Biologiczne układy redoks Cytochromy są białkami z układem żelazo-hem, w którym atom żelaza jest koordynowany przez atomy azotu z pierścienia porfirynowego. Związki te ulegają jednoelektrodowym reakcjom redoks, a ich fizjologiczną funkcją jest wspomaganie transportu elektronów. W łańcuchu oddechowym cytochromy są włączone w proces tworzenia wody z H+. Zredukowane nukleotydy pirydynowe dostarczają wodór do flawoprotein. Zredukowane flawoproteiny są ponownie utleniane przez Fe3+ z cytochromu b lub c. Rezultatem jest utworzenie H+ i transport elektronów. Łańcuch kończy się procesem, w którym oksydaza cytochromowa przekazuje elektrony do tlenu. Powstający jon O2- jest nietrwały, natychmiast przyłącza dwa jony H+ i tworzy H2O. Większość biologicznych układów redoks zależy od pH. Aby umożliwić porównanie ich siły utleniania lub redukcji, przyjęto standardowo, że ich potencjały podaje się dla pH 7,0. Potencjały te są czasem oznaczone jako E70’. Inne ważne układy redoks w biochemii to: NADH/NAD, flawiny, pirogronian/mleczan, szczawiooctan/jabłczan i chinon/hydrochinon.

Potencjometria Potencjometria jest metodą wykorzystującą zależność między aktywnością oznaczanego jonu w roztworze, a potencjałem elektrycznym elektrody. Praktycznie wyznacza się stężenie oznaczanego składnika na podstawie siły elektromotorycznej SEM ogniwa utworzonego z elektrody wskaźnikowej i porównawczej (dla roztworów rozcieńczonych).  Zależność tę opisuje najogólniej równanie Nernsta

Równanie Nernsta E 0 - normalny potencjał elektrody (aMn+= 1)  R - stała gazowa (8,31441 J K-1 mol-1)  T - temperatura bezwzględna (K)  F - stała Faraday’a (96486,7± 0,54 C mol-1)  n - liczba elektronów biorąca udział w reakcji  aMn+ - aktywność jonów metalu  aM0 = 1

Rodzaje elektrod Elektrody wskaźnikowe pierwszego rodzaju Elektrody wskaźnikowe drugiego rodzaju Elektrody wskaźnikowe trzeciego rodzaju Elektrody wskaźnikowe utleniająco-redukujące Elektrody porównawcze Elektrody wskaźnikowe jonoselektywne

Elektrody pierwszego rodzaju Właściwości: Odwracalne względem kationu Zbudowane z metalu (lub gazu) zanurzonego w roztworze własnych jonów Reakcja przebiegająca na elektrodzie Mo  Mn+ + n e- Ważną elektrodą pierwszego rodzaju jest elektroda wodorowa ½ H2(g)  H+ + e-

Elektrody drugiego rodzaju Właściwości: Odwracalne względem wspólnego anionu Składają się z metalu pokrytego trudno rozpuszczalną solą tego metalu, zanurzonego w roztworze zawierającym ten anion Reakcja zachodząca na elektrodzie: M0 + A-  MA + e- Ważne elektrody drugiego rodzaju: chlorosrebrowa, kalomelowa

Elektrody trzeciego rodzaju Właściwości Odwracalne względem wspólnego kationu Tworzą je metale otoczone cienką warstwą trudno rozpuszczalnej soli tego metalu oraz warstwą soli nieco lepiej rozpuszczalnej, zawierającej ten sam anion Reakcja elektrodowa zachodzi według równania: M0 + M(b)A  M(a)A + M+(b) + e- Przykład: Pb|PbC2O4||CaC2O4|Ca2+ Obecnie rzadko stosowane

Elektrody utleniająco-redukcyjne Budowa elektrod utleniająco-redukcyjnej Obojętny chemicznie metal (Pt,Au) zanurzony w roztworze zawierającym substancje w postaci zarówno utlenionej jak i zredukowanej Przykład: elektroda chinhydronowa

Elektrody porównawcze Cechy idealnej elektrody porównawczej: Stałość potencjału Odtwarzalność potencjału i brak histerezy temperaturowej Uniwersalność zastosowań i prostota obsługi Mały opór elektryczny Odtwarzalny i niski potencjał dyfuzyjny Mały wypływ elektrolitu elektrody do badanego roztworu Najczęściej elektrodami odniesienia są elektrody drugiego rodzaju: elektroda chlorosrebrowa i nasycona elektroda kalomelowa

Elektrody jonoselektywne Cechy membranowych elektrod jonoselektywnych (ISE): Elektrodowo czynną częścią elektrody jest membrana O różnicy potencjału na granicy faz membrana/roztwór decyduje reakcja wymiany jonowej między jonami z roztworu a jonami membrany.

