第三章-电化学分析仪器与技术

第三章电化学分析仪器与技术程江重点提示1．什么是电位分析技术？2．仪器常用的参比电极和离子选择电极有哪些？3．电解质分析仪的基本构成是什么？4．pH、PCO2、PO2电极的工作原理是什么？5．电解质分析仪由哪些系统组成？6．决定仪器测定结果准确度和灵敏度的是哪部分系统？7．电解质分析仪的液路系统是如何组成的？8．血气分析仪的基本组成和工作原理是什么？目录第一节电位分析技术原理第二节电解质分析仪第三节血气分析仪前言测定物理量确定电位电流电导电量参与反应的化学物质的量•电化学分析技术是根据物质的电化学性质确定物质成分的一种分析方法。•方法：电位分析法、电导分析法、电解分析法、库仑分析法、极谱法和伏安法等。•特点：快速、灵敏、准确、仪器简单、便于自动化等。第一节电位分析技术原理电位分析技术定义及分类•定义:通过测定电池电动势以确定被测物含量的方法。•分类：直接电位法电位滴定法一、化学电池化学电池：化学能与电能相互转换的电化学反应装置。原电池：将本身的化学能转换成电能。电解池：将电能转换成化学能。一、化学电池原电池：将化学能转变成电能装置。组成：以铜锌原电池为例（-）Zn极：Zn-2e==Zn2+（+）Cu极：Cu2++2e==Cu电池反应：Zn+Cu2+==Zn2++Cu（反应自发进行）[讨论：盐桥的作用？维持溶液中各部分保持电中性；消除液接电位。]一、化学电池半电池又称电极，在单个电极上发生的反应称为半电池反应或电极反应。构成原电池的条件：两个电极、电解质溶液和导线连接的闭合回路。无液体接界电池：两个电极浸在同一个电解质溶液中所构成的电池。有液体接界电池：两个电极分别浸在用半透膜或烧结玻璃隔开的，或用盐桥连接的两种不同的电解质溶液中，这样构成的电池。二、参比电极与指示电极参比电极（referenceelectrode）又称参考电极，是在测量溶液的电位时提供基准电位的电极。参比电极应具备：①能迅速建立热力学平衡电位，要求电极反应是可逆的；②电极电位是稳定的，允许仪器进行测量。常用参比电极：甘汞电极和银-氯化银电极。二、参比电极与指示电极指示电极（indicatorelectrode）电位随待测物溶液浓度变化而变化，根据电位的大小指示溶液离子的浓度。指示电极常与参比电极组成工作电池。指示电极条件：①电极电位与溶液离子的浓度或活度关系符合Nernst方程式；②响应快、重现性好；③结构简单、便于使用。常用指示电极：离子选择性电极和一些金属或非金属电极。参比电极------甘汞电极由Hg-Hg2Cl2-KCl溶液组成•电极反应:2Hg＋2Cl⁻＝Hg2Cl2＋2e•特点:较高的阻抗一定的电流负载能力参比电极------银-氯化银电极•电极反应:Ag＋Cl⁻＝AgCl＋e•特点:体积小灵活三、离子选择电极①电极腔体，由玻璃或高分子聚合物材料做成；②内参比电极，通常为Ag/AgCl电极；③内参比溶液，由氯化物及响应离子的强电解质溶液组成；④敏感膜，对离子具有高选择性的响应膜。•定义：离子选择电极是一种以电位法测量溶液中某些特定离子活度的指示电极。•Nernst方程•基本构造：ISE与仪器内的参比电极浸入样品试液中构成一个原电池，仪器测量原电池的电动势（电位差）E，就可转化成被测离子的活度或浓度。E=EISE-E参比xxfCnFEkln2.303RT）（参比=特定的ISE，其敏感膜材料可对某一离子特异性响应，产生膜电位。三、离子选择电极刚性基质电极H+、Li+流动载体电极（液膜）敏化电极气敏电极、氨电极、硫化氢电极酶电极、葡萄糖电极、组织电极晶体膜电极原电极非晶体膜电极均相膜电极LaF、Ag2S非均相膜电极Ag2S-CuS离子选择电极种类•分类：三、离子选择电极(1)晶体膜电极（crystallinemembraneelectrode，CME）•按敏感膜结构分均相晶体膜电极：单晶膜电极由难溶解盐单晶压制而成，如LaF3氟电极；多晶膜电极由难溶盐多晶粉末，如氯电极用AgCl粉末高压抛光而成。