CN104865301B - 一种共轴型复合式氧微电极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共轴型复合式氧微电极及其制备方法。该氧微电极包括一个外部套管、位于其中心部位的工作阴极柱和位于两者之间的参比电极，所述工作阴极柱的中心部位装有铂丝，外部套管和工作阴极柱之间注有电解质溶液；工作阴极柱的外壁或外部套管的内壁镀有一层银层，并在所述的银层的上端表面处焊接有导电金属丝，构成保护阴极。该电极制作过程简单，拉制成功率高，结果表明：保护阴极的接通使共轴型复合式氧微电极的残余电流降低约80％，对溶解氧的响应线性相关性R²在0.99以上，对溶解氧的分辨能力约0.03mg O₂/L。

Description

一种共轴型复合式氧微电极及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种微电极及其制备方法，特别涉及一种共轴型复合式氧微电极及其制备方法。

背景技术

氧微电极是迄今为止技术最成熟的电极，从结构上分为复合式和分离式两种。分离式氧微电极结构简单，通常用玻璃毛细管包裹铂丝或低熔点合金，尖端镀金。由于一般的玻璃毛细管与铂丝的线膨胀系数不同，因此直接包裹铂丝的过程并不容易，两者之间常常出现裂缝从而影响到电极性能。最常见的分离式氧微电极的做法是在玻璃毛坯中灌注低熔点合金，然后在电极尖端镀上金或铂充当氧的还原区，与铂金属相比较，金具有更宽的氧极化平台[Brito P S D and Sequeira C A C.Cathodic oxygen reduction on noblemetal and carbon electrodes.J Power Sources,1994,52:1-16.]，因此，更适合于作为电极材料。合金是分离式氧微电极制作的关键材料，经过Dowben，Whalen和Linsenmeier等人逐步深入的研究，合金材料由铟、锡合金(50％Indium+50％Tin，熔点110℃)过渡到Wood合金(50％Bismuth+26.7％Lead+13.3％Tin+10％Cadmium，熔点73-75℃)，最后一种Bi合金(44.7％Bi+22.6％Pb+19.1％In+8.3％Sn+5.3％Cd，熔点47℃)材料逐渐得到了推广使用，这种合金以Bi为主要成分，熔点低，体积膨胀系数小[Dowben R M and Rose J E.A metal-filled microelectrode.Sci,1953,118:22-24；Whalen W J,Riley J and Nair P.Amicroelectrode for measuring intracellular PO₂,J Appl Physiol,1967,23:798-801；Linsenmeier R A and Yancy C M.Improved fabrication of double-barreledrecessed cathode O₂microelectrodes.Am Physiol Soc,1987,63(6):2254-2557；Revsbech N P.An oxygen microsensor with a guard cathode.Limnol Oceanogr,1989,34(2):474-478.]。Bi合金能够降低合金固化后由体积膨胀造成的玻璃裂缝的可能性，提高了电极制作的成功率，并延长了电极使用寿命。此外，分离式氧微电极的拉制过程也得到了简化，包括不需要清洗玻璃毛细管，不需要腐蚀尖端合金形成凹处等过程，进一步突出了易于制作的优点。但是分离式电极的缺点也很明显，测试信号容易受到外界电磁信号及震动的影响，测试过程中需要与外参比电极联用，在氧的还原电位下还会有其他氧化性物质参与反应，从而影响到测试结果的准确性。

