Ioniselektiivinen elektrodi

Transkriptio

1 ELEC-A8510 Biologisten ilmiöiden mittaaminen Ioniselektiivinen elektrodi Luento n. 2 h: menetelmän teoria ja laboratoriotyön esittely Itsenäinen työskentely 2 h: materiaaliin tutustuminen Laboratoriotyöskentely 3,5 h Opettaja: yliopistonlehtori Minna Nieminen (minna.nieminen@aalto.fi, p ) Laboratoriotöitä ohjaa kurssiapulaiset: Hanna Kuha / Lotta Knuutila / Henrik Nikkilä Tavoite Työn suoritettuaan, opiskelija osaa kuvata ioniselektiivisten elektrodien tyypit ja toiminnan sekä määritysmenetelmän periaatteen. valmistaa standardiliuoksia ja käyttää oikein ioniselektiivisiä elektrodeja. laatia standardisuoran mittaustuloksista ja laskea sen perusteella näytteen pitoisuuden. Minna Nieminen 1

2 Laboratoriotyö: vesijohtoveden ja kivennäisveden kloridipitoisuuden määritys Työhön valmistautuminen ennen työkertaa: kertaa työn teoria (mittauksen suoritus, elektrodityypit) lue työohje mieti, miten standardiliuokset valmistetaan mieti, miten standardisuora piirretään ja miten tulos lasketaan etsi, mikä on Espoon vesijohtoveden kloridipitoisuus Työkerralla : kerrataan teoria valmistetaan näytteet ja standardit, tehdään mittaukset lasketaan tulokset, verrataan tiedettyihin pitoisuuksiin täytetään tuloslomake Kokoontumispaikka ja laboratorio Ota mukaan muistiinpanovälineet! Laboratoriossa lainataan jokaiselle laboratoriotakki ja suojalasit, mutta voit käyttää myös omia. Työ tehdään tässä laboratoriossa Kemian talo, Kemistintie 1 Oppilaslaboratorion ala-aula 1. kerros Minna Nieminen 2

3 Arviointi: opettaja arvioi työn suorituksen arvosanalla 1 5 Heikko Hyvä Kiitettävä Työhön valmistautuminen (Työohjeisiin tutustuminen ennen työtä, ohjeiden ymmärtäminen, alustavan työsuunnitelman teko) Työskentelyn suunnittelu (Työsuunnitelman tekoon osallistuminen, työnjaon suunnittelu, ryhmän jäsenten huomioiminen) Laboratoriotyöskentely (Turvalliset ja huolelliset työtavat, aktiivisuus ryhmässä, ryhmän jäsenten huomioiminen) Tulosten käsittely (Pohdintojen teko, osallistuminen tulosten laskemiseen, osallistuminen tuloslomakkeen täyttöön) Minna Nieminen 3

4 Taustaa työlle ELIMISTÖN NESTETASAPAINO kaikki elollinen tapahtuu vedessä vesi on solunsisäisen ympäristön pääkomponentti solut kelluvat laimeaa merivettä muistuttavassa solunulkoisessa nesteessä solut kommunikoivat ympäristönsä kanssa veden välityksellä tavoitteena on säilyttää soluja ympäröivän nesteen määrä ja koostumus sellaisena, että se sallii vakaan solunsisäisen ympäristön, joka mahdollistaa häiriöttömät elintoiminnat toiminnallisesti elimistön nesteet jaetaan: - solunulkoiseen nesteeseen - solunsisäiseen nesteeseen ELIMISTÖN NESTETILAT (MIES 70 kg) Lapsilla suurempi, naisilla ja vanhuksilla hieman pienempi Veden kokonaismäärä 60 % (42 l) Solukalvon ympäristöstä eristämä neste, jossa tapahtuu suurin osa elämän perusreaktioista Solunsisäinen neste 40 % (28 l) Solunulkoinen neste 20 % (14 l) Verisolujen soluvälineste, jossa verisolut sijaitsevat, - siirtää happea, hiilidioksidia, ravinteita ja aineenvaihduntatuotteita elimiltä toisille Soluvälineste 15 % (11 l) Plasma 5 % (3,5 l) Kudosten soluja ympäröivä neste - välittää happea, hiilidioksidia, ravinteita ja aineenvaihduntatuotteita plasman ja solun sisäisen nesteen välillä Minna Nieminen 4

