Paweł Pawłowski. Uniwersytet Warszawski Wydział Chemii

Paweł Pawłowski Wykorzystanie polaryzacji galwanostatycznej i potencjostatycznej do diagnostyki i poprawy parametrów analitycznych wybranych elektrod jonoselektywnych ze stałym kontaktem polipirolowym Uniwersytet Warszawski Wydział Chemii Praca doktorska wykonana w Pracowni Elektroanalizy Chemicznej Zakładu Chemii Nieorganicznej i Analitycznej Promotor: Prof. dr hab. Krzysztof Maksymiuk Warszawa, 2014

Pragnę serdecznie podziękować promotorowi, Prof. dr hab. Krzysztofowi Maksymiukowi za poświęcony czas podczas prowadzenia badań i przygotowania niniejszej pracy doktorskiej. W trakcie całych studiów doktoranckich zawsze mogłem liczyć na Jego pomoc merytoryczną oraz liczne wskazówki i rady, które inspirowały do dalszego działania. Dziękuję także za wyjątkową życzliwość, cierpliwość i wyrozumiałość, dzięki którym panująca atmosfera w pracy sprzyjała zdobywaniu wiedzy. Dziękuję Panu Prof. dr hab. Pawłowi Kuleszy, Kierownikowi Pracowni Elektroanalizy Chemicznej, za przyjcie mnie na Pracownię i umożliwienie przeprowadzenia badań Panu Prof. Zbigniewowi Galusowi, od którego rozpoczęła się moja przygoda z elektrochemią, za zainteresowanie moją osobą i pracą Pani Dr Jadwidze Stroce za stworzenie rodzinnej atmosfery na Pracowni oraz wiele budujących dyskusji Chciałbym również serdecznie podziękować Pani Prof. dr hab. Agacie Michalskiej- Maksumiuk za ogromne zaangażowanie, opiekę i pomoc w prowadzeniu moich badań, także w Instytucie Biotechnologii na Uniwersytecie w Cambridge. Dziękuję również za udostępnienie sprzętu i aparatury w Pracowni Teoretycznych Podstaw Analizy Chemicznej, w której znaczna część wyników powstała Pani Prof. Elizabeth Hall za możliwość prowadzenia badań w Instytucie Biotechnologii na Uniwersytecie w Cambridge Wszystkim pozostałym pracownikom, koleżankom i kolegom za współpracę, życzliwość, liczne dyskusje oraz wspólnie spędzony czas Dziękuję również swojej ukochanej żonie za wielkie wsparcie podczas pisania pracy Na koniec chciałbym serdecznie podziękować moim rodzicom, którzy konsekwentnie wspierali mnie i motywowali w dążeniu do osiągnięcia ostatecznego celu

Spis treści 1. WSTĘP...1 2. ELEKTRODY JONOSELEKTYWNE...3 2.1. Wprowadzenie...3 2.1.1. Podział elektrod jonoselektywnych...4 2.1.2. Historia oraz nowe koncepcje rozwoju elektrod jonoselektywnych...5 2.2. Potencjometryczna odpowiedź elektrod jonoselektywnych...11 2.2.1. Zasada działania elektrod jonoselektywnych jako czujników potencjometrycznych...11 2.2.2. Modele teoretyczne opisujące potencjał elektrod jonoselektywnych...14 2.3. Parametry analityczne elektrod jonoselektywnych...27 2.3.1. Selektywność...27 2.3.2. Granica wykrywalności...33 2.3.3. Pozostałe parametry analityczne...38 2.4. Konstrukcje i właściwości elektrod jonoselektywnych typu all-solid-state...40 2.4.1. Elektrody jonoselektywne z membraną plastyczną i kontaktem polimerowym...45 2.4.1.1. Rodzaje kontaktów polimerowych w elektrodach typu all-solid-state...46 2.4.1.2. Skład i właściwości membran PCW w elektrodach typu all-solid-state...48 3. POPRAWA PARAMETRÓW ANALITYCZNYCH ELEKTROD JONOSELEKTYWNYCH ORAZ DIAGNOSTYKA ELEKTROD DZIĘKI ZASTOSOWANIU TECHNIK ELEKTROCHEMICZNYCH...57 3.1. Polaryzacja galwanostatyczna jako metoda poprawy dolnej granicy wykrywalności elektrod jonoselektywnych...57 3.1.1. Polaryzacja galwanostatyczna elektrod z roztworem wewnętrznym...58 3.1.2 Wykorzystanie polaryzacji galwanostatycznej do poprawy dolnej granicy wykrywalności elektrod typu all-solid-state ze stałym kontaktem z polimeru przewodzącego...68 3.2. Elektrody jonoselektywne z membraną PCW o różnym składzie jako czujniki amperometryczne, woltamperometryczne i chronopotencjometryczne...73 3.2.1. Wpływ rodzaju i składu membrany na odpowiedź amperometryczną lub woltamperometryczną czujnika...75 3.2.1.1. Wpływ rodzaju membrany i jej oporności...75 3.2.1.2. Wpływ rodzaju soli lipofilowej w membranie o wysokiej zawartości PCW...78 3.2.1.3. Wpływ obecności jonoforu w membranie o wysokiej zawartości PCW...82 3.2.2. Optymalizacja parametrów analitycznych elektrody jonoselektywnej a warunki prowadzenia pomiaru metodą chronopotencjometrii...85 3.2.2.1. Odpowiedź elektrody jonoselektywnej w warunkach chronopotencjometrii pulsowej...86 3.2.2.2. Współczynnik selektywności elektrod jonoselektywnych w chronopotencjometrii pulsowej...89

3.2.2.3. Chronopotencjometryczne oznaczanie całkowitego stężenia jonów wolnych i kompleksowanych...91 3.2.2.4. Wyznaczanie współczynnika dyfuzji jonoforu lub jego kompleksu z jonami głównymi w membranie metodą chronopotencjometryczną...94 3.2.2.5. Wyznaczanie oporności i pojemności elektrycznej elektrody jonoselektywnej metodą chronopotencjometryczną...96 3.2.3. Pulstrody...98 3.2.4. Elektrody jonoselektywne typu all-solid-state w pomiarach chronopotencjometrycznych...100 4. SPEKTROMETRIA MAS Z ABLACJĄ LASEROWĄ I JONIZACJĄ W PLAZMIE INDUKCYJNIE SPRZĘŻONEJ (LA-ICP-MS) W BADANIACH ELEKTROD JONOSELEKTYWNYCH...104 4.1. Wyznaczanie całkowitej zawartości pierwiastków lub ich profili stężeniowych w membranach elektrod jonoselektywnych...104 4.1.1. Wpływ kondycjonowania na zawartość jonów i ich profile stężeniowe w membranie poliakrylanowej i PCW o różnym składzie...105 4.1.1.1. Wpływ plastyfikatora o różnej polarności w membranie PCW...105 4.1.1.2. Wpływ rodzaju soli lipofilowej i jej zawartości w membranie jonoselektywnej...108 4.1.1.3. Wpływ rodzaju matrycy membrany...110 4.1.1.4. Wyznaczanie współczynników dyfuzji jonów w membranie na podstawie zmian intensywności sygnału...113 4.1.2. Polaryzacja galwanostatyczna a profile stężeniowe jonów w plastyfikowanej membranie PCW zawierającej różne sole lipofilowe...114 5. POLIMERY PRZEWODZĄCE...117 5.1. Budowa, właściwości i otrzymywanie polimerów przewodzących...119 5.1.1. Budowa polimerów przewodzących a przewodnictwo elektryczne...119 5.1.2. Domieszkowanie jako metoda zwiększenia przewodnictwa elektrycznego...120 5.1.3. Otrzymywanie polimerów przewodzących...121 5.2. Polipirol...122 5.2.1. Budowa i właściwości przewodzące polipirolu...122 5.2.2. Elektrochemiczne otrzymywanie polipirolu...124 5.2.2.1. Warunki i metody elektrochemicznej syntezy polipirolu...124 5.2.2.2. Mechanizm elektropolimeryzacji pirolu...125 5.2.3. Właściwości elektrochemiczne polipirolu...127 6. PRZEDMIOT I CELE PRACY...134 7. METODY POMIAROWE ORAZ APARATURA I ODCZYNNIKI WYKORZYSTYWANE W PRACY...136 7.1. Metody pomiarowe...136

7.1.1. Chronowoltamperometria cykliczna...136 7.1.2. Chronoamperometria...139 7.1.3. Chronopotencjometria...140 7.1.4. Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna...142 7.1.5. Spektrometria mas z ablacją laserową i jonizacją w plazmie indukcyjnie sprzężonej (LA-ICP-MS)...146 7.2. Metodyka, aparatura i odczynniki...149 7.2.1. Metodyka...149 7.2.2. Aparatura i odczynniki...150 8. POLARYZACJA GALWANOSTATYCZNA ELEKTROD K + SELEKTYWNYCH ZE STAŁYM KONTAKTEM POLIPIROLOWYM...152 8.1. Wstępna charakterystyka potencjometryczna badanych elektrod...153 8.2. Wpływ polaryzacji katodowej i anodowej na potencjometryczne charakterystyki elektrod z membranami zawierającymi różne sole...159 8.2.1. Polaryzacja galwanostatyczna w stężonych roztworach elektrolitów...163 8.2.1.1. Wpływ polaryzacji na krzywe kalibracyjne w zakresie wysokich stężeń roztworów elektrolitów...163 8.2.1.2. Chronopotencjometryczne odpowiedzi elektrod w stężonych roztworach elektrolitów...172 8.2.2. Polaryzacja galwanostatyczna w rozcieńczonych roztworach elektrolitów...175 8.2.2.1. Wpływ polaryzacji na krzywe kalibracyjne w zakresie niskich stężeń roztworów elektrolitów i efekt obniżania dolnej granicy wykrywalności...175 8.2.2.2. Chronopotencjometryczne odpowiedzi elektrod w rozcieńczonych roztworach elektrolitów... 183 8.3. Teoretyczna analiza krzywych chronopotencjometrycznych uwzględniająca procesy dyfuzyjne.. 189 8.4. Chronopotencjometryczne badanie oporności i pojemności elektrod...191 9. WPŁYW KONDYCJONOWANIA METODĄ POLARYZACJI GALWANOSTATYCZNEJ NA ODPOWIEDŹ POTENCJOMETRYCZNĄ ELEKTRODY JONOSELEKTYWNEJ ZE STAŁYM KONTAKTEM POLIPIROLOWYM...195 9.1. Wstępne badanie wpływu czasu kondycjonowania w obwodzie otwartym...196 9.2. Kondycjonowanie elektrody w warunkach polaryzacji galwanostatycznej...198 9.2.1. Pomiar potencjometryczny bezpośrednio po polaryzacji katodowej w roztworze jonów głównych...200 9.2.2. Pomiar potencjometryczny po polaryzacji katodowej i dodatkowym kondycjonowaniu w obwodzie otwartym...205 10. SPEKTROMETRIA MAS Z ABLACJĄ LASEROWĄ W BADANIU PROFILI STĘŻENIOWYCH W ELEKTRODZIE PODDANEJ POLARYZACJI GALWANOSTATYCZNEJ...215 10.1. Wstępna polaryzacja galwanostatyczna badanych elektrod...216

10.2. Profile stężeniowe jonów w elektrodzie jonoselektywnej ze stałym kontaktem polipirolowym poddanej polaryzacji galwanostatycznej...218 10.2.1. Profile stężeniowe jonów w elektrodzie jonoselektywnej ze stałym kontaktem polipirolowym poddanej polaryzacji katodowej lub anodowej...220 10.2.1.1. Wpływ polaryzacji katodowej...220 10.2.1.2. Wpływ polaryzacji anodowej...224 10.2.2. Profile stężeniowe jonów w elektrodzie jonoselektywnej ze stałym kontaktem polipirolowym poddanej naprzemiennie polaryzacji katodowej i anodowej...226 10.2.3. Profile stężeniowe jonów w elektrodzie jonoselektywnej ze stałym kontaktem polipirolowym pozostawionej po polaryzacji katodowej...228 11. AMPEROMETRIA, WOLTAMPEROMETRIA i CHRONOPOTENCJOMETRIA ELEKTROD JONOSELEKTYWNYCH ZE STAŁYM KONTAKTEM POLIPIROLOWYM...230 11.1. Chronopotencjometryczne wyznaczanie czasu przejścia jako sygnału analitycznego...231 11.1.1. Przewidywany czas przejścia związany z procesem redukcji warstwy polipirolu oraz ograniczeniami w transporcie jonów i jonoforu w warunkach polaryzacji galwanostatycznej...231 11.1.2. Chronopotencjometryczna redukcja warstwy polipirolu...235 11.1.3. Wyznaczanie czasu przejścia związanego z polaryzacją stężeniową jonów głównych w badanym roztworze elektrolitu...238 11.2. Elektroda jonoselektywna ze stałym kontaktem polipirolowym jako czujnik amperometryczny...243 11.2.1. Elektroda z klasyczną membraną o wysokiej oporności...244 11.2.1.1. Odpowiedź chronoamperometryczna badanych elektrod...244 11.2.1.2. Woltamperometria pulsowa normalna z udziałem badanych elektrod...249 11.2.2. Elektroda jonoselektywna z membraną jonoselektywną o obniżonej zawartości PCW...254 11.2.2.1. Właściwości elektrod z membranami o obniżonej zawartości PCW...254 11.2.2.2. Odpowiedź chronoamperometryczna elektrody z membraną o obniżonej zawartości PCW...265 11.2.2.3. Woltamperometria pulsowa normalna elektrody z membraną o obniżonej zawartości PCW...269 12. PODSUMOWANIE I WNIOSKI...272 BIBLIOGRAFIA...275 WYKAZ WŁASNYCH PUBLIKACJI...285

Wykaz skrótów i symboli Symbole rzymskie: a aktywność A powierzchnia elektrody / anion A / jedna ze stałych w równaniu Debye`a-Hückla zależna od rodzaju rozpuszczalnika i jego temperatury AFM (atomic force microscopy) mikroskopia sił atomowych AP (all-plastic) całkowicie z plastiku (wszystkie użyte elementy zbudowane z polimerów) aq (aqua) faza wodna roztworu próbki ASS (all-solid-state) całkowicie stałe (pozbawione ciekłych elementów) elektrody B jedna ze stałych w równaniu Debye`a-Hückla zależna od rodzaju rozpuszczalnika i jego temperatury BG (background) tło c stężenie molowe C pojemność 0 c początkowe stężenie molowe, przed rozpoczęciem polaryzacji * c stężenie określonego jonu, jonoforu lub kompleksu tego jonu z jonoforem mierzone bez obecności innych jonów o tym samym znaku CaNTA kompleks ligandu nitrylotrioctanowego z kationem wapnia CCB (constant complexation buffer) bufor stosowany w procedurze oznaczania całkowitego stężenia jonów metodą potencjometryczną CCD (charge-coupled device) kamera posiadająca układ wielu elementów światłoczułych Celgard porowate membrany z polipropylenu lub polietylenu const (constans) stała wielkość CP (conducting polymer) polimer przewodzący / (circuit potential) potencjał w warunkach polaryzacji galwanostatycznej lub potencjostatycznej CPE element w obwodzie zastępczym o zmiennym charakterze kondensatora lub opornika cps (count per second) liczba zliczeń w ciągu jednej sekundy. Jednostka stosowana w LA- ICP-MS critical wartość bliska zeru wywołująca nagłą zmianę odpowiedzi całego układu ct (charge transfer) przeniesienie ładunku CWE (coated wire electrode) elektroda z powlekanym drutem CV (cyclic voltammetry) woltamperometria cykliczna d grubość d średnia efektywnej średnicy kationu i anionu w równaniu Debye`a-Hückla D współczynnik dyfuzji, dyfuzja dl / DL (double laser) podwójna warstwa / (detection limit) limit detekcji DS - anion dodecylosiarczanowy DOS sebacynian di(2-etyloheksylu) (plastyfikator) E potencjał lub pole elektryczne E E E 0 0 * E(CCE) n EDTA E g EIS EMI EPR eq potencjał standardowy potencjał mierzony w obecności tylko jednego rodzaju jonów w roztworze średni potencjał w warunkach prądu zmiennego kolejno zachodzące etapy polimeryzacji pirolu (ethylenediaminetetraacetic acid) kwas etylenodiaminotetraoctowy, wersanowy przerwa energetyczna pomiędzy HOMO i LUMO w polimerze przewodzącym (różnica energetyczna pomiędzy pasmem walencyjnym i przewodzącym) (electrochemical impedance spectroscopy) elektrochemiczna impedancja spektroskopowa (electromagnetic interference shielding) materiał ekranujący i chroniący przed wpływem pola elektromagnetycznego (electron paramagnetic resonance) paramagnetyczny rezonans elektronowy equilibrium stan równowagi

EQCM (electrochemical quartz crystal micro balance) elektrochemiczna mikrowaga kwarcowa erf funkcja błędu ESR (electron spin resonance) rezonans spinu elektronowego ETH Eidgenössische Technische Hochschule ETH1001 jonofor selektywny na kationy wapnia ETH500 tetrakis(p-chlorofenylo)boran tetradodecyloamonu (TDATpClPB) ETH5234 jonofor selektywny na kationy wapnia ETH5294 jonofor selektywny na kationy wodorowe F stała Faradaya (96 485 C mol -1 ) FET (field effect transistor) tranzystor polowy f współczynnik aktywności FIM (Fixed Interference Method) metoda roztworów mieszanych ATR FT-IR (attentuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy) Spektroskopia osłabionego całkowitego odbicia w podczerwieni z transformacją Fouriera GC (glassy carbon) węgiel szklisty 0 G entalpia swobodna GW granica wykrywalności HOMO (highest occupied molecular orbital) najwyższy energetycznie obsadzony elektronami orbital molekularny I siła jonowa roztworu / jon główny I / intensywność sygnału w pomiarach LA-ICP- MS i natężenie prądu I PB intensywność sygnału w powierzchniowej części membrany, od strony roztworu próbki dla czasu t>0 i odległości od wewnętrznej strony ISM x=d ISM. IFS (internal filling solution) roztwór wewnętrzny i lim natężenie prądu limitującego IL kompleks jonu głównego I z jonoforem L ISE (ion selective electrode) elektroda jonoselektywna ISM (ion selective membrane) membrane jonoselektywna ISME (ion selective microelectrodes) mikroelektrody jonoselektywne ITIES (interface of two immiscible electrolyte solutions) granica faz dwóch niemieszających się roztworów elektrolitów IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej j 2 2 gęstość prądu lub jednostka urojona spełniająca warunek j 1; j 1 J strumień jonów / jony przeszkadzające J k stała swobodnej entlpii przeniesienia jonu przez granicę faz lub współczynnik stechiometryczny K stała równowagi wymiany jonowej lub współczynnik selektywności K stała koekstrakcji jonów koekstr pot K potencjometryczny współczynnik selektywności MPM k współczynnik selektywności wyznaczony metodą MPM KTFPB tetrakis[3,5-bis(trifluorometylo)fenylo]boran potasu KTpClPB tetrakis(p-chlorofenylo)boran potasu (wymieniacz jonowy) L jonofor LA-ICP-MS (laser ablation inductive coupled plasma mass spectrometry) spektrometria mas z odparowaniem laserowym i jonizacją w plazmie indukcyjnie sprzężonej LD limit detekcji LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) najniższy energetycznie nieobsadzony elektronami orbital molekularny MPM (Matched Potential Method) metoda dopasowania potencjałów MTDDA kation tridodecylometyloamonowy

n NaDS NaPSS NaTFPB NEXAFS NPP NTA - OCP OFET OLED liczba wymienianych elektronów / współczynnik stechiometryczny np. powstawania kompleksu jon - jonofor / niezależny od częstotliwości wykładnik potęgowy w równaniu opisującym element stałofazowy dodecylosiarczan sodu poli(4-styrenosulfonian) sodu tetrakis[3,5-bis(trifluorometylo)fenylo]boran sodu (wymieniacz jonowy) (near edge X-ray absorption fine structure) model / równanie Nernsta-Plancka-Poissona anion nitrylotrioctanowy (ligand kompleksujący m.in. jony wapnia) (open circuit potential) potencjał w obwodzie otwartym (organic field-effect transistors) tranzystor polowy pochodzenia organicznego (organic light emitting diode) dioda pochodzenia organicznego emitująca światło pod wpływem płynącego prądu eter orto-nitrofenylooktylowy (plastyfikator) faza organiczna (lipofilowa) membrany o-npoe org OX forma utleniona pary redoks, aktywność formy utlenionej p faza polimeru przewodzącego PA poliacetylen PANI polianilina PB (phase boundary) warstwa graniczna faz PCW polichlorek winylu (PVC, poly-vinyl chloride) PDOT poli(3,4-dioktyloksytiofen) PEDOT poli(3,4-etyleno-1,4-dioksytiofen) ph ujemny logarytm ze stężenia kationów wodorowych PMT poli(3-metylotiofen) poli-hema poli(metakrylan 2-hydroksyetylen) POT poli(3-oktylotiofen) PPP poli(p-fenylen) PPy polipirol PPyCl polipirol domieszkowany jonami chlorkowymi (Cl - ) PPyDS polipirol domieszkowany anionem dodecylosiarczanowym (DS - ) PPyPSS polipirol domieszkowany anionami PSS - PPySO 4 polipirol domieszkowany jonami siarczanowymi VI (SO 2-4 ) PPV poli(p-fenylenowinylen) PSS - anion poli(4-styrenosulfonianowy) PT politiofen Py pirol Q ładunek Q 0 wielkość numeryczna admitancji przy 1rad/s r promień elektrody R stała gazowa (8,3144621 J mol -1 K -1 ) / opór elektryczny / wymieniacz jonowy -R grupa alkilowa RED forma zredukowana pary redoks SB (salt bridge) klucz elektrolityczny s (t) parametr pivot (współczynnik pokrycia powierzchni lub wypełnienia centrów wymiany jonowej) SEM siła elektromotoryczna (EMF, electromotoric force) lub (scanning electron microscopy) elektronowa mikroskopia skaningowa SC (solid contact) kontakt ze stałego materiału SP (single piece) w jednym elemencie (dotyczy membrany zawierającej domieszkę kontaktu) S-PG (screen-printed graphite layer) drukowana warstwa grafitu, tzw. sito-drukowanie SSM (Separate Solution Method) metoda roztworów rozdzielonych t czas T temperatura w skali bezwzględnej (K) TDAT + kation tetradodecyloamoniowy TDATCl chlorek tetradodecyloamonu TFPB - anion tetrakis[3,5-bis(trifluorometylo)fenylo]boranu

T g THF total TpClPB - u U UPS v V ' XPS x Y Z Z 0 CPE (glass transition temperature) temperatura zeszklenia tetrahydrofuran całkowite stężenie określonych jonów, jonoforu lub jego kompleksu z jonami w danym ośrodku anion tetrakis(p-chlorofenylo)boranu ruchliwość jonów, jonoforu lub kompleksu jonoforu z jonami stała składowa przyłożonego napięcia do elektrod w kwadrupolowym spektrometrze mas (ultraviolet photoelectron spectroscopy) spektroskopia fotoelektronów w zakresie ultrafioletu szybkość zmiany polaryzacji elektrody pracującej zmienna składowa przyłożonego napięcia do elektrod w kwadrupolowym spektrometrze mas (X-ray photoelectron spectroscopy) rentgenowska spektroskopia fotoelektronów odległość x admitancja impedancja moduł wektora impedancji Z (constant phase element) element stałofazowy niezależny od częstotliwości Z W impedancja Warburga ładunek jonu z 0 ~ 0 Symbole greckie: stała kompleksowania grubość warstwy dyfuzyjnej zmiana, różnica przenikalność elektryczna potencjał chemiczny jonu potencjał elektrochemiczny standardowy potencjał chemiczny, * wiązanie drugie, pasmo odpowiednio wiążące i antywiążące *, wiązanie pierwsze, pasmo odpowiednio wiążące i antywiążące 1/ 2 czas przejścia związany z wyczerpaniem się jonów na granicy faz jako nośników płynącego prądu faraday owskiego potencjał 0 potencjał standardowy przesunięcie fazowe funkcji odpowiedzi układu pobudzonego elektrycznie (kąt przesunięcia fazowego lub tzw. kąt skierowany funkcji przeniesienia) częstotliwość prądu lub potencjału

1. Wstęp Na początku lat 90-tych elektrody jonoselektywne wykorzystujące membrany plastyczne, miały już ponad 20-to letnią historię [10]. Jednocześnie potencjometria była już powszechnie stosowaną metodą w rutynowych analizach, szczególnie w laboratoriach klinicznych do oznaczania jonów K +, Na +, Ca 2+, Cl -, a także ph w próbkach fizjologicznych [10,46,47]. Szacowano, że fachowa literatura opisująca sensory jonoselektywne to zbiór ponad 7000 publikacji dla ponad 50 różnych analitów [8,9,34,46]. Popularność ta wynikała z niskich kosztów użytkowania, łatwości obsługi, dużej szybkości odczytu oraz możliwości przeprowadzenia pomiaru bez zmiany jakościowej i ilościowej próbki [8]. Dużą rolę w sukcesie elektrod jonoselektywnych odegrało opracowanie plastycznej membrany z polichlorku winylu (PCW) [43,44], dzięki czemu produkcja i przechowywanie elektrod stało się łatwiejsze, a odczyty czujnika bardziej stabilne i wiarygodne. Przez ostatnie dwie dekady elektrody jonoselektywne przeszły renesans i cichą rewolucję [26,27]. Dzięki znacznej poprawie selektywności [50-52,59] oraz obniżeniu granicy wykrywalności o kilka rzędów wielkości [50-53] stało się możliwe tańsze (w porównaniu z metodami spektroskopowymi) oznaczanie śladowych stężeń jonów w próbkach. Nie bez znaczenia w rozwoju elektrod jonoselektywnych okazały się również zmiany konstrukcyjne, które polegały na zastąpieniu roztworu wewnętrznego tzw. stałym kontaktem (np. z polimeru przewodzącego), dzięki czemu miniaturyzacja i uproszczenie budowy stały się jeszcze łatwiejsze, a prace nad poprawą parametrów analitycznych bardziej owocne [84]. W ostatnich latach coraz bardziej na znaczeniu zyskują metody pomiarowe z udziałem elektrod jonoselektywnych w warunkach polaryzacji, np. galwanostatycznej lub potencjostatycznej. Zalety wynikające z zastosowania prądowych technik elektrochemicznych oraz nowe możliwości analityczne i diagnostyczne [76,94,96,99,121-136] wydają się zachęcać do dalszych badań nad elektrodami jonoselektywnymi, szczególnie ze stałym kontaktem polimerowym. Z tego powodu w niniejszej pracy został położony nacisk na możliwość różnorodnego wykorzystania metod elektrochemicznych z udziałem elektrod jonoselektywnych, które tradycyjnie są kojarzone raczej z potencjometrią. W celu lepszego zrozumienia procesów zachodzących pod wpływem polaryzacji, jako modelowy układ wybrano elektrody zbudowane z dobrze poznanych i szeroko wykorzystywanych materiałów. Jako materiał membrany jonoselektywnej wybrano plastyfikowany polichlorek winylu z dodatkiem jonoforu walinomycyny (elektrody selektywne na jony potasu) wraz z opcjonalnie 1

trzema różnymi solami spełniającymi rolę m.in. wymieniaczy jonowych / soli lipofilowych. Stałym kontaktem umieszczonym pomiędzy membraną jonoselektywną a podłożem elektrody był polipirol domieszkowany anionami chlorkowymi. We wprowadzeniu do zagadnień poruszonych w pracy, w rozdziałach 2 5 zamieszczono przegląd literaturowy opisujący przedmiot badań, czyli elektrody jonoselektywne, polimery przewodzące (z naciskiem na polipirol), a także m.in. ważniejsze osiągnięcia dotyczące tychże elektrod jako czujników działających w warunkach chronopotencjometrycznych lub woltamperometrycznych. Zamieszczono również opis dotychczasowych osiągnięć w dziedzinie analizy procesów zachodzących w membranach elektrod jonoselektywnych metodą spektrometrii mas, stosowaną w niniejszej rozprawie. Natomiast kolejne rozdziały 6 12 obejmują część doświadczalną pracy, gdzie opisano jej cele, podstawy teoretyczne stosowanych technik pomiarowych oraz wszystkie wyniki z przeprowadzonych doświadczeń wraz z końcowymi wnioskami i podsumowaniem. W rozdziale 8 poruszona została tematyka poprawy dolnej granicy wykrywalności elektrod dzięki zastosowaniu galwanostatycznej polaryzacji elektrod małymi prądami rzędu kilkudziesięciu nanoamperów. Polaryzacja stałym prądem stanowi również alternatywny sposób na precyzyjne kondycjonowanie elektrod (rozdział 9). W rozdziale 11 przedstawiono możliwość wykorzystania chronopotencjometrii, chronoamperometrii lub woltamperometrii jako metod analitycznych w oznaczaniu stężenia jonów potasu. Dużo uwagi poświęcono też diagnostyce, jaką mogą spełniać metody elektrochemiczne przy badaniu podstawowych parametrów elektrycznych czujników. Uzupełnieniem stosowanych technik elektrochemicznych w zrozumieniu zachodzących procesów w warunkach polaryzacji elektrod jonoselektywnych może być metoda spektrometrii mas (opisana w rozdziale 10). Na końcu rozprawy zamieszczono odpowiednio podsumowanie pracy wraz z wnioskami (w rozdziale 12) oraz bibliografię zawierającą listę cytowanych oraz własnych publikacji. Na początku rozprawy (przed niniejszym wstępem) znajduje się wykaz stosowanych skrótów i symboli. Często do opisu jednej, konkretnej wielkości używano kilku symboli. Na przykład wielkość c IL org, PB, IFS, oznacza stężenie c kompleksu IL jonów głównych I i jonoforu L w powierzchniowej ( PB ) warstwie membrany ( org ) od strony roztworu wewnętrznego ( IFS ). 2

2. Elektrody jonoselektywne 2.1. Wprowadzenie Elektrody jonoselektywne, zgodnie z zaproponowaną definicją przez IUPAC w 1975 [1], to czujniki elektrochemiczne, których potencjał jest liniowo zależny od logarytmu aktywności oznaczanego jonu w roztworze. Jest to uproszczona definicja, która została znacznie poszerzona w następnym dokumencie wydanym w roku 1994 wraz z rekomendacjami dotyczącymi nomenklatury, parametrów oraz innych zagadnień ściśle związanych z elektrodami jonoselektywnymi i pomiarami potencjometrycznymi [2]. Jak zostało wspomniane w definicji, elektrody jonoselektywne należą do grupy czujników elektrochemicznych, które stanowią obecnie najstarszą i chyba najszerszą grupę sensorów chemicznych. Jak sama nazwa wskazuje, zasada działania czujników tego typu jest oparta na interakcji pomiędzy chemią a elektrycznością [3,4]. Fragment czujnika, gdzie główną rolę odgrywa chemia, to część receptorowa. Występuje tam zazwyczaj specyficzne oddziaływanie badanej próbki z chemicznie czułym ośrodkiem (np. membraną) [4]. Dalsza część czujnika nie wykazuje selektywności i ma za zadanie przekształcić odebrany sygnał chemiczny na elektryczny, zazwyczaj w postaci prądu lub zmiany potencjału. Dzięki temu jest możliwe zmierzenie pewnych parametrów jakościowych i ilościowych próbki lub zachodzących w niej zmian, wyświetlenie sygnału oraz późniejsze przechowywanie i analiza danych. Tej części czujnika można zatem przypisać drugi termin elektryczność [4,5,6]. Ze względu na rodzaj mierzonego sygnału, sensory elektrochemiczne można podzielić na trzy główne grupy: (i)czujniki potencjometryczne wykorzystywane do pomiarów potencjometrycznych, (ii)czujniki amperometryczne lub woltamperometryczne wykorzystujące pomiar prądu oraz (iii)czujniki konduktometryczne, gdzie mierzone jest przewodnictwo [7]. Dodatkowo istnieje duża grupa chemicznie czułych układów, które są także wykorzystywane jako sensory, jednak ze względu na wysoką specyficzność ich działania i budowy, trudno zakwalifikować je do jakiejkolwiek z ww. grup [3,5]. Elektrochemicznymi sensorami o najdłuższej historii i najprawdopodobniej najszerszym zakresie praktycznego wykorzystania w różnych laboratoriach, są niewątpliwie elektrody jonoselektywne należące do grupy czujników potencjometrycznych [3,7,8,10-13]. 3

2.1.1. Podział elektrod jonoselektywnych Dzięki różnorodności pod względem przeznaczenia i budowy oraz niskiej cenie, elektrody jonoselektywne są obecnie wykorzystywane jako część potencjometrycznego układu pomiarowego w analizach próbek pochodzenia klinicznego, przemysłowego (również kosmetyki), środowiskowego i rolniczego (żywność) [3,4,11,14]. Zawdzięczają one swój sukces i szerokie wykorzystanie prostej zasadzie działania czujnika, która opiera się o selektywny wpływ analitu na część receptorową elektrody i związaną z tym zmianę potencjału, co gwarantuje zazwyczaj niskie koszty elektrody i całej aparatury pomiarowej, a także łatwość obsługi. Można wyróżnić następujące rodzaje elektrod jonoselektywnych: (i)podstawowe, (ii)złożone (wielowarstwowe lub wielomembranowe) oraz (iii)stałe (ASS, allsolid-state) [2]. Do pierwszej grupy można zaliczyć wszystkie elektrody z homogenicznymi lub heterogenicznymi membranami krystalicznymi, np. z Ag 2 S czy AgI/Ag 2 S (homogeniczne), lub te same kryształy zmieszane z obojętną gumą silikonową czy PCW tworzące czułą membranę (heterogeniczne). Koncepcje tego typu elektrod były rozwijane przez wiele lat ubiegłego wieku (lata 20-te do połowy 60-tych) i zgodnie z moją wiedzą obecnie nie są w centrum zainteresowania badaczy. Do zdecydowanie nowszych rozwiązań, ale należących do tej samej grupy elektrod, należą także wszystkie elektrody z membraną niekrystaliczną, zawierające roztwór wewnętrzny. Membrany te to zazwyczaj różnego rodzaju syntetyczne polimery lub bardzo cienkie szkło, gdzie właściwości selektywne materiału wynikają z odpowiedniej budowy mikroskopowej polimeru (czy szkła), czyli właściwości samej matrycy, lub są one wywoływane w obojętnym polimerze poprzez różnego rodzaju dodatki tworzące razem homogeniczną, mikro- (np. poliwęglan propylenu) lub makroporowatą (np. PCW) membranę. Do wspomnianych dodatków należą odpowiednie plastyfikatory, wymieniacze jonowe (kationowe lub anionowe sole lipofilowe) oraz opcjonalnie posiadające lub nieposiadające ładunku nośniki jonów (jonofory), które zwiększają znacznie selektywność. Następna, druga grupa elektrod jonoselektywnych to konstrukcje o bardziej złożonej budowie. Należą do niej elektrody gazowe i enzymatyczne. W obydwu przypadkach możemy tutaj wyróżnić dodatkową warstwę oddzielającą właściwą elektrodę jonoselektywną od badanej próbki. W przypadku elektrody gazowej jest to roztwór lub powietrzna komora ograniczona od strony analitu półprzepuszczalną dla gazów membraną. Wnikające do środka substancje gazowe zmieniają skład roztworu, co jest rejestrowane dzięki usytuowanej w głębi membranie jonoselektywnej. Przykładem mogą być tu elektrody czułe na CO 2, NH 3, NO 2 lub 4

SO 2, gdzie elektroda pehametryczna rejestruje zmiany kwasowości w roztworze wewnętrznym, który absorbuje gaz z otoczenia dając ostatecznie informację na temat stężenia tych gazów w oznaczanej próbce lub otoczeniu. W elektrodach enzymatycznych natomiast, warstwa pośrednia zawiera enzym, który w obecności odpowiedniego substratu uaktywnia się i umożliwia zajście reakcji dającej produkt, na który czuła jest usytuowana pod spodem membrana jonoselektywna. Ostatnią i obecnie najintensywniej rozwijaną grupą elektrod jonoselektywnych są elektrody typu all-solid-state. W elektrodach tych skład membrany jest podobny jak w przypadku elektrod pierwszego rodzaju z membraną niekrystaliczną, jednak brak jest tutaj roztworu wewnętrznego i typowego półogniwa wyprowadzającego, np. Ag/AgCl/Cl -. Dokładny opis wszystkich rodzajów elektrod ASS został zamieszczony w rozdziale 2.4. Ze względu na zastosowanie tych samych materiałów i zbliżone rozwiązania konstrukcyjne, do tej grupy elektrod można również zaliczyć wszystkie mikroelektrody jonoselektywne pozbawione roztworu wewnętrznego, optoelektrody [8,9,15] oraz tzw. elektrody sitodrukowane (screen-printed graphite layer, S-PG) [16-20]. 2.1.2. Historia oraz nowe koncepcje rozwoju elektrod jonoselektywnych Korzeni samej potencjometrii można doszukiwać się już w drugiej połowie XVIII wieku, kiedy to powstały pierwsze prace Galvaniego (1737-1799), które następnie były kontynuowane przez Voltę (1755-1827). Pierwszą interpretację procesów elektrochemicznych, które zachodzą na granicy faz metal-roztwór przedstawił Nernst (1864-1941). Jemu także można przypisać pierwsze próby użycia półogniwa jako elektrody jonoselektywnej, kiedy to w 1897 roku wykorzystał po raz pierwszy gazową elektrodę wodorową do zmierzenia kwasowości roztworu [21]. Dzięki pracom Nernsta, na początku XX wieku inni badacze na całym świecie zajęli się projektowaniem różnych półogniw (elektrody 1, 2 i 3 rodzaju), a następnie, na podstawie rozważań termodynamicznych i różnego rodzaju eksperymentów (m.in. prądowych), podjęli próbę zrozumienia zasady ich działania oraz zachodzących procesów na granicy faz pomiędzy przewodnikiem elektrycznym a roztworem elektrolitu [21,22]. Jedną z ważniejszych lekcji wyniesionych z tego okresu to niewątpliwie odkrycie elektrycznej warstwy podwójnej na granicy faz metal-roztwór. Odkryto także, że zmiany potencjału elektrody są związane z pojemnością warstwy i gromadzeniem się jonów po stronie roztworu o przeciwnym znaku niż ładunek zakumulowany na powierzchni sąsiadującego przewodnika elektrycznego [22]. 5

Równolegle w tym samym czasie prowadzono prace nad szklaną elektrodą czułą na zmiany ph. Ponieważ regularne stosowanie gazowej elektrody wodorowej do oznaczania kwasowości roztworu wydawało się niewygodne i niepraktyczne, zaczęto poszukiwać innych rozwiązań (m.in. elektroda antymonowa) [21]. Jednak pionierska i przełomowa praca autorstwa Cremera dotycząca odpowiedzi ph cienkich szklanych membran, która pojawiła się w roku 1906, okazała się dopiero odpowiednim krokiem w kierunku odkrycia funkcjonalnej elektrody pehametrycznej [21-24]. Dalej, w kolejnych latach koncepcja ta była rozwijana przez Habera i Klemensiewicza [21,22,24,25] dając podwaliny do opracowania w latach 20- tych pierwszej szklanej elektrody czułej na zmiany ph, która następnie pojawiła się w handlu w połowie lat 30-tych, głównie dzięki opracowaniu potencjostatu do mierzenia ph przez Beckmana w USA lub firmę Radiometer w Niemczech [21,24]. Warto także wspomnieć o zasługach Sørensena w pracach nad skalą ph, który na przełomie wieków XIX i XX pracował w Kopenhadze w browarze Carlsberg i potrzebował odpowiedniej skali kwasowości do kontrolowania reakcji enzymatycznych [21]. Oprócz szklanej elektrody jonoselektywnej czułej na kationy wodorowe, zaczęto opracowywać sensory czułe na inne jony, gdzie membranę stanowiły kryształy odpowiedniej soli (krystaliczne elektrody homogeniczne). W roku 1921, dzięki pracom grupy Trümplera, pojawiają się pierwsze elektrody na bazie soli srebra [26], a następnie w 1937 r. Kolthoff i Sanders opracowali inne elektrody z membranami z halogenków srebra [27]. Rok wcześniej ukazała się praca Tendeloo o elektrodzie z membraną na bazie fluorku wapnia [28]. Innymi ważnymi materiałami odkrytymi w latach 30-tych, były syntetyczne, modyfikowane różnymi grupami funkcyjnymi polimery, które spełniały raczej rolę wymieniaczy jonowych i wykazywały ogólną odpowiedź potencjometryczną dla wielu jonów o tym samym znaku (permselektywność). Jako pierwszy został zastosowany modyfikowany grupami sulfonowymi polistyren, a następnie pojawiły się politetrafluoroetylen z kowalencyjnie unieruchomionymi grupami SO - 3 oraz plastyfikowany polichlorek winylu modyfikowany grupami COO -, SO - 3, (P=O)(OH) 2 (O - ) i NR + 3. Polimery z grupami kationowymi wykazywały właściwości anionowymienne, a z grupami naładowanymi ujemnie wymieniały kationy. Tutaj także, dzięki eksperymentalnym obserwacjom oraz teoretycznym rozważaniom na temat przenikalności elektrycznej i gęstości ładunku jonów, ustalono tzw. szereg Hofmeistera [29] określający lipofilowość jonów i zarazem ich zdolność do dyfundowania do wnętrza hydrofobowych membran [22,30]. Niestety oprócz elektrody pehametrycznej, żaden z powyższych czujników nie znalazł szerszego zastosowania. 6

Dalsze przełomowe prace na temat elektrod jonoselektywnych pojawiły się dopiero w latach 60-tych i uznaje się ten okres za narodziny tzw. nowoczesnej potencjometrii, gdzie dokonano kilku przełomowych odkryć [8,10]. Jak to zazwyczaj bywa, nie byłyby one możliwe bez wszystkich wcześniejszych prac poprzednich badaczy, również tych aktywnie zajmujących się teoretycznymi rozważaniami na temat selektywności ISE oraz mechanizmu wymiany jonowej i przeniesienia ładunku na granicy faz - Nikolskiego [31] i Eisenmana [32]. Pierwszym zespołem, który intensywnie działał w tamtych latach była grupa Pungora z Węgier. W roku 1961 Pungor opublikował swoją pierwszą pracę na temat elektrody z heterogeniczną membraną na bazie kryształów AgI wbudowanych w obojętną matrycę, a następnie wraz ze swoimi współpracownikami opatentował heterogeniczne membrany jonoselektywne, które stanowiły podstawę konstrukcji późniejszych, komercyjnie dostępnych membran i elektrod [22]. W późniejszym okresie pojawiły się też dalsze publikacje na temat elektrod z tego typu membranami, gdzie wprowadzono liczne modyfikacje i udoskonalenia pozwalające na otrzymanie szeregu niezawodnych elektrod, możliwych do praktycznego wykorzystania w rutynowych analizach potencjometrycznych [33]. Bardziej uznanymi i ciekawszymi konstrukcjami okazały się elektrody zaprojektowane w zespole firmy Orion Research autorstwa J. Rossa i M. Franta [34]. Niektórzy autorzy uważają wręcz ich dokonania za przełomowe, które zapoczątkowały nową erę w potencjometrii [22]. To właśnie po publikacjach tego zespołu w Science zapanowało poruszenie w środowisku naukowym i biznesowym istotnie zwiększając liczbę pojawiających się artykułów i sympozjów dedykowanych elektrodom jonoselektywnym na kolejne ponad 20 lat [21]. Do ciekawych rozwiązań zespołu należała fluorkowa elektroda z homogeniczną membraną z LaF 3 [35], w której później zastosowano sole Eu 2+ w celu zmniejszenia całkowitego oporu. Innym przełomowym rozwiązaniem było zaproponowanie po raz pierwszy ciekłej membrany wraz z lipofilowymi wymieniaczami jonowymi. Dzięki estrom kwasu fosforowego kompleksującym selektywnie kationy wapnia udało się otrzymać dobrej jakości elektrodę wapniową (in blood-gass analyzers) [36]. Wiele z tych rozwiązań zostało opatentowanych, a następnie zastosowanych w elektrodach komercyjnie dostępnych [21,22,34,35,36]. Bardzo ważnym zagadnieniem rozwijanym w tym czasie przez Pedersena [37] i Lehna [38] była chemia dotycząca zjawiska oddziaływań gospodarz-gość (host-guest chemistry). Autorom udało się zsyntetyzować duże, makrocykliczne związki wykazujące właściwości kompleksujące jony metali lekkich (alkalicznych), które zostały nazwane jonoforami. Było to odkrycie o tyle ważne, że pozwalało na konstruowanie membran czułych na dotąd 7

niemożliwe do oznaczania kationy. W tym samym czasie Moore i Presmann, działający zupełnie w innej dziedzinie poza chemią analityczną, dokonali jak się później okazało istotnego odkrycia z punktu widzenia rozwoju membran jonoselektywnych. Zwrócili uwagę na pozbawione ładunku, makrocykliczne antybiotyki, które indukują dyfuzję jonów w mitochondriach [39]. Następnie Simon z ETH w Zürychu wraz z Stefanac iem podjęli prace na temat naturalnych ligandów makrocyklicznych zawartych m.in. w trujących grzybach doprowadzając do opracowania i opatentowania elektrody czułej na kationy potasu na bazie ciekłej membrany z jonoforem walinomycyną [40]. Pod koniec lat 60-tych elektrody z membranami ciekłymi były już znanymi i akceptowanymi konstrukcjami. Oprócz zespołu z firmy Orion Research, tematyką tą zajmowało się kilku innych badaczy, mi.in. Shatkay [41,42]. W roku 1967 pojawiła się koncepcja przeniesienia i zaimplementowania składników membrany ciekłej do PCW, którą przedstawili wspólnie Bloch, Shatkay i Saroff [43]. Następnie kilka lat później Moody i Thomas opracowali praktyczną procedurę przygotowywania membrany na bazie plastyfikowanego PCW [44]. Oprócz powyższych zespołów w latach 60-tych i 70-tych bardzo intensywne prace na temat ISE były prowadzone w kilku innych grupach na całym świecie: Heyrovsky w dawnej Czechosłowacji, Shikata w Japonii oraz Kemula i Hulanicki w Polsce [21,45]. Następnie po tym okresie w latach 80-tych i na początku 90-tych można zaobserwować stagnację, kiedy pojawiło się znacznie mniej prac dotyczących ISE. Pod koniec ubiegłego wieku potencjometria zaczęła być postrzegana jako dojrzała technika i nie spodziewano się następnych znaczących odkryć w tej dziedzinie chemii. Mimo to, w latach 90-tych pojawiło się kilka przełomowych prac Sokalskiego i Pretscha, które po raz kolejny zapoczątkowały zainteresowanie potencjometrią trwające aż do dziś [7-10,12,45-49]. Stało się tak za sprawą znacznej poprawy granicy wykrywalności, czasem nawet o 3-4 rzędy wielkości (od stężenia 10-6 M do wartości poniżej 10-9 M) [48,50-58] oraz lepszego zrozumienia wpływu jonów przeszkadzających na odpowiedź potencjometryczną ISE, co spowodowało także uzyskanie poprawionych i wyraźnie niższych współczynników selektywności rzędu 10-9 [50-52,59,60]. Równolegle pojawiło się dużo prac, gdzie przeprowadzono teoretyczne rozważania [61-63], szczególnie na temat bezprądowej dyfuzji jonów poprzez membranę jonoselektywną do roztworu próbki [46,53,64-66], dzięki czemu elektrody jonoselektywne stały się sensorami najlepiej poznanymi od strony mechanizmu funkcjonowania [10,45]. Wyciek jonów przez membranę i związane z tym ograniczenia elektrod to nowe wyzwania, z jakimi musieli się zmierzyć badacze. Zaczęto poszukiwać nowych materiałów, które mogłyby spełnić lepiej 8

