اشتباهات رایج در نگهداری الکترود pH
- یکی از روش‌های نادرست، خشک نگه داشتن الکترودها است. اگر الکترودها را به مدت طولانی خشک نگه داریم آنها آسیب پذیر شده و واکنش مناسبی در آزمایشات نشان نخواهند داد. در این مواقع معمولا الکترودها کاملا خشک و بی اثر می‌شوند. می‌دانیم که شیشه حسگر الکترود از سه لایه مجزا تشکیل شده است. جنس لایه بیرونی آن از ژل مرطوب، لایه میانی آن خشک و داخلی‌ترین لایه آن هم مرطوب است. در واقع اندازه‌گیری میزان تغییرات PH توسط لایه‌های مرطوب PH سنج انجام می‌شود.بنابراین اگر الکترودها خشک نگه داشته شوند میزان حساسیت آنها به تغییرات محیط تحت آزمایش کاهش می‌یابد. در این صورت مقادیر نشان داده شده توسط PH متر غالبا نوسان داشته، مدت زمان واکنش الکترود طولانی‌تر می‌شود و مقادیر اندازه‌گیری شده غیر واقعی و نادرست خواهند بود. خوشبختانه در بسیاری از موارد می‌توان الکترود خشک شده را به حالت عادی برگرداند. در این صورت لازم است که قسمت حبابی و نوک آن را به مدت یک ساعت در محلول مخصوص نگهداری الکترود گذاشته و سپس اندازه‌گیری نمایید.
- دومین اشتباه در نگهداری الکترود PH در روش تمیز کردن الکترودها است. اکثر افراد می‌خواهند الکترودها برای استفاده بعدی تمیز نگه داشته باشند، پس آنها را با دستمال کاغذی خشک کرده و کنار می‌گذارند. اشتباه در همین جا است. هر گاه الکترودها کمی به محلول بافر آغشته باشند صدمه کمتری خواهند دید تا این که آنها را تمیز و خشک کنید. برای درک بهتر آن اول باید بدانیم الکترودها چگونه کار می‌کنند؟ هرگاه دستگاه PH سنج را در هر محلولی فرو ببریم، دستگاه بر اساس میزان اسیدیته محلول ولتاژی را تولید می‌کند که در واقع همان پتانسیل الکتریکی دریافتی از محلول است که توسط الکترود نمایش داده می‌شود.وقتی که الکترودها خشک و تمیز می‌شوند در اثر تماس دستمال در الکترودها الکتریسیته ساکن ایجاد می‌شود که در ولتاژی که الکترود می‌فرستد تداخل کرده و دستگاه مقدار ولتاژ نادرست را نشان می‌دهد. از آن‌جایی که لایه حسگر مرطوب سطح شیشه الکترود خشک شده، بنابراین ولتاژ ثبت و نمایش داده شده غیر قابل اعتماد می‌شود. پس به جای اینکه این لایه حسگر الکترود را با دستمال تمیز کنید آنها را با فرو بردن در یک محلول غیر یونی و یا آب مقطر تمیز نمایید. در مواقع بسیار ضروری هم اگر مایل به تمیز کردن الکترودها با دستمال هستید می‌توانید از دستمالی استفاده کنید که پرز نداشته باشد و هرگز الکترود را با مالش دستمال خشک نکنید.
- نگهداری الکترود در محلول‌های خنثی مانند آب مقطر، محلول غیر یونی و یا اسمز معکوس اشتباه دیگر اکثر کاربران پ هاش متر است. گاهی کاربران به جای محلول‌های مناسب مرسوم که در دسترس ندارند، مجبور به نگهداری آنها در محیط مرطوب می شوند. غافل از آن که استفاده این گونه محلول‌ها صدمات بیشتری را به الکترودها وارد می‌سازد. محلول‌های غیر یونی فاقد یون هستند، از طرف دیگر الکترودها هم در محلول پرشونده و هم در سطح لایه مرطوب حسگر خود پر از یون می‌باشند.پس وقتی که مکررا الکترودها را در محلول غیر یونی فرو ببریم الکترودها برای ایجاد تعادل، یون‌های خود را به محلول فرستاده و خود با کمبود یون مواجه شده و قابل استفاده نخواهند بود و شیشه الکترودها نیز به تدریج کارآیی خود را از دست داده و عمر مفید آنها کاهش می‌یابد. اگر تا به حال الکترودها را در محلول‌های مشابه نگهداری می‌کردید، آنها را بلافاصله از آن محلول‌ها خارج کنید. اگر الکترودها قابل پر شدن هستند آنها را با محلول مناسب تازه پر کنید و آنها را در محلول نگهدارنده مناسب فرو برده و مجددا آن را کالیبره کنید. همیشه سعی کنید الکترودها را در محلول نگهدارنده مناسب نگه داری کنید و اگر به این محلول‌ها دسترسی نداشتید به جای آنها از محلول بافر با PH مناسب یعنی ۴ تا ۷ استفاده نمایید.
