Ионселективная потенциометрия (ионометрия)
Данный метод представляется наиболее удобным и перспективным для анализа динамики поглотительной функции корней. С его помощью можно непрерывно отслеживать динамику активной концентрации многих элементов минерального питания непосредственно в питательном растворе в диапазоне концентраций от 10-1 до 10-4 М/л и выявлять индивидуальные различия в потреблении растениями отдельных ионов. Метод потенциометрического определения концентрации стал возможен только после изобретения ионселективных электродов (ИСЭ), обладающих избирательной чувствительностью к отдельным анионам и катионам. В настоящее время изготовляются ИСЭ, чувствительные к большинству одно- и двухвалентным анионам и катионам (ионам водорода, калия, натрия, кальция, аммония, меди, магния, хлорид-иона, нитрат-иона, карбонат-иона и т.д.). К сожалению, потенциометрическое определение такого важного ЭМП, как фосфат- ион, невозможно из-за его трехвалентной природы. Причина заключается в том, что в водных растворах диссоциация солей этого иона может идти по одной, по двум, или по трем ступеням, и по каждой ступени степень диссоциации может быть различной. В результате в растворе образуются различные количества одно- двух- и трехвалентных фосфат-содержащих ионов, что в целом делает невозможным точное определение количества этого иона потенциометрическим методом.
Оборудование. Для определения концентрации ионов потенциометрическим методом необходимы ионселективные электроды, электроды сравнения, первичный преобразователь-усилитель сигнала и растворы для калибровки и отмачивания электродов. Варианты комплектации оборудования различны. В 70-80 х годах 20 в. Советском Союзе получили большое распространение отдельные ионселективные электроды (например ЭМ-1) с полимерной мембраной. Электродами сравнения для них служили каломельные или хлорсеребрянные электроды (типа ЭВЛ-1). Впоследствии на смену электродам с полимерной мембраной пришли ИСЭ, обладающие кристаллической мембраной. В настоящее время хорошо известны выносные чувствительные элементы, в которых электрод сравнения и чувствительный электрод сразу изготовлены в блоке. Кроме того, у современных ИСЭ имеется функция автоматической термокомпенсации. Оборудование, которое может выступать в качестве первичного преобразователя- усилителя сигнала также разнообразно. В различных лабораториях встречаются универсальные иономеры (например, отечественные ЛПУ-01, ЭВ-74 ) различные цифровые и аналоговые рН- и ионометры отечественного и иностранного производства. Из современного отечественного оборудования особенного упоминания заслуживают многоканальные цифровые иономеры серии «Экотест», наиболее удобные для экспериментов в области минерального питания. Кроме оборудования, имеющего выносные электроды, встречается также и проточное оборудование, снабженное устройством для забора проб.
Принцип метода.
По своему принципу потенциометрический метод ничем не отличается от приборной рН-метрии. Ионселективный электрод заполнен внутри раствором соли исследуемого иона с концентрацей порядка 10-1 М/л. Например, при изуччении концентрации иона калия для заполнения ИСЭ пригодны растворы KCl, KNO3 данной концентрации. Электрод сравнения служит показателем нулевого потенциала раствора. При помещении ИСЭ и электрода сравнения в раствор с исследуемым ионом происходят следующие события:
Ионы исследуемого вещества обратимо присоединяются к чувствительной мембране ИСЭ.
В результате присоединения ионов на внешней стороне мембраны происходит накопление заряда. При присоединении катионов на внешней стороне накапливается положительный заряд, а при присоединении анионов – отрицательный. Величина заряда пропорциональна количеству присоединенных исследуемых ионов, то есть, в конечном итоге, их концентрации.
Накопление положительного или отрицательного заряда на внешней стороне мембраны ИСЭ вызывает обратимое осаждение на ней изнутри ионов из раствора, которым заполнен ИСЭ. Эти ионы имеют заряд, противоположный тому, который имеют ионы исследуемого вещества. В результате мембрана ИСЭ поляризуется. Перемещение ионов изменяет и делает отличным от нуля окислительно-восстановительный потенциал раствора в районе погруженного в него контакта ИСЭ.
Изменение окислительно-восстановительного потенциала во внутреннем растворе ИСЭ приводит, таким образом, к накоплению заряда на контакте ИСЭ. Знак заряда равен знаку заряда исследуемых ионов, а его величина – их концентрации в исследуемом растворе.
Таким образом на выводах ИСЭ и электрода сравнения возникает постоянное напряжение, величина которого пропорциональна концентрации исследуемого иона, а полярность – его заряду.
Полученный постоянный сигнал электронной пары направляется в ионометр, а также, если необходимо, на другую регистрирующую аппаратуру.
Графически принцип работы ионселективной техники на примере измерения концентрации иона калия представлен на Рис..
Методика проведения исследований.
Если ионселективные электроды используются впервые, то предварительно необходимо заполнить их растворами солей с соответствующими ионами. Растворы для заполнения зачастую продаются в комплекте с ИСЭ. Кроме того, перед началом экспериментов следует провести вымачивание электродов в специально приготовленных для этого растворах. Концентрация растворов и их состав указаны в методиках проведения отдельных ионометрических исследований. Растворы для вымачивания служат также для хранения электродов в перерывах между экспериментами, если есть необходимость поддерживать электроды в работоспособном состоянии. Если по каким либо причинам произошло высыхание мембран ИСЭ, вымачивание необходимо повторить.
При проведении измерений пару электродов (ИСЭ и электрод сравнения) необходимо погрузить в сосуд с исследуемым раствором. После этого, если необходимо, осуществляется термокомпенсация. Далее прибор следует перевести в режим измерения, выбрать необходимый диапазон показаний и подождать 1-2 минуты, чтобы показания прибора стали стабильными.. Пересчет показаний прибора в реальные значения концентрации осуществляется при помощи калибровочных графиков. Потребление ионов растениями оценивается по снижению, относительно контроля, концентрации раствора, который эти растения потребляли.
Ионометрические измерения можно проводить в сосудах разного размера, т.к. показания аппаратуры (в отличие от кондуктометрического метода) не зависят от геометрических показателей: объема сосуда, уровня жидкости, расстояния между электродами и т.д.
В то же время большое внимание следует уделять температуре исследуемых растворов и при необходимости проводить термокомпенсацию. Также после каждого измерения необходимо тщательно промывать в дистиллированной воде и протирать чистой фильтровальной бумагой погружаемые части электродов.
Поскольку зависимость показаний прибора от концентрации носит линейный характер, для калибровочного графика обычно бывает достаточно двух точек. Одной точке должна соответствовать концентрация раствора заведомо меньшая, а другой - заведомо большая, чем у исследуемого раствора. В силу того, что у отдельных элементов измерительной схемы (в первую очередь – у электродов) со временем наблюдается дрейф показаний, возникает необходимость в периодическом уточнении калибровочного графика