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1、氟离子选择电极法氟离子选择电极法测定氟化物的有关技术测定氟化物的有关技术张亚平张亚平厦门市疾病预防控制中心厦门市疾病预防控制中心2007.5地方病检测技术培训班讲义地方病检测技术培训班讲义 1内容纲要内容纲要一、氟离子选择电极分析技术一、氟离子选择电极分析技术 二、氟电极法测定结果的影响因素及其消除方法二、氟电极法测定结果的影响因素及其消除方法三、仪器测试装置的正确使用三、仪器测试装置的正确使用2 一、氟离子选择电极分析技术一、氟离子选择电极分析技术 1、 有关电极的概念有关电极的概念离离子子选选择择性性电电极极(ISE)： 对对某某种种特特定定的的离离子子，具具有有选选择择性性响响应应。它它
2、能能将将溶溶液液中中特特定定的的离离子子含含量量转转换换成成相相应应的的电电位位，从从而而实实现现化化学学量量电电学学量量的的转转换换，而而对溶液中的离子浓度进行测量。对溶液中的离子浓度进行测量。指指示示电电极极：电电极极电电位位与与溶溶液液中中待待测测离离子子活活度度（或或浓浓度度）呈呈Nernst响响应应的的电电极极称称为为指指示示电电极极。在在氟氟化化物物测定的离子选择电极法中氟电极为指示电极。测定的离子选择电极法中氟电极为指示电极。参参比比电电极极：是是指指在在温温度度一一定定的的条条件件下下，电电极极电电位位已已知知，且且不不随随待待测测溶溶液液的的组组成成改改变变而而改改变变。在在
3、氟氟化化物物测定的离子选择电极法中甘汞电极为参比电极。测定的离子选择电极法中甘汞电极为参比电极。3氟氟电电极极的的膜膜电电位位是是随随试试液液中中氟氟离离子子活活度度的的变变化化而而变变化化，这这种种响响应应在在一一定定的的活活度度区区间间内内电电位位和和活活度度之间符合之间符合Nernst方程。其方程式为：方程。其方程式为： (1) T= 273.15 + t(被测液温度被测液温度) ，niaF = r F ， r 为为活活度度系系数数，当当在在稀稀电电解解质质溶溶液液中中r1， F为被测离子浓度。为被测离子浓度。所所以以，在在稀稀溶溶液液中中活活度度与与浓浓度度接接近近，由由式式(1)可可
4、见见，电电位位E与与 -log aF 或或 -log F成成直直线线关关系系，因因此此可可以以通过测定通过测定E值，可求出值，可求出aF或或F 。 42、 离子选择电极的特征参数离子选择电极的特征参数 电极的选择性电极的选择性事事实实上上，所所有有的的离离子子电电极极在在不不同同程程度度上上受受到到干干扰扰离离子子的的影影响响。只只有有那那些些对对待待测测离离子子具具有有选选择择性性响响应应的的电电极极才才具具有有实实际际应应用用价价值值。因因此此，选选择择性性是是离离子子电电极极最最重重要要的的性性能能指指标标之之一一。电电极极的的选选择择性性用用选选择择性性系系数数来来描描述。述。在在考考
5、虑虑共共存存离离子子干干扰扰影影响响时时，可可以以由由修修正正的的NernstNernst方方程式来表示电极电位。程式来表示电极电位。5 3 3、 线性范围和检测下限线性范围和检测下限 线线性性范范围围：各各种种离离子子电电极极在在一一定定的的条条件件下下，其其电电极极电电位位与与待待测测离离子子活活度度间间符符合合NernstNernst关关系系。所所得得到到的的E E - -log(log(ai) )曲曲线线中中直直线线部部分分所所对对应应的的浓浓度范围称为度范围称为ISEISE的线性范围。的线性范围。 检检测测下下限限：表表明明离离子子选选择择电电极极可可进进行行有有效效测测量量待待测测
