Elektrochemické metody
Konduktometrie
Coulometrie
Potenciometrie, Iontově selektivní elektrody (ISE)
Voltametrie (Ampérometrie, Polarografie)
Biosenzory
Petr Breinek
Elektrochemie_N2012
2
Elektrochemie
Elektrochemie se zabývá studiem závislostí
elektrochemického chování roztoků na jejich
koncentraci a složení.
Základem je práce s elektrodami a elektrochemickými
články v roztoku.
Elektroda = heterogenní elektrochemický systém
sestávající se z kovového vodiče (vede el.proud
pomocí elektronů), který je v kontaktu s roztokem
elektrolytu (vede el.proud prostřednictvím iontů)
Elektrochemický článek se skládá ze dvou
poločlánků, tvořených např. kovovou
elektrodou ponořenou do roztoku iontu
elektrodového kovu.
Poločlánky jsou navzájem vodivě propojeny,
např. solným můstkem.
V každém poločlánku se nachází oxidovaná a
redukovaná složka, které spolu vytvářejí
redox pár.
4
Měřené elektrické veličiny
 Napětí (potenciál, potenciální rozdíl)
 Proud
 Náboj
 Vodivost
5
Měřené analyty
 pH, pCO2, pO2
 Na+, K+, Cl
Glukóza, laktát, močovina,
kreatinin,…
 Ca2+, Mg2+, Li+, …
 Čistota vody
 Metanefríny, katecholaminy, …
6
Konduktometrie
Konduktometrie je elektroanalytická metoda, která
umožňuje měřením vodivosti mezi dvěma elektrodami
stanovovat koncentraci rozpuštěných látek.
Vodivost závisí na:
• koncentraci rozpuštěných látek v roztoku
• teplotě
• ploše a vzdálenosti elektrod
Vodivost (G) je reciproká hodnota odporu (G = 1/R)
Jednotka: S (siemens)
Elektrický proud je úměrný vodivosti
Ohmův zákon I
U
R 
7
Měrná vodivost
Jednotka: S.m-1 (siemens/metr )
Použití: kontrola čistoty vody
destilovaná H2O 1uS.m-1
H2O pro HPLC 0,1uS.m-1
počítání krevních buněk v průtokových
cytometrech (hematologie),….
8
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, 96487 coulomb/mol)
.
Coulometrie
Coulometrie je elektroanalytická metoda, při které se
měří velikost elektrického náboje (Q, coulomb)
procházející mezi dvěma elektrodami.
9
Oxidace a redukce
 Oxidace je děj, při kterém dochází ke
zvyšování oxidačního čísla částice
 Redukce je děj, při kterém dochází ke
snižování oxidačního čísla částice
např. Fe2+ - e- → Fe3+
např. Fe3+ + e- → Fe2+
ANODA
KATODA
10
Anoda: Ag (přeměna/oxidace Ag na Ag+)
Katoda: Pt (redukce H+ na plynný vodík)
Mezi anodu a katodu je vložen 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-  AgCl)
V okamžiku, kdy jsou všechny Cl- vázány v AgCl, dojde k
prudkému nárůstu proudu způsobenému uvolněnými Ag+,
titrace se zastaví.
Příklad: Stanovení chloridů (coulometricky)
Koncentrace Cl- se vypočítá z doby titrace (čas)
11
Chloridový titrátor- schema měření
12
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
Potenciometrie je elektroanalytická metoda založená
na měření rozdílu elektrického potenciálu (napětí)
mezi dvěma elektrodami (oxidačně-redukční reakce)
při nulovém elektrickém proudu.
Elektrody
13
Referenční elektrody (porovnávací, vztažné)
konstantní potenciál
vodíková elektroda (E = 0 V) Pt/vodík
kalomelová elektroda (E = 0,242 V) Hg/kalomel
argentchloridová elektroda Ag/AgCl
Indikační elektrody (měřící)
Nejčastěji ISE elektrody
skleněná elektroda (H+ = pH, Na+)
PVC membránové elektrody (K+,Na+,Ca2+,Mg2+,Li+,Cl-, CO2)
Iontově selektivní elektrody
membrán
a
Selektivitou ISE se rozumí, že
membránový potenciál není
závislý jen na aktivitě jediné
elektricky nabité částice v
proměřovaném roztoku, ale že
na jeho hodnotě se mohou
podílet i další ionty.
Měřící systém tvoří:
ISE (měřící) elektroda
Srovnávací (referentní) elektroda
15
Iontově selektivní elektrody (ISE)
Membrány s iontově-výměnnými místy
 Skleněné (H+, Na+)
 S polymerní membránou (CO2, O2, NH3)
 Kapalné (K+, Ca2+)
 Biosenzory (močovina, glukóza, laktát,…)
 Krystalické
16
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).
