但是，相对于光学分析技术（如吸收光谱分析、荧光光谱分析）和其它的电化学分析技术（如伏安分析），聚合物膜电极间接电位分析技术在一些具有重要意义的典型分析物的检测方面竞争力仍然十分有限。例如，对辣根过氧化物酶等高效亲和分析标记物的检测和临床分析中具有重要地位的糖类分析，聚合物膜电极缺乏有效的检测手段。对此，本论文提出了一系列非经典的间接电位分析技术设计思想，实现了对传统聚合物膜电极无法检测或检测效果不佳的一些重要分析物的高灵敏检测。

1. 基于化学反应离子态中间产物电位响应的间接电位分析技术。

聚合物膜离子选择性电极长期以来被认为无法指示反应物和终产物均为非离子的化学反应。本论文发现了一系列离子态的化学反应中间产物，并通过掺杂中间产物受体的聚合物膜电极获取了它们的电位响应。据此实现了对一系列具有重要分析意义的化学反应（特别是酶促反应）的电位指示。

（1）过氧化氢氧化叔胺底物 N,N’,N,N’-四甲基联苯胺能够产生离子态中间产物（阳离子自由基和二价亚胺阳离子）。本研究筛选了一种能够与这些中间产物离子产生强离子对作用的受体离子（二壬基萘磺酸），获取了中间产物离子在聚合物膜电极上的电位信号，实现了对N,N,N,N-四甲基联苯胺氧化反应的电位指示。将该中间产物电极应用于过氧化氢检测，其检出限可达10-9 M。结合葡萄糖氧化酶，该电极能够实现对2×10-8到 1×10-6 M 葡萄糖的电位检测。本部分内容涉及第 2章。

（2）过氧化物酶催化氧化邻苯二胺的反应在生物传感中应用十分广泛，但是对该反应中间产物的系统研究和结构鉴定尚未报道。本研究利用单级和多级质谱技术结合化学捕获的方法，鉴定了邻苯二胺氧化反应中间产物的结构。与叔胺氧化反应不同，伯胺的氧化反应中间产物不必然为阳离子。但是，邻苯二胺氧化反应的中间产物具有显著大于底物和终产物的pKa。在辣根过氧化物酶的最适pH下，虽然反应的底物和终产物均为中性分子，但中间产物主要以阳离子形式存在。在掺杂有能够与这些中间产物产生亲和作用（氢键、π-π作用、π-阳离子作用等）的受体离子（四苄基硼酸）的聚合物膜电极上，这些中间产物能够引发显著的阳离子电位响应。将该电极应用于辣根过氧化物酶的检测，其检出限为 4×10-7U/mL，较传统电位分析技术和光度分析技术的检出限降低了两个数量级。另外，利用邻苯二胺氧化反应中间产物的电位信号，本研究还发展了对过氧化物酶模拟酶（G-四联体核酸酶）和漆酶的电位分析方法，并结合凝血酶核酸适体发展了对凝血酶的免标记电位检测技术。本部分内容涉及第 3 章。

（3）相对于 N,N’,N,N’-四甲基联苯胺和邻苯二胺，联苯胺碳取代衍生物的氧化反应能够产生亲脂性更强的中间产物离子，因而在亲脂性的聚合物膜电极上具有更高的响应灵敏度。本研究考察了3,3’,5,5’-四甲基联苯胺，3,3'-二甲氧基联苯胺和 3,3'-二甲基联苯胺氧化反应中间产物的电位信号。将该信号应用于辣根过氧化物酶标记的免疫分析技术，可检测浓度低达pg/mL 的 IgG。另外，以中间产物稳定性稍强的 3,3’,5,5’-四甲基联苯胺氧化反应为例，本研究首次观察到了中间产物依赖于受体离子的液液界面相转移行为，并考察了中间产物在聚合物液膜中的化学稳定性。本部分内容涉及第 4 章。

2. 基于中性分子电位响应的间接电位分析技术。

中性有机分子在聚合物膜电极上的电位响应是电位分析领域的重要发现。遗憾的是，已发现的中性分子电位响应的灵敏度过低（例如，中性酚分子的检出限在毫摩尔数量级），以至于从未有过利用中性分子的电位响应发展间接电位分析技术的报道。本论文发现了一系列具有高灵敏电位响应的中性有机分子，并结合相关的化学反应实现了对核酸酶、糖类等重要分析指标的间接电位检测。

（1）本研究发现含有多个苯环的酚类中性分子因具有高的亲脂性和大的π电子体系而表现出显著优于单苯环酚类的电位响应。单苯环苯酚氧化聚合反应的产物为中性多苯环寡聚酚，因此可以利用中性寡聚酚产物的电位响应指示该聚合反应，并进一步发展针对G-四联体DNA酶、多酚氧化酶等酚类聚合物反应催化酶的催化活性。本研究将中性寡聚酚敏感聚合物电极应用于以G-四联体 DNA 酶为信号读出单元的生物识别事件的检测，发展了两种免标记、免固定化的核酸杂交检测技术。本部分内容涉及第 5 章。

（2）本研究首次发现了硼酸类化合物在聚合物膜电极上的电位响应。在季铵盐掺杂的聚合物膜电极上，硼酸或其衍生物在中性分子状态下能够引发显著的阴离子电位响应。其原理是水合硼酸分子与聚合物膜中的阴离子（如氯离子）形成氢键，并在四烷基铵阳离子的稳定作用下发生水解，引起亲水性的氢离子和氯离子从膜相到水相的共迁移，进而导致阴离子电位响应。硼酸及其衍生物能够被过氧化氢氧化为酚类化合物或醇类化合物，后者的电位响应显著小于相应的硼酸化合物，本研究据此发展了无酶过氧化氢电位传感技术。硼酸能够与糖类、多巴胺等二醇化合物发生酯化反应，反应产物的的亲脂性不及硼酸类化合物，因而在亲脂性聚合物膜上产生的电位响应较小，据此，本研究发展了针对含有二醇结构的糖类的无酶间接电位分析技术。本部分内容涉及第6 章。

3. 基于非经典聚离子电极的间接电位分析技术。

聚离子敏感电极是离子选择性电极领域较为有限的对大分子目标离子具有电位响应的聚合物膜电极。传统聚离子敏感电极存在可逆性差、灵敏度有限、高度依赖样品相动力扰动等问题。与背景离子活化的传统聚离子电极不同，本研究提出了主离子活化聚离子敏感膜的操作模式。利用膜体相负载的主离子对膜内离子流的抑制作用，将鱼精蛋白选择性电极的检出限降低了一个数量级，同时显著改善了聚离子电极的可逆性。利用膜相聚离子与样品相背景离子的自发离子交换作用，发展了免动力装置的聚离子传感模式。本研究进一步结合聚阳离子-聚阴离子的静电结合作用和蛋白酶对聚阳离子蛋白质的催化水解反应，实现了非经典聚离子电极对肝素、凝血酶、抑肽酶等的间接电位分析。本部分内容涉及第 7章和第 8 章。