Поделиться статьей
Ионы – с этими крошечными носителями заряда мы сталкиваемся постоянно. В зависимости от концентрации определенных анионов (отрицательных ионов) и катионов (положительных ионов) они могут оказывать значительное воздействие на человека и окружающую среду. С постоянным контролем качества в производстве продуктов питания и напитков, в металлургической промышленности и управлении водными ресурсами, установленные пределы не превышаются и не снижаются.
Как можно определить эти маленькие ионы? Сперва я ошибочно полагала, измерить ионы можно только с помощью дорогостоящих аналитических методов: с ионной хроматографией (ИХ), оптической эмиссионной спектрометрией с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-ОЭС) или с атомно-абсорбционной спектроскопией (ААС). Многообещающей альтернативой этим методам является использование так называемых ионоселективных электродов (ИСЭ).
Если вас интересует один или несколько из этих пунктов:
- какие ионоселективные электроды бывают
- основная теория измерения ионов
- почему для измерения необходимо добавить раствор TISAB или ISA
- как нужно ухаживать за ИСЭ
.…тогда вы читаете нужную статью.
Типы ионоселективных электродов
Если вы хотите определить концентрацию фтора в вашей зубной пасте, содержание аммония в аквариумной воде или сколько кальция содержится во фруктовом соке, существует целый спектр подходящих ионоселективных электродов для подобных задач. Можете ознакомиться с бесплатными методиками ниже.
Материал мембраны
Первым ионоселективным электродом был pH-электрод. Но в этой статье мы не будем их обсуждать — вы можете найти больше информации в других статьях, мы подробно разбирали эту тему.
Как избежать наиболее распространенных ошибок при измерении pH
Помимо стеклянной мембраны для pH-электродов существуют и другие материалы для селективного измерения ионов. Самые популярные перечислены в Таблице 1.
| Материал мембраны | Описание | Ионы | Крупный план |
|---|---|---|---|
| Кристаллическая мембрана | Кристаллическая решетка, содержащая определенные промежутки для измеряемого иона. | Ag+, Cu2+, Pb2+, Br-, Cl-, CN-, F-, I-, S2- |  |
| Полимерная мембрана |
Полимерная мембрана, содержащая молекулу (ионофор), которая связывает только измеряемый ион. |
Ca2+, K+, Na+, поверхностно-активные вещества, NO3- |
 |
| Стеклянная мембрана |
Каркас из силикатного стекла с междоузельными участками для H+ и Na+. |
Na+, H+ |
 |
| Газопроницаемая мембрана |
Мембрана действует как проницаемый барьер, через который могут проходить только определенные вещества. |
NH4+ |
 |
Материал мембраны может ограничивать возможные матрицы, в которых можно использовать ИСЭ. Например, электроды с полимерной мембраной нельзя использовать для измерения ионов в органических растворителях. Дополнительные сведения о конкретных ограничениях смотрите в руководстве пользователя ИСЭ.
Брошюра: Руководство по ионоселективным электродам
Базовая теория по ИСЭ
Диапазон измерения
Каждый тип электрода имеет свой собственный диапазон измерения (см. Таблицу 2). Перед началом любого измерения сначала убедитесь, что ионоселективный электрод способен измерять в диапазоне концентраций образца.
| Катион | Диапазон измерения |
| Ag+ | 1×10-7 – 1 mol/L |
| Ca2+ |
5×10-7 – 1 mol/L |
| Cd2+ | 1×10-7 – 10-1 mol/L |
| Cu2+ |
1×10-8 – 10-1 mol/L |
| H+ | 1×10-14 – 1 mol/L |
| K+ | 1×10-7 – 1 mol/L |
Na+ (Полимер) Na+ (Стекло) |
5×10-6 – 1 mol/L 1×10-5 – 1 mol/L |
| NH4+ |
5×10-6 – 10-2 mol/L |
| Pb2+ | 1×10-6 – 10-1 mol/L |
| Анион |
Диапазон измерения |
| Br- | 1×10-6 – 1 mol/L |
| Cl- | 1×10-5 – 1 mol/L |
| CN- | 8×10-6 – 10-2 mol/L |
| F- |
1×10-6 – sat. mol/L |
| I- | 5×10-8 – 1 mol/L |
| NO3- | 1×10-6 – 1 mol/L |
| S2- |
1×10-7 – 1 mol/L |
Таблица 2. Каждый ионоселективный электрод имеет свой диапазон измерения. Примечание: Указанные диапазоны измерения относятся только к ионоселективным электродам Metrohm.
