電化學(xué)分析法

PAGE1電化學(xué)分析法(Electroanalyticalmethods)電化學(xué)分析法是儀器分析的一個(gè)分支。它是使待測對象組成一個(gè)化學(xué)電池，通過測量電池的電位、電流、電導(dǎo)等物理量，實(shí)現(xiàn)對待測物質(zhì)的分析。根據(jù)測定物理量的不同，電化學(xué)分析法又分為電位分析法、庫侖分析法、伏安分析法等。1.1電化學(xué)分析法的基礎(chǔ)知識(shí)1.1.1化學(xué)電池(Electrochemicalcell)簡單的化學(xué)電池是由兩組金屬-溶液體系組成的。每一個(gè)化學(xué)電池有兩個(gè)電極。分別浸入適當(dāng)?shù)碾娊赓|(zhì)溶液中，用金屬導(dǎo)線從外部將兩個(gè)電極連接起來，同時(shí)使兩個(gè)電解質(zhì)溶液接觸，構(gòu)成電流通路。電子通過外電路導(dǎo)線從一個(gè)電極流到另一個(gè)電極，在溶液中帶正負(fù)電荷的離子從一個(gè)區(qū)域移動(dòng)到另一個(gè)區(qū)域以輸送電荷，最后在金屬-溶液界面處發(fā)生電極反應(yīng)，即離子從電極上取得電子或?qū)㈦娮咏唤o電極，發(fā)生氧化-還原反應(yīng)。如果兩個(gè)電極浸在同一個(gè)電解質(zhì)溶液中，這樣構(gòu)成的電池稱為無液體接界電池（圖1.1a）；如果兩個(gè)電極分別浸在用半透膜或燒結(jié)玻璃隔開的、或用鹽橋連接的兩種不同的電解質(zhì)溶液中，這樣構(gòu)成的電池稱為有液體接界電池（圖1.1b）。圖1.1電化學(xué)電池用半透膜、燒結(jié)玻璃隔開或用鹽橋連接兩個(gè)電解質(zhì)溶液，是為了避免兩種電解質(zhì)溶液的機(jī)械混合，同時(shí)又能讓離子通過。在化學(xué)電池內(nèi)，發(fā)生氧化反應(yīng)的電極稱為陽極，發(fā)生還原反應(yīng)的電極稱為陰極。在圖1.1所示的化學(xué)電池中，陽極和陰極上所發(fā)生的氧化還原反應(yīng)如下：在陽極上在陰極上在上述化學(xué)電池內(nèi)，單個(gè)電極上的反應(yīng)稱為半電池反應(yīng)。若兩個(gè)電極沒有用導(dǎo)線連接起來，半電池反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，沒有電子輸出；當(dāng)用導(dǎo)線將兩個(gè)電極連通構(gòu)成通路時(shí)，有電流通過，構(gòu)成原電池。為了簡化起見，常符號來表示化學(xué)電池。圖1.1所示的化學(xué)電池可用符號表示如下：用符號表示化學(xué)電池，習(xí)慣將陽極寫在左邊，陰極寫在右邊。兩邊的垂線表示金屬與溶液的相界。此界面上存在的電位差，稱為電極電位。中間的垂線表示不同電解質(zhì)溶液的界面。該界面上的電位差，稱為液體接界電位。它是由于不同離子擴(kuò)散經(jīng)過兩個(gè)溶液界面時(shí)的速度不同導(dǎo)致界面兩側(cè)陽離子和陰離子分布不均衡而引起的。若兩電解質(zhì)溶液用鹽橋連接，則用兩條垂線表示，用這樣兩條線表示液體接界電位已完全消除。1.1.2電極電位(ElectrodePotential)金屬可以看成是由離子和自由電子組成。金屬離子以點(diǎn)陳排列，電子在其間運(yùn)動(dòng)。如果我們把金屬，例如鋅片，浸入合適的電解質(zhì)溶液（如ZnSO4）中，由于金屬中的化學(xué)勢大于溶液中的化學(xué)勢。鋅就不斷溶解下來進(jìn)入溶液中。進(jìn)入溶液中，電子被留在金屬片上，其結(jié)果是在金屬與溶液的界面上金屬帶負(fù)電，溶液帶正電，兩相間形成了雙電層，建立了電位差，這種雙電層將排斥繼續(xù)進(jìn)入溶液，金屬表面的負(fù)電荷對溶液中的又有吸引，形成了相間平衡電極電位。對于給定的電極而言，電極電位是一個(gè)確定的常量，對于下述電極反應(yīng)：電極電位可表示為(1.1)式中E：電極電位，V；Eo：標(biāo)準(zhǔn)電極電位，V；R：氣體常數(shù)，8.31441J/(mol·k)；T：絕對溫度，k；n：參與電極反應(yīng)的電子數(shù)；F：法拉第常數(shù)，96486.7C/mol；a：參與化學(xué)反應(yīng)各物質(zhì)的活度。式(1.1)是電極電位的基本關(guān)系式。如果以常用對數(shù)表示，并將有關(guān)常數(shù)值代入，式(1.1)可寫為（25℃）(1.2)式(1.2)即著名的能斯特(W.H.Nernst)方程。