Электродная система для вольтамперометрического анализа

 

Использование: при изучении состава органических и неорганических веществ, медицинских и других объектов. Сущность изобретения: электродная система, предназначенная для выполнения любых видов анализа в широком диапазоне рабочих напряжений, содержит индикаторный электрод, электрод сравнения и вспомогательный электрод, все три из которых выполнены одинаковыми по размеру из одного электропроводящего материала и запрессованы в общий корпус инертного материала. При этом электродная система введена в электрохимическую ячейку и подсоединена к измерительно-задающему устройству типа полярографа. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к техническим средствам вольтамперометрических методов анализа и может быть использовано для изучения состава органических и неорганических веществ, медицинских и других объектов.

Известна широко используемая в настоящее время трехэлектродная система для вольтамперометрического анализа, вводимая в электрохимическую ячейку, включающая в себя индикаторный электрод (ИЭ), вспомогательный электрод (ВЭ) и электрод сравнения (ЭС) [1, c.45] При этом в качестве ИЭ используется ртутный капающий электрод (РКЭ) [1, c.42] статический ртутный капельный электрод (ОРКЭ) [2] стационарный ртутный капельный электрод (СРКЭ), стационарный ртутный пленочный электрод (СРПЭ), стационарный амальгамный пленочный электрод (АПЭ) с подложкой из серебра или другого подходящего металла [1. c. 290-292] стационарные электроды с подложкой на основе углерода импрегнированного графита, угольной пасты, пирографита, углеситалла, стеклоуглерода [3, c. 228-230] В качестве ЭС используют различные конструкции каломельных и хлорсеребряных электродов, электроды из углеродных материалов, платины и других металлов [4, c. 20] А в качестве ВЭ могут быть использованы электроды из любых токопроводящих материалов, например, из слоя ртути [1, c.51] платиновой проволоки, стержней из стеклоуглерода или углеситалла [4, c.20] Прототипом предлагаемого технического решения является трехэлектродная система [4, c. 45-46] вводимая в электрохимическую ячейку, включающая в себя индикаторный электрод, электрод сравнения и вспомогательный электрод, при этом в качестве индикаторного используется ртутный капельный электрод (РКЭ) или стационарный ртутный электрод (СРЭ), состоящий из стержня, выполненного из электропроводящего материала с изолированной боковой поверхностью, на торец которого нанесена ртуть. В качестве электрода сравнения использован каломельный электрод с капилляром Луггина, подводимым вплотную к ИЭ. Капилляр соединен посредством электролитического мостика собственно с каломельным электродом. Вспомогательный электрод выполнен из платины, стеклографита или углеситалла.

В такой электродной системе электроды ИЭ, ЭС и ВЭ выполнены из разных материалов и имеют различную конструкцию, что делает трехэлектродную систему достаточно громоздкой. Большая по габаритам система имеет ограничения по применению. Ее нельзя использовать в анализе биологических объектов, например, небольших по размерам открытых ран и ожогов. Ее невозможно подвести к труднодоступным для анализа участкам и т.п.

Материалы, из которых обычно изготавливают ЭС, могут взаимодействовать с исследуемым раствором и искажать результаты измерений. Нежелательные химические процессы вынуждают вводить промежуточный электролитический мостик, что в целом увеличивает габариты трехэлектродной системы.

В силу конструктивных особенностей ИЭ или ЭС последние имеют непродолжительный срок службы, много меньший срока службы устройства, в котором они работают.

Разнотипность конструкций ИЭ и ЭС вынуждает готовить их к работе по различным методикам, что увеличивает трудоемкость собственно измерений.

Цель изобретения разработка конструкции трехэлектродной системы, способной выполнять все виды вольтамперометрических измерений в широком диапазоне рабочих напряжений, имеющей электроды, которые позволяют упростить конструкцию системы, миниатюризировать ее размеры, увеличить срок службы и осуществлять единую подготовку электродов системы к работе.

Цель достигается за счет использования электродной системы для вольтамперометрического анализа, содержащей индикаторный электрод, электрод сравнения и вспомогательный электрод, подсоединенной к измерительно-задающему устройству и введенной в электрохимическую ячейку, в которой предлагается все три электрода системы выполнить одинаковыми по размеру из одного электропроводящего материала и запрессованными в общий корпус из инертного материала.

С целью улучшения доставки отвода исследуемых веществ к рабочей поверхности ИЭ электродная система выполняется с возможностью вращения, при этом электрический вывод каждого из электродов припаян к своему токосъемному кольцу, а все кольца на равном расстоянии друг от друга закреплены на переходнике из инертного материала, посредством которого вращающий момент передается от электропривода на общий корпус системы.

При разработке новой конструкции трехэлектродной системы учитывался тот факт, что в процессе использования трехэлектродной системы ток через ЭС не проходит, поэтому особых требований к его конструкции не предъявляется. Отсутствуют также специальные требования к конструкции ВЭ. Каждый из электродов трехэлектродной системы может быть изготовлен из одного электропроводящего материала, например стеклоуглерода. Это позволяет выполнить все три функционально разных электрода системы идентичными по конструкции, например, из одинаковых по размерам стержней из одного электропроводящего материала. Стержни запрессовываются в общий корпус из инертного материала на возможно близком расстоянии изолированно друг от друга. Такое размещение электродов позволяет не только максимально уменьшить размеры системы и сделать ее пригодной для анализа растворов исследуемых веществ объемом 0,1-0,2 мл, но и дает возможность максимально уменьшить остаточный ток в течение всего срока службы электродной системы. Малый остаточный ток есть следствие минимальных краевых дефектов на границе между стержнями и материалом корпуса по всей длине стержней, что позволяет повысить точность измерений в целом.