复合式氧微电极能够很好地弥补以上缺点，它是一种微型化的Clark型传感器。工作阴极和参比电极平行放置在一根玻璃外管中。外管中的内参比电解质溶液覆盖工作阴极，起到了良好的屏蔽作用。玻璃外管尖端覆盖一层氧透过性隔膜，可以阻隔样品中的其它氧化性物质在工作阴极表面还原。由于内充液中的氧也会在阴极表面还原，使得复合式氧微电极的残余电流较高，可达到200pA左右，而且随着残余电流的变化，电极输出信号的稳定性很弱。1989年，Revsbech提出了一种改进的Clark型氧微电极，在电极中加入保护阴极，作用是消耗内参比液中的氧[Revsbech N P.An oxygen microsensor with a guardcathode.Limnol Oceanogr,1989,34(2):474-478.]。保护阴极是一根腐蚀后的银丝，尖端约5μm左右，保护阴极尖端与工作阴极尖端需要精确定位两者间的位置，以达到降低残留电流的作用。但是以这种形式加入的保护阴极也带来了一系列弊端。包括：为了给保护阴极留出放置的空间，玻璃外管的尖端直径必须要增大，因此，获得10μm以内的微电极尖端直径变得非常困难，微电极的应用范围大大受限；精确调节工作阴极与保护阴极尖端距离完全依赖于显微镜和人工操作，调控过程复杂困难，拉制成功率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种共轴型复合式氧微电极及其制备方法。

本发明所提供的共轴型复合式氧微电极，包括工作阴极柱、参比电极和外部套管，工作阴极柱和参比电极平行设置于外部套管内，所述外部套管和所述工作阴极柱之间注有电解质溶液，所述工作阴极柱的外壁或所述外部套管的内壁镀有一层银层，并在所述银层表面焊接有导电金属丝。

上述共轴型复合式氧微电极中，所述银层的厚度为0.1-1μm。

所述导电金属丝选自银丝、铜丝和铂丝中任一种，优选为在所述银层表面的末端焊接有导电金属丝。所述银层表面的末端指靠近所述工作阴极柱非尖端处的一端。

所述工作阴极柱由玻璃管A的尖端插入到玻璃管B的非尖端内首尾嵌套后烧结而成。

所述玻璃管B的尖端装有铂丝，所述铂丝的游离端与银丝或铜丝接触，所述铂丝的另一端被所述的玻璃管B的尖端所包裹、且有部分铂丝裸露在外。

所述外部套管上端开口处和所述工作阴极柱之间、所述工作阴极柱上端开口处均由环氧树脂封闭。

所述外部套管的一端为尖状且尖端末尾注有透氧硅胶。

所述参比电极为Ag/AgCl参比电极。

所述电解质溶液为NaHCO₃、Na₂CO₃和KCl的混合液，其中，所述电解质溶液中NaHCO₃、Na₂CO₃和KCl的摩尔浓度分别为0.01-1mol/L、0.01-1mol/L和0.01-3mol/L。

所述包裹所述铂丝后的玻璃管B的尖端直径为7～12μm，长度为1.5-3.0cm。

所述铂丝伸入所述玻璃管B的尖端的长度为1.5～2cm。

所述铂丝的非游离端的未被包裹而裸露在外的铂丝长度为10-30μm。

所述外部套管的尖端的直径小于50μm。

所述工作阴极柱的尖端处的铂丝的裸露端距所述氧透过性隔膜的内端面20-50μm。

所述透氧硅胶的厚度为10～20μm。

所述环氧树脂具体可为AB胶。

所述被玻璃管B的尖端所包裹的铂丝，还包括预先对其腐蚀的步骤，所述未被腐蚀的铂丝的直径为0.05-0.2mm，具体可为0.1mm，所述腐蚀后的铂丝的直径为5～10μm。

本发明所提供的共轴型复合式氧微电极的制备方法，包括如下步骤：

1)制作工作阴极：(a)将铂丝插入王水中1-2cm，腐蚀80-90min，使铂丝插入端腐蚀至直径为5～10μm；

(b)取玻璃管A和玻璃管B均拉制成尖嘴玻璃管，并将已腐蚀的铂丝端插入到玻璃管B的尖端中，使其插入长度为1.5～2cm，再将玻璃管A尖端插入绿玻璃管B非尖端中，烧结；

(c)将步骤(b)中得到的玻璃管B的尖端固定在加热线圈中间位置，增大电热丝两端电压，使玻璃管B的尖端熔化包裹住铂丝，得到工作阴极。

2)工作阴极表面镀银层：将银氨溶液和还原性化合物混合得到上银混合液，并将所述工作阴极悬浮于上银混合液中，在工作阴极表面镀上一层银层，并在银层的上端表面处焊接导电金属丝。

