一种便携式电化学原位检测探头

本技术涉及文物保护和电化学检测，特别是涉及一种用于金属文物腐蚀状态监测的电化学检测便携式设备。

背景技术：

1、中国的金属冶炼和生产具有悠久的历史，所留存下来的金属文物蕴含着丰富的历史价值、艺术价值和科学价值。然而，金属文物在自身内部活泼性因素和外界保藏环境的影响下，大都存在着不同程度的腐蚀劣化。为减缓金属腐蚀劣化的速率，减轻文物腐蚀所造成的负面影响，最大程度地留存历史文化信息，就需要对文物现有腐蚀状态、保护试剂的作用效果和稳定性进行长期监测，保证文物修复保护的合理性与高效性。

2、金属文物不同于工业领域中常见的光洁金属或平整涂层状态，其表面普遍呈现干燥粗糙且形貌不规则的锈蚀。文物表面局部区域的纹饰或铭文具有极其重要的历史研究价值，必须对这种具有文献史料意义的内容进行全面的重点保护，但其上所呈现的凹坑或凸起，恰恰正是腐蚀发生的常见重点区域，所以在近些年的文物保护领域中对类似微区的腐蚀研究备受关注。针对以上状态，现有的大多数电化学检测设备很难控制溶液电解质的随意流动，也就是很难将溶液电解质稳定停留在检测面上获得固定的检测面积，因此无法获得合理有效的电化学信号，且信号噪声将持续影响腐蚀监测的整个过程，由此也导致了电化学技术在金属文物腐蚀研究中的应用尚未完全拓展。

3、另外，考虑到文物材质的稀缺性，在文物保护现场，无论是博物馆、文物库房还是考古实验室，尤其是室外大型金属文物建筑，是无法对待测文物进行破坏性取样的，也更难以提供有针对性的原位检测和保护效果的长期监控。所以，构建便携式电化学检测设备，对文物微区进行腐蚀研究与应用，能为金属文物原位腐蚀监测提供可行的设备条件支持，对金属文物针对性保护提供明确指导，具有重要的现实意义。

技术实现思路

1、本实用新型的目的在于提供一种用于带锈金属文物的便携式电化学原位检测探头，解决对文物粗糙带锈表面的局部区域进行电化学腐蚀研究等相关问题，有效控制微量电解质溶液在金属文物表面稳定停留，以确定金属文物微区腐蚀状态、保护试剂的作用效果和保护试剂稳定时效性，并实现对金属文物微区针对性保护的明确指导。

2、为实现上述目的，本实用新型设计了一种便携式电化学原位检测探头，为笔式探头，包括检测笔身和检测笔头，其特征在于，在检测笔身中设置有参比电极和辅助电极，并填充有溶液电解质；检测笔头为柱状结构，顶端呈钝头圆锥状，在柱状结构侧面开设有一条导气槽。

3、进一步地，所述便携式电化学原位检测探头在检测笔身顶部设有顶端旋塞，该顶端旋塞与检测笔身以螺纹旋扭方式连接，顶端旋塞上表面开设两个通孔，分别用于固定参比电极和辅助电极。为确保顶端旋塞与检测笔身的连接处密封，可在连接处设置密封圈和防水橡胶。

4、检测笔身中由检测笔身下端直接以溶液电解质进行充填，溶液电解质充填至没过参比电极和辅助电极的检测端即可。检测笔头优选为由高分子纤维束材料制成柱状结构笔头，在柱状结构的侧面开设一条导气槽，以平稳导出溶液电解质，抑制溶液泄露。进一步优选在检测笔头表面覆盖有琼脂凝胶薄层。检测笔头与检测笔身下端以插入方式或螺纹旋扭方式固定。

5、进一步地，所述便携式电化学原位检测探头还包括一防尘笔盖，所述防尘笔盖以卡扣的形式与检测笔身连接，保护检测笔头。

6、进一步地，在所述便携式电化学原位检测探头中，在顶端旋塞内部填充防水橡胶，以硅橡胶为主要选择，但不以硅橡胶为唯一选择。在参比电极和辅助电极内嵌进顶端旋塞后，内部的防水橡胶与防水密封圈的结合使用，会对电极起到限位固定的作用，同时还会对内部溶液电解质起到双重防泄漏作用。

7、进一步地，所述参比电极由顶端旋塞固定，保证其铜头暴露在外，且不与内部溶液电解质相接触。采用防水密封圈和防水橡胶从顶端旋钮内部对参比电极进行限位固定，且防止内部溶液电解质渗漏。

8、进一步地，所述参比电极可呈现多种规格形制，如直线型、l型等，材质以304不锈钢电极、316l不锈钢电极、饱和甘汞电极和银/氯化银电极为主要选择，其中最优的是直线型银/氯化银电极。

9、进一步地，所述辅助电极由顶端旋塞固定，保证其铜头暴露在外，且不与内部溶液电解质相接触。采用防水密封圈和防水橡胶从顶端旋钮内部对辅助电极进行限位固定，且防止内部溶液电解质渗漏。

10、进一步地，所述辅助电极可呈现多种规格形制，如直线型、螺旋型、平面网型、柱状网型等，材质以304不锈钢电极、316l不锈钢电极和铂电极为主要选择，其中最优的是由铂网围成的柱状电极。

