Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Klorür iyonlarının Dinamik Elektrokimyasal Ölçüm

Published: February 5, 2016 doi: 10.3791/53312
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1BIOS-Lab on a chip group, MESA+ Institute of Nanotechnology, MIRA Biomedical Technology and Technical Medicine, University of Twente

Introduction

bir Ag / AgCİ elektrot geçiş süresi ölçümüne dayalı bir klorür iyonu sensörü sunulmuştur. Amaç elektrolit klorid iyonlarının uzun süreli kesintisiz izleme sırasında içsel kaymalan kaçınmaktır. bir Ag / AgCİ elektrot dinamik ölçüm yaklaşımdır Chronopotentiometric ölçümü, bu amaç için kullanılır. Burada, bir Ag / AgCİ elektrot potansiyeli değişim oranı bir uyarıcı (galvanostatik darbe) içinde ölçülür. Bu yaklaşımın avantajı, örneğin, in situ uygulama bu nedenle, uzun dönemli (y) Cl iyonları konsantrasyonunun saptanmasını sağlayan sıvı bileşke referans elektrot eluding ve bunun yerine bir sözde bir referans elektrot olarak metal tel kullanılarak ve gösterilmiştir beton yapıların içindeki ölçüm.

Beton yapılarda klorür iyonları bozulma 1,2 başlıca nedenlerinden biridir. Bu destek sacı a'daki korozyona başlatırYapı 3'e ait nihai yetmezliğinde nd sonuçlanır. Bu nedenle, betonda cl iyonları ölçebilen bir yapı 4,5'ten ömrü ve bakım döngüsü tahmin etmek kaçınılmazdır. Farklı algılama prensipleri gibi elektrokimyasal 6,7, optik 8,9 ve elektromanyetik 10,11 olarak betonda klorür iyonu ölçümü için rapor edilmiştir. Ancak, hantal kurulumları sahip optik ve elektromanyetik yöntemler, tek başına bir sistem olarak entegre ve seçicilik 12 ile ilgili sorunlar var zordur. Elektrokimyasal teknikte, bir Ag / AgCl elektrot potansiyometrik ölçüm sanat yaklaşımı 6,7,13 durumudur. Umut verici sonuçlara rağmen, bu yaklaşım hatalı veriler 14,15 referans potansiyeli ve difüzyon potansiyeli damla sonuçlarında sürükleniyor beri laboratuvar ölçekli ölçümü ile sınırlıdır. Dinamik elektrokimyasal ölçüm (DEM) dayalı bir geçiş süresi yaklaşımı nedeniyle olası sorunu hafifletebilir16 drift.

DEM olarak, uygulanan bir uyarıya bir sistemin tepkisi 17-19 ölçülür. Bu tür bir sistemin bir örnek kronopotansiyometri olup. Burada uygulanan akım darbesi elektrot yüzeyine yakın iyonları tüketen bir uyarıcı olarak kullanılır ve buna karşılık gelen, potansiyel yanıtı ölçülmektedir. bir Ag / AgCI elektrotta bir anodik akım Faradaysal reaksiyonu başlatır (Ag + CI Şekil 1 elektrod üst yüzeyi yakınındaki Cl iyonu tükenişine elde AgCİ + E). Potansiyel bir değişikliği uygulanan akımın bir fonksiyonu ve elektrolit 12,20'den bölgesindeki (seçmeli) iyonlarının konsantrasyonudur. Bu iyonlar elektrot yakınlarında tamamen tüketmek an bir dönüm noktası 21 vererek, hızla potansiyel yükselir değişim oranını yüzey. Potansiyel zamanlı tepki eğrisi (chronopotentiogram) üzerine dönüm noktası geçiş süresini gösterir ve belirlenebilirPotansiyel tepki 22 birinci türevinin maksimum. geçiş süresi iyonu konsantrasyonunun bir özelliğidir. Bu yaklaşım, farklı iyonları konsantrasyonu 17 ve elektrolitlerin 23,24 pH belirlemek için kullanılır olmuştur. Bir çalışma elektrotu olarak bir Ag / AgCİ elektrot halinde tüketen iyonları klorür iyonları 17 olacaktır (bu, hangi uygulanır). Bu nedenle onun konsantrasyonunu belirlemek edecek olan geçiş süresi ölçülerek.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Talaş İmalatı

Not: çip bir Ag / AgCI çalışma elektrodu (WE), bir Ag / AgCI sözde referans elektrotu (psödo-RE) ve bir cam çip üzerinde karşı platin zıt elektrotta oluşur. Gümüş metal 16 işleyen, standart temiz oda kullanılarak bir cam çip üzerinde bırakılır. Daha sonra, yüzeyin üzerinde AgCİ tabaka oluşturmak için 30 saniye için 0.1 M FeCl3 çözelti içinde chloridized edilir. Şekil 1 'de gösterildiği gibi, Ag / AgCI WE (alan = 9,812 mm2) Ag / AgCI sözde RE çevrili merkezinde yer almaktadır.

