1. Uvod

Potenciometrijska metoda zasniva se na mjerenju razlike potencijala između

elektroda u elektrohemijskoj ćeliji kod ravnotežnih uslova. Mjerenje se izvodi uz

proticanje veoma male struje kroz ćeliju, koja ne utječe znatno na stanje ravnoteže na

elektrodama, tako da se ravnotežni uslovi održavaju, te se smatra da je takva struja

zanemariva. Oprema koja je potrebna za potenciometrijske metode je jednostavna i

jeftina. Razlika potencijala se mjeri potenciometrom i voltmetrom, ili pH-metrom,

odnosno pIon-metrom.

Potenciometrija se primjenjuje kod potenciometrijskih titracija, kod kojih se u elektrohemijsku ćeliju dodaje titraciono sredstvo koje reaguje s ispitivanom elektroaktivnom supstancom, što se očituje u promjeni potencijala indikatorske elektrode. Potenciometrijski se određuju promjene slobodnih entalpija i konstanti ravnoteže hemijskih reakcija, vrijednosti aktiviteta i koeficijenta aktiviteta, te koncentracije elektroaktivnih molekulskih vrsta

2. POTENCIOMETRIJSKI SENZORI

2.1. Potenciometrija i metode

Potenciometrijski senzori koriste ion-selektivne elektrode za prevođenje biološke

reakcije u električki signal. Jednostavno rečeno sastoje se od membrane koja sadrži

imobilizirani enzim koji okružuje elektrodu za pH-metar gdje se kataliziranom

reakcijom nakupljaju ili apsorbiraju vodikovi ioni.

Potenciometrijska metoda se zasniva na mjerenju razlike potencijala između

elektroda u elektrohemijskoj ćeliji kod ravnotežnih uslova.

Mjerenje se izvodi uz proticanje veoma male struje kroz ćeliju, koja ne utiče

znatno na stanje ravnoteže ne elektrodama, tako da se održavaju ravnotežni uslovi.

Razlika potencijala se mjeri potenciometrom i voltmetrom ili pH-metrom.

Potenciometrijska mjerenja provode se uz upotrebu dviju elektroda. Najčešće je

jedna od njih referentna elektroda. Potencijal referentne elektrode ne ovisi o aktivitetima

aktivnih molekulskih vrsta u potenciometrijskoj ćeliji. Zato se potencijal referentne

elektrode tijekom mjerenja ne mijenja. Druga je elektroda indikatorska elektroda. Njezin

potencijal ovisi o aktivitetu (koncentraciji) jedne ili više molekulskih vrsta u ćeliji.

Potenciometrijske tehnike se zasnivaju na praćenju ravnotežnog potencijala.

Slika 1. Ćelija s elektrodnom parom

2.1.1. Indikatorske elektrode

Indikatorske elektrode koje koristimo u potenciometriji dijelimo na temelju

razlike u načinu nastajanja razlike potencijala na dodirnoj površini elektroda-rastvor.

Razlika potencijala na dodirnoj površini elektroda-rastvor posljedica je

elektrokemijske reakcije na površini elektrode. Pritom nastaje razdvajanje naboja na

dodirnoj površini, a time i razlika potencijala između elektrode i rastvora.

U potenciometriji se koriste dvije vrste indikatorskih elektroda: metalne i

membranske elektrode.

Kod metalnih elektroda je razlika potencijala na međufazi elektroda-rastvor

posljedica oksido-redukcionih reakcija na elektrodama, a kod membranskih elektroda je

to posljedica promjene slobodne entalpije reakcije prelaza iona putem ionske izmjene,

adsorpcije ili ekstrakcije.

Na metalnoj elektrodi se uspostavlja dinamička ravnoteža između metala i

njegovih iona u rastvoru, te se uspostavlja ravnotežni potencijal dat Nernstovim izrazom:

gdje je: E0-standardni potencijal redoks-sistema, aMz+ i aM-aktivitet oksidiranog i

reduciranog oblika redoks-sistema metala.

