采用含有SP2碳区域的硼掺杂金刚石基PH电极对含水样品的pH测量的制作方法

采用含有sp2碳区域的硼掺杂金刚石基ph电极对含水样品的ph测量
1.优先权要求
2.本技术要求于2019年7月1日递交的名称为“含水样品的ph测量(ph measurement of an aqueous sample)”的美国申请号16/459,300的优先权，将该美国申请通过引用以其整体并入本文。
技术领域
3.本技术总体上涉及含水样品的ph测量，并且更特别地，涉及使用具有碳区域的电极的ph测量。


背景技术：

4.确保水质对于依赖水生存的人类、动物和植物的健康和福祉至关重要。可以测量的水的一个参数是ph。在许多行业如制药、生物医学、供水和其他制造领域中，含水样品的ph的测量是至关重要的。ph的测量可以允许对水进行适当的处理或确保用于敏感目的的适当水质，并且允许鉴别(确定，identify)水的整体质量。测量含水样品中的ph的一种方法包括使用电极，其需要对ph测量系统进行持续维护和校准。


技术实现要素：

5.总的说来，一个实施方案提供了一种用于测量含水样品中的ph的装置，所述装置包括：至少一个测量电极，所述至少一个测量电极包括第一碳区域，其中所述碳区域包括单个ph敏感的碳区域，其中所述测量电极的单个ph敏感的碳区域是硼掺杂金刚石基ph电极的sp2碳区域；至少一个参比电极；至少一个辅助电极；和存储指令的存储器，所述指令可由处理器执行以通过测量所述至少一个测量电极和所述至少一个参比电极之间的电势来确定含水样品的ph。
6.另一个实施方案提供了一种利用碳区域电极来测量含水样品中的ph的方法，所述方法包括：将含水样品引入到测量装置中，其中所述测量装置包括：至少一个测量电极，所述至少一个测量电极包括第一碳区域，其中所述碳区域包括单个ph敏感的碳区域，其中所述测量电极的单个ph敏感的碳区域是硼掺杂金刚石基ph电极的sp2碳区域；至少一个参比电极；和至少一个辅助电极；向所述至少一个参比电极和所述至少一个辅助电极施加电势；测量所述至少一个测量电极和所述至少一个参比电极之间的电势；以及基于所述电势确定所述含水样品的ph。
7.另一个实施方案提供了一种用于测量含水样品中的ph的系统，所述系统包括：存储有代码的存储设备，所述代码可由处理器执行并且包括：将含水样品引入到测量装置中的代码，其中所述测量装置包括：至少一个测量电极，所述至少一个测量电极包括碳区域，其中所述碳区域包括单个ph敏感的碳区域，其中所述测量电极的所述单个ph敏感的碳区域是硼掺杂金刚石基ph电极的sp2碳区域；至少一个参比电极；和至少一个辅助电极；测量所
述至少一个测量电极和所述至少一个参比电极之间的电势的代码；以及基于所述电势确定所述含水样品的ph的代码。
8.前述内容是概述并因此可以包含细节的简化、概括和省略；因此，本领域技术人员将理解，该概述仅是示例性的，而不意图以任何方式成为限制性的。
9.参考以下结合附图的描述，以便更好地理解实施方案以及其他和进一步的特征及其优点。本发明的范围将在随附的权利要求书中指出。
附图说明
10.图1示出了计算机电路系统的一个示例。
11.图2示出了测量含水样品中的ph的流程图。
12.图3示出了在一个示例性实施方案中用于测量含水样品中的ph的测量电极的示意图。
13.图4示出了在一个示例性实施方案中用于测量含水样品中的ph的测量电极的一个示例。
具体实施方式
14.将容易理解的是，如本文中的附图中总体上描述和示出的实施方案的部件可以以除了所描述的示例性实施方案之外的各种不同的配置进行布置和设计。因此，如附图所示，对示例性实施方案的以下更详细的描述并不意图限制所要求保护的实施方案的范围，而仅代表示例性实施方案。
