Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Dynamische elektrochemische meting van chloride-ionen

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

Een chloride-ion sensorgebaseerde op de overgang tijdmeting van een Ag / AgCl-elektrode wordt gepresenteerd. Doel is de inherente afwijkingen tijdens de langdurige continue bewaking van de chloride-ionen in de elektrolyt te voorkomen. Chronopotentiometric meting, die een dynamische meting benadering van een Ag / AgCl-elektrode wordt gebruikt voor dit doel. Hier een mate van verandering van vermogen van een Ag / AgCl elektrode wordt gemeten tijdens een stimulus (galvanostatische puls). Het voordeel van deze benadering is aangetoond door ontwijkt de vloeistof-junctie referentie-elektrode en in plaats daarvan gebruik van een metalen draad als een pseudo-referentie-elektrode, waardoor deze de detectie van Cl ionen concentratie lange tijd (jaren) en in situ toepassingen, zoals meting in betonconstructies.

Chloride-ionen in betonconstructies is een van de belangrijkste oorzaken van afbraak 1,2. Het initieert putcorrosie in het wapeningsstaal eennd resulteert in de uiteindelijke falen van de structuur 3. Daarom meten Cl ionen in beton is onvermijdelijk om de levensduur en onderhoudscyclus van een constructie 4,5 voorspellen. Verschillende detectie principes zijn gerapporteerd voor chloride-ionen meting beton zoals elektrochemische 6,7, 8,9 optische en elektromagnetische 10,11. Echter, optische en elektromagnetische methoden volumineuze opstellingen, moeilijk te integreren als zelfstandig systeem en problemen met selectiviteit 12 hebben. In elektrochemische techniek potentiometrische meting van een Ag / AgCl-elektrode is de stand van de techniek aanpak 6,7,13. Ondanks veelbelovende resultaten, deze benadering is beperkt tot laboratoriumschaal meten aangezien de afwijkingen in referentiepotentiaal en verspreiding potentiaaldaling leidt tot gebrekkige gegevens 14,15. Een overgangstijd aanpak op basis van de dynamische elektrochemische meting (DEM) kan het probleem verminderen als gevolg van mogelijkedrift 16.

In de DEM, is de reactie van een systeem om een toegepaste prikkel gemeten 17-19. Het voorbeeld van een dergelijk systeem is chronopotentiometry. Hier een toegepaste stroompuls wordt gebruikt als een stimulans afbrekende ionen nabij het elektrodeoppervlak en de bijbehorende potentiaal respons wordt gemeten. Een anodische stroom bij een Ag / AgCl-elektrode initieert een Faraday-reactie (Ag + CL Figuur 1 AgCl + E) resulteert in een uitputting van de CL-ionen in de buurt van de elektrode oppervlak. De potentiële is een functie van de toegepaste stroom en de concentratie van de (selectieve) -ionen in het elektrolyt 12,20. Momenteel deze ionen afbreken volledig de elektroden oppervlak de veranderingssnelheid potentiële stijgt snel, waardoor een buigpunt 21. Het buigpunt op de potentiaalvrije time respons curve (chronopotentiogram) geeft de overgangstijd en kan worden bepaald uit demaximum van de eerste afgeleide van de potentiële respons 22. De overgangstijd is een kenmerk van de ionenconcentratie. Deze benadering is gebruikt om verschillende ionen concentratie 17 en de pH van elektrolyten 23,24 bepalen. Bij een Ag / AgCl-elektrode als werkelektrode (waaraan stroom wordt toegepast) het afbreken ionen zullen chloorionen 17. Daarom is het meten van de overgangstijd zal zijn concentratie te bepalen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Chip Fabrication

Opmerking: De chip bestaat uit een Ag / AgCl werkende elektrode (WE), een Ag / AgCl pseudo-referentie-elektrode (pseudo-RE) en een platina tegenelektrode op een glazen chip. Het zilver metaal wordt afgezet op een glazen chip, met standaard cleanroom verwerkt 16. Vervolgens chloridized in 0,1 M FeCl3 oplossing 30 seconden een AgCl-laag op het oppervlak vormen. De Ag / AgCl WE (oppervlak = 9,812 mm 2) is gelegen in het centrum, omringd door de Ag / AgCl pseudo-RE zoals weergegeven in figuur 1.

