專利名稱：一種溶解氧微電極及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微電極及其制備，特別是一種溶解氧微電極及其制備方法。
背景技術(shù)：
水體環(huán)境與人類的生活息息相關(guān)，水質(zhì)的好壞嚴(yán)重影響著人的身體健
康。水體環(huán)境中DO (溶解氧)的含量是水體受污染程度和生態(tài)環(huán)境好壞的 重要指標(biāo)之一，它與B0D、 COD等水中其它指標(biāo)密切相關(guān)，是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、 自來水廠、污水處理廠和水質(zhì)監(jiān)測部門必不可少的監(jiān)測項(xiàng)目。在環(huán)境監(jiān)測中， 測定水中D0最經(jīng)典的方法是碘量法，但碘量法從采樣固定到滴定整個(gè)非在 線測定過程易受多種因素的干擾。特別是對(duì)于極度缺氧或無氧水樣的測免， 經(jīng)典滴定法會(huì)得出偏高甚至錯(cuò)誤的結(jié)論。而微電極具有高的分辨率和靈敏 度，可以有效地解決這一難題。
另外，利用氧微電極的高分辨率還可以測定水底的光合作用。Carsten 等通過測定深海底部光線消失后4 s內(nèi)氧氣濃度的減少速率來確定微型藻類 的總光合作用。若以氧氣初始減少速率來表示光合作用速率，用氧微電極測 定的最大速率比傳統(tǒng)方法測得的值高32%。 Yoshiyuki等的研究也表明，當(dāng) 光強(qiáng)達(dá)到1050Wno1光子/m/s時(shí)，在沉淀物表層0. 5mm處可以測得凈光合作 用量，當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到1900Mmo1光子/m/s時(shí)，在沉淀物表層1. 0mm處可以測得 總光合作用量。隨著光強(qiáng)增大，凈光合作用速度和呼吸作用也隨之增加。在 光反應(yīng)和暗反應(yīng)中，連續(xù)測定沉淀物不同層次中氧的濃度，表明光合作用隨 光強(qiáng)的改變迅速變化，并在200s內(nèi)氧氣濃度穩(wěn)定。
氧微電極在好氧生物處理中也有著廣泛的應(yīng)用。在污水的好氧生物處理過程中，活性污泥或生物膜中存在著厭氧微區(qū)。但傳統(tǒng)的方法缺乏精密的儀 器，只能測定曝氣池中的溶解氧濃度，而對(duì)活性污泥和生物膜微區(qū)中的氧分
布狀況卻無能為力。氧微電極尖端可達(dá)到lMm，能夠深入到活性污泥內(nèi)部， 測定不同層次的氧氣濃度，從而確定在單一活性污泥絮體內(nèi)氧氣濃度對(duì)硝化 和反硝化的影響。Andreas等利用不同的微電極聯(lián)合測定了單一活性污泥絮 體中的厭氧過程，對(duì)6個(gè)活性污泥絮體進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，其中4個(gè)絮體在曝 氣過程中未出現(xiàn)厭氧區(qū)，因此反硝化速率很慢；另外2個(gè)絮體中反硝化速率 卻很快，其原因可能是這2個(gè)絮體的密度要明顯大于前4個(gè)絮體，導(dǎo)致了厭 氧區(qū)的出現(xiàn)。Hisashi Sato等的研究表明，氧氣在絮體中的穿透深度取決 于池中的氧氣濃度，硝化發(fā)生在有氧區(qū)，硝化速度隨氧氣濃度增加而增加， 當(dāng)氧氣濃度達(dá)到40MM時(shí)，硝化速率保持穩(wěn)定，當(dāng)氧氣濃度在10MM 35MM 范圍時(shí)，在曝氣活性污泥中硝化和反硝化同時(shí)發(fā)生。Hisashi Sato等利用 02、 NH;、 N02—、 N03—和pH微電極相結(jié)合進(jìn)行了膜曝氣生物膜反應(yīng)器中硝化和 反硝化的宏觀與微觀分析。
