Электрод для электрохимическихизмерений

 

O-.=--A- -Й.С А Н И Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Соеетскнх, "-

Социалистических пц 794446

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 05.08.77 (21) 2508123/18-25 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) Опубликовано 07.01.81. Бюллетень № 1 (51) М. Кл.

G 01N 27/30

Государствеииый комитет

СССР (53) УДК 547.243 (088.8) ло делам изобретеиий и открытий (45) Дата опубликования описания 07.0.1.81 (72) Авторы изобретения

В. В. Сучков, М. И. Рогайлин, М. E. Казаков, В. С. Баранов и Ю. Я. Ганич

Всесоюзный кардиологический научный центр АМН СССР (71) Заявитель (54) ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕЦИЙ

Изобретение относится к устройствам для измерения электрических величин при электрохимических процессах и может быть использовано для полярографического определения концентрации веществ.

Известны электроды из промышленного графита, пропитанные смесью парафина с полиэтиленом низкого давления. Эти электроды устойчивы к реакциям электрохимического окисления и восстановления, а также обладают низким остаточным током (1).

Однако они имеют ряд недостатков, препятствующих их применению для измерения, например, концентрации веществ в растворах с высокой температурой или в биологических объектах, Одним из недостатков является большая инерционность электрода, которая связана с высокой его пори-. стостью (20 — 30 ). Снижение пористости достигают пропиткой электрода влагонепроницаемыми изолирующими смесями (например парафином или полиэтиленом), Однако такая пропитка уменьшает активную поверхность электрода, резко снижает. чувствительность и не позволяет использовать электрод в среде с высокой температурой.

Кроме того, существенным недостатком электрода из графита является низкая механическая прочность и хрупкость, что не позволяет выполнить их диаметром менее

1 мм. Это полностью исключает изготовление из графита микроэлектродов, диаметр которых не превыщает 1 — 35 мкм, для погружения в ткани тел, обладающих упруговязкими свойствами. В связи с указанным выше электроды из графита не используют для полярографических и электрофизиологических исследований в тканях живых объектов (цапрцмер в мозге, сердце, мыш1ð цах и др.).

С целью электрохимических исследований упругих тел, как правило, примеНяют электроды из золота, платины и металлов платиновой группы.

15 Наиболее близким к изобретению является платиновый электрод для полярографических исследований (2).

Этот электрод также обладает существенными недостатками. Он имеет узкий диапазон рабочих напряжений, большое время установления предельного тока, недостаточную чувствительность прц малом диаметре (например 4, 5 мкм), требующую прецизионной усилительной техники.

Электроды из платины должны быть изготовлены из химически чистого металла (99,999 ... % ), что технически сложно и очень дорого. Кроме того, наличие пассивации или «отравления» при длительном нахождении электрода в живых тканях тре794446 ребряной пудрой.

3 бует их специального химического или биологического старения, покрытия полупроницаемыми мембранами или периодической электрохимической очистки.

Целью изобретения является повышение чувствительности, уменьшение инерционности, удешевление конструкции электрода и расширение диапазона измерений.

Указанная цель достигается тем, что активный токопроводящий элемент электрода выполняют из углеродного моноволокна.

Углеродное моноволокно состоит из чистого кристаллического углерода, обладающего при диаметре 2 — 20 мкм высокой механической прочностью (6 = 60 — 120 кг/мм ) и высокой электропроводностью (30—

100 ом/см). Углеродное волокно монолитно, практически не содержит пор и поэтому окружающие его растворы не диффундируют в тело электрода. Электрохимические процессы происходят при этом только на поверхности углеродного моноволокна, и это обеспечивает его малоинерционность при незначительном изменении концентрации находящихся в растворе веществ.

Испытания показали, что свойства электрода из углеродного моноволокна соответствуют целям предлагаемого изобретения.

Пр имер 1 (фиг. 1). Определение чувствительности.

Электрод из углеродного моноволокна (С) и электрод из платины (Pt) диаметром

200 мкм каждый вживляют в мозг кролика. Расстояние между рабочими поверхностями электродов 200 мкм. В момент, отмеченный стрелкой, кролик делает два вдоха чистого кислорода, после чего регистрируют изменения кислородного полярографического тока. По оси ординат — приращение силы тока в мка, по оси абсцисс — время в минутах.

Испытания показали, что чувствительность к кислороду у электрода из углеродного моноволокна более чем в 3 раза выше чувствительности электрода из платины при одинаковой площади рабочей поверхности.

