微量樣品pH測(cè)量的實(shí)現(xiàn)

董劍，許詩雨，黃申豪，賀佳琪，胡潔，席梁燕，王艷偉

(溫州大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，浙江 溫州 325035)

pH是電化學(xué)領(lǐng)域中的重要參數(shù)之一[1]。pH電極傳感器是研究最早、最多，也是當(dāng)前比較成熟的一種化學(xué)傳感器。最早開始應(yīng)用的pH電極是氫電極，隨著科技的進(jìn)步，玻璃電極、氫醌電極、金屬、金屬氧化物電極等也陸續(xù)研制成功。氫電極無論在水溶液或非水溶液中均可用[2]，主要以鍍有海綿狀鉑黑的鉑片作為響應(yīng)氫離子的敏感層，但是氫電極的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用時(shí)需要高純氫，并且對(duì)測(cè)試環(huán)境要求苛刻，給實(shí)際使用帶來諸多不便。而溶液中pH的測(cè)量廣泛采用玻璃pH電極，可以得到滿意的結(jié)果[3]，但并非適用于任何條件下的測(cè)定，存在著阻抗高、難以微型化、較易破碎、不耐氫氟酸腐蝕等不足，已經(jīng)不能滿足科研工作的需求。

近年來，在工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中金屬/金屬氧化物pH電極愈來愈引起人們的關(guān)注，目前研究較多的材料有銻、鈀和銥等。銻/氧化銻電極早已有商品，但由于銻的自身性質(zhì)，也存在不少缺點(diǎn)，如氧化銻會(huì)與酒石酸、鹽及其他有機(jī)的羥基酸形成絡(luò)合物；同時(shí)銻是非惰性金屬，抗酸堿腐蝕性能差；形成的氧化銻層太薄、疏松，使用中易被固體物質(zhì)刮損、示值不穩(wěn)定等。而銥/氧化銥電極具有測(cè)量精度高、線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，因而成為人們研究較多的一類電極。

國內(nèi)外文獻(xiàn)有很多關(guān)于銥/氧化銥電極的報(bào)道，Ryyn?nen等[4]利用原子層沉積(ALD)制備的氧化銥(IrOx)作為pH敏感層，制備了平面pH電極，與商用Ag/AgCl基準(zhǔn)電極進(jìn)行測(cè)量時(shí)，能夠觀察到在pH=4～10的能斯特響應(yīng)。Schlicht等[5]制備了納米多孔銥電極，并對(duì)其進(jìn)行電化學(xué)研究。Wang等[6]利用碳酸鹽熔融氧化法制備了銥氧化物pH電極，非常適合于連續(xù)pH測(cè)量，且不需要頻繁校準(zhǔn)。Carroll等[7]利用微制造方法，將氧化銥沉積到金電極上，這種電極可持續(xù)使用數(shù)周。銥電極的制備方法還有很多，如將水合氧化銥沉積到碳纖維微電極上或者用循環(huán)伏安法制備氧化銥電極等[7-9]，氧化銥電極具有壽命長、性能好等特點(diǎn)。

現(xiàn)階段對(duì)微量樣品的微型pH計(jì)的研究很少，而且沒有成品出現(xiàn)，尤其在生物醫(yī)學(xué)等科學(xué)研究領(lǐng)域，通常樣品昂貴，所以亟需微量樣品pH計(jì)的研究開發(fā)。本文針對(duì)這個(gè)問題， 采用性能更好的氧化銥薄膜修飾測(cè)試電極，將其小型化到直徑約為0.1 mm，加上參比電極之后的電極總直徑為3 mm。實(shí)驗(yàn)中只需滴3～5 μL溶液在電極上，儀器即可測(cè)出測(cè)試電極與參比電極之間的電勢(shì)差，然后通過數(shù)據(jù)采集卡讀取數(shù)據(jù)，將電勢(shì)差信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，最后用Matlab軟件擬合曲線輸出溶液對(duì)應(yīng)的pH。

1 微量樣品pH計(jì)原理

1.1 測(cè)量電極的制備

測(cè)量電極的功能是建立一個(gè)對(duì)所測(cè)量溶液的氫離子濃度發(fā)生變化作出反應(yīng)的電位差。金屬銥為銀白色金屬，是已知的最耐腐蝕的金屬。氧化銥薄膜在用做電極時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如很好的抗腐蝕性、良好的傳導(dǎo)性以及極高的穩(wěn)定性，適合作為測(cè)量電極。由氧化銥薄膜構(gòu)成的電極暴露24 h仍有極高的穩(wěn)定性，且靈敏度高于普通鉑電極10倍以上。制備過程首先使銥絲在硫酸溶液中電鍍，電鍍電極反應(yīng)方程為：

