离子选择电极传感器——实现离子测量的利器

利用离子选择电极(Ion-Selective Electrode,ISE),将感受的离子转换成可用输出信号的传感器称为离子选择电极离子传感器,它利用固定在敏感膜上的粒子识别材料,有选择性地结合被传感离子,使膜电位或膜电流发生改变。ISE离子传感器是常见的离子传感器。

1.液体离子交换剂膜电极

液体离子交换剂膜电极是利用对液体有选择交换离子的离子交换膜和离子交换剂等制成的,典型结构如图4.13所示。离子交换膜是由对离子具有选择透过性的高分子材料制成的薄膜,主要利用的是它的离子选择透过性,所以离子交换膜也被称为离子选择透过性膜。离子交换剂主要采用不溶于待测溶液的溶剂且在室温下不挥发的有机液体制成。

图4.13　液体离子交换剂膜电极示意图

离子交换膜分为均相膜和非均相膜两类,它们用高分子加工成型的方法制造而成,需要保存在水中。离子交换膜的膜电阻与离子在膜中的质量摩尔浓度有关,根据不同的测定计算方法,它可分为体积电阻和表面电阻。离子交换膜的膜电阻和选择透过性是膜的电化学性能的重要指标。阳离子在阳膜中的透过性次序如下:

阴离子在阴膜中的透过性次序如下:

液体离子交换剂膜电极除能被用于上述大部分离子的分析外,还能用于分析Hg2+、苯甲酸根离子等。

2.固态膜电极

固态膜电极的一般结构如图4.14 所示,固态膜是由微溶盐制成的单晶小片制成的。固态膜对某些被分析物质的离子有选择性,离子穿过时会引起固态膜的电导和膜两端的电位发生变化,从而可以检测出被测物质的质量摩尔浓度。

(www.xing528.com)

图4.14　固态膜电极的一般结构

氟化镧(LaF3)膜是仅有的单晶膜,通过掺杂使晶体的电阻率下降,表现出离子导电性,氟化镧对氟离子敏感。

其他常用的固态离子选择电极的膜组成及其敏感的被分析离子如表4.6所示。

表4.6　常用的固态离子选择电极的膜组成及其敏感的被分析离子

3.玻璃电极

玻璃电极是较常用的pH指示电极,是用玻璃薄膜制成的对氢离子活度有电势响应的膜电极,也是最较用的氢离子指示电极。玻璃电极不受氧化剂、还原剂和其他杂质的影响,pH测量范围宽广,应用广泛,通常为圆球形,内置0.1 mol/L盐酸和Ag-AgCl电极。玻璃电极结构如图4.15所示。

玻璃电极测量氢离子活度采用电位分析法,电位分析法所用电极称为原电池。原电池的作用是使化学反应能转换为电能,此电池的电压称为电动势。此电动势由两个半电池构成,其中,一个半电池称为测量电极,其电位与特定的离子活度有关,另一个半电池为参比半电池,称为参比电极,它一般是与测量溶液相通,并与测量仪表相连。

图4.15　玻璃电极结构

玻璃电极的pH电极又称为pH探头,是pH计上与被测物质接触的部分,用来测电极电位。它是一支对于pH敏感的玻璃管,管内充填有含饱和氯化银的3 mol/L KCl缓冲溶液(pH值为7)。玻璃膜两面采用Ag-AgCl传导系统,电位差利用pH值反映。

pH探头采用先进的固体电介质和大面积聚四氟乙烯液接界,不易阻塞,维护方便。长距离的参比扩散途经极大地延长了电极在恶劣环境中的使用寿命。新型设计的玻璃球泡增加了球泡面积,可防止内缓冲液中干扰气泡的生成,使测量结果更加可靠。玻璃电极采用优质低噪声电缆,可使信号输出长度大于20 m 时无干扰。其pH测量范围为0～14,工作温度为0℃～80℃。pH探头适用于化工、酸洗、制药、印染、造纸等行业的废水监测,以及医药、电镀、生物医疗、电厂等行业的纯水和高纯水测量。