membranowe elektrody jonoselektywne i ich zastosowanie w analityce

membranowe elektrody jonoselektywne i ich zastosowanie w analityce

MEMBRANOWE ELEKTRODY JONOSELEKTYWNE I ICH
ZASTOSOWANIE W ANALITYCE
Membranowe elektrody jonoselektywne (EJS) stanowią ważną i w chwili obecnej coraz
szerzej stosowaną grupę czujników chemicznych. Wielkość przekazywanego przez czujnik
sygnału zależy liniowo od logarytmu aktywności jonu w roztworze. Atrakcyjność elektrod
jonoselektywnych wynika z możliwości bezpośredniego pomiaru, a więc szybkiej analizy, z
możliwości monitorowania poziomu stężeń, z różnorodności oznaczeń (kationy wielu
metali, aniony, niektóre substancje gazowe oraz związki organiczne, jak np. glukoza,
salicylany, antybiotyki i związki powierzchniowo czynne), z możliwości tworzenia
kompletnych systemów kontroli, tzn. budowania analizatorów wykonujących jednocześnie
kilka oznaczeń: np. pH, pCa, pK, pNa w osoczu krwi. Miniaturyzacja czujników (mini- i
mikroelektrody) umożliwia pomiar nawet w bardzo małej objętości oznaczanego materiału,
rzędu kilku pl. Możliwe są zarówno pomiary in vivo, jak i in vitro, gdyż pomiar nie niszczy
próbki.
Pierwszą membranową elektrodą jonoselektywną była elektroda szklana, przeznaczona
do pomiarów pH, skonstruowana w 1909 roku m.in. przez Polaka, Klemensiewicza.
Zmieniając skład szkła, można otrzymać membrany selektywne na jony metali pierwszej
grupy: Li+. Na+ lub K+. Wadą elektrod szklanych jest kruchość materiału, z którego są zbudowane, ograniczająca ich stosowanie, szczególnie w pomiarach in vivo oraz często niewystarczająca selektywność. Duża oporność membrany, rzędu kilkudziesięciu lub nawet kilkuset MQ, sprawia, że elektrody te wymagają czułych potencjometrów o bardzo dużej oporności wejściowej.
Kolejnym etapem w konstrukcji elektrod jonoselektywnych były elektrody krystaliczne
homogeniczne, zaproponowane w latach 60. przez Pungora. Aktywnym materiałem jest w
nich trudno rozpuszczalna w wodzie sól w postaci monokryształu lub pastylki otrzymanej
przez sprasowanie mieszaniny krystalicznych związków jonowych. Taka membrana jest
czuła na jeden z jonów lub kilka jonów zawartych w pastylce. Przykładem może być
elektroda fluorkowa, skonstruowana w 1966 roku, w której materiałem elektrodowym jest
fluorek Lantanu(III). Dzięki defektom sieci krystalicznej występującym w kryształach jony
fluorkowe są ruchome (LaF3 + defekt sieci = LaF2+ + F-), a przewodnictwo tego materiału
wynosi ok. 3·105 S/m. Rozdzielone ładunki na granicy faz membrana elektrody/roztwór
wodny umożliwiają wymian anionów F- z roztworem. Krystaliczna membrana jest
przepuszczalna tylko dla jonów fluoru, a więc jest F- selektywna. Jedynie jony OH-, reagując
z lantanem(III), zakłócają pracę tej elektrody. Elektrody krystaliczne są z reguły wysoce
selektywne. Ich wadą jest trudność otrzymania odpowiedniego monokryształu, czy też
kłopotliwe otrzymywanie pastylki zawierającej mieszaninę kryształów. Przykłady
krystalicznych elektrod jonoselektywnych podaje tabela 1.
W elektrodach krystalicznych heterogenicznych substancją aktywną jest wymieniacz
jonowy lub trudno rozpuszczalna sól (stanowiące około 50% składu membrany),
zdyspergowane w obojętnej hydrofobowej matrycy: gumie silikonowej, parafinie lub polietylenie. Elektrody heterogeniczne mogą wykazywać selektywność na kationy, bądź aniony
1
w zależności od użytej substancji aktywnej. Ich wadą jest pęcznienie membrany i adsorpcja
powierzchniowa jonów, wynikająca z niewystarczającej hydrofobowości membrany.
W 1967 roku W. Simon i Z. Stefanac zaproponowali elektrodę do oznaczania jonów
potasu, w której substancją aktywną był naturalny makrocykliczny antybiotyk
walinomycyna kompleksujący selektywnie jony potasu. Był to początek elektrod z tzw.
pseudocieklą membraną z polichlorku winylu (PCW) zmiękczonego odpowiednim
plastyfikatorem, zawierającą jako substancję aktywną nośnik jonów zwany jonoforem.
