水样的PH测量
技术领域
本申请总体涉及水样的pH测量，更具体地涉及使用没有玻璃膜和内部参考溶液的电极的pH测量。
背景技术
保证水质量对依赖水进行生存的人类、动物和植物的健康和幸福是至关重要的。水的可以测量的一个参数是pH。水样的pH的测量在诸如药品、生物医学、供水和其他制造领域等的许多工业中是至关重要的。pH的测量可以允许对水的适当处理或确保用于敏感目的的适当水质，并允许识别水的整体质量。用于测量水样中的pH的一种方法包括使用电极，该电极需要pH测量系统的不断维护和校准。
发明内容
总而言之，一个实施例提供了用于利用无玻璃膜电极测量水样中的pH的方法，包括：将水样引入到包括至少三个电极的测量设备中，其中，至少三个电极中的至少一个电极包括接地棒电极，其中，至少三个电极中的至少一个电极包括第一测量电极，并且其中，至少三个电极中的至少一个电极包括第二测量电极；测量水样中的第一测量电极和接地棒电极之间的第一电势；测量水样中的第二测量电极和接地棒电极之间的第二电势；以及基于第一电势和第二电势之间的差来识别水样的pH。
另一实施例提供了用于利用无玻璃膜电极测量水样中的pH的测量设备，包括：至少一个腔室；一个或多个系列电极，至少部分地设置在至少一个腔室内；处理器；以及存储器设备，所述存储器设备存储指令，所述指令由所述处理器执行以：将水样引入到包括至少三个电极的测量设备，其中，至少三个电极中的至少一个电极包括接地棒电极，其中，至少三个电极中的至少一个电极包括第一测量电极，并且其中，至少三个电极中的至少一个电极包括第二测量电极；测量所述水样中的所述第一测量电极和所述接地棒电极之间的第一电势；测量所述水样中的所述第二测量电极和所述接地棒电极之间的第二电势；以及基于所述第一电势和所述第二电势之间的差来识别所述水样的pH。
又一个实施例提供了用于利用无玻璃膜电极测量水样中的pH的产品，包括：存储设备，所述存储设备存储有代码，所述代码由处理器执行并且包括：将水样引入到包括至少三个电极的测量设备的代码，其中，所述至少三个电极中的至少一个电极包括接地棒电极，其中，所述至少三个电极中的至少一个电极包括第一测量电极，并且其中，所述至少三个电极中的至少一个电极包括第二测量电极；测量水样中的第一测量电极和接地棒电极之间的第一电势的代码；测量水样中的第二测量电极和接地棒电极之间的第二电势的代码；以及基于第一电势和第二电势之间的差来识别水样的pH的代码。
上述是发明内容，因此可以包含细节的简化、概括和省略；因此，本领域技术人员将理解该发明内容仅是说明性的并且不旨在以任何方式进行限制。
为了更好地理解实施例及其其他和另外的特征和优点，结合附图参考以下描述。本发明的范围将在随附权利要求中指出。
附图说明
图1示出计算机电路的示例。
图2示出测量水样中的pH的流程图。
图3示出示例实施例中的测量水样中的pH的示意图。
图4示出用于确定水样的pH的示例测量。
图5示出水样中的差分pH内部参考的示例。
图6示出水样中的差分pH内部参考的示例数据。
图7示出具有水样中的pH测量的参考偏移消除的示例电路。
图8示出具有水样中的pH测量的参考偏移消除的另一示例电路。
具体实施方式
容易理解的是，在本文的附图中一般地描述并示出的实施例的组件除了以所描述的示例实施例进行布置和设计之外，还可以以许多不同的配置进行布置和设计。因此，附图中所表示的示例实施例的以下更具体的描述不旨在限制所要求保护的实施例的范围，而是仅代表示例实施例。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”(等等)的提及用于表示结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”等不一定全指代同一实施例。
此外，可以在一个或多个实施例中通过任何合适的方式来组合所描述的特征、结构或特性。在以下描述中，提供了大量的特定细节，以给出对实施例的完全理解。然而，本领域技术人员将认识到，可以在没有一个或多个具体细节的情况下，或者利用其他方法、组件、材料等来实践各种实施例。在其他示例中，没有示出或详细描述众所周知的结构、材料或操作。以下描述仅旨在通过示例方式简单地示出特定的示例实施例。
