Введение
Для определения состава и свойств различных соединений и растворов используются химические, физические и физико-химические методы
анализа. В некоторых случаях появляется необходимость определять концентрацию различных ионов в растворе. Целью данной работы является
рассмотрение ионоселективных электродов: их разнообразие, изготовление, принцип действия, область применения данных электродов, а также
более подробное рассмотрение свойств мембранного электрода, его особенностей.
История ионоселективных электродов
Ионометрия в настоящее время представляет собой достаточно широкую область науки и техники и играет немаловажную роль в
аналитической химии. Основная задача ионометрии — изучение и разработка различного рода ионоселективных электродов.
История развития мембранных электродов связана с исследованиями физиологических процессов. В середине ХIХ века физиологи обнаружили
возникновение между отдельными частицами организмов разности электрических потенциалов. Для понимания действия сложных биологических
мембран химиками в конце ХIХ были созданы простейшие модели мембран.
В 1890 году Оствальд воспользовался понятием полупроницаемой мембраны для создания модели биологической мембраны и показал, что
значение разности потенциалов в такой мембране можно считать предельным в случае жидкостного потенциала, когда подвижность одного из ионов
равна нулю.
В начале ХХ столетия была обнаружена способность стеклянной мембраны реагировать на изменение концентрации ионов водорода. Первые
основные исследования потенциалов стеклянных мембран проведены Кремером и Габером. Ими же созданы и первые прототипы стеклянных и
других электродов с твердыми и жидкими мембранами.
Первые стеклянные электроды для практического измерения рН в растворах были предложены в 20-х годах Юзом, Долом и Мак-Иннесом,
Никольским и Шульцем. В 50-х годах появились стеклянные электроды с функциями ионов щелочных металлов, их которых наибольшее практическое
значение имеет натриевый стеклянный электрод.
Жидкие мембраны, содержащие растворенный ионит, впервые изучали Соллнер и Шин. Однако у этих мембран отсутствовала достаточная
селективность по отношению к какому-либо определенному иону [2].
Ионоселективные электроды
Ионоселективным электродом называется индикаторный или измерительный электрод с относительно высокой специфичностью к отдельному
иону или типу ионов.
Ионоселективные электроды имеют следующие достоинства: они не оказывают воздействия на исследуемый раствор, портативны, пригодны
как для прямых определений, так и в качестве индикаторов в титриметрии [3].
В зависимости от типа мембраны ионоселективные электроды можно разделить на следующие группы:
· твердые электроды — гомогенные, гетерогенные, на основе ионообменных смол, стекол, осадков, моно- и поликристаллов;
· жидкостные электроды на основе жидких ионитов хелатов — нейтральные переносчики биологически активных веществ;
· газовые и энзимные электроды.
Электроды с твердыми мембранами
Мембраны данного вида электродов представляют собой моно- или поликристаллы труднорастворимых в воде солей. В этих мембранах
обычно один из двух составляющих соль ионов способен под действием электрического поля перемещаться в кристаллической решетке по ее
дефектам. Примерами могут служить мембраны из солей галогенидов серебра, которые обладают ионной проводимостью, осуществляемой ионами
серебра. Поведение этих мембран в простейших случаях идентично поведению соответствующих электродов второго рода (хлорсеребряного и
каломельного). Тонкая пластинка из монокристалла, например, хлорида серебра, может быть мембраной электрода, обратимой по отношению к иону
Cl-, который закреплен в кристаллической решетке. В то же время такой электрод обладает и катионной Ag+-функцией за счет постоянства
произведения растворимости ПРAgCl.
Кристаллические мембраны отличаются очень высокой селективностью, превышающей селективность жидкостных электродов (с
ионообменными веществами) на несколько порядков. Это связано с тем, что селективность у твердых кристаллических мембранных электродов
достигается за счет вакансионного механизма переноса заряда, при котором вакансии заполняются только определенным подвижным ионом (Ag+),
так как форма, размер, распределение заряда вакансии соответствуют только определенному подвижному иону. К электродам с твердой мембраной
относятся: лантанфторидный электрод, сульфидсеребряные электроды, галогенсеребряные электроды, электроды на основе сульфидов
(халькогенидов) некоторых двузарядных ионов металлов, стеклянные электроды.
