Elektrochemie_BC_2011 1 Elektrochemické metody Petr Breinek 2 Měřené analyty npH, pCO2, pO2 nNa+, K+, Cl- nGlukóza, laktát,… nCa2+, Mg2+, Li+, … nČistota vody nMetanefriny, katecholaminy, … n 3 Příklady měřených analytů a principů (GEM® Premier™ 4000, IL,USA) Analyt Princip Analyt Princip pH potenciometrie Cl- potenciometrie pCO2 potenciometrie Ca2+ potenciometrie pO2 amperometrie Hct konduktometrie Na+ potenciometrie Glukóza amperometrie K+ potenciometrie Laktát amperometrie 4 Měřené elektrické veličiny nNapětí (potenciál, potenciální rozdíl) nProud nNáboj nVodivost n 5 ELEKTROANALYTICKÉ POSTUPY Založené na redox reakci probíhající v elektrochemickém článku Založené na měření elektrických vlastností roztoku KONDUKTOMETRIE Elektrochemickým článkem neprochází elektrický proud POTENCIOMETRIE Elektrochemickým článkem prochází elektrický proud Obsah analytu se nemění Analyt je přeměňován VOLTAMETRIE/Polarografie AMPÉROMETRIE COULOMETRIE ELEKTROGRAVIMETRIE 6 Elektrolýza n Elektrolýza je děj probíhající na elektrodách při průchodu stejnosměrného elektrického proudu roztokem nebo taveninou. Je to redoxní reakce. elektrolyza Roztok NaCl Redukce Oxidace 7 Oxidace a redukce nOxidace je děj, při kterém dochází ke zvyšování oxidačního čísla částice n n nRedukce je děj, při kterém dochází ke snižování oxidačního čísla částice n např. Fe2+ - e- → Fe3+ např. Fe3+ + e- → Fe2+ 8 Konduktometrie Konduktometrie je elektroanalytická metoda, která umožňuje měřením vodivosti mezi dvěma elektrodami stanovovat koncentraci rozpuštěných látek. Ohmův zákon Vodivost (G) je reciproká hodnota odporu (G = 1/R) Vodivost roztoků závisí na:složení roztoku a koncentraci Jednotka: S (siemens) Elektrický proud je úměrný vodivosti 9 Měrná vodivost Jednotka: S.m-1 (siemens/metr ) Použití: kontrola čistoty vody destilovaná H2O 1uS.m-1 H2O pro HPLC 0,1uS.m-1 10 • ve vodivostní nádobce prostřednictvím dvou platinových elektrod • vodivost závisí na koncentrací měřeného roztoku, na ploše a vzdálenosti elektrod • ke kalibraci se obvykle užívá roztoků chloridu draselného (0,01 mol/l KCl; t = +18oC; 0,1211 S.m-1) •aby při průchodu elektrického proudu roztokem nedocházelo současně k polarizaci elektrod (způsobuje zdánlivé zvýšení odporu) nebo k elektrolýze, vkládá se na elektrody střídavé napětí. • Měření měrné vodivosti 11 Instr Měření vodivosti vody - kontrola čistoty 12 Coulometrie Coulometrie je elektroanalytická metoda, při které se měří velikost elektrického náboje (coulomb) procházející mezi dvěma elektrodami. Velikost elektrického náboje je přímo úměrná oxidaci nebo redukci stanovované látky na jedné z elektrod.Přenesený náboj je úměrný množství stanovované látky (Faradayův zákon) Q = z . a . F Q (množství přeneseného elektrického náboje) z (počet přenesených elektronů při redox reakci) a (množství stanovované látky v molech) F (Faradayova konstanta, 96.487 coulomb/mol) 13 Příklad: Stanovení chloridů (coulometricky) Anoda: Ag (přeměna/oxidace Ag na Ag+) Katoda: Pt (redukce H+ na plynný vodík) Konstantní proud (I): potom Q = I . t (coulomb = ampéry . čas) Uvolněné Ag+ z anody reagují s Cl- v analyzovaném vzorku za vzniku AgCl (Ag+ + Cl- à AgCl) V okamžiku, kdy jsou všechny Cl- vázány v AgCl, dojde k prudkému nárůstu proudu způsobenému uvolněnými Ag+, titrace se zastaví. Koncentrace Cl- se vypočítá z doby titrace (času). 