水或其他水溶液或样本的pH的测量非常普遍，并且允许确定水溶液的质量或其他特性。常规的pH测量仪器是可用的；然而，这些仪器很复杂，并且需要不断的维护和校准。例如，传统的pH测量使用引入到水样中的pH电极。为了测量样本的pH，pH电极包括内部溶液，该内部溶液用作在水样内进行测量的参考。因此，常规的pH测量设备需要用户手动地将内部溶液添加到电极。
常规pH测量电极中使用的内部溶液通常是高摩尔氯化钾溶液。许多pH电极包含用于内部或参考溶液的加注口，必须将该加注口关闭以防止参考溶液蒸发。未关闭该端口导致蒸发并增加内部参考溶液的摩尔浓度。摩尔浓度的升高可以改变pH电极的灵敏度，并且还导致pH电极中的盐的结晶，从而损坏电极。
另外，常规的pH电极包含玻璃膜(frit)。玻璃膜充当电极填充溶液和要测量的水样之间的导电“芯”。玻璃膜在将内部溶液和水样保持为分离的体积的同时允许导电。该玻璃膜需要维护，例如，清洁玻璃膜以防止结垢。如果玻璃膜结垢，则电极将需要重新校准和维护。另外，玻璃膜容易干燥。因此，常规的pH测量电极需要存储在水相环境中，以最小化玻璃膜通过允许干燥而对电极的损坏。无法保持适当的内部溶液或玻璃膜可以损坏pH电极、降低灵敏度、或使电极无法工作。另外，玻璃膜和填充溶液可以导致结电势(junctionpotential)，该结电势可以影响pH电极的测量。
另外，常规的pH电极可以使用易碎的薄玻璃来构成。这种玻璃很容易破裂，导致更高的替换和维护成本。常规的pH电极也可能具有“碱度误差”。这些误差是由影响高pH值下的pH响应的干扰离子(例如钠和锂)而引起的。需要的是在保持pH测量的灵敏度的同时要求较少的维护的pH测量电极。
因此，本文描述的系统和方法提供了用于使用无玻璃膜且无内部溶液的电极进行pH测量的技术，该技术能够测量电信号，并且识别电信号中的归因于干扰物的部分和作为水样的pH的结果的电信号。具体地，本文所述的系统和方法能够使用对干扰物敏感的电极和对干扰物和水样的pH两者敏感的电极来识别水样的电势。换言之，在实施例中，电极可以是对干扰物、和/或干扰物和水样的pH敏感的材料。例如，电极可以包括Sp2和/或Sp3碳材料，其可以包含掺杂类似硼的元素的类金刚石材料(BDD)。在这种情况下，第一电极包括在SP3衬底上的将对干扰物和pH敏感的SP2碳的局部微电极或纳米电极阵列，而第二电极将包括仅对干扰物敏感的SP3衬底。其他材料可以包括金属系统，在这种情况下，其中的第一电极包括在导电铱金属衬底上的将对pH和干扰物两者敏感的局部氧化铱微电极或纳米电极，而第二电极将仅包括将仅对干扰物敏感的铱金属。
其他质子敏感/不敏感金属氧化物/金属系统包括锡、钨、钯、铑、铂、锇、钽、钒。其他质子敏感/不敏感碳质系统包括修改的CNT、石墨烯纳米纤维素。通过在导电或半导电硅衬底上结合氧化硅微/纳米结构，可以实现对干扰物和pH敏感的第一电极玻璃系统。第二电极将仅包括没有任何氧化硅的将对干扰物敏感而不对pH敏感的硅衬底，其将是无参考玻璃电极。通过进行两种测量，系统可以从总体测量中减去归因于干扰物的测量，然后识别水样的pH。为了进行这些测量，系统可以包括公共接地电极或参考电极。因此，该方法可以将测量的序列用作量化干扰物质的手段。
使用BDD作为比其他碳基或金属材料(例如，银、金、汞、镍等)更好的电极材料，因为这些碳基或金属材料可能最终自身被氧化，从而产生干扰信号并且造成pH的测量中的误差。薄膜BDD电极可能受到热应力，因为衬底和BDD层之间的不同的热膨胀系数，这限制了可以施加到这些电极的电流密度。厚的BDD固态电极没有衬底，因此在较高电流下可以保持结构和电气完整性。厚的固态独立BDD电极中衬底的缺失消除了薄膜BDD材料上可能出现的脱层问题。因此，在所述测量设备中使用的电极可以是厚膜的BDD电极。
在实施例中，可以将水样引入到测量腔室。备选地，可以将pH测量装置引入到水样中。可以测量在第一电极和接地电极之间测得的第一电势。该第一电势可以归因于水样中干扰物的量(measure)。也可以测量在第二电极和接地电极之间测得的第二电势。与第二电势的测量相关联的接地电极可以与在第一电势的测量中使用的接地电极相同。第二电势可以与干扰物和水样的pH两者相关联。在实施例中，第一电势和第二电势可以相减，以去除测量的干扰物分量，以识别水样的pH。因此，该方法可以在不使用包括玻璃膜或内部参考溶液的电极的情况下，通过利用两个或更多个电响应以去除可以导致错误的pH识别的传递给干扰物质的电荷，来数学上考虑干扰物。
