Nó còn được gọi là “máy đo pH điện thế” vì nó đo sự thay đổi điện thế giữađiện cực pH và điện cực tham chiếu. Sự thay đổi điện thế liên quan đến độ axit hoặc độ pH của huyền phù. Đồn
CÁC KHÁI NIỆM CHUNG
Độ pH
pH cho biết nồng độ của các ion Hydrogen trong dung dịch pH biểu thị sức mạnh của hydro Để hiểu lý thuyết pH, cần phải hiểu sự phân ly của nước Thang đo pH được hình thành từ sự phân ly tự phát của nước Nước phân ly một cách tự nhiên thành các thành phần H+ và OH- Trong nước tinh khiết, nồng độ ion H+ là
1 x 10- 7 Nồng độ ion H+ này là trung tính, nghĩa là nó không có tính axit cũng không có tính kiềm.
Khi nồng độ ion H+ lớn hơn 1 x 10 -7 , dung dịch có tính axit; khi nồng độ nhỏ hơn 1 x 10 -7 , dung dịch có tính kiềm Độ pH thấp cho thấy nồng độ ion H+ cao; pH cao cho thấy lượng ion H+ thấp Do đó, thang đo pH tỷ lệ nghịch với nồng độ H+ trong bất kỳ dung dịch cụ thể nào và tỷ lệ thuận với nồng độ của ion OH- pH = - Log [H+]
Thang đo pH nằm trong khoảng từ 1 đến 14 Khi độ pH thay đổi 1 đơn vị (ví dụ: từ 4 đến 5), nồng độ của các ion hydro thay đổi theo hệ số 10 Khi độ pH thay đổi 2 đơn vị, nồng độ của hydro các ion thay đổi theo hệ số 100 Do mối quan hệ này, thang đo pH là logarit.
Hình 1 1 Dải độ PH Điều cần thiết là xác minh độ pH của bất kỳ dung dịch cụ thể nào trong khi thực hiện nhiều thử nghiệm Độ pH thường được xác định bằng giấy pH hoặc giấy được gọi là phương pháp trực quan Một dụng cụ được gọi là máy đo pH được sử dụng để đo pH chính xác Máy đo pH hoạt động trên cơ sở đo điện thế.
Vì dung dịch axit có điện tích dương (ion H+) lớn hơn dung dịch kiềm nên dung dịch axit có khả năng tạo ra dòng điện lớn hơn Máy đo pH tính toán độ pH bằng cách đo hiệu điện thế (điện áp) giữa dung dịch thử nghiệm và dung dịch chuẩn hoặc dung dịch đã biết Do đó, nó hoạt động giống như Vôn kế Để hoàn thành mạch, hai điện cực phải được nối Toàn mạch cho phép dòng điện chạy qua.
Tại sao cần phải đo pH trong cơ thể?
Mỗi cơ quan trong cơ thể có một độ pH riêng, không giống nhau Nếu chỉ số này bị ảnh hưởng sẽ gây ra nhiều vấn đề khác cho sức khỏe Độ pH trong cơ thể người sẽ ở mức từ 7.3 đến 7.4 Theo cơ chế tự nhiên, khi con người vừa sinh ra độ pH trong cơ thể mang tính kiềm Đây là nồng độ tốt nhất, phù hợp nhất để các tế bào hoạt động bình thường
Nồng độ pH trong cơ thể có thể thay đổi do những yếu tố bên ngoài tác động như chế độ ăn uống thiếu khoa học, ô nhiễm môi trường, sử dụng thực phẩm bẩn,… khiến cơ thể mất tính kiềm tự nhiên vốn có mà chuyển sang môi trường axit
Lượng axit dư thừa trong cơ thể là nguyên nhân chính dẫn đến những căn bệnh phổ biến như tiểu đường, bệnh lý dạ dày, đường ruột, ung thư,… Độ pH cơ thể sẽ ảnh hưởng hoạt động sống của các tế bào nhất là độ pH máu có tính kiềm, mang đến tác động tích cực cho các hoạt động cơ thể Bộ não, hệ thần kinh, hệ tuần hoàn, hệ tiêu hóa, hệ cơ, làm việc tốt ở mức độ pH thích hợp Khi pH cơ thể bị quá chua sẽ làm tăng nguy cơ mắc các bệnh lý tim mạch, lão hóa sớm, tăng cân, các vấn đề về thần kinh, dự ứng, ung thư Để cân bằng độ pH trong cơ thể tốt nhất bạn nên bổ sung khoảng 60 đến 80% thực phẩm tạo kiềm, 20 đến 40% thực phẩm tạo axit Nếu duy trì được chế độ ăn này thì pH cơ thể có tính hơi kiềm, đảm bảo sức khỏe ở mức tốt nhất
Một vài chỉ số độ pH trong cơ thể bạn nên biết đó là:
Độ pH của dạ dày: 1.6 đến 2.4
Độ pH của máu: 7.32 đến 7.44
Độ pH của nước bọt: 6.4 đến 6.8
Độ pH dịch ngoại bào: 7.35 đến 7.45
Độ pH dịch nội bào: 6.9 đến 7.2
Độ pH dịch mật: 5 đến 6.
