Ionszelektív elektróda

Az ISE egy potenciometriás elemzési technika, amely gyors és egyszerű módszert biztosít az ionaktivitás mérésére. Az iont vízben kell feloldani. Számos alkalmazás készült az ionkoncentráció meghatározásának elsajátítására. A minták különböző forrásokból származnak, mint például élelmiszerek, italok, víz, környezet, gyógyszerek és vegyi anyagok.

Az ionszelektív elektródák kombinált elektródák vagy félcellák formájában kaphatók. Az előbbiekben a mérő- és a referenciaelektródák egy szenzorban vannak egyesítve. A félcellák csak az ionszelektív elemet tartalmazzák. A teljes szenzorrendszer eléréséhez megfelelő referenciaelektródot kell hozzáadni.

Az ISE szenzor eleme az ionszelektív membrán, amely különböző ionkoncentrációknál különböző potenciált hoz létre. Ezért az ionszelektív és a referenciaelektród közötti potenciálkülönbség ennek megfelelően változik, és egy ionmérővel mérhető. Ez a potenciálkülönbség arányos a kiválasztott ion aktivitásával az oldatban. Az ion aktivitását az ion koncentrációja és a mintaoldat ionerőssége módosítja. A mindennapi gyakorlatban az aktivitás helyett az ionkoncentrációt értékelik. A szokásos koncentrációs egységek a mol/L, mg/L vagy ppm.

Technikailag erősen javasoljuk, hogy az ISE-ket csak vizes oldatokban lévő standardokhoz és mintákhoz használjuk.

Az oldószerekben (pl. etanolban vagy metanolban) történő közvetlen mérés megváltoztathatja az elektródák főbb tulajdonságait, mint például az érzékenység, a szelektivitás, a válaszidő és az élettartam. Számos olyan kutatási munka létezik, amely az ISE-k viselkedésének vizsgálatát végezte különböző szerves oldószerekben és azok vízzel való keverékeiben, és az elektród meredekségének és általános teljesítményének csökkenéséről számolt be. Tudományosan a nem vizes oldószerek hatással vannak az ionos aktivitásokra, és így a szerves oldószerek vízzel való térfogatszázalékának változása megváltoztathatja az elektródpotenciálokat. Az oldószer módosulása változásokat okozhat a jelen lévő ionok termodinamikai és kinetikai tulajdonságaiban. Emellett az ISE-membrán oldhatósága, más fémek stabilitása, a specifikus ionok és/vagy fémionok adszorpciója a membránon, valamint bármilyen meghatározatlan felületi reakció erősen oldószerfüggő lehet, ezért a mintának megfelelő módszerfejlesztést igényel.

Vannak alternatív módszerek az ilyen minták ISE-vel történő mérésére. Például a nem vizes oldószerekben lévő szervetlen fluorid esetében a fluorid mérhető fluorid-elektróddal, miután a fluoridot vizes oldatokba extrahálták, vagy diffúziót, adszorpciót vagy hamuzást követően (amelyik alkalmazható).

Minden felhasználói kézikönyv tartalmazza az érzékelő rövid és hosszú távú tárolására vonatkozó szükséges információkat. Általában az ionszelektív elektródákat hosszú távú tárolás esetén szárazon kell tárolni.

A szenzor potenciálját az érdeklődésre számot tartó ion sok különböző koncentrációjánál mérik. Ezekből az mV jelekből a koncentráció függvényében (logaritmikusan) görbét rajzolunk. Általában S-alakú: nagyon magas és nagyon alacsony koncentrációknál viszonylag lapos, a kettő között szinte lineáris. A megadott kimutatási határokat az a tartomány határozza meg, amelyben a viselkedés többé-kevésbé lineáris. Ahhoz, hogy egy ISE más tartományban is használható legyen, meg kell változtatni a membránfelületet (kisebb koncentrációk esetén nagyobbat) vagy más ionszelektív anyagot kell használni a membránban.