通过参考附图将最好地理解所示出的示例实施例。以下描述仅旨在通过示例方式简单地示出特定的示例实施例。
尽管可以在信息处理设备中使用各种其他电路、电路系统或组件，但是针对根据本文描述的各种实施例中的任一实施例的用于pH测量的仪器，在图1中示出了示例。设备电路100可以包括芯片设计构建(例如，特定计算平台(例如，移动计算、桌面计算等))上的测量系统。软件和处理器组合到单芯片101中。处理器包括内部算术单元、寄存器、高速缓存、总线、I/O端口等，这是本领域众所周知的。内部总线等依赖于不同的供应商，但是实质上所有的外围设备(102)都可以附接到单芯片101。电路100将处理器、存储器控制、以及I/O控制器集线器都组合到单芯片110中。此外，这种类型的系统100典型地不使用SATA或PCI或LPC。公共接口例如包括SDIO和I2C。
存在电源管理芯片103，例如，电池管理单元BMU，其例如通过可再充电电池104来管理所供应的电力，该可再充电电池104可以通过与电源(未示出)的连接进行再充电。在至少一种设计中，诸如101之类的单芯片用于提供类似BIOS的功能和DRAM存储器。
系统100典型地包括用于与各种网络(例如电信网络)和无线互联网设备(例如，接入点)连接的WWAN收发器105和WLAN收发器106中的一个或多个。另外，通常包括设备102，例如，发射和接收天线、振荡器、PLL等。系统100包括用于数据输入和显示/渲染的输入/输出设备107(例如，用户容易访问的远离单波束系统定位的计算位置)。系统100还典型地包括各种存储器设备，例如，闪存108和SDRAM 109。
从前述内容可以理解的是，一个或多个系统或设备的电子组件可以包括但不限于，至少一个处理单元、存储器、以及将包括存储器在内的各种组件耦接到处理单元的通信总线或通信装置。系统或设备可以包括或访问各种设备可读介质。系统存储器可以包括易失性和/或非易失性存储器形式的设备可读存储介质，例如，只读存储器(ROM)和/或随机存取存储器(RAM)。作为示例而非限制，系统存储器还可以包括操作系统、应用程序、其他程序模块和程序数据。所公开的系统可以在实施例中用于执行水样的pH测量。
现在参考图2，实施例可以使用不需要内部参考溶液的无玻璃膜电极来测量水溶液中的pH。换言之，这些电极不需要填充溶液、玻璃膜，并且由常规电极的易碎薄玻璃以外的材料制成。本文所述的系统和方法提供了用于避免干扰物的pH测量的技术，该技术在实践中可以与实际水样一起使用而无需常规系统所需的重新校准和维护，这是因为去除了造成维护要求和校准的组件。
在201处，在实施例中，可以将测量装置引入到水样中。备选地，可以将水样引入到测试腔室，例如，测量设备的测试腔室。如果将水样引入到测量设备，则可以由用户手工地或使用机械手段(例如，重力流、泵、压力、流体流动等)将水样置于或引入到测试腔室。例如，可以使用泵将用于pH测试的水样引入到测量或测试腔室。在实施例中，阀等(如果存在)可以控制水溶液进出一个或多个腔室的流入和流出。一旦将样本引入到测量系统，该系统就可以使用下面更详细地说明的步骤来测量样本的pH。在实施例中，测量设备可以包括一个或多个腔室，其中可以执行一个或多个方法步骤。
测量设备可以包括用于测量水样的pH的至少三个电极。因此，实施例可以包括第一测量电极、第二测量电极和接地(参考)电极。接地电极可以由第一测量电极和第二测量电极共享。换言之，第一和第二测量电极两者可以电连接到接地或参考电极，并且接地或参考电极可以由两个测量电极用来实现电路。在实施例中，一个或多个测量电极可以由相同或不同的材料构成。例如，一个测量电极可以由对分析物不敏感的材料(例如，Sp3/纯相硼掺杂金刚石材料)构成，而第二测量电极可以由对分析物敏感的材料(例如，Sp2/Sp3硼掺杂金刚石或其他碳材料)构成。
