CN114062463B - 无损测量微生物和环境界面h+的微电极及其制备、测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无损测量微生物和环境界面H+的微电极及其制备、测定方法，属于微生物测定仪器领域。微电极的玻璃管为底部设有尖端的直管，尖端开口处用氢离子敏感玻璃密封，主电极丝的顶部沿轴线向上伸出内套管，内套管外周套接有外套管，内外套管壁之间填充有填充液。制备方法包括使用激光拉制仪对玻璃管进行拉制形成底部为锥形的玻璃微电极管；注入电解液，将主电极丝的末端插入玻璃管的中部，采用环氧树脂将玻璃管的顶部密封。测定包括将无损测量微生物和环境界面H+的微电极固定在三维微操仪上并控制二者的空间位置；将微电极与参比电极一同插入待测微生物内；末端连接主机并记录电压值进行分析。本发明分辨率高、灵敏度高，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及一种无损测量微生物和环境界面H+的微电极及其制备、测定方法，属于微生物测定仪器技术领域。
背景技术
微生物自身的活性的强弱依赖于进出微生物膜的各种离子，深入研究各种离子在微生物内部的微观过程及交换机制有助于揭示微生物的生理机制，同时为微生物的安全技术创新提供科学依据。
对于各种离子浓度对微生物的活性的影响通常是通过化学分析其含量的方法，传统的分析技术操作相对简单、易行,但存在着一定的局限性,主要表现在两方面:其一，破坏性大，首先要将植物组织干燥研磨处理后再通过化学分析的方法检测离子浓度,不能反映活体植物吸收金属离子的特性;其二,分辨率低,只能体现出一段时间内整个组织对某种离子吸收浓度的平均值,无法实时监测其动态变化过程。由于研究需要，科研工作者们相继开发出了一些用于活体监测的方法：同位素示踪、荧光显微成像技术和膜片钳技术等,这些方法在一定程度上可以对活体进行离子分布和运动规律的检测,但是由于技术手段的限制还是无法实时准确监测以及分辨率差的缺点。
对于环境界面而言，由于环境界面上下的介质不一样，有可能是水-气界面、水-土以及微生物膜界面中的一种或者多种，为了监测到环境界面上下瞬时的变化过程，我们需要使用感应H+的部分处于同一平面的微电极。
利用微电极对微生物和环境界面进行无损测量是一种实时、动态测定活体微生物和环境界面的新技术，通过测量进出微生物的离子的浓度反应其生活规律和生物活性，通过测量环境界面上下介质中离子浓度的变化反应出介质对离子浓度的影响。目前实验室常用的微电极都是采用离子选择性液体作为尖端开口处的填充液然后用离子半透膜封口，这样容易造成电极寿命较短和使用过程中的电解液渗透等问题。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种无损测量微生物和环境界面H+的微电极及其制备、测定方法。
为解决以上技术问题，本发明的一种无损测量微生物和环境界面H+的微电极，包括玻璃微电极管，所述玻璃微电极管为底部设有尖端的直管，所述玻璃微电极管内灌封有电解液，所述电解液内插有主电极丝，所述玻璃微电极管的直管外壁套接有内套管，所述内套管的内腔填充有环氧树脂胶，所述环氧树脂胶将玻璃微电极管的顶部密封，所述主电极丝的顶部沿轴线向上伸出内套管，所述内套管的外周套接有外套管，所述外套管的内壁与内套管的外壁之间填充有填充液，所述外套管的管口密封有环氧树脂胶，所述填充液内插有辅助电极丝，所述玻璃微电极管为石英玻璃管，所述尖端通过氢离子敏感玻璃封口。
进一步的，所述尖端的外径为1-5μm。
本发明还涉及一种无损测量微生物和环境界面H+的微电极的制备方法，包括如下步骤：
S1：选择长度为100mm、直径2mm的玻璃管；所述玻璃管为石英玻璃管；
S2：采用使用激光拉制仪对玻璃管进行拉制形成底部为锥形的玻璃微电极管；尖端采用氢离子敏感玻璃封口；
S3：选择60ml注射器，以80mL/min进行电解液注入；所述电解液为饱和氯化钾溶液；
S4：将直径0.2mm的主电极丝的末端插入玻璃管的中部，采用环氧树脂将玻璃管的顶部密封，将内部套管套在玻璃管的外部，并从外部套管尾部插入，使得锥形玻璃管尖端从外套管头部伸出50-70mm，交接处用环氧树脂密封，并在内部套管中注入环氧树脂直至充满整个内部套管；
S5：外套管和内套管中间注入电解液，插入辅助电极丝作为辅助电极后，采用环氧树脂封口并固定辅助电极丝。
进一步的，所述主电极丝和辅助电极丝的制备方法如下：取一根5-15cm的银丝，用砂纸打磨出去表面的氧化层；将打磨过的银丝接到1.5V干电池的负极上，取一根碳棒接到干电池正极上，组成回路，在饱和氯化钾溶液中电镀3s后形成Ag/AgCl金属丝。