17
Měření pH, skleněná elektroda
18
19
ISE: stanovení K+
 Iontově selektivní membrána obsahuje specifický nosič
draselných iontů, kterým je neionogenní makrocyklické
antibiotikum valinomycin rozpuštěné v dioktyladipátu na
porézním PVC nosiči. Jako nosič může sloužit také teflon
20
ISE: stanovení Na+
 Skleněná elektroda
Dále se používají tzv. „crown“ étery integrované do plastové
membrány
Směs několika ionoforů („koktail)
Stanovení Na+ v pevné fázi
21
 Modifikovaná pH elektroda
 Skleněná elektroda oddělena od měřeného prostředí
membránou propouštějící CO2
CO2 + H2O → H2CO3 → H+ + HCO3
Elektroda
na měření CO2 (Severinghaus)
Biosenzory
Biosenzor je analytický přístroj, v principu ISE,
obsahující bioreceptor a fyzikálně-chemický
převodník.
Bioreceptory jsou molekuly, často enzymy, které
rozpoznávají látku, která má být analyzována. Důležitou částí
je i nosič bioreceptoru.
• Biokatalytické
• Bioafinitní (imunosenzory)
Převodník (elektrochemický, optický)
• potenciometrické biosenzory
• amperometrické biosenzory
23
Stanovení močoviny (biosenzor)
24
Voltametrie
Ampérometrie je elektroanalytická metoda založená
na měření změn mezi proudem a napětím při změně
potenciálu indikačních elektrod.
25
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.
Ampérometrie
Ampérometrie je elektroanalytická metoda založená
na měření elektrického proudu při konstantním
napětí.
26
Polarografie
Indikační elektroda (kapková Hg elektroda,
polarizovatelná = změna potenciálu vlivem proudu)
Hg - elektroda (vrstva Hg)
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
27
Prof.Ing.Jaroslav Heyrovský
objevitel polarografie
za svůj objev z roku 1922
obdržel v roce 1959 Nobelovu cenu
28
Polarografická křivka (polarogram)
kvalitativní i kvantitativní stanovení
Napětí
Proud
kvantita
Půlvlnný
potenciál
29
Kyslíková elektroda – měření O2 (Clark)
Vložené
napětí Ampérometr
Ag/AgCl - anoda
Vrstva
AgCl
Katalyzátor Pt čerň
Vzorek
Roztok
elektrolytu
Pt drát - katoda
Membrána
propustná pro
O2
Měření proudu za konstantního potenciálu
(-630mV = redukční potenciál O2)
Proud je mírou koncentrace stanovovaného analytu
(změna proudu je úměrná počtu molekul O2)
02 + 2H2O + 4e- = 4OHNaCl
+ OH- = NaOH + Cl-Ag + Cl- = AgCl + e-
Biosenzory: stanovení glukózy
β-D-glukóza + O2 + H2O→ D-glukonolakton + H2O2
glukózaoxidáza (GOD)
H2O2 → 2H+ + O2 + 2e–
1.Stanovení H2O2
• přímá oxidace leukobází na barevné produkty
• oxidační kopulace mezi aromatickými aminy a fenoly
katalyzovaná peroxidázou (POD)
• elektrooxidace H2O2 - ampérometrická detekce signálu
2.Měření úbytku O2 – ampérometrická detekce pomocí
Clarkovy elektrody
3. Ampérometrické měření signálu s novými elektronovými
akceptory elektronů místo kyslíku, tzv. mediátory
(ferroceny, chinony)
Glukosový a laktátový analyzátor
EBIO plus - Eppendorf
32
Biosenzory: stanovení laktátu
a) Polarografie (amperometrie)
Měrná elektroda je potažena laktátoxidázou (odtud název
„laktátová“ elektroda). Při konstantním potenciálu (přepětí) je
vzniklý proud úměrný koncentraci peroxidu vodíku.
L-laktát + O2 → pyruvát + H2O2
H2O2 → 2H+ + O2 + 2e–
Elektroda je vlastně modifikací Clarkovy kyslíkové elektrody.
Laktátový senzor obsahuje většinou čtyři elektrody:
• platinovou měrnou elektrodu potaženou laktátoxidázou
• srovnávací argentchloridovou elektrodu
• platinovou elektrodu určenou ke stabilizaci konstantního potenciálu
• platinovou elektrodu bez enzymu sloužící ke stanovení interferujících látek