  1. düzlemsel gümüş elektrot oluşturmak için camın üzerine gümüş metal yatırın. aşağıdaki gibi bir temiz oda adım adım yonga üretim verilir:
    1. Litografi
      1. gofret temizlik için kons içine ilk cam gofret batırmayın. HNO 3 banyo yüzeyini temizlemek için 1 M KOH sonra içine herhangi bir organik kirlenme kaldırmak ve.
      2. (200 nm kalınlığında) ile karşı olumlu bir fotoğraf uygulasıkma kaplama ile ince bisküvi ve 15 dakika boyunca 95 ° C 'de karşı Önceden fırınlanmış patates.
      3. cam maske ile 5 saniye için, UV ışığına gofret maruz.
      4. geliştirici çözelti içinde ışığa geliştirin. Bu elektrotlar yatırılır ve kalan alanı direnmeye maruz kalmayan tarafından karşılanacaktır cam alanı gösterecektir.
    2. cam Gravür
      1. cam maruz alanını etch KOH banyosunda geliştirilen cam gofret daldırın.
    3. Metal çökeltme, (Püskürtme)
      1. maruz cam alanında Mevduat gümüş metal.
        1. cam için bir yapışma tabakası olarak ilk para yatırma (püskürtme ile) 20 nm titanyum (Ti) katmanı.
        2. Daha sonra gümüş ve Ti arasında bir difüzyon bariyeri olarak (püskürtme ile) 70 mil paladyum (Pd) katmanın.
        3. Nihayet gümüş metali 500 nm mevduat. Bu metal kaplama kalınlığıdır. Çalışma elektrodu alanı 4 mm 2 'dir.
        4. r kaldırBir aseton banyosu içinde fırlatma işlemi ile karşı emaining.
      2. tek çip boyutu gofret zar. çip artık bir çip-üstü Ag / AgCI elektrot oluşturmak üzere chloridized hazırdır.
  2. Şekil 1'de gösterildiği gibi, bir in-house tasarlanmış Polytetrafluoroethylene çip tutucuya çipi yerleştirin. Tutucu itme-pimleri (veya yaylı pimleri) üzerinden kolay elektrik bağlantılarını sağlayan ve bir elektrokimyasal hücre içeriyor.
  3. bir çip üzerinde bir Ag / AgCI elektrot oluşturmak için gümüş elektrot Chloridize. Bunun için, 30 saniye için bir hücrede 0.1 M FeCl3 dökün. veya elektrodun gümüş rengi kadar koyu grimsi olur. kısa daldırma zamanlı Ag / AgCİ hiç birikimlere yol oysa uzun daldırma kritik değildir.
  4. Kalan FeCl3 .bir çip temizlemek için deiyonize su ile çip durulayın hemen chronopotentiometric ölçümü için kullanılacak hazırdır.

2. Elektrolit Hazırlık

Not: elektrolitler, 0.5 M KNO 3 potasyum klorür, farklı konsantrasyon ile elde edilmiştir.

  1. 50 mM KCI, elektrolit stok çözeltisi (çözeltinin 50 ml KCI 0.186 g) 50 ml hazırlayın.
  2. Aynı çözelti içinde 0.5 M KNO 3 arka elektrolit oluşturmak için KNO 3 2.52 g ekleyin.
  3. Sıfıra klorür başlangıç ​​konsantrasyonuna ve Devam Et deiyonize su, 50 ml KNO 3 2.52 g ekleyin 3 Diğer bir deyişle, M 0.5 KNO.
  4. Aşağıdaki adımlarda gösterildiği gibi, sistematik olarak, elektrolit (1 mm ilâ 6 mm kadar) klorid iyon konsantrasyonunu arttırmak için 50 mM KCI ekleyin.
    1. 1 mM [CI] elde etmek için 0.5 M KNO 3'ün bir 4.9 ml, 50 mM KCI, 100 ul ekle.
    2. 2 mM [CL] almak için adım 2.4.1 çözeltisi içine 50 mM KCl çözeltisi 104 ul ekleyin.
    3. s 50. mM KCI çözeltisi 108,41 ul ekleAdım 2.4.2 züm 3 mM [CL] almak için.
    4. 4 mM [CL] almak için adım 2.4.3 çözeltisi içine 50 mM KCl çözeltisi 113,19 ul ekleyin.
    5. 5 mM [CL] almak için adım 2.4.4 çözeltisi içine 50 mM KCl çözeltisi 118.2 ul ekleyin.
    6. 6 mM [CL] almak için adım 2.4.5 çözeltisi içine 50 mM KCl çözeltisi 123.3 ul ekleyin.