3)组装共轴型复合式氧微电极：将巴斯德管一端拉制成直径50μm以下的尖端(即毛细管)，将镀银层的工作电极装入其中心部位，同时，在其中装入参比电极，用环氧树脂封口，并将巴斯德管尖端虹吸硅胶，形成氧透过性隔膜，最后，在巴斯德管内注入电解质溶液，即得到共轴型复合式氧微电极。

上述制备方法中，步骤1)(a)中，所述铂丝的直径为0.05-0.2mm，具体可为0.1mm。

所述王水由体积比4:1:3的H₂O、HNO₃和HCl组成。

步骤1)(b)中，所述玻璃管A的尖端外径为1.5-2.0cm，具体可为2cm。

所述玻璃管B的尖端外径为0.3-0.7mm，具体可为0.5mm。

所述烧结是将待烧结的玻璃管置于酒精灯或其它火焰上，反复旋转，直至达到所需标准。

所述加热线圈为O型镍铁丝。

上述制备方法中，步骤1)(c)中，还包括对工作阴极的尖端进行加热，使玻璃熔化并向后缩，露出铂丝的步骤。

所述包裹所述铂丝后的玻璃管B的尖端直径为7～12μm，具体可为10μm，长度为1.5-3.0cm，具体可为2.5cm。

上述制备方法中，步骤2)中，所述银氨溶液和还原性化合物的体积比为2:1。

所述还原性化合物为含醛基化合物，所述含醛基化合物为甲醛、乙醛和葡萄糖中的至少一种。

所述悬浮的时间为15～20min。

上述制备方法中，步骤3)中，所述铂丝的裸露端距所述氧透过性隔膜的内端面20-50μm，具体可为30μm。

所述氧透过性隔膜的厚度为10～20μm。

所述上银混合液应当一次加足，不可中途补加。

所述电解质溶液为NaHCO₃、Na₂CO₃和KCl的混合液，其中，所述电解质溶液中NaHCO₃、Na₂CO₃和KCl的摩尔浓度分别为0.05-0.15mol/L、0.10-0.20mol/L和0.45-0.55mol/L，具体可分别为0.1mol/L、0.15mol/L和0.5mol/L。

所述参比电极为Ag/AgCl参比电极。

所述环氧树脂具体可为AB胶。

本发明制备的共轴型复合式氧微电极，克服了传统复合式溶解氧微电极的缺点，对其结构进行优化，根据银镜反应原理，在工作电极柱外表面或者外部套管内壁镀银层，然后在镀层末端连接电导线，作为保护阴极，简化了电极制作过程，使电极拉制成功率得到了显著提高。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)在工作电极柱外表面或者外部套管内壁镀银层，然后在镀层末端连接电导线，作为保护阴极，简化了电极制作过程，使电极拉制成功率得到了显著提高。

(2)其具有很高的空间分辨率，能够实现微环境中溶解氧的定量检测，相应的测试性能结果表明：本发明的共轴型复合式氧微电极在接通保护阴极前后的残余电流降低80％左右，对溶解氧的响应线性相关性R²在0.99以上，对溶解氧浓度的分辨能力约0.03mg O₂/L。

(3)铂丝的一端与银丝或铜丝接触，不完全采用铂丝的优点如下：a)铂丝昂贵，将其部分用银丝或铜丝替代，可降低制作成本；b)可采用粗银丝或铜丝，相对牢固，不易折断，且便于后续反复使用；c)铂丝只需与银丝或铜丝接触即可，无需焊接，故即使上面有部分位移，亦不影响下面铂丝，避免被包裹的脆弱铂丝折断。

附图说明

图1为实施例1中的共轴型复合式氧微电极结构示意图，其中，外部套管(1)、透氧硅胶(2)、工作阴极柱(3)、玻璃管A(4)、玻璃管B(5)、铂丝(6)、银层(7)、导电金属丝(8)、Ag/AgCl参比电极(9)、电解质溶液(10)、银丝或铜丝(11)、环氧树脂(12)、工作阴极柱的尖端(13)。

