Upload
hanhi
View
216
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
12/3/2010 Biosenzori 1
Electrozi de referință
Ca electrod de referință (RE) se poate utiliza electrodul normal de hidrogen, care poate fi foarte uşor realizat în laborator. Cu toate acestea, datorită faptului că măsurările implică curgerea hidrogenului, care prezintă pericol de explozie, nu se utilizeză acest electrod ca electrod de referință.
În practică se utilizează alți electrozi de referință. Aceștia au următoarele caracteristici: sunt ușor de realizat practic, sunt nepolarizați, furnizează potențiale reproductibile care au coeficienți de temperatură de valoare redusă.
Cei mai utilizați elctrozi de referință sunt: electrodul clorură de argint – argint și electrodul calomel saturat.
12/3/2010 Biosenzori 2
Electrodul argint/ clorură de argint
Clorura de argint are avantajul de a fi moderat solubilă în apă.
Reacția chimică corespunzătoare semicelulei este:
AgCl + e- = Ag + Cl- E0 = +0,22 V
Electrodul constă într-un fir de argint acoperit cu clorură de argint și introdus într-o soluție de clorură de potasiu (uzual 1 M). O soluție pentru acoperirea cu clorură de argint a firului de argint este următoarea. Se utilizează o celulă electrochimică în care anodul este firului de argint, catodul este din Pt, iar soluția electrolitică este clorura de potasiu. Electroliză se realizează 30 min, timp în care se aplică argintului o tensiune de 0,5 V. Suprafața argintului se oxidează în ioni de Ag, care atrag ionii de clorură, formându-se, astfel, stratul de clorură de argint.
12/3/2010 Biosenzori 4
Electrodul calomel saturat
Calomel este vechea denumire a clorurei de mercur Hg2Cl2. Aceasta este moderat solubilă în apă.
Reacția chimică corespunzătoare semicelulei este:
Hg2Cl2 + 2e- = 2Hg + 2Cl- E0 = +0,25 V
Electrodul constă într-un bazin de mercur aflat în contact cu o pastă obținută prin amestecarea de mercur, pudră de clorură de mercur și soluție de clorură de potasiu saturată. Pasta este în contact cu soluție de clorură de potasiu saturată. Soluția saturată poate fi obținută prin amestarea prin agitare a clorurii de potasiu cu apa până nu se mai dizolvă.
Acest electrod este foarte potrivit în cazul soluțiilor apoase.
12/3/2010 Biosenzori 6
Relații cantitative. Ecuația lui Nernst
Ne punem problema determinării efectului concentrațiilor diferite ale electroliților asupra potențialului electrodului.
Pentru o semicelulă reacția chimică este:
ox + ne- = red
unde: ox și red sunt speciile care suferă reducerea și oxidarea;n este numărul de electroni schimbați în reacție.
Substanțele reduse și oxidate dintr-o semireacție formează un cuplu redox și se notează ox/red (de exemplu la celula Daniell cuplurile redox sunt Cu2+/Cu și Zn2+/Zn).
12/3/2010 Biosenzori 7
Ecuația lui Nernst este:
,lnln 00 QnFRTE
aa
nFRTEE
red
ox
unde: E este t.e.m. a celulei;E0 este potențialul standard al semicelulei;T este temperatura absolută;aox, ared sunt activitățile chimice ale speciilor ox și red;Q = aox/ ared este câtul reacției; F este constanta lui Faraday – sarcina electrică aflată
într-un mol de electroni (F = 9,6485·104 C/mol);R este constanta gazelor (R = 8,324472(15) JK-1mol-1).
12/3/2010 Biosenzori 8
Activitatea chimică a unei specii x, aX este dată de relația:
ax = x·cx
unde x este coeficientul de activitate, iar cx este concentrația speciei x
Observație: La concentrații mici coeficientul de activitate x tinde către 1, situație în care avem: ax cx.
Presupunem că valorile concentrațiilor sunt mici. În acest caz ecuația lui Nernst devine:
][][log303,20
redox
nFRTEE
12/3/2010 Biosenzori 9
Pentru T = 293 K (200C) obținem 2,303RT/F = 0,0580, iar pentru T = 298 K (250C) obținem 2,303RT/F = 0,0591.
Ținând cont de valorile de mai sus ecuația lui Nernst scrisă anterior o putem aproxima prin:
.][][log06,00
redoxEE
Specia red este, de obicei, un metal. În acest caz [red] =1, iarrelația de mai sus devine:
.][log06,00 oxEE
12/3/2010 Biosenzori 10
Ecuația lui Nernst poate fi scrisă sub o forma mai simplă de utilizat în practică:
,][log oxSKE
unde K este decalajul, iar S este panta.
Rezultatele experimentale obținute pentru K și S sunt comparate cu cele teoretice E0 (pentru decalaj) și 2,303RT/F (pentru pantă) .
