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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft das Gebiet von pH-Elektroden und insbesondere eine pH-Elektrode mit niedriger Steilheit.
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2. Problemdarstellung
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Ein Maß für die Ionenkonzentration eines Fluids ist in vielen Situationen erwünscht, u. a. Testen von Fluiden in Fertigungsumgebungen, zur pharmazeutischen Produktion, Nahrungsmittelverarbeitung und/oder Nahrungsmittelqualität, Testen der Wasserqualität usw. Das Messen einer Ionenkonzentration oder -aktivität kann auf den Abschluss einer Reaktion verweisen, Bruchteile von Komponenten anzeigen usw. Zu einem Maß kann ein pH-Maß gehören, das ein Maß für die Azidität des getesteten Fluids aufweist. Die pH-Messung kann das (die) saure oder alkalische Milieu oder Konzentration des Fluids anzeigen.
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Zu einer pH-Messung gehört eine Messung von Wasserstoffionen in einer Lösung, ausgedrückt als logarithmische Zahl zwischen etwa null und vierzehn (die für äußerst saure Lösungen mitunter bis in die negativen Zahlen geht). Auf der pH-Skala hat eine stark saure Lösung einen niedrigen pH-Wert, z. B. null oder eins, der einer großen Konzentration von Wasserstoffionen (H+) entspricht. Dagegen hat eine stark alkalische Lösung einen hohen pH-Wert, der einer sehr kleinen Anzahl von Wasserstoffionen (oder einer entsprechend großen Anzahl von OH–Ionen) entspricht. Eine neutrale Lösung, z. B. im Wesentlichen reines Wasser, hat einen pH-Wert von etwa sieben.
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Eine pH-Elektrode ist eine Elektrode, die ein Spannungspotenzial in Relation zum pH-Wert einer Lösung erzeugt. Natürlich sind Empfindlichkeit und Genauigkeit wichtige Kennwerte einer pH-Elektrode. Glaselektroden, die als pH-Sensoren verwendet werden, sind so gestaltet, dass sie auf den pH einer Lösung reagieren, wobei das gemessene elektrische Potenzial (mV) auf der y-Achse und pH-Einheiten auf der x-Achse eines Diagramms aufgetragen werden.
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1 zeigt eine pH-Elektrode des Stands der Technik. Bei der pH-Elektrode des Stands der Technik handelt es sich um ein Glasrohr mit einem ionenempfindlichen Glaskolben an einem Ende, und ferner weist das Rohr einen Elektrolyt und ein inneres Elektrodenelement auf. Normalerweise ist die pH-Elektrode des Stands der Technik aus zwei Arten von Glas aufgebaut. Der Schaft der Elektrode ist ein nicht leitendes, nicht reagierendes Glas, während die Spitze, die zumeist blasenförmig ist, ein speziell formuliertes pH-empfindliches, Lithiumionen leitendes Glas ist, das aus den Oxiden von Kieselerde, Lithium und anderen Elementen besteht. Durch die Struktur des pH-Glases können Lithiumionen durch Wasserstoffionen in wässrigen Lösungen ausgetauscht werden, was eine auf Wasserstoffionen reagierende Schicht auf der Außenseite des Kolbens bildet. Ein Millivoltpotenzial wird über der Grenzfläche zwischen dem pH-empfindlichen Glas und der äußeren wässrigen Lösung erzeugt. Der Innenelektrolyt reagiert mit dem ionenempfindlichen Glas, was ein Innenpotenzial bildet.
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Die Größe des Potenzials auf der Außenfläche hängt vom pH-Wert der gemessenen Lösung ab. Die Differenz zwischen dem äußeren und inneren Oberflächenspannungspotenzial (Vaußen minus Vinnen), die an der äußeren und inneren hydrierten Schicht des pH-Glases erzeugt werden, kann über elektrochemischen Kontakt durch eine Innenelektrode gemessen werden, die mindestens teilweise in eine Innenelektrolytlösung eingetaucht ist. Da die Innenlösung der Glaselektrode auf einem konstanten pH gehalten wird, hängt die gemessene Potenzialdifferenz nur vom pH-Wert der gemessenen Außenlösung ab.