當(dāng)溶液很稀時(shí)，活度可近似用濃度代替，上式可定為(1.3)如果電極反應(yīng)為根據(jù)式(1.2)，在25℃時(shí)則有(1.4)金屬離子活度，則上式可定為（1.5）假定是Ag絲插入AgNO3中，則電極反應(yīng)為那么，在25℃時(shí)的電極電位為（1.6）如果電極體系是由金屬、該金屬難溶鹽和該難溶鹽的陰離子組成，如Ag-Agcl-Kcl電極體系，電極反應(yīng)為當(dāng)存在Agcl時(shí)，銀離子活度將由溶液中氯離子活度和氯化銀的溶度積KAgcl來決定。（1.7）代入(1.6)式可得（1.8）當(dāng)一定時(shí)，其電極電位是穩(wěn)定的，可以代替標(biāo)準(zhǔn)氫電極作為參比電極（見1.2.1節(jié)）單個(gè)的電極電位是無法測量的，因?yàn)楫?dāng)用導(dǎo)線連接溶液時(shí)，又產(chǎn)生了新的溶液-電極界面，形成了新的電極，這時(shí)測得的電極電位實(shí)際上已不再是單個(gè)電極的電位，而是兩個(gè)電極的電位差了。同時(shí)，只有將欲研究的電極與另一個(gè)作為電位參比標(biāo)準(zhǔn)的電極電位組成原電池，通過測量該原電池的電動(dòng)勢，才能確定所研究的電極的電位。原電池的電動(dòng)勢為(1.9)式中，E陰是陰極電極電位，E陽是陽極電極電位，Ej是液體接界電位，IR是溶液的電阻引起的電壓降?？梢栽O(shè)法使Ej和IR降至忽略不計(jì)，這樣，上式可簡化為E電池=E陰-E陽。如果E陰或E陽是一個(gè)已知的電極電位，那么，由測得的電池電動(dòng)勢減去已知的電極電位，即可求得另一個(gè)電極的電位。作為已知的電極電位的電極，可以采用標(biāo)準(zhǔn)氫電極（SHE），也可以采用作為二級標(biāo)準(zhǔn)電極的銀-氯化銀電極和甘汞電極。表1.1列出了若干電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電位。表1.125℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電極電位電極電極反應(yīng)E0(V)-3.2Li+|LiLi++e=Li-3.045Rb++|RbRb++e=Rb-2.925Cs++e=Cs-2.923K+|KK++e=K-2.925Ra2++2e=Ra-2.916Ba2++2e=Ba-2.906Ca2++2e=Ca-2.866Na+|NaNa++e=Na-2.714La3+|LaLa3++3e=La-2.522Mg2+|MgMg2++2e=Mg-2.363Be2+|BeBe2++2e=Be-1.847HfO2,H+|HfHfO2+4H++4e=Hf+2H2O-1.7Al3+|AlAl3++3e=Al-1.662Ti2+|TiTi2++2e=Ti-1.628Zr4+|ZrZr4++4e=Zr-1.529V2+|VV2++2e=V-1.186Mn2+|MnMn2++2e=Mn-1.180-1.05Se2-|SeSe+2e=Se2--0.92Zn2+|ZnZn2++2e=Zn-0.7628Cr3++3e=Cr-0.744-0.67Ga3+|GaGa3++3e=Ga-0.529S2-|SS+2e=S2--0.51Fe2+FeFe2++2e=Fe-0.4402Cr3++eCr2+-0.408Cd2+|CdCd2++2e=Cd-0.4029Ti3+,Ti2+|PtTi3++e=Ti2+-0.369Tl+|TlTl++e=Tl-0.3363Co2++2e=CoNi2++2e=Ni-0.277-0.250Mo3+|MoSn2+|SnPb2+|PbTi4+,Ti3+|PtD+|D2,PtH+|H2,ptMo3++3e=MoSn2++2e=SnPb2++2e=PbTi4++e=Ti3+D++e=D2H++e=H2-0.20-0.136-0.126-0.04-0.0034±0.000Ge2+|GeSn4+,Sn2+|PtCu2+,Cu+|PtCu2+|CuOH-|O2,PtCu+|CuI-|I2,PtTe4+|TeRh2+|RhFe3+,Fe2+|PtAg+|AgHg2+|HgHg2+,Hg+|PtPd2+|PdBr-|Br2,PtPt2+|PtMn2+,H+|MNO2,PtTl3+,Tl+|PtCl-|Cl2,PtPb2+,H+|PbO2,PtAu3+|AuCe4+,Ce3+|PtAu+|AuH-|H2,,PtF-|F2,PtGe2++2e=GeSn4++2e=Sn2+Cu2++e=Cu+Cu2++2e=CuFe(CN)+e=Fe(CN)O2+H2O+2e=2OH-Cu++e=CuI2+2e=2I-Te4++4e=TeRh2++2e=RhFe3++e=FeAg++e=AgHg2++2e=HgHg2++e=Hg+Pd2++2e=PdBr2+2e=2Br-Pt2++2e=PtTl3++2e=Tl++14H++6e=2Cr3++7H2OCl2+2e=2Cl-PbO2+4H++