Более значимым, чем диапазон измерения, является линейный диапазон. На Рис. 1 показан диапазон измерения, который также включает линейный диапазон, в пределах которого работает уравнение Нернста, и сигнал пропорционален концентрации аналита. Выполняя измерение ионов в линейном диапазоне, можно улучшить точность и воспроизводимость результатов. Узнайте больше об уравнении Нернста в нашей статье ниже.
Outside of the linear range, the curve becomes flatter, and the potential difference becomes smaller, preventing a reliable measurement by standard addition. Even in this non-linear, flattened range, it is possible to determine the ion concentration by means of direct measurement – provided that your ion-selective electrode is also calibrated for this range.
If the concentration is too low or the sensor is saturated, this situation is considered outside of the measuring range. Potential changes can no longer be determined.
Интерференционные ионы
По сравнению с рН-электродом с линейным диапазоном чувствительность ИСЭ ограничена, поскольку мешающие ионы уменьшают линейный диапазон и диапазон измерения (см. Рис. 1).
Существует два типа подобных ионов, они представлены в Таблице 3.
| Интерференционный ион |
Описание |
Воздействие |
| Необратимый |
|
Разрушение ИСЭ, необратимо мешающий ион вступает в реакцию с мембраной и недоступен для дальнейшего анализа. |
| Реверсивный |
|
Ошибочные результаты, поскольку обратимый мешающий ион связывается с материалом мембраны и воздействует на сигнал. |
В настоящее время известны самые важные мешающие ионы для ИСЭ, информация о них предоставляется производителем электрода. При измерении влияние мешающих ионов учитывается в так называемом коэффициенте селективности, который, в свою очередь, используется в уравнении Никольского — расширенной версии уравнения Нернста.
| Измерение катиона | Мешающие ионы |
|---|---|
| Ag+ | Hg2+, proteins |
| Ca2+ | Na+, Pb2+, Fe2+, Zn2+, Cu2+, Mg2+ |
| Cu2+ | Ag+, Hg2+, S2-, Cl-, Br-, I-, Fe3+, Cd2+ |
| K+ | Na+, NH4+, Cs+, Li+, H+ |
Na+ (Полимер) Na+ (Стекло) |
SCN-, ацетат H+, Li+, K+, Ag+ |
| Pb2+ | Ag+, Hg2+, Cu2+, Fe3+, Cd2+ |
| Измерение аниона |
Мешающие ионы |
| Br- | Hg2+, I-, S2-, CN-, NH4+, S2O32- |
| Cl- | Hg2+, Br-, I-, S2-, CN-, NH4+, S2O32- |
| CN- | S2-, Ag+ комплексообразующее вещество, I-, Cl-, Br- |
| F- | OH- |
| I- | Hg2+, S2-, CN-, Cl-, Br-, S2O32- |
| NO3- | Br-, NO2-, Cl-, ацетат |
| S2- | Hg2+, proteins |
Примеры наиболее важных мешающих ионов ИСЭ перечислены в Таблице 4. Для получения дополнительной информации о теоретических основах pH, а также об ионоселективных электродах прочитайте нашу бесплатную монографию.
