瑞士漢密爾頓溶氧電極的結(jié)構(gòu)原理及其使用

1. 溶氧電極的分類(lèi)
      測(cè)定DO的方法有多種：如化學(xué)Winkler 法，電極方法，質(zhì)譜儀等。這里主要介紹電極方法。溶氧電極zui早是由Clark （1956）發(fā)明的。它是由一透氣薄膜復(fù)蓋的電流型電極。
      DO電極可分為兩類(lèi)：原電池（Galvanic）型和極譜（Polargrafic）型。

2. DO電極測(cè)定原理
      原電池型：一般由貴金屬，如白金、金或銀構(gòu)成陰極；由鉛構(gòu)成陽(yáng)極。在電解質(zhì)如KCl或醋酸鉛存在下便形成PbCl2或Pb（AcO）2，原電池型電極無(wú)需外加電壓。

      極譜（Polargrafic）型電極需要外加0.6-0.8V的極化電壓。一般由貴金屬，如白金或金構(gòu)成陰極；由銀構(gòu)成陽(yáng)極。極譜型電極需外加一恒定的電壓，電解質(zhì)參與了反應(yīng)，因此，在一定的時(shí)間間隔必須補(bǔ)充電解質(zhì)。

極譜型與原電池型的區(qū)別
      極譜型電極一般壽命較長(zhǎng)，但價(jià)格較貴。輸出電流相差數(shù)量級(jí)。電極響應(yīng)時(shí)間一般為90S。用來(lái)測(cè)定Kla或過(guò)渡現(xiàn)象似乎較困難。有些電極的響應(yīng)可以做到30S以下。 極譜型電極的陰極表面做得很小，一般其直徑在1-50 μm的范圍，形成的還原電流在n*，因此，需要專(zhuān)門(mén)的電子放大裝置。一般陰極材料的要求很高，如白金或銀純度在99.999%以上。

     原電池型電極的表面要求平面光滑，其面積大小與還原電流成正比。一般直徑采用5-10 mm.。 其還原電流在28℃時(shí)為5-25μA, 因此，不用專(zhuān)門(mén)的電子放大器便可通過(guò)串聯(lián)一電位器直接接到全程5或10 mV的自動(dòng)電位差記錄儀上。原電池型的陽(yáng)極材料同樣要求很高，純度在99.999%以上。一般陽(yáng)極作成圓筒狀，其表面積需陰極面積大數(shù)十倍，這對(duì)極譜型電極容易做到，故它可以做得較小。原電池型的陽(yáng)極就得大許多，才能滿足這種比例要求。

DO電極結(jié)構(gòu)：一般由陰極、陽(yáng)極、電解質(zhì)和塑料薄膜構(gòu)成。  

電解質(zhì)：一般對(duì)電解質(zhì)的配方視為機(jī)密，商家不易公開(kāi)。電解質(zhì)的配制很講究，需用無(wú)離子水，一些污染的離子會(huì)嚴(yán)重影響電極的性能。所用藥品試劑要求至少用AR級(jí)的。電解質(zhì)有用，KOH; KCl, Pb（AcO）2等。

薄膜：一般采用聚四氟乙烯（F4）或聚四氟乙烯-聚六氟丙烯的共聚體，也曾用聚氯丙烯，聚乙烯，聚丙烯等。其主要性能符合DO電極的耐高溫（>200℃），透氣性能好的要求。其厚薄也很有講究，膜越薄，靈敏度越高，一般在0.01-0.05 mm的范圍。膜性能對(duì)一個(gè)好的電極響應(yīng)非常重要。需要膜對(duì)氧具有高度的透性和對(duì)CO2低的透性。

電極響應(yīng)
    我們對(duì)電極性能的簡(jiǎn)單分析表明，電極響應(yīng)與電極常數(shù)，k有關(guān)：
             k=π2D/d2。
         D為膜的擴(kuò)散系數(shù)，d為膜厚度。
    K越大，響應(yīng)越快。當(dāng)然，電極的結(jié)構(gòu)將會(huì)極大影響電極的性能。

壓力補(bǔ)償膜
      罐內(nèi)使用的電極一般都裝備有壓力補(bǔ)償膜，小型玻璃發(fā)酵罐用的電極通常采用氣孔平衡式。壓力補(bǔ)償膜重是應(yīng)付高壓滅菌時(shí)電解質(zhì)受熱膨脹的需要。一般多采用硅膠制造。

工作原理
      水中的氧必須透過(guò)薄膜達(dá)到陰極的表面才能被電極還原。因此，氧在擴(kuò)散到陰極表面需克服一些阻力，其中zui為重要的是靠近薄膜的液膜阻力和薄膜本身的阻力。對(duì)原電池型的電極，非常重要的一點(diǎn)是主要阻力應(yīng)落在薄膜上，即薄膜的阻力遠(yuǎn)大于液膜阻力，這樣被測(cè)液體的流動(dòng)引起的阻力的變化對(duì)氧擴(kuò)散的影響可以減到zui小。因此，從式（1）可以看出測(cè)氧實(shí)質(zhì)上是測(cè)定氧的擴(kuò)散速度。

      IS = N FA （Pm/dm）P0          （1）

      式中 IS為輸出電流，N 為氧被還原所得電子數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，A 為陰極表面積，Pm 塑料膜的擴(kuò)散系數(shù)，dm為膜的厚度，P0為被測(cè)液體中的氧的分壓。

