СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЕЛЕКТИВНОГО ИОН-ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО pH-МИКРОДАТЧИКА Российский патент 2009 года по МПК G01N27/26 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам изготовления селективных ион-чувствительных рН-микродатчиков, предназначенных для непрерывного селективного количественного и качественного экспресс-анализа элементов жидких, газообразных и твердых сред, в том числе в замкнутых микрообъемах, и может быть использовано в области химии, электрохимии, металлургии, медицины.

Известен способ получения электрода для изготовления рН-микродатчика, заключающийся в присоединении проволочного токоподвода, боковая поверхность которого предварительно покрыта изоляционным материалом, к монокристаллу кислородсодержащих вольфрамовых бронз, при этом присоединение токоподвода осуществляют путем вращивания одного из его концов в монокристалл в процессе электролитического роста монокристалла из расплава (см. авторское свидетельство СССР №815090 «Способ получения электрода», МПК 3 С30В 7/12, приоритет 09.07.76, опубликовано 23.03.81).

Недостатком является трудоемкость и длительность изготовления электродной системы, в которой каждый электрод датчика требует большого количества сложных операций и специального оборудования при его изготовлении.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является способ изготовления рН-микродатчиков, состоящий в размещении впаянного в пипетку измерительного электрода, имеющего форму капилляра, и электродов сравнения в пустотелом изоляторе и закреплении их в изоляторе между собой с помощью расплавленного воска (см. Ионоселективные электроды (под редакцией Р.Дарста), М.: «Мир», 1972, с.295, рис.5).

Недостатком известного способа является сложность и трудоемкость изготовления указанных микродатчиков и непригодность полученного рН-микродатчика к многократному использованию за счет всасывающего эффекта капилляра без дополнительной операции удаления отработанной жидкости, без которой последующие электродные измерения потенциалов электрода являются недостоверными.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в упрощении технологии изготовления селективного ион-чувствительного рН-микродатчика при сохранении высоких эксплуатационных характеристик.

Технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления селективного ион-чувствительного рН-микродатчика, включающем размещение измерительного электрода и электрода сравнения в изоляторе, согласно изобретению изолятор берут монолитным, выполненным из плавкого термостойкого материала, после чего внутри изолятора вдоль всей его длины выполняют два сквозных канала, расположенные параллельно продольной оси, в один из которых помещают ультрадисперсный монокристаллический порошок, выполняющий функцию измерительного электрода, а в другой канал помещают ультрадисперсный монокристаллический порошок с постоянным потенциометрическим откликом, не зависящим от анализируемой среды, выполняющий функцию электрода сравнения, при этом температура плавления плавкого термостойкого материала изолятора не превышает температуры плавления ультрадисперсных монокристаллических порошков, затем размещают навески ультрадисперсных монокристаллических порошков в центральной части обоих каналов и помещают в оба канала с обеих сторон токоподводы, контактирующие с ультрадисперсными монокристаллическими порошками, после чего монолитный изолятор нагревают в месте размещения ультрадисперсных монокристаллических порошков с одновременным его растягиванием в противоположные стороны до полного разрыва и образования в месте разрыва двухкапиллярной иглы с контактными микроучастками измерительного электрода и электрода сравнения, выполненными заподлицо с торцевой поверхностью двухкапиллярной иглы.

При этом изолятор выполняют из молибденового или Пирекс стекла.

Измерительный электрод выполняют из натриевых (Na), или литиевых (Li), или калиевых (К), или натрий-литиевых (Na-Li), или натрий-калиевых (Na-K), или натрий-магниевых (Na-Mg) оксидных вольфрамовых бронз, состав которых соответствует кубическому и/или ромбододекаэдрическому габитусу, селективен к ионам водорода или к ионам металлов, описан общей формулой M_xWO₃, где М - щелочные или щелочноземельные металлы, а х - мольное отношение щелочного или щелочноземельного металла к вольфраму, равное 0,60-0,93.

