[科普中国]-pH传感器

简介定义

pH传感器，通常由化学部分和信号传输部分构成。pH传感器常用来进行对溶液、水等物质的工业测量。

特点1. 快速的电缆接头，防水功能，避免安装时出现电缆扭绞现象；

2. 寿命长，在有毒离子水溶液中性能良好；

3. 多种安装方式，便于装配；

4. 抗化学腐蚀能力强，整体密封，消除泄漏现象。

应用pH传感器可以对大型反应槽或制程管路中pH值测定；耐高温杀菌、CIP清洗；电极长度有120、150、220、250、450 mm等多种选择。贝尔公司T255/T335PH传感器用于多种场合的pH值测量，比如：废水污水场合pH值测量，电镀废水场合pH值测量，高温场合pH值测量，发酵场合pH值测量，高压场合pH值测量等多种场合pH值的测量。

清洗与保养1、电极避免干放，当电极不用时，要用水冲洗干净并插回加有3molKcl的盛液套内，或者将电极插入加有3molKcl的容器中。

2、检查接头处是否干燥清洁，如有玷污，需用无水酒精擦洗干净吹干后使用。

3、pH电极应定时清洗，若电极玻璃球泡与聚四氟乙烯环形液接界污染，可用下列试剂清洗:

① 油脂或含油物可用表面活性剂清洗。

② 钙沉淀物或金属氢氧化物可用10%的稀盐酸清洗。

③ 硫化物沉淀可用10%的稀盐酸清洗。

④ 蛋白质附着物可用10%的稀盐酸和胃蛋白酶的混合物清洗。

4、ORP电极表面应该是光亮的，粗糙的或受污染的表面会影响电极的电位。可用以下方法清洗活化:

1）对无机物污染，可将电极浸入0.1mol/L稀盐酸中30分钟，用纯水清洗，再浸入3.5mol/L氯化钾溶液中浸泡6小时后使用。

2） 对有机油污和油膜污染，可用洗涤剂清洗铂金表面后用纯水清洗，再浸入3.5mol/L氯化钾溶液中浸泡6小时后使用。

3）铂金表面污染严重形成氧化膜，可用牙膏对铂金表面进行剖光，然后用纯水清洗，再浸入3.5mol/L氯化钾溶液中浸泡6小时后使用。

使用方法在使用时，通常先将pH传感器加上不锈钢保护套，再插入发酵罐中。大多数pH传感器都具有温度补偿系统。由于电极内容物会随使用时间或高温灭菌而不断变化，因而在每批发酵灭菌操作前均需进行标定，即用标准的pH缓冲液校准。通常pH传感器的测定范围是0～14，精度达±(0.05～0.1)，响应时间为数秒至数十秒，灵敏度为0.1。

⑴校准 。必须在使用前对传感器进行校准，这是对发酵罐进行灭菌的最后一步操作。传感器的校准在发酵罐外进行，将pH电极浸没到含一种或多种标准缓冲液的适当容器中进行校准。这些操作最好均在发酵罐运行温度下进行。pH电极需与发酵过程中使用的pH计相连接，pH计的校准装置可按常规的pH计校准步骤来调整。由于发酵过程中重新校准的时分困难或者不可能，最好能固定pH计的校准控制，以避免实验中的偶发性偏移，许多商业性的仪表都提供一些固定螺丝。

⑵ 灭菌 。校准以后，应该将传感器插入到发酵罐中并进行密封。在发酵罐灭菌时，一般将pH计的连接物移开(采用高压灭菌锅灭菌时)，灭菌后重新连接，pH传感器开始工作。也有实验操作人员用酒精对pH传感器单独消毒(即不放入灭菌锅)，主要是为了延长传感器的使用寿命。然后需将传感器立即插入且密封在罐内。必须指出，这一过程可能染菌。尽管有些报道称在研究中规则地使用这一步骤没有问题。具体方法如下：放好传感器，加上一个合适的配件以使pH探头易于由发酵罐顶盘进行安装，然后将其在无水酒精中至少放置l h。探头和配件必须是很干净的，探头的浸没位置应高于配件。最后应迅速地将传感器转移到预先灭好菌的发酵罐中，其已与空气供应系统相连，而且其中的空气已开始流动。

⑶ 校准的检查。 在灭菌或使用过程中，很可能会使校准发生偏移。对于状况良好的传感器，这种偏移不会超过0.2个单位。但一些研究人员仍建议在发酵罐灭菌以后进行校准或者再校准。已有适用于较大发酵罐的这种系统，可以完全无菌地取出传感器，再将其部分地插入校准缓冲液中进行校准。在实验室规模下，有必要将传感器完全移出，利用前述的化学处理方法来进行再消毒。在实验室中检查一个可疑校准的较好方法是对发酵液进行无菌取样，在发酵罐外测量其pH值尽快进行检测、读数。因为细胞在不断变化的条件下(例如在连续培养中氧和基质的消耗)进行连续代谢，如果培养基的缓冲性能较差，pH在几分钟内即可发生显著变化，从而无法正确检查传感器的校准。1