Máy đo độ PH
Máy đo pH là một dụng cụ chính xác dùng để đo chuyển động của hydro-ion trong huyền phù gốc nước, cho biết độ axit hoặc độ kiềm được biểu thị bằng độ pH.
Nó còn được gọi là “máy đo pH điện thế” vì nó đo sự thay đổi điện thế giữa điện cực pH và điện cực tham chiếu.
Sự thay đổi điện thế liên quan đến độ axit hoặc độ pH của huyền phù.
Đồng hồ này được sử dụng để thử nghiệm, kiểm soát chất lượng, v.v.
Từ pH được lấy từ “p”, con số khoa học cho logarit âm và “H”, ký hiệu hóa học của Hydrogen.
pH là đơn vị đo thể hiện mức độ axit hoặc kiềm của huyền phù Nó được phân loại trong khoảng từ 0 đến 14 pH = -log[H+]
Năm 1909, nhà hóa học người Đức đoạt giải Nobel Fritz Haber (1868–1934) và học trò của ông là Zygmunt Klemensiewicz (1886–1963) đã giải thích ý tưởng về điện cực thủy tinh Máy đo pH điện tử hiện đại được giới thiệu vào năm 1934 bởi nhà hóa học người Mỹ Arnold Beckman (1900–2004).
Tỷ lệ pH của vật liệu được liên kết trực tiếp với mức độ của nồng độ ion hydro [H+] và ion hydroxyl [OH-].
Dữ liệu định lượng được hiển thị qua máy đo pH cho thấy tỷ lệ chuyển động của axit hoặc bazơ về hoạt động của ion hydro.
Nếu mật độ H+ cao hơn OH- thì chất đó có tính axit; tức là lượng pH nhỏ hơn 7.
Nếu cường độ OH- cao hơn H+, chất đó có tính bazơ, bao gồm giá trị pH cao hơn 7.
Nếu có số lượng ion H+ và OH- giống hệt nhau thì chất đó là trung tính, có độ pH là 7.
Các ion hydro và hydroxyl tự do có cả Axit và bazơ Mối liên hệ giữa các tập hợp các trường hợp nhất định, một trong hai trường hợp có thể được giải quyết bằng cách nhận ra trường hợp kia.
1.3.1 Cấu tạo máy đo độ PH
Máy đo pH là một thiết bị được sử dụng để đo độ axit hoặc bazơ (pH) của dung dịch Nó thường bao gồm các phần sau:
Điện cực: Đây là một phần của máy đo pH thực sự đo độ pH của dung dịch.
Nó bao gồm một bầu thủy tinh chứa đầy dung dịch nhạy cảm với độ pH và một dây kim loại kéo dài vào dung dịch Điện cực thường được kết nối với phần còn lại của máy đo pH thông qua dây dẫn.
Điện cực tham chiếu: Điện cực tham chiếu được sử dụng để cung cấp điểm tham chiếu ổn định cho phép đo pH Nó thường là một dây bạc được phủ bạc clorua, được ngâm trong dung dịch kali clorua.
Đồng hồ đo: Máy đo là một phần của máy đo pH hiển thị giá trị pH Nó có thể là màn hình kỹ thuật số hoặc đồng hồ kim có kim.
Đầu dò nhiệt độ: Một số máy đo pH cũng có đầu dò nhiệt độ, được sử dụng để đo nhiệt độ của dung dịch được kiểm tra Giá trị pH có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, vì vậy đầu dò nhiệt độ được sử dụng để bù cho ảnh hưởng này.
Nguồn điện: Hầu hết các máy đo pH đều chạy bằng pin, nhưng một số kiểu máy cũng có thể được cắm vào ổ cắm điện.
Khay: Vỏ là vỏ bảo vệ cho máy đo pH Nó có thể được làm bằng nhựa hoặc kim loại, và nó giúp bảo vệ các bộ phận mỏng manh của máy đo pH khỏi bị hư hại.
