具有電荷轉(zhuǎn)移成分的低斜率pH電極的制作方法
【專利說明】具有電荷轉(zhuǎn)移成分的低斜率PH電極
[0001]要求優(yōu)先權(quán)
[0002]本發(fā)明要求2013年3月15日提交的題目為“具有電荷轉(zhuǎn)移成分的低斜率pH電極”的在先美國專利申請系列N0.13/832，685的利益，其內(nèi)容通過引用將其整體結(jié)合在此。
【背景技術】
[0003]在此描述的主題一般地涉及基于電位傳感器(基于電勢差或電壓測量)的用于溶液中具體離子活性或濃度的測量的設備和方法。上述測量的例子是使用PH計測定溶液的pH值。
[0004]電勢測量系統(tǒng)中，測量電路被設計成使用通過測量讀出的相對電壓和參考電極的讀數(shù)來計算離子濃度(在PH計的情況下氫離子濃度)。通常，通過電極測量半電池讀出電壓，并且通過電連接到合適測量計(測量電路)的參考半電池讀出電壓。公知使用所述PH測量系統(tǒng)可以測量給定樣品溶液中的氫離子濃度。
[0005]在通常的組裝中，在完整電池中與測量電極一起使用參考電極(例如Ag/AgCl電極)?？梢砸黄鹗褂眠@些參考電極和測量電極來確定樣品中的離子濃度(例如，PH或其他離子)。將參考電極設計成在測量過程全程盡可能地維持其電勢恒定。相反，將所述測量電極設計成其電勢是被測試離子的濃度的函數(shù)。參考電極電勢的穩(wěn)定性已經(jīng)通過飽和電解質(zhì)鹽橋或結(jié)點(junct1n)的存在而得到。參考電解質(zhì)通過結(jié)點緩慢泄漏?？梢杂脜⒖茧姌O和測量電極之間的相對電勢差計算樣品中離子的濃度，并可以在毫伏(mV)儀器(電位計)上顯示。
[0006]完整電池的電勢可以表示為:
[0007]Ecell= Eneas-(Eref+Ej)
[0008]其中E_s、Eraf和E j是測量電極、參考電極和結(jié)點的電勢。
[0009]電極半電池(參考和測量)電連接到pH測量電路以產(chǎn)生以毫伏計的測量結(jié)果。毫伏讀數(shù)可以用于表示被測量溶液中的氫離子活性。上述通常的系統(tǒng)及其組成是本領域技術人員熟知的并且可用在來自多個制造商例如Hach Company of Loveland，C0.的商業(yè)化市場中。因此，當本文說明書描述涉及通常的部件例如PH玻璃的參考實施例時，其意在說明通常的部件，比如在商業(yè)化市場中Hach Company of Loveland, C0.售賣的類型的pH玻璃。
[0010]發(fā)明概述
[0011]概括地，一方面提供低斜率電極裝置，其包括:至少一個電極；至少一個容器，其至少部分地封裝所述至少一個電極并具有至少一個離子敏感區(qū)域；具有至少一個分隔元件的外部緩沖劑容器，所述分隔元件將所述至少一個離子敏感區(qū)域分隔為:第一離子敏感區(qū)域，其將浸泡所述至少一個電極的內(nèi)部緩沖劑溶液和外部樣品溶液分隔；和第二離子敏感區(qū)域，其將浸泡所述至少一個電極的所述內(nèi)部緩沖劑溶液和外部緩沖劑溶液分隔；其中所述至少一個分隔元件、所述第一離子敏感區(qū)域和所述第二離子敏感區(qū)域建立電荷流動電路。
[0012]另一個方面提供一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:至少一個低斜率電極裝置，所述低斜率電極裝置包括:至少一個電極；至少一個容器，其至少部分地封裝所述至少一個電極并具有至少一個離子敏感區(qū)域；具有至少一個分隔元件的外部緩沖劑容器，所述分隔元件將所述至少一個離子敏感區(qū)域分隔為:第一離子敏感區(qū)域，其將浸泡所述至少一個電極的內(nèi)部緩沖劑溶液和外部樣品溶液分隔；和第二離子敏感區(qū)域，其將浸泡所述至少一個電極的所述內(nèi)部緩沖劑溶液和外部緩沖劑溶液分隔；其中所述至少一個分隔元件、所述第一離子敏感區(qū)域和所述第二離子敏感區(qū)域建立電荷流動電路；至少一個測量電極裝置；和處理器，所述處理器被配置成利用源自至少一個低斜率電極裝置和至少一個測量電極裝置的信號以產(chǎn)生pH測量輸出。
[0013]進一步的方面提供一種方法，所述方法包括:形成至少一個低斜率電極裝置，所述設備包括至少一個電極；至少一個容器，其至少部分地封裝所述至少一個電極并具有至少一個離子敏感區(qū)域；具有至少一個分隔元件的外部緩沖劑容器，所述分隔元件將所述至少一個離子敏感區(qū)域分隔為:第一離子敏感區(qū)域，其將浸泡所述至少一個電極的內(nèi)部緩沖劑溶液和外部樣品溶液分隔；和第二離子敏感區(qū)域，其將浸泡所述至少一個電極的所述內(nèi)部緩沖劑溶液和外部緩沖劑溶液分隔；其中所述至少一個分隔元件、所述第一離子敏感區(qū)域和所述第二離子敏感區(qū)域建立電荷流動電路；形成至少一個包括至少一個測量電極的測量電極裝置；和將所述至少一個低斜率電極裝置和所述至少一個測量電極裝置連接到測量電路，所述測量電路包括處理器，所述處理器被配置成利用源自至少一個低斜率電極裝置和至少一個測量電極裝置的信號來產(chǎn)生pH測量輸出。