Brzo uspostavljanje ravnoteže između metala i njegovih iona u vodenoj otopini,

pokazuju metalne elektrode cinka, bakra, srebra, kadmija, zlata, indija i žive, za koje se

kaže da su metalne elektrode prvog reda. U metalne elektrode drugog reda se ubraja

srebrena elektroda u kontaktu sa slabo rastvorljivim AgCl. Živina elektroda služi kao

elektroda trećeg reda.

2.2. Ion-selektivne elektrode

Koristi se veliki broj membranskih elektroda koje omogućavaju brzo i selektivno

određivanje velikog broja kationa i aniona direktnim potenciometrijskim mjerenjem.

Zbog visoke selektivnosti membranske elektrode se nazivaju ion-selektivne elektrode

(ISE, engl. Ion Selective electrode).

Velika prednost ISE-a je njihova selektivnost i vrlo brz odziv kod najmanje

promjene koncentracije ispitivanog rastvora. Promjena pH, osim kod nekih iznimki,

negativno utječe na tačnost ISE, što se negativno reflektira pri njihovoj praktičnoj

primjeni.

Funkcioniranje ion-selektivnoh elektroda se bazira na selektivnosti prolaska

naelektrisanih vrsta iz jedne faze u drugu što dovodi do stvaranja potencijalne razlike.

Kod ISE, jedna faza je rastvor a druga je membrana (čvrsta ili tečna u nosećoj matrici).

Membranski potencijal Em za ion i, naelektrisanje zi je:

gdje je: aj – aktivitet aktivnih iona na jednoj strani membrane,

aj,r – aktivitet istih iona na drugoj strani membrane,

zj – naboj aktivnih iona,

F – Faradeyeva konstanta (96487 Cmol-1),

R – opća plinska konstanta (8.314 JK-1mol-1),

T – temperatura (K).

Pretpostavimo li da je aj,r konstantan, onda Em ovisi samo o aj i iskazan je

relacijom

Ovisno o izvedbi ion selektivne elektrode IUPAC preporučuje podjelu elektroda

na kristalne i nekristalne elektrode.

Slika 2. Ion selektivne elektrode

Ion selektivne elektrode možemo podijeliti na:

- elektrode s kristalnom membranom:

- homogene membrane,

- heterogene membrane,

- elektrode s ne kristalnom membranom,

- elektrode sa staklenom membranom,

- elektrode sa mobilnim prenosiocem,

- specijalne ISE elektrode:

- elektrode za plinove,

- enzimske elektrode.

Ion selektivne elektrode (ISE) svojim jednostavnim konstrukcijskim rješenjima i

metodama upotrebe nameću se kao idealan senzor kod analize industrijskih uzoraka ili

pojedinačnih komponenti u tehnološkom procesu.

Osobine ion-selektivnih elektroda ovise o osjetljivosti i selektivnosti membrana

prema određenim kationima ili anionima. Tu spadaju: minimalna rastvorljivost,

električna provodljivost i selektivna reaktivnost.

2.3. Membranske elektrode, membranski potencijal, koeficijent selektivnosti

Selektivne membranske elektrode imaju vrlo široku primjenu u potenciometriji.

Membranske elektrode su elektrode koje informaciju o koncentraciji analita dobivaju

mjerenjem membranskog potencijala. To su referentne elektrode koje su odvojene od

rastvora analita odgovarajućom membranom. Budući da neke membrane selektivno

reagiraju na pojedine ione u rastvoru onda se membranske elektrode često nazivaju ion-

selektivne elektrode, ISE. Dakle, elektrokemijski članak za potenciometrijsko

određivanje sa ISE se sastoji od dvije referentne elektrode koje imaju stalan potencijal

dok potencijal membrane ovisi o koncentraciji analita, tj. ovisi o aktivitetu samo jedne

molekularne vrste prisutne u potenciometrijskoj ćeliji. Razlika potencijala kod

membranskih elektroda posljedica je zamjene iona iz rastvora i iona u površinskom dijelu

membrane.

Slika 3. Membranske elektrode

U ćeliji za mjerenje pH moraju se uzeti u obzir četiri karakteristična potencijala:

potencijali referentnih elektroda, granični potencijal i difuzioni potencijal. To su dva

referentna elektrodna potencijala, treći difuzioni potencijal koji se stvara u

elektrolitičkom mostu, koji odvaja referentnu elektrodu od ispitivanog rastvora. Granični

potencijal je najbitniji i od njega ovise vrijednosti pH rastvora. Korištenjem dviju

referentnih elektroda omogućava se takav električni kontakt da se mogu direktno mjeriti

promjene graničnog potencijala.

