Полярографический метод, предложенный в 1922 г. чешским ученым Ярославом Гейровским, является одним из наиболее эффективных методов анализа большинства органических и многих неорганических веществ. Этот метод находит широкое применение в биологических исследованиях, т. к. характеризуется целым комплексом достоинств, включая высокую чувствительность, быстроту, специфичность, относительную простоту и легкость автоматизации анализа. С помощью полярографического метода определяются микроэлементы в биологических объектах, анализируются белки, нуклеиновые кислоты, витамины, пигменты, исследуются процессы газообмена (О₂, Н₂ и т. д.). Особенно широко применяется полярография для измерения напряжения кислорода в различных тканях: в мозге, в нервной ткани, в крови, в сердце, в спинномозговой жидкости, в жидкости камеры глаза, в коже, в мышцах, в кости и в костном мозге.

Теоретические основы полярографического метода (пм)

Полярографией (ПЛГ) называется анализ веществ, основанный на изучении зависимости силы тока между электродами, опущенными в раствор этих веществ, от величины приложенного напряжения. Система из индикаторного электрода и электрода сравнения, контактирующих через раствор электролита, образует полярографическую ячейку. График зависимости силы тока в ячейке от напряжения U (вольт-амперная кривая) называется полярограммой или полярографической волной (рис. 1).

Для понимания сути ПЛГ-метода необходимо рассмотреть процессы, происходящие на электродах в отсутствие внешнего напряжения (разомкнутая цепь). В общем случае между ионами на поверхности электрода (собственными ионами кристаллической решетки данного металла или ионами адсорбированного неметалла) и гидратированными ионами или нейтральными молекулами в растворе существует разность уровней энергии, которая является движущей силой обмена электронами , т.е. электрохимической реакции между двумя фазами (поверхность электрода - раствор). Этот окислительно-восстановительный процесс перехода частиц из одной фазы в другую уравновешивается электростатическим полем, возникающим в результате перераспределения зарядов. Вследствие этого на электроде устанавливается динамическое равновесие, при котором скорость реакции электровосстановления (катодная составляющая тока через электрод) равна скорости реакции электроокисления (анодная составляющая).

Статической характеристикой системы электрод - раствор является равновесный потенциал (), который выражается уравнением Нернста:

 = ₀ + ln ,

где ₀ - стандартный электродный потенциал данной системы (соответствует случаю _ox = _red),

F - число Фарадея,

R - универсальная газовая составляющая,

Т - абсолютная температура.

Динамическая характеристика системы электрод - раствор в равновесных условиях - плотность тока обмена (i₀), которая равна абсолютной величине катодной и анодной составляющих потоков зарядов в электрохимической реакции на электроде i₀ = i₊ = /i_-/ .

Вопрос о влиянии внешнего напряжения на систему из двух электродов в растворе рассмотрим исходя из условия полярографии, чтобы индикаторный электрод был поляризуем, а электрод сравнения - неполяризуем. Электрод, на котором происходит окисление, называется анодом, а тот, на котором восстановление - катодом. Если заряды, сообщаемые электроду от внешнего источника ЭДС, не могут расходоваться на протекание электрохимической реакции, то они будут изменять потенциал электрода. Этот сдвиг потенциала электрода от равновесного значения называется поляризацией. Иными словами, ток через раствор электролита практически не идет до тех пор, пока не будет приложено напряжение, достаточное для выделения продуктов электролиза. Из сказанного выше следует, что поляризуемыми являются электроды с малыми токами обмена (например, электроды из платины и других благородных металлов, которые не посылают в раствор своих ионов). С другой стороны, в качестве электродов сравнения обычно используются неполяризуемые электроды с большими токами обмена (каломельный, хлорсеребряный). Если ток через ячейку за счет внешней ЭДС не превышает по величине ток обмена электрода сравнения, то потенциал его практически не отклоняется от равновесного. Эффективным способом уменьшения поляризации электрода сравнения является относительное увеличение его поверхности по сравнению с индикаторным.

Для снижения сопротивления раствора в него добавляют фоновый электролит, например, KСl, который не участвует в электродных реакциях на индикаторном электроде.