目前所使用的溶解氧電極，體積大，響應(yīng)時(shí)間長，靈敏度普遍不高，并 且操作繁瑣，而且大多還停留在宏觀基礎(chǔ)上。對(duì)于水環(huán)境微區(qū)，特別是污水 生物處理過程中如活性污泥、生物膜內(nèi)部微元環(huán)境中溶解氧的變化目前還無 能為力。因此，開發(fā)一種新的溶解氧微電極對(duì)于研究水體中各種污泥、沉淀 物內(nèi)部微觀區(qū)域中溶解氧濃度，以及污水生物處理過程中，活性污泥或生物 膜內(nèi)部微元區(qū)域中溶解氧的濃度變化情況，從而進(jìn)一步探討污水生物處理機(jī) 理，優(yōu)化處理工藝，具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種新 型的溶解氧微電極及其制備方法，該溶解氧微電極的尖端極細(xì)，能快速測定 活性污泥絮體或生物膜內(nèi)微元環(huán)境的溶解氧。為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案 一種溶解氧微電極，其特征在于，該溶解氧微電極包括一個(gè)充有膜后電 解質(zhì)的外部套管，外部套管由堿石灰玻璃制成，其一端為尖端狀，尖端注有 硅橡膠膜；所述的外部套管的中心部位裝有由鉑絲制成的感應(yīng)陰極，所述的 鉑絲在位于外部套管尖端部有一段鉑絲裸露在毛細(xì)玻璃管外，裸露的鉑絲被 腐蝕后鍍金;外部套管內(nèi)還裝有Ag/AgCl內(nèi)部參比電極和銀保護(hù)陰極，其中， 感應(yīng)陰極和Ag/AgCl內(nèi)部參比電極連接，銀保護(hù)電極單獨(dú)插入，銀保護(hù)電極 的尖端距鉑絲的尖端為50Mm 200Mm，外部套管與毛細(xì)玻璃管之間由環(huán)氧樹 脂封閉，鉑絲感應(yīng)陰極、Ag/AgCl內(nèi)部參比電極和銀保護(hù)陰極的引線分別焊 接于電極插頭相應(yīng)的接線柱上。
上述溶解氧微電極的制備方法，其特征在于，包括下列步驟
1) 將一根鉑絲放入毛細(xì)玻璃管中，將該毛細(xì)玻璃管固定在加熱線圈中 間位置，打開電源調(diào)節(jié)變壓器，使毛細(xì)玻璃管熔化并使其在重力作用下將鉑 絲包裹；
2) 將鉑絲的一端2cm長的玻璃除去，使鉑絲裸露，以鉑絲為陽極，另 取一碳棒作陰極，均置于飽和氰化鉀溶液中形成回路；
3) 在7V交流電壓下于飽和氰化鉀溶液中電解，將鉑絲尖端lcm長度 腐蝕到直徑為25Mm，再在2V的電壓下繼續(xù)腐蝕數(shù)秒，得到更細(xì)的尖端，腐 蝕后的鉑絲依次用水、10%濃度的硫酸、70%濃度的酒精沖洗；
4) 以鉑絲為陽極，取金絲作陰極，在1.5V直流電壓下置于飽和氯金 酸溶液中在鉑絲尖端腐蝕處鍍金30s，鍍金長度約為10Mm 20Mm;
上述步驟l)至4)完成后制得感應(yīng)陰極；
5) 取一根細(xì)銀絲作為保護(hù)陰極，通過加熱線圈將其外部包裹上玻璃， 再把一端lcm處在飽和氰化鉀溶液中腐蝕為50Mm的尖端；
6) 將一根堿石灰玻璃垂直固定在微型操作器上，通過加熱線圈和調(diào)節(jié)變壓器，加熱兩次，把堿石灰玻璃的一端制成尖端狀，作為溶解氧微電極的
外部套管；
7) 將外部套管的尖端磨平，再把硅橡膠膜均勻的涂在載玻片上，然后 將外部套管的尖端，在載玻片上輕輕蘸一下，使向尖端注入的膜長為10Mm 20Mm，放置24h使硅橡膠膜固化；
8) 取KC1飽和溶液，以銀絲作陽極，碳棒做陰極，在1.5伏的直流電 壓下在銀絲上鍍AgCl制成內(nèi)部參比電極；
9) 配制膜后電解液，該膜后電解液由1MKC1、 0.3MK2C03和0.2M KHC03
的混合液組成，其體積比為2: 2: 1;
10) 向外部套管中注入配制的膜后電解液，再將感應(yīng)陰極和內(nèi)部參比
電極連接起來插入外部套管中，將銀保護(hù)電極單獨(dú)插入外部套管中，銀保護(hù)
電極尖端距鉑絲尖端為50-200Mm，毛細(xì)玻璃管與外部套管之間用環(huán)氧樹脂 密封。
本發(fā)明制備的溶解氧微電極體積小、分辨率高、響應(yīng)時(shí)間短、靈敏度高， 適用范圍廣，制備方法簡單，成本低廉。在環(huán)境微生物學(xué)和污水生物處理等 領(lǐng)域的微觀研究有著廣泛的應(yīng)用前景。