3. Deneysel Kurulum

Not: Ölçümler potansiyostatı (Biyolojik Bilim Instruments, Fransa) kullanılarak gerçekleştirilmiştir.

  1. çip tutucuya çipi yerleştirin ve potentiyostat karşılık gelen terminalini bağlayın.
  2. Ag / AgCl elektrot potentiyostat çalışma elektrodu terminalini bağlayın.
  3. Başka bir Ag / AgCl elektrot potentiyostat referans elektrot terminalini bağlayın.
  4. platin elektrot potentiyostat bir karşıt elektrod terminaline bağlanır.
  5. comp yerleştirinBir Faraday kafesine lete deneme kurulumu, ortam gürültüsünü önlemek için.

4. Enstrüman Operasyonel Ayarlar

Not: elektrokimyasal hücre operasyonel parametreler potentiyostat kullanıcı arabirimi üzerinden kontrol edilir. uygulanan bir akım darbesi sırasında Ag / AgCİ WE potansiyel tepki klorür iyonunun farklı konsantrasyonları ölçülür.

  1. potansiyostat programında, teknik kronopotansiyometri açmak ve operasyonel parametrelerini ayarlamak.
    1. gereksinimlerine göre aşağıdaki parametreyi ayarlayın:
      1. Akım (I ler)
      2. Uygulanan akım (t s) Zaman
    2. potansiyostat programında oynatma düğmesini tıklayarak bu tekniği başlayın.
      Not: potansiyostat programı uygulanan akım darbesinin altında, zamanın bir fonksiyonu olarak, potansiyel tepki gösterir.

