Применение ионоселективных электродов для исследования биологических объектов
Аннотация
Одним из основных методов определения активности ионов H+ и других ионов является метод определения активности с использованием иончувствительных электродов, которые позволяют определять активности ионов в водных и неводных растворах, а также в различных биологических объектах. Целью данной лабораторной работы является изучение способов применения таких электродов в биологических исследованиях. В рамках работы проводилось определение крутизны водородной функции электрода для проверки устройства на исправность (теоретически рассчитанная величина (58 мВ/pH) оказалась примерно равна экспериментально полученному значению (56.9 мВ/pH); определение константы диссоциации лимонной кислоты путем построения кривой ее титрования (выявлены 4 константы: 3,48; 4,75; 5,22; 6,3). Также была определена буферная емкость растворов различной концентрации — было выявлено, что при титровании щелочью она снижается в 1,93 (для 0.05М раствора по отношению к 0.1М), а при титровании кислотой уменьшение происходит примерно в 2.6 раз для 0.05М раствора по отношению к 0.1М.
Введение
Непрерывная регистрация активности ионов может дать ценную информацию об условиях, скорости и механизмах протекания фундаментальных биологических процессов, так как их протекание связано с изменением активности ионов в клетке и окружающей среде. Регистрируемые активности ионов невелики.
Одним из основных методов определения активности ионов H+ и других ионов является метод определения активности с использованием иончувствительных электродов. Такими электродами определяют активности ионов в водных и неводных растворах, а также в различных биологических объектах. Все ИСЭ в основе своей конструкции имеют ионочувствительную мембрану, проницаемую для конкретного типа ионов. Отсюда, как правило, появляется возможность высокоселективного определения. Мембрана – основной компонент любого ИСЭ. Она разделяет внутренний раствор с постоянной концентрацией определяемого иона и исследуемый раствор. Одновременно мембрана служит средством
электролитического контакта между ними. Мембрана обладает ионообменными свойствами, причем проницаемость ее к ионам разного типа различна.
Привлекательной особенностью ионометрии являются относительная простота и дешевизна необходимой аппаратуры, а также высокая экспрессность анализа, что, несомненно, способствует распространению метода.
Таким образом, ИСЭ – это аналитические устройства, позволяющие с помощью ионочувствительной мембраны узнавать конкретный тип ионов и давать информацию об их количестве в виде электрического сигнала – потенциала, который связан с активностью (концентрацией) определяемого иона в анализируемом растворе.
Электродный потенциал меняется при изменении активности ионов в окружающей среде в соответствии с законом Нернста. Концентрацию ионов в растворе обычно выражают в виде показательной функции, поэтому для удобства натуральный логарифм активности в уравнении заменяют десятичным с обратным знаком и этот отрицательный десятичный логарифм активности иона в растворе называют ионным показателем и обозначают pH, если речь идет об ионах H+.
Теоретически график зависимости потенциала стеклянного электрода от pH (электродная функция) представляет собой прямую линию с угловым коэффициентом 58мВ/pH и называется крутизной S электродной функции. Если крутизна конкретного стеклянного электрода значительно отличается от теоретически рассчитанной величины, то такой электрод необходимо заменить.
Материалы и методы
Подготовка прибора к работе – электроды помещаются в дистиллированную воду на несколько минут (пока показания прибора не стабилизируются).
Определяется крутизна водородной функции электродов прибора. Для этого используются буферные растворы с различными значениями pH (1,68; 4,01; 6,86; 9,18; 10,10), для каждого из которых измеряется величина потенциала электродной системы. После этого строится график
экспериментальной зависимости потенциала φ от pH и определяется крутизна электродной функции в мВ/pH.
Определение константы диссоциации слабой кислоты. Проводится титрование раствора 10 мл р-ра лимонной кислоты концентрации 0.1М. Измеряется исходная величина pH, а затем добавляется последовательно по 1 мл раствора NaOH (0.1M) с фиксацией значений pH, пока они не превысят значение 7.5. На основании полученных данных определяются константы диссоциации исследуемой кислоты.
Определение буферной емкости растворов. Проводится титрование 10 мл фосфатного буфера концентрации 0.1М: а) соляной кислотой и б) щелочью NaOH в последовательности, описанной в п.2.3. Титрование прекращается тогда, когда рН раствора изменяется ровно на 1. Аналогично титруется 10 мл фосфатного буфера концентрацией 0.05 М. Далее вычисляется буферная емкость растворов согласна утверждению, что буферная емкость - это количество кислоты или щелочи (моль или ммоль), добавление которого к 1 л буферного раствора изменяет рН на единицу.
Результаты
1. Определение кривизны водородной функции
График 1. График экспериментальной зависимости потенциала φ от pH.
