Waiting
Login processing...

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

Chemistry

מדידת אלקטרוכימיות הדינמית של יוני כלוריד

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

חיישן יון כלוריד המבוסס על מדידת זמן מעבר של אלקטרודת Ag / AgCl מוצג. המטרה היא למנוע את נסחפת הטמון במהלך ניטור רציף לטווח ארוך של יוני כלוריד ב האלקטרוליט. מדידת Chronopotentiometric, אשר הוא גישת מדידה דינמית, של אלקטרודת Ag / AgCl משמשת למטרה זו. הנה בשיעור שינוי של פוטנציאל של אלקטרודת Ag / AgCl נמדד במהלך גירוי (דופק galvanostatic). היתרון של גישה זו בא לידי הביטוי כשהיא עוקפת את האלקטרודה ההתייחסות נוזלת צומת ובמקום באמצעות כל חוט מתכת כמו אלקטרודה פסאודו-התייחסות, ובכך מאפשר זיהוי של ריכוז יוני CL עבור (שנים) לטווח ארוך ביישומים באתרו, כגון מדידה בתוך מבני בטון.

יוני כלוריד מבני בטון הוא אחד הגורמים העיקריים של 1,2 השפלה. הוא יוזם הצבת קורוזיה פלדה חיזוקתוצאות nd בכישלון האולטימטיבי של מבנה 3. לכן, מדידת יוני CL בבטון היא בלתי נמנעת כדי לחזות את מחזור החיים ותחזוקה של 4,5 מבנה. עקרונות חישה שונים דווחו למדידת וכלוריד בטון כגון 6,7 אלקטרוכימיים, אופטי 8,9 ו 10,11 אלקטרומגנטית. עם זאת, שיטות אופטיות אלקטרומגנטית יש setups מגושם, קשה לשלב כמערכת עצמאית ויש לי בעיות עם הסלקטיביות 12. בטכניקה אלקטרוכימיים, מדידה פוטנציומטרית של אלקטרודת Ag / AgCl היא המצב של 6,7,13 גישת אמנות. למרות תוצאות מבטיחות, הגישה זו היא מוגבלת מדידה בקנה מידת מעבדה מאז המרחף בפוטנציאל התייחסות ותוצאות נשירות דיפוזיה בנתונים פגומים 14,15. גישה בזמן מעבר המבוססת על מדידת אלקטרוכימיים הדינמי (DEM) יכולה להקל על בעיה בשל פוטנציאללהיסחף 16.

ב DEM, התגובה של מערכת לגירוי להחיל נמדדת 17-19. הדוגמא של מערכת כזו היא chronopotentiometry. הנה דופק נוכחי להחיל משמש כגירוי ומכלת יונים ליד פני האלקטרודה ואת תגובת הפוטנציאל המתאימה נמדדת. זרם anodic ב אלקטרודה Ag / AgCl יוזם תגובה faradaic (Ag + Cl איור 1 AgCl + E) וכתוצאה מכך דלדול של יוני CL ליד משטח האלקטרודה. השינוי הפוטנציאלי הוא פונקציה של הזרם שיושם הריכוז של היונים (סלקטיבית) ב 12,20 אלקטרוליט. ברגע יונים אלה לרוקן לחלוטין ליד האלקטרודה פני שטח שיעור השינוי של עליות פוטנציאל במהירות, נותן נקודת פיתול 21. נקודת הפיתול על עקומת תגובת פוטנציאל האמת (chronopotentiogram) מראה את שעת המעבר וניתן לקבוע מןמרבי של הנגזרת הראשונה של תגובה פוטנציאל 22. שעת המעבר היא מאפיין של ריכוז היון. גישה זו נעשה שימוש כדי לקבוע ריכוז יונים שונים 17 ו pH של אלקטרוליטים 23,24. במקרה של אלקטרודת Ag / AgCl כמו אלקטרודה עבודה (שאליו נוכחי מוחל) יוני depleting יהיו יוני כלוריד 17. לכן מדידת זמן המעבר שלה יקבע ריכוזו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. ייצור השבב