非均相膜电极由电活性物质（难溶盐）均匀分布于惰性粘合材料中，经加热加压制成。氟离子选择电极晶体膜电极（氟电极）结构：右图敏感膜：(氟化镧单晶)掺有EuF2的LaF3单晶切片；内参比电极：Ag-AgCl电极(管内)。内参比溶液：0.1mol/L的NaCl和0.1mol/L的NaF混合溶液（F-用来控制膜内表面的电位，Cl-用以固定内参比电极的电位）。LaF3的晶格中有空穴，在晶格上的F-可以移入晶格邻近的空穴而导电。离子的大小、形状和电荷决定其是否能够进入晶体膜内。当氟电极插入到F-溶液中时，F-在晶体膜表面进行交换。25℃时：E膜==K-0.059lgaF-=K+0.059pF原理:FanFRTKln三、离子选择电极pH玻璃电极(2)玻璃电极（重点要求）①电极腔体：玻璃管；②内参比电极：涂有AgCl的银丝；③内参比溶液：0.1mol/L的HCl溶液；④敏感膜：玻璃膜。三、离子选择电极pH电极的水化：pH玻璃电极在使用前将电极放在蒸馏水或缓冲液中浸泡24小时以上。在水化层形成的过程中的交换反应可表示如下：≡SiO-Na+(表面)+H+===≡SiO-H+(表面)+Na+(溶液)pH玻璃电极的响应机制：①硅酸盐玻璃中含有金属离子、氧和硅；②敏感膜水化胶层的形成；③电极浸入待测试液中，玻璃膜内外界面与溶液之间均产生界面电位，形成膜电位及电极电位。三、离子选择电极•一种液体敏感膜，由电活性物质（载体）、有机溶剂、支撑膜（微孔膜）三部分组成。•根据液体敏感膜电活性载体性质分为三种类型：阳性液膜电极：载体带正电荷，对阴离子响应，如硝酸根离子选择电极；阴性液膜电极：载体带负电荷，对阳离子响应，如钙离子选择电极；中性液膜电极：载体含未成键的电子，对阳离子响应，如钾离子选择电极。(3)流动载体电极（electrodewithamobilecarrier）钙离子电极结构内参比溶液:Ca2+水溶液。液膜(内外管之间)：0.1mol/L二癸基磷酸(液体离子交换剂)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，故不能进入试液溶液。钙离子电极是液膜电极的代表，其结构如上图。多孔性膜是疏水性的，仅支持离子交换剂形成一层薄膜—即为电极的敏感膜。钙离子电极的电位二癸基磷酸根可以在液膜-试液两相界面间来回迁移，传递钙离子，直至达到平衡。在薄膜两面的界面发生离子交换反应：RCa=Ca2++R2-。由于Ca2+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。在25℃时为：2lg2059.0Ca膜KE钙电极适宜的pH范围是5～11，可测出10-5mol/L的Ca2+。三、离子选择电极•气体传感器，以原电极作为指示电极与参比电极一起插入电极管内组成复合电极，电极管中充有特定的电解质溶液称为中介液，在电极管的端部紧贴离子选择电极敏感膜处，用透气膜将中介液与外部试液隔开，构成气敏电极。•测量时，待测溶液中的气体通过透气膜进入中介液内发生反应，引起中介液某种离子化学平衡移动，电极电位也发生变化。该离子可用指示电极测定，从而可以测定待测溶液气体组分的分压，常用的气敏电极是O2电极和CO2电极。(4)气敏电极（gassensingelectrode）三、离子选择电极•指示电极的敏感膜上覆盖酶，当酶接触待测物质时，利用酶的特殊催化反应使待测物质明显减少或增加，该变化再转换为电极中的电位或电流变化。•基础电极的选择与酶促反应中产生或消耗的电极相应活性物质有关。•酶电极的基础电极主要包括电流型电极和电位型电极。（5）酶电极（enzymeelectrode）三、离子选择电极离子选择电极的性能参数•线性范围和检测下限。线性范围：校准曲线的直线部分所对应的离子活度范围。检测下限：校准曲线的直线部分与水平部分延长线的交点所对应的离子活度。