MEMBRANOWE ELEKTRODY JONOSELEKTYWNE I ICH ZASTOSOWANIE W ANALITYCE

MEMBRANOWE ELEKTRODY JONOSELEKTYWNE I ICH ZASTOSOWANIE W ANALITYCE Membranowe elektrody jonoselektywne (EJS) stanowią ważną i w chwili obecnej coraz szerzej stosowaną grupę czujników chemicznych. Wielkość przekazywanego przez czujnik sygnału zależy liniowo od logarytmu aktywności jonu w roztworze. Atrakcyjność elektrod jonoselektywnych wynika z możliwości bezpośredniego pomiaru, a więc szybkiej analizy, z możliwości monitorowania poziomu stężeń, z różnorodności oznaczeń (kationy wielu metali, aniony, niektóre substancje gazowe oraz związki organiczne, jak np. glukoza, salicylany, antybiotyki i związki powierzchniowo czynne), z możliwości tworzenia kompletnych systemów kontroli, tzn. budowania analizatorów wykonujących jednocześnie kilka oznaczeń: np. ph, pca, pk, pna w osoczu krwi. Miniaturyzacja czujników (mini- i mikroelektrody) umożliwia pomiar nawet w bardzo małej objętości oznaczanego materiału, rzędu kilku pl. Możliwe są zarówno pomiary in vivo, jak i in vitro, gdyż pomiar nie niszczy próbki. Pierwszą membranową elektrodą jonoselektywną była elektroda szklana, przeznaczona do pomiarów ph, skonstruowana w 1909 roku m.in. przez Polaka, Klemensiewicza. Zmieniając skład szkła, można otrzymać membrany selektywne na jony metali pierwszej grupy: Li +. Na + lub K +. Wadą elektrod szklanych jest kruchość materiału, z którego są zbudowane, ograniczająca ich stosowanie, szczególnie w pomiarach in vivo oraz często niewystarczająca selektywność. Duża oporność membrany, rzędu kilkudziesięciu lub nawet kilkuset MQ, sprawia, że elektrody te wymagają czułych potencjometrów o bardzo dużej oporności wejściowej. Kolejnym etapem w konstrukcji elektrod jonoselektywnych były elektrody krystaliczne homogeniczne, zaproponowane w latach 60. przez Pungora. Aktywnym materiałem jest w nich trudno rozpuszczalna w wodzie sól w postaci monokryształu lub pastylki otrzymanej przez sprasowanie mieszaniny krystalicznych związków jonowych. Taka membrana jest czuła na jeden z jonów lub kilka jonów zawartych w pastylce. Przykładem może być elektroda fluorkowa, skonstruowana w 1966 roku, w której materiałem elektrodowym jest fluorek Lantanu(III). Dzięki defektom sieci krystalicznej występującym w kryształach jony fluorkowe są ruchome (LaF 3 + defekt sieci = LaF + 2 + F - ), a przewodnictwo tego materiału wynosi ok. 3 105 S/m. Rozdzielone ładunki na granicy faz membrana elektrody/roztwór wodny umożliwiają wymian anionów F - z roztworem. Krystaliczna membrana jest przepuszczalna tylko dla jonów fluoru, a więc jest F - selektywna. Jedynie jony OH -, reagując z lantanem(iii), zakłócają pracę tej elektrody. Elektrody krystaliczne są z reguły wysoce selektywne. Ich wadą jest trudność otrzymania odpowiedniego monokryształu, czy też kłopotliwe otrzymywanie pastylki zawierającej mieszaninę kryształów. Przykłady krystalicznych elektrod jonoselektywnych podaje tabela 1. W elektrodach krystalicznych heterogenicznych substancją aktywną jest wymieniacz jonowy lub trudno rozpuszczalna sól (stanowiące około 50% składu membrany), zdyspergowane w obojętnej hydrofobowej matrycy: gumie silikonowej, parafinie lub polietylenie. Elektrody heterogeniczne mogą wykazywać selektywność na kationy, bądź aniony 1