Наиболее совершенным и высокоселективным электродом для определения F--ионов является монокристаллический лантанфторидный
электрод. У этого электрода F--функция сохраняется до концентрации ионов F- ~ 10-5 – 10 -7 м, т. е. значительно меньшей, чем рассчитанная из
литературных данных о растворимости фторида лантана. Это свойственно и другим электродам на основе моно- и поликристаллов. Потенциал LaF3-
электрода подчиняется уравнению Нернста в интервале концентраций 100 – 10-6 м. Селективность LaF3 -электрода в присутствии многих других анионов
может быть охарактеризована возможностью определения активности ионов F при более чем 1000-кратных избытках галоген-ионов, NO3–, PO43–,
HCO3– и других анионов. Существенно мешают определению аF- только катионы, дающие комплексы с фторидами (Al3+, Fe3+, Ce4+, Li+, Th4+) и анионы
OH-.
Как и для всякого электрода, поверхность лантанфторидного электрода может изменяться в результате реакций с веществам исследуемого
раствора. Например, в растворах, содержащих карбоксильные кислоты, поверхность электрода и, соответственно, потенциал изменяются за счет
образования смешанных солей фторида и аниона карбоксильных кислот (поверхность можно вернуть к первоначальному состоянию после
выдерживания электрода в буферном и чистом растворах фторида натрия). Потенциал в концентрированных растворах устанавливается менее чем
за 0,5 с, а при низких концентрациях — до 3 мин. Стабильность потенциала F--электрода достаточна для длительной работы без периодических
калибровок (изменение потенциала примерно ±2 мВ в неделю). Применяют лантанфторидный электрод для определения произведений
растворимости, определение ионов F- в различных жидких средах и твердых веществах, для анализа биологических материалов, сточных вод,
минеральных удобрений, фармацевтических средств.
Сульфид-серебряные электроды
Этот вид электродов является универсальным, с одной стороны, Ag2S является основой одного из первых гомогенных кристаллических
электродов с высокой избирательностью по отношению к ионам Ag+ и S2-, с другой стороны, Ag2S оказался превосходной инертной матрицей для
кристаллических галогенидов серебра и многих сульфидов двузарядных металлов. Ag2S-электрод в растворах AgNO3 обладает полной Ag+-
функцией в интервале концентраций 100 – 10-7 м Ag+. Нижний концентрированный предел обусловлен нестабильностью растворов при концентрации
ниже 10-7 м Ag+. Однако можно измерить очень низкие концентрации свободных ионов Ag+ в присутствии комплексообразователей, которые создают
буферность раствора относительно измеряемого иона. S2--функция экспериментально выполняется в интервале от 10-2 до 10-7 м в сильнощелочных
сульфидных растворах. На потенциал рассматриваемого электрода влияют Hg2+ и CN--ионы. Влияние ионов CN- обусловлено реакцией:
6CN- + Ag2S = S2- + 2Ag(CN)3 2-.
В обычной конструкции ионоселективного электрода с твердой мембраной внутренняя поверхность мембраны контактирует со стандартным
раствором электролита, в который погружен вспомогательный электрод, создающий обратимый переход от ионной проводимости в электролите к
электронной проводимости в металлическом проводнике. Однако удобнее внутренний контакт создавать с помощью твердых веществ (графит,
металлы) — такие электроды называются твердофазными.
Галогенсеребряные и некоторые другие электроды на основе солей серебра используются для определения концентрации галоген-ионов.
Гомогенные электроды с твердыми мембранами или монокристаллами принципиально не отличаются от так называемых гетерогенных, мембраны
которых содержат такие же труднорастворимые соли, внедренные в пластическую матрицу. В данных электродах используют смеси твердых
электролитов AgХ (Х — Cl, Br, I) с Ag2S. При изготовлении AgХ – Ag2S -электродов AgХ в виде тонкого порошка диспергирует в Ag2S. Последний из-
за значительно меньшей растворимости (чем у галогенидов серебра) выполняет роль химически инертной матрицы. Ag2S относится к
полупроводникам нестехиометрического состава, у которых электрические характеристики зависят от условий получения образца и его чистоты. Эти
особенности Ag2S сказываются на электропроводности мембран. Проводимость в AgХ-мембранах осуществляется ионами Ag+ по дырочному
механизму Френкеля. Мембранная фаза имеет постоянный состав, и диффузионный потенциал внутри мембраны равен нулю. Потенциал галоген
серебряных электродов подчиняется уравнению Нернста. Существует 3 типа AgХ- электродов:
· основу составляет смесь AgХ и Ag2S, такой состав устраняет недостатки AgBr- и AgCl-электродов и позволяет получить AgI-электрод, т. к.