Tabela 1.Przykłady krystalicznych elektrod jonoselektywnych
Oznaczany jon I
FClBrICNS2Ag+
Cd2+
Cu2+
Materiał
membrany
LaF3
Ag2S/AgCI
Ag2S/AgBr
Ag2S/Agl
Ag2S/Agl
Ag2S
Ag2S
CdS/Ag2S
CuS/Ag2S
Zakres pomiarowy aI
10-6- 1
10-5- 1
10-6- 1
10-7- 1
10-6- 10-2
10-7- 1
10-7- 1
10-7- 1
10-8- 1
Pierwszymi
jonoforami
zastosowanymni
w
pseudociekłych
elektrodach
jonoselektywnych były znane związki naturalne; np. walinomycyna, kompleksująca
selektywnie jony potasu, oraz makrotetrolidy: nonaktyna i monaktyna, selektywne na jony
NH4+. Obecnie obok walinomycyny coraz częściej stosuje się jako jonofory związki
otrzymywane syntetycznie, cykliczne polietery lub związki acykliczne, np. podandy z grupy
amidów, a także modyfikowane kaliksareny. Wszystkie substancje jonoforowe
charakteryzują się obecnością ugrupowań polarnych (potencjalnych centrów koordynacji)
oraz niepolamych, zapewniających dobrą rozpuszczalność i ruchliwość w niepolarnej
membranie. Niektóre z tych związków są przedstawione na rysunku 1.
W chwili obecnej tego typu membranowe elektrody jonoselektywne mają mocno
ugruntowaną pozycję, umożliwiają wygodną i prostą kontrolę stężeń (aktywności) wielu
jonów nieorganicznych, a także jonów organicznych w roztworach wodnych. Znajdują coraz
szersze zastosowanie w analizie biomedycznej: w chemii klinicznej i neurofizjologii (analiza
płynów ustrojowych), w przemyśle spożywczym oraz ostatnio w ochronie środowiska
(analiza i monitoring wód gruntowych, ścieków itp.). Opracowywane i udoskonalane są
elektrody membranowe do oznaczania aktywności jonów litu, sodu, potasu, amonu,
magnezu, wapnia, baru, kadmu, ołowiu, a także obojętnych cząsteczek gazowych i
niektórych związków organicznych.
Nowością w dziedzinie czujników potencjometrycznych są czujniki gazowe i bioczujniki,
czyli elektrody enzymatyczne. Ich konstrukcja może być oparta na elektrodach z
membranami pseudociekłymi, szklanymi lub krystalicznymi. Cząsteczki oznaczanego gazu
(CO2, SO2 lub NH3) dyfundują z analizowanego roztworu przez hydrofobową membranę
2
wykonaną najczęściej z politetrafluoroetylenu (PTFE) lub gum silikonowych, do części
zawierającej roztwór elektrolitu stykający się bezpośrednio z jonoselektywną elektrodą,
czułą np. na jony wodorowe lub NH4+. Oznaczane gazy reagują z wodą, w wyniku czego
zmienia się pH roztworu będącego w kontakcie z czujnikiem jonów hydroniowych.
Membranowe elektrody enzymatyczne służą do oznaczania związków będących substratami
specyficznych reakcji enzymatycznych. Działanie tych elektrod polega na oznaczaniu jonu,
który powstaje w wyniku reakcji enzymatycznej. Jedno z typowych rozwiązań
konstrukcyjnych polega na umieszczeniu enzymu na powierzchni membrany elektrody. Po
zanurzeniu czujnika w badanym roztworze na powierzchni membrany zachodzi
odpowiednia reakcja enzymatyczna, np. rozkład mocznika pod wpływem enzymu ureazy:
(
)
→
Produkty tej reakcji są wykrywane przez właściwe urządzenie czujnikowe.
Walinomycyna (K+)
Nonaktyna (NH4+)
Pochodna kaliks[4]arenu (Pb2+)
Pochodne kaliks[4]arenu (Na+)
Rysunek 1. Naturalne i syntetyczne jonofory stosowane w EJS
3
Budowa pseudociekłych elektrod membranowych i zasada ich działania
Przygotowanie membrany elektrody. Składniki membrany: polimer (PCW), plastyfikator i jonofor odważa się bardzo dokładnie i rozpuszcza w 2 ml tetrahydrofuranu (THF),
mieszając do uzyskania klarownego roztworu. Roztwór ten wylewa się na płytkę ograniczoną szklanym pierścieniem. Po odparowaniu rozpuszczalnika otrzymuje się elastyczną, przeźroczystą membranę o grubości ok. 0,2 mm. Stężenie jonoforu w membranie jest rzędu 0,010.1 mol/dm . Tak przy gotowaną membranę montuje się do korpusu elektrody jonoselektywnej.