Наиболее подходящими электродными материалами являются стержни из пирографита, стеклоуглерода, углеситалла или фуллеренов С₆₀-С₇₀. Электроды из упомянутых материалов являются химически инертными и продолжительное время выдерживают без явных признаков разрушения воздействие электрического тока на них в широком диапазоне поляризующего напряжения.

Рабочими поверхностями электродов служат торцовые поверхности. При периодической очистке и шлифовке торцов электродов срок службы электродной системы становится практически неограниченным.

Чувствительность измерений с помощью новой электродной системы можно повысить в несколько раз, если на рабочую поверхность ИЭ нанести ртуть, но диапазон рабочих напряжений при этом уменьшается примерно в два раза.

На фиг.1 представлена схема трехэлектродной системы из одинаковых электродов, разрез; на фиг. 2 то же, вид с торца; на фиг.3 электрохимическая ячейка с введенной в нее трехэлектродной системой, подсоединенной к измерительно-задающему устройству, разрез.

Предлагаемая трехэлектродная система (фиг.1) содержит корпус 1, выполненный из тетрафторэтилена, в который запрессованы три одинаковых по конструкции, но разных по функции электрода, например ИЭ 2, ЭС 3, ВЭ 4. Все электроды имеют электрические выводы 5, каждый из которых присоединен (например, припаян) к своему токосъемному медному кольцу 6. Токосъемные кольца 6 на равном расстоянии друг от друга закреплены на переходнике 7 из инертного материала, посредством которого вращающий момент через заглушку 8, в которой закреплен вал 9 электропривода 10, передается на корпус 1 системы. Через токосъемные кольца 6 посредством подпружиненных скользящих контактов (не показаны) осуществляется наложение поляризующего напряжения на электроды и регистрация тока посредством измерительно-задающего устройства 11, например полярографа. В качестве электропривода 10 используется электродвигатель с регулируемым числом оборотов.

Все электроды выполнены из стеклоуглеродных, углеситалловых, пирографитовых или фуллереновых С₆₀-С₇₀ стержней одинакового размера, открытые торцовые поверхности которых служат рабочими поверхностями. Трехэлектродная система (сборка) вводится в электрохимическую ячейку 12.

Трехэлектродная система, введенная в электрохимическую ячейку (фиг.3), работает следующим образом.

Перед началом работы торец системы полируют. Рабочие поверхности электродов сборки должны быть гладкими, не иметь царапин и быть свободными от фторопласта.

Систему помещают в ячейку с электролитом. Торец трубки, по которой подают инертный газ в ячейку, располагают чуть ниже или на одном уровне с торцом системы таким образом, чтобы газовые пузыри не экранировали его.

Электроды сборки произвольно подключают к измерительно-задающему устройству (например, полярографу) обязательно в трехэлектродном режиме и 3-5 раз тренируют при катодно-анодной развертке потенциала в той его области, где планируется проводить измерения.

Регистрацию вольтамперограмм проводят обычным образом с вращением или без вращения электродной системы в электрохимической ячейке.

Система из трех стеклоуглеродных электродов сразу же начинает работать, если методика определения каких-либо веществ разрабатывалась под индикаторный электрод из углеродных материалов. Методики определения, разработанные под ртутный или амальгамный индикаторные электроды, требуют некоторой подработки, заключающейся в подборе оптимальной концентрации индифферентного электролита или замене его на другой.

У предлагаемой трехэлектродной системы наблюдается незначительный остаточный ток в широком диапазоне поляризующего напряжения. Для разных электролитов при чувствительности 1 10Е (-7) А/мм и скорости развертки потенциала 50 мВ/с диапазон рабочих напряжений составляет от двух до трех вольт (таблица).

С помощью предложенной трехэлектродной системы методом инверсионной вольтамперометрии определяли: серебро, бром и йод в фотографических эмульсиях; свинец и медь в отходах клинкера Беловского цинкового завода при совместном присутствии, когда содержание меди в анализируемом растворе в виде аммиакатного комплекса в 320 раз превышало содержание свинца; на уровень предельно допустимых концентраций находили ртуть, медь, свинец и кадмий в сточных водах, тиомочевину в пищевых продуктах.

Формула изобретения

1. Электродная система для вольтамперометрического анализа, содержащая индикаторный электрод, электрод сравнения и вспомогательный электрод, подсоединенная к измерительно-задающему устройству и введенная в электрохимическую ячейку, отличающаяся тем, что все электроды выполнены одинаковыми по размеру из одного электропроводящего материала и запрессованы в общий корпус из инертного материала.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что на торцевую поверхность индикаторного электрода нанесена ртуть.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит три токосъемных кольца, закрепленных на переходнике из инертного материала, при этом к каждому кольцу подсоединен электрический вывод соответствующего электрода, а сам переходник жестко соединен с общим корпусом системы, выполненной с возможностью вращения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4