w zależności od użytej substancji aktywnej. Ich wadą jest pęcznienie membrany i adsorpcja powierzchniowa jonów, wynikająca z niewystarczającej hydrofobowości membrany. W 1967 roku W. Simon i Z. Stefanac zaproponowali elektrodę do oznaczania jonów potasu, w której substancją aktywną był naturalny makrocykliczny antybiotyk walinomycyna kompleksujący selektywnie jony potasu. Był to początek elektrod z tzw. pseudocieklą membraną z polichlorku winylu (PCW) zmiękczonego odpowiednim plastyfikatorem, zawierającą jako substancję aktywną nośnik jonów zwany jonoforem. Tabela 1.Przykłady krystalicznych elektrod jonoselektywnych Oznaczany jon I Materiał Zakres pomiarowy a I membrany F - LaF 3 10-6 - 1 Cl - Ag 2 S/AgCI 10-5 - 1 Br - Ag 2 S/AgBr 10-6 - 1 I - Ag 2 S/Agl 10-7 - 1 CN - Ag 2 S/Agl 10-6 - 10-2 S 2- Ag 2 S 10-7 - 1 Ag + Ag 2 S 10-7 - 1 Cd 2+ CdS/Ag 2 S 10-7 - 1 Cu 2+ CuS/Ag 2 S 10-8 - 1 Pierwszymi jonoforami zastosowanymni w pseudociekłych elektrodach jonoselektywnych były znane związki naturalne; np. walinomycyna, kompleksująca selektywnie jony potasu, oraz makrotetrolidy: nonaktyna i monaktyna, selektywne na jony NH 4 +. Obecnie obok walinomycyny coraz częściej stosuje się jako jonofory związki otrzymywane syntetycznie, cykliczne polietery lub związki acykliczne, np. podandy z grupy amidów, a także modyfikowane kaliksareny. Wszystkie substancje jonoforowe charakteryzują się obecnością ugrupowań polarnych (potencjalnych centrów koordynacji) oraz niepolamych, zapewniających dobrą rozpuszczalność i ruchliwość w niepolarnej membranie. Niektóre z tych związków są przedstawione na rysunku 1. W chwili obecnej tego typu membranowe elektrody jonoselektywne mają mocno ugruntowaną pozycję, umożliwiają wygodną i prostą kontrolę stężeń (aktywności) wielu jonów nieorganicznych, a także jonów organicznych w roztworach wodnych. Znajdują coraz szersze zastosowanie w analizie biomedycznej: w chemii klinicznej i neurofizjologii (analiza płynów ustrojowych), w przemyśle spożywczym oraz ostatnio w ochronie środowiska (analiza i monitoring wód gruntowych, ścieków itp.). Opracowywane i udoskonalane są elektrody membranowe do oznaczania aktywności jonów litu, sodu, potasu, amonu, magnezu, wapnia, baru, kadmu, ołowiu, a także obojętnych cząsteczek gazowych i niektórych związków organicznych. Nowością w dziedzinie czujników potencjometrycznych są czujniki gazowe i bioczujniki, czyli elektrody enzymatyczne. Ich konstrukcja może być oparta na elektrodach z membranami pseudociekłymi, szklanymi lub krystalicznymi. Cząsteczki oznaczanego gazu (CO 2, SO 2 lub NH 3 ) dyfundują z analizowanego roztworu przez hydrofobową membranę 2

wykonaną najczęściej z politetrafluoroetylenu (PTFE) lub gum silikonowych, do części zawierającej roztwór elektrolitu stykający się bezpośrednio z jonoselektywną elektrodą, czułą np. na jony wodorowe lub NH 4 +. Oznaczane gazy reagują z wodą, w wyniku czego zmienia się ph roztworu będącego w kontakcie z czujnikiem jonów hydroniowych. Membranowe elektrody enzymatyczne służą do oznaczania związków będących substratami specyficznych reakcji enzymatycznych. Działanie tych elektrod polega na oznaczaniu jonu, który powstaje w wyniku reakcji enzymatycznej. Jedno z typowych rozwiązań konstrukcyjnych polega na umieszczeniu enzymu na powierzchni membrany elektrody. Po zanurzeniu czujnika w badanym roztworze na powierzchni membrany zachodzi odpowiednia reakcja enzymatyczna, np. rozkład mocznika pod wpływem enzymu ureazy: ( ) Produkty tej reakcji są wykrywane przez właściwe urządzenie czujnikowe. Walinomycyna (K +) Nonaktyna (NH 4 + ) Pochodna kaliks[4]arenu (Pb 2+ ) Pochodne kaliks[4]arenu (Na + ) Rysunek 1. Naturalne i syntetyczne jonofory stosowane w EJS 3