funkcję membrany czy kontaktu. Pojawiły się także nowe koncepcje dotyczące sposobu pomiaru sygnału w warunkach obwodu otwartego jak i w obecności przepływu prądu. Roztwór wewnętrzny o stałym składzie oraz zanurzone w nim półogniwo (najczęściej Ag/AgCl/Cl - ) to bardzo dogodny pod wieloma względami element elektrody jonoselektywnej. Jednak obecność roztworu wewnętrznego wiąże się z kilkoma niedogodnościami, które inspirowały badaczy do poszukiwania innych rozwiązań konstrukcyjnych. Pomysł wyeliminowania roztworu wewnętrznego wraz z elektrodą wyprowadzającą nie jest nowy. Już w roku 1971 Cattrall i Freiser zaproponowali elektrodę jonoselektywną z kontaktem metalicznym, która została nazwana elektrodą z powlekanym drutem (coated wire electrode, CWE) [67,68]. Jednak elektrody te cierpią na brak stabilności potencjału, który jest związany z tzw. zablokowaną granicą faz. [69]. Z tego powodu często stosuje się odrębną warstwę spełniającą rolę tzw. przetwornika jonowo-elektronowego (mediatora, kontaktu). Mediatorem może być tutaj tranzystor polowy (field effect transistor, FET) [70,71], różnego rodzaju podłoża krzemowe [72,73], samoorganizujące się warstwy z reagentami redoks [69], hydrożele, np. poli(metakrylan 2-hydroksyetylen) (poli-hema) zawierający elektrolit o wysokim stężeniu [16,74-76], a także dobrze znane układy Ag/AgCl [71,79]. Do innych badanych materiałów spełniających w ISE rolę stałego kontaktu należą materiały oparte na węglu: (i)mikroporowaty węgiel [77,78], (ii)jedno- [80] i wielościenne nanorurki [81] oraz (iii)elektroaktywne samoorganizujące się monowarstwy złożone z pochodnych tiolowych osadzanych na powierzchni elektrody złotej, gdzie część elektroaktywną stanowi fuleren lub ferrocen [82,83]. Do tej grupy można także przyporządkować najbardziej rozpowszechnione i najczęściej stosowane obecnie w ISE (iv)polimery przewodzące [84], które ze względu na szereg praktycznych zalet zostały powszechnie zaakceptowane i obecnie są najczęściej stosowane [7,10,12,45,48,49,77,85-96]. Wprowadzenie stałego kontaktu, np. w postaci polimeru przewodzącego i zastąpienie nim roztworu wewnętrznego, wykazuje wiele zalet [97], m.in. znacznie ułatwia konstruowanie jonoselektywnych mikroelektrod (ion-selective microelectrodes, ISMEs) tanich zminiaturyzowanych, biosensorów bazujących na jonoselektywnym detektorze i bardzo cienkim, płaskim przewodniku wyprowadzającym [10,12,45,49,98]. Takie mikroelektrody są kompatybilne z istniejącymi technikami mikroprodukcji (microfabrication techniques) [12], a ze względu na możliwość mierzenia niskich stężeń w małej objętości próbki [57,88] bez jakiegokolwiek wpływu na jej skład [10,45,49,57,88], mogą być z powodzeniem stosowane in vivo, w analizie specjacyjnej (speciation) [51,99], do badania różnych procesów z udziałem wolnych jonów (np. bioavailability studies) [100], a także 9

równowag jonowych pomiędzy fazami, głównie lipofilowymi (także organicznymi membranami typowa błona komórkowa zawiera około 20% wagowych wody) [10,49,101]. Tematyka dotycząca membran jonoselektywnych (ion selective membrane, ISM) jest również bardzo intensywnie rozwijana. Przed pojawieniem się opracowania Moody iego i Thomasa [44] dotyczącego wszechstronnego i praktycznego przygotowywania membrany na bazie PCW, jonofor był rozpuszczany w nielotnym, niemieszającym się z wodą organicznym rozpuszczalniku o wysokiej gęstości, który były utrzymywany w porowatym materiale, jak papier (bibuła do filtracji) lub spiek szklany [8,102]. Odkąd na początku lat 70-tych wprowadzono plastyfikowany PCW jako matrycę ISM, stał się on standardowym i powszechnie używanym materiałem, który do dnia dzisiejszego jest bardzo popularny. Jednak w celu poprawy parametrów analitycznych poszukuje się nowych, alternatywnych materiałów, dzięki którym skłonność membrany do akumulowania wody maleje, a współczynniki dyfuzji jonów w lipofilowym ośrodku obniżają się. Bardzo atrakcyjne okazały się niektóre tworzywa niewymagające plastyfikatorów lub wymagające bardzo małych ich ilości (10% m/m) ze względu na wystarczająco niską temperaturę zeszklenia (glass transition temperature, T g ) i związane z tym odpowiednie właściwości fizyczne oraz trwałość membrany [111,117]. Należą do nich materiały takie jak poliakrylany i polimetakrylany [85-87,103-108], gumy silikonowe [109,110], polichlorek winylidenu [111] oraz poliuretany [109,112,113] i bardzo lipofilowe fluoropochodne [114]. Te ostatnie materiały wraz z poliuretanami, których powierzchnia może być modyfikowana politlenkiem etylenu [115], są wyjątkowo przydatne przy oznaczaniu próbek klinicznych. Dla czujników przeznaczonych do pomiarów w warunkach in-vivo priorytetem staje się biokompatybilność, czyli brak reakcji obronnych organizmu i stanów zapalnych, czy toksycznego wpływu uwalnianych z wiekiem elektrody komponentów membrany do płynów ustrojowych [113]. Sposobem na zwiększenie żywotności ISM i przy okazji zmniejszenie nadmiernego wycieku jonów z czujnika jest kowalencyjne wiązanie jonoforów [103,106-108,116] czy wymieniaczy jonowych [107] do matrycy membrany lub wprowadzanie zaadsorbowanych na powierzchni membrany dużych cząstek lipofilowych. Powyższe tworzywa są czasem stosowane zamiast PCW z jeszcze innych powodów. Ze względu na rodzaj kontaktu istnieje niekiedy potrzeba użycia membran opartych o materiały, które zapewnią wystarczające siły adhezji i będą gwarantowały trwałość czujnika jako całości (np. brak odpadania niepolarnej membrany od polarnego kontaktu i/lub podsiąkanie wody pomiędzy warstwy), co jest szczególnie istotne w przypadku miniaturyzacji i mniejszych powierzchni styku materiałów [112]. W przypadku np. krzemowego podłoża stosuje się również niewymagające plastyfikatorów membrany 10

polisiloksanowe [117], gdyż bardziej lipofilowe membrany jonoselektywne powodują znaczne skrócenie czasu działania elektrody. Także najbardziej popularny PCW był niejednokrotnie modyfikowany grupami OH, NH 2 oraz COOH w celu zwiększenia siły adhezji do podłoża elektrody oraz uzyskania odpowiednich właściwości membrany [118-120]. Mimo przełomowych odkryć związanych z plastycznymi membranami oraz wielu zalet, cały czas trwają poszukiwania innych, alternatywnych materiałów. Przykładem może być Celgard (polipropylen lub polietylen o grubości warstwy zazwyczaj 10-30 µm), który jest już obecnie szeroko wykorzystywany w różnego rodzaju sensorach, bateriach i ogniwach paliwowych. Nowe koncepcje dotyczące sposobu analizy próbki w warunkach obwodu otwartego, jak i w warunkach prądowych są dodatkowym sposobem na poprawę parametrów analitycznych elektrod jonoselektywnych i lepsze oraz szersze ich wykorzystanie [55,94,96,121-132]. Metody prądowe stanowią nie tylko dogodne narzędzie diagnostyczne elektrod [133], ale także umożliwiają poprawę parametrów analitycznych [94,124,125], pozwalają na modyfikację selektywności [127,134], pomiar całkowitego stężenia kompleksowanych jonów [99] lub nawet oznaczanie ich w stężeniu poniżej µm z jeszcze większą dokładnością i selektywnością [128,130,135,136]. Spotykane są również inne ciekawe metody jak np. zastosowanie ISE jako wirującej elektrody dyskowej [131,132]. 2.2. Potencjometryczna odpowiedź elektrod jonoselektywnych 2.2.1. Zasada działania elektrod jonoselektywnych jako czujników potencjometrycznych Potencjometria jest to metoda wykorzystująca pomiar siły elektromotorycznej ogniwa złożonego z dwóch półogniw: elektrody wskaźnikowej i odniesienia. Pomiar jest prowadzony w warunkach praktycznie bezprądowych [3,11] (płynące prądy związane z ustalaniem się równowag w układzie powinny być rzędu pikoamperów), a wymienione elektrody podłącza się do wysokooporowego potencjometru (10 13 Ω lub więcej). Schemat typowego, potencjometrycznego układu pomiarowego z konwencjonalną elektrodą jonoselektywną z roztworem wewnętrznym oraz elektrodą odniesienia jest przedstawiony na rys. 2.2.1. Elektroda wskaźnikowa powinna odpowiadać szybko i selektywnie na zmiany aktywności oznaczanego jonu w próbce, podczas gdy potencjał elektrody odniesienia powinien pozostać niezmieniony podczas całego pomiaru. Technika ta jest zatem oparta o procesy zachodzące na 11

granicy faz, co powoduje, że jest ona doskonała do badania małych objętości próbek przy jednoczesnym zachowaniu ich niezmienionego składu, a prosty zestaw pomiarowy czyni ją tanią, łatwą w obsłudze i powszechnie dostępną. e l e k t r o d a w s k a ź n i k o w a e l e k t r o d a o d n i e s i e n i a Ag AgCl roztwór wewnętrzny ISM próbka roztwór klucza KCl AgCl Ag E 1 E 2 E ISM E SB E 3 E 4 E 5 Rys. 2.2.1. Rysunek (powyżej) oraz odpowiadający mu skrócony zapis (poniżej) przykładowego ogniwa potencjometrycznego wraz z zaznaczonymi granicami faz i powstającymi potencjałami. Przedstawiony powyżej układ potencjometryczny można potraktować jako ogniwo galwaniczne, gdzie poszczególne elektrody (wskaźnikowa i jonoselektywna) stanowią półogniwa, a całkowita jego siła elektromotoryczna jest sumą lokalnych różnic potencjałów pojawiających się na każdej granicy faz [3,8,11]: SEM = (E 1 + E 2 + E 3 + E 4 + E 5 ) + E SB + E ISM (2.2:1) Dobierając odpowiednie warunki pomiaru potencjometrycznego, wszystkie wymienione w równaniu 2.2:1 składowe SEM powinny pozostać stałe lub możliwie niskie, oprócz potencjału membranowego E ISM, który zmienia się wraz ze zmianą aktywności oznaczanego jonu w roztworze próbki, na który to ISM jest selektywnie czuła. Dlatego z analitycznego punktu 12

widzenia potencjał ten jest najważniejszy, a ze względu na to, że jest generowany na ISE, mówi się potocznie o potencjometrycznej odpowiedzi elektrody jonoselektywnej. Składową ogniwa, na którą trzeba zwrócić uwagę, ażeby pozostała możliwie niska i stabilna podczas pomiaru, jest potencjał styku cieczy, E SB, powstający zawsze na granicy zetknięcia się dwóch elektrolitów o różnym składzie jakościowym i/lub ilościowym, tak jak to ma miejsce w przypadku stosowania klucza elektrolitycznego. W elektrodzie odniesienia występuje zazwyczaj półprzepuszczalny porowaty materiał (spiek, membrana, diafragma), który jednocześnie zapobiega mechanicznemu mieszaniu się roztworu wewnętrznego elektrody odniesienia z roztworem próbki i umożliwia przenikanie wszystkich obecnych w układzie jonów. Ich dyfuzja z bardziej stężonego roztworu do mniej stężonego powoduje, że potencjał na granicy faz będzie rósł ze względu na separację ładunków, których nośnikiem są kationy i aniony o różnej ruchliwości [3]. Powstający podczas pomiaru potencjał styku cieczy (mający charakter dyfuzyjny) można zminimalizować lub przynajmniej ustabilizować poprzez zastosowanie stężonego roztworu wewnętrznego elektrody odniesienia, gdzie kationy i aniony wykazują podobną ruchliwość i nie dochodzi do separacji ładunków, a wysokie ich stężenie i nadmiar w stosunku do jonów w próbce zapewnia udział właśnie tych jonów w przenoszeniu ładunku przez granicę faz. Na Rys. 2.2.1 uwzględniono dodatkowo klucz elektrolityczny (w postaci dodatkowej komory w elektrodzie odniesienia double junction reference electrode), który oddziela roztwór wewnętrzny elektrody od roztworu próbki - przestrzenne odseparowanie elektrody odniesienia od badanego roztworu. Ma to szczególne znaczenie w przypadku pomiarów: (i)w bardzo rozcieńczonych roztworach (ii)czułych na jony z roztworu wewnętrznego lub (iii)z próbkami biologicznymi czy łatwo wytrącającymi się substancjami. Obecność stężonego elektrolitu złożonego z kationów i anionów o podobnej ruchliwości jest w kluczu elektrolitycznym także bardzo pożądana w celu zminimalizowania powstających potencjałów dyfuzyjnych z obu jego stron (potencjały styku cieczy E SB i E 3 ). Niskie wartości tych potencjałów oraz działanie w przeciwnych kierunkach daje ostatecznie prawie zerowy wypadkowy potencjał i staje się dodatkowym atutem stosowania klucza. Mimo wszystko zmiany potencjału E SB pomiędzy próbką a kluczem (lub roztworem wewnętrznym elektrody odniesienia) powinny być wzięte pod uwagę, a wartości oszacowane dzięki równaniu Hendersona [3]: 13

E SB RT F I I z I ui ( c zi z u ( c I I I, aq1 I, aq2 c c I, aq2 I, aq1 ) ln ) I I z z I I u u I I c c I, aq1 I, aq2 (2.2:2) Przedstawione powyżej równanie Hendersona zakłada, że aktywności rozważanych jonów są równe ich stężeniom, które są z kolei stałe w czasie i przestrzeni. Bardziej szczegółowe rozważania dotyczące wielkości E SB oraz matematycznego modelowania przy wykorzystaniu równania Nernsta-Plancka czy Nernsta-Plancka-Poissona można znaleźć w późniejszej literaturze [137] wraz z rozwojem teorii dotyczących potencjału membranowego E ISM, który zostanie omówiony dokładniej w dalszej części rozdziału. 2.2.2. Modele teoretyczne opisujące potencjał elektrod jonoselektywnych Na mierzony potencjał elektrody jonoselektywnej (czyli E ISM ) wpływa bardzo wiele czynników. Istotny jest materiał membrany i jej komponenty oraz warunki kondycjonowania elektrody, a także związany z tym skład, termodynamika i właściwości kinetyczne granicy faz. Opracowano kilka teoretycznych modeli opisujących mechanizm odpowiedzi ISE i wszystkie one biorą pod uwagę ww. zagadnienia, jednocześnie opierając się na pewnych założeniach/uproszczeniach [7]. Podstawową różnicą pomiędzy tymi modelami jest uwzględnienie lub pominięcie migracji jonów w poszczególnych ośrodkach, których obecność istotnie wpływa na profile stężeniowe i potencjały elektryczne (Rys. 2.2.2). Do klasycznych i uproszczonych modeli (Total-Equilibrium Models) można zaliczyć model potencjału na granicy faz (Phase-Boundary-Potential Model) oraz jego rozszerzoną wersję - model całkowitego potencjału membranowego (Total-Membrane-Potential Model) [7,61,62]. Do bardziej zaawansowanych teorii należą modele dyfuzyjne (Diffusion-Layer Models) uwzględniające lokalne i liniowe gradienty stężeń oraz potencjały elektryczne (inaczej Local-Equilibrium Models) [7,138-142]. Ostatnim i najbardziej skomplikowanym podejściem, ale jednocześnie oddającym najlepiej stan rzeczywisty, jest model uwzględniający równania Nernsta-Plancka-Poissona (NPP), który bierze pod uwagę nieliniowe gradienty ww. parametrów oraz pozwala na ich oznaczanie w czasie i przestrzeni (Nonequilibrium Model) [137,143,144]. 14

Rys. 2.2.2. Graficzne przedstawienie różnicy pomiędzy klasycznym, uproszczonym modelem (total equilibrium model) a zaawansowanym (advanced model) w a) profilach stężeń jonów oraz b) profilach potencjałów elektrycznych [7]. Punktem wyjścia dla klasycznych teorii z liniowymi profilami stężeniowymi i elektrycznymi jest zaproponowany przez Sollnera [145], Teorella [146] oraz Meyera i Sieversa [147] potencjał membranowy E ISM, który zawiera trzy składowe: (i)potencjał na granicy faz próbka / ISM ( E / na Rys. 2.2.2 punkt B), (ii)potencjał dyfuzyjny na całej aq org długości ISM ( E ) oraz (iii)potencjał na wewnętrznej granicy faz ISM / IFS ( E / na Rys. 2.2.2 punkt B). D org IFS E ISM Eaq / org ED Eorg / IFS (2.2:3) W modelu potencjału na granicy faz (Phase-Boundary-Potential Model) tworzący się E org / IFS na granicy fazy membrany i roztworu wewnętrznego jest zaniedbywany (traktowany jako stały element) i nie jest uwzględniany w dalszych rozważaniach. Innym uproszczeniem jest także pominięcie potencjału dyfuzyjnego wewnątrz ISM, gdzie istniejące efekty migracyjne i parametry kinetyczne wszystkich naładowanych cząstek są zaniedbywane. Dzięki temu ISM w całej swojej objętości zachowuje elektroobojętność, a Jedyną zatem składową, która wpływa na potencjał membranowy jest E D przyjmuje wartość zerową. E /. Innym warunkiem, na których opiera się model potencjału na granicy faz [7,8,46,62], jest założenie (i)doskonałej równowagi elektrochemicznej na granicy faz ISM roztwór próbki, gdzie aq org 15

reakcja przeniesienia jonu (ładunku) jest dużo szybsza, niż ich dyfuzja w poszczególnych fazach. Zakłada się również, że (ii)gradienty stężeń oraz potencjałów elektrycznych są stałe w czasie i przestrzeni, a (iii)ism jest doskonale selektywna i tylko jeden rodzaj jonów jest w stanie przenikać przez granicę faz. Wspomniane fazy są (iv)doskonale niemieszalne i nie ma żadnego przepływu roztworu próbki przez membranę. Natomiast (v)każda zmiana aktywności jonu (potencjału chemicznego) w fazie membrany i roztworze, który jest zdolny do przekraczania bariery sąsiadujących ośrodków, wywołuje w nich odpowiednią zmianę potencjałów elektrycznych. Dzięki powyższym uproszczeniom jest możliwe wyprowadzenie zależności, która przypomina równanie Nernsta i przedstawia potencjał na granicy faz w sposób, który jest najczęściej stosowany do opisu odpowiedzi potencjometrycznej elektrod jonoselektywnych. Rozważania można zacząć od koncepcji potencjału elektrochemicznego ~ I, który został zaproponowany przez Guggenheima już w roku 1929 [148]: ~ 0 I I I I z F RT ln( a ) z I I F (2.2:4) Zarówno lipofilowa, organiczna faza membrany ( org ), jak i hydrofilowa faza roztworu badanego ( aq ) jest charakteryzowana przez potencjał elektrochemiczny dla jonu I, który można opisać poniższymi równaniami: ~ ~ 0 I, org I, org z I Forg I, org RT ln( ai, org ) z I Forg (2.2:5) 0 I, aq I, aq z I F aq I, aq RT ln( ai, aq ) z I F aq (2.2:6) Jeżeli przyjmiemy, zgodnie z wcześniej postawionymi założeniami, że istnieje elektrochemiczna równowaga pomiędzy dwoma fazami, to jest spełniony warunek równości pomiędzy poszczególnymi potencjałami elektrochemicznymi: ~ ~ (2.2:7) I, org I, aq 0 0 I, org RT ln( ai, org ) z I Forg I, aq RT ln( ai, aq ) z I F aq (2.2:8) A zatem równanie opisujące różnicę potencjałów elektrycznych, a tym samym potencjał na granicy faz można zapisać następująco: 16

E ISM E ai, aq (2.2:9) a 0 0 I, aq I, org RT aq / org org aq ln z I F zi F I, org Jeżeli założymy, że aktywność jonów głównych w membranie a, jest stała podczas całego I org pomiaru i że zgodnie z założeniami ISM jest doskonale selektywna, równanie 2.2:9 przyjmuje postać typowego równania Nernsta [3,7,11,62]: RT (2.2:10) 0 E ISM Eaq / org EI ln ai, aq z I F Prace teoretyczne na temat wpływu jonów przeszkadzających były rozwijane przez Nikolskiego, który oparł je głównie na eksperymentach prowadzonych na szklanej elektrodzie pehametrycznej [7] z udziałem kationów sodu. Rozważania te wieńczy równanie opisujące potencjał membranowy, które uwzględniało łączny wpływ wymiany przez membranę jonów głównych I (H + ) i przeszkadzających J (Na + ): 0 E ISM Eaq / org E ln ai, aq K IJ aj, aq z I F RT (2.2:11) W równaniu 2.2:11 K IJ jest stałą równowagi wymiany jonowej między nieskompleksowanym jonem głównym a jonem interferenta na granicy faz roztwór - membrana: K IJ ai, aqa J, org (2.2:12) a a J, aq I, org W latach 60-tych prace nad odpowiedzią ISE kontynuował Eisenman, który zakwestionował uproszczenie związane z pominięciem potencjału dyfuzyjnego wewnątrz membrany jonoselektywnej. Rozważania teoretyczne, w których uwzględnia się potencjał dyfuzyjny ( E 0 ), można przyporządkować do modelu całkowitego potencjału membranowego D (Total-Membrane-Potential Model). Zespół Eisenmana pracował głównie nad membranami biologicznymi, gdzie warunki są dosyć złożone i trudno zaakceptować daleko idące uproszczenia związane np. z pominięciem ruchliwości jonów lub wpływu jonów 17

przeszkadzających [149,150]. W swoich rozważaniach wziął już pod uwagę także membrany z wymieniaczami jonowymi oraz obojętnymi ligandami, co doprowadziło do wyprowadzenia m.in. poniższego równania [7]: u 0 RT J, org E ISM Eaq / org ED E ln a I, aq K IJ a J, aq (2.2:13) z i F u I, org Niestety bezpośrednie zastosowanie równania 2.2:13 nie jest możliwe w przypadku, gdy jon główny i przeszkadzający posiadają różne ładunki [65,137]. W roku 1976 IUPAC zarekomendowała stosowanie półempirycznego równania znanego obecnie pod nazwą równania Nikolskiego-Eisenmana, gdyż jest wynikiem prac tych dwóch badaczy oraz rozwinięcia i scalenia ich równań 2.2:11 i 2.2:13. Rekomendacja ta dotyczy stosowania go dla wszystkich rodzajów elektrod jonoselektywnych, i co najważniejsze, pozwala na obliczanie potencjału membranowego z udziałem jonów o różnym ładunku ( z z I J ) [1,2]. Równanie 2.2:14 jest najprostszą wersją uwzględniającą tylko jeden rodzaj jonu przeszkadzającego [151-154]: E ISM I 0 RT pot z I / z E ln a J I, aq K IJ aj, aq (2.2:14) z F W przypadku, gdy jony główne i interferujące mają różny ładunek, powyższe równanie może być spełnione tylko w zakresie liniowych odcinków krzywej potencjometrycznej, czyli wtedy, gdy na odpowiedź elektrody jonoselektywnej wpływają jedynie jony główne albo przeszkadzające [62]. Bardziej rozwinięte równanie, które uwzględnia jednoczesny wpływ dowolnej liczby jonów jednowartościowych, dwuwartościowych i trójwartościowych, przybiera następującą postać [61,62]: E ISM E 0 RT F 1 ln 3 3 2 4 2 4 1/ 3 3 pot1/ zi K a I I 1/ 3 3 I 3 2 1/ 3 1/ 3 2 (2.2:15) w którym: 18

2 pot1/ z I pot 2 / zi K a 3 K 2 a 2 (2.2:16) I I I I 2 I I 3 pot1/ zi pot1/ zi pot 2 / zi pot 3 / zi 2 K a 9 K a K 2 a 2 27 K 3 a 3 (2.2:17) I I I I I I I I 2 3 I I I I Z powyższych wzorów wynika, że bezpośrednim źródłem mierzonego sygnału analitycznego jest aktywność jonu głównego I, która jest powiązana z jego stężeniem c I za pomocą współczynnika aktywności f I zgodnie z następującym równaniem: a I f c (2.2:18) I I W roztworach elektrolitów różnica pomiędzy stężeniem jonu a jego aktywnością wynika z oddziaływania (głównie elektrostatycznego) ze wszystkimi znajdującymi się w ośrodku cząsteczkami, a przede wszystkim jonami. Różnica ta jest tym większa, im stężenie jonów głównych I jest większe, co prowadzi do sytuacji, w której a I jest znacznie mniejsze od c I. W bardziej rozcieńczonych roztworach (poniżej około 10-4 M) wartość aktywności będzie praktycznie równa stężeniu, a współczynnik f I będzie zbliżony do jedności [3,11]. Wartość współczynnika aktywności można obliczyć za pomocą rozszerzonego równania Debye`a- Hückla: Az I z A I log f (2.2:19) 1 Bd I gdzie I to siła jonowa roztworu, która może być oszacowana według wzoru: I 1 c z 2 I I 2 I (2.2:20) Niektórzy autorzy przedstawiają potencjał ustalający się na granicy faz E / wraz ze aq org stałą anionu k I lub k A związaną ze swobodną entalpią przeniesienia odpowiednio kationu z A przez granicę faz. Równanie 2.2:10 przybiera wtedy postać [8,127,134,155]: z I lub 19

E RT k I ai, aq / ln lub z F f c aq org I I, org I, org, PB E RT k Aa A, aq / ln (2.2:21) z F f c aq org A A, org A, org, PB Niewątpliwie wadą stosowania klasycznych modeli jest zazwyczaj pominięcie potencjału dyfuzyjnego oraz bardzo duża liczba wyidealizowanych założeń, które odbiegają od rzeczywistości, gdzie czułość, potencjał elektryczny, selektywność i granica wykrywalności są niezależne od czasu [7]. Jednak zaletą tych modeli jest na pewno ich uniwersalność, gdzie skład membrany czy roztworu próbki nie zmienia zależności opisujących odpowiedzi elektrody. Mimo pewnych ułomności, modele klasyczne okazały się pomocne przy pracach prowadzonych nad poprawą parametrów analitycznych i opisu wielu zjawisk związanych z elektrodami jonoselektywnymi [62]. Oprócz przewidywań i poprawy współczynników selektywności czy granicy wykrywalności, modele te były stosowane w określeniu termodynamicznych parametrów membran ISE w tzw. układzie sandwiczowym (sandwich membrane technique) [101,107,156]. Okazały się one także przydatne do opisu odpowiedzi elektrod i projektowania nowych jonoforów, gdzie nachylenie krzywej potencjometrycznej było inne niż nernstowskie, co było spowodowane różnymi czynnikami wpływającymi na równowagi m.in. w membranie (zjawiskami niezwiązanymi z dyfuzją jonów w membranie i roztworze) [157,158]. Bardzo przydatnymi modelami stosowanymi do opisu odpowiedzi potencjometrycznej ISE są teorie uwzględniające lokalne równowagi (Local-Equilibrium Models), szczególnie na granicy faz ISM / roztwór próbki [138-142]. Przewidują one stały, niezaburzony przepływ jonów w poszczególnych fazach, który generuje liniowe gradienty aktywności jonów oraz potencjałów elektrycznych pomiędzy granicą faz a wnętrzem ośrodków. Oznacza to, że przeniesienie jonu przez granicę faz jest znacznie szybsze niż jego dyfuzja w odpowiedniej fazie. Zakłada się, że lokalne aktywności jonów oraz powstałe warstwy dyfuzyjne są niezmienne w czasie. Wynika z tego, że równania 2.2:9,11,13,14,15 są słuszne w momencie, gdy aktywności wolnych jonów w fazie roztworu ( aq ) i membrany ( org ) zostaną podstawione odpowiednimi aktywnościami powierzchniowymi, które w rzeczywistości nierzadko różnią się od tych w głębi ośrodków [7]. W celu uzyskania opisu pozwalającego na określenie zmieniającej się w czasie odpowiedzi elektrody oraz współczynników selektywności, podczas ustalania się lokalnych równowag uwarunkowanych stałym przepływem jonów przez membranę, wprowadza się tzw. parametr pivot (pivotal parameter) s (t), który jest określany inaczej jako współczynnik 20

pokrycia powierzchni lub wypełnienia centrów wymiany jonów (surface coverage or site filling factor). Charakteryzuje on różnicę pomiędzy układem w stanie całkowitej równowagi (total equilibrium) a układem z lokalnymi równowagami powstającymi (local equilibrium) w funkcji czasu [139-142]. Bazując na równaniu Eisenmana 2.2:1 opisującego E ISM w warunkach modelu potencjału na granicy faz, równaniu 2.2:11 oraz własnych wyprowadzeniach dotyczących wspomnianego wcześniej parametru s (t) i strumieni jonów można wyprowadzić zależność opisującą potencjał membranowy zależny od czasu [7]: E ISM u D J org J, aq, 1 s( t) K IJ s( t) K c IJ I, aq c J, aq RT u D I, org I, aq ( t) Econst ln (2.2:22) F D c J, aq I, org, total 1 s( t) K s( t) IJ D I, aq gdzie potencjał E const zawiera wszystkie człony równania, które są niezależne od stężenia jonów głównych i przeszkadzających. Przewidywania dotyczące odpowiedzi elektrody oraz selektywności w warunkach ustalania się równowag znalazły swoje praktyczne zastosowanie podczas określania warunków pomiaru oraz sposobu interpretacji rejestrowanego sygnału w przypadku silnego wpływu jonów przeszkadzających [63,159]. Model dyfuzyjny był również stosowany przy interpretacji współczynników selektywności oraz granic wykrywalności w warunkach ustalonych równowag, które były wspólnym wynikiem stałego w czasie (steady-state) wycieku jonów głównych do warstwy dyfuzyjnej i ich wyższym stężeniem w warstwie przymembranowej niż w głębi roztworu [160]. W roku 1999 pojawiła się praca Sokalskiego, w której model dyfuzyjny został użyty do obliczenia teoretycznych krzywych potencjometrycznych oraz do interpretacji efektu obniżenia limitu detekcji dla elektrod z membraną plastyczną i jonoforem oraz roztworem wewnętrznym [53]. Autor założył, że potencjał dyfuzyjny wewnątrz ISM jest zerowy, a przepływ jonów w poszczególnych ośrodkach jest stały i niezmienny w czasie, co generuje również stałe w czasie liniowe gradienty stężeń (Rys. 2.2.3). W warunkach bezprądowych całkowita suma strumieni wszystkich jonów (z uwzględnieniem ładunku jonów) powinna być zatem równa zeru. Jony główne I przepływające przez membranę tworzą labilne kompleksy z jonoforem L w stosunku 1:1. Tworzenie kompleksu jest równoważone poprzez koekstrakcję przeciwjonów A w tym samym kierunku (Rys 2.2.3, A) lub poprzez przepływ 21

jonów przeszkadzających faz membrana roztwór próbki (Rys. 2.2.3, B). J w kierunku przeciwnym, dzięki wymianie jonowej na granicy Rys. 2.2.3. Schematy możliwych procesów transportu jonów głównych I + i przeszkadzających J + przez membranę o grubości d dzięki jonoforowi L (stężenie kompleksu jonów głównych ISM i przeszkadzających w membranie c IL, org, c JL, org c R, org w zależności od składu roztworu wewnętrznego: c I aq, IFS c J, aq, IFS stężenie jonów przeszkadzających, c A aq, IFS ) i w obecności soli lipofilowej o stężeniu, stężenie jonów głównych,, proporcjonalnie malejące stężenie anionów wraz z wyciekiem jonów głównych. Od strony roztworu próbki tworzy się warstwa dyfuzyjna o grubości δ aq, co powoduje, że stężenie jonów głównych przy powierzchni membrany c I, aq, PB jest inne niż w głębi roztworu c I, aq [53]. W przypadku obecności jonów przeszkadzających w roztworze wewnętrznym, o stężeniu znacznie przewyższającym stężenie jonów głównych, może dochodzić do wymiany jonowej po wewnętrznej stronie membrany, która indukuje gradient stężenia I malejący w kierunku IFS. Efekt ten może prowadzić do zahamowania przepływu jonów do analizowanego roztworu lub wręcz zmiany jego kierunku i tym samym obniżania stężenie c I aq, PB, w stosunku do c, (Rys. 2.2.3, C). Bazując na równaniu strumieni Nernsta-Plancka, które po I aq zaniedbaniu członów związanych z konwekcją i migracją przyjmuje postać pierwszego prawa 22

dyfuzji Ficka, zostały wyprowadzone równania wiążące stężenia przymembranowe jonów głównych c I aq, PB, i przeszkadzających c J, aq, PB z ich stężeniami w głębi roztworu c I, aq i c J, aq. Natomiast za pomocą stałej wymiany jonowej na granicy faz pomiędzy jonami głównymi i przeszkadzającymi oraz stałej koekstrakcji jonów głównych wraz z przeciwjonami do wnętrza membrany, było możliwe oszacowanie i powiązanie stężeń kompleksów wolnego jonoforu L i anionów IL, JL oraz A po obu stronach ISM. Dzięki tym zależnościom, na podstawie równania opisującego potencjał membranowy, który zawiera również człon potencjału na granicy faz ISM - IFS: E ISM ci aq PBcL org ci aq IFS c 0 RT,,, RT,, L, org, IFS E ln ln (2.2:23) F c F c IL, org IL, org, IFS zostały obliczone zależności SEM od logarytmu c, dla różnych przypadków. Autorzy I aq wzięli pod uwagę różne wartości parametrów, takich jak grubość membrany czy stężenie jonów głównych lub przeszkadzających w roztworze wewnętrznym. Rys. 2.2.4. Obliczone krzywe potencjometryczne SEM w funkcji logarytmu stężenia jonów głównych w roztworze próbki dla tej samej elektrody, gdzie stężenie jonów głównych w roztworze wewnętrznym zmienia się od od 10-1 do 10-15 M. Krzywe są podpisane odpowiednimi ujemnymi logarytmami ze stężenia jonów I + w IFS [53]. Na Rys. 2.2.4 zostały przedstawione przykładowe krzywe dla tej samej elektrody, gdzie stężenie jonów I w IFS zmienia się w zakresie od 10-1 M do 10-15 M. Dzięki powyższym rozważaniom teoretycznym jest możliwy do przewidzenia przebieg krzywej potencjometrycznej w odpowiednich warunkach, takich jak np. stężenie poszczególnych 23

jonów składających się na roztwór wewnętrzny elektrody, co z kolei umożliwia określenie granicy wykrywalności. Przydatność tych rozważań w określeniu warunków pomiaru i możliwych parametrów analitycznych elektrody została potwierdzona eksperymentalnie dla ISE czułej na kationy potasu, gdzie ISM zawierała walinomycynę jako jonofor [54]. Model dyfuzyjny był stosowany także przy interpretacji dryfu mierzonego potencjału podczas długich pomiarów i tworzenia się cienkich warstw wody pomiędzy membraną a przewodnikiem elektrycznym elektrody. Proces dyfuzji jonów oraz cząsteczek wody przez plastyczną membranę jonoselektywną okazał się z oczywistych względów wyjątkowo istotny w przypadku wykorzystania małych objętości próbek lub elektrod z komorą na roztwór wewnętrzny o stosunkowo małej pojemności [161]. Ostatni, a zarazem najbardziej zaawansowany model opisujący odpowiedź elektrody jonoselektywnej w warunkach nierównowagowych, to model Nernsta-Plancka-Poissona (NPP) [162]. Fundamentalną różnicą pomiędzy tym modelem a modelami uwzględniającymi całkowitą równowagę (model potencjału na granicy faz i całkowitego potencjału membranowego), bądź lokalne równowagi (model dyfuzyjny), jest odrzucenie dwóch podstawowych uproszczeń: niezmienności w czasie równowag (całkowitych lub lokalnych) oraz braku oddziaływań elektrostatycznych pomiędzy jonami dyfundującymi w poszczególnych fazach, a tym samym powstających potencjałów dyfuzyjnych. Jest to możliwe dzięki uwzględnieniu, wraz z równaniem Nernsta-Plancka opisującego dyfuzję i migrację jonów, równania Poissona, które wnosi ze sobą wpływ oddziaływań elektrostatycznych i separacji ładunku oraz odpowiednich stałych przeniesienia jonu między granicami faz [7]. Taki układ równań [162] pozwala na modelowanie potencjometrycznej odpowiedzi elektrod jonoselektywnych w warunkach nierównowagowych, gdzie zmiany potencjału elektrycznego i profile stężeniowe związane z ruchem jonów są możliwe do określenia w czasie i przestrzeni [137,143,144]. Model ten sprawdza się przy opisie odpowiedzi wszystkich rodzajów elektrod, bez względu na rodzaj membrany czy kontaktu. Umożliwia on również przeprowadzenie obliczeń dla jonów o każdym ładunku, bez potrzeby rozwijania podstawowego równania krok po kroku, jak to miało miejsce w poprzednich, wyżej opisanych modelach [8,65,61,62]. Zaletą modelu NPP jest także uwzględnienie różnych przenikalności elektrycznych faz, nierównej ruchliwości naładowanych i nienaładowanych ligandów i jonów oraz dopuszczenia ich różnego stopnia kompleksowania. Uwzględniane są istniejące potencjały chemiczne oraz ewentualny wpływ ruchów konwekcyjnych rozpuszczalnika. Dla uproszczenia podane poniżej równanie Nernsta- Plancka, które stanowi rdzeń modelu NPP, jest przedstawione tylko dla jednego wymiaru [7]: 24

ci ( x, t) F J I ( x, t) DI zi ci ( x, t) ( x, t) x RT (2.2:24) Zależne od siebie i kluczowe parametry J I ( x, t), c I ( x, t) oraz ( x, t) są ze sobą powiązane następującymi zależnościami: ci ( x, t) J I ( x, t) (2.2:25) t x oraz równaniem Poissona: ( x, t) i( t) F z I J I ( x, t) 0 (2.2:26) t I Dzięki powyższym cząstkowym i nieliniowym równaniom różniczkowym jest możliwe określenie stężenia oraz potencjału (Rys. 2.2.5) w funkcji czasu i grubości membrany, przy czym potencjał ( x, t) jest liczony biorąc pod uwagę natężenie pola elektrycznego E ( x, t) : ( x, t) E( x, t) dx (2.2:27) a sam potencjał membranowy (potencjał dyfuzyjny i potencjały na granicy faz po obu stronach ISM) przyjmie wartość: E ISM x b, R x b, L E( x, t) dx (2.2:28) Model NPP jest na tyle elastyczny, że klasyczne modele oraz model dyfuzyjny są jego szczególnymi przypadkami i w niektórych przypadkach rutynowej analizy i interpretacji danych uzasadnione jest używanie prostszych modeli. Jednakże model NPP tłumaczy i przewiduje dotąd niedostępne dla poprzednich modeli wysoce nieliniowe gradienty stężeń i potencjały zależne od czasu i grubości membrany. W przypadku pomiarów w warunkach nierównowagowych (spodziewane szczególnie nieliniowe gradienty stężeniowe i zmienne w 25

czasie parametry elektrody), np. przy pomiarach z szybkimi odczytami lub pracą nad obniżaniem granicy wykrywalności, model NPP może okazać się wręcz niezbędny. Ze względu na precyzyjne uwzględnienie ruchu jonów (gradientów stężeń) oraz związaną z tym zmianą pola elektrycznego w czasie i przestrzeni (Rys. 2.2.5), równania NPP precyzują dokładniej generowany w czasie potencjał na poszczególnych granicach faz i wewnątrz ISM (potencjał dyfuzyjny) [7]. To z kolei pozwala na dokładniejsze opisanie i teoretyczne przewidywanie odpowiedzi potencjometrycznej elektrod jonoselektywnych i ich parametrów analitycznych w czasie. Wyróżniającą się przewagą modelu NPP jest m.in. uwzględnienie powstającego w membranie potencjału dyfuzyjnego i możliwość oszacowania jego udziału w całkowitym potencjale membranowym w różnych warunkach (Rys. 2.2.6) oraz jego zmianę w czasie i wpływu na odpowiedź elektrody podczas częstej zmiany mierzonych próbek różniących się znacznie jakościowo i ilościowo [137,143,144]. Zastosowanie modelu NPP pozwala także na wnikliwą analizę współczynników selektywności oraz ich zmianę w czasie, co było niedostępne dla klasycznych i tylko częściowo osiągalne dla modeli dyfuzyjnych. Podobna metodyka została użyta przy rozważaniu granic wykrywalności, gdzie rozwiązane metodami numerycznymi równania NPP pozwoliły na oszacowanie wpływu migrujących jonów poprzez ISM oraz związanych z tym parametrów. Pozwoliły one także na modelowanie optymalnych granic wykrywalności dzięki analizie spadków potencjałów elektrycznych na granicy faz [144]. Rys. 2.2.5. Zależne od czasu profile stężeniowe oraz potencjały w układzie roztwór próbki (sample) ISM (membrane) IFS (internal solution or film) dla jonów A - po (a) 4x10-4 s; (b) 1,64s; (c) 13,1s; (d)26,2s; (e) 104,8s; (f) 420s i (g) 13440s. Odległości x b,l i x b,r to punkty granic faz i tworzenia się warstw dyfuzyjnych [137]. Mimo wielkiego postępu w ostatnich latach w pracach nad odpowiedzią elektrod jonoselektywnych w stanie równowagowym jak i nierównowagowym, nawet te najbardziej zaawansowane modele zawierają pewne uproszczenia. Jest jeszcze długa lista problemów, 26

które muszą być rozwiązane, aby opis odpowiedzi elektrody jonoselektywnej przybliżyć jak najbardziej do rzeczywistości, np.: (i)przepływ jonów w membranie w dwóch i trzech wymiarach, (ii)założenie równości stężeń z aktywnościami, (iii)pominięcie strumieni przepływających sparowanych jonów i (iv)procesów formowania kompleksów w membranie, (v)zmiana przenikalności elektrycznej wzdłuż membrany i na granicy faz, (vi)zaniedbanie wpływu pola elektrycznego na ruch jonów oraz (vii)rozstrzygnięcie mechanizmu przeniesienia jonów przez granicę faz [163]. Rys. 2.2.6. Teoretyczne krzywe potencjometryczne dla jonów głównych (od 10-10 do 10-1 M) i przeszkadzających (10-3 M), obliczone na podstawie modelu NPP. Diagramy kołowe przedstawiają udział potencjału dyfuzyjnego (czarne pola) i potencjału na granicy faz (białe pola) dla skrajnych krzywych (a) i (e). Kolejne krzywe odpowiadają następującym stosunkom współczynników dyfuzji jonów głównych do przeszkadzających: (a) 0,1; (b) 0,5; (c) 1; (d) 2 i (e) 10 [137]. 2.3. Parametry analityczne elektrod jonoselektywnych Do podstawowych parametrów analitycznych elektrod jonoselektywnych należy granica wykrywalności oraz selektywność, którą wyraża się w stosunku do konkretnych jonów przeszkadzających za pomocą potencjometrycznych współczynników selektywności pot K IJ. Do innych istotnych parametrów ISE można zaliczyć czułość, czas i stabilność odpowiedzi, powtarzalność, a także zakres liniowej odpowiedzi oraz czas życia czujnika. 2.3.1. Selektywność W przypadku oznaczania odpowiednich jonów w próbkach pochodzenia naturalnego jest niemożliwe, aby na mierzony potencjał membranowy wpływały tylko i wyłącznie 27

analizowane jony (tzw. jony główne). W praktyce każda elektroda jonoselektywna odpowiada nie tylko na jony oznaczane, ale także w pewnym stopniu na inne, obecne w roztworze próbki, tzw. jony przeszkadzające. Selektywność jest o tyle ważnym parametrem analitycznym, że wraz z granicą wykrywalności opisaną w następnym rozdziale 2.3.2, decyduje często o tym, czy dany sensor może być w praktyce zastosowany do oznaczeń ilościowych konkretnych jonów w danych warunkach [8,11,164]. Na selektywność membrany wpływa nie tylko obecność odpowiednich centrów umożliwiających wymianę jonową (wymieniacze jonowe) roztwór - ISM, ale przede wszystkim obecność właściwego jonoforu, który kompleksując tylko określony rodzaj jonów, warunkuje właśnie ich wymianę pomiędzy fazami. Preferencje membrany wobec tylko jednego rodzaju jonów powodują, że głównie zmiany ich aktywności w próbce są zauważalne w postaci zmian potencjału tworzącego się m.in. na granicy faz. Innymi składnikami wpływającymi na selektywność, jednak w znacznie mniejszej skali, jest rodzaj matrycy membrany oraz plastyfikator. W przypadku silnie wiążących jonoforów istotna jest obecność odpowiednio skomponowanego wymieniacza jonowego w postaci soli, gdzie lipofilowy kation lub anion minimalizuje potencjalną koekstrakcję do membrany przeciwjonów wraz z jonami głównymi, co zapobiega pogorszeniu górnej granicy wykrywalności [8]. Prace nad wpływem interferenta na odpowiedź potencjometryczną prowadził jako pierwszy Nikolski (równanie 2.2:11), a następnie kontynuował Eisenman (równanie 2.2:13). Obecnie najczęściej stosowanym równaniem do opisu odpowiedzi potencjometrycznej elektrody jonoselektywnej, które uwzględnia obecność jonów przeszkadzających, jest zależność Nikolskiego-Eisenmana, (równanie 2.2:14). Później równanie to było rozwijane i przystosowywane do opisu wpływu różnych jonów, o różnym ładunku (równanie 2.2:15). Z punktu widzenia selektywności, najważniejszą wielkością wnosząca do powyższych równań wpływ interferenta jest potencjometryczny współczynnik selektywności pot K IJ, który opisuje zdolność elektrody do rozróżniania poszczególnych jonów i warunkuje, jaka część sygnału analitycznego będzie pochodzić od jonu głównego, a jaka od jonu przeszkadzającego. Za przydatną z punktu widzenia projektowania składu membrany [8,165,166] interpretację potencjometrycznego współczynnika selektywności można uznać poniższą zależność 2.3:1, która jest wyprowadzona w oparciu o założenia modelu potencjału na granicy faz: * zi / zj * c pot I, org ai, aq cj, org ci, org K IJ K IJ / (2.3:1) * z I / zj zi z J c c J org I org a *,, J, aq c J, org 28

Zdefiniowany w ten sposób pot K IJ wraz ze stężeniami poszczególnych jonów w warstwie organicznej pozwala na przewidywanie selektywności na podstawie dużej liczby parametrów membrany. Najważniejszym z nich jest uwzględnienie np. stałej kompleksowania jonów przez jonofor w membranie, co ułatwia także projektowanie jej składu i zawartości wagowych poszczególnych składników w celu uzyskania spodziewanej selektywności w określonych warunkach [166]. Potencjometryczny współczynnik selektywności zazwyczaj wyznacza się jednak doświadczalnie. Można wyróżnić trzy podstawowe metody pomiaru współczynnika selektywności pot K IJ : (i)metoda roztworów rozdzielonych (Separate Solution Method, SSM), (ii)metoda roztworów mieszanych (Fixed Interference Method, FIM) oraz (iii)metoda dopasowania potencjałów (Matched Potential Method, MPM). Pierwsze dwie metody są najstarsze i były rekomendowane przez komisję IUPAC w 1976 roku, jako równoległe sposoby wyznaczania współczynników selektywności [1]. Wszystkie wymienione metody mają swoje ulepszenia i modyfikacje, które były publikowane przez wielu autorów. Niezaprzeczalnie znaczną role odegrały m.in. metody wyznaczania tzw. obiektywnych współczynników selektywności [59,64,180,121,164]. W metodzie SSM siła elektromotoryczna układu jest mierzona przy użyciu tej samej elektrody niezależnie w dwóch osobnych roztworach zawierających albo jony główne, albo przeszkadzające. Ich zmieniające się aktywności a I oraz a J pozwalają na wyznaczenie krzywych potencjometrycznych (Rys. 2.3.1), a sam współczynnik jest obliczany zgodnie z poniższym równaniem [8,2,11,60,164,167]: log 0 0 z I F * * ai E J EI E J EI log z I z J z F (2.3:2) pot I K IJ / 2,303RT 2,303RT a J Zgodnie z zależnością 2.3:2, po zrównaniu aktywności obu jonów o tym samym ładunku, współczynnik * K jest równy 10 do potęgi E E z F / 2, RT pot IJ *. Wyznaczony metodą I J I 303 SSM współczynnik selektywności (zgodnie z równaniem 2.3:2) nie będzie obarczony zbyt wielkim błędem tylko i wyłącznie wtedy, gdy obie zarejestrowane krzywe potencjometryczne (dla jonu głównego i interferenta) będą wykazywać tzw. nernstowskie ( 2,303RT / z F ) nachylenie, co jest czasem nieosiągalne podczas pomiaru w roztworze jonów przeszkadzających, szczególnie dla elektrody mającej wcześniej kontakt z jonami głównymi. I 29