2e=Pb2++2H2OAu3++3e=AuMnO+4H++3e=MnO2+2H2OCe4++2e=Ce3+PbO2+SO+4H++2e=PbSO4+2H2OAu++e=AuH2+2e=2H-F2+2e=2F-+0.01+0.15+0.153+0.337+0.36+0.401+0.521+0.5355+0.56+0.564+0.60+0.771+0.788+0.7991+0.854+0.91+0.987+1.0652+1.2+1.23+1.25+1.33+1.3595+1.455+1.498+1.695+1.61+1.682+1.691+2.2+2.871.1.3電極的極化(PolarizationonElectrodes)在Ag|AgNO3電極體系中，在平衡狀態(tài)時(shí)，溶液中的銀離子不斷進(jìn)入金屬相，金屬相中的銀離子不斷進(jìn)入溶液，兩個(gè)過程速度相同，方向相反。此時(shí)電極電位等于電極體系的平衡電位。通常把金屬溶解過程叫陰極過程，如Ag→Ag++e。陽離子由溶液析出在金屬電極上的過程叫陰極過程。如Ag++e→Ag。當(dāng)電極上有電流通過時(shí)，如果陰極電流比陽極電流大，電極顯陰極性質(zhì)，陽極電流比陰極大，電極顯陽極性質(zhì)。上述電極的正向、逆向是同一個(gè)反應(yīng)，如果電流方向改變，電極反應(yīng)隨之向相反方向進(jìn)行，那么這種電極反應(yīng)就是可逆的。如果一電極的電極反應(yīng)是可逆的，通過電極的電流非常小，電極反應(yīng)是在平衡電位下進(jìn)行的，這種電極稱為可逆電極。象Ag|AgNO3等許多電極都可以近似作為可逆電極。只有可逆電極才滿足能斯程方程。當(dāng)較大的電流通過電池時(shí)，電極電位將偏離可逆電位，不再滿足能斯程方程，電極電位改變很大而產(chǎn)生的電流變化很小，這種現(xiàn)象稱為極化。極化是一種電極現(xiàn)象，電池的兩個(gè)極都可能發(fā)生極化。影響極化程度的因素很多，主要有電極的大小和形狀，電解質(zhì)溶液的組成，溫度，攪拌情況和電流密度等。極化通常分為濃差極化和化學(xué)極化。濃差極化是由于電極反應(yīng)過程中，電極表面附近溶液的濃度和主體溶液的濃度發(fā)生了差別所引起的。電解作用開始后，陽離子在陰極上還原，致使電極表面附近溶液陽離子減少，濃度低于內(nèi)部溶液，這種濃度差別的出現(xiàn)是由于陽離子從溶液內(nèi)部向陰極輸送的速度，趕不上陽離子在陰極上還原析出的速度，在陰極上還原的陽離子減少了，必然引起陰極電流的下降。為了維持原來的電流密度，必然要增加額外的電壓，也即要使陰極電位比可逆電位更負(fù)一些。這種由濃度差引起的極化稱為濃差極化。電化學(xué)極化是由某些動(dòng)力學(xué)因素引起的。如果電極反應(yīng)的某一步反應(yīng)速度較慢，為了克服反應(yīng)速度的障礙能壘，必須額外多加一定的電壓。這種由反應(yīng)速度慢所引起的極化叫化學(xué)極化或動(dòng)力極化。1.1.4電解(Electrolysis)電流通過化學(xué)電池在電極上發(fā)生電子轉(zhuǎn)移的化學(xué)反應(yīng)過程叫電解。圖1.2是一典型的電解裝置圖1.2電解裝置在CuSO4溶液中插入兩支鉑電極，逐漸增加兩電極間的電壓，開始階段，隨著外加電壓的升高，兩電極間只有很小的電流通過，當(dāng)外加電壓升至某一數(shù)值之后，則隨著電壓的升高電流急劇增加，這一電壓稱為分解電位。此時(shí)電極反應(yīng)如下：陰極陽極由于電解過程的迅速進(jìn)行，兩極間產(chǎn)生較大電流。隨著電解時(shí)間的延長，電活性物質(zhì)濃度降低，通過電解池的電流就逐漸減小，為了使電解電流保持恒定，必須使電解池的電壓調(diào)到更負(fù)。當(dāng)陰極電位負(fù)到一定值時(shí)，第二個(gè)電活性物質(zhì)又開始在電極上析出。如果在酸性溶液中繼續(xù)不斷的電解下去，將使氫在陰極上析出，陰極電位將相對的穩(wěn)定在氫析出電位上。如果在電解過程中控制陰極電位在某一預(yù)定值上，此時(shí)將只有一種離子在此電位下還原析出。電解可以用于物質(zhì)的分析和分離。電解分析法包括電重量法和庫侖分析法。如果溶液中有A、B兩種物質(zhì)，只要陰極電位控制在一個(gè)合適的值，就可以實(shí)現(xiàn)只有A物質(zhì)在陰極上定量析出，而B物質(zhì)不析出。隨著電解的進(jìn)行，電解電流不斷減小，當(dāng)電解電流接近于零時(shí)表示電解已經(jīng)完全。根據(jù)陰極析出的物質(zhì)量可求溶液濃度。這種分析方法叫電重量法。同樣，控制電極電位，使某種待測物質(zhì)在陰極析出，由庫侖計(jì)記錄電解過程所消耗的電量，電解進(jìn)行完全之后，根據(jù)法拉第電解定律，由消耗的庫侖量，可以算出待測物質(zhì)的量，這種分析方法叫庫侖分析法。