POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY Katedra Telekomunikacji i Aparatury Elektronicznej Studia stacjonarne Kierunek: Inżynieria Biomedyczna Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu Elektroniczna Aparatura Medyczna Ćwiczenie 2. Budowa i badanie właściwości metrologicznych elektrod jonoselektywnych na przykładzie pomiaru stężenia jonu chlorkowego i potasowego v. 01 Andrzej Holiczer Witold Holiczer Białystok marzec 2011
A. Wprowadzenie 1. Podstawowe prawa rządzące gospodarką wodno elektrolitową organizmu Równowagą wodno elektrolitową i kwasowo zasadową organizmu rządzą trzy prawa. Są nimi: prawo elektroobojętności płynów ustrojowych, prawo izoosmolalności płynów ustrojowych, prawo izohydrii; stałości stężenia jonów wodorowych. W zakresie gospodarki wodno elektrolitowej regulacja stałości środowiska wewnętrznego, czyli homeostazy ustrojowej, polega na utrzymaniu: izowolemii (fizjologicznych objętości przestrzeni wodnych), izotonii (fizjologicznego ciśnienia osmotycznego) i izojonii (fizjologicznego składu jonowego płynów ustrojowych). Najczęściej analizowaną składową płynów ustrojowych jest osocze lub surowica. Przez osocze rozumiemy płyn pobrany z łożyska naczyniowego po oddzieleniu elementów morfotycznych krwi (krwinek: czerwonych, białych, płytkowych) z niewykrzepionym fibrynogenem. Surowicą jest osocze pozbawione włóknika, a więc po wykrzepieniu fibrynogenu. Na rys.1 przedstawiono jonogram osocza krwi. 8000 7000 6000 5000 HCO 3 165 Cl 364 160 140 120 100 HCO 3 102 160 140 120 100 HCO 3 27 4000 3000 białka 7400 80 60 Na + 142 Cl 102 80 60 Na + 142 Cl 102 2000 40 40 1000 Na + 330 K + 19 Ca 2+ 10 mg/dl 20 Ca 2+ 2.5 K + 2.5 Mg 2+ 1 mmol/l białka 2 HPO 4 2 1 20 Ca 2+ 5 K + 5 Mg 2+ 2 meq/l białka 16 HPO 4 2 2 SO 4 2 1 kw. org. 6 Rys.1. Jonogram osocza krwi. Wynika z niego, że głównymi kationami są: jon sodowy Na +, jon potasowy K +, jon wapniowy Ca ++, natomiast anionami: jon chlorkowy Cl -, jon węglanowy HCO - 3, białka. Łatwo zauważyć dominujące znaczenie jonu sodowego, który praktycznie równoważy ładunek elektryczny wszystkich anionów nieorganicznych. W Tablicy 1 podano normy kliniczno-diagnostyczne dla głównych elektrolitów osocza krwi. Tablica 1. Jon Zakres normy (mmol/l) Na + 135-147 K + 3.7-5.3 Ca ++ 2.2-2.8 Cl - 98-106 - HCO 3 25-30 2
Nie można niedoceniać roli jonów mniejszościowych (K +, Ca ++, HCO 3 - ) w innych procesach życiowych organizmu np. roli jonu K + w procesach przewodnictwa nerwowego, Ca ++ w procesie krzepnięcia krwi czy HCO 3 - w utrzymywaniu równowagi kwasowo-zasadowej organizmu. Stąd też pomiar ich stężenia staje się niezwykle ważny w procesie diagnozy pacjenta. 2. Metody potencjometryczne Metody potencjometryczne polegają na pomiarze siły elektromotorycznej (SEM) ogniwa elektrochemicznego złożonego z dwóch elektrod: pomiarowej (wskaźnikowej) i referencyjnej (porównawczej) zanurzonych w badanym roztworze. Schemat zastępczy układu do pomiaru aktywności jonów metodą potencjometryczną przedstawiony został na rys. 1. Potencjał elektrody pomiarowej zależy od składu analizowanego roztworu, natomiast zadaniem elektrody referencyjnej jest dostarczenie