Introduction
Ag / AgCl電極の遷移時間測定に基づいて、塩化物イオンセンサが提供されます。目的は、電解液中の塩化物イオンの長時間連続監視中に固有のドリフトを回避することです。 Ag / AgCl電極の動的な測定手法であるクロノポテンシオメトリー測定は、この目的のために使用されます。ここでのAg / AgCl電極の電位の変化の割合は、刺激(定電流パルス)の間に測定されます。このアプローチの利点は、次のような現場アプリケーション、従って長期(数年)のためのClイオン濃度の検出を可能にする、液体接合参照電極を逃亡し、代わりに、擬似参照電極としての金属製のワイヤを使用し、 で実証されていますコンクリート構造物内部の測定。
コンクリート構造物中の塩化物イオンが劣化1,2の主要な原因の1つです。これは、補強鋼aで孔食開始します構造3の最終的な失敗でND結果。そのため、コンクリート中のClイオンを測定することは、構造4,5の寿命やメンテナンスサイクルを予測することは避けられません。異なる感知原理は、電気化学的な6,7、光学8,9電磁10,11として、コンクリート中の塩化物イオンの測定のために報告されています。しかし、かさばるセットアップを持っている光学、電磁方法、スタンドアロンシステムとして統合し、選択性12の問題を持ってすることは困難です。電気化学的手法では、銀/塩化銀電極の電位差測定は、技術のアプローチ6,7,13の状態です。有望な結果にもかかわらず、このアプローチは、欠陥のあるデータ14,15における基準電位と拡散電位降下結果のドリフトので、実験室規模の測定に限定されています。動的電気化学測定(DEM)に基づいて、遷移時間のアプローチは、潜在的に問題を軽減することができ16ドリフト 。
DEMでは、適用される刺激に対するシステムの応答は、17から19を測定しました。そのようなシステムの例は、クロノポテンショメトリーです。ここで適用される電流パルスは、電極表面近くにイオンを枯渇させる刺激として使用され、対応する電位応答が測定されます。 Ag / AgCl電極で陽極電流がファラデー反応を開始銀(Ag + CL AgCl + e)は、電極表面近くのClイオンの枯渇をもたらします。電位変化は、印加される電流の関数であり、電解質12,20で(選択)イオンの濃度です。現時点では、これらのイオンは、変曲点21を与え 、完全に電極表面近傍に急速に電位上昇の変化率を枯渇させます。電位 - 時間応答曲線(クロノポテンショグラム)上の変曲点は、遷移時間を示すから決定することができます電位応答22の一次導関数の最大値。遷移時間は、イオン濃度の特徴です。このアプローチは、異なるイオン濃度17および電解質23,24のpHを決定するために使用されています。 (電流が印加される)作用電極としてのAg / AgCl電極の場合に枯渇イオンは、塩化物イオン17あろう。したがって、その遷移時間を測定し、その濃度を決定します。
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Protocol
1.チップ製造
注:チップは、Ag / AgClの作用電極(WE)、銀/塩化銀擬似参照電極(擬似RE)とガラスチップ上に白金対向電極から構成されています。銀金属16を処理し 、標準的なクリーンルームを使用して、ガラスチップ上に堆積されます。次いで、それを表面上に塩化銀層を形成するために30秒間の0.1MのFeCl 3溶液中に塩素化されています。銀/塩化銀WE(面積= 9.812 平方ミリメートル)は 、図1に示すように、銀/塩化銀疑似REに囲まれ、中央部に位置しています。
- 平面銀電極を形成するために、ガラス上に金属銀を析出。次のようにクリーンルームでのステップバイステップのチップ製造を与えられます:
- リソグラフィー
- ウェハ洗浄のために、濃に最初のガラスウェハを浸します。表面をきれいにするために任意の有機汚染物を除去した後、1 M KOHにするHNO 3風呂。
- (厚さ200nm)にポジ型レジスト写真を適用しますスピンコーティングによりウエハ、15分間95℃でレジストをプリベーク。
