CN101408526B

CN101408526B - 一种溶解氧微电极及其制备方法

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Publication number: CN101408526B
Application number: CN2008102322606A
Authority: CN
Inventors: 王磊; 王旭东; 杨永哲; 张立卿; 李志霞; 王韬; 孟千秋; 崔星; 许维; 白晓荣; 佐藤久; 福士宪一
Original assignee: Xian University of Architecture and Technology
Current assignee: Shaanxi Membrane Separation Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2028-11-14
Also published as: CN101408526A

Abstract

本发明公开了一种溶解氧微电极及其制备方法，制备的溶解氧微电极包括一个充有膜后电解质的外部套管，其一端为尖端状，尖端注有硅橡胶膜；外部套管的中心部位装有由铂丝制成的感应阴极、Ag/AgCl内部参比电极和银保护阴极，银保护电极的尖端距铂丝的尖端为50μm～200μm，外部套管与毛细玻璃管之间由环氧树脂封闭，铂丝感应阴极、Ag/AgCl内部参比电极和银保护阴极的引线分别焊接于电极插头相应的接线柱上。本发明的溶解氧微电极体积小、分辨率高、响应时间短、灵敏度高，适用范围广，制备方法简单，成本低廉。它能快速测定活性污泥絮体或生物膜内微元环境的溶解氧。在环境微生物学和污水生物处理等领域的微观研究有着广泛的应用前景。

Description

一种溶解氧微电极及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种微电极及其制备，特别是一种溶解氧微电极及其制备方法。

背景技术

水体环境与人类的生活息息相关，水质的好坏严重影响着人的身体健康。水体环境中DO(溶解氧)的含量是水体受污染程度和生态环境好坏的重要指标之一，它与BOD、COD等水中其它指标密切相关，是水产养殖业、自来水厂、污水处理厂和水质监测部门必不可少的监测项目。在环境监测中，测定水中DO最经典的方法是碘量法，但碘量法从采样固定到滴定整个非在线测定过程易受多种因素的干扰。特别是对于极度缺氧或无氧水样的测定，经典滴定法会得出偏高甚至错误的结论。而微电极具有高的分辨率和灵敏度，可以有效地解决这一难题。

另外，利用氧微电极的高分辨率还可以测定水底的光合作用。Carsten等通过测定深海底部光线消失后4s内氧气浓度的减少速率来确定微型藻类的总光合作用。若以氧气初始减少速率来表示光合作用速率，用氧微电极测定的最大速率比传统方法测得的值高32％。Yoshiyuki等的研究也表明，当光强达到1050μmol光子/m/s时，在沉淀物表层0.5mm处可以测得净光合作用量，当光强达到1900μmol光子/m/s时，在沉淀物表层1.0mm处可以测得总光合作用量。随着光强增大，净光合作用速度和呼吸作用也随之增加。在光反应和暗反应中，连续测定沉淀物不同层次中氧的浓度，表明光合作用随光强的改变迅速变化，并在200s内氧气浓度稳定。

氧微电极在好氧生物处理中也有着广泛的应用。在污水的好氧生物处理过程中，活性污泥或生物膜中存在着厌氧微区。但传统的方法缺乏精密的仪器，只能测定曝气池中的溶解氧浓度，而对活性污泥和生物膜微区中的氧分布状况却无能为力。氧微电极尖端可达到1μm，能够深入到活性污泥内部，测定不同层次的氧气浓度，从而确定在单一活性污泥絮体内氧气浓度对硝化和反硝化的影响。Andreas等利用不同的微电极联合测定了单一活性污泥絮体中的厌氧过程，对6个活性污泥絮体进行研究后发现，其中4个絮体在曝气过程中未出现厌氧区，因此反硝化速率很慢；另外2个絮体中反硝化速率却很快，其原因可能是这2个絮体的密度要明显大于前4个絮体，导致了厌氧区的出现。Hisashi Sato等的研究表明，氧气在絮体中的穿透深度取决于池中的氧气浓度，硝化发生在有氧区，硝化速度随氧气浓度增加而增加，当氧气浓度达到40μM时，硝化速率保持稳定，当氧气浓度在10μM～35μM范围时，在曝气活性污泥中硝化和反硝化同时发生。Hisashi Sato等利用O₂、NH₄ ⁺、NO₂ ^-、NO₃ ^-和pH微电极相结合进行了膜曝气生物膜反应器中硝化和反硝化的宏观与微观分析。