本发明还涉及一种无损测量微生物和环境界面H+的微电极的测定方法，包括如下步骤：
S1：将无损测量微生物和环境界面H+的微电极固定在三维微操仪上；
S2：通过三维微操仪来控制过无损测量微生物和环境界面H+的微电极的空间位置；
S3：将无损测量微生物和环境界面H+的微电极与标准Ag/AgCl参比电极一同插入待测微生物内；
S4：无损测量微生物和环境界面H+的微电极与标准Ag/AgCl参比电极末端连接主机上，并记录产生的电压值；
S5：所得数据传输到终端电脑上进行记录分析；
S6：终端电脑所记录的电压值与待测体系中氢离子浓度成正比；
S7：根据电压值计算出待测体系中氢离子浓度。
进一步的，在测定之前需对无损测量微生物和环境界面H+的微电极进行标定，使用已知H+浓度的缓冲溶液进行上述步骤的测定，制作标准曲线。
进一步的，所述环境界面包括土-水界面、沉积物-水界面、水-气界面、土-气界面。
进一步的，步骤S7中所述的计算公式如下：
y=-49.5x+416.42
式中，y为电压值，x为氢离子浓度取的对数值。
相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：
1、使用石英玻璃管作为锥形玻璃微电极玻璃管，直径为1-5μm，开口处用氢离子敏感玻璃封口，避免使用H+选择性试剂和易破的半透性封口膜，在H+浓度为10-2-10-10M范围内都有很好的线性关系R2=99.9%，能斯特方程的斜率52.1±5mV/PH，微电极测试时响应时间为1-3s，同时大大延长其使用寿命；
2、使用氢离子敏感玻璃的部分只有尖端封口平面，这样就可以监测微米级别不同深度的H+浓度的变化；
3、增加辅助电极有助于屏蔽外界电磁场对微电极信号的影响，提高测量精度。
附图说明
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明，附图仅提供参考与说明用，非用以限制本发明。
图1为发明的一种无损测量微生物和环境界面H+的微电极的剖视图；
图2为图1中尖端的局部放大图；
图3为本发明的一种无损测量微生物和环境界面H+的微电极标定的示意图；
图4为本发明的一种无损测量微生物和环境界面H+的微电极测量微生物的示意图；
图5为本发明的一种无损测量微生物和环境界面H+的微电极测量沉积物-水界面不同深度H+的示意图；
图6为本发明的一种无损测量微生物和环境界面H+的微电极测定系统示意图。
图中： 1、玻璃管，1a、氢离子敏感玻璃，2、电解液，3、主电极丝，4、内套管，5、环氧树脂胶，6、外套管，7、填充液，8、辅助电极丝，9、无损测量微生物和环境界面H+的微电极，10、三维微操仪，11、标准Ag/AgCl参比电极，12、待测微生物，13、主机，14、终端电脑。
具体实施方式
在本发明的以下描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指装置必须具有特定的方位。
如图1和图2所示，本发明的一种无损测量微生物和环境界面H+的微电极，包括玻璃管1，玻璃管1为底部设有尖端的直管，玻璃管1内灌封有电解液2，电解液2内插有主电极丝3，玻璃管1的直管外壁套接有内套管4，内套管4的内腔填充有环氧树脂胶5，环氧树脂胶5将玻璃管1的顶部密封，主电极丝3的顶部沿轴线向上伸出内套管4，内套管4的外周套接有外套管6，外套管6的内壁与内套管4的外壁之间填充有填充液7，外套管6的管口密封有环氧树脂胶5，填充液7内插有辅助电极丝8，玻璃管1为石英玻璃管1，尖端通过氢离子敏感玻璃封口。尖端的外径为1-5μm。
本发明的一种无损测量微生物和环境界面H+的微电极的制备方法，包括如下步骤：
S1：选择长度为100mm、直径2mm的玻璃管1；玻璃管1为石英玻璃管；
S2：采用使用激光拉制仪对玻璃管1进行拉制形成底部为锥形的玻璃微电极管；尖端采用氢离子敏感玻璃1a封口；
S3：选择60ml注射器，以80mL/min进行电解液2注入；电解液2为饱和氯化钾溶液；
S4：将直径0.2mm的主电极丝3的末端插入玻璃管1的中部，采用环氧树脂将玻璃管1的顶部密封，将内部套管套在玻璃管1的外部，并从外部套管尾部插入，使得锥形玻璃管1尖端从外套管6头部伸出50-70mm，交接处用环氧树脂密封，并在内部套管中注入环氧树脂直至充满整个内部套管；
主电极丝3和辅助电极丝8的制备方法如下：取一根5-15cm的银丝，用砂纸打磨出去表面的氧化层；将打磨过的银丝接到1.5V干电池的负极上，取一根碳棒接到干电池正极上，组成回路，在饱和氯化钾溶液中电镀3s后形成Ag/AgCl金属丝。