הערה: שבב מורכב אלקטרודה עובד Ag / AgCl (WE), אלקטרודה Ag / AgCl פסאודו הפניה אלקטרודה (פסאודו-RE) ודלפק פלטינה על שבב זכוכית. מתכת הכסף מופקדת על שבב זכוכית, באמצעות חדר נקי תקן מעבד 16. אז זהו chloridized ב 0.1 M FeCl 3 פתרון במשך 30 שניות כדי ליצור שכבה AgCl על פני השטח. היועץ המשפטי לממשלה / AgCl WE (אזור = 9.812 מ"מ 2) ממוקם במרכז, מוקף RE-פסאודו Ag / AgCl כפי שמוצג באיור 1.

  1. להפקיד את מתכת הכסף על זכוכית לגבש אלקטרודה כסף מישוריים. הצעד אחר צעד ייצור השבב בתוך חדר נקי ניתן כדלקמן:
    1. לִיתוֹגְרָפִיָה
      1. לניקוי רקיק, לטבול את פרוסות הכוס הראשונה לתוך קונצרט כלשהו. אמבטיה HNO 3 כדי להסיר כל זיהום אורגני ולאחר מכן לתוך 1 M KOH כדי לנקות את השטח.
      2. החל תמונה חיובית להתנגד (200 ננומטר עבה) אלרקיק ידי ציפוי ספין prebake להתנגד ב 95 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות.
      3. לחשוף את הפרוסות לאור UV למשך 5 שניות באמצעות מסכת זכוכית.
      4. לפתח את photoresist בתמיסת מפתח. זה יחשוף את האזור של הזכוכית שבו אלקטרודות תופקדנה ואת השטח הנותר יכוסה על ידי להתנגד שלא נחשף.
    2. חריטה בזכוכית
      1. לטבול את פרוסות זכוכית פתחו באמבטית KOH כדי לחרוט את האזור החשוף של הזכוכית.
    3. מתכת הפקדה (מקרטעת)
      1. מתכת כסף פיקדון על אזור הזכוכית החשוף.
        1. הפקדה ראשונה טיטניום 20 ננומטר (Ti) שכבה (על ידי מקרטעת) כנדבך הדבקה לזכוכית.
        2. ואז להפקיד 70 ננומטר פלדיום (Pd) שכבה (על ידי מקרטעת) כמחסום דיפוזיה בין הכסף Ti.
        3. לבסוף להפקיד 500 ננומטר מתכת מוכספים. זהו העובי של המתכת שהונח. האזור של האלקטרודה עובד הוא 4 מ"מ 2.
        4. הסר את remaining להתנגד ידי תהליך ההמראה באמבט אצטון.
      2. חותכים את פרוסות לתוך גודל שבב יחיד. השבב עכשיו הוא מוכן להיות chloridized לגבש אלקטרודה על שבב Ag / AgCl.
  2. מניח את השבב בעל שבב polytetrafluoroethylene מתוכנן בתוך בית, כפי שמוצג באיור 1. בעל מספק חיבורי חשמל קל באמצעות סיכות לדחוף (או סיכות קפיץ) ומכיל תא אלקטרוכימי.
  3. Chloridize האלקטרודה כסף כדי ליצור אלקטרודה Ag / AgCl על השבב. בשביל זה, לשפוך פתרון 0.1 M FeCl 3 בתא למשך 30 שניות. או עד להופעת צבע הכסף של האלקטרודה הופך אפרפר כהה. טבילה כבר אינה קריטית בעוד זמן טבילה קצרה יכול להוביל לא בתצהיר של Ag / AgCl.
  4. יש לשטוף את שבב עם מים ללא יונים לנקות את שבב הנותרים FeCl 3 .the עכשיו הוא מוכן לשמש למדידת chronopotentiometric.

