生物学仪器分析备课电化学分析方法

1、一一 、电化学分析方法概述、电化学分析方法概述 电化学分析法是建立在物质在溶液中的电化学电化学分析法是建立在物质在溶液中的电化学性质基础上的一类仪器分析方法。通常将试液作为化性质基础上的一类仪器分析方法。通常将试液作为化学电池的一个组成部分，根据该电池的某种电参数学电池的一个组成部分，根据该电池的某种电参数( (如电阻、电导、电位、电流、电量或电流如电阻、电导、电位、电流、电量或电流- -电压曲线电压曲线等等) )与被测物质的浓度之间存在一定的关系而进行测与被测物质的浓度之间存在一定的关系而进行测定的方法。定的方法。电位分析是通过在零电流条件下测电位分析是通过在零电流条件下测定两电极间的电位差

2、（电池电动势）所定两电极间的电位差（电池电动势）所进行的分析测定。进行的分析测定。 E = E+ - E- + E液接电位装置：参比电极、指示电极、电位差计；装置：参比电极、指示电极、电位差计； 当测定时，参比电极的电极电位保持不变，电池电动势随当测定时，参比电极的电极电位保持不变，电池电动势随指示电极的电极电位而变，而指示电极的电极电位随溶液中待指示电极的电极电位而变，而指示电极的电极电位随溶液中待测离子活度而变。测离子活度而变。：能斯特方程（电极电位与溶液中待测：能斯特方程（电极电位与溶液中待测离子间的定量关系）。离子间的定量关系）。 对于氧化还原体系：对于氧化还原体系： Ox + neO

3、x + ne- - = Red = ReddReOxOOx/RedlnaanFRTEE 对于金属电极（还原态为金属，活度定为对于金属电极（还原态为金属，活度定为1 1）：）：nnMO/MMln anFRTEER:8.31J*K/mol T:绝对温度（K） F:96487C/mol标准氢电极标准氢电极 由于单个电极的电位无法确定，故规定任何温度下标准状态由于单个电极的电位无法确定，故规定任何温度下标准状态的氢电极的电势为零，任何电极的电势就是该电极与标准氢电极的氢电极的电势为零，任何电极的电势就是该电极与标准氢电极所组成的电池的电势，这样就得到了所组成的电池的电势，这样就得到了“氢标氢标”的电极

4、势。标准状的电极势。标准状态是指氢电极的电解液中的氢离子活度为态是指氢电极的电解液中的氢离子活度为1 1，氢气的压强为，氢气的压强为0.10.1兆兆帕（即帕（即1 1大气压）的状态，温度为大气压）的状态，温度为298.15K298.15K。 通常是将镀有一层海绵状铂黑的铂片，浸入到通常是将镀有一层海绵状铂黑的铂片，浸入到H H浓度为浓度为1.0mol/L1.0mol/L的酸溶液中，在的酸溶液中，在298.15K298.15K时不断通入压力为兆时不断通入压力为兆PaPa的纯氢气，的纯氢气，使铂黑吸附使铂黑吸附H2H2气至饱和，这是铂片就好像是用氢制成的电极一样。气至饱和，这是铂片就好像是用氢制成

5、的电极一样。电极电位与溶液中离子活度的关系由能斯特方程式电极电位与溶液中离子活度的关系由能斯特方程式表达：表达：（平衡）（平衡）=(=(标准标准)+(0.0592/n)lg()+(0.0592/n)lg(氧化型氧化型/还原型还原型)还原态为固体，活度定为还原态为固体，活度定为1 1 能斯特方程反映离子浓度改变与电极电势变化的关系，可以能斯特方程反映离子浓度改变与电极电势变化的关系，可以通过测定电极电位，计算出溶液中金属离子活度。通过测定电极电位，计算出溶液中金属离子活度。E =(E =(指示指示)-()-(参比）参比）+(+(液接）液接） E =E =常数常数+(0.0592/n)lg+(0.

6、0592/n)lg（M n+M n+）电池的电动势与被测定离子的活度成一次函数关系。电池的电动势与被测定离子的活度成一次函数关系。液体接界电位： 在两种不同离子的溶液或两种不同浓度的溶液接触界在两种不同离子的溶液或两种不同浓度的溶液接触界面上，存在着微小的电位差，称之为液体接界电位。面上，存在着微小的电位差，称之为液体接界电位。液体接界电位产生的原因：液体接界电位产生的原因： 各种离子具有不同的迁移速率而引起。各种离子具有不同的迁移速率而引起。1、指示电极（常用的、指示电极（常用的PH指示电极为玻璃电极）指示电极为玻璃电极）（1）玻璃电极的构造如图所示。在玻璃管的下端连接）玻璃电极的构造如图所