мембраны из чистого йодида серебра не устойчивы и легко растрескиваются (это вызвано тем, что твердый йодид серебра в зависимости от
температуры и давления может находиться в различных модификациях);
· основу мембраны составляет смесь монокристаллов Cl и AgBr. Для AgI-электродов применяют смесь поликристаллических AgI и Ag2S;
· основу мембраны составляют осадки галогенидов серебра, внедренные в силиконовый каучук.
Качество мембран зависит от природы и количества осадка, введенного в мембрану, и от способа образования мембранной поверхности. С
AgCl-электродом можно определять ионы Cl- в интервале концентраций 10-5 – 10-6 м. Для AgI-электродов нернстовская зависимость потенциала наблюдается до 10-6
м I-. Потенциометрическое определение с галогенсеребряным электродом осложняется присутствием в исследуемом растворе сульфида,
тиосульфата и цианата или восстановителей. Кроме галогенсеребряных электродов используют и ионоселективные CN- и SCN-электроды. AgCl-
электрод используют для определения Cl- ионов в молоке, минеральных фосфатах, фармацевтическом производстве, при анализе гидроокиси калия,
равновесных смесей.
Электроды на основе сульфидов (халькогенидов) некоторых двузарядных ионов металлов. Мембраны для этого вида электродов получают из
смесей сульфида серебра и сульфида (халькогенида) соответствующего металла. Наибольшее значение для практики имеют медный, свинцовый и
кадмиевый электроды.
Медь-селективный электрод
Электрод с твердой мембраной, обратимый к ионам Cu2+, впервые полученный Россом. Электрод создан на основе сульфидов меди и
серебра. Ионы Cl- (и Br -) влияют на потенциал электрода из-за реакции, которая может протекать на поверхности мембраны:
Ag2S + Cu2+ + 2Cl- = 2AgCl + CuS.
Обратимый к ионам Cu2+ электрод может быть изготовлен также из низшего окисла меди Cu2S. Твердые Cu2+-электроды применимы для
изучения систем, содержащих окислители и восстановители. Кроме кристаллического, на основе Ag2S – CuS получены два других электрода: один с
мембраной из CuS, внедренного в медный порошок, а другой с мембраной Cu2S, внедренного в силиконовый каучук. Медь-селективный электрод
работает в интервале от насыщенных концентраций до 10-8 м. Интервал рН, в котором могут функционировать электроды, лежит в области 2 – 8 и зависит от концентрации
Cu2+ ионов.
Свинец-селективный электрод
Поликристаллическая мембрана свинцового электрода получена из смеси PbS и Ag2S путем прессования. Концентрационный интервал
характерный для данного электрода — 10 – 10-7 м. Высокое содержание ионов Cd2+ и Fe3+ приводит к нарушению Pb2+-функции электрода. Халькогенидные
электроды мало пригодны в прямых измерениях, но их используют при потенциометрическом титровании свинца. Ионами, влияющими на потенциал
свинцового сульфидного (халькогенидного) электрода гомогенного и гетерогенно типа, являются Ag+, Hg2+, Cu2+, Fe3+, S2-, I-. Pb2+-электрод
используют для определения SO42- ионов [2]. Кроме потенциометрического титрования сульфатов Pb2+-электрод можно применять для определения
ионов C2O42-, CrO42-, Fe(CN)64-, WO42-. Pb2+-электрод используют при определения свинца в морской воде, а так же в газах, крови.
Кадмий-селективный электрод
Электрод с твердой мембраной, селективный по отношению к ионам Cd2+, получают прессованием смеси CdS и Ag2S. Диапазон определения
ионов Cd2+ — 10 –105 м Cd2+. Кадмиевый электрод имеет ограниченную область рН, в которой он работает как строго обратимый к ионам Cd2+. В
щелочных растворах ограничение функции электрода связано с образованием гидроокиси кадмия. Cd2+-электроды используют при
потенциометрическом титровании и для определения сульфидов в жидкостях бумажного производства.