11、进一步地，所述参比电极和辅助电极的空间布局可呈现多种形式，如平行并列式、螺旋环绕式和中心嵌套式，其中最优的是将直线型银/氯化银参比电极嵌套入由铂网围成的柱状辅助电极中。这样的布局形式，既节省检测笔身的内部空间，又可以方便拆装替换，更有利于电流分布的均匀性，也更直接地呈现出稳定的数据曲线。

12、进一步地，检测笔头的形制为近圆柱形，测试端呈钝头圆锥状，圆柱侧面开设的导气槽深度约占柱体直径的1/5～1/2，宽度约占柱体直径的1/5～1/4，最优的是导气槽深度占柱体直径的1/5，宽度约占柱体直径的1/5。

13、进一步地，检测笔头为提升其测试稳定性，降低自身内部电阻，可将其置于70℃的琼脂溶液中进行浸泡，1h后取出静置于室温，待其表面形成薄层凝胶即可将其安装于检测笔前端。为保证文物现场的有序测试，可预先制备多枚琼脂凝胶处理后的笔头，方便进行替换，减少测试中的样品污染。

14、进一步地，检测笔身中所填充的溶液电解质由笔下端注入，为降低测试后的电解质在文物表面残留所造成的影响，可采用低浓度电解质进行填充，具体浓度可随实际文物状态进行调整。

15、进一步地，所述防尘笔盖独立于检测主体设备之外，不直接参与实际测试应用环节，在非工作期间可将笔盖盖好，可减少测试环境对笔头的污染和电解质的挥发。

16、本实用新型的便携式电化学原位检测探头设计了参比电极和辅助电极在测试笔中的位置布局，并对笔头进行琼脂预处理，有助于电极之间的电场均匀分布，降低笔头对溶液电解质中物质传输和电流传输的干扰，提高了测量的准确性。此外，笔头侧面开设导气槽，有效稳定内外压力，保证内部溶液在测试过程中不随意泄露，且有效控制溶液在文物待测表面的稳定留存，从而获得确定的检测面积和稳定的电化学腐蚀信号。这种探头可重复使用，也可依照实际文物要求对笔头进行一次性使用后替换和溶液电解质补充，简化金属文物现场测量的准备和工作流程，提升了电化学测试在文物检测中应用有效性和合理性。

技术特征：

1.一种便携式电化学原位检测探头，为笔式探头，包括检测笔身和检测笔头，其特征在于，在检测笔身中设置有参比电极和辅助电极，并填充有溶液电解质；检测笔头为柱状结构，顶端呈钝头圆锥状，在柱状结构侧面开设有一条导气槽。

2.如权利要求1所述的便携式电化学原位检测探头，其特征在于，在所述检测笔身顶部设有顶端旋塞，该顶端旋塞与检测笔身以螺纹旋扭方式连接，在顶端旋塞上表面开设有分别用于固定参比电极和辅助电极的两个通孔。

3.如权利要求2所述的便携式电化学原位检测探头，其特征在于，所述顶端旋塞与检测笔身的连接处设置有密封圈和防水橡胶。

4.如权利要求1所述的便携式电化学原位检测探头，其特征在于，所述检测笔头为高分子纤维束笔头，检测笔头与检测笔身下端以插入方式或螺纹旋扭方式固定。

5.如权利要求1所述的便携式电化学原位检测探头，其特征在于，所述检测笔头表面覆盖有琼脂凝胶薄层。

6.如权利要求1所述的便携式电化学原位检测探头，其特征在于，所述便携式电化学原位检测探头还包括一防尘笔盖。

7.如权利要求1所述的便携式电化学原位检测探头，其特征在于，所述参比电极为304不锈钢电极、316l不锈钢电极、饱和甘汞电极或银/氯化银电极；所述辅助电极为304不锈钢电极、316l不锈钢电极或铂电极。

8.如权利要求1所述的便携式电化学原位检测探头，其特征在于，所述参比电极的形状为直线型或l型；所述辅助电极的形状为直线型、螺旋型、平面网型或柱状网型。

9.如权利要求1所述的便携式电化学原位检测探头，其特征在于，所述参比电极和辅助电极的空间布局为平行并列式、螺旋环绕式或中心嵌套式。

10.如权利要求1所述的便携式电化学原位检测探头，其特征在于，所述检测笔头侧面开设的导气槽深度占其柱体直径的1/5～1/2，宽度占柱体直径的1/5～1/4。

技术总结
本技术公开了一种便携式电化学原位检测探头，包括检测笔身和检测笔头，在检测笔身中设置有参比电极和辅助电极，并填充有溶液电解质；检测笔头为柱状结构，顶端呈钝头圆锥状，在柱状结构侧面开设有一条导气槽，平稳导出溶液电解质，抑制溶液泄露。进一步在检测笔头表面覆盖琼脂凝胶薄层，提升测试稳定性，降低自身内部电阻。本技术可以获得稳定的电化学数据信号，有效控制微量电解质溶液在文物表面稳定停留，解决对文物粗糙带锈表面的局部区进行电化学腐蚀研究等相关问题，确定金属文物微区腐蚀状态、保护试剂的作用效果和保护试剂稳定时效性，并实现对金属文物微区针对性保护的明确指导，在金属文物保护监测领域具有广阔的应用前景。

技术研发人员：胡钢,贾明浩,胡沛
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：20230506
技术公布日：2024/1/14