14 Chloridový titrátor- schema měření n Coulometr Cl 15 Instr 16 Instr 17 Polarografie je elektrochemická analytická metoda založená na měření změn elektrického proudu (intenzity elektrického proudu) v roztoku s různými ionty při plynule se zvyšujícím napětím pomocí dvojice rtuťových elektrod. Polarografie Indikační elektroda (kapková Hg elektroda, polarizovatelná = změna potenciálu vlivem proudu) Hg - elektroda (vrstva Hg) 18 Prof.Ing.Jaroslav Heyrovský objevitel polarografie za svůj objev z roku 1922 obdržel v roce 1959 Nobelovu cenu heyrovsky203 Copy of shikata_heyrovsky 19 220px-Heyrovsk%C3%A9ho_polarograf_2 Copy of polarograf 20 heyrovsky_polarogram Polarografická křivka (polarogram) kvalitativní i kvantitativní stanovení Napětí Proud kvantita Půlvlnný potenciál 21 Ampérometrie Ampérometrie je elektroanalytická metoda založená na měření elektrického proudu. Polarografie prováděná na tuhých elektrodách (voltametrie) Využívá se skutečnosti, že některé látky mohou být oxidovány nebo redukovány na inertní kovové elektrodě, na kterou je vložen určitý elektrický potenciál, ten způsobí buď oxidaci nebo redukci, výsledkem je elektrický proud, který se měří. 22 Kyslíková elektroda – měření O2 (Clark) Kyslíková elektroda - princip měření Vložené napětí Ampérometr Ag/AgCl - anoda Vrstva AgCl Katalyzátor Pt čerň Vzorek Roztok elektrolytu Pt drát - katoda Membrána propustná pro O2 nMěření proudu za konstantního potenciálu (-630mV = redukční potenciál O2) nProud je mírou koncentrace stanovovaného analytu (změna proudu je úměrná počtu molekul O2) 02 + 2H2O + 4e- = 4OH- NaCl + OH- = NaOH + Cl- Ag + Cl- = AgCl + e- 23 pO2 elektroda (Elektroda Clarkova): Příkladem využití amperometrie při měření parciálního tlaku kyslíku je kyslíková elektroda. Pt katoda a Ag/AgCl anoda ve fosfátovém pufru s přídavkem KCl. Katoda, potažená tenkým filmem elektrolytu, je oddělena od vzorku permeabilní membránou. Potenciál katody je adjustován na -0,65 V. Není-li přítomen kyslík v testovaném vzorku, neprobíhá proud, protože katoda je polarizována. V přítomnosti kyslíku je proud měřitelný. Tento proud vzniká při difusi kyslíku ze vzorku skrze membránu ke katodě, kde je redukován. Velikost proudu je úměrná parciálnímu tlaku kyslíku v testovaném vzorku. Senzitivita komerčně vyráběných pO2 elektrod: dI /dpO2 = 10-4 A/Pa. 24 Amperometrické biosenzory. První biosenzor na stanovení glukózy používal enzym glukózooxidázu imobilizovanou na povrchu pO2 elektrody (Beckman Glucose Analyser). glukózooxidáza Glukóza + O2 à kys. glukonová + H2O2 Rychlost poklesu kyslíku je funkcí koncentrace glukózy v měřeném vzorku. 25 glukózooxidáza Glukóza + O2 à kys. glukonová + H2O2 H2O2 à 2 H+ + O2 + 2e- Je měřená časová změna proudu, která je úměrná koncentraci glukózy ve vzorku. Jiné uspořádání enzymového biosenzoru na stanovení glukózy využívá k měření vznikající peroxid vodíku (SuperG-2). Vznikající peroxid je oxidován na platinové elektrodě při potenciálu +600 mV 26 Potenciometrie je elektroanalytická metoda založená na měření rozdílu elektrického potenciálu (napětí) mezi dvěma elektrodami při nulovém elektrickém proudu. Elektrodou rozumíme kontakt dvou nebo více navzájem nemísitelných fází, na jejichž rozhraní může docházet k redoxním reakcím nebo výměně elektricky nabitých částic. Výsledkem