Jest to spowodowane ich wyciekiem do warstwy dyfuzyjnej roztworu z jonami przeszkadzającymi, co uniemożliwia uzyskanie odpowiedzi potencjometrycznej determinowanej jedynie przez jony interferenta i krzywej kalibracyjnej o nachyleniu nernstowskim. W celu uzyskania niezafałszowanych, tzw. obiektywnych współczynników selektywności (unbiased selectivity coefficient) wyznaczanie pot K IJ w metodzie SSM musi być dokonane w ściśle określonym porządku i warunkach. Wyznaczanie krzywych kalibracyjnych dokonuje się za pomocą elektrody, która nigdy wcześniej nie miała kontaktu z jonami głównymi. Kolejne pomiary wykonuje się począwszy od roztworów z jonami najmniej przeszkadzającymi, gdzie spodziewana względem nich selektywność jest najlepsza, a kończy na roztworach z jonami przeszkadzającymi, które są najbardziej preferowanymi przez membranę. Ostatnim etapem jest wyznaczenie charakterystyki potencjometrycznej dla jonów głównych [59,164]. Każde wyznaczenie krzywej kalibracyjnej poprzedza uprzednie kondycjonowanie membrany w odpowiednim roztworze oznaczanych jonów. Rys. 2.3.1. Schemat przedstawiający sposób wyznaczania potencjometrycznego współczynnika selektywności metodami doświadczalnymi (SSM, Separate Solution Metod; FIM, Fixed Interference Metod; MPM, Matched Potential Method) [8]. W metodzie roztworów mieszanych FIM wyznaczanie współczynnika selektywności przeprowadza się w roztworze o stałej aktywności jonów przeszkadzających ( a J ), stanowiących tło, oraz zmieniającej się aktywności jonów głównych ( a I ) [8,60,167]. Z otrzymanej potencjometrycznej krzywej kalibracyjnej (Rys. 2.3.1, FIM) wyznacza się przecięcie pochodzące z ekstrapolacji jej prostoliniowych odcinków: krzywej o nernstowskim oraz prawie poziomym nachyleniu. Punkt ten oznacza sytuację, w której 30

mierzony potencjał przestaje być generowany przez jony główne (a I (DL)), a zaczyna przez jony przeszkadzające o niezmiennej aktywności (a J (BG)). W ten sposób wyznaczone aktywności mogą służyć do obliczenia potencjometrycznego współczynnika selektywności zgodnie z równaniem: a ( DL) (2.3:3) pot I K IJ z I / z a J J ( BG) Podstawowym warunkiem przy wyznaczaniu pot K IJ w tej metodzie jest przede wszystkim przeprowadzenie kalibracji w stanie równowagowym z możliwie niskim przepływem jonów głównych czy przeszkadzających przez membranę. W celu uzyskania jak najlepszych warunków do wyznaczania niezafałszowanych współczynników selektywności (unbiased selectivity coefficients), indukowano przepływ jonów w kierunku wewnętrznej granicy faz ISM, który rekompensował wyciek jonów do roztworu próbki [64,121]. Inne prace dotyczące wyznaczania selektywności opierały się na prowadzeniu pomiarów w roztworach jonów przeszkadzających i głównych, przy czym te ostatnie były buforowane przez ligand [160]. Warto zaznaczyć, że dużą rolę w interpretacji powstających i wyznaczanych współczynników selektywności odegrał model dyfuzyjny opisany w poprzednim rozdziale. Ostatnia, trzecia metoda o nazwie MPM została zaproponowana w 1984 roku przez Gadzekpo i Christiana [168,169]. Polega ona na tym, iż do roztworu wyjściowego dodaje się ściśle określoną ilość jonów głównych o aktywności ai, która wywołuje odpowiednią zmianę potencjału. Następnie, w oddzielnym eksperymencie, do tego samego roztworu wyjściowego dodaje się jony przeszkadzające o aktywności a J w takiej ilości, ażeby potencjał osiągnął dokładnie taką samą wartość, jak to miało miejsce podczas dodawania jonów głównych (Rys. 2.3.1). Roztwór wyjściowy zazwyczaj zawiera już jony główne, a dodatek nowych nie przekracza 10% ich początkowego stężenia. Współczynnik selektywności oblicza się dzieląc aktywności reprezentujące dodaną ilość jonów głównych i interferenta: k MPM IJ a a I (2.3:4) J 31

W metodzie MPM współczynnik selektywności MPM k IJ został oznaczony celowo mała literą, gdyż różni się on od dwóch poprzednich współczynników wyznaczanych wcześniej opisanymi metodami i występujących w równaniu Nikolski ego-eisenmana. Sposób wyznaczania MPM k IJ jest równoznaczny z odrzuceniem teoretycznych założeń, na podstawie których równanie 2.2:14 opisuje charakterystykę potencjometryczną. Odzwierciedla on tylko doświadczalnie selektywność ISE w ściśle określonych warunkach pomiarowych (współczynnik selektywności może być różny dla tej samej elektrody w przeciwieństwie do SSM i FIM). W metodzie tej nie jest istotny ładunek poszczególnych jonów, nachylenie krzywych kalibracyjnych, a nawet czy wykazują one zależność liniową [8,167]. Z tego względu wynikają oczywiste zalety, które w niektórych układach pomiarowych mogą decydować o wyborze tejże metody, co zostało docenione m.in. przez komisję IUPAC [167]. Wadą metody MPM jest niewątpliwie duży wpływ warunków eksperymentalnych, co powoduje, że może mieć jedynie zastosowanie przy oznaczaniu selektywności w konkretnych roztworach. Ponadto metoda nie bazując na żadnych teoretycznych założeniach nie znajduje zastosowania w przewidywaniu różnych sytuacji analitycznych [8,60]. Wyznaczenie obiektywnego współczynnika selektywności nastręcza czasem dużego kłopotu ze względu na zmieniającą się selektywność w czasie pomiaru. Zjawisko to było już dawno znane i obserwowane niejednokrotnie w przypadku elektrod z membranami plastycznymi [138]. W warunkach równowagowych (lub ustabilizowanych lokalnych równowag) do interpretacji i opisu występującej selektywności ISE wystarcza model potencjału na granicy faz lub prostsze wersje modelu dyfuzyjnego. Jednak w przypadku układu w stanie dynamicznym niezbędne jest uwzględnienie parametru pivot (równanie 2.2:22). Rozwinięcie rozważań teoretycznych przedstawionych w rozdziale 2.2 pozwala na oszacowanie zmian potencjometrycznego współczynnika selektywności pot K IJ podczas procesu powstawania lokalnych równowag, w funkcji s (t), czyli również w funkcji czasu [139-142]. Ze względu na to, iż odpowiedź elektrody tuż po rozpoczęciu pomiaru ( t 0 ) jest głównie uwarunkowana poprzez transport jonów, a nie przez selektywność w stanie równowagi ( t ), współczynnik selektywności przyjmuje wartość bliską jedności, gdyż wartości współczynników dyfuzji jonu głównego i przeszkadzającego są zbliżone. W sytuacji ustalenia się lokalnych równowag, współczynnik selektywności E 0 lub K IJ u J, org / u I, org dla E 0. D D pot K IJ jest równy K IJ dla 32

Jeszcze większą wiedzę na temat możliwych zmian w czasie współczynników selektywności pozwala uzyskać opisany także w rozdziale 2.2. model NPP. Wiedza na temat przestrzennego rozmieszczenia jonów w membranie i potencjału elektrycznego w funkcji grubości membrany, a także czasu osiągania równowagi, pozwala na badanie podstawowych przyczyn zmian współczynników selektywności oraz jego przewidywania w czasie, w różnych warunkach pomiaru i po kondycjonowaniu membrany w różnych roztworach (historia użytkowania membrany) [143]. Znaczna poprawa selektywności ISE, która w ostatnich latach została osiągnięta, nie pochodzi od zupełnie nowych odkryć, jak np. nowe, doskonale selektywne jonofory. Największym problemem determinującym selektywność okazał się bezprądowy wyciek jonów z ISM do roztworu próbki. Dzięki poznaniu tego zjawiska [164] i znalezieniu sposobu jego ograniczenia [46,52], wyznaczone w zoptymalizowanych warunkach współczynniki selektywności uległy ogromnej poprawie. Osiągnięcie to było ściśle związane z pracami nad poprawą dolnej granicy wykrywalności [50], co zostanie omówione w następnym rozdziale 2.3.2. W momencie, kiedy już uznano, że współczynnik selektywności nie może być niższy niż 10-5, okazało się, że mogą osiągać wartości nawet o dziesięć rzędów wielkości niższe [9,10,46,48,52,60]. 2.3.2. Granica wykrywalności Granica wykrywalności (GW) to podstawowy parametr elektrody jonoselektywnej. Możemy wyróżnić górną i dolną granicę wykrywalności, od których zależy zasięg odpowiedzi ISE [2]. Z praktycznego punktu widzenia ważniejsza jest ta ostatnia i przez wiele lat była ona dla większości elektrod na niezmienionym poziomie około 10-6 M. Dopiero w latach 90-tych pojawiły się przełomowe prace, które opisywały wydłużanie zakresu liniowej odpowiedzi w stronę niższych stężeń o kilka rzędów wielkości [50-53,48,54-58] (rozdział 2.1). Dwa najważniejsze parametry analityczne elektrod jonoselektywnych, jak selektywność i dolna granica wykrywalności, są ze sobą często powiązane, ponieważ w niektórych przypadkach tzw. statyczna dolna granica wykrywalności (minimalna akceptowana mierzona aktywność jonów głównych a I (DL)) może być m.in. opisana za pomocą selektywności zgodnie z równaniem [8,13,51]: 33

a ( DL) K a (2.3:5) I pot IJ z I / z J J Dla wysoko selektywnych elektrod, opisana powyższym równaniem granica wykrywalności nigdy nie będzie osiągnięta, gdyż w praktyce odpowiedź elektrody będzie warunkowana przez jony główne nawet przy niskich aktywnościach, a właściwa GW będzie związana z ich wyciekiem z membrany do warstwy dyfuzyjnej roztworu [66]. Bardziej praktyczna i użyteczna metoda wyznaczania granicy wykrywalności dla danej elektrody jonoselektywnej, zarekomendowana przez IUPAC, wyznacza górną i dolną GW z ekstrapolacji i przecięcia prostoliniowych odcinków zarejestrowanej charakterystyki potencjometrycznej dla określonych jonów, co przedstawia Rys. 2.3.2 [1,2]. Definicja ta jednak nie uwzględnia niektórych odpowiedzi elektrod z nachyleniem dla siebie typowym i różnym od nernstowskiego ( 59,16 / z [mv], 298K). Dlatego też zaproponowano bardziej elastyczną i I rozszerzoną wersję, która m.in. jest spełniona dla klasycznych, nernstowskich odpowiedzi elektrod. Według definicji, dolna i górna granica wykrywalności jest aktywnością, przy której mierzony potencjał zaczyna odchylać się bardziej niż wynosi wartość / z F ln 2 RT I od krzywej kalibracyjnej zgodnej z zależnością Nernsta, w obu możliwych kierunkach [53]. Rys. 2.3.2. Graficzne przedstawienie wyznaczania dolnej i górnej granicy wykrywalności w potencjometrii zgodnie z rekomendacją komisji IUPAC [1]. W przypadku potencjometrii dolna granica wykrywalności jest określana zupełnie inaczej niż parametr tego typu dla innych metod analitycznych, gdzie zazwyczaj jest to trzykrotność średniego odchylenia standardowego tła szumu [48]. Jak już wcześniej wspomniano, dolna granica wykrywalności jest tutaj głównie związana z bezprądowym wyciekiem jonów głównych przez ISM do warstwy dyfuzyjnej roztworu próbki. Towarzyszy 34

temu dyfuzja przeciwjonów w tym samym kierunku lub ekstrakcja z roztworu do membrany jonów przeszkadzających o tym samym ładunku [50]. Jeżeli przepływ ten jest możliwy do kontrolowania i ograniczenia, dolna GW będzie głównie warunkować selektywność, czyli odpowiedni poziom aktywności jonów przeszkadzających. W literaturze znanych jest więcej niż dziesięć różnych metod poprawy głównych parametrów analitycznych, m.in. dolnej GW. Generalnie można je podzielić na te, które ograniczają niepożądany przepływ jonów oznaczanych w membranie w kierunku badanego roztworu, lub takie, w których nadmiar jonów głównych w warstwie przymembranowej jest odprowadzany w głąb próbki [55]. Do tych ostatnich metod można zaliczyć np. mieszanie próbki [59,75] zastosowanie elektrody wirującej [131,132] lub odpowiedniego układu pomiarowego w warunkach przepływowych (wall-jet, flow-through system) [66,121,170]. Poprawa parametru przez tego typu zabiegi jest dowodem na to, że dyfuzja jonów w roztworze jest wolniejsza niż ustalająca się ich równowaga na granicy faz i towarzyszące temu procesy przeniesienia ładunku. Pierwsze kroki dotyczące próby kontroli gradientów stężeń w ISM i poprawy dolnej GW były po raz pierwszy wykonane na elektrodach z roztworem wewnętrznym, gdzie odpowiednie dopasowanie IFS względem mierzonej próbki lub dodatek ligandu do roztworu wydłużało zakres liniowej odpowiedzi elektrody [50,53,56,64,66,171,172]. Jednak manipulowanie przy składzie jakościowym i ilościowym tego roztworu w celu poprawy GW wymaga wstępnej znajomości składu próbki i jest to niepraktyczne, gdyż w idealnej sytuacji elektroda jonoselektywna powinna być zawsze gotowa do użycia bez względu na rodzaj i stężenie analitu. Brak wiedzy na ten temat może wywołać niepożądany skutek odwrotny i odpowiedź tzw. ponad-nernstowską wynikającą z obniżenia aktywności jonów głównych w warstwie przymembranowej w stosunku do ich stężenia w głębi roztworu, co objawia się większym nachyleniem krzywej potencjometrycznej niż 59,16 / z [mv] (298K) [51,55]. Innym sposobem wpływania na procesy transportu w ISM jest zwiększenie grubości membrany [66] lub zawartości matrycy (np. PCW) w ogólnej masie membrany [173], co jednak spowoduje zwiększenie oporności membrany oraz czas odpowiedzi i długość kondycjonowania. Można także obniżyć zawartość jonowych komponentów w membranie (np. soli lipofilowej) [66] lub odwrotnie - zwiększać jej hydrofobowość (dodatek lipofilowych związków) [174], jednak to z kolei będzie skutkowało także większą opornością ISM ze wszystkimi konsekwencjami oraz dodatkowo pogarszało górną GW i selektywność. Bardzo ciekawym pomysłem jest kowalencyjne wiązanie jonoforu do matrycy membrany [103,106-108,116] przy założeniu, że cały transport jonów głównych przez membranę odbywa się za pośrednictwem jonoforu [107,116]. Dobrą alternatywą dla PCW okazały się też inne polimery I 35

zastosowane jako matryce do budowy ISM, np. poliakrylany czy polimetakrylany [85-87,103-108], w których współczynniki dyfuzji kompleksowanych jonów wynoszą około 10-11 cm 2 s -1, podczas gdy w PCW jest to około 10-8 cm 2 s -1 [85]. Zapewnia to wolniejszy transport jonów głównych w membranie i zmniejsza strumień jonów wyciekających do warstwy przymembranowej roztworu. Przepływ jonów w membranie może być kontrolowany nie tylko poprzez zmiany środowiska, w jakim się znajdują (budowa ISM, skład IFS), ale także przez wymuszenie przepływu prądu, który może indukować ich ruch w odwrotnym kierunku [121-130]. Jest to zdecydowanie wygodniejsze niż dostosowywanie IFS i może być stosowane również w przypadku elektrod jonoselektywnych ze stałym kontaktem [94,96]. Jednak stopień polaryzacji elektrody powinien być uzależniony nie tylko od składu membrany, ale także od roztworu, w którym elektroda pracująca się znajduje, co w przypadku nieznanej próbki eliminuje tę metodę jako uniwersalną i możliwą do praktycznego stosowania [175]. Ostatnim znaczącym i wartym wspomnienia sposobem obniżania dolnej granicy wykrywalności było zastosowanie stałego kontaktu w ISE i wyeliminowanie elektrody wyprowadzającej wraz z roztworem wewnętrznym [77,85-88,91-96]. Zmiana konstrukcyjna tego typu wydaje się intuicyjnie dobrym krokiem ze względu na usunięcie dodatkowego źródła jonów, które mogą przemieszczać się przez membranę. Jednak jak się okazało, wyciek jonów do warstwy dyfuzyjnej i związane z tym pogorszenie parametrów nie zmieniło się, co wynika z wystarczającej zawartości jonów głównych w samej ISM po kondycjonowaniu (około 10-2 10-3 mol/kg w zależności od składu membrany) [13,46,49,55]. Dodatkowym źródłem niestabilności sensora i wycieku jonów może być gromadzenie się wody w warstwie kontaktu [86] lub pojawianie się samorzutnych reakcji redoks, na które są szczególnie narażone polimery przewodzące np. pod wpływem tlenu [12,55,94,176]. Z powyżej opisanych metod obniżania GW wynika zatem, że nie znaleziono jeszcze idealnego sposobu poprawy parametrów analitycznych. Mimo to warto odnotować, że dzięki niektórym z opisanych sposobów udało się obniżyć dolną GW do wartości 10-8 10-12 M dla więcej niż 10 różnych jonów [48,49] lub nawet jeszcze niżej dla jonów srebra [56,77] i ołowiu [64,86,132]. Górna granica wykrywalności jest osiągana w zdecydowanie innych warunkach, gdzie sąsiadujący z membraną roztwór jest bardzo mocno zatężony. GW jest wtedy przede wszystkim warunkowana koekstrakcją jonów głównych i przeciwjonów do ISM, co jest jednoznaczne z utratą przez nią permselektywności (zanik efektu Donnana) [8,13]. Skutkuje to brakiem odpowiedzi elektrody na zmiany aktywności oznaczanych jonów i wypłaszczeniem krzywej potencjometrycznej lub wręcz całkowitą zmianą jej nachylenia w zależności od składu membrany. W przypadku obecności nośników jonów, w skrajnych 36

przypadkach, może dojść do sytuacji, w której liczba cząsteczek kompleksów jonofor-jon główny w membranie może być większa niż jonów o przeciwnym znaku, stanowiących część lipofilowej soli (wymieniacza jonowego). ISM zaczyna łatwiej wymieniać przeciwjony niż jony główne, co prowadzi do zmiany nachylenia krzywej potencjometrycznej, która jest charakterystyczna dla jonów o przeciwnym znaku niż jony oznaczane [13] (Rys. 2.3.3, krzywa A). Rys. 2.3.3. Obliczone SEM w funkcji aktywności przeszkadzających przeciwjonów a Anion (równy aktywności jonów głównych a Cation ) dla elektrody ISE czułej na kationy z membraną zawierającą jonofor (krzywa A) oraz membraną bez jonoforu, zawierającej tylko wymieniacz jonowy (krzywa B) [8]. Stopień koekstrakcji i wynikająca z tego górna GW zależy więc m.in. od ilości soli lipofilowej w ISM oraz siły kompleksowania jonów głównych przez jonofor, który w tym przypadku mocniej oddziałując na jony główne ułatwia wymianę raczej przeciwjonów między dwoma fazami. Skalę tego procesu opisuje stała koekstrakcji przypadku membrany kationowymiennej): K koekstr (podana tutaj dla K koekstr a c IL, org I, aq c nil L, org c a A, org A, aq z k I k A IL (2.3:6) Próba przeciwdziałania temu efektowi i dodawanie zbyt dużej ilości wymieniacza jonowego skutkuje spadkiem selektywności i może prowadzić do pogorszenia dolnej granicy wykrywalności, gdyż zbytnio ułatwi transport jonów w lipofilowej membranie [8,13,51]. Trochę inna sytuacja i zazwyczaj wyższa GW występuje w przypadku elektrod z membranami zawierającymi tylko wymieniacz jonowy, ale pozbawionymi nośnika jonów. Od pewnego momentu, wraz ze wzrostem stężenia roztworu, koekstrakcja przeciwjonów zachodzi tutaj również, jednak ze względu na brak ligandu zatrzymującego silnie jony główne w membranie, nie ma kompleksu działającego jak lipofilowy wymieniacz dla przeciwjonów. 37

Koekstrakcja przeciwjonów wraz z jonami oznaczanymi do membrany powoduje, że mierzony potencjał na granicy faz E / nie zmienia się wraz ze zmianą aktywności jonów aq org w roztworze. To powinno prowadzić do utraty odpowiedzi potencjometrycznej elektrody i wypłaszczeniu rejestrowanej krzywej (Rys. 2.3.3, krzywa B). 2.3.3. Pozostałe parametry analityczne Do innych parametrów, również w niektórych przypadkach kluczowych i intensywnie badanych, które opisują jakość elektrody jonoselektywnej, można zaliczyć czułość, zakres pomiarowy, czas odpowiedzi i stabilność potencjału, powtarzalność oraz czas życia czujnika. Czułość elektrody jonoselektywnej jest to stopień nachylenia jej krzywej kalibracyjnej, a więc wyrażany jest liczbowo za pomocą współczynnika kierunkowego prostoliniowego odcinka SEM w funkcji logarytmu z aktywności jonów głównych. Teoretyczna wartość nachylenia wynika z równania Nernsta (2.2:9) i wynosi 2,303RT / z F. Warto dodać, że ze względu na ładunek jonów oznaczanych, dla których ISE jest przeznaczona, czułość potencjometryczna elektrody jest tym mniejsza, im ładunek jonu jest większy. Ze względu na to, iż mierzony sygnał analityczny jest liniowo zależny od logarytmu z aktywności oznaczanych jonów, potencjometria nie należy do czułych metod. W rzeczywistości wiele elektrod wykazuje liniową zależność o nachyleniu odbiegającym od nernstowskiego, co w niektórych przypadkach, szczególnie gdy nachylenie jest większe od przewidzianego teorią, jest pożądanym efektem i wykorzystywanym w analizach [177]. Z górną i dolną granicą wykrywalności jest ściśle powiązany zakres pomiarowy ISE. Jest to przedział aktywności jonów możliwy do zmierzenia za pomocą danej elektrody pomiędzy dwoma GW i jest on równoznaczny z liniowym odcinkiem krzywej kalibracyjnej. Potencjometria jest techniką, która pozwala na oznaczenia aktywności jonów w bardzo szerokim przedziale. Zazwyczaj są to wartości od około 1 0,1M do 10-6 10-12 M. Czas odpowiedzi elektrody i związana z nim stabilność odczytywanego potencjału to dosyć ważne parametry ze względu na przydatność czujnika i wiarygodność pomiaru. Czas, w jakim idealny sensor daje odpowiedź na temat ilościowego składu próbki, powinien mieścić się w zakresie kilku sekund. Trudno przy tym ustalić punkt (zakres) odczytu sygnału, który jest wiążący, jeżeli brak jest stabilności odczytywanego potencjału (dryf potencjału lub duże oscylacje sygnału). Z tego względu parametry te były dosyć intensywnie badane, czego dowodem jest obszerna praca podsumowująca dokonania do roku 1987 [178]. Zgodnie ze I 38

wczesnymi rekomendacjami komisji IUPAC, czas odpowiedzi elektrody można definiować jako przedział czasu od momentu zetknięcia się elektrod (wskaźnikowej i odniesienia) z badanym roztworem (lub tuż po rozcieńczeniu/zatężeniu roztworu) do momentu ustalenia się stałego potencjału, którego wahania nie przekraczają typowej dla ISE wartości około 1mV [1] lub do momentu aż mierzony potencjał nie osiągnie 90% swojej końcowej wartości [179]. W późniejszym okresie, ażeby uwzględnić także układy pomiarowe z typowym dla siebie dryfem potencjału, rozszerzono powyższą definicję. Moment odczytu sygnału to chwila, w której zmiana potencjału w czasie ( E / t ) osiąga w danych warunkach charakterystyczną dla siebie wartość graniczną [2]. Czas odpowiedzi ISE oraz stabilność mierzonego sygnału są bardzo zróżnicowane w zależności od czujnika. Niektóre elektrody, szczególnie te charakteryzujące się wysoką impedancją, jak mikroelektrody, mają tak szybkie odczyty, że limitującym elementem jest sprzęt elektroniczny [180]. Natomiast za brak stabilności potencjału może odpowiadać bardzo wiele czynników. W przypadku słabego przewodnictwa jonowego membrany i wysokiej oporności elektrody mogą pojawić się oscylacje mierzonego sygnału. Dryf potencjałowy może być z kolei spowodowany (i)wolną wymianą jonową i ustalaniem równowag na granicy faz ISM roztwór badany w porównaniu z procesami dyfuzji w poszczególnych fazach, (ii)zmieniającym się potencjałem dyfuzyjnym wewnątrz ISM, (iii)zmieniającym się potencjałem na wewnętrznej granicy faz ISM IFS, (iv)powstawaniem dodatkowej granicy/granic faz pod membraną np. w przypadku gromadzenia się wody lub (v)zbyt małej objętości IFS czy badanych próbek [59,63,109,161]. Dwa ostatnie parametry opisujące cechy ISE to powtarzalność odczytów oraz czas życia elektrody. Bardzo pożądaną i wręcz fundamentalną właściwością elektrody jonoselektywnej jako czujnika analitycznego jest wskazywanie za każdym razem tego samego potencjału w przypadku ponownego (wielokrotnego) oznaczania tej samej próbki, zawierającej taką samą ilość jonów głównych. Brak takiej właściwości dyskwalifikuje elektrodę gdyż jej odczyty nigdy nie będą wiarygodne. Efekt zmiany nie tylko odpowiedzi elektrody, ale także jej selektywności oraz dolnej i górnej granicy wykrywalności wraz z zakresem pomiarowym zmienia się w naturalny sposób z wiekiem elektrody. Podczas wielokrotnego stosowania ISE do oznaczania ilościowego jonów w różnych próbkach może dochodzić do zmiany składu membrany poprzez ekstrakcję jej składników do mierzonych roztworów lub na odwrót przenikanie różnego rodzaju jonów, a tym bardziej cząsteczek lipofilowych do wnętrza ISM. Dodatkowo mogą się tworzyć wewnątrz jak i na jej powierzchni trudno rozpuszczalne osady. Z czasem membrana się rozkłada, a jej właściwości fizykochemiczne się zmieniają. Procesy 39

te można w niewielkim stopniu ograniczać poprzez odpowiednie przechowywanie elektrody oraz kondycjonowanie w odpowiednich roztworach. 2.4. Konstrukcje i właściwości elektrod jonoselektywnych typu all-solidstate Do najnowszych rozwiązań konstrukcyjnych i najbardziej obiecujących należą elektrody bez ośrodka ciekłego typu all-solid-state. Jak już wcześniej wspomniano, w układach tych roztwór wewnętrzny i elektroda wyprowadzająca (Rys. 2.2.1) zostały całkowicie wyeliminowane. Główną przyczyną usunięcia IFS jest kilka podstawowych wad, do których należy: (i)utrudniona miniaturyzacja, (ii)konieczność uzupełniania roztworu, (iii)konieczność utrzymywania elektrody w pozycji pionowej, (iv)mała tolerancja na zmiany temperatur oraz (v)roztwór wewnętrzny stanowiący dodatkowe źródło uwalnianych jonów z czujnika do fazy roztworu. Elektrody ASS są pozbawione ryzyka wycieku elektrolitu, są także łatwiejsze w długoterminowym przechowywaniu, transporcie, miniaturyzacji i sterylizacji (do analiz in vivo) [7,90,97]. Pierwsze i najprostsze rozwiązanie zaproponowane przez Cattralla i Freisera dotyczące elektrody z powlekanym drutem (coated wire electrode) [67] polegało na usunięciu półogniwa wyprowadzającego wraz z roztworem wewnętrznym i bezpośrednim nałożeniu plastycznej membrany na bazie PCW na podłoże, które stanowi przewodnik elektryczny (drut platynowy, złoty, miedziany lub węgiel szklisty) (Rys. 2.4.1). Elektrody coated wire znalazły zastosowanie przy oznaczaniu wielu analitów [68], z porównywalnym zakresem pomiarowym i selektywnością jak dla elektrod z roztworem wewnętrznym [67,68]. Jednak istotnym mankamentem tych elektrod jest brak stabilności i odtwarzalności potencjału ze względu na wysoki opór przeniesienia ładunku pomiędzy membraną (przewodnictwo jonowe) a przewodnikiem elektrycznym (przewodnictwo elektryczne) [158,181] oraz tworzenie się pomiędzy ww. warstwami półogniwa tlenowego [79,181] i/lub cienkiej warstwy wody [109], gdyż zarówno tlen jak i woda mogą dość swobodnie dyfundować przez ISM. Powstałe półogniwo lub podwójna warstwa elektryczna charakteryzuje się niską pojemnością, co skutkuje dużą wrażliwością potencjału na warunki pomiaru i w rezultacie dryfem potencjału lub brakiem odtwarzalności sygnału. Ze względu na swoje ograniczenia elektrody te nie znalazły szerokiego zastosowania i w praktyce były wykorzystywane tylko w specjalnych przypadkach, np. jako detektory chromatograficzne [182]. 40

W celu uniknięcia omówionych powyżej problemów, w elektrodach ASS zastosowano warstwy mediacyjne. Najczęściej stosowanymi materiałami, ze względu na odpowiednie właściwości oraz łatwość otrzymywania praktycznie na dowolnym przewodniku, są polimery przewodzące [183]. Wykazują one zarówno dość wysokie przewodnictwo jonowe jak i przewodnictwo elektronowe, dzięki czemu na sąsiadujących z warstwą polimeru granicach faz (ISM lub podłoże elektrody) zachowana jest możliwość wymiany odpowiednio ładunku jonowego lub elektronowego. Obecność warstwy polimeru przewodzącego przyczynia się również do dużej pojemności redoks odpowiedzialnej za stabilność potencjału. Po za tym w warunkach pomiaru polimery te nie ulegają zbyt łatwo reakcjom ubocznym i ich stabilność chemiczna i potencjałowa jest zazwyczaj wystarczająca [97,184,185]. Rys. 2.4.1. Schematy podstawowych typów elektrod jonoselektywnych (ISE) all-solid-state (ASS): elektroda z powlekanym drutem (coated wire, CWE), elektroda ze stałym kontaktem (SC-ISE), elektroda z rozproszonym polimerem przewodzącym w ISM (Single-Piece ISE, SP- ISE), elektroda z polimerem przewodzącym jako membraną jonoczułą (CP-ISE). Na Rys. 2.4.1 pokazano oprócz CWE inne główne rozwiązania konstrukcyjne elektrod ASS z wykorzystaniem polimerów przewodzących [7,89]. Pierwszą elektrodą jonoselektywną, w której materiał ten znalazł swoje zastosowanie jest elektroda typu SC-ISE (solid contact ISE), gdzie jest on usytuowany pod jonoselektywną membraną i nie ma on bezpośredniego kontaktu z badanym roztworem spełniając tylko funkcję mediacyjną [84]. Czujniki te są m.in. przedmiotem opisanych w niniejszej pracy badań i dlatego ich budowa, skład membran oraz podstawowe właściwości zostały szerzej omówione w rozdziale 2.4.1. Innym typem elektrod all-solid-state są sensory SP-ISE (single piece ISE), gdzie polimer przewodzący został wprowadzony do fazy ISM [186]. Przygotowywanie tak złożonej membrany nie jest trudne, gdy polimer przewodzący rozprasza się łatwo w formie zawiesiny wraz z innymi komponentami membrany w rozpuszczalniku organicznym. Do polimerów spełniających te wymagania można zaliczyć niedomieszkowany poli(3-oktylotiofen) [186], protonowaną formę polianiliny i jej pochodne [186,187] lub domieszkowany polipirol [20]. 41

W przypadku tych elektrod polimer spełnia tę samą rolę jak w poprzednim typie czujnika i ma za zadanie zapewnić możliwość wymiany ładunku na granicach faz. Zaletą tego rodzaju rozwiązania jest na pewno prostsza konstrukcja, co mogłoby mieć znaczenie w ewentualnym komercyjnym zastosowaniu i masowej produkcji. Niestety sensory tego typu są bardziej wrażliwe na niektóre składniki występujące w badanych próbkach, które mogą wpływać na obecny w membranie polimer i potencjał elektrody, szczególnie reagenty redoks lub jony H + /OH - [7]. To z kolei może wpływać na parametry analityczne elektrody, jak granica wykrywalności czy selektywność, i dlatego ważne jest optymalne dostosowanie jego zawartości w każdym przypadku z osobna [186-188]. Rys. 2.4.2. Schemat elektrody typu all-plastic (AP-ISE) od przodu i od boku. Symbole: a ISM; b polimer przewodzący; c izolacja zapobiegająca kontaktowaniu się badanego roztworu z polimerem przewodzącym [90]. Najprostszym rozwiązaniem wykorzystującym polimer przewodzący jest elektroda typu AP-ISE (all-plastic ISE) przedstawiona na Rys. 2.4.2 [90,92,189]. Jest to uproszczona wersja elektrody S-PG (screen-preented graphite) (zaliczana do SC-ISE), w której podłoże z grafitu zostało wyeliminowane, a polimer przewodzący stanowi jednocześnie warstwę mediacyjną oraz spełnia funkcję wyprowadzającego przewodnika elektrycznego. Opisane w literaturze tego typu czujniki uzyskiwano nakrapiając wodną zawiesinę poli(3,4-etylenodioksytiofenu) domieszkowaną jonami poli(4-styrenosulfonowymi) lub polianilinę bezpośrednio na podłoże z folii. Do ostatniej grupy czujników all-solid-state można zaliczyć elektrody CP-ISE (conducting polymer ISE), gdzie polimer przewodzący spełnia również podwójną rolę, jednak tym razem, oprócz funkcji mediacyjnej, stanowi warstwę receptorową (selektywnie jonoczułą) [190-195]. Używany w tym celu był głównie polipirol (PPy) [196-200] oraz rzadziej poli(3,4-etylenodioksytiofen) (PEDOT) [196,199], polianilina (PANI) [201,202], poli(3-oktylotiofen) (POT) [203], polikarbazol [204], poliindol [204] i ich pochodne. Większość z nich była otrzymywana elektrochemicznie, gdzie podłoże elektrody stanowił 42

głównie węgiel szklisty lub grafit [196,199] oraz platyna [197,199,201,204] i złoto [202]. Jeżeli wymienione powyżej polimery (p-domieszkowane) występują w formie utlenionej oraz są domieszkowane małymi i mobilnymi anionami z A, to mogą być one wymieniane na inne aniony o podobnych właściwościach, a proces ten jest uzależniony od ich stężenia, wielkości [205] oraz współczynników dyfuzji w poszczególnych fazach [206]. Polipirol, jak i większość innych warstw polimerowych, wykazuje zatem właściwości jonowymienne, co powoduje generowanie zmiennego potencjału na granicy faz polimer roztwór w zależności od zmian aktywności anionów w roztworze. Właściwości te zostały potwierdzone dzięki badaniom potencjometrycznym warstw PPy w roztworach zawierających chlorki [190-193], bromki [190], azotany(v) [190,193,194], chlorany(vii) [195] oraz tetrafluoroborany (BF 4 - ) [84,184,193]. Możliwy jest również udział kationów w wymianie jonowej i mieszany charakter ustalających się równowag, co potwierdzają potencjometryczne krzywe kalibracyjne o nachyleniu mniejszym niż nernstowskie [184,193]. Wymiana jonowa pomiędzy warstwą polimeru a roztworem elektrolitu może również zachodzić jednocześnie z samorzutną zmianą stopnia utlenienia łańcuchów polimeru [195], co jest m.in. przyczyną uwalniania anionów do roztworu i powstawania granicy wykrywalności takich elektrod. Procesy te można obserwować dzięki zmianom mierzonego potencjału w układzie otwartym [207], co zostało również potwierdzone innymi metodami badawczymi [208,209]. Najbardziej intensywne procesy wymiany jonowej można zaobserwować w przypadku świeżo otrzymanych warstw polipirolu, gdzie podczas pomiaru w układzie otwartym w kontakcie z roztworem elektrolitu ich potencjał [94,184,207,210] i skład chemiczny [210] stosunkowo szybko się zmienia. Polimery przewodzące p-domieszkowane mogą również wykazywać właściwości kationowymienne, jednak wymaga to wprowadzenia do wnętrza warstwy ligandów wykazujących właściwości kompleksujące jony metali [198] lub unieruchomienia w niej anionów z A, co z kolei zależy od wielkości anionu oraz od stopnia porowatości materiału [191-194,198,210]. Potencjał mierzony za pomocą elektrod CP-ISE można opisać równaniem Doblhofera, w której potencjał warstwy polimeru przewodzącego zależy od stosunku aktywności utlenionej i zredukowanej formy polimeru oraz od wartości potencjału Donnana, który uwzględnia wpływ równowagi jonowej pomiędzy fazami [196,200]. Bardziej złożony model opisujący równowagę elektronową i jonową pomiędzy polimerem a sąsiadującym roztworem został zaproponowany przez Lewenstama i współpracowników [211]. Procesy zmiany stopnia 43

utlenienia polimerów przewodzących mogą być również wywołane różnego rodzaju czynnikami, np. obecnością reagentów redoks [184,212,208,213-215]. Należy pamiętać, że w przypadku obecności pary redoks w sąsiadującym roztworze, potencjał elektrody z polimerem przewodzącym może stać się ściśle uzależniony tylko od potencjału redoks roztworu. Wtedy rejestrowany potencjał przyjmuje wartość zgodną z równaniem: c 0 RT OX, aq E E ln (2.4:1) nf c RED, aq Wcześniejsze badania potwierdzają [184,216], że wpływ potencjału redoks na odpowiedź elektrody CP-ISE na bazie PPy jest dominujący i na tyle silny, że nawet w obecności wysokich stężeń elektrolitu rejestrowane potencjały zależą tylko od pary redoks w roztworze [216]. Oprócz typowych reagentów redoks, takich jak np. heksacyjanożelaziany [212], na stopień utlenienia warstwy polipirolu i potencjał elektrody mogą wpływać też m.in. O 2 [213], I - [215], H 2 O 2 [214] lub kationy metali szlachetnych (przy obojętnym lub utlenionym w niewielkim stopniu polipirolu) [200]. Do innych czynników mogących wpływać na stopień utlenienia polimeru (potencjału elektrody) może należeć: (i)światło, (ii)obecność substancji nukleofilowych, np. OH - lub H 2 O prowadzące do powolnej degradacji polimeru, (iii)kwasowość/zasadowość prowadząca do protonacji/deprotonacji warstwy, (iv)kompleksowanie jonów metali z otaczającego środowiska przez odpowiednie grupy/ligandy obecne w polimerze, (v)wymuszona wymiana jonowa w kontakcie z mocno zatężonym/rozcieńczonym roztworem, (vi)zmiana potencjału redoks roztworu oraz (vii)sorpcja niektórych lipofilowych związków organicznych, np. surfaktantów. Część tych procesów może być nieodwracalna, co zmniejsza bezpowrotnie elektroaktywne właściwości polimeru, lub może przebiegać jednocześnie (jeden proces wiąże się z obecnością drugiego) [90,94,96,176,185,196,207,209,212,217,218]. Warto dodać, że funkcjonalizowany lub domieszkowany polipirol [219] znajduje również szerokie zastosowanie w budowie biosensorów [220], jako warstwy katalityczne [221] lub jonowymienne w mikroekstrakcji [222]. Biorąc pod uwagę wrażliwość polimerów przewodzących na wymienione powyżej czynniki oraz uzyskiwane wysokie limity detekcji [190-194] i stosunkowo niskie współczynniki selektywności [211] elektrod CP-ISE można stwierdzić, że czujniki te stanowią gorszą alternatywę w porównaniu do SC-ISE omówionych w szczegółowo w następnym rozdziale. 44

2.4.1. Elektrody jonoselektywne z membraną plastyczną i kontaktem polimerowym Drugim możliwym sposobem zastosowania polimeru przewodzącego w elektrodach jonoselektywnych jest jego wykorzystanie nie jako membrany, ale jako kontaktu spełniającego funkcję mediatora pomiędzy podłożem elektrody, która wykazuje przewodnictwo elektryczne, a membraną jonoselektywną, która z kolei charakteryzuje się przewodnictwem jonowym i odpowiada za selektywność czujnika (Rys. 2.4.1) [84,89]. Rys. 2.4.3. Schemat działania elektrody jonoselektywnej ze stałym kontaktem polimerowym i z membraną anionowymienną (A) i kationowymienną (B) [90]. W poprzednim rozdziale zostały omówione m.in. właściwości jonowymienne polimerów przewodzących, które mogą być anionowymienne lub kationowymienne w zależności od rodzaju anionu domieszkującego, a głównie jego wielkości. W przypadku SC-ISE z membraną plastyczną, o właściwościach elektrody i parametrach analitycznych decyduje głównie ISM. Schemat działania SC-ISE na przykładzie kontaktu polipirolowego i membrany anionowymiennej został przedstawiony na rysunku 2.4.3. Membrana selektywna na anionów A swobodnie wymienia te jony zarówno z roztworem próbki, jak i kontaktem polimerowym, gdzie na granicach faz ustalają się lokalne równowagi. W przypadku elektrody selektywnej na kationy I (Rys. 2.4.3), tylko one mogą się swobodnie poruszać w obrębie membrany i być wymieniane z sąsiadującymi fazami. Polimer przewodzący może być w tym przypadku domieszkowany nawet małymi i ruchliwymi anionami, a i tak obecność 45

kationowymiennej membrany będzie warunkowała wymianę z polipirolem kationów gdyż ISM nie jest przepuszczalna dla anionów, które powinny pozostawać w warstwie polimeru [176]. To z kolei powoduje, że tym razem kationy wpływają na ewentualną zmianę stopnia utlenienia polimeru i związaną z tym odpowiednią wymianę elektronową z podłożem elektrody. I, 2.4.1.1. Rodzaje kontaktów polimerowych w elektrodach typu all-solid-state Polimery przewodzące, jako kontakty w elektrodach SC-ISE, mogą być osadzane na powierzchni różnych przewodników elektrycznych drogą elektropolimeryzacji lub nakładane w postaci gotowych wodnych zawiesin na obracające się podłoże (spin-coating) lub bezpośrednio nakrapiane np. pipetą. W dwóch ostatnich przypadkach polimer jest zazwyczaj otrzymywany metodą polimeryzacji chemicznej. Jako podłoże elektrody służy przeważnie węgiel szklisty [19,85,91,94,95,223], platyna [16,17,197,224-227] lub złoto [17-19,86]. Rys. 2.4.4. Wzory monomerów stosowanych do otrzymywania polimerów, które były wykorzystywane jako kontakty w SC-ISE. Są to (1)pirol i jego pochodne: (2)N-metylopirol, (3)1-heksylo-3,4-dimetylopirol; pochodne tiofenu: (4)3-metylotiofen, (5)3-oktylotiofen, (6)3,4-etylenodioksytiofen, (7)3,4-dioktyloksytiofen; (8)anilina i jej pochodne: (9)αmetylonaftalen, (10)o-aminofenol, (11)o-diaminobenzen, (12)N-fenyloglicyna, (13)oanizydyna. Na przestrzeni ponad 10 lat wykorzystywany był polipirol, politiofen, polianilina i ich pochodne [89]. Przykłady niektórych stosowanych monomerów zostały przedstawione na rysunku 2.4.4. Polipirol jako przetwornik jonowo-elektronowy w elektrodach 46

jonoselektywnych był użyty jako pierwszy już na początku lat 90-tych [84]. Był wykorzystywany do konstrukcji wielu elektrod jonoselektywnych, m.in. planarnych [228], do analizy w warunkach przepływowych [93], mikroelektrod [229], a także takich, gdzie PPy był domieszkowany różnymi anionami bądź obojętnymi organicznymi cząsteczkami wykazującymi właściwości kompleksujące [16,93,95,197,229]. W przypadku SC-ISE rola domieszkowania polimeru jako kontaktu również okazuje się istotna i wpływa głównie na granicę wykrywalności, właściwości fizyczne (adhezja do membrany) oraz na wymianę jonową pomiędzy ISM i kontaktem Ze względu na wysoką pojemność redoks i dobre przewodnictwo elektronowe, polimer ten okazał się także odpowiedni w przypadku polaryzacji galwanostatycznej, dzięki której granica wykrywalności elektrod była obniżana nawet o 3 rzędy wielkości [94,96] (szerzej w rozdziale 3). Wykorzystując kontakt polipirolowy w SC-ISE zostały przeprowadzone badania dotyczące samorzutnego ładowania/rozładowania polimeru i jego wpływu na granicę wykrywalności oraz selektywność elektrody z membraną selektywną na jony wapnia [176]. Był on również zastosowany jako kontakt do badania właściwości i określenia parametrów analitycznych czujników z nowymi membranami, np. metakrylanowymi / akrylanowymi [85], jako kompozytowy kontakt z Nafionem w elektrodach pehametrycznych ze szklaną membraną [224] oraz do konstrukcji elektrod przystosowanych do oznaczania antybiotyków oksytetracykliny i metacykliny [230]. Bardzo dogodnym polimerem dającym nowe możliwości w procesie wytwarzania czujnika, z racji jego rozpuszczalności w tetrahydrofuranie (THF), jest poli(1-heksylo-3,4-dimetylopirol), który był wykorzystany jako kontakt w elektrodach czułych na aniony węglanowe z membranami silikonowymi [225]. Najczęściej jednak były wykorzystywane pochodne politiofenu, takie jak: poli(3,4- etyleno-1,4-dioksytiofen) (PEDOT) [18,19,92,185], poli(3-oktylotiofen) (POT) [17,86-88], poli(3,4-dioktyloksytiofen) (PDOT) [231] oraz poli(3-metylotiofen) (PMT) [91]. Warto tutaj dodać, że POT i PDOT zawierają długie łańcuchy węglowodorowe, co czyni je (szczególnie POT) bardziej lipofilowymi polimerami w porównaniu do pozostałych używanych do konstruowania SC-ISE. Ta przewaga okazała się korzystna przy projektowaniu bardziej trwałych czujników, gdzie formowanie się cienkiej warstwy wody pod ISM i związana z tym niestabilność potencjału została znacznie ograniczona [86]. Większa lipofilowość wpływa również na mniejszą zawartość jonów w warstwie, co ograniczać może ich wyciek do roztworu i poprawiać granicę wykrywalności. To zjawisko może także wynikać z właściwości elektrochemicznych POT. W porównaniu do reszty polimerów, zawiera mniej łańcuchów przewodzących i przez to mniejszy ładunek dodatni, co również determinuje mniejszą liczbę 47

przeciwjonów równoważących ładunek w warstwie. Co więcej, sam łańcuch politiofenu nie utlenia się zbyt mocno i według niektórych badaczy ma tendencję do samorzutnego redukowania się w kontakcie z wodą [7,203]. Te właściwości powodują, że POT jest bardziej odporny na reagenty redoks, jak np. tlen [86], które mogłyby przyczyniać się do niestabilności potencjału. Jednak należy pamiętać, że niższa pojemność polimeru nie jest korzystna z racji większej podatności na polaryzację i wynikający stąd możliwy brak stabilności potencjałowej kontaktu [7,326]. Szeroko stosowana była również polianilina [92,223] w tradycyjnych czujnikach jonoselektywnych oraz ph, jako że polimer ten otrzymany drogą elektropolimeryzacji jest wyjątkowo czuły na zmiany kwasowości roztworu [223]. Natomiast różne jej pochodne były raczej wykorzystywane jako kontakty do projektowania elektrod czułych na różnego rodzaju związki organiczne o znaczeniu farmaceutycznym, jak leki: (i)antyhistaminowa difenhydramina [226], (ii)uspokajający chlordiazepoksyd [227], (iii)obniżający ciśnienie tętnicze i zwiększający wydolność serca propranolol [232], (iv)rozkurczająca mięśnie gładkie papaweryna [233], (v)niwelujący arytmię serca amiodaron [234] oraz neuroprzekaźnik dopamina [235], która również jest stosowana jako lek przy niewydolności nerek lub wzmacniająca skurcze serca. 2.4.1.2. Skład i właściwości membran PCW w elektrodach typu all-solid-state Plastyczna membrana jonoselektywna jest, obok warstwy polimeru przewodzącego spełniającego funkcję kontaktu, ważnym elementem SC-ISE decydującym o jej właściwościach, a także stanowi o jej zaletach oraz przewadze nad innymi czujnikami jonoselektywnymi. Membrany te są zbudowane z wysoko lipofilowych łańcuchów polimerowych, tzw. matrycy membrany, która stanowi szkielet dla reszty rozpuszczonych, także wysoko lipofilowych składników ISM, co powoduje tworzenie się wyraźnej, niemieszającej się z wodą granicy faz. Dodatkowo, wysoka lipofilowość całej membrany zapewnia dłuższą trwałość czujnika ze względu na spowolniony wyciek poszczególnych komponentów do badanych roztworów wodnych [8,11,102]. Innym sposobem ograniczania wycieku komponentów membrany jest ich kowalencyjne wiązanie do łańcuchów matrycy lub modyfikacja związana z doczepianiem dodatkowych lipofilowych fragmentów, które jeszcze bardziej zwiększają hydrofobowość [8]. Jest to szczególnie ważne zagadnienie w przypadku stosowania tego typu czujników do oznaczania jonów w próbkach klinicznych lub pomiarów przeprowadzanych in-vivo. Najważniejszym składnikiem ISM jest jonofor, który jest 48