圖1是溶解氧微電極與計(jì)算機(jī)聯(lián)合使用的示意圖。其中的標(biāo)號(hào)分別表 示1、PC機(jī)用于顯示測定的剖面圖；2、 A/D轉(zhuǎn)換器(型號(hào)為ADC-216USB)， 3、動(dòng)力控制器(型號(hào)為MC-232)， 4、電流放大器(型號(hào)為PA2000)， 5、微 型操作器(型號(hào)為醒33)， 6、微型步進(jìn)電機(jī)(腿S)， 7、微控制支架(型號(hào) 為LS-18)， 8、溶解氧微電極，9、待測樣品，每兩個(gè)部件之間的連線均為 同軸電纜。
圖2是溶解氧微電極的構(gòu)造圖，其中的標(biāo)號(hào)分別表示10.堿石灰玻璃 (schott8418玻璃)，11、銀絲，12、膜后電解液；13、環(huán)氧樹脂，14、毛細(xì)玻璃管，15、 Ag/AgCl絲，16、鉑絲。
圖3是溶解氧微電極尖端的結(jié)構(gòu)示意圖。其中的標(biāo)號(hào)分別表示11、銀 絲，16、鉬絲，17、金絲，18、硅橡膠膜。
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
具體實(shí)施例方式
參見圖2和圖3，按照本發(fā)明的技術(shù)方案制備的一種溶解氧微電極，包 括一個(gè)充有膜后電解質(zhì)12的外部套管10，外部套管10由堿石灰玻璃制成， 其一端為尖端狀，其尖端小于50Mm。尖端注有硅橡膠膜18;所述的外部套 管10的中心部位裝有由鉑絲16制成的感應(yīng)陰極，所述的鉑絲16在位于外 部套管10尖端部有一段鉑絲裸露在毛細(xì)玻璃管14外，裸露的鉑絲被腐蝕后 鍍金；外部套管IO內(nèi)還裝有Ag/AgCl內(nèi)部參比電極和銀保護(hù)陰極，其中， 感應(yīng)陰極和Ag/AgCl內(nèi)部參比電極連接，銀保護(hù)電極單獨(dú)插入，銀保護(hù)電極 的尖端距鉑絲16的尖端為50Mm 200Mm，外部套管10與毛細(xì)玻璃管14之 間由環(huán)氧樹脂(13)封閉，鉑絲感應(yīng)陰極、Ag/AgCl內(nèi)部參比電極和銀保護(hù) 陰極的引線分別焊接于電極插頭相應(yīng)的接線柱上。
上述鉑絲16的尖端被腐蝕到25Mm，鍍金長度為10-20to。銀保護(hù)陰極 為尖端極細(xì)的銀絲制成，銀絲外部包裹玻璃，其尖端lcm處被腐蝕50Mm。 硅橡膠膜的長度為10Mm 20Mm。
膜后電解液12由1MKC1、 0. 3MK2C03和0. 2M KHC03的混合液組成，其體 積比為2: 2: 1。
所述的鉑絲16的純度為99. 99%,外部套管為8418堿石灰玻璃。
上述溶解氧微電極按以下方式進(jìn)行制作
1、將一根直徑0. lmm、純度99. 99%的鉑絲16放入毛細(xì)玻璃管14中， 將該毛細(xì)玻璃管14固定在加熱線圈中間位置，打開電源調(diào)節(jié)變壓器，使毛 細(xì)玻璃管14熔化并使其在重力作用下將鉑絲16包裹起來。2、 將鉑絲16的一端2cm長的玻璃除去，使一段鉑絲裸露出來，以該 裸露的鉑絲為陽極，另取一碳棒作陰極，均置于飽和KCN溶液(飽和度71.6
中形成回路。
3、 在7V的交流電壓下于飽和氰化鉀溶液中電解約20s左右，可將鉑 絲一端lcm的長度處腐蝕到直徑約25Mm，再在2V的電壓下繼續(xù)腐蝕數(shù)秒， 可以得到更細(xì)的尖端。鉑絲16腐蝕后依次用水、10%濃度的硫酸、70%濃度 的酒精沖洗。
4、 以鉑絲16為陽極，金絲17作陰極，在1.5V直流電壓下置于飽和 氯金酸溶液中在鉑絲尖端腐蝕處電鍍約30s，鍍金長度約為10-20Mm。
上述步驟1至4完成后，即制得感應(yīng)陰極；
5、 取一根直徑0.2mm的銀絲11制作保護(hù)陰極，通過加熱線圈將銀絲 ll外部包裹上玻璃，在一端的lcm處除去玻璃，再把除去玻璃后的銀絲ll 在飽和氰化鉀溶液中腐蝕成50Mm的尖端。
6、 將一根堿石灰玻璃(Schott8418玻璃)垂直固定在微型操作器上， 通過加熱線圈和調(diào)節(jié)變壓器，加熱兩次，可把Schott8418玻璃的一端拉制 為尖端狀，尖端的直徑為幾微米，用作氧微電極8的外部套管10。
