イオン選択電極

イオン選択電極（ISE ）は、特定イオン電極（SIE ）とも呼ばれ、溶液中のイオンの活性を測定するシンプルな膜ベースの電位差測定装置です。^[1]これは、溶液に溶解した特定イオンの濃度の変化を電位に変換するトランスデューサー（またはセンサー）です。 ISEは、時間の経過に伴う周囲の環境に基づく信号の変化を感知するタイプのセンサーデバイスです。このデバイスには、入力信号（定量化したい特性）と出力信号（記録できる量）があります。この場合、イオン選択電極は電位差測定信号を提供する電気化学センサーです。電圧は理論的にはネルンストの式に従ってイオン活性の対数に依存します。ISEを使用した分析は、生物学、化学、環境科学、農業などの他の産業現場など、さまざまな技術分野に広がっています。イオン選択電極は、水溶液中のイオン濃度の測定が必要な分析化学や生化学/生物物理学の研究に使用されます。^[2]

イオン選択電極の一般理論

イオン選択電極を使用する場合、科学者は分析対象物の信号を ISE が示す電気化学電位と比較します。以下のセクションで説明するように、これを行うにはさまざまな種類の電極を使用できます。一般的な図に示すように、イオン選択膜 (ガラス、結晶、液体、またはポリマーで構成) は、特定の種類のイオンを選択的に通過させます。つまり、選択的に透過します。^[1]

すべての ISE 測定は、測定対象の分析物の既知濃度を持つ内部参照電極との比較によって行われます。外部参照電極は、溶液にさらされるシステムの一部です。電位は次の式を使用して測定されます。

$E_{cell}=E_{ise}-E_{ref}$

E _{ise には}、内部参照電極の電位とイオン選択膜電位 E _mが含まれます。E _{ise は}内部溶液中の分析物の活性によって決まりますが、E _{m は}選択膜の両側の分析物の活性によって決まります。さらに、セルの E _{refまたは外部参照部分は、電極の半反応と液体接合電位 E}_jに依存します。

参照電極

分析化学で使用される最も一般的な参照電極には、標準水素電極、飽和カロメル電極、Ag / AgCl電極などがあります。^[3]

標準水素電極 (SHE) は、すべての温度で 0 ボルトの電位と 1 気圧の圧力を持つ主要な参照電極です。左の図は、反応の一部ではない (触媒である) プラチナ (Pt) ワイヤ電極を強調表示しており、陽極または陰極として機能します。ワイヤは酸性溶液に浸され、H2 (g) 出口からガス状水素が溶液に送り込まれます。Pt 電極の表面では、半反応が発生します。

${\ce {2H^+{}_{(aq)}+ 2e^- <=> H_2{}_{(g)}}}$

セル表記は次のようになります。1 本の線は相境界を表し、2 本の線は塩橋を表します。 ${\ce {Pt | H_2 (1 atm) | H^+(1M) ||}}$

現場では、SHE は不便であるため、飽和カロメル電極 (SCE) が 2 番目によく使用される参照電極になります。ただし、この電極には水銀が含まれているため、測定にはあまり適していません。右に示すように、電極は電気リードに接続されています。Hg/Hg ₂ Cl ₂ペーストの白金線を飽和 3M KCl 溶液に入れます。内部電極の下部には、アスベスト線の小さな穴があります。参照電極の下部には、塩橋として機能するセラミックフリットがあります。全体の半反応は次のようになります。

${\ce {Hg2Cl2 + 2e^- <-> 2Hg + 2Cl^-}}$

セルの表記は次のとおりです。 ${\ce {Hg | Hg2Cl2 | KCl(xM) ||}}$

塩化銀電極は毒性があるため、SCE よりも頻繁に使用されます。参照電極内では、Ag/AgCl ワイヤが KCl 充填溶液に浸されています。参照電極の下部にあるフリットが塩橋の役割を果たします。全体的な半反応は次のようになります。

${\ce {AgCl + e^-<=> Ag +Cl^-}}$

セルの表記は次のとおりです。 ${\ce {Ag | AgCl | KCl(xM)||}}$

イオン選択膜の種類

イオン選択電極（ISE）に使用されるイオン選択膜には、ガラス、固体、液体ベース、複合電極の4つの主なタイプがあります。^[4]^[5]

ガラス膜

ガラス膜は、イオン交換タイプのガラス（ケイ酸塩またはカルコゲニド）から作られています。このタイプのイオン交換ガラスは、主に H ⁺、 Na ⁺、 Ag ⁺などのいくつかの単価陽イオンに対してのみ選択性があります。カルコゲニドガラスは、 Pb ²⁺や Cd ²⁺などの二価金属イオンに対しても選択性があります。ガラス膜は化学的耐久性に優れており、非常に腐食性の高い媒体でも機能します。このタイプの電極の非常に一般的な例は、pH ガラス電極です。

