Полярографический метод аналізу, запропонований його основоположником Я. Гейровского в 1922 р, відноситься до електрохімічним методам аналізу. Сутність його полягає в отриманні залежності сили струму від напруги при електролізі речовини. Метод застосуємо для дослідження речовин (іонів), здатних до електрохімічного окислення або відновлення. Полярографический метод аналізу відрізняється досить високою чутливістю. Нижня межа визначуваних концентрацій становить 10-5? 10-6 моль / л, а найбільш досконалими Полярографи можливе визначення до 10-8? 10-9 лголь / л.
Звичайна похибка визначень становить 1? 5 відсотків [4].
З переваг полярографічного методу аналізу слід зазначити: 1) можливість одночасного визначення ряду речовин або іонів- 2) можливість проведення повторних визначень, використовуючи одну і ту ж пробу- 3) можливість одночасного визначення кількісного та якісного складу аналізованого розчину.
У біології та медицині полярографія знаходить застосування для визначення вмісту вітамінів, гормонів, ензимів, амінокислот, вуглеводнів, багатьох катіонів та аніонів, для діагностики злоякісних пухлин, для вивчення клітинного (тканинного) дихання і стану енергетичної системи досліджуваного препарату - метаболічного стану [50, 63 ], а також для вивчення і визначення біологічно активних сполук, більшість яких здатне до електровідновлення на ртутно-крапельному електроді. Полярографический метод виявився корисним у фармакології при вивченні концентрації лікарських препаратів та їх метаболітів в живому організмі.
Класична полярографія пов'язана з використанням ртутного електрода, що завоював міцне місце в аналітичній практиці. Однак у біологічному експерименті знайшли застосування також тверді електроди, які для вивчення біологічного окислення виявилися більш придатними насамперед через низьку анодної поляризації ртутного електрода.
Не можна сказати, що полярографический аналіз відрізняється простотою, особливо в початковій стадії. Освоєння методу та апаратури передбачає знайомство не тільки з біологічної стороною процесу, але і з основними закономірностями деяких розділів електрохімії. Теорія і практика полярографічного методу детально висвітлені в монографіях [11, 25, 50, 63], а також в описах, прикладених до приладів.
В основі класичного полярографічного методу лежить явище граничного дифузійного струму, який в певних умовах пропорційний концентрації аналізованого речовини. Величину граничного струму знаходять на полярограмма, що показує залежність сили струму від прикладеної напруги. На рис. 97 зображена полярограмма і основні її характеристики.
Рис. 97. Типова полярограмма, отримана з ртутним крапельним електродом (схематично).
Ділянка а-б-полярографическая хвиля- ділянку в-з - майданчик дифузійного струму-h - висота полярографической хвилі-? ? - Потенціал полуволни- i - граничний дифузійний ток- I - сила струму-Е - прикладена напруга.
Теоретично і експериментально доведено, що потенціал напівхвилі не залежить від концентрації даної речовини в розчині, він характерний для кожної речовини і визначається його хімічною природою. Саме через це обставини на визначенні потенціалу напівхвилі заснований якісний полярографический аналіз речовин. Потенціали півхвиль для різних речовин (іонів) наводяться в спеціальних інструкціях і хімічних довідниках. Треба, однак, врахувати, що потенціал напівхвилі істотно залежить від фону розчину - середовища, в якому речовина знаходиться при визначенні. Тому в довідкових таблицях приводяться значення потенціалу напівхвилі для цілком певних середовищ і ці значення справедливі тільки для цих умов. Потенціали півхвиль дані, як правило, відносно насиченого каломельного електрода. Додається при полярографическую аналізі напруга охоплює область анодного окислення і катодного відновлення, приблизно, від +1,3 до -1,6, -2 В. Однак ртуть, яка добре працює в катодній області, при високих анодних потенціалах, застосовуваних, наприклад, для вивчення біологічного окислення, не може бути використана внаслідок її анодного розчинення вже при +0,3 В. Використання твердих електродів розширює сферу застосування полярографічного методу. Застосування твердих електродів пов'язано з освоєнням деяких особливих прийомів роботи. Тверді електроди (з платини, родію, золота, графіту) вимагають спеціальної їх підготовки. Наприклад, один із способів створення умов відновлення поверхні полягає в доданні електроду швидкого обертання з постійною швидкістю.