odpowiedzialny za wymianę określonych jonów z roztworem poprzez odwracalne i selektywne ich kompleksowanie w lipofilowej membranie. Obecnie znane są setki różnych jonoforów, które są dedykowane większości rutynowo oznaczanych jonów w próbkach rzeczywistych [9,15]. Na proces kompleksowania i tym samym selektywność ISM, jednak w o wiele mniejszym stopniu, wpływa również sama matryca membrany, jak i jej pozostałe składniki: plastyfikator - dodawany opcjonalnie w celu obniżenia temperatury zeszklenia polimerowej matrycy oraz wymieniacze jonowe (sole lipofilowe), których zadaniem jest stworzenie jonowego środowiska wewnątrz membrany, dzięki czemu nawet jony o dużej gęstości ładunku łatwiej do niej wnikają i w niej dyfundują (zwiększone przewodnictwo jonowe). Dlatego z punktu widzenia zachowania optymalnej selektywności i jakości odpowiedzi elektrody, zawartość każdego z komponentów w membranie powinna być ściśle dopasowana [3,8,11]. Większość plastycznych membran jest otrzymywana poprzez nakrapianie gotowego roztworu (koktajlu) zawierającego wszystkie rozpuszczone składniki membrany w organicznym i lotnym rozpuszczalniku, np. tetrahydrofuranie (THF). Po jego odparowaniu w temperaturze pokojowej, w przeciągu kilku godzin powstaje jednolita warstwa membrany, której odpowiedniej wielkości fragmenty mogą służyć jako membrany w klasycznych elektrodach jonoselektywnych z roztworem wewnętrznym. W przypadku SC-ISE roztwór membrany nakrapia się bezpośrednio na kontakt i membrana powstaje bezpośrednio w miejscu przeznaczenia [84]. Rys. 2.4.5. Wzory strukturalne: A) polichlorku winylu (PCW) oraz plastyfikatorów B) eteru orto-nitrofenylooktylowego (o-npoe) oraz C) sebacynianu di(2-etyloheksylu) (DOS). W rozdziale 2.1.2 została wymieniona większość najważniejszych membran na bazie różnych polimerów, które znajdują zastosowanie w czujnikach jonoselektywnych. W niniejszej rozprawie doktorskiej były użyte membrany z polichlorku winylu i dlatego poświęcono im najwięcej uwagi (Rys. 2.4.5). Klasyczne koktajle tego typu membran składają 49

się z około 33% PCW, 66% plastyfikatora oraz jonoforu i wymieniacza jonowego, których zawartość zwykle nie przekracza 1% (przy czym jonofor występuje w nadmiarze w stosunku do wymieniacza jonowego) (procenty wagowe) [104]. Przez długi czas polichlorek winylu był uważany za obojętny materiał, który sam nie wpływa na działanie ISM. Jednak jak się później okazało, występujące w surowcu zanieczyszczenia w postaci różnych grup jonowych, silnie wpływają na zachowanie membrany spełniając funkcję wymieniaczy jonowych [118]. Pierwsze membrany PCW z obojętnym jonoforem nie zawierały celowo wprowadzonych jonowych centrów wymiany (wymieniaczy jonowych), a mimo to wykazywały odpowiedzi potencjometryczne o nachyleniu zbliżonym do nernstowskiego [217]. Jak wynika z przedstawionego powyżej składu, PCW wymaga stosunkowo dużej ilości plastyfikatora, ażeby materiał membrany przyjął optymalną konsystencję roztworu o bardzo wysokiej lepkości [236]. Wynika to z właściwości fizycznych polichlorku winylu, którego temperatura zeszklenia T g wynosi około 80 C i w temperaturze pokojowej polimer ten byłby zbyt twardy i kruchy, aby umożliwić wystarczającą dyfuzję składników membrany i zapewnić odpowiednie przewodnictwo jonowe. Natomiast obecność plastyfikatora może obniżyć T g nawet do -65 C [217,237]. Zapewnia on również membranie odpowiednio niski opór, gdzie w przypadku wcześniej podanego składu współczynniki dyfuzji jonów są tylko około 10 3 niższe niż w wodzie [102], co skutkuje większą stabilnością mierzonego sygnału w obwodzie otwartym. Biorąc pod uwagę fakt, że plastyfikator stanowi aż 2/3 masy membrany i właściwie jest rozpuszczalnikiem dla reszty składników, ma niebagatelny wpływ na właściwości ISM [102]. Powinien on być silnie lipofilowy oraz fizycznie zgodny z polimerem matrycy, ażeby cała membrana tworzyła jednorodny materiał i nie dochodziło do krystalizacji lub wydzielania ciekłych składników [8]. Do najczęściej stosowanych plastyfikatorów w membranach PCW należą eter orto-nitrofenylooktylowy (o-npoe) oraz sebacynian di(2- etyloheksylu) (DOS) (2.4.5). Zazwyczaj pierwszy z nich jest używany w membranach przeznaczonych do oznaczania dwuwartościowych jonów, podczas gdy DOS spotykany jest raczej w czujnikach jonoselektywnych wobec jonów jednowartościowych. Jest to spowodowane tym, że PCW plastyfikowany o-npoe jest bardziej polarny, co skutkuje większym powinowactwem do jonów o wyższym ładunku i wyższej hydrofilowości (wyższej gęstości ładunku przy podobnej średnicy jonów) [8,102]. Te właściwości plastyfikatorów warunkują także różne współczynniki dyfuzji i szybkość transportu określonych jonów [238]. Jednak dobierając odpowiedni plastyfikator dla membrany z PCW brane są pod uwagę przede wszystkim inne czynniki. Najważniejsze jest to, aby stworzyć membranę o odpowiednich właściwościach fizycznych, które zapewnią właściwe środowisko do prawidłowego i 50

selektywnego działania jonoforu [8]. Brana jest pod uwagę m.in. jego rozpuszczalność w plastyfikatorze oraz łatwość tworzenia się par jonowych pomiędzy kompleksem jonu i jonoforu a lipofilowym przeciwjonem (wymieniacz jonowy). Proces ten ma szczególnie istotne znaczenie w niepolarnych membranach [239]. Dobierając plastyfikator trzeba również wziąć pod uwagę pewne wady, które nierozerwalnie towarzyszą membranom zawierającym polichlorek winylu. Możliwość wycieku plastyfikatora z membrany powoduje, że czujnik często nie jest biokompatybilny [113]. Powolna utrata plastyfikatora może również zmieniać z czasem właściwości fizyczne membrany przyczyniając się także do zmiany parametrów analitycznych elektrody [102]. Ze względu na efektywne chłonięcie wody przez membranę z PCW w kontakcie z roztworami wodnymi, proces ten jest tym bardziej prawdopodobny. Objawia się to mętnieniem materiału i tworzeniem się wewnątrz bardzo drobnych kropelek wody [240]. Wysycanie się wodą jest zjawiskiem odwracalnym i zachodzi głównie w zewnętrznej części membrany [241]. Rozwiązaniem tego problemu może być zastosowanie jeszcze bardziej lipofilowych plastyfikatorów (i jonoforów) o większej masie cząsteczkowej [85] lub kowalencyjne wiązanie grup funkcyjnych o właściwościach receptorowych do łańcucha matrycy, co pozwala czasem na pozbycie się całkowicie plastyfikatora [117]. Z jednej strony duża jego zawartość w membranie przyczynia się do większej lipofilowości i elastyczności materiału, jednak z drugiej strony może jednocześnie zmniejszać siły adhezji do przewodzącego podłoża [242]. ISM z PCW może także łatwo absorbować i/lub adsorbować lipofilowe lub duże cząsteczki (np. białka) występujące w sporych ilościach w próbkach klinicznych, które mogą z kolei pogarszać (zmieniać) selektywność lub wywoływać dryf potencjału [243]. Inną typową właściwością membran na bazie PCW, odróżniającą je chociażby od ISM poliakrylanowych lub polimetakrylanowych, są stosunkowo wysokie współczynniki dyfuzji zawartych w nich jonów, co przyczynia się do rejestrowania wyższych granic wykrywalności [244]. Z punktu widzenia analitycznego, najważniejszym składnikiem plastycznej membrany jest jonofor, który pozwala na selektywne i odwracalne kompleksowanie oznaczanego jonu. Przez długi czas wielu badaczy uważało, że liczba oznaczanych jonów wewnątrz ISM zależy ściśle od swobodnej entalpii kompleksowania (siły wiązania) jonu przez ligand (jonofor). Okazuje się jednak, że liczba jonów analitu zależy ściśle od zawartości unieruchomionych i/lub lipofilowych przeciwjonów w membranie, a sam jonofor raczej selekcjonuje, który konkretnie kation bądź anion może być wymieniany pomiędzy ISM a próbką [8]. Z termodynamicznego punktu widzenia, wiązanie przez jonofor konkretnego jonu obniża swobodną entalpię jego przejścia pomiędzy fazami, a wartość swobodnej entalpii wiązania 51

jonu w membranie przyjmuje podobną wartość, co swobodna entalpia hydratacji tegoż jonu w sąsiadującym roztworze wodnym. W przypadku braku obecności jonoforu, można by przypuszczać, że membrana straci selektywność wobec jednego, konkretnego jonu zachowując tylko permselektywność i będzie wymieniać z roztworem wiele kationów lub anionów (znak ładunku wymienianych jonów zależy od rodzaju wymieniacza jonowego i budowy chemicznej pozostałych składników membrany). Jednak jak się okazuje, jej selektywność jest w tym przypadku uzależniona od podziału poszczególnych jonów w obydwu fazach zgodnie z ich potencjałami chemicznymi. Selektywność ta jest zgodna z tzw. szeregiem Hofmeistera [29], który potocznie jest kojarzony z lipofilowością jonów i jest bardziej wyraźny dla anionów niż kationów [30]. Jest to szczególnie istotne zagadnienie w przypadku niektórych elektrod anionoselektywnych, gdzie bardzo często brakuje odpowiednich jonoforów i dobór wymieniacza jonowego oraz pozostałych składników membrany pod kątem selektywności staje się kwestią nadrzędną [8,11]. Kolejność, w jakiej preferowane są odpowiednio kationy i aniony przez lipofilową fazę membrany, zazwyczaj przedstawia się następująco: Cs + > Rb + > K + > NH 4 + > Na + > Li + Ba 2+ > Sr 2+ > Ca 2+ > Mg 2+ ClO 4 - > SCN - > I - > NO 3 - > Br - > Cl - > HCO 3 - > CH 3 COO - > SO 4 2- HPO 4 2- Łatwość, z jaką poszczególne jony mogą być ekstrahowane do fazy membrany, może być w pewnym stopniu modyfikowana poprzez wybór odpowiedniego plastyfikatora. Również matryca membrany wpływa na powyższą kolejność. Jednakże na selektywność membrany najbardziej wpływa jonofor, który w idealnej sytuacji wiąże jony analitu zdecydowanie mocniej niż pozostałe jony przeszkadzające. Stała kompleksowania nie może być jednak zbyt wysoka, gdyż prowadziłoby to do nieodwracalnego wiązania jonów i koekstrakcji przeciwjonów, które z kolei wywołałyby omówiony w rozdziale 2.3. efekt Donnana. Jak już wcześniej wspomniano, obecnie znana jest dosyć duża liczba różnych jonoforów dla większości analitów. Niektóre z nich znajdują zastosowanie do oznaczania tego samego jonu, a dobór konkretnego nośnika jonów jest uzależniony od warunków pomiaru [9]. Na rysunku 2.4.6 przedstawiono wzór jonoforu walinomycyny używanej w badaniach opisanych w niniejszej pracy. Walinomycyna wywołuje selektywność membrany jonoselektywnej na jony potasu. Jonofor ten jest pozbawiony ładunku i dlatego membrana jonoselektywna wymaga do poprawnego działania w warunkach potencjometrycznych 52

również wymieniacza jonowego. Większość jonoforów przeznaczonych dla kationów to właśnie obojętne nośniki jonów, z których walinomycyna jest najprawdopodobniej najbardziej znanym ligandem występującym jako jonofor w czujnikach przeznaczonych do oznaczania jonów potasu m.in. w próbkach klinicznych [3,9,11]. Innym przykładem obojętnego jonoforu i antybiotyku występującego w przyrodzie, o budowie makrocyklicznej może być nonaktyna (NH + 4 ) i monenzyna (Na + ). Do cyklicznych ligandów zaliczają się także syntetyczne, również elektrycznie obojętne etery koronowe i kaliksareny wykorzystywane jako jonofory głównie przy oznaczaniu jonów metali lekkich [9,11]. Za przykład niecyklicznych jonoforów mogą służyć pochodne diamidowe stosowane do oznaczania Ca 2+, jak np. ETH1001 i ETH5234 [9]. Istnieje też grupa nośników jonów występująca w postaci jonowej, dzięki czemu wymieniacz jonowy może być czasem pominięty w składzie membrany [3,8,11]. Za przykład mogą służyć jonofory przeznaczone dla anionów, jak makrocykliczne metaloporfiryny oraz różne pochodne witaminy B 12, jak np. kobalaminy [8,11]. Rys. 2.4.6. Wzór strukturalny walinomycyny jonoforu pochodzenia naturalnego kompleksującego selektywnie jony potasu. Ostatnim składnikiem ISM jest wymieniacz jonowy, który jest dodawany w celu zapewnienia nernstowskiej odpowiedzi elektrody do membran plastycznych, w których pozostałe składniki (matryca, plastyfikator, jonofor pozbawiony ładunku) nie wykazują właściwości jonowymiennych, dzięki czemu powstają tzw. centra wymiany jonowej. Wymieniacz jonowy to sól, gdzie w zależności od potrzeby kation lub anion jest dużą i lipofilową cząsteczką, która zapewnia wymianę z roztworem małych i hydrofilowych jonów o przeciwnym znaku (np. analitu) oraz stabilizuje powstające ich kompleksy z jonoforem. Utrzymuje on również stałą liczbę oznaczanych jonów wewnątrz membrany oraz zapobiega koekstrakcji do membrany jonów o tym samym znaku (przeciwnym znaku do analitu), dzięki czemu jest możliwa separacja ładunku na granicy faz i utrzymana permselektywność 53

[8,13,165]. Rolę wymieniacza jonowego można również wyjaśnić na podstawie równania 2.2:9. Rejestrowanie zmian potencjału na ISM wraz ze zmianami aktywności analitu w wodnej próbce a, jest możliwe właśnie dzięki obecności w membranie wymieniacza I aq jonowego, który warunkuje stałą wartość aktywności a, jonów głównych wewnątrz ISM I org bez względu na stopień rozcieńczenia próbki, dzięki czemu stosunek a I aq a J, org, / (i potencjał) zmienia się wraz ze zmianą aktywności oznaczanego jonu w roztworze. Dodatkową funkcją wymieniacza jonowego jest obniżenie oporności membrany poprzez zwiększenie jej przewodnictwa jonowego oraz zmniejszenie bariery energetycznej związanej z przejściem jonu pomiędzy fazami. Dzięki temu zapewniona jest większa stabilność sygnału, a czas odpowiedzi skrócony [165]. W przeciwieństwie do pozostającego w membranie lipofilowego i znacznie większego jonu, drugi, znacznie mniejszy i hydrofilowy jon jest często wymieniany w membranie na jon główny podczas wstępnego kondycjonowania w roztworze analitu [8]. Procedura ta jest również istotna ze względu na potrzebę wstępnego wysycenia ISM wodą i uzyskanie odpowiedniej równowagi, a także docelowych parametrów membrany łącznie z przewodnictwem jonowym. Rys. 2.4.7. Kationowymienny (a, c) lub anionowymienny (b, d) charakter działania ISM i wymiana jonów głównych I + lub A - z roztworem próbki w zależności od składu membrany i obecności odpowiednio ujemnie R - (a) lub dodatnio R + (b) naładowanego wymieniacza jonowego lub obecności odpowiednio obojętnego elektrycznie (a, b), ujemnie L - (c) lub dodatnio L + (d) naładowanego jonoforu [15]. Na wcześniejszym rysunku 2.4.3 przedstawiono schematy działania elektrod jonoselektywnych ze stałym kontaktem polimerowym. Dla czytelności schematów pominięto rolę wymieniacza jonowego oraz możliwe rodzaje jonoforów (obojętne i obdarzone ładunkiem). Możliwe kombinacje składu ISM oraz schemat jej działania w kontakcie z roztworem próbki przedstawia rysunek 2.4.7. Obecność jonoforu w postaci jonowej ( L / L ), z punktu widzenia równoważenia ładunku pochodzącego od jonu głównego ( I / A ), teoretycznie nie wymaga dodawania wymieniacza jonowego ( R / R ), gdyż sam naładowany jonofor, oprócz zapewnienia selektywności, spełnia funkcję podobną do wymieniacza 54

jonowego [166] i indukuje również permselektywność (wymieniane są jony tylko o określonym znaku) [8,13]. Jednak mimo to niewielka ilość wymieniacza jest czasem spotykana w składzie membran, co w niektórych przypadkach może okazać się pożądane i wspomóc działanie czujnika (Rys. 2.4.7, punkt c i d). W takim przypadku wymieniacz jonowy powinien się składać z lipofilowego kationu dla membran kationowymiennych i lipofilowego anionu dla anionowymiennych membran, w przeciwieństwie do sytuacji będącej w przypadku obojętnego jonoforu [15]. Jest to spowodowane tym, iż centra wymiany jonowej o takim samym znaku, co jon główny, będą pozytywnie wpływać na selektywność. Jony przeszkadzające, których powinowactwo do jonoforu jest słabsze, będą tym słabiej wchodzić do membrany w obecności podwyższonej ilości lipofilowego wymieniacza jonowego o tym samym znaku [166]. Rys. 2.4.8. Wzory strukturalne używanych w pracy wymieniaczy jonowych: (A) tetrakis[3,5- bis(trifluorometylo)fenylo]boran sodu (NaTFPB), (B) tetrakis(p-chlorofenylo)boran potasu (KTpClPB) oraz soli lipofilowej (C) TDATpClPB - tetrakis(p-chlorofenylo)boran tetradodecyloamonu (ETH500) Dobry wymieniacz jonowy powinien charakteryzować się dostateczną lipofilowością, żeby pozostawał w fazie membrany podczas kontaktu elektrody z roztworami wodnymi oraz nie ulegał żadnym reakcjom chemicznym (np. rozkładu na mniejsze cząsteczki) czy procesom fizycznym, jak np. krystalizacja. Inną ważną cechą powinien być brak tworzenia specyficznych par jonowych [245]. Bardzo często używane są pochodne tetrafenyloboranu, np. tetrakis[3,5-bis(trifluorometylo)fenylo]boran (TFPB - ) lub tetrakis(p-chlorofenylo)boran (TpClPB - ), które stanowią anionowe reszty lipofilowych wymieniaczy jonowych zazwyczaj w elektrodach kationowymiennych (Rys. 2.4.8, A i B). W elektrodach anionowymiennych bardzo często spotykane są z kolei organiczne czwartorzędowe kationy amoniowe, którym towarzyszą małe, hydrofilowe aniony (np. analitu). Przykładem może być kation tetradodecyloamoniowy (TDAT + ), którego wzór jest przedstawiony na rysunku 2.4.8, C, jako jeden ze składników soli lipofilowej o nazwie zwyczajowej ETH500 [8,13,245]. Sól ETH500, z racji lipofilowego kationu i anionu, jest raczej obojętnym dodatkiem, który nie wywołuje w 55

membranie właściwości jonowymiennych. Po jej dodaniu do składu ISM tworzy się taka sama liczba kationowymiennych, jak i anionowymiennych centrów wymiany jonów. Jej głównym przeznaczeniem jest raczej obniżenie oporności elektrycznej membrany, co może być czasem przydatne w przypadku mikroelektrod lub membran o zbyt niskiej polarności [246] lub w przypadku czujników działających w warunkach obwodu zamkniętego [134,247]. Warto dodać, że niepolarne membrany są bardziej podatne na zmiany w selektywności pod wpływem dodatków lipofilowych zwiększających siłę jonową jak ETH500, gdzie zaobserwowano silniejsze powinowactwo do dwuwartościowych jonów niż jednowartościowych, o mniejszej gęstości ładunku [246]. Ze względu na to, że wymieniacze jonowe wpływają na selektywność membrany poprzez m.in. zmianę siły jonowej ośrodka, w typowych warunkach ich stężenie nie powinno być wyższe niż stężenie jonoforu [102]. Optymalny stosunek liczby utworzonych centrów wymiany jonowej do liczby cząsteczek jonoforu zależy od ładunku jonów głównych i przeszkadzających oraz stechiometrii ich kompleksów z jonoforem [8]. Odpowiednie dopasowanie zawartości soli w ISM skutkuje wydłużeniem liniowego zakresu odpowiedzi elektrody w warunkach potencjometrycznych [248] oraz poprawą selektywności wynikającą z obecności jonoforu [249]. 56

3. Poprawa parametrów analitycznych elektrod jonoselektywnych oraz diagnostyka elektrod dzięki zastosowaniu technik elektrochemicznych Elektrody jonoselektywne zawierające membranę plastyczną (np. z PCW) z jonoforem są wykorzystywane jako sensory przede wszystkim w warunkach potencjometrycznych. Mimo to eksperymenty dotyczące plastycznych ISM z udziałem polaryzacji prądowej i w układzie trój- lub czteroelektrodowym mają również długą tradycję [250]. Wczesne eksperymenty tego typu były prowadzone głównie w celu wyjaśnienia roli i wpływu jonoforu na mechanizm odpowiedzi membrany w warunkach polaryzacji elektrycznej [170]. Inne eksperymenty dotyczące ISE w warunkach polaryzacji prądowej miały na celu poprawę ich charakterystyki analitycznej i m.in. obniżenie dolnej granicy wykrywalności [121,124], co jest przedstawione szczegółowo w rozdziale 3.1. Natomiast stosunkowo nowym wątkiem badań, który został omówiony w rozdziale 3.2, jest zastosowanie elektrod jonoselektywnych z membraną plastyczną jako nowego rodzaju czujników w pomiarach amperometrycznych, woltamperometrycznych oraz chronopotencjometrycznych [127,134,247,252-254]. Teoretyczne rozważania dotyczące amperometrycznej i woltamperometrycznej (potem też chronopotencjometrycznej) odpowiedzi sensorów zawierających membrany plastyczne (m.in. z PCW i inne konkretne propozycje czujników) wykorzystują wyniki z wcześniej prowadzonych badań nad odpowiedzią i zachowaniem się granicy faz dwóch, niemieszających się roztworów elektrolitów (interface of two immiscible electrolyte solutions, ITIES) w warunkach cyklicznie lub pulsowo zmieniającego się potencjału [155,255-260]. 3.1. Polaryzacja galwanostatyczna jako metoda poprawy dolnej granicy wykrywalności elektrod jonoselektywnych Pod koniec lat 90-tych badacze zajmujący się elektrodami jonoselektywnymi zdawali sobie już sprawę z tego, że zakres odpowiedzi i granica wykrywalności elektrod z membranami PCW nie tylko zależy od wpływu jonów przeszkadzających [8], ale także od niepożądanej dyfuzji jonów głównych pomiędzy membraną a roztworem próbki, czego efektem była tzw. ponad-nernstowska (super-nernstian) lub pod-nernstowska (sub- Nernstian) odpowiedź elektrody [53,64]. Dowodem na to były m.in. odchylenia 57

charakterystyk potencjometrycznych od typowych, liniowych odpowiedzi nernstowskich, które były rejestrowane w roztworach zawierających tylko jony główne. Pojawiło się także wiele prac próbujących zbadać zjawisko transportu jonów w membranie bardziej dogłębnie, gdzie roztwór wewnętrzny elektrody jonoselektywnej był w centrum zainteresowania, jako źródło powstających gradientów stężeń w ISM i potencjalnego wycieku jonów z membrany do badanego roztworu lub odwrotnie indukowania ich przepływu do IFS przez membranę [50,53,64,65,66,54,172]. Wszystkie metody modyfikacji roztworu wewnętrznego, gdzie uzyskano rozszerzony zakres odpowiedzi elektrody i niższą dolną granicę wykrywalności sięgającą wartości około 10-12 M, polegały na znacznym obniżeniu stężenia jonów głównych w fazie IFS poprzez stosowanie odpowiednich buforów [50,64,66] lub różnych jonowych wymieniaczy czy ligandów mogących wiązać jony główne [172]. Ten zabieg ograniczał ich wyciek do warstwy przymembranowej roztworu, szczególnie podczas pomiarów dotyczących bardziej rozcieńczonych próbek o stężeniu poniżej 10-6 M, dzięki czemu stężenie oznaczanych jonów tuż przy membranie było takie samo jak w głębi roztworu. Nie bez znaczenia jest także powstający w ISM gradient stężeń jonów głównych związanych z jonoforem, który również wpływa na wartość powstającego potencjału. Wcześniej uzyskiwane granice wykrywalności w warunkach bezprądowych w roztworach o stężeniu mniejszym niż 10-6 M były tylko ściśle zarezerwowane dla pomiarów, gdzie roztwór próbki zawierał bufor, który niwelował jego większą bądź mniejszą aktywność w warstwie przymembranowej [171]. Próby badania zjawiska transportu jonów w membranie były również prowadzone w warunkach prądowych i przyczyniły się do wyjaśnienia mechanizmu działania ISE [250]. Ostatecznie wiedza na temat przyczyn podwyższonej granicy wykrywalności doprowadziła do powstania nowych idei, dzięki którym możliwe było zahamowanie niekontrolowanej dyfuzji jonów przez membranę. Jedną z nich była galwanostatyczna polaryzacja elektrody jonoselektywnej [125,175] z roztworem wewnętrznym [121-124], która później została zaproponowana również dla elektrod ze stałym kontaktem polimerowym [94,96,176]. 3.1.1. Polaryzacja galwanostatyczna elektrod z roztworem wewnętrznym Pierwsza praca, w której zaproponowano kompensację niepożądanej dyfuzji jonów oraz odtworzenie gradientu stężeń w membranie poprzez zastosowanie zewnętrznego prądu o niewielkim natężeniu, pojawiła się w roku 1999 w zespole Bucka i dotyczyła elektrody selektywnej na jony potasu oraz wapnia [121]. Autorzy zasugerowali, że poprawę dolnej 58

granicy wykrywalności i przedłużenie liniowej charakterystyki krzywej kalibracyjnej, która jest ograniczona niekontrolowanym i samorzutnym wyciekiem jonów z membrany, można uzyskać poprzez wymuszenie przepływu jonów w ISM w odwrotnym kierunku dzięki zastosowaniu prądu o odpowiednim znaku i natężeniu. Dzięki temu mierzony potencjał w tych warunkach odpowiada sytuacji, w której aktywność jonów przy membranie jest taka sama jak w głębi roztworu. Polaryzacja galwanostatyczna może być również stosowana jako kondycjonowanie, przygotowanie i/lub odtworzenie gradientów stężeń w membranie (np. po poprzedniej polaryzacji) przed właściwym pomiarem potencjometrycznym w obwodzie otwartym. Mierzony potencjał w warunkach przepływającego prądu o niewielkim natężeniu będzie nie tylko wypadkową potencjału membranowego (równanie 2.2:3), ale również spadków omowych wywołanych opornością membrany ( R ) oraz roztworu próbki ( R aq ), powierzchniowej części roztworu ( R aq, PB ) i roztworu wewnętrznego ( R aq, IFS ). Jednak trzeba ISM pamiętać, że oporności R, + R aq, IFS << R ISM w momencie, gdy IFS i próbka są dość R aq + aq PB stężonymi roztworami elektrolitów [121]. W takim przypadku rejestrowany potencjał przyjmie następującą wartość [124]: E ir E ir E E E ) (3.1:1) ISM ISM ISM ( aq / org D org / IFS gdzie ir ISM to omowy spadek potencjału w membranie. Przy niskich stężeniach elektrolitów (próbka lub IFS) trzeba uwzględnić również wpływ oporności wymienionych roztworów. Dlatego rejestrując krzywą kalibracyjną w obszarze niskich stężeń, na rejestrowany potencjał w warunkach przepływającego prądu wpływają zauważalnie również spadki omowe wywołane opornością R aq oraz R aq, PB, czego konsekwencją powinno być uwzględnienie ich w równaniu 3.1:1. Rozwiązaniem tego problemu może być użycie elektrolitu podstawowego, którego skład nie będzie znacząco wpływać na odczyty potencjału elektrody jonoselektywnej (wysoka selektywność elektrody wobec jonów elektrolitu podstawowego), ale obniży oporność roztworu [121]. Wpływ polaryzacji galwanostatycznej na gradient stężeń jonów głównych (Pb 2+ ) i przeszkadzających (Na + ) w membranie czułej na jony ołowiu oraz na poziom ich stężeń w roztworze próbki i roztworze wewnętrznym elektrody obrazuje schematycznie rysunek 3.1.1 [124]. Pokazane gradienty stężeń są liniowe, co jest pewnym przybliżeniem. Schematy A1 i A2 przedstawiają zachowanie się elektrody i profile stężeniowe jonów ołowiu i sodu w 59

obwodzie otwartym, w obecności klasycznego składu IFS ze stosunkowo wysokim stężeniem Pb 2+ (A1) lub z roztworem wewnętrznym o specjalnym składzie, który zawiera bufor utrzymujący stężenie jonów ołowiu na znacznie niższym poziomie (A2). W tym przypadku (A2), dzięki obecności tego rodzaju elektrolitu po wewnętrznej stronie ISM, dochodzi do dyfuzji jonów głównych w odwrotnym kierunku, co pozwala na osiągnięcie o wiele niższej dolnej granicy wykrywalności, a nawet efektu ponad-nernstowskiego, który się może objawiać na krzywej kalibracyjnej w zakresie niskich stężeń [50,64]. Dyfuzja kationów ołowiu w obwodzie otwartym jest ułatwiona m.in. dzięki dyfuzji kationów sodu w kierunku przeciwnym. Wywołany gradientami stężeń ruch jonów głównych w membranie, który zaburza stężenie przymembranowe od strony próbki, niweluje się poprzez wymuszony ich przepływ w kierunku przeciwnym za pomocą katodowej (B1) lub anodowej (B2) polaryzacji elektrody, która w układzie zamkniętym staje się elektrodą pracującą [124]. Rys. 3.1.1. Schematy gradientów stężeń w membranie jonoselektywnej oraz w roztworze próbki i IFS jonów głównych (Pb 2+ ) oraz przeszkadzających (Na + ) podczas pomiaru potencjometrycznego w obwodzie otwartym (A1, A2) lub podczas polaryzacji galwanostatycznej (B1, B2), gdzie elektroda zawiera klasyczny roztwór wewnętrzny (A1, B1) lub bufor obniżający stężenie jonów głównych (A2, B2) [124]. Polaryzacja galwanostatyczna elektrody jonoselektywnej, której celem jest przede wszystkim zrekompensowanie niepożądanej dyfuzji jonów głównych pomiędzy membraną a warstwą przymembranową roztworu, nie musi być znaczna, co jest dobrą informacją biorąc pod uwagę negatywne skutki związane ze spadkiem omowym i ograniczoną pojemnością półogniwa chlorosrebrowego. Wartość niezbędnej gęstości prądu może być oszacowana na podstawie współczynnika dyfuzji jonu oraz gradientu stężenia tych jonów w membranie. Ewentualne dopasowanie składu elektrolitów w IFS oraz parametrów membrany może skutkować jeszcze większym ograniczeniem gęstości prądu, który z powodzeniem 60

zrekompensuje wyciek jonów głównych [121]. Biorąc pod uwagę typowe warunki towarzyszące pomiarom elektrochemicznym z udziałem elektrod jonoselektywnych z wysokooporowymi membranami PCW, wystarczające natężenie prądu jest na poziomie kilku, kilkudziesięciu nanoamperów [121-125]. Taka wielkość nie powinna zakłócić w sposób istotny wymiany jonowej ustalającej się na granicy faz. Z drugiej strony należy jednak pamiętać, że dłuższy czas polaryzacji będzie prowadził do znacznej zmiany aktywności jonów w stosunku do początkowego stanu, szczególnie po stronie membrany (niższy współczynnik dyfuzji i wolniejsze odbudowywanie stanu początkowego), która może następnie w przypadku wyczerpania się jonów wpłynąć zdecydowanie wyraźniej na mierzony potencjał. Rys. 3.1.2. Krzywe kalibracyjne zarejestrowane w roztworze KCl rozcieńczanym metodą eksponencjalną (exponencial dilution method) w warunkach przepływowych (wall-jet, flow through cell). Elektroda jonoselektywna na jony potasu jest polaryzowana katodowo w sposób ciągły prądami o natężeniu od 0 do 50nA (krzywe A H) [121]. Na rysunku 3.1.2. przedstawiono krzywe kalibracyjne zarejestrowane w rozcieńczanym roztworze KCl z udziałem elektrody jonoselektywnej na jony potasu, przy stale przepływającym prądzie katodowym o natężeniu od 0 na do 50 na (krzywe A H) [121]. Wraz ze zwiększającym się natężeniem prądu, obniża się granica wykrywalności oraz zwiększa się efekt ponad-nernstowski w zakresie stężeń 10-4 10-7 M, co można tłumaczyć wpływem polaryzacji katodowej na transport jonów głównych i ich efektywnym wnikaniem do membrany oraz zubożeniem warstwy przymembranowej w jony potasu w stosunku do głębi roztworu próbki. Zwiększająca się gęstość prądu wywołuje również zauważalne przesunięcia rejestrowanych krzywych wzdłuż osi potencjału, czego przyczyną jest wpływ 61

oporności membrany (spadki omowe). W zakresie stężeń poniżej 10-4 M odchylenia od zależności rejestrowanych w warunkach bezprądowych są o wiele większe i mniej równomierne, co według autorów jest dowodem na rosnący wpływ oporności roztworu, której wartość dla stężenia poniżej 10-8 M nie zmienia się już tak znacznie. Tłumaczy się to obecnością zanieczyszczeń w postaci jonów, które wyciekają do roztworu z obecnych w układzie elektrod oraz ich obecnością w wodzie służącej do rozcieńczania [121]. Rys. 3.1.3. Krzywe kalibracyjne elektrody jonoselektywnej na jony ołowiu o grubości membrany 400μm zarejestrowane w roztworach NaCl lub Pb(NO 3 ) 2 rozcieńczanych metodą eksponencjalną za pomocą elektrolitu Mg(CH 3 COO) 2 o stężeniu 10-4 M i ph 4,7 w warunkach potencjometrycznych lub w obecności nałożonego prądu anodowego o natężeniu 1 lub 2nA [124]. Podobny eksperyment przeprowadzono na elektrodzie selektywnej na jony ołowiu, jednak w tym przypadku roztwór wewnętrzny zawierał bardzo niskie stężenie wolnych kationów Pb 2+ (9,2 x 10-18 M), które było warunkowane odpowiednim buforem (10-2 M EDTA, 10-3 M Pb(NO 3 ) 2, 2M NaCl, ph 3.0). Uzyskana krzywa potencjometryczna zarejestrowana za pomocą tak skonstruowanej elektrody, w roztworze Pb(NO 3 ) 2 rozcieńczanym elektrolitem Mg(CH 3 COO) 2 o stężeniu 10-4 M i ph 4,7, jest przedstawiona na rysunku 3.1.3 (krzywa Pb 0nA) i 3.1.4 (krzywa Pb-1) i jest zgodna z wcześniej otrzymywanymi wynikami opublikowanym przez zespół Pretscha [53,64,172]. Na przedstawionym rysunku 3.1.3 widać, że ciągła polaryzacja galwanostatyczna prądem anodowym o natężeniu 1nA zmniejsza, a 2nA praktycznie niweluje efekt ponad-nernstowski umożliwiając zarejestrowanie krzywej kalibracyjnej z granicą wykrywalności na poziomie około 3 x 10-11 M. Na tym samym rysunku przedstawiono również wpływ polaryzacji anodowej na krzywą kalibracyjną rejestrowaną w roztworze NaCl (ta sama elektroda kondycjonowana 2 dni w roztworze 10-2 M NaCl bez uprzedniego kontaktu z jonami ołowiu). Widać równoległe przesunięcie krzywej do 62

wyższych wartości potencjału ze znikomym wpływem na obserwowaną granicę wykrywalności, co sugeruje efektywny wpływ nałożonego prądu anodowego przede wszystkim na jony główne. Rys. 3.1.4. Krzywe kalibracyjne elektrody jonoselektywnej na jony ołowiu o grubości membrany 200μm zarejestrowane w roztworach NaCl lub Pb(NO 3 ) 2 rozcieńczanych metodą eksponencjalną za pomocą elektrolitu Mg(CH 3 COO) 2 o stężeniu 10-4 M i ph 4,7 w warunkach potencjometrycznych bez uprzedniej polaryzacji (Pb-1, NaCl) lub tuż po anodowej polaryzacji prądem o natężeniu 0,5nA przez 12min (Pb-2) i w kolejnym cyklu pomiarowym (Pb-3) [124]. Jak już wcześniej wspomniano, polaryzacja galwanostatyczna może być prowadzona również przed właściwym pomiarem potencjometrycznym w układzie otwartym. Ze względu na stosunkowo niski współczynnik dyfuzji jonów w membranie, efekty np. długotrwałego kondycjonowania membrany w mocno stężonych/rozcieńczonych roztworach lub jej polaryzacja pozostają utrwalone przez jakiś czas, który zależy od stopnia odchylenia od stanu równowagi membrany oraz od jej przewodnictwa jonowego. Niższe współczynniki dyfuzji jonów w membranie będą sprzyjały wolniejszej relaksacji membrany i odbudowie rozkładu stężeń przed eksperymentem. Natomiast stan równowagi, do którego dąży ISM, jest m.in. uzależniony od lipofilowych składników membrany, a szczególnie wymieniaczy jonowych, które wpływają na ilość oraz gradient stężeń jonów w niej zawartych. Czym dłuższa polaryzacja lub bardziej intensywna (wyższa wartość natężenia prądu), tym dłuższy czas jest potrzebny, aby membrana wróciła do swojego stanu sprzed ingerencji (relaxation process). Dzięki temu jest możliwe rejestrowanie krzywych potencjometrycznych w obwodzie otwartym widząc wpływ polaryzacji, jeżeli została ona przeprowadzona tuż przed pomiarem. Może być ona prowadzona w postaci krótkich pulsów o stosunkowo wysokim natężeniu prądu, które poprzedzają za każdym razem odczyt potencjału lub przed właściwym pomiarem potencjometrycznym w postaci dłuższej polaryzacji [124]. Sytuację tą obrazuje rysunek 3.1.4, 63

gdzie zamieszczono m.in. krzywą kalibracyjną otrzymaną tuż po nałożeniu anodowego prądu o natężeniu 0,5nA przez 12min (Pb-2) niwelując efekt ponad-nernstowski i otrzymując obniżoną granicę wykrywalności na poziomie około 3 x 10-11 M. Kolejna krzywa zarejestrowana w następnym cyklu pomiarowym (Pb-3) ukazuje wpływ powolnego odbudowywania się równowagi w membranie i zmiany gradientów stężeń wywołanych polaryzacją galwanostatyczną. Krzywa jest przesunięta równolegle w kierunku niższych potencjałów, a limit detekcji wzrasta [124]. Rys. 3.1.5. Odpowiedzi potencjometryczne elektrod jonoselektywnych na jony potasu i plastyfikowanych DOS lub o-npoe, zarejestrowane w roztworze CaCl 2 i polaryzowanych galwanostatycznie prądem katodowym o gęstości 5,8nA/cm 2 (DOS) lub 7,2nA/cm 2 (o-npoe) [123]. Okazuje się, że wytworzone zewnętrzne pole elektryczne może oddziaływać na gradienty stężeń w membranie z różnym skutkiem, w zależności od jej składu. Przedstawia to eksperyment przeprowadzony na dwóch podobnych membranach PCW zawierających jonofor ETH1001 kompleksujący jony wapnia i wymieniacz jonowy KTFPB (tetrakis[3,5- bis(trifluorometylo)fenylo]boran potasu) oraz dwa różne plastyfikatory DOS lub o-npoe [123]. Jak widać na rysunku 3.1.5, mimo, że elektroda z membraną plastyfikowaną o-npoe była polaryzowana prądem katodowym o wyższej gęstości (7,2nA/cm 2 ) niż ta plastyfikowana za pomocą DOS (5,8nA/cm 2 ), jej charakterystyka potencjometryczna wskazuje na wyższą granicę wykrywalności i słabszy wpływ przepływającego prądu, który ma za zadanie rekompensować wyciek jonów głównych z ISM do roztworu próbki. Jak wspomniano w rozdziale 2.4.2 membrany plastyfikowane o-npoe są bardziej polarne ( 4F/m; 0,oNPOE 24F/m), dzięki czemu powstawanie par jonowych pomiędzy kompleksem jon główny jonofor a lipofilowym przeciwjonem jest tutaj o wiele łatwiejsze, szczególnie dla jonów dwuwartościowych o większej gęstości ładunku [123]. Według autorów zmniejsza to 0, DOS 64

liczbę wolnych kationów wapnia, które nie są związane z jonoforem i stabilizowane bardziej polarnym środowiskiem, co potwierdzają inne badania (β CaL,DOS = 9,70 ± 0,07; β CaL,o-NPOE = 24,54 ± 0,09) [156]. To powoduje, że w bardziej polarnej membranie plastyfikowanej o- NPOE migracja jonów wywołana polaryzacją jest bardziej utrudniona. Szybkość procesu transportu jonów głównych pomiędzy membraną a roztworem próbki zależy ściśle od różnicy ich aktywności w tych dwóch ośrodkach oraz w roztworze wewnętrznym elektrody. To sugeruje, że w zależności od stopnia rozcieńczenia roztworu próbki natężenie prądu powinno być ściśle dopasowane do szybkości dyfuzji jonów głównych w warunkach bezprądowych. Inną możliwością jest wybór czasu, po którym brany jest pod uwagę potencjał podczas eksperymentu chronopotencjometrycznego, gdzie natężenie prądu jest zawsze takie same [125]. Tak dostosowana gęstość prądu lub czas odczytu potencjału jako sygnału analitycznego będzie generowała odpowiedni gradient stężeń jonów w membranie i pozwalała na uchwycenie momentu, w którym rozkład jonów i potencjału odpowiada warunkom równowagowym, w wyidealizowanej sytuacji bez wyciekających jonów analitu. To z kolei przyczynia się do rejestrowania zawsze nernstowskiej odpowiedzi elektrody bez względu na kierunek i szybkość dyfuzji jonów głównych pomiędzy ośrodkami oraz stopnia rozcieńczenia oznaczanego roztworu. Jednak podstawową wadą tej idei jest brak możliwości jej praktycznego zastosowania podczas oznaczania nieznanej jakościowo i ilościowo próbki. Brak jakiejkolwiek wiedzy na jej temat nie pozwala na przewidzenie wielkości wycieku jonów głównych i w rezultacie nie ma możliwości ustalenia elektrochemicznych warunków pomiaru, co stawia pod znakiem zapytania sens tego rodzaju podejścia [125]. Mimo to próby dostosowania zarówno czasu polaryzacji, jak i gęstości przepływającego prądu były podjęte w celu lepszego poznania zjawiska. Na przykładzie elektrody selektywnej na jony wapnia z roztworem wewnętrznym zostały przeprowadzone dwa eksperymenty dotyczące polaryzacji galwanostatycznej, gdzie badany był wpływ czasu polaryzacji lub wielkość natężenia prądu [125]. Na rysunku 3.1.6. A. przedstawione są otrzymane krzywe chronopotencjometryczne w roztworze CaCl 2 (0,001M KCl elektrolit podstawowy), gdzie można wyróżnić obszar (i)potencjału w obwodzie otwartym, (ii)spadek omowy związany z pojawieniem się polaryzacji katodowej, (iii)potencjał mierzony w warunkach prądowych (50nA/cm 2 ), (iv)spadek omowy związany z wyłączeniem polaryzacji katodowej, (v)potencjał relaksacji membrany. Następnie wyznaczono krzywe kalibracyjne dla elektrody biorąc pod uwagę potencjały z różnych przedziałów wyznaczonych krzywych chronopotencjometrycznych (Rys. 3.1.6. B). Z otrzymanych danych wynika, że w przedziale stężeń 10-6 10-8 M wybrana gęstość prądu jest 65

za wysoka i potencjały tuż po polaryzacji trwającej 600s wskazują na efekt ponadnernstowki i za wysoki strumień jonów wapnia do membrany w warunkach płynącego prądu. Wybrane potencjały składające się na krzywą o nachyleniu nernstowskim po różnych czasach polaryzacji ukazują tendencję, według której czasy polaryzacji powinny być tym dłuższe, im szybsza jest dyfuzja jonów z membrany do roztworu próbki w warunkach bezprądowych, która nasila się wraz z rozcieńczaniem badanego roztworu [125]. Rys. 3.1.6. A. Chronopotencjometryczne krzywe otrzymane za pomocą Ca 2+ -selektywnej ISE w roztworze CaCl 2 o stężeniu 10-5 10-9 polaryzowanej katodowym prądem o gęstości 50nA/cm 2. Strzałki wskazują początek krzywych relaksacji. B. Krzywe kalibracyjne otrzymane z danych zaprezentowanych na wykresie A: (1) potencjały w warunkach bezprądowych mierzone tuż przed narzuceniem prądu katodowego, (2) potencjały mierzone 0,2s po zakończeniu polaryzacji, (3) prosta linia o nachyleniu 29mV utworzona z odpowiednio dobranych potencjałów mierzonych po odpowiednim czasie polaryzacji katodowej [125]. Podobną procedurę otrzymania krzywych chronopotencjometrycznych zastosowano do eksperymentu mającego na celu wyznaczenie odpowiednich gęstości prądu, które precyzyjnie zniwelują wyciek jonów wapnia do roztworu, a otrzymana krzywa kalibracyjna będzie miała liniowy charakter aż do wartości rzędu 10-10 M. Dla każdego stężenia jonów Ca 2+ w przedziale 10-5 10-10 M (w obecności elektrolitu podstawowego10-3 M KCl) powtórzono pomiar zmieniając gęstość płynącego prądu (10 100nA/cm 2 ), a następnie wybrano odpowiednie krzywe, gdzie potencjał tuż po zakończeniu polaryzacji (0,2s) był odpowiedniej wartości, która by pasowała do wyznaczenia liniowej krzywej kalibracyjnej o nachyleniu 29mV (Rys. 3.1.7. A i B). Otrzymane dane potwierdzają, że czym niższe stężenie analitu, tym większy efekt wycieku jonów głównych z membrany do roztworu i tym samym wyższa gęstość prądu jest niezbędna do zrekompensowania tego zjawiska [125]. Pojawienie się prac dotyczących polaryzacji galwanostatycznej ISE zainspirowało badaczy do opracowania teoretycznego modelu odpowiedzi elektrody z roztworem 66

wewnętrznym w warunkach, kiedy płynący prąd o niewielkim natężeniu indukuje przepływ jonów w membranie i w roztworze próbki. Autorzy przyjęli w swoich rozważaniach szereg założeń, które są zgodne z ogólnie przyjętymi prawidłowościami dotyczącymi ISE z roztworem wewnętrznym i oparte o model potencjału na granicy faz ze stałymi w czasie gradientami stężeń [122]. Bazując na równaniach strumieni jonów w membranie i roztworze próbki w warunkach przepływającego prądu o niewysokiej gęstości j wyznaczono następnie równania opisujące odpowiedź potencjałową elektrody w różnych warunkach. Rys. 3.1.7. A. Wybrane krzywe chronopotencjometryczne otrzymane za pomocą Ca 2+ - selektywnej ISE w roztworze CaCl 2 o stężeniu 10-5 10-9 polaryzowanej różnymi prądami katodowymi. B. Krzywe kalibracyjne otrzymane z danych zaprezentowanych na wykresie A: ( ) potencjały w warunkach bezprądowych mierzone tuż przed narzuceniem prądu katodowego, ( ) potencjały mierzone 0,2s po zakończeniu polaryzacji o odpowiedniej gęstości prądu, które tworzą prosta linię o nachyleniu 29mV [125]. Na podstawie wyznaczonych równań obliczono teoretyczne krzywe kalibracyjne, które okazały się w przybliżeniu zgodne z wynikami otrzymanymi doświadczalnie dla omawianego typu elektrody. Następna praca omawiająca szerzej tematykę przewidywania odpowiedzi elektrody i jej zachowania w warunkach zewnętrznie narzuconego prądu pojawiła się dopiero w 2009 roku [175]. Za pomocą modelu uwzględniającego stałe w czasie (steady state) profile stężeń jonoforu i mobilnych centrów wymiany jonowej (mobile sites) zostało pokazane, że możliwa poprawa granicy wykrywalności jest ograniczona, czego nie obejmował poprzedni model [122]. Rozważania te zostały oparte o rozszerzony, teoretyczny model bazujący na metodzie różnic skończonych (finite-difference method) [251], który bierze pod uwagę gradienty stężeń wywołane polaryzacją galwanostatyczną. Zgodność metody z doświadczalnymi wynikami została sprawdzona dla membran o różnej historii m.in. kondycjonowania. Przewidziano również opcję mieszania próbki, która ułatwia ustalenie 67