2. Определение константы диссоциации
Таблица 2. Определение константы диссоциации лимонной кислоты
pH р-ра V(NaOH) tgα=ΔV/ΔpH pH р-ра V(NaOH) tgα=ΔV/ΔpH
1,33 |
|
0 |
0 |
|
4,48 |
|
17 |
3,79 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,98 |
|
1 |
0,51 |
|
4,59 |
|
18 |
3,92 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2,22 |
|
2 |
0,90 |
|
4,75 |
|
19 |
4 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2,42 |
|
3 |
1,24 |
|
4,87 |
|
20 |
4,10 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2,59 |
|
4 |
1,54 |
|
5,03 |
|
21 |
4,17 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2,74 |
|
5 |
1,82 |
|
5,22 |
|
22 |
4,21 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2,89 |
|
6 |
2,08 |
|
5,31 |
|
23 |
4,33 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3,04 |
|
7 |
2,30 |
|
5,45 |
|
24 |
4,40 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3,19 |
|
8 |
2,51 |
|
5,6 |
|
|
25 |
4,46 |
|
3,3 |
|
9 |
2,73 |
|
5,76 |
|
26 |
4,51 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3,48 |
|
10 |
2,87 |
|
5,89 |
|
27 |
4,58 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3,64 |
|
11 |
3,02 |
|
6,05 |
|
28 |
4,63 |
||
3,79 |
|
12 |
3,17 |
|
6,3 |
|
|
29 |
4,60 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
3,94 |
|
13 |
3,30 |
|
6,44 |
|
30 |
4,66 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
4,06 |
|
14 |
3,45 |
|
6,79 |
|
31 |
4,57 |
||
4,2 |
|
15 |
3,57 |
|
8,99 |
|
32 |
3,56 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4,33 |
|
16 |
3,70 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
График 2. Кривая титрования слабой кислоты (0.1М раствора лимонной кислоты) 0.1М раствором NaOH.
3. Определение буферной емкости растворов
Таблица 3. Титрование 10 мл фосфатного буфера (0.1М) щелочью
V NaOH (мл) |
pH |
|
|
0 |
6,87 |
1 |
7,27 |
|
|
2 |
7,71 |
|
|
3 |
8,04 |
|
|
Таблица 4. Титрование 10 мл фосфатного буфера концентрацией 0.05М соляной кислотой
V NaOH (мл) |
pH |
|
|
0 |
7,05 |
1 |
7,29 |
|
|
2 |
7,88 |
|
|
3 |
8,19 |
Таблица 5. Титрование 10 мл фосфатного буфера (0.1М) соляной кислотой
V HCl |
pH |
(мл) |
|
0 |
5,32 |
|
|
1 |
4,94 |
|
|
2 |
4,66 |
3 |
4,27 |
|
|
Таблица 6. Титрование 10 мл фосфатного буфера концентрацией 0.05М щелочью
V HCl (мл) |
pH |
0 |
6,62 |
1 |
6,34 |
|
|
2 |
5,95 |
|
|
3 |
4,34 |
Таблица 7. Буферные емкости растворов.
Титруемый раствор |
Титрант |
Буферная емкость |
|
|
(моль/л) |
0.1М Буферный р-р |
0.1М HCl |
0.26 |
|
|
|
0.1М Буферный р-р |
0.1М NaOH |
0,27 |
|
|
|
0.05М Буферный р-р |
0.1М HCl |
0,29 |
0.05М Буферный р-р |
0.1М NaOH |
0,2 |
|
|
|
Выводы
1.Полученное значение (56.9 мВ/pH) крутизны водородной функции согласуется с литературными данными (58 мВ/pH), это означает, что прибор откалиброван правильно и на нем можно выполнять необходимые измерения.
2.Полученные характеристики лимонной кислоты частично близки к значениям, приведенным в литературе (3,13; 4,77; 6,39). В эксперименте были получены 4 значения: 3,48; 4,75; 5,22; 6,3. Значения, полученные экспериментально, могут отличаться от табличных по причине того, что условия не идеальные — в реальном растворе существует фактор электростатического взаимодействия ионов, существуют несовершенность титрования и погрешность в измерениях, а также ограничения по чувствительности конкретного прибора.
Буферная емкость фосфатного буфера, при разведении его в 2 раза, не уменьшается. Это может быть обусловлено тем, что разводимые соли для буферного раствора могли стать непригодными к использованию; буферный раствор становится неэффективным при разведении в два раза; добавление небольших количеств кислоты или щелочи к более концентрированному раствору не вызовет существенного изменения концентраций его компонентов (а значит и их соотношения) по сравнению с добавлением такого же количества титранта в раствор с меньшей концентрацией.