- ガラスマスクを介して、5秒間UV光にウェハを公開します。
- 現像液中のフォトレジストを開発します。これは、電極が堆積され、残りの領域をレジスト未露光によってカバーされるガラスの面積を公開します。
- ガラスエッチング
- ガラスの露出領域をエッチングするためにKOHの浴に開発ガラスウェーハを浸します。
- 金属蒸着(スパッタリング)
- 露出したガラスエリアでの預金銀金属。
- 第一のガラスのための接着層として20nmのチタン(スパッタリングによって)チタン(Ti)層を堆積させます。
- 次いで、銀とTiとの間の拡散バリアとして(スパッタリングによって)70nmのパラジウム(Pd)層を堆積させます。
- 最後に、銀金属の500 nmのを堆積させます。これは、堆積された金属の厚さです。作用電極の面積を4mm 2です。
- Rを削除しますアセトン浴中でリフトオフ法によりレジストをemaining。
- シングルチップサイズにウェハをDICE。チップは現在、オンチップのAg / AgCl電極を形成するために塩素化される準備ができています。
- 露出したガラスエリアでの預金銀金属。
- リソグラフィー
- 図1に示すように、社内で設計されたポリテトラフルオロエチレンチップホルダにチップを置きます。ホルダーは、プッシュピン(またはバネ式のピン)を介して容易に電気的接続を提供し、電気化学セルが含まれています。
- チップ上のAg / AgCl電極を形成する銀電極を塩化物にします。そのために、30秒間、細胞中の0.1MのFeCl 3溶液を注ぎます。または電極のシルバー色まで暗い灰色がかったなり。短い浸漬時間は、Ag / AgClでの析出につながることができ、一方、より長い浸漬は重要ではありません。
- 残りのFeCl 3【選択チップをきれいにするために脱イオン水でチップをすすぐ今クロノ測定に使用する準備が整いました。
2.電解準備
注:電解質は、0.5M KNO 3における塩化カリウムの異なる濃度で調製しました。
- 50のKCl電解質原液(溶液50ml中のKClの0.186グラム)の50ミリリットルを準備します。
- 同じ溶液中0.5 M KNO 3バックグラウンド電解質を形成するために、KNO 3の2.52グラムを追加します。
- 脱イオン水50mlにKNO 3の2.52グラムを追加し、他の言葉ではM. 0.5にゼロとKNO 3に塩化物の出発濃度を保管してください。
- 以下の手順に示すように、体系的に、電解質(1ミリモルから6ミリメートル)の塩化物イオン濃度を増加させるための50mMのKClを加えます。
- 1 mMの[CL]を取得するために、0.5M KNO 3の4.9ミリリットルに50mMのKClを100μlのを追加します。
- 2 mMの[CL]を取得するステップ2.4.1の溶液に50mMのKCl溶液の104μLを加えます。
- sの中に50mMのKCl溶液の108.41μLを追加3 mMの[CL]を取得するためのステップ2.4.2のolution。
- 4 mMの[CL]を取得するステップ2.4.3の溶液に50mMのKCl溶液の113.19μLを加えます。
- 5 mMの[CL]を取得するステップ2.4.4の溶液に50mMのKCl溶液の118.2μLを加えます。
- 6 mMの[CL]を取得するステップ2.4.5の溶液に50mMのKCl溶液の123.3μLを加えます。
3.実験のセットアップ
注:測定は、ポテンショスタット(生物学的科学器具、フランス)を用いて行きました。
- チップホルダにチップを置き、ポテンショスタットの対応する端子に接続します。
- Ag / AgCl電極をポテンショスタットの作用電極端子を接続します。
- 別のAg / AgCl電極をポテンショスタットの参照電極端子を接続します。
- 白金電極にポテンショスタットの対向電極端子を接続します。
- カンプを配置周囲の騒音を避けるために、ファラデーケージ内LETE実験のセットアップ。
4.機器の操作設定
注:電気化学セルの動作パラメータは、ポテンシオスタットのユーザインタフェースを介して制御されます。印加電流パルス中のAg / AgClをWEの電位応答は、塩化物イオンの異なる濃度について測定されます。