5 Plasman, soluvälinesteen ja solunsisäisen nesteen elektrolyyttikoostumukset [mmol/l] Elektrolyytti Plasma Soluvälineste Solunsisäinen neste Natrium Kalium 4,2 4,0 140 Kalsium 1,3 1,2 < 0,001 Magnesium 0,8 0,7 20 Kloridi Bikarbonaatti Sulfaatti 0,5 0,5 1 Fosfaatti Proteiini 1,2 0,2 4 Lähde: Guyton, A.C, Hall, J.E., Textbook of Medical Physiology, Veden ja elektrolyyttien aineenvaihdunnan kannalta keskeistä: Diffuusio eli elektrolyyttien siirtyminen solujen ja veren välillä Osmoosi eli veden siirtyminen puoliläpäisevän kalvon läpi laimeammasta liuoksesta väkevämpään Na ja sen mukana tulevat anionit Cl - ja HCO 3- ovat osmoottisesti aktiivisimmat liuenneet aineet solunulkoisessa nesteessä Minna Nieminen 5

6 NESTETASAPAINO tavoitteena on säilyttää solujen tilavuus eli vesitasapaino ja elektrolyyttikoostumus eli osmoottinen tasapaino vakaana ja turvata riittävä verenkierron tilavuus hapen tarjonnan ylläpitämiseksi häiriöt ovat tavallisia eri kuivumistiloihin tai ylimääräiseen nesteenpoistoon liittyen (hypertoninen plasma, dehydraatio), tai erilaisissaturvotustiloissa ja liiallisen juomisen seurauksena (hypotoninen plasma, hyperhydraatio). häiriöiden tutkimisessa tarvitaan sekä plasman (seerumin) että virtsan osmolaliteetti- ja elektrolyyttimäärityksiä ja happo-emästasapainon tietoja Kloridi elimistön tärkein anioni, liittyneenä Na, K, H n. 88 % solunulkoisessa nesteessä kloridin aineenvaihdunta on merkittävältä osalta sidottu Na :n ja HCO 3- :n aineenvaihduntaan ja happo-emästasapainon säätelyyn korkeiden kloridiarvojen syyt: kuivuminen, pitkäaikainen ripuli, liiallinen NaClsaanti, akuutit munuaisvauriot matalien kloridiarvojen syyt: oksentelu tai nenä-mahaletkun aiheuttama, sydämen vajaatoiminta, bromidimyrkytys, nesteenpoistolääkitys, munuaisvauriot, synnynnäinen kloridiripuli, palovammat korjataan fysiologisella keittosuolalla ( KCl tarvittaessa) Minna Nieminen 6

7 Elektrolyyttikoostumuksen tutkiminen Elektrolyytti Kloridi Tutkimusmenetelmä Ioniselektiivinen elektrodi (virtsa, plasma) Kulometrinen titraus (virtsa) Natrium Ioniselektiivinen elektrodi (plasma) Liekkifotometria (virtsa) Kalium Ioniselektiivinen elektrodi (plasma, punasolut) Liekkifotometria (virtsa) Kalsium Ioniselektiivinen elektrodi (ionisoitunut, plasmasta) Fotometria (plasma, virtsa) Spektrofotometria (plasma) Lähde: GALVAANISIA KENNOJA KÄYTETÄÄN Hapettumispelkistymisreaktioiden energiaa muuntuu suoraan sähköenergiaksi Kennon lähdejännite on riippuvainen aineiden pitoisuuksista TASAVIRRAN LÄHTEINÄ primaariparistot akut polttokennot ANALYYTTISINA TYÖKALUINA potentiometriset ph-mittarit muut ioniselektiiviset elektrodit Minna Nieminen 7

8 POTENTIOMETRINEN MITTAUS Sähkökemiallinen kenno: vertailuelektrodi suolasilta tutkittava liuos indikaattorielektrodi Vertailuelektrodi: potentiaali tunnetaan (vakio), ei riipu tutkittavan liuoksen ionipitoisuudesta Indikaattorielektrodi: potentiaali riippuu tutkittavasta liuoksen ionipitoisuudesta Nernstin lain mukaisesti, tietylle ionille selektiivinen Suolasilta: erottaa vertailuelektrodin tutkittavasta liuoksesta estää liuosten sekoittumisen nesteliitokset nestepotentiaali, E j Kennon sähkömotorinen voima E = E ind. E ref E j Mitataan vertailuelektrodin ja indikaattorielektrodin välinen lähdejännite. Nernstin laki: E = E o kenno RT z F i lna i jossa a i = mitattavan ionin aktiivisuus z i = mitattavan ionin varausluku E o kenno = kennon standardipotentiaali Mitataan vertailuelektrodin ja indikaattorielektrodin välinen lähdejännite : DE = E(indikaattorielektrodi) - E(vertailuelektrodi) Kalibrointi standardiliuosten avulla. Minna Nieminen 8