在实施例中，可以将电极完全或至少部分地设置在水溶液的体积中。例如，如果水溶液被引入到具有一个或多个电极的腔室，则水溶液可以至少部分地覆盖一个或多个电极。作为另一示例，可以将一个或多个电极部分地设置在腔室内，其中电极的其他部分在腔室外部。因此，当水溶液被引入到腔室中时，其仅覆盖电极在腔室内的部分。
在202处，在实施例中，系统可以通过在第一测量电极和参考电极之间施加电信号来测量腔室中的水溶液的体积的第一电势。术语“第一”或“第二”的使用不旨在表示何时进行测量的时间指示或一个电极相对于另一个电极的位置。相反，术语“第一”和“第二”仅用于在两个不同的电极之间进行区分。
可以使用一个或多个电极(例如，一系列电极)或在一个或多个电极上施加电信号。在实施例中，第一测量电极可以用于测量归因于水样中的任何干扰物的电势。因此，第一测量电极可以由对分析物不敏感的材料(例如，Sp3硼掺杂金刚石(BDD)电极材料)构成。Sp3 BDD电极可以进行氧化铝抛光。Sp3 BDD电极可以是纯相的。Sp3 BDD电极可以例如使用电化学过程进行极化，以提供均匀、清洁和同质的衬底。这可以在0.1M H2SO4中在3V下持续60秒完成。Sp3电极可以仅对pH测量不敏感。Sp3 BDD电极的特定的pH不敏感性可能是由于电极的pH响应在4mV–5mV/pH之内。因此，这种类型的材料对于测量与pH无关的电势很有用。因此，所得到的电势测量可归因于水样中的任何干扰物。在第一电极和接地电极之间施加电信号允许测量第一电势，第一电势可以在第一测量电极和接地电极之间进行测量。
在203处，在实施例中，系统可以通过在第二测量电极和接地电极之间施加电信号来测量腔室中的水溶液的体积的第二电势。用于第二测量的接地电极可以与用于第一测量的接地电极相同，以确保测量是一致的并且参考相同的测量。换言之，单个接地电极的使用考虑了可以归因于接地电极本身的任何噪声或电气缺陷。与第一测量一样，也可以使用一个或多个电极(例如，一系列电极)来施加用于第二测量的电信号。
在实施例中，第二测量电极可以由对分析物敏感的材料(例如，Sp2/Sp3硼掺杂金刚石(BDD)电极材料)构成。在实施例中，可以将受控量的Sp2碳(例如，非金刚石材料，例如包含Sp2碳的玻璃碳等)引入到Sp3 BDD碳之中或之上，从而形成Sp2/Sp3 BDD电极。例如，可以使用激光图案化将Sp2碳引入到Sp3 BDD电极中，产生多晶硼掺杂金刚石材料，该材料表现出针对pH测量的玻璃碳电极的优势，同时由于BDD衬底而产生低基流(backgroundcurrent)。将Sp2碳引入Sp3 BDD碳中可以实现pH的测量。因此，与Sp3 BDD电极相反，Sp2/Sp3电极可以对pH敏感。因此，Sp2/Sp3电极可以对干扰物和pH两者敏感。Sp2的引入可以产生电极，该电极可以进行具有58mV/pH+/-5mV的灵敏度的pH测定。由于第二测量电极对分析物敏感，因此在第二测量电极和地面电极之间测得的电势不仅归因于样本中的干扰物，而且归因于样本的pH。
在实施例中，第一测量电极和第二测量电极可以用于参考接地电极(接地棒或参考电极)来测量水溶液中的电势。对于第一测量电极和第二测量电极两者，接地电极可以相同。使用单个接地棒和多个测量电极可以补偿水样的多个电势测量中的电势、电导率、氧化还原电势(ORP)等。接地电极可以包含钛(Ti)、铂(Pt)或可不易结垢的任何其他导电金属或者由其制成。在实施例中，一个或多个系列电极可以是硼掺杂金刚石(BDD)电极。
在204处，系统可以确定或识别水样的pH。为了进行这种确定，系统可以从与干扰物和pH相关联的电势中减去与水样的干扰物相关联的电势，以给出所得到的水样的pH。例如，从Sp3 BDD材料测得的开路电势可以是与干扰物相关联的电势减去地电势。从Sp2/Sp3材料(BDD、玻璃碳等)测得的开路电势可以是与pH和干扰物两者相关联的电势。因此，在这个示例中，为了识别归因于样本的pH的电势，可以从在第二测量电极处测得的测量电势减去在第一测量电极处测得的测量电势。例如，参考图4，可以使用用于确定pH测量的伏安法。例如，可以针对每个水样从开路电势开始伏安法的扫描。峰值电势和起始电势之间的差异可以识别峰值的相关性(dependence)。测量的开路电势与峰值电势之间差分电势可以消除接地电极本身的浮动性质。可以在图5和图6中找到方法的示例。