- ポテンショスタットのプログラムでは、技術のクロノを開き、動作パラメータを設定します。
- 要件に応じて次のパラメータを設定します。
- 電流(I S)
- 印加電流(T 秒 )の時間
- ポテンショスタットプログラムで再生ボタンをクリックすることで、この技術を起動します。
注:ポテンショスタットプログラムが適用される電流パルスの下で時間の関数としての潜在的な応答が表示されます。
- 要件に応じて次のパラメータを設定します。
5.測定とデータAnalysiの
- 電解液中のClイオン濃度対遷移時間の検量線を描画します。
- 系統的に、塩化カリウム電解液中のCl濃度を変更します。
- 電気化学セル中の0.5M KNO 3バックグラウンド電解質と1のKClの5ミリリットルで測定を開始します。
- ポテンショスタットを使用してクロノ実験を開始し、10ミリアンペア/ cm -2で10秒間の電流を印加し、データを格納します。
- 系統的に1 mMの刻みで6 mmの濃度を変更し、測定を繰り返します。
- a.mptファイルとして測定されたデータを格納し、データ処理プログラムのデータファイルを分析します。
- 電位応答の一次導関数を計算し、一次微分のピークを計算するために社内開発されたデータ処理プログラムを使用してデータを分析します。一次導関数のピークは、遷移時間です。
注:完全なタラをデータ処理プログラムのINGはのアッバスら、2014補足情報に記載されています。
- 電位応答の一次導関数を計算し、一次微分のピークを計算するために社内開発されたデータ処理プログラムを使用してデータを分析します。一次導関数のピークは、遷移時間です。
- 1時間ごとの間隔で測定を3回繰り返します。
- データ処理プログラムですべてのデータファイルを開き、各測定のための遷移時間を計算します。遷移時間計算の詳細手順は以下のとおりであります:
- クロノ計測のデータファイルから取得した対時間の電位差をプロットします。
- 電位応答の一次導関数を計算します。
- 一次導関数の最大値と、それの時間を示します。一次導関数の最大値の時間は、遷移時間です。
- 検量線は、CLイオン濃度に対する遷移時間の平方根をプロット。
- 測定したデータに沿って砂の式25に基づく理論曲線をプロットします。拡散coefficを逆算データプロットからient。
- 遷移時間との間で測定されたデータプロットで[CL]ライン上の任意の点を取ると、遷移時間の値と[CL]を記録します。砂の方程式は以下のように与えられます。
τ=(FC * / 2J(1-T のCl - ))2Dπ
トランスポート番号であり、Dは拡散係数である-ここで、C *は、バルクのClイオン濃度であり、Fはファラデー定数、Jは電流密度、T Clです 。ネグレクトトンのCl -それは、より高いバックグラウンド電解質濃度のためにゼロに近づくので。 - 拡散係数の砂方程式で唯一残っている変数。遷移時間、塩化物イオン濃度および拡散係数の値を取得砂式の印加電流値を置きます。
- 遷移時間との間で測定されたデータプロットで[CL]ライン上の任意の点を取ると、遷移時間の値と[CL]を記録します。砂の方程式は以下のように与えられます。
- 系統的に、塩化カリウム電解液中のCl濃度を変更します。
- ドリフト測定
- 中のKClの1 mMと5ミリリットルを注ぎます電気化学セル。
- ポテンショスタットでは、現在適用されているが、午前10時-2、時間は10秒となるように設定します。
- 測定間の3時間の間隔で3つの測定毎日で2週間のための潜在的な応答を測定します。
- 電解質、 すなわち、1のKCl、測定を行う前に、毎日更新します。
- 測定値の2週間にわたって遷移時間をプロットします。一日あたりの遷移時間の変化は、遷移時間応答のドリフトです。
- 遷移時間測定の擬似参照電極の影響
注:このような銀/塩化銀線、白金線と鋼線のような様々な擬似参照は、遷移時間を測定するために試験されます。- 電気化学セルでのKCl電解質の4 mMのを注ぎます。