15.在整个说明书中，对“一个实施方案(one embodiment)”或“一个实施方案(an embodiment)”(等)的提及意指结合该实施方案描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施方案中。因此，在整个本说明书中各处出现的短语“在一个实施方案中(in one embodiment)”或“在实施方案中(in an embodiment)”等不一定都指同一个实施方案。
16.此外，在一个或多个实施方案中，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。在以下的描述中，提供了大量具体细节以给出对实施方案的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或多个具体细节的情况下或者利用其他方法、组件、材料等来实践各种实施方案。在其他情况下，未详细示出或描述众所周知的结构、材料或操作。以下描述仅旨在通过示例的方式，并且简单地举例说明某些示例性实施方案。
17.水或其他水溶液或样品的ph的测量是常见的，并且允许确定水溶液的品质或其他特性。用于测量ph的常规ph电极可以使用易碎的薄玻璃构建。这种玻璃很容易破碎，从而导致更高的更换和维护成本。玻璃ph电极的可能破损也会限制其在食品和饮料应用中的使用。传统的ph电极也可能具有“碱误差”。这些误差是由在高ph值下影响ph响应的干扰离子(如钠和钾)所引起的。对于需要较少的维护同时保持测量低电导率样品中的ph的这种稳固ph测量电极存在商业需要。
18.测量含水样品的ph的另一种方法使用激光加工的硼掺杂金刚石(bdd)材料来创建能够测量ph的传感器。bdd的激光加工在bdd材料上形成ph敏感的类醌(quinone-like)结构。这些激光加工区域或凹坑可以呈阵列图案。换言之，激光加工区域可以是表面范围内(across a surface，也可以称为“表面上”)的一系列点。这些多个点的激光加工可能很困
难。例如，表面范围内的激光机凹坑阵列需要在表面范围内重复使用激光。激光加工区域的单个凹坑或单个区域可能是一种改进，因为只有一个区域需要激光加工。另外，与激光加工凹坑的阵列相比，激光可以仅聚焦在表面上一次或至少更少的次数。单个凹坑可以具有类似于阵列的所有激光加工横截面面积相加的激光加工横截面面积。
19.单个凹坑可以提供更高的准确度；尤其是提高了在低电导率样品中的准确度。例如，饮用水可能具有低的电导率，并且可能需要准确的ph测量。低电导率样品对于传统的玻璃ph电极而言通常可能是有问题的。单个凹坑bdd基ph电极可以提供更快、更准确的ph测量。单个凹坑电极可以测量在所有ph范围内的ph，包括与环境相关的ph4至11的范围。
20.单个凹坑电极也可以随着时间的推移提供益处。样品中的微粒可能会污染电极。与一个较大的单凹坑设计相比，较小凹坑的阵列可能会更快地结垢。因此，由于维护、校准、更换、相关人员工时等的成本可以在单个凹坑设计的情况下降低。一个阵列可以具有横跨大约45-50μm的多个凹坑。如果要测量的样品具有相似尺寸的颗粒，则该颗粒可能会污染或堵塞凹坑阵列并干扰测量。单个凹坑电极可以具有横跨约370μm的激光加工区域，从而最小化ph敏感的区域的结垢或堵塞。单个凹坑的这种横截面可以根据不同的需要和应用而改变。例如，如果颗粒尺寸在样品中是常见的，则可以因为颗粒尺寸而改变单个凹坑尺寸。
