આયનવૃતિક વીજધ્રુવો

આયનવૃતિક વીજધ્રુવો (ion-selectiveelectrodes, ISE) : વિવિધ આયનો પ્રત્યે વરણાત્મક (selective) સંવેદનશીલતા ધરાવતા વીજધ્રુવો. શરૂઆતમાં આ વીજધ્રુવોને ‘વિશિષ્ટ આયન વીજધ્રુવો’ (specific-ion electrodes) કહેવામાં આવતા હતા; પણ આવા વીજધ્રુવો કોઈ એક આયન માટે વિશિષ્ટ (specific) ન હોતાં બીજા આયનોની સરખામણીમાં તે કોઈ એક આયન પ્રત્યે વરણક્ષમતા (વૃતિકતા, લક્ષિતા) (selectivity) ધરાવતા હોવાથી તેમને ‘આયનવૃતિક વીજધ્રુવો’ તરીકે ઓળખવામાં આવ્યા. હવે તેમને ‘પોટૅન્શિયોમિતીય રાસાયણિક સંવેદકો’ (potentiometric chemical sensors) કહેવામાં આવે છે, કારણ કે આવા વીજધ્રુવની સપાટી પર વરણાત્મક રાસાયણિક પ્રક્રિયા થઈ અંતરાપૃષ્ઠીય (interfacial) વિભવ (potential) ઉદભવે છે.

વિશ્લેષ્ય(વિશ્લેષણ હેઠળના પદાર્થ)ના ગુણાત્મક અને માત્રાત્મક પૃથક્કરણ માટે રાસાયણિક પ્રક્રિયા દ્વારા કોઈ એક ઘટક પ્રત્યે વરણાત્મક રીતે પ્રતિભાવ આપે તેવા સાધનને રાસાયણિક સંવેદક (chemical sensor) કહે છે. આવા સંવેદકોને નીચેના સમૂહોમાં વર્ગીકૃત કરી શકાય :

(i) વીજરાસાયણિક (electrochemical) : આમાં પોટૅન્શિયોમિતીય સંવેદકો[આયનવૃતિક વીજધ્રુવો, આયનવૃતિક ક્ષેત્ર-અસર ટ્રાન્ઝિસ્ટરો (ion-selective field-effect transistors, ISFET) અને CHEMFET]નો તથા ઘન-વિદ્યુતવિભાજ્ય વાયુ-સંવેદકો સહિતના વોલ્ટેમિતીય/એમ્પેરોમિતીય (voltammetric/amperometric) સંવેદકોનો સમાવેશ થાય છે. અર્ધવાહક-આધારિત (semiconductor-based) વાયુ-સંવેદકોનો પણ આમાં સમાવેશ કરી શકાય.

(ii) પ્રકાશિક (optical) : આમાં રાસાયણિક પ્રક્રિયા સાથે સંબંધિત વર્ણપટદર્શી (spectroscopic) માપનો લેવામાં આવે છે. પ્રકાશિક સંવેદકોને ‘ઑપ્ટોડ’ (optode) તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે. અહીં પ્રકાશિક રેસાઓનો ઉપયોગ એ એક સામાન્ય લક્ષણ હોય છે.

(iii) દળ-સંવેદી (mass sensitive) : તેઓ દાબવિદ્યુત (piezoelectric) અસરનો ઉપયોગ કરે છે અને વાયુ-સંવેદકો તરીકે ઉપયોગી છે.

(iv) ઉષ્મા–સંવેદી (heat sensitive) : આને ઘણી વાર કૅલરીમિતીય (calorimetric) સંવેદકો પણ કહે છે. તેમાં વિશ્લેષ્યને સમાવતી પ્રક્રિયાની ઉષ્મા પ્લૅટિનમ થરમૉમીટર જેવા સાધન વડે માપવામાં આવે છે.

આ ઉપરાંત જૈવસંવેદકો (biosensors) આવે છે, જેઓ પણ રાસાયણિક સંવેદકો છે.

ISE ઉપર પ્રોટીન જેવા જૈવિક પદાર્થોની કોઈ વિષાલુ અસર થતી નથી, તેથી તે જૈવિક માધ્યમમાં ઘણા ઉપયોગી સાબિત થયા છે.

આયનવૃતિક વીજધ્રુવોની રચનામાં મુખ્ય જરૂરિયાત અજ્ઞાત અને જ્ઞાત સાંદ્રતાવાળાં દ્રાવણોને – યોગ્ય પટલ (membrane) વડે અલગ રાખવાની છે. આ માટે વિવિધ યુક્તિઓનો ઉપયોગ કરીને વિવિધ પ્રકારના વીજધ્રુવો વિકસાવવામાં આવ્યા છે.