stopnia wycieku jonów i dryfu potencjału [54,131], a następnie umożliwia dobranie optymalnej wartości gęstości prądu. 3.1.2. Wykorzystanie polaryzacji galwanostatycznej do poprawy dolnej granicy wykrywalności elektrod typu all-solid-state ze stałym kontaktem z polimeru przewodzącego Polimery przewodzące mają tendencję do ulegania reakcjom ze składnikami roztworu lub otoczenia, m.in. utlenianiu i redukcji oraz protonacji i deprotonacji, czemu towarzyszy przepływ odpowiednich jonów pomiędzy polimerem a przylegającą warstwą roztworu lub membraną (i w konsekwencji również roztworu). Często wyżej wymienione procesy zachodzą jednocześnie i mają bezpośredni wpływ na parametry analityczne czujników zawierających warstwę z polimeru przewodzącego. Proces samorzutnego utleniania polimeru i podwyższenie rejestrowanego potencjału w obwodzie otwartym zachodzi najczęściej pod wpływem rozpuszczonego w roztworze tlenu [208], natomiast obniżeniu potencjału [207] bardzo często towarzyszy deprotonacja, która występuje szczególnie w przypadku świeżo otrzymanych warstw polimeru, np. polipirolu [207,209]. Reakcji tej towarzyszy wyciek do sąsiadującego roztworu anionów [209,218] lub wchodzenie do warstwy kationów [210]. W przypadku wykorzystania polimerów przewodzących jako warstw jonoczułych (elektrody CP- ISE) procesy te bezpośrednio wpływają na pogorszenie parametrów analitycznych tych czujników. W literaturze można znaleźć szereg opracować, gdzie badano możliwość poprawy m.in. dolnej granicy wykrywalności [184,191,193,194,198,210], także dzięki wykorzystaniu polaryzacji galwanostatycznej warstw polimerowych w bezpośrednim kontakcie z roztworem elektrolitu [94,196]. Membrany plastyczne, np. zawierające PCW, są przepuszczalne dla tlenu, którego zmiany ciśnienia w próbce m.in. w pomiarach z udziałem CWE powodowały brak stabilności mierzonego potencjału [79,181]. Skoro rozpuszczony tlen wyraźnie wpływa również na potencjał CP-ISE [212], należy się spodziewać, że omówione powyżej zjawiska samorzutnych procesów z udziałem polimerów przewodzących będą także dotyczyły elektrod ze stałym kontaktem polimerowym i plastyczną membraną jonoselektywną. Negatywny wpływ tlenu na stabilność potencjału został potwierdzony dla kilku tego typu elektrod [84,86,93,185,187], jednak trzeba zaznaczyć, że efekt ten jest znacznie słabszy niż w przypadku CWE. Potwierdzają to badania z udziałem SC-ISE, gdzie wprowadzenie tlenu lub 68

usunięcie go (pomiar w atmosferze azotu) wywołuje zmiany potencjału w o wiele mniejszym stopniu niż było to w przypadku CWE [16]. Innym czynnikiem, który może wpłynąć na stabilność potencjałową czujnika opartego na plastycznej membranie i kontakcie polimerowym jest zmiana ph w roztworze próbki. Pomijając fakt, że sama membrana jonoselektywna niektórych kationoselektywnych elektrod wykazuje czułość względem kationów wodorowych [13], trzeba pamiętać o możliwym wpływie ph na zachowanie kontaktu polimerowego. Podatność polimerów przewodzących na odczyn roztworu był wielokrotnie omawiany w literaturze [90,209,218]. W badaniach nad elektrodami ze stałym kontaktem polimerowym wpływ CO 2 był brany pod uwagę jako czynnik oddziałujący na potencjał elektrody [16,18,185,187,223]. Obecność jonów w kontakcie jest bardzo wskazana ze względu na efektywną wymianę jonową na granicy faz polimer ISM oraz właściwości przetwornikowe (jon/elektron) kontaktu. Okazuje się jednak, że jeżeli są to jony główne (polimeryzacja przeprowadzona w obecności jonów głównych), to w warunkach zmiany stopnia utlenienia lub protonowania polimeru przewodzącego staje się on również potencjalnym rezerwuarem i dodatkowym źródłem wyciekających jonów do roztworu, co podwyższa granicę wykrywalności. Otrzymanie warstwy polimerowej bez obecności jonów głównych nie rozwiązuje do końca problemu, gdyż elektroda (membrana jonoselektywna) i tak powinna być kondycjonowania w roztworze jonów głównych w celu uzyskania późniejszej liniowej odpowiedzi w warunkach potencjometrycznych (inaczej pojawia się efekt ponad-nernstowski ze względu na intensywną inkorporację jonów głównych do membrany) [176]. Biorąc pod uwagę możliwość ulegania polimeru procesom utleniania / redukcji lub protonowania / deprotonowania już na etapie kondycjonowania, jony główne będą również przechodzić do warstwy kontaktu [96]. Dlatego istotne okazują się warunki kondycjonowania elektrody jonoselektywnej, które umożliwiają kontrolę jakościową i ilościową obecności jonów wnikających do membrany i dalej do warstwy kontaktu, jak ph, skład roztworu (tylko jony przeszkadzające), jego stężenie (niska aktywność jonów głównych) czy odpowiednia polaryzacja galwanostatyczna [90,91,95,96,176]. Ograniczenie wnikania kationów lub anionów głównych do kontaktu polimerowego podczas kondycjonowania elektrody można również uzyskać poprzez odpowiednio anodową lub katodową polaryzację galwanostatyczną. Polaryzacja SC-ISE na etapie kondycjonowania w roztworze jonów głównych sprzyja wysyceniu przede wszystkim membrany przy jednoczesnym zahamowaniu ich nadmiernego wchodzenia do warstwy polimeru [96]. Efekt ten został zbadany na przykładzie elektrody z warstwą polipirolu domieszkowanego jonami 69

chlorkowymi (elektropolimeryzacja w roztworze 0,1M KCl) z plastyczną membraną PCW selektywną na jony wapnia. Na rysunku 3.1.8a przedstawiono zależność potencjału od czasu w trakcie kondycjonowania w roztworze 0,01M CaCl 2, w warunkach obwodu otwartego oraz krzywe chronopotencjometryczne w warunkach prądowych. Krzywa 5 rejestrowana w obwodzie otwartym wskazuje wyraźnie na efekt obniżenia potencjału podyktowany samorzutną redukcją polimeru i dominującą inkorporacją jonów wapnia w kierunku kontaktu. Proces ten może być eksponowany (prądy katodowe) lub niwelowany (prądy anodowe), co obrazują pozostałe krzywe chronopotencjometryczne. Na rysunku 3.1.8b zamieszczono charakterystyki potencjometryczne zarejestrowane tuż po kondycjonowaniu w warunkach przedstawionych na rysunku 3.1.8a (różne stężenia CaCl 2 ). Wpływ prądu anodowego podczas kondycjonowania zmniejsza szybkość transportu jonów głównych do wnętrza czujnika, co przyczynia się do mniejszego ich wyciekania w bardziej rozcieńczonych próbkach i przedłużenia liniowej odpowiedzi elektrody do wartości nawet 10-10 M CaCl 2 [96]. Rys. 3.1.8. (a) Zależności potencjału od czasu zarejestrowane w 0,01M CaCl 2 w warunkach polaryzacji galwanostatycznej prądem anodowym: (1) 2x10-8 A (2) 5x10-8 A (3) 7x10-8 A, katodowym (4) 2x10-8 A lub w warunkach obwodu otwartego (5); (b) krzywe kalibracyjne zarejestrowane w warunkach potencjometrycznych tuż po kondycjonowaniu w 0,01M CaCl 2 w obwodzie otwartym ( ) oraz w warunkach polaryzacji anodowej ( ) 2x10-8 A ( ) 5x10-8 A ( ) 7x10-8 A lub katodowej ( ) 2x10-8 A ( )5x10-8 A [96]. Oprócz etapu kondycjonowania, procesy samorzutnej zmiany stopnia utlenienia lub protonowania kontaktu odgrywają istotną rolę również podczas pomiaru i oznaczania próbki. Pierwszy raz polaryzację galwanostatyczna jako metodę poprawy granicy wykrywalności dla elektrod ze stałym kontaktem polimerowym zaproponowano w 2003 roku [94]. Przedstawiono nowe rozwiązanie konstrukcyjne elektrody jonoselektywnej, która zawierała 70

dwa półkoliste podłoża z węgla szklistego oddzielone izolatorem i posiadające osobne wyprowadzenia elektryczne. Na każdym półkolu otrzymano potencjostatycznie (0,9V) polipirol domieszkowany jonami chlorkowymi a następnie przykryto je wspólną membraną plastyczną PCW, która była selektywna na aniony Cl -. Dzięki tak zaprojektowanej elektrodzie było możliwe równoległe mierzenie jej potencjału w warunkach zewnętrznie narzuconego prądu oraz w warunkach obwodu otwartego na drugiej połówce, przy czym gradient stężeń w obydwu przypadkach oraz rozkład jonów w ISM był podobny i warunkowany polaryzacją galwanostatyczną. W ten sposób jest możliwe mierzenie i opis odpowiedzi potencjałowej elektrody w warunkach potencjometrycznych przy jednoczesnym wykorzystaniu wpływu prądu na profile stężeniowe jonów w membranie, który ogranicza wyciek jonów głównych do oznaczanego roztworu ze zmieniającego samorzutnie swój stopień utlenienia lub protonowania polimeru. Na rysunku 3.1.9a pokazano krzywe kalibracyjne zarejestrowane dla elektrody będącej w obwodzie otwartym (podłączonej do potencjometru) przy jednoczesnym przepływie prądu anodowego lub katodowego w równoległym obwodzie, w którym sąsiadująca półkolista elektroda była podłączona do galwanostatu. Rys. 3.1.9. Efekt zewnętrznie narzuconego prądu na krzywe kalibracyjne otrzymane dla testowanych SC-ISE z kontaktem polipirolowym i selektywnych na jony chlorkowe. Wartości potencjałów otrzymane zostały w obwodzie otwartym (a) przy jednoczesnej prądowej polaryzacji równoległego obwodu (drugiej połowy półkolistego kontaktu elektrody) lub (b) w obwodzie zamkniętym dla elektrody polaryzowanej prądem anodowym: ( ) 1,4 ( ) 2,9 ( ) 4,3 ( ) 5,7 ( ) 7μAcm -2 lub katodowym ( ) 1,4 ( ) 2,9 ( ) 4,3 ( ) 5,7 ( ) 7μAcm -2. Na wykresie a zaznaczono dodatkowo krzywą otrzymaną bez obecności płynącego prądu w drugim obwodzie ( ) [94]. Bez względu na wartość przepływającego prądu, na krzywych nie widać spadków omowych związanych z opornością membrany w zakresie stężeń 1 10-3 M, tak jak to ma miejsce na wykresie 3.1.9b, gdzie zamieszczono krzywe otrzymane dla sąsiadującej półkolistej 71

elektrody, przez którą przepływał w tym samym czasie prąd o stałej, określonej gęstości (w przedziale 1,4-7μAcm -2 ). Poniżej stężenia 10-4 M wpływ polaryzacji zaznacza się już na obu elektrodach, gdzie anodowy prąd o gęstości 4,3μAcm -2 powoduje obniżenie limitu detekcji do wartości 4,0x10-7 M z początkowej 2,0x10-5 M (bez płynącego prądu w równoległym obwodzie) na elektrodzie podłączonej do potencjometru. Natomiast otrzymana krzywa kalibracyjna w tych samych warunkach dla elektrody polaryzowanej (3.1.9b) wskazuje już na efekt ponad-nernstowski. Dodatkowo, różnice potencjałów kolejnych krzywych kalibracyjnych w tych samych stężeniach elektrolitu są tutaj zdecydowanie większe m.in. ze względu na wpływ oporności membrany oraz rosnącej oporności rozcieńczanego KCl. Warto zauważyć, że w obydwu przypadkach, zarówno dla elektrody w obwodzie otwartym jak i w warunkach polaryzacji, wszystkie otrzymane krzywe kalibracyjne powyżej stężenia 10-4 M są równoległe. Efekt ten można tłumaczyć wpływem oporności membrany [94]. Rys. 3.1.10. Efekt narzuconego prądu anodowego ( ) 1x10-8 A ( ) 2x10-8 A ( ) 3x10-8 A ( ) 4x10-8 A ( ) 5x10-8 A ( ) 6x10-8 A ( ) 7x10-8 A (+) 8x10-8 A lub katodowego ( ) 1x10-8 A ( ) 2x10-8 A ( ) 3x10-8 A ( ) 4x10-8 A ( ) 5x10-8 A ( ) 6x10-8 A ( ) 7x10-8 A ( ) 8x10-8 A na zmianę przebiegu krzywej potencjometrycznej elektrody ze stałym kontaktem polipirolowym i membraną plastyczną selektywną na jony wapnia [96]. Elektroda z kontaktem polipirolowym domieszkowanym jonami chlorkowymi i z membraną PCW selektywną na jony wapnia była również przedmiotem badań nad wpływem polaryzacji galwanostatycznej na odpowiedź potencjałową czujnika [96]. Wpływ wielkości natężenia narzuconego prądu oraz jego kierunku na odpowiedź tego typu elektrody wykondycjonowanej przez noc w 0,01M CaCl 2, został przedstawiony na rysunku 3.1.10. Zgodnie z oczekiwaniami, wraz z rosnącą wartością natężenia prądu anodowego, kolejne krzywe kalibracyjne przesuwają się w kierunku wyższych wartości potencjałów, co można 72

tłumaczyć efektem spadku omowego w membranie pod wpływem płynącego prądu. Parametry takie jak zakres odpowiedzi oraz granica wykrywalności nie są poprawione dla aktywności jonów wapnia poniżej 10-4 M ze względu na intensywniejszy ich wypływ z membrany do roztworu pod wpływem narzuconego prądu. Z kolei rosnące prądy katodowe, oprócz przesuwania krzywych w kierunku niższych wartości potencjału, powodują dla aktywności poniżej 10-4 M przedłużenie liniowego zakresu odpowiedzi elektrody do wartości 10-9 M lub nawet wywołują efekt ponad-nernstowski. Obniżenie granicy wykrywalności następuje dzięki powstrzymaniu samorzutnego utleniania polimeru i zahamowaniu przepływu kationów wapnia w kierunku roztworu, co przyczynia się do uzyskania niezawyżonej ich aktywności w warstwie przymembranowej roztworu [96]. Porównując krzywe kalibracyjne otrzymane w warunkach katodowej polaryzacji w roztworach CaCl 2 i MgCl 2 podjęto również próbę wyznaczenia niezafałszowanych (unbiased) współczynników selektywności K,, pot Ca Mg które okazały się niższe o rząd wielkości od wcześniej mierzonych dla tego typu elektrody [64]. 3.2. Elektrody jonoselektywne z membraną PCW o różnym składzie jako czujniki amperometryczne, woltamperometryczne i chronopotencjometryczne Elektrody jonoselektywne są zazwyczaj stosowane w układzie pomiarowym typowym dla potencjometrii (obwód otwarty), gdzie jedynym rejestrowanym sygnałem jest potencjał. Równowaga wymiany jonowej i gradienty stężeniowe ustalają się dzięki różnicom w aktywnościach jonów, dyfuzji oraz właściwościom sąsiadujących faz. W przypadku technik pomiarowych w warunkach polaryzacji pojawiają się nowe możliwości. Stosując metody prądowe, np. woltamperometrię, oprócz odczytów wartości natężenia prądu jako sygnału analitycznego istnieje możliwość wpływania na warunki eksperymentalne, dzięki czemu nie tylko można poprawić lub modyfikować parametry analityczne czujnika, ale także uzyskać bogatszą wiedzę na temat właściwości elektrody (membrany, kontaktu) oraz zależności pomiędzy parametrami elektrycznymi i stężeniem obecnych w układzie jonów [127,247,134,253,254]. Inną zaletą pomiarów w warunkach polaryzacji jest możliwość oznaczania całkowitego stężenia analitu również w postaci kompleksów [46,51,99,261-263]. Oprócz wymienionych zalet, metody z kontrolowanym potencjałem lub prądem mogą stanowić bardzo dobrą alternatywę dla potencjometrii prowadzanej celowo w warunkach 73

nierównowagowych (nonequilibrium potentiometry), np. dla jonów o wysokim ładunku takich jak heparyna (ładunek średnio -70) i protamina (ładunek średnio +30) [47,10,63,126,127,129,253]. Również małe zmiany stężenia analitu są zdecydowanie łatwiejsze do oznaczania w przypadku metod prądowych, szczególnie, gdy membrana wykazuje małą oporność, a zależność sygnału od stężenia jonów głównych jest funkcją liniową [252,264]. W przypadku czujników jonoselektywnych wykorzystujących membranę PCW, w celach analitycznych stosowano różne metody elektrochemiczne, m.in.: amperometrię, woltamperometrię [155], woltamperometrię cykliczną [265] oraz normalną woltamperometrię pulsową [266], woltamperometrię inwersyjną (stripping voltammetry) [267] i chronopotencjometrię [122,124]. Stosowane powszechnie w potencjometrii elektrody z klasyczną membraną PCW mogą być również wykorzystywane w kulometrii z kontrolowanym prądem do bardzo dokładnego i selektywnego miareczkowania [268]. Kulometria może być także wykorzystywana w celach analitycznych, szczególnie, gdy grubość warstwy próbki jest mała (poniżej 20µm) (thin-layer coulometry) [269]. Jonoselektywne membrany PCW były szeroko badane w warunkach narzuconego pola elektrycznego i jego wpływu na transport składników ISM za pomocą elektrodializy, elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej lub przewodnictwa jonowego [250]. Lindner i Buck prowadzili badania dotyczące wpływu polaryzacji elektrody jonoselektywnej na wyczerpywanie się jonów i ich kompleksów z jonoforami w powierzchniowej części membrany. Objawia się to skokiem wartości mierzonego prądu lub potencjału (efekt w postaci tzw. czasu przejścia, break point), dzięki czemu było możliwe wyznaczenie m.in. współczynników dyfuzji jonoforów i ich całkowitego stężenia w membranie [270,258]. Zbadano również wpływ zawartości soli lipofilowej na właściwości membrany w warunkach chronopotencjometrycznych [271]. Ważne z punktu widzenia rozwoju czujników woltamperometrycznych, kulometrycznych i chronopotencjometrycznych (również tych z klasyczną membraną PCW używaną w potencjometrii) są wyniki badań dotyczących dwóch niemieszających się roztworów elektrolitów (interface of two immiscible electrolyte solutions, ITIES) [260]. 74

3.2.1. Wpływ rodzaju i składu membrany na odpowiedź amperometryczną lub woltamperometryczną czujnika Elektroda jonoselektywna, która zawiera lipofilową membranę z plastyfikatorem (rozpuszczalnik organiczny), w momencie zanurzenia do roztworu wodnego tworzy dobrze znany i opisany w literaturze układ dwóch niemieszających się rozpuszczalników elektrolitów (ITIES). Tematyka dotycząca ITIES, gdzie fazę organiczną stanowił rozpuszczalnik organiczny lub olej, a także plastyfikator (głównie o-npoe) z niewielkim dodatkiem PCW (zazwyczaj 2,8% w/w), jest rozwijana od wielu lat, a ogólną teorię woltamperometrycznej odpowiedzi w zależności od warunków przedstawiał niejednokrotnie m.in. Koryta [155], Girault [272], Kakiuchi [255], Matsuda [256], Samec [257] i Buck [258]. Również klasyczne membrany PCW używane w potencjometrii (około 33% w/w PCW i 1:2 w/w w stosunku do plastyfikatora) były przedmiotem wczesnych badań nad zachowaniem się dwóch niemieszających się roztworów elektrolitów w warunkach prądowych, jednak z racji wysokiej oporności rejestrowane odpowiedzi były odmienne i dlatego szybko zrezygnowano z tego typu membran na rzecz PCW o niższej zawartości (maksimum 20% w/w) [260]. Ostatnio jednak badacze pracujący w dziedzinie elektrod jonoselektywnych powrócili do klasycznych membran PCW, jak np. Bakker [247,134,254] i Pretsch [252]. Z przedstawionych prac wynika, że oprócz aktywności jonów w roztworze, decydujące znaczenie w charakterystyce odpowiedzi prądowej podczas pomiaru amperometrycznego lub woltamperometrycznego ma również rodzaj kontaktujących się ze sobą dwóch faz będących formalnie roztworami elektrolitów, ich przewodnictwo jonowe oraz skład (różnice w lipofilowości jonów i ewentualna obecność jonoforu, który wpływa na łatwość w ich przechodzeniu do sąsiadującego ośrodka). 3.2.1.1. Wpływ rodzaju membrany i jej oporności Mierzony prąd, który przepływa pomiędzy dwoma niemieszającymi się fazami w warunkach woltamperometrii cyklicznej lub pulsowej, jest w pewnych warunkach liniową funkcją aktywności jonu w fazie roztworu. Warunkiem uzyskania zależności liniowej jest niska oporność fazy organicznej oraz dość wysokie współczynniki dyfuzji występujących w niej jonów, które są porównywalne z wartościami typowymi dla roztworu wodnego [259,273]. Mimo dodatku niewielkiej ilości PCW do fazy organicznej (np. nitrobenzen z kilkoma % w/w PCW) zależność ta nie ulega znacznej zmianie [264,274]. Natomiast większa 75

zawartość polimeru w ilości odpowiadającej klasycznym ISM (około 33% w/w PCW) lub obecność fazy organicznej w postaci żelu (gelified ISM) zmienia tą zależność na logarytmiczną [127,129,134,170,247,254]. Różnice w charakterze prądowej odpowiedzi układów składających się m.in. z membran o różnej oporności dobrze podsumowuje praca wykonana w grupie Pretscha [252]. Przy wyprowadzaniu zależności łączącej potencjał, prąd oraz aktywność analitu (na przykładzie kationów), autorzy wzięli pod uwagę gradienty stężeń jonów głównych w roztworach próbki i IFS, natomiast ośrodek membrany stał się istotny tylko z punktu widzenia dostępności wolnego jonoforu. Jego dyfuzja w membranie jest wywołana transportem kompleksu jonofor jon główny w przeciwnym kierunku w warunkach polaryzacji. Narzucony potencjał wywołuje odpowiedni przepływ jonów głównych po obu stronach membrany i w konsekwencji również polaryzację stężeniową w ośrodkach wodnych (rys. 3.2.1). Rys. 3.2.1. Schemat gradientów stężeń jonów głównych w poszczególnych ośrodkach, wolnego jonoforu i centrów wymiany jonowej w membranie, w warunkach polaryzacji katodowej [252]. Opierając się na równaniach opisujących prądy graniczne, zależnościach strumieni jonów głównych i jonoforu, a także potencjałach Galvaniego i stałej trwałości jon główny jonofor, po zsumowaniu poszczególnych potencjałów powstających na granicach faz oraz w membranie, autorzy wyprowadzili równanie opisujące całkowity potencjał [252]: E RT RT 1 i / i 1 i / i lim, aq IL lim, L, org ln ai, aq / ai, aq, IFS irism ln ln (3.2:1) z I F z I F 1 i / ilim, aq, IFS zi F 1 i / ilim, L, org n RT a po przekształceniu: i i BG 1 i / ilim, aq 1 i / ilim, L, org ai, aq z I F ln nil ln ln E (3.2:2) 1 i / i 1 i / i a RT lim, aq, IFS lim, L, org I, aq, IFS 76

gdzie i BG RT 1 AFDI, org cr, org (3.2:3) z F R d I ISM ISM W zależności od rodzaju membrany i jej oporności (współczynników dyfuzji zawartych w niej jonów), powyższe równanie można w znacznym stopniu upraszczać zaniedbując odpowiednie jego człony. W przypadku klasycznych membran na bazie plastyfikowanego PCW, które są używane w konwencjonalnej potencjometrii, limitującym prąd procesem jest transport jonów w ośrodku membrany (w kompleksie z jonoforem). Migracja jonów w ISM pod wpływem pola elektrycznego zależy z kolei od dyfuzji wolnych, obojętnych cząsteczek jonoforu w odwrotnym kierunku, których stężenie w warstwie powierzchniowej membrany maleje z racji kompleksowania transportowanych do membrany jonów (polaryzacja stężeniowa jonoforu). Decydujący wpływ membrany na odpowiedź prądową czujnika jest m.in. poparty brakiem wpływu mieszania roztworu próbki na stabilność i wielkość mierzonego prądu [275]. Trzeba jednak zaznaczyć, że uzależniona transportem jonów w ISM wartość natężenia prądu jest również uwarunkowana stężeniem analitu w roztworze (liczba transportowanych jonów w ISM zależy od potencjału, stężenia analitu i właściwości membrany). W tych warunkach równanie 3.2:1 przyjmie taką postać [252], z której wynika, że ISE będzie zachowywać się jak typowy opornik, gdzie prąd jest wprost proporcjonalny do narzuconego nadpotencjału (potencjał narzucony pomniejszony o potencjał równowagowy, przy którym prąd wynosi zero), a w rezultacie jest on również liniową funkcją logarytmu aktywności jonu głównego w próbce. Sytuacji tej odpowiada krzywa C na rysunku 3.2.2. W skrajnie odmiennym przypadku, gdy membrana wykazuje mniejszą oporność (wysokie stężenie elektrolitu i znacznie wyższe współczynniki dyfuzji jonów), limitującym prąd procesem może okazać się dyfuzja jonów w sąsiadujących z membraną roztworach wodnych. Odpowiedź czujnika jonoselektywnego z membraną o niskiej oporności najlepiej odzwierciedla na rysunku 3.2.2 krzywa A, gdzie rejestrowana jest liniowa zależność mierzonych wartości natężenia prądu od stężenia analitu. Tego rodzaju charakterystyka jest typowa dla układów ITIES, gdzie z roztworem wodnym graniczy faza organiczna (np. nitrobenzen lub 1,2-dichloroetan) z rozpuszczonymi organicznymi solami zapewniającymi wysokie przewodnictwo jonowe [259,273]. Rozwiązania wykorzystujące granicę faz dwóch 77

niemieszających się roztworów, gdzie sygnał analityczny zmienia się liniowo w funkcji stężenia oznaczanych jonów, znalazły zastosowanie analityczne i zostało opublikowane m.in. przez Korytę [155], Giraulta [274], Horvaia [170] i innych [264]. Rys. 3.2.2. Obliczone krzywe zależności prądu od logarytmu stężenia jonów głównych (po lewej) oraz bezpośrednio w funkcji ich stężenia (po prawej) na przykładzie jonów wapnia przy stałym narzuconym potencjale E=-0,3mV na membranę o powierzchni A=0,64cm 2. Grubość warstw dyfuzyjnych po obu stronach membrany δ=δ IFS =500µm, stężenie jonów wapnia w roztworze wewnętrznym wynosi c i,aq,ifs =10-3 M, D I,aq i D I,aq,IFS =7,92x10-6 cm 2 /s. Krzywa (A) odpowiada membranie o grubości d=20µm, współczynnikach dyfuzji D I,org =D L,org =5x10-7 cm 2 /s (R ISM =0,42kΩ). Krzywa (B) d=60µm, D I,org =D L,org =10-7 cm 2 /s (R ISM =6,24kΩ). Krzywa (C) d=120µm, D I,org =6x10-9 cm 2 /s D L,org =3x10-8 cm 2 /s (R ISM =210kΩ) [252]. Pośredni przypadek odpowiedzi prądowej (funkcja zależności prądu od stężenia analitu nieliniowa i nielogarytmiczna) reprezentuje krzywa B na rysunku 3.2.2, gdzie zaznacza się wpływ wyższej oporności membrany niż to ma miejsce w przypadku A. Podobną odpowiedź elektrody można zaobserwować dla membrany plastycznej o niskiej oporności, ale również niskiej aktywności jonów w roztworze. 3.2.1.2. Wpływ rodzaju soli lipofilowej w membranie o wysokiej zawartości PCW Teoretyczne rozważania dotyczące odpowiedzi woltamperometrycznej elektrod jonoselektywnych z klasycznymi membranami PCW (około 33% w/w PCW) zawierającymi różne sole lipofilowe przedstawił Bakker i współpracownicy [247]. Autorzy założyli, że potencjał dyfuzyjny w membranie E D można pominąć, a reakcja przeniesienia jonu pomiędzy dwoma fazami jest znacznie szybsza niż ich transport w poszczególnych ośrodkach (limitującym prąd zjawiskiem jest transport jonów w membranie), co wywołuje polaryzację 78

stężeniową pomiędzy warstwami powierzchniowymi granicy faz a dalszymi częściami roztworu lub membrany. Innym uproszczeniem było założenie, że w układzie obecne są tylko jony główne z I, a ich ustalona i stała w czasie liniowa dyfuzja odbywa się tylko w jednym wymiarze. Na podstawie ww. warunków wyprowadzono równania i obliczono krzywe zależności odpowiedzi prądowej elektrody zawierającej membranę z wymieniaczem jonowym od przyłożonego potencjału dla trzech różnych stężeń analitu (rys. 3.2.3, A). W zależności od rodzaju właściwości jonowymiennych membrany, jest możliwe oznaczanie kationów (lipofilowy anion R w ISM) lub anionów (lipofilowy kation R w ISM). Niestety z przedstawionych rozważań wynika wyraźnie, że na czułość odpowiedzi elektrody w znacznym stopniu wpływa oporność membrany i w konsekwencji spadek omowy, przez co układ ten nie wykazuje zdecydowanie lepszej czułości niż pomiar potencjometryczny w warunkach bezprądowych [247]. Rys. 3.2.3. (A) Schemat obrazujący transport kationów I + przez membranę kationowymienną (wymieniacz jonowy R - ) w warunkach polaryzacji katodowej oraz poniżej obliczone krzywe i(e) dla tego przypadku, gdzie aktywność a, wynosi 0,1M, 0,01M lub 0,001M (krzywe I aq odpowiednio od góry do dołu) ( a I, aq, IFS =1mM; z I =1; D I, org =10-8 cm 2 /s; A =0,3cm 2 ; R ISM =1M; org org, IFS =10-2 cm; c R, org =0,005M); (B) analogiczna sytuacja dla membrany nieposiadającej właściwości jonowymiennych (R + R - ) oraz poniżej obliczone krzywe i(e) dla tego przypadku (parametry podobne jak dla punktu A) [247]. 79

Przedstawione wyżej wnioski potwierdzają obserwacje zachowania się elektrod jonoselektywnych z tego typu membranami podczas pomiarów woltamperometrycznych. Cykliczna woltamperometria z udziałem klasycznej membrany używanej w potencjometrii na bazie PCW plastyfikowanej DOS i zawierającej wymieniacz jonowy NaTFPB, w kontakcie z roztworem NaCl o stężeniu 0,1M po obu stronach (roztwór próbki oraz IFS), wskazuje na odpowiedź charakterystyczną dla zwykłego opornika, gdzie otrzymana krzywa w postaci linii prostej wykazuje nachylenie podyktowane przez określoną oporność membrany (odpowiedź anodowa pokrywa się z katodową). Położenie krzywej wciąż zależy od stężenia analitu, jednak nie stanowi to żadnej przewagi analitycznej w stosunku do potencjometrii [247]. Analogiczne wyniki otrzymywano przy pomiarach dla układów ITIES, gdzie fazę organiczną stanowiła membrana swobodnie wymieniająca z roztworem wodnym anion lub kation (wspólny jon w obu fazach - niepolaryzowalne układy bez okna potencjału). Przykładem może być membrana PCW zawierająca NaTFPB lub chlorek tetradodecyloamoniowy (TDATCl) i obmywana z obu stron wodnymi roztworami zawierającymi odpowiednio organiczne jony TFPB - lub TDAT + o stężeniu co najmniej 10-3 M [276]. Odmienna odpowiedź elektrody w warunkach narzuconego potencjału pojawia się w przypadku membrany, która nie wykazuje właściwości kationowymiennych lub anionowymiennych. Dla obniżenia oporności ISM dodaje się soli lipofilowej, która zawiera zarówno lipofilowy kation jak i anion ( R R ) (np. ETH500, rys. 2.4.8 C), przez co żaden z utworzonych centrów wymiany jonowej nie występuje w przewadze. Dodatkową funkcją soli lipofilowej jest również obniżenie udziału migracji w transporcie jonów hydrofilowych w membranie i można powiedzieć, że spełnia ona rolę podobną do elektrolitu podstawowego w roztworze. W tej sytuacji, w przypadku anodowej polaryzacji elektrody i ekstrakcji anionów z roztworu próbki do ISM, dominującym efektem zapewniającym elektroobojętność membrany jest transport w przeciwnym kierunku hydrofilowych kanionów z I z IFS, czego skutkiem będzie ich odpowiednie stężenie w powierzchniowej warstwie membrany od strony roztworu wewnętrznego, które powinno być równe (przy założeniu, że z I z A ) stężeniu anionów ekstrahowanych po drugiej stronie membrany. Należy dodać, że membrana tego typu (sól lipofilowa R R ) nie posiada (lub zawiera w o wiele mniejszej ilości) hydrofilowych jonów i dlatego początkowe stężenia jonów głównych i anionów w membranie można przyjąć za zerowe. Na rysunku 3.2.3, B przedstawiono obliczone teoretyczne krzywe odpowiedzi prądowej i E dla trzech różnych aktywności elektrolitu, gdy membrana zawiera sól z A lipofilową R R. Z otrzymanych wykresów wynika, że obliczona odpowiedź prądowa 80

wykazuje zależność liniową, ale tylko powyżej tzw. potencjału progowego (threshold potential) podczas polaryzacji anodowej i katodowej. Ich wartości dla obu kierunków polaryzacji tworzą tzw. okno potencjału (prąd nie rośnie układ polaryzowalny), które jest dobrze znane badaczom układów ITIES. Warto dodać, że elektroda ta może wykazywać czułość względem anionów lub kationów w zależności od kierunku polaryzacji czujnika. W przypadku polaryzacji katodowej to kationy są ekstrahowane do membrany z roztworu próbki, czemu towarzyszy dyfuzja anionów w odwrotnym kierunku, z roztworu wewnętrznego do membrany [247]. Rys. 3.2.4. Krzywa woltamperometrii cyklicznej zarejestrowana dla membrany PCW plastyfikowanej (1:2 w/w) o-npoe i zawierającej sól lipofilową ETH500, w roztworze 0,1M NaCl po obu jej stronach. Szybkość zmiany potencjału 10mV/s [247]. Pomiary wykonane za pomocą cyklicznej woltamperometrii z udziałem membrany PCW zawierającej sól lipofilową ETH500 ( R R ) w kontakcie z 0,1M NaCl po obu jej stronach (pomiar analogiczny do układu ITIES, który jest polaryzowalny brak wspólnego jonu w obu fazach) wskazują na intensywne wchodzenie do membrany Cl - od strony roztworu próbki i Na + od strony IFS podczas polaryzacji anodowej, powyżej 450mV (elektroda pracująca znajduje się w IFS, w przeciwieństwie do elektrody odniesienia i pomocniczej) (rys. 3.2.4). Objawia się to wzrostem prądu anodowego, który jest zgodny z danymi przedstawionymi na rysunku 3.2.3, B. Kiedy kierunek polaryzacji się zmienia i potencjał maleje, prąd zaczyna spadać zgodnie z prawem Ohma, a jego wartość jest niższa niż w cyklu wzrostu potencjału, gdyż warstwa dyfuzyjna jonów Cl - i Na + w tych zakresach potencjału cały czas jeszcze rośnie. Po osiągnięciu potencjału progowego znak płynącego prądu się zmienia i pojawia się pik prądu katodowego odpowiedzialny za transport ww. jonów z 81

membrany ponownie do roztworu. Procesy odwrotne (wchodzenie do membrany Na + od strony roztworu próbki i Cl - od strony IFS) obserwowane są po osiągnięciu potencjałów ujemnych. Brak idealnej symetryczności krzywej wynika z konstrukcji elektrody i różnego stopnia ekstrakcji jonów po obu stronach membrany przy polaryzacji katodowej i anodowej [247]. Membrany z wysoką zawartością PCW i w polaryzowalnym układzie ITIES były również szeroko badane m.in. przez Horvaia i Kiharę [276,277]. 3.2.1.3. Wpływ obecności jonoforu w membranie o wysokiej zawartości PCW Pomiary woltamperometryczne dla niemieszających się dwóch elektrolitów (ITIES) z udziałem kationów metali lekkich charakteryzujących się wysoką hydrofilowością, takich jak Li +, Na +, K + oraz kationu NH + 4, wskazują na bardzo wysokie potencjały progowe i duże okna potencjału. Jest to spowodowane wysokim standardowym potencjałem przejścia danego jonu I pomiędzy dwoma fazami ( org i aq ) opisywanych następującym równaniem [260]: org aq 0 0 0 I, org I, aq G 0 I, aq / org I (3.2:4) z F z F I I który zależy od standardowych potencjałów chemicznych jonu I w poszczególnych fazach 0 I,aq i 0 I,org, czyli od różnicy entalpii swobodnej związanej z przejściem jonów 0 G I, aq / org pomiędzy polaryzowalnymi fazami (brak wspólnego jonu w obu fazach). Jest on niejako wyznacznikiem selektywności w układach ITIES, gdzie mierzony prąd podczas polaryzacji elektrody pojawia się najpierw w wyniku transportu jonu o niższym org 0 aq I. W celu poprawy selektywności oraz zmniejszenia entalpii swobodnej przejścia jonu zaproponowano dodatek jonoforu (etery koronowe, walinomycynę), który ułatwiał ich ekstrakcję do fazy organicznej [278] oraz przedstawiono teorię opisującą odpowiedź woltamperometryczną w tych warunkach [256], niejednokrotnie później rozwijaną [278]. W przypadku membran PCW z plastyfikatorem w stosunku wagowym 1:2 (typowa membrana jonoselektywna o niskim przewodnictwie jonowym) obserwowany jest zdecydowanie wyższy opór [260], co wymaga innego podejścia. Jak już to zostało omówione w poprzednich rozdziałach (3.2.1.1 i 3.2.1.2), w przypadku tego typu membran współczynniki dyfuzji jonów są tutaj wielokrotnie niższe niż w roztworze wodnym i dlatego strumień jonów w tym ostatnim ośrodku jest często zaniedbywany. Warto dodać, że jeżeli odczyty prądu są 82

warunkowane stosunkowo wolną dyfuzją w fazie organicznej, to prawdziwie stabilne w czasie sygnały (steady-state current) uzyskuje się dopiero w momencie osiągnięcia liniowych profili stężeniowych w ISM, na co potrzeba kilku godzin. Z drugiej strony zbyt długo trwająca lub zbyt intensywna polaryzacja membrany wywołuje w niej długo utrzymujący się efekt pamięci, który objawia się utrwaleniem określonego gradientu stężeń jonów i zniekształceniem następnych pomiarów (np. następnych cykli w cyklicznej woltamperometrii). Z tego względu dla klasycznych membran PCW zaproponowano nową technikę pomiarową: pulsową amperometrię lub woltamperometrię, dzięki której po każdym pulsie potencjału (o stałej wartości lub zmiennej) jest narzucany odpowiednio długo trwający, stały potencjał relaksacyjny (stripping potential), podczas którego membrana powraca do stanu poprzedzającego ostatni puls, a wszystkie ekstrahowane uprzednio do membrany jony mogą ją opuścić (rys. 3.2.5) [134,155,247,254,274]. Rys. 3.2.5. Przykładowy schemat polaryzacji w warunkach normalnej woltamperometrii pulsowej (rosnące wartości narzucanych pulsów potencjału oddzielone potencjałami relaksacyjnymi) [254]. W ten sposób podczas każdego następnego pulsu tworząca się warstwa dyfuzyjna powstaje od nowa, a jej grubość przy zachowanych parametrach potencjału pozostaje przy każdym pulsie taka sama. W przypadku obecności w membranie anionu i kationu lipofilowego i braku właściwości kationo- lub anionowymiennych, konsekwencją metody pulsowej jest również założenie, że wartość stężenia/aktywności oznaczanych jonów w membranie jest przed każdym pomiarem zerowa [127,247,134]. Należy dodać, że regeneracja membrany w obwodzie otwartym zajmuje bardzo długi czas i jest zabiegiem niepraktycznym. Zook i Lindner opracowali model teoretyczny regeneracji membrany w warunkach kontrolowanego potencjału [279], jak i prądu [280] oraz wskazali zalety i wady obu metod, także w zależności od składu membrany. Zalety metod pulsowych zaczęli dostrzegać również badacze ściśle 83

zajmujący się tematyką ITIES, jak np. Senda, który zaproponował normalną woltamperometrię pulsową w celu poprawy odtwarzalności wyników oraz przedstawił teorię dotyczącą odpowiedzi elektrody w tych warunkach [266]. Bez uwzględnienia wpływu jonoforu, uproszczony model dyfuzji jonów do membrany pod wpływem nałożonego pulsu potencjału przedstawił także Jadhav i Bakker, dzięki której oszacowali wielkość ekstrakcji jonów do membrany oraz ich odwrotnej ekstrakcji z membrany w funkcji czasu [254]. Rys. 3.2.6. Teoretyczne krzywe woltamperometryczne obliczone dla osobnych roztworów zawierających albo kationy główne I + (z jonoforem w membranie lub bez) lub bardziej lipofilowe kationy przeszkadzające J + (wykres po lewej). Na prawo znajdują się obliczone stężenia jonów I +, IL + lub J +, JL + w funkcji potencjału [134]. Na rysunku 3.2.6 zostały przedstawione obliczone krzywe teoretyczne dla trzech różnych przypadków: (i)w obecności tylko jonów głównych (ii)lub przeszkadzających oraz (iii)w obecności jonów głównych bez obecności jonoforu w membranie. Dobrane dane do przyjętego przez autorów modelu uwzględniają taką samą aktywność jonów głównych i przeszkadzających, przy czym ten pierwszy jest z oczywistych względów 10 4 -krotnie mocniej wiązany przez jonofor, ale jednocześnie znacznie mniej lipofilowy. Zgodnie z otrzymanymi krzywymi, dla przyjętych danych w obliczeniach, regulowana jonoforem ekstrakcja kationów zaczyna zachodzić dla potencjału w przedziale od -0,2V aż do wartości -0,6V, kiedy to dochodzi do wysycenia membrany kationami, co jest związane z praktycznie całkowitym wykorzystaniem wszystkich dostępnych wolnych cząsteczek jonoforu w warstwie dyfuzyjnej (wszystkie kationy są transportowane w formie kompleksu IL lub JL w zależności od roztworu; stężenie wolnego jonoforu przy powierzchni membrany jest bliskie zera). Dla jeszcze bardziej ujemnych wartości potencjału (poniżej około -0,8V) prąd zaczyna ponownie rosnąć, co jest związane z jeszcze większą ekstrakcją kationów do membrany. W tym przypadku liczba wchodzących do membrany jonów przewyższa dostępną liczbę wolnych cząsteczek jonoforu. Wraz z malejącym potencjałem transport kationów odbywa się cały czas przy stałym udziale jonoforu (kompleksy IL / JL ) (limitowany ogólną liczbą dostępnych 84

nośników jonów i ich dyfuzją z głębi membrany), a także przy coraz większym udziale wolnych, niezwiązanych z jonoforem kationów transportowanych kationów rośnie (jako stała liczba I lub IL / J ; dlatego ogólna liczba JL i rosnąca liczba powodując coraz większą wartość natężenia prądu. W tych zakresach potencjału rosnący prąd jest zatem warunkowany coraz większą liczbą transportowanych kationów przez membranę w formie wolnej, nie będących w kompleksie z jonoforem. Porównując oba przypadki (z kationem I i granicznego, kation stężeniu niż I / J ) J ) widać, że w zakresie potencjałów poprzedzających pojawienie się prądu J występuje w warstwie powierzchniowej membrany w niższym I, co jest wynikiem słabszego wiązania przez jonofor J niż I i w konsekwencji również niższego prądu (strumienia jonów). Z drugiej strony, kation przeszkadzający jest zarazem bardziej lipofilowy i dlatego poniżej wartości potencjału wywołującego plateau prądu (sytuacja, w której możliwy udział jonoforu w transporcie kationów jest już maksymalny) jest on ekstrahowany do membrany w większym stopniu niż jony główne [134]. Z powyższych rozważań wynika, że obecność jonoforu w membranie oraz stopień polaryzacji daje możliwość wpływania na selektywność czujnika, przy założeniu, że jon przeszkadzający charakteryzuje się większą lipofilowością niż jon główny. Autorzy wyznaczyli również teoretyczne krzywe woltamperometryczne dla roztworu zawierającego oprócz kationów sodu również bardziej lipofilowe kationy potasu (elektroda taka sama jak poprzednia z jonoforem dla jonów sodu). Z obliczeń można wywnioskować, że selektywność czujnika wobec Na + lub K + w obu zakresach potencjałów jest wystarczająca, żeby oznaczać stężenia rzędu 10-3 M przy obecności drugiego kationu w stężeniu 10-1 M. Wszystkie powyższe rozważania teoretyczne zostały potwierdzone eksperymentalnie [134,247]. 3.2.2. Optymalizacja parametrów analitycznych elektrody jonoselektywnej a warunki prowadzenia pomiaru metodą chronopotencjometrii Innym możliwym podejściem jest stosowanie elektrod jonoselektywnych z plastyczną membraną jako czujników analitycznych, tym razem w warunkach narzuconego prądu w postaci np. cyklu pulsów (rys. 3.2.7, A). Odpowiedź potencjałowa (nie prądowa) (rys. 3.2.7, B) elektrody ma tą zaletę, że uzyskane wyniki mogą być bezpośrednio porównane z otrzymanymi w cyklu pomiarów potencjometrycznych [127]. 85