•响应斜率：在Nernst响应范围内，离子选择电极对离子活度增加10倍时的电位变化值称为实际响应斜率。•选择系数：反应ISE抵抗其他干扰离子的能力。•响应时间：指ISE和参比电极一起接触试液到电极电位趋于稳定数值（波动小于1mV）所需的时间。线性范围和响应时间一般线性范围在10-1～10-6mol/L；响应时间：电极浸入试液后达到稳定的点位需要的时间。平衡时间越短越好。可通过搅拌缩短平衡时间；测量不同浓度试液时，应由低到高测量。四、直接电位分析法与电位滴定分析法•电位分析法（potentiometry）利用电极电位与溶液中待测物质离子的活度（或浓度）的关系进行分析的一种电化学分析法。•直接电位分析法在相同条件下，分别将标准液和试样作为工作电池溶液，测定其电位值，与标准溶液比较推算出试样溶液中特定离子活（浓）度。•电位滴定法利用滴定过程中电动势突跃变化来确定终点的滴定分析法。四、直接电位分析法与电位滴定分析法（一）直接电位分析法•标准比较法（直读法）•标准曲线法•标准加入法（二）电位滴定法•滴定终点确定•自动电位的滴定三、离子选择性电极的测量方法1、标准比较法2、标准曲线法3、标准加入法两种溶液，pH已知的标准缓冲溶液s和pH待测的试液x。测定各自的电动势为：若测定条件完全一致，则K’s=K’x,两式相减得：式中pHs已知，实验测出Es和Ex后，即可计算出试液的pHx，ICPAC推荐上式作为pH的实用定义。使用时，尽量使温度保持恒定并选用与待测溶液pH接近的标准缓冲溶液。X'S'pH303.2;pH303.2FRTKEFRTKEXXSSFRTEESX/303.2pHpHSX1、标准比较法三、离子选择性电极的测量方法2、标准曲线法分别测定各溶液的电位值，并绘制E-lgci关系曲线。注意：离子活度系数保持不变时，膜电位才与logci呈线性关系。Elgci用待测离子的纯物质配制一系列不同浓度的标准溶液，ianFRTEEln3、标准加入法设某一试液体积为V0，其待测离子的浓度为cx，往试液中准确加入一小体积Vs(大约为V0的1/100)的用待测离子的纯物质配制的标准溶液,浓度为Cs(约为Cx的100倍)。由于V0Vs，可认为溶液体积基本不变。则：浓度增量为：⊿c=CsVs/V0)lg(303.21xiicxnFRTKE)lg(303.222222cxcxnFRTKEx可以认为γ2≈γ1，χ2≈χ1。则：)1lg(303.212xccnFRTEEE1/)110()1lg(;303.2sExxccccSEnFRTS则：令：1.电位滴定装置与滴定曲线记录每次滴定时的滴定剂用量（V）和相应的电动势数值（E），作图得到滴定曲线。通常采用三种方法来确定电位滴定终点。2.电位滴定终点确定方法VVEVEVE1222)()((1)E-V曲线法：图（a）简单，准确性稍差。(2)ΔE/ΔV-V曲线法：图（b）一阶微商由电位改变量与滴定剂体积增量之比计算之。(3)Δ2E/ΔV2-V曲线法：图（c）Δ2E/ΔV2二阶微商。第二节电解质分析仪电解质分析仪电解质分析仪（electrolyteanalyzer）采用离子选择电极（ISE）测量溶液中离子浓度的仪器。测定指标：生物样品中的K+、Na+、Cl-、Ca2+、Li+、Mg2+、pH值等。一、电解质分析仪的分类与工作原理（一）电解质分析仪的分类按结构、测量方法、自动化程度、电极检测方式等。（二）离子选择电极钾、钠、氯三种电极是临床电解质分析仪器上常用电极。钾、钠、氯三种离子选择电极计量性能要求批内重复性≤1.5%，示值误差（平均偏倚）≤±4%，10分钟内稳定性≤2%。一、电解质分析仪的分类与工作原理（三）电解质分析仪的工作原理样品通过某离子选择性电极时由某相应的电解质渗过电极膜时产生了电流，通过对该电流的放大，同标准液A标及B标通过电极时产生的电流进行对数及斜率比较，计算出样品中某一电解质的值。二、电解质分析仪的结构显示器分析箱Na电极K电极参比电