Введение

Датчик концентрации ионов в растворе

Ионно-селективный электрод (ISE), также известный как специфический ионный электрод (SIE), является преобразователем (или сенсором), который преобразует изменение концентрации конкретного иона, растворенного в растворе, в электрический потенциал. Напряжение теоретически зависит от логарифма ионной активности в соответствии с уравнением Нернста. Ионно-селективные электроды используются в аналитической химии и биохимических/биофизических исследованиях, где необходимы измерения концентрации ионов в водном растворе.

Типы ионно-селективных мембран

Существует четыре основных типа ионно-селективных мембран, используемых в ионно-селективных электродах (ИСЭ): стеклянные, твердотельные, жидкостные и композитные.

Стеклянные мембраны

Стеклянные мембраны изготавливаются из ионообменного стекла (силикатного или халькогенидного). Этот тип ISE демонстрирует хорошую селективность, но лишь к нескольким однозаряженным катионам, главным образом H+, Na+ и Ag+. Халькогенидное стекло также проявляет селективность к двухзаряженным ионам металлов, таким как Pb2+ и Cd2+. Стеклянная мембрана отличается высокой химической стойкостью и способна работать в сильно агрессивных средах. Типичным примером такого электрода является pH-электрод.

Кристаллические мембраны

Кристаллические мембраны изготавливаются из моно- или поликристаллитов одного вещества. Они обладают высокой селективностью, поскольку влиять на показания электрода могут только ионы, способные внедряться в кристаллическую структуру. Это принципиальное отличие данного типа электродов от электродов на основе стеклянных мембран. Отсутствие внутреннего раствора снижает количество потенциальных переходов. Кристаллические мембраны могут проявлять селективность как к катионам, так и к анионам, входящим в состав материала мембраны. Примером служит фторид-селективный электрод на основе кристаллов LaF3.

Мембраны из ионообменных смол

Ионно-обменные смолы основаны на специальных органических полимерных мембранах, которые содержат специфическое ионно-обменное вещество (смолу). Это наиболее распространенный тип ионно-селективного электрода. Использование специфических смол позволяет создавать селективные электроды для десятков различных ионов, как одноатомных, так и многоатомных. Они также являются наиболее распространенными электродами с анионной селективностью. Однако такие электроды обладают низкой химической и физической стойкостью, а также ограниченным сроком службы. Примером является калий-селективный электрод, основанный на валиномицине в качестве ионообменного агента.

Энзимные электроды

Энзимные электроды не являются истинными ионно-селективными электродами, но обычно рассматриваются в рамках области ионно-селективных электродов. Такой электрод имеет механизм "двойной реакции": фермент реагирует с конкретным веществом, а продукт этой реакции (обычно H+ или OH−) детектируется истинным ионно-селективным электродом, например, pH-селективным электродом. Все эти реакции происходят внутри специальной мембраны, покрывающей истинный ионно-селективный электрод. Именно поэтому энзимные электроды иногда относят к ионно-селективным. Примером служит глюкозо-селективный электрод.

Алкальные металлы ISE

Разработаны электроды, специфичные для каждого иона щелочного металла: Li+, Na+, K+, Rb+ и Cs+. Принцип работы этих электродов основан на инкапсуляции иона щелочного металла в молекулярную полость, размер которой подобран под размер этого иона. Например, для определения концентрации ионов калия можно использовать электрод на основе валиномицина.