Ionenselektive Elektroden: Allgemeine Tipps – Teil 1

Ionen - diese winzigen Ladungsträger begegnen uns ständig. Je nach Konzentration bestimmter Anionen (negative Ionen) und Kationen (positive Ionen) können sie einen erheblichen Einfluss auf Mensch und Umwelt haben. Dank ständiger Qualitätskontrollen in verschiedenen Branchen wie der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, der metallurgischen Industrie und der Wasserwirtschaft werden festgelegte Grenzwerte weder über- noch unterschritten.

Wie kann man also diese kleinen, allgegenwärtigen Ionen bestimmen? Irrtümlicherweise dachte ich zunächst, dass die Messung von Ionen nur mit verhältnismäßig teuren Analysemethoden wie der Ionenchromatographie (IC), der optischen Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES) oder der Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) möglich ist. Eine vielversprechende kosteneffiziente Alternative zu diesen Techniken ist die Verwendung sogenannter ionenselektiver Elektroden (ISE).

Wenn Sie an einem oder mehreren dieser Themen interessiert sind, dann sind Sie bei uns genau richtig:

• Welche ionenselektiven Elektroden es gibt
• Die grundlegende Theorie der Ionenmessung
• Warum für die Messung eine TISAB- oder ISA-Lösung zugefügt werden muss
• Wie man seine ISE am besten pflegt

Welche ionenselektiven Elektroden es gibt

Wenn Sie zum Beispiel die Fluoridkonzentration in Ihrer Zahnpasta, den Ammoniumgehalt des Aquarienwassers oder den Kalziumgehalt in einem Fruchtsaft bestimmen wollen, gibt es u.U. mehrere geeignete ionenselektive Elektroden für Ihre Anwendung. Weitere Informationen finden Sie in unserer kostenlosen Application Bulletins zu diesen Themen.

Bestimmung von Fluorid mit einer ionenselektiven Elektrode

Komplexometrische Titrationen mit der kupferionenselektiven Elektrode

Gleichzeitige Bestimmung von Calcium, Magnesium und Alkalität durch komplexometrische Titration mit potentiometrischer oder photometrischer Indikation in Wasser- und Getränkeproben

Membranmaterial

Die allererste ionenselektive Elektrode war die pH-Elektrode. In diesem Artikel wird jedoch nicht auf pH-Elektroden eingegangen - weitere Informationen finden Sie in unseren anderen Beiträgen zu dieser speziellen ISE.

Vermeiden Sie die häufigsten Fehler bei der pH-Messung

So kalibrieren Sie ein pH-Meter

Neben der Glasmembran, die für pH-Elektroden verwendet wird, gibt es auch andere Membranmaterialien für die selektive Messung einer Vielzahl von Ionen. Die am häufigsten verwendeten Typen sind in Tabelle 1 aufgeführt..

Das Membranmaterial kann die möglichen Matrizes einschränken, in denen die ISE verwendet werden kann. Zum Beispiel können Elektroden mit einer Polymermembran nicht zur Messung von Ionen in organischen Lösungsmitteln verwendet werden. Weitere Informationen zu den spezifischen Einschränkungen finden Sie im Benutzerhandbuch Ihrer ISE.

Merkblatt: Handbuch für ionenselektive Elektroden

Grundlegende Theorie der ISEs

Messbereich

Jeder Elektrodentyp benötigt seinen eigenen spezifischen Messbereich (siehe Tabelle 2). Bevor Sie mit einer Ionenmessung beginnen, sollten Sie sich vergewissern, dass die ausgewählte ionenselektive Elektrode in der Lage ist, in dem Konzentrationsbereich des zu bestimmenden Ions Ihrer Probe zu messen.

Noch wichtiger als der Messbereich ist jedoch der lineare Bereich. In Abbildung 1 ist ein Messbereich dargestellt, der auch einen linearen Bereich umfasst. Innerhalb dieses linearen Bereichs gilt die Nernst-Gleichung, und das Signal ist proportional zur Konzentration des Analyten. Wenn Sie eine Ionenmessung innerhalb des linearen Bereichs durchführen, erhalten Sie die genauesten und reproduzierbarsten Ergebnisse. Mehr über die Nernst-Gleichung erfahren Sie in unserem früheren Blog-Beitrag.

So kalibrieren Sie ein pH-Meter

Störende Ionen

Im Vergleich zu einer pH-Elektrode mit einem linearen Bereich über 14 Dekaden ist die Empfindlichkeit einer ISE begrenzt, da Störionen den linearen und damit den idealen Messbereich reduzieren (siehe Abbildung 1).