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Oft ist eine Referenzelektrode in einer separaten Kammer und Lösung vorgesehen, die auch in Ionenkommunikation mit dem getesteten Fluid stehen. Dadurch wird ein Spannungspotenzial zwischen den beiden Elektroden ähnlich wie in einer Batterie erzeugt. Das Spannungspotenzial, das zwischen den Elektroden aufgebaut wird, steht direkt mit der Wasserstoffionenkonzentration der Lösung in Beziehung. Die Referenzelektrode sorgt für ein stabiles Potenzial, mit dem die Messelektrode verglichen werden kann. Verarbeiten lässt sich das Spannungspotenzial gemäß einer Tabelle, Formel oder einem anderen Algorithmus, um zu einer Ionenkonzentrationsmessung zu gelangen, beispielsweise zu einem pH-Wert.
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Aspekte der Erfindung
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In einem Aspekt der Erfindung weist eine pH-Elektrode mit niedriger Steilheit auf:
einen Elektrodenkörper;
ein pH-empfindliches Glas, das in den Elektrodenkörper eingeschmolzen ist, wobei das pH-empfindliche Glas eine vorbestimmte Fläche aufweist; und
eine Maske, die über einem vorbestimmten Anteil der vorbestimmten Fläche des pH-empfindlichen Glases gebildet ist, um eine pH-Charakteristik mit niedriger Steilheit zu bilden, wobei mindestens ein Anteil eines durch das pH-empfindliche Glas durchgeführten Ionenaustausches durch die Maske blockiert ist.
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Vorzugsweise verfügt die pH-Elektrode mit niedriger Steilheit ferner über ein Elektrodenelement, das innerhalb des Elektrodenkörpers positioniert ist, eine pH-Pufferlösung, die den Elektrodenkörper im Wesentlichen füllt, und eine Dichtung, die den Elektrodenkörper im Wesentlichen abdichtet.
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Vorzugsweise weist die Maske ein nicht auf Wasserstoffionen reagierendes Material auf.
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Vorzugsweise weist die Maske ein nicht auf Hydroniumionen reagierendes Material auf.
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Vorzugsweise weist die Maske ein im Wesentlichen nicht poröses Material auf.
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Vorzugsweise weist die Maske ein minimal poröses Material auf.
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Vorzugsweise ist die Maske auf einer Außenfläche des pH-empfindlichen Glases gebildet.
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Vorzugsweise ist die Maske mit einer vorbestimmten Dicke gebildet.
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Vorzugsweise ist die Maske in einem vorbestimmten Muster gebildet.
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Vorzugsweise ist die Maske auf einer Außenfläche und/oder einer Innenfläche des pH-empfindlichen Glases gebildet.
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Vorzugsweise weist die pH-Elektrode mit niedriger Steilheit eine nicht-Nernstsche pH-Elektrode auf.
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In einem Aspekt der Erfindung weist ein Verfahren zur Bildung einer pH-Elektrode mit niedriger Steilheit auf:
Bilden eines Elektrodenkörpers mit einer Sensoröffnung;
Einschmelzen eines pH-empfindlichen Glases mit einer vorbestimmten Fläche in die Sensoröffnung; und
Maskieren eines vorbestimmten Anteils der vorbestimmten Fläche, um eine pH-Charakteristik mit niedriger Steilheit zu bilden, wobei mindestens ein Anteil eines durch das pH-empfindliche Glas durchgeführten Ionenaustausches blockiert wird.
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Vorzugsweise weist das Verfahren ferner auf: Positionieren eines Elektrodenelements innerhalb des Elektrodenkörpers, im Wesentlichen erfolgendes Füllen des Elektrodenkörpers mit einer pH-Pufferlösung, und im Wesentlichen erfolgendes Abdichten des Elektrodenkörpers.