6、离离子子的的最最低低浓浓度度。目目前前大大多多数数商商品品电电极极的的检测下限为检测下限为1 11010-7-71 11010-5-5mol/Lmol/L。6-7 主主要要因因素素是是电电极极膜膜活活性性物物质质在在溶溶液液中中的的溶溶解解度度，即测定下限不能低于电极膜活性物质的溶解度。即测定下限不能低于电极膜活性物质的溶解度。 测试方法和溶液的组成。测试方法和溶液的组成。 电极的预处理及搅拌速度等。电极的预处理及搅拌速度等。 影响检测下限的因素：影响检测下限的因素：8 4、 电极斜率电极斜率s在在线线性性范范围围内内，当当待待测测离离子子的的活活度度变变化化一一个个数数量量级级时时所所引引起
7、起的的电电极极电电位位变变化化值值（mV）称称为为该该电电极极对所给定离子的斜率，即为对所给定离子的斜率，即为E-logai曲线的斜率曲线的斜率 。理理论论值值：表表示示为为s = 2.303RT/(niF)。反反映映了了被被测测离离子子的的活活度度变变化化1010倍倍时时，膜膜电电极极将将其其转转换换为为电电位位的的能能力力，2525时时一一价价离离子子为为59.1659.16mV。在在实实际际应应用用时时由由于于电电极极性性能能变变化化，电电极极的的斜斜率率会会偏偏离离理理论论值值。若电极的斜率过低，将增大测量的误差。若电极的斜率过低，将增大测量的误差。判判断断：一一般般认认为为电电极极的
8、的实实测测s达达到到理理论论值值的的90%90%以以上可认为质量较好，小于上可认为质量较好，小于70%70%则认为电极不合格。则认为电极不合格。9 5、 响应时间及稳定性响应时间及稳定性 响响应应时时间间：指指电电极极浸浸入入试试液液后后达达到到稳稳定定电电位位（1mv ）所所需时间。一般几秒至几分钟不等。需时间。一般几秒至几分钟不等。 电极响应时间及稳定性的影响因素：电极响应时间及稳定性的影响因素： 与电极膜本身结构、性质、溶解度、厚度、光洁度等有关。与电极膜本身结构、性质、溶解度、厚度、光洁度等有关。 与待测液的浓度有关。与待测液的浓度有关。 与与被被测测离离子子到到达达电电极极表表面面的
9、的速速度度有有关关：搅搅拌拌溶溶液液可可加加速速被被测测离离子子到到达达电电极极表表面面的的速速率率，从从而而加加快快电电极极达达到到平平衡衡的的时时间间。所所以以在在测测量量为为未未知知溶溶液液时时，应应该该与与标标准准品品在在同同一一搅搅拌拌速度下进行。速度下进行。 与与共共存存离离子子的的种种类类和和浓浓度度有有关关：当当共共存存于于被被测测液液中中的的离离子子为为不不干干扰扰离离子子时时，它它的的存存在在能能缩缩短短响响应应时时间间，当当共共存存离离子子为干扰离子时，将增加响应时间。为干扰离子时，将增加响应时间。10 温温度度：温温度度升升高高时时，将将缩缩短短电电极极的的响响应应时时
10、间间。加加快快离离子子交交换换速速度度，降降低低内内阻阻，加加快快电电荷荷在在膜膜内内传传导。导。 稳稳定定性性：是是指指电电极极保保持持在在恒恒温温条条件件下下，E值值可可在在多多长长时时间间内内保保持持恒恒定定。用用漂漂移移程程度度和和重重现现性性来来衡量。衡量。漂漂移移：是是指指在在恒恒定定组组成成和和温温度度的的溶溶液液中中，膜膜电电极极与与参参比比电电极极构构成成的的电电池池的的电电位位随随时时间间而而缓缓慢慢有有序序变化程度。变化程度。重现性：电极的重现性则是指多次测量之间电极重现性：电极的重现性则是指多次测量之间电极电位重现程度。电位重现程度。116、 电极的寿命电极的寿命电电极