Ir+2H2O→IrO2+4H++4e-，

(1)

2Ir+3H2O→Ir2O3+6H++6e-。

(2)

1.2 參比電極介紹

參比電極是測(cè)量各種電極電勢(shì)時(shí)作為參照比較的電極，其基本功能是維持一個(gè)恒定的電位，作為測(cè)量各種偏離電位的對(duì)照。參比電極由Ag/AgCl和飽和KCl溶液組成，Ag/AgCl電極是目前pH計(jì)中最常用的參比電極。氯化銀電極是由表面覆蓋有氯化銀的多孔金屬銀浸在含Cl-的溶液中構(gòu)成的，可表示為Ag/AgCl/Cl-，電極反應(yīng)為：

AgCl+e-→Ag++Cl-。

(3)

將被測(cè)定的電極與精確已知電極電勢(shì)數(shù)值的參比電極構(gòu)成電池，測(cè)定電池電動(dòng)勢(shì)數(shù)值，就可計(jì)算出被測(cè)定電極的電極電勢(shì)。在參比電極上進(jìn)行的電極反應(yīng)必須是單一的可逆反應(yīng)， 氯化銀電極電勢(shì)穩(wěn)定、重現(xiàn)性很好，是常用的參比電極，其標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)為+0.222 4 V(25 ℃)。

1.3 pH測(cè)量原理

把對(duì)pH敏感的電極和參比電極放在同一溶液中，就組成一個(gè)原電池，該電池的電位是測(cè)試電極和參比電極電位的代數(shù)和。

(4)

其中E為標(biāo)準(zhǔn)電極電位，R是氣體常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，N為參與電極反應(yīng)的電子數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)。

如果溫度恒定，這個(gè)原電池電動(dòng)勢(shì)的大小取決于氫離子的濃度。當(dāng)測(cè)量電極和氫離子接觸時(shí)，就產(chǎn)生電位。電位是通過懸吊在氯化銀溶液中的銀絲對(duì)照參比電極測(cè)得。測(cè)量溶液的pH的基本原理即為測(cè)定溶液中的氫離子濃度，其計(jì)算公式為：

pH=-lgc(H+)。

(5)

在中性溶液中，氫離子H+和氫氧根離子OH-的濃度都是1×10-7mol/L，因此中性溶液的pH等于7。如果有過量的氫離子，則pH小于7，溶液呈酸性；反之，氫氧根離子過量，則溶液呈堿性。

1.4 數(shù)據(jù)的輸出原理

氫離子濃度不同的溶液，其導(dǎo)電能力也不同，因此在電路中的分壓也不同。所以只需測(cè)出工作電極與參比電極同時(shí)浸入溶液中時(shí)兩電極之間的電勢(shì)差，即可通過程序轉(zhuǎn)換成溶液對(duì)應(yīng)的pH。而測(cè)量pH計(jì)中的電池產(chǎn)生的電位是困難的，因其電動(dòng)勢(shì)非常小，且電路的阻抗又非常大(1～100 MΩ)，因此，必須把信號(hào)放大，使其足以驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)毫伏表或毫安表。

我們利用USB數(shù)據(jù)采集卡、LabVIEW軟件和Matlab軟件實(shí)現(xiàn)上述過程。具體數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)化原理如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集原理圖Fig.1 Data acquisition schematic diagram

2 微量樣品pH計(jì)制備

微量樣品pH計(jì)由氧化銥測(cè)量電極、參比電極、數(shù)據(jù)采集部分組成(見圖2)。首先將銥絲尖端浸在硫酸溶液中，讓氧化銥薄膜修飾均勻制作氧化銥電極；然后將氧化銥薄膜修飾微電極與Ag/AgCl電極用玻璃膠粘合做成總電極；最后將氧化銥薄膜修飾微電極與參比電極分別連接到USB數(shù)據(jù)采集卡中，一端接地作為0電勢(shì)點(diǎn)，另一端測(cè)出溶液在電路中的分壓即為兩電極之間的電勢(shì)差。數(shù)據(jù)采集卡及轉(zhuǎn)換器將測(cè)量電極采集到的電信號(hào)數(shù)據(jù)放大并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，用Matlab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合之后，形成一個(gè)pH與兩電極之間電勢(shì)差的函數(shù)關(guān)系，作為電勢(shì)差轉(zhuǎn)化為溶液pH的源代碼導(dǎo)入LabVIEW軟件中，可得電壓和pH的函數(shù)關(guān)系。