કાચ–પટલ ધ્રુવો : આઇઝનમૅને આલ્કલી આયનો અને H⁺ની પટલ-વિભવ ઉપરની અસરોનો કાચના સંઘટનના સંદર્ભમાં અભ્યાસ કર્યો છે. કાચના સંઘટનમાં ફેરફારો કરીને અહીં દર્શાવેલ ત્રણ પ્રકારના કાચધ્રુવો વિકસાવવામાં આવ્યા છે : (1) H⁺ પ્રત્યે વધુ સંવેદનશીલ ધ્રુવ, જે pHના માપન માટે સામાન્ય રીતે વપરાય છે. H⁺ સિવાયનાં ધનાયનો પ્રત્યેની સંવેદનશીલતાને કારણે વધુ pHવાળા માધ્યમમાં ‘આલ્કલી ત્રુટી’ આવે છે. (2) એકસંયોજક ધનાયનો પ્રત્યે સંવેદનશીલ ધ્રુવ અને (3) સોડિયમ સંવેદનશીલ ધ્રુવ. (2) અને (3) પ્રકારો (1)ની સરખામણીમાં H⁺ પ્રત્યે ઓછા સંવેદનશીલ છે; આમ છતાં (2) અને (3) પ્રકારના ધ્રુવો ઊંચા pHવાળા માધ્યમમાં વાપરવા વધુ યોગ્ય છે. આ પરિસ્થિતિમાં H⁺ની સક્રિયતા એટલી અલ્પ હોય છે કે તેનાથી પેદા થતો પટલ-વિભવ ફક્ત બીજાં ધનાયનોની સક્રિયતાને કારણે જ હોય છે તેમ માની શકાય. સોડિયમ સંવેદનશીલ ધ્રુવ પોટૅશિયમની હાજરીમાં સોડિયમની સક્રિયતા માપવા વાપરી શકાય. કાચ-ધ્રુવની રચના આકૃતિ 1માં દર્શાવી છે :

જે ધનાયન પ્રત્યે ધ્રુવ વધુ વરણાત્મક હોય તેના ક્લોરાઇડનો ક્ષાર અંદરના દ્રાવણમાં હોય છે. સિલ્વર-સિલ્વર-ક્લોરાઇડ (Ag-AgCl) આંતરિક સંદર્ભ તરીકે વપરાય છે. વિશિષ્ટ સંઘટન ધરાવતી કાચધ્રુવના પટલની સપાટીની H⁺ની સરખામણીમાં વિવિધ ધનાયનો પ્રત્યેની વધુ વૃતિકતાને કારણે ઉત્પન્ન થતા પટલ-વિભવની માત્રાનો આધાર આ ધનાયનોની સક્રિયતા ઉપર રહે છે. હવે તો કાચ-ધ્રુવો સંયુગ્મી (combination) વીજધ્રુવો રૂપે પણ મળે છે, જેમાં દર્શક (indicator) વીજધ્રુવ અને સંદર્ભ વીજધ્રુવ (Ag-AgCl) એક જ એકમ રૂપે હોય છે.

અવક્ષેપ (prescipitate) ધ્રુવ અને ઘન–અવસ્થા ધ્રુવ : જેમ કાચ, ધનાયનો પ્રત્યે વૃતિક છે તેમ ઋણાયન પ્રત્યે વૃતિક ઘન પદાર્થો ઉપયોગમાં લઈને પટલ ધ્રુવો વિકસાવવામાં આવ્યા છે. આમાં અવક્ષેપ ધ્રુવ અને ઘન-અવસ્થા ધ્રુવ અગત્યના છે. આ ધ્રુવો સામાન્યપણે ઋણાયન પ્રત્યે વૃતિક હોઈ તેમની સક્રિયતા માપવા માટે ઉપયોગી છે.

અવક્ષેપ ધ્રુવ બનાવવા માટે અદ્રાવ્ય પદાર્થના સૂક્ષ્મ ભૂકાને બહુલક(polymer)માં 50 ટકા જેટલો ભેળવીને મળતા આંશિક-નમ્ય (semi-flexible) પદાર્થનો પટલ તરીકે ઉપયોગ કરાય છે. સિલિકોન રબર, પી.વી.સી. તથા પૅરેફિન બહુલક તરીકે વપરાય છે. સિલ્વર આયોડાઇડ, આયોડાઇડ પ્રત્યે અને બેરિયમ સલ્ફેટ સલ્ફેટ આયન પ્રત્યે વૃતિકતા દર્શાવે છે. આયોડાઇડલક્ષી ધ્રુવ માટે અંદરનું દ્રાવણ પોટૅશિયમ આયોડાઇડનું તથા સંદર્ભ ધ્રુવ તરીકે Ag-AgI વપરાય છે. તેના વડે I^–નું 10^–7M જેટલું પ્રમાણ પણ માપી શકાય છે.

ઘન-અવસ્થા ધ્રુવ માટે યોગ્ય ઋણાયન ધરાવનાર પદાર્થોનો એકાકી (single) સ્ફટિક અથવા ગોળી (pellet) વપરાય છે. લેન્થેનમ ફ્લોરાઇડના એકાકી સ્ફટિક ઉપર વાહકતા વધારવા યુરોપિયમ(II) જેવા વિરલ પાર્થિવ તત્વનું અપમિશ્રણ (doping) કરવામાં આવે છે. આ સ્ફટિકનો ધ્રુવ ફ્લોરાઇડ આયન પ્રત્યે વૃતિકતા ધરાવે છે. આ ધ્રુવની મદદથી 10^-6M સુધીની F^–ની સાંદ્રતા માપી શકાય છે. Ag₂S પટલ Ag⁺ અથવા S^2-ની 10^-8M સુધીની સાંદ્રતા માપી શકે છે. Agl/Ag₂S પ્રકારનો મિશ્ર પટલ I^–, Ag⁺ તથા S^2-ના માપન માટે ઉપયોગી છે.

