電位傳感器電容讀出法測量超靈敏海水pH值

2021-02-15 熊貓之家的海洋之路

   pH值的測量在大多數化學，生物和環境過程中都非常重要。人為因素（包括化石燃料燃燒和森林砍伐）產生的大氣二氧化碳（CO2）會逐漸被海洋系統吸收。這種海洋吸收作用可緩解大氣中的二氧化碳，但會降低海洋表層pH值。因而會顯著改變海洋碳酸鹽系統的化學平衡，並對海洋生物區系和海洋生態系統產生巨大影響。若要準確了解海洋酸化如何影響海洋生物，首先要精準量化海水pH值的變化。

雖然電位法是檢測pH值的標準方法，但電位pH探針的精度受到限制，因為潛在的漂移/不確定性（每天高達0.02 pH單位）可能變得難以與所需的pH值區分開。電位海水pH測量已研發其具有約0.003 pH 單位或約0.2 mV的精度。另一方面，離子選擇場效應電晶體（ISFET）在數小時內的精確度優於0.0005 pH單位，在幾周內的精密度優於0.005。但要求使用標準pH緩衝液進行定期校準。指示劑染料溶液的分光光度法可提高精度，海水的可變性僅為0.4 mpH單位。為此，指示劑溶液必須妥善保存以確保長期使用。

在此，通過將電容性電子元件串聯到pH探針上，同時在測量電路上施加恆定電位，使得電位探針的靈敏度大大提高。每一個樣品的變化都會觸發一個電容性瞬態電流，很容易在兩個平衡狀態之間進行識別，並積分顯示累積電荷。與傳統的電位探針相比，這種方法顯示出更高的精度。在緩衝液和海水樣品中，pH值降至0.001的pH值變化很容易區分，其精度（標準偏差）分別為28 μpH和67 μpH，比電位pH探針的要低幾個數量級。

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    ph值是衡量水體酸鹼度的一個值，亦稱氫離子濃度指數、酸鹼值，是溶液中氫離子活度的一種標度，也就是通常意義上溶液酸鹼程度的衡量標準。ph值在醫學、化學、農業上都有廣泛的用途。ph值是指溶液中氫離子的總數和總物質的量的比。表示溶液酸性或鹼性程度的數值，即所含氫離子濃度的常用對數的負值。水的pH值是水溶液最重要的理化參數之一，凡涉及水溶液的自然現象。化學變化以及生產過程都與pH值有關，因此，在工業、農業、醫學、環保和科研領域都需要測量pH值。
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