CH526612A - Matière membraneuse de diffusion perméable aux ions et procédé pour sa fabrication - Google Patents

Matière membraneuse de diffusion perméable aux ions et procédé pour sa fabrication

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CH526612A
CH526612A CH1399571A CH1399571A CH526612A CH 526612 A CH526612 A CH 526612A CH 1399571 A CH1399571 A CH 1399571A CH 1399571 A CH1399571 A CH 1399571A CH 526612 A CH526612 A CH 526612A
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polymer
electrode
salt
teflon
reference electrode
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CH1399571A
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Murty Neti Radhakrishna
Cornelius Bing Colin
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Beckman Instruments Inc
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28Electrolytic cell components
    • G01N27/30Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/301Reference electrodes

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Description


  Matière membraneuse de diffusion perméable aux ions et procédé pour sa fabrication    La présente invention a pour objets une matière  membraneuse de     diffusion    perméable aux ions, destinée  à être utilisée dans une électrode de référence électro  chimique, et un procédé pour sa fabrication.  



  Dans les mesures de la     concentration    des ions des  solutions, on utilise ordinairement une électrode de réfé  rence conjointement à une électrode de détection, par  exemple une électrode de verre, les deux électrodes étant  immergées dans la solution à mesurer. La différence de  potentiel entre les deux électrodes est une fonction de  la concentration d'un ion particulier de la solution. Un  exemple d'un appareil de ce type est le pH-mètre com  prenant une paire d'électrodes utilisées pour mesurer la       concentration    des ions hydrogène dans les     solutions.     



  Une électrode de référence comprend ordinairement  une demi-cellule interne supportée dans un tube conte  nant une solution saline,     ce    tube de solution saline étant  connu sous l'appellation de pont salin. La solution du  pont salin est une solution saline     concentrée        d'équi-          transfert,    par exemple une solution saturée de chlorure  de potassium ou de nitrate de     potassium.    La connexion  électrique entre la solution saline et l'échantillon ou solu  tion à mesurer est obtenue par un écoulement liquide  à travers une ouverture formée dans le tube, appelée  généralement structure de jonction liquide ou structure  de fuite.

   Parfois, l'unité entière constituée par la     demi-          cellule    interne, le tube, la solution saline, et la structure  de jonction liquide, est appelée demi-cellule, dans la  présente description toutefois, l'unité entière sera dési  gnée par l'expression d'électrode de référence.  



  Divers moyens ont été utilisés pour former les struc  tures de jonction liquide des tubes formant les ponts  salins, par exemple des connexions à gel     d'agar,    des mè  ches, des fibres d'amiante, de petits tubes capillaires,  des tubes de verre à craquelures, des     bouchons    de verre  fritté scellés dans des tubes de verre, des passages annu-         laires    formés entre des tiges de métal pleines et les parois  de tubes des tiges de céramique poreuses, des tiges de  matière plastique frittée poreuse et des manchons de  verre meulés.  



  Le comportement d'une jonction liquide doit être  pratiquement indépendant du caractère de la solution à  mesurer et donner ainsi des potentiels pratiquement  reproductibles. Bien que les structures indiquées     ci-          dessus    satisfassent de façon générale à cette exigence,  elles présentent un ou plusieurs inconvénients, tels que  la lenteur et le prix de leur fabrication, un débit élevé  d'écoulement de la solution saline, une absence d'unifor  mité dans les débits d'écoulement et la résistance élec  trique avec des structures de jonction liquide semblables,  et une courte durée de vie.  



  Les structures de jonction liquide mentionnées pré  cédemment présentent deux inconvénients principaux  quand elles sont utilisées dans des applications où les  électrodes doivent être disposées dans des courants à  haute pression contenant des liquides visqueux. Un de  ces     inconvénients    est la     nécessité    d'une pressurisation  externe de la solution du pont salin dans l'électrode de  référence afin d'assurer l'écoulement de la solution  saline de l'électrode dans l'échantillon pour que le  contact électrique soit maintenu pendant l'analyse de  l'échantillon.

   Par ailleurs, l'échantillon passe dans la  solution du pont salin, la contaminant ainsi que la     demi-          cellule,    ce qui     entraine    le développement de faux poten  tiels. Le second inconvénient de telles structures de jonc  tion liquide est qu'elles sont obstruées par les courants  contenant des substances visqueuses telles que des mé  lasses, des boues argileuses, des mélanges gélatineux,  etc., ce qui empêche l'écoulement de la solution saline  de l'électrode de référence à l'échantillon. Quand cela  se produit, la connexion électrique entre les deux solu  tions cesse et l'électrode de référence est rendue inopé  rante.

   Il faut donc trouver une jonction liquide dont la      perméabilité aux ions est basée essentiellement sur la  diffusion et non sur l'écoulement liquide, qui ne soit pas  sujette ainsi matériellement à un bouchage ou à une  obstruction par le liquide visqueux et par le passage de  constituants de contamination de l'échantillon dans la  solution du pont salin, et qui élimine la nécessité d'un  équipement de pressurisation lors de l'emploi normal  de l'électrode.  



  Nous savons que seule une structure de jonction  liquide remplit ces exigences, à savoir une membrane  semi-perméable naturellement hydrophile     comme    une  membrane de     cellophane    (marque déposée), de collo  dion (marque déposée), d'acétate de cellulose et de pro  téine, qui ferme l'extrémité ouverte du tube à pont salin  et qui est utilisée dans     l'analyse    des fluides biologiques  tels que le sang.