- تمیزنکردن الکترودها یک اشتباه دیگر در نگهداری الکترود PH است. با در نظر داشتن زمینه‌های متنوع کاربرد این دستگاه باید به محلول تمیز کننده متناسب با هر یک از این کاربردها نیز دسترسی داشت. به یاد داشته باشید که تمیز کردن الکترودها به اندازه کالیبراسیون در دقت مقادیر اندازه‌گیری شده PH موثر است. دلیل آن این است که در طی روند آزمایش در محیط‌های مختلف رسوباتی که بر روی الکترودها تشکیل می‌شوند به تدریج پوششی بر روی سطح شیشه حسگر الکترود تشکیل می‌دهند. رسوبات غذایی و چربی‌ها نمونه‌های رایج آن هستند.بنابراین آنچه در دفعات بعد تحت آزمایش قرار می‌گیرد دیگر محیط خالص جدید نیست بلکه ترکیبی از همان رسوبات و محیط آزمایش جدید است. در نتیجه مقادیر اندازه‌گیری شده غیر واقعی و زمان اندازه‌گیری آن نیز کند است. در این مواقع، ممکن است حتی به مقادیر به ظاهر ثابتی هم برسیم اما در واقع آنها مقادیر انحراف از آن مقدار واقعی است که نشان داده شده است. گاهی امکان دارد الکترودها تمیز به نظر برسند ولی کمترین و یا نازک‌ترین لایه روغن و یا هر رسوب دیگری که بر روی آنها تشکیل شده باشد، بر دقت اندازه‌گیری تاثیر می‌گذارد. بنابراین بهترین راه این است که از محلول‌های تمیز کننده فرموله شده مخصوص استفاده شود و یا بهتر از آن این است که همیشه محلول تمیز کننده هر محیط تحت آزمایش را در اختیار داشته باشیم. به عنوان مثال می‌توان گفت که محلول خاصی برای بر طرف کردن لکه یا رسوب چربی بر روی شیشه حسگر الکترود وجود دارد تا از آن برای تمیز کردن در این مواقع استفاده کرد. به این ترتیب شما می‌توانید مطمئن باشید که الکترود از بقایای محیط تحت آزمایش (در اینجا چربی) تمیز شده است.
- یکی دیگر از انواع اشتباه رایج در نگهداری الکترود pH که باعث نارضایتی کاربران و صرف نظر کردن از انجام کالیبراسیون شده است، خطاهای رایج در تعیین زمان کالیبراسیون، فاصله زمانی صحیح بین دو کالیبراسیون و بکارگیری محلول بافر مناسب است. خوشبختانه مشکلات فوق با تسلط بر چگونگی انجام صحیح کالیبراسیون برطرف می‌شود. در ابتدا به مبانی چگونگی اندازه‌گیری pH اشاره می‌کنیم. تمام دستگاه‌های pH متر بر اساس معادله نرنست کار می‌کنند. به این شکل که اختلاف پتانسیل الکتریکی بین ولتاژهای دو محیط یک خط راست را تشکیل می‌دهد که در pH : 7 این ولتاژ صفر و شیب خط آن ۵۹ و ولتاژ آن نقطه ۱۶ mV است. یعنی به ازاء هر درجه تغییر pH، خروجی الکترودها در تئوری به اندازه ۵۹ یا ۱۶ میلی ولت تغییر می‌کنند. البته تمام محاسبات نظری است و در عمل شیب و زمان شروع واکنش آنها با گذشت زمان تغییر می‌کنند. در حقیقت آنچه در واقعیت اتفاق می‌افتد این است که مقادیر نشان داده شده توسط الکترودها کمی متفاوت است (۵۸٫۲ میلی ولت شیب خط و ۸ میلی ولت شروع واکنش است) . البته کالیبراسیون با استفاده از بافرهای مناسب و آپدیت کردن الگوریتم‌های داخل دستگاه، شیب واقعی و شروع واکنش را تصحیح می‌کند. برای اطمینان از نتایج یک کالیبراسیون خوب همیشه در نظر داشته باشید که بافری را انتخاب کنید که تماما با محلول شما مناسب باشد.به خاطر داشته باشید که همیشه برای شروع از بافر ۷ در نقطه خنثی شروع کنید به این معنی که اگر pH محلول ۸٫۶ است از بافری با pH 7 یا ۱۰ استفاده نمایید. تکرار دفعات اندازه‌گیری هم به میزان دقت اندازه‌گیری مورد نظر شما دارد. اگر مایل به دقت بسیار بالا در اندازه‌گیری هستید می‌توانید هر روز کالیبراسیون را انجام دهید ولی اگر با درصد کمی از خطا کنار می‌آیید و سرتان هم شلوغ است، کالیبراسیون روزانه ضروری نیست.