આવા ધ્રુવોનો ઉપયોગ કરીને Cl^–, Br^–, I^–, NO₃^–, SO₄^2-, HPO₄^2-, HCO₃^–નું માપન કરી શકાય છે. OH^– આયન નડતરરૂપ ગણાય છે. CuS/Ag₂S પટલ Cu²⁺ માટે વૃતિકતા ધરાવે છે. Cl^–, Br^–, SCN^–, CN^–, Pb²⁺ અને Cd²⁺નું માપન કરવા માટે Ag₂S મિશ્ર સ્ફટિક-પટલ વપરાય છે.

પ્રવાહી–પ્રવાહી ધ્રુવ : આ પ્રકારના ધ્રુવમાં વિભવ નક્કી કરનાર પટલ જલ-અદ્રાવ્ય પ્રવાહી આયન-વિનિમયક (ion-exchanger) હોય છે. આ વિનિમકને બહુલક કે કાચના છિદ્રાળુ (porous) પટલ વચ્ચે રાખીને તેનો પરીક્ષણ-દ્રાવણ સાથે સંપર્ક સધાય છે. પણ તેઓ એકબીજામાં મિશ્ર થતા નથી. કૅલ્શિયમ કાર્બ-ફૉસ્ફરસ વિનિમયકનો ઉપયોગ કરીને 5 ´ 10^–5M સુધીનું કૅલ્શિયમ આયનનું સંકેન્દ્રણ માપી શકાય છે. આ ધ્રુવની સોડિયમ કે પોટૅશિયમની સરખામણીમાં કૅલ્શિયમ માટેની લક્ષિતા 3000ગણી છે. જ્યારે મૅગ્નેશિયમ તથા સ્ટ્રૉન્શિયમની સરખામણીમાં તે અનુક્રમે 200 અને 70ગણી છે.

જેલ–નિશ્ચલિત ઉત્સેચક વીજધ્રુવો (gel-immobilized enzyme electrodes) : ઉત્સેચકો અત્યંત વિશિષ્ટ (specific) ઉદ્દીપકો છે. વાયુ-સંવેદક વીજધ્રુવોની માફક ઉત્સેચક-પ્રક્રિયાની નીપજનું પરોક્ષ રીતે વીજધ્રુવ વડે વિશ્લેષણ થઈ શકે છે. આ વીજધ્રુવો જૈવસંવેદકોનાં પ્રથમ ઉદાહરણો છે. આ માટે ઉત્સેકને વીજધ્રુવ પર મૂકેલા પટલ પર ગતિહીન કરવો પડે અથવા કદાચ વીજધ્રુવ પર તેનું પડ ચઢાવી શકાય. આમ આયનવૃતિક વીજધ્રુવ સામે જેલ-નિશ્ચલિત ઉત્સેચકનો ઉપયોગ કરીને કોઈ એક પ્રક્રિયાથી અવસ્તર (substrate) પ્રત્યે વરણાત્મકતા ધરાવતા અનેક ઉત્સેચક ધ્રુવો બનાવવામાં આવ્યા છે.

આવો યૂરિયા પોટૅન્શિયોમિતીય સંવેદક આકૃતિ 5માં દર્શાવ્યો છે. તેમાં યૂરિયેઝ (urease) નામના ઉત્સેચકને પૉલિએક્રિલેમાઇડ જેલ(gel)માં સ્થિર કરીને એમોનિયમ આયનવૃતિક વીજધ્રુવની સપાટી પર લગાડવામાં આવે છે. નાયલૉનની જાળી વડે જેલ-સ્તરને તેના સ્થાને જાળવી રાખવામાં આવે છે. નમૂનામાંના દ્રાવણમાં યૂરિયાના માપન માટેનો વીજરાસાયણિક કોષ નીચે પ્રમાણે છે :

Hg, Hg₂Cl₂ । સંતૃપ્ત KCl ॥ નમૂનાનું દ્રાવણ । યૂરિયેઝ જેલ । કાચ-પટલ । 0.1 M HCl । AgCl । Ag

આ વીજધ્રુવને યૂરિયા ધરાવતા નમૂનાના દ્રાવણમાં મૂકતાં, યૂરિયા જેલમાં વિસરિત થાય છે અને નીચેની પ્રક્રિયા થાય છે :

     CO(NH₂)₂ + 2H₂O 2NH₄⁺ + CO₃^2–

અથવા CO(NH₂)₂ + H₂O + 2H⁺ → 2NH₄⁺ + CO₂

અથવા CO(NH₂)₂ + 2H₂O + H⁺ → 2NH₄⁺ + HCO₃^–

ઉદભવતાં NH₄⁺નું કાચના વીજધ્રુવ પર પ્રસરણ થતાં NH₄⁺ સંવેદી વીજધ્રુવ આગળ પટલ-વિભવ ઉત્પન્ન થાય છે. તેના પરથી યૂરિયાની સાંદ્રતા મેળવી શકાય છે. માપેલ વિભવ અને યૂરિયાના સંકેન્દ્રણ વચ્ચેનો સંબંધ નીચે પ્રમાણે હોય છે :

   E(mV)= અચળાંક + 59.1 log [યૂરિયા]

[અથવા E (V) = k + 0.0295 log a_{યૂરિયા} (પ્રક્રિયા પ્રમાણે)]

ઉત્સેચક-આધારિત જૈવ સંવેદકો સામાન્ય રીતે ધીમા હોય છે, કારણ કે વિશ્લેષ્યને ઉત્સેચક સ્તરમાં પ્રસરતાં સમય લાગે છે. આવા કેટલાક સંવેદકો સારણી 1માં દર્શાવ્યા છે..