Buồng mẫu: Buồng mẫu là một phần của máy đo pH nơi đặt dung dịch đang được thử nghiệm Nó thường là một hộp nhỏ chứa đầy dung dịch và các điện cực được lắp vào đó để thực hiện phép đo
Giải pháp hiệu chuẩn: Máy đo pH cần được hiệu chuẩn định kỳ để đảm bảo rằng chúng cho kết quả chính xác Điều này thường được thực hiện bằng cách sử dụng dung dịch có độ pH đã biết, được gọi là dung dịch hiệu chuẩn.
Amplifier: Bộ khuếch đại điện áp, thường được gọi là bộ khuếch đại, rất cần thiết để đo giá trị pH Bộ khuếch đại sẽ cải thiện độ chính xác của phép đọc pH giống như cách nhiệt kế cải thiện tính toán nhiệt độ Để đo chính xác độ axit, bazơ và trung tính của dung dịch, thành phần này sẽ đảm bảo rằng số điện áp nằm trong khoảng từ 0 đến 14.
Hình 1 2 Cấu tạo máy đo độ PH
Các bộ phận của điện cực kết hợp: Đầu dò pH của máy đo pH hiện đại là loại hỗn hợp bao gồm cấu trúc dạng que bao gồm cả thủy tinh và điện cực tham chiếu Điện cực kết hợp có các thành phần sau:
Bóng đèn thủy tinh: Là cảm biến đo nồng độ ion H+, được cấu tạo từ thủy tinh và màng chuyên dụng Bầu thủy tinh chứa đầy HCL 0.1M.
Điện cực bên trong: Điện cực bạc clorua là điện cực bên trong.
Giải pháp nội bộ: Điện cực bạc clorua được ngâm trong dung dịch đệm 0.1 mol/l KCL có độ pH là 7.
Điện cực tham chiếu: Đây cũng là điện cực tham chiếu bạc clorua.
Giải pháp nội bộ: Điện cực tham chiếu cũng được ngâm trong dung dịch đệm KCL 0.1 mol/l có độ pH là 7.
Giao lộ: Mối nối gốm, còn được gọi là màng ngăn, được sử dụng để cho phép dung dịch mẫu và chất điện phân tham chiếu tiếp xúc với nhau Nó không ảnh hưởng đến kết nối điện giữa các điện cực.
Làm đầy lỗ: Nó được sử dụng để đổ đầy bình chứa chất điện phân.
Thân điện cực: Phần thân của điện cực được làm bằng thủy tinh hoặc nhựa không dẫn điện.
Hình 1 3 Cấu tạo điện cực
Nồng độ ion H+ trong dung dịch axit cao Ion H+ đi sát màng thủy tinh của bầu thủy tinh nhạy cảm khi nhúng đầu dò pH vào dung dịch axit (mặt ngoài của bầu) Một phản ứng tương tự xảy ra trong bầu chứa đầy dung dịch đệm pH trung tính Dung dịch đệm trung tính này có nồng độ ion Hydrogen không đổi Các ion H+ trong bóng đèn di chuyển đến gần màng thủy tinh (mặt trong của bóng đèn)
Do đó, sự thay đổi nồng độ ion hydro hoặc mức độ hoạt động của ion hydro trên màng dẫn đến sự khác biệt về điện thế (điện áp) Khi nồng độ của các ion hydro bên trong bầu thủy tinh nhỏ hơn nồng độ trong dung dịch bên ngoài (dung dịch thử), dung dịch được cung cấp có tính axit và độ pH của nó nhỏ hơn 7.
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ PH
Phương pháp điện cực Hydro
Điện cực hydro bao gồm một tấm bạch kim được phủ một lớp bạch kim đen được giữ trong một nguyên tố hydro, trong đó khí hydro ở áp suất khí quyển tác động trực tiếp lên tấm này Nó bao gồm một ống rỗng được mở ở đầu dưới và ngâm trong dung dịch có giá trị pH cần đo Tấm bạch kim được đưa vào ống rỗng này và nối với dây bạch kim được hàn vào ống thủy tinh Dây bạch kim này được nối với một dây dẫn bằng đồng.