Uticaj iona alkalnih metala na potencijal duž membrane može se prikazati

izrazom:

Eb = L' + 0,0592 log (a1 + ksel · b1)

gdje je: ksel – koeficijent selektivnosti elektrode i b1- aktivitet iona alkalnog

metala.

Ova jednačina može se primjenjivati na sve tipove membranskih elektroda.

Koeficijenti selektivnosti imaju vrijednost od nula do vrijednosti većih od jedan. Na

primjer, ako elektroda ima prema ionima A deset puta veću osjetljivost u odnosu na jone

B, tada koeficijent seletivnosti ima vrijedost 10. Ako je osjetljivost elektrode prema

ionima C hiljadu puta manje od osjetljivosti prema ionima A tada je koeficijent

selektivnosti 0,001.

2.4. Kristalne membranske elektrode

Kristalne membranske elektrode se izrađuju od ionskih jedinjenja ili homogenih

smjesa ionskih jedinjenja. U nekim slučajevima se membrane sijeku od monokristala, a

formiraju se i diskovi od fino usitnjene kristalne materije u uslovima visokih pritisaka.

Slika 4. Ion-selektivna elektroda sa kristalnom membranom

Većina ionskih kristala su izolatori i nemaju dovoljnu električnu provodljivost na

sobnoj temperaturi da bi mogle pokazati karakteristike membranskih elektroda.

Provodljivost ovih elektroda pripisuje se strukturi sa malim jednovalentnim ionom koji je

pokretan u čvrstoj fazi. Primjeri ovakvih elektroda su fluoridni ioni u nekim fluoridima i

srebreni ion u srebro-halidima i sulfidima i dr.

Lantan fluorid LaF3 koristi se za izradu kristalne membranske elektrode za

određivanje fluoridnog iona. Njegova provodljivost se povećava dodavanjem europium-

fluorida EuF2.

Membrane izrađene od monokristala ili presovanih diskova od različitih srebrenih

halida reaguju selektivno spram srebrenih halida i halidnih iona. Ove vrste membrana

imaju i nedostatke kao što su: niska provodljivost, mala mehanička jačina i tedencija

razvijanja visokih fotoelektričnih potencijala. Ovi nedostaci mogu se minimizirati ako se

srebrene soli mješaju sa kristalima srebro-sulfidom u omjeru 1:1.

Elektrode sa čvrstom membranom spadaju danas u najefikasnije alatke za

određivanje koncentracije kationa i aniona, ali je njihova primjena ograničena time što

nije uvijek moguće naći odgovarajuća nerastvorljiva jedinjenja za izradu membrane.

2.5. Tečne membranske elektrode

Tečne membrane se formiraju od tekućina koje se ne miješaju i koje selektivno

vežu ione. Ove membrane omogućavaju direktno potenciometrijsko određivanje

aktiviteta nekoliko polivalentnih kationa i nekih jednovalentnih aniona i kationa.

Slika 5. Elektroda s tečnom membranom

Kod određivanja dvovalentnih kationa unutarnja cijev elektrode sadrži vodeni

standardni rastvor MCl2, gdje je M2+ kation čiji se aktivitet određuje. Ovaj rastvor zasićen

je s AgCl do stvaranja Ag/AgCl referentne elektrode.

Razlika potencijala se uspostavlja na dodirnoj površini između ispitivanog

rastvora i membrane koja sadrži aktivnu komponentu rastvorenu u hidrofobnom

rastvaraču. Hidrofobni rastvarač odijeljen je dijafragmom odnosno poroznom staklenom

ili keramičkom pločicom.

Kao aktivne supstance u tečnim membranama koriste se:

-kationski izmjenjivači;

-anionski izmjenjivači,

-neutralna monociklična jedinjenja koja selektivno kompleksiraju neke katione.

Jedna od najčešće korištenih tečnih membranskih elektroda je elektroda

selektivna prema kalcijumovim ionima u približno neutralnom mediju.