2. הכנת אלקטרוליט

הערה: אלקטרוליטים הוכנו עם ריכוז שונה של אשלגן כלורי ב 0.5 M KNO 3.

  1. כן 50 מיליליטר של 50 מ"מ KCl תמיסת אלקטרוליט מניות (0.186 גרם של KCl ב 50 מיליליטר של תמיסה).
  2. באותה פתרון להוסיף 2.52 גר 'KNO 3 לגבש אלקטרוליט רקע 0.5 M KNO 3.
  3. לשמור על ריכוז התחלתי של כלוריד לאפס kno 3 ל 0.5 מ 'במילים אחרות להוסיף 2.52 גר' KNO 3 בתוך 50 מ"ל של מים ללא יונים.
  4. הוסף 50 מ"מ KCl להגדיל את ריכוז כלוריד יון (בין 1 מ"מ ל -6 מ"מ) של אלקטרוליט, באופן שיטתי, כפי שמוצג את השלבים הבאים.
    1. הוספת 100 μl של KCl 50 מ"מ לתוך 4.9 מ"ל של 0.5 M KNO 3 לקבל 1 מ"מ [CL].
    2. להוסיף 104 μl של פתרון 50 מ"מ KCl לתוך תמיסה של צעד 2.4.1 לקבל 2 מ"מ [CL].
    3. להוסיף 108.41 μl של פתרון 50 מ"מ KCl אל היםolution של צעד 2.4.2 להשיג 3 מ"מ [CL].
    4. להוסיף 113.19 μl של פתרון 50 מ"מ KCl לתוך תמיסה של צעד 2.4.3 לקבל 4 מ"מ [CL].
    5. הוסף 118.2 μl של פתרון 50 מ"מ KCl לתוך תמיסה של צעד 2.4.4 כדי לקבל 5 מ"מ [CL].
    6. הוסף 123.3 μl של פתרון 50 מ"מ KCl לתוך תמיסה של צעד 2.4.5 לקבל 6 מ"מ [CL].

3. הגדרת הניסוי

הערה: המדידות בוצעו באמצעות potentiostat (מכשירי מדע ביולוגיים, צרפת).

  1. מניח את השבב בעל השבב ולחבר את המסוף המקביל potentiostat.
  2. חברו את מסוף האלקטרודה העבודה של potentiostat אל האלקטרודה Ag / AgCl.
  3. חברו את מסוף אלקטרודה השוואתית של potentiostat למשנהו אלקטרודת Ag / AgCl.
  4. חברו את מסוף אלקטרודה נגדית של potentiostat אל האלקטרודה פלטינה.
  5. מניחים את compהגדרת הניסוי lete בתוך כלוב פאראדיי כדי למנוע רעש הסביבה.

4. הגדרות תפעוליות Instrument

הערה: הפרמטרים התפעוליים של תא אלקטרוכימי נשלטים באמצעות ממשק המשתמש של potentiostat. התגובה הפוטנציאל של Ag / AgCl WE במהלך דופק נוכחי שימושי נמדדת עבור ריכוזים שונים של יון כלוריד.

  1. בתוכנית potentiostat, לפתוח את chronopotentiometry טכניקה וכן להגדיר את הפרמטרים התפעוליים.
    1. הגדר את הפרמטר הבא בהתאם לדרישות:
      1. נוכחי (אני ים)
      2. זמן של (s t) הנוכחי להחיל
    2. התחל טכניקה זו על ידי לחיצה על לחצן הפעלה בתכנית potentiostat.
      הערה: תכנית potentiostat ומציגה את תגובת הפוטנציאל כפונקציה של זמן תחת הדופק הנוכחי מיושם.