  1. Stort het zilver metaal op glas om een ​​vlakke zilveren elektrode te vormen. De stap-voor-stap-chips in een cleanroom wordt als volgt gegeven:
    1. Lithografie
      1. Voor wafer reiniging, dompel de glazen wafer eerst in conc. HNO 3 bad één organische verontreinigingen in 1 M KOH verwijderen en het oppervlak reinigen.
      2. Breng een positieve fotolak (200 nm dik) aan dewafer door spincoating en voorbakcellen de resist bij 95 ° C gedurende 15 minuten.
      3. Expose de wafer aan UV-licht gedurende 5 seconden door een glazen masker.
      4. Ontwikkelen van de fotoresist in de ontwikkelaar oplossing. Dit zal het glasoppervlak waarin elektroden worden aangebracht en de resterende ruimte wordt onder het blootgestelde resist bloot.
    2. glas Etsen
      1. Dompel de ontwikkelde glazen wafeltje KOH bad aan het blootgestelde oppervlak van het glas etsen.
    3. Metal Deposition (sputteren)
      1. Borg zilver metaal op de blootgestelde glasoppervlak.
        1. Eerste storting een 20 nm titanium (Ti) laag (door sputteren) als een hechtlaag voor glas.
        2. Stort dan 70 nm palladium (Pd) laag (door sputteren) als een diffusiebarrière tussen zilver en Ti.
        3. Tot slot stort 500 nm van zilver metaal. Dit is de dikte van het afgezette metaal. Het gebied van de werkende elektrode 4 mm 2.
        4. Verwijder de remaining weerstaan ​​door lift-off proces in een aceton bad.
      2. Snijd de wafer in de enkele chip grootte. De chip is nu worden chloridized een on-chip Ag / AgCl elektrode.
  2. Plaats de chip in een in-house ontworpen polytetrafluorethyleen chip houder, zie figuur 1. De houder biedt gemakkelijke elektrische verbindingen via push-pins (of veerpinnen) en bevat een elektrochemische cel.
  3. Chloridize de zilverelektrode een Ag / AgCl elektrode op de chip te vormen. Daarvoor giet 0,1 M FeCl3 oplossing in de cel voor 30 sec. of tot aan de zilveren kleur van de elektrode wordt donker grijs. Langere onderdompeling is niet kritisch, terwijl kortere onderdompeling tijd kan leiden tot geen afzetting van Ag / AgCl.
  4. Spoel de chip met gedeïoniseerd water om de resterende FeCl3 .De chip schoon is nu klaar voor gebruik voor de chronopotentiometric meting.

2. Elektrolyt Voorbereiding

Opmerking: De elektrolyten werden bereid met verschillende concentraties kalium chloride in 0,5 M KNO 3.

  1. Bereid 50 ml 50 mM KCl elektrolytoplossing voorraadoplossing (0,186 g KCl in 50 ml oplossing).
  2. In dezelfde oplossing voeg 2,52 g KNO3 een 0,5 M KNO 3 achtergrondelektrolyt vormen.
  3. Houd de uitgangsconcentratie van chloride tot nul en KNO 3-0,5 M. Met andere woorden voeg 2,52 g KNO3 in een 50 ml gedeïoniseerd water.
  4. Voeg 50 mM KCl het chloride concentratie verhogen (van 1 mM tot 6 mM) van de elektrolyt, systematisch, zoals in de volgende stappen.
    1. Voeg 100 ul van 50 mM KCl in een 4,9 ml 0,5 M KNO 3 om 1 mM [CL].
    2. Voeg 104 ul van 50 mM KCl oplossing in de oplossing van stap 2.4.1 om 2 mM [CL].
    3. Voeg 108,41 ul van de 50 mM KCl oplossing in de solution van stap 2.4.2 tot 3 mm [CL] te krijgen.
    4. Voeg 113,19 ul van de 50 mM KCl oplossing in de oplossing van stap 2.4.3 tot 4 mm [CL] te krijgen.
    5. Voeg 118,2 ul van de 50 mM KCl oplossing in de oplossing van stap 2.4.4 te krijgen 5 mM [CL].
    6. Voeg 123,3 ul van de 50 mM KCl oplossing in de oplossing van stap 2.4.5 om 6 mM [Cl].

