Потенциометрические сенсоры

Потенциометрические сенсоры представляют собой устройства, регистрирующие изменения электрического потенциала, возникающего на границе раздела электрод–раствор, без протекания значительного тока. В основе их действия лежит зависимость электродного потенциала от активности ионов в растворе, описываемая уравнением Нернста. Измеряемая величина – разность потенциалов между индикаторным электродом и электродом сравнения.

Ключевая особенность потенциометрических сенсоров заключается в их селективности к определённым ионам. Это достигается использованием мембранных материалов или специальных электродных систем, способных взаимодействовать преимущественно с конкретным видом ионов.

Уравнение Нернста как теоретическая основа

Электродный потенциал E выражается через уравнение Нернста:

$$ E = E^{0} + \frac{RT}{zF} \ln a_i, $$

где

  • E0 — стандартный электродный потенциал,
  • R — универсальная газовая постоянная,
  • T — абсолютная температура,
  • z — заряд иона,
  • F — число Фарадея,
  • ai — активность иона.

Таким образом, потенциал электрода прямо связан с концентрацией (активностью) ионов в растворе. Потенциометрические сенсоры используют эту зависимость для количественного анализа.

Конструкция и элементы потенциометрических сенсоров

  1. Индикаторный электрод Определяет потенциал, зависящий от активности конкретного иона. В качестве индикаторных используются:

    • электроды первого рода (металл–ион металла),
    • электроды второго рода (металл–малорастворимая соль–антион),
    • окислительно-восстановительные электроды,
    • мембранные ионселективные электроды (наиболее распространённые).

  2. Электрод сравнения Обеспечивает стабильный и воспроизводимый потенциал. Наиболее часто применяются каломельный электрод и хлорсеребряный электрод.

  3. Мембранный элемент Определяет избирательность сенсора. Используются стеклянные мембраны, полимерные матрицы с ионофорами, кристаллические соли.

  4. Измерительная схема Разность потенциалов фиксируется высокоомным вольтметром или иономером, исключающим прохождение заметного тока.

Классификация потенциометрических сенсоров

  • Стеклянные электроды — классический пример, применяются главным образом для измерения активности ионов водорода (pH-метрия).
  • Кристаллические мембранные электроды — изготавливаются из монокристаллов малорастворимых солей, например фторида или сульфида серебра.
  • Полимерные ионселективные электроды — содержат органическую мембрану с ионофорами, обеспечивающими селективность к определённым ионам.
  • Газочувствительные электроды — модификации мембранных электродов, реагирующие на растворённые газы (CO₂, NH₃) через образование ионов в тонком слое электролита.

Аналитические характеристики

  1. Избирательность Определяется коэффициентами селективности, которые показывают, насколько сенсор чувствителен к целевому иону по сравнению с посторонними.

  2. Чувствительность Характеризуется угловым коэффициентом калибровочной кривой. Для ионов с зарядом ±1 при 25 °C теоретическая величина составляет около 59 мВ на декаду концентрации.

  3. Диапазон измерений Ограничивается нижним пределом обнаружения (определяется утечкой ионов из мембраны) и верхним пределом (влияние насыщения и несоблюдения условий Нернста).

  4. Воспроизводимость и стабильность Зависит от природы мембраны, качества электрода сравнения, а также условий эксплуатации.

Применение потенциометрических сенсоров

  • Аналитическая химия: определение pH, титриметрический анализ, контроль состава растворов.
  • Биохимия и медицина: мониторинг содержания электролитов (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl⁻) в биологических жидкостях.
  • Экология: контроль загрязнений, измерение содержания тяжёлых металлов и ионов аммония в природных водах.
  • Пищевая промышленность: определение кислотности напитков, качества сырья, содержания ионов в технологических растворах.

Современные тенденции развития

Современные исследования направлены на миниатюризацию и интеграцию потенциометрических сенсоров с электронными устройствами. Развиваются микроэлектродные системы, позволяющие работать с малыми объёмами растворов и в условиях in vivo. Перспективным направлением является создание сенсорных матриц и лабораторий-на-чипе, где потенциометрические сенсоры выступают в качестве ключевых элементов для многопараметрического анализа.

Оглавление