5. Ölçümler ve Veri analysis

  1. elektrolit CL iyon konsantrasyonuna karşı geçiş süresi kalibrasyon eğrisi çizin.
    1. sistematik, KCl elektrolit CL konsantrasyonunu değiştirin.
      1. Elektrokimyasal hücre içinde 0.5 M KNO 3 arka elektrolit ile 1 mM KCI, 5 ml ölçümü başlatın.
      2. Potansiyostatı kullanarak chronopotentiometric denemeyi başlatmak ve 10 mA / cm -2 10 saniye boyunca bir akım uygulamak ve veri depolamak.
      3. Sistematik 1 mM artışlarla birlikte 6 mM konsantrasyonu değiştirmek ve ölçümler tekrarlayın.
    2. a.mpt dosya olarak ölçülen veri depolamak ve veri işleme programında veri dosyasını analiz.
      1. Potansiyel cevabının ilk türevini hesaplamak ve birinci türevinin zirveye hesaplamak için bir in-house geliştirilen veri işleme programını kullanarak verileri analiz edin. birinci türevinin en yüksek geçiş zamanı.
        Not: Tüm morinaveri işleme programı ING Abbas ve diğ., 2014, ek bilgi verilmektedir.
    3. 1 saat her aralıkla Ölçümü üç kez tekrarlayın.
    4. veri işleme programında tüm veri dosyalarını açın ve her ölçüm için geçiş süresini hesaplamak. geçiş süresi hesaplama detay adımları aşağıda verilmiştir:
      1. chronopotentiometric ölçüm veri dosyalarından elde edilen zaman vs potansiyel farkı çizilir.
      2. Potansiyel cevabının ilk türevini hesaplayınız.
      3. birinci türevinin maksimum ve bunun zamanını gösterir. birinci türevinin maksimum zaman geçiş zamanı.
    5. Kalibrasyon eğrisi için, Cl iyonlarının konsantrasyonuna göre geçiş zamanın kare kök olarak çizilmiş.
    6. Ölçülen verilerin boyunca Kum denklemi 25 dayalı teorik eğri çizilir. difüzyon coeffic geri hesaplayınVeri grafiğinden sağ- lasa.
      1. geçiş süresi arasında ölçülen veri arsa içinde [CL] hat üzerinde herhangi bir noktaya çekmek ve geçiş süresi değerini ve [CL] kaydedin. Kum denklemi olarak verilir:
        τ = (FC * / 2J (1-t-Cı -)) 2 Dπ
        Ulaşım numarası ve D yayılım katsayısını - burada, Cı * toplu Cl iyonu konsantrasyonu, K Faraday'dır, J akım yoğunluğu, t Cl'dir. İhmal t CI - daha yüksek arka plan elektrolit konsantrasyonu için sıfıra yaklaşırken beri.
      2. difüzyon katsayısı Kum denklemde kalan tek değişken; geçiş süresi, klorür iyonu konsantrasyonu ve difüzyon katsayısı değerini alma Kum denkleminde uygulanan akımın değeri koymak.
  2. Drift Ölçümü
    1. bölgesindeki KCI, 1 mM 5 ml dökünElektrokimyasal akü.
    2. Potentiyostat olarak, mevcut uygulamalı 10:00 -2 ve zaman 10 sn olmak olacak şekilde ayarlanır.
    3. Üç ölçüm ölçümleri arasındaki 3 saatlik aralıklarla her gün 2 hafta içinde, potansiyel yanıtı ölçmek.
    4. Yani elektrolit, 1 mM KCI, ölçümler yapmadan önce her gün yenileyin.
    5. Ölçümlerin iki hafta boyunca geçiş süresi çizilir. Günde geçiş süresi değişim geçiş süresi yanıtı sürüklenme olduğunu.
  3. geçiş süresi ölçümleri sözde referans elektrot Etkisi
    Not: Böyle bir Ag / AgCl tel, bir platin tel ve çelik tel gibi çeşitli sözde referanslar geçiş süresini ölçmek için test edilir.
    1. elektrokimyasal hücrede KCI elektrolit 4 mM dökün.
    2. Bir sözde referans elektrot olarak Ag / AgCl kullanın ve potentiyostat referans elektrot terminaline bağlayın. Nedeniyle anodik akım darbesi Cl # için713; iyonlar Ag / AgCl çalışma elektrodu yakın tükenmiş.
    3. 10 sn için 15 Am -2 bir akım yoğunluğu uygulanarak chronopotentiometric ölçün.
    4. Bir sözde referans elektrot olarak platin ile ölçüm tekrarlayın ve verileri kaydetmek.
    5. Bir sözde referans elektrot olarak çelik çubuğu ile ölçümleri tekrarlayın ve verileri kaydetmek.
    6. kullanılan çeşitli sözde referans elektrotlar için ölçülen geçiş süresini çizilir.
    7. KCl 5 mM ile ölçüm komple set tekrarlayın ve çeşitli sahte referans elektrotlar kullanılarak geçiş süresini arsa.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Ag / AgCl elektrot standart temiz oda işlemi kullanılarak bir cam çip (Şekil 1) üzerine imal edilir. Chronopotentiometric ölçüm düzeneği (Şekil 2) kullanılan ve tepki bir potansiyostat kullanılarak ölçülmüştür. Geçiş süresi, Cl iyon konsantrasyonunun etkisini gözlemek için 0.5 M KNO 3 arka 4, 5 ve 6 mM Cl iyonu içeren çözeltiler (Şekil 3) ölçülür. Cl iyon konsantrasyonuna karşı geçiş zamanın kare kökünün bir kalibrasyon eğrisi teorik eğri (Şekil 4) ile birlikte çizilmiştir. Geçiş süresi yanıtı ölçümü (Şekil 5) sürüklenme değerlendirmek için iki hafta boyunca ölçüldü. Geçiş saatine geçiş zamanında referans sisteminin etkisini gözlemlemek için farklı sahte referans elektrot (Şekil 6) 4 ve 5 mM cl iyon konsantrasyonu ölçülür.mM [CI] Kum denklem (Tablo 1) değerlendirilir 1-6 aralığında akım yoğunluğu aralığı.

Şekil 3'te gösterildiği gibi, geçiş süresi, Cl iyon, yani 4, 5 ve 6 mM çeşitli konsantrasyonlarda ölçülmüştür. Tekabül eden potansiyel tepkisinin ilk türevi ile birlikte görülebilir. İlk türevlerinin zirveleri geçiş süreleri verir. zirve zaman anlık [CL] artış daha yüksek değerlere kaymaktadır. Bu tamamen BİZ yüzeye yakın cl iyonları tüketmek daha uzun sürer demektir toplu elektrolit fazla mevcut CL iyonları olarak beklenmektedir. Yukarıda adı geçen konsantrasyonlarda için ölçülen geçiş süreleri, sırasıyla 2.69, 4.28 ve 5.92 saniye vardır.