સારણી 1 : ઉત્સેચક-આધારિત પોટૅન્શિયોમિતીય જૈવ સંવેદકો

એમિઝેલિન, L-આર્જિનીન, NO₂^– વગેરે માટે પણ આવા વીજધ્રુવો પ્રાપ્ય છે.

કેટલાંક રૂપાંતરો દ્વારા વીજધ્રુવ પ્રણાલીને ઊલટાવી પણ શકાય અને એ રીતે કાચ-પટલ પર પ્રક્રિયાર્થીનું પડ ચઢાવી ઉત્સેચક-પારખુ વીજધ્રુવો બનાવી શકાય.

વાયુ-સંવેદક (gas-sensing) વીજધ્રુવો : આ પ્રકારના વીજધ્રુવો એમોનિયા (NH₃), કાર્બન-ડાયૉક્સાઇડ (CO₂), નાઇટ્રોજન-ડાયૉક્સાઇડ (NO₂), સલ્ફર-ડાયૉક્સાઇડ (SO₂) અને હાઇડ્રોજન-સલ્ફાઇડ (H₂S) જેવા વાયુઓનાં દ્રાવણોના વિશ્લેષણ માટે ઉપયોગમાં લેવાય છે; દા.ત., H₂S માટે સલ્ફાઇડ આયન-પ્રતિભાવક (ion-responsive) વીજધ્રુવ, NO₂ માટે નાઇટ્રેટ આયન-પ્રતિભાવક વીજધ્રુવ વપરાય છે. અન્ય કેટલાક વાયુઓ માટે કાચનો pH-વીજધ્રુવ વપરાય છે. વાયુના પ્રવાહમાં રહેલા આવા વાયુઓનું પ્રમાણ નક્કી કરવા માટે વાયુમિશ્રણને માર્જક(scrubber)માંથી પસાર કરી પાણીમાં તેનું દ્રાવણ મેળવવામાં આવે છે.

વાયુ-સંવેદક વીજધ્રુવનાં મુખ્ય લક્ષણો (features) આકૃતિ 6માં દર્શાવ્યાં છે. આમાંનો મધ્યભાગ એટલે પાત્ર B પ્રસ્તુત (relevant) છે. પટલ A કસોટી હેઠળના દ્રાવણમાં ઓગળેલા વાયુ માટે પારગમ્ય (permeable) છે. તે પૉલિટેટ્રાફ્લોરોઇથિલીન અથવા પૉલિપ્રોપિલીનમાંથી બનાવેલ સૂક્ષ્મ-છિદ્રાળુ (microporous) પટલ રૂપે હોય છે. આ પટલ વાયુના અણુઓ માટે પારગમ્ય છે, પણ તે જલ-પ્રતિકર્ષી (water repellent) હોઈ પાણી તેમાંથી પસાર થતું નથી. NH₃, CO₂ અને NO₂ માટે આ પ્રકારના પટલો વપરાય છે. વૈકલ્પિક રીતે આ પટલ સિલિકોન રબરની ઘણી પાતળી સમરૂપ ફિલ્મ રૂપે પણ હોય છે. તેમાંથી SO₂ અથવા H₂S જેવા વાયુઓ વિસરિત થાય છે. વીજધ્રુવ C એ કાચનો અથવા અન્ય આયન-વૃતિક ધ્રુવ હોય છે. Bમાં સિલ્વર-સિલ્વર ક્લોરાઇડ સંદર્ભ વીજધ્રુવ સમાવિષ્ટ થયેલો હોય છે. Bમાંનું આંતરિક દ્રાવણ સોડિયમ ક્લોરાઇડ અને જે વાયુનું પરીક્ષણ કરાતું હોય તેને અનુરૂપ વિદ્યુતવિભાજ્ય (electrolyte) હોય છે; દા.ત., NH₃ માટે NH₄Cl; CO₂, NaHCO₃; NO₂, NaNO₂; SO₂, K₂S₂O₅; H₂S, સાઇટ્રેટ બફર. [વૃતિક-પટલ (selective membrane) (દા.ત., pH-કાચ પટલ) અને જેનું pH મૂલ્ય વાયુના આંશિક દબાણને કારણે બદલાય છે તેવા બાહ્યપટલની વચ્ચે વિદ્યુતવિભાજ્યનો થોડો જથ્થો મૂકવામાં આવે છે.] પટલ Aનું ક્ષેત્રફળ તેમજ Bમાંના પ્રવાહીનું કદ ઓછું હોઈ તે કસોટીના દ્રાવણ સાથે ઝડપથી સંતુલિત થાય છે. નીચેની સારણી 2માં આ વીજધ્રુવો અંગેની કેટલીક વિગતો આપી છે :

