Το πεχάμετρο, το ηλεκτρόδιο και τα ρυθμιστικά διαλύματα είναι απαραίτητος εξοπλισμός σε όλα τα εργαστήρια αναλύσεων.
Η διαδικασία της αναζήτησης μιας ακριβής μέτρησης pH έχει εξελιχθεί μέσα από πολλές καινοτομίες με το πέρασμα των χρόνων. Οι καινοτομίες αυτές περιλαμβάνουν βελτιώσεις στα ηλεκτρόδια, όπως τα συνδυαστικά ηλεκτρόδια, ηλεκτρόδια κατασκευασμένα από ειδικό γυαλί, διαφράγματα υψηλής απόδοσης και ηλεκτρόδια για εξειδικευμένες χρήσεις.
Αντίστοιχα έχουν εξελιχθεί και τα πεχάμετρα, τα οποία διαθέτουν πλέον αυτόματη αναγνώριση των ρυθμιστικών διαλυμάτων, αυτόματη αντιστάθμιση της θερμοκρασίας και χαρακτηριστικά GLP (Good Laboratory Practice). Παρόλο που η διαδικασία μέτρησης του pH έχει εκσυγχρονιστεί και απλοποιηθεί, υπάρχουν ακόμη αρκετά σφάλματα που πρέπει να λαμβάνονται υπ’ όψιν σε οποιοδήποτε σύστημα μέτρησης pH, ώστε να έχουμε μια αξιόπιστη μέτρηση.
Ακόμη και ένα σύστημα μέτρησης pH που συντηρείται σωστά, με το πέρασμα του χρόνου θα δώσει αποτελέσματα που δεν θα ανταποκρίνονται στις απαιτήσεις μας. Αυτό οφείλεται συχνά σε προβλήματα του ηλεκτροδίου που είναι το πιο ευαίσθητο τμήμα του συστήματος μέτρησης pH. Τα πιο συνηθισμένα σφάλματα μπορεί να είναι φραγμένα διαφράγματα, κατεστραμμένη, μολυσμένη ή στεγνή μεμβράνη, εξατμισμένος ή μολυσμένος ηλεκτρολύτης, φυσική καταπόνηση, ή ακόμη και η φυσιολογική γήρανση του ηλεκτροδίου.
Η κατάσταση του ηλεκτροδίου δεν μπορεί να προβλεφθεί, καθώς ο χρόνος ζωής του διαρκεί περίπου από 6 μήνες έως 1 χρόνο, γεγονός το οποίο εξαρτάται από τη συντήρηση, καθώς και από την οξύτητα/αλκαλικότητα των μετρούμενων δειγμάτων. Ωστόσο, η ζωή του ηλεκτροδίου μπορεί να μειωθεί σημαντικά σε περιπτώσεις, για παράδειγμα, έκθεσής του σε ακραίες θερμοκρασίες ή χρήσης του σε πολύ όξινα ή αλκαλικά δείγματα.
Καθώς ο ηλεκτρολύτης εξατμίζεται, ο χρόνος απόκρισης μεγαλώνει και οι μετρήσεις αρχίζουν να χάνουν την επαναληψιμότητα και τη γραμμικότητά τους. Αυτές οι εφαρμογές επισημαίνουν τη σημασία ενός ηλεκτροδίου που συντηρείται σωστά, καθώς και τον τρόπο με τον οποίο μπορούν οι μετρήσεις του pH να γίνουν ακόμη πιο αξιόπιστες.
ΒΑΣΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΟΥ pH
Το ηλεκτρόδιο του pH είναι ένας γαλβανικός θάλαμος υψηλής πέδησης, μέσα στον οποίο το δυναμικό που δημιουργείται μεταξύ του μισού θαλάμου του pH και του άλλου μισού θαλάμου της αναφοράς είναι άθροισμα διαφορών δυναμικού.
Στην εικόνα 1 παρουσιάζεται ένα κλασικό συνδυαστικό ηλεκτρόδιο pH υάλου και ο τρόπος με τον οποίο συνδυάζεται ο θάλαμος του pH με το θάλαμο αναφοράς. Σε ιδανικές συνθήκες όλα τα δυναμικά είναι σταθερά, εκτός από αυτό που ενεργοποιείται στο επίπεδο του ηλεκτροδίου, το οποίο εξαρτάται από το pH του δείγματος, σύμφωνα με την εξίσωση του Nerst:
| Eobs | = | Ec | – | 2.303 RT | pH |
| F |
όπου:
Eobs είναι το μετρούμενο δυναμικό.
Ec είναι το άθροισμα των σταθερών δυναμικών.
R είναι η σταθερά των αερίων.
T είναι η θερμοκρασία σε Kelvin και
F είναι η σταθερά Faraday
Τα πραγματικά ηλεκτρόδια διαφέρουν από τα ιδανικά ηλεκτρόδια εξαιτίας διαφόρων παραγόντων, εκ των οποίων σημαντικότεροι είναι:
- Κατασκευαστική ανοχή.
- Γήρανση του ηλεκτροδίου.
- Κακή συντήρηση και ελλιπής καθαρισμός του ηλεκτροδίου.
Όλα τα πεχάμετρα, χάρις στη ρύθμιση (calibration), επιτρέπουν στα ηλεκτρόδια να αντισταθμίσουν τις παραπάνω παρενέργειες. Μία συνήθης ρύθμιση περιλαμβάνει τη μέτρηση της απόκρισης του ηλεκτροδίου σε δύο ρυθμιστικά διαλύματα με γνωστές τιμές pH και τη δημιουργία μίας γραμμικής αναφοράς μεταξύ αυτών των δύο σημείων.
Αυτή η γραμμή έχει ως αποτέλεσμα τον καθορισμό των διορθωτικών παραγόντων: το offset και το slope, όπου το offset είναι η μέτρηση σε μονάδες mV σε pH 7 και το slope είναι η μεταβολή των mV για κάθε μία μονάδα του pH. Συνήθως εκφράζεται σε mV/pH ως ποσοστό του ιδανικού slope του ηλεκτροδίου (59.16 mV/pH σε 25 °C).
ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΚΑΤΑ ΤΗ ΡΥΘΜΙΣΗ
Σφάλματα μπορεί να συμβούν και κατά τη ρύθμιση, επειδή είναι άγνωστο ποιοι από τους παραπάνω παράγοντες μπορούν να αντισταθμιστούν, όπως επίσης και ότι αυτοί οι παράγοντες ποικίλλουν με το χρόνο.
Για παράδειγμα, οι εικόνες 2 και 3 δείχνουν το offset και το slope, αντίστοιχα, για τέσσερις τύπους εργαστηριακών ηλεκτροδίων (2 από κάθε τύπο), τα οποία έχουν παραμείνει σε γάλα 24/7 για παραπάνω από 4 μήνες. Τα ηλεκτρόδια καθαρίστηκαν προσεκτικά πριν τη μέτρηση του offset και του slope. Οι γραφικές παραστάσεις δείχνουν ότι υπάρχει μία συστηματική αλλαγή στο offset, η οποία όμως είναι πολύ μικρή, ενώ το slope διατηρείται κατ’ ουσίαν αμετάβλητο στο χρόνο.
Οι ίδιες δοκιμές έγιναν και σε άλλα διαλύματα, όπως σε χυμό πορτοκαλιού, σε δύο διαλύματα μεpH 1 και pH 13 και σε ένα διάλυμα με υψηλή περιεκτικότητα σε φυτικό έλαιο. Όλα τα τεστ είχαν παρόμοια αποτελέσματα. Αυτό δείχνει ότι η κανονική γήρανση του ηλεκτροδίου είναι μια αργή διαδικασία και ότι οι απότομες μεταβολές στην απόκριση του ηλεκτροδίου δεν οφείλονται στη γήρανση.
Το ηλεκτρόδιο 3-Α στην εικόνα 2 δείχνει μια αστοχία του διαφράγματος αναφοράς, η οποία οφείλεται στο γεγονός ότι το γάλα εισχώρησε στο ηλεκτρόδιο αναφοράς. Παρόλο που το ηλεκτρόδιο ήταν εμφανώς αχρησιμοποίητο, οι συντελεστές της ρύθμισης παρέμειναν εντός των ορίων της αποδεκτής κλίμακας.
Τα συμβατικά πεχάμετρα έχουν ένα ευρύ φάσμα ρύθμισης και όσο το ηλεκτρόδιο βρίσκεται εντός του φάσματος θα υπάρχει η δυνατότητα ρύθμισης, καταλήγοντας όμως σε σφάλματα.
Ακόμη ένα σύνηθες σφάλμα στη ρύθμιση σχετίζεται με το λάθος τρόπο καθαρισμού του ηλεκτροδίου.
Για να τονίσουμε τη σημασία του σωστού καθαρισμού κάναμε άλλο ένα πείραμα. Το πείραμα ξεκίνησε με την κατάλληλη συντήρηση 3 καινούριων ηλεκτροδίων, βυθίζοντας τα σε διάλυμα καθαρισμού και στη συνέχεια σε διάλυμα συντήρησης. Κατόπιν τα δύο από τα τρία ηλεκτρόδια (TEST 1 και TEST 2) βυθίστηκαν σε διάλυμα, το οποίο περιείχε λάδι, για λίγα λεπτά, σαν να κάναμε μια τέτοια μέτρηση. Μετά απομακρύνθηκαν από το διάλυμα και τοποθετήθηκαν σε ένα απλό γενικό καθαριστικό διάλυμα, αντί για ένα ειδικό καθαριστικό διάλυμα για λιπαρά διαλύματα, και ξαναβυθίστηκαν στο διάλυμα συντήρησης. Εν συνεχεία έγινε ρύθμιση και στα τρία ηλεκτρόδια χρησιμοποιώντας ρυθμιστικά διαλύματα 7.01 και 10.01.
Για να εκτιμηθούν τα αποτελέσματα της χρήσης ακάθαρτων ηλεκτροδίων σε σχέση με το καθαρό, αφέθηκαν και τα τρία ηλεκτρόδια στο διάλυμα pH 10.01 και καταγράφηκαν οι ενδείξεις με άξονα το χρόνο (t). Οι κλίσεις (slopes) των ηλεκτροδίων στη ρύθμιση ήταν 96 % για το καθαρό ηλεκτρόδιο, 93 % για το ηλεκτρόδιο 1 (TEST1) και 91 % για το ηλεκτρόδιο 2 (TEST 2) αντίστοιχα. Η εικόνα 4 δείχνει τι συμβαίνει όταν ρυθμίζουμε ηλεκτρόδια, τα οποία είναι μεν καθαρά με γυμνό μάτι, αλλά στην πραγματικότητα καλύπτονται από ένα λεπτό στρώμα υλικού.
Μετά τη ρύθμιση οι ενδείξεις και των τριών ηλεκτροδίων ήταν αρχικά ίδιες.
Παρ’ όλα αυτά, όμως, οι ενδείξεις του ηλεκτροδίου 1 (TEST 1) και του ηλεκτροδίου 2 (TEST 2) άρχισαν να απομακρύνονται από την αρχική τιμή. Οι ενδείξεις του καθαρού ηλεκτροδίου δεν μεταβλήθηκαν, ενώ τα ηλεκτρόδια 1 και 2 τελικά σταθεροποιήθηκαν στο 10.27 pHμετά από 12 ώρες.
Αυτό το πείραμα αποδεικνύει ότι οι μετρήσεις μπορούν να διαφοροποιηθούν πολύ γρήγορα και να γίνουν αναξιόπιστες καθώς μεταβάλλεται η κατάσταση του ηλεκτροδίου, ενώ η ρύθμιση προσαρμόζεται λανθασμένα. Τα παραπάνω αποτελέσματα επιβεβαιώνουν ότι ένα φαινομενικά καθαρό ηλεκτρόδιο μπορεί να προκαλέσει ανεπιθύμητα αποτελέσματα και ότι ο σωστός καθαρισμός είναι απαραίτητος για ακριβείς μετρήσεις pH.
ΜΗΝΥΜΑΤΑ ΚΑΤΑ ΤΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΤΗΣ ΡΥΘΜΙΣΗΣ
Τα προβλήματα κατά τη διάρκεια της ρύθμισης μπορούν να λυθούν με το σύστημα CalibrationCheck™, το οποίο προσφέρεται σε πολλά εργαστηριακά πεχάμετρα της Hanna Instrments.
Σε συνδυασμό με μία ειδικά σχεδιασμένη σειρά ηλεκτροδίων, τα παραπάνω όργανα πραγματοποιούν διαδοχικά διαγνωστικούς ελέγχους κατά τη διάρκεια της ρύθμισης. Τα πεχάμετρα αποθηκεύουν ένα ιστορικό των ρυθμίσεων και συγκρίνουν τα νέα δεδομένα με τα παλαιότερα. Εφόσον τα ηλεκτρόδια δεν μπορεί να φθαρούν ξαφνικά, ο χρήστης ενημερώνεται για συγκεκριμένες αλλαγές στο offset και στο slope του ηλεκτροδίου, ώστε να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα.
Τα μηνύματα διαμορφώνονται ανάλογα με την κατάσταση του ηλεκτροδίου, π.χ.“καθαρισμός ηλεκτροδίου” ή “έλεγχος ηλεκτροδίου”, ή σχετίζονται με προβλήματα που αφορούν τα ρυθμιστικά διαλύματα, π.χ. “λάθος buffer” και “μολυσμένο buffer”. Στις περισσότερες περιπτώσεις το πρόβλημα του ηλεκτροδίου παρατηρείται και διορθώνεται κατά τη διάρκεια του calibration, ελαττώνοντας σημαντικά την πιθανότητα μιας λανθασμένης μέτρησης. Ο χρήστης ενημερώνεται, ώστε να σβήσει από τη μνήμη το αποθηκευμένο ιστορικό των ρυθμίσεων όταν αντικαθίσταται το ηλεκτρόδιο με καινούριο, με σκοπό να γίνεται επανεκκίνηση στους διαγνωστικούς ελέγχους.
ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΟΥ
Εκτός από τα μηνύματα που αφορούν τη ρύθμιση, είναι επίσης χρήσιμη η ένδειξη για την κατάσταση, καθώς και για το χρόνο απόκρισης του ηλεκτροδίου.
Αυτό συμβαίνει επειδή το ηλεκτρόδιο, ακόμη και όταν είναι καθαρό και συντηρείται σωστά, υφίσταται φυσιολογική φθορά με την πάροδο του χρόνου. Τα εργαστηριακά πεχάμετρα της Hanna Instrments παρέχουν δύο ψηφιακές ενδείξεις στην οθόνη τους. Η μία ένδειξη παρουσιάζει την τιμή της κατάστασης του ηλεκτροδίου, βασιζόμενη στο offset και στο slope του ηλεκτροδίου, η οποία εμφανίζεται σε μορφή ποσοστού.
Τόσο το offset όσο και το slope είναι σημαντικά, όπως φαίνεται στις εικόνες 2 και 3, όπου το ηλεκτρόδιο 3-Α ήταν μεταξύ των επιτρεπτών ορίων όσον αφορά το slope, ενώ το offsetέδειχνε πρόβλημα στο ηλεκτρόδιο. Η άλλη ένδειξη αφορά το χρόνο απόκρισης, ο οποίος είναι εξίσου σημαντικός για την κατάσταση του ηλεκτροδίου. Ο χρόνος απόκρισης υπολογίζεται από το μεταβατικό στάδιο μεταξύ του πρώτου και του δεύτερου ρυθμιστικού διαλύματος.
Με τις ενδείξεις, λοιπόν, που μόλις περιγράψαμε, ο χρήστης έχει πλέον μια σαφή ένδειξη της κατάστασης του ηλεκτροδίου. Το γεγονός αυτό εξασφαλίζει εμπιστοσύνη στις μετρήσεις και σαφή προειδοποίηση για την αναγκαιότητα αντικατάστασης του ηλεκτροδίου.
EΠΙΛΟΓΟΣ
Για έναν ευσυνείδητο χρήστη η συντήρηση του ηλεκτροδίου είναι θέμα ρουτίνας.
Ένα ηλεκτρόδιο που συντηρείται σωστά είναι αναμενόμενο να έχει αξιόπιστα αποτελέσματα για μεγάλο χρονικό διάστημα. Πρόκληση αποτελεί η κατανόηση του πότε ακριβώς η χρήση σε ακραίες συνθήκες μέτρησης ή ο ανεπαρκής καθαρισμός μπορεί να επηρεάσει τις μετρήσεις του pH.
Σε ένα συμβατικό σύστημα μέτρησης pH μπορεί να γίνει ρύθμιση χωρίς να παρουσιαστεί κάποιο μήνυμα λάθους, ακόμη και εάν υπάρχει μεγάλο σφάλμα. Να σημειωθεί, επίσης, ότι τα καθαριστικά διαλύματα δεν είναι κατάλληλα για τον καθαρισμό από οποιαδήποτε κατάλοιπα στο ηλεκτρόδιο, όπως περιγράψαμε στην εικόνα 4. Επιβάλλεται να χρησιμοποιείται το κατάλληλο καθαριστικό διάλυμα ανάλογα με το μετρούμενο δείγμα.
Μετρήσεις με συμβιβασμό στην ποιότητα μπορεί να πλησιάζουν τα αναμενόμενα αποτελέσματα και να δείχνουν αληθοφανή. Η ειδοποίηση για τη λειτουργική κατάσταση του ηλεκτροδίου παρέχει στο χρήστη εμπιστοσύνη στα αποτελέσματα των μετρήσεων.
Το σύστημα Calibration Check™ υποδεικνύει ότι το ηλεκτρόδιο χρειάζεται προσοχή πριν πάρουμε μετρήσεις αμφισβητούμενης πιστότητας. Η τεχνολογία αυτή οργανώνει αποδοτικά τη μεθοδική συντήρηση του συστήματος μέτρησης pH και συνδέεται αρμονικά με τις υπάρχουσες GLP διαδικασίες.