Jon-selektiv elektrod

ISE är en potentiometrisk analysteknik som ger en snabb och enkel metod för att mäta jonaktivitet. Jonerna måste lösas upp i vatten. Ett stort antal tillämpningar har utarbetats för att behärska bestämning av jonkoncentrationen i många prover. Proverna kommer från en mängd olika källor, t.ex. livsmedel, drycker, vatten, miljö, medicin, läkemedel och kemikalier.

Jon-selektiva elektroder finns antingen som kombinerade elektroder eller som halvceller. I de förstnämnda är mät- och referenselektroderna kombinerade i en sensor. En halvcell består endast av det jonselektiva elementet. En lämplig referenselektrod måste läggas till för att få ett komplett sensorsystem.

Det sensoriska elementet i ISE är det jonselektiva membranet, som ger olika potentialer vid olika jonkoncentrationer. Potentialdifferensen mellan den jonselektiva elektroden och referenselektroden varierar följaktligen och mäts med en jonmätare. Denna potentialskillnad är proportionell mot aktiviteten hos den valda jonen i lösningen. Aktiviteten hos en jon moduleras av dess koncentration och provlösningens jonstyrka. I den dagliga praktiken utvärderas jonkoncentrationen i stället för aktivitet. De vanliga koncentrationsenheterna är mol/L, mg/L eller ppm.

Tekniskt sett rekommenderar vi starkt att ISE endast används för standarder och prover i vattenlösningar.

Direkt mätning i lösningsmedel (t.ex. etanol eller metanol) kan ändra elektrodernas viktigaste egenskaper, t.ex. känslighet, selektivitet, responstid och livslängd. Det finns flera forskningsarbeten som genomfört beteendestudier av ISE:er i en mängd olika organiska lösningsmedel och deras blandningar med vatten och som har rapporterat en minskning av elektrodens lutning och övergripande prestanda. Vetenskapligt sett har icke-vattenhaltiga lösningsmedel en effekt på joniska aktiviteter, och därför kan förändringen av volymprocenten av organiska lösningsmedel med vatten förändra elektrodpotentialen. En förändring av lösningsmedlet kan orsaka förändringar i de termodynamiska och kinetiska egenskaperna hos de närvarande jonerna. Dessutom kan lösligheten hos ISE-membranet, stabiliteten hos andra metaller, adsorptionen av specifika joner och/eller metalljoner på membranet och eventuella odefinierade ytreaktioner vara starkt lösningsmedelsberoende och kräver därför en lämplig metodutveckling för provet.

Det finns alternativa sätt att mäta sådana prover med ISE. När det gäller oorganisk fluorid i icke-vätskeformiga lösningsmedel kan den till exempel mätas med hjälp av en fluoridelektrod efter extraktion av fluorid i vattenlösningar eller efter diffusion, adsorption eller förfasning (beroende på vad som är tillämpligt).

Alla bruksanvisningar innehåller nödvändig information om sensorns kort- och långtidsförvaring. I allmänhet bör jonselektiva elektroder förvaras torrt vid långtidsförvaring.

Sensorns potential mäts vid många olika koncentrationer av den aktuella jonen. Man ritar en kurva av dessa mV-signaler mot koncentrationen (logaritmisk). Vanligtvis är den S-formad: relativt platt vid mycket höga och mycket låga koncentrationer, nästan linjär däremellan. De angivna detektionsgränserna definieras av det område där beteendet är mer eller mindre linjärt. För att göra en ISE användbar för ett annat område måste man ändra membranytan (större för lägre koncentrationer) eller använda ett annat jonselektivt ämne i membranet.

En natriumselektiv elektrod är en glaselektrod som är mycket lik en pH-elektrod. pH-glaselektroder uppvisar ett försumbart alkalifel, och en förstärkning av "alkalifelet" leder till natriumselektiva elektroder, som endast reagerar på förändringar i natriumjonkoncentrationen vid pH-värden över 7. Därför är en natriumiselektrods livslängd likadan som en pH-elektrods livslängd (1-3 år) och påverkas av flera faktorer (t.ex. förhöjda temperaturer, extrema pH-värden osv.).

Den viktigaste delen av en jonselektiv elektrod är det jonselektiva membranet. Membranets sammansättning beror på analysjonen. För rutinanvändning finns det tre olika membrantyper.

• Kristallint membran (fastmembran).
  Potentialdifferensen mäts över ett fast mono- eller polykristallint membran. Till exempel används ett monokristallint membran av lantanfluorid LaF₃ för fluorid-ISE. Kristallina membran är robusta och har lång livslängd.

• Polymermembran (flytande membran)
  Den selektiva föreningen (jonoforen) är inbäddad i ett polymermembran, vanligen PVC. Ursprungligen användes flytande jonbytare. Senare har andra organiska föreningar visat sig vara mer lämpliga, t.ex. antibiotika eller kroneter. Andra beståndsdelar, t.ex. mjukgörare, förbättrar ISE:s prestanda. Polymermembran är känsliga. Undvik därför mekaniska förvrängningar. De är också känsliga för organiska lösningsmedel på grund av att membranet sväller och ingredienserna utlöses.

• Glasmembran
  Den vanligaste glasmembran-ISE:n är pH-elektroden som mäter H⁺ -joner. Ett annat exempel är natrium-ISE:n från METTLER TOLEDO vars glasmembran är känsligt för Na⁺. En stor fördel med glasmembranelektroder är deras kemiska beständighet.

En ISA-lösning (Ionic Strength Adjustment) ger en hög och konstant bakgrundsjonstyrka. Respektive ISA-lösning väljs beroende på den uppmätta jonen. ISA-lösningar tillsätts i samma proportion till provet och standarderna. TISAB II- eller TISAB III-lösningar används t.ex. för fluoridmätningar och justerar jonstyrkan, pH-värdet och komplexa störande joner.

Det finns ingen gräns för förskjutningen vid ISE-mätning.
Vid pH-mätning är det ideala offsetvärdet för pH-elektroder 0 mV vid pH 7 eftersom det inte finns någon skillnad i H⁺ -koncentrationen inuti och utanför glasmembranet vid pH 7. Detta uppnås eftersom den inre lösningen (inte referenselektrolyten, utan lösningen inuti glasmembranet) är en pH 7-buffertlösning. Avläsningen av en ISE är 0 mV om koncentrationen av den aktuella jonen är lika stor inuti och utanför membranet. Ofta känner vi inte till sammansättningen av den inre lösningen, dvs. inte för perfectION™-elektroder. Därför är den koncentration som resulterar i en 0 mV-avläsning okänd och därmed inte offsetvärdet vid en given jonkoncentration. För samma typ av ISE bör offsetvärdet alltid vara ungefär detsamma. Men om detta värde är -300 mV eller +650 mV är inte relevant. Följaktligen är en gräns för offset inte användbar.

När en halvcellssensor används är kraven följande:

1. ISE Half-Cell
2. Elektrolyt för DX-cellen
3. Referenselektrod
4. Elektrolyt för eller referenselektroden
5. ISA-lösning
6. Omrörare
7. Temperatursond

Vid användning av en kombinerad (PerfectION™) elektrod är kraven följande:

1. Kombinerad elektrod
2. Påfyllningslösning
3. ISA-lösning
4. Omrörare
5. Temperatursond