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Vorzugsweise weist die Maske ein nicht auf Wasserstoffionen reagierendes Material auf.
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Vorzugsweise weist die Maske ein nicht auf Hydroniumionen reagierendes Material auf.
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Vorzugsweise weist die Maske ein im Wesentlichen nicht poröses Material auf.
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Vorzugsweise weist die Maske ein minimal poröses Material auf.
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Vorzugsweise wird die Maske auf einer Außenfläche des pH-empfindlichen Glases gebildet.
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Vorzugsweise wird die Maske mit einer vorbestimmten Dicke gebildet.
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Vorzugsweise wird die Maske in einem vorbestimmten Muster gebildet.
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Vorzugsweise wird die Maske auf einer Außenfläche und/oder einer Innenfläche des pH-empfindlichen Glases gebildet.
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Vorzugsweise weist die pH-Elektrode mit niedriger Steilheit eine nicht-Nernstsche pH-Elektrode auf.
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Beschreibung der Zeichnungen
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In allen Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente.
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1 zeigt eine pH-Elektrode des Stands der Technik.
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2 zeigt eine pH-Elektrode mit niedriger Steilheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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3 ist ein Modell einer erfindungsgemäßen pH-Elektrode mit niedriger Steilheit.
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4 ist ein Diagramm der pH-Steilheit als Funktion der Fläche eines pH-empfindlichen Glases, die mit einer Maske abgedeckt ist.
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5 ist ein Diagramm eines Beispiels für eine pH-Elektrode mit niedriger Steilheit gemäß jeder Ausführungsform der Erfindung im Vergleich zu einer standardmäßigen (d. h. dem Stand der Technik entsprechenden) pH-Elektrode.
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6 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zur Bildung einer pH-Elektrode mit niedriger Steilheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Nähere Beschreibung der Erfindung
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1 bis 6 und die folgende Beschreibung stellen spezifische Beispiele dar, um dem Fachmann zu vermitteln, wie die Erfindung am besten herzustellen und zu verwenden ist. Zum Lehren der Erfindungsgrundsätze wurden einige herkömmliche Aspekte vereinfacht oder weggelassen. Anhand dieser Beispiele wird der Fachmann Varianten erkennen, die in den Schutzumfang der Erfindung fallen. Der Fachmann wird erkennen, dass die später beschriebenen Merkmale auf verschiedene Weise kombiniert werden können, um zahlreiche Varianten der Erfindung zu bilden. Als Ergebnis ist die Erfindung nicht auf die später beschriebenen spezifischen Beispiele, sondern nur durch die Ansprüche und ihre Äquivalente beschränkt.
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2 zeigt eine pH-Elektrode 100 mit niedriger Steilheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In der gezeigten Ausführungsform weist die pH-Elektrode 100 mit niedriger Steilheit einen Elektrodenkörper 102, ein Elektrodenelement 108, eine den Elektrodenkörper 102 im Wesentlichen füllende pH-Pufferlösung 105 und einen Bereich aus pH-empfindlichem Glas 122 auf. Eine Dichtung 113 dichtet den Elektrodenkörper 102 im Wesentlichen ab. In dieser Ausführungsform liegt der Bereich aus pH-empfindlichem Glas 122 an einem Spitzen- oder Endbereich des Elektrodenkörpers 102, verständlich sollte aber sein, dass der Bereich aus pH-empfindlichem Glas 122 an beliebiger Stelle auf dem Elektrodenkörper 102 liegen könnte. Ferner kann die pH-Elektrode mit niedriger Steilheit in jeder gewünschten Form und Größe gebildet sein. Alternativ kann das pH-empfindliche Glas 122 jedes andere geeignete pH-empfindliche Material aufweisen.