11、极的的寿寿命命：是是指指电电极极保保持持其其符符合合能能斯斯特特方程功能的时间。方程功能的时间。电极寿命的影响因素：电极寿命的影响因素：机械损伤。机械损伤。敏感膜受到化学腐蚀。敏感膜受到化学腐蚀。连连续续使使用用在在热热或或者者腐腐蚀蚀性性溶溶液液中中使使用用，寿寿命命可可能能只只有有几几天天甚甚至至更更短短。正正常常使使用通常可能达到用通常可能达到12年。年。127 、电极的老化和中毒、电极的老化和中毒电电极极的的老老化化：是是指指电电极极使使用用一一段段时时间间后后内内阻阻增增加加，灵灵敏敏度度下下降降的的现现象象。表表现现为为响响应应时时间间长长，响响应应斜斜率率降降低低，线线性性范范围
12、变窄等，敏感膜失去活性现象。围变窄等，敏感膜失去活性现象。原原因因 ： 敏敏感感膜膜中中离离子子逐逐渐渐地地溶溶解解到到溶溶液液中中，引引起起载载体体减少，交换电流变小。减少，交换电流变小。 “晶晶格格缺缺陷陷”的的逐逐渐渐减减少少。溶溶液液和和敏敏感感膜膜的的离离子子交换使结晶中的交换使结晶中的“缺陷缺陷“趋向消失。趋向消失。电电极极中中毒毒：是是指指电电极极表表面面活活性性材材料料与与试试液液中中离离子子发发生生化化学学反反应应，导导致致电电极极对对被被测测离离子子活活度度不不再再具具有有能能斯斯特特响响应应功功能能的现象。的现象。对对大大多多数数的的固固膜膜电电极极可可采采用用机机械械布
13、布轮轮抛抛光光的的办办法法更更新新电电极极表面。即可恢复电极的正常功能。表面。即可恢复电极的正常功能。 13 8、 参比电极性能及使用：参比电极性能及使用： 参比电极参比电极(甘汞甘汞电极)性能性能 （1 1）装装置置简简单单，电电极极电电位位重重现现性性好好，在在测测量量电电势势时，即使有微量电流通过，电极电位保持恒定。时，即使有微量电流通过，电极电位保持恒定。 （2 2）在在甘甘汞汞电电极极使使用用过过程程中中，为为了了形形成成良良好好的的恒恒定定的的液液接接电电势势，要要求求氯氯化化钾钾溶溶液液以以一一定定的的速速度度通通过过液液接接部部位位进进行行渗渗漏漏。以以多多孔孔陶陶瓷瓷为为液液
14、接接部部的的甘甘汞汞电电极极，其其渗渗漏漏速速度度每每6h小小时时约约为为1滴滴。渗渗漏漏过过快快将将引引起起甘甘汞汞电电极极电电位位漂漂移移，过过慢慢不不能能保保证证在在液液接接部部有有良良好好的的离离子子接接触触，甚甚至至增增大大甘甘汞汞电电极极的的内内阻。阻。 14 （3）当当甘甘汞汞电电极极与与待待测测液液接接触触时时，若若存存在在会会浸浸蚀蚀汞汞和和甘甘汞汞，或或能能与与KCl液液起起反反应应的的物物质质，都都将将影影响响甘甘汞汞电电极极的的电电位位。因因此此要要防防止止待待测测液液成成分分的的回回扩散，回扩散现象将使测定电位值漂移偏差。扩散，回扩散现象将使测定电位值漂移偏差。防止回
15、扩散方法：防止回扩散方法：A、加加置置盐盐桥桥，使使回回扩扩散散的的有有害害离离子子只只能能扩扩散散到到盐桥溶液，而不能进入甘汞电极的内充液中。盐桥溶液，而不能进入甘汞电极的内充液中。B、甘汞电极的内参液要高出待测液面、甘汞电极的内参液要高出待测液面2cm 以上。以上。15使用甘汞电极注意事项：使用甘汞电极注意事项： (1) (1) 使使用用前前，应应注注意意观观察察参参比比电电极极外外观观，有有无无裂裂痕痕、接接线线是是否否良良好好？内内充充液液是是否否灌灌满满至至注注入入孔孔？有有无无气气泡泡？管管内内为为饱饱和和KCl溶溶液液（GR级级，杂杂质质少少，否否则则引引起起漂漂移移）, ,并并
16、KCl溶溶液液液液面面高高于于管管内内汞汞球球体体，管管内内有有少少量量KCl结晶物。结晶物。 (2) 使使用用前前，应应将将电电极极注注入入孔孔的的小小橡橡皮皮塞塞取取下下，以以维维持持一一定定的的流流速速，并并保保持持KCl 液液面面与与待待测测液液面面的的高高度度差。差。 (3) 用用后后立立即即清清洗洗干干净净液液接接部部位位，以以防防止止堵堵塞塞。不不用用时时在在加加液液口口和和液液接接部部套套上上橡橡胶胶帽帽。长长期期不不用用，应应充充满满内参液。在电极盒中或氯化钾溶液中静置保存。内参液。在电极盒中或氯化钾溶液中静置保存。16 二、氟电极法测定结果的影响因素二、氟电极法测定结果的影
