衛(wèi)生化學：電位分析與離子選擇性電極

1、電位分析與離子選擇性電極 11.1 參比電極及其構成 甘汞電極和Ag/AgCl電極 11.2 指示電極金屬指示電極 第一、二、三及零類電極 11.3 膜電位與離子選擇性電極 膜電位及其產生、離子選擇性電極分類、離子選擇性電極各論（玻璃膜電 極、晶體膜電極、載體電極、氣敏電極、生物電極、場效應管） 11.4 離子選擇性電極性能參數(shù) 校正曲線、選擇性系數(shù)、響應時間、內阻 11.4電位分析 電位分析（包括電位測量誤差、pH測量）、電位滴定（終點確定方法）,電位分析： 通常是由指示電極、參比電極和待測溶液構成原電池，直接測量電池電動勢并利用Nernst公式來確定物質含量的方法。 分類： 直接電位法：測

2、定原電池的電動勢或電極電位，利用Nernst方程直接 求出待測物質含量的方法。 電位滴定法：向試液中滴加可與被測物發(fā)生氧化還原反應的試劑，以 電極電位的變化來確定滴定終點，根據滴定試劑的消耗量間接計算待 測物含量的方法。,11.1 參比電極及其構成 定義：與被測物質無關、電位已知且穩(wěn)定，提供測量電位參考的電極，稱為參 比電極。前述標準氫電極可用作測量標準電極電位的參比電極。但因該 種電極制作麻煩、使用過程中要使用氫氣，因此，在實際測量中，常用 其它參比電極來代替。 一、甘汞電極(Calomel electrode) 定 義：甘汞電極由汞、Hg2Cl2和已知濃度(0.1, 3.5, 4.6M)的

3、KCl溶液組成。 電極組成：Hg Hg2Cl2,KCl(xM) ; 如下圖所示。 電極反應：Hg2Cl2(s) + 2e = 2Hg(l) + 2Cl- 電極電位： 可見，電極電位與Cl-的活度或濃度有關。當Cl濃度不同時，可得到具有不同電極電位的參比電極。(注意：飽和甘汞電極指 KCl 濃度為4.6M),二、Ag/AgCl電極 定 義：該參比電極由插入用AgCl 飽和的一定濃度(3.5M或飽和KCl溶 液)的 KCl 溶液中構成。 電極組成：Ag AgCl,(xM)KCl 電極反應：AgCl + e = Ag + Cl- 電極電位： 構 成：同甘汞電極，只是將甘汞電極內管中的(Hg,Hg2C

4、l2+飽和KCl) 換成涂有AgCl的銀絲即可。 特 點： a) 可在高于60oC的溫度下使用； b) 較少與其它離子反應(但可與蛋白質作用并導致與待測物界面的堵塞),三、參比電極使用注意事項 1）電極內部溶液的液面應始終高于試樣溶液液面！(防止試樣對內部 溶液的污染或因外部溶液與Ag+、Hg2+發(fā)生反應而造成液接面的堵 塞，尤其是后者，可能是測量誤差的主要來源) 2）上述試液污染有時是不可避免的，但通常對測定影響較小。但如果 用此類參比電極測量K+、Cl-、Ag+、Hg2+ 時，其測量誤差可能會 較大。這時可用鹽橋(不含干擾離子的KNO3或Na2SO4)來克服。,11.2 金屬指示電極及其構

5、成 指示電極：電極電位隨被測電活性物質活度變化的電極。 一、金屬基電極： 以金屬為基體，共同特點是電極上有電子交換發(fā)生的氧化還原反應?？煞譃橐韵滤姆N： 1. 第一類電極(Electrode of the first kind)：亦稱金屬基電極(M Mn+) 電極反應： 電極電位： 要 求：0(Mn+/M) 0, 如Cu, Ag, Hg 等；其它元素，如Zn, Cd, In, Tl, Sn, 雖然它們的電極電位較負，因氫在這些電極上的超電位較大，仍可做一些金屬離子的指示電極。,特 點：因下列原因，此類電極用作指示電極并不廣泛。 a)選擇性差，既對本身陽離子響應，亦對其它陽離子響應； b)許多這類