7、 用細(xì)砂紙將外部套管10的尖端磨平，再把硅橡膠膜18均勻的涂在 載玻片上，然后將外部套管10的尖端在載玻片上輕輕蘸一下，在體式顯微 鏡下觀察，使向尖端注入的硅橡膠膜18的長度為10-20Mm。放置24h使硅 橡膠膜18固化。
8、 取KC1飽和溶液，以銀絲11作陽極，碳棒做陰極，在1. 5伏的直 流電壓下在銀絲11上鍍AgCl制成內(nèi)部參比電極(陽極)。
9、 配制膜后電解液12，膜后電解液由1MKC1、 0.3MK2C03和0.2MKHC03 的混合液組成，體積比為2: 2: 1。
10、 向外部套管10中注入膜后電解液12，再將感應(yīng)陰極和內(nèi)部參比電極連接起來插入外部套管10中，將銀保護(hù)電極單獨(dú)插入外部套管10中，銀 保護(hù)電極尖端距鉑絲尖端為50-200Mm，毛細(xì)玻璃管與外部套管之間用環(huán)氧 樹脂密封。
參見圖l，本發(fā)明制備的溶解氧微電極8的使用過程為溶解氧微電極 8插入待測樣品9內(nèi)，溶解氧微電極8由微型操作器5 (型號(hào)為MC-232)固 定在微控制支架(型號(hào)為LS-18) 7上并調(diào)節(jié)到合適的位置，微型操作器5 是由微型步進(jìn)電機(jī)6 (型號(hào)為醒33)控制的，它可以實(shí)現(xiàn)每步移動(dòng)幾微米， 它的動(dòng)力由與PC機(jī)1相連的動(dòng)力控制器3 (型號(hào)為MC-232)控制。溶解氧 微電極8響應(yīng)的電信號(hào)通過電纜在電流放大器(型號(hào)為PA2000) 4中放大， 然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器(型號(hào)為ADC-216USB) 2輸入PC機(jī)1中，在PC機(jī)1上顯 示出信號(hào)的連續(xù)變化。
本發(fā)明制備的溶解氧微電極體積小、分辨率高、響應(yīng)時(shí)間短、靈敏度高， 適用范圍廣，制備方法簡單，成本低廉。在環(huán)境微生物學(xué)和污水生物處理等 領(lǐng)域的微觀研究有著廣泛的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1、一種溶解氧微電極，其特征在于，該溶解氧微電極包括一個(gè)充有膜后電解質(zhì)(12)的外部套管(10)，外部套管(10)由堿石灰玻璃制成，其一端為尖端狀，尖端注有硅橡膠膜(18)；所述的外部套管(10)的中心部位裝有由鉑絲(16)制成的感應(yīng)陰極，所述的鉑絲(16)在位于外部套管(10)尖端部有一段裸露鉑絲在毛細(xì)玻璃管(14)外，裸露的鉑絲被腐蝕后鍍金；外部套管(10)內(nèi)還裝有Ag/AgCl內(nèi)部參比電極和銀保護(hù)陰極，其中，感應(yīng)陰極和Ag/AgCl內(nèi)部參比電極連接，銀保護(hù)電極單獨(dú)插入，銀保護(hù)電極的尖端距鉑絲(16)的尖端為50μm～200μm，外部套管(10)與毛細(xì)玻璃管(14)之間由環(huán)氧樹脂(13)封閉，鉑絲感應(yīng)陰極、Ag/AgCl內(nèi)部參比電極和銀保護(hù)陰極的引線分別焊接于電極插頭相應(yīng)的接線柱上。
2、 如權(quán)利要求1所述的溶解氧微電極，其特征在于，所述的鉑絲(16) 的尖端被腐蝕到25Mm，鍍金長度為10-20Mm。
3、 如權(quán)利要求1所述的溶解氧微電極，其特征在于，所述的銀保護(hù)陰 極為尖端極細(xì)的銀絲制成，銀絲外部包裹玻璃，其尖端lcm處被腐蝕50to。
4、 如權(quán)利要求1所述的溶解氧微電極，其特征在于，所述的硅橡膠膜 的長度為10Mm 20Mm。
5、 如權(quán)利要求1所述的溶解氧微電極，其特征在于，所述的膜后電解 液(12)由1MKC1、 0.3MK2C03和0.2M KHC03的混合液組成，其體積比為2: 2: 1。
6、 如權(quán)利要求1所述的溶解氧微電極，其特征在于，所述的外部套管 (10)的尖端小于50Mm。
