Alai

Sovellukset

Tässä osiossa ei käsitellä juoma- ja kivennäisvesiin liittyviä sovelluksia, koska ne eivät yleensä aiheuta erityisiä ongelmia, ja tällaisia näytteitä voidaan käsitellä samalla tavalla kuin malliliuoksia.

Natrium-, kalium-, kalsium-, ammonium-, fluoridi-, kloridi- ja nitraattimääritykset sekä pH:n mittaaminen kuuluvat ISE:n sovelluksiin elintarvikkeiden analysoinnissa. Natriumin ja kaliumin määritykset ovat kaksi määritystä, jotka on helpointa suorittaa ISE:n avulla.

Natrium esiintyy yleensä ionisoituneessa muodossa ja sen vuoksi mitattavissa liuoksissa vapaana hydratoituneena ionina, usein suurina pitoisuuksina. Näissä olosuhteissa analyytin lisäysmenetelmä on suositeltavin. Esimerkiksi määrä analysoitavaa näytettä, joka sisältää 2-200 mg natriumia, liuotetaan tai liuotetaan 100 ml:aan tislattua vettä. Elektrodit asetetaan mitattuun tilavuuteen (10-50 ml) taustaliuosta, jonka pH on 10,2 ja joka sisältää tunnetun pitoisuuden 0,1-10 mmol l-1 natriumkloridia ja 0,5 mol l-1 trietanoliamiinia. Kun potentiaali on vakiintunut, lisätään pieni määrä (0,1-1,0 ml) näytettä. Olosuhteet soveltuvat mittauksiin, kun potentiaalin muutos näytteen lisäämisen jälkeen on välillä 6-20 mV. Näyteliuoksen natriumpitoisuus lasketaan potentiaalin noususta ja natriumelektrodin kalibrointikäyrän kaltevuudesta. Alhaisilla natriumpitoisuuksilla tulokset voivat olla virheellisiä natriumin väistämättömän kontaminaation vuoksi.

Kun natrium- ja kaliumpitoisuudet ovat alhaisemmat, suositaan moninkertaista tunnettua lisäysmenetelmää. Esimerkkinä voidaan mainita natriumin ja kaliumin määrittäminen viinistä. Etanolin läsnäolo 10 %:n tasolla voi vaikuttaa liuotinpolymeerikalvoelektrodin suorituskykyyn ja muuttaa jossain määrin jokaisen elektrodityypin selektiivisyyttä. Siksi suositellaan viininäytteiden kymmenkertaista laimentamista tai vastaavan alkoholimäärän lisäämistä standardeihin. Näytteet voidaan laimentaa trietanoliamiiniliuoksella, joka puskuroi pH:n asianmukaisesti. Viininäyte voidaan myös sekoittaa ionivahvuuden säätöliuokseen. Standardiliuosta lisätään useita kertoja ja tulokset lasketaan Granin menetelmää käyttäen. Kaliumin määrityksessä tulokset voivat vääristyä vakavasti, jos kaliumionien diffuusiota referenssielektrodista ei estetä litiumasetaattia sisältävällä kaksoisliitäntäsillalla.

Kalsiumin määritys perustuu tavallisesti kokonaiskalsiumpitoisuuteen, sillä vapaan ja sidotun kalsiumin erottaminen toisistaan on mahdollista vain silloin, kun alkuperäinen nestemäinen näyte mitataan suoraan eikä sitä ole muutettu pH:n säätämisellä. Optimaalinen pH-alue on yleensä välillä 5-9. Kalsium määritetään usein maidosta ja maitotuotteista. Yleensä näytteeseen lisätään 4 mol l-1 :n KCl-liuos ionivahvuuden säätöliuokseksi. Potentiaalilukemia verrataan kalibrointikäyrään. Kokonaiskalsiumpitoisuuden määrittämiseksi näyte tuhkataan ja jäännös liuotetaan pieneen määrään laimeaa suolahappoa ja johdetaan ioninvaihtokolonnin läpi pyrofosfaattien ja hydratoituneiden silikaattien poistamiseksi. Tämän jälkeen saatu liuos laimennetaan siten, että kalsiumpitoisuus on optimaalisella pitoisuusalueella, ja pH-arvo ja ionivahvuus säädetään. Potentiaali mitataan ja sitä verrataan kalibrointikäyrään. Vaihtoehtoisesti molempiin määrityksiin voidaan käyttää vakiolisäysmenetelmää.

Fluoridi on tärkeää hampaiden terveydelle, mutta liiallisina määrinä sen tiedetään olevan myrkyllistä. Ainoa fluoridielektrodia häiritsevä ioni on hydroksidi-ioni. Fluoridi-ionin määritystä ei häiritse useimpien liitännäisionien läsnäolo, lukuun ottamatta niitä, jotka monimutkaistavat fluoridi-ioneja, kuten alumiini tai rauta. Tällaisten häiriöiden poistamiseksi ionivahvuuden säätöliuos sisältää yleensä etikkahappopuskuria, jonka pH on ∼4,5, ja ligandia, kuten polyaminopolyasetaattia tai sitraattia, jonka pitäisi kompleksoida häiritsevät metalli-ionit. Koska fluoridipitoisuus elintarvikkeissa on yleensä alhainen, ainoa ongelma on näytteen valmistaminen siten, että lopullisen liuoksen pitoisuus vastaa optimaalista määritysaluetta. Kokonaisfluoridipitoisuus mitataan näytteen pilkkomisen jälkeen. Tähän voi sisältyä tuhkausta, sulatusta, happikolvipolttoa ja kuumahappomädätystä. Parhaimmissa menetelmissä käytetään suljettuja järjestelmiä, joissa näyte hajotetaan väkevällä typpihapolla 100-120 °C:ssa. Näissä olosuhteissa vältytään fluoridin häviämiseltä näytteestä. Parhaimmissa menetelmissä fluoridin määrityksessä käytetään moninkertaista standardilisäysmenetelmää. Analysoitaessa jauhoja tai maitoa näytteiden käsittely perkloorihapolla mahdollistaa fluoridin määrittämisen alle 0,4 μg/g. Vapaan fluoridin pitoisuus voidaan määrittää minimaalisella näytteenkäsittelyllä ja -käsittelyllä nestemäisestä näytteestä, esim. viinistä.