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Die Erfindung schafft eine pH-Glaselektrode mit niedriger Steilheit mit Hilfe einer standardmäßigen pH-Glaselektrode und eines Isoliermaterials, das auf eine Fläche des Glases aufgebracht ist. Die Erfindung löst das Problem der Herstellung einer pH-Elektrode mit niedriger Steilheit durch teilweises Abdecken der Oberfläche eines standardmäßigen pH-Glaskolbens mit einem nicht porösen, nicht auf Hydroniumionen reagierenden Stoff.
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Im Gebrauch werden Lithiumionen aus dem Glas gegen Wasserstoffionen in wässrigen Lösungen ausgetauscht, was eine reagierende Schicht auf der Außenseite des pH-empfindlichen Glases 122 bildet. Folglich entwickelt sich ein Millivoltpotenzial über der Grenzfläche zwischen dem pH-empfindlichen Glas 122 und der äußeren wässrigen Lösung. Der Innenelektrolyt reagiert mit dem pH-empfindlichen Glas 122 und überträgt das durch die Ionen an der Außenseite des pH-empfindlichen Glases 122 entwickelte Potenzial zum inneren Elektrodenelement 108.
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Zum Bereich aus pH-empfindlichem Glas 122 gehört eine Maske 124. Das pH-empfindliche Glas 122 weist eine vorbestimmte Fläche auf. Die Maske 124 deckt einen vorbestimmten Anteil dieser vorbestimmten Fläche ab.
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Die Größe des (der) vorbestimmten Maskenanteils/Fläche kann nach Bedarf variiert werden, um die Steilheit der Ionenreaktion der pH-Elektrode mit niedriger Steilheit zu steuern. Bedeckt die Maske 124 einen relativ kleinen Anteil der Fläche des pH-empfindlichen Glases 122, kann die Steilheit relativ groß sein (verglichen mit einer pH-Elektrode ohne Maske). Bedeckt die Maske 124 einen relativ großen Anteil der Fläche des pH-empfindlichen Glases 122, ist die Steilheit relativ niedrig. In einigen Ausführungsformen kann die Steilheit gegen null gehen, wobei der Ionenaustausch über das pH-empfindliche Glas 122 minimal (oder im Wesentlichen nicht vorhanden) ist.
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Die Maske 124 kann jedes nicht auf Wasserstoffionen reagierende Material aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die Maske 124 vollständig nicht porös sein. Die Maske 124 kann im Wesentlichen nicht porös sein oder kann minimal porös sein, so dass Wasserstoff-/Hydroniumionen von der Oberfläche des pH-empfindlichen Glases 122 ferngehalten werden.
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Die Maske 124 kann mit jeder praktischen Dicke gebildet sein. Wichtig ist die Dicke nur, solange Ionen nicht die Oberfläche des pH-empfindlichen Glases 122 erreichen können.
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Die Maske 124 kann eine gleichmäßige Schicht aufweisen. Die Maske 124 kann auf jede gewünschte ungleichmäßige Weise gemustert oder aufgebracht sein. Der interessierende Kennwert ist die Fläche der Maske 124 in Relation zur Fläche des pH-empfindlichen Glases 122, wobei das Verhältnis der Fläche der Maske 124 zur Fläche des pH-Glases 122 gesteuert werden kann, um die Steilheit der Ionenaustauschkennlinie zu beeinflussen.
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Die Maske 124 kann auf das pH-empfindliche Glas 122 aufgeschmolzen oder daran anderweitig dauerhaft befestigt sein. Die Maske 124 kann mit dem pH-empfindlichen Glas 122 verbunden oder verklebt sein. Die Maske 124 kann am pH-empfindlichen Glas 122 durch statische Elektrizität oder über Klebrigkeit oder andere Halbhaftung gehalten werden. Die Maske 124 kann ein Klebeband oder eine Klebefolie aufweisen. Die Maske 124 kann auf das pH-empfindliche Glas 122 aufgespritzt oder anderweitig abgeschieden sein. Die Maske 124 kann am Elektrodenkörper durch jede Art von Aufbau gehalten werden.