S5：在外套管6和内套管4中间注入电解液2，插入辅助电极丝8作为辅助电极后，采用环氧树脂封口并固定辅助电极。
如图4至图6所示，一种无损测量微生物和环境界面H+的微电极的测定方法，包括如下步骤：
S1：将无损测量微生物和环境界面H+的微电极9固定在三维微操仪10上；
S2：通过三维微操仪10来控制过无损测量微生物和环境界面H+的微电极9的空间位置；可以实现几μm的步进；
S3：将无损测量微生物和环境界面H+的微电极与标准Ag/AgCl参比电极11一同插入待测微生物12内；环境界面包括土-水界面、沉积物-水界面、水-气界面、土-气界面。
S4：无损测量微生物和环境界面H+的微电极与标准Ag/AgCl参比电极11末端连接主机13上，并记录产生的电压值；
S5：所得数据传输到终端电脑14上进行记录分析；
S6：终端电脑14所记录的电压值与待测体系中氢离子浓度成正比；
S7：根据电压值计算出待测体系中氢离子浓度。
步骤S7中计算公式如下：
y=-49.5x+416.42
式中，y为电压值，x为氢离子浓度取的对数值。
在测定之前需对无损测量微生物和环境界面H+的微电极进行标定，使用已知H+浓度的缓冲溶液进行上述步骤的测定，制作标准曲线如图3所示。
本发明采用微电极在微生物和环境界面微观区域内，通过微电极尖端氢离子敏感玻璃实现对H+的选择性识别，测定微生物内部和环境界面不同深度的电位电势的变化，根据能斯特方程，继而实现获取微生物内部和环境界面不同深度的H+浓度实时变化情况。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
Claims (3)
1.一种无损测量微生物和环境界面H+的微电极，包括玻璃管，其特征在于：所述玻璃管为底部设有尖端的直管，所述玻璃管内灌封有电解液，所述电解液内插有主电极丝，所述玻璃管的直管外壁套接有内套管，所述内套管的内腔填充有环氧树脂胶，所述环氧树脂胶将玻璃管的顶部密封，所述主电极丝的顶部沿轴线向上伸出内套管，所述内套管的外周套接有外套管，所述外套管的内壁与内套管的外壁之间填充有填充液，所述外套管的管口密封有环氧树脂胶，所述填充液内插有辅助电极丝，所述玻璃管为石英玻璃管，所述尖端通过氢离子敏感玻璃封口；所述尖端的外径为1-5μm；
所述微电极的测定方法包括如下步骤：
S1：将无损测量微生物和环境界面H+的微电极固定在三维微操仪上；
S2：通过三维微操仪来控制过无损测量微生物和环境界面H+的微电极的空间位置；
S3：将无损测量微生物和环境界面H+的微电极与标准Ag/AgCl参比电极一同插入待测微生物内；
S4：无损测量微生物和环境界面H+的微电极与标准Ag/AgCl参比电极末端连接主机上，并记录产生的电压值；
S5：所得数据传输到终端电脑上进行记录分析；
S6：终端电脑所记录的电压值与待测体系中氢离子浓度成正比；
S7：根据电压值计算出待测体系中氢离子浓度；
所述步骤S7中的计算公式如下：
y=-49.5x+416.42
式中，y为电压值，x为氢离子浓度取的对数值。
2.一种的无损测量微生物和环境界面H+的微电极的制备方法，其特征在于：
包括如下步骤：
S1：选择长度为100mm、直径2mm的玻璃管；所述玻璃管为石英玻璃管；
S2：采用使用激光拉制仪对玻璃管进行拉制形成底部为锥形的玻璃微电极管；尖端采用氢离子敏感玻璃封口；
S3：选择60ml注射器，以80mL/min进行电解液注入；所述电解液为饱和氯化钾溶液；
S4：将直径0.2mm的主电极丝的末端插入玻璃管的中部，采用环氧树脂将玻璃管的顶部密封，将内部套管套在玻璃管的外部，并从外部套管尾部插入，使得锥形玻璃管尖端从外套管头部伸出50-70mm，交接处用环氧树脂密封，并在内部套管中注入环氧树脂直至充满整个内部套管；
S5：在外套管和内套管中间注入电解液，插入辅助电极丝作为辅助电极后，采用环氧树脂封口并固定辅助电极丝。
3.根据权利要求2所述的无损测量微生物和环境界面H+的微电极的制备方法，其特征在于，所述主电极丝和辅助电极丝的制备方法如下：取一根5-15cm的银丝，用砂纸打磨出去表面的氧化层；将打磨过的银丝接到1.5V干电池的负极上，取一根碳棒接到干电池正极上，组成回路，在饱和氯化钾溶液中电镀3s后形成Ag/AgCl金属丝。
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| CN114062463A (zh) | 2022-02-18 |
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