[0014]前述是概要并因此包含簡化、概括和細節(jié)的省略；因此，本領域技術人員將知曉上述概要僅是示例性的且不意味著以任何方式進行限制。
[0015]為了更好的理解實施方案，以及其他和進一步的特征和其優(yōu)點，結(jié)合附圖進行如下描述。在后附的權(quán)利要求中將指出本發(fā)明的范圍。
【附圖說明】
[0016]圖1示出了一個示例性低斜率電極裝置的剖面圖。
[0017]圖2(A_B)示出了示例性低斜率電極裝置的剖面圖。
[0018]圖3示出了一個示例性低斜率電極裝置的剖面圖。
[0019]圖4示出了一個具有低斜率電極裝置的示例性pH測量設備的剖面圖。
[0020]圖5示出了一個具有低斜率電極裝置的示例性pH計量系統(tǒng)的剖面圖。
[0021]發(fā)明詳述
[0022]應當理解的是，可以將本文附圖中一般性描述和示出的實施方案的組成部分，以除所描述的示例實施方案以外的多種不同配置來安排和設計。因此，如圖中所示，以下示例實施方案的詳細描述不是意在限制權(quán)利要求的實施方案的范圍，而僅是示例實施方案的典型代表。
[0023]本說明書通篇所涉及的“一個實施方案”或“實施方案”(或類似)意味著在與所述實施方案有關的描述的具體的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)或特性被包括在至少一個實施方案中。因此，本說明書通篇在不同地方的術語“在一個實施方案中”或“在實施方案中”或類似術語的出現(xiàn)不是必須全部涉及相同的實施方案。
[0024]進一步地，可以將一個或多個實施方案中描述的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)或特性以任何合適的方式結(jié)合。在以下說明書中，提供許多具體的細節(jié)以給予對示例實施方案的徹底的理解。然而，本領域技術人員將意識到，可以不使用一個或多個具體的細節(jié)或與其他方法、成分、材料等一起實施多種實施方案。在其它實例中，不詳細顯示或描述公知的結(jié)構(gòu)、材料或操作。以下說明僅是示例的方式并且簡單地示出了特定的示例實施方案。
[0025]在傳統(tǒng)電勢測量系統(tǒng)中，參考電極有很多問題并且需要移除、消除或者重新設計電位系統(tǒng)中傳統(tǒng)類型的參考電極。一種嘗試包括處理pH敏感玻璃以將其去敏感化，因此即使放置在外部樣品溶液中時也允許電極作為參考電極使用。不幸的是，這種嘗試和其他嘗試已被證明不實用。
[0026]實施方案通過形成連續(xù)電阻而形成電壓分配器來提供低斜率電極。因此根據(jù)在內(nèi)部緩沖劑溶液和外部(樣品)溶液之間測得的電壓，所述低斜率電極裝置有減少的電壓靈敏性。因此，制造低斜率電極并可以將其用于電位計量系統(tǒng)，例如PH計。
[0027]如在圖中示出的示例實施方案有關的低斜率電極，當將其與其它測量電極一起使用時，允許測定相對電壓電勢以及由此計算例如表示以PH值的離子活性。通過使用具有不同內(nèi)部PH溶液的測量電極，可以補償隨時間的電極劣化。例如，具有pH 7的內(nèi)部溶液的測量電極、PH4的另一個測量電極溶液與在本文描述的一個或多個其它電極的使用，允許通過測量電極斜率的比較而補償隨時間的電極劣化，這種方法與樣品PH無關。
[0028]給出pH值從四電極信號的計算的實例(例如，通過例如在圖5中示出的設備提供)。本領域技術人員將觀察到示出的等式給出基本的方法而沒有計算的每一個細節(jié)。
[0029]pH測量示例
[0030]可以成對(例如圖5所示具有不同填充緩沖劑的兩對高和低斜率電極)使用高斜率電極(例如，標準靈敏性PH電極)和低斜率電極(例如，本文描述的降低靈敏性的pH電極)用于測量。也可以提供所述電極對用于偏移補償(例如，通常使用老化PH探針的情況)。根據(jù)本實施例中使用的符號，Ul是具有高pH緩沖劑填充(例如pH 7)的電極對之間的電勢差。U2是具有低pH緩沖劑填充(例如pH 4)的電極對之間的電勢差。SI是系統(tǒng)校準時建立的Ul對中高和低的兩個斜率的差值。S2是系統(tǒng)校準時建立的U2對中高和低的兩個斜率的差值。PHH是高pH內(nèi)部填充緩沖劑的pH值。pHL是低pH內(nèi)部填充緩沖劑的pH值。PHx是兩個電極對測量的外部樣品溶液(例如圖5的115)的pH值。
[0031]操作等式
[0032]通過下式給出電勢Ul和U2:
[0033]Ul = SI.(