17、响因素 及其消除方法及其消除方法 1、影响因素、影响因素 温度：因温度对电极斜率有影响，温度：因温度对电极斜率有影响， s =2.303RT/(niF) ， 并影响甘汞电极的电位。并影响甘汞电极的电位。 所以要在恒温下进行（被测溶液的温度要一致）。所以要在恒温下进行（被测溶液的温度要一致）。17 离子强度离子强度离离子子选选择择电电极极是是根根据据能能斯斯特特方方程程测测定定溶溶液液中中离离子子的的活活度度。而而离离子子的的活活度度等等于于活活度度系系数数与与浓浓度度的的乘乘积积。因因此此，电电极极电电位位与与活活度度的的校校正正曲曲线线和和电电位位与与浓浓度度的的校校正正曲曲线线是是有有差差
18、异异的的，这种差异性在高浓度范围内尤其明显。这种差异性在高浓度范围内尤其明显。溶溶液液中中某某种种离离子子的的活活度度主主要要决决定定于于溶溶液液的的离离子子强强度度。显显然然，在温度一定，离子强度一定时，离子的活度系数是一定的。在温度一定，离子强度一定时，离子的活度系数是一定的。在在实实际际工工作作中中，采采用用在在标标准准溶溶液液和和未未知知溶溶液液中中加加入入等等量量的的高高浓浓度度惰惰性性电电解解质质，使使标标准准溶溶液液和和试试液液的的总总离离子子强强度度相相等等，求求得得待待测测物物质质浓浓度度。如如在在F-的的测测定定中中采采用用加加入入总总离离子子强强度度调调节节缓缓冲冲液液（
19、TISAB）的的方方法法。在在加加入入TISAB后后，可可使使电电极在低浓度时响应时间缩短。极在低浓度时响应时间缩短。（total ion strength adjustment buffer ， TISAB） 18 溶液的溶液的pH值值对于氟离子选择电极，较佳的试剂酸度条件为对于氟离子选择电极，较佳的试剂酸度条件为pH 5 6。pH5时时，溶溶液液中中会会发发生生下下述述弱弱酸酸配配位位反反应应：2F-+H+=HF+F-=HF2-，使使溶溶液液中中的的F-减减少少，会会影影响响电电极极的的灵灵敏敏度度，使使分分析析结结果果偏偏低低。这这是是由由于于氟氟电电极极只只对对F-响响应应对对HF或或
20、HF2-无无响响应应，而而且且氟氟电电极极的的氟氟化化镧镧电电极极膜膜会会增大被溶解，影响测定。增大被溶解，影响测定。 当当pH8 时时，OH-对对电电极极的的响响应应，将将严严重重影影响响测测定定结结果果，使使分分析析结结果果偏偏高高。有有研研究究表表明明，OH-对对氟氟电电极极的的干干扰扰还还由由于于OH-与与膜膜表表面面发发生生化化学学反反应应，而而引引入入试试液液额额外外的的 F-。其反应式为：。其反应式为：LaF3+3OH-=La(OH)3+3F-19 干扰物质干扰物质 干扰物质有两种表现形式：干扰物质有两种表现形式：待待测测液液中中所所含含成成分分与与LaF3单单晶晶作作用用，与与
21、La3+或或F- 形形成成络络合合物物或或某某种种结结合合物物，影影响响电电位位测测定定。如如前前面所述的面所述的OH-，使测得结果偏高。，使测得结果偏高。待待测测液液中中存存在在与与F-络络合合的的离离子子，如如Fe3+ 、 Al3+ Be2+ 、 Th4+等，使测得结果偏低。等，使测得结果偏低。 202、干扰消除方法干扰消除方法 消消除除这这些些影影响响因因素素的的方方法法是是在在标标准准溶溶液液和和试试样样溶溶液中加相同体积的总离子强度调节缓冲液（液中加相同体积的总离子强度调节缓冲液（TISAB）。）。 TISAB 的主要成分及作用：的主要成分及作用：络络合合剂剂（惰惰性性电电解解质质）
