F UNKCJA ELEKTRODY ODNIESIENIA W POMIARACH POTENCJOMETRYCZNYCH

Do tej pory głównym tematem tej części pracy była elektroda wskaźnikowa.

Zgodnie z Rysunkiem 4 potencjometryczny układ pomiarowy składa się z dwóch elektrod, elektrody wskaźnikowej i odniesienia (RE). Elektroda odniesienia ma za zadanie zapewnić stały potencjał, względem którego potencjał elektrody wskaźnikowej jest mierzony [427]. Zdarza się, że funkcja elektrody odniesienia jest niedoceniane, a tymczasem należy traktować ją na równi z elektrodą wskaźnikową. Może to wynikać z tego, że właściwa konstrukcja RE nie zmieniła się od wielu lat (w odróżnieniu od elektrody wskaźnikowej), a ilość prac poświęconych RE jest dużo mniejsza, niż elektrod wskaźnikowych.

Konstrukcja klasycznej elektrody odniesienia składa się z tzw. elektrody drugiego rodzaju (zazwyczaj drucika srebrnego pokrytego chlorkiem srebra, Ag/AgCl

69 lub Hg/Hg2Cl2) zanurzonego w roztworze chlorków, roztwór ten jest oddzielony przegrodą (spiekiem, szlifem, diafragmą), aby zapewnić elektryczne połączenia w całym układzie potencjometrycznym (Rysunek 4.).Czasami elektroda drugiego rodzaju jest zastąpiona elektrodą redoks.

Jakość RE jest szczególnie ważna w potencjometrii bezpośredniej przy pomiarach pH i elektrolitów krwi, gdzie potencjał kilku EJS jest mierzony w bardzo małej objętości próbki. Od RE wymaga się zapewnienia stabilnego potencjału, który nie zostaje zmieniony przez próbkę, a RE nie zmienia składu próbki. Oczywiście najlepiej, gdy RE jest łatwa w produkcji i stosowaniu, bez serwisowa (service-free) i trwała. W klasycznej RE ważną rolę odgrywa natura połączenia ciekłego (LJ). Kiedy, na przykład LJ zostaje zapchane przez składniki próbki (częsty problem w pomiarach krwi [146]) lub po prostu słabej jakości wykonanie LJ, błąd powodowany powstającym potencjałem na ciekłym złączu wzrasta. Połączenie RE za pomocą LJ staje się kluczowe w próbkach o wysokiej lub niskiej sile jonowej, np. woda używana w elektrowniach. Kolejnym problemem z klasycznymi RE jest niemożliwość ich miniaturyzacji, ze względu na wymaganie pracy w pozycji pionowej, uzupełnianie roztworu wewnętrznego, co w przypadku małych elektrod stawało się bardzo uciążliwe.

Jak już wspomniano, na ciekłym połączeniu powstaje potencjał, zwany potencjałem dyfuzyjnym. Potencjał dyfuzyjny występuje na granicy dwóch roztworów o różnym składzie. Z tego względu występuje gradient stężeń i dyfuzja jonów, która w ostateczności ma doprowadzić do wyrównania stężeń po obu stronach. Z powodu różnej ruchliwości jonów, część jonów porusza się szybciej od innych. Różne szybkości dyfuzji powodują separacje ładunku i powstanie pola elektrycznego, pole elektryczne zwalnia jony szybsze, a przyspiesza jony wolniejsze. W końcu zostaje osiągnięty stan ustalony (lokalna równowaga) i stały przepływ jonów. Potencjał dyfuzyjny jest opisywany następującą zależnością [428]:

(52)

gdzie ED potencjał dyfuzyjny, A i B oznaczają dwa roztwory o różnym składzie, ti liczba przenoszenia jonu i, zi ładunek jonu i, inne oznaczanie jak zazwyczaj

Należy zaznaczyć, że wyrażenie (52) jest słuszne niezależnie od rodzaju połączenia ciekłego, jednak, aby scałkować równanie (52) należy przyjąć nietermodynamiczne

70 założenia [428], takie jak: gradient stężenia w ciekłym połączeniu jest liniowy, współczynniki aktywności i ruchliwość jonów przyjęte jako stałe, co prowadzi do dobrze znanego równanie Henderson’a [429, 430]:

(53)

gdzie ui ruchliwość jonu i, c stężenie, inne oznaczenia jak poprzednio.

Opracowano również inne równanie do obliczenia potencjału dyfuzyjnego, większość z nich można uznać za bardziej rygorystyczne pod względem założeń, ale pomimo tego nie dają wyników różniących się znacznie od równania (53). Również model NPP zastosowano do oszacowanie potencjału dyfuzyjnego [41, 42].

W potencjometrii bezpośredniej nawet mała zmiana potencjału w LJ może prowadzić do błędnego wyniku, w szczególności, gdy zakres stężeń (potencjałów) jest wąski. Jednym z takich przykładów jest krew, gdzie zakresy stężeń i potencjałów wynoszą: Ca²⁺ 1,0 do 1,5 mmol/dm³, K⁺ 3,0 do 6,0 mmol/dm³ i Na⁺ 120 do 160 mmol/dm³, co prowadzi odpowiednio do 5,2, 17,8, 6,4 mV [431] (zakresy te mogą się różnić w zależności od źródła). Należy również pamiętać, że równanie (53) pozwala oszacować potencjał dyfuzyjny, co w jednych zastosowaniach jest wystarczające, a w innych (jak próbki krwi) może być kwestionowane, szczególnie, że z założenia nie zna się składu próbki, a więc i trudno jest szacować potencjał w LJ. Z tego względu formułuje się wymaganie dotyczące potencjału dyfuzyjnego (nie zawsze spełnione [146, 431]:

 wartość potencjału dyfuzyjnego powinna być możliwie mała

 zmiana potencjału dyfuzyjnego wynikające ze zmiany roztworu próbki powinna być możliwie mała

 zmiana potencjału dyfuzyjnego wynikająca ze zmiany składu roztworu wewnętrznego powinna być możliwie mała

