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1、电位与电导分析法 potentiometry and conductometry Date 第一节 电位分析原理与离子选择电极 b一、电位分析原理 bprinciple of potentiometry analysis b二、离子选择性电极的种类、原 理和结构 btype, principle and structure of ion selective electrode b三、离子选择电极的特性 bspecific property of ion selective electrode principle of potentio-metry analysis and ion select
2、ive electrode Date 一、电位分析原理 principle of potentiometry analysis 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 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； 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 液中待测离子活度而变。 Date 电位分析的理论基础 理论基础：能斯特方程（电极电位与溶液中待测离子间 的定量关系）。 对于氧化还原体系： Ox + ne- = Red 对于金属电极（还原态为金属，活度
3、定为1）： Date 二、离子选择性电极的种类、原理与结构 type , principle and structure of ion selective electrode 离子选择性电极(又称膜电极)。 1976年IUPAC基于膜的特征，推荐将其分为以下几类： 原电极（primary electrodes） 晶体膜电极（crystalline membrane electrodes） 均相膜电极（homogeneous membrane electrodes） 非均相膜电极(heterogeneous membrane electrodes) 非晶体膜电极（crystalline memb
4、rane electrodes） 刚性基质电极（rigid matrix electrodes） 流动载体电极(electrodes with a mobile carrier) 敏化电极（sensitized electrodes） 气敏电极（gas sensing electrodes） 酶电极（enzyme electrodes） Date 离子选择性电极的原理与结构 离子选择性电极又称膜电极。 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。 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。 将膜电极和
5、参比电极一起插到被测溶液中，则电池结构为: 外参比电极被测溶液( ai未知) 内充溶液( ai一定) 内参比电极 内外参比电极的电位值固定，且内充溶液中离子的活度也一 定，则电池电动势为： （敏感膜） Date 1.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0.10.01mol/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）。 Date 原理: 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。对 于一定
6、的晶体膜，离子的大小、形状和 电荷决定其是否能够进入晶体膜内，故 膜电极一般都具有较高的离子选择性。 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 - 0.059 lgaF- = K + 0.059 pF 具有较高的选择性，需要在pH57之间使用，pH高时 ，溶液中的OH-与氟化镧晶体膜中的F-交换，pH较低时，溶 液中的F -生成HF或HF2 - 。 Date 2.玻璃膜（非晶体膜）电极 非晶体膜电极，玻璃膜的组成不同可 制成对不同阳离子响应的玻璃电极。 H+响应的玻璃膜电极：敏感膜厚度 约为0.05mm。 SiO2基质中加入Na2O、Li2O和CaO烧 结
7、而成的特殊玻璃膜。 水浸泡后，表面的Na+与水中的 H+ 交换， 表面形成水合硅胶层 。 玻璃电极使用前，必须在水溶液 中浸泡。 Date pH计 改变膜材料，增加Al2O3，B2O3等可制成Na+、K+、NH4+ 、Rb+、Cs+、Li+和Ag+的离子选择性电极 Date 玻璃膜电极 Date 玻璃膜电位的形成 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： 水化硅胶层厚度：0.0110 m。在水化层，玻璃上的 Na+与溶液中H+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H+经水化层扩 散至干玻璃层，干玻璃层的阳离子向外扩散以
