Устройство для электрохимическихизмерений

 

(»>828055

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (б1) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 01.06.79 (21) 2774519/18-25 с присоединением заявки— (23) Приоритет— (43) Опубликовано 07.05.81. Бюллетень № 17 (45) Дата опубликования описания 11.0б.81 (51) М.Кл 6 01 N 27,46

Государственный комитет

:СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 543.257 (088.8) (72) Авторы изобретения

А. Л. Левин, А. Ф. Албантов, А. А. Стахов и В. К. Натальсон

Всесоюзный научно-исследовательский институт медицинского приборостроения (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Изобретение относится к электрохимии, а именно к устройствам для электрохими ческих измерений, и может применяться в производственных и лабораторных условиях при определении удельного потока и концентрации газа, например кислорода, растворенного в жидкости, и диффузионной проводимости последней.

Известно устройство для определения парциального давления кислорода в крови, а также в других жидкостях и газах, содержащее измерительный и вспомогательный электроды, погруженные в корпус с раствором электролита, газопроницаемую мембрану, закрепленную на его торцовой части и образующую с поверхностью измерительного электрода тонкий слой электролита (1).

Недостаток этого устройства заключается в отсутствии средств фиксации слоя анализируемой жидкости на поверхности газопроницаемой мембраны. Кроме того, выполнение газопроницаемой мембраны из полипропилена толщиной 25 л км ведет к большому диффузионному сопротивлению, лимитирующему процесс массопереноса кислорода из анализируемой жидкости к поверхности измерительного электрода.

Известно также устройство для определения концентрации кислорода, содержащее измерительный и вспомогательный электроды, погруженные в корпус с раствором электролита, две газопроницаемые мембраны, при этом первая мембрана прилегает к измерительному электроду и образует с его поверхностью тонкий слой электролита, а вторая обращена к анализируемой жидкости и расположена на внешней поверхности первой (2).

Однако в таком устройстве отсутствуют средства фиксации слоя анализируемой жидкости на внешней поверхности второй газопроницаемой мембраны. Кроме того, газопроницаемые мембраны, первая из которых выполнена из политетрафторэтилена толщиной 25 л кл, а вторая — из силиконовой резины с толщиной, превышающей первую, по крайней мере, в 5 раз, имеют большое диффузионное сопротивление, ли20 мптирующее процесс массопереноса кислорода из анализируемой жидкости к поверхности измерительного электрода.

Указанное устройство не позволяет определять удельный поток кислорода, растворенного в анализируемой жидкости, и диффузионную проводимость последней, а прп определении концентрации кислорода, растворенного в жидкостях с изменяющейся ионной силой, не обеспечивается точность измерений.

828055

Цель изобретения — определение удель ного потока и концентрации газа, растворенного в жидкости, и диффузионной проводимости последней.

Указанная цель достигается тем, что устройство для электрохимических измерений, содержащее измерительный и вспомогательный электроды, погруженные в раствор электролита, и отделяющую их от анализируемой жидкости газопроницаемую мембрану, снабжено расположенной на внешней поверхности газопроницаемой мембраны подложкой со сквозными отверстиями, глубина которых находится из соотношения

l))u. D (R„,+ R,), где l — глубина сквозного отверстия; а и D — коэффициенты растворимости и диффузии газа в анализируемой жидкости;

R„H R — диффузионные сопротивления газопроницаемой мембраны и слоя раствора электролита, расположенного между поверхностью измерительного электрода и газопроницаемой мембраной, причем каждое сквозное отверстие подло кки выполнено сооспым с нормалью к поверхности измерительного электрода, а поверхность подложки выполнена рифленой.

На чертеже дана принципиальная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит измерительный 1 и вспомогательный 2 электроды, погруженные в корпус 8 с раствором 4 электролита, газопронпцаемую мембрану б, закрепленную на торцовой части корпуса и образующую с поверхностью измерительного электрода тонкий слой б электролита.

Устройство снабжено расположенной на внешней поверхности газопроницаемой мемраны б подложкой ? с отверстиями 8 и 9, при этом отверстия 8 выполнены сквозными и проницаемыми для анализируемой жидкости, а отверстия 9 — несквозными. Каждое сквозное отверстие выполнено соосным с нормалью к поверхности измерительного электрода 1. Глубина сквозных отверстий находится из соотношения

l))a,.D (R„+R,), где 1 — глубина сквозного отверстия; а и D — коэффициенты растворимости и диффузии газа в анализируемой жидкости;

R " R. — диффузионные сопротивления газопроницаемой мембраны б и слоя б электролита, расположенного между поверхностью измерительного электрода 1 и газопроницаемой мембраной.

Для уменьшения влияния конвекции, распространяющейся на анализируемую жидкость, находящуюся в сквозных отверстиях 8, внешняя поверхность подложки 7 выполнена рифленой.

Устройство работает следующим образом.

Потенциал измерительного электрода 1 поддерживается на участке предельного

10 диффузионного тока вольт-амперной характеристики, соответствующей восстановле пию (окислению) электрохимически активного газа, например кислорода. При этом

cro концентрация на поверхности измери15 тельного электрода близка к нулю.