9 Vertailuelektrodi Metalli kosketuksissa niukkaliukoisen suolansa ja sen kyllästetyn liuoksen kanssa. esim. Ag / AgCl -elektrodi Elektrodireaktiot: Ag (aq) e Ag(s) AgCl(s) Ag (aq) Cl (aq) AgCl(s) e Ag(s) Cl (aq) Metalli-ionin konsentraatio liuoksessa on liukoisuustulon määräämä ja pysyy lähes vakiona pienillä sähkövirroilla Elektrodin potentiaali on vakio.! Ioniselektiiviset membraanielektrodit a) lasielektrodi b) kiinteäaineinen c) nestemäinen membraanielektrodi membraanielektrodi Elektrodin potentiaali riippuu tutkittavasta liuoksesta. Minna Nieminen 9

10 Lasielektrodi potentiaaliero membraanin yli Lasimembraani (Corning 015): n. 200 μm paksu, 72 % SiO 2, 6 % CaO, 22 % Na 2 O vetyioniherkkä ph - alueella 2 12 jos CaO, Na 2 O korvataan BaO, Li 2 O ph 14 asti Kosketus liuoksen kanssa: -SiO-Na H (aq) fi -SiO-H Na (aq) IONIVAIHTOREAKTIO! Selektiivinen H -ioneille pinnan rakenne riippuu a(h ) = g[h ]» [H ] membraanin potentiaalin muutos liuoksen suhteen Elektrodin potentiaalin riippuu liuoksen ph:sta Minna Nieminen 10

11 vertailu- H (tuntem.) lasimembraani H (tunnettu) sisäinen elektrodi vert.elektrodi Ag/AgCl E lasi = E o RT a( H ) - ln zf a( H ) tunnettu tuntem. E lasi = E o 0,059 V a( H ) - log z a( H ) tunnettu tuntem. E lasi = E o - 0,059 ( log a( H ) -log a( H ) ) tunnettu tuntem. E lasi = E o - 0,059 log a(h ) tunnettu 0,059 log a(h ) tuntem. E lasi = vakio 0,059 log a(h ) tuntem. ph = log a(h ) E kenno = vakio - 0,059 V ph ph-mittaus Kaksi liuosta, joiden ph eri suuruinen, erotettu toisistaan ohuella erikoislasimembraanilla potentiaaliero voidaan mitata asettamalla sopiva elektrodi kalvon kummallekin puolelle E = E o 0,059 V ph Mittauksen virhe tyypillisesti 0,02 ph ph-mittari kalibroitava aina ennen käyttöä, mihin käytetään puskuriliuoksia, esim. ph 4, ph 7 ja ph 10 Kuva: Tekniikan kemia Minna Nieminen 11

12 Lasielektrodit muille kationeille Lasilaatua kehittämällä saadaan lasimembraaneja, jotka ovat selektiivisiä muille kationeille kuin vetyioneille. Lasin koostumus Elektrodin herkkyys Na 2 O 22 %, CaO 6 %, SiO 2 72 % H (suuri alkaalivirhe) Li 2 O 28 %, Cs 2 O 2 %, BaO 4 %, La 2 O 3 3 %, SiO 2 63 % H (pieni alkaalivirhe) Li 2 O 15 %, Al 2 O 3 25 %, SiO 2 60 % Na 2 O 11 %, Al 2 O 3 18 %, SiO 2 71 % Na 2 O 27 %, Al 2 O 3 5 %, SiO 2 68 % Li Na K Kiinteäaineiset membraanielektrodit lasimembraanin tilalla yksittäiskide tai kiteisestä aineesta puristettu tabletti. sähkönkuljetus perustuu hilavirheisiin: hilan pienin ja varaukselta alhaisin ioni siirtyy hilavirheen aiheuttamasta kolosta toiseen kolot sopivia vain tietylle ionille ioniselektiivinen membraanimateriaali on hyvin niukkaliukoista Minna Nieminen 12

13 Fluoridielektrodi Lantaanifluoridikide, LaF 3, joka on seostettu Eu 2 :lla hilavirheiden lisäämiseksi sähkönjohtavuus paranee LaF 3 (kide) La 3 (kide) 3 F (aq) kiteen pintarakenne muuttuu sen mukaan, mikä on liuoksen a(f ) = g[f ] standardit ja näyte puskuroidaan samaan ph-arvoon, esim. 5,5, jolloin fluoridin aktiivisuuskerroin g on sama kaikissa liuoksissa RT - E = vakio ln[f ] nf - = vakio- 0,059 log[f ] Taulukko 1. Kiinteäaineisten membraanielektrodien ominaisuuksia. Ioni Konsentraatioalue (mol/l) Membraani ph-alue Häiritsevät ionit F LaF OH (0,1 M) Cl Ag 2 S/AgCl 2 11 CN, S 2, l S 2 O 3 2, Br Br Ag 2 S/AgBr 2 12 CN, S 2, l l Ag 2 S/AgI 3 12 S 2 SCN Ag 2 S/AgSCN 2 12 S 2, l, CN, Br, S 2 O 3 2 CN Ag 2 S/AgCN S 2, l S Ag 2 S Kloridielektrodin vertailuelektrodina käytetään kaksoisnesteliitoksella varustettua vertailuelektrodia, jossa uloin kammio täytetään KNO 3 -liuoksella, joka ei häiritse kloridin määritystä. Minna Nieminen 13