6、電極只能在堿性或中性溶液中使用，因為酸可使其溶解； c)電極易被氧化，使用時必須同時對溶液作脫氣處理； d) 一些“硬”金屬，如Fe, Cr, Co, Ni。其電極電位的重現(xiàn)性差； e) pM-aMn+作圖，所得斜率與理論值(-0.059/n)相差很大、且難以預測； 較常用的金屬基電極有：Ag/Ag+、Hg/Hg22+(中性溶液)；Cu/Cu2+、Zn/Zn2+、Cd/Cd2+、Bi/Bi3+、Tl/Tl+、Pb/Pb2+(溶液要作脫氣處理)。,2. 第二類電極：亦稱金屬-難溶鹽電極（M MXn） 電極反應： 電極電位： 此類電極可作為一些與電極離子產生難溶鹽或穩(wěn)定配合物的陰離子的指示電極;

7、如對Cl-響應的Ag/AgCl和Hg/Hg2Cl2電極，對Y4-響應的Hg/HgY(可在待測EDTA試液中加入少量HgY)電極。 但該類電極最為重要的應用是作參比電極。,3. 第三類電極：M (MX+NX+N+) 其中MX，NX是難溶化合物或難離解配合物。舉例如下。 Ag/Ag2C2O4,CaC2O4,Ca2+ 電極反應：Ag2C2O4+2e=2Ag+ + C2O42- 電極電位： 因為： 代入前式得： 簡化上式得： 可見該類電極可指示Ca2+活度的變化。, 對于難離解的配合物，如Hg/HgY,CaY,Ca2+電極 電極反應：HgY2- + 2e =Hg + Y4- 電極電位： 式中比值aHg

8、Y/aCaY 可視為常數(shù)， 因此得到： 同上例，該電極可用于指示Ca2+活度的變化(測定時，可在試液中加入少量HgY)。,4. 零類電極(Metallic redox indicators)：亦稱惰性電極。 電極本身不發(fā)生氧化還原反應，只提供電子交換場所。 如Pt/Fe3+,Fe2+電極, Pt/Ce4+,Ce3+電極等。 電極反應：Fe3+ + e = Fe2+ 電極電位： 可見 Pt 未參加電極反應，只提供Fe3+及Fe2+之間電子交換場所。 5. 離子選擇性電極(Ion selective electrode, ISE), 在下一節(jié)中詳述。,11.3 膜電位與離子選擇性電極(Membra

9、ne potential and ISE) 一、膜電位及其產生 膜電位=擴散電位(膜內) + Donnan電位(膜與溶液之間) 擴散電位： 液液界面或固體膜內，因不同離子之間或離子相同而濃度不同而發(fā)生擴散即擴散電位。其中，液液界面之間產生的擴散電位也叫液接電位。 這類擴散是自由擴散，正負離子可自由通過界面，沒有強制性和選擇性。 2. Donnan電位： 選擇性滲透膜或離子交換膜，它至少阻止一種離子從一個液相擴散至另一液相或與溶液中的離子發(fā)生交換。這樣將使兩相界面之間電荷分布不均勻形成雙電層產生電位差Donnan 電位。 這類擴散具強制性和選擇性。,三、離子選擇性電極各論 1. pH 玻璃膜電極

10、 玻璃電極是最早使用的膜電極。 1906年，M. Cremer(Z. Biol.,1906,47,562)首先發(fā)現(xiàn)玻璃電極可用于測定； 1909年，F(xiàn). Haber(Z. Phys. Chem., 1909, 67,385)對其系統(tǒng)的實驗研究；1930年代，玻璃電極測定pH的方法是成為最為方便的方法(通過測定分隔 開的玻璃電極和參比電極之間的電位差)； 1950年代，由于真空管的發(fā)明，很容易測量阻抗為100M以上的電極電 位，因此其應用開始普及； 1960年代，對 pH 敏感膜進行了大量而系統(tǒng)的研究，發(fā)展了許多對 K+、 Na+、Ca2+、F-、NO3-響應的膜電極并市場化。,電極構造： 球狀

11、玻璃膜(Na2SiO3，厚0.1mm)+內參比電極(Ag/AgCl)+緩沖液 膜電位產生機理： 當內外玻璃膜與水溶液接觸時，Na2SiO3晶體骨架中的Na+與水中的H+發(fā)生交換： G-Na+ + H+=G-H+ + Na+ 因為平衡常數(shù)很大，因此，玻璃膜內外表層中的Na+的位置幾乎全部被H+所占據，從而形成所謂的“水化層”。,玻璃電極特點： 不對稱電位：當玻璃膜內外溶液 H+ 濃度或 pH 值相等時，從前述公式可知，M=0，但實際上M 不為 0，這說明玻膜內外表面性質是有差異的，如表面的幾何形狀不同、結構上的微小差異、水化作用的不同等。由此引起的電位差稱為不對稱電位。其對 pH 測定的影響可通