5. מדידות ונתונים לניתוחהים

  1. צייר את עקומת הכיול של זמן המעבר לעומת ריכוז יון Cl ב אלקטרוליט.
    1. שנה את ריכוז Cl אלקטרוליט KCl, באופן שיטתי.
      1. התחילו את המדידה עם 5 מ"ל של 1 מ"מ KCl עם 0.5 M אלקטרוליט רקע KNO 3 בתא אלקטרוכימי.
      2. הפעל את הניסוי chronopotentiometric באמצעות potentiostat ולהחיל הנוכחי של 10 מילי-אמפר / -2 ס"מ במשך 10 שניות ו לאחסן את הנתונים.
      3. שיטתי לשנות את הריכוז עד 6 מ"מ עם במרווחים של 1 מ"מ וחזור על המדידות.
    2. אחסן את הנתונים שנמדדו כמו a.mpt קובץ ולנתח את קובץ הנתונים בתוכנית עיבוד נתונים.
      1. לנתח את הנתונים באמצעות תוכנית לעיבוד נתונים שפותחו באופן עצמי כדי לחשב את הנגזרת הראשונה של התגובה הפוטנציאל ולחשב את השיא של הנגזרת הראשונה. השיא של הנגזר הראשון הוא זמן המעבר.
        הערה: בקלה המלאing של תכנית עיבוד נתונים ניתן המידע המשלים של עבאס et al., 2014.
    3. חזור על המדידה שלוש פעמים עם מרווח של 1 hr כל.
    4. פתח את כל קבצי הנתונים בתוכנית עיבוד נתונים ולחשב את זמן המעבר לכל מדידה. צעדי פירוט חישוב זמן מעבר הוא כדלקמן:
      1. מגרש את הפרש הפוטנציאלים לעומת הזמן שהתקבלה מקובצי נתונים המדידה chronopotentiometric.
      2. חשב את הנגזרת הראשונה של תגובה הפוטנציאלית.
      3. ציין את המקסימום של הנגזרת הראשונה ואת מועדה. השעה המרבי של הנגזרת הראשונה היא תקופת המעבר.
    5. עבור העקומה הכיול, עלילת השורש הריבועי של זמן המעבר ביחס ריכוז יוני CL.
    6. לאורך הנתונים שנמדדו העלילה עקומת תיאורטיים המבוססים על משוואת חול 25. חישוב לאחור דיפוזיה קואפיקient מהחלקה הנתונים.
      1. בעלילת הנתונים שנמדדו בין הזמן המעבר ואת [CL] לקחת כל נקודה על קו ולהקליט את ערך הזמן מעבר ואת [CL]. משוואת החול ניתנת:
        τ = (FC * / 2J (1-t Cl -)) 2 Dπ
        הנה, C * הוא ריכוז יון Cl בתפזורת, F הוא קבוע פאראדיי, j הוא צפיפות הזרם, לא Cl - הוא מספר תחבורה ו- D הוא מקדם הדיפוזיה. להזניח את t Cl - שכן הוא שואף לאפס עבור ריכוז אלקטרוליטים רקע גבוה.
      2. המשתנה היחיד שנותר במשוואה חול מקדם הדיפוזיה; לשים את הערך של זמן מעבר, לריכוז יוני כלוריד לבין זרם להחיל במשוואת החול מקבלת את הערך של מקדם הדיפוזיה.
  2. מדידת דריפט
    1. יוצקים 5 מ"ל של 1 מ"מ של KCl בתא אלקטרוכימי.
    2. בשנתי ה potentiostat, להגדיר את היישומים נוכחיים להיות 10 Am -2 וזמן להיות 10 שניות.
    3. למדוד את התגובה פוטנציאל 2 שבועות עם שלושה מדידה בכל יום עם מרווח של 3 שעות בין המדידות.
    4. רענן אלקטרוליט, כלומר, 1 מ"מ KCl, כל יום לפני ביצוע המדידות.
    5. מגרש את זמן המעבר יותר משבועיים של מדידות. השינוי בזמן המעבר ליום הוא סחף את התגובה בזמן המעבר.
  3. שפעת האלקטרודה פסאודו ההפניה על מדידות זמן המעבר
    הערה: אזכור מדומה שונה כגון חוט Ag / AgCl, חוט פלטינה ואת חוט פלדה נבדק כדי למדוד את זמן המעבר.
    1. יוצקים 4 מ"מ של אלקטרוליט KCl בתא אלקטרוכימי.
    2. השתמש Ag / AgCl כמו אלקטרודה פסאודו התייחסות ולחבר אותו למסוף אלקטרודה השוואתית של potentiostat. בשל הדופק הנוכחי anodic Cl & #713; יונים מתרוקנים ליד האלקטרודה עובד Ag / AgCl.
    3. בצעו את המדידה chronopotentiometric ידי החלת צפיפות זרם של 15 Am -2 במשך 10 שניות.
    4. חזור על מדידות עם פלטינה כמו אלקטרודה פסאודו התייחסות ורשמו את הנתוני.
    5. חזור על מדידות עם מוט פלדה כמו אלקטרודה פסאודו התייחסות ורשמו את הנתוני.
    6. מגרש את זמן המעבר נמדד עבור אלקטרודות פסאודו ייחוס שונה בשימוש.
    7. חזור על הסט השלם של מדידה עם 5 מ"מ של KCl ואת עלילת פעם המעבר באמצעות אלקטרודות פסאודו ייחוס שונה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