Рис. 98. Схема полярографической установки.
Пояснення в тексті.
На рис. 98 представлена схема полярографической установки. У полярографическую осередок 3 занурені крапельний ртутний мікроелектрод 1 і відведення насиченого каломельного електрода порівняння 2. Харчування подається від акумуляторної батареї 4, напруга якої докладено до кінців реохорда 5. Реостат 6 служить для регулювання подається на реохорд струму, контроль напруги проводиться за вольтметри 7. Новоутворена в результаті електрохімічного процесу сила струму вимірюється гальванометром 8, чутливість якого може регулюватися шунтом 9. Ртуть в капіляр мікроелектрода 1 надходить з посудини 10.
Ця схема є принциповою схемою класичного полярографа, за допомогою якого можна знімати поляризаційні криві - полярограми.
Як видно зі схеми, напруга джерела постійного струму 4 надходить на електрод порівняння (плюс) і через грушу зі ртуттю на ртутний мікроелектрод (мінус). У сталому режимі ртуть надходить в капіляр через сполучну трубку і продавлюється силою власної ваги. Поляризується електродом є ртутний крапельний електрод. Електрохімічний процес відбувається протягом часу, поки утворюється крапля ще висить на кінчику капіляра. З відривом краплі процес відновлюється на новій краплині. Ця обставина є причиною осциляції сили струму, а записані автоматично криві мають пилоподібний характер.
Полярографи, зібрані за класичною схемою і характеризуються використанням постійного струму, за сьогоднішніми уявленнями є нескладними. Такі полярографи з візуальним відліком або з механічним зміною напруги на осередку і фотозапису ще й сьогодні з успіхом використовуються в лабораторіях. Насамперед вони дозволяють вивчити полярографический метод і оцінити його перевага.
В останні роки набули великого поширення полярографи з автоматичною реєстрацією на діаграмної папері. На зміну фотозапису, що вимагає потім прояви й закріплення і представляє певні незручності, прийшла запис пером самописця. Переваги такого запису очевидні. Електрохімічний процес можна простежити безпосередньо під час його проходження.
До теперішнього часу техніка полярографічного аналізу значно вдосконалена, в ній використовуються останні досягнення електроніки, які дозволили підвищити чутливість визначення на 2-3 порядки (до 10 ~ 8-Ю-9 моль / л), чому сприяло також поява нових різновидів методу. Це висунуло полярографический метод в ряд вельми високочутливих фізико-хімічних методів аналізу.
При вивченні процесу поляризації виявилася можливість збільшити у багато разів швидкість поляризації мікроелектрода за умови різкого зростання поляризующего напруги. Застосування осцилографа дозволило проводити реєстрацію цих швидких характеристик вольтамперних змін. Полярографи, оснащені осциллографом, називаються осцилографічних Полярографи. На такому Полярографи зняття підпрограми відбувається з однією сформувалася краплі ртуті [4].
Осцилографічна полярограмма утворюється швидко, що дозволяє протягом хвилин проаналізувати серію проб. Типова полярограмма показана на рис. 99. Форма полярограми змінилася, проте основні характеристики можуть бути відрахувати.
Рис. 99. Осцилографічна полярограмма. Пояснення в тексті.
Потенціал максимуму 1 визначає природу речовини, його якісну характерістіку- висота хвилі в максимумі 2 пропорційна концентрації речовини.
З апаратури для полярографічного аналізу в даний час застосовуються: візуальні полярографи, полярографи з фотографічною записом, чернілопішущіе полярографи, осциллографические, полярографи змінного струму, високочастотні, імпульсні.
Принцип універсальності в полярографическую приладобудуванні є основним. Такі прилади допускають багатоцільове їх використання в різних режимах, залежно від виду дослідження. Це розширює можливості приладу, дозволяючи його використання як у дослідницькій, так і в звичайній аналітичній роботі.