geçiş süresi ölçümleri klorür iyonlarının bilinen konsantrasyonda karşı kalibre edilmiştir. ölçülen veriler velineer uyum. Şekil 4'te sunulan Kum denklemi tahmin olarak geçiş süresi karekök, [CL] doğrusal ilişki halindedir. Ölçülen verilerden cl iyonlarının görünür difüzyon katsayısı 2.280 x 10 -9 m 2 sn -1, teorik değeri ile iyi bir uyum içindedir, D = 2 x 10 -9 m 2 sn -1 olarak bulunmuştur. sapma akım darbesi sırasında değişen yüzey alanına atfedilen akım yoğunluğu değerinin belirsizlik nedeniyle olabilir. Ayrıca sapma yüksek konsantrasyonlarda, örneğin, 7 mM nispeten büyüktür. Bu konveksiyon daha duyarlı hale getirir konsantrasyon profilinin, nispeten büyük kalınlıkta ilişkilendirilir.

geçiş süresi dinamik yapısı bir sürüklenme ücretsiz ölçüm sağlar. sürüklenme, 1 mM cl geçiş süresini analiz etmekŞekil 5'te gösterildiği gibi, iki hafta boyunca ölçülmüştür. geçiş süresi içinde azalan bir seyir, 0.23 msan / gün (0,8 uM / gün karşılık gelir) verilerinin doğrusal bir uyum vardır. Bununla birlikte, bu değişiklik, küçük ve buharlaşma nedeniyle Cl iyon konsantrasyonunu, ölçüm süresi boyunca belirgin akım yoğunluğu ve sıcaklık değişimi değişimi değişen taşıma hataları atfedilebilir. Sensörün sürüklenmeyi somut bir sonuç vermek bu nedenle zordur; Ya hiçbir doğasında sürüklenme veya sürüklenme nispeten küçük.

geçiş süresi ölçümü dinamik yapısı bir başka yönü, referans sistemi üzerinde bağımsızlığıdır. Çeşitli sahte referanslar (bir Ag / AgCl tel, bir platin tel ve çelik tel) 4 ve 5 mM [CL] bir Ag / AgCl elektrot geçiş zamanı ölçmek için kuruldu. Ölçümler, Şekil 6'da gösterilmiştir. Çeşitli yalancı refere için yanıtı önemli ölçüde değişmez NCES, geçiş süresi 80 ms (± 75 4 ° uM ve 5 mM cl iyonlar) içinde değişir. Bu nedenle referans sistemi sistematik bir etkisi vardır; Herhangi bir metal tel, bir geçiş süresi ölçümleri için bir sözde referans elektrotu olarak kullanılabilir.

Şekil 1
Elektrokimyasal hücre ile birlikte Şekil 1. Klorür sensör çipi. (A) cam alt tabaka ve elektrik bağlantısı pedleri Ag / AgCl elektrotlar ile cl iyon sensör çipi. Elektrokimyasal hücre maruz alanı 78 mm2 iken, cam çip boyutu, 15 x 20 mm 2 'dir. Monte çip ile (B) tam elektrokimyasal hücre (çip tutucu). Orta dairesel alan elektrolit 16 maruz çip alanı gösterir. 3312 / 53312fig1large.jpg "target =" _ blank "> Bu dosyayı indirmek için tıklayınız.

şekil 2
Geçiş süresi yaklaşımının Şekil 2. şematik. (A) CL iyon algılama yaklaşımı şematik. (Değil bu şekil dahil) CE göre WE bir uygulanan akım darbesi sırasında, klorür iyonları resimli CL iyonu konsantrasyonunun profilinde sonuçlanan, Ag / AgCl BİZ de tüketmek. ΔV ve dΔV / dt tepkisinin (B) şematik. Düz çizgi (-) ve kesik çizgi (-), sırasıyla, ΔV ve dΔV / dt oluşturmaktadır. τ geçiş süresi ve t uygulanan akım darbesinin süresidir. T / τ = ​​1, çalışma elektrot yüzeyinde cl iyonları tamamen 16 tüketir zaman burada, t / τ uygulanan şimdiki zaman oranı ve geçiş zamanıdır. https://www.jove.com/files/ftp_upload/53312/53312fig2large.jpg "target =" _ blank "> Bu dosyayı indirmek için tıklayınız.