Регулировка ионной силы
Анализ зависит от активности измеряемого иона в растворе, которая, в свою очередь, зависит от ионной силы. По этой причине ионоселективные измерения всегда проводят в растворах с примерно одинаковой ионной силой. Путем добавления регулятора ионной силы (ISA) или буфера для регулирования общей ионной силы (TISAB) можно добиться постоянного ионного фона.
ISA и TISAB химически инертны в соответствующем анализе и содержат относительно высокую концентрацию соли, так что ионной силой раствора пробы можно пренебречь. Примеры можно найти в Таблице 5. Обратитесь к руководству пользователя вашего ИСЭ, чтобы найти идеальное решение.
| Ион для измерения |
ISA / TISAB |
Дополнительная информация о процедуре |
| Фтор (F-) |
NaCl / ледяная уксусная кислота / CDTA |
Применение AB-082 |
| Калий (K+) | c(NaCl) = 0.1–1 mol/L | Применение AB-134 |
| Натрий (Na+), стеклянная мембрана | c(трис(гидроксиметил)аминоэтан) = 1 mol/L | Применение AB-083 |
| Натрий (Na+), полимерная мембрана |
c(CaCl2) = 1 mol/L | |
| Аммоний (NH4+) |
c(NaOH) = 10 mol/L |
Применение AB-133 |
ЧТО ДЕЛАТЬ:
- После каждого измерения или титрования ИСЭ необходимо тщательно промыть дистиллированной водой.
ЧЕГО НЕ ДЕЛАТЬ:
- Никогда не используйте органические растворители для очистки. Они могут атаковать или необратимо разрушить ИСЭ с полимерной мембраной или сократить срок службы ИСЭ с кристаллической мембраной.
Кондиционирование ИСЭ
Кондиционирование нужно проводить перед первым использованием, а также между измерениями. Это активирует измерительную мембрану и обеспечивает стабильное равновесие измеряемого иона в мембране. Так вы получите необходимую точность в измерении ионов. В качестве раствора для кондиционирования рекомендуется стандартный раствор ионов с концентрацией c(ion) = 0,01 моль/л.
Хранение ИСЭ
Обзор инструкций по правильному хранению ионоселективного электрода приведен в Таблице 6. Для получения более подробной информации см. руководство.
| Материал мембраны | Короткий срок хранения |
Длительное хранение |
| Кристаллическая мембрана | В c(ion) = 0.1 mol/L | Сухой, с защитным колпачком |
| Полимерная мембрана | Сухой | Сухой |
| Полимерная мембрана, комбинированная | В c(ion) = 0.01–0.1 mol/L | Сухой, с небольшой остаточной влажностью |
| Стеклянная мембрана | В c(ion) = 0.1 mol/L | В деионизированной воде |
Срок службы ИСЭ
Срок службы ионоселективного электрода зависит от нескольких параметров, включая тип мембраны, матрицу образца и уход за электродом. Не забывайте регулярно заменять электролит в комбинированном ИСЭ или, в случае отдельного ИСЭ, электрода сравнения. Никогда не прикасайтесь к мембране голыми пальцами.
В целом можно сказать следующее:
- Электроды с полимерной мембраной: ограниченный срок службы около полугода, мембрана стареет и это приводит к потере производительности.
- Электроды с кристаллической мембраной: срок службы несколько лет – мембрану можно регенерировать путем полировки с использованием правильного полировочного материала. Посмотрите видео ниже для более подробной информации.
Заключение
- Если вы решите выполнить измерение с помощью ионоселективного электрода, вы должны заранее учесть диапазон измерения и любые мешающие ионы.
- В дополнение к типу мембраны и матрице образца на срок службы вашего ионоселективного электрода влияют очистка, хранение и кондиционирование.
Хотите узнать больше о прямом измерении и стандартном добавлении? Ознакомьтесь с Частью 2 (скоро!), где мы обсудим различные методы определения.
Экспертный доклад
Преодоление трудностей при измерении ионов: советы по стандартному добавлению и прямому измерению. Бесплатно. Язык: английский.