21.因此，如本文所描述的系统和方法可以使用对ph敏感的电极来确定含水样品的电势，其中样品的电导率低。例如，可能具有低电导率的饮用水。本文所描述的系统和方法提供了一种在含水样品中使用至少一个测量电极进行ph测量的技术。至少一个测量电极可以具有第一碳区域和在该第一碳区域中限定的单个ph敏感的碳区域。碳区域可以是sp2碳区域。ph敏感的碳区域可以被激光加工。激光加工可以是单个凹坑。单个凹坑可以是在电极上激光加工的单个圆形面积。在一个实施方案中，单个凹坑可以为任何形状。碳区域可以包括sp2碳材料，该sp2碳材料可以包括掺杂有元素如硼的金刚石样材料(bdd)。单个ph敏感的碳区域是被包括在掺硼金刚石基ph电极上的sp2碳区域。被包括可以意指sp2碳区域被引入、整合到、包含在、激光微加工到或以其他方式整合到硼掺杂金刚石电极中。换句话说，虽然sp2碳区域和硼掺杂金刚石被整合在同一电极中，但是它们在化学上是电极的不同区域。碳区域可以具有氧化的碳结构。氧化的碳结构可以具有醌或类醌基团。所述方法和系统还可以包括至少一个参比电极和至少一个辅助电极。在一个实施方案中，施加的电势方案被施加到至少第一测量电极。可以测量至少一个测量电极之间的电势。在一个实施方案中，电势可以响应于含水样品的ph测量值。至少一个测量电极、至少一个参比电极和至少一个辅助电极可以操作上地耦合到电路以测量、分析和存储样品的ph测量值。
22.使用bdd用作比其他碳基或金属材料(例如银、金、汞、镍等)更好的电极材料，因为这些材料可能具有更高的电催化活性，并且可能产生干扰信号和有助于ph测量中的误差。
23.通过参考附图将最好地理解所示出的示例性实施方案。以下描述仅旨在通过示例的方式，并且仅示出了某些示例性实施方案。
24.尽管关于用于根据本文描述的各个实施方案中的任何一个的ph测量的仪器，可以在信息处理设备中使用各种其他的电路、电路系统或部件，但是在图1中示出了示例。设备电路系统100可以包括在例如特定计算平台(例如移动计算、桌面计算等)的芯片设计方案上的测量系统。软件和一个或多个处理器被组合在单个芯片101中。处理器包括如本领域中众所周知的内部算术单元、寄存器、高速缓冲存储器、总线、i/o端口等。虽然内部总线等取
决于不同的供应商，但是基本上所有外围设备(102)都可以附接到单个芯片101。电路系统100将处理器、存储器控制和i/o控制器集线器全部组合到单个芯片110中。而且，这种类型的系统100典型地不使用sata或pci或lpc。例如，常见的接口包括sdio和i2c。
25.存在一个或多个电源管理芯片103，例如电池管理单元bmu，其管理例如经由可再充电电池104供应的功率，该可再充电电池可以通过与电源(未示出)的连接进行充电。在至少一种设计中，单个芯片(诸如101)用于供应类似bios的功能和dram存储器。
26.系统100典型地包括wwan收发器105和wlan收发器106中的一者或多者，以用于连接到各种网络，诸如电信网络和无线互联网设备，例如接入点。另外，通常包括设备102，例如发射和接收天线、振荡器、pll等。系统100包括用于数据输入和显示/渲染的输入/输出设备107(例如定位成远离用户易于访问的单波束系统的计算位置)。系统100典型地还包括各种存储设备，例如闪速存储器108和sdram 109。
27.从前述内容可以理解，一个或多个系统或设备的电子部件可以包括但不限于至少一个处理单元、存储器以及与包括一个或多个处理单元的存储器在内的各种部件联接的通信总线或通信装置。系统或设备可以包括或可以访问各种设备可读介质。系统存储器可以包括易失性和/或非易失性存储器诸如只读存储器(rom)和/或随机存取存储器(ram)形式的设备可读存储介质。作为示例而非限制，系统存储器还可以包括操作系统、应用程序、其他程序模块和程序数据。所公开的系统可以在实施方案中用于执行含水样品的ph测量。