אלקטרודת Ag / AgCl הוא מפוברק על שבב זכוכית (figure1) באמצעות תהליך cleanroom סטנדרטי. ההתקנה מדידה chronopotentiometric (איור 2) שימש ותגובה נמדדה באמצעות potentiostat. כדי לבחון את האפקט של ריכוז יון Cl על הזמן המעבר, פתרונות המכילים 4, 5 ו -6 מ"מ של CL יוני רקע 3 0.5 M KNO נמדדים (איור 3). עקומת הכיול של השורש הריבועי של הזמן המעבר לעומת ריכוז יון Cl זממה יחד עם עקומה תיאורטית (איור 4). מעבר זמן תגובה נמדדה במשך שבועיים על מנת להעריך את הסחף במדידה (איור 5). זמן מעבר נמדדת 4 ו -5 מ"מ CL יון ריכוז אלקטרודה פסאודו התייחסות שונה כדי לראות את התוצאות של מערכת הייחוס במועד המעבר (איור 6).מגוון של צפיפות זרם על פני טווח של 1-6 מ"מ [CL] מוערך ממשוואת חול (טבלה 1).

שעת המעבר נמדדה בריכוזים שונים של יוני CL, כלומר 4, 5 ו -6 מ"מ, כפי שמוצג באיור 3. תגובת הפוטנציאל המתאימה גלויה יחד עם הנגזרת הראשונה שלה. הפסגות של הנגזרים הראשונים לתת פעמים המעברות. ברגע בזמן השיא עובר לתלת ערכים גבוהים יותר עם עלייה [CL]. זה צפוי כיותר יוני CL נוכח האלקטרוליט בתפזורת אומר שזה ייקח זמן רב יותר כדי לרוקן את יוני Cl לחלוטין הקרוב לפני שטח WE. בפעמים המעברות נמדדו ריכוזים שהוזכרו הם 2.69, 4.28 ו 5.92 שניות, בהתאמה.

מדידות זמן המעבר כוילו נגד הריכוז הידוע של יוני כלוריד. הנתונים נמדדוההתאמה ליניארית שלה מוצגת באיור 4. השורש הריבועי של זמן המעבר נמצא בקורלציה ליניארית [CL], כפי שחוזה משוואת החול. מקדם דיפוזיה לכאורה של יוני CL מן הנתונים שנמדדו יימצא 2.280 x 10 -9 מ '2 שניות -1, אשר עולה בקנה אחד טוב עם הערך התיאורטי, D = 2 x 10 -9 מ' 2 שניות -1. הסטייה יכולה להיות בגלל אי ​​הוודאות בשווי צפיפות הזרם לייחס את שטח פנים משתנה במהלך הדופק הנוכחי. יתר על כן, הסטייה הינה יחסית גדול עבור ריכוזים גבוהים יותר, למשל, 7 מ"מ. זו מיוחסת העובי הגדול יחסית של הפרופיל הריכוז, מה שהופך אותו רגיש יותר הסעה.

