[发明专利]在有机物存在下的离子浓度测量

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年11月10日提交的美国临时专利申请No.62/077,810的权益；该美国临时申请在此通过引用而全文并入本公开内容。

政府支持

本文所述的工作在由能源部授予的编号为DE-FE0002474的基金下全部或部分由政府支持完成。政府拥有本发明的某些权利。

背景技术

在许多工业过程中，对感兴趣的反应物和产物的浓度的实时在线测量对过程控制可能是必要的。包括液相或气相色谱法、质谱法、分光光度法和电化学方法在内的多种分析方法都已得到应用。电化学方法可能较为便利，因为它们可在线使用并且相对廉价。然而，大多数电化学分析侧重于低浓度的分析物，通常是在nM范围内，原因是在M水平的浓度条件下存在许多问题，如来自迁移的质量转移贡献和较大的电阻下降。

超微电极(UME)可成为电阻溶液、空间分辨率分析、用于体内测量的传感器和稳态条件下的电极动力学中电化学测量的工具。然而，还需要利用伏安法技术(诸如但不限于UME)在含有有机物的溶液中测量高浓度的离子。

发明内容

在一个方面，提供了在一种或多种有机化合物的存在下测量水性介质中的金属离子浓度的方法，其包括：

使包含金属离子和一种或多种有机化合物的水性介质与超微电极(UME)电池中的UME相接触；

通过使气体经过所述UME表面、通过在UME表面上形成气体、通过机械清洁UME表面或其组合来清洁该UME表面以避免所述一种或多种有机化合物的沉积；

使所述UME经历组Y的一个或多个电势循环，导致处于较低氧化态的金属离子氧化为较高氧化态，或导致处于较高氧化态的金属离子还原为较低氧化态；以及

测量稳态电流，从而测量该金属离子的浓度。

在上述方面的一些实施方案中，当组Y的一个或多个电势循环导致处于较低氧化态的金属离子氧化为较高氧化态时，该测量为处于较低氧化态的金属离子的浓度的测量。

在上述方面的一些实施方案中，当组Y的一个或多个电势循环导致处于较高氧化态的金属离子还原为较低氧化态时，该测量为处于较高氧化态的金属离子的浓度的测量。

在上述方面及实施方案的一些实施方案中，通过在UME表面上形成气体来清洁该UME表面以避免一种或多种有机化合物的沉积包括使该UME经历组X的一个或多个电势循环，以在该UME表面上形成气体，诸如但不限于氧气、氯气、氢气、二氧化硫气体或其组合。在上述方面及实施方案的一些实施方案中，组X的一个或多个电势循环的电压范围高于所述金属离子的还原电势，以防止该金属离子的还原及其在所述UME表面上的沉积。在上述方面及实施方案的一些实施方案中，组X的一个或多个电势循环的电压范围为相对于标准氢电极(SHE)的±5V，或相对于SHE的±3V，或相对于SHE的0.2V至2.5V，或相对于SHE的0.6V至2.5V。

在上述方面及实施方案的一些实施方案中，组Y的一个或多个电势循环的电压范围包括所述金属离子的氧化或还原电势，或在该金属离子的开路电势与氧化或还原电势之间。

在上述方面及实施方案的一些实施方案中，组Y的一个或多个电势循环的电压范围包括相对于SHE的0.65-0.85V，或在开路电势与相对于SHE的0.85V之间。

在上述方面及实施方案的一些实施方案中，所述金属离子为铜。在上述方面及实施方案的一些实施方案中，该金属离子为金属卤化物，诸如但不限于卤化铜，例如CuCl(处于较低氧化态的铜)和CuCl₂(处于较高氧化态的铜)的金属离子。应当理解，含有金属离子的水性介质可包含处于不同氧化态的金属离子，或为处于较低氧化态的该金属离子和处于较高氧化态的该金属离子的混合物。当施加氧化电势且金属离子从较低氧化态氧化为较高氧化态时，这些实施方案中的UME测量处于较低氧化态的金属离子的浓度，或者当施加还原电势且金属离子从较高氧化态还原为较低氧化态时，该UME测量处于较高氧化态的金属离子的浓度。本文已提供了金属卤化物形式的金属离子的多个实例。

在上述方面及实施方案的一些实施方案中，所述一种或多种有机化合物包括氯乙醇和/或二氯化乙烯。

在上述方面及实施方案的一些实施方案中，通过使气体经过UME表面来清洁该UME表面以避免一种或多种有机化合物的沉积包括在该UME表面上进行氢气鼓泡、氧气鼓泡、氮气鼓泡或氯气鼓泡。