12、過充分浸泡電極和用標準 pH 緩沖溶液校正的方法加以消除。 *pH測定前，為什么 pH 玻璃電極要充分浸泡？ 酸差：當用 pH 玻璃電極測定pH1 的強酸性溶液或高鹽度溶液時，電極電位與 pH 之間不呈線性關系，所測定的值比實際的偏高：因為H+ 濃度或鹽份高，即溶液離子強度增加，導致 H2O 分子活度下降，即 H3O+ 活度下降，從而使 pH 測定值增加。 堿差或鈉差：當測定較強堿性溶液pH值時，玻璃膜除對H+響應，也同時對其它離子如 Na+ 響應。因此pH測定結果偏低。當用Li 玻璃代替Na 玻璃吹制玻璃膜時，pH 測定范圍可在114之間。 對H+有高度選擇性的指示電極，使用范圍廣，不受氧化

13、劑還原劑、有色、渾濁或膠態(tài)溶液的 pH 測定；響應快(達到平衡快)、不沾污試液。 膜太薄，易破損，且不能用于含F(xiàn)- 的溶液；電極阻抗高，須配用高阻抗的測量儀表。 通過改變玻璃膜的結構可制成對K+、Na+、Ag+、Li+ 等響應的電極。,2. 晶體膜電極 此類電極可分為單晶(均相)膜和多晶 (非均相)膜電極。前者多由一種或幾種化合物均勻混合而成，后者為晶體電活性物質外，還加入某種惰性材料，如硅橡膠、PVC、聚苯乙烯、石蠟等。 典型的單晶膜有LaF3晶體膜(對F-響應)和Ag2S晶體膜(對S2-響應)。 以LaF3晶體膜為例。 構成： 內電極(Ag-AgCl 電極+NaCl, NaF 液)+LaF

14、3膜,干擾及消除方法 酸度影響：OH-與LaF3反應釋放F-，使測定結果偏高；H+與F-反應生 成HF或HF2-降低F-活度，使測定偏低?？刂苝H5-7可減小這種干擾。 陽離子干擾：Be2+, Al3+, Fe3+, Th4+, Zr4+ 等可與F-絡合，使測定結果偏 低，可通過加絡合掩蔽劑(如檸檬酸鈉、EDTA、鈦鐵試劑、磺基水楊 酸等)消除其干擾。 基體干擾(以活度代替濃度)消除：標準和待測樣品中同時加入惰性電 解質。 通常加入的惰性電解質是總離子強度調節(jié)劑(Total ion strength adjustment buffer, TISAB)，可同時控制pH、消除陽離子干擾、控制離子強

15、度。如通常使用的TISAB組成為：KNO3+NaAc-HAc+檸檬酸鉀。 思考：請寫出測定F-的電池組成。,3. 載體電極(液膜電極) 構成：固定膜(活性物質+溶劑+微孔 支持體)+液體離子交換劑+內 參比電極。 機理：膜內活性物質(液體離子交換 劑)與待測離子發(fā)生離子交換 反應，但其本身不離開膜。 這種離子之間的交換將引起 相界面電荷分布不均勻，從 而形成膜電位。,幾種流動載體電極： NO3-：(季銨類硝酸鹽+鄰硝基苯十二烷醚+5%PVC) Ca2+：(二癸基磷酸鈣+苯基磷酸二辛酯+微孔膜) K+：(冠醚+鄰苯二甲二戊酯+PVC-環(huán)已酮),4. 氣敏電極 該類電極其實是一種復合電極：將 pH

16、 玻璃電極和指示電極插入中介液中，待測氣體通過氣體滲透膜與中介液反應，并改變其 pH 值，從而可測得諸如CO2(中介液為NaHCO3)或NH4+(中介液為NH4Cl)的濃度。 5. 生物電極 有酶電極或生物組織電極等。將生物化學與電化學結合而研制的電極。 酶電極：覆蓋于電極表面酶活性物質(起催化作用)與待測物反應生成可被電極 響應的物質，如 脲的測定 氨基酸測定 上述反應產生的NH4+可由銨離子電極測定。 生物組織電極：由于生物組織中存在某種酶，因此可將一些生物組織緊貼于電極上，構成同酶電極類似的電極。,6. 離子敏感場效應管(ISFET) 它是將場效應晶體管稍作改裝而成。 1)p 型硅作襯底