3. Experimentele Setup

Opmerking: De metingen werden uitgevoerd met een potentiostaat (Biologic Science Instruments, Frankrijk).

  1. Plaats de chip in de chip houder en sluit de overeenkomstige aansluiting van de potentiostaat.
  2. Sluit de werkelektrode aansluiting van de potentiostaat de Ag / AgCl elektrode.
  3. Sluit de referentie-elektrode-aansluiting van de potentiostaat ander Ag / AgCl elektrode.
  4. Sluit de tegenelektrode aansluiting van de potentiostaat de platina elektrode.
  5. Plaats de complete experiment setup in een kooi van Faraday om omgevingsgeluid te voorkomen.

4. Instrument Operationele Instellingen

Opmerking: De operationele parameters van de elektrochemische cel worden via de gebruikersinterface van de potentiostaat. De mogelijke respons van de Ag / AgCl WE tijdens een aangebrachte stroompuls wordt gemeten voor verschillende concentraties van chloride-ionen.

  1. In de potentiostaat programma, opent u de techniek chronopotentiometry en stel de operationele parameters.
    1. Stel de volgende parameters volgens de eisen:
      1. (I s)
      2. Tijdstip van toegepaste stroom (ts)
    2. Begin deze techniek door te klikken op de afspeelknop in het potentiostaat programma.
      Opmerking: De potentiostaat programma toont de mogelijke respons als functie van tijd onder de toegepaste stroompuls.