- لازم است بدانیم که الکترودها کاملا یکسان ساخته نشده‌اند. حتی اگر بهترین تکنیک‌های اندازه‌گیری را هم بکار ببرید باز هم دقیق‌ترین مقادیر اندازه‌گیری شده را نخواهید داشت. چون در عمل بعضی از الکترودها برای کاربردهای مشخصی بهتر از کار در می‌آیند. هر گاه الکترود مناسب محیط را انتخاب نکنیم مقادیر کمتر واقعی و عمر مفید الکترودها کم می‌شوند. همیشه سعی کنید از الکترودهای pH استاندارد استفاده کنید. الکترودها معمولا از جنس شیشه با حباب‌های شیشه‌ای حسگر در انتهای هر یک ساخته شده‌اند. غالبا دارای اتصالات سرامیکی هستند که از همین محل مایع الکترولیت از الکترود مرجع جریان پیدا می‌کند. این نوع الکترود برای طیف وسیعی از آزمایشات کاربرد دارد ولی برای تمام محیط‌های نمونه واکنش ایده‌آل ندارد. مشکل زمانی بروز می‌کند که محلول تحت آزمایش جامد باشد یا ذرات جامد معلق در آن باشند مثل مواد غذایی، شراب و فاضلاب‌ها. محلول‌هایی مانند آب آشامیدنی هم که میزان یون پایینی دارند زمان واکنش مناسب و ثبات مقادیر اندازه‌گیری شده نخواهند داشت. برای اندازه‌گیری این نمونه‌ها بهتر است از الکترود ویژه آن استفاده کرد که دارای نوک مخروطی حسگر با اتصالات (بسط) باز است که امکان اندازه‌گیری مستقیم نمونه جامد و نیمه جامد را میسر ساخته و نیازی به ایجاد محلول ندارند. الکترودهایی که دارای اتصالات سرامیکی چندگانه هستند امکان انتشار سریع‌تر مایع الکترولیت به داخل نمونه را به خوبی ایجاد می‌کنند و نتایج با ثبات‌تری به ویژه با نمونه‌هایی که کمتر رسانا هستند به دست می‌دهند. به طور خلاصه می‌توان گفت که انتخاب الکترود متناسب با ساختار محیط نمونه‌ایی که تحت آزمایش قرار خواهد گرفت، بهترین نتایج را به بار می‌آورند
- درب یا سر الکترود را محکم نبندید، بگذارید کمی شل باشد. به ظاهر بستن درب الکترود در ساختار آن با اهمیت به نظر نمی‌رسد اما در الکترودهایی که قابلیت پر شدن مجدد را دارند بستن درب از خشک شدن محلول الکترولیت جلوگیری می‌کند. اما اگر آن را به اندازه همان روز اولی که الکترود را خریده‌اید محکم کنید با مشکل مواجه خواهید شد. بسیاری از الکترودهای مدرن طوری ساخته شده‌اند که الکترود مرجع و الکترود حسگر در یک الکترود جای داده شده‌اند. الکترولیت باید به آهستگی و بطور ثابت از الکترود مرجع وارد محلول نمونه شود. وقتی که درب الکترود محکم بسته شود، جریان الکترولیت از الکترود به محلول مختل می‌شود. مانند زمانی که شما ته یک نی را با انگشت ببندید و مانع جریان مایع از نی شوید. این امر باعث نوسانات مقادیر اندازه‌گیری شده و عدم ثبات آنها در زمان مشخص می‌شوند. راه‌حل آن ساده است، باید درب را شل کرده یا آن را بردارید.