14 Nestemäiset membraanielektrodit Lasimembraanin tilalla huokoinen polymeerimembraani (usein PVC), joka on kyllästetty ioninvaihtonesteellä. uloin putki muodostaa säiliön, jossa ioninvaihtoneste kostuttaa membraania membraanin rakenne muuttuu sen mukaan, mikä on mitattavan ionin aktiivisuus (konsentraatio) liuoksessa potentiaaliero membraanin yli Tyypilliset mitattavat ionit: NH 4, Ca 2, K, NO 3 Ioninvaihtoneste: suuria, veteen liukenemattomia orgaanisia yhdisteitä liuotettuna orgaaniseen liuottimeen Esim. di-(n-dekyyli) fosfaatti Ioninvaihtaja on selektiivinen tietylle ionille. Minna Nieminen 14

15 Taulukko 1. Esimerkkejä nestemäisistä membraanielektrodeista. Ioni Konsentraatioalue (mol/l) Ca di-(n-dekyyli) fosfaatti/ dioktyylifenyylifosfonaatti Ioninvaihtaja/liuotin ph-alue Häiritsevät ionit 6 10 Zn 2, Pb 2, Fe 2, Cu 2 K Valinomysiini/ dioktyylisebasaatti NO Tri(dodekyyli)heksa(dekyyli) ammonium/ oktyyli-2-nitrofenyylieetteri ClO ,10-fenantroliinin rautakompleksi/ p-nitrokymeeni BF ,10-fenantroliinin nikkelikompleksi/ p-nitrokymeeni 4 9 Rb, Cs, NH 4, 3 8 ClO 4,l, ClO 3, CN, Br, CN 4 10 l, Br, NO NO 3 Kalibrointi ja näytteen pitoisuuden laskeminen, esimerkki Veden Ca 2 -ionikonsentraatio määritettiin ioniselektiivisellä elektrodilla. Näytteen ja standardien ionivahvuus säädettiin vakioksi lisäämällä jokaiseen liuokseen 0,5 M KNO 3 -liuosta. Taulukossa 1 on esitetty standardiliuosten mittaustulokset. Taulukko 1. Standardiliuosten konsentraatiot ja mitatut potentiaalit. [Ca 2 ] (mol/l) E kenno (V) 1, ,125 5, ,103 1, ,093 5, ,072 1, ,065 5, ,043 1, ,033 Mikä on vesinäytteen Ca 2 -ionikonsentraatio, kun liuoksen potentiaali oli -0,084 V? Minna Nieminen 15

16 Ratkaisu: Standardisuoran yhtälö: E kenno = 0,027 0,0303 log [Ca 2 ] Sijoitetaan yhtälöön E(näyte) = -0,084 V jolloin saadaan [Ca 2 ] = 2, mol/l Ioniselektiivisten elektrodien edut lineaarinen vaste laajalla konsentraatioalueella ei kontaminoi näytettä ei tuhoa näytettä mittaus jopa sekunneissa tai minuuteissa soveltuu esim. prosessivirtausten analysointiin liuosten väri tai sameus ei vaikuta mittaukseen Minna Nieminen 16

17 Ioniselektiivisten elektrodien haitat/ häiriöt toistotarkkuus 1 % tai huonompi mikään ioniselektiivinen elektrodi ei ole täysin spesifinen, vaan muut ionit voivat vaikuttaa jokaisen elektrodin toimintaan: - häiritsevä ioni tunkeutuu yhdessä mitattavan ionin kanssa membraaniin - häiritsevä ioni reagoi membraanimateriaalin kanssa muodostaen niukkaliukoisen yhdisteen sen pinnalle (kiinteäaineinen membraanielektrodi) ioniselektiivisten elektrodien käyttöikä on rajoitettu. Elektrodin vanheneminen näkyy vasteen pienenemisenä ja lukeman ryömimisenä. potentiaalin mittauksen epätarkkuus aiheuttaa virhettä Ioniselektiiviset elektrodit käyttö nykyään membraanielektrodeja noin 30 ionille Lisäksi elektrodeja myös kaasumolekyylien ja orgaanisten molekyylien pitoisuuksien määrittämiseen. ph:n määritys, yleisin mittaus kliiniset määritykset vesianalytiikka esimerkiksi vesijohtoveden kloridipitoisuus biokemia ja bioteknologia Minna Nieminen 17

18 Kirjallisuutta: Lehtonen, P.O., Potentiometrinen analyysi, ph- ja ISE-mittaukset, Edita, Helsinki Harris, D.C., Quantitative Chemical Analysis, W.H. Freeman and Company, New York Minna Nieminen 18