Кислород из анализируемой жидкости под действием градиента активности диффупдирует через газопроницаемую мембра ну б и слой б электролита в зону электро20 химической реакции, в которой оп восстанавливается. Это приводит к возникновению тока во внешней цепи измерительного электрода 1, функционально связанного с удельным потоком кислорода к его поверхности.

25 Вели ииа тока 1, во внешней цепи измерительного электрода определяется из уравпсния г|с и

РО

1=пР Я R

50 где P О, — парциальное давление кислорода в перемешиваемой анали. зируемой жидкости;

R . — диффузионное сопротивление анализируемой жидкости, находящейся в сквозных отверстиях 8 подложки 7.

Для обеспечения стационарного значения тока, его линейной зависимости от удельного потока Q и концентрации С газа, растворенного в анализируемой жидкости, диффузионной проводимости К последней анализируемая жидкость фиксируется в отверстиях 8 подложки 7, а за ее пределами перемешивается. При этом диффузионные сопротивления газопрони1=n F.S ..q (О) числО электронов, участву10щих в электрической реакции;

F — число Фарадея;

S — эффективная площадь измерительного электрода 1;

q — удельный поток кислорода к по35 верхности измерительного электрода.

Так ка«удельный поток кислорода к поверхности .измерительного электрода 1 в стационар. ых условиях прямо пропорцио40 пален его,парциальному давлению в анали:-::.руемой жидкости и обратно пропорционален сумме его диффузионных сопротивлений в слое б электролита и анализируемой жидкости, уравнение (2) можно преоб45 разовать

828055

25

1!-а D, (R - - ) .цаемой мембраны 5 и слоя б электролита незначительны по сравнению с диффузионным сопротивлением анализируемой жидкости, находящейся в сквозных отверстиях подложки.

Математически это выражается соотношением (1), и ри выполнении которого, уравнение (3) преобразуется к виду

PO

IAAF SR К а D PQ, Ê.Q=

=К PO К=К D С, (4) и.F S где R — коэффициент пропорциональности.

Диаметр сквозных отверстий выбирается так, чтобы находящаяся в них анализируемая жидкость не перемешивалась. Глубина сквозных отверстий 8, толщины слоя б электролита, газопроницаемой мембраны 5 и ее материал выбран из соотношения (1) при минимизации постоянной времени устройства.

Благодаря наличию подложки 7 с отверстиями 8 и 9, из которых одно, по крайней мере, сквозное и проницаемо для анализируемой жидкости, а глубина выбрана из соотношения (1), измерительный сигнал устройства является линейной функцией удельного потока Q электрохимически активного газа, растворенного в анализируемой жидкости.

При известном парцпальном давлении газа в анализируемой жидкости измерительный сигнал является линейной функцией ее диффузионной проводимости К.

Кроме того, как следует из уравнения (4), измерительный сигнал является линейной функцией концентрации С электрохимически активного газа с точностью до постоянства его коэффициента диффузии в анализируемой жидкости.

Предлагаемое устройство повышает эффективность технологического контроля.

В биомедицинских исследованиях это устройство определяет такие параметры, как удельный поток кислорода в биологи ческих жидкостях и их диффузионные проводимости, что является особенно важным при диагностике, профилактике и лечении различных заболеваний, связанных с кисло родной недостаточностью.

5 Кроме того, данное устройство может найти применение при определении концентрации кислорода в природных и сточных водах.

Формула изобретения

Устройство для электрохимических измерений, содержащее измерительный и вспомогательный электроды, погруженные в раствор электролита, и отделяющую их от анализируемой жидкости газопроницаемую мембрану, отл и ч а ю щее ся тем, что, с целью определения удельного потока и концентрации газа, растворенного в жидкости, и диффузионной проводимости последней, оно снабжено расположенной на внешней поверхности мембраны подложкой со сквозными отверстиями, глубина которых находится из соотношения где — глубина сквозного отверстия; и и D — коэффициенты растворимости и диффузии газа в анализируемой жидкости;

R„, и R, — диффузионные сопротивления газопронпцаемой мембраны и слоя раствора электролита, 35 расположенного между поверх ностью измерительного электрода и газопроницаемой мембраной, причем каждое сквозное отверстие подложки выполнено соосным с нормалью к по4О верхности измерительного электрода, а поверхность подложки выполнена рифленой.

Источники информации, принятые во внимание прп экспертизе:

1. Патент США ¹ 4058447, кл. 204-195, опублик. 1977.

2. Патент ФРГ № 1281182, кл, 42 1 3/04, опублик. 1974.

828055

Составитель И. Рогаль

Редактор М. Стрельникова Техред А. Камышникова Корректор И. Осиновская .

Заказ 577/509 Изд. № 354 Тираж 915 Подписное

НПО «Ноиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, K-35, Раушская наб., д. 4/5

Тип. Харьк. фил. пред. «Патент»