7、示。在玻璃管的下端连接一个厚度为一个厚度为50-100um的半球形玻璃膜（具有可交换离子的半球形玻璃膜（具有可交换离子的硅酸晶格，对氢离子活度有电势响应的硅酸晶格，对氢离子活度有电势响应 ）。膜内盛有）。膜内盛有0.1mol L-1盐酸称内参比溶液。在参比溶液中插入一根盐酸称内参比溶液。在参比溶液中插入一根镀有氯化银的银丝，构成氯化银电极，为内参比电极。镀有氯化银的银丝，构成氯化银电极，为内参比电极。 玻璃电极使用前，必须在水溶液中浸泡，生成三层结玻璃电极使用前，必须在水溶液中浸泡，生成三层结构，即中间的干玻璃层和两边的水化硅胶层：构，即中间的干玻璃层和两边的水化硅胶层：水化层玻璃上的水化层玻

8、璃上的Na+与溶液中与溶液中H+发生离子交换而产生相界电位。发生离子交换而产生相界电位。 水化层表面可视作阳离子交换剂。溶液中水化层表面可视作阳离子交换剂。溶液中H+经水化层扩散经水化层扩散至干玻璃层，干玻璃层的阳离子向外扩散以补偿溶出的离子，离至干玻璃层，干玻璃层的阳离子向外扩散以补偿溶出的离子，离子的相对移动产生扩散电位。子的相对移动产生扩散电位。 两者之和构成膜电位。两者之和构成膜电位。 玻璃电极放入待测溶液，玻璃电极放入待测溶液， 25平衡后：平衡后： H+（溶液）（溶液）= H+（硅胶硅胶） E内内 = k1 + 0.059 lg( a2 / a2 ） E外外 = k2 + 0.05

9、9 lg(a1 / a1 ）a a1 1 、 a a2 2 ：试液和电极内参比溶液的试液和电极内参比溶液的H+H+活度；活度； a a1 1 、 a a2 2 ：玻璃膜外、内水合硅胶层表面的：玻璃膜外、内水合硅胶层表面的H+H+活度；活度；k k1 1 、 k k2 2 ：由玻璃膜外、内表面性质决定的常数。：由玻璃膜外、内表面性质决定的常数。 （k1=k2 ， a1 = a2） E膜膜 = E外外 - E内内 = 0.059 lg( a1 / a2）由于内参比溶液中的由于内参比溶液中的H+活度活度（ a2）是固定的是固定的,则则: E膜膜 = K + 0.059 lg a1 = K - 0.0

10、59 pH（试液（试液 ）E = 常数常数 + - 0.059 pH（试液（试液 ） 由此可以看出，玻璃电极的电极电位与试液的由此可以看出，玻璃电极的电极电位与试液的PH成线性关系。成线性关系。2、甘汞电极电极（常用为、甘汞电极电极（常用为pH测定的参比电极）测定的参比电极）甘汞电极的电极电位取决于电极内部的氯离子活度，与甘汞电极的电极电位取决于电极内部的氯离子活度，与试液中的氢离子活度无关，因此可以作为参比电极。试液中的氢离子活度无关，因此可以作为参比电极。3、溶液、溶液pH的测定的测定E =(指示指示)-(参比）参比）+(液接）液接）离子选择性电极又称膜电极离子选择性电极又称膜电极特点：仅

11、对溶液中特定离子有选择性响应。特点：仅对溶液中特定离子有选择性响应。膜电极的关键：是一个称为选择膜的敏感元件。膜电极的关键：是一个称为选择膜的敏感元件。敏感元件：单晶、混晶、液膜、功能膜及生物膜等构成。敏感元件：单晶、混晶、液膜、功能膜及生物膜等构成。膜电位：膜内外被测离子活度的不同而产生电位差。膜电位：膜内外被测离子活度的不同而产生电位差。 结构：右图结构：右图 敏感膜：敏感膜：(氟化镧单晶切片氟化镧单晶切片) 内参比电极：内参比电极：Ag-AgCl电极电极(管内管内)。 内参比溶液：内参比溶液：0.1mol/L的的NaCl和和0.001mol/L的的NaF混合溶液（混合溶液（F-用来控制膜

12、内表面的电位，用来控制膜内表面的电位，Cl-用以固定内参比电极的电位）。用以固定内参比电极的电位）。 LaF LaF3 3的晶格中有空穴的晶格中有空穴，在晶格上的，在晶格上的F F-可可以移入晶格邻近的空穴而导电。对于一定的以移入晶格邻近的空穴而导电。对于一定的晶体膜，离子的大小、形状和电荷决定其是晶体膜，离子的大小、形状和电荷决定其是否能够进入晶体膜内，故膜电极一般都具有否能够进入晶体膜内，故膜电极一般都具有较高的离子选择性。较高的离子选择性。 当氟电极插入到当氟电极插入到F F- -溶液中时，溶液中时，F F- -在晶体在晶体膜表面进行交换。膜表面进行交换。2525时：时： E膜膜 = K