图2为实施例1中的包裹铂丝前的工作阴极示意图。

图3为实施例1中包裹铂丝的装置示意图。

图4为实施例1中的共轴型复合式氧微电极对溶解氧的检测标准曲线。

图5为实施例1中的共轴型复合式氧微电极对溶解氧的实时响应曲线。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明，但本发明并不局限于此，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例1、制备共轴型复合式氧微电极及其性能测试：

一、制备共轴型复合式氧微电极：

按图1所示的结构示意图制备共轴型复合式氧微电极：

1)制作工作阴极：采用沸腾的王水(H₂O:HNO₃:HCl＝4:1:3、体积比)将直径为0.1mm的铂丝(纯度99.95％，购自中国医药(集团)上海化学药剂公司)尖端腐蚀至5～10μm，具体可将王水置于100mL烧杯中，并于水浴锅内升温，再将铂丝插入王水中2cm，腐蚀90min后，可铂丝尖端腐蚀至5μm。

取白玻璃管(硬质中性玻璃，外径为3.33mm，内径为2.69mm，购自北京奥特玻璃管研究所)和绿玻璃管(8533型，外径3.33mm；内径，2.69mm，购自德国肖特公司)若干根，充分清洗后烘干，用手拉制尖嘴玻璃管。白玻璃管管尖外径拉至2cm，绿玻璃管管尖外径拉至0.5mm。将腐蚀好的铂丝慢慢插入绿玻璃管的毛细管中，铂丝伸入长度为1.5～2cm，将白玻璃管A(4)管尖插入绿玻璃管B(5)外端(如图2所示)，采用烧结方法组装工作阴极。

以O型镍铁丝为加热元件，将加热丝连接到稳压电源，将阴极工作柱的毛细管尖端穿过加热丝，固定于三维微操作台上，保持阴极工作柱竖直悬在空中(如图3所示)。调整三维微操作台，使阴极工作柱毛细管位于O型加热丝中央，铂丝尖端距O型加热丝1～1.5cm。缓慢增大电热丝两端电压，开始加热。上下移动阴极工作柱的受热部位，使其受热均匀。当电压升至4～5V时，绿玻璃开始软化，这时迅速增大电压，玻璃急剧受热后迅速熔化，并包裹住铂丝尖端，整个阴极工作柱落入下方烧杯中。在体视显微镜(XTL-20，购自北京泰克仪器)观察下，确保铂丝尖端完全被绿玻璃管包裹。

2)在工作阴极表面覆盖银层：利用具还原性的化合物(如醛、单糖、酒石酸钾钠盐等)将银氨配离子还原，使其中的金属银以紧密排列成银箔的方式在洁净的玻璃表面形成银镜。为了使金属银能在镜面上均匀析出并牢固附着，除了要用酸碱处理、洗涤，使镜面清洁外，还要对镜面进行“敏化”处理，其原因在于：镜面的硅酸钠经酸碱处理时，一部分成为硅酸。当镀银时，银与硅酸交换速度较慢，而镀液中的碱离子与硅酸交换速度很快，这种活性的差异就影响了镀层的均匀。因此，使用乙醇和丙酮浸泡处理工作电极，在清洁通风处晾干；晾干之后采用5％的SnCl₂溶液(敏化液)处理镜面，然后用蒸馏水冲洗洁净后，才可在镜面上开始镀银，

具体步骤如下：在一支洁净的试管中，加入1ml 3％AgNO₃水溶液，随后逐滴滴入2％氨水，边滴边振荡，使溶液从有沉淀产生至沉淀恰好消失为止，溶液变成无色透明，再滴加适当的NaOH溶液(3-6滴，维持碱性即可)，得到无色银氨溶液。

葡萄糖溶液配制：称取4g葡萄糖溶解在96g蒸馏水中混匀备用，并向溶液中添加1～2g酒石酸。

把银氨溶液与葡萄糖溶液按2:1的体积比混合成上银混合液，迅速将工作电极置于混合液中悬浮，静置15～20min。之后将电极小心取出，用超纯水冲洗表面，在通风干燥处晾干。干燥后的银层光亮均匀，银层的厚度约为0.5μm。工作电极制作完成之后在银层外表面使用锡焊固定银丝，用于传递电信号。