5. Metingen en Data Analysis

  1. Teken de ijkcurve van de overgangstijd vs. CL ion-concentratie in elektrolyt.
    1. Wijzig de CL-concentratie in de KCl elektrolyt, systematisch.
      1. Start de meting met 5 ml 1 mM KCl met 0,5 M KNO 3 achtergrondelektrolyt in de elektrochemische cel.
      2. Start de chronopotentiometric experiment met de potentiostaat en een stroom van 10 mA / cm -2 voor 10 seconden toegepast en de gegevens.
      3. Systematisch veranderen de concentratie tot 6 mm met stappen van 1 mm en herhaal de metingen.
    2. Sla de gemeten gegevens als a.mpt bestand en het bestand in de gegevensverwerking programma te analyseren.
      1. Analyseer de gegevens met behulp van een intern ontwikkelde gegevensverwerking programma om de eerste afgeleide van de mogelijke respons te berekenen en bereken de piek van de eerste afgeleide. De piek van de eerste afgeleide de overgangstijd.
        Opmerking: De complete kabeljauwing van gegevensverwerking programma is opgenomen in de aanvullende informatie van Abbas et al., 2014.
    3. Herhaal de meting driemaal met het interval van 1 uur elk.
    4. Open alle gegevensbestanden van de in de gegevensverwerking programma en het berekenen van de overgang tijd voor elke meting. Detail stappen van de overgang tijd berekening is als volgt:
      1. Plot het potentiaalverschil vs. tijd verkregen uit de gegevensbestanden van chronopotentiometric meting.
      2. Bereken de eerste afgeleide van de mogelijke reactie.
      3. Geef het maximum van de eerste afgeleide en de tijd van het. Het tijdstip van de maximale eerste afgeleide is de overgangstijd.
    5. Voor de ijkcurve plot de vierkantswortel van de overgangstijd met betrekking tot de concentratie van Cl ionen.
    6. Langs de gemeten data plot van de theoretische curve gebaseerd op het Zand vergelijking 25. Bereken de rug van de diffusie coefficseerde uit de gegevens plot.
      1. In de meetgegevens perceel tussen de overgangstijd en de [CL] nemen elk punt op de lijn en de waarde van de overgangstijd en de [CL] op te nemen. The Sand vergelijking wordt gegeven als:
        τ = (FC * / 2j (1-t Cl -)) 2 dn
        Hier, C * is de massa Cl ionenconcentratie, F de constante van Faraday, j is de stroomdichtheid, t Cl - transport wordt het aantal en D de diffusiecoëfficiënt. Verwaarlozing de t Cl - omdat het nul benadert voor een hogere achtergrond elektrolyt concentratie.
      2. De enige overgebleven variabele in het Zand vergelijking in de diffusiecoëfficiënt; zet de waarde van de overgangstijd, de chloride concentratie en de toegepaste stroom in het Zand vergelijking verkrijgen van de waarde van de diffusiecoëfficiënt.
  2. drift Measurement
    1. Giet 5 ml 1 mM de KCl in deelektrochemische cel.
    2. In de potentiostaat, zet de toegepaste stroom te worden 10:00 -2 en de tijd tot 10 sec.
    3. Meet de mogelijke respons voor 2 weken met drie metingen per dag met een interval van 3 uur tussen de metingen.
    4. Vernieuwen de elektrolyt, dat wil zeggen, 1 mM KCl, elke dag voor het uitvoeren van de metingen.
    5. Zet de overgangstijd meer dan twee weken van de metingen. De verandering in de overgangstijd per dag is de drift van de overgangstijd respons.
  3. Effect van de pseudo-referentie-elektrode op de overgang tijdmetingen
    Opmerking: Verschillende pseudo-referenties, zoals een Ag / AgCl draad, een platina draad en een staaldraad worden getest om de overgang tijd te meten.
    1. Pour 4 mM KCl elektrolyt in de elektrochemische cel.
    2. Gebruik Ag / AgCl als een pseudo-referentie-elektrode en sluit deze aan op de referentie-elektrode aansluiting van de potentiostaat. Door anodische stroompuls de Cl & #713; ionen worden uitgeput in de buurt van de Ag / AgCl werken elektrode.
    3. Voer de chronopotentiometric meting door een stroomdichtheid van 15 Am -2 voor 10 sec.
    4. Herhaal de meting met platina als pseudo-referentie-elektrode en de gegevens.
    5. Herhaal de meting met stalen staaf als pseudo-referentie-elektrode en de gegevens.
    6. Zet de gemeten overgangstijd voor diverse pseudo-referentie-elektroden gebruikt.
    7. Herhaal de complete set van metingen met 5 mM KCl en plot de overgangstijd met behulp van verschillende pseudo-referentie-elektroden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De Ag / AgCl elektrode wordt vervaardigd op een glazen chip (Figuur 1) met behulp van een standaard cleanroom proces. De chronopotentiometric meetopstelling (Figuur 2) werd gebruikt en de reactie werd gemeten met een potentiostaat. Om het effect van Cl ionenconcentratie de overgangstijd voldoen worden oplossingen die 4, 5 en 6 mM Cl ionen in een 0,5 M KNO 3 achtergrond gemeten (figuur 3). De kalibratiecurve van de vierkantswortel van de overgangstijd versus Cl ionenconcentratie wordt uitgezet op theoretische curve (figuur 4). Overgangstijd respons werd gemeten gedurende twee weken om de drift van de meting (figuur 5) te evalueren. Tijd overgang wordt gemeten in 4 en 5 mM Cl ionenconcentratie voor verschillende pseudo-referentie-elektrode om het effect van referentiesysteem op overgangstijd nemen (figuur 6). Dereeks stroomdichtheid in het traject van 1-6 mM [CL] wordt geëvalueerd uit het zand vergelijking (tabel 1).