13、 - 0.059 lgaF- = K + 0.059 pF 具有较高的选择性，但需要在具有较高的选择性，但需要在pH57之间使用。之间使用。 钙电极钙电极：内参比溶液为含内参比溶液为含 Ca2+水溶液。水溶液。内外管之间装的是内外管之间装的是0.1mol/L二癸基磷酸钙二癸基磷酸钙(液液体离子交换剂体离子交换剂)的苯基磷酸二辛酯溶液。其极的苯基磷酸二辛酯溶液。其极易扩散进入微孔膜，但不溶于水，故不能进易扩散进入微孔膜，但不溶于水，故不能进入试液溶液。入试液溶液。 二癸基磷酸根可以在液膜二癸基磷酸根可以在液膜-试液两相界面间传递钙离子，直至达到试液两相界面间传递钙离子，直至达到平衡。由于平衡。由

14、于Ca2+在水相（试液和内参比溶液）中的活度与有机相中的活在水相（试液和内参比溶液）中的活度与有机相中的活度差异，在两相之间产生相界电位。液膜两面发生的离子交换反应：度差异，在两相之间产生相界电位。液膜两面发生的离子交换反应： (RO)2PO2 - Ca2+ (有机相有机相) = 2 (RO)2PO2 -(有机相有机相) + Ca2+ (水相水相) 钙电极适宜的钙电极适宜的pH范围是范围是511，可测出，可测出10-5 mol/L的的Ca2+ 。基于界面化学反应的敏化电极；基于界面化学反应的敏化电极；结构特点结构特点: 在原电极上覆盖一层膜或在原电极上覆盖一层膜或物质，使得电极的选择性提高。物

15、质，使得电极的选择性提高。对电极：对电极：指示电极与参比电极组装指示电极与参比电极组装在一起；试样中待测组分气体扩散在一起；试样中待测组分气体扩散通过透气膜，进入离子选择电极的敏感膜与透气膜之间的极通过透气膜，进入离子选择电极的敏感膜与透气膜之间的极薄液层内，使液层内离子选择电极敏感的离子活度变化，则薄液层内，使液层内离子选择电极敏感的离子活度变化，则离子选择电极膜电位改变，故电池电动势也发生变化。气敏离子选择电极膜电位改变，故电池电动势也发生变化。气敏电极也被称为：探头、探测器、传感器。电极也被称为：探头、探测器、传感器。（3 3）气敏电极）气敏电极 基于界面基于界面酶催化酶催化化化学反应的

16、敏化电极；学反应的敏化电极； 酶特性酶特性：酶是具有酶是具有特殊生物活性的催化剂，特殊生物活性的催化剂，对反应的选择性强，催对反应的选择性强，催化效率高，可使反应在化效率高，可使反应在常温、常压下进行；常温、常压下进行； 可被现有离子选择性电极检测的常见的酶催化产物：可被现有离子选择性电极检测的常见的酶催化产物： CO2，NH3，NH4+，CN-，F-，S2-，I-，NO2- CO(NH2 )2 + H2O 2NH3 + CO2 氨电极检测尿酶葡萄糖氧化酶氨基酸氧化酶葡萄糖葡萄糖 + O2 + H2O 葡萄糖酸葡萄糖酸 + H2 O2 氧电极检测R-CHNH2 COO- +O2 +H2 O R

17、-COCOO- +NH4+ +H2 O2 氨基酸通过以上反应后检测，或进一步氧化放出氨基酸通过以上反应后检测，或进一步氧化放出CO2 ，用气敏电极检测。用气敏电极检测。注意事项：注意事项： 当离子浓度较小时，当离子浓度较小时， 1 1、分解电压与析出电位、分解电压与析出电位分解电压：分解电压：使电解质溶液继续不断地电解所需施加的最低使电解质溶液继续不断地电解所需施加的最低外加电压，叫做外加电压，叫做分解电压分解电压。电解质溶液电解时施加的电压，。电解质溶液电解时施加的电压，主要用来克服电解时体系中产生的反电动势。主要用来克服电解时体系中产生的反电动势。 析出电位：析出电位：分解电压是对电池整体

18、而言的。若对某工作电极的电分解电压是对电池整体而言的。若对某工作电极的电极反应来说，还可用析出电位来表达。如果电解池中再配上一支极反应来说，还可用析出电位来表达。如果电解池中再配上一支参比电极，在不同外加电压下监测工作电极的电流，并测量电解参比电极，在不同外加电压下监测工作电极的电流，并测量电解电流，绘制电流，绘制i-i-曲线，同样可以得出，只有工作电极的电位达到曲线，同样可以得出，只有工作电极的电位达到某一值时，电极反应才发生，这个电位称为析出电位，定义为：某一值时，电极反应才发生，这个电位称为析出电位，定义为：能使物质在阴极迅速、连续不断的进行电极反应而还原所需的最能使物质在阴极迅速、连续不断的进行电极反应而还原所需的最正的阴极电位，或在阳极被氧化所需的最负的阳极电位。正的阴极电位，或在阳极被氧化所需的最负的阳极电位。 电位分析是通过在零电流条件下测电位分析是通过在零电流条件下测定两电极间的电位差（电池电动势）所定两电极间的电位差（电池电动势）所进行的分析测定。进行的分析测定。 E = E+ - E- + E液接电位装置：参比电极、指示电极、电位差计；装置：参比电极、指示电极、电位差计； 当测定时，参比电极的电极电位保持不变，电池电动势随当测定时，参比电极的电