Электрод сравнения выполняют из литиевых (Li), или калиевых (К), или калий-литиевых (K-Li), или калий-натриевых (K-Na) оксидных вольфрамовых бронз, состав которых соответствует тетрагональному или гексагональному или моноклинному габитусу, описан общей формулой M_хWO₃, где М - щелочные или щелочноземельные металлы, а х - мольное отношение щелочного или щелочноземельного металла к вольфраму, меньшее или равное 0,01-0,30.

Благодаря выполнению в монолитном изоляторе из плавкого термостойкого материала вдоль всей его длины двух сквозных каналов, расположенных параллельно продольной оси, и размещению в обоих каналах ультрадисперсных монолитных порошков, например оксидных вольфрамовых бронз, выполняющих, соответственно, функции измерительного электрода и электрода сравнения, а также размещению с обеих сторон каждого канала токоподводов, контактирующих с ультрадисперсными монолитными порошками, одновременно получают два одинаковых селективных ион-чувствительных рН-микродатчика путем нагревания монолитного изолятора в месте размещения ультрадисперсных монокристаллических порошков, расположенном в центральной части обоих сквозных каналов, с одновременным растягиванием монолитного изолятора в противоположные стороны до полного разрыва, при этом температура плавления монолитного изолятора не превышает температуру плавления ультрадисперсных монокристаллических порошков.

Изготовление селективного ион-чувствительного рН-микродатчика заявленным способом позволяет упростить технологию изготовления рН-микродатчиков, так как исключает трудоемкие операции размещения и закрепления электродов в изоляторе, присущие известному решению, взятому за прототип.

При этом ультрадисперсные монокристаллические порошки, например, оксидных вольфрамовых бронз, выполняющие функции, соответственно, измерительного электрода и электрода сравнения, уплотняются в месте разрыва и по всей длине монолитного изолятора до состояния монолита, что исключает их высыпание через отверстия контактных микроучастков и способствует обеспечению эксплуатационных свойств и сохранению высоких эксплуатационных характеристик рН-микродатчиков за счет исключения всасывающего капиллярного эффекта рН-микродатчиков.

Кроме того, заявляемый способ изготовления селективного ион-чувствительного рН-микродатчика благодаря образующейся в месте разрыва монолитного изолятора двухкапиллярной иглы с контактными микроучастками измерительного электрода и электрода сравнения, выполненными заподлицо с торцевой поверхностью двухкапиллярной иглы, исключает окисление уплотненных ультрадисперсных монокристаллических порошков, выполняющих функцию измерительного электрода и электрода сравнения как в процессе изготовления рН-микродатчика, так и во время эксплуатации, так как они максимально изолированы от внешней среды и имеют минимальный контакт с исследуемой средой, что обеспечивает сохранение высоких и стабильных эксплуатационных характеристик, таких как чувствительность и скорость получения результатов, и исключает вероятность изменения заданной электродной функции, а также обеспечивает полученным рН-микродатчикам возможность работать с микросредами.

Выполнение монолитного изолятора из молибденового или Пирекс стекла, температура плавления которого не превышает температуры плавления ультрадисперсных монокристаллических порошков оксидных вольфрамовых бронз, обеспечивает сохранение эксплуатационных свойств рН-микродатчика, полученного заявляемым способом, и упрощение его изготовления.

Применение в рН-микродатчике ультрадисперсных монокристаллических порошков оксидных вольфрамовых бронз, один из которых выполняет функцию измерительного электрода, селективен к ионам водорода или к ионам металлов и соответствует кубическому и/или ромбододекаэдрическому габитусу, при этом состав его описан общей формулой M_xWO₃, где М - щелочные или щелочноземельные металлы, причем мольное отношение щелочного или щелочноземельного металла к вольфраму равно 0,60-0,93, а другой ультрадисперсный монокристаллический порошок вольфрамовых бронз выполняет функцию электрода сравнения, имеет постоянный потенциометрическим отклик, не зависящий от анализируемой среды, соответствует тетрагональному, или гексагональному, или моноклинному, или триклинному габитусу, состав которого описан общей формулой M_xWO₃, где М - щелочные или щелочноземельные металлы, при мольном отношении щелочного или щелочноземельного металла к вольфраму, меньшем или равном 0,01-0,30, обеспечивает сохранение высоких эксплуатационных характеристик микродатчика как в процессе изготовления, так и в процессе эксплуатации, так как позволяет осуществлять оперативный и точный экспресс-контроль ионных составов без искажения получаемых результатов путем фиксации изменений потенциалов рН-микродатчика, в частности, ионов водорода или ионов металлов в диапазоне измерения рН от 1 до 14.

Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод об их соответствии такому условию патентоспособности как «новизна».

Заявляемые существенные признаки изобретения, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения такому условию патентоспособности, как «изобретательский уровень».

Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждается примером конкретного выполнения.

Пример изготовления селективного ион-чувствительного микродатчика.

Селективный ион-чувствительный рН-микродатчик изготавливают из монолитного плавкого термостойкого диэлектрического материала, например тугоплавкого Пирекс стекла, являющегося монолитным изолятором, в форме круглого стержня длиной 10-20 см и диаметром 3-5 мм.

Внутри монолитного изолятора вдоль всей его длины выполняют два сквозных канала диаметром 0,5-1,0 мм, расположенных параллельно продольной оси.

В один канал засыпают ультрадисперсный монокристаллический порошок оксидных вольфрамовых бронз, селективный к ионам водорода или к ионам металлов, выполняющий функцию измерительного электрода, выбранный из натриевых (Na), или литиевых (Li), или калиевых (К), или натрий-литиевых (Na-Li), или натрий-калиевых (Na-К), или натрий-магниевых (Na-Mg) оксидных вольфрамовых бронз, состав которых соответствует кубическому и/или ромбододекаэдрическому габитусу, селективен к ионам водорода или к ионам металлов, описан общей формулой M_xWO₃, где М - щелочные или щелочноземельные металлы, а х - мольное отношение щелочного или щелочноземельного металла к вольфраму, равное 0,60-0,93.

В другой канал засыпают монокристаллический ультрадисперсный порошок с постоянным потенциометрическим откликом, не зависящим от анализируемой среды, выполняющий функцию электрода сравнения, выбранный из литиевых (Li), или калиевых (К), или калий-литиевых (K-Li), или калий-натриевых (K-Na) оксидных вольфрамовых бронз, состав которых соответствует тетрагональному, или гексагональному, или моноклинному габитусу, описан общей формулой M_xWO₃, где М - щелочные или щелочноземельные металлы, а х - мольное отношение щелочного или щелочноземельного металла к вольфраму, меньшее или равное 0,01-0,30.

Затем размещают навески ультрадисперсных монокристаллических порошков в центральной части обоих каналов и помещают в оба канала с обеих сторон токоподводы, контактирующие с ультрадисперсными монокристаллическими порошками.

Далее стержень из тугоплавкого Пирекс стекла устанавливают в высокотемпературный нагреватель и закрепляют концы стержня между двумя пластинами, причем одна из пластин соединена с растянутой стальной пружиной.

Включают локальный разогрев в месте размещения ультрадисперсных монокристаллических порошков. В процессе размягчения стержня в месте локального разогрева происходит вытягивание стержня за счет пружины с последующим его разрывом и одновременное сжимание ультрадисперсных монокристаллических порошков вольфрамовых бронз с токоподводами внутри сквозных каналов до состояния монолита.