De overgangstijd werd gemeten in verschillende concentraties Cl ionen, te weten 4, 5 en 6 mM, zie figuur 3. De bijbehorende potentiële reactie zichtbaar samen met de eerste afgeleide. De toppen van de eerste afgeleiden geven de overgangstijden. Het tijdstip van de piek verschuift naar hogere waarden met de stijging van [Cl]. Dit zal naar verwachting als meer Cl-ionen die aanwezig zijn in de bulk elektrolyt betekent dat het langer zal duren om volledig uitputten de CL-ionen in de buurt van de WE oppervlak. De gemeten overgang tijden voor de genoemde concentraties zijn 2,69, 4,28 en 5,92 sec, respectievelijk.

De overgang tijd metingen zijn geijkt tegen de bekende concentratie van chloride-ionen. De gemeten gegevens ende lineaire fit is weergegeven in figuur 4. De vierkantswortel van de overgang is in lineaire correlatie met de [CL], zoals voorspeld door het zand vergelijking. De schijnbare diffusiecoëfficiënt Cl ionen uit de gemeten gegevens blijkt 2,280 x 10 -9 m 2 s -1, hetgeen in goede overeenstemming met de theoretische waarde D = 2 x 10 -9 m 2 s -1 zijn. De afwijking kan worden veroorzaakt door de onzekerheid in de stroomdichtheid waarde die aan het veranderende oppervlak tijdens de stroompuls. Verder is de afwijking is relatief groter bij hogere concentraties, bijvoorbeeld, 7 mM. Dit wordt toegeschreven aan de relatief grote dikte van het concentratieprofiel, waardoor het gevoelig maakt convectie.

Het dynamische karakter van de overgang tijd zorgt voor een drift gratis meting. Om de drift, de overgang tijd voor 1mM cl analyserenwerd gedurende twee weken, zie figuur 5. Er is een dalende trend in de overgangstijd, 0,23 msec / dag (komt overeen met 0,8 uM / dag), in de lineaire regressie van de gegevens. Niettemin, deze verandering is klein en kan worden toegeschreven aan handling errors, veranderen Cl ionenconcentratie door verdamping, veranderingen in schijnbare stroomdichtheid en temperatuur variatie in de meetperiode. Het is derhalve moeilijk om een ​​concreet conclusie over de drift van de sensor geeft; ofwel er geen inherente drift of drift relatief klein.

Een ander aspect van de dynamiek van de overgang tijdmeting zich onafhankelijk een referentiesysteem. Verschillende pseudo-referenties (een Ag / AgCl draad, een platina draad en een stalen draad) werden opgericht om de overgangstijd van een Ag / AgCl-elektrode te meten in 4 en 5 mM [CL]. De metingen worden getoond in Figuur 6. Om verschillende pseudo-referentie NCE's bevatten het antwoord niet significant verandert, overgangstijd varieert binnen 80 msec (± 75 pm op 4 en 5 mM CL-ionen). Daarom is het referentiesysteem heeft geen systematische effect; een metalen draad kan worden gebruikt als een pseudo-referentie-elektrode voor overgangstijd metingen.

Figuur 1
Figuur 1. Chloride sensorchip met de elektrochemische cel. (A) De Cl ion sensorchip met Ag / AgCl elektroden op een glassubstraat en elektrische aansluitvlakken. De afmeting van de glazen chip is 15 x 20 mm 2 dat het blootgestelde oppervlak van de elektrochemische cel 78 mm2. (B) De volledige elektrochemische cel (chip houder) met de gemonteerde chip. Het middelste cirkelvormige gebied geeft het gebied van de chip blootgesteld aan het elektrolyt 16. 3312 / 53312fig1large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om dit bestand te downloaden.