   Bien que ces structures de jonction  liquide à membrane ne soient pas obstruées par les liqui  des biologiques et que les ions les traversent par diffu  sion plutôt que par écoulement liquide, elles ne sont  pas entièrement satisfaisantes, car les membranes peu  vent se déformer dans diverses conditions de pression  du courant, modifiant ainsi le potentiel de la jonction,  et peuvent se rompre. On a donc recherché une struc  ture de jonction liquide pour une électrode de référence  qui présente les avantages des structures à membrane  hydrophile mentionnées plus haut et qui, en plus, soit  durable, présente une résistance électrique raisonnable  ment faible, n'exige pas de pressurisation externe et pré  sente une durée de vie raisonnable, de l'ordre de plu  sieurs mois, sans aucune attention de la part de l'opéra  teur.

   On désire aussi que la structure de jonction liquide  soit stérilisable par la vapeur, qu'elle ait un coefficient  de température constant entre des structures identiques  et soit insensible à l'écoulement de l'échantillon.  



  Un but de l'invention est de fournir une matière       membraneuse    pour une électrode de référence électro  chimique dont la perméabilité aux ions soit basée essen  tiellement sur la     diffusion    plutôt que sur l'écoulement  liquide.  



  Un autre but est de fournir une telle structure qui  présente la plus grande partie au moins de toutes les  propriétés avantageuses indiquées ci-dessus.  



  Un autre but     encore    est de fournir une membrane  de diffusion qui, parmi d'autres usages, puisse être uti  lisée comme structure de jonction liquide.  



  La matière membraneuse selon l'invention est carac  térisée en ce qu'elle comprend un polymère hydrophobe  sous forme de filaments, et une matière en particules  mélangée avec le polymère et constituée par des parti  cules inertes ou par un sel électrochimiquement inactif.  



  La structure de jonction liquide ainsi formée permet  le passage des     ions    essentiellement par diffusion et non  par action     capillaire.    Les structures de jonction liquide  ainsi formées ne sont pas sujettes à des obstructions,  ne     nécessitent    pas de pressurisation externe pour être  utilisées dans des applications impliquant des courants  de solutions, et sont insensibles à l'écoulement. En outre,  ces structures présentent les autres caractéristiques avan  tageuses indiquées     précédemment.     



  Le dessin annexé représente des matériaux d'élec  trodes et, à titre d'exemple, deux formes d'exécution  d'une électrode comprenant ce matériau.  



  La fig. 1 est une coupe longitudinale d'une première  forme d'exécution.  



  La fig. 2 est une coupe longitudinale d'une seconde  forme d'exécution.    Les fig. 3 à 6 sont des microphotographies de maté  riaux d'électrodes.  



  La fig. 7 est une microphotographie d'une membrane  de polytétrafluoréthylène, et  la     fig.    8 est une autre     microphotographie    du matériau  d'électrode des     fig.    5 et 6.  



  Dans une forme d'exécution d'une électrode compre  nant un tel matériau, la structure de jonction liquide  est formée d'une matière formant une résine     polyméri-          que,    qui est un polymère synthétique ou naturel tel  qu'une matière plastique ou un caoutchouc, capable  d'être hydratée. Cela nécessite que le polymère contienne  un groupe hydrophile qui peut être, par exemple, un  groupe aldéhyde, phénol, amide ou carboxyle. Les poly  mères     contenant    ces groupes peuvent être hydratés en  les traitant dans une solution aqueuse, soit en trempant  les polymères dans la solution à la température     ambiante,     soit en faisant bouillir ces polymères dans la solution  aqueuse, de préférence de l'eau distillée.

   Selon les théo  ries admises, l'hydratation de ces polymères s'effectue  par     formation    d'une liaison hydrogène entre la molé  cule d'eau et le groupe réactif hydrophile. Il s'ensuit  que le polymère devient plus hydrophile, de sorte que  les ions hydrogène et hydroxyle, et probablement d'au  tres petits ions, peuvent passer à travers le polymère  par     diffusion    plutôt que par écoulement liquide. Ainsi,  dans cette forme d'exécution de l'électrode, une matière       polymérique    hydratable est hydratée afin de devenir plus  hydrophile et de permettre la     diffusion    ionique, mais  l'hydratation ne rend pas le polymère poreux, ce qui  empêche l'écoulement liquide.  



  Parmi les matières caoutchouteuses contenant des  groupes hydrophiles, et qui sont par conséquent hydra  tables, on peut citer la silicone, le butadiène et le poly  uréthane, alors que les     matières        plastiques    qui ont été  utilisées avec succès dans la     fabrication    de l'électrode  sont le nylon et     l'acrylonitrile-butadiène-styrène.    Il est  évident que d'autres polymères contenant des groupes  hydrophiles peuvent être utilisés.  



  La matière définie ci-dessus peut être formée en une  structure de jonction liquide, par     exemple    sous forme  d'un disque qui est scellé à l'extrémité d'un tube de pont  salin de l'électrode de référence. Toutefois,     dans    une  forme d'exécution préférée, la matière constituant la  jonction liquide envisagée     précédemment    et la matière  qui sera envisagée par la suite sera sous forme d'une  barre qui est usinée pour former tout le corps de l'élec  trode de référence électrochimique. L'électrode 10 repré  sentée comprend un récipient tubulaire cylindrique 12  qui est fermé à son     extrémité    inférieure. L'extrémité  supérieure du récipient est fermée par un capuchon 14  vissé sur le récipient.