В момент разрыва стержень с размещенными в нем ультрадисперсными монокристаллическими порошками и токоподводами разделяется на два самостоятельных селективных ион-чувствительных рН-микродатчика, концы которых в месте разрыва обретают форму двухкапиллярной иглы с контактными микроучастками измерительного электрода и электрода сравнения, выполненными заподлицо с торцевой поверхностью двухкапиллярной иглы.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для изготовления селективных ион-чувствительных рН-микродатчиков, предназначенных для анализа элементов жидких сред. Сущность изобретения: для изготовления рН-микродатчика берут монолитный изолятор, выполненный из плавкого термостойкого материала. Вдоль всей его длины выполняют два сквозных канала, расположенные параллельно продольной оси. В один канал засыпают ультрадисперсный монокристаллический порошок из оксидных вольфрамовых бронз определенного состава для получения измерительного электрода. В другой канал засыпают ультрадисперсный монокристаллический порошок с постоянным потенциометрическим откликом, не зависящим от анализируемой среды, также из оксидных вольфрамовых бронз определенного состава для получения электрода сравнения. Навески порошков размещают в центре обоих каналов и помещают в оба канала с обеих сторон токоподводы, контактирующие с ультрадисперсными монокристаллическими порошками, после чего монолитный изолятор нагревают в месте размещения порошков с одновременным его растягиванием в противоположные стороны до полного разрыва и образования в месте разрыва двухкапиллярной иглы с контактными микроучастками измерительного электрода и электрода сравнения, выполненными заподлицо с торцевой поверхностью двухкапиллярной иглы. Способ обеспечивает упрощение технологии изготовления при сохранении высоких эксплуатационных характеристик. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления селективного ион-чувствительного рН-микродатчика, включающий размещение измерительного электрода и электрода сравнения в изоляторе, отличающийся тем, что изолятор берут монолитным, выполненным из плавкого термостойкого материала, после чего внутри изолятора вдоль всей его длины выполняют два сквозных канала, расположенных параллельно продольной оси, в один из которых помещают ультрадисперсный монокристаллический порошок, выполняющий функцию измерительного электрода, а в другой канал помещают ультрадисперсный монокристаллический порошок с постоянным потенциометрическим откликом, не зависящим от анализируемой среды, выполняющий функцию электрода сравнения, при этом температура плавления плавкого термостойкого материала изолятора не превышает температуры плавления ультрадисперсных монокристаллических порошков, затем размещают навески ультрадисперсных монокристаллических порошков в центральной части обоих каналов и помещают в оба канала с обеих сторон токоподводы, контактирующие с ультрадисперсными монокристаллическими порошками, после чего монолитный изолятор нагревают в месте размещения ультрадисперсных монокристаллических порошков с одновременным его растягиванием в противоположные стороны до полного разрыва и образования в месте разрыва двухкапиллярной иглы с контактными микроучастками измерительного электрода и электрода сравнения, выполненными заподлицо с торцевой поверхностью двухкапиллярной иглы.

2. Способ изготовления селективного ион-чувствительного рН-микродатчика по п.1, отличающийся тем, что изолятор выполняют из молибденового или Пирекс стекла.

3. Способ изготовления селективного ион-чувствительного рН-микродатчика по п.1, отличающийся тем, что измерительный электрод выполняют из натриевых (Na) или литиевых (Li), или калиевых (К), или натрий-литиевых (Na-Li) или натрий-калиевых (Na-K), или натрий-магниевых (Na-Mg) оксидных вольфрамовых бронз, состав которых соответствует кубическому и/или ромбододекаэдрическому габитусу, селективен к ионам водорода или к ионам металлов, описан общей формулой M_xWO₃, где М - щелочные или щелочноземельные металлы, а х - мольное отношение щелочного или щелочноземельного металла к вольфраму, равное 0,60-0,93.

4. Способ изготовления селективного ион-чувствительного рН-микродатчика по п.1, отличающийся тем, что электрод сравнения выполняют из литиевых (Li) или калиевых (К), или калий-литиевых (K-Li), или калий-натриевых (K-Na) оксидных вольфрамовых бронз, состав которых соответствует тетрагональному или гексагональному, или моноклинному габитусу, описан общей формулой M_xWO₃, где М - щелочные или щелочноземельные металлы, а х - мольное отношение щелочного или щелочноземельного металла к вольфраму, меньшее или равное 0,01-0,30.