微电极的制作

离子选择性微电极的应用

摘要 离子选择电极是一种电化学传感体,它的电势与溶液中给定离子活度的对数成线性关系.离子选择性电极包含由特殊电活性物质组成的敏感膜,这种膜对溶液中某种离子的活度具有选择性响应,从而产生一定的平衡电势.该电势与参比电极的电势差可被测量出来,以计算特定离子的活度.本文论述了离子选择性微电极的制作,工作原理和性能参数.本文还综述了目前应用较广泛的溶解氧微电极的制作以及其工作原理.

关键词 离子选择性微电极 敏感膜 电势差 离子活度 溶解氧微电极

前言

离子选择性电极是分析溶液中离子活度紧张状态的一种新的分析工具,是过去三十多年来发展最迅速的分析技术之一.与其他方法相比,离子选择性电极法具有操作方便,分析速度快.测量范围广,灵敏度高,非破坏性等许多独特的优点.下面介绍离子选择性微电极的基本原理、电极性能参数、制作方法等. 离子选择性电极发展的一个重要方向就是微型化。七十年代初研制出了第一支直径小于1µm的液膜微电极[郑筱祥,马忠明,戴欣等.离子选择性微电极技术的研究与应用]. 以后作为一种新型的离子活度测定的技术,离子选择性微电极技术得到了迅速的发展,在环境工程方面也得到应用并逐渐走向成熟. 目前，常用的离子选择性微电极有23,,,NONOHpH等.

1.离子选择性微电极的制作

离子选择性玻璃微电极的研制过程分为2部分，第一部分是玻璃微电极的拉制、硅烷化和灌充,第二部分是离子选择性玻璃微电极的性能测试[薛琳 赵东杰 侯佩臣.自参考离子选择性电极技术应用中的微电极制备及测试]

1.1微电极的拉制：微电极采用“2次拉制”的方式，第1次拉制时，先将玻璃细管软化，拉长一段距离，使玻璃管变细。随后再对玻璃管加热做第2次拉制，使玻璃管拉制成2部分。在实际拉制过程中，由于受到环境温度、湿度等影响，加热指数需要根据实际情况调整才能得到合适形状的微电极。

1.2微电极的硅烷化：玻璃具有亲水性，而LIX是一种疏水亲脂有机物，如果不对玻璃进行预处理，则LIX灌充到玻璃微电极尖端后将逐渐被水相物质所代替，缩短使用寿命。。为了使LIX较长时间地保持在玻璃微电极尖端，延长微电极的使用寿命，在灌充LIX之前，必须要对微电极进行硅烷化处理，使之具有亲脂性。在硅烷化过程中，首先在150℃下预干燥1 h以上，除去微电极管内残存的水分和杂质；然后将微电极放置在带盖的玻璃器皿中，向玻璃器皿内倒入2mL硅烷试剂，在150℃下烘烤30min，使其蒸气进入并附着在微电极的尖端。硅烷化处理过的微电极应保存在干燥、无尘的避光容器里。当微电极重新变得亲水时表明硅烷化层已经破坏，需要重新处理。硅烷化过程是微电极制备的重要环节，微电极硅烷化处理的流程影响着电极的使用寿命及效果。

1.3微电极的灌充：离子选择性微电极做完硅烷化处理后，需灌充内充液和LIX。首先用接上细管的注射器将内充液100 mmol／L KC1溶液从电极尾部缓慢推入电极内，直至电极尖端有液体渗出。在显微镜下观察电极内是否有气泡，若存在气泡，须将电极尖端朝下放置一段时间，直至气泡完全从电极中消失。灌充好内充溶液后，将LIX灌充入微电极尖端.

1.4离子选择性微电极的性能测试

离子选择性微电极的性能测试过程试验装置由微电极、参比电极、高阻抗微电极放大器、屏蔽网和防震台、采集单元、电脑等组成。屏蔽网主要用来屏蔽外部电磁场；防震台用来降低和减小因机械震动造成的影响；微电极测得的电压信号由高阻抗微电极放大器放大后，输出给数据采集系统，再通过采集软件进行实时记录.微电极的性能参数主要包括线性响应, 响应时间,检测下限,选择性系数,稳定性等. 1.4.1线性响应[王旭东，崔星，王磊等.分离式氧微电极的性能及在 SBR 系统中的应用]

微电极线性响应标定采用三点法绘制标准曲线.利用 3 种不同溶解氧浓度的液体，用溶氧仪测定溶解氧值，同时用微电极测定对应的电流值，得出氧微电极线性标线.