Şekil 3,
Şekil 3. geçiş zaman ölçümleri. Chronopotentiograms (düz çizgi) ve 4, 5 ve 6 mM CI iyon Çözeltilerin bir Ag / AgCI sözde RE elektroduna göre Ag / AgCİ elektrot ilk türevleri (kesikli çizgi). Arka plan elektrolit, 0.5 M KNO 3'dür, uygulanan akım darbe 10:00 -2 ve ortam sıcaklığı 20.9 ° C'dir. Potansiyel tepkilerin maksimum yamaçları noktalı çizgiler 16 ile gösterilir. Bu dosyayı indirmek için tıklayınız.

/53312fig4.jpg "/>
Şekil 4. Kalibrasyon eğrisi. 0.5 M KNO 3 arka plan elektrolit içinde, CL iyon konsantrasyonuna karşı geçiş süresi karekök gösteren bir Kalibrasyon eğrisi. dairesel noktalar (o) ölçülen veriler ve düz çizgi (-) lineer seçimdir. kesik çizgi (-) Kum denklemi, denklem teorik eğridir. (2). Uygulanan akım darbesi 10:00 -2 ve ortam sıcaklığı 20,8 ° C'dir. Ge ve Da teorik ve belirgin (ölçülen) difüzyon katsayıları, sırasıyla 16 vardır. Buraya tıklayın Bu dosyayı indirmek için lütfen.

Şekil 5,
Şekil 5. Drift analizi. İki hafta boyunca geçiş süresi daha sonraki ölçümler. Her ölçüm e gerçekleştirildiÇok Geçen gün, 3 ölçümler her gün ve her biri aynı gün ölçümü arasında 3 saat uygulandı. Elektrolit 1 mM CL 0.5 M KNO 3 arka planda iyonları ve uygulanan akım darbesi 10:00 -2 olduğunu içerir. Veri noktaları ve doğrusal uyum (+) ve kesik çizgi sırasıyla 16 ile gösterilir. Bu dosyayı indirmek için tıklayınız.

Şekil 6,
Bir Ag / AgCl sıvı kavşak RE, Ag / AgCl tel, platin tel ve çelik tel oluşan sözde-Res kullanarak Şekil farklı sahte referans elektrot 6. Etkisi. Ölçülen geçiş süreleri. Uygulanan akım darbesi 15 Am -2 ve ortam sıcaklığı 21.2 ° C'dir. Burada, + ve o işaretleri 0.5 M KNO 3 ölçülen 4 için veri ve 5 mM Cl iyonları göstermekarka plan, sırasıyla 16. Bu dosyayı indirmek için tıklayınız.

[CL] aralığı
(mM) 		Akım yoğunluğu, J
(Am-2) 		(j / C *) min
(Bir ∙ m mol ∙ -1) 		(J / C *) maks
(Bir ∙ m mol ∙ -1) 		τ min
(ler) 		τ max
(ler)
1-6 10 1.66 10 0.146 5.26

Tablo 1. Cl için seçilen akım yoğunluğu1 ila 6 mm arasında ˉ iyon konsantrasyonu aralığı, denklem değerlendirildi. (3). Oranı J / C ve geçiş süresi, karşılık gelen değerleri de 16 verilir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

geçiş süresi bükülme andır; bu referans potansiyeli yani, referans elektrot teorik bağımsızdır. Bu nedenle, herhangi bir metal tel geçiş süresi ölçümleri için bir sözde referans elektrotu olarak kullanılabilir. Beton klorid iyonlarının mevcut potansiyometrik ölçüm aksine, bu yöntem, uzun süreli ve kalibrasyon serbest ölçüm sağlar. Üstelik duyarlılık ve konsantrasyon algılama aralığı uygulanan akım darbesi ayarlayarak ayarlanabilir. Betonda harf yüksek cl konsantrasyonları için, yüksek akım darbesi 6 saniye içinde geçiş süresini tutmak için uygulanmalıdır.

bir Ag / AgCİ elektrot geçiş süresini kullanarak dinamik ölçüm Cl iyonlarının referans ve kalibrasyon bilgilerini tespiti için cazip bir alternatif gibi görünse de. Bu tür hidroksitler ve halojenürler gibi diğer anyonlar, parazit, o fizibilite espec sınırlayabilirially iyonlar müdahale konsantrasyonu CL iyonları daha yüksek olduğunda. [OH] elektrolit göre 10 kat daha fazla [CL] ise, örneğin geçiş süresi bir karma (genişletmek) tepe görülmektedir. Bu durumda OH ve Cl'dir iyonlar için geçiş süresi doruklarına ayırt edilemez. [CL] algılama aralığı gibi Oh iyonları 7 olarak müdahale iyonların konsantrasyonuna bağlıdır. Biz iyonlar müdahale yokluğunda 1 uM KCl aşağı test ettik. Ayrıca, iyodür varlığında (i) ve bromür (br) sensör, tercihen I ve Br iyonları yerine klorür geçiş zaman algılar iyonları. Genellikle ben ve br iyonlarının beton müdahale nedeniyle onların yokluğu veya önemsiz miktarda ilgisi yoktur. Bunun yanı sıra, hidroksit ve halojenürler iyonlarından parazit klorür iyon seçici polimer zarı (iyonoforlar) 26 ile Ag / AgCI elektrot içeren telafi edilebilir.