相关资料常规维护探头需时常地填充或填满电解液，实际上这是参比电极的电解液，它会通过多孔塞慢慢的流失。制造商会为其传感器提供专用液体，但许多实验人员愿意自己配制：浓缩或饱和的KCl溶液，有时添加一定的溶质来增加黏度(一般是当传感器在原位高压灭菌时)。理论上电解液液位应保持足够高，以使其静压超过发酵液，从而使通过多孔塞的流体倾向于从传感器流向发酵液，但实践中往往难以实现。尽管电解液液位高于发酵液，但是通风发酵罐的顶部空间压力一般会稍微高于大气压，这是由出口气体过滤器和出口管路阻力造成的。而探头电解液室的顶部空间压力在操作过程中通常为大气压。103pa的压差就需要探头具有10cm的顶部高度，这可能是实践中的最大值，这也是多孔塞结垢的部分原因。如果pH探头具有密封的外套产，在发酵过程中可能有利于维持正的表压。

使用中的问题在实际使用过程中，pH实际使用过程中，在pH传感器可能会存在以下问题：灵敏度/斜率下降，响应迟缓，噪声信号以及化学破坏。

⑴灵敏度/率斜：在pH和探头的电极电位之间存在一定的理论关系(见前述的能斯特方程)。新的pH探头可接近其理论斜率(即25℃下每pH单位的电极电位为59mv)，但随着探头的老化或破坏，灵敏也会不断下降。大多的pH计或放大器能控制并改变其将电压信号转变为pH读数的灵敏度(通常标记为斜率或灵敏度)，可由mv或温度来定标(因为温度是理论上影响斜率的惟一因素)。值得注意的是，这不同于“缓冲液设置”或“零控制”。将系统进行某种pH校准(通过缓冲液设置控制)后，再用一种或多种缓冲液进行检验。与预期结果不同的是，pH计的读数会系统性地偏离已知缓冲液的pH值。。如果所得到的线比较陡，说明斜率设置过低；如果所得的线比较平缓，则说明斜率设置过高。

⑵清洗 ：当pH探头表现出响应延迟或灵敏度下降时，就需要对其进行清洗。pH探头恶化的主要原因是发酵液中的物质污染了多孔塞，多孔塞如果被污染就会由白色变成褐色或黑色。为防止污染，可将pH探头浸泡在10mmol/L HCl溶液中，这样不会损坏pH传感器(这也可用于运行间歇期间常规保存pH探头)。有时添加胃蛋白酶有助于去除蛋白质沉淀。如果HCl处理没有效果，可以尝试下面两种方法，尽管它们具有一定的损坏pH探头的风险，但也有一定的效果。将pH探头浸泡于1%左右的H2O2 溶液中约1～2h；或者对多孔塞进行温和的机械清洗，即采用锋利的刀片刮去外表面的沉积物。

⑶ 电干扰： pH计的高阻抗和放大器线路可能会产生一些问题，这使得pH探头对由其他电气设备的杂散场入口的感应电压带来的噪声比较敏感，对由载有pH探头信号的两个接线柱间微量的电流泄漏引起的错误响应也较为敏感。为此pH传感器或pH计的制造商提供了专用的屏蔽导线和接线柱。如果存在过量噪声，可将pH探头导线从其他电线处移开以减少噪声。搅拌器电机可能是一个干扰源，这可通过将电机关闭几秒钟来检查。pH迹线上的尖峰与加热器电路的开或关相对应(开关可以由灯来观察或根据加热器控制单元的继电器切换的声音来判断)。高压灭菌后出现的噪声或不准确的读数，可以反映灭菌过程中蒸汽冷凝引起的接线柱及导线的污染。

⑷防止机械破坏：pH探头相当易碎，在发酵罐的安装和清洗过程中容易破损。因些建议在发酵罐准备的后期再插入pH探头(需要在这里进行校准)，在使用后(下罐)拆卸时先取出pH探头。传感器发生破损的很多情况是由于未取出传感器就直接提起了发酵罐的顶盖。为了避免探头在运行间歇期间贮存时产生破损， 一个简便方法是将传感器置于一个塑料量筒内，该量筒内装有专用溶液。选择合适的量筒尺寸，以使探头的较宽部位也可放入，球形检测部位悬浮在底部上方(如可将一个棉塞入量筒底部)，同时最好将量筒用夹子固定。2