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In einigen Ausführungsformen ist die Maske 124 auf die Außenfläche des pH-empfindlichen Glases 122 darstellungsgemäß aufgebracht. Die pH-Elektrode 100 mit niedriger Steilheit verkleinert die Außenflächengröße, die den Hydroniumionen in der zu messenden Lösung zur Verfügung steht.
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Erreicht wird dies durch Beschichten verschiedener Anteile der Außenfläche des pH-empfindlichen Glases 122 mit Masken 124, u. a. beispielsweise mit Nagellack, Epoxidharz Dow DP 190 oder Heißschmelzkleber. Der Gebrauch dieser Verbindungen zum Abdecken verschiedener Glasmengen veranschaulicht nur den Grundsatz. Es gibt zahlreiche andere Verbindungen, die zum Einsatz kommen können, zu denen u. a., aber nicht ausschließlich, ein nicht pH-empfindliches Glas, Kunststoffpolymere, Epoxidharze und alle anderen ausreichend nicht porösen Materialien zählen.
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In einigen Ausführungsformen kann das Maskenmaterial reaktionsunfähig mit Wasserstoffionen sein. Gleichwohl sollte verständlich sein, dass jedes geeignete Material oder alle geeigneten Materialien verwendet werden können.
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In einigen Ausführungsformen kann die Maske 124 ein einzelnes Material aufweisen. Alternativ kann die Maske 124 mehrere Schichten aufweisen, darunter Schichten aus ähnlichen oder unterschiedlichen Materialien. Die Schichten können sich in Zusammensetzung, Dicke oder verschiedenen anderen Materialeigenschaften ähneln oder können sich unterscheiden.
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3 ist ein Modell der erfindungsgemäßen pH-Elektrode 100 mit niedriger Steilheit. In der Zeichnung bezeichnet Eglass das zu messende Elektrodenpotenzial, und (S) ist die Steilheit der Spannungspotenzial-Ionenreaktion des Glases in mV/pH. Mit (Rs) ist der elektrische Widerstand in der hydrierten Oberflächenschicht bezeichnet, und (Rb) bezeichnet den elektrischen Widerstand in der Glashauptmasse (d. h. im Glaselektrodenkörper 102). Mit (pHi) ist der pH-Wert (oder die Messung) an der Innenfläche des Elektrodenkörpers 102 der Glashauptmasse bezeichnet, und (pHx) bezeichnet den pH-Wert an der Außenfläche der Glashauptmasse des Elektrodenkörpers 102. Mit (pHi^) ist der pH-Wert (oder die Messung) an der Innenfläche des beschichteten oder maskierten pH-empfindlichen Glases 122 bezeichnet, und (pHx^) bezeichnet den pH-Wert an der Außenfläche des beschichteten oder maskierten pH-empfindlichen Glases 122.
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Der pH der Innenfüllungslösung wird mit 7 angenommen, könnte aber ein unterschiedlicher pH sein. Der Gesamtwiderstand RTOTAL um die Schleife in der Zeichnungen kann dargestellt werden als: RTOTAL = ΣR ≡ Rb1 + Rb2 + 2·Rs (1) Eglass = (S/ΣR)·[(pHi – pHx)·(Rb2 + 2Rs) + Rb1·(pHi^ – pHx^)] (2)
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Die vier interessierenden Fälle sind:
- 1) keine aufgebrachte Beschichtung, wobei pHi^ = pHi und pHx^ = pHx;
- 2) Außenbeschichtung aufgebracht, wobei pHi^ = pHi und pHx^ = effektiver Innenglas-pH;
- 3) Innenbeschichtung aufgebracht, wobei pHi^ = effektiver Innenglas-pH und pHx^ = pHx; und
- 4) Außen- und Innenbeschichtung aufgebracht, wobei pHi^ = pHx^ = effektiver Innenglas-pH.
