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(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所，中國科學(xué)院海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東煙臺(tái) 264003；2.中國科學(xué)院大學(xué)海洋學(xué)院，山東青島 266400)

植物體內(nèi)pH值對植物細(xì)胞生長具有重要作用。一方面pH可以調(diào)節(jié)植物組織細(xì)胞的胞內(nèi)酶、蛋白質(zhì)以及其它生理活性[1]；另一方面，植物體內(nèi)pH值及生長發(fā)育狀況也可以反映當(dāng)?shù)赝寥纏H變化情況，為當(dāng)?shù)厮了谋O(jiān)測提供一個(gè)新的方向[2]。植物組織細(xì)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(xì)胞pH進(jìn)行測定，但是過程復(fù)雜，技術(shù)操作難度大。金屬氧化物電極在pH測量過程中展現(xiàn)出制作方法簡單，易于控制，易于小型化測量的優(yōu)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(wěn)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(yōu)點(diǎn)[9 - 10]。Bause等[11]已經(jīng)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(zhì)中進(jìn)行pH的測定。在諸多報(bào)道構(gòu)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(xiàn)出較好的穩(wěn)定性和較短的響應(yīng)時(shí)間[12 - 13]。

本實(shí)驗(yàn)通過循環(huán)伏安法制備了Ir/Ir(OH)x針型pH電極，并將該電極應(yīng)用在實(shí)時(shí)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(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，具有響應(yīng)快速、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及試劑

所有電化學(xué)實(shí)驗(yàn)在CHI660D型電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)上進(jìn)行；參比電極為Ag/AgCl(3 mol/L KCl，武漢高仕睿聯(lián)科技有限公司)；Pt電極(天津蘭力科有限公司)；E-201-C型pH計(jì)(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(jī)(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(yè)公司)；pH緩沖液采用0.1 mol/L NaH2PO4和0.1 mol/L Na2HPO4配制；pH標(biāo)準(zhǔn)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(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。所有溶液均使用去離子水(18.2 MΩ·cm)配制。實(shí)驗(yàn)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(xì)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(jìn)行電化學(xué)修飾。

Ir(OH)x膜層制備：三電極系統(tǒng)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(xué)工作站，在3%的NaOH溶液中，采用循環(huán)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(tǒng)。

電極實(shí)物圖和檢測系統(tǒng)示意圖見圖1。

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

2 結(jié)果與分析

2.1 Ir/Ir(OH)x型pH電極性質(zhì)

2.1.1 電極的掃描電鏡(SEM)圖本文通過SEM表征了電化學(xué)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(jīng)過電化學(xué)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(shí)，為后續(xù)測試中電極所表現(xiàn)優(yōu)異的電化學(xué)性質(zhì)提供了結(jié)構(gòu)依據(jù)。

圖2 純凈銥絲表面(a、b)和電化學(xué)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(xué)性質(zhì)采用CV法對Ir/Ir(OH)x電極的電化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析。在0.1 mol/L H2SO4中，在0.0～0.7 V電位區(qū)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(jìn)行對比，可以看出經(jīng)過電化學(xué)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?yàn)镮r(OH)x膜增大了電極的比表面積，提高了電極的響應(yīng)能力。結(jié)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(yīng)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(rèn)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(guān)系數(shù)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)值[16]，線性相關(guān)系數(shù)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(yīng)Fig.4 Potential response of three Ir/Ir(OH)x electrodes to a series of pH buffer solutions

2.1.4 響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性響應(yīng)時(shí)間是指工作電極和參比電極一起浸入被測溶液時(shí)算起到電池電動(dòng)勢達(dá)到平衡電勢的某一給定電勢之內(nèi)所需要的時(shí)間[17]。IUPAC規(guī)定電勢在60 s內(nèi)變化范圍在1 mV之內(nèi)算達(dá)到穩(wěn)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(dá)到平衡；在中性溶液中60 s即可達(dá)到平衡；在堿性溶液中40 s左右也可達(dá)到平衡。整體而言，電極在pH范圍4～10之間60 s左右即可達(dá)到平衡。

圖5 電極在pH=6.86(a)、4.00(b)和9.18(c)的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液中的響應(yīng)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液(pH=4.00、6.86、9.18)中每間隔一天進(jìn)行一次測量，測量其穩(wěn)定性。如圖6所示，Ir/Ir(OH)x電極測量過程中電位對應(yīng)的pH值都較為穩(wěn)定，無明顯波動(dòng)。另外測定過程中電極在不同標(biāo)準(zhǔn)pH緩沖溶液之間切換，電極仍然保持相當(dāng)?shù)姆€(wěn)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(shí)際測定

綠蘿是一種氣根發(fā)達(dá)，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(yǎng)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(yǎng)過程中，綠蘿pH隨時(shí)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(yùn)輸作用吸收部分弱酸根離子導(dǎo)致培養(yǎng)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(yùn)輸導(dǎo)致此現(xiàn)象。但到達(dá)一定時(shí)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(diào)控作用，減少鹽溶液離子通過，從而防止植物由于體內(nèi)pH變化較大而導(dǎo)致自身死亡。

圖6 Ir/Ir(OH)x電極在pH=4.00、6.86和9.18的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液中多次測量響應(yīng)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(yǎng)下對根莖的測定；(b)綠蘿在0.1 mol/L NaH2PO4培養(yǎng)下對莖干的測定；(c)綠蘿在0.1 mol/L NaH2PO4培養(yǎng)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(jié)論

本文在堿性條件下采用循環(huán)伏安法，將進(jìn)行電化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)值。電極對測定pH=4～10之間的溶液具有快速的響應(yīng)時(shí)間、較好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。以綠蘿植株為例，利用本實(shí)驗(yàn)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(yīng)用在活體植株生理生長過程監(jiān)測，或者新型耐鹽堿性植物的開發(fā)過程中。