האופי הדינמי של זמן מעבר מבטיח מדידה חינם להיסחף. כדי לנתח את הסחף, מעבר הזמן 1 המ"מ CLנמדדה יותר משבועיים, כפי שמוצג באיור 5. יש מגמת ירידה בזמן המעבר, 0.23 מילי-שניות / יום (מקביל ל -0.8 מיקרומטר / יום), ב התאמה ליניארית של הנתונים. עם זאת, השינוי הזה הוא קטן ניתן לייחס לטעויות טיפול, שינוי ריכוז יון Cl עקב התאדות, שינוי צפיפות זרם לכאורה וריאציה הטמפרטורה על פני תקופת המדידה. לכן קשה לתת מסקנת בטון על הסחיפה של החיישן; גם אין להיסחף טבוע או להיסחף הוא קטן יחסית.

היבט נוסף של האופי הדינמי של מדידת זמן המעבר הוא עצמאותה על מערכת ההפניה. פסאודו אזכור שונה (חוט Ag / AgCl, חוט פלטינה ואת חוט פלדה) הוקם כדי למדוד את זמן המעבר של אלקטרודת Ag / AgCl ב 4 ו -5 מ"מימ [CL]. המדידות מוצגות באיור 6. עבור-refere פסאודו שונה nces התגובה אינה משנה באופן משמעותי, זמן המעבר משתנה בתוך 80 אלפיות השניה (± 75 מיקרומטר ב 4 ו -5 יונים מ"מ CL). לכן מערכת הייחוס אין כל השפעה שיטתית; כל חוט מתכת ניתן משומש כמו אלקטרודה פסאודו התייחסות למדידות זמן המעבר.

איור 1
איור 1. שבב חיישן כלוריד יחד עם תא אלקטרוכימי. (א) שבב חיישן יון Cl עם Ag / AgCl אלקטרודות על מצע זכוכית ורפידות חיבור חשמלי. הממד של שבב הזכוכית הוא 15 x 20 מ"מ 2 ואילו באזור החשוף בתא אלקטרוכימי הוא 78 מ"מ 2. (ב) תא אלקטרוכימי המלא (בעל שבב) עם השבב הרכוב. האזור המעגלי באמצע מציג את האזור של שבב חשוף האלקטרוליט 16. 3312 / 53312fig1large.jpg "target =" _ blank "> אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ.

איור 2
איור 2. סכמטי של גישה בזמן מעבר. (א) סכמטי של גישת זיהוי יון Cl. במהלך דופק נוכחי המיושם בהתאם WE ביחס ל CE (לא בנתון זה), יוני כלוריד לרוקן את Ag / AgCl WE, וכתוצאה מכך פרופיל ריכוז יון Cl המאויר. (ב) סכמטי של ΔV ותגובת dΔV / dt. השורה המוצקה (-) ו הקו מקווקו (-) מייצגים ΔV ו dΔV / dt, בהתאמה. τ הוא זמן המעבר t הוא משך הדופק הנוכחי מיושם. הנה, t / τ הוא היחס בין הזמן הנוכחי שיושם זמן המעבר כאשר t / τ = ​​1, יוני Cl על פני השטח של האלקטרודה עובד מכלת 16 לחלוטין. https://www.jove.com/files/ftp_upload/53312/53312fig2large.jpg "target =" _ blank "> אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ.