目前所使用的溶解氧电极，体积大，响应时间长，灵敏度普遍不高，并且操作繁琐，而且大多还停留在宏观基础上。对于水环境微区，特别是污水生物处理过程中如活性污泥、生物膜内部微元环境中溶解氧的变化目前还无能为力。因此，开发一种新的溶解氧微电极对于研究水体中各种污泥、沉淀物内部微观区域中溶解氧浓度，以及污水生物处理过程中，活性污泥或生物膜内部微元区域中溶解氧的浓度变化情况，从而进一步探讨污水生物处理机理，优化处理工艺，具有重要意义。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种新型的溶解氧微电极及其制备方法，该溶解氧微电极的尖端极细，能快速测定活性污泥絮体或生物膜内微元环境的溶解氧。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种溶解氧微电极，其特征在于，该溶解氧微电极包括一个充有膜后电解质的外部套管，外部套管由碱石灰玻璃制成，其一端为尖端状，尖端注有硅橡胶膜；所述的外部套管的中心部位装有由铂丝制成的感应阴极，所述的铂丝在位于外部套管尖端部有一段铂丝裸露在毛细玻璃管外，裸露的铂丝被腐蚀后镀金；外部套管内还装有Ag/AgCl内部参比电极和银保护阴极，其中，感应阴极和Ag/AgCl内部参比电极连接，银保护电极单独插入，银保护电极的尖端距铂丝的尖端为50μm～200μm，外部套管与毛细玻璃管之间由环氧树脂封闭，铂丝感应阴极、Ag/AgCl内部参比电极和银保护阴极的引线分别焊接于电极插头相应的接线柱上。

上述溶解氧微电极的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)将一根铂丝放入毛细玻璃管中，将该毛细玻璃管固定在加热线圈中间位置，打开电源调节变压器，使毛细玻璃管熔化并使其在重力作用下将铂丝包裹；

2)将铂丝的一端2cm长的玻璃除去，使铂丝裸露，以铂丝为阳极，另取一碳棒作阴极，均置于饱和氰化钾溶液中形成回路；

3)在7V交流电压下于饱和氰化钾溶液中电解，将铂丝尖端1cm长度腐蚀到直径为25μm，再在2V的电压下继续腐蚀数秒，得到更细的尖端，腐蚀后的铂丝依次用水、10％浓度的硫酸、70％浓度的酒精冲洗；

4)以铂丝为阳极，取金丝作阴极，在1.5V直流电压下置于饱和氯金酸溶液中在铂丝尖端腐蚀处镀金30s，镀金长度约为10μm～20μm；

上述步骤1)至4)完成后制得感应阴极；

5)取一根细银丝作为保护阴极，通过加热线圈将其外部包裹上玻璃，再把一端1cm处在饱和氰化钾溶液中腐蚀为50μm的尖端；

6)将一根碱石灰玻璃垂直固定在微型操作器上，通过加热线圈和调节变压器，加热两次，把碱石灰玻璃的一端制成尖端状，作为溶解氧微电极的外部套管；

7)将外部套管的尖端磨平，再把硅橡胶膜均匀的涂在载玻片上，然后将外部套管的尖端，在载玻片上轻轻蘸一下，使向尖端注入的膜长为10μm～20μm，放置24h使硅橡胶膜固化；

8)取KCl饱和溶液，以银丝作阳极，碳棒做阴极，在1.5伏的直流电压下在银丝上镀AgCl制成内部参比电极；

9)配制膜后电解液，该膜后电解液由1MKCl、0.3MK₂CO₃和0.2M KHCO₃的混合液组成，其体积比为2∶2∶1；

10)向外部套管中注入配制的膜后电解液，再将感应阴极和内部参比电极连接起来插入外部套管中，将银保护电极单独插入外部套管中，银保护电极尖端距铂丝尖端为50-200μm，毛细玻璃管与外部套管之间用环氧树脂密封。

本发明制备的溶解氧微电极体积小、分辨率高、响应时间短、灵敏度高，适用范围广，制备方法简单，成本低廉。在环境微生物学和污水生物处理等领域的微观研究有着广泛的应用前景。

附图说明

图1是溶解氧微电极与计算机联合使用的示意图。其中的标号分别表示：1、PC机：用于显示测定的剖面图；2、A/D转换器(型号为ADC-216USB)，3、动力控制器(型号为MC-232)，4、电流放大器(型号为PA2000)，5、微型操作器(型号为MM33)，6、微型步进电机(MMS)，7、微控制支架(型号为LS-18)，8、溶解氧微电极，9、待测样品，每两个部件之间的连线均为同轴电缆。