potencjału, który w jak największym stopniu jest niezależny od analizowanego roztworu. Pomiar różnicy potencjałów U, na którą składają się indywidualne potencjały wytwarzane przez elektrodę pomiarową i referencyjną (U 1 U 5 na rys. 1), dokonywany jest za pomocą tzw. jonometrów, będących miliwoltomierzami o rezystancji wejściowej zwykle większej od 10 12 Ω i prądach polaryzujących o wartościach dużo niższych od 10-12 A. Rys.1. Ogniwo elektrochemiczne wykorzystujące elektrody jonoselektywne U 1 potencjał elektrody pomiarowej na zewnętrznej granicy faz membrany jonoselektywnej, zależny od analizowanego roztworu; U 2 potencjał na wewnętrznej granicy faz membrany jonoselektywnej; U 3 potencjał na granicy faz: wewnętrzne półogniwo porównawcze / roztwór wewnętrzny elektrody pomiarowej; U 4 potencjał zewnętrznej elektrody referencyjnej; U 5 potencjał dyfuzyjny przegrody klucza elektrolitycznego. Potencjały U 2, U 3 i U 4 są zależne jedynie od budowy elektrod, dlatego też dla konkretnej pary elektrod są one wielkością stałą. Potencjał przegrody klucza elektrolitycznego U 5 ma z reguły niewielka wartość, która, przy zastosowaniu odpowiednich technik pomiarowych, może być pominięta w dalszej analizie. W efekcie różnica potencjałów U, mierzona pomiędzy dwiema elektrodami, zależy tylko od potencjału między elektrodą pomiarową a analizowanym roztworem, czyli od aktywności a I badanych jonów. Zależność ta jest opisywana przez równanie Nernsta: 0 2,303 R T 0 E = E + log ai = E + EN log ai (1) zi F gdzie: E różnica potencjałów mierzona między elektrodą pomiarową a elektrodą referencyjną; E 0 standardowy potencjał pary elektrod (dla a I = 1), zależny od ich budowy; R stała gazowa (R = 8.314J/mol K); T temperatura [K]; F stała Faradaya (F = 96 487 C/mol); z I ładunek mierzonego jonu I (łącznie ze znakiem) (dla Cl - : z I = -1) ; a I aktywność badanego jonu w analizowanym roztworze; U N nachylenie charakterystyki elektrody pomiarowej. W większości przypadków badane próbki stanowią roztwory, w których znajdują się różnego rodzaju jony, które w różnym stopniu wpływają na powstawanie potencjału elektrody. Ponieważ analityka interesuje zazwyczaj tylko aktywność lub stężenie jednego rodzaju jonu, równoczesne wskazywanie przez elektrodę innych rodzajów jonów prowadzi do zakłóceń. 3
Ten rodzaj zakłóceń można w przybliżeniu opisać empirycznym równaniem Nernsta- Nikolsky ego: z I R T N z U = U S 0 + ln a I + K S I (a S ) (2) zi F n=1 gdzie: a I - aktywność jonu oznaczanego, a s - aktywność poszczególnych rodzajów jonów zakłócających (interferencyjnych), z I - wartościowość jonu oznaczanego, z s - wartościowość jonów zakłócających, K I-s - współczynniki selektywności (jon oznaczany - jon zakłócający). 