A nátrium-szelektív elektród egy üvegelektród, amely nagyon hasonlít a pH elektródhoz. A pH üvegelektródok elhanyagolható alkálihibát mutatnak, és az "alkálihiba" felerősítése nátrium-szelektív elektródokhoz vezet, amelyek csak a nátriumion-koncentráció változására reagálnak 7 feletti pH-értékeknél. Ezért a nátrium ISE élettartama hasonló a pH elektródok élettartamához (1-3 év), és számos tényező befolyásolja (pl. emelkedett hőmérséklet, szélsőséges pH-értékek stb.).

Az ionszelektív elektródák legfontosabb része az ionszelektív membrán. A membrán összetétele az analit ionjától függ. Rutinszerű használatra három különböző membrántípus létezik.

• Kristályos membrán (szilárd halmazállapotú membrán)
  A potenciálkülönbség mérése szilárd mono- vagy polikristályos membránon keresztül történik. A fluorid ISE-hez például monokristályos lantán-fluorid LaF₃ membránt használnak. A kristályos membránok robusztusak és hosszú élettartamot biztosítanak.

• Polimer membrán (folyékony membrán)
  A szelektív vegyület (ionofór) polimer membránba, általában PVC-be van ágyazva. Kezdetben folyékony ioncserélőket használtak. Később más szerves vegyületeket találtak alkalmasabbnak, pl. antibiotikumokat vagy koronaétereket. Más összetevők, például lágyítók fokozzák az ISE teljesítményét. A polimer membránok érzékenyek. Ezért el kell kerülni a mechanikai torzulásokat. A szerves oldószerekre is érzékenyek a membrán duzzadása és az összetevők elúciója miatt.

• Üvegmembrán
  A leggyakoribb üvegmembrános ISE a H⁺ ionokat mérő pH-elektród. Egy másik példa a METTLER TOLEDO nátrium ISE-je, amelynek üvegmembránja érzékeny a Na⁺-ra. Az üvegmembrán-elektródák egyik fő előnye a kémiai ellenállásuk.

Az ISA (ionerősség-szabályozó) oldat magas és állandó háttér-ionerősséget biztosít. A megfelelő ISA-oldatot a mért iontól függően kell kiválasztani. Az ISA-oldatokat azonos arányban kell hozzáadni a mintához és a standardokhoz. Pl. a fluoridmérésekhez TISAB II vagy TISAB III oldatokat használnak, amelyek beállítják az ionerősséget, a pH-értéket és a komplex zavaró ionokat.

Az ISE-mérésnél az eltolásra nincs határérték meghatározva.
A pH-mérésnél a pH-elektródok ideális offset-értéke 0 mV pH 7-nél, mivel pH 7-nél nincs különbség az üvegmembránon belüli és kívüli H⁺ koncentrációban. Ez azért érhető el, mert a belső oldat (nem a referenciaelektrolit, hanem az üvegmembránon belüli oldat) pH 7-es pufferoldat. Az ISE leolvasása 0 mV, ha a membránon belül és kívül azonos az érdeklődésre számot tartó ion koncentrációja. Gyakran nem ismerjük a belső oldat összetételét, azaz nem a perfectION™ elektródák esetében. Ezért a 0 mV-os leolvasást eredményező koncentráció ismeretlen, és így nem az offset-érték egy adott ionkoncentráció esetén. Ugyanazon típusú ISE esetében az offsetnek mindig körülbelül ugyanannak kell lennie. De hogy ez az érték -300 mV vagy +650 mV, az nem lényeges. Következésképpen egy offset határérték nem hasznos.

Félcellás szenzor használata esetén a követelmények a következők:

1. ISE félcella
2. Elektrolyt a DX-cellához
3. Referenciaelektród
4. Az elektrolit vagy a referenciaelektród
5. ISA oldat
6. Keverő
7. Hőmérsékletmérő szonda

Kombinált (PerfectION™) elektróda használata esetén a követelmények a következők:

1. Kombinált elektróda
2. Újratöltő oldat
3. ISA oldat
4. Keverő
5. Hőmérsékletmérő szonda