Стеклянные электроды
Наиболее распространенные электроды. С помощью данного вида электродов определяют рН растворов. Существуют стеклянные электроды,
которые позволяют определить концентрацию ионов Na+, K+. В основе теории стеклянного электрода лежит представление о том, что стекло — это
ионообменник, который может вступать в ионообменное взаимодействие с раствором. Стекло при этом рассматривается как твердый электролит.
Стекло, состоящее из окислов натрия, кальция, кремния, обладает резко выраженным специфическим сродством к ионам Н+. Вследствие этого при
соприкосновении с водными растворами в поверхностном слое стекол образуется слой, в котором ионы Na+ оказываются почти полностью
замещенными на ионы Н+. Поэтому мембранный электрод, изготовленный из такого стекла, обладает Н+-функцией. Введение в состав стекла
окислов бария, цезия, лантана и замена натрия на литий значительно расширяет диапазон Н+-функции стеклянного электрода. Введение же окислов
алюминия и бора значительно снижают Н+-функции стеклянного электрода. Таким путем удалось создать ионоселективные стеклянные электроды
для ионов Na+, K+, Li+, Ag+.
Продолжительность функционирования стеклянного электрода определяется рядом факторов — составом стекла, толщиной рН-
чувствительного поверхностного слоя мембраны, температурой и составом раствора, в котором электрод используется. Разрушение стекла
водными растворами происходит в результате сорбции воды стеклом и глубокого ее проникновения в толщу стекла. Коррозионному действию
щелочных растворов, образующихся при экстракции щелочных компонентов стекла, подвергается и горловое стекло. Кремнекислородная сетка
испытывает воздействие с обеих сторон мембраны. В конце концов, развиваются трещины, приводящие к нарушению функции электрода [4]. Для
защиты электрода от разрушения необходимо хранить его в воде, так как в воде происходит выщелачивание связанных ионными силами основных
компонентов стекла и замена их ионами водорода, в результате чего на поверхности стекла образуется слой гидролизованного кремнезема,
предохраняющий стекло от дальнейшего разрушения.
Факторы, влияющие на работу твердых мембранных электродов
Для достижения теоретических функций в электродах с твердыми мембранами необходимо, чтобы все твердые соединения, входящие в фазу
мембраны, находились в равновесии с анализируемом раствором. Этого не произойдет, если ионы, присутствующие в анализируемом растворе,
реагируют с отдельными компонентами мембраны. Наиболее типичной реакцией, характерной для мембран, содержащих галогениды серебра,
является образование менее растворимой серебряной соли. Для электрода с мембраной из смеси сульфидов серебра и меди обнаружен более
сложный характер влияния, связанный с образованием новой твердой фазы. Если электрод оказался в растворе, ионы которого приводят к
образованию новой твердой фазы, то вернуть электрод в прежнее состояние можно выдержав его в растворе с высокой концентрацией
соответствующих ионов.
Электроды с жидкими мембранами
Жидкая мембрана — это слой растворителя, который не должен растворяться в исследуемом растворе. Устойчивость мембраны повышается,
если, к тому же, органическая жидкость обладает высокой вязкостью. Низкая диэлектрическая проницаемость жидкого органического вещества
способствует ассоциации ионов в фазе мембраны. Высокая селективность к определяемому иону требует большой стабильности ионного
комплекса, на которую влияет растворитель. Для создания электродов с жидкими мембранами используют многие органические вещества, либо
чистые, либо в соответствующем растворителе. Общее свойство всех этих соединений — способность селективно связывать некоторые небольшого
размера ионы, образуя нейтральные ионогенные группы с ионами противоположного знака заряда (в жидком ионообменнике) или заряженные
комплексы с нейтральными группами органической природы. Жидкие мембраны разделяют две водные фазы. На границе между мембраной и
раствором происходит быстрый обмен между свободными ионами в растворе и ионами, связанными органическими группами в фазе мембраны.
Селективность электрода зависит от избирательности этого ионного процесса.
В электродах с жидкими мембранами к мембранному веществу предъявляется одно требование, так как если какой-либо ион способен вообще
существовать в фазе мембраны, то он в ней будет двигаться по закону диффузии, и поэтому проблема обеспечения подвижности интересующего
иона в мембране сама собой разрешается. Селективность жидких мембран будет определяться ограничением внедрения посторонних ионов в
поверхность мембраны. Так как жидкая фаза находится в контакте с водными растворами, она должна быть нерастворимой в воде и иметь низкое
давление паров, чтобы избежать интенсивного ее испарения. Этим требованиям могут отвечать жидкие органические вещества, обладающие
сравнительно большим молекулярным весом и низкими диэлектрическими проницаемостями.