1.4.2响应时间（离子选择性电极的响应值由基线跃变到稳定值的90%所需要的时间）

氧微电极的响应时间又称应答时间，即允许体系达到平衡所需要的时间.不同种类的微电极响应时间不同，一般认为小于5 min 的响应时间都是可行的.用微电极进行胞内测定时,过长的响应时间会造成细胞的严重污染而使检测结果产生偏差.试验中将制得氧微电极先插入稳定溶液中，待信号稳定后再开始曝气，1min 后停止曝气，观察其响应时间.

1.4.3检测下限

由于干扰离子的存在,当溶液中被测离子的活度较低时,电极的响应值与被测离子活度的对数值之间将不再保持线性关系, 电极的检测下限定义为响应曲线两端的直线部分的外展线交点,此点相当于溶液中难以消除的干扰离子的活度

1.4.4选择性系数（被测离子以外的其他干扰离子的活度对电极响应值的影响程度，选择性系数越小,电极对被测离子的选择性越高。）

1.4.5稳定性

微电极的稳定性主要表现在单位时间内的电势漂移量，漂移量越小,表明电极性能越稳定.在连续测量的时间范围内,响应信号基本稳定，只是有微弱波动性的时候,原因可能在于微电极没有屏蔽装置保护,易受外界其他电磁信号和微弱的震动干扰.所以测量时应尽量保持安静.

2.微电极检测系统的构建

微电极检测系统包括生物膜微型测量槽和流动单元,微电极定位系统,微电极信号采集控制系统,光源及显微系统,抗干扰系统这五个部分.整个系统可实现生物膜内微环境氧浓度的准确,自动,快速,定点分析.

2.1生物膜微型测量槽和流动单元

长好生物膜的载体固定在微型测量槽中,同时测量槽固定在光学平板上,以保证检测过程中生物膜的位置不改变.进水通过蠕动泵输送到测量槽中,反应后流到废液缸中.

2.2微电极定位系统

在研究中采用 x，y，z三维组合的电动微动平台(对微电极进行定位，它可实现对微电极的位置进行多自由度的自动调整.微动平台在水平面 x，y方向的定位精度为10μm,通过测微头手动对微电极进行定位；在垂直面z方向的定位精度为5μm，通过步进机驱动实现定位，并增加光栅尺和读数表，对z方向的实际行程进行开环控制，读数表的读数精度可达到 1μm，从而实现在z方向对氧微电极进行精确定位。电动微动平台和微型测量槽固定在同一块光学平板上，从而保证氧微电极和生物膜在检测过程中的相对位置不变。研究中通过对照步进电机的驱动位移和读数表显示的微动平台的实际运动位移来检验步进电机驱动性能的准确性。以 100μm 为步长，用步进电机驱动微动平台连续移动3000μm，并记录光栅尺读数表的读数.

2.3微电极信号采集控制系统

氧微电极的输出信号通过皮安计读取，皮安计的输出信号通过数据采集卡采集，并导入到PC 机上处理.

2.4光源及显微系统

通过显微镜和配套光源确定氧微电极在生物膜表面第一个检测点的位置.

2.5抗干扰系统

包括防震平台和抗电磁干扰屏蔽箱(长 60cm，宽 40cm，高 60cm)。由于微电极系统输入电路的输入阻抗很高，电源线和微电极输入电路之间的电容耦合是影响电极输出信号的主要干扰。这种交变电场的干扰可以通过很多方法来消弱，最方便的是屏蔽干扰源，将每根电源线用接地的金属编织网包起来。实验室搭建了一个由金属片制成的六面导通并接地的屏蔽箱，微型测量槽、氧微电极及三维电动微动平台均放置于屏蔽箱内，信号通过屏蔽线输出，整个屏蔽箱置于防震平台上。同时测试中尽量减少周围大型仪器的运作并保持周围环境安静.

