Калібрування та обслуговування pH-зонда

Як працює скляний pH-електрод, двоточкове калібрування буферами pH 4/7/10, допуски крутості та зсуву, температурна компенсація, зберігання, чищення та критерії заміни.

Як працює скляний pH-електрод

pH-зонд — це іоноселективний електрод зі скляною мембраною. Тонка скляна кулька несе гідратований гелевий шар завтовшки близько 10 нм на обох поверхнях. Іони водню обмінюються з іонами натрію в цьому шарі, а мембранний потенціал, що виникає, вимірюється в мілівольтах відносно референсного електрода, нечутливого до pH. Майже всі акваріумні зонди — комбіновані електроди: скляний чутливий елемент і референсний елемент (зазвичай срібний дріт, покритий хлоридом срібла, в електроліті з хлориду калію) розміщені в одному корпусі, а пориста діафрагма з’єднує електроліт із водою. Електроліт може бути рідким (з дозаправленням) або гелевим; гелеві зонди потребують менше обслуговування, але не поповнюються.

Відгук описується рівнянням Нернста. За 25 °C ідеальний електрод змінює потенціал на 59,16 мВ на одиницю pH, а його потенціал проходить через 0 мВ в ізопотенціальній точці, яка конструктивно розташована при pH 7. Оскільки скляна мембрана має електричний опір від 50 до 500 МОм, сигнал можна зчитати лише високоомним входом вимірювача або контролера.

Двоточкове калібрування буферами pH 4, 7 і 10

Калібрування пов’язує напругу зонда зі шкалою pH і має виконуватися щонайменше за двома стандартними буферами, що охоплюють pH вимірюваної води. Польовий посібник USGS дає правило вибору: для води з очікуваним pH від 7 до 8 використовують буфери pH 7,00 і 10,01; для води нижче pH 7 — буфери 7,00 і 4,01. Триточкове калібрування за 4,01, 7,00 і 10,01 покриває ширший діапазон. Використовуйте буфери, простежувані до стандартів NIST, і викидайте їх після закінчення терміну придатності.

1. Промийте електрод деіонізованою водою і струсіть краплі; не протирайте кульку — папір дряпає скло і створює статичний заряд.
2. Промийте вдруге невеликою кількістю буфера, який збираєтеся вимірювати, поливши ним кульку, потім вилийте його.
3. Занурте кульку і референсну діафрагму у свіжий буфер (спочатку pH 7, якщо вимірювач не задає інший порядок) і дочекайтеся стабілізації показань. Справний зонд заспокоюється за 1–2 хвилини.
4. Повторіть із другим (і третім) буфером, промиваючи електрод між ними.
5. Запишіть крутість, зсув і температуру буфера, щоб відстежувати дрейф у часі.

USGS калібрує щодня і перекалібровує щоразу, коли контрольний буфер поблизу pH проби відхиляється більш ніж на ±0,05 pH від значення з поправкою на температуру. Для постійно зануреного зонда контролера діє той самий принцип: періодичні перевірки у свіжому буфері показують, чи можна ще довіряти відображеному pH.

Крутість і зсув: що означають числа

Крутість (slope) — зміна в мілівольтах на одиницю pH, зазвичай відображається у відсотках від теоретичних 59,16 мВ/pH. USGS приймає електроди з крутістю від 95 до 101 відсотка (56,2–59,8 мВ/pH за 25 °C). Зсув (offset, асиметричний потенціал) — напруга, яку зонд видає в буфері pH 7; вона має бути близькою до 0 мВ. Запишіть це значення для нового зонда і регулярно перевіряйте: якщо воно зсунулося більш ніж на ±15 мВ від початкового, зонд потребує чищення, відновлення або заміни.

Температурна компенсація

Температура впливає на вимірювання pH двома шляхами. По-перше, крутість Нернста пропорційна абсолютній температурі, тому вимірювач має знати температуру води, щоб перевести мілівольти в pH; це завдання автоматичної температурної компенсації (ATC). По-друге, самі буфери змінюють pH із температурою: буфер pH 10,01 за 0 °C показує 10,32, а буфер pH 7,00 за 0 °C — 7,12. Вимірювачі з ATC використовують вбудовані таблиці буферів для поправки під час калібрування. USGS рекомендує калібрувати буферами з температурою в межах ±10 °C від температури проби і зазначає, що автоматичні поправки зазвичай точні в діапазоні 5–35 °C і pH 4,0–9,5.

Розчин для зберігання

Скляна мембрана працює лише доки існує її гідратований шар, а він формується повільно, тому зонду не можна давати висихати. Між використаннями тримайте кульку повністю зануреною в розчин для зберігання, рекомендований для цього типу електрода — як правило, це концентрований електроліт на основі хлориду калію, узгоджений із заповнювальним розчином референсного електрода. Деіонізована або дистильована вода не є середовищем для зберігання: іони вимиваються з референсного гелю або електроліту в розбавлену воду, що скорочує термін служби зонда і дестабілізує показання. Тримайте зонд вертикально, щоб електроліт контактував із діафрагмою, і ніколи не набивайте ковпачок ватою чи папером для утримання вологи — вони дряпають кульку.

Чищення

Промивайте корпус електрода деіонізованою водою до і після кожного використання і ніколи не торкайтеся кульки голими пальцями — шкірний жир покриває чутливе скло. Коли самого промивання недостатньо для відновлення доброї крутості, USGS перелічує цільові обробки:

• Мінеральні або сольові відкладення: витримайте кульку і діафрагму в 0,1 М соляній кислоті 30 хвилин, потім ретельно промийте.
• Олія або жир: витримайте в 0,5-відсотковому розчині м’якого рідкого засобу для миття посуду 3 хвилини, потім промийте.
• Бактеріальні плівки або біоплівка: витримайте в побутовому відбілювачі (гіпохлорит натрію), розведеному 1:10, 30 хвилин, потім ретельно промийте перед використанням або зберіганням.
• Білкові відкладення: класична лабораторна обробка — 1-відсотковий розчин пепсину в соляній кислоті.
• Засмічена референсна діафрагма: витримка в розчині хлориду калію може розчинити кристали солі, що її блокують.

Після будь-якого чищення витримайте зонд у розчині для зберігання і перекалібруйте, перш ніж знову йому довіряти.

Старіння, дрейф і коли міняти

Скляні електроди зношуються: крутість поступово знижується протягом місяців, а час встановлення рівноваги зростає зі старінням електрода. USGS називає типовий термін служби близько 12–18 місяців для зондів у польових природоохоронних роботах. Міняйте зонд, коли:

• крутість залишається нижче 95 або вище 101 відсотка після чищення і відновлення;
• зсув пішов більш ніж на ±15 мВ від початкового показання в pH 7;
• вимірювач більше не розпізнає буфери, або показанням потрібно кілька хвилин на стабілізацію;
• кулька подряпана або тріснула, корпус тріснув, діафрагма забруднена або кабель перетертий.