Budowa pseudociekłych elektrod membranowych i zasada ich działania Przygotowanie membrany elektrody. Składniki membrany: polimer (PCW), plastyfikator i jonofor odważa się bardzo dokładnie i rozpuszcza w 2 ml tetrahydrofuranu (THF), mieszając do uzyskania klarownego roztworu. Roztwór ten wylewa się na płytkę ograniczoną szklanym pierścieniem. Po odparowaniu rozpuszczalnika otrzymuje się elastyczną, przeźroczystą membranę o grubości ok. 0,2 mm. Stężenie jonoforu w membranie jest rzędu 0,01-0.1 mol/dm. Tak przy gotowaną membranę montuje się do korpusu elektrody jonoselektywnej. Jonofor dzięki właściwości selektywnego kompleksowama powoduje ekstrakcję wybranych jonów z roztworu wodnego do lipofilowej membrany, w obrębie której transportowany jest powstały kompleks jonoforu z jonem. Zasada działania elektrod jonoselektywnych oparta jest na ekstrakcji oznaczanego jonu z roztworu próbki badanej do membrany elektrody i jego transporcie w membranie. Powoduje to wytworzenie różnicy potencjałów po obu stronach membrany, tzw. potencjału membranowego. Zachodzące procesy są rejestrowane w postaci sygnału potencjałowego. Jonoselektywny czujnik składa się z elektrody jonoselektywnej i elektrody odniesienia chlorosrebrowej lub kalomelowej. Elektroda odniesienia posiada płaszcz zewnętrzny pełniący rolę klucza elektrolitycznego zawierający 1M roztwór elektrolitu, np. NH 4 NO 3, CH 3 COOLi, KCl, nie przeszkadzającego w analizie. Obie elektrody zanużone są w roztworze próbki - rys. SEM elektroda odniesienia elektroda jonoselektywna elektrolit wewnętrzny elektrolit wewnętrzny diafragma, spiek Rysunek 2. Schemat układu pomiarowego (ogniwa) membrana jonoselektywna 4

Potencjał elektrody membranowej zmienia się wraz ze zmianą stężenia (aktywności) jonów w badanym roztworze, zależność tą można opisać równaniem Nernsta Równanie to dotyczy warunków idealnych, tzn. roztworu zawierającego jeden rodzaj jonów (I). W praktyce należy uwzględniać aktywność wszystkich jonów obecnych w badanej próbce. Półempiryczne równanie Nikolskiego-Eisenmana rozwiązuje ten problem: ( ) ( ) gdzie a I i z I to aktywność i ładunek mierzonego jonu, R to stała gazowa, T temperatura w skali Kelvina i F stała Faradaya, E 0 zawiera wszystkie potencjały zależne od używanego układu pomiarowego, elektrody odniesienie itd. jako stałe, S to nachylenie (czułość) zgodne z pot równaniem Nernsta, K IJ to potencjometryczny współczynnik selektywności, a J aktywność jonu przeszkadzającego, L granica wykrywalności jonu głównego. Dla wielu zastosowań aktywność jonu można zastąpić stężeniem jonu, jednak w specyficznych przypadkach np. pomiary w płynach fizjologicznych, nie można zastępować aktywności, stężeniem jonu. Zależność pomiędzy aktywnością i stężeniem jest następująca: gdzie f jest parametrem zwanym współczynnikiem aktywności. Wartość f zależy od stężenia roztworu. Dla roztworów elektrolitów rozcieńczonych wartość f jest mniejsza od 1 i w miarę rozcieńczania roztworu dąży do jedności. Wzór Debye'a i Huckla umożliwia obliczanie współczynników aktywności, uwzględniając siłę jonową roztworu I oraz szereg innych parametrów, istotnych dla roztworów o większych stężeniach. ( ) Współczynniki A i B zależą od rozpuszczalnika i temperatury. Dla roztworów wodnych i temperatury 25 C: A=-0,509, B=0,328. Parametr a i C to stale wyznaczone eksperymentalnie. Istnieją również inne równania umożliwiające oszacowanie współczynnika aktywności (np. równanie Pitzera), a także programy komputerowe (PHREEQC 2.17, Visual MINTEQ), które ułatwiają szacowanie współczynnika aktywności nawet dla skomplikowanych roztworów. 5