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Aus empirischen Tests geht hervor, dass der effektive Innenglas-pH zwischen 7 und 10 für die meisten Silikatglasformulierungen liegt, obwohl andere Werte möglich sind. Ersetzt man in den verschiedenen Ausdrücken pHx^ und pHi^, ergeben die vier Fälle:
- 1) Eglass = S·(pHi – pHx);
- 2) Eglass = (S/ΣR)·(pHi – pHx)·(Rb2 + 2Rs) + Rb1·(pHi – 10)];
- 3) Eglass = (S/ΣR)·[(pHi – pHx)·(Rb2 + 2Rs) + Rb1·(10 – pHx)] und
- 4) Eglass = (S/ΣR)·[(pHi – pHx)·(Rb2 + 2Rs)].
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Fall 1 (keine Beschichtung) ist erwartungsgemäß die Gleichung für ein unbeschichtetes Elektrodensystem.
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Fall 2 (Außenbeschichtung) zeigt ein System, in dem die Steilheit um den Faktor K reduziert ist, wobei ein addierter Versatz dazu gehört. Definitionsgemäß ist der Faktor K: K = (Rb2 + 2Rs)/ΣR (3)
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Zudem ist ein Versatzterm addiert.
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Fall 3 (Innenbeschichtung) zeigt ein System, in dem die Steilheit nicht reduziert ist, aber ein Versatzterm addiert ist.
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Fall 4 zeigt ein System wie das von Fall 1, in dem kein Versatzterm erscheint, und die Steilheit ist um den Faktor K reduziert.
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Angenommen wird, dass die Werte für Rs, den Widerstand durch die hydrierte Glasschicht, sehr viel kleiner als die für die unhydrierten Abschnitte der Glashauptmasse sind. Rb1 und Rb2 können zum Prozentsatz der abgedeckten Glasfläche in Beziehung gesetzt werden. Unter der Annahme einer konstanten Kolbendicke ergibt der spezifische Durchgangswiderstand des Glases einen Leitwert pro Flächeneinheit.
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σ sei der Gesamtleitwert der Kolbenfläche, Ac der prozentuale Anteil der Fläche, die durch eine Beschichtung abgedeckt ist, die als elektrischer Isolator angenommen wird, und Anc der prozentuale Anteil der Fläche, die nicht durch die Beschichtung abgedeckt ist. Zu beachten ist, dass die Flächen Ac und Anc in der Addition einhundert Prozent der Fläche des pH-empfindlichen Glases 122 ergeben. Hierbei sind der Term Rb2 (der Widerstand der beschichteten Fläche) und der Term Rb1 (der Widerstand der unbeschichteten Fläche) gegeben als: Rb2 = 1/[σt·Anc] (4) Rb1 = 1/[σt·Ac] (5)
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Dann ist die reduzierte Steilheit S' gegeben durch: S' = S·Rb2/(Rb1 + Rb2) (6) S' = S·{1/(σt·Anc]}/{1/[σt·Anc] + 1/[σt·Ac]} (7)
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Dies vereinfacht sich zu: S' = S·Anc/100 = S·(1 – Ac/100) (8)
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Als Ergebnis steht die Fähigkeit, die voltaische Reaktion pro Änderungseinheit des pH-Messwerts zu steuern. Dieses Modell ist eine einfache Darstellung eines komplexen Aufbaus, hat aber Ergebnisse, die Versuchsbefunden erstaunlich nahe kommen.
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4 ist ein Diagramm der pH-Steilheit als Funktion der Fläche des pH-empfindlichen Glases 122, die mit der Maske 124 abgedeckt ist. Das Diagramm zeigt, dass empirische Messungen die zuvor gezeigte und diskutierte Mathematik bestätigen. Aus dem Diagramm geht hervor, dass die Reaktionssteilheit mit dem Prozentsatz der maskierten Fläche im Wesentlichen linear variiert. verständlich sollte sein, dass die Steilheit S der voltaischen Elektrodenreaktion erfindungsgemäß variiert werden kann. Das Diagramm zeigt, dass eine gewünschte voltaische Reaktionssteilheit erreicht werden kann.