此外，利用電解還可以進(jìn)行分離，此時(shí)用鉑為陽極，汞池為陰極，控制電位，可以使Fe、Cr、Mo、Ni、Co、Zn、Cd、Cu、Sn、Bi、Au、Ag、Pt、Ga、In、Ti、等得到定量沉積，實(shí)現(xiàn)分離目的。1.2電位分析法(Potentiometry)電位分析法是一種通過測量電極電位來測定物質(zhì)量的分析方法。根據(jù)式(1.5)，如果能測定出電極電位E，則可求出該物質(zhì)的活度或濃度。電極電位的測量需要構(gòu)成一個(gè)化學(xué)電池，一個(gè)電池有兩個(gè)電極，在電位分析中，將電極電位隨被測物質(zhì)活度變化的電極稱為指示電極，將另一個(gè)與被測物質(zhì)無關(guān)的，提供測量電位參考的電極稱為參比電極，電解質(zhì)溶液由被測試樣及其它組分組成。圖1.3是以甘汞電極作為指示電極的電位測量體系，依靠這種體系可以進(jìn)行電位測量。圖1.3電極電位測量體系1.2.1參比電極(Referenceelectrode)參比電極是決定指示電極電位的重要因素，作為一個(gè)理想的參比電極應(yīng)具備以下條件：①能迅速建立熱力學(xué)平衡電位，這就要求電極反應(yīng)是可逆的。②電極電位是穩(wěn)定的，能允許儀器進(jìn)行測量。常用的參比電極有甘汞電極和銀-氯化銀電極。甘汞電極是以甘汞(Hg2cl2)飽和的一定濃度的Kcl溶液為電解液的汞電極，其電極反應(yīng)為電極電位為(1.10)甘汞電極的電極電位隨溫度和氯化鉀的濃度變化而變化，表1.1中列出了不同溫度和不同氯化鉀濃度下甘汞電極的電極電位。其中，在25℃下飽和氯化鉀表1.2不同溫度和不同Kcl濃度下的電極電位電極電極電位，V溫度℃0.1MKcl甘汞3.5MKcl甘汞飽和Kcl甘汞3.5MKclAg-Agcl飽和KclAg-Agcl1025400.33560.2560.2500.2440.24440.2150.2050.1930.2140.1990.184注：以上電位值是相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極的數(shù)值溶液中的電位值(0.2444V)是最常用的電位值。甘汞電極通過其尾端的燒結(jié)陶瓷塞或多孔玻璃與指示電極相連，這種接口具有較高的阻抗和一定的電流負(fù)載能力，因此甘汞電極是一種很好的參比電極。銀-氯化銀電極也是一種廣泛應(yīng)用的參比電極，它是浸在氯化鉀中的涂有氯化銀的銀電極，其電極反應(yīng)為電極電位見式(1.7)，銀-氯化銀電極也是隨溫度和氯化鉀的濃度變化（見表1.1），商品銀-氯化銀電極的外型類似于圖1.3中甘汞電極的外型。在有些實(shí)驗(yàn)中，銀-氯化銀電極絲（涂有Agcl的銀絲）可以作為參比電極直接插入反應(yīng)體系，具有體積小，靈活等優(yōu)點(diǎn)。另外，銀-氯化銀電極可以在高于60℃的體系中使用，甘汞電極不具備這些優(yōu)點(diǎn)。1.2.2指示電極(Indicatorelectrode)指示電極的作用是指示與被測物質(zhì)的濃度相關(guān)的電極電位。指示電極對被測物質(zhì)的指示是有選擇性的，一種指示電極往往只能指示一種物質(zhì)的濃度，因此，用于電位分析法的指示電極種類很多?，F(xiàn)將常用的指示電極簡述如下：1.2.2.1玻璃膜電極(Glassmembraneelectrode)玻璃膜電極是對氫離子活度有選擇性響應(yīng)的電極，其結(jié)構(gòu)如圖1.4(a)所示。圖1.4PH玻璃膜電極玻璃膜內(nèi)為0.1mal/L的Hcl內(nèi)參考溶液，插入涂有Agcl的銀絲作為參比電極，使用時(shí)，將玻璃膜電極插入待測溶液中。在水浸泡之后，玻璃膜中不能遷移的硅酸鹽基團(tuán)（稱為交換點(diǎn)位）中Na的點(diǎn)位全部被H占有，當(dāng)玻璃膜電極外膜與待測溶液接觸時(shí)，由于溶脹層表面與溶液中氫離子活度不同，氫離子便從活度大的相朝活度小的相遷移，從而改變了溶脹層和溶液兩相界面的電荷分布，產(chǎn)生外相界電位V外；玻璃膜電極內(nèi)膜與內(nèi)參考溶液同樣也產(chǎn)生內(nèi)相界電位V內(nèi)，跨越玻璃膜的相間電位E膜可表示為(1.11)式中為膜外部待測氫離子活度，為膜內(nèi)參考溶液的氫離子活度，由于是恒定的，因此(1.12)玻璃膜電極內(nèi)部插有內(nèi)參比電極，因此，整個(gè)玻璃膜電極的電位。如果用已知PH值的溶液標(biāo)定有關(guān)常數(shù)，則由測得的玻璃電極電位可求得待測溶液的PH值。玻璃膜電極對陽離子的選擇性與玻璃成分有關(guān)。