瑞士汉密尔顿溶氧电极的结构原理及其使用

1. 溶氧电极的分类
      测定DO的方法有多种：如化学Winkler 法，电极方法，质谱仪等。这里主要介绍电极方法。溶氧电极zui早是由Clark （1956）发明的。它是由一透气薄膜复盖的电流型电极。
      DO电极可分为两类：原电池（Galvanic）型和极谱（Polargrafic）型。

2. DO电极测定原理
      原电池型：一般由贵金属，如白金、金或银构成阴极；由铅构成阳极。在电解质如KCl或醋酸铅存在下便形成PbCl2或Pb（AcO）2，原电池型电极无需外加电压。

      极谱（Polargrafic）型电极需要外加0.6-0.8V的极化电压。一般由贵金属，如白金或金构成阴极；由银构成阳极。极谱型电极需外加一恒定的电压，电解质参与了反应，因此，在一定的时间间隔必须补充电解质。

极谱型与原电池型的区别
      极谱型电极一般寿命较长，但价格较贵。输出电流相差数量级。电极响应时间一般为90S。用来测定Kla或过渡现象似乎较困难。有些电极的响应可以做到30S以下。 极谱型电极的阴极表面做得很小，一般其直径在1-50 μm的范围，形成的还原电流在n*，因此，需要专门的电子放大装置。一般阴极材料的要求很高，如白金或银纯度在99.999%以上。

     原电池型电极的表面要求平面光滑，其面积大小与还原电流成正比。一般直径采用5-10 mm.。 其还原电流在28℃时为5-25μA, 因此，不用专门的电子放大器便可通过串联一电位器直接接到全程5或10 mV的自动电位差记录仪上。原电池型的阳极材料同样要求很高，纯度在99.999%以上。一般阳极作成圆筒状，其表面积需阴极面积大数十倍，这对极谱型电极容易做到，故它可以做得较小。原电池型的阳极就得大许多，才能满足这种比例要求。

DO电极结构：一般由阴极、阳极、电解质和塑料薄膜构成。  

电解质：一般对电解质的配方视为机密，商家不易公开。电解质的配制很讲究，需用无离子水，一些污染的离子会严重影响电极的性能。所用药品试剂要求至少用AR级的。电解质有用，KOH; KCl, Pb（AcO）2等。

薄膜：一般采用聚四氟乙烯（F4）或聚四氟乙烯-聚六氟丙烯的共聚体，也曾用聚氯丙烯，聚乙烯，聚丙烯等。其主要性能符合DO电极的耐高温（>200℃），透气性能好的要求。其厚薄也很有讲究，膜越薄，灵敏度越高，一般在0.01-0.05 mm的范围。膜性能对一个好的电极响应非常重要。需要膜对氧具有高度的透性和对CO2低的透性。

电极响应
    我们对电极性能的简单分析表明，电极响应与电极常数，k有关：
             k=π2D/d2。
         D为膜的扩散系数，d为膜厚度。
    K越大，响应越快。当然，电极的结构将会极大影响电极的性能。

压力补偿膜
      罐内使用的电极一般都装备有压力补偿膜，小型玻璃发酵罐用的电极通常采用气孔平衡式。压力补偿膜重是应付高压灭菌时电解质受热膨胀的需要。一般多采用硅胶制造。

工作原理
      水中的氧必须透过薄膜达到阴极的表面才能被电极还原。因此，氧在扩散到阴极表面需克服一些阻力，其中zui为重要的是靠近薄膜的液膜阻力和薄膜本身的阻力。对原电池型的电极，非常重要的一点是主要阻力应落在薄膜上，即薄膜的阻力远大于液膜阻力，这样被测液体的流动引起的阻力的变化对氧扩散的影响可以减到zui小。因此，从式（1）可以看出测氧实质上是测定氧的扩散速度。