Jonofor dzięki właściwości selektywnego kompleksowama powoduje ekstrakcję wybranych jonów z roztworu wodnego do lipofilowej membrany, w obrębie której transportowany jest powstały kompleks jonoforu z jonem.
Zasada działania elektrod jonoselektywnych oparta jest na ekstrakcji oznaczanego jonu z
roztworu próbki badanej do membrany elektrody i jego transporcie w membranie. Powoduje
to wytworzenie różnicy potencjałów po obu stronach membrany, tzw. potencjału membranowego. Zachodzące procesy są rejestrowane w postaci sygnału potencjałowego.
Jonoselektywny czujnik składa się z elektrody jonoselektywnej i elektrody odniesienia
chlorosrebrowej lub kalomelowej. Elektroda odniesienia posiada płaszcz zewnętrzny
pełniący rolę klucza elektrolitycznego zawierający 1M roztwór elektrolitu, np. NH4NO3,
CH3COOLi, KCl, nie przeszkadzającego w analizie. Obie elektrody zanużone są w
roztworze próbki - rys.
SEM
elektroda
odniesienia
elektroda
jonoselektywna
elektrolit
wewnętrzny
elektrolit
wewnętrzny
diafragma,
spiek
membrana
jonoselektywna
Rysunek 2. Schemat układu pomiarowego (ogniwa)
4
Potencjał elektrody membranowej zmienia się wraz ze zmianą stężenia (aktywności)
jonów w badanym roztworze, zależność tą można opisać równaniem Nernsta
( )
Równanie to dotyczy warunków idealnych, tzn. roztworu zawierającego jeden rodzaj jonów
(I). W praktyce należy uwzględniać aktywność wszystkich jonów obecnych w badanej
próbce. Półempiryczne równanie Nikolskiego-Eisenmana rozwiązuje ten problem:
(
∑
)
gdzie aI i zI to aktywność i ładunek mierzonego jonu, R to stała gazowa, T temperatura w
skali Kelvina i F stała Faradaya, E0 zawiera wszystkie potencjały zależne od używanego
układu pomiarowego, elektrody odniesienie itd. jako stałe, S to nachylenie (czułość) zgodne z
równaniem Nernsta, KIJpot to potencjometryczny współczynnik selektywności, aJ aktywność
jonu przeszkadzającego, L granica wykrywalności jonu głównego.
Dla wielu zastosowań aktywność jonu można zastąpić stężeniem jonu, jednak w
specyficznych przypadkach np. pomiary w płynach fizjologicznych, nie można zastępować
aktywności, stężeniem jonu. Zależność pomiędzy aktywnością i stężeniem jest następująca:
gdzie f jest parametrem zwanym współczynnikiem aktywności.
Wartość f zależy od stężenia roztworu. Dla roztworów elektrolitów rozcieńczonych wartość
f jest mniejsza od 1 i w miarę rozcieńczania roztworu dąży do jedności. Wzór Debye'a i
Huckla umożliwia obliczanie współczynników aktywności, uwzględniając siłę jonową
roztworu I oraz szereg innych parametrów, istotnych dla roztworów o większych stężeniach.
)
∑(
√
√
Współczynniki A i B zależą od rozpuszczalnika i temperatury. Dla roztworów wodnych i
temperatury 25°C: A=-0,509, B=0,328. Parametr a i C to stale wyznaczone
eksperymentalnie. Istnieją również inne równania umożliwiające oszacowanie współczynnika
aktywności (np. równanie Pitzera), a także programy komputerowe (PHREEQC 2.17, Visual
MINTEQ), które ułatwiają szacowanie współczynnika aktywności nawet dla
skomplikowanych roztworów.