- 擬似参照電極として銀/塩化銀を使用し、ポテンシオスタットの参照電極端子に接続します。陽極電流パルスのCl&#へ713;イオンは、Ag / AgClの作用電極の近くに空乏化されます。
- 10秒間15アム-2の電流密度を印加することにより、クロノ測定を行います。
- 擬似参照電極として白金で測定を繰り返し、データを記録します。
- 擬似参照電極としての鋼棒を用いた測定を繰り返し、データを記録します。
- 使用される様々な擬似参照電極のための測定された遷移時間をプロットします。
- KCl 5mMのと測定の完全なセットを繰り返し、様々な擬似参照電極を使用して遷移時間をプロットします。
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Representative Results
Ag / AgCl電極は、標準的なクリーンルームのプロセスを用いてガラスチップ( 図1.)上に製造されます。クロノポテンシオメトリー測定セットアップ( 図2)を使用し、応答をポテンシオスタットを用いて測定しました。遷移時間でのClイオン濃度の影響を観察するために、0.5 M KNO 3バックグラウンド中のClイオンの4、5及び6ミリモルを含む溶液を、( 図3)を測定します。 Clイオン濃度に対する遷移時間の平方根の較正曲線は理論曲線( 図4)に沿ってプロットされています。遷移時間応答を測定( 図5)のドリフトを評価するために2週間測定しました。遷移時間は、遷移時間の参照システムの効果を観察するために、異なる擬似参照電極( 図6)4および5mMのClイオン濃度で測定されます。ザ1-6 mMの[CL]の範囲を超える電流密度の範囲は、サンド式( 表1)から評価されています。
図3に示すように、遷移時間は、CLイオン、すなわち4,5および6mmの種々の濃度で測定した。対応する電位応答は、その一次導関数と一緒に表示されます。最初の誘導体のピークは、遷移時間を与えます。ピークの時刻は、[CL]の増加に伴って、より高い値にシフトしています。これは、バルク電解質中に存在以上のClイオンが、それは完全にWEの表面付近のClイオンを枯渇に時間がかかります手段として期待されています。上記の濃度について測定された遷移時間はそれぞれ2.69、4.28および5.92秒、です。
遷移時間の測定は、塩化物イオンの既知の濃度に対して較正しました。測定したデータとその線形フィットは、 図4に示されている。砂方程式によって予測されるように遷移時間の平方根は、[CL]に直線的な相関関係にあります。測定されたデータからのClイオンの見かけの拡散係数は、2.280×10 -9 M 2 秒 -1、理論値とよく一致しており、D = 2×10 -9 M 2 秒 -1であることが見出されています。偏差が現在のパルスの間に変化する表面積に起因する電流密度値の不確実性に起因することができます。さらに偏差がより高い濃度、 例えば、7 mMのための比較的大きいです。これは、対流に対してより感受性にする濃度プロファイル、比較的大きな厚さに起因します。
遷移時間の動的な性質は、ドリフトのない測定を保証します。ドリフト、1 mMのCLのための遷移時間を分析するために、図5に示すように、二週間にわたって測定した。遷移時間の減少傾向、0.23ミリ秒/日(0.8μM/日に相当)は、データの線形フィットです。それにもかかわらず、この変化が小さく、蒸発によるのClイオン濃度を変化させ、処理エラーに起因する可能性があり、測定期間にわたって明らか電流密度と温度変化の変化。センサのドリフトについての具体的な結論を得ることは困難です。どちらそこには固有のドリフトはありませんか、ドリフトが比較的小さいです。
遷移時間測定の動的な性質の別の態様は、参照系上の独立性です。様々な擬似参照(銀/塩化銀線、白金線と鋼線)は4と5 mMの[CL]中のAg / AgCl電極の遷移時間を測定するように設定しました。測定は、 図6に示されている。様々な擬似REFEREについて応答が大きく変化しないNCES、遷移時間は80ミリ秒(4および5 mMのCLイオンで±75μM)内で変化します。したがって、基準システムは、系統的効果がありません。任意の金属線は、遷移時間測定のための擬似参照電極として用いることができます。