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

      式中 IS为输出电流，N 为氧被还原所得电子数，F为法拉第常数，A 为阴极表面积，Pm 塑料膜的扩散系数，dm为膜的厚度，P0为被测液体中的氧的分压。

     基于这一原理，原电池型电极在测量粘稠的发酵液中的DO时，应尽量使用厚一点的薄膜，这样可使液膜阻力的变化，从而输出电流的波动小一些。对极谱型电极，则流体运动对电极的输出没有影响。

注意事项
      事实上，DO电极测定的不是溶解氧浓度，而是氧活度或者是氧分压。通常用空气或不含氧的氮气来标定100%和零点。液体中真正的溶解氧浓度可以用化学法测定。

3. DO电极的技术指标
（1） 稳定性 ：这是说，当被测DO不变，电流输出应长期不变，否则这种电极就无法使用。但实际上电极输出的漂移是难免的，一般，其标准随时间偏差在SD = 0.1%/d 是允许的。当然SD越小越好。

（2）耐灭菌性能 ：要求能耐131℃ 1 h高压蒸汽灭菌。

（3）响应时间：是指电极输出跟踪溶氧浓度的变化的速度，是电极灵敏度的衡量，以响应95%或90%所需时间为指标。一般在30 s ~ 2 min。对以连机在线测定，要求灵敏度高一些好。对原电池型电极，常时间发酵对象则90%响应时间在3 min 以内也是可行的。测量可将电极反复置于无氧水与空气中，在罐内请水中反复通入纯氮气与空气测量。

（4）电极的工作寿命：这是指换一次电解质能维持正常测定的时间，当然越长越好，一般至少1个月以上，好的电极可以达到半年以上。至于电极的寿命应不低于3-5年。

（5）残余电流：是指液体中无或零氧状态下的电极输出，当然越小越好，一般允许在1%以下。这可置于无氧水中或通入氮气测量。

（6） 线性范围：这是指与电极输出成正比的溶氧浓度范围，当然越宽越好，一般允许在0-50%纯氧范围。

4. 在电流型电极的应用中有几个问题值得注意
（1）DO浓度的单位：目前有3种表示DO浓度的单位  

      *种是氧分压或张力（Dissolved Oxygen Tension , 简称DOT）, 以大气压或mm汞柱表示，100％空气饱和水中的DOT为0.2095×760 = 159 （mm Hg柱）。这种表示方法多在医疗单位中使用。

       第二种方法是浓度，以mg O2/L纯水或ppm表示。这种方法主要在环保单位应用较多。用Winkler氏化学法可测出水中溶氧的浓度，但用电极法不行，除非是纯水。

      为此，发酵行业只用第三种方法，空气饱和度（％）来表示。这是因为在含有溶质，特别是盐类的水溶液，其氧浓度比纯水低，但用氧电极测定时却基本相同。用化学法测发酵液中的DO也不现实，因发酵液中的氧化还原性物质对测定有干扰。因此，采用空气饱和度％表示。这只能在相似的条件下，在同样的温度、罐压、通气搅拌下进行比较。这种方法能反映菌的生理代谢变化和对产物合成的影响。因此，在应用时，必需在接种前标定电极。方法是在一定的温度、罐压和通气搅拌下以消后培养基被空气百分之一百饱和为基准。

（2）DO定位　　

      一般在培养基灭菌后，发酵前DO电极需标定。起方法是在搅拌，通气和培养温度下将电流输出调到100, 待其稳定后便接种，接种后边不能再动，直到发酵结束。一般无法在发酵期间进行在标定。要考察DO电极是否工作正常，从以下一些现象可以判断。暂停搅拌或加糖，补料，加油，补水均回有反应。

 （3）漂移和膜堵塞是DO电极在使用中面临的主要问题。经过消毒后，电极输出很难做重现。 因此，电极需要经常校正。

（4）电解质中有机溶剂的蒸发是常见的问题，会导致电极性能的提早衰退。在电极储存过程中也会发生。