Hình 2 1 Phương pháp đo sử dụng điện cực Hydro
Nguyên lí hoạt động: Hydro được đưa vào ống bên ngoài từ phía trên và đi ra ngoài qua các lỗ phía dưới được đặt ở nửa trên của tấm bạch kim Điện cực hydro được nối với nửa tế bào so sánh bằng dung dịch điện phân Tế bào chứa đầy muối trơ và được đóng lại bằng nút chặn bán thấm Phương tiện kết nối các phần tử này làm giảm điện thế khuếch tán (lên đến 1–2 mV), điện thế này phát sinh ở ranh giới của hai dung dịch và gây ra lỗi trong kết quả đo. Điện thế phát triển trên điện cực hydro được nhúng trong dung dịch là do nồng độ của các ion hydro trong dung dịch hoặc độ pH của dung dịch gây ra Bằng cách đo điện thế này, có thể xác định được độ pH của dung dịch Không có phương pháp nào có thể xác định được giá trị tuyệt đối của điện thế phát triển trên điện cực xác định điện thế tương đối của điện cực hydro so với điện thế đã biết của một số điện cực tham chiếu. Ưu điểm: Phương pháp điện cực hydro là tiêu chuẩn trong các phương pháp đo pH Giá trị đo thu được từ các phương pháp khác trở nên tin cậy khi nó phù hợp với kết quả đo được sử dụng điện cực hydro
Nhược điểm: Sự phức tạp và chi phí cao, với sự bất tiện khi thao tác với khí hydro và sự ảnh hưởng lớn bởi các chất có tính ô xy hóa hay tính khử cao có mặt trong dung dịch kiểm tra.
Phương pháp điện cực Quinhydron
Phương pháp điện cực quinhydron (quinhydrone electrode) là một trong các phương pháp đo độ pH trong nước và các dung dịch Điện cực quinhydron sử dụng sự tương tác giữa hai chất quinone (thường là benzoquinone) và hydroquinone để xác định giá trị pH.
Quinhydrone (còn được gọi là quinone-hydroquinone) là một hợp chất hữu cơ được sử dụng trong các cặp điện cực để đo độ oxi-hoá khử Nó bao gồm hai chất là quinone (C6H4O2) và hydroquinone (C6H6O2), được kết hợp lại để tạo thành một hợp chất có khả năng thay đổi màu sắc dựa trên trạng thái oxi-hoá khử. Điện cực quinhydron thường được sử dụng trong các thiết bị đo pH và điện thế, nơi nó cung cấp một phản ứng hóa học dựa trên thay đổi màu sắc để đo lường các thay đổi pH hoặc điện thế.
Cấu tạo của điện cực quinhydron bao gồm hai điện cực: một điện cực tham chiếu (reference electrode) và một điện cực quinhydron Điện cực quinhydron chứa một lớp màng mỏng có chứa quinone và hydroquinone, được chia cách với mẫu nước bởi một màng ngăn.
Hình 2 2 Cấu tạo của điện cực Quinhydrone
Nguyên lí hoạt động : Khi điện cực quinhydron tiếp xúc với mẫu nước, sự tương tác giữa chất quinone và hydroquinone sẽ phụ thuộc vào pH của nước Điện cực quinhydron tạo ra một điện thế dựa trên sự chênh lệch trong sự hoạt động của các chất này, và điện thế này có thể đo được bằng thiết bị đo điện thế Dựa vào đo điện thế tại điện cực quinhydron, ta có thể suy ra giá trị pH của mẫu nước sử dụng các phương pháp định lượng Điện cực quinhydron thường được sử dụng trong các thiết bị đo pH chuyên dụng và có độ chính xác cao. Ưu điểm:
Độ chính xác: Phương pháp điện cực quinhydrone cho độ chính xác cao trong việc đo đạc độ pH Nó cho phép đo đạc chính xác trong khoảng pH rộng từ axit đến kiềm.
Độ ổn định: Điện cực quinhydrone có độ ổn định cao trong quá trình
Phản ứng nhanh: Phương pháp này có thời gian phản ứng nhanh, cho phép đo đạc nhanh chóng và chính xác.
Phụ thuộc vào nhiệt độ: Phương pháp điện cực quinhydrone có thể phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Do đó, cần kiểm soát và hiệu chuẩn nhiệt độ để đảm bảo độ chính xác.
Hạn chế trong môi trường không thể kiềm: Phương pháp này không thích hợp để đo đạc trong môi trường quá axit hoặc quá kiềm, vì nó có thể làm thay đổi phản ứng quinhydrone và làm giảm độ chính xác của đo đạc.
Đòi hỏi bảo dưỡng: Điện cực quinhydrone cần được bảo dưỡng định kỳ để duy trì hiệu suất cao và độ chính xác trong quá trình đo đạc.
Tuy nhiên, phương pháp điện cực quinhydron cần được hiệu chuẩn định kỳ để đảm bảo độ chính xác và tin cậy của kết quả đo Các chất quinone và hydroquinone trong điện cực cần được duy trì trong trạng thái ổn định và sạch sẽ để tránh ảnh hưởng đến kết quả đo Phương pháp điện cực quinhydron đòi hỏi sự kiểm soát cẩn thận và quy trình chuẩn bị đúng để đảm bảo kết quả đo pH chính xác.