28.现在参考图2，一个实施方案可以使用至少一个测量电极来测量水溶液中的ph。至少一个测量电极可以包括ph敏感的碳区域。换言之，测量电极可以具有例如通过激光加工制造的区域。ph敏感的区域可以为bdd材料，其可以包括sp2碳材料。所述系统和方法还可以包括至少一个参比电极和一个辅助电极。在一个实施方案中，可以利用所施加的电势方案并且可以在至少一个测量电极和至少一个参比电极之间测量所得的电势。如本文所描述的系统和方法提供了一种用于精确测量一系列样品类型如低电导率样品中的ph的技术。
29.在201处，在一个实施方案中，可以将测量设备引入到含水样品中。备选地，可以将含水样品引入到测试室，例如测量装置的测试室中。如果将含水样品引入到测量设备中，可以由用户手动地或使用机械手段例如重力流、泵、压力、流体流等将该含水样品放置或引入到测试腔室中。例如，可以使用泵将用于ph测试的水样品引入测量腔室或测试腔室。在一个实施方案中，阀等可以控制含水溶液进入或离开一个或多个腔室(如果存在的话)的流入和流出。一旦将样品引入到测量系统，则该系统就可以使用以下更详细解释的步骤来测量样品的ph。在一个实施方案中，测量装置可以包括一个或多个室，在其中可以进行一个或多个方法步骤。
30.参考图3，在一个实施方案中，至少一个测量电极300可以包括碳区域301。碳区域可以为bdd材料、bdd sp2材料、醌结构、类醌结构、氧化的碳结构等。碳材料可以是在测量电极上进行激光加工的。激光加工可以是连续区域。连续区域的形状可以是圆形或类似圆形，如圆形、椭圆形等。备选地，连续区域可以是其他几何形状，例如正方形、长方形、三角形、六边形等。换言之，碳区域的其他形状被公开了并且可以被激光加工成测量电极的特定用途或配置。
31.连续碳区域可以被称为“单凹坑”测量电极。换言之，与包括凹坑或碳区域的阵列的常规测量电极不同，所描述的系统的电极仅包括单个凹坑或碳区域，其中在电极的测量
表面上没有其他凹坑或碳区域。这种单个凹坑可以使用激光脉冲系统尽可能地小，或者可以覆盖电极的测量部分的整个总表面区域。换言之，单个凹坑可以是单个激光脉冲的大小或与电极的整个面一样大。换言之，ph敏感的碳区域301可以覆盖不大于暴露于水溶液的总电极面积的面积。总面积包括ph敏感的碳区域301和非ph敏感的碳区域302。ph敏感的碳区域301可以覆盖不小于测量电极的非-ph敏感的区域302表面区域上的单个激光脉冲的区域。图4中示出了在一个示例性实施方案中用于测量含水样品中的ph的测量电极400的一个示例的另一视图。在一个实施方案中，可以有bdd区域401和激光微加工的bdd区域402。
32.在一个实施方案中，可以针对特定用途来构建激光加工的单个凹坑的尺寸、深度或表面积。换言之，单个凹坑可以根据要测量的样品内的实际或预期颗粒尺寸进行加工。样品中的微粒可能会堵塞或污染激光加工的单个凹坑。在一个实施方案中，单个凹坑可以被激光加工成大于样品中存在或预期的颗粒的尺寸、直径、深度或横截面。以这种方式，激光加工单凹坑不会被ph测量样品中存在或预期的颗粒污染或堵塞。
33.在一个实施方案中，电极可以完全或至少部分地布置在水溶液的体积中。例如，如果将水溶液引入到具有一个或多个电极的室中，则该水溶液可以至少部分地覆盖该一个或多个电极。作为另一个示例，一个或多个电极可以部分地布置在室内，而电极的其他部分布置在室外。因此，当水溶液被引入到室中时，它仅覆盖电极在室内的部分。
34.在202处，在一个实施方案中，所述系统可以测量一定体积的含水样品在至少一个测量电极和至少一个参比电极之间的电势。所述系统和方法可以具有一个测量电极和一个参比电极，或者具有多个测量电极和多个参比电极。