17、+兩個高摻雜的 ns 和 nd 區(qū)(s極和d 極)+ 涂 SiO2絕緣層(于ns和nd區(qū)之間的表面)作柵級(g) 2) Ugs=0, Uds0, 此時p-nd間構成反向偏置，因d-s間無 導電溝道，故Id=0 3)當Ugs0, g-p間形成電場，空穴受斥移向p內，而Uds 將載流子(電子)吸引到表面，形成導電溝道。 4) 用電極敏感膜代替柵極g，當此敏感膜與試液接觸 時，其表面電荷分布改變，產生的膜電位迭加到s-g 上，從而使Id發(fā)生變化，該響應與離子活度之間的 關系遵循Nernst公式 。 5)在柵極上涂PVC膜，可得到對K+，Ca2+，H+，X-等,二、選擇性系數(shù) (selectivity

18、 coefficient) 定 義：ISE并沒有絕對的專一性，有些離子仍可能有干擾。即離子選 擇性電極除對特定待測離子有響應外，共存(干擾)離子亦會響 應，此時電極電位為: i 為待測離子，j 為共存離子。Kij 為離子選擇性系數(shù)，其值越大，表示ISE 測定 i 離子抗 j 離子的干擾能力越強。,Kij的測定方法： 1）分別溶液法 分別配制相同活度的響應離子i和干擾離子j, 然后分別測定其電位值。 2）混合溶液法 響應離子和干擾離子共存于同一溶液時，亦可通過作圖方法測定選擇性系數(shù)。右圖所示為固定干擾離子濃度的作圖方法。 在交點處，干擾離子和響應離子的電位相等！得到 可通過下式求得干擾離子所帶來

19、的相對誤差：,三、響應時間 定義：指離子指示電極(工作電極)與參比電極從接觸試液開始到電極 電位變化穩(wěn)定(1mV)所需要的時間。影響因素包括電極電位建 立平衡的快慢、參比電極的穩(wěn)定性和溶液的攪拌程度。 四、內阻 電極的內阻決定測量儀器的輸入阻抗(即二者要匹配，否則會帶來較大測量誤差)，包括膜內阻、內參比液和內參比電極的內阻。通常玻璃膜比晶體膜有更大的內阻。 *注意：內阻與總阻抗之比等于測試儀器(讀數(shù))所帶來相對誤差。,11.4 直接電位法 將指示電極與參比電極構成原電池，通過測量電池電動勢，進而求出指示電極電位，然后據Nernst 公式計算待測物濃度cx。但由于有不對稱電位和液接電位，前述公式

20、 因K0, 故不可從上式直接求出cx 一、標準曲線法 步驟： a)待測物標準濃度cs系列的配制； b) 使用TISAB分別調節(jié)標準液和待測液的離子強度和酸度，以掩蔽干擾離子； c)用同一電極體系測定各標準和待測液的電動勢E； d)以測得的各標準液電動勢E對相應的濃度對數(shù)lgcs作圖，得校正曲線； e)通過測得的待測物的電動勢，從標準曲線上查找待測物濃度。,二、標準加入法 步驟： a)先測體積為Vx待測液的電動勢： b)于試液中加入體積為Vs(1%cx)、濃度為Cs(100cx)，再測其電動勢： 其中 因加入待少量測物溶液，離子強度基本不變(x=x)，常數(shù)K亦保持不變，故兩式相減并作整理求得cx

21、,三、測量誤差 電動勢測定的準確性將直接決定待測物濃度測定的準確性： 對式 求導得 *相對誤差為,四、pH值的測定 以pH玻璃電極為指示電極、SCE 電極為參比電極，用 pH 計分別測定 pH已知的緩沖液和待測液的電動勢： 二式相減并整理，得 pH 實用定義 該式其實是標準曲線(pHE作圖)的一種，即兩點校正方法。 定 位：用 pH 已知標準緩沖液(pHs)校準校正曲線的截距； 溫度校正：用 T 調整曲線的斜率。 影響準確度因素：a) pHs 的準確性; b) 緩沖液與待測液基體接近的程度。,pH 測量裝置示意圖,11.4 電位滴定法 一、直接電位滴定 在進行有色或混濁液的滴定時，使用指示劑確定滴定終點會比較困難。此時可采用電位滴定法。酸堿滴定以玻璃電極為指示電極；氧化還原滴定以Pt為指示電極；沉