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Verständlich sollte sein, dass anders als bei speziell hergestelltem pH-empfindlichem Glas mit niedriger Steilheit die Steilheit S der Elektrodenreaktion der pH-Elektrode 100 mit niedriger Steilheit jeden gewünschten Wert haben kann. Die Steilheit S für die pH-Elektrode 100 mit niedriger Steilheit kann nach Herstellung geändert werden. Die Steilheit S für die pH-Elektrode 100 mit niedriger Steilheit kann modifiziert, rekonfiguriert oder rekalibriert werden. Die Steilheit S für die pH-Elektrode 100 mit niedriger Steilheit kann jederzeit geändert werden, u. a. durch Entfernen der gesamten Maske 124 oder eines Teils davon oder durch Zufügen einer darüber liegenden oder zusätzlichen Maske 124, darunter Zufügen von Maskenmaterial, das zu einer vorhandenen Maske 124 zugefügt wird und/oder diese überlappt.
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5 ist ein Diagramm eines Beispiels für eine pH-Elektrode 100 mit niedriger Steilheit gemäß jeder Ausführungsform der Erfindung im Vergleich zu einer standardmäßigen (d. h. dem Stand der Technik entsprechenden) pH-Elektrode, wenn beide voltaischen Reaktionen herkömmlich aufgetragen sind. Die erfindungsgemäße pH-Elektrode 100 mit niedriger Steilheit hat eine reduzierte pH-Empfindlichkeit. Beim Auftragen in einem Diagramm hat daher die Reaktionslinie der pH-Elektrode 100 mit niedriger Steilheit eine kleinere Steilheit, beispielsweise eine Steilheit zwischen –1 mV/pH-Einheit und –50 mV/pH-Einheit. Außerdem zeigt die Zeichnung die voltaische Reaktion einer pH-Standardelektrode 100 für S = –59 mV/pH (diese Steilheit ist nur als Beispiel gewählt). Vielfältige Glasformulierungen reagieren auf den pH so, dass sie eine Standardsteilheit von etwa –59 mV/pH-Einheit erzeugen. Im Wesentlichen alle etablierten Formulierungen für pH-Glas erzeugen diese Standardsteilheit von etwa –59 mV/pH-Einheit.
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6 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zur Bildung einer pH-Elektrode mit niedriger Steilheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Im Schritt 601 wird ein Elektrodenkörper hergestellt. Der Elektrodenkörper ist im Wesentlichen hohl und kann mindestens zwei Öffnungen in der Elektrodenkörperwand aufweisen; eine Sensoröffnung zum Aufnehmen des pH-empfindlichen Glases und eine Öffnung oder ein offenes Ende zum Einsetzen von Komponenten. Der Elektrodenkörper kann jede gewünschte Form, Größe, Innenvolumengröße, Haltbarkeit, Zusammensetzung, Wanddicke usw. haben. In einigen Ausführungsformen ist der Elektrodenkörper aus Standardglas hergestellt, das nicht auf einen pH von Lösungen innerhalb und außerhalb der Elektrode reagiert. Der Elektrodenkörper kann die Sensoröffnung aufweisen, die so gestaltet ist, dass sie ein Stück aus pH-empfindlichem Material aufnimmt, beispielsweise pH-empfindliches Glas.
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Im Schritt 602 wird ein Stück aus pH-empfindlichem Glas in die Sensoröffnung eingebaut, z. B. durch Verschmelzen eines Stücks aus pH-empfindlichem Glas mit dem umliegenden Glas des Elektrodenkörpers.
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Im Schritt 603 wird ein Anteil des pH-empfindlichen Glases maskiert. Die Maske deckt einen vorbestimmten Anteil des pH-empfindlichen Glases ab. Daher senkt/verringert die Maske die Steilheit eines durch das pH-empfindliche Glas durchgeführten Ionenaustausches.
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Im Schritt 604 wird ein geeignetes Elektrodenelement im Elektrodenkörper positioniert.
