銥針電極原位測定綠蘿植物組織pH值

周正文， 潘大為*， 魏 紅， 潘 飛

(1.中國科學院煙臺海岸帶研究所，中國科學院海岸帶環境過程與生態修復重點實驗室，山東煙臺 264003；2.中國科學院大學海洋學院，山東青島 266400)

植物體內pH值對植物細胞生長具有重要作用。一方面pH可以調節植物組織細胞的胞內酶、蛋白質以及其它生理活性[1]；另一方面，植物體內pH值及生長發育狀況也可以反映當地土壤pH變化情況，為當地水土水文監測提供一個新的方向[2]。植物組織細胞pH值測定主要有弱酸弱堿分布法、核磁共振法、微電極法、熒光染料法等方法[3]。Walker等[4]采用三電極體系的微電極對植物組織細胞pH進行測定，但是過程復雜，技術操作難度大。金屬氧化物電極在pH測量過程中展現出制作方法簡單，易于控制，易于小型化測量的優勢[5 - 7]。在鈦、釕、鉛、鉑、銥等制備的金屬氧化物電極中，銥及其金屬氧化物電極在待測溶液中較為穩定，不易溶解[5,8]。此外，銥氧化物電極還具有測量范圍寬、耐高溫和抗腐蝕等優點[9 - 10]。Bause等[11]已經證明含氧化銥薄膜的pH電極具有生物相容性，可以在生物介質中進行pH的測定。在諸多報道構建的金屬氧化物pH電極中，以銥及其金屬氧化物pH電極表現出較好的穩定性和較短的響應時間[12 - 13]。

本實驗通過循環伏安法制備了Ir/Ir(OH)x針型pH電極，并將該電極應用在實時活體植物組織pH值的測量中。該電極制作簡單，可以直接插在活體植物上原位測量塊莖較大的植物組織的pH值，對植物生長影響較小，且對活體植物進行實時監測，具有響應快速、穩定性高的特點。

1 實驗部分

1.1 儀器及試劑

所有電化學實驗在CHI660D型電化學工作站(上海辰華儀器有限公司)上進行；參比電極為Ag/AgCl(3 mol/L KCl，武漢高仕睿聯科技有限公司)；Pt電極(天津蘭力科有限公司)；E-201-C型pH計(上海雷磁儀器有限公司)；S-4800掃描電子顯微鏡(日本，日立公司)；KQ-250TDB超聲波清洗機(昆山超聲儀器有限公司)；Cascade-Bio超純水儀(美國，Pall Cascada公司)。

銥絲，0.25 mm，純度99.99%(貴研鉑業公司)；pH緩沖液采用0.1 mol/L NaH2PO4和0.1 mol/L Na2HPO4配制；pH標準緩沖溶液：4.00，6.86，9.18；NaOH、NaCl、無水乙醇和HCl均為分析純(上海國藥集團化學試劑有限公司)。所有溶液均使用去離子水(18.2 MΩ·cm)配制。實驗所用的玻璃器皿均在5%的HNO3中浸泡24 h以上，用去離子水洗凈后，烘干備用。

1.2 電極制備

銥絲的處理：截取2～3 cm銥絲用細砂紙輕微打磨后，置于5 mol/L的HCl和去離子水中各超聲清洗30 min，室溫下晾干后，將銥絲組裝成電極進行電化學修飾。

Ir(OH)x膜層制備：三電極系統中工作電極為銥絲，參比電極為Ag/AgCl電極，輔助電極為Pt電極[14]。使用電化學工作站，在3%的NaOH溶液中，采用循環伏安法(CV)，以50 mV/s速率掃描4圈。然后用無水乙醇和去離子水沖洗電極，室溫下晾干。最后將電極浸泡在3.5%的NaCl溶液中4 h以上，以活化電極。電極活化完成后，使用絕緣隔膜組裝電極系統。

電極實物圖和檢測系統示意圖見圖1。

圖1 電極實物圖(a)和檢測系統示意圖(b)Fig.1 Assembly completed electrode showing photo(a) and plant tissue electrode monitoring system schematic(b)

2 結果與分析

2.1 Ir/Ir(OH)x型pH電極性質

2.1.1 電極的掃描電鏡(SEM)圖本文通過SEM表征了電化學沉積的Ir(OH)x膜層和純凈銥絲表面的形貌。從圖2中可以看出，經過電化學修飾使得光滑的銥絲表面生成了一層白色的氧化膜。修飾電極表面的Ir(OH)x膜的顆粒尺寸通常在50～200 nm之間[13 - 14]。這些納米尺度的微粒緊密且厚實，為后續測試中電極所表現優異的電化學性質提供了結構依據。

圖2 純凈銥絲表面(a、b)和電化學修飾后電極(c、d)的SEM圖Fig.2 SEM image of surface of pure iridium wire(a，b) and electrochemically modified electrodes(c，d)

2.1.2 Ir/Ir(OH)x電極的電化學性質采用CV法對Ir/Ir(OH)x電極的電化學性質進行分析。在0.1 mol/L H2SO4中，在0.0～0.7 V電位區間，于50 mV/s掃速下得到CV曲線見圖3。將Ir/Ir(OH)x電極和裸Ir電極進行對比，可以看出經過電化學修飾之后的Ir/Ir(OH)x電極比裸Ir電極具有更大的背景電流，因為Ir(OH)x膜增大了電極的比表面積，提高了電極的響應能力。結合SEM圖中銥絲表面的膜層變化和Ir/Ir(OH)x電極的CV曲線，表明Ir絲表面成功修飾上Ir(OH)x膜。