Phương pháp điện cực Antimon
Phương pháp điện cực Antimon (Antimony Electrode Method) là một phương pháp phổ biến để đo độ pH trong các ứng dụng thí nghiệm và công nghiệp. Phương pháp này sử dụng điện cực Antimon để tạo ra một tín hiệu điện thế phụ thuộc vào nồng độ ion hiđrô (H+) trong mẫu chất lỏng Quá trình điện hóa có thể được xây dựng như sau:
Trên bề mặt của điện cực có oxit Sb2O3 Mặc dù điện cực này không cho phép đo có độ chính xác cao, nhưng phản ứng nhanh, đơn giản và cấu trúc chắc chắn của nó làm cho nó hữu ích cho việc theo dõi pH công nghiệp liên tục Nó có thể được sử dụng ở nhiệt độ cao Trong một ứng dụng khác thường, một điện cực antimon được sử dụng để đo độ pH bên trong dạ dày con người Cấu tạo đơn giản có nghĩa là điện cực có thể được làm đủ nhỏ để có thể nuốt được Dây đồng mỏng được gắn vào điện cực và một đầu cuối trên máy đo pH Chân của đối tượng được đặt trong dung dịch nước muối Một điện cực tham chiếu calomel cũng được đặt trong dung dịch này và được kết nối với đầu cuối khác trên máy đo.
Cấu tạo của điện cực Antimon:
Điện cực Antimon thường được chế tạo từ chất kim loại antimon (Sb) hoặc hợp kim antimon Antimon có tính oxi hóa tốt, giúp tạo ra một điện cực phản ứng với ion hiđrô trong mẫu chất lỏng.
Điện cực thường có dạng cực đơn, gồm một đầu dùng để tiếp xúc với mẫu chất lỏng và một đầu kết nối với hệ thống đo đạc.
Để tăng độ nhạy và độ ổn định, điện cực Antimon thường được bao phủ bởi một lớp bảo vệ, chẳng hạn như polyme hoặc màng bảo vệ.
Hình 2 3 Cấu tạo điện cực Antimon
Nguyên lý hoạt động: Điện cực Antimon được đặt vào mẫu chất lỏng để tiếp xúc với nước hoặc dung dịch muối có chứa ion hiđrô (H+) Trong quá trình tiếp xúc, ion hiđrô (H+) trong mẫu chất lỏng tương tác với điện cực Antimon, gây ra sự phản ứng oxi hóa hoặc khử trên bề mặt điện cực Sự tương tác này tạo ra một điện thế và dòng điện trong hệ thống điện cực Điện thế và dòng điện này thay đổi theo nồng độ ion hiđrô trong mẫu chất lỏng Để đo đạc độ pH, một bộ đo đạc điện cực được sử dụng để ghi nhận và chuyển đổi các thay đổi điện thế và dòng điện thành giá trị độ pH tương ứng. Ưu điểm:
Phương pháp điện cực Antimon có độ nhạy tương đối cao và độ ổn định trong quá trình đo đạc.
Có khả năng hoạt động trong môi trường pH rộng từ axit đến kiềm.
Chi phí thấp và dễ dàng thực hiện trong các ứng dụng thí nghiệm và công nghiệp.
Điện cực Antimon có thể bị ảnh hưởng bởi các chất khác trong mẫu chất lỏng, gây sai số trong đo đạc Do đó, cần kiểm tra và hiệu chuẩn điện cực định kỳ để đảm bảo độ chính xác.
Điện cực Antimon có thể bị bám bẩn hoặc ôxi hóa theo thời gian, đòi hỏi bảo dưỡng và vệ sinh định kỳ để duy trì hiệu suất cao.
Phương pháp điện cực Antimon được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như hóa học, sinh học, nông nghiệp, môi trường và các ứng dụng công nghiệp khác để đo đạc và kiểm soát độ pH của các mẫu chất lỏng Phương pháp này hiện chỉ được sử dụng trong trường hợp không yêu cầu độ chính xác cao.
Phương pháp điện cực thủy tinh
Phương pháp điện cực thủy tinh (Glass electrode method) là một phương pháp phổ biến để đo độ pH trong các ứng dụng phân tích và đo lường Phương pháp này sử dụng một điện cực thủy tinh đặc biệt có khả năng phản ứng với ion hydroxyl (OH-) và ion hydroxit (H+) trong dung dịch để xác định mức độ axit hoặc kiềm của nó.