镀银层的过程中，应注意：上银混合液应当一次加足，不可中途补加，否则，镜面上形成斑状、条状或漩涡痕迹等瑕疵，影响电信号，甚至造成浪费；静置过程中不可扰动，否则沉积银层会附着不牢固，颜色暗黑；电镀结束后，将工作阴极尖端缓慢靠近通电的加热丝。调整电压，使包裹铂丝尖端的玻璃融化并向后缩，露出铂丝，关闭电源。

3)组装共轴型复合式氧微电极：将巴斯德管尖端拉成直径50μm以下的毛细管，做为微电极外柱，在显微镜下观察修剪，使尖端平整；将镀银之后的工作电极伸入电极外柱，工作电极的尖端距外柱尖端30μm左右，同时插入AgCl/AgCl丝作为参比电极，用AB胶固定三者的相对位置，静置固化AB胶24小时后，在微电极尖端虹吸硅胶(Silastic MedicalAdhensive Type A,Dow Corning Co.,美国)形成氧透过性隔膜(即硅胶层)，其厚度为10～20μm。硅胶固化后，用带有0.2μm过滤针头的注射器注入预先煮沸除氧的内参比溶液(0.1mol/L NaHCO₃+0.15mol/L Na₂CO₃+0.5mol/L KCl的混合液)；最后，用AB胶将预留孔密封。将制作好的微电极套上胶塞，插入试管干燥保存待用，其结构示意图如图1所示：

所制备的共轴型复合式氧微电极包括如下结构：

工作阴极柱、参比电极和外部套管，工作阴极柱和Ag/AgCl参比电极平行设置于外部套管内，所述外部套管和所述工作阴极柱之间注有电解质溶液(0.1mol/L NaHCO₃+0.15mol/L Na₂CO₃+0.5mol/L KCl的混合液)，所述工作阴极柱的外壁镀有一层0.5μm银层，并在银层表面的末端焊接有银丝。

其中，所述工作阴极柱由白玻璃管A的尖端插入到绿玻璃管B的非尖端内首尾嵌套后烧结而成。

所述玻璃管B的尖端装有铂丝，所述铂丝的游离端与银丝或铜丝接触，所述铂丝的另一端被所述的玻璃管B的尖端所包裹、且有20μm的铂丝裸露在外，且所述包裹所述铂丝后的玻璃管B的尖端直径为10μm，长度为2cm。

所述外部套管上端开口处和所述工作阴极柱之间、所述工作阴极柱上端开口处均由AB胶封闭。

所述工作阴极柱的尖端处的铂丝的裸露端距所述氧透过性隔膜的内端面30μm。

二、性能测试：

其对溶解氧的检测标准曲线如图4所示，从图4可得知：本实施例中，对溶解氧的分辨率为0.03mg O₂/L，接通保护阴极后残余电流降低83％，与图4相对应的共轴氧微电极对不同氧分压的响应数据如表1所示。

其对溶解氧的实时响应曲线如图5所示，从图5可得知：本实施例中，达到90％最大值的响应时间为4s。

表1.共轴氧微电极对不同氧分压的响应数据

Claims (5)

1.一种共轴型复合式氧微电极，包括工作阴极柱（3）、参比电极（9）和外部套管（1），工作阴极柱（3）和参比电极（9）平行设置于外部套管内，所述外部套管（1）和所述工作阴极柱（3）之间注有电解质溶液（10），其特征在于：所述工作阴极柱（3）的外壁或所述外部套管（1）的内壁镀有一层银层（7），并在所述银层（7）表面焊接有导电金属丝（8）；

所述银层（7）的厚度为0.1-1μm；

所述导电金属丝（8）选自银丝、铜丝和铂丝中任一种；

在所述银层（7）表面的末端焊接有导电金属丝（8）；

所述工作阴极柱（3）由玻璃管A（4）的尖端插入到玻璃管B（5）的非尖端内首尾嵌套后烧结而成；

所述玻璃管B（5）的尖端装有铂丝（6），所述铂丝（6）的游离端与银丝或铜丝（11）接触，所述铂丝（6）的另一端被所述的玻璃管B（5）的尖端所包裹、且有部分铂丝裸露在外；