22、：如如柠柠檬檬酸酸盐盐、CDTA等等。这这些些离离子子是是一一些些比比F更更强强的的络络合合剂剂，优优先先与与上上述述干干扰扰离离子相结合，从而使氟离子从络合物中游离出来。子相结合，从而使氟离子从络合物中游离出来。离离子子强强度度调调节节剂剂：NaCl等等，高高浓浓度度电电解解质质用用以以维维持持溶溶液液具具有有相相同同的的活活度度系系数数，消消除除溶溶液液间间离离子子强强度度差差异异对对电位的影响。电位的影响。 p调调节节剂剂：醋醋酸酸、盐盐酸酸、氢氢氧氧化化钠钠等等，形形成成柠柠檬檬酸酸盐、醋酸盐的盐、醋酸盐的p缓冲体系。缓冲体系。21 使用使用TISAB应注意问题：应注意问题：作作为为T
23、ISAB的的试试剂剂应应达达到到所所要要求求的的纯纯度度，否否则则能能引引入入干干扰扰杂质，增加空白的本底。杂质，增加空白的本底。配配制制TISAB的的试试剂剂刚刚混混合合时时会会明明显显放放热热使使溶溶液液温温度度升升高高，此时不宜用此时不宜用pH计直接边测边调最终所需的计直接边测边调最终所需的pH。在在测测定定液液中中柠柠檬檬酸酸盐盐的的浓浓度度不不能能大大于于0.5mol/L，浓浓度度过过高高时柠檬酸盐可能会与电极的膜材料发生反应。时柠檬酸盐可能会与电极的膜材料发生反应。 LaF(固固)+Cit3-(水水)=LaCit(水水)+3F-（水）（水） 使膜相中的氟离子转移到溶液中造成测量误差
24、。使膜相中的氟离子转移到溶液中造成测量误差。 例例：尿尿氟氟测测定定的的TISAB液液：称称取取58g氯氯化化钠钠，4g柠柠檬檬酸酸三三钠钠溶溶于于500mL水水中中，加加入入57ml冰冰乙乙酸酸，用用5mol/L氢氢氧氧化化钠调节钠调节pH为为5.05.5后，用水稀至后，用水稀至1000mL。 223、氟电极法的误差来源、氟电极法的误差来源 离离子子选选择择电电极极误误差差 主主要要是是电电极极响响应应特特性性引引起起的的误误差差，来来自自膜膜电电位位随随时时间间与与温温度度变变化化引引起起的的漂漂移移及及斜斜率率变变化化，电电极极老老化化及及电电极极绝绝缘缘性性能能不不良良或或静静电电感感
25、应应对对膜膜电电位位的的影影响响，以以及及干干扰扰离离子子及及离离子子强强度度变变化化影影响响膜电位的数值。膜电位的数值。(2)(2)参参比比电电极极误误差差 主主要要来来自自参参比比电电极极电电位位漂漂移移，温温度度波波动动及及液液接接电电位位漂漂移移引引起起的的误误差。差。23(3) (3) 离离子子计计的的误误差差 主主要要来来自自输输入入阻阻抗抗，输输入入电电流流，电电子子元元器器件件的的质质量量以以及及这这些些元元器器件件随随温温度度变变化和电磁干扰等引起的漂移。化和电磁干扰等引起的漂移。(4) (4) 标标准准溶溶液液误误差差 来来自自配配置置过过程程中中的的试试剂剂 、天天平、容
26、量器皿或试剂放置过久储存不当等。平、容量器皿或试剂放置过久储存不当等。(5) (5) 操操作作误误差差 包包括括电电极极的的洗洗涤涤和和预预处处理理，电电极极校校正正的的方方法法或或使使用用不不当当，搅搅拌拌速速率率过过快快，平平衡衡电电位位的的读读数数不不准准，数数据据记记录录作作图图与与计计算算上上的的不不当当以以及取样和预处理等。及取样和预处理等。24三、测试装置的正确使用三、测试装置的正确使用 离离子子计计或或酸酸度度计计的的精精度度要要求求0.1mV。在在进进行行测测试试之之前前，先先要要检检查查一一下下使使用用的的仪仪器器和和电电极极对对是是否处于使用状态，仪器开机预热。否处于使用