若有意在玻璃中引入Al2O3或B2O3成分，則可以增加對堿金屬的響應(yīng)能力，在堿性范圍內(nèi)，玻璃膜電極電位由堿金屬離子的活度決定，而與PH無關(guān)，這種玻璃電極稱為PM玻璃電極，PM玻璃電極中最常用的是PNa電極。用來測定鈉離子的濃度。1.2.2.2離子選擇電極(IonSelectiveElectrode)離子選擇電極是對離子有選擇性指示的電極。玻璃膜電極實(shí)際上也是一種離子選擇電極，本節(jié)簡單介紹玻璃膜電極之外的其它離子選擇電極。1.氟離子選擇電極：這種電極屬于晶體膜電極(Crystallinemembraneelectrode)。氟離子選擇電極的敏感膜是摻EuF2的氟化鑭單晶膜，單晶膜封在聚四氟乙烯管中，管中充入0.1mal/L的NaF和0.1mol/L的Nacl作為內(nèi)參考溶液，插入銀-氯化銀電極作為內(nèi)參比電極（圖1.5）氟離子可在氟化鑭單晶膜中移動(dòng)。將電極插入待測離子溶液圖1.5氟離子選擇電極中，待測離子可吸附在膜表面，它與膜上相同的離子交換，并通過擴(kuò)散進(jìn)入膜相，膜相中存在的晶格缺陷產(chǎn)生的離子也可擴(kuò)散進(jìn)入溶液相。這樣，在晶體膜與溶液界面上建立了雙電層結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生相界電位E，(1.13)式中E為氟離子選擇電極電位，為氟離子活度，K為常數(shù)。由式（1.13）可知，電位E與氟離子活度有關(guān)。上述晶體膜電極把LaF3改變?yōu)锳gcl、AgBr、AgI、CuS，Pbs等難溶鹽和Ag2S，壓片制成薄膜作為電極材料，這樣制成的電極可以作為鹵素離子，銀離子、銅離子、鉛離子等各種離子的選擇性電極。2.硝酸根，鈣、鉀離子選擇電極這種電極屬于液膜電極(Liquidmembraneelectrode)。這種電極是由含有離子交換劑的憎水性多孔膜、含有離子交換劑的有機(jī)相、內(nèi)參比溶液和參比電極構(gòu)成（圖1.6）圖1.6液膜電極對于鈣離子選擇性電極，內(nèi)參液為0.1mal/L的Cacl2溶液，液體膜為多孔性纖維素滲析膜，該滲析膜中含有離子交換劑(0.1mol/L的二癸基磷酸鈣的苯基磷酸二正辛酯溶液)。改變離子交換劑，這種液膜電極可以測定鉀離子，硝酸根離子等。1.2.2.3氣敏電極(GasSensingelectrode)氣敏電極由離子敏感電極、參比電極，中間電解質(zhì)溶液和憎水性透氣膜組成（圖1.7）。它是通過界面化學(xué)反應(yīng)工作的。試樣中待測氣體擴(kuò)散通過透氣膜，圖1.7氣敏電極進(jìn)入離子敏感膜與透氣膜之間形成的中間電解質(zhì)溶液薄層，使其中某一離子活度發(fā)生變化，，由離子敏感電極指示出來，這樣可間接測定透過的氣體。例如CO2、NH3、SO2等氣體可能引起PH的升高或降低，可用PH玻璃電極指示PH變化；HF與水產(chǎn)生F-，可用氟離子選擇電極指示其變化等。除上述氣體外，氣敏電極還可以測定NO2、H2S、HCN、Cl2等。1.2.2.4生物電極(Potentiometricbiosensor)生物電極是將生物化學(xué)和電分析化學(xué)相結(jié)合而研制成的電極。其特點(diǎn)是將電位法電極作為基礎(chǔ)電極，生物酶膜或生物大分子膜作為敏感膜而實(shí)現(xiàn)對底物或生物大分子的分析1酶電極(Enzymeelectrode)酶電極的分析原理是基于用電位法直接測量酶促反應(yīng)中反應(yīng)物的消耗或反應(yīng)物的產(chǎn)生而實(shí)現(xiàn)對底物分析的一種分析方法。它將酶活性物質(zhì)覆蓋在電極表面（圖1.8），這層酶活性物質(zhì)與被測的有機(jī)物或無圖1.8酶電極機(jī)物（底物）反應(yīng)，形成一種能被電極響應(yīng)的物質(zhì)，例如，尿素在尿素酶催化下發(fā)生下面反應(yīng)：(1.14)氨基酸在氨基酸氧化酶催化下發(fā)生反應(yīng)反應(yīng)生成的可用銨離子電極來測定。若將尿素酶涂在銨離子電極上則成為尿素電極，此電極插入含有尿液的試液中，可由于尿素分解出來的的響應(yīng)而間接測出尿素的含量。2.微生物電極(microbialelectrode)微生物電極的分子識(shí)別部分是由固定化的微生物構(gòu)成。這種生物敏感膜的主要特征是：①微生物細(xì)胞內(nèi)含有活性很高的酶體系。②微生物的可繁殖性使該生物膜獲得長期可保存的酶活性，從而延長了傳感器的使用壽命。例如，將大腸桿菌固定在二氧化碳?xì)怏w敏感電極上，可實(shí)現(xiàn)對賴氨酸的檢測分析；將球菌固定在氯氣體敏感電極上，可實(shí)現(xiàn)對精氨酸的檢測。表1.3列出了利用微生物酶資源的電位法微生物電極。