微量樣品pH測量的實現(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，使用時需要高純氫，并且對測試環(huán)境要求苛刻，給實際使用帶來諸多不便。而溶液中pH的測量廣泛采用玻璃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，如氧化銻會與酒石酸、鹽及其他有機(jī)的羥基酸形成絡(luò)合物；同時銻是非惰性金屬，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/氧化銥電極具有測量精度高、線性范圍寬等優(yōu)點，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)行測量時，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。

現(xiàn)階段對微量樣品的微型pH計的研究很少，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計的研究開發(fā)。本文針對這個問題， 采用性能更好的氧化銥薄膜修飾測試電極，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。實驗中只需滴3～5 μL溶液在電極上，儀器即可測出測試電極與參比電極之間的電勢差，然后通過數(shù)據(jù)采集卡讀取數(shù)據(jù)，將電勢差信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，最后用Matlab軟件擬合曲線輸出溶液對應(yīng)的pH。

1 微量樣品pH計原理

1.1 測量電極的制備

測量電極的功能是建立一個對所測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具有獨特的優(yōu)點，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

參比電極是測量各種電極電勢時作為參照比較的電極，其基本功能是維持一個恒定的電位，作為測量各種偏離電位的對照。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)

將被測定的電極與精確已知電極電勢數(shù)值的參比電極構(gòu)成電池，測定電池電動勢數(shù)值，就可計算出被測定電極的電極電勢。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)電極電勢為+0.222 4 V(25 ℃)。

1.3 pH測量原理

把對pH敏感的電極和參比電極放在同一溶液中，就組成一個原電池，該電池的電位是測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，這個原電池電動勢的大小取決于氫離子的濃度。當(dāng)測量電極和氫離子接觸時，就產(chǎn)生電位。電位是通過懸吊在氯化銀溶液中的銀絲對照參比電極測得。測量溶液的pH的基本原理即為測定溶液中的氫離子濃度，其計算公式為：

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。所以只需測出工作電極與參比電極同時浸入溶液中時兩電極之間的電勢差，即可通過程序轉(zhuǎn)換成溶液對應(yīng)的pH。而測量pH計中的電池產(chǎn)生的電位是困難的，因其電動勢非常小，且電路的阻抗又非常大(1～100 MΩ)，因此，必須把信號放大，使其足以驅(qū)動標(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計制備

微量樣品pH計由氧化銥測量電極、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電勢點，另一端測出溶液在電路中的分壓即為兩電極之間的電勢差。數(shù)據(jù)采集卡及轉(zhuǎn)換器將測量電極采集到的電信號數(shù)據(jù)放大并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，用Matlab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合之后，形成一個pH與兩電極之間電勢差的函數(shù)關(guān)系，作為電勢差轉(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，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電極分別作為測量電極與參比電極，測量pH從2～14的不同濃度溶液的開路電壓，測試結(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)將采集到的電信號放大成能夠接收到的電信號。

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

3 實驗數(shù)據(jù)

為了檢驗微量樣品pH計測量樣品pH是否準(zhǔn)確，用商用pH計與該微量樣品pH計同時測量pH分別為4、7、10的標(biāo)準(zhǔn)液并進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 微量樣品pH檢測儀與標(biāo)準(zhǔn)pH計測量結(jié)果對比

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

4 結(jié)語

本文制備的微量樣品pH計，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。測量中只需滴3～5 μL溶液在電極上，即可測出測試電極與參比電極之間的電勢差，然后通過數(shù)據(jù)采集卡讀取數(shù)據(jù)，將電勢差信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，最后用Matlab軟件擬合曲線輸出溶液對應(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)測和生物樣品分析方面將會得到廣泛應(yīng)用。