Пример 2 (фиг. 2). Определение инерционности.

Электрод из углеродного моноволокна (С) и электрод из платины (Pt) диаметром

200 мк каждый помещают в физиологический раствор NaC1 (0,85%) с парциальным давлением кислорода 157 мм рт. ст. В момент = 0 на электроды подают постоянное напряжение 700 мВ и регистрируют установление стабильного полярографического тока. По оси ординат — сила тока в мка, по оси абсцисс — время в минутах.

Испытания показали, что время установления стабильных показаний у предлагаемых электродов из углеродного моноволокна в шесть раз меньше, чем у электродов из платины. Это в значительной мере по5

З0

4 вышает динамичность и точность измерений.

Пример 3 (фиг. 3). Определение широты диапазона электрохимических измерений.

Электрод из углеродного моноволокна (С) и электрод из платины (Pt) диаметром

200 мкм каждый помещают в физиологический раствор NaC1 (0,85 /о) с парциальным давлением кислорода 157 мм рт. ст. На электроды подают линейно изменяющееся напряжение со скоростью 100 мВ/мин от 0 до 1,2 В и снимают их вольт-амперные характеристики. На фиг. 1 на оси ординат— сила тока (мка), на оси абсцисс — напряжение (В).

Результаты испытания свидетельствуют о том, что электроды с токопроводящими элементами из углеродного моноволокна имеют на вольт-амперной характеристике широкий диапазон плато предельного тока восстановления кислорода с выраженным горизонтальным участком между 500 и

100 мВ. Для электрода из платины это плато наклонно и находится между 600 и

900 мВ. Наличие широкого и горизонтального плато предельного тока восстановления кислорода обеспечивает более высокую точность электрохимических измерений.

Кроме того, при работе с электродами из углеродного моноволокна можно использовать менее стабилизированное напряжение поляризации, чем при работе с электродами из платины, что увеличивает диапазон аппаратуры, приемлемой для полярографии.

Пример выполнения электрода.

Углеродное волокно покрывают за исключением активной (рабочей) части диэлектрическим покрытием (например стеклом, эпоксидной смолой, винифлексом и др.), а к другому его концу подсоединяют гибкий электрический проводник для сопряжения электрода с регистрирующими или питающими приборами.

Активную рабочую часть выполняют в виде шлифованного среза конуса, цилиндра, сфероида и т. д, Подсоединение проводника к электроду осуществляют при помощи токопроводящего клея, например БФ-6 с сеПредлагаемый электрод, в котором активный токопроводящий элемент выполнен из углеродного моноволокна, лишен недостатков электродов, выполненных из драгоценных металлов, графита и других материалов, например ртути. Он обладает высокой механической прочностью, большой электропроводностью малой инерционностью, широким диапазоном измерений. Кроме того, он не требует специальных способов борьбы с пассивацией или «отравлением».

Электроды для электрохимических исследований из углеродного моноволокна могут

794446

Ланка найти широкое применение в технике, в научно-исследовательских работах, в частности, медицинского и биологического профилей.

Особое значение имеет возможность использования этих электродов для электрохимических измерений в микрообъемах тканей живых объектов, а также для воздействия на биообъекты с целью управления их функциями (например для электростимуляции мозга, сердца, мышц и т. д.).

Углеродные электроды обладают высокими метрологическими качествами и поэтому могут полностью заменить электроды из драгоценных металлов, что, в свою очередь, обеспечит широкое внедрение метода полярографического анализа в народное хозяйство и научные исследования.

Формула изобретения

Электрод для электрохимических измерений, содержащий твердый электрохимический активный токопроводящий элемент, заключенный в токоизолирующую оболочку, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, уменьшения инерционности, расширения диапазона из10 мерений и удешевления конструкции, активный токопроводящий элемент электрода выполнен из углеродного моноволокна.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Брайнина Х. 3. Инверсионная вольтамперометрия твердых фаз. М., 1972, с. 192.

2. Baumgarteh Lubbers, D. W. In: «Oxygen suppey», Munchen, 1973, с. 130 †1.

794446

»- /мин

0 2 // 6 д /О /2 /Ф /Б /д

Фиг. 2

0 О/ Од 0g 07 ОУ //

Составитель И. Фузина

Техред Л. Куклина

Корректор T. Трушкина

Редактор Ж. Рожкова

Типография, пр. Сапунова, 2

Заказ 524/10 Изд. № 163 Тираж 915 Подписное

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

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