图2是溶解氧微电极的构造图，其中的标号分别表示：10.碱石灰玻璃(schott8418玻璃)，11、银丝，12、膜后电解液；13、环氧树脂，14、毛细玻璃管，15、Ag/AgCl丝，16、铂丝。

图3是溶解氧微电极尖端的结构示意图。其中的标号分别表示：11、银丝，16、铂丝，17、金丝，18、硅橡胶膜。

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

参见图2和图3，按照本发明的技术方案制备的一种溶解氧微电极，包括一个充有膜后电解液12的外部套管10，外部套管10由碱石灰玻璃制成，其一端为尖端状，其尖端小于50μm。尖端注有硅橡胶膜18；所述的外部套管10的中心部位装有由铂丝16制成的感应阴极，所述的铂丝16在位于外部套管10尖端部有一段铂丝裸露在毛细玻璃管14外，裸露的铂丝被腐蚀后镀金；外部套管10内还装有Ag/AgCl内部参比电极和银保护阴极，其中，感应阴极和Ag/AgCl内部参比电极连接，银保护电极单独插入，银保护电极的尖端距铂丝16的尖端为50μm～200μm，外部套管10与毛细玻璃管14之间由环氧树脂(13)封闭，铂丝感应阴极、Ag/AgCl内部参比电极和银保护阴极的引线分别焊接于电极插头相应的接线柱上。

上述铂丝16的尖端被腐蚀到25μm，镀金长度为10-20μm。银保护阴极为尖端极细的银丝制成，银丝外部包裹玻璃，其尖端1cm处被腐蚀50μm。硅橡胶膜的长度为10μm～20μm。

膜后电解液12由1MKCl、0.3MK₂CO₃和0.2M KHCO₃的混合液组成，其体积比为2∶2∶1。

所述的铂丝16的纯度为99.99％，外部套管为8418碱石灰玻璃。

上述溶解氧微电极按以下方式进行制作：

1、将一根直径0.1mm、纯度99.99％的铂丝16放入毛细玻璃管14中，将该毛细玻璃管14固定在加热线圈中间位置，打开电源调节变压器，使毛细玻璃管14熔化并使其在重力作用下将铂丝16包裹起来。

2、将铂丝16的一端2cm长的玻璃除去，使一段铂丝裸露出来，以该裸露的铂丝为阳极，另取一碳棒作阴极，均置于饱和KCN溶液(饱和度71.6％)中形成回路。

3、在7V的交流电压下于饱和氰化钾溶液中电解约20s左右，可将铂丝一端1cm的长度处腐蚀到直径约25μm，再在2V的电压下继续腐蚀数秒，可以得到更细的尖端。铂丝16腐蚀后依次用水、10％浓度的硫酸、70％浓度的酒精冲洗。

4、以铂丝16为阳极，金丝17作阴极，在1.5V直流电压下置于饱和氯金酸溶液中在铂丝尖端腐蚀处电镀约30s，镀金长度约为10-20μm。

上述步骤1至4完成后，即制得感应阴极；

5、取一根直径0.2mm的银丝11制作保护阴极，通过加热线圈将银丝11外部包裹上玻璃，在一端的1cm处除去玻璃，再把除去玻璃后的银丝11在饱和氰化钾溶液中腐蚀成50μm的尖端。

6、将一根碱石灰玻璃(Schott8418玻璃)垂直固定在微型操作器上，通过加热线圈和调节变压器，加热两次，可把Schott8418玻璃的一端拉制为尖端状，尖端的直径为几微米，用作氧微电极8的外部套管10。

7、用细砂纸将外部套管10的尖端磨平，再把硅橡胶膜18均匀的涂在载玻片上，然后将外部套管10的尖端在载玻片上轻轻蘸一下，在体式显微镜下观察，使向尖端注入的硅橡胶膜18的长度为10-20μm。放置24h使硅橡胶膜18固化。

8、取KCl饱和溶液，以银丝11作阳极，碳棒做阴极，在1.5伏的直流电压下在银丝11上镀AgCl制成内部参比电极(阳极)。

9、配制膜后电解液12，膜后电解液由1MKCl、0.3MK₂CO₃和0.2M KHCO₃的混合液组成，体积比为2∶2∶1。

10、向外部套管10中注入膜后电解液12，再将感应阴极和内部参比电极连接起来插入外部套管10中，将银保护电极单独插入外部套管10中，银保护电极尖端距铂丝尖端为50-200μm，毛细玻璃管与外部套管之间用环氧树脂密封。