К электродам с жидкими мембранами относятся электроды на основе жидких катионитов и на основе жидких анионитов.
Электроды на основе жидких катионитов
Электродно-активными веществами, определяющими катионную функцию мембранных жидкостных электродов, являются органические
высокомолекулярные кислоты и их соли с карбоксильной, сульфо-, фосфорно- и тиофосфорнокислыми группами. Низкая катионная селективность
электродов присуща мембранам, содержащим органические сульфокислоты. Гораздо большую селективность проявляют жидкие катионообменные
мембраны, полученные на основе солей фосфорных и тиофосфорных органических кислот в органических растворителях. Жидкостные электроды на
основе дитизонатов проявляют нернстовскую зависимость потенциалов и высокую селективность по отношению к ионам Cu2+, Pb2+, Zn2+, Hg2+, Ag +.
Кальций-селективный электрод
Наиболее широко исследованы Са2+-электроды на основе кальциевых солей диэфиров фосфорной кислоты, в качестве растворителей
используют диоктилфенилфосфонат. Этот электрод функционирует в концентрационном интервале 10-1 – 10-5 М Са2+, при рН = 6 – 11. Са2+-электрод
действует в присутствии ПАВ, анионов гуминовой кислоты, салицилата, фталата, фенола, мочевины [2]. Область применения Са2+-электродов —
определение коэффициентов активности ионов Са2+; определение жесткости воды; определение растворимости СаSO4 и СаСО3; исследование
ассоциации СаSO4 и MgSO4 в морской воде.
Электрод, селективный по отношению к сумме катионов кальция и магния
В качестве жидкостных ионообменников применяли фосфорорганические кислоты, в качестве растворителя — дециловый спирт. Эти
электроды способны обнаруживать нернстовскую зависимость потенциала от суммарной концентрации ионов Са2+ и Mg2+ в интервале 10-1 – 10-4 М.
Данный электрод используют для определения жесткости воды.
Жидкие иониты с активными группами, содержащими серу, должны были бы обладать высокой селективностью относительно ионов тяжелых
металлов, которые образуют труднорастворимые сульфиды [1].
Электроды на основе жидких анионитов
Если использовать активные группы с положительным зарядом, то можно получить селективные электроды с анионной функцией. В отличие от
катионселективных электродов, почти все анионоселективные электроды получены на основе солей аминов и четвертичных аммониевых оснований,
являющихся типичными жидкими анионообменниками. Эти электроды могут быть использованы для следующих анионов: ClO4-, SCN-, I-, NO3-, Br-, Cl-.
Возможность изготовления электродов определяется тем, в какой степени экстрагируются аминокислоты органической фазой. Для плохо
экстрагируемых полярных глицина и аланина не удалось изготовить электрод [4].
Существует несколько разновидностей электродов с жидким анионитом. Нитрат-селективный электрод как наиболее распространенный из них
будет рассмотрен более подробно.
Перхлорат-селективный электрод
Электрод функционирует как обратимый по отношению к ClO4- иону в интервале концентраций 10-1 – 10-4 при рН = 4 – 11. Концентрацию ClO4-
ионов нельзя обнаружить в присутствии следующих ионов: MnO4-, IO4-, ReO4-, SCN-.
Фосфат-селективный электрод
Применяют для определения активности HPO42- в разбавленных растворах в интервале рН = 7,0 – 7,5.
Тетрафторборат-селективный электрод
Некоторые электроды, содержащие фенантролиновую хелатную группу, можно использовать для определения BF4- в растворах. В области
концентраций 10-3 – 10-1 м потенциал электрода отвечает на изменение концентрации BF4-. Электроды с мембранами, содержащими о-фенантролиновую группу,
применяли для потенциометрического определения бора, предварительно переведенного в тетрафторборат.
