7.3.2 Мембранные электроды

Важнейшей составной частью большинства таких электродов является полупроницаемая мембрана – тонкая пленка, отделяющая внутреннюю часть электрода (внутренний раствор) от анализируемого раствора, и обладающая способностью пропускать преимущественно ионы только одного вида. Конструкция и состав мембран может существенно варьировать. В работе мембранных электродов используется не электрохимическая реакция с переносом электрона, а разность потенциалов, возникающая на границе раздела фаз, и равновесие обмена ионов между мембраной и раствором.

Различают следующие виды электродов:

             с кристаллическими мембранами, приготовленными из малорастворимых кристаллических веществ или же их гомогенных смесей;

             электроды с жесткими матрицами, выполненными из специальных сортов стекла;

             электроды на основе мембран с подвижными носителями, которые имеют жидкую мембрану – раствор «нейтрального переносчика» в органическом растворителе, удерживаемый пористым полимером. В зависимости от состава мембраны и растворителя меняется чувствительность мембраны к различным ионам, например кальцию или магнию.

             сенсибилизированные или газочувствительные электроды (датчики).

Наиболее широко применяемым электродом мембранного типа с жесткими матрицами является рН-чувствительный стеклянный электрод. Известны также фторидные (рисунок 7.14), сульфидные и некоторые другие электроды.

 

Рисунок 7.14 Устройство фторидного ионоселективного электрода.

1 – мембрана из пластины ;

2 – внутренний стандартный раствор NaF + NaCl;

3 – внутренний электрод сравнения; 4 – изоляция; 5 – токоотвод.

 

Сенсибилизированные или газочувствительные электроды (газовые датчики) представляют разновидность мембранных электродов, потенциал которых пропорционален концентрации растворенных газов. Устройство такого электрода показано на рисунке 7.15.

 

 

Рисунок 7.15 Устройство сенсибилизированного электрода

(газового датчика):

1 – гидрофобная газопроницаемая мембрана;

2 – внутренний раствор электролита;

3 – внешний электролит (промежуточный раствор) или воздушный зазор;

4 – индикаторный стеклянный или иной селективный электрод;

5 – электрод сравнения.

 

Они состоят из внутреннего электролита (рис.7.15-2), в который погружены электроды (рис.7.15-4,5) и внешнего. Анализируемый газ подают во внешнюю часть датчика с определенной скоростью. Через мембрану молекулы или ионы определяемого компонента попадают в приэлектродное пространство (рис.7.15-2) и меняют концентрацию   ионов во внутреннем электролите, что и приводит к изменению потенциала всей системы. Отклик ионоселективного электрода пропорционален парциальному давлению определяемого компонента в анализируемом газе. Такие датчики разработаны для анализа в потоке газов , , ,  и . Важность применения их обусловлена тем, что они могут постоянно контролировать содержание газа в атмосфере, а при превышении ПДК (предельно допустимого значения) автоматически включать световую и звуковую сигнализацию.

 

Ферментные электроды, как и сенсибилизированные, являются разновидностью мембранных электродов. Конструкция такого электрода приведена на рисунке 7.16

 

 

Рисунок 7.16 Устройство мембранного ферментного электрода.

1 – гель, содержащий фермент (уреаза); 2 – стеклянная мембрана;

3 – внутренний стандартный раствор; 4 – субстрат;

5 – внутренний электрод сравнения.

 

Они применяются при анализе органических и неорганических веществ, в том числе, и индифферентных к электродам. Принцип действия ферментного электрода основан на реакции определяемого компонента со специальным наполнителем – субстратом (твердым или жидким), в результате чего образуется вещество, ионы или молекулы которого активны по отношению к электроду. Селективность и чувствительность таких электродов очень высока, так как фермент катализирует только вполне определенную реакцию. Это свойство особенно ценно при биологических и биохимических исследованиях, где концентрация определяемого компонента может быть незначительна, а мешающих веществ – множество. Примером такого анализа является реакция, протекающая при определении мочевины ферментом уреаза.

                    (7.10)

В таблице 7.1 приведены примеры использования некоторых ферментных электродов.

 

Таблица 7.1 – Применение ферментных электродов

 

субстрат	фермент	активная частица	индикаторный электрод
Пенициллин	Пенициллиназа		стеклянный, рН-чувствительный
Мочевина	Уреаза		стеклянный, -чувствительный; - газовый
Муравьиная кислота	Алкогольоксидаза		- газовый
Глюкоза	Глюкозооксидаза		стеклянный, рН-чувствительный
Фосфат-ион	Щелочная фосфотаза		платиновый

 

 

Электроды с жидкими мембранами

Электрод с жидкой мембраной называется также электродом с подвижными носителями. Устройство его показано на рисунке 7.17.

 

 

Рисунок 7.17 Устройство жидкостного ионоселективного электрода.

1 – внутренний хлоридсеребряный электрод;

2 – ионочувствительная жидкость, пропитывающая мембрану;

3 – пористая гидрофобная мембрана.

 

В электродах с подвижными носителями раствор сравнения отделен от анализируемого тонким слоем органической жидкости, содержащей жидкий ионит не смешивающийся с водой, но селективно реагирующий на анализируемый ион. Органическая жидкость (рис.7.17-2) пропитывает пористую гидрофобную мембрану из пластика (7.17-3) и внешним слоем соприкасается с анализируемым раствором. В качестве ионочувствительного органического вещества применяют иониты с кислотными или основными свойствами, а также хелаты в несмешивающихся с водой растворителях. Внутренний хлоридсеребряный электрод погружен в солевой раствор , содержащий определяемый катион «М», так для кальциевого электрода это раствор . Существуют также электроды на ионы калия, натрия, аммония.