Полярографічний метод аналізу, запропонований його основоположником Я. Гейровского в 1922 р., відноситься до електрохімічних методів аналізу. Сутність його полягає в одержанні залежності сили струму від напруги при електролізі речовини. Метод застосуємо для дослідження речовин (іонів), здатних до електрохімічного окислення або відновлення. Полярографічний метод аналізу відрізняється досить високою чутливістю. Нижня межа визначуваних концентрацій становить 10-5÷10-6 моль/л, а найбільш досконалими полярографами 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 і якісного складу аналізованого розчину.
В біології і медицині полярографія знаходить застосування для визначення вмісту вітамінів, гормонів, ферментів, амінокислот, вуглеводнів, багатьох катіонів і аніонів, для діагностики злоякісних пухлин, для вивчення клітинного (тканинне) дихання і стану енергетичної системи досліджуваного препарату - метаболічного стану [50, 63], а також для вивчення і визначення біологічно активних сполук, більшість яких здатне до электровосстановлению на ртутно-крапельному електроді. Полярографічний метод виявився корисним у фармакології при вивченні концентрації лікарських препаратів та їх метаболітів в живому організмі.
Класична полярографія пов'язана з використанням ртутного електрода, який завоював міцне місце в аналітичній практиці. Однак у біологічному експерименті знайшли застосування також тверді електроди, які для вивчення біологічного окислення виявилися більш придатними перш за все із-за низької анодної поляризації ртутного електрода.
Не можна сказати, що полярографічний аналіз відрізняється простотою, особливо в початковій стадії. Освоєння методу і апаратури передбачає знайомство не тільки з біологічною стороною процесу, але і з основними закономірностями деяких розділів електрохімії. Теорія і практика полярографічного методу докладно висвітлені в монографіях[11, 25, 50, 63], а також в описах, що додаються 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 полярограмі, 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; ділянка в-з - майданчик дифузійного струму; h - висота полярографічною хвилі; φ ½ - потенціал напівхвилі; i - граничний дифузійний струм; 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 із-за цієї обставини на визначенні потенціалу напівхвилі заснований якісний полярографічний аналіз речовин. Потенціали півхвиль для різних речовин (іонів) наводяться в спеціальних посібниках і хімічних довідниках. Треба, однак, урахувати, що потенціал напівхвилі істотно залежить від фону розчину, середовища, в якому речовина перебуває 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. Надане при полярографическом аналізі напруга охоплює область анодного окислення і катодного відновлення, приблизно, від +1,3 до -1,6, -2 Ст. Проте ртуть, яка добре працює в катодній області, при високих анодних потенціалах, які застосовуються, наприклад, для вивчення біологічного окислення, не може бути використана внаслідок її анодного розчинення вже при +0,3 Ст. Використання твердих електродів розширює область 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 для оновлення поверхні полягає в доданні електроду швидкого обертання з постійною швидкістю.
Рис. 98. Схема полярографічною установки.
Пояснення в тексті.
На рис. 98 представлена схема полярографічною установки. У полярографическую клітинку 3 занурені ртутний крапельний микроэлектрод 1 і відведення насиченого каломельного електрода порівняння 2. Живлення від акумуляторної батареї 4, напруга якої прикладено до кінців реохорда 5. Реостат 6 служить для регулювання подається на реохорд струму, контроль напруги здійснюється по вольтметру 7. Утворилася в результаті електрохімічного процесу сила струму вимірюється гальванометром 8, чутливість якого може регулюватися шунтом 9. Ртуть в капіляр мікроелектроди 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 микроэлектрод (мінус). У сталому режимі ртуть надходить в капіляр через сполучну трубку і продавлюється силою власної ваги. Поляризующимся електродом є ртутний краплинний електрод. Електрохімічний процес відбувається протягом часу, доки утворюється крапля ще висить на кінчику капіляра. З відривом краплі процес поновлюється на новій краплі. Ця обставина є причиною коливання сили струму, а записані автоматично криві мають пилкоподібний характер.
Полярографы, зібрані за класичною схемою і характеризуються використанням постійного струму, за сьогоднішніми уявленнями є нескладними. Такі полярографы з візуальним відліком або з механічним зміною напруги на комірці і фотозаписью ще і сьогодні з успіхом використовуються в лабораторіях. Насамперед вони дозволяють вивчити полярографічний метод і оцінити його перевага.
В останні роки одержали велике поширення полярографы з автоматичною реєстрацією на діаграмного паперу. На зміну фотозаписи, потім вимагає прояву і закріплення та представляє певні незручності, прийшла запис пером самописця. Переваги такого запису очевидні. Електрохімічний процес можна прослідкувати 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 полярографічний метод в ряд вельми високочутливих фізико-хімічних методів аналізу.
При вивченні процесу поляризації з'явилася можливість збільшити у багато разів швидкість поляризації мікроелектроди за умови різкого зростання поляризующего напруги. Застосування осцилографа дозволило проводити реєстрацію цих швидких вольтамперних характеристик змін. Полярографы, оснащені осцилографом, називаються осциллографическими полярографами. На такому полярографія зняття підпрограми відбувається з однієї сформувалася краплі ртуті [4].
Осцилографічна полярограмма утворюється швидко, що дозволяє протягом хвилин проаналізувати серію проб. Типова полярограмма показана на рис. 99. Форма полярограми змінилася, однак основні характеристики можуть бути отсчитаны.
Рис. 99. Осцилографічна полярограмма. Пояснення в тексті.
Потенціал максимуму 1 визначає природу речовини, його якісну характеристику; висота хвилі в максимумі 2 пропорційна концентрації речовини.
З апаратури для полярографічного аналізу в даний час застосовуються: візуальні полярографы, полярографы з фотографічною записом, чернилопишущие полярографы, осцилографічні, полярографы змінного струму, високочастотні, імпульсні.
Принцип універсальності в полярографическом приладобудуванні є основним. Такі прилади допускають багатоцільове їх використання в різних режимах, в залежності від виду дослідження. Це розширює можливості приладу, дозволяючи його використання як у дослідницькій, так і в звичайній аналітичній роботі.