7、 如權(quán)利要求l所述的溶解氧微電極，其特征在于，所述的鉑絲(16) 的純度為99. 99%。
8、 權(quán)利要求1所述的溶解氧微電極的制備方法，其特征在于，包括下列步驟1) 將一根鉑絲放入毛細(xì)玻璃管中，將該毛細(xì)玻璃管固定在加熱線圈中 間位置，打開電源調(diào)節(jié)變壓器，使毛細(xì)玻璃管熔化并使其在重力作用下將鉑 絲包裹；2) 將鉑絲的一端2cm長的玻璃除去，使鉑絲裸露，以鉑絲為陽極，另 取一碳棒作陰極，均置于飽和氰化鉀溶液中形成回路；3) 在7V交流電壓下于飽和氰化鉀溶液中電解，將鉑絲尖端lcm長度 腐蝕到直徑為25Wn，再在2V的電壓下繼續(xù)腐蝕數(shù)秒，得到更細(xì)的尖端，腐 蝕后的鉑絲依次用水、10%濃度的硫酸、70%濃度的酒精沖洗；4) 以鉑絲為陽極，取金絲作陰極，在1.5V直流電壓下置于飽和氯金 酸溶液中在鉑絲尖端腐蝕處鍍金30s，鍍金長度約為10Mm 20Mm;上述步驟l)至4)完成后制得感應(yīng)陰極；5) 取一根細(xì)銀絲作為保護(hù)陰極，通過加熱線圈將其外部包裹上玻璃， 再把尖端lcm在飽和氰化鉀溶液中腐蝕成直徑為50Mm;6) 將一根堿石灰玻璃垂直固定在微型操作器上，通過加熱線圈和調(diào)節(jié) 變壓器，加熱兩次，把堿石灰玻璃的一端制成尖端狀，作為溶解氧微電極的 外部套管；7) 將外部套管的尖端磨平，再把硅橡膠膜均勻的涂在載玻片上，然后 將外部套管的尖端，在載玻片上輕輕蘸一下，使向尖端注入的膜長為10Mm 20Mm，放置24h使硅橡膠膜固化；8) 取KC1飽和溶液，以銀絲作陽極，碳棒做陰極，在1.5伏的直流電 壓下在銀絲上鍍AgCl制成內(nèi)部參比電極；9) 配制膜后電解液，該膜后電解液由1MKC1、 0.3MK2C03和0.2M KHC03的混合液組成，其體積比為2: 2: 1;10) 向外部套管中注入配制的膜后電解液，再將感應(yīng)陰極和內(nèi)部參比電極連接起來插入外部套管中，將銀保護(hù)電極單獨(dú)插入外部套管中，銀保護(hù)電極尖端距鉑絲尖端為50-200Mm，毛細(xì)玻璃管與外部套管之間用環(huán)氧樹脂 密封。
9、 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述的堿石灰玻璃為 Schott8418玻璃。
10、 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述的飽和氰化鉀溶液的 飽和度為71.6%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種溶解氧微電極及其制備方法，制備的溶解氧微電極包括一個(gè)充有膜后電解質(zhì)的外部套管，其一端為尖端狀，尖端注有硅橡膠膜；外部套管的中心部位裝有由鉑絲制成的感應(yīng)陰極、Ag/AgCl內(nèi)部參比電極和銀保護(hù)陰極，銀保護(hù)電極的尖端距鉑絲的尖端為50μm～200μm，外部套管與毛細(xì)玻璃管之間由環(huán)氧樹脂封閉，鉑絲感應(yīng)陰極、Ag/AgCl內(nèi)部參比電極和銀保護(hù)陰極的引線分別焊接于電極插頭相應(yīng)的接線柱上。本發(fā)明的溶解氧微電極體積小、分辨率高、響應(yīng)時(shí)間短、靈敏度高，適用范圍廣，制備方法簡單，成本低廉。它能快速測定活性污泥絮體或生物膜內(nèi)微元環(huán)境的溶解氧。在環(huán)境微生物學(xué)和污水生物處理等領(lǐng)域的微觀研究有著廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01N27/36GK101408526SQ200810232260
公開日2009年4月15日 申請日期2008年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月14日
發(fā)明者佐藤久, 孟千秋, 星 崔, 張立卿, 李志霞, 楊永哲, 磊 王, 韜 王, 王旭東, 白曉榮, 福士憲一, 維 許 申請人:西安建筑科技大學(xué)