Типы ион-селективных электродов

Распространенными типами ИСЭ являются стеклянные электроды и электроды на основе жидкостных ионообменных мембран. Для измерения рН жидких сред наилучшие параметры электродов обеспечивают стекла, содержащие соли лития. Зависимость генерируемого потенциала от рН у таких электродов линейна в диапазоне от 0 до 12 единиц рН (в диапазоне концентраций ионов водорода от 1 до -12 Моля); их чувствительность приближается к теоретической и составляет около 59 мВ/единицу рН. Измерительная часть электрода изготавливается в виде сферы, выпускаются также плоские и микроэлектроды. Основная форма рН электрода – стеклянный баллон диаметром 5 - 8 мм при толщине мембраны 200 – 300 мкм. Недостатком стеклянных электродов является их хрупкость.

Жидкостные ионообменные электроды. По структуре ионообменные электроды подобны рН-электродам и представляют собой корпус (как правило выполняется из пластика), заполненный электролитом определенного типа. Для каждого ИСЭ используются специальные типы внутренних электролитов. Электрический контакт с электролитом и подключение во внешнюю измерительную цепь обеспечивается за счет присутствия внутреннего металлического электрода. В торец ИСЭ встроена ион-селективная мембрана. Для измерения ионной концентрации ИСЭ в паре с электродом сравнения подключается к высокоомному вольтметру (Рис. 4.1.7). Ион-селективные мембраны получают растворением органического ионита (ионофора) в инертном растворителе; ионофор в растворенном виде вводят в инертный носитель-матрицу. После введения ионофора растворитель улетучивается, а матрица приобретает свойства потенциал-генерирующей мембраны. Потенциал зависит от концентрации ионов определенного типа и описывается уравнением Нернста, где С1 – концентрация иона в измеряемом растворе, С2 – концентрации иона внутри ИСЭ. Для формирования ион-селективной мембраны применяют силиконовую резину, полиметилметакрилат, поливинилхлорид; последний является наиболее распространенным материалом для изготовления ИСЭ.

Рис. 4.1.7. Схематическое представление ИСЭ и измерительной системы.

Ионофоры относятся к соединениям, интерес к которым исходно появился в связи с изучением свойств биологических мембран и искусственных бислойных мембран, моделирующих натуральные биологические. Ионофоры обеспечивали селективную проницаемость мембран обоих типов к определенным ионам. Исторически события развивались таким образом, что в 1967 г. была описана группа соединений, способных переносить ионы щелочных и щелочноземельных металлов через искусственные и биологические мембраны. Соединения были названы ионофорами. Термин "ионофор" объединяет мембраноактивные вещества гидрофобной природы, способствующие переносу ионов через липидные барьеры. К ним относятся различные природные и синтетические макроциклические соединения, содержащие большое количество атомов кислорода. Все они отличаются способностью селективно связывать ионы металлов, образуя с ними липидорастворимые катионные комплексы. Комплексы ионофоров с металлами образуются при взаимодействии с атомами кислорода, равномерно встроенными в циклический скелет и ориентированными соответствующим образом.

Ионофоры могут быть представлены такими соединениями как комплексы переходных металлов с производными фенантролина, органофосфатными солями, антибиотиками (валиномицин, нистатин, нонактин, тетрациклин). Встраивание ионофора в инертные носители используют для создания мембран ИСЭ. В некоторых случаях для формирования ИСЭ носитель, содержащий ионофор, наносят на проводящие материалы - графитовые нити, платиновую проволоку и т.п.

Кроме ИСЭ прямого измерения концентрации ионов существуют так называемые комбинированные. Комбинированный электрод представляет сопряжение ион-селективного электрода определенного типа со специальными видами газопроницаемых мембран. Так, например, рН электрод может сопрячь с мембраной, проницаемой для углекислого газа, аммиака (СО2, NH3). В этом случае между рН электродом и мембраной вводят слой буферного раствора. Диффузия газов в слой буферного раствора приводит к изменению рН, которое регистрируется рН-чувствительным электродом.

В дополнение к описанным типам ИСЭ следует отметить также существование так называемых твердотельных электродов, которые характеризуются отсутствием электролита во внутренней части электрода. Одним из современных материалов, используемых для формирования твердотельных электродов, являются халькогенидные стекла. Преимущества, которыми обладают ИСЭ данного типа, состоит в долговременной стабильности параметров и высокой механической прочности. Как правило, электрод выполняется в виде таблетки, размещаемой на проводящем материале. Одним из условий формирования халькогенидных стекол является высокое давление (до 1 тонны на см2), с помощью которого формируется таблетка требуемого состава. Химический состав стекла определяется типом иона, к которому требуется обеспечить селективность. Так, халькогенидное стекло, селективное к ионам кадмия, имеет композицию 57As2S3-38Ag2S-5CdS. Данный материал стекла обеспечивает чувствительность к ионам кадмия при линейности характеристики в диапазоне концентраций ионов кадмия от 10-5 - 10-2 М. Известны ИСЭ на основе халькогенидных стекол, обеспечивающие селективность к катионам Pd2+, Cd2+, Sn2+, Tl+.

Представление о параметрах ИСЭ, промышленно выпускаемых в настоящее время, дает Таблица 4.1.3, в которой приведены типы электродов, типы мембран, пределы детекции, мешающие примеси и т.д.

Таблица 4.1.3. Типы выпускаемых ион-селективных электродов и их параметры.

Дата добавления: 2014-01-07