2.1. Aktywność a stężenie jonów W technice laboratoryjnej mamy do czynienia z elektrolitami słabymi i mocnymi. Do roztworów elektrolitów słabych należą roztwory zdysocjowane w małym stopniu, elektrolity mocne są praktycznie całkowicie zdysocjowane i wykazują przewodnictwo elektryczne niezależnie od stężenia. Tłumaczy to teoria Debye a i Hückela mówiąca o wzajemnym oddziaływaniu na siebie jonów istniejących w roztworze, które wzrasta w miarę wzrostu stężenia. Zdolność cząstek do reagowania określana jest jako aktywność. Aktywności, w przeciwieństwie do stężeń, są wartościami względnymi, z czego wynika, że pojęcie aktywności danej substancji dotyczy nie wartości absolutnej tej substancji, lecz stosunku aktywności wynikającego z porównania dwóch odrębnych stanów w jednakowej temperaturze. Istnieje zatem konieczność ustalenia ściśle określonego stanu substancji, tzn. stanu standardowego i porównania z nim aktywności badanej substancji w innych ustalonych warunkach. Wzajemne zależności stężenia substancji i jej aktywności zależą od stopnia rozcieńczenia roztworu. Ze wzrostem rozcieńczenia wartość aktywności substancji zbliża się do jej stężenia molowego: a lim =1 (3) Σc 0 c gdzie: a aktywność analizowanej substancji, c stężenie molowe tej substancji w roztworze. W bardzo rozcieńczonych roztworach wartość aktywności substancji jest więc równa stężeniu tej substancji w analizowanym roztworze: a = c (4) W celu powiązania wartości aktywności i stężenia definiuje się tzw. współczynnik aktywności: a = c γ (5) c gdzie: γ c - współczynnik aktywności substancji. Współczynniki aktywności przyjmują wartości mniejsze od jedności i w miarę rozcieńczania roztworu zbliżają się do jedności. 2.2. Rodzaje elektrod Elektrody są urządzeniami umożliwiającymi stwierdzenie przesunięcia i rozdzielenia ładunków, które na granicy faz (materiał elektrodowy/elektrolit) powstają lub też zostają wytworzone, bądź zmienione za pomocą wymuszonego przepływu prądu. Elektrodą może być np. kawałek wystarczająco obojętnego drutu (jak Pt, Ag, Cu itd.). Gdy zanurzy się taką elektrodę w roztworze elektrolitu, zawierającego materiał elektrody w postaci jonu, wtedy pomiędzy elektrodą i roztworem powstaje różnica potencjałów zależna od aktywności odnośnych jonów w roztworze. Jest to elektroda pierwszego rodzaju. Jeżeli elektroda metalowa pokryta jest cienką warstewką jej trudno rozpuszczalnego związku z anionem (np. Ag/AgCI), to różnica potencjałów zależy od aktywności odpowied- 4
nich anionów w roztworze. Jest to elektroda drugiego rodzaju. Jeśli trudno rozpuszczalna warstewka związku z metalem zawiera jeszcze drugi kation, który ze wspólnym anionem twoą o większym iloczynie rozpuszczalności niż ż zwią- zek z metalem elektrody (np. Ag/Ag2S/CuS), to różnica potencjałów zależy ż od aktywności ś tego kationu w roztworze. Jest to elektroda trzeciego rodzaju. rzy również ż trudno rozpuszczalny związek Pomiędzy materiałem przewodzącym elektrody i elektrolitem mogą znajdować ć się ę inne materiały, jak np. półprzewodniki lub nawet izolatory, takie jak szkło (elektroda szklana), lub związki organiczne (elektroda z wymieniaczem jonowym, elektroda z nośnikiem obojętnym). ę Na granicy ich faz wytwarza się ę różnica ż potencjałów zależna od aktywności ś określonego ś joę w fazie roztworu i w fazie elektrody, mogąc łatwo przechodzić ć z jednej fazy do drugiej. Takie elektrody, które reagują ą selektywnie na określony jon w obecności in- nu, który występuje nych, nazywane są elektrodami jonoselektywnymi (ang. Ion Selective Electrode ISE). Rys.2. Budowa elektrod jonoselektywnych: elektroda jonoselektywna