ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ДАТЧИК Российский патент 2001 года по МПК G01N27/28 

Изобретение относится к области электрохимических измерений, в частности к электрохимическому анализу состава раствора.

Известен электрохимический датчик, содержащий рабочий электрод в виде серебряного диска, покрытого ртутной пленкой, и вспомогательный электрод в виде платинового диска, расположенного параллельно рабочему электроду [Выдра Ф. , Штулик К., Юлакова Э. Инверсионная вольтамперометрия. М.: Мир, 1980]. Недостатком такого датчика является использование дорогостоящих металлов и ограниченная возможность определения элементов, обусловленная низким перенапряжением водорода, электрохимическим растворением металла и пассивацией поверхности.

Известен электрохимический датчик, включающий камеру с расположенными в ней рабочим электродом, электродом сравнения и вспомогательным электродом [патент РФ N 2097754б, G 01 N 27/28, 1997].

К недостаткам этого датчика следует отнести низкую точность измерения и высокий предел обнаружения элементов.

Наиболее близким техническим решением является электрохимический датчик, имеющий три электрода, выполненных в виде нанесенных на подложку трех многослойных дорожек.

Первым слоем служит серебросодержащая электропроводная паста, один конец дорожек является электрическим контактом, вторым слоем из электропроводных графитовых чернил покрывают в рабочей области две дорожки из трех, затем на область между рабочей и контактной зонами дорожек наносят слой изолирующих чернил, и, наконец, на средний (рабочий) электрод наносят слой водных чернил, состоящих из соединений ртути и раствора подходящего полимера с разными добавками, которые могут уменьшать влияние компонентов пробы на электрохимические процессы, протекающие на поверхности электрода. В этом слое могут быть распределены денатураты, проходя через которые по пути к поверхности электрода удаляются мешающие электродному процессу вещества. Такой электрохимический датчик может помещаться в емкость (трубку) с анализируемым раствором или полностью покрываться каплей образца [заявка PCT N WO 94/28405, G 01 N 27/42, 08.12.94]. Это устройство предполагает сложный процесс модифицирования рабочего электрода путем многослойного нанесения на него различных реактивов: слоя водорастворимого полимера (латекса) с солью ртути и нерастворимыми неэлектроактивными частицами (оксиды алюминия или титана, тальк), слоя полимера с денатуратами, слоя с секвестирующими реагентами, энзимами и др. По мнению авторов, во время диффузии пробы сквозь слои, покрывающие электрод, происходит разделение компонентов пробы. Однако при анализе таких объектов, как кровь, применяется дополнительное введение в пробу веществ, способствующих денатурации, например гуанидин гидрохлорид. При этом дополнительное введение различных реактивов на поверхность рабочего электрода или в объем анализируемой пробы привносит погрешность в результаты анализа, так как при этом есть вероятность загрязнения. Это устройство не содержит элементов, позволяющих проводить равномерное перемешивание раствора для повышения точности и чувствительности анализа. Это устройство предназначено для анализа состава растворов по градуировочному графику. Но для анализа реальных проб необходимо введение добавок для исключения влияния матрицы и для получения более точных результатов. Использование в качестве измерительного датчика данной трехэлектродной системы со сложно модифицированным рабочим электродом не дает точных результатов анализа, потому что в отсутствии перемешивания градиент диффузии определяемых ионов уменьшается во времени, что уменьшает эффективность накопления и снижает чувствительность определения.

Изобретение направлено на повышение точности и чувствительности анализа за счет снижения предела обнаружения и расширение спектра анализируемых веществ, а также на снижение стоимости и размеров датчика.

Данная техническая задача достигается тем, что датчик снабжен электродом пробоподготовки, расположенным в камере, которая выполнена в форме цилиндрического стакана. Электроды расположены на дне стакана в одной плоскости, причем электрод пробоподготовки может находиться, например, в центре дна, а вспомогательный электрод может размещаться концентрически по отношению к электроду пробоподготовки и проходит по периферии дна стакана. Датчик может быть оснащен перемешивающим устройством.

Существенно то, что устройство включает четыре электрода, находящиеся в одной плоскости.

Указанные отличительные признаки существенны.

Введение четвертого электрода обеспечивает проведение подготовки пробы к анализу в камере датчика. На электроде пробоподготовки происходит окисление органических соединений в результате электрохимических реакций. Одновременно, на вспомогательном электроде происходит восстановление избытка окислителя. Эти реакции проходят наиболее полно, если электроды пробоподготовки и вспомогательный имеют примерно одинаковые, максимально возможные для данной ячейки площади поверхности. Полноте реакций и снижению предела обнаружения способствует перемешивание пробы в процессе анализа. Форма камеры в виде цилиндрического стакана также обеспечивает низкий предел обнаружения и воспроизводимость результатов, так как данная форма при указанном расположении электродов обеспечивает наибольшую равномерность плотности тока и отсутствие застойных зон.