   Une demi-cellule interne 16 est  disposée dans la masse d'une solution de pont salin 18,  concentrée et à     équitransfert,    par exemple du chlorure  de potassium saturé,     placée    dans le récipient. La demi  cellule 16 est connectée par un conducteur 20 à une  borne 22 sur la surface extérieure du     capuchon    14. Cette  borne est destinée à être connectée électriquement à un  amplificateur à haute     impédance    tel qu'un pH-mètre  avec une électrode de mesure d'ions de la manière con  nue. Ainsi, le corps de l'électrode 10 est formé entière  ment d'une matière de jonction liquide.

   Il présente par  conséquent une très     grande    surface permettant la diffu  sion des ions, de sorte que l'obstruction ou le bouchage  de la structure de jonction liquide est très improbable,  particulièrement parce que la communication ionique      entre la solution saline 18 et l'échantillon nécessite seu  lement une diffusion ionique plutôt qu'un écoulement  liquide. Les électrodes de ce type peuvent être aisément  fabriquées et formées     économiquement,    ne     nécessitant     qu'un matériau simple et aucune habileté spéciale.  L'électrode a en outre l'avantage, étant formée d'une  matière polymérique, qu'elle ne peut se briser comme  le verre normalement utilisé pour former le tube de pont  salin d'une électrode de référence.

   Ainsi, il n'y a aucun  risque que l'électrode se rompe dans les courants. Cet  avantage est de la plus grande     importance    dans les indus  tries pharmaceutiques et     alimentaires,    de même que dans  les applications médicales et biologiques.  



  Les électrodes comprenant la matière polymérique  hydratée envisagée ci-dessus, sans autre traitement ou  modification, présentent tous les caractères avantageux  discutés précédemment, sauf que leur résistance électri  que est quelque peu supérieure à ce qu'on peut désirer  parfois. Afin de réduire cette     résistance,    l'extrémité infé  rieure du tube 12 peut être usinée à plat,     comme    indi  qué par la ligne pointillée 24, afin de former une mince  paroi qui présente une résistance inférieure. Un récipient  12 présentant par exemple une épaisseur de paroi d'en  viron 3,2 mm peut être usiné à son extrémité inférieure  pour former une partie plate et mince d'une épaisseur  d'environ 1,5 mm.

   De préférence     cependant,    la résistance  de la structure de jonction liquide est réduite en répar  tissant une matière en particules 26 dans toute la ma  tière polymérique. Cela peut se faire en mélangeant la  matière en particules avec une matière formant une  résine polymérique avant de mouler et de fritter cette  dernière pour former la barre polymérique utilisée pour  former l'électrode.  



  La fi-. 2 montre une autre forme d'exécution. Une  zone 28 de la paroi latérale du tube 12 a été réduite à  une épaisseur de 0,89 à<B>1,27</B> mm. Les interstices de la  zone 28 peuvent être alors chargés avec l'électrolyte par  pressurisation interne, par exemple à une pression supé  rieure à 10,5 kg/cm2. Les interstices peuvent être char  gés aussi simplement en remplissant     l'électrode    10 avec  l'électrolyte et en laissant au repos pendant une certaine  période de temps. Dans tous les cas, l'électrolyte ne  s'écoule ni ne suinte de l'électrode, même dans la zone  28.

   Quand l'électrode 10 est     soumise    ensuite à une pres  sion externe supérieure à la pression interne, une     partie     des interstices s'affaissent, bloquant l'électrolyte chargé  et il n'y a ainsi aucun écoulement de     fluide    de l'extérieur  vers l'intérieur.  



  La matière en particules 26 peut être constituée essen  tiellement par des particules inertes. On entend par là  des matières qui ne contaminent pas la solution de pont  salin 18 ni l'échantillon et ne produisent aucune erreur de  potentiel, c'est-à-dire des potentiels inexacts, non repro  ductibles ou instables, quand elles viennent en contact  avec des échantillons présentant les     concentrations    ioni  ques normalement rencontrées. Ainsi, des particules de  verre, par exemple, sont considérées     comme      essentielle  ment inertes   bien que, comme il sera expliqué plus  loin, le verre dans la jonction liquide peut entraîner de  légères erreurs dans certaines circonstances.  



  On trouve actuellement sur le marché diverses ma  tières polymériques hydrophobes hydratables dans les  quelles des     particules    essentiellement inertes sont déjà  incorporées et qui peuvent être utilisées pour former  cette matière ainsi     définie.    Une de     ces    matières est un  nylon désigné dans l'industrie plastique sous la dénomi-    nation   nylon 6Î6   et qui contient des particules de  disulfure de molybdène. Une autre matière utilisable est  le nylon vendu sous le nom déposé   Zytel  . On a uti  lisé aussi avec     succès,    comme structure de jonction  liquide, un acrylonitrile - butadiène - styrène contenant  40 % en poids de fibres de verre réparties dans toute  la matière plastique.

