Ионоселективные электроды

ИСЭ - это инструмент для потенциометрического анализа, обеспечивающий быстрое и простое измерение активности ионов. Для проведения анализа ион должен быть растворен в воде.

Ионоселективные электроды поставляются либо в виде комбинированных электродов, либо в виде полуэлементов. В комбинированном варианте измерительный и опорный электроды объединены в одном датчике, тогда как полуэлемент состоит только из ионоселективного элемента. Для получения полноценной измерительной системы к полуэлементу необходимо добавить подходящий электрод сравнения.

Чувствительным элементом ИСЭ является ионоселективная мембрана, которая создает различные потенциалы при разных концентрациях ионов. Следовательно, разность потенциалов между ионоселективным и опорным электродом изменяется соответственно и измеряется иономером. Эта разность потенциалов пропорциональна активности выбранного иона в растворе. Активность иона зависит от его концентрации и ионной силы раствора образца. В повседневной практике вместо активности оценивается концентрация ионов. Обычными единицами измерения концентрации являются моль/л, мг/л или промилле.

Технически мы настоятельно рекомендуем использовать ИСЭ только для водных стандартных растворов и образцов.

Прямые измерения в растворителях (например, этаноле или метаноле) могут изменить основные свойства электродов, такие как чувствительность, селективность, время отклика и срок службы. Существует несколько исследовательских работ об изучении поведения ИСЭ в различных органических растворителях и их смесях с водой, свидетельствующих о снижении общей производительности электрода. С научной точки зрения, неводные растворители влияют на ионную активность, и поэтому изменение процентного объема органическими растворителями с водой может изменить электродные потенциалы. Изменение растворителя может вызвать изменения в термодинамических и кинетических свойствах присутствующих ионов. Кроме того, растворимость мембраны ИСЭ, стабильность других металлов, адсорбция конкретных ионов и/или ионов металлов на мембране, а также любые неопределенные поверхностные реакции могут сильно зависеть от растворителя и, следовательно, требуют разработки соответствующего метода в соответствии с образцом.

Существуют альтернативные способы измерения таких образцов. Например, в случае неорганического фторида в неводных растворителях его можно измерить с помощью фторидного электрода после извлечения фторида в водные растворы или после диффузии, адсорбции или озоления (в зависимости от того, что применимо).

В руководстве пользователя каждого датчика приведена информация о правилах его краткосрочного или длительного хранения. Как правило, при длительном хранении ионоселективные электроды держат сухими.

Потенциал датчика измеряется при различных концентрациях интересующего иона. По результатам строится кривая сигнала в мВ относительно концентрации (по логарифмической шкале). Как правило, кривая имеет S-образную форму: довольно плоская при очень высоких и очень низких концентрациях и почти линейная между ними. Пределы обнаружения определяются диапазоном, в котором кривая имеет более или менее линейный характер. Чтобы сделать ИСЭ пригодным для анализа в другом диапазоне, пришлось бы изменить поверхность мембраны (увеличить для более низких концентраций) или использовать в мембране другое ионоселективное вещество.

Натрий-селективный (натриевый) электрод — это стеклянный электрод, очень похожий на рН-электрод. Стеклянные рН-электроды демонстрируют незначительную щелочную погрешность. Усиление щелочной погрешности приводит к натрий-селективным электродам, которые реагируют только на изменение концентрации ионов натрия при значениях рН выше 7. Срок эксплуатации натриевого ИСЭ сравним со сроком эксплуатации рН-электрода и зависит от ряда факторов (например, воздействия высокой температуры, экстремальных значений рН и т. д.).

Наиболее важной частью ИСЭ является ионоселективная мембрана. Состав мембраны зависит от анализируемого иона. Для повседневного использования существуют три различных типа мембран:

• Кристаллическая мембрана (твердотельная мембрана)
  Измеряется разность потенциалов, присутствующих по разные стороны моно- или поликристаллической мембраны. Например, мембрана из монокристаллического фторида лантана LaF3 используется в ИСЭ для измерения активности фторидов. Кристаллические мембраны механически прочны и отличаются длительным сроком службы.

• Полимерная мембрана (жидкая мембрана)
  В состав полимерной мембраны входит ионселективное вещество (ионофор), обычно на основе ПВХ. Вначале полимерные мембраны были жидкими, затем стали применять более подходящие органические соединения, например антибиотики или краун-эфиры. Рабочие характеристики мембраны ИСЭ улучшают с помощью дополнительных компонентов, таких как пластификаторы.Полимерные мембраны механически непрочны и требуют осторожного обращения. Кроме того, они нестойки к действию органических растворителей, которые вызывают набухание и вымывают компоненты мембраны.

• Стеклянная мембрана
  Типичная ионселективная стеклянная мембрана — это pH-электрод, чувствительный к концентрации ионов H+. Другой пример — натриевый ИСЭ METTLER TOLEDO, стеклянная мембрана которого чувствительна к ионам Na+. Главным преимуществом электродов со стеклянной мембраной является их химическая стойкостЬ.

Раствор коррекции ионной силы (Ionic Strength Adjustmen, ISAt) обеспечивает высокую и постоянную фоновую ионную силу. Соответствующий раствор ISA выбирается в зависимости от измеряемого иона. Растворы ISA добавляются в одинаковой пропорции к образцу и стандартам. Например, растворы TISAB II или TISAB III используются для измерения фторидов, регулируя ионную силу, значение pH и комплекс мешающих ионов.

Время отклика зависит от типа иона и его концентрации.

У относительно быстрых датчиков для Na⁺ и F^- время отклика составляет от 1 до 3 минут при более высокой концентрации, а при более низкой увеличивается до 5–10 минут.

Размер иона оказывает большое влияние на скорость измерения. Вот почему для измерения многих других ионов требуется больше времени. Анализ тяжелых металлов, таких как Cu²⁺ или Cd²⁺, может занимать 20–30 минут при низких концентрациях.

Чтобы быстрее получить стабильный сигнал, необходимо аккуратно и постоянно перемешивать образец. Стабилизация происходит быстрее при переходе от более низкой концентрации к более высокой, чем наоборот. По этой причине при калибровке и измерении рекомендуется всегда начинать с самой низкой концентрации.

При использовании полуэлементного датчика требования следующие:

1. Полуэлемент ИСЭ
2. Электролит для ячейки DX
3. Электролит или электрод сравнения
4. Раствор ISA
5. Мешалка
6. Температурный зонд

При использовании комбинированного электрода (PerfectION™) требования следующие:

1. Комбинированный электрод
2. Электролит для заправки электрода
3. Раствор ISA
4. Мешалка
5. Температурный зонд