25.6.2. Ионо- и молекулярноселективные электроды определения

Для измерения концентрации биологически активных ио­нов: Н⁺, Na⁺, К⁺, NH4(+), Са²⁺, NO3(-) и других, а также различных веществ в биологических системах используют электроды опре­деления, которые называют также индикаторными электродами. Потенциалы этих электродов зависят в основном от концентра­ции определяемого иона или вещества. Электродами определения прежде всего являются ионоселективные электроды, действие которых основано на возникновении мембранного потенциала на мембране с селективной чувствительностью к данному иону.

Подобная мембрана способна адсорбировать или пропускать только определенный ион. Ионоселективные электроды определения (рис. 25.8) пред­ставляют собой электрохими­ческую систему, внутри ко­торой находится раствор с

Р ис. 25.8. Устройство ионоселективного электрода

известной постоянной активностью определяемого иона (a_BH(Xi) = = const). В этот раствор опущен внутренний электрод сравнения с постоянным значением потенциала. В качестве внутреннего электрода обычно используют хлорсеребряный электрод. Кон­такт этой системы с исследуемым раствором осуществляется через ионоселективную мембрану. На внутренней и наружной поверхностях данной мембраны возникают потенциалы ф_вн и Фнар, которые согласно известному уравнению Нернста прямо пропорциональны логарифму активности определяемого иона во внутреннем и исследуемом растворах соответственно. Для изме­рения возникающих мембранных потенциалов в исследуемый раствор опускают внешний хлорсеребряный электрод сравнения. Полученную гальваническую цепь измерительной системы мож­но записать следующим образом:

П отенциал ионоселективного электрода определяется суммой потенциалов на каждой границе раздела: ф = ф1+ ф_вн + ф_нар. Поскольку потенциалы ф1 и ф_вн постоянны, а значение

прямо пропорционально логарифму активности анализируемого иона Xi; в исследуемом растворе, то и ЭДС галь­ванической цепи будет линейной функцией показателя актив­ности этого иона в растворе, так как рХ_l = -lg а(Хi). Таким об­разом, измерив ЭДС гальванической цепи из ионоселективного электрода определения и электрода сравнения, опущенных в ис­следуемый раствор, можно определять в нем эффективную кон­центрацию анализируемого иона. ЭДС гальванической цепи оп­ределяют с помощью иономера (рис. 25.9). Это высокочувстви­тельный милливольтметр, шкала которого проградуирована в единицах pX_l. Иономер имеет разные диапазоны для грубых и точных измерений определяемых величин.

В се ионоселективные электроды в зависимости от агрегатного состояния мембран подразделяются на электроды с твердыми и жидкими мембранами. Наиболее широко используемым ионоселективным электродом определения с твердой мембраной являет­ся стеклянный электрод. Стеклянный электрод представляет со­бой трубку, заканчивающуюся тонкостенной стеклянной мембра­ной в виде шарика, чувствительной к определенному виду ионов. Внутри находится раствор, содержащий данный вид ионов, в который опущен внутренний электрод сравнения, соединяемый с внешней цепью. Чаще всего используется стеклянный электрод, чувствительный к ионам Н⁺ и поэтому позволяющий определить рН раствора. В этом случае внутренним раствором является 0,1 М раствор НСl, а стеклянную мембрану (шарик) изготавливают из специального литийбарийсиликатного стекла (рис. 25.10).

Чтобы повысить чувствительность стеклянной мембраны к ионам Н⁺, стеклянный электрод после хранения необходи­мо вымочить в разбавленном растворе НС1 и далее сохранять в дистиллированной воде. При вымачивании стеклянной мем­браны в кислоте поверхность стекла гидратируется, ионы ще­лочного металла в стекле обмениваются на ионы водорода Н⁺, находящиеся в растворе:

В результате на каждой гра­нице стекло - раствор возника­ет свой двойной электрический слой, характеризующийся по­тенциалом, зависящим от ак­тивности ионов Н⁺. Между внут­ренней и наружной поверх­ностями мембраны появляется разность потенциалов, которая

Рис. 25.10. Стеклянный электрод для измерения рН

зависит в основном от активности ионов Н⁺ в исследуемом рас­творе, так как внутренний раствор имеет постоянную активность ионов Н⁺. Для измерения этой разности потенциалов необходимо составить гальваническую систему из стеклянного электрода, со­держащего обычно внутренний хлорсеребряный электрод, и внеш­него электрода сравнения:

где ф₁ + ф_вн = const, так как включает постоянные потенциалы элек­трохимической системы стеклянного электрода. Величина ф_нарсогласно уравнению Нернста равна ф_нар= (2,SRT/F) lg а(Н⁺) = -2 • 10^-4 Т рН, поэтому