   Il est évident que d'autres matiè  res en particules inertes peuvent être incorporées à la  jonction liquide polymérique, par exemple des carbures  métalliques et non métalliques tels que le     carbure    de  tungstène, de silicium ou de bore ; des silicates réfrac  taires et des compositions de silicates comprenant les  fibres de verre, le mica, l'amiante, le grenat, la porce  laine, le zircon ; des oxydes métalliques tels que l'oxyde  de titane ou de zirconium ; des métaux     nobles    tels que  le platine, le palladium ou l'iridium, de même que des  matières vitreuses ou cristallines, ou des     aluminates.     



  La résistance de la structure de jonction liquide peut  être réduite aussi en ajoutant un sel, de     préférence    sous  forme de poudre, à la résine polymérique initiale avant  le moulage et le frittage de cette résine en une barre.  Dans ce cas, le sel constitue la matière en particules 26.  Le sel doit être électrochimiquement inactif, en ce sens  que sa présence dans le polymère ne doit pas par     elle-          même    contaminer la solution du pont salin ni de la     demi-          cellule    interne de l'électrode. On préfère les sels hydro  solubles relativement forts, comme le chlorure de potas  sium, le chlorure de sodium ou le nitrate de potassium,  bien qu'on puisse évidemment utiliser d'autres sels.

   On  a trouvé, comme on le verra plus loin, que le sel incor  poré dans la structure de jonction liquide polymérique  a le double effet d'abaisser la résistance de la jonction  et de masquer plus ou moins l'effet de     certaines    impure  tés qui peuvent être présentes dans la résine     utilisée    pour  former la structure polymérique. Il est évident qu'on  peut incorporer dans la matière polymérique à la fois  un sel et des particules essentiellement inertes.  



  Dans la seconde forme d'exécution, la structure de  jonction liquide est formée de polymères hydrophobes  dans lesquels une matière en particules doit être incor  porée afin de les rendre hydrophiles. Ces polymères  peuvent être, par exemple, un polyfluoroalcane, un poly  éthylène ou un chlorure de polyvinyle, ou des     matières          caoutchouteuses    comme le     caoutchouc-silicone    ou le  caoutchouc-fluorocarbone. D'autres matières peuvent  être évidemment utilisées. Ces matières, qui sont hydro  phobes, ne permettent pas la diffusion des     ions    à travers  elles.

   Toutefois, en y     incorporant    la matière en particu  les,     comme    les particules inertes ou les sels envisagés  plus haut, on a trouvé que ces polymères hydrophobes  deviennent hydrophiles et permettent     ainsi    la diffusion  des ions, sans écoulement liquide.

       Parmi    les matières  plastiques connues de ce type contenant des particules  essentiellement inertes qui ont été utilisées     avec    succès  pour former l'électrode, on peut citer le     polytétrafluoro-          éthylène    (      Teflon     ) contenant des fibres de verre,  notamment le       TEC        Fluorfil    R   et le       TEC        Fluorfil          BF3      fabriqués par     Thermech    Engineering Corporation,  à Anaheim     (Californie).    Dans chaque cas,

   la matière en       particules    est inerte et n'affecte pas de façon désavanta  geuse la structure de jonction liquide formée à partir  des matières plastiques. Ces matières plastiques contien  nent environ 15 % en poids de fibres de verre.  



  Ces matières du commerce peuvent être utilisées sous  forme de barre et usinées pour former une électrode de  référence comme représenté au dessin ou pour former  des disques qui sont scellés dans des tubes non conduc-      teurs et constituent ainsi la structure de jonction liquide  de ces tubes.

   Comme dans le cas des matières     polymé-          riques    hydratées utilisées dans la première forme d'exé  cution, dans la seconde forme d'exécution des sels     élec-          trochimiquement    inactifs peuvent être incorporés, seuls  ou avec des particules inertes, dans une résine     polymé-          rique    hydrophobe, au moment de la préparation du poly  mère, d'où il résulte une structure de jonction liquide  présentant une résistance électrique relativement faible.  



  On a trouvé que la pureté du polymère affecte le  potentiel d'une électrode de référence. Si par     exemple     on utilise un   Teflon   chargé de verre et d'un degré  régulier comme structure de jonction liquide pour l'élec  trode de référence, cette dernière montre une déviation  appréciable du potentiel     standard    et le potentiel de  l'électrode est légèrement dépendant de la     concentration     des ions dans l'échantillon. Par   Teflon de degré régu  lier  , on entend un   Teflon   formé d'une résine et de  fibres de verre qui, au cours du traitement, passent à    travers des tamis de fer ou d'acier.

   On suppose que,  dans le passage des matières à travers les tamis, du fer  est capté sur les particules de résine et les     fibres    de     verre.     Cette opinion est confirmée par une légère couleur rose  du polymère formé à partir de ce mélange. Au contraire,  on a trouvé que, lorsqu'une électrode de référence com  porte une structure de jonction liquide formée d'un    Teflon   chargé de verre et passé à travers un tamis  de chrome, l'électrode ne présente     pas    de déviation  appréciable du potentiel standard et son potentiel est  insensible à la concentration des ions dans l'échantillon.

    Dans ce dernier cas, les particules de résine   Teflon    et les fibres de verre passent à travers un     tamis    chromé  et le polymère moulé résultant est blanc plutôt que rose,  montrant l'absence d'impuretés métalliques.  