圖2 微量樣品pH計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of microsample pH meter

2.1 氧化銥電極制備

將銥絲(直徑0.1 mm，純度99.99%)切成每段4 cm的小段，然后放到6 mol/L的鹽酸溶液中，放在超聲波清洗儀(深圳市方奧微電子有限公司)中超聲清洗60 min，清洗完成后用去離子水清洗。然后把銥絲作為陽極，石墨電極為陰極，放于0.5 mol/L的硫酸溶液中進(jìn)行電鍍[8]。電鍍時(shí)，將銥絲的尖端浸入硫酸溶液中，使氧化銥薄膜在其尖端分布。電鍍完成后，將銥絲尖端浸在硫酸溶液中24 h，讓氧化銥薄膜修飾均勻。電鍍銥絲如圖3所示。

圖3 銥絲電極電鍍過程圖Fig.3 Diagram of iridium electrode plating process

2.2 與參比電極組裝

將銥及其氧化銥薄膜修飾微電極與Ag/AgCl電極用玻璃膠粘合，露出尖端。將銥絲一端焊接上導(dǎo)線，便于測(cè)量電壓，見圖4。然后利用電化學(xué)工作站，用制備完成的氧化銥修飾微電極和Ag/AgCl電極分別作為測(cè)量電極與參比電極，測(cè)量pH從2～14的不同濃度溶液的開路電壓，測(cè)試結(jié)果如圖5所示，電壓和pH滿足線性關(guān)系，證明電極可以使用。

圖4 銥絲電極與參比電極組裝圖Fig.4 Assembly of the iridium electrode and reference electrode

圖5 pH與電壓關(guān)系圖Fig.5 pH versus voltage diagram

2.3 數(shù)據(jù)采集部分

將銥絲電極與參比電極分別連接到USB數(shù)據(jù)采集卡中(見圖6)，在USB數(shù)據(jù)采集卡(蘇州歐曼宇智能科技有限公司)內(nèi)將采集到的電信號(hào)放大成能夠接收到的電信號(hào)。

圖6 數(shù)據(jù)采集卡及轉(zhuǎn)化器Fig.6 Data acquisition card and converter

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為了檢驗(yàn)微量樣品pH計(jì)測(cè)量樣品pH是否準(zhǔn)確，用商用pH計(jì)與該微量樣品pH計(jì)同時(shí)測(cè)量pH分別為4、7、10的標(biāo)準(zhǔn)液并進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1 微量樣品pH檢測(cè)儀與標(biāo)準(zhǔn)pH計(jì)測(cè)量結(jié)果對(duì)比

從表中數(shù)據(jù)可以看到，微量樣品pH計(jì)測(cè)量的pH與商用pH計(jì)測(cè)量的結(jié)果在準(zhǔn)確度方面差別不大，而商用pH計(jì)測(cè)量樣品需要最少20 mL的溶液量，微量樣品pH計(jì)測(cè)量中只需滴3～5 μL溶液在電極上，即可測(cè)出測(cè)試電極與參比電極之間的電勢(shì)差。

4 結(jié)語

本文制備的微量樣品pH計(jì)，利用電化學(xué)方法在直徑為0.1 mm的銥絲表面進(jìn)行鍍膜制作工作電極，與參比電極組裝成直徑為3 mm的微量pH電極。測(cè)量中只需滴3～5 μL溶液在電極上，即可測(cè)出測(cè)試電極與參比電極之間的電勢(shì)差，然后通過數(shù)據(jù)采集卡讀取數(shù)據(jù)，將電勢(shì)差信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，最后用Matlab軟件擬合曲線輸出溶液對(duì)應(yīng)的pH。此電極使用方便、靈敏度高、重現(xiàn)性好，而且在稀、貴樣品及生物樣品的分析中更能夠顯示其優(yōu)越性，今后在醫(yī)療、工業(yè)、食品安全監(jiān)測(cè)和生物樣品分析方面將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。