При проведении полярографического анализа обычно поступают следующим образом. В испытуемый раствор опускают электроды, соединенные с источником постоянного тока, и затем постепенно повышают напряжение, наблюдая за изменением силы тока (i) в зависимости от приложенного напряжения (U). Эта зависимость имеет неравномерный характер и выражается кривой с перегибами - волнами. По расположению и высоте этих волн можно судить о составе и концентрации электролита, т. е. провести качественный и количественный анализ. Полярограмма состоит из трех основных характерных участков: остаточного тока (участок “а”), волны (участок “б”) и предельного тока (участок “в”) (рис. 1. А). Следует отметить, что величина тока, соответствующая высоте волны, тоже называется предельным током i_d. Участок “а” полярограммы соответствует величине энергии активации данной электрохимической реакции. При дальнейшем сдвиге потенциала электрода начинается электрохимическая реакция восстановления (участок “б”), вследствие чего уменьшается концентрация вещества вблизи электрода. Когда концентрация вещества у поверхности электрода достигает 0, сила тока принимает постоянное значение (участок “в”).

Основа количественного анализа в полярографии - пропорциональная зависимость между предельным током диффузии для определенного вещества и концентрацией этого вещества в растворе.

Используя уравнение Нернста, первый закон Фика и второй закон Фарадея, можно получить уравнение полярографической волны:

_к = _1/2 + ln ,

где _1/2 - потенциал полуволны - напряжение, соответствующее средней точке волны полярограммы; _к = _1/2 при i= i_d/2. Потенциал полуволны не зависит от концентрации вещества и практически совпадает со стандартным _о , который является специфической характеристикой данного вещества, таким образом, _1/2 - основа качественного анализа в полярографии. Потенциалы полуволн различных элементов образуют так называемый полярографический спектр и их значения приведены в специальных таблицах. Сравнивая потенциалы полуволн, полученные при исследовании неизвестного раствора, можно, в принципе, установить химический состав исследуемого раствора. Если в таком растворе содержатся ионы нескольких видов, то каждый вид ионов дает свою волну, которая качественно и количественно определяет соответствующее вещество. Пример полярографического анализа многокомпонентной системы показан на рис. 1, Б.

Для исследования процессов, связанных с изменением концентрации определяемого вещества во времени, используют разновидность количественного полярографического анализа - амперометрию - метод, основанный на измерении тока, текущего через ячейку, при фиксированном потенциале индикаторного электрода (_инд = const) с соответствующей середине плато вольт-амперной кривой данной электродной реакции.

Чувствительность и разрешающая способность полярографического анализа существенно повышаются при наложении переменного поляризующего напряжения. Это направление полярографии получило название переменнотоковой полярографии. Применение переменного тока оказывается удобным и для исследования электродных процессов.

В переменнотоковой полярографии к электролитической ячейке кроме постоянного (линейно изменяющегося) напряжения подводится переменное напряжение небольшой амплитуды. В качестве сигнала, содержащего полезную информацию, выделяется только переменная составляющая электролитического тока, обусловленная реакцией восстановления (окисления).

Активная составляющая этого тока используется для качественного и количественного анализа. Емкостная составляющая используется, в основном, для изучения электродных процессов, в этом случае применяется переменное синусоидальное напряжение.

График зависимости величины переменного тока, проходящего через ячейку, от величины потенциала рабочего электрода называется переменнотоковой полярограммой. При наличии в растворе восстановившегося (окисляющегося) вещества на переменнотоковой полярограмме получается явно выраженный максимум (пик), высота которого пропорциональна концентрации исследуемого вещества в растворе, а положение максимума (пик) характеризует природу анализируемого вещества. Потенциал пика на переменнотоковой полярограмме для обратимых процессов совпадает с потенциалом полуволны классической полярограммы. Если исследуемый раствор содержит несколько компонентов, то на переменнотоковой полярограмме будет соответственно несколько пиков, каждый из которых качественно и количественно определяет свой компонент.

Чувствительность полярографических методов анализа в зависимости от вида составляет 10^-6- 10^-9 моль/л.