Elektrody jonoselektywne Elektrody jonoselektywne można podzielić ze względu na stan skupienia fazy tworzącej membranę Elektrody szklane Elektrody ze stałymi membranami Elektrody z membranami ciekłymi Elektrody z podwójnymi membranami (czułe na gazy, enzymatyczne)

Właściwości elektrod jonoselektywnych Zakres prostoliniowości wskazań Nazywany zakresem odpowiedzi nernstowskiej elektrody Szeroki zakres prostoliniowości zapewnia dobre pomiary w bardzo dużym zakresie stężeń czułość Miarą czułości jest nachylenie krzywej kalibracyjnej S/z np. dla jonów jednowartościowych ok. 59mV Selektywność Miarą selektywności jest współczynnik selektywności K w równaniu Nikolskiego. Wartość liczbowa współczynnika oznacza ile razy silniej elektroda reaguje zmianą potencjału na obecność jonu głównego w porównaniu z jonem zakłócającym

Elektrody szklane Elektrody szklane są pierwszymi elektrodami membranowymi wykorzystywanymi w analizie potencjometrycznej (Haber, Klemensiewicz, 1909). Są one powszechnie stosowane do oznaczeń pH. Elektroda szklana składa się z rurki szklanej zakończonej cienkościenna banieczką. Wewnątrz znajduje się elektroda chlorosrebrowa zanurzona w roztworze wewnętrznym HCl o stałej aktywności jonów lub w buforze pH. W handlu dostępne są elektrody kombinowane zawierające dodatkowo elektrodę odniesienia. Elektrody szklane nie wymagają dodatkowych odczynników, potencjał ustala się szybko, zakres pH możliwy do oznaczenia jest bardzo szeroki, od pH 1 do 12.

Analityczne zastosowanie potencjometrii Potencjometria jako metoda elektroanalityczna jest metodą analizy ilościowej roztworów. Można wyróżnić metody: pH-metria Miareczkowanie potencjometryczne Potencjometria bezpośrednia (pH-metria stanowi oddzielna, wyspecjalizowaną technikę potencjometryczną) Analiza kliniczna: poziom glukozy, stężenie elektrolitów we krwi Działania policji -alkomaty

pH-metria Mierząc stężenie jonów wodorowych wkraczamy w zakres pH-metrii. pH jest ujemnym log [H+] z wartości stężenia jonów wodorowych.  Pomiaru stężenia jonów dokonuje się praktycznie mierząc SEM ogniwa złożonego z dwóch elektrod: elektrody pracującej i elektrody odniesienia (wchodzących w skład tzw. elektrody kombinowanej)

pH-metria 1 - elektroda wyprowadzająca chlorosrebrowa  2 - roztwór wewnętrzny elektrody chlorosrebrowej (0,1 mol/dm3 HCl)  3 - membrana szklana (niskooporowa;100-500 MW)  4 - elektroda porównawcza chlorosrebrowa  5 - roztwór wewnętrzny elektrody porównawczej (nasycony roztwór KCl nasycony AgCl)  6 - przewód wyprowadzający sygnał  7 - wlew roztworu wewnętrznego

pH-metria

Potencjometria bezpośrednia Współczesna potencjometria bezpośrednia jest zdominowana przez elektrody jonoselektywne W pomiarach wykorzystujemy dwie drogi postępowania: Metodę krzywych wzorcowych –polega na wykreśleniu krzywej wzorcowej dzięki której można wyznaczyć nieznaną aktywność oznaczanego jonu. Możliwa do zastosowania przy szerokim prostoliniowym zakresie. Metodę dodawania wzorca -polega na przeprowadzeniu pomiarów potencjału przed i po dodaniu ilościowo odmierzonej ilości roztworu wzorcowego

Potencjometria bezpośrednia

Miareczkowanie potencjometryczne Za pomocą pomiarów potencjometrycznych można śledzić przebieg miareczkowania. Ważny jest odpowiedni dobór elektrody wskaźnikowej Punkt końcowy miareczkowania można wyznaczyć Metodą graficzną Metodą pierwszej pochodnej Metodą drugiej pochodnej Metodami numerycznymi

Miareczkowanie potencjometryczne Metody wyznaczania punktu końcowego miareczkowania metoda metoda pierwszej metoda drugiej graficzna pochodnej pochodnej

Miareczkowanie potencjometryczne

SEM [v]

Spektrofotometria UV/Vis

Dlaczego związki chemiczne absorbują światło? W związkach organicznych absorpcja promieniowania jest związana z przejściem elektronów walencyjnych σ, π i n na wolny orbital o wyższej energii. W kompleksach metali d-elektronowych w wyniku oddziaływania z ligandem orbitale d różnicują się energetycznie (teoria pola ligandów) i możliwe jest przejście z poziomu o energii niższej na poziom o energii wyższej.

Źródła światła: lampy deuterowe (180 – 380 nm), wolframowo-halogenowe (> 380 nm), Łukowe lampy ksenonowe (cały zakres UV –Vis) Monochromatory: pryzmat, siatka dyfrakcyjna, siatka dyfrakcyjna holograficzna

Detektory: fotokomórka, fotopowielacz, fotodioda

Fotodioda półprzewodnikowa