- سطح پرشدگی الکترود یکی دیگر از مشکلات و فعالیت‌های اشتباه در نگهداری الکترود pH است که کاربران با آن برخورد می‌کنند. در صورت افت سطح الکترولیت در الکترود مرجع آن را با الکترولیت مجددا پر کرده و محلول را احیا نمایید. اگر هر از چند گاهی اقدام به تجدید محلول الکترولیت نکنید اندازه‌گیری‌های شما با مشکل مواجه خواهند شد. اگر سطح الکترولیت در الکترود مرجع به اندازه کافی نباشد، واکنش‌های آن بسیار آشفته خواهند بود. جریان صحیح الکترولیت از الکترود مرجع روند تکمیل اندازه‌گیری در سلول مربوطه را کامل خواهد کرد. در این حالت می‌توان ولتاژ ضعیف ایجاد شده را از الکترود گرفته و به مقادیر pH تبدیل کرد. همیشه سعی کنید از سطح الکترولیت و کارآیی مناسب آن مطمئن شوید. میزان مناسب الکترولیت در الکترود باید در اندازه‌ای باشد که فاصله سطح محلول تا درب آن در حدود ۱٫۵ سانتی‌متر باشد.
- مشکل بعدی فرو نبردن سطح مناسبی از الکترود در محلول نمونه است. عمدتا تصور بر این است که به محض تماس نوک الکترود با محلول نمونه مقدار نشان داده شده بر روی صفحه همان مقدار pH اندازه‌گیری شده است. واقعیت اما این است که برای عملکرد صحیح pH سنج، ناحیه حسگر در قسمت بسط الکترود مرجع باید کاملا در محلول نمونه قرار گرفته باشد. حالا به نحوه کارکرد الکترود مرجع و الکترود حسگر pHمتر بر می‌گردیم. نحوه کار به این صورت است که حسگر شیشه‌ای الکترود با محلول نمونه تعامل داشته و ولتاژی تولید می‌کند که با ولتاژ درون الکترود مرجع که در تمام محلول‌ها ثابت و یکسان است مقایسه می‌شود. حال اگر هر یک از این قسمت‌ها با محیط نمونه تحت آزمایش، تماس کامل نداشته باشند، روند اندازه‌گیری ناقص و مقادیر نشان داده شده پر از خطا هستند. این مشکل با افزایش سطح محیط نمونه تا حدی که محل بسط و شیشه حسگر به طور کامل در محیط مربوطه قرار بگیرند برطرف می‌شود. معمولا محل بسط (اتصال) الکترود مرجع در الکترودها بسته به شکل الکترود متفاوت است، حتما قبل از شروع آزمایش دفترچه راهنما را بخوانید تا از خصوصیات الکترود اطمینان حاصل نمایید.
- استفاده از الکترودهای مستعمل یا قدیمی اشتباه دیگری در نگهداری الکترود pH است. الکترودهای pH مانند هر وسیله دیگری نیاز به مراقبت و در صورت لزوم تعویض دارند. الکترودهای pH در طی زمان و در اثر استفاده مکرر کارآیی و دقت خود را از دست می‌دهند. حتی ممکن است دیگر در برابر تغییرات pH هم واکنش مناسب را نداشته باشند. عوامل و مقادیر مختلفی در کارکرد صحیح الکترود موثر هستند. به عنوان مثال، ولتاژ خوانده شده در محلول بافر با pH تقریبی ۷ و تغییرات ولتاژ در واحد pH که در زمان کالیبراسیون تعیین می‌شوند در عملکرد اندازه‌گیری درست نقش بسزایی دارند. در بسیاری از آزمایشگاه‌ها این مقادیر معین و در دسترس هستند. الکترودهایی که عملیات اندازه‌گیری را به خوبی انجام می‌دهند، شیب خط بین ۸۵ – ۱۰۵% مقدار مطلوب است. در این شرایط OFFSET بایستی در حدود ۳۰mV ± باشد.