電気化学セルと共に図1塩化センサチップ。(A)は、ガラス基板との電気的接続パッド上のAg / AgCl電極を有するCLイオンセンサチップ。電気化学セル内の露出領域78 mm 2であるのに対し、ガラスチップの寸法は、15×20 mm 2です。取り付けられたチップと(B)は、完全な電気化学セル(チップホルダー)。中央の円形領域は、電解質16に暴露され、チップの面積を示しています。 3312 / 53312fig1large.jpg "ターゲット=" _空白 ">このファイルをダウンロードするにはこちらをクリックしてください。
遷移時間のアプローチの図2の回路図(A)のClイオン検出手法の概略図。 CE(この図には含まれません)に対するWEに印加電流パルスの間、塩化物イオンは、図示CLイオン濃度プロファイルが得られ、銀/塩化銀でWEを枯渇させます。 (B)ΔVの回路図とdΔV/ dtの応答。実線( - )と破線( - )はそれぞれ、ΔVおよびdΔV/ dtのを表しています。 τは、遷移時間であり、tは、印加される電流パルスの持続時間です。ここでは、T /τは、印加される電流の時間の割合であり、t /τ= 1の遷移時間は、作用電極の表面でのClイオンが完全に16を枯渇させます。 https://www.jove.com/files/ftp_upload/53312/53312fig2large.jpg "ターゲット=" _空白 ">このファイルをダウンロードするにはこちらをクリックしてください。
図3遷移時間測定。chronopotentiograms(実線)と、4、5及び6ミリモルのClイオンの溶液中の他のAg / AgClの疑似RE電極に対してのAg / AgCl電極のそれらの一次導関数(破線)。バックグラウンド電解質は、0.5M KNO 3である、印加電流パルスは、午前10時-2であり、周囲温度は20.9℃です。潜在的な応答の最大傾斜面を点線16で示されている。 このファイルをダウンロードするにはこちらをクリックしてください。
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図4.検量線。CLイオン濃度に対する遷移時間の平方根を示す検量線、0.5 M KNO 3バックグラウンド電解質中。円形の点(O)は、測定したデータであり、実線( - )は線形近似です。破線( - )砂式、当量から理論曲線です。 (2)。印加電流パルスは、午前10時-2であり、周囲温度は20.8℃です。 DとDaがそれぞれ理論と見かけの(実測)拡散係数、16です。 このファイルをダウンロードするにはこちらをクリックしてください。
図5.ドリフト分析。2週間の遷移時間のその後の測定。各測定は、電子を行いました非常に先日、毎日行わ3の測定値と各同じ日の測定間の3時間で。電解液は1 mMのCLの0.5 M KNO 3バックグラウンドでイオンと印加電流パルスは10アム-2であるが含まれています。データポイントと線形フィットは(+)で示されており、それぞれ破線、16。 このファイルをダウンロードするにはこちらをクリックしてください。
異なる擬似参照電極の図6影響のAg / AgClの液体接合部RE、銀/塩化銀線、白金線と鋼線からなる擬似解像度を使用して遷移時間を測定しました。印加される電流パルスは15アム-2であり、周囲温度が21.2℃です。ここで、+およびoマークは、0.5M KNO 3で4および5 mMのCLのイオンの測定データを表示背景には、それぞれ16。 このファイルをダウンロードするにはこちらをクリックしてください。
[CL]の範囲 (MM) | 電流密度、J (アム-2) | (J / C *) 分 (A∙メートル∙モル-1) | (J / C *) 最大 (A∙メートル∙モル-1) | τ 分 (S) | τmaxの (S) |
1〜6 | 10 | 1.66 | 10 | 0.146 | 5.26 |