Uygulanan akım darbe bu geçiş süresi belirlemek ve dikkatle seçilmelidir kritik bir parametredir. Yüksek akım darbesi hızla gümüş oksit oluşumu ile AgCl yüzey düşürebilir. daha uzun bir geçiş süresi de daha düşük akım darbe sonuçları ise, sonuç olarak bağlı istenmeyen konveksiyon geçiş süresi hataları uyarılması. Mevcut darbe geçiş süresi 6 saniye içinde bir şekilde ayarlanmalıdır. Bu Kum denkleminde 16 geçiş süresi değeri ve konsantrasyon limitleri koyarak değerlendirilebilir. Yüksek akım darbeleri nedeniyle yüzey bozulması her ölçümden sonra bir ters akım (katodik ücret, ben c xt c) uygulanarak çözülebilir (anodik yükü, bir xt a). katodik akım aşırı AgCl anodik akım darbesi sırasında yatırılan kaldıracaktır. katodik current zaman, T, C amplitüd daha düşük ve daha uzun olması gerekir, anodik ve katodik akım şarj, yani eşit olmalıdır, öyle ki, bir t = C T C. Ayrıca, [CL] iyon konsantrasyonu bir kaba dizi önceden belirlenmeli ve akım darbesi geçiş süresi 5 ila 10 saniye içinde ulaştırılması gerekmektedir şekilde uygulanır. Ayrıca, potansiyostat programı geçiş zamanı geldiğinde anodik akım durur gibi ayarlanabilir olmalıdır. Bu AgO oluşumunu önlemek olacaktır.

Bu yöntem, uzun süreli ve güvenilir ölçümler verir betonda Cl iyon uzun süreli ölçümü için kullanılabilir. Içme suyu havuzu ve biyolojik numuneler yüzme in Cl iyonları izlemek için de kullanılabilir. Ayrıca, iyodür ve bromi gibi diğer halojenür iyonlarının izlemek için uzatılabiliriçme suyu de.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Platinum wire (≥99.99% trace metals) Sigma Aldrich, the Netherlands EP1330-1EA
Potassium chloride (BioXtra, ≥99.0%) Sigma Aldrich, the Netherlands P9333-500G
Potassium hydroxide (90% pure reagent grade) Sigma Aldrich, the Netherlands 484016-1KG
Ferric chloride  Sigma Aldrich, the Netherlands 451649-1G
potassium nitrate (>99% reagent grade)  Sigma Aldrich, the Netherlands P6083-500G
Ag/AgCl liquid junction reference electrode  BASi, USA model MF-2079
VSP potentiostat Biologic Science Instruments, France VSP 300
Steel wire Microlab TU Delft
Silver wire  Sigma Aldrich, the Netherlands