સારણી 2 : વાયુ-સંવેદક વીજધ્રુવોની નિમ્નતમ માત્રા

સ્પીસિઝ	નિમ્નતમ સીમા (M)	સંવેદક આયન	આંતરિક દ્રાવણ
CO2	10–5	H+	0.01M NaHCO3
NH3	10–6	H+	0.1M NH4Cl
H2S	10–8	S2–	બફર, pH = 5
Cl2	10–3	Cl–	બફર, HSO4–

ઑક્સિજન–સંવેદકો : ઑક્સિજન સંપરીક્ષિત્ર (probe) અથવા ક્લાર્ક વીજધ્રુવ એ વોલ્ટામિતિ આધારિત સંવેદક (sensor) છે; જે પર્યાવરણીય અભ્યાસ સાથે સંલગ્ન એવા પાણીમાંના દ્રવિત ઑક્સિજનના નિર્ધારણ માટે વપરાય છે. તે એક વીજરાસાયણિક કોષ છે અને પાણી કેટલા પ્રમાણમાં પ્રદૂષિત થયેલું છે તે તેની જૈવિક ઑક્સિજન-માંગ (biological oxygen demand, BOD) માપીને નક્કી થઈ શકે છે.

ઑક્સિજન સંપરીક્ષિત્રની માફક ઑક્સિજન-સંવેદક પણ વીજરાસાયણિક સિદ્ધાંતો પર આધારિત છે, પરંતુ તે એક પ્રકારનો ગૅલ્વેનિક કોષ (ઑક્સિજન-સાંદ્રતાકોષ) છે, જે તેના પ્રચાલનમાં ઘન-અવસ્થા વીજરસાયણનો ઉપયોગ કરે છે. આ કોષમાં વીજચાલક બળ (electromotive force, EMF) અચળ તાપમાને અને દબાણે બે વીજધ્રુવો આગળ આણ્વિક ઑક્સિજનની સાંદ્રતાના તફાવતને કારણે ઉત્પન્ન થાય છે. તેમાં વપરાતું ઘન-વિદ્યુતવિભાજ્ય (electrolyte) એક પ્રકારનું સિરૅમિક દ્રવ્ય હોય છે જે ઑક્સાઇડ (O^2–) આયનનું પરિવહન કરી શકે છે. ઝર્કોનિયમ-ડાયૉક્સાઇડ અથવા ઝર્કોનિયા એક આવું દ્રવ્ય છે જે 500° સે.થી વધુ તાપમાને ઑક્સિજન-આયન માટે ઊંચી વાહકતા ધરાવે છે. ઝર્કોનિયા ઑક્સિજન-આયનનું જાલક (lattice) ક્ષતિ (defect) પ્રકારની ગતિવિધિ (mechanism) દ્વારા પરિવહન કરે છે. તેમાં સંરચનામાંના એક ધનવીજભારિત છિદ્ર-(hole)માંથી બીજામાં ઑક્સિજન-આયનો ખસે છે. આવાં છિદ્રોની સંખ્યા વધારવાથી ઑક્સિજન-આયનનું સંવહન (conduction) વધારી શકાય છે. આ માટે સંરચનામાં CaO, MgO, કે Y₂O₃ જેવા અન્ય ધાતુ-ઑક્સાઇડ દાખલ કરવામાં આવે છે. આવું સિરૅમિક દ્રવ્ય 8 % (દળ/દળ) CaO, 89 % ZrO₂ તથા સિલિકન (Si) જેવા તત્વના ઑક્સાઇડ અલ્પમાત્રામાં ધરાવે છે.

સિરૅમિકને ઑક્સિજન-સાંદ્રતાકોષમાં ફેરવતાં તે ઑક્સિજન-આયન સંવાહક તરીકે વર્તવા ઉપરાંત વાયુમય ઑક્સિજનના આંશિક (partial) દબાણ (p) ધરાવતા બે કક્ષ(compartment)ને અલગ પાડે છે. સિરૅમિકને છિદ્રાળુ પ્લૅટિનમ વડે આચ્છાદિત કરવામાં આવે છે અને આ પ્લૅટિનમ મોટરવાહનોના નિષ્કાસિત વાયુઓમાંના અન્ય ઘટકો વડે વિષાક્ત ન થાય તે માટે તેના ઉપર સ્પિનેલ (spinel) અથવા ઍલ્યૂમિનાનું પડ ચઢાવવામાં આવે છે.

 । Pt । ZrO₂/CaO । Pt । 

જો  >  હોય તો અર્ધકોષ-પ્રક્રિયાને કારણે બે વિવૃત-પરિપથ-વિભવ (open-circuit potential) ઉત્પન્ન થાય છે :

2જા વીજધ્રુવ આગળ : O₂ (  ) + 4e → 2O^2–

1લા વીજધ્રુવ આગળ : 2O^2– → O₂ ( ) + 4e

અથવા સમગ્ર પ્રક્રિયા : O₂ ( ) → O₂ ()

કોષનો EMF નર્ન્સ્ટ સમીકરણ પ્રમાણે મળે છે.