je potenciálový rozdíl mezi fázemi. Potenciometrie 27 Referenční elektrody (konstantní potenciál) • vodíková elektroda (E = 0 V) Pt/vodík • kalomelová elektroda (E = 0,242 V) Hg/kalomel • argentchloridová elektroda Ag/AgCl Indikační elektrody (měřící) • skleněná elektroda (H+ = pH, Na+) • PVC membránové elektrody (K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Li+, Cl-) 28 • Nepřímé metody - diluent o vysoké iontové síle (moč) • Přímé metody - bez ředění 29 Při analytickém postupu přímou potenciometrií se koncentrace nebo aktivita stanovované látky určuje přímo z naměřeného potenciálového rozdílu mezi indikační elektrodou a srovnávací (referenční) elektrodou s konstantním potenciálem. Přímá potenciometrie zahrnuje postupy, při nichž se ze změřené hodnoty napětí elektrochemického článku zjišťuje koncentrace (nebo aktivita) iontu v roztoku. Obvykle je průběh kalibrace lineární v rozsahu 1 - 5 jednotek pX (pX = -log ai , kde ai je aktivita primární i-té složky, zjednodušeně je aktivita nahrazena koncentrací ci, pX = -log ci ). Při předpokladu lineárního průběhu kalibrace se běžně používá jednoduchá kalibrační metoda založená na měření napětí článku ve dvou standardních roztocích ve zvoleném koncentračním rozmezí (dvoubodová kalibrace). 30 Skleněná elektroda je tvořena tenkou skleněnou membránou, která z jedné strany obsahuje argentchloridovou elektrodu a pufr o konstantní hodnotě pH a z druhé strany je prostředí měřeného vzorku. Na fázových rozhraních vzniknou potenciálové rozdíly, které se měří pomocí referenční elektrody. Potenciál vzniká výměnou iontů mezi roztokem a membránou (iontově selektivní elektroda, ISE). 31 Instr 32 Instr 33 Typické složení selektivní skleněné hmoty pro H+ : 22% Na2O, 6% CaO, 72% SiO2 (selektivita: H+ >>> Na+ > K+ ) Mírnou změnou složení skleněné hmoty se změní selektivita ve prospěch Na+ : 11% Na2O, 18% Al2 O3 , 71% SiO2 (selektivita: H+ > Na+ > K+ ) Tím je umožněno použití skleněné elektrody k měření Na+ při pH běžném v krevních vzorcích. 34 Instr 35 pCO2 elektroda 36 pO2 elektroda 37 nModifikovaná pH elektroda nSkleněná elektroda oddělena od měřeného prostředí membránou propouštějící CO2 n CO2 + H2O → H2CO3 → H+ + HCO3- pCO2 elektroda Vnitřní elektroda Ag/AgCl Držadlo skleněné elektrody Plastikové pouzdro Plášť elektrody Referenční elektroda Ag/AgCl Fosfátový pufr NaHCO3 Vstup vzorku Výstup vzorku Těsnící kroužek Skleněná membrána citlivá na pH Porézní vložka Membrána propustná pro CO2 (silikonová guma) Kyveta Skleněné okénko Elektroda na měření CO2 (Severinghaus) 38 Iontově selektivní elektrody (ISE) n Membrány s iontově-výměnnými místy nSkleněné (H+, Na+) nS polymerní membránou (CO2, O2, NH3) nKapalné (K+, Ca2+) nBiosenzory (močovina, glukóza, laktát,…) nKrystalické n 39 Stanovení K+ a CA 2 + K Ca • K+ (valinomycin) • Ca2+ (ETH 1001) 40 Stanovení močoviny (biosenzor) urea 41 Proužek Medisense Enzymové elektrody n npředřazení membrány s imobilizovaným enzymem před elektrochemické čidlo nsubstrát difunduje do enzymové membrány ð reaguje s imobilizovaným enzymem na produkt n Detekce: potenciometricky nebo ampérometricky Použití: •glukóza, laktát, močovina, kreatinin •kombinované elektrochemické analyzátory •statimové moduly biochemických analyzátorů Ochranný kryt Reakční plocha Plocha k aplikaci vzorku Hydrofilní síť