Ионоселективные электроды

ИОНОСЕЛЕКТИВНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ (ИСЭ), аналитические устройства, позволяющие идентифицировать конкретный тип ионов и дающие информацию об их количестве в виде электрического сигнала - равновесного электродного потенциала, который функционально связан с активностью (концентрацией) определяемого иона в анализируемом растворе. ИСЭ являются разновидностью химических сенсоров. ИСЭ имеют малые габариты, просты в эксплуатации, предоставляют возможность непрерывного измерения концентрации определяемых ионов и автоматизированного использования, могут работать автономно.

ИСЭ снабжены ионочувствительной мембраной, отделяющей стандартный раствор, содержащий определяемые ионы, от анализируемого раствора. Мембрана обладает ионообменными свойствами, причём её проницаемость для ионов разного типа различна, что, как правило, позволяет осуществлять высокоселективные определения. Различают ИСЭ со стеклянными, твёрдыми (на основе моно- и поликристаллических веществ) и жидкими (на основе растворов жидких ионитов или природных и синтетических макроциклических соединений) мембранами. Жидкие мембраны удерживаются с помощью пористых плёнок.

Способность стеклянной мембраны реагировать за счёт ионообменных свойств стекла на изменение концентрации ионов водорода была обнаружена в начале 20 века. Изучив это свойство, Ф. Габер сконструировал в 1909 году стеклянный электрод, который применяется для определения ионов водорода (pH раствора). Ионообменная теория стеклянного электрода разработана в 1932-37 под руководством Б. П. Никольского. Позднее на основе стёкол с изменённым химическим составом были созданы электроды, чувствительные к ионам калия, натрия и аммония. Мембраны из кристаллических веществ, в том числе из монокристаллического фторида лантана (чувствительны к фторид-ионам) и из смеси сульфидов меди и серебра (чувствительны к ионам меди), а также жидкие мембраны, содержащие природные и синтетические макроциклические соединения (чувствительны к щелочным металлам и некоторым органическим катионам), получены в начале 1960-х годов.

В исследуемом растворе на поверхности мембраны устанавливается электрический потенциал (смотри в статье Мембранный потенциал), являющийся функцией активности определяемого иона А и селективности мембраны к иону А в присутствии постороннего иона В. Для гальванического элемента, состоящего из ИСЭ и электрода сравнения, эдс описывается выражением:

где а_А и а_в, z_A и z_в - активности и заряды определяемого и постороннего ионов соответственно, K_A/B - коэффициент селективности, E_const учитывает потенциал электрода сравнения. По величине эдс рассчитывается активность определяемого иона.

ИСЭ используют в ионометрии для установления концентрации различных ионов, изучения химических равновесий, автоматизированного контроля производственных процессов и объектов окружающей среды. Разрабатываются селективные ионочувствительные датчики для определения органических соединений, в частности лекарственных препаратов, компонентов биологических жидкостей. Перспективно создание микроэлектродов для работы с очень малыми объёмами растворов, например для внутриклеточных измерений. Наборы ИСЭ с невысокой селективностью, работающие в режиме нейронных сетей, используют для распознавания вкуса или запаха различных веществ (так называемый электронный нос и электронный язык - смотри в статье Сенсоры химические).

Лит.: Камман К. Работа с ионселективными электродами. М., 1980; Морф В. Принципы работы ионоселективных электродов и мембранный транспорт. М., 1985.