figuur 2
Figuur 2. Schematische voorstelling van de overgang tijd aanpak. (A) Schematische weergave van de CL-ion detectie aanpak. Tijdens een toegepaste stroompuls bij WE opzichte van een CE (niet in deze figuur), chloride-ionen afbreken bij de Ag / AgCl WE, waardoor de geïllustreerde Cl ionenconcentratie profiel. (B) Schematische voorstelling van de AV en dΔV / dt reactie. De doorgetrokken lijn (-) en de gestippelde lijn (-) vertegenwoordigen AV en dΔV / dt, respectievelijk. τ is de overgangstijd en t de duur van de toegepaste stroompuls. Hier, t / τ is de verhouding van de toegepaste tijd en de overgang tijdstip t / τ = ​​1, de CL ionen aan het oppervlak van de werkelektrode volledig put 16. https://www.jove.com/files/ftp_upload/53312/53312fig2large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om dit bestand te downloaden.

figuur 3
Figuur 3 Transition time metingen. De chronopotentiograms (getrokken lijn) en de eerste afgeleide (stippellijn) van de Ag / AgCl-elektrode ten opzichte van andere Ag / AgCl pseudo-RE elektrode in oplossing van 4, 5 en 6 mM Cl ionen. De achtergrondelektrolyt is 0,5 M KNO 3, de toegepaste stroomstoot 10:00 -2 en de omgevingstemperatuur is 20,9 ° C. De maximale hellingen van de mogelijke antwoorden worden aangeduid door de stippellijnen 16. Klik hier om dit bestand te downloaden.

/53312fig4.jpg "/>
Figuur 4. IJkgrafiek. Een ijkkromme met de vierkantswortel van de overgangstijd versus de Cl ionenconcentratie in een 0,5 M KNO 3 achtergrondelektrolyt. De ronde punten (o) zijn de gemeten gegevens en de doorgetrokken lijn (-) de lineaire fit. De stippellijn (-) is de theoretische curve van het Zand vergelijking, eq. (2). De toegepaste stroomstoot is 10:00 -2 en de omgevingstemperatuur is 20,8 ° C. D en Da zijn de theoretische en schijnbare (gemeten) diffusie coëfficiënten, respectievelijk 16. Klik hier om dit bestand te downloaden.

figuur 5
Figuur 5. Drift analyse. Na metingen van de overgang time meer dan twee weken. Elke meting werd uitgevoerd eheel de dag, met 3 metingen per dag en 3 uur tussen elke identieke dag meten. Het elektrolyt bevat 1 mM van Cl ionen in een 0,5 M KNO 3 achtergrond en de toegepaste stroomstoot is 10:00 -2. De datapunten en lineaire fit worden aangeduid met (+) en een stippellijn, respectievelijk 16. Klik hier om dit bestand te downloaden.

figuur 6
Figuur 6. Effect van verschillende pseudo-referentie-elektroden. Gemeten overgang tijden met behulp van pseudo-RE bestaat uit een Ag / AgCl vloeibare junction RE, Ag / AgCl draad, platina en staaldraad. De toegepaste stroomstoot is 15 Am -2 en de omgevingstemperatuur is 21,2 ° C. Hier, + en o merkteken geeft de gemeten gegevens 4 en 5 mM Cl ionen in een 0,5 M KNO 3achtergrond, respectievelijk 16. Klik hier om dit bestand te downloaden.

[CL] range
(mM) 		Stroomdichtheid j
(Am -2) 		(j / C *) min
(A ∙ m ∙ mol -1) 		(j / C *) max
(A ∙ m ∙ mol -1) 		τ min
(s) 		τ max
(s)
1-6 10 1.66 10 0.146 5.26

Tabel 1. Gekozen stroomdichtheid voor een Clˉ ion concentratiebereik van 1-6 mM, geëvalueerd uit eq. (3). De bijbehorende waarden van de verhouding j / C en overgangstijd worden ook gegeven 16.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De overgang is het moment van de verbuiging; het theoretisch onafhankelijk van de referentiepotentiaal dwz, de referentie-elektrode. Derhalve geen metalen draad kan worden gebruikt als een pseudo-referentie-elektrode voor overgangstijd metingen. In tegenstelling tot de bestaande potentiometrische meting van chloride-ionen in beton maakt deze werkwijze een langdurige en ijking meting. Bovendien de gevoeligheid en het detectiebereik van concentratie kan worden ingesteld door aanpassing van de toegepaste stroompuls. Bij hogere concentraties Cl, hetgeen het geval van beton, hoger moet stroompuls wordt toegevoerd aan de overgangstijd binnen 6 seconden staan.

