使用丝网印刷技术测量离子电导率
AN-EC-038
2026-03
zh
基于 11COND 丝网印刷电极的饮用水检测研究
采用一次性11COND丝网印刷电极与电化学阻抗谱技术，仅需100微升样品即可测量饮用水中的电导率。
离子电导率（σ）是评价各类液体溶液的关键指标，该参数与水体盐度直接相关，亦可反映水体的污染程度⁽¹⁾。因此，精准测定离子电导率具有重要的实际意义。然而，传统标准电导率电极的检测过程通常需要消耗大量待测液，在样品量有限的场景下难以适用；同时，部分样品易造成电极污染，甚至损坏电极探头。针对上述缺陷，本应用报告提出一种基于一次性丝网印刷电极的检测方案。实验采用 11COND 丝网印刷电极（SPE），仅需 100 微升待测液即可完成不同饮用水样品的离子电导率测定，并将检测结果与标准电导率电极的测定结果对比，验证了该一次性检测方案的适用性与重现性。
离子电导率的测定原理与电场作用下离子的迁移行为（极化效应）直接相关。在电场条件下，离子发生定向迁移并产生电阻，该电阻值可用于计算溶液的电导率。
实验中通常采用电化学阻抗谱法（EIS）开展测定，该方法通过施加叠加交流振荡的直流电位驱动离子迁移。当选择的交流频率足够高，仅能体现溶液的电阻特性（即欧姆行为）时，阻抗模值（|Z|）可近似等同于溶液电阻⁽²⁾。
除阻抗模值外，还需考虑由电导池常数（K₍cell₎） 表征的电导池尺寸参数。对于标准电导率电极，该参数代表电导率测定体系中电导池的长度与有效面积之比。[2]
图 1 为使用 11COND 丝网印刷电极测定离子电导率的计算公式：
σ(μS⋅cm−1)=(∣Z∣−r01)⋅Kcell⋅106
式中，r₀代表电极的本底（内部）电阻。需注意，该公式的严格适用条件为温度恒定在 25℃，该电极的电导率测定范围为 84 μS・cm⁻¹ 至 111.8 mS・cm⁻¹。
本实验共检测 8 种饮用水样品，包括自来水及 7 种市售瓶装矿泉水。实验所用 11COND 丝网印刷电极以陶瓷为基底（见图 2），基底表面印制两个碳电极圆片，且电极外围涂覆介电油墨封装。
配备阻抗检测技术的 μStat-i M8One 多通道恒电位仪（见图 3），该设备可同时对所有待测水样开展电化学阻抗谱检测。
本研究中使用的软件配置如图 4 所示。请注意，由于仅需该频率下的阻抗模值 | Z|，因此频率起始值（freqBegin）与频率终止值（freqEnd）均设置为相同值（10 kHz）。此外，实验在开路电位（OCP）条件下进行。
实验开始前，所有待测液需恒温至 25℃。完成仪器搭建与软件配置后，取 100 μL 待测液滴加至电极表面，确保液滴完全覆盖两个碳电极圆片。
电化学阻抗谱（EIS）检测完成后，从阻抗数据中提取阻抗模值 | Z|。结合丝网印刷电极包装盒标注的本底电阻（rO）与电导池常数（Kcell），代入图 1 所示公式，即可计算得到以 μS・cm⁻¹ 为单位的溶液电导率值。
图 5 展示了本研究的检测结果及各类样品对应的误差棒。11COND 电极与标准电导率探头的测定值高度相似，证明了丝网印刷电极（SPE）的适用性。为确保结果的重现性，每个水样均采用 3 支不同的 SPE 进行分析。
考虑到实验所需样品量极少且电极可一次性使用，11COND 为中等浓度溶液的离子电导率测定提供了一种简便、实用的替代方案。
本应用报告验证了 11COND 丝网印刷电极在各类饮用水离子电导率测定中的有效性。实验对 7 种市售瓶装矿泉水及自来水开展检测，结果显示 11COND 丝网印刷电极与标准电导率电极的测定结果几乎无差异。上述结果充分验证了 11COND 丝网印刷电极在电导率测定中的可靠性与实用性，尤其在样品量有限的场景下，相比需要消耗大量待测液的传统电导率仪具有显著优势。
- R.B. Baird; E.W. Rice; A.D. Eaton. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 23rd Edition, 23rd ed.; American Public Health Association: Washington DC.
- Lazanas, A. Ch.; Prodromidis, M. I. Electrochemical Impedance Spectroscopy – A Tutorial. ACS Meas. Sci. Au 2023, 3 (3), 162–193. https://doi.org/10.1021/acsmeasuresciau.2c00070.