איור 3
מעבר איור 3. מדידות זמן. Chronopotentiograms (קו מוצק) ונגזרים הראשון שלהם (קו מקווקו) של אלקטרודת Ag / AgCl ביחס למשנהו אלקטרודת Ag / AgCl פסאודו-RE בפתרונות של 4, 5 ו -6 יונים מ"מ CL. האלקטרוליט הרקע הוא 0.5 M KNO 3, הדופק הנוכחי מיושם הוא 10 Am -2 ואת טמפרטורת הסביבה היא 20.9 מעלות צלזיוס. המדרונות המרבי של תגובות פוטנציאליות מסומנים על ידי קווים מקווקווים 16. אנא לחץ כאן להורדת הקובץ הזה.

/53312fig4.jpg "/>
איור 4. כיול עקום. עקומת כיול מראה את השורש הריבועי של הזמן המעבר לעומת ריכוז יון CL, בתוך אלקטרוליט רקע 0.5 M KNO 3. הנקודות העגולות (o) הן הנתונים שנמדדו ואת הקו המוצק (-) הוא בכושר ליניארי. השורה המקווקות (-) היא העקומה תיאורטית מן משוואת חול, EQ. (2). הדופק הנוכחי מיושם הוא 10 Am -2 ואת טמפרטורת הסביבה היא 20.8 מעלות צלזיוס. D ו- Da הם מקדם דיפוזיה התיאורטי לכאורה (נמדד), בהתאמה 16. אנא לחץ כאן להורדת הקובץ הזה.

איור 5
איור 5. ניתוח דריפט. מדידות עוקבות של זמן המעבר יותר משבועיים. מדידה כל בוצעה דוארמאוד לפני כמה ימים, עם 3 מדידות שבוצע בכל יום 3 שעות בין כל מדידה באותו היום. האלקטרוליט מכיל 1 מ"מ של CL יונים רקע 0.5 M KNO 3 ואת הדופק הנוכחי מיושם הוא 10 Am -2. נקודות הנתונים ובכושר ליניארי מסומנים על ידי (+) ו קו מקווקו, בהתאמה 16. אנא לחץ כאן להורדת הקובץ הזה.

איור 6
איור 6. השפעת אלקטרודות פסאודו התייחסות שונה נמדד. פעמים המעבר באמצעות פסאודו-מיל מורכב RE צומת הנוזלים Ag / AgCl, Ag / AgCl חוט, חוט פלטינה כבלי פלדה. הדופק הנוכחי שיושם הוא 15 Am -2 ואת טמפרטורת הסביבה היא 21.2 מעלות צלזיוס. הנה, + ו o סימני להראות את הנתונים שנמדדו עבור 4 ו -5 מ"מ של CL יונים 0.5 M KNO 3ברקע, בהתאמה 16. אנא לחץ כאן להורדת הקובץ הזה.

[CL] טווח
(מ"מ) 		צפיפות זרם, j
(Am -2) 		(j / C *) דקות
(א ∙ m ∙ mol -1) 		(j / C *) מקסימום
(א ∙ m ∙ mol -1) 		דקות τ
(ים) 		מקסימום τ
(ים)
1 עד 6 10 1.66 10 0.146 5.26

טבלה 1. צפיפות זרם שנבחר עבור Clˉ טווח ריכוז יון של 1 עד 6 מ"מ, העריך מ EQ. (3). הערכים המקבילים היחס j / C וזמן מעבר גם מקבלים 16.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

שעת המעבר הוא רגע של פיתול; היא תיאורטית עצמאית של כלומר פוטנציאל התייחסות, אלקטרודה השוואתית. לכן כל חוט מתכת יכול לשמש אלקטרודה פסאודו התייחסות למדידות זמן המעבר. בניגוד יוני כלוריד פוטנציומטרית מדידת הקיים בבטון שיטה זו מאפשרת מדידה חינם לטווח ארוך וכיול. יתר על כן הרגישות ואת טווח הגילוי של הריכוז יכולים להיות מכוונים על ידי התאמת הדופק הנוכחי מיושם. עבור ריכוזי CL גבוהים, אשר במקרה בבטון, דופק נוכחי גבוה צריך להיות מיושם כדי לשמור על הזמן המעבר בתוך 6 שניות.