Cấu tạo của điện cực thủy tinh bao gồm một điện cực thủy tinh nhạy cảm và một điện cực tham chiếu Điện cực thủy tinh nhạy cảm có thể chứa một dung dịch elektrolyt hoặc gel đặc để tạo điện trường trong quá trình đo Điện cực tham chiếu thường sử dụng điện cực Ag/AgCl có chất điện giải như KCl để tạo một điện trường tham chiếu ổn định Khi tiếp xúc với dung dịch, sự phản ứng giữa điện cực thủy tinh và ion hydroxyl (OH-) hoặc ion hydroxit (H+) tạo ra một điện thế điện hóa Điện thế này được đo bằng một bộ đo độ pH và biểu diễn dưới dạng giá trị pH.
Hình 2 4 Cấu tạo điện cực thủy tinh
Nguyên lý làm việc: độ pH đã biết của dung dịch tham chiếu được xác định bằng cách sử dụng hai điện cực, một điện cực thủy tinh và một điện cực tham chiếu, đồng thời đo điện áp (chênh lệch điện thế) được tạo ra giữa hai điện cực Sự khác biệt về độ pH giữa các dung dịch bên trong và bên ngoài màng thủy tinh mỏng tạo ra sức điện động tỷ lệ thuận với sự khác biệt về độ pH này Màng mỏng này được gọi là màng điện cực Điện cực thứ hai là cần thiết khi đo suất điện động được tạo ra ở màng điện cực của điện cực thủy tinh Điện cực khác này, được ghép nối với điện cực thủy tinh, được gọi là điện cực tham chiếu Điện cực tham chiếu phải có điện thế cực kỳ ổn định Do đó, nó được cung cấp một lỗ kim hoặc vật liệu tạo ra lực điện động chính xác do sự khác biệt về độ pH Và một điện cực tham chiếu được tạo ra để không gây ra lực điện động do sự khác biệt về độ pH Mặc dù điện thế trong ô tham chiếu là không đổi, nhưng điện thế của ô đo phụ thuộc vào nồng độ của các ion hydro trong dung dịch và được điều chỉnh bởi phương trình Nernst:
E0: emf của nửa ô trong điều kiện bão hòa
A: Hệ số hoạt động (0 1) ≤ ≤ a ; đối với dung dịch rất loãng, a → 1
C: nồng độ mol của các ion.
Hình 2 5 Mô hình đo dộ PH sử dụng phương pháp điện cực thủy tinh
Hình 2 6 Sự chênh lệch điện áp giữa màng điện cực và điện cực tham chiếu Ưu điểm của phương pháp điện cực thủy tinh:
Độ chính xác cao: Phương pháp điện cực thủy tinh cho phép đo đạc độ pH với độ chính xác cao và độ phân giải tốt.
Độ ổn định: Điện cực thủy tinh có độ ổn định cao trong quá trình đo đạc và ít bị ảnh hưởng bởi các tác nhân ngoại vi như ánh sáng, nhiệt độ, hay tác động từ các chất khác trong mẫu.
Dễ sử dụng: Phương pháp này đơn giản và dễ sử dụng, không đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về lý thuyết hoặc kỹ thuật đặc biệt.
Hạn chế của phương pháp điện cực thủy tinh:
Cần hiệu chuẩn: Điện cực thủy tinh cần được hiệu chuẩn định kỳ để đảm bảo độ chính xác của kết quả đo đạc.
Nhạy cảm với các chất gây ô nhiễm: Điện cực thủy tinh có thể bị ảnh hưởng bởi các chất gây ô nhiễm trong mẫu như dầu mỡ, chất đệm, hay chất cặn bẩn khác, làm giảm độ chính xác của đo đạc.
Độ bền hạn chế: Điện cực thủy tinh có thể bị hỏng hoặc mài mòn theo thời gian và cần được bảo trì và thay thế định kỳ.
Phương pháp điện cực thủy tinh là một phương pháp phổ biến và đáng tin cậy để đo đạc độ pH trong nhiều ứng dụng phân tích và đo lường, được sử dụng nhiều trong công nghiệp.
Phương pháp cảm biến bán dẫn
Phương pháp cảm biến bán dẫn sử dụng ISFET (Ion-Sensitive Field Effect Transistor) là một phương pháp đo pH tiên tiến và phổ biến trong các ứng dụng phân tích và điều khiển độ pH ISFET là một loại transistor dựa trên hiệu ứng trường (field-effect) được thiết kế đặc biệt để phản ứng với sự thay đổi của nồng độ ion trong dung dịch, từ đó xác định nồng độ pH.
Hình 2 7 Thiết bị đo độ PH bằng phương pháp cảm biến bán dẫn
Cấu trúc cơ bản của ISFET bao gồm một cảm biến bán dẫn MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) với cổng cảm biến được bao phủ bởi một màng bảo vệ chứa các cảm biến ion Màng bảo vệ này có thể là một lớp cảm biến bán dẫn, chất đệm hoặc màng polymer nhạy cảm đến nồng độ ion hydroxonium (H3O+) trong dung dịch Khi có sự tương tác giữa màng bảo vệ và ion H3O+, các tính chất điện trở, dòng điện hoặc điện áp của ISFET sẽ thay đổi.