Нитрат-селективный электрод
Для ионометрического определения нитрат-иона как сильно гидрофобного аниона мембрана должна содержать сильно гидрофобный катион. В
первом нитратном электроде в качестве такого катиона использовался металлфенантролиновый комплексный катион V (мембранный растворитель
нитро-n-цимол). Этот электрод можно применять для определения нитрат-ионов в интервале рН 4 – 7. В других нитратных электродах
ионообменниками служат соли тетраалкиламмония, например нитрат аммоний — органического иона XIII. Лучшим является электрод с
возобновляемой поверхностью мембраны, в котором жидкий ионообменник состоит из нитрата кристаллического фиолетового VII, растворенного в
нитробензоле. Нитратные электроды чувствительны также к нитрит-иону, мешающее влияние которого можно устранить при помощи сульфаминовой
кислоты.
Нитратные электроды находят применение, главным образом, для контроля объектов окружающей среды. Определению нитратов в растениях
мешает присутствие больших количеств хлоридов, удалить которые можно, пропуская анализируемый раствор через ионообменную смолу Dowex 50-
X8. При анализе растительных объектов используется ионометрический метод, основанный на нитровании 3,4-диметилфенола после извлечения
нитратов из проб методом восстановительной дистилляции. При определении же нитрат-ионов в почвах потенциометрия использование
ионоселективных электродов уступает спектрофотометрическому методу. Нитратные электроды можно применять для определения оксидов азота
после перевода в нитраты при окислении (например, под действием пероксида водорода).
Газовые электроды
Газовый электрод включает ионоселективный электрод и сравнительный электрод, контактирующие с небольшим объемом вспомогательного
раствора, который отделен от исследуемого раствора газовой прослойкой или гидрофобной газопроницаемой мембраной. Существует два вида
газовых электродов.
В электродах первого типа ионоселективный и сравнительный электроды погружены в небольшой объем раствора определенного состава,
отделенного от исследуемого раствора гидрофобной газопроницаемой мембраной. Для этого вида электродов используют два вида мембран —
гомогенные, представляющие собой пленку полимера, в которой растворяется диффузионный газ, и гетерогенные, микропористые, в которых газ
диффундирует фактически через воздух, заполняющий поры. В качестве мембран используют силиконовый каучук, тефлон, полипропилен.
Микропористые мембраны обладают лучшими диффузионными характеристиками по сравнению с гомогенными.
В электродах второго типа газопроницаемая мембрана заменена газовой прослойкой. В этом электроде для удержания электролита на
поверхности индикаторного электрода и создания стандартной по толщине пленки в электролит вводят ПАВ, или весь раствор впитывается слоем
геля. В электроде с гидрофобной мембраной не требуется обновлять слой электролита на мембране индикаторного электрода после каждого
измерения; электрод можно использовать в условиях протока; на показания электрода практически не влияют механические помехи (например,
сотрясение); полимерная пленка защищает электрод от воздействия воздуха. В электроде с газовым зазором можно изменять толщину слоя
электролита, изменяя давление головки электрода на полимерную мембрану; слой электролита на индикаторном электроде очень тонок, это
значительно сокращает время отклика электрода. Диффузия газа в воздушной прослойке происходит гораздо быстрее, чем в мембране из полимера.
Из-за отсутствия прямого контакта электрода с образцом значительно возрастает срок жизни электрода. Одним из наиболее распространенных
электродов является электрод с чувствительным элементом на аммиак. Эта электродная система включает катионоселективный электрод и
гидрофобную мембрану, проницаемую для аммиака, но не проницаемую для таких ионов, как Na+, K+, NH4+. Мембрана отделяет исследуемый
щелочной раствор от внутреннего раствора 0,1 М NH4Cl, в который погружен стеклянный рН-электрод и хлорсеребряный электрод сравнения.
Диффузия аммиака через мембрану вызывает изменение рН раствора, находящегося между мембраной и стеклянным электродом, который
регистрирует это изменение рН. Электроды для определения кислорода и углекислого газа используют преимущественно в медицине.
Энзимные электроды
Энзимные электроды подобны мембранным электродным системам, чувствительным к газам. Существенное различие заключается в
иммобилизации энзимов на индикаторной поверхности электрода. Успешность применения энзимного электрода зависит от иммобилизации энзима в
слое геля. Существует несколько способов иммобилизации энзимов: энзим может быть закреплен в гидрофильной мембране, или поперечно
связанные молекулы энзима сами образуют мембрану; энзим может быть химически связан с поверхностью мембраны; возможна также
сополимеризация с другими энзимами или протеинами; образование микрокапсул в жидкой углеводородной мембране с помощью ПАВ [4]. При
иммобилизации энзимов необходимо следить, чтобы не происходило процессов, ведущих к денатурации ферментов. Для этого необходимо измерять
активность иммобилизованных энзимов, прежде чем использовать их в любой индикаторной системе. Выбор индикаторного устройства в энзимном
электроде зависит от того, какие вещества образуются в результате ферментативной реакции (в любом случае применяют также один из твердых
или жидких ионоселективных электродов).