参见图1，本发明制备的溶解氧微电极8的使用过程为：溶解氧微电极8插入待测样品9内，溶解氧微电极8由微型操作器5(型号为MC-232)固定在微控制支架(型号为LS-18)7上并调节到合适的位置，微型操作器5是由微型步进电机6(型号为MM33)控制的，它可以实现每步移动几微米，它的动力由与PC机1相连的动力控制器3(型号为MC-232)控制。溶解氧微电极8响应的电信号通过电缆在电流放大器(型号为PA2000)4中放大，然后经A/D转换器(型号为ADC-216USB)2输入PC机1中，在PC机1上显示出信号的连续变化。

Claims

1.一种溶解氧微电极，其特征在于，该溶解氧微电极包括一个充有膜后电解液（12）的外部套管（10），外部套管（10）由碱石灰玻璃制成，其一端为尖端状，所述的外部套管（10）的尖端小于50μm，尖端注有硅橡胶膜（18）；所述的外部套管（10）的中心部位装有由铂丝（16）制成的感应阴极，所述的铂丝（16）在位于外部套管（10）尖端部有一段裸露铂丝在毛细玻璃管（14）外，裸露的铂丝被腐蚀后镀金；外部套管（10）内还装有Ag/AgCl内部参比电极和银保护阴极，其中，感应阴极和Ag/AgCl内部参比电极连接，银保护电极单独插入，银保护电极的尖端距铂丝（16）的尖端为50μm～200μm，外部套管（10）与毛细玻璃管（14）之间由环氧树脂（13）封闭，铂丝感应阴极、Ag/AgCl内部参比电极和银保护阴极的引线分别焊接于电极插头相应的接线柱上；

所述的铂丝（16）的尖端被腐蚀到25μm，镀金长度为10-20μm；

所述的银保护阴极为尖端极细的银丝制成，银丝外部包裹玻璃，其尖端1cm处被腐蚀50μm；

所述的膜后电解液（12）由1MKCl、0.3MK₂CO₃和0.2M KHCO₃的混合液组成，其体积比为2：2：1。

2.如权利要求1所述的溶解氧微电极，其特征在于，所述的硅橡胶膜的长度为10μm～20μm。

3.如权利要求1所述的溶解氧微电极，其特征在于，所述的铂丝（16）的纯度为99.99%。

4.权利要求1所述的溶解氧微电极的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

1）将一根铂丝放入毛细玻璃管中，将该毛细玻璃管固定在加热线圈中间位置，打开电源调节变压器，使毛细玻璃管熔化并使其在重力作用下将铂丝包裹；

2）将铂丝的一端2cm长的玻璃除去，使铂丝裸露，以铂丝为阳极，另取一碳棒作阴极，均置于饱和氰化钾溶液中形成回路；

3）在7V交流电压下于饱和氰化钾溶液中电解，将铂丝尖端1cm长度腐蚀到直径为25μm，再在2V的电压下继续腐蚀数秒，得到更细的尖端，腐蚀后的铂丝依次用水、10%浓度的硫酸、70%浓度的酒精冲洗；

4）以铂丝为阳极，取金丝作阴极，在1.5V直流电压下置于饱和氯金酸溶液中在铂丝尖端腐蚀处镀金30s，镀金长度约为10μm～20μm；

上述步骤1）至4）完成后制得感应阴极；

5）取一根细银丝作为保护阴极，通过加热线圈将其外部包裹上玻璃，再把尖端1cm在饱和氰化钾溶液中腐蚀成直径为50μm；

6）将一根碱石灰玻璃垂直固定在微型操作器上，通过加热线圈和调节变压器，加热两次，把碱石灰玻璃的一端制成尖端状，作为溶解氧微电极的外部套管；

7）将外部套管的尖端磨平，再把硅橡胶膜均匀的涂在载玻片上，然后将外部套管的尖端，在载玻片上轻轻蘸一下，使向尖端注入的膜长为10μm～20μm，放置24h使硅橡胶膜固化；

8）取KCl饱和溶液，以银丝作阳极，碳棒做阴极，在1.5伏的直流电压下在银丝上镀AgCl制成内部参比电极；所述的KCl饱和溶液的饱和度为71.6％；

9）配制膜后电解液，该膜后电解液由1MKCl、0.3MK₂CO₃和0.2M KHCO₃的混合液组成，其体积比为2：2：1；

10）向外部套管中注入配制的膜后电解液，再将感应阴极和内部参比电极连接起来插入外部套管中，将银保护电极单独插入外部套管中，银保护电极尖端距铂丝尖端为50-200μm，毛细玻璃管与外部套管之间用环氧树脂密封。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的碱石灰玻璃为Schott8418玻璃。