Gli elettrodi iono-selettivi sono sensori che convertono l’attività di uno ione presente in soluzione in potenziale correlato all’attività dello ione secondo l’equazione di Nernst.
Il potenziale di una cella elettrochimica è legato alle concentrazioni delle specie coinvolte nelle reazioni agli elettrodi. Pertanto la misura del potenziale di una pila è utilizzata per la determinazione delle concentrazioni delle specie in soluzione.
La cella consta di un elettrodo indicatore e di un elettrodo di riferimento. Poiché il potenziale dell’elettrodo di riferimento è costante, il potenziale dell’elettrodo indicatore è quello che ci fornisce informazioni quantitative relative all’analita.
Gli elettrodi iono-selettivi sono elettrodi indicatori che possono essere utilizzati per le determinazioni potenziometriche
Proprietà
Gli elettrodi iono-selettivi hanno un grado elevato di selettività nei confronti di uno ione che può essere sia positivo che negativo anche in presenza di altre specie.
La selettività di un elettrodo iono-selettivo è dovuta alla membrana che ne costituisce la parte caratterizzante e può essere di vari tipi.
All’interno della membrana vi è una soluzione di riferimento che contiene una determinata concentrazione dello ione di interesse. Tra la soluzione e la membrana si stabilisce un equilibrio di scambio ionico e il trasporto di ioni dalla soluzione a concentrazione maggiore a quella a concentrazione minore provoca una differenza di potenziale.
Quando una specie carica diffonde da una regione con attività A1 a una regione con attività A2 si ha una diminuzione di energia libera:
ΔG = – RT ln(A1/A2)
Questa diminuzione di energia libera è pari al lavoro elettrico:
– RT ln(A1/A2) = – nFE
Da cui E = RT/nF ln(A1/A2)
Elettrodo a vetro
Tra gli elettrodi iono-selettivi il più noto è l’elettrodo a vetro costituito da un vetro speciale e utilizzato per la misura del pH di soluzioni acquose.
Variando la composizione e i costituenti del vetro si possono ottenere elettrodi a vetro selettivi nei confronti di altre specie ed in particolare dello ione sodio.
Elettrodi a membrana solida
Vi sono poi elettrodi a membrana solida e, a seconda della costituzione della membrana, possono essere di vari tipi ma nelle linee generali sono costituiti da sali inorganici poco solubili. Essi esibiscono una buona selettività nei confronti di ioni che possono introdursi nel loro reticolo cristallino come l’elettrodo selettivo di fluoruro in cui la membrana è formata da fluoruro di lantanio drogato con europio.
Elettrodi a membrana liquida
I cosiddetti elettrodi a membrana liquida dove la membrana in realtà è solida e porosa saturata con un solvente viscoso insolubile in acqua. In esso è disciolto un agente ionoforo ovvero una specie in grado di trasportare ioni. Un esempio di elettrodo a membrana liquida è l’elettrodo sensibile allo ione Ca2+ in cui lo ionoforo è il di-(n-decil)fosfato di calcio (CH3(CH2)8CH2)2PO2 2-Ca2+ sciolto in di-(n-ottil)fenilfosfonato (CH3(CH2)6CH2O)2POC6H5.
Elettrodi gas-selettivi
Gli elettrodi gas-selettivi come quello sensibile al biossido di carbonio hanno una membrana permeabile ai gas ma impermeabile agli ioni. La membrana è molto sottile per favorire la diffusione del gas e anche la soluzione interna ha un piccolo spessore per limitare i tempi di risposta.
Elettrodi a membrana biocatalitica
Negli elettrodi a membrana biocatalitica la membrana è costituita da una matrice inerte in cui è intrappolato un biocatalizzatore. Ad esempio, un enzima in grado di reagire selettivamente con un particolare analita presente in soluzione.
Il catalizzatore trasforma l’analita in un prodotto che passa all’interno dell’elettrodo e viene successivamente misurato da un elettrodo sensibile a tale prodotto. Un esempio è l’elettrodo selettivo per l’urea che contiene come biocatalizzatore l’ureasi immobilizzata su gel di poliacrilammide.