Rys. 3.2.7. (A) Przykładowy schemat cyklu pulsów prądu (-5µA, 1s), które są przerywane potencjałem relaksacyjnym (E=0V, 10s) w funkcji czasu; (B) odczyt potencjału elektrody w funkcji czasu pod wpływem cyklu pulsów prądu jak w punkcie A [127]. 3.2.2.1. Odpowiedź elektrody jonoselektywnej w warunkach chronopotencjometrii pulsowej Przedstawione w niniejszym rozdziale trzy zależności (3.2:5, 7, 8) opisują odpowiedź potencjałową elektrody jonoselektywnej w warunkach narzuconego pulsu prądu, gdzie membrana zawiera jonofor selektywny wobec jednowartościowych kationów lipofilową sól ( R I oraz R ). Równania te zostały wyprowadzone tym razem bez uwzględnienia wpływu roztworu wewnętrznego i dla trzech różnych sytuacji: (i)przy braku obecności jonów przeszkadzających oraz w ich obecności, gdzie wartość płynącego prądu jest (ii)niższa lub (iii)wyższa niż prąd graniczny, czyli w tym przypadku prąd wywołujący strumień jonów jest większy niż strumień dyfundującego z głębi membrany wolnego jonoforu. Założono, że całkowite stężenie wszystkich kationów I w powierzchniowej warstwie membrany wynika z powyższego strumienia (przy założeniu, że ich reakcja przeniesienia przez granicę faz jest wystarczająco szybka) oraz że całkowite stężenie hydrofilowych jonów I w głębi membrany w postaci wolnej lub będącej w kompleksie z jonoforem L jest równe zero ( c c 0 ) (ze względu na obecność soli lipofilowej i zastosowanej pulsowej metody I, org IL, org pomiarowej). Dla uproszczenia przyjęto również, że współczynniki dyfuzji dla każdego dowolnego kationu I lub jego kompleksu z jonoforem są takie same [127,134,262]. Pierwsza zależność jest wyprowadzona w przypadku braku wpływu interferenta w postaci również jednowartościowych jonów IL JL J, gdzie przyjęto założenie, że stała kompleksowania, a 0. Jeżeli wartość narzuconego prądu jest niższa niż prąd graniczny, to JL ekstrakcja jonów głównych jonoforu L (wszystkie jony I i ich transport w membranie przebiega tylko z udziałem I w ISM występują w postaci kompleksu IL ). W tych warunkach całkowity strumień jonów dotyczy tylko kationów głównych. Zakładając, że 86

stężenia mogą być dowolnie zamieniane na aktywności, autorzy wyprowadzili równanie opisujące mierzony potencjał w warunkach płynącego prądu katodowego o niewielkiej wartości (poniżej wartości prądu granicznego) [127]: E RT k I ln F IL 2i AF D t org c 2i nil RT total L, org nil ln AF D org F t a I, aq, PB (3.2:5) Równanie to przewiduje odpowiedź potencjałową elektrody o nachyleniu charakterystyki zbliżonym do nernstowskiego tak długo, jak a I aq ai, aq, PB,. Według autorów wyższe natężenie prądu (lub dłużej trwający puls) może prowadzić do sytuacji, w której początkowe stężenie 0 c I, aq, PB przyjmuje wartość bliską zeru ( c I, aq, PB = c I aq, critical, ) i opisywane jest zależnością [127]: 2i (3.2:6) AF c I, aq, PB ci, aq, critical t / DI, aq a odpowiedź elektrody ma wtedy charakter ponad-nernstowski. Jest to sytuacja równoznaczna z osiągnięciem tzw. czasu przejścia, który jest zgodny z równaniem Sanda 7.1:4. Jeżeli jednak stężenie jonów głównych ( c I, aq ) jest wystarczająco wysokie, wtedy należy się spodziewać zachowania nernstowskiej odpowiedzi mimo dłużej trwających pulsów prądu o wyższym natężeniu (zawsze c I aq, PB ci, aq, critical, ). Im pulsy prądu są krótsze i o niższym natężeniu, tym zasięg liniowej odpowiedzi o nachyleniu nernstowskim potencjału elektrody w funkcji logarytmu z malejącej aktywności jonów głównych w roztworze jest dłuższy. główne W przypadku roztworu zawierającego zarówno jony przeszkadzające I, całkowity strumień jonów może zawierać udział kationów J, jak i jony I oraz J. Przy małych wartościach natężenia prądu ekstrakcja obu rodzajów jonów jest w pełni kontrolowana przez jonofor i obecność wolnych, niezwiązanych jonów w membranie może być zaniedbana. Wykorzystując zależności opisujące stałą kompleksowania oraz stałą wymiany na granicy faz, po wstawieniu do równania opisującego potencjał na granicy faz 2.2:21 uzyskać można wzór opisujący odpowiedź potencjałową elektrody w warunkach 87

narzuconego prądu o niższej wartości niż prąd graniczny, w obecności jonów przeszkadzających [127]: E RT F RT F k ln ln a I I, aq, PB FA 2i IL JL IL D K IJ t a org c J, aq, PB total L, org 2i AF t D org nil (3.2:7) Ostatnia, trzecia sytuacja zakłada odpowiedź elektrody w warunkach wysokiego natężenia prądu, którego wartość przekracza prąd graniczny. Ekstrakcja i dyfuzja kationów w membranie nie jest już w pełni kontrolowana przez jonofor i, oprócz skompleksowanych jonów, występują w membranie również jony nieskompleksowane przez jonofor. Wtedy strumienie dotyczą jonów głównych i przeszkadzających. Wyprowadzone przez autorów równanie opisujące odpowiedź elektrody w tych warunkach jest następująca [127]: E RT ln k I F D org t 2i AF t D org c RT, lna F ILJL org, PB 1 I, aq, PB K IJ a J, aq, PB (3.2:8) Na podstawie powyższych rozważań, bez obecności jonów przeszkadzających i dla prądu poniżej wartości granicznej, obliczono teoretyczne krzywe potencjału E oraz logarytmu stężenia kompleksu w powierzchniowej warstwie membrany c IL org, PB, i aktywności jonów głównych tuż przy membranie a I aq, PB, w funkcji logarytmu aktywności jonów głównych w próbce a, (rysunek 3.2.8). Dla przyjętych danych ( t =1s, i katodowy =1µA, I aq A =0,1cm 2, D aq =10-5 cm 2 s -1, D org =10-8 cm 2 s -1, K IJ =10-6, a J, aq =0,1), powyżej aktywności około 10-4 M, odpowiedź elektrody jest zbliżona do nernstowskiej (rys. 3.2.8, A), co jest jednoznaczne ze stałym stężeniem jonów głównych będących w kompleksie z jonoforem w fazie membrany c IL org, PB, (rys. 3.2.8, B) i malejącym stężeniem c I, aq, PB w roztworze (proporcjonalnie do potencjału), tuż przy membranie (rys. 3.2.8, C). Przerywana linia oznacza punkt osiągnięcia przez układ stanu, w którym powierzchniowe stężenie jonów głównych w roztworze c I aq, PB, osiąga wartość c I, aq, critical opisaną wzorem 3.2:6. 88

Rys. 3.2.8. (A) Teoretyczna odpowiedź E(log a I,aq ) elektrody z plastyczną membraną selektywną na kationy jednowartościowe otrzymana metodą pulsową według schematu jak na rysunku 3.2.7; (B) Obliczone stężenie jonów głównych będących w kompleksie z jonoforem w warstwie powierzchniowej membrany oraz (C) jonów głównych w fazie roztworu tuż przy membranie w funkcji logarytmu aktywności jonów głównych w głębi roztworu [127]. Niska aktywność jonów I w roztworze sprzyja przy danych parametrach prądu ich bardzo szybkiemu wyczerpywaniu się tuż przy membranie, co obrazuje rysunek 3.2.8, C. Brak dostępności jonów głównych wpływa również na spadek stężenia c IL org, PB, kompleksu po stronie membrany (przy zachowanym lub rosnącym stężeniu wolnego jonoforu L ), jednak w wolniejszym stopniu niż potencjału i odpowiedzią ponad-nernstowską [127]. I po stronie roztworu. To skutkuje drastycznym spadkiem 3.2.2.2. Współczynnik selektywności elektrod jonoselektywnych w chronopotencjometrii pulsowej W rozdziale 3.2.1 pokazano, że obecność jonoforu pozwala na zamianę selektywności czujnika, gdy odpowiednio dobierze się parametry narzuconego potencjału pulsu i gdy jon przeszkadzający jest bardziej lipofilowy niż jon główny. Podobną charakterystykę elektrody można uzyskać również w warunkach pulsowej chronopotencjometrii. Dla tej samej membrany selektywnej na kationy sodu przeprowadzono pomiar zależności potencjału od prądu polaryzując elektrodę pulsami prądu katodowego od wartości 0A do 50µA. Otrzymane doświadczalnie krzywe chronopotencjometryczne w roztworze 0,1M NaCl lub KCl oraz w roztworze zawierającym mieszaninę 0,1M NaCl i KCl przedstawiono odpowiednio na rys. 3.2.9, A i 3.2.9, B. Z rys. 3.2.9. wynika, że przebieg krzywej zarejestrowanej w mieszaninie jonów K + i Na + jest zgodny z zależnością otrzymaną tylko w roztworze jonów potasu dla prądu powyżej prądu granicznego (rys. 3.2.6) oraz w roztworze jonów sodu poniżej tej wartości. Różnica w przebiegu krzywych dla jonów sodu i potasu oraz ich przecinanie się dowodzi, że selektywność elektrody może być zmieniana, a przedstawione w poprzednim 89

rozdziale wnioski dotyczące wpływu polaryzacji na zachowanie się membrany wobec obu kationów są aktualne również dla chronopotencjometrii [127]. Rys. 3.2.9. Zależności potencjału od prądu otrzymane w cyklu 50 pulsów prądu (t=1s, od 0A do -50µA każdy przerywany 10s pulsami E=0V) dla membrany PCW plastyfikowanej o- NPOE i zawierającej 10% w/w soli ETH500 i jonofor na jony sodowe; (A) odpowiedź elektrody w oddzielnych roztworach 0,1M NaCl lub KCl; (B) odpowiedź elektrody w roztworze zawierającym zarówno 0,1M NaCl, jak i 0,1M KCl (linia ciągła; linia przerywana jest przedłużeniem odcinków krzywej rejestrowanej w roztworze tylko KCl lub NaCl) [127]. Na podstawie uzyskanych krzywych na rys. 3.2.9 można również wyznaczyć współczynnik selektywności pot log K NaK w funkcji zmieniającego się natężenia prądu pulsu, za pomocą metody roztworów rozdzielonych (SSM) i równania 2.3:3. Dzięki temu jest możliwe wyznaczenie najlepszych parametrów prądu, które będą zapewniały optymalne warunki do pomiaru zawartości jednego rodzaju jonów w obecności innych rodzajów jonów [127]. Rys. 3.2.10. (A) Krzywe kalibracyjne zarejestrowane potencjometrycznie i otrzymane dla NaCl w roztworze podstawowym zawierającym bufor fosforanowy (ph=7,4) i salicylany o stężeniu 72µM; krzywa 1 - dla elektrody z ISM anionowymienną (R + Cl - ); krzywa 2 - dla elektrody z ISM zawierającą sól R + R -. Roztwór do kondycjonowania i IFS zawierał 0,01M NaCl i bufor fosforanowy (ph=7,4); (B) Krzywe kalibracyjne zarejestrowane tą samą elektrodą dla różnych roztworów (od najbardziej lipofilowego anionu do najmniej lipofilowego) metodą chronopotencjometrii pulsowej [133]. 90

Prace nad poprawą współczynników selektywności, długości życia i odtwarzalności rejestrowanego potencjału były prowadzone również dla elektrod anionoselektywnych z wykorzystaniem metody chronopotencjometrii pulsowej. Wiele elektrod anionoselektywnych, dla których jeszcze nie opracowano odpowiedniego jonoforu, jest przystosowywanych do oznaczania anionów głównych w warunkach potencjometrycznych poprzez długotrwałe kondycjonowanie w roztworze tych anionów. Niestety obecność bardziej lipofilowych anionów przeszkadzających w roztworach mierzonych próbek może prowadzić do ich wnikania do wnętrza ISM na miejsce anionów głównych, co prowadzi do zmiany parametrów takiej membrany oraz braku odtwarzalności odczytów lub nawet całkowitego braku odpowiedzi (rys. 3.2.10, A, krzywa 2). Chronopotencjometria pulsowa z anodową polaryzacją membrany zawierającej sól R R, mimo oznaczania coraz mniej lipofilowych anionów, wykazuje zależności liniowe, które są zbliżone do nernstowskich, gdzie ISM nie wykazuje niepożądanego efektu pamięci (Rys. 3.2.10, B) [133]. Sytuacja ta wynika ze stosowania pulsów relaksacyjnych, podczas których wszystkie zaekstrahowane do membrany aniony (również te bardziej lipofilowe) zostają z niej usunięte przed każdym kolejnym pomiarem (pulsem prądu, podczas którego jest mierzony sygnał analityczny w postaci potencjału). Krzywa kalibracyjna dla anionów chlorkowych w obecności stałego stężenia salicylanów (72µM) (bardziej lipofilowych niż chlorki) jest przedstawiona na rys. 3.2.10, A, krzywa 1. Aktywności jonów chlorkowych powyżej około 10-3 M (granica wykrywalności 5x10-4 M) są wystarczające, aby bardziej lipofilowe i bardziej preferowane przez membranę salicylany o stałym stężeniu 72µM były kinetycznie dyskryminowane podczas trwania pulsu prądu anodowego [133]. 3.2.2.3. Chronopotencjometryczne oznaczanie całkowitego stężenia jonów wolnych i kompleksowanych Jak już wcześniej wspomniano, klasyczny pomiar potencjometryczny pozwala tylko na oznaczanie jonów będących w stanie niezwiązanym (aktywność wolnych jonów). W celu oznaczenia całkowitego stężenia kompleksowanych jonów głównych niezbędna była ingerencja w skład mierzonej próbki, np. poprzez zmianę ph [281] lub zastosowanie odpowiedniej procedury z wykorzystaniem buforu (constant complexation buffer CCB) [282]. Później pojawiły się także propozycje wykorzystania dyfuzji jonów przez membranę w elektrodach o zwiększonej czułości (switchtrodes), w których rejestrowany potencjał był 91

zależny od całkowitego stężenia jonów głównych, mimo obecności ligandu wiążącego je w labilny kompleks. Problemem pozostała jednak odtwarzalność wyników [177]. Chronopotencjometria pulsowa pozwala na odtwarzalne oznaczanie stężenia wolnych jonów, jak również całkowitego ich stężenia w obecności labilnych kompleksów [99,263]. Rys. 3.2.11 przedstawia eksperymentalne krzywe zarejestrowane metodą chronopotencjometrii pulsowej dla elektrody Ca 2+ -selektywnej w roztworze buforowanego anionu nitrylotrioctanowego (NTA - ) i pozbawionego buforu roztworu CaCl 2 (roztwór podstawowy 0,01M NaCl). Wyższe natężenie prądu pulsów wywołuje wcześniej (zgodnie z teorią) efekt ponad-nernstowski na krzywych otrzymanych bez obecności NTA -. Obecność w roztworze ligandu nie zmienia odczytów potencjału w wyższych zakresach aktywności kationów. Jednak w obszarach, gdzie wcześniej pojawiał się efekt ponad-nernstowski, obecność NTA - powoduje, że wartości rejestrowanego potencjału są odpowiednio wyższe i brak jest wspomnianego efektu. Stopniowe uwalnianie przez kompleks CaNTA jonów Ca 2+ po stronie roztworu powoduje, że nie dochodzi do ich wyczerpywania się tuż przy membranie i a Ca aq, PB, nie spada do zera, co przekłada się na nieznacznie wyższe wartości potencjałów. Metoda ta, w zależności od natężenia prądu pulsów, może być stosowana do oznaczania aktywności wolnych jonów oraz ich całkowitego stężenia za pomocą tej samej elektrody [99]. Rys. 3.2.11. Krzywe kalibracyjne otrzymane metodą chronopotencjometrii pulsowej dla roztworu CaCl 2, w obecności ( ) lub bez obecności ( ) ligandu NTA - w roztworze 0,01M NaCl. (A) Prąd pulsu katodowego trwający 1s o natężeniu 1µA; (B) prąd pulsu katodowego trwający 1s o natężeniu 15µA [99]. Bardziej dokładne wyniki można uzyskać stosując metodę chronopotencjometrii, podczas której mierzony jest potencjał aż do jego nagłego skoku, czyli wyczerpania się jonów głównych tuż przy membranie ( c I aq, PB, critical,, równanie 3.2.6). Metoda mierzenia czasów przejścia w przeciągu 1-2 sekund trwania pulsu prądu została w tym przypadku nazwana przez autorów błyskawiczną chronopotencjometrią (flash chronopotentiometry) [262,263]. Za pomocą elektrody z membraną PCW (1:2 w/w z plastyfikatorem o-npoe) zawierającą 92

jonofor selektywny na kationy wapnia ETH5234 i sól lipofilową ETH500 zarejestrowano szereg krzywych chronopotencjometrycznych dla różnych stężeń kationów Ca 2+ w obecności elektrolitu podstawowego 10mM NaCl (rys. 3.2.12, A). Wzrost stężenia kationów głównych powoduje, że czas potrzebny do wyczerpania się ich tuż przy membranie ( ) wzrasta, co można zaobserwować w postaci coraz później pojawiających się skoków potencjału. W celu dokładniejszego wyznaczenia tych wartości obliczono pierwszą pochodną z zarejestrowanych krzywych chronopotencjometrycznych, gdzie pojawiające się piki wskazują wyraźnie czasy przejścia (rys. 3.2.12, B). Pierwiastek kwadratowy z otrzymanych czasów przejścia jest funkcją liniową płynącego prądu, a także stężenia jonów głównych w roztworze, zgodnie z równaniem Sanda 7.1:4 lub równaniem 3.2:9. Rys. 3.2.12. (A) Krzywe chronopotencjometryczne zarejestrowane dla określonej wartości prądu w coraz bardziej stężonym roztworze jonów wapnia; (B) pierwsze pochodne otrzymanych krzywych wraz z wyznaczonymi wartościami czasów przejścia [263]. Na rysunku 3.2.13 przedstawiono eksperymentalne krzywe kalibracyjne dla jonów Ca 2+ otrzymane w roztworze podstawowym zawierającym 10mM NaCl i 2mM NTA - (rys. 3.2.13, krzywa A) oraz dla porównania tylko w obecności elektrolitu 10mM NaCl (rys. 3.2.13, krzywa B). Wynik wskazuje na dużą zgodność obu pomiarów i możliwość stosowania metody. Niewielkie różnice świadczą o wyższym współczynniku dyfuzji wolnych jonów niż kompleksu lub wpływie kinetyki rozkładu labilnego kompleksu w warstwie dyfuzyjnej [263]. Krzywa kalibracyjna dla wolnych jonów wapnia (rys. 3.2.13, krzywa C) została obliczona na podstawie krzywej A i stałej trwałości kompleksu z NTA - w ph 7,4. Podobną procedurę i metodę chronopotencjometrii pulsowej zastosowano do wyznaczania całkowitej zawartości kwasów za pomocą elektrody z membraną PCW (1:2 w/w plastyfikowana o-npoe) zawierającą sól lipofilową ETH500 i jonofor selektywny wobec kationów wodorowych ETH5294 [262]. Tutaj również pierwiastek z czasów przejścia oraz 93

wyczerpanie się kationów wodorowych tuż przy membranie jest funkcją liniową ich całkowitego stężenia w roztworze i może być monitorowane podczas tzw. błyskawicznego miareczkowania (flash titration). Metoda ta znalazła również swoje zastosowanie przy wyznaczaniu stężeń jonów o wysokim ładunku, jak np. heparyna i protamina [261]. Rys. 3.2.13. Wyznaczone doświadczalnie zależności pierwiastka z czasu przejścia od (A) całkowitego stężenia jonów wapnia w obecności ligandu NTA - ; (B) całkowitego stężenia jonów wapnia bez obecności NTA - ; (C) obliczone krzywe dla wolnych jonów wapnia na podstawie krzywej A [263]. 3.2.2.4. Wyznaczanie współczynnika dyfuzji jonoforu lub jego kompleksu z jonami głównymi w membranie metodą chronopotencjometryczną Zarejestrowanie czasu przejścia (break point) na krzywej chronopotencjometrycznej może mieć w przypadku rozpatrywanych elektrod jonoselektywnych różnoraką przyczynę. Oprócz opisanego powyżej spadku stężenia jonów głównych prawie do zera w warstwie przyelektrodowej roztworu, przyczyną może być również wyczerpywanie się jonoforu w powierzchniowej warstwie membrany lub jego kompleksu z jonami głównymi po jej drugiej stronie. Rzadszym powodem mogącym wywołać duże zmiany potencjału jest spadek do zera stężenia jonów hydrofilowych wymienianych od strony warstwy stałego kontaktu (roztworu wewnętrznego) lub całkowita redukcja bądź utlenienie polimeru przewodzącego. Dla odpowiednio grubych warstw polimerowych charakteryzujących się dodatkowo wysoką pojemnością (lub IFS o odpowiednio dużej objętości), ryzyko nadmiernego utlenienia lub zredukowania polimeru jest znacznie obniżone (lub spadku do zera stężenia jonów 94

chlorkowych, bądź całkowitego roztworzenia AgCl w elektrodzie wyprowadzającej Ag/AgCl) [270,258]. Czynnikami decydującymi o tym, który z ww. zjawisk jest bezpośrednio odpowiedzialny za pojawienie się czasu przejścia są różnice w stężeniach, wartościach standardowych potencjałów przejścia jonów pomiędzy danymi fazami (szybkości wymiany jonowej) oraz szybkościach transportu wszystkich jonów, jonoforu lub kompleksów jonoforu. W roztworach zawierających jony główne o wysokim stężeniu, jedynym czynnikiem mogącym wywołać pojawienie się czasu przejścia będą ograniczenia w szybkości transportu jonoforu lub jego kompleksu z jonami głównymi w membranie. W przypadku jonoforu pozbawionego ładunku należy rozpatrywać tylko dyfuzję, podczas gdy dla jonów oraz kompleksów jonów głównych z jonoforem należy w warunkach narzuconego prądu wziąć również pod uwagę migrację, co niestety komplikuje i utrudnia wyznaczenie zbliżonych czasów przejścia do obserwowanych doświadczalnie. Poniżej zamieszczono dwa równania, które opisują czas przejścia związany z wyczerpywaniem się wolnego jonoforu (3.2:9) lub jego kompleksu z jonami głównymi po przeciwnych stronach membrany (na przykładzie membrany kationoselektywnej lipofilowy anion uwzględnia wpływ migracji) [270]. R jako wymieniacz jonowy) (3.2:10-1/ 2 IL zfac L, org DL, org 2 1/ L (3.2:9) 2ni IL, org IL, org 2i zd R, org zfac z 1 D D R, org (3.2:10) Należy jednak zaznaczyć, że podane przez autorów równanie 3.2:10 należałoby zrewidować, gdyż drugi człon zależności jest najprawdopodobniej błędnie zapisany (uzyskuje się niewłaściwe jednostki dla 1/ 2 IL ). Jeżeli znamy czasy przejścia związane z wyczerpaniem się wolnego jonoforu lub jego kompleksu z jonami głównymi, to możemy na podstawie powyższych równań (zakładając ich poprawność) obliczyć ich stężenie lub współczynniki dyfuzji, jeżeli jeden z wymienionych parametrów jest znany. Warunkiem jest jednak znajomość współczynnika dyfuzji dla anionu lipofilowego D R, org oraz całkowitego stężenia jonoforu c, i wymieniacza jonowego total L org c R, org, które odpowiednio są dostępne w literaturze ( D R, org 1,1 x 10-8 cm 2 /s dla TFPB - ) lub 95

total można je oszacować na podstawie składu membrany ( c L, org i ). Następnie, biorąc pod R org uwagę ładunek jonu i stechiometrię, możemy założyć, że c c z i n z c R org total c L, org cl, org /,. c, IL, org / R, org Z powyższych rozważań autorzy wywnioskowali, że stężenie wolnego jonoforu oraz kompleksu jonoforu z jonami głównymi w membranie ściśle zależy od stosunku stężeń total c / c R, org L, org. Jeżeli stosunek ten jest bliski jedności to jest to jednoznaczne z niskim stężeniem wolnego jonoforu ( c 0 ; L, org c IL, org c R, org ) i czas przejścia będzie najprawdopodobniej związany z wyczerpywaniem się wolnego jonoforu. W sytuacji odwrotnej, gdy total c / c R, org L, org będzie bliski zeru, stężenie wolnego jonoforu będzie znacznie wyższe od jego kompleksu z jonami głównymi ( c 0). W tym przypadku czas przejścia IL, org będzie raczej związany z wyczerpaniem się wspomnianego kompleksu z drugiej strony membrany. Na podstawie przeprowadzonych badań chronopotencjometrycznych oszacowano (wykorzystując równania 3.2:9 i 10), że współczynnik dyfuzji walinomycyny w klasycznej membranie jonoselektywnej (procenty wagowe - 33% PCW, 66% DOS) wynosi około 1,9 x 10-8 cm 2 /s, natomiast dla jej kompleksu z jonami potasu wynosi 3,0 x 10-8 cm 2 /s [270]. 3.2.2.5. Wyznaczanie oporności i pojemności elektrycznej elektrody jonoselektywnej metodą chronopotencjometryczną Podstawowe parametry elektryczne elektrody jonoselektywnej, takie jak oporność i pojemność, można oszacować na podstawie przebiegu krzywych chronopotencjometrycznych, gdzie kierunek narzuconego (stałego w czasie) prądu jest na przemian zmieniany. Zazwyczaj metoda ta jest stosowana do badania jakości warstwy kontaktu w SC-ISE, gdzie preferowana jest wysoka pojemność redoks, która warunkuje niską polaryzowalność układu, oraz niską oporność. Takie parametry warstwy kontaktu warunkują stabilne odczyty potencjału elektrody podczas pomiarów potencjometrycznych, a także pozwalają na wykorzystanie jej jako czujnika działającego w warunkach prądowych (większy udział w sygnale analitycznym wpływu polaryzacji stężeniowej oznaczanych jonów) [7,326]. Na rys. 3.2.14 zamieszczono przykład otrzymanych krzywych chronopotencjometrycznych dla warstwy PEDOT domieszkowanej jonami PSS - (poli(4-96

styrenosulfonianowymi) w roztworze 0,1M KCl, gdzie narzucono najpierw prąd anodowy, a następnie katodowy o różnym natężeniu. Należy dodać, że w przypadku warstwy PEDOT o stosunkowo wysokiej pojemności, polaryzacja prądem o natężeniu 0,1nA właściwie nie powoduje zmiany potencjału w czasie i jest on równy potencjałowi wyjściowemu E eq, który był w danych warunkach mierzony w obwodzie otwartym przed rozpoczęciem eksperymentu. Rys. 3.2.14. Zależność potencjału od czasu polaryzacji galwanostatycznej w roztworze 0,1M KCl prądem anodowym, a następnie katodowym o natężeniu (krzywa czerwona, E eq )0,1nA oraz 1)10nA, 2)20nA, 3)30nA, 4)40nA, 5)50nA, 6)60nA, 7)70nA, 8)80nA, 9)90nA i 10)100nA warstwy PEDOT domieszkowanej jonami PSS - osadzonej na elektrodzie z węgla szklistego; t zmiana czas, po którym następuje zmiana kierunku polaryzacji; t eq czas, po którym potencjał elektrody osiąga wartość potencjału mierzonego przed polaryzacją [326]. W warunkach tych odpowiedź elektrody można opisać następującym równaniem [326]: dla dla t zmiana i t t zmiana E Eeq ir t C i i eq zmiana 2 zmiana (3.2:11) C C t E E ir t ir t t Na podstawie powyższych równań i otrzymanych krzywych chronopotencjometrycznych można wyznaczyć oporność i pojemność elektrody. Skok potencjału E podczas zmiany kierunku polaryzacji, który jest niezależny od czasu przepływu prądu, zależy od oporności równej R E / 2i. Natomiast pojemność warunkuje nachylenie liniowych odcinków krzywych chronopotencjometrycznych i jest opisywana zależnością C i / Et. 97

3.2.3 Pulstrody Rozwijana w dalszym ciągu idea metod pulsowych doprowadziła do opracowania nieco zmodyfikowanej techniki pomiarowej, a użyta w niej elektroda jonoselektywna z plastyczną membraną, która zawierała sól lipofilową (np. ETH500), nazwano pulstrodą [128,130]. Pomiędzy pulsami prądu (puls I) i pulsami potencjału relaksacyjnego (puls III) wprowadzono dodatkowe, krótkie pomiary potencjału w warunkach obwodu otwartego (puls II) (rys. 3.2.15). Podczas trwania pulsu II wszystkie zaekstrahowane do membrany jony przeszkadzające podczas trwania poprzedniego pulsu I są wymieniane na jony główne z roztworu próbki, na drodze dyfuzji (roztwór wewnętrzny zawiera wysokie stężenie jonów przeszkadzających). Proces ten zachodzi intensywniej podczas pomiaru w próbkach o niskim stężeniu jonów głównych, gdzie ich ekstrakcja podczas trwania pulsu I jest znikoma, w porównaniu do inkorporowania jonów przeszkadzających. Dlatego odczytywany potencjał w obwodzie otwartym (puls II) jest bardziej przydatnym sygnałem analitycznym w rozcieńczonych próbkach, podczas gdy mierzony potencjał podczas polaryzacji dla pulsu I jest przydatniejszy w pomiarach dotyczących roztworów zawierających wyższe stężenie jonów głównych. Dodatkową zaletą pomiaru w obwodzie otwartym tuż po pulsie prądu jest możliwość oznaczania jonów za pomocą elektrod, gdzie dyfuzja jonów w membranie i/lub jej opór jest niestabilny, przez co potencjały w warunkach prądowych są również niestabilne (duża zmienność spadków omowych na membranie ir M ) [128]. Rys. 3.2.15. Cykl pulsów w funkcji czasu, które są stosowane dla pulstrod: I puls katodowy puls prądu; II puls odczyt potencjału w warunkach obwodu otwartego; III puls odtworzenie warunków sprzed pulsu I dzięki potencjałowi relaksacyjnemu (E=0V) [128]. Pulsowe metody prądowe pozwalają na optymalizację czułości (i zakresu odpowiedzi sensora ze zwiększoną czułością) z membraną na bazie plastyfikowanego PCW. Jeżeli 98

odczyty wartości potencjału prowadzi się w warunkach uniemożliwiających zaobserwowanie czasu przejścia lub po jego zakończeniu (do pewnej wartości stężenia) podczas pomiarów chronopotencjometrycznych, czułość elektrody oraz nachylenie jej charakterystyki jest zbliżone do nernstowskiego, tak jak podczas pomiarów potencjometrycznych. Jednak regularne odczyty potencjału z obszaru ponad-nernstowskiego (pojawienie się czasu przejścia) dla każdego mierzonego stężenia, dzięki zmianie parametrów pulsu prądu (np. natężenia prądu), pozwalają na znacznie dokładniejszy i czulszy pomiar zawartości oznaczanych jonów, niż w przypadku pomiaru w warunkach klasycznej potencjometrii (rys. 3.2.16, Mode I). Wraz ze zwiększaniem natężenia prądu pulsu I (lub długości jego trwania), obszar odpowiedzi ponad-nernstowskiej przesuwa się w kierunku wyższej aktywności jonów głównych. Jednocześnie zastosowanie cyklu pulsów jak na rys. 3.2.15 umożliwia pomiar potencjału również w obwodzie otwartym (puls II), którego wartości są wyższe niż dla pulsu I ze względu na brak spadku omowego ir M. Charakteryzują się one również obszarem ponad-nernstowskim, gdyż wymiana jonów przeszkadzających w membranie na jony główne z roztworu może prowadzić (szczególnie przy niższych stężeniach) do ich wyczerpywania się w obszarze sąsiadującym z membraną. Zjawisko to zachodzi przy znacznie niższych aktywnościach niż to ma miejsce w warunkach narzuconego prądu (puls I), gdyż swobodna wymiana jonów na granicy faz w obwodzie otwartym i bez zewnętrznie narzuconego pola elektrycznego jest wolniejsza. Otrzymany szereg odtwarzalnych krzywych kalibracyjnych Elog a dla pulsu I i II z obszarami ponad-nernstowskimi, dla różnych parametrów pulsu prądu I, pozwala na praktyczne oznaczanie jonów z 10-20 krotnie większą czułością, niż to miało miejsce przy klasycznej potencjometrii [128,130]. Rys. 3.2.16. Odpowiedź potencjałowa elektrody jonoselektywnej na jony srebra pod koniec pulsu I (passing current, mode I) i pod koniec pulsu II (zero current, mode II), gdzie natężenie prądu pulsu I wynosiło odpowiednio -9 lub -10µA [128]. 99

Możliwość zastosowania elektrod jonoselektywnych jako pulstrod daje również nowe możliwości przy wyznaczaniu tzw. niezafałszowanych współczynników selektywności. Ich wyznaczanie na podstawie krzywych kalibracyjnych zarejestrowanych w warunkach potencjometrycznych zostało opisane w rozdziale 2.3.1. Wyznaczone współczynniki selektywności na podstawie krzywych kalibracyjnych Elog a otrzymanych metodą chronopotencjometrii pulsowej, w przeciwieństwie do współczynników selektywności otrzymanych na podstawie krzywych potencjometrycznych, nie zależą od procedury kondycjonowania, kolejności pomiaru lub składu roztworu wewnętrznego. Stosowanie metody pulsowej wraz z potencjałem relaksacyjnym, który w łatwy sposób usuwa po każdym pulsie prądu wszystkie zaekstrahowane, hydrofilowe jony z nieposiadającej właściwości jonowymiennych membrany (sól R R ), eliminuje ich późniejsze wyciekanie do jakiegokolwiek z oznaczanych roztworów [135,136]. 3.2.4. Elektrody jonoselektywne typu all-solid-state w pomiarach chronopotencjometrycznych Na rys. 3.2.17 pokazano schemat zachodzących procesów transportu jonów pod wpływem nałożonego zewnętrznie prądu katodowego wraz z ich profilami stężeniowymi wewnątrz ISE z roztworem wewnętrznym (3.2.17, A) oraz z polimerem przewodzącym domieszkowanym małymi anionami (3.2.17, B) lub z polimerem przewodzącym domieszkowanym dużymi, unieruchomionymi anionami (3.2.17, C). We wszystkich przypadkach rozpatrywano tą samą plastyfikowaną membranę zawierającą PCW i selektywną na jednowartościowe kationy (np. sodowe) oraz zawierającą lipofilową sól R R. W celu przejrzystego porównania układów przyjęto, że (i)roztwór próbki oraz IFS zawierają ten sam roztwór elektrolitu ( I A ) i brak jest jonów przeszkadzających, (ii)stężenie elektrolitów jest na tyle duże, że brak jest gradientów stężeń, (iii)współczynniki dyfuzji wszystkich jonów w membranie są takie same, (iv)po nałożeniu pulsu w postaci potencjału relaksacyjnego w membranie brak jest jonów hydrofilowych, (v)współczynniki aktywności f I i f A jonów odpowiednio I i A są równe jedności, (vi)wartościowość jonów wynosi 1, (vii)a rola jonoforu w membranie została pominięta. 100

Rys. 3.2.17. Schemat porównujący zachowanie się elektrod z roztworem wewnętrznym (A), z polimerem przewodzącym domieszkowanym małymi anionami (B) i z polimerem przewodzącym domieszkowanym dużymi, unieruchomionymi anionami (C) pod wpływem narzuconego zewnętrznie prądu katodowego [253]. Przedstawione w rozdziale 3.2.2 równania opisujące odpowiedź potencjałową elektrody zostały przez autorów wyprowadzone z pominięciem transportu jonów z roztworu wewnętrznego. Jednak w celu rzetelnego porównania kontaktów, warto tutaj wpływ ten zaznaczyć. Przyjmując, że prąd katodowy wymusza przepływ do membrany jednowartościowych kationów I z roztworu próbki oraz anionów A z warstwy kontaktu (lub IFS), ich stężenia powierzchniowe w membranie po obu jej stronach będą po czasie t równe [253]: 2i (3.2:12) AF 0 c I, org, PB ci, org, PB t / DI, org 2i (3.2:13) AF 0 c A, org, PB c A, org, IFS, PB t / DA, org Następnie, zakładając, że c i 0 I, org, PB c jest równe zero (membrana nie zawiera 0 I, org, PB początkowo tych jonów), używając równania 3.1:1 (pomijając E D ) i po wstawieniu poszczególnych potencjałów (m.in. równania 2.2:21) wraz ze stężeniami powierzchniowymi opisanymi powyżej, otrzymujemy równanie [253]: 101

E RT F 2 2 k k F A D ln (3.2:14) F 4i t RT I A org ai, aq, PB ln a A, aq, IFS, PB ln irism 2 Równanie 3.2:14 może być w przybliżeniu używane w chronopotencjometrii pulsowej również dla elektrod z roztworem wewnętrznym i plastyczną membraną (jednowartościowe jony, bez obecności jonów przeszkadzających) oraz w przypadku pulstrod, podczas pulsu I. Jeżeli jednak stężenie IFS jest wysokie (znikoma polaryzacja stężeniowa w tym roztworze), to nie należy się spodziewać wpływu tego roztworu na odpowiedź elektrody dla każdego pulsu prądu o typowej długości trwania i natężeniu (bez względu na stopień rozcieńczenia próbki). Dlatego w takim przypadku zależność tą można uprościć do zwykłego równania Nernsta [253]. Zamiana roztworu wewnętrznego i ogniwa wyprowadzającego na polimer przewodzący domieszkowany małymi anionami (rys. 3.2.17, B) nie zmienia jakościowo sytuacji, gdyż CP zawiera stosunkowo wysokie stężenie mobilnych anionów, co czyni go podobnym do IFS pod względem zasobu i rodzaju wymienianych jonów w warunkach narzuconego prądu katodowego. Wykazano, że dla elektrod z kontaktem polimerowym, dla stosowanych prądów nie występuje efekt wyczerpania jonów w pobliżu granicy fazy polimer przewodzący / membrana. Jednocześnie zakłada się, że oporność i zmiana stopnia utlenienia polimeru jest pomijalnie mała. Dlatego równanie 3.2:14 w przypadku kontaktu polimerowego można zapisać następująco [253]: E RT F 2 2 k k F A D ln (3.2:15) F 4i t RT I A org ai, aq, PB ln a A, p, PB ln irism 2 Doświadczenia przeprowadzone z kontaktem polipirolowym domieszkowanym anionami chlorkowymi i anionami heksacyjanożelazianowymi dowiodły, iż ten drugi kontakt wykazuje o wiele lepszą stabilność. Ewentualne zmiany stopnia utlenienia polimeru są kompensowane przez odwrotne procesy zmiany stopnia utlenienia pary redoks. Na rys. 3.2.18 przedstawiono krzywe zależności potencjału od prądu, które były zarejestrowane w 0,01M roztworze KCl, NaCl, CaCl 2, MgCl 2 i CH 3 COOLi, dla kontaktu tradycyjnego IFS 0,1M NaCl (3.2.18, A), dla kontaktu polipirolowego domieszkowanego jonami heksacyjanożelazianowymi (3.2.18, B) oraz kontaktu PEDOT domieszkowanego anionami PSS - (3.2.18, C). Krzywe otrzymane za pomocą elektrody z IFS wykazują 102

podobieństwo do wcześniej otrzymanych wyników dla takiej samej membrany [127]. Mimo wyższych zakresów potencjału, krzywe E i zarejestrowane dla elektrod ze stałym kontaktem polipirolowym domieszkowanym Fe(CN 6 ) 3- i PEDOT domieszkowanym jonami PSS - są podobne do otrzymanych dla elektrody z roztworem wewnętrznym. Rys. 3.2.18. Zależności potencjału od prądu otrzymane za pomocą chronopotencjometrii pulsowej dla elektrod z plastyfikowaną membraną PCW zawierającą jonofor selektywny na jony sodu i sól lipofilową ETH500. Elektrody zawierały kontakt w postaci roztworu 3- wewnętrznego 0,1M NaCl (A), kontakt z polipirolu domieszkowanego Fe(CN) 6 (B) lub z poli(3,4-etyleno-1,4-dioksytiofenu) domieszkowanego anionami poli(4-styrenosulfonianowymi) (C) [253]. Jedyną różnicą jest pojawianie się efektu ponad-nernstowskiego już przy prądach katodowych o wartości 15µA, a nie 19µA dla ISE z roztworem wewnętrznym. Membrana wykazuje największą selektywność wobec kationów magnezu i wapnia, a najsłabszą wobec kationów potasu, które w warunkach wyższych prądów (powyżej 15µA lub 19µA) są bardziej uprzywilejowane z racji większej lipofilowości [253]. 103

4. Spektrometria mas z ablacją laserową i jonizacją w plazmie indukcyjnie sprzężonej (LA-ICP-MS) w badaniach elektrod jonoselektywnych Niniejszy rozdział opisuje przypadki praktycznego zastosowania spektrometrii mas z ablacją laserową i jonizacją atomów w plaźmie indukcyjnie sprzężonej (laser ablation with inductive coupled plasma mass spektrometry, LA-ICP-MS) w badaniach nad elektrodami jonoselektywnymi (opis metody znajduje się w rozdziale 8). Jest to jedna z nowocześniejszych i dokładniejszych metod analitycznych, która może być stosowana do oznaczania jednocześnie kilku pierwiastków w próbkach dowolnego pochodzenia. Z tego względu często wyniki uzyskiwane za pomocą nowo opracowanych ISE wraz z określonymi procedurami i warunkami prowadzenia pomiaru potencjometrycznego były porównywane z wynikami otrzymywanymi dzięki spektroskopii mas z jonizacją atomów w plazmie [51,58]. Za przykład może posłużyć praca przeprowadzona w zespole Pretscha [51], w której wyniki pomiarów uzyskane dzięki nowo opracowanej elektrodzie selektywnej na kationy ołowiu porównywano z rezultatami otrzymanymi metodą ICP-MS. Podobny przypadek dotyczy oznaczania kationów miedzi w wodzie pitnej, gdzie zbadano parametry analityczne elektrody zawierającej nowy jonofor [58]. Oprócz czysto porównawczego zastosowania ICP-MS, metoda ta połączona z ablacją laserową (LA-ICP-MS), umożliwia także oznaczanie całkowitego stężenia wybranych pierwiastków (lub dokładniej ich izotopów) w membranie elektrody jonoselektywnej [238,283,284] oraz określenie ich profili stężeniowych w membranie [188,189,238,283,285-287,324]. Oprócz membrany jonoselektywnej analizie może być również poddany stały kontakt elektrody [188,189]. 4.1. Wyznaczanie całkowitej zawartości pierwiastków lub ich profili stężeniowych w membranach elektrod jonoselektywnych Metoda LA-ICP-MS pozwala na określanie profili stężeniowych poszczególnych jonów w ośrodkach stałych lub o wysokiej gęstości (np. membrana jonoselektywna, kontakt polimerowy) i ich zmian w czasie pod wpływem różnych czynników. Badania tego typu pozwalają zrozumieć zachodzące zmiany wewnątrz ISE, co umożliwia następnie planowanie działań mających na celu poprawę ich parametrów analitycznych. 104

Zanim po raz pierwszy zaproponowano LA-ICP-MS jako metodę do badania dystrybucji jonów w membranie, stosowano szereg innych metod [238], jak np. wykorzystanie (i)zestawu cienkich membran, które były analizowane każda z osobna, (ii)mikroskopii elektrochemicznej, (iii)atr FT-IR oraz (iv)spektroskopii w zakresie widzialnym, gdzie badanie profili stężeniowych w membranie wymagało udziału dodatkowych składników w membranie, np. chromojonoforów. Wszystkie te metody, w przeciwieństwie do LA-ICP-MS, wiązały się z pewnymi ograniczeniami i wymagały zastosowania dodatkowych procedur, np. zmiany składu membrany czy konstrukcji czujnika. Natomiast metody elektrochemiczne pozwalały raczej na badanie zawartości jonów w całej objętości membrany niż w poszczególnych jej warstwach. 4.1.1. Wpływ kondycjonowania na zawartość jonów i ich profile stężeniowe w membranie poliakrylanowej i PCW o różnym składzie 4.1.1.1. Wpływ plastyfikatora o różnej polarności w membranie PCW Pierwsze prace, w których zaproponowano technikę LA-ICP-MS do badania elektrod jonoselektywnych opublikowano w 2006 roku [238,324]. W jednej z nich testowano membranę PCW plastyfikowaną mniej polarnym DOS lub bardziej polarnym o-npoe. W obu przypadkach membrana zawierała jonofor IV selektywny na jony Pb 2+ oraz wymieniacz jonowy NaTFPB. Warto wspomnieć, że membrany już od samego początku zawierają sporą liczbę jonów sodu w przeciwieństwie do ołowiu, który może znaleźć się wewnątrz ISM tylko po odpowiednim jej kondycjonowaniu. Pomiar dla świeżo przygotowanych membran (plastyfikator DOS lub o-npoe) lub po całonocnym kondycjonowaniu w wodzie destylowanej wskazywał na znikomą zawartość ołowiu ( 208 Pb) i znaczną zawartość sodu ( 23 Na) oraz uwidocznił brak gradientów stężeń obu pierwiastków. Symetryczne kondycjonowanie (z obu stron ISM takie same elektrolity) obu rodzajów membran w roztworze 0,1M NaCl, 10-2 M Pb(NO 3 ) 2 lub buforze cytrynianowym (ph=6,4; C Na =0,3M) zawierającym 1,5x10-11 M Pb 2+ również prowadziło do stwierdzenia stałego stężenia jonów ołowiu lub sodu w membranie [238]. W tabeli 4.1.1 zamieszczono średnie intensywności sygnału ołowiu i sodu dla poszczególnych membran (count per second - cps) po kondycjonowaniu w ww. roztworach. Uzyskane dane potwierdzają znaczny wzrost zawartości 208 Pb po kondycjonowaniu w 10-2 M Pb(NO 3 ) 2, przy czym wzrost ten jest większy dla membrany zawierającej bardziej polarny o-npoe, który ułatwia wnikanie również 105

hydrofilowych jonów o większej gęstości ładunku, czyli Pb 2+. Wysycanie membrany jonami głównymi powoduje jednocześnie zmniejszenie zawartości jonów Na + w stosunku do ich pierwotnego stężenia, gdyż najprawdopodobniej są zastępowane podczas kondycjonowania na drodze dyfuzji w przeciwnym kierunku. Warto dodać, że wzrost zawartości 208 Pb w membranie po kondycjonowaniu w 0,1M NaCl wskazuje na zauważalny stopień zanieczyszczeń związkami zawierającymi ołów, co potwierdzają pomiary ICP-MS samego roztworu chlorku sodu (4x10-7 M Pb przy 0,1M NaCl). Kondycjonowanie w buforze zawierającym bardzo niskie stężenie kationów ołowiu powoduje znikomy wzrost ich zawartości w membranie, przy jednoczesnym zachowaniu pierwotnej ilości kationów sodu, co jest spowodowane brakiem wysycenia jonami Pb 2+ i wydajnej ich wymiany z jonami Na +. Paradoksalnie, zanieczyszczenia znajdujące się w roztworze NaCl i uzyskane wyniki pozwalają na wysunięcie tezy, że wysycanie jonami Pb 2+ i wyrugowanie jonów Na + zachodzi dopiero po osiągnięciu progowego stężenia przez Pb 2+ w sąsiadującym z ISM roztworze [238]. DOS o-npoe roztwór kondycjonujący Pb Na Pb Na świeża membrana 200 1 x 10 5 200 1,4 x 10 5 woda 200 1 x 10 5 400 1,4 x 10 5 0,01M Pb(NO 3 ) 2 1,6 x 10 6 1,3 x 10 4 1,8 x 10 6 1,3 x 10 4 0,1M NaCl 3 x 10 3 7 x 10 4 9 x 10 3 8 x 10 4 bufor z jonami Pb 2+ 300 10 5 650 1,6 x 10 5 Tabela 4.1.1. Średnie liczby zliczeń izotopów ołowiu 208 Pb i sodu 23 Na na sekundę w membranie PCW plastyfikowanej DOS lub o-npoe po całonocnym kondycjonowaniu w różnych roztworach [238]. W przypadku kondycjonowania asymetrycznego ww. membran (z obu stron różne elektrolity) pojawiają się gradienty stężeń. Na rys. 4.1.2 przedstawiony jest wynik badania membran po 20-to godzinnym kondycjonowaniu symetrycznym w buforze jonów ołowiu (1,5x10-11 M), a następnie kondycjonowaniu asymetrycznym przez godzinę w roztworze 10-2 M Pb(NO 3 ) 2, gdzie roztwór wewnętrzny stanowił cały czas ten sam bufor jonów Pb 2+. Dla porównania zamieszczono mniejszy wykres dotyczący sytuacji, w której asymetryczne kondycjonowanie trwało znacznie dłużej niż jedną godzinę. Dla membrany PCW plastyfikowanej za pomocą DOS, najwyższą intensywność sygnału dotyczącego 208 Pb zarejestrowano w powierzchniowej części membrany (do 20% głębokości) kontaktującej się z 106

roztworem 10-2 M Pb(NO 3 ) 2, po czym przesuwając się głębiej następuje raptowne jej obniżenie. Jednocześnie zawartość 23 Na w tym miejscu skokowo rośnie utrzymując wyższy poziom prawie do osiągnięcia przeciwległej powierzchni membrany. Całkowita zawartość sodu jest tutaj bardzo podobna do tej, która została zmierzona dla membrany kondycjonowanej symetrycznie w buforze o niskim stężeniu jonów Pb 2+. Rys. 4.1.2. Intensywność mierzonego sygnału w funkcji głębokości penetracji wiązką laserową membrany plastyfikowanej DOS (pogrubione linie) lub o-npoe (cieńsze linie) dla jonów głównych 208 Pb (czarne linie) i przeszkadzających 23 Na (czerwone linie), która była kondycjonowana symetrycznie 20h w buforze jonów ołowiu (1,5x10-11 M), a następnie asymetrycznie, gdzie z jednej strony wymieniono roztwór na 10-2 M Pb(NO 3 ) 2. Mniejszy wykres przedstawia wyniki dla tych samych membran po dłuższym (całonocnym) asymetrycznym kondycjonowaniu w 10-2 M Pb(NO 3 ) 2 i w buforze jonów ołowiu [238]. Profile stężeniowe potwierdzają dyfuzję obu kationów w przeciwnych kierunkach, jednak porównywalna ogólna zawartość 23 Na sugeruje, że membrana zawierająca DOS nie wymieniła przez godzinę znacznej ilości jonów (stosunkowo mało Pb 2+ zostało zaekstrahowanych do membrany), szczególnie w jej głębszych obszarach (głębiej niż 20-25%). Analiza zawartości kationów ołowiu w membranie plastyfikowanej o-npoe daje inny obraz. Liczba jonów głównych tuż przy powierzchni ISM jest mniejsza, a najwyższa intensywność sygnału jest obserwowana głębiej niż to miało miejsce w przypadku poprzedniej membrany, po czym na około 30% jej głębokości ponownie spada (już nie tak raptownie) osiągając podobny poziom na drugim końcu membrany jak dla ISM 107