     基于這一原理，原電池型電極在測(cè)量粘稠的發(fā)酵液中的DO時(shí)，應(yīng)盡量使用厚一點(diǎn)的薄膜，這樣可使液膜阻力的變化，從而輸出電流的波動(dòng)小一些。對(duì)極譜型電極，則流體運(yùn)動(dòng)對(duì)電極的輸出沒(méi)有影響。

注意事項(xiàng)
      事實(shí)上，DO電極測(cè)定的不是溶解氧濃度，而是氧活度或者是氧分壓。通常用空氣或不含氧的氮?dú)鈦?lái)標(biāo)定100%和零點(diǎn)。液體中真正的溶解氧濃度可以用化學(xué)法測(cè)定。

3. DO電極的技術(shù)指標(biāo)
（1） 穩(wěn)定性 ：這是說(shuō)，當(dāng)被測(cè)DO不變，電流輸出應(yīng)長(zhǎng)期不變，否則這種電極就無(wú)法使用。但實(shí)際上電極輸出的漂移是難免的，一般，其標(biāo)準(zhǔn)隨時(shí)間偏差在SD = 0.1%/d 是允許的。當(dāng)然SD越小越好。

（2）耐滅菌性能 ：要求能耐131℃ 1 h高壓蒸汽滅菌。

（3）響應(yīng)時(shí)間：是指電極輸出跟蹤溶氧濃度的變化的速度，是電極靈敏度的衡量，以響應(yīng)95%或90%所需時(shí)間為指標(biāo)。一般在30 s ~ 2 min。對(duì)以連機(jī)在線測(cè)定，要求靈敏度高一些好。對(duì)原電池型電極，常時(shí)間發(fā)酵對(duì)象則90%響應(yīng)時(shí)間在3 min 以內(nèi)也是可行的。測(cè)量可將電極反復(fù)置于無(wú)氧水與空氣中，在罐內(nèi)請(qǐng)水中反復(fù)通入純氮?dú)馀c空氣測(cè)量。

（4）電極的工作壽命：這是指換一次電解質(zhì)能維持正常測(cè)定的時(shí)間，當(dāng)然越長(zhǎng)越好，一般至少1個(gè)月以上，好的電極可以達(dá)到半年以上。至于電極的壽命應(yīng)不低于3-5年。

（5）殘余電流：是指液體中無(wú)或零氧狀態(tài)下的電極輸出，當(dāng)然越小越好，一般允許在1%以下。這可置于無(wú)氧水中或通入氮?dú)鉁y(cè)量。

（6） 線性范圍：這是指與電極輸出成正比的溶氧濃度范圍，當(dāng)然越寬越好，一般允許在0-50%純氧范圍。

4. 在電流型電極的應(yīng)用中有幾個(gè)問(wèn)題值得注意
（1）DO濃度的單位：目前有3種表示DO濃度的單位  

      *種是氧分壓或張力（Dissolved Oxygen Tension , 簡(jiǎn)稱DOT）, 以大氣壓或mm汞柱表示，100％空氣飽和水中的DOT為0.2095×760 = 159 （mm Hg柱）。這種表示方法多在醫(yī)療單位中使用。

       第二種方法是濃度，以mg O2/L純水或ppm表示。這種方法主要在環(huán)保單位應(yīng)用較多。用Winkler氏化學(xué)法可測(cè)出水中溶氧的濃度，但用電極法不行，除非是純水。

      為此，發(fā)酵行業(yè)只用第三種方法，空氣飽和度（％）來(lái)表示。這是因?yàn)樵诤腥苜|(zhì)，特別是鹽類(lèi)的水溶液，其氧濃度比純水低，但用氧電極測(cè)定時(shí)卻基本相同。用化學(xué)法測(cè)發(fā)酵液中的DO也不現(xiàn)實(shí)，因發(fā)酵液中的氧化還原性物質(zhì)對(duì)測(cè)定有干擾。因此，采用空氣飽和度％表示。這只能在相似的條件下，在同樣的溫度、罐壓、通氣攪拌下進(jìn)行比較。這種方法能反映菌的生理代謝變化和對(duì)產(chǎn)物合成的影響。因此，在應(yīng)用時(shí)，必需在接種前標(biāo)定電極。方法是在一定的溫度、罐壓和通氣攪拌下以消后培養(yǎng)基被空氣百分之一百飽和為基準(zhǔn)。

（2）DO定位　　

      一般在培養(yǎng)基滅菌后，發(fā)酵前DO電極需標(biāo)定。起方法是在攪拌，通氣和培養(yǎng)溫度下將電流輸出調(diào)到100, 待其穩(wěn)定后便接種，接種后邊不能再動(dòng)，直到發(fā)酵結(jié)束。一般無(wú)法在發(fā)酵期間進(jìn)行在標(biāo)定。要考察DO電極是否工作正常，從以下一些現(xiàn)象可以判斷。暫停攪拌或加糖，補(bǔ)料，加油，補(bǔ)水均回有反應(yīng)。

 （3）漂移和膜堵塞是DO電極在使用中面臨的主要問(wèn)題。經(jīng)過(guò)消毒后，電極輸出很難做重現(xiàn)。 因此，電極需要經(jīng)常校正。

（4）電解質(zhì)中有機(jī)溶劑的蒸發(fā)是常見(jiàn)的問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致電極性能的提早衰退。在電極儲(chǔ)存過(guò)程中也會(huì)發(fā)生。