2.1.3 pH電極的響應性能采用CV法，分別在酸性條件和堿性條件下制備銥氧化物電極。其中，堿性條件下CV法制備的電極只要能斯特斜率在50～65之間即認為線性較好[15]。使用pH由4～10之間的一系列pH緩沖溶液來校正電極的能斯特曲線。其中，制備的三根pH電極的能斯特曲線線性斜率分別為-56.45、-57.83和-61.17，線性相關系數R在0.9993～0.9999之間。由圖4可知三根電極之間仍存在一定誤差，通過計算過程中測算多根電極的平均值以減小校正過程的誤差。三根電極的平均能斯特斜率Eh為59.67，接近能斯特標準值[16]，線性相關系數R為0.9985。

圖3 Ir/Ir(OH)x電極(a)以及裸Ir電極(b)在0.5 mol/L H2SO4中的CV曲線Fig.3 CV curves of Ir/Ir(OH)x electrode(a) and bare Ir electrode(b) in 0.5 mol/L H2SO4

圖4 三根Ir/Ir(OH)x電極在pH緩沖溶液中的電勢響應Fig.4 Potential response of three Ir/Ir(OH)x electrodes to a series of pH buffer solutions

2.1.4 響應時間和穩定性響應時間是指工作電極和參比電極一起浸入被測溶液時算起到電池電動勢達到平衡電勢的某一給定電勢之內所需要的時間[17]。IUPAC規定電勢在60 s內變化范圍在1 mV之內算達到穩定[18]。由圖5可以看出Ir/Ir(OH)xpH電極在酸性溶液中50 s左右即可達到平衡；在中性溶液中60 s即可達到平衡；在堿性溶液中40 s左右也可達到平衡。整體而言，電極在pH范圍4～10之間60 s左右即可達到平衡。

圖5 電極在pH=6.86(a)、4.00(b)和9.18(c)的標準緩沖溶液中的響應時間圖Fig.5 Response time diagram of the electrode in 6.86(a),4.00(b) and 9.18(c) standard pH buffer solutions

將Ir/Ir(OH)x型pH電極在三種pH標準緩沖溶液(pH=4.00、6.86、9.18)中每間隔一天進行一次測量，測量其穩定性。如圖6所示，Ir/Ir(OH)x電極測量過程中電位對應的pH值都較為穩定，無明顯波動。另外測定過程中電極在不同標準pH緩沖溶液之間切換，電極仍然保持相當的穩定性，總體電位漂移在±5 mV之間，無明顯漂移。

2.2 pH電極的實際測定

綠蘿是一種氣根發達，適宜水培種植的植物[19]。綠蘿不僅可以吸收空氣中的甲苯和甲醛等空氣污染物，凈化水體中低濃度的鉛、鉻等重金屬，而且還具有吸收水體中總磷，凈化水體富營養化的作用[20 - 22]。從圖7可以看出綠蘿的組織pH整體在7.5左右，在0.1 mol/L NaH2PO4溶液培養過程中，綠蘿pH隨時間略有降低。主要原因是綠蘿在高濃度鹽溶液中，由于植物的運輸作用吸收部分弱酸根離子導致培養過程植株整體pH略有下降。測定過程中綠蘿的根莖的變化速度總是先于其莖干部分，推測是綠蘿的根部吸收將鹽離子向上運輸導致此現象。但到達一定時間，圖中約50 h左右，綠蘿莖干和根莖pH下降速率明顯降低，推測可能是由于植物根系對鹽離子具有調控作用，減少鹽溶液離子通過，從而防止植物由于體內pH變化較大而導致自身死亡。

圖6 Ir/Ir(OH)x電極在pH=4.00、6.86和9.18的標準緩沖溶液中多次測量響應圖Fig.6 The response of Ir/Ir(OH)x electrode measured multiple times in 4.00,6.86 and 9.18 standard pH buffer solutions

圖7 (a)綠蘿在自來水培養下對根莖的測定；(b)綠蘿在0.1 mol/L NaH2PO4培養下對莖干的測定；(c)綠蘿在0.1 mol/L NaH2PO4培養下對根莖的測定Fig.7 (a)Determination of the rhizome of Epipremnum aureum in tap water culture;(b)Determination of stems of Epipremnum aureum in 0.1 mol/L NaH2PO4 culture;(c)Determination of rhizome of Epipremnum aureum in 0.1 mol/L NaH2PO4 culture

3 結論

本文在堿性條件下采用循環伏安法，將進行電化學修飾的銥絲制備組裝成Ir/Ir(OH)x型pH電極。校正電極的能斯特曲線斜率在55～61之間，電極平均能斯特曲線斜率接近能斯特方程標準值。電極對測定pH=4～10之間的溶液具有快速的響應時間、較好的穩定性和準確性。以綠蘿植株為例，利用本實驗制備的Ir針pH電極原位測定了綠蘿植株在0.1 mol/L NaH2PO4溶液水培過程中，綠蘿根莖和葉莖組織pH的變化情況。未來有望將此Ir針電極應用在活體植株生理生長過程監測，或者新型耐鹽堿性植物的開發過程中。