具有电荷转移成分的低斜率pH电极的制作方法
【专利说明】具有电荷转移成分的低斜率PH电极
[0001]要求优先权
[0002]本发明要求2013年3月15日提交的题目为“具有电荷转移成分的低斜率pH电极”的在先美国专利申请系列N0.13/832，685的利益，其内容通过引用将其整体结合在此。
【背景技术】
[0003]在此描述的主题一般地涉及基于电位传感器(基于电势差或电压测量)的用于溶液中具体离子活性或浓度的测量的设备和方法。上述测量的例子是使用PH计测定溶液的pH值。
[0004]电势测量系统中，测量电路被设计成使用通过测量读出的相对电压和参考电极的读数来计算离子浓度(在PH计的情况下氢离子浓度)。通常，通过电极测量半电池读出电压，并且通过电连接到合适测量计(测量电路)的参考半电池读出电压。公知使用所述PH测量系统可以测量给定样品溶液中的氢离子浓度。
[0005]在通常的组装中，在完整电池中与测量电极一起使用参考电极(例如Ag/AgCl电极)。可以一起使用这些参考电极和测量电极来确定样品中的离子浓度(例如，PH或其他离子)。将参考电极设计成在测量过程全程尽可能地维持其电势恒定。相反，将所述测量电极设计成其电势是被测试离子的浓度的函数。参考电极电势的稳定性已经通过饱和电解质盐桥或结点(junct1n)的存在而得到。参考电解质通过结点缓慢泄漏。可以用参考电极和测量电极之间的相对电势差计算样品中离子的浓度，并可以在毫伏(mV)仪器(电位计)上显示。
[0006]完整电池的电势可以表示为:
[0007]Ecell= Eneas-(Eref+Ej)
[0008]其中E_s、Eraf和E j是测量电极、参考电极和结点的电势。
[0009]电极半电池(参考和测量)电连接到pH测量电路以产生以毫伏计的测量结果。毫伏读数可以用于表示被测量溶液中的氢离子活性。上述通常的系统及其组成是本领域技术人员熟知的并且可用在来自多个制造商例如Hach Company of Loveland，C0.的商业化市场中。因此，当本文说明书描述涉及通常的部件例如PH玻璃的参考实施例时，其意在说明通常的部件，比如在商业化市场中Hach Company of Loveland, C0.售卖的类型的pH玻璃。
[0010]发明概述
[0011]概括地，一方面提供低斜率电极装置，其包括:至少一个电极；至少一个容器，其至少部分地封装所述至少一个电极并具有至少一个离子敏感区域；具有至少一个分隔元件的外部缓冲剂容器，所述分隔元件将所述至少一个离子敏感区域分隔为:第一离子敏感区域，其将浸泡所述至少一个电极的内部缓冲剂溶液和外部样品溶液分隔；和第二离子敏感区域，其将浸泡所述至少一个电极的所述内部缓冲剂溶液和外部缓冲剂溶液分隔；其中所述至少一个分隔元件、所述第一离子敏感区域和所述第二离子敏感区域建立电荷流动电路。
[0012]另一个方面提供一种系统，所述系统包括:至少一个低斜率电极装置，所述低斜率电极装置包括:至少一个电极；至少一个容器，其至少部分地封装所述至少一个电极并具有至少一个离子敏感区域；具有至少一个分隔元件的外部缓冲剂容器，所述分隔元件将所述至少一个离子敏感区域分隔为:第一离子敏感区域，其将浸泡所述至少一个电极的内部缓冲剂溶液和外部样品溶液分隔；和第二离子敏感区域，其将浸泡所述至少一个电极的所述内部缓冲剂溶液和外部缓冲剂溶液分隔；其中所述至少一个分隔元件、所述第一离子敏感区域和所述第二离子敏感区域建立电荷流动电路；至少一个测量电极装置；和处理器，所述处理器被配置成利用源自至少一个低斜率电极装置和至少一个测量电极装置的信号以产生pH测量输出。
[0013]进一步的方面提供一种方法，所述方法包括:形成至少一个低斜率电极装置，所述设备包括至少一个电极；至少一个容器，其至少部分地封装所述至少一个电极并具有至少一个离子敏感区域；具有至少一个分隔元件的外部缓冲剂容器，所述分隔元件将所述至少一个离子敏感区域分隔为:第一离子敏感区域，其将浸泡所述至少一个电极的内部缓冲剂溶液和外部样品溶液分隔；和第二离子敏感区域，其将浸泡所述至少一个电极的所述内部缓冲剂溶液和外部缓冲剂溶液分隔；其中所述至少一个分隔元件、所述第一离子敏感区域和所述第二离子敏感区域建立电荷流动电路；形成至少一个包括至少一个测量电极的测量电极装置；和将所述至少一个低斜率电极装置和所述至少一个测量电极装置连接到测量电路，所述测量电路包括处理器，所述处理器被配置成利用源自至少一个低斜率电极装置和至少一个测量电极装置的信号来产生pH测量输出。