結晶膜

結晶膜は、単一物質の単結晶または多結晶から作られています。結晶構造に侵入できるイオンのみが電極の反応を妨害できるため、選択性は良好です。これが、このタイプの電極とガラス膜電極の主な違いです。内部溶液がないため、電位接合部が減少します。結晶膜の選択性は、膜形成物質の陽イオンと陰イオンの両方に対して可能です。例として、 LaF ₃結晶に基づくフッ化物選択電極があります。

イオン交換樹脂膜

イオン交換樹脂は、特定のイオン交換物質 (樹脂) を含む特殊な有機ポリマー膜をベースにしています。これは、最も普及しているイオン特異性電極のタイプです。特定の樹脂を使用することで、単一原子または複数原子の両方を含む数十種類の異なるイオンに対する選択電極を準備できます。これらは、アニオン選択性を備えた最も普及している電極でもあります。ただし、このような電極は、化学的および物理的耐久性が低く、「生存時間」も短いです。一例として、イオン交換剤としてバリノマイシンをベースにしたカリウム選択電極があります。

酵素電極

酵素電極は真のイオン選択電極ではありませんが、通常はイオン選択電極の範囲内であると見なされます。このような電極には「二重反応」メカニズムがあります。酵素は特定の物質と反応し、この反応の生成物 (通常は H ⁺または OH ^{− ) は}pH選択電極などの真のイオン選択電極によって検出されます。これらの反応はすべて、真のイオン選択電極を覆う特殊な膜内で発生します。このため、酵素電極はイオン選択性と見なされることがあります。例としては、グルコース選択電極があります。

アルカリ金属 ISE

^{Li +}、Na ⁺、K ⁺、Rb ⁺、Cs ⁺の各アルカリ金属イオン専用の電極が開発されています。これらの電極の原理は、アルカリ金属イオンが、イオンの大きさに合わせたサイズの分子空洞に封入されているというものです。例えば、バリノマイシンをベースにした電極は、カリウムイオン濃度の測定に使用できます。^[6]

参照

参考文献

^ ab Meyerhoff, ME; Opdycke, WN (1986-01-01)、Spiegel, Herbert E. (ed.)、「イオン選択電極」、Advances in Clinical Chemistry、vol. 25、Elsevier、pp. 1–47、2024-10-06取得
^ AJ Bard および L. Faulkner (2000)。電気化学的方法: 基礎と応用。ニューヨーク: Wiley。ISBN 978-0-471-04372-0。
^ イオン選択電極. doi :10.1007/978-3-642-36886-8.pdf.
^ RP Buck および E. Lindner (1994)。「イオン選択電極の命名法に関する推奨事項」(PDF)。Pure Appl. Chem . 66 (12): 2527–2536。doi :10.1351/pac199466122527。
^ Eric Bakker および Yu Qin (2006). 「電気化学センサー」. Anal. Chem. 78 (12): 3965–3984. doi :10.1021/ac060637m. PMC 2883720. PMID 16771535 . （総説）
^ Hauser, Peter C. (2016). 「第 2 章生物および環境サンプル中のアルカリイオンの測定」 Astrid, Sigel、Helmut, Sigel、Roland KO, Sigel (編)。アルカリ金属イオン: 生命におけるその役割。生命科学における金属イオン。第 16 巻。Springer。pp. 11–25。doi : 10.1007 /978-3-319-21756-7_2。ISBN 978-3-319-21755-0. PMID 26860298。

外部リンク

イオン選択電極
Nico 2000 - 学生学習ガイド (ISE 測定の初心者ガイド: nico2000.net)
イオン選択電極分析装置

[:0-1] Meyerhoff, ME; Opdycke, WN (1986-01-01)、Spiegel, Herbert E. (ed.)、「イオン選択電極」、Advances in Clinical Chemistry、vol. 25、Elsevier、pp. 1–47、2024-10-06取得

[2] AJ Bard および L. Faulkner (2000)。電気化学的方法: 基礎と応用。ニューヨーク: Wiley。ISBN 978-0-471-04372-0。

[:1-3] イオン選択電極. doi :10.1007/978-3-642-36886-8.pdf.

[4] ^ RP Buck および E. Lindner (1994)。「イオン選択電極の命名法に関する推奨事項」(PDF)。Pure Appl. Chem . 66 (12): 2527–2536。doi :10.1351/pac199466122527。

[5] Eric Bakker および Yu Qin (2006). 「電気化学センサー」. Anal. Chem. 78 (12): 3965–3984. doi :10.1021/ac060637m. PMC 2883720. PMID 16771535 . （総説）

[6] Hauser, Peter C. (2016). 「第 2 章生物および環境サンプル中のアルカリイオンの測定」 Astrid, Sigel、Helmut, Sigel、Roland KO, Sigel (編)。アルカリ金属イオン: 生命におけるその役割。生命科学における金属イオン。第 16 巻。Springer。pp. 11–25。doi : 10.1007 /978-3-319-21756-7_2。ISBN 978-3-319-21755-0. PMID 26860298。