Таким образом, потенциал стеклянного электрода является функцией рН исследуемого раствора, и ЭДС гальванической це­пи из стеклянного электрода и электрода сравнения тоже будет функцией рН исследуемого раствора:

Полученное выражение свидетельствует о линейной зависимости ЭДС гальванической цепи от рН исследуемого раствора. Так как постоянная величина, входящая в это выражение, неизвестна, то перед измерением рН с помощью конкретного стеклянного элек­трода необходимо откалибровать этот электрод по стандартным буферным растворам с точно известным значением рН, коррек­тируя показания шкалы рН-метра, являющегося, по сути, точ­ным милливольтметром. Таким образом, рН-метры позволяют с помощью откалиброванного стеклянного электрода и электрода сравнения измерять рН исследуемого раствора непосредственно по шкале прибора.

Аналогично измерению рН с помощью стеклянных ионосе-лективных электродов, мембрана которых изготовлена из опре­деленного сорта стекла, селективного по отношению к ионам Na⁺, К⁺ или NH4(+), можно определять концентрацию этих ионов непосредственно в биологических системах.

На основе мембраны из кристаллического фторида лантана созданы фторидселективные электроды для определения кон­центрации фторид-иона в молоке, моче и в зубной пасте.

И оноселективные электроды с жидкой мембраной состоят из мелко­пористой диафрагмы из стекла или пластмассы, пропитанной раствором ионофора в нелетучем органическом растворителе, не смешивающимся с водой. Селективность такой мембраны зависит от комплексообразующих свойств ионофора по отношению к определяемому иону на фоне других ионов, находящихся в анализируемой системе. Среди ионоселективных электродов определения с жидкой мембраной наиболее широкое применение нашли калиевый, кальциевый, нитратный и ацетилхолиновый электроды (табл. 25.2).

В последнее время наряду с ионоселективными электродами в биохи­мических анализах применяют молекулярноселективные электроды. Молекулярноселективные электроды определения представляют собой ионо-селективные электроды, на наружной поверхности мембран которых на­несен слой иммобилизованного фермента. Ферменты - вещества, которые способны катализировать превращения одного-единственного субстрата из многих сотен или даже тысяч веществ близкой химической природы. Под действием фермента происходит реакция с определяемым субстратом, приводящая к образованию иона, к которому чувствителен данный элек­трод определения. Такие электроды часто называют ферментными. На­пример, мочевино-селективный электрод состоит из аммоний-селектив­ного стеклянного электрода, покрытого слоем, содержащим фермент уреа-зу. Под действием уреазы мочевина CO(NH₂)₂ в исследуемом растворе гидролизуется с образованием иона аммония, концентрация которого фикси­руется аммоний-селективным стеклянным электродом, и тем самым опре­деляется содержание мочевины в исследуемом растворе.

С помощью фермента пенициллиназы, нанесенного на поверхность мембраны стеклянного электрода для измерения рН, можно определять концентрацию пенициллина в исследуемом растворе. Пеницил­лин под действием пенициллиназы количественно превращается в пенициллиновую кислоту, что изменяет рН среды пропорционально содержанию пенициллина и фиксируется стеклянным электродом.

В настоящее время в клинической практике широко используются молекулярноселективные электроды, содержащие ферменты для опре­деления глюкозы, антибиотиков, витаминов, гормонов, аминокислот и других биологически активных веществ. Разрабатываются иммуноэлектроды для определения содержания антигенов или антител.

Кроме ионо- и молекулярноселективных электродов в потенцио-метрии в качестве электрода определения используют окислительно-восстановительный электрод определения на основе платины для ис­следования ионного состава различных сопряженных окислительно-восстановительных пар.

С помощью рассмотренных электродов определения потенциометрически определяют непосредственно активности и кон­центрации соответствующих ионов или веществ в исследуемых системах. Такая методика называется прямой потенциометрией (см. рис. 25.9). При прямой потенциометрии предварительно обязательно калибруют электрод определения. Для этого с по­мощью данного электрода определения проводят измерения се­рии стандартных растворов с известной концентрацией опреде­ляемого иона или вещества. По полученным данным или строят калибровочный график в координатах Е = f(рХi), или корректи­руют шкалу иономера для измерения pXj. Таким образом, откорректированный рН-метр или иономер позволяют с помощью откалиброванного электрода определения измерить рН или рХ_l непосредственно по шкале прибора.

Прямая потециометрия с использованием ионо- и молеку­лярноселективных электродов определения широко применяет­ся в клинической и санитарной практике.