做和新型pH酸碱度检测电极的研发革命还是创新

新型pH酸碱度检测电极的研发：革命还是创新？

Klaus-Peter Mang博士

传统的玻璃电极还有着长期的生存空间，不可能在短期内被淘汰，并且还将会是pH酸碱度检测中的标准检测器具。那么可以对它进行怎样的改进呢？随着单棒检测仪、耐冲击的Gel电极（Gelelektrode）和无膜的高分子聚合物电极的研发成功，似乎是完成了技术创新的最后一步，开始了技术革命的第一步。

新的pH单棒检测仪InPro 4260就是采用Xerolyt Extra为材料的酸碱度检测仪，在化工生产领域中有着很好的通用性，适合于在各种恶劣的条件下、在严格的流程工艺过程中进行酸碱度的检测。

原则上讲，pH酸碱度检测电极可以根据其外形尺寸、所使用的玻璃膜的抗酸碱度能力以及其基本系统加以区分。适用于各种应用场合的酸碱度检测电极是不存在的。所有著名的检测电极生产厂家都提供了在不同的、特定场合下有着最佳应用效果的检测传感器。在选择这些酸碱度检测电极时，流程设备的工作条件有着决定性的影响（为了保证最佳的检测效果，用户最好直接向生产厂家咨询）：

■pH值的范围，工作温度范围和工作压力范围；

■被检测介质的化学成分；

■导电性能和粘度；

■搅拌或者流动速度；

其它还有一些技术要求，例如可消毒性能、自动蒸煮性能、符合卫生要求的设计、符合美国FDA认证要求的与被检测介质接触的性能等等。

除了用玻璃电极当作检测电极使用以外，还有一些混合式电极，如：搪瓷电极、锑电极和ISFET电极。但玻璃电极在较长的一个历史时期内还不会轻易的退出历史舞台，并且将继续以标准的检测方式出现在pH酸碱度的检测工作中。那么，能对它做什么改进吗？

现代化的pH酸碱度检测电极的研发工作已经有了很大的进展。但新型检测电极的检测功率并未增加很多。适合玻璃电极进行的检测场合有：

■标准应用；

■卫生消毒场合；

■超低温应用场合；

■高温/高酸碱度场合；

■含酸较多的液体介质。

进一步的研发需要从基本系统的角度出发来考虑方圆柱形试样应在标距两端机中间处两个相互垂直的方向上各测1次直径案。

基本检测系统及其特性

各种不同电极的基本特性都汇总在表格中了。Gel电极和高分子聚合物电极对液体介质检测电极产生了很大的影响，对它们的生产厂有着很大的压力。这些生产厂今天往往只能采用混合式的电极作为在恶劣使用条件下的解决方案。在涉及到最高的检测精度和可重复再现时，电子式的检测电极通常都是人们的第一选择。由于这种电子式的酸碱度检测电极需要进行费时费力的匹配连接（承受压力冲击，因此需要价格昂贵的连接件）和很高的维护保养费用（补充电解质），使它们目前不是非常受欢迎的产品。目前最受欢迎的是使用简单、维护保养方便的Gel电极和高分子聚合物电极。这两种电极的研发工作取得了很大的进展，可以在大多数应用场合中使用，它们的检测范围几乎达到了使用液态电解液电极的检测范围。DPAS电极以及它带有温度测试功能的后续产品InPro 3100/3200/3250等是当今生物技术和医药产品生产领域中标准的酸碱度检测仪器了；DXK以及它的后续产品InPro 4250则在化学工业领域中得到了广泛的应用。它们在哪些方面还能改进提高呢？

常见问题的解决方案

利用聚合物材料制造的酸碱度检测电极，例如使用Xerolyt材料制作的DXK电极中，使人们可以放弃使用电极隔膜。在这种电极的帮助下可以有效的避免pH酸碱度检测中经常出现的问题：即电极隔膜的污染问题和因为隔膜扩散而产生的检测误差。这种电极诞生之后，很快的在化工生产企业中得到了广泛的应用。但是这种DXK系列的电极应用也受到了一定的限制，例如：聚合物易受酸的腐蚀，因此应用检测范围为pH值2~14。另外，工作时的压力大小也需特别注意（必须严格遵守绝对大气压16bar，25℃；6bar，110℃等规定）。在2002年时，新一代的InPro 4250聚合物电极问世，它使用了性能改进后的Xerolyt Plus材料。它具有更好的耐酸性能和较高的耐高温、耐高压性能。其检测范围包括了从pH0~pH14的整个酸碱度检测范围，可在绝对大气压16bar，25℃以及8bar记录测得的硬度值，130℃的条件下工作。