5
Tabela 2.Średnie wartości współczynników aktywności wybranych elektrolitów w
roztworach wodnych w temperaturze 25°C
Elektrolit
KCI
NaCI
LiCI
CaCl2
Stężenie c
0,01
0,901
0,904
0,890
0,725
0,001
0.965
0,966
0,963
0,890
0,1
0,770
0,778
0,780
0,515
Sporządzenie charakterystyki elektrody polega na wyznaczeniu krzywej kalibracyjnej, czyli
wykresu zależności potencjału elektrody E=f(log(a)). Z wykresu wyznacza się granicę
wykrywalności jonu (DL) (zgodnie z IUPAC, granica wykrywalności jest definiowana jako
punkt przecięcia przedłużeń odcinków liniowych wykresu – Rysunek 3), zakres prostoliniowy charakterystyki oraz odczytuje się nachylenie S, tj. zmianę potencjału elektrody
w zakresie liniowym przy 10-krotnej zmianie aktywności.
granica
wykrywalności
Rysunek 3. Wyznaczanie granicy wykrywalności
Współczynniki selektywności
Selektywność elektrody to właściwość określająca jej zdolność do wybiórczego
reagowania na stężenie jonu głównego w obecności innych jonów w mieszaninie. Miarą
selektywności elektrody są współczynniki selektywności KIJpot. Mała wartość liczbowa
współczynnika selektywności oznacza wysoką selektywność na jony (I), np. = 0,001 oznacza, że jon główny (I) przy tysiąckrotnie mniejszej aktywności niż aktywność jonu (J) wy-
6
tworzy taki sam potencjał jaki wytwarza jon przeszkadzający. Jeśli wartość KIJpot= 1,
wówczas aktywność jonów głównego i przeszkadzającego jednakowo wpływa na potencjał
elektrody. Czasami może to być zaletą, jak np. w przypadku elektrody selektywnej zarówno
na jony wapnia i magnezu, używanej do oznaczania twardości wody, pozwalającej na
oznaczanie sumy Ca2+ i Mg2+.
Istnieje kilka metod określania współczynników selektywności Poniżej przedstawione są
trzy o największym praktycznym znaczeniu.
1. Metoda z ustalonym stężeniem jonu interferującego FIM (Fixed Interference Method)
Polega na zbadaniu charakterystyki elektrody dla jonu I przy stałym, określonym stężeniu
jonu przeszkadzającego J (najczęściej aJ = 0,01 lub 0,1 M). Z wykresu zależności
E=f(log(aI)) (aktywność jonu głównego) wyznacza się wartość a I graficznie (analogicznie
jak granicę wykrywalności, Rysunek 3.) i oblicza wartość współczynnika wg wzoru:
(
)
2. Metoda oddzielnych roztworów (SSM) [59], polega na oddzielnych pomiarach w
roztworach poszczególnych jonów i porównywaniu wartości potencjałów odpowiadających
tym samym aktywnościom jonowym, współczynnik aktywności obliczamy z następującego
wzoru:
(
)
(
)
( )
( )
Techniki analityczne
zastosowań.
z
zastosowaniem
elektrod
jonoselektywnych.
Przykłady
a) Techniki analityczne
 metoda krzywej wzorcowej – polega na zanurzeniu obu elektrod ogniwa w
pomiarowego badanym roztworze i odczytaniu SEM, a następnie odczycie
stężenia substancji oznaczanej z krzywej wzorcowej (wcześniej przygotowanej).
Jest to metoda najprostsza, lecz wrażliwa na obecność substancji
przeszkadzających, tzw. efekt matrycy
 metoda roztworów ograniczających – pomiar dokonujemy tak samo jak w
metodzie krzywej wzorcowej, z tą różnicą, że wynik odczytujemy na podstawie
dwóch punktów krzywej wzorcowej, pomiędzy którymi znajduje się odczyt dla
próbki. Wymagana jest znajomość, w jakim zakresie znajduje się stężenie w
badanej próbce, technika także przydatna w zakresie gdzie odpowiedz elektrody
odbiega od liniowości
 metoda jednokrotnego dodatku wzorca – wymaga wykonanie dwóch pomiarów,
pierwszy w badanej próbce, drugi po dodaniu ściśle określonej objętości roztworu
wzorcowego oznaczanej substancji.. Niezbędna jest znajomość objętości badanej
próbki, objętości i stężenia wzorca oraz nachylenie charakterystyki elektrody.
