Naukowcy z Electron Science Research Institute of Edith Cowan University (ECU) w Australii opracowali tani, ultracienki czujnik z tlenku rutenu (IV) – RuO2, który realnie może zastąpić tradycyjne elektrody szklane wykorzystywane w praktyce analitycznej podczas wyznaczania pH. Czuła warstwa tlenku, cieńsza ponad 500 razy od ludzkiego włosa ma wprowadzić nową jakość monitorowania poziomu pH.
Skala pH to ilościowa skala kwasowości i zasadowości roztworów wodnych związków chemicznych. Skala ta jest oparta na aktywności jonów hydroniowych (H3O+) w roztworach. Dla roztworów wodnych wartość pH mieści się w przedziale 0-14. Dla środowisk kwaśnych pH<7, dla odczynów zasadowych pH>7, a dla obojętnych: pH=7 (woda destylowana). Najprostszym sposobem badania pH jest test przy pomocy indykatorów (wskaźników), np. oranżu metylowego, fenoloftaleiny, czy błękitu tymolowego. Jednak najbardziej popularną metodą pomiaru pH (w przemyśle oraz laboratoriach) jest pomiar za pomocą jonoselektywnej elektrody szklanej. Próby elektrochemiczne są bardziej precyzyjne i opierają się na porównaniu potencjałów roztworu porównawczego oraz badanego. Układ złożony jest z dwóch półogniw – elektrody odniesienia i szklanej elektrody pomiarowej. Elektrody zanurzone w badanym roztworze tworzą wraz z nim ogniwo, którego siła elektromotoryczna (SEM) zależy od stężenia jonów wodorowych. Utworzone napięcie jest następnie automatycznie przeliczane na wartość pH, wyświetlaną na czytniku. Przed każdym pomiarem urządzenie należy skalibrować za pomocą wzorca o dokładnie znanym pH. W praktyce elektroda szklana i elektroda odniesienia zespolone w jednym korpusie co ułatwia pracę i pozwala uniknąć przypadkowej zamiany elektrody, np. podczas procesu kalibracji.
Elektrody szklane, odporne na działanie metali ciężkich, reduktorów i utleniaczy stosowane są od 1930. Laboranci często narzekają na ich wysoką cenę, kruchość, delikatność, nieporęczność użytkowania oraz trudności w czyszczeniu. Badacze z Australii zaprezentowali rozwiązanie pozbawione wcześniej wymienionych mankamentów. Przedstawiony przez nich zminiaturyzowany, cienkowarstwowy czujnik zbudowany został na platynowej elektrodzie z warstwą tlenku glinu. Za pomocą magnetronowego rozpylania o częstotliwości radiowej (z ang. radio frequency magnetron sputtering) inżynierowie nanieśli warstwę tlenku rutenu (IV) o grubości 300 nanometrów. Strumień jonów RuO2 w silnym polu magnetycznym powstał w wyniku bombardowania powierzchni źródła cząstkami zjonizowanego argonu. Napylanie magnetronowe w komorach próżniowych stosuje się do wytwarzania cienkich powłok, zwłaszcza przy użyciu materiałów nieprzewodzących prądu. Uzupełnieniem zestawu innowacyjnego sensora była elektroda odniesienia Ag/AgCl. Eksperymentalne badania czujnika wykazały czułość na poziomie 58,50 mV/pH w standardowym roztworze buforowym o wartościach pH 4,0 i 10,0 w temperaturze 22°C. Wyniki nieznacznie odbiegały od wartości teoretycznej wyliczonej z równania Nernsta (58,56 mV/pH w temperaturze 22°C), co według autorów jest doskonałym osiągnięciem. Szczegółowe analizy zostały opublikowane w czasopiśmie naukowym Sensors and Actuators.
Zdaniem badaczy z ECU, elektrody z pokryciem RuO2 zastąpią w przyszłości elektrody szklane. Obecnie inżynierowie prowadzą rozmowy z przedstawicielami przemysłu nad wykorzystaniem nowej technologii do monitorowania poziomu pH w ropociągach. Innym możliwym zastosowaniem jest połykany czujnik w postaci tabletki do kontrolowania kwasowości w żołądkach pacjentów. Niewielkie rozmiary oraz niskie koszty produkcji sprawiają, że sensory mogą szybko trafić do powszechnego użytku.
Źródło:
[1] High-sensitivity pH sensor employing a sub-micron ruthenium oxide thin-film in conjunction with a thick reference electrode. D.K. Maurya, A. Sardarinejad, K. Alameh. Sensors and Actuators, Volume 203, Pages 300–303, dx.doi.org/10.1016/j.sna.2013.09.003
[2] http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924424713004366 [06.01.2014]
[3] http://www.worldindustrialreporter.com/researchers-develop-new-ultra-thin-sensor-to-replace-glass-electrode-devices/ [06.01.2014]
[4] http://www.ecu.edu.au/news/latest-news/2013/10/new-sensor-passes-litmus-test [06.01.2014]
[5] http://www.wisegeek.com/what-is-rf-magnetron-sputtering.htm [06.01.2014]
[6] Chemistry laboratory, detail by Jean-Pierre (JPC24M), flickr.com, CC BY-SA 2.0