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Im Schritt 605 wird der Elektrodenkörper mit einer pH-Pufferlösung im Wesentlichen gefüllt.
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Im Schritt 606 wird der Elektrodenkörper im Wesentlichen abgedichtet, z. B. durch einen Stopfen oder eine Dichtung. Die fertiggestellte pH-Elektrode mit niedriger Steilheit wird im Wesentlichen abgedichtet, um Fluidtransfer in den Elektrodenkörper oder aus ihm zu unterbinden.
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Die Maske kann Material aufweisen, das zugefügt wird, nachdem der Elektrodenkörper gebildet wurde. Daher kann die Maske bei Bedarf später zugefügt werden.
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Bei Bedarf kann die Maske temporär oder kurzzeitig sein. Die Maske kann entfernbar sein. Die Maske kann repositionierbar sein. Die Maske kann wiederverwendbar sein.
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Die Maske kann spezifisch anpassbar sein und kann für eine spezielle Elektrodenanwendung bemessen sein.
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Die Maske kann vor dem Aufbringen in ihre Größe gebracht werden. Alternativ kann die Maske auf den Elektrodenkörper aufgebracht und dann geschnitten, zugeschnitten, abgerieben oder auf gewisse Weise entfernt werden, z. B. durch Laserbeschneiden.
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Die Maske kann aus Glas gebildet sein. Die Maske kann aus anderen Materialien als Glas gebildet sein, beispielsweise aus Kunststoff. Die Maske kann im Wesentlichen steif oder im Wesentlichen flexibel sein. Die Maske kann mit dem Elektrodenkörper verschmolzen werden oder Teil davon werden. Die Maske kann vom Elektrodenkörper getrennt sein und daran entfernbar oder dauerhaft befestigt werden.
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Die Maske kann kein Verschmelzen oder Glasieren erfordern. Die Maske kann keine hohen Temperaturen zum Aufbringen oder eine der teuren Ausrüstungen erfordern, die zum Erzeugen hoher Temperaturen über lange Zeitspannen zum Verschmelzen oder Glasieren nötig sind. Die Maske kann bei Temperaturen unter einem Glasübergangspunkt oder Glasschmelzpunkt aufgebracht werden.
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In einigen Ausführungsformen ist die Maske 124 unabhängig vom Elektrodenkörper 102. Alternativ kann die Maske 124 mit der Glashauptmasse 102 und/oder dem ph-empfindlichen Glas 122 verklebt, verschmolzen oder anderweitig verbunden werden. In diesen Ausführungsformen kann die Maske 124 zu einem Teil des Elektrodenaufbaus werden.
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In einigen Ausführungsformen kann die Maske 124 am pH-empfindlichen Glas 122 nur um eine Begrenzung befestigt werden, was ein Volumen zwischen der Maske 124 und dem pH-empfindlichen Glas 122 erzeugt. Folglich kann ein Pufferfluid, Luft oder ein anderes nicht leitendes Gas das Volumen füllen.
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Die näheren Beschreibungen der vorstehenden Ausführungsformen sind keine erschöpfenden Beschreibungen aller Ausführungsformen, von denen im Rahmen der Erfindung erwogen ist, dass sie im Schutzumfang der Erfindung liegen. Der Fachmann wird durchaus erkennen, dass bestimmte Elemente der zuvor beschriebenen Ausführungsformen verschieden kombiniert werden oder entfallen können, um zu weiteren Ausführungsformen zu gelangen, und solche weiteren Ausführungsformen fallen in den Schutzumfang und die Lehren der Erfindung. Außerdem wird dem Fachmann klar sein, dass die zuvor beschriebenen Ausführungsformen insgesamt oder teilweise kombiniert werden können, um zu zusätzlichen Ausführungsformen im Schutzumfang und in den Lehren der Erfindung zu gelangen. Somit sollte der Schutzumfang der Erfindung anhand der nachfolgenden Ansprüche bestimmt werden.