Phương pháp sử dụng ISFET để đo pH có ưu điểm vượt trội Đầu tiên, ISFET có độ nhạy cao và phản ứng nhanh với sự thay đổi nồng độ pH, cho phép đo độ pH trong thời gian thực Thứ hai, ISFET không sử dụng điện cực thủy tinh nhạy cảm và các dung dịch điện giải, giúp tránh những vấn đề liên quan đến bảo dưỡng và hiệu chuẩn của điện cực thủy tinh truyền thống Thứ ba, ISFET có thể hoạt động trong môi trường rộng, bao gồm cả môi trường ăn mòn và dung dịch có tính chất hóa học cao.
Hình 2 8 Cấu tạo của cảm biến bán dẫn ISFET
Nguyên lý làm việc: Cảm biến ISFET được đặt trong môi trường cần đo pH, ví dụ như dung dịch hoặc môi trường đất Khi có sự tương tác giữa màng cảm biến và ion trong môi trường, nồng độ ion thay đổi và làm thay đổi điện trường xung quanh màng cảm biến Sự thay đổi điện trường này ảnh hưởng đến dòng dẫn điện thông qua kênh dẫn điện của transistor MOSFET Điện trường thay đổi sẽ tạo ra biến thể trong điện áp cổng- nguồn (Vgs) của transistor MOSFET Điện áp Vgs biến đổi được đo và chuyển đổi thành giá trị độ pH tương ứng sử dụng một mạch điện tử.
Hình 2 9 Mô hình đo dộ PH sử dụng phương pháp cảm biến bán dẫn
Dòng điện ids có thể được tính như sau:
A: là hệ số hình học
Vds: là điện áp tới cực drain
Qc: là mobile channel charge là hàm của Vg
Vt: là điện áp ngưỡng
C2: là điện dung của cực gate
Từ thay đổi của dòng ids tính toán được độ PH: Ưu điểm của phương pháp cảm biến bán dẫn ISFET để đo pH:
Độ nhạy cao: ISFET có độ nhạy cao đối với sự thay đổi nồng độ pH, cho phép đo độ pH chính xác và nhạy cảm.
Đo pH trong thời gian thực: ISFET có tốc độ phản ứng nhanh, cho phép đo độ pH trong thời gian thực và theo dõi sự thay đổi nhanh chóng của pH trong môi trường.
Khả năng làm việc trong môi trường rộng: ISFET có khả năng hoạt động trong các môi trường đa dạng, bao gồm môi trường ăn mòn và dung dịch có tính chất hóa học cao.
Bảo dưỡng dễ dàng: ISFET không sử dụng điện cực thủy tinh nhạy cảm và các dung dịch điện giải, giúp tránh những vấn đề liên quan đến bảo dưỡng và hiệu chuẩn của điện cực thủy tinh truyền thống.
Hạn chế của phương pháp cảm biến bán dẫn ISFET để đo pH:
Tác động của tạp chất: ISFET có thể bị ảnh hưởng bởi các tạp chất trong mẫu, gây hiện tượng biến dạng hoặc mất hiệu suất của cảm biến.
Điều kiện hoạt động chính xác: ISFET yêu cầu điều kiện hoạt động chính xác và bảo dưỡng thích hợp để đảm bảo độ tin cậy và độ ổn định của đo đạc.
Giá thành: Cảm biến ISFET có giá thành cao hơn so với các phương pháp đo pH truyền thống như điện cực thủy tinh.
Hạn chế dải đo: Một số cảm biến ISFET có dải đo hạn chế, không thích hợp cho các ứng dụng đo pH có dải đo rộng.
Mặc dù có những hạn chế, phương pháp cảm biến bán dẫn ISFET vẫn được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhờ vào các ưu điểm của nó trong việc đo đạc và giám sát độ pH.
Tuy nhiên, phương pháp sử dụng ISFET cũng có một số hạn chế Đầu tiên,ISFET có thể bị ảnh hưởng bởi các tạp chất trong mẫu, gây hiện tượng biến dạng hoặc mất hiệu suất của cảm biến Thứ hai, ISFET yêu cầu điều kiện hoạt động chính xác và bảo dưỡng thích hợp để đảm bảo độ tin cậy và độ ổn định của đo đạc.Với các ưu điểm vượt trội của phương pháp cảm biến ISFET, nó đã trở thành một công cụ quan trọng trong các ứng dụng đo pH trong lĩnh vực y tế, môi trường, thực phẩm và nông nghiệp.