સામાન્ય રીતે  એ વાતાવરણમાંનું દબાણ ( = 0.2 વાતા.) હોય છે. આમ તે ભાગ સંદર્ભ વીજધ્રુવ તરીકે કાર્ય કરે છે અને તે રીતે પરીક્ષણ-કક્ષનું આંશિક દબાણ ગણી શકાય છે. આવા O₂–સંવેદકોનો ઉપયોગ મોટરવાહનોમાં મુખ્યત્વે થાય છે અને તેના વડે નિષ્કાસ-ઉત્સર્જન(exhast emissions)નું નિયંત્રણ કરી શકાય છે. આવા O₂–સંવેદકોની રચના (design) કરવાનું સરળ છે અને તે એક સેકન્ડના કેટલાકમા ભાગમાં પ્રતિભાવ આપે છે. વાહનના એન્જિન માટે હવા અને ઇંધનનો (હવાના દળ અને ઇંધનના દળનો) ગુણોત્તર 14.5 ગણવામાં આવે છે. આ ગુણોત્તરને ‘સમૃદ્ધ’ મિશ્રણ નામ આપવામાં આવેલ છે. તેના વડે નિષ્કાસિત વાયુમાં  નાં મૂલ્યો 10^–15થી 10^–46 વાતા. જેટલાં નીચાં રહે છે. કેટલીક વાર ઇંધનના બચાવ માટે હવા : ઇંધન ગુણોત્તર 16 જેટલો રાખવામાં આવે છે. આવે વખતે ઉપર દર્શાવેલો ગૅલ્વેનિક કોષ બરાબર સંવેદી ન હોઈ વિકલ્પી ગોઠવણ કરવામાં આવે છે.

એમોનિયા-સંવેદક : એમોનિયા વાયુ-સંવેદક (gas sensing) વીજધ્રુવ આયન-વૃતિક વીજધ્રુવ હોય તે રીતે વપરાય છે. તેની રચના આકૃતિ 7માં દર્શાવી છે :

જ્યાં સુધી નમૂનામાંનું એમોનિયાનું પ્રમાણ અને આંતરિક ભરણ-દ્રાવણ (internal filling solution) વચ્ચે સમતોલન સ્થપાય નહિ ત્યાં સુધી નમૂનામાં ઓગળેલ એમોનિયા વાયુ-પારગમ્ય ફ્લોરોકાર્બન પટલમાંથી વિસરિત થાય છે. એમોનિયાની પાણી સાથેની પ્રક્રિયાને કારણે આંતરિક ભરણ-દ્રાવણમાં હાઇડ્રૉક્સાઇડ(OH^–) આયનો ઉદભવે છે :

NH₃ + H₂O =  + OH^–

આ આંતરિક દ્રાવણમાંના હાઇડ્રૉક્સાઇડનું પ્રમાણ આંતરિક સંવેદક અવયવ (sensing element) વડે માપવામાં આવે છે અને તે નમૂનામાંના એમોનિયાના પ્રમાણના સીધા અનુપાતમાં હોય છે. નમૂનાને અને માનકો(standards)ને નિયત pH મૂલ્યે (અથવા pH > 11) ગોઠવવામાં આવે છે. કાચ અને અન્ય એમોનિયમ આયન વીજધ્રુવોથી ભિન્ન રીતે એમોનિયા-વીજધ્રુવ દખલ(interferences)થી મુક્ત હોય છે. જોકે બાષ્પશીલ એમાઇન તેમાં અડચણરૂપ બની શકે. એનાયનો, કેટાયનો અને કાર્બનડાયૉક્સાઇડ, સલ્ફાઇડ, સાયનાઇડ અને સલ્ફર ડાયૉક્સાઇડ જેવા સામાન્ય વાયુઓ બાધા ઊભી કરતા નથી. વીજધ્રુવની સંવેદનશીલતા (sensitivity) 10^–6થી 1M સુધીની એટલે કે 0.017થી 17000 માઇક્રોગ્રામ/મિ.લી. જેટલી હોય છે.

આયનવૃતિક ક્ષેત્ર–અસર ટ્રાન્ઝિસ્ટર (Ion-selective field effect transistor, ISFET) : આ સાધન સૂક્ષ્મ-ઇલેક્ટ્રૉનિકી (micro-electronics) ક્ષેત્રમાંથી વિકસ્યું છે અને તે IGFET(insulated gate field effect transistor)નું અનુરૂપન (adaptation) છે. પ્રચલિત ક્ષેત્ર-અસર ટ્રાન્ઝિસ્ટર એ સ્રોત (source) અને નિષ્કાસ (drain) વચ્ચેના ધાત્વિક દ્વાર(matallic gate)માંના લઘુ (tiny) વિભવ-તફાવતો પ્રત્યે પ્રતિભાવ આપે છે અને તેમને અલ્પ-પ્રતિબાધા (low impedance) નિર્ગમ (output) સંકેતો(signals)માં ફેરવે છે.

