铱针电极原位测定绿萝植物组织pH值

周正文， 潘大为*， 魏 红， 潘 飞

(1.中国科学院烟台海岸带研究所，中国科学院海岸带环境过程与生态修复重点实验室，山东烟台 264003；2.中国科学院大学海洋学院，山东青岛 266400)

植物体内pH值对植物细胞生长具有重要作用。一方面pH可以调节植物组织细胞的胞内酶、蛋白质以及其它生理活性[1]；另一方面，植物体内pH值及生长发育状况也可以反映当地土壤pH变化情况，为当地水土水文监测提供一个新的方向[2]。植物组织细胞pH值测定主要有弱酸弱碱分布法、核磁共振法、微电极法、荧光染料法等方法[3]。Walker等[4]采用三电极体系的微电极对植物组织细胞pH进行测定，但是过程复杂，技术操作难度大。金属氧化物电极在pH测量过程中展现出制作方法简单，易于控制，易于小型化测量的优势[5 - 7]。在钛、钌、铅、铂、铱等制备的金属氧化物电极中，铱及其金属氧化物电极在待测溶液中较为稳定，不易溶解[5,8]。此外，铱氧化物电极还具有测量范围宽、耐高温和抗腐蚀等优点[9 - 10]。Bause等[11]已经证明含氧化铱薄膜的pH电极具有生物相容性，可以在生物介质中进行pH的测定。在诸多报道构建的金属氧化物pH电极中，以铱及其金属氧化物pH电极表现出较好的稳定性和较短的响应时间[12 - 13]。

本实验通过循环伏安法制备了Ir/Ir(OH)x针型pH电极，并将该电极应用在实时活体植物组织pH值的测量中。该电极制作简单，可以直接插在活体植物上原位测量块茎较大的植物组织的pH值，对植物生长影响较小，且对活体植物进行实时监测，具有响应快速、稳定性高的特点。

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

所有电化学实验在CHI660D型电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)上进行；参比电极为Ag/AgCl(3 mol/L KCl，武汉高仕睿联科技有限公司)；Pt电极(天津兰力科有限公司)；E-201-C型pH计(上海雷磁仪器有限公司)；S-4800扫描电子显微镜(日本，日立公司)；KQ-250TDB超声波清洗机(昆山超声仪器有限公司)；Cascade-Bio超纯水仪(美国，Pall Cascada公司)。

铱丝，0.25 mm，纯度99.99%(贵研铂业公司)；pH缓冲液采用0.1 mol/L NaH2PO4和0.1 mol/L Na2HPO4配制；pH标准缓冲溶液：4.00，6.86，9.18；NaOH、NaCl、无水乙醇和HCl均为分析纯(上海国药集团化学试剂有限公司)。所有溶液均使用去离子水(18.2 MΩ·cm)配制。实验所用的玻璃器皿均在5%的HNO3中浸泡24 h以上，用去离子水洗净后，烘干备用。

1.2 电极制备

铱丝的处理：截取2～3 cm铱丝用细砂纸轻微打磨后，置于5 mol/L的HCl和去离子水中各超声清洗30 min，室温下晾干后，将铱丝组装成电极进行电化学修饰。

Ir(OH)x膜层制备：三电极系统中工作电极为铱丝，参比电极为Ag/AgCl电极，辅助电极为Pt电极[14]。使用电化学工作站，在3%的NaOH溶液中，采用循环伏安法(CV)，以50 mV/s速率扫描4圈。然后用无水乙醇和去离子水冲洗电极，室温下晾干。最后将电极浸泡在3.5%的NaCl溶液中4 h以上，以活化电极。电极活化完成后，使用绝缘隔膜组装电极系统。

电极实物图和检测系统示意图见图1。

图1 电极实物图(a)和检测系统示意图(b)Fig.1 Assembly completed electrode showing photo(a) and plant tissue electrode monitoring system schematic(b)

2 结果与分析

2.1 Ir/Ir(OH)x型pH电极性质

2.1.1 电极的扫描电镜(SEM)图本文通过SEM表征了电化学沉积的Ir(OH)x膜层和纯净铱丝表面的形貌。从图2中可以看出，经过电化学修饰使得光滑的铱丝表面生成了一层白色的氧化膜。修饰电极表面的Ir(OH)x膜的颗粒尺寸通常在50～200 nm之间[13 - 14]。这些纳米尺度的微粒紧密且厚实，为后续测试中电极所表现优异的电化学性质提供了结构依据。