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Page, C., Treadaway, K. Aspects of the electrochemistry of steel in concrete. Nature. 297, 109-115 (1982).
  2. Koleva, D. A., Hu, J., van Breugel, K., Boshkov, N., de Wit, H. Conventional and pulse cathodic protection of reinforced concrete: electrochemical approach and microstructural investigations. ECS Transactions. 1, 287-298 (2006).
  3. Montemor, M., Simoes, A., Ferreira, M. Chloride-induced corrosion on reinforcing steel: from the fundamentals to the monitoring techniques. Cement and Concrete Composites. 25, 491-502 (2003).
  4. Wegen, G., Polder, R. B., Breugel, K. V. Guideline for service life design of structural concrete: A performance based approach with regard to chloride induced corrosion. Heron. 57 (3), (2012).
  5. Yoon, I., Koenders, E. Theoretical time evolution of critical chloride content in concrete. Structural Durability & Health Monitoring. 5, 275-294 (2010).
  6. Du, R. G., Hu, R. G., Huang, R. S., Lin, C. J. In situ measurement of Cl-concentrations and pH at the reinforcing steel/concrete interface by combination sensors. Analytical Chemistry. 78, 3179-3185 (2006).
  7. Angst, U., Elsener, B., Larsen, C. K., Vennesland, Ø Potentiometric determination of the chloride ion activity in cement based materials. Journal of Applied Electrochemistry. 40, 561-573 (2010).
  8. Laferrière, F., Inaudi, D., Kronenberg, P., Smith, I. F. A new system for early chloride detection in concrete. Smart Materials and Structures. 17, 045017 (2008).
  9. Tang, J. L., Wang, J. N. Measurement of chloride-ion concentration with long-period grating technology. Smart Materials and Structures. 16, 665 (2007).
  10. Kohri, M., Ueda, T., Mizuguchi, H. Application of a near-infrared spectroscopic technique to estimate the chloride ion content in mortar deteriorated by chloride attack and carbonation. Journal of Advanced Concrete Technology. 8, 15-25 (2010).
  11. Tripathi, S. R., Inoue, H., Hasegawa, T., Kawase, K. Non-destructive Inspection of Chloride Ion in Concrete Structures Using Attenuated Total Reflection of Millimeter Waves. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 34, 181-186 (2013).
  12. Abbas, Y., Olthuis, W., van den Berg, A. A chronopotentiometric approach for measuring chloride ion concentration. Sensors and Actuators B: Chemical. 188, 433-439 (2013).
  13. Climent-Llorca, M. A., Viqueira-Pérez, E., Lòpez-Atalaya, M. M. Embeddable Ag/AgCl sensors for in-situ monitoring chloride contents in concrete. Cement and Concrete Research. 26, 1157-1161 (1996).
  14. Myrdal, R. The electrochemistry and characteristics of embeddable reference electrodes for concrete. , Woodhead Publishing. (2014).
  15. Angst, U., Vennesland, Ø, Myrdal, R. Diffusion potentials as source of error in electrochemical measurements in concrete. Materials and Structures. 42, 365-375 (2009).
  16. Abbas, Y., de Graaf, D. B., Olthuis, W., van den Berg, A. No more conventional reference electrode: Transition time for determining chloride ion concentration. Analytica Chimica Acta. 821, 81-88 (2014).
  17. Meyer, R. E., Posey, F. A., Lantz, P. M. Chronopotentiometry of the Ag− AgCl system and analysis for the chloride ion. Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry. 19, 99-109 (1968).
  18. Olthuis, W., Langereis, G., Bergveld, P. The metrits of differential measuring in time and space. Biocybernetics and Biomedical Engineering. 21, 5-26 (2001).
  19. Bakker, E., Bhakthavatsalam, V., Gemene, K. L. Beyond potentiometry: robust electrochemical ion sensor concepts in view of remote chemical sensing. Talanta. 75, 629-635 (2008).
  20. Olthuis, W., Bomer, J., Bergveld, P., Bos, M., Van der Linden, W. Iridium oxide as actuator material for the ISFET-based sensor-actuator system. Sensors and Actuators B: Chemical. 5, 47-52 (1991).
  21. Bergveld, P., Eijkel, J., Olthuis, W. Detection of protein concentrations with chronopotentiometry. Biosensors and Bioelectronics. 12, 905-916 (1997).
  22. Iwamoto, R. Derivative chronopotentiometry. Analytical Chemistry. 31, 1062-1065 (1959).
  23. Olthuis, W., Bergveld, P. Simplified design of the coulometric sensor-actuator system by the application of a time-dependent actuator current. Sensors and Actuators B: Chemical. 7, 479-483 (1992).
  24. Olthuis, W., Bergveld, P. Integrated coulometric sensor-actuator devices. Microchimica Acta. 121, 191-223 (1995).
  25. Bard, A. J., Faulkner, L. R. Electrochemical methods: fundamentals and applications. , 2nd, Wiley and Sons. Hoboken. (2001).
  26. Bakker, E., Bühlmann, P., Pretsch, E. Polymer Membrane Ion-Selective Electrodes-What are the Limits? Electroanalysis. 11, 915-933 (1999).

Tags

Kimya Sayı 108 Dinamik ölçüm klorür iyonları Kronopotansiyometri Geçiş süresi Kum denklemi Gümüş gümüş klorür elektrot
Klorür iyonlarının Dinamik Elektrokimyasal Ölçüm
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Abbas, Y., de Graaf, D. B., Olthuis, … More

Abbas, Y., de Graaf, D. B., Olthuis, W., van den Berg, A. Dynamic Electrochemical Measurement of Chloride Ions. J. Vis. Exp. (108), e53312, doi:10.3791/53312 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter