Μετρητές Ιόντων (ISE)

Το Εκλεκτικό Ηλεκτρόδιο Ιόντων (ISE) είναι ένας τύπος ηλεκτροδίου που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης συγκεκριμένων ιόντων σε ένα υδατικό διάλυμα. Αυτό γίνεται μετατρέποντας τη δραστηριότητα αυτού του ιόντος σε ηλεκτρικό δυναμικό, το οποίο με τη σειρά του μπορεί να μετρηθεί με ένα όργανο μέτρησης τάσης. Το ISE είναι σημαντικό για την ανάλυση της ποιότητας του νερού.

Ανάλογα με το ηλεκτρόδιο, τα ISE είναι σε θέση να αναγνωρίσουν και να μετρήσουν τη συγκέντρωση μιας μεγάλης ποικιλίας χημικών στοιχείων ή ενώσεων.
Μερικά παραδείγματα: φθόριο, βρώμιο, κάδμιο και αέρια σε διαλύματα όπως η αμμωνία, το διοξείδιο του άνθρακα και το υποξείδιο του αζώτου.

Η χρήση Εκλεκτικών Ηλεκτροδίων Ιόντων (ISE)

Τα Εκλεκτικά Ηλεκτρόδια Ιόντων της Hanna Instruments προσφέρουν αρκετά πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλες αναλυτικές μεθόδους όπως η φωτομετρία. Σε σύγκριση με άλλες αναλυτικές τεχνικές, τα ISE ηλεκτρόδια είναι οικονομικά, γρήγορα, φορητά και εύκολα στη χρήση. Ένα πλήρες σύστημα αποτελείται από ένα όργανο μέτρησης, ηλεκτρόδια ειδικά για ιόντα και μια ποικιλία διαλυμάτων. Τα όργανα μέτρησης ISE υπερέχουν σε εφαρμογές που απαιτούν συνεχή παρακολούθηση.

Ωστόσο, τα Εκλεκτικά Ηλεκτρόδια έχουν ορισμένους περιορισμούς. Ενώ μπορούν να επιτύχουν επίπεδα ακρίβειας από 2 έως 3% με προσεκτική χρήση, μπορεί να είναι ευαίσθητα σε παρεμβολές από άλλα ιόντα στο διάλυμα.

Τα ISE είναι μια εξαιρετική επιλογή για μια ποικιλία εφαρμογών, όπως:

• Παρακολούθηση της ρύπανσης
• Γεωργία
• Επεξεργασία τροφής
• Παραγωγή (για τη μελέτη των επιπτώσεων στην ποιότητα του νερού)
• Επιμετάλλωση
• Βιοϊατρικά εργαστήρια
• Εκπαίδευση
• Έρευνα

Τα Εκλεκτικά Ηλεκτρόδια αποτελούνται από δύο ηλεκτρόδια:

• ένα ηλεκτρόδιο μέτρησης – που συχνά αναφέρεται ως half cell και
• ένα ηλεκτρόδιο αναφοράς.

Συνήθως, το ηλεκτρόδιο μέτρησης και το ηλεκτρόδιο αναφοράς συνδυάζονται σε ένα ηλεκτρόδιο, το οποίο ονομάζεται συνδυαστικό ηλεκτρόδιο.

Το ηλεκτρόδιο αναφοράς είναι γεμάτο με ηλεκτρολύτη γνωστής τιμής που διατηρεί σταθερή την ιοντική του δραστηριότητα. Τα ηλεκτρόδια αναφοράς χρησιμοποιούνται για την παροχή σταθερής τάσης.

Τα συνδυαστικά ηλεκτρόδια της Hanna Instruments λόγω του ότι ένα ηλεκτρόδιο περιλαμβάνει και το ηλεκτρόδιο μέτρησης αλλά και το ηλεκτρόδιο αναφοράς τα καθιστούν ιδανικά για μετρήσεις πεδίου.

Η Hanna Instruments έχει σχεδιάσει ένα εύκολο στη χρήση και ανθεκτικό, ηλεκτρόδιο αναφοράς με διπλή σύνδεση και κωνικό άκρο για να λειτουργεί με όλη την γκάμα αισθητήρων ISE. Λόγω του σχεδιασμού αυτού,  το άκρο του κώνου σύνδεσης με την επαφή του στο υγρό δείγμα, παράγει μια πολύ σταθερή τάση αναφοράς.

Το HI5313 είναι ένα ηλεκτρόδιο αναφοράς αργύρου/χλωριούχου αργύρου με εσωτερικό θάλαμο γεμάτο γέλη (gel). Το εξωτερικό διάλυμα πλήρωσης είναι εύκολα αντικαταστάσιμο και χρησιμεύει ως ρυθμιστική ζώνη μεταξύ των εσωτερικών ιόντων χλωρίου και του δείγματος.

Το ηλεκτρόδιο περιέχει μια εξειδικευμένη μεμβράνη που επιτρέπει τη διέλευση μόνο συγκεκριμένων ιόντων. Για παράδειγμα, το ηλεκτρόδιο ενός πεχαμέτρου επιτρέπει μόνο τα ιόντα υδρογόνου να περάσουν. Μόλις βυθιστούν σε ένα διάλυμα, τα ιόντα περνούν μέσα από τη μεμβράνη έως ότου και οι δύο πλευρές της μεμβράνης βρίσκονται σε ισορροπία. Η συγκέντρωση των ιόντων που έχουν περάσει από τη μεμβράνη συγκρίνεται στη συνέχεια με τη σταθερά στο ηλεκτρόδιο αναφοράς. Η διαφορά μεταξύ του ηλεκτροδίου και του ηλεκτροδίου αναφοράς μετατρέπεται σε σήμα milliamp. Σύμφωνα με την εξίσωση Nernst, η συγκέντρωση είναι ανάλογη με το ηλεκτρικό ρεύμα που διαχέεται.

Η ιοντική δραστηριότητα εξαρτάται από την ιοντική ισχύ. Εάν η ιοντική ισχύς είναι υψηλή, η συγκέντρωση είναι ανάλογη της δραστηριότητας. Οι ρυθμιστές ιοντικής ισχύος χρησιμοποιούνται για την αύξηση της αντοχής διαλυμάτων με χαμηλή ιοντική δράση, βελτιώνοντας έτσι τη συγκέντρωση στα αποτελέσματα των δοκιμών.

Γυάλινα ηλεκτρόδια

Τα ISE ηλεκτρόδια γυαλιού διαθέτουν μια γυάλινη μεμβράνη που είναι ευαίσθητη σε ένα συγκεκριμένο ιόν. Τα ηλεκτρόδια γυαλιού που χρησιμοποιούνται συνήθως για μετρήσεις pH, μπορούν επίσης να διαμορφωθούν για χρήση με άλλα ιόντα, συμπεριλαμβανομένου του λιθίου, του νατρίου, του αμμωνίου και άλλων.

Ηλεκτρόδια στερεάς κατάστασης (Solid State)

Τα ηλεκτρόδια στερεάς κατάστασης περιέχουν μια συμπαγή επιφάνεια επαφής κατασκευασμένη από συμπιεσμένα αλογονίδια αργύρου ή στερεό κρυσταλλικό υλικό. Η Hanna Instruments διαθέτει μια γκάμα Εκλεκτικών Ηλεκτροδίων Ιόντων για τον προσδιορισμό ιόντων βρωμίου, καδμίου, χλωρίου, χαλκού, κυανίου, φθορίου, ιωδιούχου, μόλυβδου και αργύρου. Η στιβαρή κατασκευή εξασφαλίζει μεγάλη διάρκεια ζωής.

Ηλεκτρόδια υγρής μεμβράνης

Οι επιφάνειες ανίχνευσης αυτών των ηλεκτροδίων αποτελούνται από μια ομοιογενή πολυμερή μεμβράνη που περιέχει οργανικούς εναλλάκτες ιόντων που είναι εκλεκτικοί για το συγκεκριμένο ιόν. Αυτοί οι αισθητήρες περιέχουν εύκολα αντικαταστάσιμες μεμβράνες και είναι ειδικοί για μετρήσεις ιόντων νιτρικών, καλίου και ασβεστίου.

Ηλεκτρόδια αερίων

Τα ηλεκτρόδια αερίων είναι συνδυαστικά ηλεκτρόδια που ανιχνεύουν σε ένα διάλυμα τα διαλυμένα αέρια. Δεν απαιτείται εξωτερική αναφορά για αυτά τα ηλεκτρόδια. Το ηλεκτρόδιο διαχωρίζεται από το διάλυμα του δείγματος με μια περατή από αέρια μεμβράνη. Η σειρά ISE μεμβρανών αερίου της Hanna Instruments περιλαμβάνει ηλεκτρόδια για την μέτρηση αμμωνίας και διοξειδίου του άνθρακα.

Τα ιόντα μπορούν να μετρηθούν με Εκλεκτικά Ηλεκτρόδια  με τρεις διαφορετικές μεθόδους:

• άμεση ποτενσιομετρική
• αυξητική μέθοδος
• ποτενσιομετρική τιτλοδότηση

Άμεση ποτενσιομετρική

Η άμεση ποτενσιομέτρηση είναι η απλούστερη και πιο κοινή μέθοδος χρήσης ISE. Αυτή η μέθοδος είναι πολύ αποτελεσματική κατά τη μέτρηση μεγάλων παρτίδων δειγμάτων με μεγάλο εύρος συγκεντρώσεων.

Τα όργανα μέτρησης Ιόντων, όπως το HI98191, εμφανίζουν ταχύτατα τη συγκέντρωση του άγνωστου δείγματος με μια απ’ ευθείας μέτρηση.

Η άμεση ποτενσιομετρία χρησιμοποιεί μία διαδικασία, η οποία περιλαμβάνει τη βαθμονόμηση του οργάνου με δύο ή περισσότερα πρότυπα και τη χρήση οργάνου μέτρησης ιοντικής ισχύος τόσο για το δείγμα όσο και για τα πρότυπα. Επιπλέον, απλώς μετράει την απόκριση του ηλεκτροδίου στο δείγμα και διαβάζει τη συγκέντρωση απευθείας στην οθόνη του μετρητή.

Σε ορισμένες εφαρμογές, η άμεση ποτενσιομετρία μπορεί δώσει γρήγορα και αποδεκτά αποτελέσματα απλώς βυθίζοντας το ηλεκτρόδιο σε ένα ποτάμι ή μια λίμνη χωρίς να χρειάζεται να ληφθούν δείγματα στο εργαστήριο.

Αυξητική μέθοδος

Η Αυξητική μέθοδος περιλαμβάνει τέσσερις τεχνικές χρήσιμες για τον γρήγορο προσδιορισμό της συγκέντρωσης ιόντων σε δείγματα με μεταβλητά ή συγκεντρωμένα συστατικά. Οι τέσσερις τεχνικές είναι γνωστές ως:

• γνωστή προσθήκη
• γνωστή αφαίρεση
• προσθήκη αναλυόμενης ουσίας και
• αφαίρεση αναλυόμενης ουσίας

Όλες περιλαμβάνουν την προσθήκη ενός προτύπου στο δείγμα ή ενός δείγματος στο πρότυπο. Στη συνέχεια, το ISE υπολογίζει τη συγκέντρωση ιόντων του δείγματος.

Οι μέθοδοι αυξητικής μέτρησης έχουν κάποια εγγενή πλεονεκτήματα σε σχέση με την άμεση ποτενσιομετρία. Για παράδειγμα, κατά τη διάρκεια της διαδικασίας μέτρησης, τα ηλεκτρόδια παραμένουν βυθισμένα στο προς μέτρηση διάλυμα. Αυτό αποτρέπει την αλλαγή στο δυναμικό του ηλεκτροδίου αναφοράς, το οποίο μπορεί να διαφέρει κατά μερικά millivolt όταν μεταφέρεται από το ένα διάλυμα στο άλλο. Η διασταυρούμενη μόλυνση μεταξύ των δειγμάτων εξαλείφεται επίσης.

Η βαθμονόμηση και η μέτρηση του δείγματος εκτελούνται ουσιαστικά ταυτόχρονα και στο ίδιο διάλυμα, έτσι ώστε η ιοντική ισχύς, τα σφάλματα λόγω ιξώδους, οι διαφορές θερμοκρασίας μεταξύ προτύπου και δείγματος να είναι ασήμαντα και τα πιθανά σφάλματα λόγω αυτών των συνθηκών να μειώνονται.

Ποτενσιομετρική τιτλοδότηση

Η Τιτλοδότηση είναι η αργή προσθήκη ενός διαλύματος γνωστής συγκέντρωσης σε έναν γνωστό όγκο ενός άλλου διαλύματος άγνωστης συγκέντρωσης έως ότου η αντίδραση φτάσει στην εξουδετέρωση. Είναι μια τεχνική για τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης ενός άγνωστου διαλύματος και μπορεί να χρησιμοποιηθεί όπου απαιτούνται μετρήσεις ιόντων με απόλυτη ακρίβεια.

Η τιτλοδότηση μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την επέκταση του εύρους των ιόντων που μπορούν να μετρηθούν με ISE τα οποία δεν μπορούν να μετρηθούν με άλλες μεθόδους, όπως η άμεση ποτενσιομετρία. Είναι επίσης πολύτιμο εργαλείο όταν αντιμετωπίζουμε ασταθείς ή τοξικές ουσίες. Σε αυτές τις περιπτώσεις, ένα επικίνδυνο ή μη μετρήσιμο διάλυμα αναμιγνύεται με έναν τιτλοδοτητή που καθιστά το διάλυμα ασφαλές και μετρήσιμο.