ELEC-A8510 Biologisten ilmiöiden mittaaminen Ioniselektiivinen elektrodi Luento 2 h: menetelmän teoria ja laboratoriotyön esittely Itsenäinen työskentely 2 h: materiaaliin tutustuminen Laboratoriotyöskentely ja vertaisarviointi 3,5 h
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.
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 (kurssiapulainen: Jussi Nieminen/ Mika Pietikäinen): kerrataan teoria valmistetaan näytteet ja standardit, tehdään mittaukset lasketaan tulokset, verrataan tiedettyihin pitoisuuksiin täytetään tuloslomake arvioidaan suoritus
Kokoontumispaikka Kemian talo, Kemistintie 1 Oppilaslaboratorion ala-aula 1. kerros
Arviointi: sekä opettaja että oppilaat arvioivat työn suorituksen Heikko Hyvä Kiitettävä Työhön valmistautuminen 1 2 3 (Työohjeisiin tutustuminen ennen työtä, ohjeiden ymmärtäminen, alustavan työsuunnitelman teko) Työskentelyn suunnittelu 1 2 3 (Työsuunnitelman tekoon osallistuminen, työnjaon suunnittelu, ryhmän jäsenten huomioiminen) Laboratoriotyöskentely 1 2 3 (Turvalliset ja huolelliset työtavat, aktiivisuus ryhmässä, ryhmän jäsenten huomioiminen) Tulosten käsittely 1 2 3 (Pohdintojen teko, osallistuminen tulosten laskemiseen, osallistuminen tuloslomakkeen täyttöön) Opettajan antama arvosana 1 5
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
Plasman, soluvälinesteen ja solunsisäisen nesteen elektrolyyttikoostumukset [mmol/l] Elektrolyytti Plasma Soluvälineste Solunsisäinen neste Natrium 142 139 14 Kalium 4,2 4,0 140 Kalsium 1,3 1,2 < 0,001 Magnesium 0,8 0,7 20 Kloridi 108 108 4 Bikarbonaatti 24 28 10 Sulfaatti 0,5 0,5 1 Fosfaatti 2 2 11 Proteiini 1,2 0,2 4 Lähde: Guyton, A.C, Hall, J.E., Textbook of Medical Physiology, 2000.
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
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 erilaisissa turvotustiloissa 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)
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: http://huslab.fi/ohjekirja/kemia_ja_hematologia_kemia_hakemisto.html
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
POTENTIOMETRINEN MITTAUS Sähkökemiallinen kenno: vertailuelektrodi suolasilta tutkittava liuos indikaattorielektrodi Vertailuelektrodi: Indikaattorielektrodi: Suolasilta: potentiaali tunnetaan, ei riipu tutkittavan liuoksen koostumuksesta potentiaali riippuu tutkittavasta liuoksesta Nernstin lain mukaisesti, tietylle ionille selektiivinen 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.
Vertailuelektrodi Metalli kosketuksissa niukkaliukoisen suolansa ja sen kyllästetyn liuoksen kanssa. esim. Ag / AgCl -elektrodi Elektrodireaktiot: Ag + + e Ag(s) AgCl(s) Ag + + Cl ------------------------------ AgCl(s) + e Ag(s) + Cl 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.
Lasielektrodi potentiaaliero membraanin yli
Lasimembraani (Corning 015): n. 200 m 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
referenssi H + (tuntem.) lasimembraani H + (tunnettu) sisäinen elektrodi ref.elektrodi Ag/AgCl E lasi = E o - RT zf a( H ln 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 - 0,059log a(h + ) tunnettu + 0,059log a(h + ) tuntem. E lasi = vakio + 0,059log 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
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
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 10-6 - 1 LaF 3 5 8 OH (0,1 M) Cl 10-4 - 1 Ag 2 S/AgCl 2 11 CN, S 2, l S 2 O 3 2, Br Br 10-5 - 1 Ag 2 S/AgBr 2 12 CN, S 2, l l 10-6 - 1 Ag 2 S/AgI 3 12 S 2 SCN 10-5 - 1 Ag 2 S/AgSCN 2 12 S 2, l, CN, Br, S 2 O 3 2 CN 10-6 - 10 --2 Ag 2 S/AgCN 11 13 S 2, l S 2 10-5 - 1 Ag 2 S 13 14 Kloridielektrodin vertailuelektrodina käytetään kaksoisnesteliitoksella varustettua vertailuelektrodia, jossa uloin kammio täytetään KNO 3 -liuoksella, joka ei häiritse kloridin määritystä.
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.
Taulukko 1. Esimerkkejä nestemäisistä membraanielektrodeista. Ioni Konsentraatioalue (mol/l) Ca 2+ 10-5 - 1 di-(n-dekyyli) fosfaatti/ dioktyylifenyylifosfonaatti Ioninvaihtaja/liuotin ph-alue Häiritsevät ionit 6 10 Zn 2+, Pb 2+, Fe 2+, Cu 2+ K + 10-6 - 1 Valinomysiini/ dioktyylisebasaatti NO 3 10-5 - 1 Tri(dodekyyli)heksa(dekyyli) ammonium/ oktyyli-2-nitrofenyylieetteri ClO 4 10-5 - 1 1,10-fenantroliinin rautakompleksi/ p-nitrokymeeni BF 4 10-5 - 1 1,10-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 3 2 12 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) 1,00 10-5 -0,125 5,00 10-5 -0,103 1,00 10-4 -0,093 5,00 10-4 -0,072 1,00 10-3 -0,065 5,00 10-3 -0,043 1,00 10-2 -0,033 Mikä on vesinäytteen Ca 2+ -ionikonsentraatio, kun liuoksen potentiaali oli -0,084 V?
Ratkaisu: Standardisuoran yhtälö: E kenno = 0,027 + 0,0303 log [Ca 2+ ] Sijoitetaan yhtälöön E(näyte) = -0,084 V jolloin saadaan [Ca 2+ ] = 2,17 10-4 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
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
Kirjallisuutta: Lehtonen, P.O., Potentiometrinen analyysi, ph- ja ISE-mittaukset, Edita, Helsinki 1998. Harris, D.C., Quantitative Chemical Analysis, W.H. Freeman and Company, New York 2000.