MỘT SỐ THIẾT BỊ ĐO ĐỘ PH
Máy đo độ pH trong cơ thể
a Một số công cụ đo độ pH trong đất
Sử dụng bút đo độ pH
Sử dụng máy đo pH b Máy đo pH trong cơ thể và cách đo:
Cách kiểm tra độ pH trong cơ thể đơn giản nhất là đo pH nước tiểu. Độ pH của nước tiểu thể hiện rõ sự nỗ lực của các cơ quan liên quan như thận, tuyến thượng thận, phổi, tuyến sinh dục trong việc điều chỉnh nồng độ pH qua muối và hormone Vì thận có chức năng lọc muối để điều chỉnh pH Nồng độ pH lý tưởng sẽ ở mức khoảng 6.5 đến 7.0 vào buổi tối trước khi ăn.
Xét nghiệm nước tiểu cũng cho thấy cơ thể đang bài tiết axit và hấp thu khoáng chất hay không Những khoáng chất như canxi, magie, natri, kali sẽ là bộ đệm giúp cơ thể duy trì sự cân bằng chống lại tình trạng quá nhiều axit hoặc kiềm
Khi cơ thể dư thừa axit hoặc kiềm bộ đệm phải hoạt động quá mức để chống lại những tác nhân gây hại Khi đó nước tiểu chính là phương pháp để cơ thể loại bỏ sự dư thừa lượng axit hoặc kiềm không thể tự xử lý thông qua bộ đệm cơ thể Cách kiểm tra độ pH nước tiểu bằng máy đo:
Hiệu chuẩn máy đo pH: Trước khi kiểm tra, điều quan trọng là phải hiệu chuẩn máy đo pH để đảm bảo đọc chính xác Điều này thường liên quan đến việc nhúng đầu dò của máy đo pH vào dung dịch có độ pH đã biết (chẳng hạn như dung dịch đệm) và điều chỉnh cài đặt hiệu chuẩn của máy đo để phù hợp với độ pH đã biết của dung dịch.
Chuẩn bị mẫu đất: Lấy khoảng 5ml nước tiểu cho vào cốc nhựa hoặc thủy tinh
Đặt đầu dò vào mẫu: Cẩn thận đặt đầu dò của máy đo pH vào mẫu nước tiểu Đảm bảo rằng đầu dò được ngâm hoàn toàn trong mẫu để đảm bảo đọc chính xác.
Chờ đọc và ghi lại kết quả: Một số máy đo pH sẽ cho kết quả gần như ngay lập tức, trong khi một số khác có thể mất vài giây hoặc vài phút để ổn định Đảm bảo làm theo các hướng dẫn cụ thể dành cho máy đo pH của bạn và đợi kết quả đọc ổn định trước khi ghi lại kết quả Khi bạn đã đọc ổn định, hãy ghi lại độ pH của mẫu nước tiểu
Vệ sinh và bảo quản máy đo pH: Sau khi sử dụng, cần vệ sinh và bảo quản máy đo pH đúng cách để đảm bảo độ chính xác và tuổi thọ của máy Làm theo hướng dẫn của nhà sản xuất để làm sạch và bảo quản máy đo pH để đảm bảo rằng máy được bảo quản đúng cách.
Ta cần theo dõi kết quả này trong vòng một tuần để có thể đánh giá chính xác được tình trạng sức khỏe. c Giải thích kết quả đo độ pH nước tiểu
Nếu độ pH nằm trong khoảng từ 4,8 đến 8,5: cơ thể đang khỏe mạnh.
Nếu độ pH < 4.8 : trong nước tiểu có chứa tính axit.
Nếu độ pH > 8.5 : trong nước tiểu có chứa tính kiềm.
Máy đo độ pH HANNA HI98108
Máy hoạt động theo nguyên lý của điện cực đo Ph Khi điện cực pH được đặt trong dung dịch, các ion trong dung dịch sẽ tương tác với điện cực và tạo ra một dòng điện nó sẽ tạo ra một điện thế tương ứng với độ pH Điện thế này có thể được đo bằng bộ đo điện thế được tích hợp trong máy đo pH
Hình 3 1 Máy đo độ pH HANNA HI98108
Những đặc điểm nổi bật:
Thiết kế nhỏ gọn, tiện lợi
Màn hình LCD hiển thị sắc nét
Hiệu chuẩn tự động với nút CAL
Điện cực pH hình cầu bằng thủy tinh
Hình 3 2 Thông số kĩ thuật máy đo độ pH HANNA HI98108