图2 纯净铱丝表面(a、b)和电化学修饰后电极(c、d)的SEM图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电极的电化学性质采用CV法对Ir/Ir(OH)x电极的电化学性质进行分析。在0.1 mol/L H2SO4中，在0.0～0.7 V电位区间，于50 mV/s扫速下得到CV曲线见图3。将Ir/Ir(OH)x电极和裸Ir电极进行对比，可以看出经过电化学修饰之后的Ir/Ir(OH)x电极比裸Ir电极具有更大的背景电流，因为Ir(OH)x膜增大了电极的比表面积，提高了电极的响应能力。结合SEM图中铱丝表面的膜层变化和Ir/Ir(OH)x电极的CV曲线，表明Ir丝表面成功修饰上Ir(OH)x膜。

2.1.3 pH电极的响应性能采用CV法，分别在酸性条件和碱性条件下制备铱氧化物电极。其中，碱性条件下CV法制备的电极只要能斯特斜率在50～65之间即认为线性较好[15]。使用pH由4～10之间的一系列pH缓冲溶液来校正电极的能斯特曲线。其中，制备的三根pH电极的能斯特曲线线性斜率分别为-56.45、-57.83和-61.17，线性相关系数R在0.9993～0.9999之间。由图4可知三根电极之间仍存在一定误差，通过计算过程中测算多根电极的平均值以减小校正过程的误差。三根电极的平均能斯特斜率Eh为59.67，接近能斯特标准值[16]，线性相关系数R为0.9985。

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

图4 三根Ir/Ir(OH)x电极在pH缓冲溶液中的电势响应Fig.4 Potential response of three Ir/Ir(OH)x electrodes to a series of pH buffer solutions

2.1.4 响应时间和稳定性响应时间是指工作电极和参比电极一起浸入被测溶液时算起到电池电动势达到平衡电势的某一给定电势之内所需要的时间[17]。IUPAC规定电势在60 s内变化范围在1 mV之内算达到稳定[18]。由图5可以看出Ir/Ir(OH)xpH电极在酸性溶液中50 s左右即可达到平衡；在中性溶液中60 s即可达到平衡；在碱性溶液中40 s左右也可达到平衡。整体而言，电极在pH范围4～10之间60 s左右即可达到平衡。

图5 电极在pH=6.86(a)、4.00(b)和9.18(c)的标准缓冲溶液中的响应时间图Fig.5 Response time diagram of the electrode in 6.86(a),4.00(b) and 9.18(c) standard pH buffer solutions

将Ir/Ir(OH)x型pH电极在三种pH标准缓冲溶液(pH=4.00、6.86、9.18)中每间隔一天进行一次测量，测量其稳定性。如图6所示，Ir/Ir(OH)x电极测量过程中电位对应的pH值都较为稳定，无明显波动。另外测定过程中电极在不同标准pH缓冲溶液之间切换，电极仍然保持相当的稳定性，总体电位漂移在±5 mV之间，无明显漂移。

2.2 pH电极的实际测定

绿萝是一种气根发达，适宜水培种植的植物[19]。绿萝不仅可以吸收空气中的甲苯和甲醛等空气污染物，净化水体中低浓度的铅、铬等重金属，而且还具有吸收水体中总磷，净化水体富营养化的作用[20 - 22]。从图7可以看出绿萝的组织pH整体在7.5左右，在0.1 mol/L NaH2PO4溶液培养过程中，绿萝pH随时间略有降低。主要原因是绿萝在高浓度盐溶液中，由于植物的运输作用吸收部分弱酸根离子导致培养过程植株整体pH略有下降。测定过程中绿萝的根茎的变化速度总是先于其茎干部分，推测是绿萝的根部吸收将盐离子向上运输导致此现象。但到达一定时间，图中约50 h左右，绿萝茎干和根茎pH下降速率明显降低，推测可能是由于植物根系对盐离子具有调控作用，减少盐溶液离子通过，从而防止植物由于体内pH变化较大而导致自身死亡。

图6 Ir/Ir(OH)x电极在pH=4.00、6.86和9.18的标准缓冲溶液中多次测量响应图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

图7 (a)绿萝在自来水培养下对根茎的测定；(b)绿萝在0.1 mol/L NaH2PO4培养下对茎干的测定；(c)绿萝在0.1 mol/L NaH2PO4培养下对根茎的测定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 结论

本文在碱性条件下采用循环伏安法，将进行电化学修饰的铱丝制备组装成Ir/Ir(OH)x型pH电极。校正电极的能斯特曲线斜率在55～61之间，电极平均能斯特曲线斜率接近能斯特方程标准值。电极对测定pH=4～10之间的溶液具有快速的响应时间、较好的稳定性和准确性。以绿萝植株为例，利用本实验制备的Ir针pH电极原位测定了绿萝植株在0.1 mol/L NaH2PO4溶液水培过程中，绿萝根茎和叶茎组织pH的变化情况。未来有望将此Ir针电极应用在活体植株生理生长过程监测，或者新型耐盐碱性植物的开发过程中。