3.离子选择性微电极的工作原理

离子选择性微电极是基于待测离子在离子选择性液膜上所产生的电势差来测定的.离子选择性液膜上并不给出或得到电子,而是有选择性地让一些离子通过,但它对待测离子的响应大于其它离子. 如果膜电极对被测溶液中的另一种离子也有响应,则测定结果为被测离子与干扰离子的混合电位.下面是离子选择性微电极的测试回路:

22Hg,l/ClHgKCAgClAg饱和样品离子选择性液膜膜后电解液

带下划线的部分是指示电极一离子选择性微电极,22,lClHgHgKC饱和是参比电极一甘汞电极.理想的离子选择性液膜只允许一种离子通过.液膜将含有这种特殊离子的不同浓度的两种液体隔开,通过液膜将会产生一个净传输.其它离子不能透过这种液膜,发生净电荷的传递时,液膜上就会产生电势差.最终,化学势差将会与电势差平衡,当离子传递速率为零时,就会达到一个稳定的状态.根据Nernst方程,在稳定状态时,化学势差与电势差是相平衡的:

eiaaInzFRTE

式中，R--气体常数，8.3144J/molC.。；

Z--电荷转移数；

ai,ae--样品和膜后电解液中的离子活度；

T--绝对温度;

F--法拉第常.

可以认为电解液的离子活度是常数,因此:

iiaKEEInazFRTEElog00或

式中, E--电势偏移量(例如当ai=l时); K--Nernst曲线的斜率,在25ºC时为59.6/zmV,实际并不能达到这一理论值,尤其是活度低的时候, Nernst偏移量更明显.

4.溶解氧微电极的原理

溶解氧微电极具有一个阳极，两个阴极，一根Ag/AgCl 丝作阳极，其中一根银丝作保护阴极，另一根镀金铂丝作感应阴极。待测介质中的氧扩散通过硅膜到达金阴极表面后被多孔金吸收，发生还原反应，得到的电子是由阳极发生氧化反应失去的电子，阳极与阴极之间的电子传递构成回路，该电信号的强度与在金表面被还原的氧浓度成比例，由此通过测定电信号可以定量氧的浓度

5.溶解氧微电极的制作

用于微环境检测的微电极通常做成吸管型,其中吸管型的溶解氧微电极可以分为2大类,即分离式和组合式.鉴于组合式电极的外观直径较大,不适于深入微电极测试通道中.

分离式溶解氧微电极的制作

1. 用微电极拉制仪将GGl7毛细玻璃管拉制为尖端直径在10µm的吸管型电极毛坯柱

2. 毛坯柱内灌注低熔点合金(熔点47℃)，其成分如下：44．5％Bi，22．45％Pb，19．1％In，8．3％Sn，5．3％Cd.

3. 镀金液主盐选用氯金酸，镀液中金含量为30g／L，电流密度采用0．25 A／dm2，电镀时间10～30min，温度为室温(20℃左右)．电极尖端形成镀金层，为溶解氧还原的场所.

4. 取1根铜丝插入毛细管中与低熔点合金融合，并作为导线引出，毛细管上端用环

氧树脂封口.

5. 测试中以Ag／AgCl／饱和KCl电极为参比电极，两极间添加0.6～0.8v的极化电压，产生极限扩散电流，此电流与溶解氧浓度成正比，用皮安计记录此电流的变化情况，进一步换算出溶解氧浓度.

6.溶解氧微电极的标定[邱玉琴, 施汉昌.基于氧微电极的生物膜内反应动力学参数的原位测定研究]

为了形成稳定的响应电流，电极在标定前需要预极化.以氧微电极作为工作电极，以

Ag/AgCl 电极作为参比电极，平行地摆放在电极标定室(带三个电极插孔的烧杯)中，两电极间加 0.75V 的极化电压。标定液是清水，极化时间至少 2h。然后依次往水中充氮气(氧分压为0)，混合空气(氧分压为10.5%)和空气(氧分压为21%)，通过皮安计显示电流变化情况，待读数稳定后分别记下电流读数。以氧分压为横坐标，电流大小为纵坐标，做线性拟合。由亨利定律知，一定温度下，微溶气体在溶液中的平衡组成与该气体的平衡气相分压成正比，根据标准关系曲线，结合测试温度可换算出氧浓度.