  Le tableau suivant montre     l'effet    de     l'absence    d'im  puretés dans le   Teflon   chargé de verre et l'effet de  l'addition d'un sel à une structure de jonction liquide à  base de   Teflon   chargé de verre  
EMI0004.0015     
  
    Teflon <SEP> rose <SEP> Teflon <SEP> blanc
<tb>  Tampon <SEP> Fibre <SEP> Teflon <SEP> rose <SEP> Teflon <SEP> blanc <SEP> 5 <SEP> Vo <SEP> sel <SEP> 5 <SEP> ()/o <SEP> sel
<tb>  4,01 <SEP> 4,06 <SEP> 4,1 <SEP> 4,02 <SEP> 4,1 <SEP> 4,0
<tb>  7,0 <SEP> 7,0 <SEP> 7,0 <SEP> 7;

  0 <SEP> 7,0 <SEP> 7,0
<tb>  9,18 <SEP> 9,1 <SEP> 8,95 <SEP> 9,05 <SEP> 8,95 <SEP> 9,11
<tb>  10,0 <SEP> 9,8 <SEP> 9,37 <SEP> 9,86 <SEP> 9,9 <SEP> 9,94       La première colonne   Tampon   donne le pH de  quatre solutions tampons standards qui ont été     utilisées     comme solutions d'essai pour la comparaison de cinq       électrodes.    de     référence        différentes.    La seconde colonne    Fibre<B> </B> donne les lectures du pH     faites    avec une élec  trode de référence standard comprenant une     jonction     liquide à fibres d'amiante.

   La troisième colonne       Te-          flon    rose   donne les lectures du pH faites avec une  électrode de référence comportant une structure de jonc  tion liquide formée par un   Teflon   chargé de verre  de degré régulier, et qui contient des impuretés métalli  ques mises en     évidence    par sa couleur rose. La quatrième  colonne   Teflon blanc   donne les lectures du pH fai  tes avec une électrode de référence comportant une jonc  tion formée de   Teflon   rempli de verre ayant traversé  un tamis de chrome et qui ne contient pas d'impuretés  à base de fer.

   La cinquième colonne   Teflon rose 5 %  sel   donne les mesures du pH faites avec une électrode  de référence dont la jonction est formée d'un   Teflon    chargé de verre de degré régulier, dans lequel 5 % en  poids de chlorure de potassium sont     incorporés.    La der  nière colonne       Teflon    blanc 5 % sel   donne     les        lectu-          res    du pH faites avec une électrode de référence dont  la structure de jonction liquide est formée d'un       Teflon       chargé de verre passé à l'écran de chrome et dans  lequel 5 % en poids de chlorure de potassium ont été  incorporés.

   Dans chaque     cas,    les lectures du pH sont  faites avec l'électrode de référence et une électrode de  verre conventionnelle pour la mesure du pH, toutes deux  reliées à un pH-mètre.  



  On peut remarquer en comparant     les    diverses     lec-          tures    du pH du tableau que les électrodes     comprenant     une telle matière en tant que jonctions liquides se com  parent favorablement à l'électrode conventionnelle com  prenant une jonction à fibres d'amiante.

   Ces lectures    montrent en outre qu'il y a de façon générale une moin  dre déviation à partir de la vraie valeur du pH du tam  pon pour les jonctions à       Teflon      blanc que pour les  jonctions à       Teflon      rose, avec ou sans sel, et que la  jonction au       Teflon      rose incorporant le sel montre  une moindre déviation et une plus grande portée dans  les lectures du pH que la jonction au       Teflon      rose ne  contenant pas de sel.

   Les données indiquent que l'em  ploi du sel dans la structure de     jonction        liquide    en        Teflon      chargé de verre abaisse la     résistance    de la  jonction et masque l'effet du fer contenu     dans    le        Teflon      chargé de verre de degré régulier. On voit que  la plus grande portée des lectures du pH et la moindre  déviation à partir de la vraie valeur du pH sont obte  nues par la jonction du       Teflon      chargé de verre et  contenant le sel.  



  La quantité de particules inertes et de sel utilisée  dans une structure de jonction     liquide    ne paraît pas cri  tique. On a utilisé avec succès par exemple des structu  res de jonction liquide de       Teflon      contenant de 15 à  25 % en poids de fibres de verre par     rapport    au poids  de la résine, sans aucune différence     notable        dans    les  mesures de potentiel des ions de l'électrode de référence  comprenant ces structures. On a utilisé aussi de 0,5 à  30 % en poids, par     rapport    au mélange       Teflon     .verre,  de chlorure de potassium, sans différence notable dans  les propriétés électrochimiques de la jonction.

   Toute  fois, quand la quantité de sel dépasse 30 %, la durée  de vie et la rigidité de la structure du       Teflon      sont  quelque peu affaiblies.     Il    est évident que la quantité de  particules     inertes    et de sel qui peut être ajoutée au poly  mère dépend de la nature de ce polymère, des     particules     inertes et du sel.  



  Le procédé de fabrication de la matière utilisée pour  former des structures de jonction liquide de polymères      hydrophobes non hydratables est similaire à celui indi  qué ci-dessus pour la matière utilisée en tant que struc  tures de jonction liquide polymériques hydratées. Les  particules de résine polymérique, avantageusement du    Teflon   en filaments d'une longueur moyenne de  35 microns (Teflon T7), passent de préférence à tra  vers un tamis chromé. On y ajoute la quantité désirée  de particules inertes ou de sel (ou des deux), d'une  dimension de particule de 10 à 1000 microns. Ces ma  tières sont mélangées dans un mélangeur et moulées en  barres ou en feuilles. Après le mélange, les particules  présentent une dimension de 1.10-4 à     50.10-4    cm envi  ron.