但是它的使用也受到一定的限制：与Gel电极和带有液态电解质的电极相比，聚合物电解质电极的检测精度显得略低。另外，它也强烈的受到外部离子（即导电性较低的介质，例如 VE-水或者极高导电性的介质，例如盐水）和液体介质不同流速/不同搅拌速度的影响。某些液体介质可以对这种电极的使用和使用寿命产生不利的影响。

研发新型聚合物的目的是：弥补目前聚合物产品中还存在的弱点。而这一目的随着新材料Xerolyt Extra的问世而得以实现。这种新型聚合物材料的优点是：高精确度、快速检测、使用寿命长、工作稳定等等。在大量的试验中得到了证实，不仅在实验室中，而且在流程工业生产的现场也得到了证实。新的pH单棒检测仪InPro 4260就是采用Xerolyt Extra为材料的酸碱度检测仪，在化工生产领域中有着很好的通用性，适合于在各种恶劣的条件下、在严格的流程工艺过程中进行酸碱度的检测。用户使用这种检测仪，减少了维护保养费用，具有长期的校定/校准周期，具有可靠性高、使用寿命长、最佳的流程检测、简单的使用配置以及较低的采购成本等优点，经济效益较好。

多功能测试仪的发展趋势

除了改进提高酸碱度检测电极的检测性能之外，今天的酸碱度检测电极正向着多功能和智能化的方向发展。

■带有玻璃电极、基本检测电极、集成了温度测试功能和耐腐蚀性；

■电极的多功能传感器除了可以进行温度补偿的pH值检测之外还可以对流程设备中带有干扰电位的介质进行接地；

■同时也进行氧化还原比率的检测；

■利用膜式电极和基本电极进行监控。

在电极端部带有数字式芯片的智能化传感器提供了：

■借助于其自动识别功能可以快速的启动，快速的读取传感器数据（即插即用）；

■在最佳的条件下进行校正和标定；

■扩展的传感器诊断功能，可预测传感器维护保养的时限；

■可以按照美国FDA 21CFR Part 11标准的要求写出完整的GxP格式的检测报告；

■传感器工作负荷的显示和工作状况注意事项的显示。

在使用这类传感器时，必须要有相应的基础条件智能化的传感器管理系统，该系统应该与所选择的接口系统无关。无论是数字式的还是模拟式的、是低电阻的或者是高电阻的、感应式耦合还是接触式耦合，可靠的传递检测数据和传递传感器的数据都是就有决定性意义的。已经有适用于Ingold-pH酸碱度检测电极和氧传感器的ISM系统了，下一代适用于InPro 4260的ISM系统不久也将问世。

酸碱度pH值检测的里程碑

20世纪初，玻璃首次出现在电化学检测的应用领域中（Cremer 1906年）。此后能斯特方程问世了，第一条用玻璃电极实验得到的滴定曲线也随之产生（Haber和Klemesiewicz，1909年）。研发不同酸碱度检主要表现为PTMC的形状产生了变化测用玻璃的试验一发不可收拾，并最终首次获得成功（1930年采用了Mclnnes玻璃），在商业市场上出现了用于电化学检测目的的酸碱度检测仪。当时的检测还是分开进行的，玻璃电极用做测量电极，基本电极用做参考电极。随着瑞士化学家Werner Ingold博士在1952年首次研发成功单棒酸碱度连续检测技术，开创了现代工业化酸碱度检测的第一步。这一检测电极利用的是液体电解质，但已经具有可消毒的性能了。Ingold博士又在1986年研发成功了耐压的Gel-酸碱度检测电极（DPAS型适用于生物工程技术和医药生产企业，DPA型适用于化工企业）。它们的最大特点是易于维护保养。

在1983年时Ingold检测技术公司就在德国首次研发成功了聚合物电极，并申请了专利；并研发成功了DXK系列的Xerolyt酸碱度检测电极。由于这种电极非常坚固，不易磨损，因此可以放弃传统的陶瓷保护膜。这种电极非常适合于在易污染测试仪的介质中使用。

在1993年时，Ingold公司首次研发成功了集成有温度检测功能的工业用酸碱度检测测试仪：InPro 4500系列的酸碱度测试仪。它的优点是：在进行酸碱度检测的同时还可以检测介质的温度，可以自动的进行温度控制调节。(end)