plastyfikowanej DOS. Przesunięte maksimum intensywności sygnału 208 Pb od powierzchni membrany po kontakcie przez jedną godzinę z roztworem 10-2 M Pb(NO 3 ) 2 może świadczyć o bardzo intensywnej ekstrakcji Pb 2+ tuż po rozpoczęciu kondycjonowania. Wynikiem tego jest stosunkowo szybkie wyczerpywanie się wolnego jonoforu w tej części ISM, co z kolei zmniejsza intensywność procesu przechodzenia jonów pomiędzy fazami. W tym samym czasie, zaekstrahowane w początkowym etapie kondycjonowania jony ołowiu dyfundują w postaci kompleksu w głąb membrany. Roztwór wewnętrzny z niską zawartością Pb 2+ nie sprzyja ich ekstrakcji do membrany bez względu na plastyfikator. Wyniki te ponownie potwierdzają tezę o lepszej mobilności jonów dwuwartościowych w membranie PCW plastyfikowanej bardziej polarnym o-npoe niż DOS (spodziewany wyższy współczynnik dyfuzji) i łatwiejszej ich ekstrakcji do wnętrza membrany. Efekt innego plastyfikatora zaznacza się również po dłuższym kondycjonowaniu obu membran w roztworach 10-2 M Pb(NO 3 ) 2 (IFS jako bufor), gdzie mimo obniżenia gradientu stężeń pozostaje on jednak widoczny dla membrany zawierającej DOS [238]. 4.1.1.2. Wpływ rodzaju soli lipofilowej i jej zawartości w membranie jonoselektywnej Dwie membrany na bazie PCW plastyfikowanego o-npoe zawierające jonofor IV selektywny na kationy ołowiu oraz sól lipofilową NaTFPB lub ETH500 zostały wykondycjonowane symetrycznie w wodzie lub w roztworze 10-3 M Pb(NO 3 ) 2, a następnie zbadane za pomocą LA-ICP-MS pod kątem występujących profili stężeniowych 208 Pb i 23 Na (rys. 4.1.3). Zgodnie z przewidywaniami, wyniki dla membrany z solą NaTFPB (rys. 4.1.3, A) kondycjonowanej w wodzie wskazują na brak jonów ołowiu (w przyjętej skali intensywności sygnału jony ołowiu niewidoczne i cps bliskie 0) oraz stałe stężenie jonów sodu, które pochodzą od wymieniacza jonowego. Całonocne kondycjonowanie w roztworze 10-3 M Pb(NO 3 ) 2 powoduje równomierne wysycenie membrany jonami Pb 2+ i zmniejszenie ilości Na + ze względu na stałe stężenie TFPB -. Obecność kationów sodu w membranie i ich niższe stężenie na jej krańcach może być dowodem na to, że proces wysycania nie został jeszcze ukończony i wymiana jonów jeszcze trwała. Inne wyniki uzyskano dla membrany z solą lipofilową ETH500 (nie mającej właściwości wymieniacza jonowego) (rys. 4.1.3, B). Po kondycjonowaniu w wodzie nie obserwowano praktycznie zarówno sygnału sodu, jak i ołowiu. Natomiast po kontakcie z roztworem 10-3 M Pb(NO 3 ) 2 zawartość jonów ołowiu znacznie wzrasta, jednak są one obecne tylko w powierzchniowej warstwie membrany, po czym ich zawartość drastycznie spada. Ekstrakcja z roztworu wodnego jonów głównych jest 108

wymuszona przede wszystkim obecnością jonoforu i należy się spodziewać, że towarzyszy jej również ekstrakcja anionów, gdyż w membranie nie ma dostępnych hydrofilowych kationów, które opuszczając membranę mogłyby przyczynić się do zachowania elektroobojętności ISM. Dalsza dyfuzja kompleksu jonofor-pb 2+ do wnętrza membrany jest jednak utrudniona ze - względu na obecność lipofilowych kationów i utrudnionej dyfuzji jonów NO 3 w fazie organicznej, które przemieszczając się za związanymi jonami ołowiu mogłyby neutralizować ich dodatni ładunek [285]. Rys. 4.1.3. Intensywność mierzonego sygnału w funkcji głębokości penetracji wiązką laserową membrany z solą lipofilową NaTFPB (A) lub ETH500 (B) dla jonów głównych 208 Pb (czerwone linie) i przeszkadzających 23 Na (czarne linie), która była kondycjonowana symetrycznie przez noc w roztworze 10-3 M Pb(NO 3 ) 2 (pogrubione linie) lub w wodzie (cieńsze linie) [285]. Podobne eksperymenty testujące wpływ soli lipofilowej przeprowadzono dla elektrod anionoselektywnych, gdzie sól ta jest w tym przypadku jednym z ważniejszych składników membrany (obok matrycy) ze względu na brak jonoforu. Przy pomiarach potencjometrycznych nowo opracowanej ISM z matrycą z poli(akrylanu n-butylu) i zawierającą różne zawartości soli chlorku tridodecylometyloamonu (MTDDA) (0, 4, 8, 12% w/w) okazało się, że jej limit detekcji względem rozcieńczanego KCl (10-1 10-8 M) wraz ze zwiększaną zawartością wymieniacza jonowego poprawia się tylko nieznacznie [284]. W celu dokładnego zbadania profili stężeniowych w membranach, które były kondycjonowane przez 12h w 10-3 M KCl lub 10-1 M salicylanu sodu, przeprowadzono pomiary LA-ICP-MS. Eksperymenty z niekondycjonowanymi membranami, bez dodatku wymieniacza, wykazały wysoką zawartość chloru w membranie (intensywność sygnału 3x10 4 ), która prawdopodobnie pochodzi od zanieczyszczeń będących już w samych składnikach tworzących matrycę, co może tłumaczyć zachowanie ISM podczas rejestrowania potencjometrycznej krzywej kalibracyjnej w KCl. Dodatek chlorku MTDDA w ilości 4, 8, 12% w/w zwiększa w bardzo 109

niewielkim stopniu całkowitą zawartość 35 Cl (intensywność sygnału odpowiednio 4,7x10 4, 5,5x10 4 i 5,3x10 4 ), gdyż jego ilość wprowadzona z kationami lipofilowymi stanowi tylko niewielką cześć zawartości chloru pochodzącego od zanieczyszczeń. To może także tłumaczyć znikomy wpływ dodatku wymieniacza na odpowiedź potencjometryczną sensora. Kondycjonowanie w roztworze chlorku potasu przez 12h nie zmienia znacznie zawartości 35 Cl w membranie z dodatkiem MTDDA 0, 4, 8, 12% w/w (intensywność sygnału odpowiednio 3,5x10 4, 5,0x10 4, 5,5x10 4 i 5,2x10 4 ), co po raz kolejny potwierdza istotność etapu przygotowania ISM i zanieczyszczeń w składnikach tworzących matrycę poliakrylanową. Kontakt elektrod z roztworem salicylanu sodu wskazuje podobną zawartość jonów chlorkowych w membranach, ale jednocześnie znacznie zwiększony sygnał pochodzący od 23 Na. Jest to związane z wnikaniem lipofilowych anionów salicylanowych do wnętrza ISM, przy jednoczesnej ekstrakcji kationów sodu, które równoważą pojawienie się dodatkowego ładunku ujemnego [284]. 4.1.1.3. Wpływ rodzaju matrycy membrany Na przykładzie elektrod selektywnych na jony srebra z kontaktem polimerowym (POT) zbadano wpływ stężenia kondycjonującego roztworu AgNO 3 na wysycenie kationami Ag + membran poliakrylanowych (poli(akrylanu n-butylu) i PCW (plastyfikator DOS), gdzie wymieniaczem jonowym był NaTFPB [283]. W tym celu przygotowano szereg elektrod wzorcowych, w których do podstawowego składu koktajlu membrany dodano niewielką ilość roztworów soli srebra odpowiadającą 0, 250, 750 i 1000% mol wymieniacza jonowego. Następnie tak przygotowane membrany zbadano za pomocą LA-ICP-MS pod kątem zawartości 107 Ag uzyskując liniową zależność intensywności sygnału od ilości dodanej soli srebra (% mol w stosunku do wymieniacza jonowego). Na podstawie uzyskanych krzywych kalibracyjnych było możliwe późniejsze mierzenie za pomocą LA-ICP-MS zawartości srebra w zwykłych membranach po kondycjonowaniu w roztworach o różnym stężeniu jonów głównych. Rys. 4.1.4 obrazuje wynik tego rodzaju eksperymentu po 20h kondycjonowania obu membran w roztworze 10-5, 10-4, 10-3, 10-2 i 10-1 M AgNO 3. Analizując przedstawione wyniki na rys. 4.1.4 widać wyraźnie, że proces wysycenia membran jest ściśle uzależniony od stężenia roztworu kondycjonującego, a ilość zaekstrahowanych jonów srebra może być niższa niż 100% zawartości wymieniacza jonowego lub znacznie wyższa i przekraczająca 100% zawartości soli lipofilowej w ISM. Obserwowane różnice w wysyceniu membrany PCW, w zależności od stężenia roztworu kondycjonującego, mogą być ilościowo wytłumaczone 110

ograniczeniami w transporcie jonów w roztworze, przy założeniu, że proces przeniesienia jonów przez granicę faz przebiega o wiele szybciej [283]. Oszacowana liczba moli jonów srebra, które powinny znaleźć się w membranie po 20 godzinach kondycjonowania w roztworze AgNO 3 o stężeniu 10-5 i 10-4 M (odpowiednio około 10-9 i 10-8 mola) wskazuje, że ich liczba powinna być zbliżona lub równa liczbie moli wymieniacza jonowego (około 10-8 mola), co jest w przybliżeniu zgodne z danymi eksperymentalnymi. Kondycjonowanie w roztworach AgNO 3 o stężeniu przekraczającym 10-3 M wskazuje na zdecydowanie wyższe ilości Ag + w membranie, które znacznie przekraczją zawartość wymieniacza jonowego. Najprawdopodobniej jest to związane z utratą przez ISM permselektywności i ekstrakcją również anionów NO - 3 [283]. Rys. 4.1.4. Rezultat pomiaru LA-ICP-MS i przeliczenia intensywności sygnału 107 Ag w stosunku do liczby moli wymieniacza jonowego NaTFPB w membranie (A) PCW i poliakrylanowej (B) po 20h kondycjonowaniu w roztworze 10-5, 10-4, 10-3, 10-2 i 10-1 M AgNO 3 [283]. Analiza wyników dotyczących membran poliakrylanowych wskazuje na zdecydowanie niższą zawartość jonów srebra po kondycjonowaniu w roztworze 10-5 M AgNO 3 niż to miało miejsce dla membran PCW. Kondycjonowanie w roztworze AgNO 3 o wyższym stężeniu niż 10-4 M powoduje skokowy wzrost ilości jonów głównych przekraczający zawartość NaTFPB [283]. Wszystkie powyższe membrany były również wykorzystane do pomiarów potencjometrycznych, dzięki czemu zbadano bezpośredni wpływ zawartości jonów srebra w membranie na odpowiedź potencjometryczną. Zgodnie z przewidywaniami membrany, które wykazywały się brakiem wysycenia jonami srebra i mniejszą ich ilością niż NaTFPB (membrana PCW kondycjonowana w 10-5 M i 10-4 M i akrylanowa kondycjonowana w 10-5 M) 111

dawały odpowiedzi ponad-nernstowskie poniżej aktywności Ag + równej około 10-5 M, co jest związane z ich inkorporacją z roztworu do membrany i powstawaniem gradientu stężenia po stronie roztworu. Czym bardziej nasycona membrana, tym mierzony potencjał poniżej aktywności Ag + równej około 10-5 był wyższy ze względu na coraz bardziej nasilony proces dyfuzji jonów srebra z membrany do rozcieńczonego roztworu [283]. Rys. 4.1.5. przedstawia otrzymane intensywności sygnału dla 107 Ag zarejestrowane w funkcji odległości od powierzchni membrany poliakrylanowej (rys. 4.1.5, B) i PCW (rys. 4.1.5, A). Uzyskane dane wraz z wynikami pomiarów potencjometrycznych pozwalają wywnioskować, że na jakość charakterystyki elektrody w obwodzie otwartym wpływa przede wszystkim zawartość jonów głównych w powierzchniowej warstwie ISM, szczególnie dla membrany poliakrylanowej, gdzie współczynnik dyfuzji jonów jest niższy, przez co ilość jonów, która jest w głębi ISM ma mniejszy wpływ na ustalające się potencjały na granicy faz. Kondycjonowanie przez 20h dla membrany PCW jest wystarczające, aby membrana wysycała się jonami głównymi praktycznie równomiernie, w przeciwieństwie do membrany poliakrylanowej, w której można zaobserwować gradienty stężeń [283]. Rys. 4.1.5. Intensywność mierzonego sygnału w funkcji głębokości penetracji wiązką laserową membrany (A) PCW lub (B) poliakrylanowej z solą lipofilową NaTFPB dla jonów głównych 107 Ag, która była kondycjonowana przez 20h w roztworze 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 M AgNO 3 [283]. Membrany poliakrylanowe oraz ich modyfikacje są również intensywnie badane za pomocą metody LA-ICP-MS [188,287]. Przykładem mogą być elektrody typu single piece (SP-ISE), gdzie związany chemicznie PEDOT (domieszkowany anionami p- toluenosulfonowymi) z grupami metakrylanowymi, oprócz obniżenia oporności membrany (z 10 10 Ω do maksymalnie 10 6 Ω dodatek około 6% PEDOT) daje membranę o większej stabilności rejestrowanego potencjału, z dobrą granicą wykrywalności i lepszą 112

selektywnością. Dzięki pomiarom spektroskopowym wiadomo, że granica wykrywalności tych elektrod jest w dużej mierze uzależniona od bardzo wysokiego stężenia jonów przeszkadzających, które mogą być wprowadzane wraz z polimerem przewodzącym [188]. Również modyfikacja matrycy membrany 5% w/w metakrylanem hydroksyetylu (HEMA) poprawia parametry analityczne ISE dzięki zwiększonej zawartości jonów głównych w powierzchniowej warstwie membrany, co zostało wykazane za pomocą LA-ICP-MS [287]. 4.1.1.4. Wyznaczanie współczynników dyfuzji jonów w membranie na podstawie zmian intensywności sygnału Na podstawie otrzymanych profili stężeniowych oraz ich zmian w czasie można wyznaczać współczynniki dyfuzji poszczególnych jonów [189,238,283,286,287]. Zgodnie z danymi dostępnymi w literaturze wielkości te dla jonoforów lub ich kompleksów z jonami są na podobnym poziomie i wynoszą dla plastyfikowanego PCW około 10-8 cm 2 /s, a dla membrany poliakrylanowej około 10-11 cm 2 /s. Bardziej dokładne oznaczenie tych wartości jest dosyć trudne ze względu na jednoczesny wpływ gradientów stężeń oraz oddziaływań elektrostatycznych (zmiany potencjału dyfuzyjnego wzdłuż membrany) związanych z ładunkami jonów, co wymaga rozwiązywania równań Nernsta-Plancka-Poissona [137]. Pomijając zmiany potencjału wewnątrz ISM, równanie opisujące intensywność sygnału w funkcji głębokości membrany (od wewnętrznej strony ISM) i czasu, które uwzględnia tylko procesy dyfuzji, można przedstawić następująco [238]: I x, t I PB x d ISM 2 n1 I PB cos nx n nx sin d ISM Dn exp d 2 t 2 2 ISM (4.1:1) Bardziej uproszczone równanie, dzięki któremu można oszacować współczynniki dyfuzji przedstawia się następująco [287,283]: x x, t c0, t 1 erf c (4.1:2) 1/ 2 1/ 2D t 2 W obliczeniach najlepiej uwzględniać odczyty z powierzchniowej części membrany, gdyż dalsze wyniki mogą być obarczone większym błędem ze względu na poszerzanie krateru 113

przez wiązkę laserową i jednoczesne odparowywanie niewielkich części materiału położonych bliżej powierzchni [189,238,283,286,287]. 4.1.2. Polaryzacja galwanostatyczna a profile stężeniowe jonów w plastyfikowanej membranie PCW zawierającej różne sole lipofilowe Taka sama membrana jak opisana w rozdziale 4.1.1.2 zawierająca wymieniacz jonowy NaTFPB, po takim samym symetrycznym i całonocnym kondycjonowaniu w wodzie lub w 10-3 M Pb(NO 3 ) 2, została poddana katodowej polaryzacji galwanostatycznej przez 1000s prądem o natężeniu 100nA (roztwór zewnętrzny i wewnętrzny 10-3 M Pb(NO 3 ) 2 ). Dla tak przygotowanych membran zarejestrowano następnie profile intensywności sygnałów dla 208 Pb i 23 Na w membranie i przedstawiono na rys. 4.1.6, A. Wyniki otrzymane po polaryzacji dla membrany kondycjonowanej w 10-3 M Pb(NO 3 ) 2 były bardzo podobne do zarejestrowanych w obwodzie otwartym (rys. 4.1.3, A). Wynika z tego, że polaryzacja jest za słaba, aby w istotny sposób zwiększyć zawartość jonów Pb 2+ w dosyć mocno już wysyconej membranie [285]. Rys. 4.1.6. Intensywność mierzonego sygnału w funkcji głębokości penetracji wiązką laserową membrany z solą lipofilową NaTFPB dla izotopów 208 Pb (czerwone linie) i 23 Na (czarne linie), która była kondycjonowana symetrycznie przez noc w roztworze 10-3 M Pb(NO 3 ) 2 (pogrubione linie) lub w wodzie (cieńsze linie), a następnie polaryzowana przez 1000s prądem katodowym o natężeniu 100nA (A) lub kolejno prądem katodowym i anodowym o tym samym natężeniu przez 100s (B) (tylko membrana kondycjonowana w wodzie) [285]. Całkowicie inna sytuacja występuje w przypadku membrany kondycjonowanej w wodzie. Tutaj katodowa polaryzacja w roztworze 10-3 M Pb(NO 3 ) 2 powoduje znaczny wzrost ilości jonów ołowiu w powierzchniowej części ISM, która stopniowo obniża się w jej głębi. Mimo katodowej polaryzacji, w powierzchniowej części membrany od strony roztworu wewnętrznego również widać słabą akumulację jonów Pb 2+. Świadczyć to może o 114

intensywnej ekstrakcji jonów głównych tuż po wymianie IFS z wody na 10-3 M Pb(NO 3 ) 2. Druga z membran, kondycjonowana w wodzie, została poddana dodatkowo najpierw polaryzacji katodowej, a następnie anodowej przez 100s prądem o natężeniu 100nA (rys. 4.1.6, B). Zmienny kierunek prądu wywołuje przepływ jonów ołowiu w obu kierunkach, co powoduje ich wchodzenie do membrany i wysycenie tylko w powierzchniowych warstwach. Stopień polaryzacji (długość trwania/intensywność) nie pozwala na wysycenie membrany również w jej głębszych partiach [285]. Warto dodać, że zmiana zewnętrznie narzuconego pola elektrycznego nie powoduje usuwania wcześniej zaekstrahowanych jonów głównych z membrany ponownie do roztworu, po jej drugiej stronie. Rys. 4.1.7. Intensywność mierzonego sygnału w funkcji głębokości penetracji wiązką laserową membrany z solą lipofilową ETH500 dla jonów głównych 208 Pb (czerwone linie) i przeszkadzających 23 Na (czarne linie), która była kondycjonowana symetrycznie przez noc w wodzie, a następnie polaryzowana prądem katodowym o natężeniu 100nA w roztworze 10-3 M Pb(NO 3 ) 2 przez 100s (cieńsze linie) lub 500s (grubsze linie). Mniejszy wykres przedstawia zależność intensywności sygnału w powierzchniowej warstwie membrany ci, org, PB c0, t w funkcji pierwiastka czasu trwania polaryzacji [285]. Podobne pomiary przeprowadzono dla membrany PCW plastyfikowanej o-npoe, która zawierała sól lipofilową ETH500 oraz jonofor selektywny na jony ołowiu. Po całonocnym kondycjonowaniu w wodzie, elektroda została poddana polaryzacji galwanostatycznej prądem katodowym o natężeniu 100nA przez 100s i 500s. Uzyskane profile stężeniowe tych membran dla 208 Pb i 23 Na przedstawia rys. 4.1.7. Pomiar powtórzono dla innych podobnych membran polaryzowanych prądami o tym samym natężeniu, ale dla różnych czasów otrzymując zależność przedstawioną także na rys. 4.1.7 (mniejszy wykres). Z wykresu wynika, że wzrost stężenia jonów głównych jest tutaj ściśle uzależniony od długości trwania 115

pulsu prądu, a samorzutna ekstrakcja jonów do membrany w obwodzie otwartym nie zachodzi w istotnym stopniu (również rys. 4.1.3, B). To potwierdza wielokrotnie przyjmowane założenie w poprzednim rozdziale dla ISE pracujących w warunkach prądowych, że całkowite stężenie jonów głównych w membranie z solą lipofilową R R jest uzależnione tylko od ich transportu w warunkach polaryzacji elektrody. W takim razie stężenie oznaczanych jonów I na powierzchni membrany ( x 0) po czasie t może być opisywane równaniem 3.2:12, a wzór opisujący stężenie c x, t jonów I w funkcji dowolnej głębokości membrany x, w czasie t przyjmie postać [285]: 2 i x x c x, t c I, org 2 DI, orgt / exp xerfc (4.1:3) z FAD I 4DI, orgt 2 DI, orgt Metoda LA-ICP-MS nadaje się również do badania kontaktu polimerowego oraz jego wpływu na gradienty stężeń jonów w membranie, co bezpośrednio decyduje o parametrach analitycznych czujnika w warunkach potencjometrycznych. Dzięki pomiarom LA-ICP-MS wskazano przyczynę różnic w parametrach analitycznych elektrod zawierających różne warstwy polimerowe [189,286]. Podsumowując, można jednoznacznie stwierdzić, że pomiary LA-ICP-MS są doskonałym uzupełnieniem metod elektrochemicznych w badaniu właściwości membran elektrod jonoselektywnych o różnym składzie oraz kontaktów (m.in. z polimerów przewodzących) w elektrodach jonoselektywnych, a także przewidywania ich parametrów analitycznych dzięki możliwości wyznaczania profili stężeniowych pierwiastków w ISM i/lub kontakcie polimerowym, po kondycjonowaniu w różnych warunkach lub po polaryzacji galwanostatycznej (także w funkcji czasu). 116

5. Polimery przewodzące Oprócz najczęściej spotykanej nazwy materiałów charakteryzujących się wewnętrznym przewodnictwem elektrycznym polimery przewodzące, istnieje kilka innych terminów opisujących tą grupę związków, jak np. metale syntetyczne czy polimery sprzężone (conjugated polymers) [288]. Istnieje kilka innych grup materiałów, które mogą być określane tego typu nazwami. Należą do nich np. kompozyty (izolator wymieszany z przewodzącymi dodatkami) lub pył grafitowy. Inna grupa związków to polimery przewodzące jonowo (lub polymer electrolytes), które są powszechnie używane w bateriach i akumulatorach, a ich przewodnictwo jest oparte o migrację jonów pomiędzy centrami koordynacyjnymi łańcucha polimeru. Natomiast polimery redoks (również charge transfer polymers) zawierają dołączone do swoich łańcuchów elektroaktywne grupy donorowe i akceptorowe pozwalające na transfer ładunku pomiędzy centrami redoks. W niniejszej rozprawie termin polimer przewodzący odnosi się jednak do pierwszej grupy związków, gdzie transport ładunku odbywa się dzięki elektronom π i rozdział ten omawia przeglądowo ich budowę, właściwości i sposoby otrzymywania, z naciskiem na używany w pracy polipirol. Polimery jako grupa związków przez długi czas była uważana za materiały wykazujące tylko i wyłącznie właściwości izolacyjne i kojarzyły się raczej z izolacją na kablach elektrycznych niż nowoczesnymi, lekkimi przewodnikami elektrycznymi. Pogląd ten zmienił się w roku 1976, kiedy to m.in. Heeger, MacDiarmid i Shirakawa odkryli (laureaci nagrody Nobla w 2000 roku), że poliacetylen (PA) domieszkowany w różnym stopniu jonami jodkowymi i bromkowymi (poprzez ekspozycję na pary jodu i bromu) potrafi zmieniać swoje przewodnictwo w zakresie prawie 11 rzędów wielkości, od izolatora do typowego przewodnika elektrycznego [289,290]. Prace nad poliacetylenem i jego syntezą Shirakawa prowadził od wczesnych lat 70, kiedy to dzięki dodaniu przez pomyłkę 1000-krotnie większej ilości katalizatora Zieglera Natta (Ti(O-n-C 4 H 9 ) 4 -(C 2 H 5 ) 3 Al) niż zazwyczaj, otrzymano cienką warstwę trans-pa o srebrnym połysku, który wykazywał nieznaczne przewodnictwo elektryczne. Wcześniejsze próby syntezy PA, przy niższej zawartości katalizatora kończyły się uzyskaniem nierozpuszczalnego w wodzie czarnego pyłu. Obecnie znanych jest wiele różnych sposobów otrzymywania poliacetylenu, jednak metoda Shirakawy pozostaje do dziś najczęściej używaną [291]. W tym samym czasie fizyk Heeger i chemik MacDiarmid współpracowali przy badaniach nad nieorganicznym polimerem przewodzącym poli(siarczkiem azotu), (SN) x, który wykazywał nawet nadprzewodnictwo w niskich 117

temperaturach. Zdobyte tutaj doświadczenie przyczyniło się później m.in. do pomysłu domieszkowania PA [288]. Niestety polimer ten jest trudny w przetwarzaniu oraz jest nietrwały na powietrzu [292]. Dlatego po odkryciu wysoko przewodzącego poliacetylenu szybko wzrosło zainteresowanie różnymi innymi polimerami, jak np. polipirolem, polianiliną i pochodnymi politiofenu, które wykazują znacznie wyższą trwałość. Warto jednak dodać, że wiele z nich była już od dawna znana; np. produkt utleniania aniliny był używany powszechnie w XIX wieku jako barwnik w przemyśle tekstylnym, a elektrochemiczną syntezę PANI poprzez anodowe utlenianie z rozcieńczonego roztworu kwasu siarkowego przeprowadził Letheby już w roku 1862 [293]. Natomiast polipirol elektrochemicznie był po raz pierwszy otrzymany w 1968 roku pod nazwą pyrrole black, a w roku 1979 udało się uzyskać trwałą warstwę polimeru z przewodnictwem elektrycznym rzędu 100S/cm, dzięki elektrochemicznemu utlenianiu pirolu z roztworu acetonitrylu na elektrodzie platynowej [294]. Budowa polimerów przewodzących i wynikające z tego właściwości, jak np. możliwość różnego domieszkowania (utleniania, redukcji) powoduje, że materiały te charakteryzują się bardzo szerokim zakresem przewodnictwa elektrycznego, od typowego dla izolatorów, aż do obserwowanego dla przewodników [292]. Dodatkowo, zastosowanie różnego rodzaju monomerów z podstawnikami będącymi akceptorami lub donorami elektronów pozwala na zmianę ich właściwości optycznych, chemicznych i elektrycznych [295]. Zalety te wraz z innymi, takimi jak dość łatwe otrzymywanie (elektro)chemiczne i przetwarzanie oraz elastyczność i niska gęstość (mała masa gotowego wyrobu) powodują, że materiały te są obecnie stosowane w urządzeniach elektronicznych (organic light emitting diodes, OLEDs, wyświetlacze), fotowoltaicznych (ogniwa słoneczne), a także jako (bio)sensory, systemy uwalniania leków, elektroniczne pamięci, (super)kondensatory, baterie (akumulatory), tranzystory (organic field-effect transistors, OFETs), materiały antystatyczne (również EMI electromagnetic interference shielding) czy antykorozyjne, a nawet sztuczne mięśnie (siłowniki) lub przewodzące tekstylia w ubraniach [296]. 118

5.1. Budowa, właściwości i otrzymywanie polimerów przewodzących 5.1.1. Budowa polimerów przewodzących a przewodnictwo elektryczne Na rys. 5.1.1 przedstawiono fragmenty łańcuchów wybranych i najczęściej stosowanych w elektrodach jonoselektywnych polimerów, takich jak PPy, PT, PEDOT i PANI, a także dodatkowo omawianych w tekście polimerów PA, poli(p-fenylen) (PPP) i poli(pfenylenowinylen) (PPV). Jak wynika z rys. 5.1.1 podstawowym i najważniejszym elementem budowy tych związków jest łańcuch atomów węgla o hybrydyzacji sp 2, dzięki czemu powstają na przemian wiązania dłuższe, pojedyńcze (σ) oraz krótsze, podwójne (σ, π). Rys. 5.1.1. Przykładowe wzory najczęściej spotykanych polimerów przewodzących w ich formie obojętnej. PPy polipirol, PEDOT poli(3,4-etylenodioksytiofen), PT politiofen, PA poliacetylen, PPP poli(p-fenylen), PPV poli(p-fenylenowinylen) oraz PANI polianilina w formie całkowicie zredukowanej i nieprzewodzącej (leukoemeraldyna, gdzie n>0, m=0, n=x), w formie obojętnej i nieprzewodzącej (pernigranilina, gdzie n=0, m>0, m=x) oraz w formie częściowo utlenionej (przewodząca sól emeraldyny lub nieprzewodząca forma podstawowa emeraldyny, gdzie n>0, m>0, n+m=x). Wszystkie pasma wiążące σ i antywiążące σ* są obsadzone elektronami, natomiast orbitale obsadzone przez niesparowane elektrony, które nie biorą udziału w hybrydyzacji i częściowo nakładają się na siebie, tworzą wiązania π. Te z kolei dzielą się na w pełni obsadzone przez elektrony pasma π (pasmo walencyjne) i całkowicie wolne, pozbawione elektronów pasmo π* (pasmo przewodnictwa). Różnica pomiędzy nimi tworzy przerwę energetyczną E g w wyniku zaburzenia Peierlsa [295,297]. Delokalizacja elektronów wiążących π może więc zapewniać swobodne przenoszenie ładunku wzdłuż łańcucha polimerowego (tylko gdy elektrony znajdują się w paśmie π*). Jednak ze względu na barierę energetyczną, którą musi pokonać 119

elektron (przerwę energetyczną wzbudzenia E g, czyli pomiędzy zajętym, wiążącym orbitalem π i wolnym orbitalem antywiążącym π*), wartość mierzonego przewodnictwa elektrycznego pozwala zaliczyć te materiały raczej do izolatorów lub półprzewodników (10-10 10-5 S/cm) [295,297]. Przerwa energetyczna E g pomiędzy pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa jest jednym z głównych i charakterystycznych dla polimerów parametrem determinującym ich właściwości elektryczne i optyczne (wartości przedziale 0,8 4eV) [295]. E g znajdują się w 5.1.2. Domieszkowanie jako metoda zwiększenia przewodnictwa elektrycznego Ważnym czynnikiem wpływającym jakościowo na przewodnictwo elektryczne polimeru jest jego stopień utlenienia, który można powiązać ze stopniem domieszkowania. Po pierwsze jest to związane z domieszkowaniem rozumianym dosłownie, czyli dodatkiem anionów lub kationów, które często stabilizują powstały nadmiar odpowiednio ładunku dodatniego lub ujemnego i ułatwiają jego przewodzenie. Z drugiej strony, jest to zwrot zapożyczony z dziedziny półprzewodników nieorganicznych, gdzie domieszkowanie oznacza niewielki dodatek innego pierwiastka, który zawiera większą lub mniejszą liczbę elektronów walencyjnych (np. Si domieszkowany P lub Si domieszkowany B). Domieszkowanie oraz różnice w przewodnictwie elektrycznym polimerów przewodzących jest tłumaczone przez badaczy w różny sposób. Jedna z bardziej rozpowszechnionych teorii zaproponowana przez Brédasa [298], przewiduje powstawanie polaronów lub bipolaronów warunkujących różnice w konformacji łańcucha. Często spotykana jest również teoria pasmowa Fessera, Bishopa i Campbella [299]. Trzeba jednak zaznaczyć, że mechanizm przewodzenia oraz ładowania/rozładowania polimeru jest do tej pory nie do końca wyjaśniony, a sam model bipolaronu jest poddawany dyskusji [295,297,300]. Dla większości badanych polimerów p-domieszkowanych przewodnictwo elektryczne zmienia się odwracalnie w zakresie nawet 15 rzędów wielkości wraz ze zmianą stopnia naładowania osiągając najwyższą wartość wynoszącą nawet 10 5 S/cm w zakresie 0V - 2,5V (w zależności od polimeru i warunków) [297]. Jednak dalsze utlenianie polimerów prowadzi do spadku ich przewodnictwa elektrycznego, a w literaturze są dostępne co najmniej trzy teorie próbujące wyjaśnić ten efekt [300]. 120

W większości przypadków domieszkowanie polimerów przewodzących i inkorporację przeciwjonów przeprowadza się na drodze chemicznej lub elektrochemicznej (proces ten często zachodzi już podczas polimeryzacji) [300]. Zmiana stopnia utlenienia polimerów przewodzących jest również możliwa bez udziału domieszkowania przeciwjonami. Oprócz bezpośredniego przyłożenia odpowiedniego potencjału może to być osiągnięte poprzez tzw. foto-domieszkowanie. Szczególnym przypadkiem jest PANI, która może ładować się poprzez dwa całkowicie odmienne procesy: poprzez utlenianie wiązania σ i π (jako leukomeraldyna do soli emeraldyny) (zamiana ugrupowań aminowych w iminowe) lub protonacja/deprotonacja atomu azotu (podstawowa forma emeraldyny do jej przewodzącej formy w postaci soli emeraldyny) (rys. 5.1.1) [297]. 5.1.3. Otrzymywanie polimerów przewodzących Większość polimerów przewodzących, np. PPy, PT lub PANI może być otrzymana chemicznie lub elektrochemicznie, a wybór metody raczej zależy od przeznaczenia polimeru oraz wygody przeprowadzenia syntezy [288,292]. Polimeryzacja chemiczna przebiega na drodze kondensacji lub addycji, gdzie ważną rolę inicjatora odgrywają utleniacze, takie jak np. FeCl 3 (PPy, PT), H 2 SO 4 (PPy), (NH 4 ) 2 S 2 O 8 (PANI), CuCl 2, AsF 3 /AsF 6 (PPP) lub jony Br -, I -. Polimeryzacja chemiczna poprzez kondensację (lub step growth polymerization) jest częściej spotykana i polega na eliminacji małych cząsteczek jak np. H 2 O lub HCl podczas tworzenia nowych wiązań w rosnącym łańcuchu polimeru. W polimeryzacji poprzez addycję (lub chain growth polymerization) brak jest produktów ubocznych, a proces przebiega z udziałem reaktywnych rodników [292]. Znane są również przypadki syntezy polimerów (oligomerów) za pomocą reakcji Grignarda [301]. Polimeryzacja elektrochemiczna jest techniką częściej stosowaną ze względu na swoją prostotę, możliwość prowadzenia bez udziału katalizatorów, łatwość kontroli i odtwarzalność oraz bezpośrednie otrzymanie warstwy np. na podłożu elektrody [292]. Zazwyczaj przeprowadza się polimeryzację utleniającą (pirol, anilina i tiofen oraz większość ich pochodnych), jednak w niektórych przypadkach polimeryzacja redukująca jest także możliwa, a za przykład może posłużyć p-fenylenowinylen (PPV) lub niektóre pochodne tiofenu czy pirydyny [302]. Synteza może być prowadzona w wodzie lub w rozpuszczalniku organicznym, zazwyczaj polarnym rozpuszczalniku aprotycznym (np. acetonitrylu), w obecności elektrolitu podstawowego wraz z rozpuszczonym monomerem w odpowiednim stężeniu. Jest wiele teorii opisujących mechanizm powstawania polimerów, szczególnie tych 121

ulegających polimeryzacji podczas utleniania, a jedna z nich została przedstawiona na przykładzie elektropolimeryzacji pirolu w rozdziale 5.2.2. Elektrochemiczna polimeryzacja może być prowadzona potencjostatycznie, galwanostatycznie lub potencjodynamicznie [6]. Właściwości polimeru przewodzącego otrzymanego na drodze elektropolimeryzacji, takie jak morfologia, przewodnictwo lub właściwości jonowymienne, mogą różnić się w zależności od rodzaju rozpuszczalnika, elektrolitu (jonów kompensujących ładunek łańcuchów), temperatury, podłoża, ph oraz metody i warunków prowadzenia syntezy (prąd i potencjał oraz ich zmienność w czasie) [292,300]. Podczas elektropolimeryzacji bardzo duża liczba różnych cząsteczek (np. ligandów) lub jonów (organicznych i nieorganicznych) występująca w mieszaninie do polimeryzacji może być inkorporowana do wnętrza polimeru jako przeciwjony (około 10-35% w/w w zależności od gęstości ładunku) lub fizycznie unieruchomiona ze względu na wielkość porów warstwy i zawadę przestrzenną. Funkcjonalizację materiału i zmiany jego właściwości można również uzyskać poprzez kowalencyjne podstawianie różnych grup w monomerze lub poprzez zmieszanie różnych monomerów otrzymując kopolimer [221]. Kowalencyjne modyfikowanie już otrzymanych warstw polimerowych jest również spotykane [292]. 5.2. Polipirol Polipirol jest jednym z lepiej poznanych polimerów przewodzących m.in. ze względu na łatwość utleniania monomeru (pirolu), rozpuszczalność w wodzie i komercyjną dostępność. Jest on również dość trwały w środowisku wodnym oraz łatwo ulega procesom utleniania i redukcji [296]. Z powyższych powodów polimer ten został wybrany jako stały kontakt dla badanych elektrod SC-ISE, a jego struktura, właściwości oraz mechanizm otrzymywania zostały omówione w niniejszym rozdziale. 5.2.1. Budowa i właściwości przewodzące polipirolu Polipirol należy do grupy polimerów podatnych na p-domieszkowanie, czyli może ulegać utlenianiu. Objawia się to deficytem elektronów π (pasmo walencyjne), co prowadzi do powstania układu zwanego polaronem lub kationorodnikiem. Układ ten ma wyższą energię niż elektrony znajdujące się w paśmie walencyjnym, co znacznie ułatwia jego migrację 122

[300,303,304]. Sposobem pozwalającym określić stopień naładowania (domieszkowania) polimeru przewodzącego jest ułamek molowy merów posiadających ładunek, w stosunku do liczby wszystkich merów tworzących łańcuch polimerowy. W przypadku PPy najczęściej spotykany poziom utlenienia (według tej skali) wynosi około 0,33, jednak może on przyjmować różne wartości nie tylko w zależności od przyłożonego potencjału i struktury łańcuchów, ale także od czynników środowiskowych, takich jak rodzaj kontaktującego się rozpuszczalnika czy elektrolitu i anionów domieszkujących. Z tego wynika, że ładunek dodatni wraz z niesparowanym elektronem jest wtedy zdelokalizowany w obrębie trzech do czterech pierścieni pirolowych (rys. 5.2.1) [300], a cała warstwa polimeru zawiera około 30-35% w/w domieszkowanych anionów [296]. Dalsze utlenianie PPy powoduje usunięcie drugiego, niesparowanego elektronu i prowadzi do powstania w obrębie tego samego odcinka polimeru dwóch ładunków dodatnich, które zamiast dwóch polaronów mogą rekombinować do układu zwanego bipolaronem (dikationorodnikiem) [300,303,304]. Jeszcze mocniejsze domieszkowanie do poziomu np. 0,5 (połowa pierścieni heterocyklicznych posiada ładunek dodatni) skutkuje nieodwracalnym utlenieniem (overoxidation) i degradacją łańcucha polimeru, a proces ten jest indukowany obecnością nukleofilowego rozpuszczalnika (np. wody). Ponowna redukcja polipirolu jest wtedy możliwa tylko do pewnego stopnia [300]. Struktura przestrzenna polimeru oraz stopień utlenienia i przewaga polaronów lub bipolaronów zależy w dużej mierze od warunków prowadzenia elektropolimeryzacji. Warstwy otrzymywane przy niskich gęstościach prądów anodowych poniżej 0,3mA/cm 2 składają się głównie z prostych, długich i słabo rozgałęzionych łańcuchów polipirolowych (struktury jednowymiarowe), podczas gdy wyższe gęstości prądów anodowych prowadzą do otrzymania warstw polipirolowych o odmiennych właściwościach fizykochemicznych i wyższych nawet 100-krotnie wartościach przewodnictwa elektrycznego [305,306] Jest to wynik tworzenia się molekuł złożonych z trzech pierścieni pirolowych jako głównych jednostek polimeru o strukturze dwuwymiarowej (trimerów), gdzie oprócz atomów węgla w pozycji α uczestniczą w wiązaniach pomiędzy heterocyklicznymi pierścieniami również atomy węgla położone w pozycji β. Z tego względu jest możliwe tworzenie się układu bipolaronu, gdzie ładunki dodatnie, jako wynik utleniania i niedoboru elektronów, gromadzą się albo na atomach węgla, albo na atomach azotu zapewniając bezspinowe przewodnictwo elektryczne [306]. Struktura elektronowa polipirolu oraz jej zmiany pod wpływem utleniania do polaronu i bipolaronu, wraz z jednoczesnym monitorowaniem przewodnictwa, była badana metodą spektroskopii absorpcyjnej [303,304], EPR (electron paramagnetic resonance) [303-305], 123

UPS (ultraviolet photoelectron spectroscopy) [305,306] oraz XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) [305] lub NEXAFS (near edge X-ray absorption fine structure) [306], a także spektroskopii Ramana [307]. Makrostruktura PPy, jego morfologia, homogeniczność, porowatość oraz stopień uporządkowania warstwy badano metodą SEM (scanning electron microscopy) lub AFM (atomic force microscopy). Struktury przestrzennej elektrochemicznie otrzymanego polipirolu nie można jednoznacznie określić jako krystalicznej lub włóknistej. Za słabą krystaliczność pirolu odpowiadają głównie powstające w mniejszości wiązania pomiędzy atomami węgla w pozycji β, co wykazały również badania XPS [208]. Zdjęcia SEM i AFM warstw polipirolowych wskazują na to, że chropowatość, porowatość i obecność pofałdowań na powierzchni elektrochemicznie osadzonych filmów PPy wzrasta wraz z grubością warstwy, a sam film ma raczej postać granulastą i w dużej mierze zależy od rodzaju anionu domieszkującego, rozpuszczalnika i podłoża elektrody [296,308,309]. 5.2.2. Elektrochemiczne otrzymywanie polipirolu 5.2.2.1. Warunki i metody elektrochemicznej syntezy polipirolu Elektrochemiczną polimeryzację pirolu z odpowiedniego roztworu przeprowadza się zazwyczaj w typowej, trójelektrodowej konfiguracji, w celu pełnej kontroli wszystkich parametrów, jak prąd, ładunek i potencjał. Podstawowym warunkiem przy wyborze rozpuszczalnika dla pirolu oraz elektrolitu podstawowego, oprócz zapewnienia odpowiedniego przewodnictwa jonowego, powinna być jego trwałość podczas anodowego utleniania monomeru na elektrodzie pracującej. Odpowiednie są rozpuszczalniki aprotyczne, jak np. acetonitryl (z niewielkim dodatkiem wody) lub węglan propylenu (ester glikolu i kwasu węglowego), charakteryzujące się stosunkowo szerokim zakresem potencjału, w którym nie ulegają procesom elektrodowym. Zapewniają także dobre przewodnictwo jonowe i przenikalność elektryczną [296]. Pirol ulega utlenieniu przy stosunkowo niskim potencjale (w roztworze wodnym 0,55V względem Ag/AgCl) [310] i dlatego jego polimeryzację można przeprowadzać w roztworze wodnym, w przeciwieństwie np. do tiofenu. Powstawanie łańcucha oligomeru, a następnie osadzanie nierozpuszczalnego polimeru na anodzie, przebiega jednocześnie z utlenieniem (domieszkowaniem) polipirolu, czemu towarzyszy wnikanie do warstwy anionów elektrolitu w celu zapewnienia elektroobojętności. Polimer 124

można otrzymywać na elektrodzie zbudowanej z różnych materiałów przewodzących, jak np. platyna, złoto, węgiel szklisty, cyna lub stopy metali [296]. Elektropolimeryzację pirolu można prowadzić potencjostatycznie (chronoamperometria) [310], potencjodynamiczne (chronowoltamperometria cykliczna) [311] lub galwanostatycznie (chronopotencjometria) [312]. Metody, w których potencjał, a szczególnie gęstość prądu są stabilne w czasie, okazują się bardziej przydatne w kontroli ilościowej (grubości) powstającej warstwy oraz w badaniu mechanizmu elektropolimeryzacji pirolu i makroskopowego procesu wzrostu filmu (morfologii). Metoda cyklicznej woltamperometrii była głównie wykorzystywana do badania zachodzących procesów redoks we wczesnym stadium polimeryzacji oraz elektrochemicznych właściwości otrzymanego polipirolu [296]. 5.2.2.2. Mechanizm elektropolimeryzacji pirolu Mechanizm elektropolimeryzacji pirolu jest kontrowersyjnym tematem, gdyż w dalszym ciągu nie ma jednego, uniwersalnego schematu reakcji łączenia się cząsteczek pirolu, który by był powszechnie zaakceptowany. Wszystkie przedstawione do tej pory mechanizmy różnią się od siebie przede wszystkim początkowym stadium reakcji (inicjacją), gdzie transfer elektronu i protonu oraz bezpośrednie tworzenie rodnika pirolu jest odmienne [296]. Pierwszą i najszerzej akceptowaną w literaturze propozycją jest mechanizm przedstawiony przez Diaza [313], który został również poparty teoretycznymi obliczeniami na podstawie korelacji pomiędzy reaktywnością a gęstością niesparowanych elektronów w powstających rodnikach [314]. Proces rozpoczyna się od transferu elektronu pomiędzy monomerem pirolu Py a powierzchnią anody, co prowadzi do powstania rodnika Py +, który może występować w kilku formach rezonansowych (rys. 5.2.1, A). Ponieważ proces przeniesienia elektronu jest znacznie szybszy niż dyfuzja monomerów Py + i Py, stężenie kationorodników tuż przy powierzchni elektrody pozostaje stosunkowo wysokie, co umożliwia zajście pomiędzy nimi reakcji dimeryzacji. Gęstość niesparowanych elektronów jest najwyższa w pozycji α (najczęściej spotykana forma mezomeryczna) i dlatego preferowane są wiązania pomiędzy atomami węgla w pozycji 2,2, co prowadzi do utworzenia dwudodatniego kationu diwodoromeru. Następnie ulega on stabilizacji poprzez utratę dwóch kationów wodorowych, które były związane z atomami węgla biorącymi udział w tworzeniu nowego wiązania C-C (rys. 5.2.1, B). Powstające na powierzchni elektrody dimery również ulegają utlenieniu do kationorodników, z tym że niesparowany elektron jest tym razem zdelokalizowany na dwóch pierścieniach monomeru (rys. 5.2.1, C). 125