   Une partie au moins des     particules    sont recouver  tes d'une structure filamenteuse de   Teflon   qui em  pêche la lixiviation des particules lors de l'emploi. La  pression de moulage peut être de 140 à 700 kg/cm2,  selon les propriétés désirées. Le moulage peut être     effec-          tué    par compression ou par extrusion et     il    est suivi d'un  frittage à une température     suffisamment    élevée, de la  façon connue. La température dépend évidemment de  la résine particulière utilisée.

   Une fois la barre formée,  elle est de     préférence    usinée pour former le     corps    de  l'électrode de référence représenté au     dessin,    de manière  que le corps entier soit formé de     cette    matière utilisée  en tant que jonction liquide. On a trouvé que     l'épais-          seur    de la paroi du tube du pont salin n'affecte pas de  façon appréciable les propriétés     électrochimiques    de  l'électrode. Une électrode de ce type d'une épaisseur  de paroi de 3,2 mm environ présente une     résistance    de  jonction de 200 ohms seulement.

   De plus, toutes les  électrodes décrites ici peuvent résister à des pressions  des échantillons liquides allant jusqu'à 21 kg/cm2 sans  fixation externe de l'électrode pour la pressurisation  interne de la solution du pont salin. Comme les     corps     des électrodes sont formés entièrement par la matière  de jonction liquide, il ne se présente aucun problème  d'obstruction avec des     échantillons    visqueux.

   Les élec  trodes ne sont pas affectées désavantageusement par le  brassage ou les débits rapides de la     plupart    des échan  tillons et ne montrent aucune fuite de solution du pont  salin pendant des périodes de plusieurs jours,     ce    qui  montre que la communication est assurée par     la,    diffu  sion des ions plutôt que par un écoulement liquide.  



  Les électrodes de référence     comportant    des jonctions  liquides faites de ces matières     chargées!    de verre, avec  ou sans addition de sels, sont tout à fait appropriées à  la mesure du pH d'échantillons présentant des concen  trations ioniques typiques. Toutefois, elles montrent une  sensibilité ionique dans la mesure du pH de liqui  des présentant une concentration ionique inférieure à  100     mhos    telle qu'on la rencontre dans l'eau de haute  pureté. Cela peut être dû aux fibres de verre agissant  comme des capillaires et comme des     détecteurs    d'ions  hydrogène, comme dans les électrodes de verre ordi  naires pour la mesure du pH.

   En outre, la     présence    de  fibres de verre conduit à des   potentiels de courant    qui dépendent de la concentration ionique des milieux  à mesurer. Ces inconvénients sont     minimisés    en formant  la matière utilisée en     tant    que structure de jonction  liquide avec une substance     polymérique        exempte    de  verre, comme le       Teflon      avec des particules     inertes     autres que le verre, et contenant la quantité voulue d'un  sel     électrochimiquement    inactif.

   On a trouvé que la ma  tière utilisée en tant que structures de jonction liquide  de     ce    type satisfait à tous les critères     mentionnés    précé  demment et présente en plus d'autres avantages, en     ce       sens que les mesures du pH ne sont pas     influencées,     même dans des échantillons présentant des concentra  tions ioniques inférieures à 100     1t        mhos    et sont relati  vement insensibles aux débits d'écoulement de ces  échantillons. De plus, ce type de structure de jonction  liquide donne dans les solutions tampons standards  pour pH des résultats au moins aussi favorables que  ceux obtenus avec n'importe laquelle des autres struc  tures décrites plus haut.

   Une électrode de référence, par  exemple, comportant une telle matière, utilisée en tant  que structure de jonction liquide, formée de       Teflon       blanc exempt de particules de verre et comprenant 20 %  en poids de chlorure de potassium, quand elle est  essayée avec une électrode de verre conventionnelle pour  pH dans les solutions tampons du tableau ci-dessus,  donne les lectures suivantes: 4,01, 7,0, 9,18 et 9,98.  



  Pour comprendre la différence significative entre  l'électrode de référence décrite et une électrode de réfé  rence conventionnelle, il est utile de revoir brièvement  le fonctionnement d'une électrode de     référence    comme  on le comprend généralement.     Des    exemples d'électro  des conventionnelles sont celles au     mercure-calomel    et  à l'argent-chlorure d'argent. L'électrolyte de support  dans l'une et l'autre de ces électrodes est le chlorure de  potassium, l'ion chlorure     étant    responsable de la déter  mination du potentiel de l'électrode.

   Le pont salin est  produit de façon que l'électrode puisse être utilisée     dans     des solutions autres que celle de chlorure de     potassium.     L'électrolyte généralement utilisé comprend du chlorure  de potassium, sauf quand l'ion chlorure est indésirable.  Le chlorure de potassium est le plus communément uti  lisé à cause des valeurs de transfert proches de l'anion  et du cation. Ce sel à     équitransfert    est utilisé pour     mini-          miser    les soi-disant potentiels de jonction     rencontrés    dans  les mesures électrochimiques avec les     électrodes    de  référence et de mesure.

   On rencontre dans la pratique  des potentiels de jonction liquide allant     jusqu'à    40     mv,     ce qui rend suspecte cette caractéristique du sel à     équi-          transfert.     