Наиболее распространенными среди энзимных электродов являются электроды для определения глюкозы и для оценки концентрации
мочевины. Существуют также электроды для определения концентрации мочевой кислоты, аминокислот.
Энзимный электрод для определения глюкозы
Существуют несколько методов для определения глюкозы, из которых спектрофотометрический и электрохимический часто применяются для
измерения концентрации глюкозы в биологических жидкостях. Большинство электрохимических методов основано на измерении скорости реакции
ферментативно-катализированной системы. Один из методов основывался на том, что за изменением концентрации глюкозы следили по
уменьшению концентрации кислорода, измеряемого кислородным электродом. Для оценки содержания D-глюкозы применяют другой
электрохимический метод — вольт-амперометрию на постоянном токе. Один электрод представляет собой систему, являющуюся, в том числе, и
катализатором, в которой энзим (глюкозооксидаза) иммобилизован в матрице из полиакриламидного геля на платиновой сетке, другой электрод —
платина. При пропускании постоянного тока через элемент глюкоза окисляется (при рН = const), и измеряется потенциал системы.
Энзимный электрод для оценки концентрации мочевины
Энзимный электрод для определения мочевины в растворах или биологических жидкостях может быть сконструирован на основе NH4+-
селективного стеклянного электрода., внешняя поверхность мембраны которого обрабатывается соответствующим образом для удержания
фермента. Один из типов энзимного электрода сконструирован с применением слоя акрил-амидного геля, в котором фиксировалась уреаза, на
поверхности стеклянной мембраны. Когда такой электрод помещали в раствор, содержащий мочевину, субстрат диффундировал в гелевый слой
иммобилизованного энзима и подвергался гидролизу в соответствии с уравнением:
CO(NH2)2 + H3O+ + H O уреаза 2NH + + HCO3.
Образующийся NH4+ регистрировался NH4+-селективным стеклянным электродом. Уреазный электрод (содержащий фермент уреазу) обладает
хорошей стабильностью, но на его работу влияют ионы Na+, K+. Замена внешней целлофановой мембраны способствовала бы уменьшению влияния
этих ионов, но тогда бы возникала проблема с диффузией субстрата. Для удаления нежелательного влияния ионов натрия и калия в исследуемый
раствор добавляли алое количество смолы (1 – 2 г на 50 мл раствора), и после перемешивания смеси измеряли потенциал электрода. Другие
попытки элиминировать мешающее влияние ионов на функцию энзимного электрода заключались в использовании в качестве основы для них
газовых электродов (NH3-чувствительного электрода с воздушным промежутком). С помощью газового NH -чувствительного электрода Роджерс и
Пул определяли аммиак, получающийся при гидролизе мочевины в присутствии уреазы. Подобный же электрод применяли при измерении количества
мочевины в сточных водах, а также в водных растворах и сыворотке крови автоматизированным методом в потоке.
Заключение
Ионоселективные электроды применяют не только в химической промышленности, но и в медицине. Обладая рядом достоинств, электроды не
лишены недостатков. Так, некоторые электроды не могут быть использованы в присутствии определенного сорта ионов (например, перхлорат-
селективнй электрод не может обнаруживать ClO4- в присутствии следующих ионов: MnO4-, IO4-, ReO4, SCN-). Главным достоинством
ионоселективных электродов является то, что они не оказывают влияния на исследуемый раствор.
Библиографический список
1. Ионоселективные электроды. Под ред. Р. Дарста. Пер. с англ. — канд. хим. наук А. А. Белюстина и В. П. Прозе, под ред. доктора хим. наук,
проф. М. М. Шульца.
2. Никольский Б. П., Матерова Е. А. Ионоселективные электроды. Л: Химия, 1980.
3. Корыта И., Штулик К. Ионоселективные электроды: Пер. с чешск. — М: Мир,. 1989.
4. Лакшиминараянайах Н. Мембранные электроды: Пер. с англ./ Под ред. канд. хим. наук А. А. Белюстина. — Л: Химия, 1979.
|