12/3/2010 Biosenzori 11
În continuare introducem potențialul electrodului de referință (EREF) și potențialul joncțiunii lichidului (E1,j) ca în figura de mai jos.
Electrod de referință combinat cu altă semicelulă
12/3/2010 Biosenzori 12
Avem relațiile:
nMM
jREMMcelulă
MSEE
EEEE
n
n
log
'
0'',
,1,
Rezultă:
])log([,10' n
jREcelulă MSEEEE
Relația de mai sus poate fi scrisă:
]),log([ ncelulă MSKE
unde .,10'
jRE EEEK
12/3/2010 Biosenzori 13
Concentrația celulelor
În continuare în locul electrodului de referință introducem o semicelulă similară cu acelaşi cuplu redox, dar cu diferite concentrații ale speciei ox, ca în figura de mai jos.
Celulă cu concentrații diferite ale speciei ox.
RE1, RE2 – electrozi dereferință.
12/3/2010 Biosenzori 14
Ecuațiile Nernst aferente reacțiile celor două semicelule sunt:
101 log oxSEE
.log 20
2 oxSEE
Prin scăderea celor două relații se obține: .log
2
121
oxox
SEEE
Concentrația [ox]2 este menținută constantă (concentrație de referință). În această situație relația de mai sus devine:
,log 1oxSconstE
unde const este o constantă egală cu –Slog([ox]2).
12/3/2010 Biosenzori 15
Rezultatul obținut anterior este utilizat în majoritatea electrozilor sensibili la ioni (ISE). În practică, în general, aranjamentul este ca în figura prezentată anterior.
În partea stângă este soluția de test, care urmează a fi determinată, în care se introduce un electrod de referință. În partea dreaptă este soluția standard (de referință), care are o concentrație fixată (cunoscută). În aceasta este introdus al doilea electrod de referință. La mijloc, între cele două soluții, se află o membrană selectivă la ioni. Între cei doi electrozi se conectează un voltmetru care are o impedanță internă de valoare ridicată. Apoi, sistemul de electrozi este calibrat.
Tensiunea măsurată este dată de diferența de potențial a electrozilor celor două semicelule, care sunt identice, cu excepția faptului că valorile celor două concentrații ale ionilor sunt diferite.
12/3/2010 Biosenzori 16
T.e.m. a celulei este dată de relația:
,loglog 12,121 aSaSEEEE jREFREF
unde a1 este activitatea soluției de test, iar a2 este activitateasoluției de referință (standard).
Relația de mai sus poate fi scrisă:
,log 1aSKE
unde .log 2,121 aSEEEK jREFREF
12/3/2010 Biosenzori 17
Aspecte practice legate de electrozii selectivi la ioni
În scopul obținerii unor rezultate consistente, reproductibile cu limitele de detecție cele mai mici trebuie avute în vedere o serie de precauții. Următorii factori trebuie avuți în vedere:
- Concentrația ionică trebuie menținută constantă de la un eșantion la următorul. Aceasta poate fi realizată prin adăugarea unui electrolit cu concentrație constantă, destul de mare. Un astfel de electrolit nu interferă în nici o direcție cu fiecare eșantion și fiecare standard.
- Indicele pH trebuie controlat cu o anumită eroare. Acest lucru este mai important în cazul anumitor substanțe ionice, e.g. fluorurile.
- Poate fi posibil și de dorit să se adauge componente care minimizează sau elimină ionii de interferență.
12/3/2010 Biosenzori 18
Amestecurile cele mai potrivite pentru îndeplinirea acestor proprietăți sunt soluțiile folosite pentru reglarea concentrației ionice – ISA (Ionic Strength Adjusters) și substanțele tampon folosite pentru reglarea concentrației ionice totale – TISAB (Total Ionic Strenght Adjustement Buffers).
Exemple: Pentru ISE de nitrați substanța ISA este sulfatul de sodiu. Aceasta menține indicele pH între limitele cerute 2 -12. Cu toate aceastea, această substanță ISA nu elimină interferențele importante din partea fluorurilor și nitriților. Din acest motiv, s-a folosit substanța ISA sulfat de argint, iar în prezent o substanță mult mai complexă, dar mai ieftină, care este un amestec de acetat.
12/3/2010 Biosenzori 19
Electrozii pentru floruri necesită un amestec mult mai complex care conține: 1 M clorură de sodiu (pentru controlul concentrației ionice) + 1 M acid acetic, ajustat până la indicele pH de 5,5 cu hidroxid de sodiu (pentru controlul indicelui pH, deoarece un indice pH ridicat conduce la interferenţe din partea hidroxidului) + 10-3 M citrat de sodiu.
Temperatura trebuie controlată foarte precis deoarece în ecuația lui Nernst intervine temperatura. O variație a temperaturii cu 1 K conduce la o eroare de 2% de măsurare a concentrației. Similar, alți factori cum ar fi de exemplu timpul de agitare și de echilibrare (de regulă 30 s – 2 min) înainte de citire trebuie standardizat.