33.Прямая амперометрия и амперометрические датчики.

Амперометрия – электрохимический метод анализа в котором приложены к ячейке потенциал поддерживается постоянным, а ток является функцией от концентрацией. Амперометрия делится на прямую и косвенную. Прямые амперометрические измерения применяют в амперометрических датчиках, которые имеют два электрода погруженных в электропроводящую среду. Один электрод индикаторный(рабочий), у него постоянный потенциал. Второй электрод- вспомогательный. Площадь рабочего электрода должна быть много меньше площади вспомогательного электрода тогда все приложенное напряжение пойдет на поляризацию рабочего электрода. Также можно использовать трехэлектродные датчики (с добавлением электрода сравнения).

Датчик Кларка: состоит из рабочего платинового электрода и хлоридсеребрянного электрода сравнения. Для отвода тока используют вспомогательный электрод. Датчик Кларка применяют для определения кислорода. Кислород из окружающего пространства попадает внутрь датчика в раствор через газопроницаемую мембрану. в ходе анализа кислород окисляется до гидроксид-ионов, что взывает изменение тока.

Ферментативные датчики: имеют такой же принцип усторйства. Вних между мембраной и рабочим электродом помещают раствор фермента или материал, содержащий фермент. Полупроницаемая мембрана предотвращает потери фермента вследствие вымывания и обеспечивает проникновение субстрата в сдой фермента.

Методы, использующие ферментативные реакции являются кинетическими то есть измерение проводится по истечении определенного времени.

Селективность амперометрических датчиков в принципе очень ограниченна. Она обеспечивается только значением потенциала, при котором поддерживается индикаторный электрод, что позволяет ему не реагировать на те содержащиеся в растворе вещества, которые восстанавливаются (окисляются) при значи- значительно более отрицательных (положительных) потенциалах, чем потенциал восстановления или окисления определяемого вещества. Амперометрические датчики не могут не реагировать на присутствие веществ, которые легче восстанавливаются (окисляются), чем определяемые вещества.

Удобным амперометрическим датчиком служит цилиндрический платиновый электрод, предназначенный для использования в потоках электролитов. Если такие электроды покрыть ртутью, то их можно применять при более отрицательных потенциалах благодаря большему перенапряжению водорода на ртути, чем на платине. Широкое применение в качестве датчиков получили электроды, обтекаемые потоком электролита, а также электроды, покрытые только тонкой пленкой электролита. Они используются как детекторы в жидкостной колоночной хроматографии.

20.Газочувствительные и ферментные электроды.

Газочувствительные электроды (датчики) не относятся к истинно мембранным электродам, поскольку через мембрану не протекает электрический ток. Они представляют собой устройства из двух электродов, индикаторного и электрода сравнения, и раствора электролита, помещённых в пластиковую трубку. К концу трубки прикрепляется газопроницаемая мембрана, служащая для отделения внутреннего раствора от анализируемого. Поры мембраны вследствие её водоотталкивающих свойств заполнены воздухом или другими газами и не содержат воды. Их изготавливают из гидрофобных полимеров (силоксановый каучук, полипропилен, фторполимеры и др.).

Конструктивно электроды устроены так, что между мембраной и чувствительным элементом индикаторного электрода находится тонкая плёнка внутреннего раствора или же она удерживается на его поверхности. В последнем случае между мембраной и электродом имеется воздушный зазор. Тонкая плёнка внутреннего раствора не должна ни высыхать, ни смешиваться с основной массой раствора. В процессе измерений газ из анализируемого раствора диффундирует через мембрану до тех пор, пока не исчезнет градиент парциальных давлений газа в образце и в тонком слое внутреннего раствора. При этом газообразное вещество взаимодействует с внутренним раствором, что вызывает изменение свойств последнего и воспринимается электродом.

Примером такого электрода может служить чувствительный к сернистому газу электрод, состоящий из хлоридсеребряного электрода сравнения и рН-чувствительного стеклянного электрода. Если анализируемый раствор содержит диоксид серы, то последний контактирует с мембраной и диффундирует через её поры в тонкую плёнку внутреннего раствора. При достижении равновесия парциальные давления диоксида серы по обе стороны мембраны равны между собой, и поэтому изменение концентрации SO₂ в анализируемой пробе вызывает изменение его концентрации в плёнке внутреннего раствора. В результате протекания реакций концентрация диоксида серы в тонком слое внутреннего раствора, примыкающем к мембране, быстро приходит в равновесие с концентрацией SO₂ в анализируемом растворе.

ЭДС SO₂ – чувствительного электрода получим выражение

E = const + 0,059 lg[SO₂]_внеш

Следует заметить, что в газочувствительных электродах индикаторный электрод не контактирует непосредственно с анализируемым раствором, а потенциал электрода зависит от концентрации газа во внутреннем растворе. Поэтому было бы правильнее называть такие устройства газочувствительной ячейкой.

К группе потенциометрических биосенсоров относят специальные устройства, которые состоят из индикаторного электрода и соединенного с ним гидрофильного слоя, содержащего биокатализатор (ферменты, бактерии, грибы, ткани растений и животных и т.п.). Многие биосенсоры содержат еще и полупроницаемую мембрану. Принцип их действия основан на диффузии определяемого вещества в тонкий слой биокатализатора, в котором протекает индикаторная реакция. При этом определяемое вещество (хотя и не всегда) превращается в форму, пригодную для регистрации потенциометрического сигнала. В качестве биокатализаторов обычно используют ферменты. Можно применять также химические реакции, протекающие в клетках, липосомах или в срезе биологической ткани, прикрепленной к индикаторному электроду.

Если индикаторная реакция катализируется ферментами, то электрохимические системы называют ферментными электродами. Применение ферментов – уникальных биологических катализаторов – для создания потенциометрических датчиков определяется их высокой селективностью. Каждый фермент катализирует только один тип реакций (групповая специфичность) или вообще только одну единственную реакцию (субстратная специфичность).

Применяются также потенциометрические бактериальные электроды. В электродах данного типа обычно используются газочувствительные электроды. При этом между индикаторным электродом и мембраной помещают слой бактерий, под действием которых определяемое вещество превращается в газообразный продукт, к которому чувствителен электрод. При помощи таких электродов можно определить аргинин, глутамин, нитрат-ионы, L-гистидин. В гибридных бактериально-ферментных электродах специфическая химическая реакция осуществляется с участием бактерий и фермента одновременно.

В других электродах основным элементом конструкции является тонкий слой биологической ткани, прикрепленной к поверхности индикаторного электрода. В результате ферментативной реакции, протекающей в ткани, выделяются продукты, регистрируемые электродом. Так, в электроде для определения глутамина используется тонкий срез (~ 0,05мм) свиной печени, а в электроде, чувствительном к аденозинмонофосфату – слой мышечной ткани кролика. Индикаторным электродом в обоих случаях служит аммиачный газочувствительный электрод. Однако для таких электродов характерно медленное достижение равновесия.