Hoewel de dynamische meting met behulp van de overgangstijd van een Ag / AgCl elektrode lijkt een aantrekkelijk alternatief voor referentie en kalibratie vrij detectie van Cl ionen. De interferentie van andere anionen, zoals hydroxiden en haliden, kan beperken haalbaarheid especially wanneer de concentratie van storende ionen hoger is dan de CL ionen. Bijvoorbeeld een gemengd (verbreding) piek van overgangsperiode wordt waargenomen als de [O] is 10 keer hoger dan de [CL] in het elektrolyt. In dit geval is de overgangstijd pieken voor OH en Cl ionen niet kunnen worden onderscheiden. Het detectiebereik van [CL] afhankelijk van de concentratie van storende ionen zoals OH ionen 7. We hebben vastgesteld getest 1 uM KCl in de afwezigheid van storende ionen. Bovendien, in aanwezigheid van jodide (I) en bromide (BR) ions zal de sensor bij voorkeur detecteert de overgangstijd voor i en BR-ionen in plaats van chloride. Meestal in beton interferentie van I en BR-ionen niet relevant is als gevolg van hun afwezigheid of verwaarloosbare hoeveelheid. Bovendien kan interferentie van hydroxide en halogeniden-ionen worden gecompenseerd door het bedekken van de Ag / AgCl elektrode met chloride-ion-selectieve-polymeer membraan (ionoforen) 26.

De toegepaste stroompuls is een kritische parameter in het bepalen van de overgangstijd en moeten zorgvuldig worden gekozen. Hogere stroomimpuls kan snel afbreken AgCl het oppervlak onder vorming van zilveroxide. Overwegende dat de lagere stroom puls resulteert in een langere overgangsperiode, dus het induceren van fouten in de overgang tijd als gevolg van ongewenste convectie. De stroompuls moet worden aangepast zodanig dat de overgangstijd binnen 6 sec. Dit kan worden beoordeeld door de invoering van de overgang tijdswaarde en concentratielimieten in het Zand vergelijking 16. Het oppervlak degradatie door hogere stroompulsen kunnen worden verholpen door een tegenstroom (kathodische lading, I c xt c) na elke meting (anodische lading, ik xt a). De kathodische stroom zal het overtollige AgCl afgezet tijdens de anode stroomstoot. De kathodische current moet lager in amplitude en meer in tijd, t c, zodanig dat de lading van anodische en kathodische stroom gelijk moet zijn, dat wil zeggen, ik t a = I c t c. Bovendien moet een ruwe bereik van de [CL] ionenconcentratie wordt vooraf bepaald en de stroompuls wordt toegevoerd zodanig dat de overgangstijd binnen 5 tot 10 seconden zou bereiken. Bovendien moet het programma potentiostaat zodanig worden geregeld dat de anodische stroom stopt zodra de overgangstijd wordt bereikt. Dit zal de vorming van AGO voorkomen.

Deze methode kan worden gebruikt voor lange termijn metingen van Cl ionen in beton waardoor langdurige en betrouwbare metingen. Het kan worden gebruikt voor het CL-ionen monitoren in drinkwater, zwembaden en biologische monsters. Bovendien kan het worden uitgebreid naar andere halogenide-ionen zoals jodide en bromi bewakende in het drinkwater.

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

Chemie Dynamic meting chloride-ionen Chronopotentiometry tijd Transition Zand vergelijking Silver zilverchloride-elektrode
Dynamische elektrochemische meting van chloride-ionen
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