表1.3一些電位法微生物電極被測物微生物基礎(chǔ)電極頭孢菌素精氨酸天冬氨酸賴氨酸谷氨酸谷酰胺弗氏檸檬酸桿菌鏈球菌短桿菌大腸桿菌大腸桿菌黃色八疊球菌玻璃電極氨電極氨電極二氧化碳電極二氧化碳電極氨電極微生物菌體系含有天然的多酶系列，活性高，可活化再生，穩(wěn)定性好，作為生物膜傳感器，具有廣泛的應(yīng)用和開發(fā)前景。3電位法免疫電極(Potentiometricimmuneelectrode)生物中的免疫反應(yīng)具有很高的特異性。電位法免疫電極檢測免疫反應(yīng)的發(fā)生實(shí)際上是一種直接的檢測方法。其原理是：抗體與抗原結(jié)合后的電化學(xué)性質(zhì)與單一抗體或抗原的電化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了較大的變化。將抗體（或抗原）固定在膜或電極的表面，與抗原（或抗體）形成免疫復(fù)合物后，膜中電極表面的物理性質(zhì)，如表面電荷密度，離子在膜中的擴(kuò)散速度，發(fā)生了改變，從而引起了膜電位或電極電位的改變。例如，將人絨毛膜促性腺激素(hCG)的抗體通過共價(jià)交聯(lián)的方法固定在二氧化鈦電極上，形成檢測hCG的免疫電極。當(dāng)該電極上hCG抗體與被測液中的hCG形成免疫復(fù)合物時(shí)，電極表面的電荷分布發(fā)生變化。該變化通過電極電位的測量反映出來。同樣，抗體也可以交聯(lián)在乙酰纖維素膜上形成免疫電極（圖1-9）圖1.9hCG電位法免疫電極4組織電極(Tissuebasedmembraneelectrode)使用組織切片作為生物傳感器的敏感膜是基于組織切片有很高的生物選擇性。換句話說，組織電極是以生物組織內(nèi)豐富存在的酶作為催化劑，利用電位法指示電極對酶促反應(yīng)產(chǎn)物或反應(yīng)物的響應(yīng)，而實(shí)現(xiàn)對底物的測量。組織電極所使用的生物敏感膜可以是動(dòng)物組織切片，如腎，肝，肌肉，腸粘膜等；也可以是植物組織切片，如植物的根，莖，葉等。組織電極的典型例子之一是鳥嘌呤測定用的生物電極。其構(gòu)成是用尼龍網(wǎng)將免肝組織切片固定在氨氣體指示電極上（圖1.10）圖1.10鳥嘌呤兔肝組織電極其生物催化反應(yīng)為：有人將兔肝組織電極與酶鳥嘌呤電極作了比較。固定化鳥嘌呤酶電極對鳥嘌呤的響應(yīng)為20.0mV/單位濃度；而鳥嘌呤兔肝組織電極對鳥嘌呤的響應(yīng)為48.0mV/單位濃度。這表明組織電極較酶電極的選擇性高。組織電極中的組織切片的厚度對電極響應(yīng)有一定的影響。而且還涉及底物，酶促反應(yīng)產(chǎn)物，在組織切片內(nèi)相對與基礎(chǔ)電極的擴(kuò)散行為等。一些組織電極列入表1-4。表1-4一些組織電極的酶源和測定對象組織酶原測定對象豬肝兔肝魚肝豬腎鼠腦魚鱗土豆生姜煙草香蕉絲氨酸，L-谷酰氨鳥嘌呤尿酸L-谷酰氨嘌呤，兒茶酚胺兒茶酚胺兒茶酚胺L-抗壞血酸兒茶酚兒茶酚，草酸有些組織電極并不是基于酶反應(yīng)，而是基于組織切片的膜傳輸性質(zhì)。例如，將蟾蜍組織切片帖在離子選擇性電極上，可用于抗利尿激素的檢測。其原理是該激素能打開蟾蜍組織切片中的離子通道，使離子可以穿過膜而達(dá)到離子指示電極的表面。離子的流量與抗利尿激素的濃度相關(guān)。1.2.3電位法測量儀器電極電位的測定是通過測量待測電極與參比電極組成的原電池的電動(dòng)勢來實(shí)現(xiàn)的。因此，電位法測量儀器是將參比電極、指示電極和測量儀器構(gòu)成回路來進(jìn)行電極電位的測量。電位測量儀器分為兩種類型：直接電位法測量儀器和電位滴定法測量儀器。直接電位法儀器有利用PH玻璃電極為指示電極定酸度的PH計(jì)和利用離子選擇電極為指示電極測定各種離子濃度的離子計(jì)。由于許多電極具有很高的電阻，因此，PH計(jì)和離子計(jì)均需要很高的輸入阻抗，而且?guī)в袦囟茸詣?dòng)測定與補(bǔ)償功能。經(jīng)過簡單的標(biāo)定，這種儀器可以直接給出酸度或離子濃度。電位滴定法的儀器又分為手動(dòng)滴定法和自動(dòng)滴定法。手動(dòng)滴定法所需儀器為上述PH計(jì)或離子計(jì)（圖1.11），在滴定過程中測定電極電位變化，然后繪制滴圖1.11電位滴定基本儀器裝置定曲線。這種儀器操作十分不便。隨著電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種自動(dòng)電位滴定儀相繼出現(xiàn)。自動(dòng)滴定儀有兩種工作方式：自動(dòng)記錄滴定曲線方式和自動(dòng)終點(diǎn)停止方式。自動(dòng)記錄滴定曲線方式是在滴定過程中自動(dòng)繪制滴定體系中PH值（或電位值）—滴定體積變化曲線，然后由計(jì)算機(jī)找出滴定終點(diǎn)，給出消耗的滴定體積。