Measuring ionic conductivity using screen-printing technology

Měření iontové vodivosti pomocí screen‑printing technologie – shrnutí aplikace AN-EC-038

Význam tématu

Měření iontové vodivosti (σ) je rychlý a citlivý ukazatel solnosti a znečištění vodních vzorků. V aplikacích s omezeným objemem vzorku (např. mikroanalytika, terénní nebo decentralizovaná měření) klasické konduktometry vyžadují příliš velké množství kapaliny a opakované použití elektrod může způsobovat kontaminaci nebo poškození. Dispozice levných jednorázových snímačů umožňuje měřit vodivost s malým objemem, minimalizovat křížovou kontaminaci a zjednodušit logistiku měření in situ.

Cíle a přehled studie

• Cílem bylo ověřit, zda jednorázová screen‑printed elektroda 11COND dokáže spolehlivě měřit iontovou vodivost pitných vod (kohoutková voda a sedm komerčních minerálních vod) pomocí pouze 100 μL vzorku.
• Porovnat výsledky získané pomocí 11COND SPE se standardním konduktometrem a posoudit reprodukovatelnost a praktičnost metody.

Použitá metodika a instrumentace

• Princip měření: elektrochemická impedanční spektroskopie (EIS) při frekvenci 10 kHz použitá k určení modulu impedance (|Z|), který při vysoké frekvenci reprezentuje převážně odpor roztoku (ohmický příspěvek).
• Příprava: vzorky temperovány na 25 °C; na každou 11COND SPE bylo pipetou naneseno 100 μL pokrývající obě měřicí kruhové elektrody.
• Potentiostat a software: µStat‑i M8One multi‑potenciostat s impedanční technologií a DropView 8400M pro řízení EIS a extrakci |Z| při otevřeném obvodu (OCP).
• SPE: 11COND – jednorázová screen‑printed elektroda na keramickém substrátu se dvěma uhlíkovými kruhy a dielektrickým inkem; součástí balení jsou hodnoty vnitřního odporu ro a konstanta článku Kcell.
• Postprocessing: z naměřeného |Z| se odečte ro (korekce příspěvku elektrod), zbylý odpor se invertuje a vynásobí 1×10^6 pro získání hodnoty v μS; následně se tato hodnota vynásobí Kcell pro převod na μS·cm^-1. Experiment byl navržen pro rozsah vodivostí ~84 μS·cm^-1 až 111.8 mS·cm^-1.
• Kontrola kvality: každý vzorek měřen třemi různými SPE pro posouzení reprodukovatelnosti.

Hlavní výsledky a diskuse

• Naměřené hodnoty vodivosti získané 11COND SPE byly velmi blízké výsledkům z konvenčního konduktometru pro všechny testované pitné vody, což dokládá vhodnost SPE pro tento účel.
• Chyby (intervaly spolehlivosti) byly malé a odvozené výsledky byly reprodukovatelné mezi třemi různými elektrodami pro každý vzorek.
• Metoda vyžaduje pouze 100 μL vzorku a krátký EIS záznam při jedné frekvenci (10 kHz), což snižuje dobu měření a potřebu manipulace s větším množstvím kapaliny.
• Vyžaduje se temperování vzorku na 25 °C, protože použitá rovnice a uvedené hodnoty ro a Kcell jsou platné při této teplotě; bez teplotní kontroly by výsledky mohly vykazovat systematické odchylky.
• Jelikož ro a Kcell jsou poskytnuty s každou elektrodou, metoda je snadno standardizovatelná, avšak přesnost závisí na správném použití korekce ro a na konzistentním nanášení vzorku.

Přínosy a praktické využití metody

• Umožňuje měření iontové vodivosti v mikroobjemech (100 μL), vhodné pro sporadické terénní odběry, kontrolu laboratoří s omezenými vzorky a decentralizované testování.
• Jednorázové elektrodové senzory minimalizují riziko křížové kontaminace a eliminují potřebu čištění a údržby klasických sond.
• Rychlý protokol založený na jedné frekvenci zjednodušuje instrumentální i softwarovou konfiguraci a zvyšuje průchodnost analýz.
• Metoda je vhodná pro monitorování pitné vody, hodnocení komerčních balených vod a další aplikace, kde je prioritou rychlost, nízký objem vzorku a jednoduchost provozu.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření použití SPE do dalších typů prostředí (průmyslové odpadní vody, biologické tekutiny) po validaci rozsahu a chemického složení vzorků.
• Integrace s přenosnými analyzátory a IoT pro kontinuální nebo periodické terénní monitorování kvality vody s automatickou sběrem dat.
• Vývoj vícefrekvenčních protokolů nebo vestavěných korekcí teploty přímo v softwaru pro zvýšení přesnosti bez nutnosti externího temperování.
• Optimalizace tvaru a materiálů vytištěných elektrod pro rozšíření lineárního rozsahu a odolnosti vůči znečišťujícím látkám.

Závěr

Studie demonstruje, že 11COND screen‑printed elektroda v kombinaci s EIS měřením při 10 kHz poskytuje spolehlivé a reprodukovatelné hodnoty iontové vodivosti pitných vod s minimálním objemem vzorku (100 μL). Metoda nabízí praktickou, rychlou a nákladově efektivní alternativu k tradičním konduktometrům pro aplikace, kde je preferován malý odběr, jednorázové použití a jednoduchá manipulace.

Použitá instrumentace

• 11COND screen‑printed electrode (SPE) – jednorázová uhlíková tisknutá elektroda s uvedenými hodnotami ro a Kcell.
• µStat‑i M8One multi‑potentiostat s impedanční technologií (multichannel EIS).
• Software DropView 8400M pro řízení EIS a extrakci |Z| při 10 kHz a OCP.
• Standardní konduktometr pro referenční měření.
• Mikropipeta pro nanášení 100 μL vzorku a temperovací zařízení pro udržení 25 °C.

Reference

1. Baird RB, Rice EW, Eaton AD. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 23rd ed. American Public Health Association; Washington, DC.
2. Lazanas AC, Prodromidis MI. Electrochemical Impedance Spectroscopy – A Tutorial. ACS Meas. Sci. Au. 2023;3(3):162–193.