如果系统不能识别水溶液的pH，则在202处系统可以继续测量来自系统的电极的电响应。附加地或备选地，系统可以触发警报、关闭、改变水样的流控制等。然而，如果在205处可以确定水样的pH，则系统可以输出水溶液的pH。输出可以是显示、将数据存储到存储器设备、通过所连接的系统或无线系统发送输出、打印输出等的形式。该系统可以是自动化的，意味着系统可以自动输出所识别的pH。系统还可以具有相关联的警报、限制或预定的阈值。例如，如果所测量的pH达到阈值，那么系统可以触发警报、调整水溶液的pH、改变水溶液的流动等。数据可以实时地被分析、被存储以供以后使用、或其任意组合。
参考图7和图8，电路可以控制电信号和或对一个或多个系列电极的测量(例如，电流、电压等)，使得可以针对水溶液的体积施加和/或测量不同的电信号。在实施例中，第一测量电极和第二测量电极可以连接到具有内部参考的固态差分pH测量电路。在系统中包括多个或一系列电极的情况下，每个电极可以与不同的电信号值相对应。例如，第一电极可以与第一电信号值相对应，第二电极可以与第二电信号值相对应，等等。这些不同的电信号值中的每一个都可以提供电信号，所述电信号将测量水样的干扰物和/或pH。因此，当系统连续地向电极中的每个电极提供电信号时，系统可以在单个电极处施加不同的电信号或测量不同的电信号。在每种情况下，在每次施加电信号之后，系统可以测量水溶液的pH。可以包括其他电极来实现电路或提供参考电极(例如，接地电极、多个测量电极等)以用于测量。图7和图8的电路是示例实施例，并且不意味着进行限制。图7的电路表示用于BDD伏安法结合参考偏移消除的示例实施例。图8的电路示出用于BDD伏安法结合静态电势和响应电流的差分测量的示例实施例。
如本领域技术人员所意识到的，各方面可以体现为系统、方法或设备程序产品。因此，所述方面可以采用可以在本文中通常被称为“电路”、“模块”或“系统”的完全硬件实施例或包括软件的实施例的形式。此外，各方面可以采取在一个或多个设备可读介质中体现的设备程序产品的形式，所述一个或多个设备可读介质具有与其体现的设备可读程序代码。
应该注意，本文描述的各种功能可以使用存储在诸如非信号储存设备之类的设备可读存储介质上的指令来实现，其中，所述指令由处理器执行。在本文件的上下文中，储存设备不是信号，并且“非暂时性”包括除了信号介质之外的所有介质。
可以用一种或多种编程语言的任何组合来编写用于执行操作的程序代码。程序代码可以完全在单个设备上执行、部分在单个设备上执行、作为独立软件包来执行、部分在单个设备上且部分在另一设备上执行、或完全在其他设备上执行。在一些情况下，设备可以通过任意类型的连接或网络进行连接，所述任意类型的连接或网络包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，或者连接可以通过其他设备(例如，通过使用互联网服务提供商的互联网)、通过无线连接(例如，近场通信)、或通过硬线连接(例如，通过USB连接)来实现。
在本文中参考附图描述了示例实施例，所述附图示出根据各种示例实施例的示例方法、设备和产品。要理解的是，可以至少部分地通过程序指令来实现动作和功能。这些程序指令可以提供给设备(例如，诸如图1所示的手持式测量设备、或用于产生机器的其他可编程数据处理设备)的处理器，使得通过设备的处理器执行的指令实现所指定的功能/动作。
要注意，本文提供的值被解释为包括通过使用术语“大约”指示的等效值。等效值对于本领域技术人员将是明显的，但是至少包括通过最低有效数字的通常的舍入而获得的值。
已经为了说明和描述的目的而呈现了本公开，但并不旨在穷举或进行限制。许多修改和变形对于本领域技术人员将是明显的。选择和描述了示例实施例以便解释原理和实际应用，并且使得本领域的其他普通技术人员能够理解具有适合于所预期的特定用途的各种修改的本公开的各种实施例。
因此，尽管本文中已经参考附图描述了说明性的示例实施例，然而应理解这些描述不进行限制，并且各种其他改变和修改可以由本领域技术人员在其中实现，而不脱离本公开的范围或精神。