35.可以测量一个或多个电极例如一系列电极之间的电势。在一个实施方案中，第一测量电极可以用于测量归因于含水样品的ph的电势。至少一个测量电极可以含有碳区域。该碳区域是如上所述的。碳区域可以是激光加工的。在一个实施方案中，碳区域可以是bdd、bdd sp2、氧化的碳结构、醌、类醌结构等。碳区域可以是类圆形的连续区域。
36.如果系统不能确定水溶液的ph，则该系统可以在202处继续测量来自系统的电极的电响应。另外地或备选地，所述系统可以触发警报、关闭、改变含水样品的流动控制等。然而，如果在204处可以确定含水样品的ph值，则该系统可以输出水溶液的ph。输出可以是显示器的形式，将数据存储到存储设备，通过连接或无线系统发送输出，打印输出等。所述系统可以是自动化的，这意味着该系统可以自动输出所确定的ph。所述系统还可以具有相关的警报、限制或预定阈值。例如，如果测量的ph达到阈值，则所述系统可以触发警报、调节水溶液的ph值、改变水溶液的流动等。数据可以被实时分析、存储以备后用，或者它们的任何组合。
37.电路可以控制对一个或多个系列的电极的测量值(例如，电位、ph等)，使得可以相对于水溶液的体积施加和/或测量不同的电信号。电路表示具有第一碳区域的至少一个测量电极和具有至少一个参比电极的ph敏感的碳区域的一个示例性实施方案。
38.如本领域技术人员要理解的是，作为系统、方法或设备程序产品，可以具体表现为各个方面。因此，各方面可以采取完全硬件实施方案或包括软件的实施方案的形式，这些软件在本文中通常都可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，各方面可以采取在一个或多个设备可读介质中体现的设备程序产品的形式，一个或多个设备可读介质具有与其一起体现的设备可读程序代码。
39.应该注意的是，本文所述的各种功能可以使用存储在设备可读存储介质诸如非信号存储设备上的指令来实施，其中，由处理器执行指令。在本文件的上下文中，存储设备不是信号，并且“非暂时性”包括除信号介质以外的所有介质。
40.用于执行操作的程序代码可以以一种或多种编程语言的任意组合来编写。程序代码可以完全在单个设备上执行，部分地在单个设备上作为独立软件包执行，部分地在单个设备上并且部分地在另一设备上执行，或者完全在另一设备上执行。在一些情况下，设备可以通过任何类型的连接或包括局域网(lan)或广域网(wan)在内的任何类型的网络进行连接，或者连接可以通过其他设备(例如通过使用互联网服务提供商的互联网)、通过无线连接例如近场通信或通过硬线连接(诸如通过usb连接)进行。
41.在本文中参考附图描述示例性实施方案，这些附图示出了根据各种示例性实施方案的示例方法、设备和产品。要理解的是，动作和功能可以至少部分地由程序指令来实施。可以将这些程序指令提供给设备(例如测量设备，如图1所示)的处理器，或其他可编程数据处理设备，以产生加工，使得经由设备的处理器执行的指令实施指定的功能/动作。
42.注意，本文提供的值应解释为包括通过使用术语“约”指示的等效值。等效值对于本领域普通技术人员将是明显的，但是至少包括通过对最后一个有效数字进行常规四舍五入而获得的值。
43.本公开内容虽然已经出于说明和描述的目的被呈现，但是并不旨在是穷举的或限制性的。对于本领域普通技术人员而言，许多修改和变型将是明显的。示例性实施方案被选择和描述以便解释原理和实际应用，并使本领域的其他普通技术人员能够理解具有各种修改的各种实施方案的公开内容，这些修改适合于预期的特定用途。
44.因此，尽管本文已经参考附图描述了示例性实施方案，但是要理解，该描述不是限制性的，并且在不脱离本发明的范围或精神的情况下，本领域的技术人员可以在其中进行各种其他改变和修改。