На фиг. 1 представлен общий вид датчика в аксонометрической проекции.

На фиг. 2 - электрохимический датчик, вид сверху.

Датчик содержит изготовленную из электроизоляционного материала подложку 1, на которой расположены в одной плоскости электрод пробоподготовки 2, электрод сравнения 3, вспомогательный электрод 4 и рабочий измерительный электрод 5.

К подложке 1 прикреплен одним торцом полый цилиндр, образуя с подложкой 1 камеру в виде стакана 6, имеющего дно 7. В центре дна размещен электрод пробоподготовки 2, а коаксиально ему расположен вспомогательный электрод 4, проходящий по периферии дна 7 стакана 6. Электроды соединены с электропроводниками 8. Электрод сравнения 3 выполнен из серебросодержащей пасты, а остальные электроды из углесодержащих материалов.

Электрохимический датчик работает следующим образом.

Стакан 6 промывается бидистиллированной водой, соединяется с магнитной мешалкой, затем заполняется рабочим фоном. В случае анализа природных вод, когда не требуется жесткий режим пробоподготовки, фон может находиться в камере в сухом виде, тогда надо только добавить анализируемую пробу. Включается мешалка, после этого начинается процесс формирования поверхности рабочего электрода, затем процесс электрохимической подготовки пробы, во время которой задействованными являются электроды 2 и 4, а электрод 5 держится при потенциале, достаточном для поддержания его поверхности в рабочем состоянии. Для легкого разрушения органических веществ через раствор пропускается ток плотностью примерно 5 мА/см² в течение примерно 90 с. В случае, если необходимо жесткое разрушение органической матрицы, через раствор пропускается ток в течение более длительного времени. Для анализа таких объектов, как питьевые и природные воды, не требующих разрушения органических веществ, датчик может применяться без подключения электрода пробоподготовки 2. Затем следует вольтамперометрический анализ состава пробы на содержание металлов Cu, Pb и Cd и других по определенной программе. После анализа измерительная камера тщательно промывается и может быть использована для дальнейших измерений в анализе любых проб в течение рабочего дня. Датчик может использоваться как разовый, поскольку он прост по конструкции и дешев в производстве.

Использование предлагаемого датчика для электрохимического анализа обеспечивает по сравнению с существующим устройством следующие преимущества.

Использование перемешивания позволяет интенсифицировать процесс электрохимической пробоподготовки и накопления определенного вещества на поверхности электрода, снизить предел обнаружения и улучшить воспроизводимость результатов.

Конструктивное решение измерительной камеры в виде стакана позволяет сделать процесс изготовления датчика более технологичным и устраняет застойные зоны в камере. Кроме того, небольшой объем анализируемой пробы дает возможность проведения полной электрохимической пробоподготовки и применения метода стандартных добавок, исключая большие расходы реактивов и пробы.

Размещение электродов в одной плоскости упрощает изготовление датчика, так как позволяет использовать толстопленочную технологию нанесения слоев.

Использование четырехэлектродной схемы с электродом пробоподготовки большой площади позволяет проводить разрушение органической матрицы без применения отдельной емкости и специального оборудования. Таким образом, в предложенном датчике разрушение мешающих анализу органических веществ происходит не за счет введения в раствор или на поверхность рабочего электрода дополнительных химических реактивов и длительных химических процедур, а при пропускании через раствор электрического тока, т.е. анализ строится как трехступенчатый процесс: формирование поверхности рабочего электрода, электрохимическая подготовка анализируемой пробы и анализ по определенной методике.

Использование: в электрохимических измерениях, в частности для электрохимического анализа состава раствора. Электрохимический датчик состоит из камеры в виде стакана, на дне которого в одной плоскости лежат четыре электрода - измерительный рабочий электрод, электрод сравнения, вспомогательный электрод и электрод пробоподготовки. Техническим результатом изобретения является повышение точности и чувствительности анализа за счет снижения предела обнаружения и расширение спектра анализируемых веществ, а также снижение стоимости и размеров датчика. 2 ил.

Электрохимический датчик, включающий камеру с расположенными в ней рабочим электродом, электродом сравнения и вспомогательным электродом, отличающийся тем, что он снабжен расположенным в камере электродом пробоподготовки, причем камера выполнена в форме цилиндрического стакана, а электроды расположены на его дне в одной плоскости.