z membraną szklaną ą (a), elektroda referencyjna (b), elektroda kombinowana (c); 1 - membrana jonoselekotwór do napełniania, 5 - tywna, 2 - drut Ag/AgCI, 3 - półogniwo porównawcze, 4 - elektrolit, 6 - styk roztworu elektrolitu z roztworem badanym W celu wykonania pomiaru potencjału elektrody należy ż zastosować, obok elektrody pomiaą porównawczą, (odnie- rowej, drugą, inaczej skonstruowaną, odmienną ą elektrodą, ą tj. elektrodą sienia). Za pomocą ą takiego układu możliwy jest jedynie pomiar zmian potencjału na elektro- dzie pomiarowej. Konieczne jest jednak zapewnienie możliwie małych zmian potencjałów na elektrodzie porównawczej. W skali międzynarodowej ę uzgodniono przyjęcie jako standardowej elektrody odniesienia tzw. normalnej elektrody wodorowej, którą ą stanowi drut platynowy pokryty katalitycznie akę warstwa zaabsorbowanych tywną ą czernią ą platynową ą tak, że na jego powierzchni tworzy się cząstek wodoru. Układ ten zanurzony w elektrolicie działa jak elektroda z gazowego wodoru. Ponieważ ż normalna elektroda wodorowa jest w wielu zastosowaniach, ze względu na postę- ę powanie z nią, zbyt kłopotliwa, do pomiarów rutynowych stosuje się ę jako elektrody porów- nawcze proste elektrody drugiego rodzaju, tzw. elektrody porównawcze wtórne. Przy ich użyż się ę o stałą ą addytywną ą wielkość od SEM, jaką ą wykazywałaby odpo- ciu SEM ogniwa różni wiednia elektroda pomiarowa w zestawieniu z elektrodą ą wodorową. Najczęściej stosowanymi wtórnymi elektrodami porównawczymi są ą elektrody: chlorosrebrowa (srebro/chlorek srebrowy - Ag/AgCI), kalomelowa (rtęć/chlorek rtęciawy ę - Hg/Hg 2 Cl 2 ) oraz talamidowa (amalga- mat talowy/chlorek talu (I) - Hg,Tl/TlCI). W tym miejscu wspomnieć należy ż o tzw. kombinowanych elektrodach jonoselektywnych, które są ą złożeniem w jednej obudowie elektrody pomiarowej i porównawczej. Elektroda kombinowana jest, więc ogniwem elektrochemicznym, nie wymagającym dodatkowej elek- 5
trody odniesienia. Mimo, że posiada ona nieco odmienną budową od tradycyjnych elektrod (półogniw), to charakteryzuje się w większości przypadków identycznymi parametrami pomiarowymi jak elektrody pojedyncze. 2.3. Skrócony opis analizatora PHM 240 Analizator jonoselektywny PHM 240 jest przyrządem do pomiarów stężenia jonów. Komunikacja z użytkownikiem odbywa się za pomocą wyświetlacza oraz następujących przycisków sterujących: Method - wybór metody GLP - dostęp do wyników ostatnich 9. wzorcowań lub 9. pomiarów Print - wydruk tablic GLP lub aktualnie wyświetlanego ekranu Sample - rozpoczęcie pomiaru Cal - rozpoczęcie wzorcowania Check Mark ( ) - wprowadzanie i zatwierdzanie danych Clear - usuwanie niewłaściwej operacji Na ekranie wyświetlacza po skończonym pomiarze pojawia się w zależności od zastosowanej metody pomiaru: wartość stężenia, użyta metoda, numer elektrody, rodzaj mierzonego jonu, komunikaty błędów oraz zmierzona bądź wprowadzona temperatura pomiaru. Rozpoczynając pomiary stężenia PHM 240 musi być wywzorcowany względem odpowiednich standardów stężenia, w celu odczytania indywidualnej charakterystyki stosowanej elektrody. Wzorcowanie może być jedno lub dwupunktowe. W procesie wzorcowania