2.6. Membranske elektrode sa neutralnim nosačem

Porozne membrane, kod kojih ionske vrste koje se određuju, prelaze sa jedne

strane membrane na drugu, su elektrode sa ionskom izmjenom i neutralnim nosačem.

Ove elektrode imaju polimernu matricu od PVC-a, silikonske gume itd.. i sadrže

rastvarač i helatne agense koji su selektivni prema vrstama koje se određuju. Agensi su

često makrociklični i transport se realizuje izmjenom vrsta između susjednih

makrociklusa. Najvažniji primjer elektrode iono-izmjenjivačkog tipa je Ca-elektroda.

Koristi se hidrofobni rastvarač netopiv u vodi, npr, dioktilfenil-fosfonat, koji poboljšava

osjetljivost elektrode na dvovalentne ione. Najčešće se koristi helatni agens tipa

(RO)2PO2-Na+.

Slika 6. Shema ion-selektivnih elektroda sa poroznim membranama

Kod neutralnih nosača ne-ionski helatni agens omogućava selektivno

kompleksiranje određenog iona. Kao primjer ove elektrode može se navesti K-selektivna

elektroda.

2.7. Hemijski modificirane elektrode

Hemijski modificirane elektrode su one čija je površina namjenski zauzeta sa

materijalom koji selektrivno i reverzibilno reaguje sa odabranim analitom. Kao rezultat

takve primjene na elektrodi, blokira se direktan pristup površini elektrode pri čemu se

inhibiraju neki elektrodni procesi, a pospješuju se drugi. Takvo modificiranje ima za cilj

postizanje veće selektivnosti. Elektroaktivne vrste se imobiliziraju na površini elektrode

pomoću hemijske reakcije. Koristi se i činjenica da je elektroda prekrivena sa

hidroksilnim grupama uslijed atmosfere kiseonika kojoj je elektroda izložena. Na primjer,

proces silanizacije je kada X=OR ili Cl, silanska grupa reaguje sa ionskim vrstama koje

se određuju.

Slika 7. Funkcionisanje površinski modificiranih elektroda

Pored hemijskog modificiranja elektrode se modificiraju adsorpcijom,

elektroadsorpcijom i plazmom.

Karakterizacija modifikovanih elektroda se izvodi elektrohemijskim,

spektroskopskim i mikrskopskim metodama. Primjenjuju se i sofisticirane ne-

elektrohemijske tehnike za karakterizaciju.

Modificirane elektrode omogućavaju dobijanje veće struje nego u slučaju ne-

modificiranih elektroda.

Primjena ovakvih elektroda je raznolika, od katalitičkih organskih i neorganskih

reakcija do prenosa elektrona sa i na molekule od biološkog interesa.

2.8. Potenciometrijski gasni senzori

Princip ovih elektroda bazira se na mjerenju pH rastvora elektrolita koji je

postavljen između membrane i staklene elektrode, pri čemu je membrana porozna prema

vrstama koje se trebaju odrediti. Membrane mogu biti mikroporozne (npr PTFE) ili

homogene (silikonska guma). Neki gasni senzori su amperometrijski (Klarkova elektroda

za kiseonik), drugi tip senzora je visoko-temperaturni čvrsti potenciometrijski senzor za

kiseonik (> 400 °C) u industrijskim procesima.

Slika 8. Shematski prikaz gasnog senzora za CO2

Elektroda za određivanje gasova je ustvari elektrohemijska ćelija u kojoj se nalazi

elektroda osjetljiva na specifičan ion i referentna elektroda uronjena u unutarnji rastvor

odvojen gasno-propustljivom membranom.

Gasni senzori koriste se za određivanje koncentracije slijedećih gasova: NH3,

CO2, NO2, HF, H2S, HCN. Princip rada zasniva se na reakciji gasa sa vodom, pri čemu u

reakciji ionizacije nastaju ioni. Određivanjem aktiviteta jednog od nastalih iona određuje

se koncentracija gasa. Pošto se u reakciji ionizacije najčešće izdvajaju H+ ioni, koristi se

staklene elektroda za registraciju promjene pH.

2.9. Biosenzori

Biosenzorima se smatraju uređaji za određivanje parametara i koncentracije

supstanci od biološkog interesa bez obzira da li se pri tom direktno služi biološkim

sistemom.