למרות המדידה הדינמית באמצעות זמן המעבר של אלקטרודת Ag / AgCl נראית חלופה אטרקטיבית לעיון וזיהוי כיול ללא יוני CL. ההתערבות מן אניונים אחרים, כגון והידרוקסידים ו הלידים, יכול להגביל את השימוש בו היתכנות especially כאשר הריכוז מפריע יונים גבוהים יוני CL. לדוגמא לשיא מעורב (להרחיב) זמן מעבר הוא ציין אם [OH] הוא היה גבוה פי 10 מאשר [CL] ב האלקטרוליט. במקרה זה פסגות הזמן המעברות עבור יונים אה, CL לא יכולות להיות מובחנת. טווח הגילוי של [CL] תלוי הריכוז של יונים מפריעים כגון יוני OH 7. בדקנו עד 1 מיקרומטר KCl בהעדר מפריע יונים. יתר על כן, בנוכחות יודיד (I) ו ברומיד (BR) יוני החיישן יאתר את זמן המעבר מועדף עבור יוני I ו- BR ולא כלוריד. בדרך כלל להפרעה קונקרטית יוני I ו- BR אינו רלוונטי בשל היעדרם או כמות הזניחה. חוץ מזה, הפרעה מצד יוני הידרוקסיד הלידים ניתן פיצוי על ידי כיסוי אלקטרודת Ag / AgCl עם כלוריד קרום יון סלקטיבי-פולימר (ליונופורים) 26.

הדופק הנוכחי שיושם הוא פרמטר קריטי זה בקביעת זמן המעבר ויש שנבחר בקפידה. הדופק הנוכחי גבוה יכול לבזות את השטח AgCl במהירות עם היווצרות של תחמוצת כסף. בעוד תוצאות דופק נוכחיות נמוכות מזה זמן מעבר עוד, וכתוצאה מכך גרימת שגיאות בזמן מעבר בשל הסעה בלתי רצויה. הדופק הנוכחי צריך להיות מותאם באופן כזה כי זמן המעבר הוא בתוך 6 שניות. זה יכול להיות מוערך על ידי הצבת ערך זמן מעבר ומגבלות ריכוז במשוואת החול 16. השפלתו משטח בשל פולסים הנוכחי גבוה ניתן לתיקון על ידי החלת (תשלום קתודית, אני ג xt ג) הנוכחי הפוכה לאחר כל המדידות (תשלום anodic, לי XT א). זרם קתודית יסיר את עודפי AgCl שהופקד במהלך הדופק הנוכחי anodic. Curren קתודיתt צריך להיות נמוך ב משרעת כבר בזמן, t c, כך אחראי anodic ועדכני קתודית צריכים להיות שווים, כלומר, לי חולצת = אני c t ג. יתר על כן, מגוון גס של הריכוז [CL] היון צריך להיקבע מראש ואת הדופק הנוכחי מוחל בצורה כזאת כי זמן המעבר אמור להגיע בתוך 5 עד 10 שניות. יתר על כן, התוכנית potentiostat צריך להיות מותאם כך הנוכחי anodic מפסיק פעם בפעם המעבר הוא הגיע. זה ימנע היווצרות של לפני.

שיטה זו יכולה לשמש למדידת טווח של יוני CL בבטון מתן לטווח ארוכים מדידות אמינות. זה יכול לשמש כדי לפקח על יונים CL ב במי שתייה, בריכות שחייה דגימות ביולוגיות. יתר על כן, זה יכול להתארך עד לפקח יונים הליד אחרים כמו יודיד ו bromiדה במי שתייה.

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

כימיה גיליון 108 מדידה דינמית יוני כלוריד Chronopotentiometry זמן מעבר משוואת חול כסף כסף אלקטרודה כלוריד
מדידת אלקטרוכימיות הדינמית של יוני כלוריד
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