jednopunktowego PHM 240 oblicza standardowy potencjał elektrody (E 0 ) podczas gdy czułość brana jest z poprzednio przeprowadzonego wzorcowania dwupunktowego. Natomiast w procesie wzorcowania dwupunktowego określane są: potencjał elektrody standardowej i czułość. Pomiary stężenia jonów wykonywane mogą być trzema sposobami: Ręczne z odczytem na wyświetlaczu bieżącej, mierzonej wartości stężenia. Pomiar rzeczywistej wartości stężenia wymaga aktualnych danych kalibracyjnych, wartości standardowego potencjału elektrody i jej czułości. Po osiągnięciu stabilności na ekranie jest wyświetlana wartość stężenia, użyta metoda, numer elektrody oraz temperatura badanej próbki. AUTOREAD jest funkcją, która pozwala na zatrzymanie na ekranie wyświetlanej wartości mierzonego stężenia o ile mierzony sygnał spełnia założone kryterium stabilności. AT INTERVALS - metoda stosowana do monitorowania wartości ph, mv, lub stężenia jonów. Wynik ciągłego pomiaru jest wysyłany na drukarkę i zapisywany w tablicy GLP, w określonych odstępach czasu. Kryterium stabilności SEM ogniwa pomiarowego może zostać ustawione przez użytkownika. Od tego parametru zależy dokładność pomiaru oraz czas jego trwania. 6
B. Realizacja ćwiczenia 1. Cel ćwiczenia laboratoryjnego Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zasadą pomiaru stężenia i aktywności substancji w roztworach przy użyciu metody potencjometrycznej z wykorzystaniem elektrod jonoselektywnych: chlorkowej i potasowej. 2. Aparatura, narzędzia pomocnicze i odczynniki stosowane w ćwiczeniu W ćwiczeniu są stosowane następujące urządzenia pomiarowe oraz wzorce: analizator jonoselektywny PHM 240, kalomelowa elektroda odniesienia, jonoselektywna elektroda chlorkowa, jonoselektywna elektroda potasowa, wzorce stężenia (aktywności) jonów chlorkowych i potasowych: 10; 43,3; 100 mmol/l. 3. Przebieg realizacji eksperymentu Zapoznać się z obsługą i budową urządzeń stosowanych w ćwiczeniu. 3.1. Pomiary stężenia jonu chlorkowego 1. Wzorcowanie analizatora jonów chlorkowych. Czynności pomiarowe: uruchomić analizator jonoselektywny, zmierzyć temperaturę roztworów wzorcowych i wprowadzić ją do urządzenia. przepłukać elektrody roztworem wzorcowym 10 mmol/l (naczyńko 10p ); delikatnie osuszyć elektrody, wywzorcować analizator roztworem wzorcowym 10 mmol/l (naczyńko 10 ), powtórzyć czynności wzorcowania dla roztworu wzorcowego 100 mmol/l, zanotować wartości E 0 i s (tabela 1): E 2,303 R T s = 100; E N = EN z F E rzeczywista (zmierzona) różnica potencjałów między elektrodą pomiarową a elektrodą referencyjną, E N teoretyczna różnica potencjałów między elektrodą pomiarową, a elektrodą referencyjną, R stała gazowa (8,314 J/(mol K), T = 273,15 + t temperatura (K), z ładunek mierzonego jonu (dla Cl - : z = -1, dla K + : z = +1), F stała Faradaya (96 487 C/mol) 2. Badanie charakterystyki elektrody jonoselektywnej. Czynności pomiarowe: wykonać 3 pomiary siły elektromotorycznej (SEM) dla roztworu 100 mmol/l; po rozpoczęciu czynności pomiarowej zmienić opcję wyświetlania wyniku z c na E (przycisk ph/mv), wykonać 3 pomiary siły elektromotorycznej (SEM) dla roztworów 43,3 i 10 mmol/l; zachować procedurę płukania i osuszania elektrod (tabela 1). 