Biosenzori u užem smislu te riječi su analitički uređaji koji pretvaraju biološki odgovor u

električki signal (sl.8.)

Slika 9. Shematski prikaz glavnih komponenti biosenzora.

Biokatalizator (a) prevodi supstrat u proizvod. Transducer (b) to pretvara u

električni signal. Izlaz iz transduktora se pojačava (c) procesira (d) i ispisuje na monitoru

(e).

Biološki odgovor biosenzora je određen biokatalitičkom membranom koja

provodi konverziju reaktanata u proizvod.

Karakteristike biosenzora su:

- moraju biti tako dizajnirani da biološki aktivni sloj lako detektira supstancu

koju želimo analizirati (tj. da je specifičan),

- da je stabilan u uvjetima mjerenja,

- moraju dati brz, tačan i reproducibilan signal o supstanci koju želimo analizirati

(tj. da se može koristiti više puta uzastopno)

- mogu se mjeriti u uzorcima koji nisu prošli predtretman (tzv.”prljavi” uzorci).

2.9.1. Potenciometrijski biosenzori

Potenciometrijski biosenzori koriste ion-selektivne elektrode za prevođenje

biološke reakcije u električni signal.

Potenciometrijski biosenzori sastoje se od membrane koja sadrži imobilizirani

enzim koji okružuje elektrodu za pH-metar gdje se kataliziranom reakcijom nakupljaju ili

apsorbiraju vodikovi ioni.

Reakcija koja se odvija uz tanku osjetljivu staklenu membranu uzrokuje promjenu

pH koja se može direktno očitati na skali pH-metra. Tipično za ovu elektrodu je da se

električki potencijal određuje pri velikoj impedanci (vlastitom indukcijom) bez

interferencije s reakcijom.

Slika 10. Jednostavni potenciometrijski biosenzor

(a)semipermeabilna membrana (b) okružena biokatalizatorom (c) uhvaćenom na

aktivnu staklenu membranu (d) pH elektrode. Električki potencijal (e) se ostvaruje

između unutarnje Ag/AgCl elektrode (f) u otopini HCl (g) i vanjske elektrode (h).

Postoje tri tipa ion-selektivnih elektroda koje se mogu koristiti u biosenzorima.

Staklena elektroda za katione (npr. normalna pH elektroda) u kojoj je osjetilo vrlo tanka

hidratizirana staklena membrana koja nakuplja i prenosi električki potencijal.

Selektivnost membrane je određena sastavom stakla. Osjetljivost za H+ je veća nego za

NH4 +.

Staklena elektroda presvučena membranom propusnom za plinove i selektivnom za CO2,

NH3 ili H2S.

Elektrode u čvrstom stanju, gdje je staklena membrana zamijenjena s tankom

membranom vodiča specifičnog za ione, načinjene od smjese srebrenog sulfida i

srebrenog halogenida.

Odgovor ion-selektivne elektrode (električki potencijal) dat je izrazom:

E = E0 + (RT/nF)ln[i]

gdje je: E - izmjereni potencijal u voltima E

E0 - je karakteristična konstantna za ion selektivni/vanjski elektrodni

sistem R - plinska konstanta (J /K mol)

n - naboj iona

F - Faradayeva konstanta (J)

T - temperatura (K)

i - koncentracija slobodnih (ne vezanih) iona (mol)

(Aktivnost iona koja je pri uvjetima određivanja s biosenzorom jednaka koncentraciji)

2.10. Razvoj i primjena potenciometrijskih senzora

Razvoj i primjena hemijskih senzora spada u najinterdiscipliniranija područja

današnjeg stupnja razvoja. Na tom području isprepliću se znanja hemije, fizike i biologije

(fizikalne hemije, biohemije i biofizike) sa matematičko-statističkim (hemometrijskim) i

inženjersko-tehničkim odnosno tehnološkim znanjima proizvodnje.

Razna ispitivanja imaju za cilj razvoj novih tipova potenciometrijskih senzora

(ion-selektivne elektrode) i biosenzora i to: tenzidnog, kalcijevog, magnezijevog,

halogenidnog, enzimskog i drugih tipova.