Elintarvikkeiden kloridipitoisuus voidaan määrittää titraamalla hopeanitraatilla käyttäen indikaattorina joko kloridi-ISE:tä (kiteistä tai positiivisesti varautunutta paikan kalvoa) tai hopeaelektrodia. Suora määritys ISE:llä on kätevä alhaisille kloridipitoisuuksille; bromidin tai jodidin läsnäolo vaikuttaa kuitenkin molempiin menetelmiin, kun niiden pitoisuudet ovat huomattavasti suuremmat kuin kloridin pitoisuudet. Runsaasti proteiineja sisältävissä näytteissä havaitaan usein epäsäännöllisyyksiä elektrodin toiminnassa. Bromidin ja jodidin sekä proteiiniadsorption aiheuttamat häiriöt voidaan välttää keittämällä sekoitettu ja sekoitettu näyte 0,1 mol l-1 typpihapolla. Monimutkaisten elintarvikematriisien osalta on käytetty mikrodiffuusiokennotekniikkaa näytteen yksinkertaistamiseksi. Elintarvikenäyte mädätetään kylmällä väkevällä rikkihapolla, ja diffuusioprosessin annetaan jatkua ∼24 h. Näin kloridi muuttuu suolahapoksi, joka kulkeutuu diffuusiokennossa vastaanottavaan reagenssiin. Tämän jälkeen kloridipitoisuus määritetään suoraan vastaanottavassa reagenssissa vertaamalla kloridin ISE-potentiaalia kalibrointikäyrään.

Nitraatin määritys on periaatteessa yksinkertaista, mutta interferenssejä on useita, joista tärkeimmät ovat kloridit ja vetykarbonaatit. Ne voidaan poistaa lisäämällä ionivahvuuden säätöliuosta, joka koostuu 0,01 mol l-1 hopeasulfaatista, 0,06 mol l-1 kaliumsulfaatista ja rikkihaposta liuoksen happamoittamiseksi alle 4 pH-arvoon. Määrittäminen perunoissa edellyttää ainoastaan näytteen sekoittamista ja uuttamista tislatulla vedellä sekä ionivahvuuden säätöliuoksen lisäämistä. Jonkin verran häiriöitä voi esiintyä, jos kloridin ulosvirtausta referenssielektrodista ei estetä.

Melko harvinainen esimerkki, joka osoittaa spesifikaatioanalyysin mahdollisuuden, on ionisen kuparin määrittäminen kupariselektiivisellä elektrodilla ionisen kuparin määritysalueella 20-90 μg l-1 viininäytteestä, kun kokonaiskuparipitoisuus on välillä 0,10-1 mg l-1 . Näytettä muutetaan hyvin vähän lisäämällä siihen 10 tilavuusprosenttia 1 mol l-1 KNO3:a, kuten standardiliuoksille tulisi tehdä.

ISE:tä on käytetty elintarvikkeiden lisäaineiden, kuten sakariinin ja syklamaatin, määrittämiseen. Käytetty anturi perustuu poly(vinyylikloridi)kalvoon, joka sisältää analyytin suolan sopivassa ionimuodossa positiivisesti varautuneena kohtana esim. ammonium- tai emäksisen väriainekationin kanssa. Tällaisia antureita ei ole kaupallisesti saatavilla, mutta ne voidaan valmistaa helposti laboratoriossa.

Ensyymielektrodit, joissa on immobilisoitu entsyymi tai entsyymiä sisältävä mikrobiviljelmä, toimivat katalyyttisen aktiivisuuden perusteella, minkä jälkeen entsymaattisen reaktion tuote havaitaan. Reaktiosta riippuen tuloksena on esim. ammoniakin kaltainen tuote tai väliaineen pH:n muutos, joka aistitaan vastaavalla anturielementillä.

Vihannesten torjunta-ainejäämien (propoksuri, paraoksoni) määritykseen käytettävät anturit ovat entsymaattisia monikalvolaitteita, joiden toiminta perustuu entsyymin, kuten asetyylikoliiniesteraasin, aktiivisuuden estämisen periaatteeseen. Tätä reaktiota seurataan pH-anturilla. Tällaisten biosensoreiden reagointi rikkakasvi- ja torjunta-aineisiin avaa uuden alueen testimahdollisuuksille elintarvikeanalytiikassa.

Toinen esimerkki elintarvikeanalytiikassa on kiinteiden kupari- ja hopeaelektrodien käyttö lihan tuoreuden arvioinnissa. Tämä johtuu putressiinin ja dimetyylisulfidin muutoksesta, joiden pitoisuudet muuttuvat lihan mädäntymisen aikana. Tällaiset sovellukset osoittavat ISE-elektrodien monipuoliset käyttömahdollisuudet elintarvikkeiden valvonnassa ja analysoinnissa.