[0014]前述是概要并因此包含简化、概括和细节的省略；因此，本领域技术人员将知晓上述概要仅是示例性的且不意味着以任何方式进行限制。
[0015]为了更好的理解实施方案，以及其他和进一步的特征和其优点，结合附图进行如下描述。在后附的权利要求中将指出本发明的范围。
【附图说明】
[0016]图1示出了一个示例性低斜率电极装置的剖面图。
[0017]图2(A_B)示出了示例性低斜率电极装置的剖面图。
[0018]图3示出了一个示例性低斜率电极装置的剖面图。
[0019]图4示出了一个具有低斜率电极装置的示例性pH测量设备的剖面图。
[0020]图5示出了一个具有低斜率电极装置的示例性pH计量系统的剖面图。
[0021]发明详述
[0022]应当理解的是，可以将本文附图中一般性描述和示出的实施方案的组成部分，以除所描述的示例实施方案以外的多种不同配置来安排和设计。因此，如图中所示，以下示例实施方案的详细描述不是意在限制权利要求的实施方案的范围，而仅是示例实施方案的典型代表。
[0023]本说明书通篇所涉及的“一个实施方案”或“实施方案”(或类似)意味着在与所述实施方案有关的描述的具体的内容、结构或特性被包括在至少一个实施方案中。因此，本说明书通篇在不同地方的术语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”或类似术语的出现不是必须全部涉及相同的实施方案。
[0024]进一步地，可以将一个或多个实施方案中描述的内容、结构或特性以任何合适的方式结合。在以下说明书中，提供许多具体的细节以给予对示例实施方案的彻底的理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以不使用一个或多个具体的细节或与其他方法、成分、材料等一起实施多种实施方案。在其它实例中，不详细显示或描述公知的结构、材料或操作。以下说明仅是示例的方式并且简单地示出了特定的示例实施方案。
[0025]在传统电势测量系统中，参考电极有很多问题并且需要移除、消除或者重新设计电位系统中传统类型的参考电极。一种尝试包括处理pH敏感玻璃以将其去敏感化，因此即使放置在外部样品溶液中时也允许电极作为参考电极使用。不幸的是，这种尝试和其他尝试已被证明不实用。
[0026]实施方案通过形成连续电阻而形成电压分配器来提供低斜率电极。因此根据在内部缓冲剂溶液和外部(样品)溶液之间测得的电压，所述低斜率电极装置有减少的电压灵敏性。因此，制造低斜率电极并可以将其用于电位计量系统，例如PH计。
[0027]如在图中示出的示例实施方案有关的低斜率电极，当将其与其它测量电极一起使用时，允许测定相对电压电势以及由此计算例如表示以PH值的离子活性。通过使用具有不同内部PH溶液的测量电极，可以补偿随时间的电极劣化。例如，具有pH 7的内部溶液的测量电极、PH4的另一个测量电极溶液与在本文描述的一个或多个其它电极的使用，允许通过测量电极斜率的比较而补偿随时间的电极劣化，这种方法与样品PH无关。
[0028]给出pH值从四电极信号的计算的实例(例如，通过例如在图5中示出的设备提供)。本领域技术人员将观察到示出的等式给出基本的方法而没有计算的每一个细节。
[0029]pH测量示例
[0030]可以成对(例如图5所示具有不同填充缓冲剂的两对高和低斜率电极)使用高斜率电极(例如，标准灵敏性PH电极)和低斜率电极(例如，本文描述的降低灵敏性的pH电极)用于测量。也可以提供所述电极对用于偏移补偿(例如，通常使用老化PH探针的情况)。根据本实施例中使用的符号，Ul是具有高pH缓冲剂填充(例如pH 7)的电极对之间的电势差。U2是具有低pH缓冲剂填充(例如pH 4)的电极对之间的电势差。SI是系统校准时建立的Ul对中高和低的两个斜率的差值。S2是系统校准时建立的U2对中高和低的两个斜率的差值。PHH是高pH内部填充缓冲剂的pH值。pHL是低pH内部填充缓冲剂的pH值。PHx是两个电极对测量的外部样品溶液(例如图5的115)的pH值。
[0031]操作等式
[0032]通过下式给出电势Ul和U2:
[0033]Ul = SI.(