مشکلات اندازه گیری pH
- محیط کم یون
محیط هایی که دارای غلظت یون چند میلی مول یا کمتر باشند، محیط های کم یون نامیده می‌شوند. چنین غلظت‌های کمی منجر به کاهش رسانایی می‌شوند. میزان مقاومت در محل اتصال محیط های رقیق افزایش یافته و این مقاومت گذار، تماس الکترولیت مرجع و محلول اندازه‌گیری را مختل می‌کند که این امر منجر به ایجاد پتانسیل انتشار می‌گردد. علاوه بر این هم زدن و تکان دادن محلول، سیگنال را تحت تاثیر قرار می‌دهد. با استفاده از اتصالات زمینی مدور که تماس بهینه الکترولیت مرجع و محلول اندازه‌گیری را فراهم می‌کنند می‌توان مشکلات ناشی از اندازه گیری pH را برطرف نمود.
- محلول‌های نیمه آبی یا غیرآبی
در محلول‌های غیرآبی (میزان آب کمتر از 5%) مقادیر pH فقط بصورت نسبی بدست می‌آید. محلول‌های نیمه آبی بطور کلی با کمبود یون مواجه‌اند. اگر در نمونه‌ای بیش از 5% آب موجود باشد، تعاریف کلاسیک اندازه‌گیری pH مورد استفاده قرار گرفته و pH مطلق بدست می‌آید. تفکیک فاز اغلب در محل تماس الکترولیت و محلول اندازه‌گیری انجام شده و سیگنال ناپایداری بوجود می‌آورد. علاوه براین در محل اتصال، خطر رسوب گذاری نیز وجود دارد. برای مثال رسوب گذاری زمانی رخ می‌دهد که از محلول‌های KCl بعنوان الکترولیت مرجع استفاده شود. برای به حداقل رساندن مشکلات مربوط به اندازه گیری های pH آزمایشگاهی، الکترولیت و محلول نمونه باید از نظر تحرک و میزان انحلال با یکدیگر مطابقت داشته باشند. این تطابق در نمونه‌های غیرآبی با استفاده از الکترولیت مرجع LiCl در اتانول یا LiCl در اسید استیک حاصل می‌گردد.
- محلول‌های غنی از پروتئینپروتئین‌ها در صورت تماس با الکترولیت مرجع KCl، با غلظت بالایی در محل اتصال رسوب می‌کنند. با استفاده از الکترولیت‌های ویژه می‌توان بر چنین مشکلی غلبه کرد. مشکلات اندازه گیری pH و در این خصوص اتصالات آلوده به پروتئین را می‌توان با فروبردن الکترود به مدت چند ساعت در محلول پپسین HCl پاکسازی کرد.
- محلول‌های حاوی سولفیدهنگام کار با سیستم مرجع Ag/AgCl الکترولیت مرجع همواره دارای محلول نقره می‌باشد. هنگامی که محلول نقره در محل اتصال با سولفید موجود در محلول تماس پیدا کند، سولفید نقره نامحلول ایجاد می‌شود. سولفید نقره محل اتصال را مسدود کرده و آن را به رنگ سیاه در می آورد. این واکنش منجر به ایجاد سیگنال های آهسته و ناپایدار می‌شود. بدلیل موانع یون نقره در سیستم مرجع از الکترولیت های بدون Ag/AgCl استفاده می‌شود. مشکلات اندازه گیری pH (در این مورد اتصالات آلوده به سولفید) را می‌توان با فرو بردن الکترود در محلول تیوره HCl تمیز کرد. این محلول، سولفید نقره را از بین می‌برد.
- محلول های حاوی هیدروفلوئوریک اسیدهیدروفلوئوریک اسید با تهاجم شیمیایی به غشاء شیشه ای، حتی در غلظت‌های پایین نیز از ایجاد لایه ژلی جلوگیری می‌کند. این امر منجر به بروز ناپایداری در مقادیر pH شده و طول عمر الکترودها را کاهش می‌دهد. تهاجم اسید هیدروفلوئوریک تنها در مقادیر پایین‌تر از pH 5 رخ می‌دهد.
اندازه گیری pH در غلظت‌های کل فلوراید از (pH 1; 20°C) 0.2 g/L تا (pH 3; 20°C) 1 g/L امکان‌پذیر است. برای انجام چنین اندازه گیری هایی الکترودهای اختصاصی در دسترس می‌باشند. در غلظت‌های بالاتر می‌بایست از الکترودهای آنتیموان (sb) و الکترود مرجع ویژه استفاده نمود.