Tabela 2.Średnie wartości współczynników aktywności wybranych elektrolitów w roztworach wodnych w temperaturze 25 C Elektrolit Stężenie c 0,001 0,01 0,1 KCI 0.965 0,901 0,770 NaCI 0,966 0,904 0,778 LiCI 0,963 0,890 0,780 CaCl 2 0,890 0,725 0,515 Sporządzenie charakterystyki elektrody polega na wyznaczeniu krzywej kalibracyjnej, czyli wykresu zależności potencjału elektrody E=f(log(a)). Z wykresu wyznacza się granicę wykrywalności jonu (DL) (zgodnie z IUPAC, granica wykrywalności jest definiowana jako punkt przecięcia przedłużeń odcinków liniowych wykresu Rysunek 3), zakres prostoliniowy charakterystyki oraz odczytuje się nachylenie S, tj. zmianę potencjału elektrody w zakresie liniowym przy 10-krotnej zmianie aktywności. Selektywność elektrody to właściwość określająca jej zdolność do wybiórczego reagowania na stężenie jonu głównego w obecności innych jonów w mieszaninie. Miarą selektywności elektrody są współczynniki selektywności K IJ pot. Mała wartość liczbowa współczynnika selektywności oznacza wysoką selektywność na jony (I), np. = 0,001 oznacza, że jon główny (I) przy tysiąckrotnie mniejszej aktywności niż aktywność jonu (J) wygranica wykrywalności Rysunek 3. Wyznaczanie granicy wykrywalności Współczynniki selektywności 6

tworzy taki sam potencjał jaki wytwarza jon przeszkadzający. Jeśli wartość K pot IJ = 1, wówczas aktywność jonów głównego i przeszkadzającego jednakowo wpływa na potencjał elektrody. Czasami może to być zaletą, jak np. w przypadku elektrody selektywnej zarówno na jony wapnia i magnezu, używanej do oznaczania twardości wody, pozwalającej na oznaczanie sumy Ca 2+ i Mg 2+. Istnieje kilka metod określania współczynników selektywności Poniżej przedstawione są trzy o największym praktycznym znaczeniu. 1. Metoda z ustalonym stężeniem jonu interferującego FIM (Fixed Interference Method) Polega na zbadaniu charakterystyki elektrody dla jonu I przy stałym, określonym stężeniu jonu przeszkadzającego J (najczęściej a = J 0,01 lub 0,1 M). Z wykresu zależności E=f(log(a I )) (aktywność jonu głównego) wyznacza się wartość a I graficznie (analogicznie jak granicę wykrywalności, Rysunek 3.) i oblicza wartość współczynnika wg wzoru: ( ) 2. Metoda oddzielnych roztworów (SSM) [59], polega na oddzielnych pomiarach w roztworach poszczególnych jonów i porównywaniu wartości potencjałów odpowiadających tym samym aktywnościom jonowym, współczynnik aktywności obliczamy z następującego wzoru: ( ) ( ) ( ) ( ) Techniki analityczne z zastosowaniem elektrod jonoselektywnych. Przykłady zastosowań. a) Techniki analityczne metoda krzywej wzorcowej polega na zanurzeniu obu elektrod ogniwa w pomiarowego badanym roztworze i odczytaniu SEM, a następnie odczycie stężenia substancji oznaczanej z krzywej wzorcowej (wcześniej przygotowanej). Jest to metoda najprostsza, lecz wrażliwa na obecność substancji przeszkadzających, tzw. efekt matrycy metoda roztworów ograniczających pomiar dokonujemy tak samo jak w metodzie krzywej wzorcowej, z tą różnicą, że wynik odczytujemy na podstawie dwóch punktów krzywej wzorcowej, pomiędzy którymi znajduje się odczyt dla próbki. Wymagana jest znajomość, w jakim zakresie znajduje się stężenie w badanej próbce, technika także przydatna w zakresie gdzie odpowiedz elektrody odbiega od liniowości metoda jednokrotnego dodatku wzorca wymaga wykonanie dwóch pomiarów, pierwszy w badanej próbce, drugi po dodaniu ściśle określonej objętości roztworu wzorcowego oznaczanej substancji.. Niezbędna jest znajomość objętości badanej próbki, objętości i stężenia wzorca oraz nachylenie charakterystyki elektrody. 7