Es gibt zwei verschiedene Arten von Störionen, die beide in Tabelle 3 aufgeführt sind.

Heutzutage sind die wichtigsten störenden Ionen für eine ISE bekannt, und die Informationen darüber werden vom Sensorhersteller bereitgestellt. Bei der Messung wird der Einfluss von Störionen in einem sogenannten Selektivitätskoeffizienten berücksichtigt, der wiederum in der Nikolsky-Gleichung - einer erweiterten Version der Nernst-Gleichung - verwendet wird.

Einige Beispiele für die wichtigsten störenden Ionen einer ISE sind in Tabelle 4 aufgeführt. Weitere Informationen zum theoretischen Hintergrund des pH-Werts und zu ionenselektiven Elektroden finden Sie in unserer kostenlosen Monographie.

Monographie: Elektroden in der Potentiometrie

Einstellung der Ionenstärke

Die Messung hängt von der Aktivität des Messions in der Lösung ab, die wiederum von der Ionenstärke abhängt. Aus diesem Grund werden ionenselektive Messungen immer in Lösungen mit annähernd gleicher Ionenstärke durchgeführt. Durch Zugabe von Ionenstärkeeinstellpuffern (ISA = ionic strength adjuster) oder Gesamtionenstärkeeinstellpuffern (TISAB = total ionic strength adjustment buffer) kann ein konstanter Ionenhintergrund erreicht werden.

ISA und TISAB sind in Bezug auf die Messung chemisch inert und enthalten eine relativ hohe Salzkonzentration, so dass die Ionenstärke der Probenlösung vernachlässigt werden kann. Einige Beispiele sind in Tabelle 5 zu finden. Schauen Sie im Benutzerhandbuch Ihrer ISE nach, um die ideale ISA- oder TISAB-Lösung zu finden.

Wartung und Lebensdauer der Elektroden

Reinigen der ISE

empfohlen:

• Nach jeder Messung oder Titration muss die ISE gründlich mit destilliertem Wasser gespült werden.

nicht empfehlenswert:

• Verwenden Sie zum Reinigen niemals organische Lösungsmittel. Sie können die Polymermembran-ISE angreifen oder irreversibel zerstören oder die Lebensdauer Ihrer Kristallmembran-ISE verkürzen.

Konditionierung der ISE

Konditionierungsschritte müssen sowohl vor der ersten Verwendung als auch zwischen den Messungen durchgeführt werden. Durch diesen Schritt wird die Messmembran aktiviert und ein stabiles Gleichgewicht des Messions in der Membran hergestellt. Auf diese Weise wird eine genaue Ionenmessung möglich. Als Konditionierungslösung wird eine Ionenstandardlösung mit einer Konzentration von c(ion) = 0,01 mol/L empfohlen.
 

Aufbewahrung der ISE

Eine Übersicht über die korrekte Lagerung Ihrer ionenselektiven Elektrode finden Sie in Tabelle 6. Ausführlichere Informationen finden Sie im ISE-Handbuch.

Lebensdauer einer ISE

Die Lebensdauer einer ionenselektiven Elektrode hängt von mehreren Einflussparametern ab, darunter der Membrantyp, die Probenmatrix und die Wartung der Elektrode. Vergessen Sie nicht, den Elektrolyt Ihrer kombinierten ISE oder - im Falle einer separaten ISE - Ihrer Referenzelektrode regelmäßig auszutauschen. Berühren Sie außerdem die Membran nie mit bloßen Fingern.

Generell lässt sich Folgendes sagen:

• Polymermembranelektroden: Begrenzte Lebensdauer von etwa einem halben Jahr, da die Membran altert, was zu einem Leistungsverlust führt.
• Kristallmembranelektroden: Lebensdauer von mehreren Jahren – die Membran kann durch Polieren mit einem geeigneten Poliermittel regeneriert werden. Weitere Einzelheiten finden Sie im Video unten.

Zusammenfassung

• Wenn Sie sich für eine Ionenmessung mit einer ionenselektiven Elektrode entscheiden, müssen Sie im Vorfeld den Messbereich und eventuell vorhandene Störionen berücksichtigen.
• Neben dem Membrantyp und der Probenmatrix haben auch die Reinigung, Lagerung und Konditionierung Einfluss auf die Lebensdauer Ihrer ionenselektiven Elektrode.

Sind Sie neugierig auf weitere Informationen zur direkten Messung und Standardaddition? Lesen Sie Teil 2 (in Kürze!), in dem wir die verschiedenen Bestimmungsmethoden besprechen werden.