Rys. 5.2.1. Etapy elektropolimeryzacji pirolu (gdzie X=N) od A do H wraz ze strukturami rezonansowymi kationorodników [296,300]. To powoduje, że potencjał utleniania dimeru jest niższy niż monomeru, następnie trimeru będzie niższy niż dimeru, itd. (potencjał redoks utleniania monomeru: 1,35V; dimeru: 0,64V; 126

trimeru: 0,32V względem Ag/AgCl) [296]. Inną konsekwencją większego rozmycia ładunku jest coraz większa reaktywność atomów węgla w pozycjach β (pozycja 3,3 ) (jednak pozostaje słabsza niż α) i zwiększające się prawdopodobieństwo udziału tychże atomów w powstawaniu mniej liniowych i bardziej rozgałęzionych łańcuchów polipirolu (rys. 5.2.1, G) [296,300]. Według mechanizmu przedstawionego przez Diaza, kolejno powtarzające się reakcje utleniania monomerów (E electron transfer) reagujących z utlenianymi monomerami, dimerami, trimerami i oligomerami (C chemical reaction), wraz z deprotonacją powstałych produktów (C chemical reaction), prowadzą do powstania długich, nierozpuszczalnych łańcuchów PPy, które osadzają się na powierzchni elektrody pracującej (rys. 5.2.1, H, Deposition). Mechanizm wydłużania łańcucha można zatem przedstawić jako E(CCE) n kolejno zachodzących n etapów, gdzie na każdy dołączony monomer przypada 2,25 2,33 elektronu, a cały proces można podsumować następującym równaniem [296,300]: 2n2e n 2Py Py 2n 2H n (5.2:1) Przedstawiony powyżej mechanizm na tle niektórych badań eksperymentalnych okazuje się być dużym uproszczeniem. Po pierwsze, w procesie formowania łańcucha dużą rolę odgrywa rozpuszczalnik. Ponadto, dzięki doświadczeniom z oligomerami odkryto, że reakcja dimeryzacji pomiędzy dwoma monomerami jest bardzo szybka i dominująca, a prawdopodobieństwo reakcji kationorodnika monomeru z łańcuchem utlenionego oligomeru maleje wraz ze wzrostem jego długości. Różnice w reaktywnościach powodują, że przedstawione reakcje na rysunku 5.2.1, D i F są mniej prawdopodobne niż reakcje dimer dimer, trimer trimer, tetramer tetramer, itd., tak jak to przedstawia rys. 5.2.1, G. Okazuje się również, że limitującym etapem w procesie polimeryzacji jest deprotonacja poszczególnych produktów łączenia się kationorodników [300]. 5.2.3. Właściwości elektrochemiczne polipirolu W rozdziale 2.4 omówiono możliwość zastosowania polimerów przewodzących jako warstw jonoczułych w elektrodach typu CP-ISE stosowanych w warunkach potencjometrycznych. Przedstawiono również ograniczenia związane ze stosowaniem polimerów przewodzących (wpływ różnych czynników na parametry analityczne), które wynikają z właściwości jonowymiennych polimeru przewodzącego (swobodna wymiana 127

jonowa) oraz możliwości samorzutnej zmiany jego stopnia utlenienia. Warto jednak pamiętać, że wymiana jonowa pomiędzy roztworem a warstwą polimeru przewodzącego, która towarzyszy procesom utleniania bądź redukcji (w celu zachowania elektroobojętności), może być także wywołana poprzez zewnętrzne nałożenie odpowiedniego potencjału. Podczas polaryzacji anodowej (utlenianie) zachodzi wnikanie anionów lub uwalnianie kationów, natomiast polaryzacja katodowa (redukcja) wywołuje wnikanie kationów lub uwalnianie anionów. W niektórych przypadkach może dochodzić do wymiany mieszanej, kiedy z/do warstwy transportowane są zarówno kationy i aniony (w różnej proporcji) [315]. Tak samo jak w przypadku swobodnej wymiany jonowej, rodzaj wymienianych jonów będzie zależał od rodzaju anionu domieszkującego oraz składu ilościowego i jakościowego elektrolitu sąsiadującego z warstwą [316]. Jednak oprócz różnic we współczynnikach dyfuzji i wielkości poszczególnych jonów oraz ich stopnia hydrofilowości (nieutleniona warstwa PPy jest hydrofobowa), istotne znaczenie w procesie wymiany jonowej mają również ich ładunki [316-318]. Ważne są także inne czynniki, jak np. warunki, w jakich otrzymano polimer przewodzący [317], jego grubość [318] i stopień degradacji postępujący z upływem czasu w kontakcie z roztworem wodnym [319]. Rys. 5.2.2. Krzywe gęstość prądu(potencjał) dla woltamperometrii cyklicznej (-) oraz odpowiedź elektrochemicznej mikrowagi ( ) w eksperymencie z udziałem (A) polipirolu domieszkowanego jonami chlorkowymi i w roztworze 0,1M CaCl 2 oraz (B) polipirolu domieszkowanego jonami PSS - w roztworze 0,1M NaPSS; szybkość zmiany potencjału 100mV/s; strzałki wskazują tendencję wzrostową lub spadkową masy [316]. Procesy wymiany jonowej polipirolu wpływają w dużym stopniu na parametry rejestrowanego prądu pod wpływem narzuconego potencjału. Pomiary woltamperometrii cyklicznej uzupełniono o badania m.in. z wykorzystaniem elektrochemicznej mikrowagi 128

kwarcowej (electrochemical quartz crystal micro balance, EQCM) [316,318]. Na rysunku 5.2.2 przedstawiono dwa skrajne przypadki cyklicznej polaryzacji (z udziałem elektrochemicznej mikrowagi) w roztworach zawierających CaCl 2 lub NaPSS warstw polipirolu domieszkowanych odpowiednio małymi i swobodnie wymienianymi anionami chlorkowymi lub dużymi i unieruchomionymi anionami PSS -. W pierwszym przypadku (rys. 5.2.2, A) wymieniane są jony chlorkowe obecne w warstwie i w roztworze (jony wapnia mają niższy współczynnik dyfuzji i są bardziej hydrofilowe), co objawia się ładowaniem warstwy w dodatnich zakresach potencjałów (wzrost wartości gęstości prądu na krzywej CV). Potwierdza to odpowiedź EQCM, która wskazuje na wzrost masy polimeru podczas polaryzacji anodowej (utlenianie), czyli podczas wchodzenia anionów Cl - do warstwy. Natomiast warstwa polipirolu domieszkowana dużymi anionami PSS - wymienia z roztworem kationy sodu, gdyż w układzie nie ma żadnych innych jonów, które mogłyby być swobodnie wymieniane pomiędzy dwoma fazami (aniony PSS - są zbyt duże, aby mogły swobodnie opuszczać warstwę lub do niej wnikać). Potwierdza to krzywa CV przedstawiona na rys. 5.2.2, B, gdzie piki utleniania i redukcji są przesunięte w kierunku niższych wartości potencjałów, a także odpowiedź EQCM, która wskazuje na wzrost masy podczas redukcji polimeru [316]. Tabela 5.2.3. Odpowiedź kationowa C +, słaba kationowa (C + ) lub anionowa A - w zależności od przeciwjonu domieszkującego w PPy lub składu sąsiadującego roztworu elektrolitu: A - - anion jednowartościowy, C + - kation jednowartościowy, A 2- - anion dwuwartościowy C 2+ - kation dwuwartościowy, PA n- - duży i unieruchomiony w warstwie anion [316]. W zakresie wyższych potencjałów (warstwa utleniona) prąd jest dość wysoki i mało zależy od potencjału. Wskazuje to na wysoką pojemność polimeru, co jest bardzo pożądaną cechą w przypadku zastosowania tego materiału jak warstwy mediacyjnej w elektrodzie jonoselektywnej (kontakt). W podobny sposób badany był również polipirol domieszkowany innymi anionami, w różnych elektrolitach, np.(i)ppycl w roztworze MgCl 2, NaCl, Na 2 CO 3, Na 2 SO 4, NaDS (dodecylosiarczan sodu); (ii)ppyso 4 w roztworze Na 2 SO 4, CaCl 2 ; (iii)ppypss w roztworze CaCl 2 ; (iv)ppyds w roztworze NaDS, CaCl 2 i NaCl. Wyniki zostały 129

podsumowane w tabeli 5.2.3, która wskazuje na rodzaj odpowiedzi (kationowa - C +, słabo kationowa - (C + ) lub anionowa - A - ) w zależności od jonu domieszkującego i składu elektrolitu [316]. Rys. 5.2.4. Wykresy Nyquista zarejestrowane dla warstwy (A) PPy (grubość 1µm, domieszkowanej anionami NO 3 - i otrzymanej na elektrodzie złotej) w obecności roztworu 1M KNO 3, przy potencjale: -0,35V ( ), -0,25V ( ), -0,15V ( ), 0,0V ( ), 0,15V (), 0,25V (), 0,35V (); (B) PPy (domieszkowany DS -, elektrosynteza prądem o natężeniu 1mA/cm 2 przez 450s na elektrodzie platynowej) w obecności roztworu 0,1M NaDS, przy potencjale 0,08V ( ) i 0,58V ( ); (C) powiększona część wykresu A w obszarze wysokich częstotliwości; (D i E) obwody zastępcze podane przez autorów dla układu mierzonego jak na wykresie odpowiednio A i B [321,323]. Właściwości polipirolu mogą być również badane za pomocą elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (electrochemical impedance spectroscopy, EIS), która jest szczególnie przydatna w śledzeniu procesów przeniesienia ładunku, dyfuzji jonów oraz wyznaczaniu pojemności elektrycznej warstwy. W literaturze można znaleźć wiele prac, w których metodą EIS badany był wpływ sposobu syntezy, typu rozpuszczalnika, rodzaju jonu domieszkującego, podłoża elektrody oraz stopnia utlenienia na właściwości elektrochemiczne oraz trwałość polipirolu i jego pochodnych [320]. Największy jednak wpływ na właściwości elektryczne warstwy polipirolu i procesy wymiany ładunku z określonym elektrolitem ma przede wszystkim stopień jego utlenienia oraz rodzaj domieszkowanego jonu. Typowe widmo - impedancyjne Nyquista dla polipirolu domieszkowanego małymi i ruchliwymi anionami NO 3 130

oraz dużymi i pozostającymi w warstwie jonem DS - przedstawiono na rysunku 5.2.4. Na wykresie Nyquista dla warstwy polipirolu domieszkowanej małymi anionami (rys. 5.2.4, A) można wyróżnić trzy charakterystyczne obszary: (i)półkole w obszarze wysokich częstotliwości, które może być związane z przeniesieniem ładunku między fazami (równoległe połączenie oporu przeniesienia ładunku granicy faz C dl, przy czym lewy koniec półkola na osi rzeczywistej dla R ct i pojemności warstwy polimeru na odpowiada sumie oporności roztworu R aq i polimeru R p, natomiast prawy odpowiada R ct ), (ii)odcinek liniowy w zakresie średnich częstotliwości wynikający z ograniczeń dyfuzyjnych jonów wewnątrz warstwy polimeru, z nachyleniem względem osi rzeczywistej bliskim 45 (impedancja Warburga Z W ) oraz (iii)odcinek liniowy w zakresie najniższych częstotliwości wskazujący na impedancję pojemnościową związaną z ładowaniem polimeru. Zmiana potencjału elektrody w kierunku wyższych wartości (wyższy stopień utlenienia polimeru) wskazuje na zmianę właściwości warstwy. Wielkość półkola na wykresie Nyquista (rys. 5.2.4, A) maleje, co oznacza, że maleje także R ct. [321]. Podobne widmo impedancyjne uzyskano dla polipirolu domieszkowanego ClO 4 - w roztworze również chloranów (VII) o stężeniu 0,1M (rys. 5.2.5, B). Warstwa ta poddana postępującej degradacji (nieodwracalnemu utlenianiu) wykazuje coraz większy opór, gdyż prawe ramię półkola (obszar niskiej częstotliwości) przesuwa się w kierunku większych wartości na osi rzeczywistej. Drugą ważną zmianą w widmie jest zmiana nachylenia prostej w obszarze najniższych częstotliwości, która jest związana z pojemnością polimeru przewodzącego. Dzięki uzyskanym danym i opierając się na modelu (obwodzie zastępczym) opisanym w dalszej części rozdziału, autorzy obliczyli, że zmiany w widmie są spowodowane wzrostem oporu przeniesienia ładunku R ( R pozostaje stały) i spadkiem pojemności warstwy podwójnej ct p C dl, co najprawdopodobniej jest wynikiem degradacji elektrochemicznej polimeru, kurczenia się warstwy (spadek powierzchni styku obu faz) i wzrostu energii potrzebnej do wniknięcia jonu do warstwy i skutecznej wymiany ładunku. Podobne wnioski można wyciągnąć na podstawie krzywych woltamperometrii cyklicznej (rys. 5.2.5, A), gdzie piki prądów są coraz niższe, a piki potencjałów coraz bardziej od siebie oddalone (układ nieodwracalny), co potwierdza kurczenie się warstwy oraz spadek przewodnictwa elektrycznego i pojemności redoks [322]. 131

Rys. 5.2.5. (A) Krzywa woltamperometrii cyklicznej warstwy PPy (otrzymany na elektrodzie platynowej potencjostatycznie 0,75V aż do uzyskania ładunku 80mC/cm 2 w 0,1M LiClO 4 ); (B) Wykres Nyquista zarejestrowany dla tej samej warstwy PPy po różnych czasach nieodwracalnego utleniania ( ) 0min, ( ) 40min () 60min) w roztworze 0,1M LiClO 4, przy potencjale 0,3V. Linie ciągłe są obliczone na podstawie modelu opisanego w tekście i obwodu zastępczego przedstawionego na rys. 5.2.6 [322]. W przypadku polipirolu domieszkowanego dużymi anionami DS - w obecności 0,1M NaDS (rys. 5.2.4, B) można wyróżnić głównie wpływ impedancji Warburga, czyli limitujący wpływ powolnej dyfuzji dużych jonów na odpowiedź układu, w całym zakresie częstotliwości. Nachylenie krzywej prawie nie zależy od stopnia utlenienia polimeru [323]. Na rys. 5.2.4, poniżej wykresów Nyquista, przedstawione są propozycje obwodów zastępczych, których odpowiedź impedancyjna jest podobna jak elektrod metalicznych pokrytych odpowiednią warstwą polipirolu. W pierwszym przypadku (rys. 5.2.4, D) obwód zawiera również constant phase element, CPE (o stałej wartości kąta fazowego w danym układzie, niezależnego od częstotliwości), który w zależności od wartości kąta fazowego ma charakter bardziej zbliżony do kondensatora lub opornika. Element ten pozwala na uwzględnienie w prawdziwym układzie braku homogeniczności porowatej warstwy polimeru oraz nieco odmiennych właściwości elektrycznych w całej jego objętości [321]. Analiza i interpretacja widma impedancji ww. układów w postaci obwodu zastępczego może się czasem znacznie różnić ze względu na wybór modelu opartego na pewnych założeniach. Wynika to z liczby zachodzących zjawisk elektrycznych w polimerze i na granicy faz, a także z różnych możliwych podejść opisujących mechanizmy występujących procesów. Powyżej przedstawiona koncepcja zakłada, że warstwa polimeru przewodzącego wykazuje homogeniczną strukturę, gdzie makroskopowa granica faz (z elektrolitem) odgrywa kluczową rolę, a dyfuzja jonów odbywa się od/do warstwy polimeru jako spójnej całości. 132

Rys. 5.2.6. Obwód zastępczy, którego widmo impedancyjne pokrywa się z eksperymentalnie otrzymanymi wynikami dla PPy przedstawionymi na rys. 5.2.5, B [322]. Bardziej zaawansowane i nowsze modele impedancji polimeru przewodzącego uwzględniają jego porowatą strukturę. Różne odcinki łańcucha polimeru, a także roztwór elektrolitu znajdujący się w niejednolitych porach materiału, wykazują różną oporność ( R i p R aq ) i zdolność do polaryzacji. To samo dotyczy rozbudowanej i złożonej granicy faz wykazującej określone pojemności w różnych miejscach. Cały układ jest zatem złożony z dwóch równolegle występujących faz elektroaktywnego polimeru przewodzącego (przewodnictwo elektryczne lub raczej dziurowe w przypadku PPy) i elektrolitu (przewodnictwo jonowe na drodze dyfuzji) wypełniającego kanały różnej szerokości i długości. Według Garcia-Belmonte należy dodatkowo założyć, że wymiana ładunku jon polimer nie może być w prosty sposób opisana tylko zwykłą opornością przeniesienia ładunku R ct, gdyż transfer jonów przez granicę faz polimer roztwór może następować wszędzie, nawet daleko od centrum wymiany ładunku (intercalation site). Dlatego po przekroczeniu podwójnej warstwy elektrycznej na granicy faz następuje chwilowe gromadzenie się ładunku, które można scharakteryzować pojemnością C ct, i musi minąć jakiś czas, zanim ostatecznie ładunek pochodzący od jonu zostanie skutecznie przeniesiony na łańcuch polimeru. Oparty na tym założeniu układ zastępczy jest przedstawiony na rys. 5.2.6, którego symulowana odpowiedź pokrywa się niemal idealnie z eksperymentalnie otrzymanymi widmami impedancyjnymi na rysunku 5.2.5, B [322]. Odpowiedź elektrody pokrytej polipirolem podczas badania EIS może być interpretowana nie tylko z pomocą równoważnego obwodu zastępczego, który składa się z odpowiednio połączonych oporników i kondensatorów, gdzie zachodzą procesy faraday owskie, ale także za pomocą fizycznego modelu teoretycznego [321]. Jednak większość opracowań dotyczących diagnostyki elektrod jonoselektywnych za pomocą EIS opiera się na wcześniej przedstawionych obwodach zastępczych. 133

6. Przedmiot i cele pracy Podstawowym celem niniejszej rozprawy doktorskiej jest zbadanie różnych możliwości zastosowania polaryzacji galwanostatycznej, a w niektórych przypadkach również potencjostatycznej, w poprawie właściwości analitycznych elektrod jonoselektywnych ze stałym kontaktem polimerowym (ISE-ASS). Wpływ polaryzacji będzie dotyczył właściwego pomiaru potencjału / prądu lub etapu kondycjonowania czujnika. Należy dodać, że poprawę właściwości analitycznych należy rozumieć nie tylko w kategorii ulepszenia podstawowych parametrów związanych z tradycyjną odpowiedzią potencjometryczną Elog a, ale także zastosowania elektrod jonoselektywnych jako czujników amperometrycznych, woltamperometrycznych lub chronopotencjometrycznych, co może się wiązać z dodatkowymi zaletami w postaci np. większej czułości niż w przypadku potencjometrii (np. większe zmiany natężenia prądu w funkcji aktywności jonów) czy lepszej selektywności. Drugim celem rozprawy jest zbadanie podstawowych właściwości elektrochemicznych tego rodzaju elektrod oraz zjawisk zachodzących podczas pracy czujnika, szczególnie w przypadku stosowania metod prądowych. Badania diagnostyczne elektrod jonoselektywnych z zastosowaniem technik elektrochemicznych uzupełniają w pracy pomiary z wykorzystaniem spektrometrii mas z laserową ablacją materiału elektrody, co pozwala na bezpośrednią analizę profili stężeniowych jonów wewnątrz faz czujnika. Skoro nacisk w przeprowadzonych badaniach został położony raczej na sprawdzenie dodatkowych możliwości i korzyści, jakie niesie ze sobą stosowanie różnych technik elektrochemicznych, a nie opracowanie całkowicie nowego pod względem budowy czujnika, do konstrukcji elektrod ASS wybrano dobrze poznane materiały. Jest nim dość powszechnie stosowany i dobrze poznany polimer przewodzący polipirol (stosowany jako stały kontakt) oraz membrana jonoselektywna złożona z plastyfikowanego polichlorku winylu wraz z jonoforem walinomycyną (K + -selektywna) i opcjonalnie trzema różnymi solami lipofilowymi tworzącymi środowisko jonowe w membranie (ETH500) i/lub spełniającymi funkcję wymieniacza jonowego (KTpClPB, NaTFPB). Tak dobrany kontakt i ISM miał na celu ułatwienie obserwacji wpływu polaryzacji prądowej lub potencjałowej na zachodzące procesy w poszczególnych fazach (lub na granicach faz). Do szczegółowych celów przeprowadzonych badań z wykorzystaniem m.in. technik prądowych można zaliczyć: 134

Zbadanie właściwości jonowymiennych elektrod ze stałym kontaktem polimerowym i membraną plastyczną zawierającą różne sole lipofilowe, w warunkach potencjometrycznych lub galwanostatycznej polaryzacji anodowej i katodowej, Poprawę dolnej granicy wykrywalności poprzez polaryzację galwanostatyczną ww. elektrod jonoselektywnych prądem o niskim i stałym natężeniu, co pozwala na ograniczenie lub całkowite zahamowanie wycieku jonów głównych z membrany do roztworu próbki, Zbadanie różnymi metodami pomiarowymi podstawowych parametrów elektrycznych elektrody, takich jak opór oraz pojemność, wraz z ich wpływem na kształtowanie odpowiedzi potencjałowej czujnika, Opracowanie nowej metody kondycjonowania elektrody jonoselektywnej w warunkach prądowych (dzięki której ilość wprowadzonych jonów głównych do membrany jonoselektywnej jest ściśle kontrolowana) i zbadanie wpływu zawartości wprowadzonych jonów głównych w membranie na charakterystykę potencjometryczną elektrody, Zbadanie (metodą LA-ICP-MS) wpływu polaryzacji prądowej elektrody jonoselektywnej ze stałym kontaktem na profile stężeniowe w ISM, co umożliwia bezpośrednią obserwację wpływu różnych warunków pracy czujnika na zachodzące procesy w membranie i ostatecznie na jego parametry analityczne, Zastosowanie elektrody jonoselektywnej jako czujnika amperometrycznego, woltamperometrycznego lub chronopotencjometrycznego wykorzystującego odpowiednio prąd lub czas przejścia jako sygnał analityczny. Próby osiągnięcia powyższych celów były realizowane głównie dzięki metodom elektrochemicznym, takim jak chronopotencjometria, chronoamperometria (łącznie z ich odmianami pulsowymi), cykliczna woltamperometria i elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna. Do analizy profili stężeniowych jonów w membranie zastosowano spektrometrię mas z jonizacją w plaźmie indukcyjnie sprzężonej i ablacją laserową membrany (LA-ICP-MS). 135

7. Metody pomiarowe oraz aparatura i odczynniki wykorzystywane w pracy 7.1. Metody pomiarowe 7.1.1. Chronowoltamperometria cykliczna W metodach chronowoltamperometrycznych mierzona jest zależność natężenia prądu (płynącego pomiędzy elektrodą pracującą i pomocniczą) od zmieniającego się w czasie potencjału, który jest przykładany do elektrody pracującej (dzięki wskazaniom elektrody odniesienia). Chronowoltamperometria cykliczna (CV) jest specjalnym przypadkiem, w którym polaryzacja elektrody pracującej zmienia się liniowo od wskazanego potencjału początkowego ( E 1), do wyznaczonego potencjału końcowego ( E 2 ), po czym zmiana potencjału przybiera odwrotny kierunek i po tym samym czasie osiągany jest z powrotem potencjał początkowy ( E 1). Z tego względu metoda ta jest także rzadziej zwana chronowoltamperometrią z potencjałową falą trójkątną, co obrazuje rys. 7.1.1, A. Rys. 7.1.1. (A) Schemat obrazujący zmianę potencjału elektrody pracującej w funkcji czasu w warunkach chronowoltamperometrii z potencjałową falą trójkątną; (B) Przykładowa krzywa zależności rejestrowanego natężenia prądu od przyłożonego potencjału zmieniającego się w czasie jak na schemacie (A). Warto jednak zaznaczyć, że cykle zmiany kierunku polaryzacji mogą być powtarzane wielokrotnie, a szybkości zmiany potencjału ( de 1 2 / dt i de 2 1 / dt ) w obu kierunkach mogą 136

się różnić (mogą też zmieniać się nieliniowo). Zgodnie z rekomendacją IUPAC dopiero w taki sposób opisane warunki pomiarowe pozwalają na stosowanie nazwy chronowoltamperometria cykliczna. Jeżeli w roztworze elektrolitu znajduje się elektroaktywna substancja redoks, to podczas obniżania potencjału ( de 1 2 / do osiągnięcia maksimum w postaci piku dt ) elektrody pracującej następuje wzrost prądu katodowego aż i, przy charakterystycznym potencjale p c E p, c dla utlenionej formy substancji redoks (rys.7.1.1, B). Dalsze obniżanie wartości potencjału poniżej E p, c powoduje spadek natężenia prądu katodowego wskutek zubożenia przestrzeni przyelektrodowej w formę utlenioną elektroaktywnej substancji. Zmiana polaryzacji elektrody w kierunku dodatnich wartości potencjału ( powstania piku prądu anodowego de 2 1 / dt ) będzie prowadzić do i p, a również przy charakterystycznym potencjale E p, a, tym razem dla formy zredukowanej substancji redoks, powstałej w poprzednim cyklu katodowym. Jeżeli procesy utleniania i redukcji są kontrolowane szybkością dyfuzji i są odwracalne, różnica pomiędzy E p, a i p c E, powinna być opisana równaniem (20 C) [325]: E 0,058 E p, c (7.1:1) z p, a gdzie z to liczba wymienianych elektronów. Znając wartości E p, a i p c E, można również wyznaczyć ich średnią, która jest potencjałem formalnym 0 f E odwracalnego układu redoks. Wartość prądu piku anodowego lub katodowego w tych warunkach opisuje równanie Randlesa Ševcika, które tutaj jest podane dla dyfuzji liniowej [325]: 5 i p a i p c z 3 / 2 D 1/ 2 2 I aq Av 1/,, 2,69 10, ci, aq * (7.1:2) W przypadku dyfuzji sferycznej, która ma większe znaczenie dla mikroelektrod i przy dłuższych czasach polaryzacji (rozbudowana warstwa dyfuzyjna), prądy pików są nieco wyższe, a równanie 7.1:2 zawiera dodatkowo człon uwzględniający wpływ sferyczności. Substancje elektroaktywne ulegające nieodwracalnemu utlenianiu bądź redukcji (proces kontrolowany szybkością przeniesienia ładunku, a nie dyfuzją) charakteryzują się odmiennym kształtem woltamogramów. Potencjały pików anodowych i katodowych są od siebie znacznie bardziej oddalone niż to przewiduje równanie 7.1:1 (różnica potencjałów rośnie wraz ze 137

wzrostem szybkości polaryzacji), a prądy pików mogą przyjmować różne wartości (np. i p, c / i p, a 1) i rosną liniowo znacznie wolniej (lub w ogóle nie ma zależności) wraz ze wzrostem pierwiastka z szybkości polaryzacji 1/ 2 v [325]. Innym częstym zjawiskiem prowadzącym do zmiany kształtu woltamogramów jest adsorpcja na powierzchni elektrody niektórych elektroaktywnych związków organicznych lub ligandów kompleksujących kationy metali przejściowych mogących przyjmować różne stopnie utlenienia. Objawia się to wzrostem wartości prądów pików, które są wprost proporcjonalne do szybkości polaryzacji, do kwadratu z liczby wymienianych elektronów oraz stopnia pokrycia elektrody. Czym wyższy stopień pokrycia elektrody, tym różnica potencjału piku prądu anodowego i katodowego jest mniejsza niż przewiduje to równanie 7.1:1, aż do pełnego pokrycia i symetryczności pików, których szerokość powinna wynosić 0,0906/ z V. Zdecydowanie odmienne krzywe woltamperometryczne są rejestrowane dla polimerów przewodzących. Piki prądów katodowych i anodowych są rozciągnięte i o wiele mniej wyraźne lub wręcz jest niemożliwe zaobserwowanie jakichkolwiek pików (oczywiście w zakresie potencjałów, gdzie nie dochodzi do nieodwracalnego utlenienia warstwy). Można to tłumaczyć bardzo wolnymi reakcjami przeniesienia ładunku, którym towarzyszy zmiana struktury łańcuchów polimeru. Inną przyczyną może być brak ograniczeń transportowych jonów w warstwie (jak np. dla PEDOT), która wykazuje właściwości elektryczne podobne do kondensatora. Na wygląd krzywej woltamperometrycznej polimeru przewodzącego może mieć również wpływ bardzo duża liczba centrów redoks o różnym potencjale formalnym na łańcuchach o odmiennej długości. Tezę tą potwierdzają badania prowadzone na oligomerach o różnej długości łańcuchów [300]. Warto też pamiętać, że procesom utleniania i redukcji warstwy polimeru towarzyszy wymiana jonowa z sąsiadującym roztworem elektrolitu. Potencjały formalne będą zależały również od współczynników dyfuzji poszczególnych jonów, a także struktury przestrzennej polimeru i jego stopnia porowatości (sposobu otrzymania polimeru, rodzaju podłoża elektrody i stopnia jego degradacji) [315-318,321,322]. W przypadku elektrod jonoselektywnych z plastyczną membraną na odpowiedź prądową w warunkach zmienianego cyklicznie potencjału będzie miał wpływ przede wszystkim skład membrany jonoselektywnej, co potwierdzają również badania podobnych do ISE układów ITIES. Oprócz stosunku zawartości matrycy membrany (np. PCW) do plastyfikatora, który wpływa na oporność membrany, istotny jest również rodzaj soli 138

lipofilowej. Obecność w składzie membrany jonoforu wpływa na obniżenie potencjału progowego podczas polaryzacji elektrody w roztworze jonów głównych [278]. Chronowoltamperometria cykliczna jest zatem doskonałą metodą elektrochemiczną do oznaczania ilościowego i jakościowego związków elektroaktywnych poprzez możliwość ustalenia wielkości płynących prądów i potencjałów formalnych. Pozwala również na wstępne ustalenie obecności procesów adsorpcji lub zbadanie mechanizmu zachodzących reakcji związanych z przeniesieniem ładunku i ich kinetyki czy odwracalności. Metoda ta pozwala na wstępne zbadanie właściwości elektroaktywnych i jonowymiennych polimeru przewodzącego oraz oszacowanie pojemności warstwy. W przypadku elektrod jonoselektywnych metoda cyklicznej chronowoltamperometrii znajduje również zastosowanie analityczne i diagnostyczne (szybkość dyfuzji i selektywność). 7.1.2. Chronoamperometria Chronoamperometria jest metodą potencjostatyczną, która polega na przyłożeniu do elektrody pracującej wystarczająco dodatniego lub ujemnego potencjału (względem elektrody odniesienia), przy którym następuje reakcja utleniania bądź redukcji (przyłożony potencjał wyższy bądź niższy od potencjału formalnego pary redoks w roztworze elektrolitu). Wynikiem tego jest natychmiastowy wzrost odpowiednio prądu anodowego lub katodowego (płynącego pomiędzy elektrodą pracującą i pomocniczą), który zaczyna stopniowo maleć w wyniku spadku stężenia depolaryzatora w obszarze przyelektrodowym. Wartość prądu rejestrowana w funkcji czasu dla dyfuzji liniowej opisuje poniższe równanie Cottrella [325]: 1/ 2 zfad c i (7.1:3) 1/ 2 1/ 2 t które przewiduje spadek prądu do zera dla t. W przypadku mikroelektrod lub elektrod kulistych, gdzie dyfuzja ma charakter sferyczny, równanie Cottrella zawiera dodatkowy człon, który powoduje, że mierzone prądy są odpowiednio wyższe, a dla t prąd graniczny dąży do stałej wartości i zfadc / r (gdzie r to promień elektrody). Wzór 7.1:3 może być stosowany gdy procesy elektrodowe prowadzi się stosunkowo krótko (gdy promień elektrody jest znacznie większy od grubości warstwy dyfuzyjnej, czyli Dt 1/ 2 ). 139

Krzywe chronoamperometryczne i t dla procesów nieodwracalnych nie zależą od szybkości dyfuzji depolaryzatora, lecz od stałej szybkości przeniesienia ładunku i wykazują odmienny kształt. Rejestrowana wartość natężenia prądu będzie zazwyczaj niższa i uzależniona od wartości przyłożonego potencjału (wielkości nadpotencjału, którego wzrost zwykle przyspiesza nieodwracalne procesy elektrodowe). Chronoamperometria może być wykorzystywana nie tylko do badania elektroaktywnych układów w roztworze elektrolitu na elektrodzie metalicznej, ale także może być z powodzeniem stosowana do badania elektrod jonoselektywnych z membranami plastycznymi i prowadzenia pomiarów analitycznych z ich udziałem. Na odpowiedź prądową układu (oprócz oczywiście wartości narzuconego potencjału) wpływ będzie miała oporność membrany (szybkość transportu jonów) [252]. Obecność jonoforu w membranie umożliwia zmianę selektywności ISE (o ile jon przeszkadzający jest bardziej lipofilowy od głównego) za pomocą odpowiednio dobranego potencjału [134]. W przypadku układów ITIES z niskooporowymi membranami chronoamperometria znalazła zastosowanie analityczne [155,170,264,274]. Odmianą opisywanej metody jest używana również w niniejszej pracy normalna woltamperometria pulsowa, która została opisana w rozdziale 3.2.1.3 na przykładzie oznaczania jonów przy użyciu elektrody jonoselektywnej z roztworem wewnętrznym [134]. Technika ta została opracowana jeszcze w czasach, kiedy najczęściej stosowaną metodą w analizach elektrochemicznych była polarografia (z liniową zmianą potencjału), a elektrodą pracującą była wisząca kroplowa elektroda rtęciowa (WKER). W celu obniżenia udziału prądów pojemnościowych (ładowanie podwójnej warstwy elektrycznej) w całkowitym sygnale, który pozostawał na wysokim poziomie wraz ze wzrostem objętości i powierzchni kropli rtęci, opracowano metodę pulsową, dzięki której pomiar prądu następował pod koniec krótkiego (często mniej niż sekunda) pulsu prądu. Kształt fali rejestrowanego prądu w funkcji rosnącego potencjału (w postaci pulsów) dla badanego procesu elektrodowego jest podobny jak w polarografii, z tym że odczyty wartości natężenia prądów faraday owskich są odpowiednio wyższe, co czyni tą metodę dokładniejszą i czulszą. 7.1.3. Chronopotencjometria Chronopotencjometria jest metodą galwanostatyczną, która polega na wywołaniu przepływu prądu o stałym natężeniu pomiędzy elektrodą pomocniczą i pracującą oraz pomiarze potencjału w czasie elektrody wskaźnikowej względem elektrody odniesienia. 140

Rejestrowana zależność E t w postaci krzywej chronopotencjometrycznej zazwyczaj zmienia się raptownie na początku eksperymentu, po czym potencjał ustala się blisko potencjału formalnego badanego układu redoks. Płynący prąd anodowy (katodowy) powoduje powolny spadek stężenia formy zredukowanej (utlenionej) pary redoks i jednoczesny wzrost stężenia formy utlenionej (zredukowanej). Zmiany stężeń obu form zmieniają w niewielkim stopniu również potencjał elektrody pracującej aż do czasu wyczerpania w obszarze przyelektrodowym depolaryzatora, co prowadzi do nagłego skoku potencjału. Czas, po którym stężenie formy zredukowanej (utlenionej) spada do zera jest określany czasem przejścia i opisywany jest równaniem Sanda [325]: 1/ 2 1/ 2 1/ 2 zfd ca (7.1:4) 2i Powyższy wzór obowiązuje dla dyfuzji liniowej depolaryzatora do powierzchni elektrody. W przypadku prądów o małej gęstości i dla elektrod o mniejszych rozmiarach czas przejścia pojawia się później i powyższy wzór zawiera dodatkowy człon uwzględniający wpływ sferyczności. W skrajnych przypadkach, kiedy i zfdc / 4r czas przejścia nie zostanie osiągnięty. Pomiar czasu przejścia za pomocą wzoru Sanda 7.1:4 nie pozwala odróżnić procesu odwracalnego od nieodwracalnego. Jednak żeby mógł płynąć narzucony prąd o odpowiednim natężeniu i proces utleniania lub redukcji zachodził stosownie szybko, potencjał musi przyjmować odpowiednio wyższą lub niższą wartość. Dlatego podczas nieodwracalnych procesów utleniania bądź redukcji krzywa chronopotencjometryczna będzie odpowiednio przesunięta w kierunku wyższych lub niższych wartości potencjału [325]. Chronopotencjometria, tak samo jak chronoamperometria, może być wykorzystywana do badania elektrod jonoselektywnych z membranami plastycznymi. Czasy przejścia opisywane równaniem Sanda, przy wystarczająco stężonym roztworze elektrolitu i kontakcie o wysokiej pojemności, są związane z dyfuzją lub migracją posiadających ładunek cząsteczek w membranie i lokalnymi spadkami ich stężenia do zera. Dzięki tej metodzie możliwe jest badanie jakości kontaktu (jego pojemności) lub procesów dyfuzji i migracji różnych indywiduów w membranie jonoselektywnej, jak jonów, jonoforów, czy wymieniacza jonowego [270,271]. W przypadku stosowania chronopotencjometrii pulsowej, która została opisana w rozdziale 3.2.2, jest możliwe stosowanie elektrod jonoselektywnych z membraną plastyczną 141

zawierającą lipofilową sól ( R R ) jako sensorów z regulowaną selektywnością (w zależności od wielkości natężenia prądu pulsu) [127], a także do oznaczania całkowitego stężenia kompleksowanych jonów w roztworze [99,263]. Modyfikacje chronopotencjometrii pulsowej pozwalają na jeszcze czulsze oznaczanie jonów oraz wyznaczania niezafałszowanych współczynników selektywności [128,130,135]. 7.1.4. Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna Metoda elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (electrochemical impedance spectroscopy, EIS) polega na przyłożeniu do elektrody pracującej sinusoidalnie zmieniającego się potencjału E (względem elektrody odniesienia), co generuje odpowiedź w postaci również sinusoidalnie zmieniającego się w czasie prądu i płynącego w obwodzie z elektrodą pomocniczą. Funkcję zaburzenia może pełnić także prąd, a wówczas odpowiedzią będzie odpowiednio zmieniający się w czasie potencjał. Układ pobudzony potencjałem zmieniającym się w czasie z częstotliwością ( E E sin t prądową o tej samej częstotliwości ( i i sin t 0 ) wytwarza odpowiedź 0 ), ale przesuniętą w fazie o wielkość ( E 0 i i 0 to średnie wartości potencjału i prądu). Jeżeli amplituda zmian potencjału będzie stała i niezależna od częstotliwości, to wartość natężenia prądu i oraz przesunięcia fazowego będzie zależała tylko od rodzaju obwodu elektrycznego, jego budowy, właściwości i użytych materiałów. Stosunek sygnału odpowiedzi (np. zmienny w czasie prąd przesunięty w fazie) do sygnału pobudzenia (np. zmienny w czasie potencjał) jest charakterystyczną dla danego układu funkcją przenoszenia, która w tych warunkach zwana jest impedancją Z : Z E( t) i( t) E0 sin t sin t Z 0 (7.1:5) i sin t sin t 0 Powyższe wartości zmiennego w czasie potencjału i prądu można zapisać również w postaci jt zespolonej ( E E e ; postaci: 0 t j i i0 e ), co prowadzi do zapisu impedancji w następującej 142

E e jt 0 j Z jt Z 0e (7.1:6) i0e 2 gdzie j oznacza jednostkę urojoną spełniającą warunek 1 j ; j 1 2. Impedancję, jak każdą liczbę zespoloną, można przedstawić w postaci sumy części rzeczywistej ( Z ' - rezystancji) i urojonej ( Z " - reaktancji): Z Z ' iz" (7.1:7) Odwrotnością impedancji jest admitancja Y, która określa całkowite przewodnictwo obwodu prądu przemiennego i, tak jak w poprzednim przypadku, składa się z części rzeczywistej (konduktancji) oraz urojonej (suspektancji). Obie wielkości wykazują właściwości wektorowe. W przypadku impedancji zapis wektorowy w płaszczyźnie zespolonej będzie następujący: Z Z 0 cos isin (7.1:8) gdzie składowa wektora Z 0 jest dla danej wartości amplitudy stałą wartością modułu wektora impedancji z nieskończenie różnymi wartościami jego argumentu w zależności od częstotliwości, czyli od składowych wektora rezystancji Z' Z 0 cos i reaktancji Z" Z 0 sin. Wartość Z 0 można obliczyć w prosty sposób z prawa Pitagorasa ( 2 2 Z 0 Z' Z" ) lub funkcji trygonometrycznych (np. sin Z"/ Z 0 ). Zależność powyżej opisanego wektora impedancji (czyli kąta fazowego ) od częstotliwości przyłożonego napięcia pozwala na otrzymanie charakterystycznego widma impedancyjnego odwodu, które się zazwyczaj przedstawia na tzw. wykresie Nyquista, gdzie na osi rzędnych umieszcza się część urojoną impedancji (zwykle wartości ujemne Z" ), a na osi odciętych część rzeczywistą ( Z ' ).Innym sposobem prezentacji wyników pomiaru jest tzw. wykres Bode ego, gdzie przedstawia się dwie krzywe: zależność logarytmu modułu impedancji i przesunięcia fazowego w funkcji częstotliwości. 143

Rys. 7.1.2. Schematy odpowiedzi obwodu na wykresach Nyquista, gdy jedynym elementem obwodu jest (A) opornik, (B) idealny kondensator, (C) impedancja Warburga. Interpretacji widma oraz zachodzących procesów elektrochemicznych mierzonego układu dokonuje się znacznie łatwiej, jeżeli przyporządkuje się modelowy obwód zastępczy (oporniki i kondensatory połączone w różnych kombinacjach), dla którego rejestruje się analogiczne widmo impedancyjne. Dla opornika impedancja zawiera tylko składową rzeczywistą równą jego oporności: Z Z' R (7.1:9) i nie zależy od częstotliwości (rys. 7.1.2, A), co jest jednoznaczne z brakiem przesunięcia fazowego (zależność typowa dla prawa Ohma). Natomiast w przypadku idealnego kondensatora impedancja posiada tylko składową urojoną: Z" j / C 1/ jc (7.1:10) gdzie odpowiedź prądu jest w fazie opóźniona o 90 (π/2) w stosunku do pobudzenia układu potencjałem. Jak wynika z powyższej zależności składowa urojona maleje wraz ze wzrostem częstotliwości (rys. 7.1.2, B). Następnym, bardzo często spotykanym elementem jest impedancja Warburga Impedancja Z W, która wynika z ograniczeń dyfuzyjnych depolaryzatora. Z W pojawia się przy niskich częstotliwościach, gdzie zmiana kierunku polaryzacji elektrody jest na tyle wolna, że szybkość dyfuzji staje się limitującym efektem wpływającym na intensywność zachodzących procesów elektrochemicznych. Występująca w niej składowa rzeczywista i urojona, są sobie równe: 144

Z W Z Z" Z / Z / j (7.1:11) ' 0 0 gdzie Z 0 jest współczynnikiem Warburga Z 2 2 2 2 ( RT / z F A 2)(1/ D c 1/ D c ), 0 OX OX RED RED co na wykresie Nyquista objawia się prostą linią o nachyleniu 45 (rys. 7.1.2, C). Ostatnim, rzadziej spotykanym elementem, jest element stałofazowy CPE) 1 Z CPE n Z CPE (constant phase element, Q j (7.1:12) 0 ( Q 0 1/ Z gdy 1rad/s), który w zależności od wykładnika potęgowego n ( 0 n 1) może opisywać odpowiedź typową dla kondensatora, opornika lub impedancji Warburga. Rys. 7.1.3. Przykładowe schematy połączeń elementów obwodu oraz odpowiadające im wykresy Nyquista. 145

Metoda EIS umożliwia badanie obwodu przy użyciu potencjału oscylującego wokół wartości E 0, w którym elektroda pracująca jest w stanie równowagi bądź jest spolaryzowana, dzięki czemu jest możliwe badanie różnych reakcji elektrodowych i procesów w półogniwie. Stosując różne częstotliwości można wyodrębnić z zarejestrowanego sygnału impedancji składowe odpowiadające procesom zachodzącym w poszczególnych obszarach półogniwa, jak np. reakcje przeniesienia elektronu lub procesy dyfuzji, czy wpływ elektrolitu. Procesy zachodzące jednocześnie można potraktować jako ułożone równolegle elementy obwodu (opornik i/lub kondensator), natomiast procesy odseparowane przestrzennie wymagają umieszczenia elementów w obwodzie zastępczym szeregowo. Rysunek 7.1.3 przedstawia przykłady połączeń elementów obwodu i odpowiadające im wykresy Nyquista. Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna jest stosowana m.in. do badania elektrod jonoselektywnych, powłok kompozytów zawierających polimery przewodzące jako warstwy antykorozyjne lub polimerów przewodzących elektroosadzanych na przewodnikach elektrycznych przeznaczonych do konstrukcji ISE-ASS lub warstw receptorowych w innego rodzaju czujnikach [321-323]. 7.1.5. Spektrometria mas z ablacją laserową i jonizacją w plazmie indukcyjnie sprzężonej (LA-ICP-MS) Metoda badawcza LA-ICP-MS (Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) posiada wiele zalet, które mimo kosztów związanych z zakupem kompletnego zestawu pomiarowego i prowadzeniem analiz, stanowią o wyborze tej techniki do przeprowadzenia badań jakościowych i/lub ilościowych w próbkach właściwie dowolnego pochodzenia i konsystencji. Do niewątpliwych zalet LA-ICP-MS należy wysoka selektywność metody, czułość (do analizy wystarczą bardzo małe ilości materiału) oraz niska granica wykrywalności (pg/dm 3 ). Metoda pozwala na oznaczania wielu pierwiastków podczas trwania jednej analizy, a także umożliwia przestrzenne określenie ich zawartości w fazie stałej. Dodatkowo próbki do analizy nie wymagają wstępnego przygotowywania (np. przeniesienia do roztworu wodnego). W metodzie LA-ICP-MS, w przeciwieństwie do technik elektrochemicznych, materiał poddany analizie nie musi charakteryzować się przewodnością elektryczną, a na sygnał analityczny nie wpływają dodatkowo żadne czynniki fizyczne, jak np. pojemność, oporność i/lub pojawiające się potencjały dyfuzyjne lub na granicach faz [327,328]. 146

Analiza rozpoczyna się od wytworzenia aerozolu, czyli zawieszonych fragmentów badanego ciała stałego lub ciekłego w gazie nośnym (zazwyczaj oczyszczony argon). W przypadku ciał stałych lub ciekłych o bardzo wysokiej gęstości stosuje się ablację laserową (Laser Ablation, LA) polegającą na oddziaływaniu zogniskowanej wiązki promieniowania laserowego o wysokiej energii na powierzchnię badanego materiału w tzw. komorze ablacyjnej. Dzięki niej kolejne małe próbki materiału są odparowywane z coraz większej głębokości, co pozwala na analizę przestrzenną. W celu uzyskania optymalnych wyników, w zależności od m.in. rodzaju badanego materiału, stosuje się wiązkę lasera pracującą w sposób ciągły lub impulsowy (rys. 7.1.4) [327,328,329]. Rys. 7.1.4. Zdjęcie krateru po ablacji wiązką lasera pracującego (A) w sposób impulsowy (liczba impulsów od 15 do 135; zdjęcie wykonane za pomocą ATM) [329] lub (B) i (C) w sposób ciągły po różnym czasie (zdjęcie wykonane kamerą CCD) [328]. W przypadku elektrod jonoselektywnych ablacji może być poddana sama membrana lub membrana wraz ze stałym kontaktem, np. polimerowym (po odpowiednim kondycjonowaniu, pomiarze potencjometrycznym lub innym eksperymencie). Do badania plastycznych membran z polichlorku winylu zazwyczaj stosuje się wiązkę lasera pracującego w sposób impulsowy. Odpowiednio dobrane warunki pozwalają na otrzymanie odtwarzalnych wyników przy jednoczesnym zachowaniu sygnału na zadowalającym poziomie. Impulsy wiązki laserowej o małej częstotliwości i średnicy powodują odparowanie zbyt małych ilości porcji próbki i zbyt niską intensywność sygnału. Natomiast wyższe ww. parametry skutkują zbyt szybkim odparowaniem warstw materiału i słabą rozdzielczością wyników. Należy pamiętać, że głębsze warstwy odparowywanego materiału przy źle dobranych parametrach wiązki lasera 147

mogą być zanieczyszczone również jej płytszymi warstwami, gdyż wtedy wiązka laserowa w większym stopniu odparowuje również brzegi utworzonego krateru ablacyjnego. Rys. 7.1.5. Schemat zestawu pomiarowego LA-ICP-MS [327]. Po ablacji, w następnym etapie odparowana próbka w postaci wytworzonego aerozolu transportowana jest do plazmy indukcyjnie sprzężonej (ICP), gdzie pod wpływem wysokiej temperatury plazmy ogrzanej indukcyjnie ulega atomizacji i jonizacji (rys. 7.1.5). Tak otrzymany wysoko zjonizowany gaz (plazma) o wypadkowym ładunku elektrycznym równym zero przechodzi do spektrometru masowego (MS), gdzie poszczególne jony są rozdzielane za pomocą separatora mas zgodnie ze stosunkiem ich masy do ładunku. Najbardziej rozpowszechnionym separatorem mas jest analizator kwadrupolowy (Quadruple Mass Spectrometry, QMS), którego schemat przedstawiono na rys. 7.1.6. Najważniejszym elementem konstrukcyjnym analizatora jest zestaw czterech elektrod o kształcie walca, które są naprzemiennie spolaryzowane dodatnio lub ujemnie. Wartość przyłożonego napięcia składa się z części stałej U oraz zmiennej w czasie składowej V ' V cost. W wytworzonym polu kwadrupolowym o wysokiej częstotliwości, przy ustalonych wartościach U i V ', tylko jeden rodzaj jonów o określonym stosunku masy do ładunku wykazuje stabilny tor ruchu i może trafić do detektora jonów [327,330]. 148

Rys. 7.1.6. Schemat obrazujący zasadę działania spektrometru mas z analizatorem kwadrupolowym [330]. 7.2. Metodyka, aparatura i odczynniki 7.2.1. Metodyka Wszystkie wykorzystywane w pracy naczynia pomiarowe były szklane. Przed pomiarami wszystkie naczynia i elektrody były dokładnie myte alkoholem etylowym (oprócz elektrody odniesienia) oraz wodą destylowaną. Elektrody pracujące o średnicy 3mm z węgla szklistego były polerowane na specjalnym podłożu filcowym z dodatkiem ziaren tlenku glinu o średnicy 0,3μm. Warstwy polipirolu, w zależności od potrzeb (dokładne warunki opisane w każdym rozdziale z osobna), były otrzymywane potencjostatycznie lub galwanostatycznie na elektrodach z węgla szklistego aż do uzyskania ładunku polimeryzacji 100mC (1,4 C/cm 2 ), 200mC (2,8mC/cm 2 ) lub 250mC (3,5mC/cm 2 ). Uzyskana w ten sposób warstwa posiadała grubość (zakładając gęstość warstwy 1g/cm 3 i 2,3 elektrona na przyłączoną cząsteczkę pirolu) odpowiednio około 5, 10 lub 12µm. Następnie otrzymaną warstwę spłukiwano wodą destylowaną i usuwano nadmiar wody chusteczką. Na otrzymaną warstwę polimeru przewodzącego nakładano za pomocą pipety automatycznej koktajl tetrahydrofuranu (THF) wraz z rozpuszczonymi składnikami membrany o objętości od 30 do 60µl. Po wyschnięciu na powietrzu (30-60 minut) elektroda typu SC-ISE była gotowa do użycia. 149