表1 のClのために選択された電流密度1mMの6のˉイオン濃度範囲は、当量から評価しました。 (3)。 比 J / C及び遷移時間の対応する値は 、16 を与えられています 。
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Discussion
遷移時間は変曲の瞬間です。それは、基準電位、すなわち、参照電極の理論的に独立しています。したがって、任意の金属線は、遷移時間測定のための擬似参照電極として用いることができます。コンクリート中の塩化物イオンの既存の電位差測定とは対照的に、この方法は、長期的かつキャリブレーションのない測定を可能にします。さらに感度及び濃度の検出範囲は、印加される電流パルスを調整することによって調整することができます。具体的なケースであり、より高いCLの濃度については、より高い電流パルスは6秒以内に遷移時間を維持するために適用されるべきです。
Ag / AgCl電極の遷移時間を使って動的測定はCLイオンの基準および校正無料検出のための魅力的な代替を思われるが。水酸化物およびハロゲン化物のような他のアニオン、からの干渉は、実現可能性エスペックそれを制限することができますiallyイオン干渉の濃度のClイオンより高い場合。 [OH] [CL]電解質に比べて10倍高い場合、例えば、遷移時間の(拡大)の混合ピークが観察されます。この場合には、OHおよびClイオンの遷移時間のピークは区別することができません。 [CL]の検出範囲は、このようなOHイオン7として妨害イオンの濃度に依存します。私たちは、干渉イオンの非存在下で、1μMのKClまでテストしてきました。また、ヨウ化物の存在(I)と臭化物(BR)にセンサーが優先的にIおよびBrイオンではなく、塩化ための遷移時間を検出しますイオン。典型的には、IおよびBrイオンからの具体的な干渉に起因する彼らの不在または無視できる量とは無関係です。また、水酸化物およびハロゲン化物イオンからの干渉は、塩化物イオン選択性ポリマー膜(イオノフォア)26とのAg / AgCl電極を覆うことによって補償することができます。
印加される電流パルスは、これは遷移時間を決定し、慎重に選択されるべきで重要なパラメータです。高い電流パルスが急速に酸化銀の形成とAgClの表面を劣化させることができます。長い遷移時間における低電流パルスの結果に対し、結果的に起因する望ましくない対流への移行時間のエラーを誘発します。電流パルスは、遷移時間が6秒以内になるように調整されるべきです。これは、サンド式16で遷移時間値と濃度限界を置くことによって評価することができます。高い電流パルスによる表面劣化が各測定の後に逆方向電流(陰極チャージ、I C XT c)を適用することによって改善することができます(陽極電荷を、I XT A)。カソード電流は、陽極電流パルスの間に堆積過剰のAgClを削除します。陰極カレンtは、陽極と陰極電流の電荷が等しく、 すなわち、 私 のt A = I cの T Cのでなければならないように、 時間 t cで振幅が低いと長くしてください。また、[CL]イオン濃度の大まかな範囲を事前に決定する必要があり、電流パルスは、遷移時間は、5〜10秒以内に達するべきであるように適用されます。また、ポテンショスタットプログラムは、遷移時間に達した後、陽極電流を停止するように調整されるべきです。この前の形成を避けることができます。
この方法は、長期的かつ信頼性のある測定値を与えるコンクリート中のClイオンの長期測定のために使用することができます。飲料水、水泳プール、生物学的試料中でのClイオンを監視するために使用することができます。また、ヨウ化bromiのような他のハロゲン化物イオンを監視するために拡張することができます飲料水中のデ。
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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 |
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