  Tous les systèmes de pH sont caractérisés par la pré  sence d'eau     H20    ou d'ions H+ et OH-. Il apparaît ainsi  que des espèces sont     responsables    du fonctionnement  des électrodes de verre (pH) et de référence. Par consé  quent, on forme un corps d'électrode (jonction) qui per  met la diffusion de ces espèces et n'agit pas comme  capillaire. Il peut comprendre une tige de nylon 6/6  d'une     épaisseur    d'environ 0,75 mm à l'extrémité.

   Une  section de nylon de 0,75 mm s'est révélée contenir une  solution aqueuse à son intérieur sans     écoulement.    Quand  elle est soumise à une pression externe dans un système  hydrostatique, aucun écoulement de     liquide    externe  entourant l'électrode dans le corps n'a été     observé.    Aussi  ce corps fonctionne en jonction quand une électrode  de référence est construite de la manière usuelle.

   Cela  prouve que l'écoulement ou la migration du chlorure  de potassium     (KCl)    n'est pas nécessaire pour qu'une ma  tière soit utile dans la construction d'une jonction d'élec  trode de     référence.    En outre, ce type d'électrode de réfé  rence ne donne pas 'des potentiels de jonction     excessi-          vement    grands comme on pourrait s'y attendre s'il était  nécessaire que les ions K+ et Cl- s'écoulent à travers  le trajet de jonction. Il ressort de ces     expériences    qu'une  membrane semi-perméable pour les     espèces        H20,    H+  et OH- peut fonctionner comme jonction     d'électrode    de  référence.

   Toutefois, le nylon n'est pas toujours une  matière appropriée dans certaines applications.     Le           Téflon   est la meilleure matière plastique inerte con  nue. II est connu aussi pour être hydrophobe. Afin de  le rendre hydrophile, on a essayé plusieurs compositions  de   Téflon   avec d'autres matières. de remplissage  comme les fibres de verre et des sels inertes comme  KNO3 et KCl. Toutes se montrent utiles dans la cons  truction d'une électrode de référence qui fonctionne  principalement comme une membrane semi-perméable  et non comme une jonction capillaire comme c'est le  cas dans les     électrodes    de référence     conventionnelles.     



  La fila. 3     est    un agrandissement     (grossissement     2000 X) d'une section d'un matériau d'électrode faite de  la manière décrite. Cet agrandissement est obtenu au  moyen d'un microscope électronique d'exploration. Le  matériau contient 20 % de poudre de KCl, le solde étant  du       Téflon    T7  . On voit clairement     l'espacement     interstitiel et le revêtement filamenteux de     certaines    parti  cules du sel.  



  La fila. 4 est un agrandissement (6000 X) d'une par  tie de la fila. 3.  



  Les fila. 5 et 6 sont     semblables        respectivement    aux  fila. 3 et 4. La     différence    vient du fait que le     matériau     des fila. 3 et 4 est moulé sous une pression de 420 kg/cm2  et celui des fila. 5 et 6 sous une pression de 315 kg/cm2.  Le matériau moulé à la pression la plus faible présente  une résistance électrique inférieure quand il est utilisé  comme électrode.  



  La fila. 7 est un agrandissement (10 000 X) d'une sec  tion d'une membrane de   Téflon   pleine.     L'absence     d'interstices et de filaments est apparente. Ce qui appa  raît comme de légères craquelures sur la     surface    est le  résultat de la préparation pour la     microphotographie     électronique.  



  La fila. 8 montre par comparaison un plus fort  agrandissement (10 000 X ) du matériau des     fila.    5 et 6.       Les    interstices et l'enveloppement filamenteux sont  apparents.  



  Il est utile d'examiner les vues     courantes    sur la per  méabilité des     liquides/vapeurs    dans les membranes de  matière plastique. Alexander Lebovits passe en revue  la perméabilité des polymères aux gaz, vapeurs et liqui  des (Modem     Plastics    139, 1966). Le transport de masse  à travers les polymères, au contraire du     transport    à tra  vers un papier filtre ou d'autres matériaux poreux (cou  rant de Knudsen et courant de Poiseuille), se produit  par diffusion activée.

   On suppose que     cette        diffusion     activée implique les stades suivants: 1) dissolution du  perméant dans la membrane du côté de la concentra  tion la plus élevée; 2)     diffusion    à travers la     membrane     vers le côté de sa plus haute concentration, processus  qui dépend de la formation de   trous   dans le réseau  de la matière plastique dus à l'agitation thermique des  segments de la chaîne ; et 3) désorption du perméant  sur le côté de plus faible concentration. Ces processus  ne sont pas impliqués dans la     diffusion    à travers des ma  tières poreuses.

   D'autres différences     importantes        existent     en ce qui concerne la     dépendance    à la .température et  à la pression hydrostatique. Bien que des     données    exac  tes ne soient pas disponibles encore, toutes les proprié  tés     opérationnelles    de la nouvelle électrode de référence  conduisent à la conclusion que cette dernière doit être  basée sur le phénomène de diffusion activée.  



  Toute membrane perméable à l'eau doit pouvoir être  utilisée pour construire une électrode de référence. Tou  tefois, si le matériau est hydrophile et     comprend    des  groupes fonctionnels ou des segments de chaîne chimi-    quement similaires à ceux du corps qui pénètre, comme  dans le     cas    de la cellophane et de l'eau, les forces de  cohésion entre le polymère et la vapeur sont grandes.

    Il en résulte que la solubilité du perméant et par suite  le transport dans la membrane sont fortement     accrus.     Si le     perméant    n'est pas similaire à la matière formant  la membrane, comme pour le   Téflon      ,    le polyéthylène  et d'autres corps, la perméabilité de     l'eau    est fortement  réduite.     Il    est évident que ces matériaux comme tels ne  sont pas utiles dans la construction d'électrodes de réfé  rence, jusqu'à ce qu'ils soient rendus hydrophiles par la  création de   trous   pour     assurer    la     perméabilité    de  l'eau. Cela se fait comme décrit ci-dessus.

   Un autre mé  canisme pour la     perméabilité    de l'eau dans ces maté  riaux est     concevable.    C'est ainsi que la matière inerte  (par exemple K+ dans     KCl)    peut former des     aqua-          complexes    qui peuvent servir de lieux d'échange pour       H20    et fonctionnent     ainsi    comme une     membrane        semi-          perméable    (gouvernée par le phénomène de diffusion  activée). La fonction d'une électrode de     référence    dans  des mesures électrochimiques consiste à fournir un  potentiel constant.

   Les moyens pour établir la conti  nuité électrique ont conduit dans le passé aux inconvé  nients des électrodes connues usuelles.  



  On peut résumer brièvement     les    observations expé  rimentales de base faites avec l'électrode de     référence     décrite. a) L'électrode est utilisable     dans    tout système  aqueux ou non aqueux. b) L'électrode ne     nécessite    pas  une pressurisation externe. c) Le coefficient de tempéra  ture est proche de celui de l'élément interne au lieu d'être  une quantité ambiguë. d) L'électrode n'a pas de poten  tiels de jonction liquide significatifs.

   Cela a été déterminé  en utilisant l'électrode dans des solutions de     résistances     ioniques et de charges variées. e)     Il    n'y a pas de trans  port notable d'ions tels que l'ion sulfure, chromate, cui  vre ou plomb, notamment à partir d'un milieu externe  dans le corps de l'électrolyte (solution de remplissage       interne).    f) Il n'y a pas de transport notable de K+, Cl  ou Agi à partir de la solution interne vers le     milieu     externe au cours d'un fonctionnement de plusieurs mois.  g) L'existence des   trous   postulés conduit à une mem  brane extrêmement conductrice.

   La résistance typique de  la jonction en solutions aqueuses est de l'ordre de 1000  à 1000 000 d'ohms, à comparer aux     résistances    de  1014 à     1017    ohms pour le polyéthylène pur et le   Téflon  .  



  Toutes ces     observations,    ainsi que d'autres qui peu  vent être faites probablement avec     cette    électrode, sont  possibles parce qu'il n'y a pas de changement apprécia  ble de la concentration des     espèces    actives telles que  H20, H+, OH- à partir de l'intérieur du corps de l'élec  trode vers l'extérieur.

Claims (1)

  1. REVENDICATION I Matière membraneuse de diffusion perméable aux ions, destinée à être utilisée dans une électrode de réfé rence électrochimique, caractérisée en ce qu'elle com prend un polymère hydrophobe sous forme de filaments, et une matière en particules mélangée avec le polymère et constituée par des particules inertes ou par un sel électrochimiquement inactif. SOUS-REVENDICATIONS 1.
    Matière membraneuse selon la revendication I, caractérisée en ce que le polymère hydrophobe est un polytétrafluoréthylène, un polyéthylène ou un chlorure de polyvinyle. 2. Matière membraneuse selon la revendication I, caractérisée en ce que le polymère est un polytétrafluor- éthylène. 3. Matière membraneuse selon la revendication I, caractérisée en ce que les filaments ont une longueur moyenne de 35 microns. 4. Matière membraneuse selon la revendication I, caractérisée en ce que la matière en particules est en particules d'une dimension de 1.10-4 à 50.10-4 cm. 5.
    Matière membraneuse selon la revendication I, caractérisée en ce que certaines au moins des particules de matière sont recouvertes d'une structure filamenteuse du polymère. 6. Matière membraneuse selon la revendication I, caractérisée en ce que la matière en particules est un sel hydrosoluble qui est le chlorure de potassium, le chlo rure de sodium ou le nitrate de potassium.
    REVENDICATION II Procédé de fabrication de la matière membraneuse selon la revendication I, caractérisée en ce qu'on mé lange un polymère hydrophobe sous forme de filaments avec une matière en particules qui est constituée de par ticules inertes ou d'un sel électrochimiquement inactif, et on comprime le mélange pour former la matière mem braneuse. SOUS-REVENDICATIONS 7. Procédé selon la revendication II, caractérisé en ce que les filaments ont une longueur moyenne de 35 microns. 8. Procédé selon la revendication II, caractérisé en ce que les particules de matière ont des dimensions de 10 à 1000 microns.
    9. Procédé selon la revendication II, caractérisé en ce qu'on poursuit le mélange jusqu'à ce que la matière présente une dimension de particules de 1.10-4 à 50.10-4 cm. 10. Procédé selon la revendication II, caractérisé en ce que, après le mélange, certaines au moins des parti- cules sont recouvertes d'une structure filamenteuse du polymère. 11.
    Procédé selon la revendication II, caractérisé en ce qu'on comprime le mélange à une pression de 140 à 700 kg/cm2.
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