8、补偿溶出的离 子，离子的相对移动产生扩散电位。 两者之和构成膜电位。 Date 玻璃膜电位 玻璃电极放入待测溶液， 25平衡后： H+溶液= H+硅胶 E内 = k1 + 0.059 lg( a2 / a2 ） E外 = k2 + 0.059 lg(a1 / a1 ） a1 、 a2 分别表示外部试液和电极内参比溶液的H+活度； a1 、 a2 分别表示玻璃膜外、内水合硅胶层表面的H+活度； k1 、 k2 则是由玻璃膜外、内表面性质决定的常数。 玻璃膜内、外表面的性质基本相同，则k1=k2 ， a1 = a2 E膜 = E外 - E内 = 0.059 lg( a1 / a2） 由于内参比溶液
9、中的H+活度（ a2）是固定的,则: E膜 = K + 0.059 lg a1 = K - 0.059 pH试液 Date 讨论: (1) 玻璃膜电位与试样溶液中的pH成线性关系。式中K是 由玻璃膜电极本身性质决定的常数； (2) 电极电位应是内参比电极电位和玻璃膜电位之和; (3) 不对称电位(25)： E膜 = E外 - E内 = 0.059 lg( a1 / a2） 如果: a1= a2 ，则理论上E膜=0，但实际上E膜0 产生的原因: 玻璃膜内、外表面含钠量、表面张力以及 机械 和化学损伤的细微差异所引起的。长时间浸泡后（24hr ）恒定（130mV）； Date 讨论: ( 4) 高
10、选择性 ：膜电位的产生不是电子的得失。其它离子 不能进入晶格产生交换。当溶液中Na+浓度比H+浓度高1015 倍时，两者才产生相同的电位； (5) 酸差：测定溶液酸度太大（pH12产生误差，主要是Na+参与 相界面上的交换所致； (7)改变玻璃膜的组成，可制成对其它阳离子响应的玻璃 膜电极； (8) 优点：是不受溶液中氧化剂、还原剂、颜色及沉淀的 影响，不易中毒； (9)缺点：是电极内阻很高，电阻随温度变化。 Date 3.流动载体膜电极（液膜电极） 钙电极：内参比溶液为含 Ca2+ 水溶液。内外管之间装的是 0.1mol/L二癸基磷酸钙(液体离子交 换剂)的苯基磷酸二辛酯溶液。其极 易扩散进
11、入微孔膜，但不溶于水， 故不能进入试液溶液。 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 平衡。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。液膜两面发生的离子交换反应： (RO)2PO2 - Ca2+ (有机相) = 2 (RO)2PO2 -(有机相) + Ca2+ (水相) 钙电极适宜的pH范围是511，可测出10-5 mol/L的Ca2+ 。 Date 流动载体膜电极（液膜电极）的讨论 (1) 流动载体膜电极（液膜电极）的机理与玻璃膜电极相似； (2) 离子载体（有机离子交换剂）被限制在有机相内，但可在相内自由移动， 与试样
12、中待测离子发生交换产生膜电位； (3) 具有R-S-CH2COO-结构的液体离子交换剂，由于含有硫和羧基，可与重金 属离子生成五元内环配合物，对Cu2+、Pd2+等具有良好的选择性； (4) 采用带有正电荷的有机液体离子交换剂，如邻菲罗啉与二价铁所生成的带 正电荷的配合物，可与阴离子ClO4-，NO3-等生成缔合物，可制备对阴离子有选择 性的电极； (5) 中性载体(有机大分子)液膜电极，中空结构，仅与适当离子配合，高选择 性，如颉氨霉素（36个环的环状缩酚酞）对钾离子有很高选择性，KK,Na=3.110 -3； (6) 冠醚化合物也可用作为中性载体。 Date 4.敏化电极 敏化电极是指气敏
13、电极、酶电 极、细菌电极及生物电极等。 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。 气敏电极也被称为：探头、探测器、传感器。 （1）气敏电极 基于界面化学反应的敏化电极； 结构特点: 在原电极上覆盖一层 膜或物质，使得电极的选择性提高。 对电极：指示电极与参比电极组 装在一起； Date 气敏电极一览表 Date （2）酶电极 基于界面酶催化 化学反应的敏化电极 ； 酶特性：酶是具 有特殊生物活性的催 化剂，对反应的选择 性强，催化效率高， 可使反应在常温、
14、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： CO2，NH3，NH4+，CN-，F-，S2-，I-，NO2- Date 酶催化反应： 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 + O2 + H2O 葡萄糖酸 + H2 O2 氧电极检测 R-CHNH2 COO- +O2 +H2 O R-COCOO- +NH4+ +H2 O2 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。 Date （3）组织电极 (tissue electrodes ) 特性：以动植物组织为敏感膜； 优点： a. 来源丰富，许多组织中含有大量的酶； b. 性质稳定，组织细胞中的酶处于天然状态，可发挥较佳 功效； c. 专属性强； d. 寿命较长； e. 制作简便、经济，生物组织具有一定的机械性能。 制作关键：生物组织膜的固定，通常采用的方法有物理 吸附、共价附着、交联、包埋等。 Date 组织电极的酶源与测定对象一览表 Date 5. 离子敏感场效应晶体管 ( ion sensitive fiel