27、状态，仪器开机预热。 电电极极活活化化：氟氟离离子子选选择择性性电电极极使使用用前前应应置置于于相相应应的的标标液液中中浸浸泡泡活活化化一一段段时时间间（尿尿氟氟、水水氟氟测测定定时时的的电电极极活活化化可可用用10g/mL氟氟标标液液），12h或或几几十十分分钟钟。新新的的长长久久未未用用的的时时间间长长些些，经经常常使使用用的的活活化化时时间间短短或或不不活活化化。(较较长长时时间间不不用用的的氟氟电电极极宜宜采用干存放，不要泡在纯水中采用干存放，不要泡在纯水中) 25(3) 根根据据前前述述参参比比电电极极使使用用注注意意事事项项检检查查甘甘汞汞电电极极，临临用用前前预预先先竖竖插插在在
28、纯纯水水中中，使使液液接接电电位位达达到到稳定。稳定。(4) 检检查查氟氟电电极极，若若发发现现其其内内充充液液中中有有气气泡泡附附于于氟氟电电极极内内膜膜表表面面，应应采采取取措措施施排排除除，否否则则也也会会造造成电极内导体接触不良而影响电位正确测量。成电极内导体接触不良而影响电位正确测量。(5) 测测量量过过程程中中应应注注意意：搅搅拌拌的的速速率率稳稳定定；电电极极对对置置入入试试液液的的深深度度基基本本相相同同；固固膜膜电电极极测测量量时时，一一般般搅搅拌拌速速度度为为中中慢慢速速为为佳佳，可可在在搅搅拌拌中中读读取取数数值。值。 26 (6) 在在测测量量过过程程中中如如何何判判断
29、断电电极极是是否否达达到到平平衡衡电电位位是是极极其其重重要要的的，根根据据IUPAC推推荐荐响响应应时时间间定定义义，电电位位变变化化1mV/min可可认认为为响响应应达达到到平平衡衡。重重要要的的是是，在在标标准准液液与与样样液液测测量量中中，应应按按完完全全一一样样的的方方式式进进行行。尿尿氟氟测测定定方方法法中中的的规规定定是是电电位位读读数数稳稳定定后后读读取取（即即30s内内电电极极电电位位变变动动小小于于0.1mV），同同时时记记录录测测定定时的温度。时的温度。 (7) 磁磁力力搅搅拌拌器器长长时时间间运运转转后后，可可能能造造成成搅搅拌拌器器机机体体温温度度升升高高并并传传入入
30、测测量量杯杯，给给测测定定带带来来误误差差，故故测测量杯下常加绝热垫，并在测量间隔中替换绝热垫。量杯下常加绝热垫，并在测量间隔中替换绝热垫。 27(8) 注注意意仪仪器器的的屏屏蔽蔽与与接接地地及及避避免免电电磁磁干干扰扰。如如果果开开机机后后仪仪器器电电位位读读数数不不停停变变动动（抖抖动动），可可能能原因之一是仪器接地不良。原因之一是仪器接地不良。(9) 由由于于电电极极有有“记记忆忆”效效应应，在在测测含含较较高高氟氟的的样品后，一定要将氟电极洗至要求的空白电位。样品后，一定要将氟电极洗至要求的空白电位。(10) 标标准准加加入入法法计计算算所所用用的的电电极极斜斜率率(s)，要要用用被
31、被测测液液加加标标前前、后后所所测测得得的的E1和和E2所所对对应应的的氟氟标标准准液液浓浓度度范范围围内内的的电电极极实实测测斜斜率率。即即电电极极的的实实测测斜斜率率s取取与与被被测测液液相相接接近近的的浓浓度度范范围围的的标标准准液液的的测测定定值值，而而不不能能以以理理论论斜斜率率或或实实测测的的标标准准系系列列的的平平均斜率（指全区间）的均斜率（指全区间）的s值计算。值计算。28计算回归方程：计算回归方程： 以氟化物标准系列测得的以氟化物标准系列测得的mV值为值为 x， 以标准液氟质量浓度的对数（以标准液氟质量浓度的对数（logCF-）为）为 y， 建立建立 y = a + bx 方程，或方程，或 x = a +b y 方程方程 输入电子计算机器内，求输入电子计算机器内，求a、b值值; 氟化物浓度（氟化物浓度（F- -mg/L）= y 的反对数值。的反对数值。29 谢谢 谢！谢！30