自動(dòng)終點(diǎn)停止方式是予先設(shè)置滴定終點(diǎn)的電位值，當(dāng)電位值到達(dá)予定值后。滴定自動(dòng)停止。圖1.12是ZD-2型自動(dòng)電位滴定儀的工作原理圖。圖1-12ZD-2型自動(dòng)電位滴定儀原理圖這種儀器屬于自動(dòng)終點(diǎn)停止方式。使用前，予先設(shè)置化學(xué)計(jì)量點(diǎn)電位值Eo，滴定過程中，被測離子濃度由電極轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，?jīng)調(diào)制放大器放大后，一方面送至電表指示出來（或由記錄儀記錄下來）；另一方面由取樣回路取出電位信號和設(shè)定的電位值Eo比較。其差值△E送到電位—時(shí)間轉(zhuǎn)換器（E-t轉(zhuǎn)換器）作為控制信號。E-t轉(zhuǎn)換器是一個(gè)脈沖電壓發(fā)生器，它的作用是產(chǎn)生開通和關(guān)閉兩種狀態(tài)的脈沖電壓，當(dāng)，E-t轉(zhuǎn)換器輸出脈沖電壓加到電磁閥線圈兩端。電磁閥開啟，滴定正常進(jìn)行，△E=0時(shí)，電磁閥自動(dòng)關(guān)閉。圖中滴液開關(guān)的作用是用于設(shè)置滴定時(shí)電位由低到高，再經(jīng)過化學(xué)計(jì)量點(diǎn)，還是由高到低，再經(jīng)過化學(xué)計(jì)量點(diǎn)兩種不同的情況。延遲電路的作用是滴定到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，電磁閥關(guān)閉，但不馬上自銷，而是延長一定時(shí)間（如l0s），在這段時(shí)間內(nèi)，若溶液電位有返回現(xiàn)象，使△E>o，電磁閥還可以自動(dòng)打開補(bǔ)加滴定液。在l0s之后，即使有電位返回現(xiàn)象，電磁閥也不再打開。1.2.4電位分析方法電位分析法有兩種分析方式：直接電位法和電位滴定法1.2.4.1直接電位法從理論上，將指示電極和參比電極一起浸入待測溶液中組成原電池，測量電池電動(dòng)勢，就可以得到指示電極電位，由電極電位可以計(jì)算出待測物質(zhì)的濃度。但實(shí)際上，所測得的電池電動(dòng)勢包括了液體接界電位，對測量會(huì)產(chǎn)生影響；指示電極測定的是活度而不是濃度，活度和濃度有較大的差別；膜電極不對稱電位的存在，也限制了直接電位法的應(yīng)用。因此，直接電位法不是由電池電動(dòng)勢計(jì)算溶液濃度。而是依靠標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測定。1溶液PH測量PH玻璃電極是測量氫離子活度最重要的指示電極，它和甘汞電極組成的體系是最常用的體系。溶液PH值的測量通常采用與已知PH值的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液相比較的方法進(jìn)行。對于緩沖溶液和未知溶液，測得的電動(dòng)勢分別為：(1.16)(1.17)式中EAgCl,Ag是玻璃膜電極內(nèi)參比電極銀一氯化銀電極的電位，ESCE是外參比電極飽和甘汞電極的電位，Ea是不對稱電位，Ej是液體接界電位，ar是內(nèi)參比溶液氫離子活度，as為緩沖溶液氫離子活度，ax為未知溶液的氫離子活度。若在測量過程中，Ea與Ej保持不變，結(jié)合（1.16）式與（1.17）式，得到未知溶液的pH值為該式稱為PH的操作定義或?qū)嵱枚x，由此可以看出，未知溶液的PH值與未知溶液的電位值成線性關(guān)系。這種測定方法實(shí)際上是一種標(biāo)準(zhǔn)曲線法，標(biāo)定儀器的過程實(shí)際上就是用標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)曲線的截距，溫度校準(zhǔn)則是調(diào)整曲線的斜率。經(jīng)過校準(zhǔn)操作后，PH的刻度就符合標(biāo)準(zhǔn)曲線的要求了，可以對未知溶液進(jìn)行測定，未知溶液的PH值可以由PH計(jì)直接讀出。實(shí)驗(yàn)中用作標(biāo)準(zhǔn)的緩沖溶液的PH值見表1.4。表1.4標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液PH值溫度℃草酸氫鉀0.05mol/L酒石酸氫鉀25℃,飽和鄰苯二甲酸氫鉀0.05mol/LKH2PO40.025mol/LNa2HPO40.025mol/L01.666-4.0036.984101.670-5.9986.923201.675-4.0026.881251.6793.5574.0086.865301.6833.5524.0156.853351.6883.5494.0246.844401.6943.5474.0356.838PH值測定的準(zhǔn)確度決定于標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的準(zhǔn)確度，也決定于標(biāo)準(zhǔn)溶液和待測溶液組成接近的程度。