Aby to osiągnąć, zazwyczaj stosuje się elektrolit o wysokim stężeniu w roztworze wewnętrznym RE (zazwyczaj 3M KCl). To jednak prowadzi do innych problemów, przede wszystkim w pomiarach biologicznych i medycznych, może powodować denaturację białek i/lub krystalizację elektrolitu, co w obydwu przypadkach jest przyczyną niestabilności RE. Problem można rozwiązać przez stosowanie rozcieńczonego roztworu elektrolitu, ale prowadzi do wysokiego potencjału

71 dyfuzyjnego [431]. Rozwiązanie problemu elektrody odniesienia zostało porównane do odnalezienia Świętego Grala “finding the Grail” [432], co w pewnym sensie najlepiej opisuje elektrodę odniesienia.

II.13.1. Rozwój elektrody odniesienia

Rozwój RE polega przede wszystkim na poszukiwaniu nowej konstrukcji RE wykonanej w technologii all-solid-state. Wyeliminowanie roztworu wewnętrznego z RE pozwoli na miniaturyzację, tak jak w przypadku elektrod jonoselektywnych. Jednak zadanie to jest dużo trudniejsze niż w przypadku EJS. Proponowane nowe konstrukcje elektrod można podzielić w następujący sposób:

a) sól o podobnej ruchliwości kationu i anionu rozproszona w polimerze lub innym materiale, są to elektrody typu all-solid-state i mają kilka przewag nad typowymi RE: nie trzeba uzupełniać roztworu wewnętrznego, mogą pracować w dowolnej pozycji, minimalizacja potencjału dyfuzyjnego, są stosunkowo łatwe do miniaturyzacji i możliwe do przygotowania w różnych rozmiarach i kształtach. Elektrodę tego typu zaproponował Diamond [433-435], gdzie KCl rozproszona w żywicy poliwinylowej pozostaje w stosunku 1:1. Materiał ten nazywany też Refex® zastosowano jako elektrodę odniesienia i jako połączenie dwóch roztworów (zamiast spieku). Niestety dokładny skład i rodzaj żywicy nie jest znany. Podobne rozwiązanie zaproponowało kilku innych autorów wykorzystując inne materiały, w których sól została rozproszona: Al2O3-PTFE, żywica formaldehydowa, poliakryalny, polipropylowęglany, poliestry [436-440]. Vonau i współpracownicy zaproponowali elektrodę, w której drucik Ag/AgCl został „spieczony” w przetopionym KCl [441]. Idea działania tego typu elektrod polega na kontrolowanym i wolnym uwalnianiu KCl z danego materiału. Ten sam autor zaproponował kilka innych tego typu elektrod, opartych o np. „brąz molibdenowy”, jednak wszystkie z nich charakteryzowały się stosunkowo dużym oporem (1-500 MΩ) i nieodtwarzalnym potencjałem [5, 440, 442].

b) dwie elektrody jonoselektywne połączone równolegle, jedna elektroda kationoselektywna druga anionoselektywna. Każda z tych elektrod powinna

72 odpowiadać na zmianę stężenia zgodnie z równaniem Nernsta, a więc np.: 10-krotny wzrost stężenia KCl powinien spowodować zmianę +59 mV EJS kationwej i -59 mV EJS anionowej i w konsekwencji zrównoważyć zmiany sygnału. Oczywiście ten pomysł jest bardzo ograniczony, tylko do warunków laboratoryjnych i ściśle kontrolowanych. Każda membrana posiada pewną selektywność i nie odpowiada na zmianę stężenia idealnie, ale największym problemem jest inna odpowiedź na jony o różnym ładunku, np. MgCl2 [443-445].

c) wykorzystanie membrany „nieczułej” na zmiany aktywności jonów, pomysł ten polega na zaprojektowaniu membrany, która pod wpływem zmiany aktywności jonów w próbce nie zmienia potencjału. Stosowano różne dodatki do membrany, a także różne polimery [284, 290, 446-461]. Membrany takie stosowane są w elektrodach o konstrukcji klasycznej, a także typu solid-state.

Nie jest znany dokładny mechanizm działania takich membran, jeżeli np.

membrana działa jak spiek (lub podobnie) i polega na uwalnianiu KCl z roztworu wewnętrznego do próbki, to konstrukcja elektrody typu solid-state, a co za tym idzie, miniaturyzacja nie będzie możliwa.

d) zastosowanie EJS selektywnej na polijony. Podstawą pomysłu jest stosowanie EJS selektywnej na jony o dużym ładunku (np. heparyna) [462]. Zasada działanie jest bardzo prosta; zgodnie z równaniem Nernsta czułość EJS jest odwrotnie proporcjonalna do wielkości ładunku jonu, jeżeli ładunek jonu jest duży, to czułość elektrody jest mała. Ponieważ antykoagulanty, takie jak heparyna są polijonami, taką elektrodę można stosować dla próbek krwi, a wahanie stężenia polijonu, dzięki małej czułości EJS, tylko nieznacznie wpływają na sygnał elektrody.

73