7

Metoda jest bardziej pracochłonna niż w przypadku krzywej wzorcowej, jednak
pozwala w pewnym stopniu wyeliminować efekt matrycowy.
metoda dwukrotnego, wielokrotnego dodatku wzorca, metoda ekstrapolacyjna
Grana – metoda podobna do metody jednokrotnego dodatku wzorca, lecz
zakładająca kilkukrotny jego dodatek. Stężenie badanej substancji wyznacza się
zazwyczaj metoda graficzną. Metody zazwyczaj stosowane przy bardzo niskich
stężeniach lub w przypadku bardzo skomplikowanej matrycy, w celu uniknięcie
jej wpływu.
b) przykłady zastosowań
 potencjometryczne wykrywanie PK w różnych miareczkowaniach
 pomiary pH
 bezpośrednie oznaczanie niektórych jonów
 badania naukowe (wyznaczanie stałych kompleksowania, wyznaczanie stałych
dysocjacji itp.)
 diagnostyka medyczna
 kontrola i monitoring zanieczyszczeń środowiska
 kontrola procesów technologicznych
 zastosowanie jako detektory w chromatografii i analizie wstrzykowej
Ogólnie, metody potencjometryczne można stosować wszędzie tam, gdzie wymagana
jest szybkość pomiaru, duża selektywność, możliwość automatyzacji, konieczność pracy w
przepływie, małe rozmiary czujnika. Wszystkie te cechy sprawiają, że czujniki
potencjometryczne cały czas są rozwijane i szukane są dla nich nowe zastosowania. W
stosunkowo prosty sposób można wykorzystać EJS do monitoringu środowiska czy kontroli
procesów technologicznych w systemie IN-LINE i ON-LINE.
CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest wyznaczenia parametrów (tj. współczynników selektywności, czułości,
granicy wykrywalności) elektrod jonoselektywnych i oznaczenie zawartości wybranych
jonów w wodzie mineralnej.
Wykonanie ćwiczenia
Studenci otrzymają dwie elektrody jonoselektywne wskazane przez prowadzącego ćwiczenia
(K+, Na+, Ca2+, Pb2+, ClO4-, F-).
8
Z roztworów podstawowych o stężeniu 1M należy przygotować w kolbkach o pojemności
100ml (lub 50ml) roztwory o stężeniach 10-1M, 10-2M, 10-3M, 10-4M, 10-5M, 10-6M.
Prowadzący ćwiczenia wskaże roztwory, których jonów należy przygotować.
Wykorzystując przygotowane roztwory przygotować krzywe kalibracyjne poszczególnych
elektrod zanurzając elektroda odniesienia i elektrodę wskaźnikową w przygotowanych
roztworach i wykonać pomiar potencjału. Pomiary potencjału wykonać zaczynając od
najniższego stężenia. Po wykonaniu pomiarów krzywej kalibracyjnej dla jednego jonu
elektrody należy obmyć kilkukrotnie wodą destylowaną i wykonać krzywą kalibracyjną dla
jony następnego.
Po przygotowaniu krzywych kalibracyjnych wykonać oznaczenia (pomiar potencjału
elektrody wskaźnikowej) zawartości jonów (oznaczane jony w zależności od przydzielonych
elektrod jonoselektywnych) w wodzie mineralnej (dostarczonej przez prowadzącego).
Opracowanie wyników
1. Przygotować wykresy dla poszczególnych elektrod E=f(loga) i obliczyć nachylenie
krzywej kalibracyjnej, współczynników aktywności obliczyć wykorzystując równanie
Debye’a -Huckle’a, lub jeden z programów: PHREEQC 2.17 (David Parkhurst, US
Geological Survey) lub Visual MINTEQ (program może być dostarczony przez
prowadzącego).
2. Wyznaczyć współczynniki selektywności metodą oddzielnych roztworów (opis
metody w części teoretycznej)
3. Wyznaczyć granicę wykrywalności dla jonów głównych elektrody
4. Oznaczyć zawartość jonów w wodzie mineralnej wykorzystując wykres krzywej
kalibracyjnej lub równanie krzywej kalibracyjnej. Porównać wynik z danymi
znajdującymi się na etykiecie butelki z wodą mineralną.
5. Skomentować uzyskane wyniki.
LITERATURA:
[1] Cammann K.: Working with Ion-selective Ełectrodes. Berlin-Heidelberg-New York: Springer
Verlag 1979.
[2] Havas J.: Ion- and Molecule-Selective Ełectrodes in Biological Systems. Budapeszt Akademiai
Kiado 1985.
[3] Poradnik chemika analityka, t1. Dane fizykochemiczne. Warszawa: WNT 1994.
Poradnik chemika analityka. t2. Analiza instrumentalna. (Red. J. Ciba). Warszawa: WNT 1991.
[4] Cygański A.: Metody elektroanalityczne. Warszawa: WNT 1995.
[5] David Harvey: Modern Analytical Chemistry, The McGraw-Hill Companies, NY 2000;
[6] F.W. Fifield, D. Kealey: Principles and Practice of Analytical Chemistry, Blackwell
Science Ltd, London 2000;
[7] R. P. Buck, E. Lindner, Pure & Appl. Chem., 66/12, 2527 (1994)
9