ISFET એ મૂળભૂત રીતે p-પ્રકારનો અર્ધવાહક છે, જેમાં સ્રોત (S) અને નિષ્કાસ (D) તરીકે ઓળખાતા n-પ્રકારનાં બે ક્ષેત્રો (regions) હોય છે. આની ઉપર વીજરોધક(insulator)નું પડ ચઢાવવામાં આવે છે અને પછી IGFETના ધાત્વિક દ્વાર(metallic gate)ની જગ્યાએ ઘણો પાતળો આયનવૃતિક પટલ મૂકવામાં આવે છે. સ્રોત અને નિષ્કાસ વચ્ચે વહેતો પ્રવાહ એ દ્વાર-વિભવ (gate potential) ઉપર આધારિત હોય છે. આવાં સાધનો અત્યંત નાનાં(< 1 મિમી.²) હોય છે અને બહુ-જાતિઓ(multi-species)ની પરખમાં ઉપયોગી છે.

નમૂનાનું દ્રાવણ ISE પટલ પર મૂકી તેમાં એક સંદર્ભ વીજધ્રુવ ડુબાડવામાં આવે છે. પટલની સપાટી આગળ આ વિભવ ઉત્પન્ન કરે છે, જે હકીકતમાં સ્રોત અને નિષ્કાસ વચ્ચે વહેતા પ્રવાહનું નિયંત્રણ કરતો દ્વાર-વિભવ છે. વહેતા પ્રવાહનું પ્રમાણ પટલ-વિભવ અને એ રીતે નમૂનાના દ્રાવણમાંના પરીક્ષણ હેઠળના આયન(દા.ત., H⁺)ની સક્રિયતા (મંદ દ્રાવણો માટે સાંદ્રતા) સાથે સંકળાયેલ હોય છે.

નિર્ધારણ હેઠળના આયનની જાણીતી સક્રિયતા ધરાવતાં દ્રાવણો વડે સાધનને અંકિત કરવાથી પ્રવાહના માપન દ્વારા અજ્ઞાત દ્રાવણમાંના આયનની સક્રિયતા નક્કી કરી શકાય છે. આવાં માપનો બહુ ઓછા જથ્થા વડે લઈ શકાતાં હોવાથી જૈવરાસાયણિક (biochemical) વિશ્લેષણમાં તેમનો ઉપયોગ થઈ શકે છે. એ રસપ્રદ છે કે અવાહક સ્તર (SiO₂ અથવા Si₃N₄) પોતે pH પ્રત્યે પ્રતિભાવ આપતું હોવાથી અન્ય વધારાના પટલની મદદ સિવાય pH માપવા સારુ તે વાપરી શકાય છે.

પ્રવાહીના સૂક્ષ્મ કદ સાથે કામ પાડવા માટે આના એક પર્યાય તરીકે વૉલ્ટરે ‘ત્વરિત રંગ’ (instant colour) ફોટોગ્રાફિક ફિલ્મોમાં વપરાતી તકનીક પર આધારિત સ્તર-કોષ(layer cell)ની રચના કરી છે. પોટૅશિયમ-આયનના નિર્ધારણ માટેના આવા કોષમાં વૅનિલોમાયસિન વીજધ્રુવોમાં પરિણમતો (terminating) બે સ્તરનો સમુચ્ચય (assembly) હોય છે. એકમાં પોટૅશિયમ ક્લોરાઇડનું પ્રમાણભૂત (standard) દ્રાવણ અને બીજામાં પરીક્ષણ હેઠળનું દ્રાવણ ઉમેરી બે સમુચ્ચયને ક્ષારસેતુ (salt bridge) વડે જોડવાથી એક સાંદ્રતા-કોષ (concentration cell) ઉદભવે છે, જેના ઈ.એમ.એફ.(electromotive force)ના માપન દ્વારા અજ્ઞાત દ્રાવણમાંના પોટૅશિયમ આયનોની સક્રિયતા ગણી શકાય છે.

આવી તકનીક પર આધારિત અન્ય મહત્વના ઉપયોગ(application)માં રાસાયણિક રીતે સંવેદી-FET (CHEMFET), ઉત્સેચક(enzyme)-FET (ENFET) અને પ્રતિરક્ષાસંવેદી-FET(Immunosensitive FET)ને ગણાવી શકાય. pH-સંવેદી ENFETનો ઉપયોગ કરીને યૂરિયા, ગ્લુકોઝ, પેનિસિલીન G અને V, તથા સેફાલોસ્પોરિન C જેવા પદાર્થોનું નિર્ધારણ થઈ શક્યું છે.

વાયુઓની પરખ માટે કેટલીક ધાતુઓના (ખાસ કરીને સંક્રમણ ધાતુઓના ઑક્સાઇડના) અર્ધવાહક ગુણધર્મનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. આવા પહેલા સંવેદકનો ઉલ્લેખ 1962માં થયેલો; જેમાં એમ દર્શાવવામાં આવેલું કે 400⁰ સે. તાપમાને પાતળી ફિલ્મ રૂપે કામ કરતો ઝિંક ઑક્સાઇડ સંવેદક કાર્બન-ડાયૉક્સાઇડ તેમજ ટૉલ્યુઇન, બેન્ઝિન, ડાઇઇથાઇલ ઈથર, ઇથાઇલ આલ્કોહૉલ અને પ્રોપેનને 1થી 50 ppm માત્રામાં પારખી શકે છે. SnO₂ પણ આ પ્રમાણે કામ આપે છે. ત્યારપછી તો આવા સંવેદકોમાં અવારનવાર સુધારા થતા રહ્યા છે અને હવે MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) પ્રકારના સંવેદકો પણ અસ્તિત્વમાં આવ્યા છે.