Metoda jest bardziej pracochłonna niż w przypadku krzywej wzorcowej, jednak pozwala w pewnym stopniu wyeliminować efekt matrycowy. metoda dwukrotnego, wielokrotnego dodatku wzorca, metoda ekstrapolacyjna Grana metoda podobna do metody jednokrotnego dodatku wzorca, lecz zakładająca kilkukrotny jego dodatek. Stężenie badanej substancji wyznacza się zazwyczaj metoda graficzną. Metody zazwyczaj stosowane przy bardzo niskich stężeniach lub w przypadku bardzo skomplikowanej matrycy, w celu uniknięcie jej wpływu. b) przykłady zastosowań potencjometryczne wykrywanie PK w różnych miareczkowaniach pomiary ph bezpośrednie oznaczanie niektórych jonów badania naukowe (wyznaczanie stałych kompleksowania, wyznaczanie stałych dysocjacji itp.) diagnostyka medyczna kontrola i monitoring zanieczyszczeń środowiska kontrola procesów technologicznych zastosowanie jako detektory w chromatografii i analizie wstrzykowej Ogólnie, metody potencjometryczne można stosować wszędzie tam, gdzie wymagana jest szybkość pomiaru, duża selektywność, możliwość automatyzacji, konieczność pracy w przepływie, małe rozmiary czujnika. Wszystkie te cechy sprawiają, że czujniki potencjometryczne cały czas są rozwijane i szukane są dla nich nowe zastosowania. W stosunkowo prosty sposób można wykorzystać EJS do monitoringu środowiska czy kontroli procesów technologicznych w systemie IN-LINE i ON-LINE. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest wyznaczenia parametrów (tj. współczynników selektywności, czułości, granicy wykrywalności) elektrod jonoselektywnych i oznaczenie zawartości wybranych jonów w wodzie mineralnej. Wykonanie ćwiczenia Studenci otrzymają dwie elektrody jonoselektywne wskazane przez prowadzącego ćwiczenia (K +, Na +, Ca 2+, Pb 2+, ClO 4 -, F - ). 8

Z roztworów podstawowych o stężeniu 1M należy przygotować w kolbkach o pojemności 100ml (lub 50ml) roztwory o stężeniach 10-1 M, 10-2 M, 10-3 M, 10-4 M, 10-5 M, 10-6 M. Prowadzący ćwiczenia wskaże roztwory, których jonów należy przygotować. Wykorzystując przygotowane roztwory przygotować krzywe kalibracyjne poszczególnych elektrod zanurzając elektroda odniesienia i elektrodę wskaźnikową w przygotowanych roztworach i wykonać pomiar potencjału. Pomiary potencjału wykonać zaczynając od najniższego stężenia. Po wykonaniu pomiarów krzywej kalibracyjnej dla jednego jonu elektrody należy obmyć kilkukrotnie wodą destylowaną i wykonać krzywą kalibracyjną dla jony następnego. Po przygotowaniu krzywych kalibracyjnych wykonać oznaczenia (pomiar potencjału elektrody wskaźnikowej) zawartości jonów (oznaczane jony w zależności od przydzielonych elektrod jonoselektywnych) w wodzie mineralnej (dostarczonej przez prowadzącego). Opracowanie wyników 1. Przygotować wykresy dla poszczególnych elektrod E=f(loga) i obliczyć nachylenie krzywej kalibracyjnej, współczynników aktywności obliczyć wykorzystując równanie Debye a -Huckle a, lub jeden z programów: PHREEQC 2.17 (David Parkhurst, US Geological Survey) lub Visual MINTEQ (program może być dostarczony przez prowadzącego). 2. Wyznaczyć współczynniki selektywności metodą oddzielnych roztworów (opis metody w części teoretycznej) 3. Wyznaczyć granicę wykrywalności dla jonów głównych elektrody 4. Oznaczyć zawartość jonów w wodzie mineralnej wykorzystując wykres krzywej kalibracyjnej lub równanie krzywej kalibracyjnej. Porównać wynik z danymi znajdującymi się na etykiecie butelki z wodą mineralną. 5. Skomentować uzyskane wyniki. LITERATURA: [1] Cammann K.: Working with Ion-selective Ełectrodes. Berlin-Heidelberg-New York: Springer Verlag 1979. [2] Havas J.: Ion- and Molecule-Selective Ełectrodes in Biological Systems. Budapeszt Akademiai Kiado 1985. [3] Poradnik chemika analityka, t1. Dane fizykochemiczne. Warszawa: WNT 1994. Poradnik chemika analityka. t2. Analiza instrumentalna. (Red. J. Ciba). Warszawa: WNT 1991. [4] Cygański A.: Metody elektroanalityczne. Warszawa: WNT 1995. [5] David Harvey: Modern Analytical Chemistry, The McGraw-Hill Companies, NY 2000; [6] F.W. Fifield, D. Kealey: Principles and Practice of Analytical Chemistry, Blackwell Science Ltd, London 2000; [7] R. P. Buck, E. Lindner, Pure & Appl. Chem., 66/12, 2527 (1994) 9