所述外部套管（1）上端开口处和所述工作阴极柱（3）之间、所述工作阴极柱（3）上端开口处均由环氧树脂（12）封闭；

所述外部套管（1）的一端为尖状且尖端末尾注有透氧硅胶（2），形成氧透过性隔膜；

所述参比电极（9）为Ag/AgCl参比电极；

所述电解质溶液（10）为NaHCO₃、Na₂CO₃和KCl的混合液，其中，所述电解质溶液中NaHCO₃、Na₂CO₃和KCl的摩尔浓度分别为0.01-1 mol/L、0.01-1 mol/L和0.01-3 mol/L；

所述包裹所述铂丝（6）后的玻璃管B（5）的尖端直径为7~12μm，长度为1.5-3.0cm；

所述铂丝（6）伸入所述玻璃管B（5）的尖端的长度为1.5～2cm；

所述铂丝（6）的非游离端的未被包裹而裸露在外的铂丝长度为10-30μm；

所述外部套管（1）的尖端的直径小于50μm；

所述工作阴极柱（3）的尖端（13）处的铂丝的裸露端距所述氧透过性隔膜的内端面20-50μm；

所述透氧硅胶（2）的厚度为10~20μm。

2.权利要求1所述的共轴型复合式氧微电极的制备方法，包括如下步骤：

1）制作工作阴极：（a）将铂丝插入王水中1-2cm，腐蚀80-90min，使铂丝插入端腐蚀至直径为5~10μm；

（b）取玻璃管A（4）和玻璃管B（5）均拉制成尖嘴玻璃管，并将已腐蚀的铂丝端插入到玻璃管B（5）的尖端中，使其插入长度为1.5～2cm，再将玻璃管A（4）尖端插入玻璃管B（5）非尖端中，烧结；

（c）将步骤（b）中得到的玻璃管B（5）的尖端固定在加热线圈中间位置，增大电热丝两端电压，使玻璃管B（5）的尖端熔化包裹住铂丝，得到工作阴极；

2）工作阴极表面镀银层：将银氨溶液和还原性化合物混合得到上银混合液，并将所述工作阴极悬浮于上银混合液中，在工作阴极表面镀上一层银层，并在银层的上端表面处焊接导电金属丝；

3）组装共轴型复合式氧微电极：将巴斯德管一端拉制成直径50μm以下的尖端，将镀银层的工作阴极装入其中心部位，同时，在其中装入参比电极，用环氧树脂封口，并将巴斯德管尖端虹吸透氧硅胶，形成氧透过性隔膜，最后，在巴斯德管内注入电解质溶液，即得到共轴型复合式氧微电极。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤1）（a）中，所述铂丝的直径为0.05-0.2mm；

所述王水由体积比4:1:3的H₂O、HNO₃和HCl组成；

步骤1）（b）中，所述玻璃管A（4）的尖端外径为1.5-2.0cm；

所述玻璃管B（5）的尖端外径为0.3-0.7mm；

所述加热线圈为O型镍铁丝；

步骤1）（c）中，还包括对工作阴极的尖端进行加热，使玻璃熔化并向后缩，露出铂丝的步骤；

所述包裹所述铂丝（6）后的玻璃管B（5）的尖端直径为7~12μm，长度为1.5-3.0cm。

4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于：步骤2）中，所述银氨溶液和还原性化合物的体积比为2：1；

所述还原性化合物为含醛基化合物，所述含醛基化合物为甲醛、乙醛和葡萄糖中的至少一种；

所述悬浮的时间为15~20min；

所述上银混合液应当一次加足，不能中途补加。

5.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于：步骤3）中，所述铂丝的裸露端距所述氧透过性隔膜的内端面20-50μm；

所述氧透过性隔膜的厚度为10~20μm；

所述电解质溶液为NaHCO₃、Na₂CO₃和KCl的混合液，其中，所述电解质溶液中NaHCO₃、Na₂CO₃和KCl的摩尔浓度分别为0.01-1 mol/L、0.01-1 mol/L和0.01-3 mol/L。