આયન-વૃતિક વીજધ્રુવોની ક્રિયાવિધિ : આયન-વૃતિક વીજધ્રુવો એ દ્રાવણ પ્રાવસ્થા (phase) α અને પટલ અવસ્થા β વચ્ચે આયનોના ચલન(movement)ને કારણે ઉદભવતા વિભવ-તફાવત (potential difference) ઉપર આધાર રાખે છે. કાચ-વીજધ્રુવના કિસ્સામાં પટલ-વિભવ (E_m) નીચેના સમીકરણ વડે દર્શાવાય છે :

 (Z_i = આયન i પરનો વીજભાર)

આમ 298K એ સક્રિયતામાં એક દશકના ફેરફારદીઠ E_mમાં 59/Z_i મિ. વોલ્ટનો ફેરફાર જોવા મળે અને તેથી 10^–6થી 10^–1ની પરાસમાં સક્રિયતાને માપી શકાય. પટલ-વિભવને આંતરિક અને બાહ્ય સંદર્ભ વીજધ્રુવ વચ્ચેના વિભવ-તફાવત વડે માપી શકાય. આમ પટલ એ એક સાંદ્રતા-કોષ(concentration cell)ના બે અર્ધભાગ વચ્ચેની કડી છે.

પૂર્ણ 1SE એ આયન ધરાવતા દ્રાવણોમાંના ફક્ત એક આયન પ્રત્યે પ્રતિભાવ આપે છે; પણ વ્યવહારમાં (ખાસ કરીને સમાન લક્ષણોવાળાં આયનો; દા.ત., હેલાઇડ-આયનો, હાજર હોય ત્યારે) આવી આદર્શ સ્થિતિ પ્રાપ્ત થતી નથી. અન્ય આયનોની બાધક (interference) અસરો પોટૅન્શિયોમિતીય વૃતિકતા-ગુણાંક (selectivity coefficient), , ઉપર આધાર રાખે છે. જો પટલમાં રૈખિક સાંદ્રતા-પ્રવણતા (concentration gradient) ધારી લેવામાં આવે તો વિભવ-તફાવત માટેનું સંબદ્ધ સમીકરણ (નિકૉલ્સ્કી – આઇઝનમેન સમીકરણ) નીચે પ્રમાણે થાય :

જ્યાં j એ બાધારૂપ જાતિ (species) છે. જો બાધક આયનની સક્રિયતા ઓછી હોય તો અવરોધક અસર જોવા મળશે નહિ.

વૃતિકતા-ગુણાંક સામાન્યત: બે રીતે માપી શકાય છે :

(i) સ્થાયી (fixed) બાધક પદ્ધતિમાં અવરોધક(interferent)ના અચળ પ્રમાણ પણ પ્રાથમિક આયનની વિવિધ સક્રિયતા ધરાવતાં દ્રાવણો માટે કોષનો વિભવ માપી તેને પ્રાથમિક આયનની શૂન્ય સક્રિયતા સુધી બહિર્વેશન કરવાથી અવરોધકનો વૃતિકતા-ગુણાંક મળે છે.

(ii) અલગ અલગ દ્રાવણપદ્ધતિમાં એક દ્રાવણ ફક્ત પ્રાથમિક આયન ધરાવનાર અને બીજું તે જ સક્રિયતાએ અવરોધક આયન ધરાવનાર – એમ બે દ્રાવણો વચ્ચેનો વિભવ માપવામાં આવે છે.

બે પૈકી પ્રથમ પદ્ધતિ વધુ સારી છે; કારણ કે, વ્યવહારમાં બંને આયનો દ્રાવણમાં એકસાથે હોય છે.

આયનલક્ષી ધ્રુવો પાણી, હવા, ઔષધ વગેરેનું પ્રમાણ માપવા માટે ઉપયોગી છે. H⁺, F^–, Cl^–, Br^–, I^–, CN^–, Ca²⁺, Cu²⁺, BF₄^–, Pb²⁺, ClO₄^–, NO₃^–, K⁺, Ag⁺, S^2–, Na⁺, SCN^–, NH₃, H₂S, CO₂, NO₂, SO₂, NO વગેરેના માપન માટે આયનલક્ષી ધ્રુવો પ્રાપ્ય છે. આ ઉપરાંત જૈવિક તરલોમાં રહેલા આયનોનું અલ્પ પ્રમાણ પણ ત્વરિત નક્કી કરી શકાય છે. રક્ત કે મૂત્રમાં સીસું (40 × 10^–6 ગ્રામ પ્રતિ 100 મિલિ.), ટૂથ પેસ્ટમાંનું F^–, પરસેવામાંનું Cl^–, ઊનમાંનું Na⁺, લોટ, પાણી, જમીન, ખનિજ તથા દૂધમાંનું Ca²⁺, પાણીની કઠિનતા વગેરેનું માપન, આનાં ઉદાહરણો છે. સંકીર્ણ આયનોના સ્થાયિતા(stability)  અચળાંક પણ આ પ્રકારના ધ્રુવો વડે મેળવી શકાય છે.

મહેન્દ્ર શાહ

ઈન્દ્રવદન મનુભાઈ ભટ્ટ