Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
их динамическом диапазоне.
ИСЭ широко применяют в биологических исследованиях, особенно в
клинической химии, где из-за большого числа образцов и необходимости
быстрого анализа многие более медленные и сложные методы непригодны.
Ферментные электроды относятся к самым последним достижениям
аналитической химии. Эти устройства сочетают в себе селективность и
чувствительность ферментативных методов анализа со скоростью и простотой
измерений с помощью ИСЭ. В результате появилось устройство, позволяющее
быстро измерять концентрацию определенного соединения в растворе, и
метод, требующий минимальной пробоподготов-ки. Разработаны ферментные
электроды для определения глюкозы, мочевины, L-ами-нокислот, пенициллина
и других веществ, важных в клинической практике.
9.2. Ионоселективные электроды
Открытие наиболее известного из ИСЭ - чувствительного к ионам водорода,
или pH-электрода, - относится к началу века, когда Кремер [7] и Хабер и
Клеменсиевич [29] обнаружили, что некоторые стекла чувствительны к
активности ионов водорода. Отклик стеклянного электрода на изменение pH
считали результатом миграции ионов водорода через тонкую стеклянную
мембрану. Исследования Каремана и Эйзенмана [32], а также работа
Стефановой и др. [45] обеспечили теоретический фундамент, необходимый для
разработки новых ИСЭ. В настоящее время известны ИСЭ, чувствительные к
ионам Na + , К + , Mg2+, Са2+, Cd2 + , Cu2+, Ag+, NH4 , S", I", Br", CN",
SCN", F", NO3, СЮ4, Br" и, конечно, H + . Электроды выпускаются многими
фирмами, причем в результате разработки новых методов их изготовления
появились комплекты для сборки различных электродов в общем корпусе или
оболочке.
Ионоселектшиыс э. /ектроды и биосенсоры па их основе
ИСЭ можно определить как устройство, выходной электрический потенциал
которого пропорционален логарифму активности какого-либо иона в растворе.
Иногда для характеристики электрода используют термин "специфичный", имея
в виду, что он реагирует только на один определенный ион. Поскольку ни
один электрод не является в действительности специфичным, термин
"ионоселективный" авторы считают более подходящим.
Вид функции ИСЭ к иону i с активностью а и зарядом z описывается
уравнением Никольского:
Е = 2'3^.A>/lg [а,- + kij{aj)izjy)'] + const, (9.1)
где /:-измеряемый потенциал; Л-газовая постоянная, равная 8,314 Дж-моль"1
К"1; Г-абсолютная температура, К; F-число Фарадея, равное 96487 Кл-
моль"1; ^-коэффициент селективности; у и а --соответственно заряд и
активность мешающего иона j. Первый член правой части уравнения (9.1)
положителен для катионов и отрицателен для анионов.
Коэффициент селективности количественно характеризует чувствительность
ИСЭ к основному иону i в присутствии мешающего иона j. Чем меньше
значение k;j для данного электрода, тем выше допустимая концентрация
j, не приводящая к значительной погрешности измерения. Значение ку можно
рассчитать по уравнению
Н ------------------- = lgfe-. + ( l'jlgor, (9.2)
" 2,303 RT/zF ё ,J \у / ё '
где El и E2 потенциалы электрода, измеренные в чистых растворах,
содержащих соответственно основной и мешающий ион с одной и той же
активностью. На практике ktj можно определить, измеряя потенциал ИСЭ в
растворах с постоянной активностью мешающего иона а- и изменяющейся
активностью основного иона я;. Тогда ktj можно рассчитать по уравнению
ai = kij(aj)zly, (9.3)
где значение активности иона i в точке, в которой наблюдается заметное
отклонение от нернстовской функции.
В настоящее время ИСЭ можно разделить на несколько видов, в зависимости
от состава их чувствительных мембран.
1. Стеклянные электроды. Чувствительным элементом в них является очень
тонкая стеклянная мембрана, обычно в виде пузырька. Селективность
мембраны определяется составом стекла. Известны стеклянные электроды,
чувствительные к ионам Н+ (pH-электрод) и другим катионам. В диапазоне
концентраций от 10"1 до 10"5 М чувствительность электрода к определенному
иону уменьшается в ряду Ag+ > Н+ > К+ > NR? > Na+ > Li +, Са2 + , Mg2 + .
2. Твердотельные электроды. К ним относятся ИСЭ, в которых чувствительным
элементом служит тонкий моно- или поликристалл либо осадок с ионной
проводимостью. Эти электроды делят на два класса: гомогенные и
гетерогенные. У первых мембрана выполнена в виде таблетки, получаемой из
осадка, смеси осадков или монокристалла. У вторых осадок или смесь
осадков диспергированы в инертном носителе, например силиконовой резине
или поливинилхлориде (ПВХ).
3. Жидкостные ионообменные электроды. Их готовят растворением
органического ионита в подходящем растворителе. Раствор удерживается
инертным носителем. Для приготовления ИСЭ используют такие иониты, как
комплексы (например, переходных металлов с производными 1, 10-
фенантролина), четвертичные аммониевые соли, органофосфатные комплексы
или антибиотики. В некоторых
118
Глава 9
случаях ионит и растворитель вводят в инертный полимерный носитель,
например ПВХ или полиметилметакрилат, и наносят на платиновую проволоку