此外，玻璃電極一般適用于PH1-9，PH>9時(shí)會(huì)產(chǎn)生堿誤差，讀數(shù)偏高，PH<1時(shí)會(huì)產(chǎn)生酸誤差，讀數(shù)偏低。2溶液離子活度測定測定離子活度是利用離子選擇電極與參比電極組成電池，通過測定電池電動(dòng)勢來測定離子的活度，這種測量儀器叫離子計(jì)。與PH計(jì)測定溶液PH值類似，各種離子計(jì)可直讀出試液的PM值，不同的是，離子計(jì)使用不同的離子選擇電極和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)溶液來標(biāo)定儀器的刻度。此外，利用電極電位和PM的線性關(guān)系，也可以采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法和標(biāo)準(zhǔn)加入法測定離子活度。標(biāo)準(zhǔn)曲線法是在同樣的條件下用標(biāo)準(zhǔn)物配制一系列不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，由其濃度的對數(shù)與電位值作圖得到校準(zhǔn)曲線，再在同樣條件下測定試樣溶液的電位值，由校準(zhǔn)曲線上讀取試樣中待測離子的含量。該方法的缺點(diǎn)是當(dāng)試樣組成比較復(fù)雜時(shí)，難以做到與標(biāo)準(zhǔn)曲線條件一致，需要靠回收率實(shí)驗(yàn)對方法的準(zhǔn)確性加以驗(yàn)證。標(biāo)準(zhǔn)加入法是將一定體積和一定濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液加入到已知體積的待測試液中，根據(jù)加入前后電位的變化計(jì)算待測離子的含量。例如，某待測溶液加入離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑后的體積為Vx，濃度為Cx，待測離子活度系數(shù)為f，則指示電極電位為(1.18)假定在待測溶液中加入體積為Vs，濃度為Cs的標(biāo)準(zhǔn)溶液，由于加入的標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積遠(yuǎn)小于待測溶液的體積，新溶液的濃度近似為，其中，然后再用同一電極測定電極電位，得(1.19)由于測定條件相同，故K=K’，離子強(qiáng)度基本不變，f=f’。這樣，(1.18)和(1.19)兩式相減，得(1.20)如果令，則(1.20)式可寫為(1.21)式中S為電極的響應(yīng)斜率，意即單位PM變化引起的電位值變化。這樣，由兩次測定的電位差ΔE和加入的標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，即可求得未知溶液的濃度Cx。在實(shí)際測定時(shí)，兩次測量都是電池的電動(dòng)勢，由于測量條件相同，參比電位和液接電位都相同，因此，式(1.21)中ΔE實(shí)際上是兩次測量的電池電動(dòng)勢之差。值得注意的是，應(yīng)由離子選擇性電極測得的物質(zhì)含量為活度，而分析上常常要求濃度，濃度C和活度a之間的關(guān)系為a=fc，f隨試液中離子強(qiáng)度而變化。這樣就無法求得溶液的濃度，為了使試液中離子強(qiáng)度保持一致，通常采用的辦法是在試液中加入惰性鹽，使離子強(qiáng)度恒定，該惰性鹽稱為離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑。由于離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑加入量較大，這樣試液的離子強(qiáng)度基本上由離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑所決定。有時(shí)試液中還要加入PH緩沖劑，消除干擾的掩蔽絡(luò)合劑。例如測定水中氟離子，為了穩(wěn)定PH在一定的范圍，并消除鐵、鋁離子干擾，需要加入PH緩沖劑、絡(luò)合劑、惰性鹽的混合溶液，稱為總離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)緩沖劑（TISAB）。離子選擇