3. Badanie powtarzalności wskazań elektrody jonoselektywnej. Czynności pomiarowe: wykonać serię 10 pomiarów stężenia jonów Cl - dla wzorca 10 mmol/l w odstępach minutowych, wykonać serię 10 pomiarów stężenia jonów Cl - dla wzorca 100 mmol/l w odstępach minutowych (tabela 2); zachować procedurę płukania i osuszania elektrod. 4. Badanie wpływu prędkości obrotowej mieszadła na wyniki pomiarów. Czynności pomiarowe: wykonać po 3 pomiary wzorca 100 mmol/l dla prędkości obrotowej mieszadła 0, 1, 3, 5, 7 (tabela 3). 5. Badanie czasu ustalania się potencjału na elektrodzie jonoselektywnej. Czynności pomiarowe: 7
przebiegi czasowe są rejestrowane za pomocą karty A/C w systemie komputerowym; parametry rejestracji: czas obserwacji t o = 120 s, t = 0,2 s, n = 600, w czasie badania należy włączyć mieszadło; prędkość obrotowa 3, badanie polega na przeniesieniu elektrod pomiarowych z roztworu o stężeniu: 100 mmol/l do roztworu o stężeniu 10 mmol/l, 10 mmol/l do roztworu o stężeniu 100 mmol/l bez wykonywania czynności płukania i suszenia elektrod. 3.2. Pomiary stężenia jonu potasowego 1. Wzorcowanie analizatora jonów potasowych analogicznie jak w badaniach jonów chlorkowych (tabela 4). 2. Badanie charakterystyki elektrody jonoselektywnej analogicznie jak w badaniach jonów chlorkowych (tabela 4). 8
C. Opracowanie wyników pomiarów 1. Wyniki pomiarów Elektroda chlorkowa Tabela 1 E (mv) Tabela 2 E 0 = s = c = 100 mmol/l c = 43,3 mmol/l c = 10 mmol/l t (min) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10 mmol/l 100 mmol/l Tabela 3 Prędkość obrotowa mieszadła Stężenie (mmol/l) 0 1 3 5 7 Elektroda potasowa Tabela 4 E 0 = s = c = 100 mmol/l c = 43,3 mmol/l c = 10 mmol/l E (mv) 9
2. Procedura opracowania wyników pomiarów Ad. 3.1.2. uśrednić wartości zmierzonych napięć dla poszczególnych roztworów wzorcowych (Tabela 1); za pomocą prostej regresji aproksymować siłę elektromotoryczną w funkcji logarytmu stężenia jonu chlorkowego, naszkicować wykres E(ln(c)); za E przyjąć współczynnik kierunkowy prostej oraz obliczyć sprawność elektrody s; skomentować różnice pomiędzy E 0 oraz s obliczonymi, a wyznaczonymi przez jonometr. Ad. 3.1.3. na podstawie wyników pomiarów obliczyć wartość średnią m oraz odchylenie standardowe sd (Tabela 2), obliczyć współczynnik zmienności = 100%, dokonać aproksymacji wyników pomiarów funkcją liniową, przy czym jako zmienną niezależną przyjąć czas, wyznaczyć wartości resztowe pomiędzy wynikami pomiarów, a otrzymaną prostą regresji, obliczyć współczynnik zmienności na podstawie wartości resztowych i porównać go z obliczonym poprzednio, skomentować powstałe różnice. Ad. 3.1.4. uśrednić zmierzone wartości stężeń dla poszczególnych prędkości obrotowych (Tabela 3), wykonać wykres średniego stężenia w funkcji prędkości obrotowej. Ad. 3.1.5. na podstawie zarejestrowanych danych naszkicować wartość siły elektromotorycznej w funkcji czasu podczas zmian roztworów, dowolną znaną metodą wyznaczyć stałą czasową oraz czas trwania stanu nieustalonego, skomentować konieczność procedury osuszania i płukania elektrod pomiędzy pomiarami. Ad. 3.2. Procedury analogiczne jak w pkt. 3.1. 10