电位分析法临床医学八年制.ppt

电位分析法,(Potentiometry),化学电池chemical cell,原电池galvanic cell 电极反应能自发进行的化学电池,EE正E负,阳极,阴极,电解池electolytic cell在两电极上施加一定电压电极反应才能进行的化学电池,化学电池的分析应用,固定一个电极的电极电势不变(参比电极)，原电池的电动势只随另一个电极(指示电极)的变化而变化：,直接电势法测出原电池的电动势，可计算出Mn+的活度。,电势滴定法滴定Mn+时，计量点附近Mn+的活度发生突变，E发生突变，指示终点。,电化学分析法概述,电化学分析法(electroanalytical methods)利用物质的电学和电化学性质进行分析的方法方法概要将被测溶液组成一个化学电池，根据电池的某个物理量和物质化学量之间的关系进行测定1.试液浓度与电池物理量关系电位分析电导分析库仑分析伏安分析2.物理量突变指示滴定终点电位滴定电流滴定电导滴定3.将待测组分在电极上电解析出电解分析法特点：灵敏准确能进行形态分析易实现自动化 方法多应用广,.,电位分析法基本原理,相界电势与(金属)电极电势,E=ESEL,ES,EL,相界电势phase boundary potential,电极电势electrode potential,电极electrode,化学双电层chemical double layer,液接界面 liquid junction boundary,液接界面,相界面,液接界面组成不同的溶液间的接触面,液接电位液接界面间的电位差,参比电极reference electrode,标准氢电极standard hydrogen electrode，SHE是一级参比电极，制作和使用不便，实际使用少。甘汞电极 AgAgCl电极,参比电极电极的电位不受溶液组成和变化的影响，其电势基本固定不变的电极。,饱和甘汞电极saturated calomal electrode，SCE,汞,石棉,饱和KCl溶液,素烧瓷片,Hg，HgCl(s)|KCl(aq),饱和甘汞电极在温度改变时常显示出滞后效应，当温度在353K以上时变得不稳定。,AgAgCl电极silversilver chloride electrode,素烧瓷片,AgAgCl,Ag,饱和KCl,Ag，AgCl(s)|KCl(aq),指示电极indicator electrode,对指示电极的要求：1.对待测离子的活度产生灵敏的能斯特响应 2.响应速度快 3.干扰物质少，较易消除,一、金属电极 金属金属离子电极(第一类电极)Cu/Cu2+金属金属难溶盐电极(第二类电极)Hg,Hg2Cl22+/Cl 汞电极(第三类电极)Hg|HgY，MY，Mn+惰性金属电极(零类电极)Pt|Fe3+，Fe2+二、膜电极离子选择性电极,指示电极电极的电势随溶液中待测离子的活度变化而变化的电极。,电极的分类,离子选择性电极的分类,pH玻璃膜电极,绝缘套,内参比溶液0.1molL-1HCl,AgAgCl内参比电极,高阻玻璃,H+敏感膜50100m,.,玻璃膜组成NaO 22%CaO 6%SiO2 72%,|O O|OSiOSiO Na+|O O|,玻璃膜内外表面与水接触时能吸收水分形成厚度为10-410-5 mm的水化层，此层中的Na+可与溶液中的H+交换，使膜内外表面上的Na+点位几乎全被H+占据。越深入凝胶层内部，交换的越少。,膜电位的产生,在两相界面上含有带电粒子如离子、电子和双极分子等，它们在两相中的分布不均匀，就会出现正负电荷的分离，界面上产生电位差，这一电位差称为膜电位。,扩散电位,特点：由离子在溶液中扩散速度的差异。与离子的浓度、电荷数、迁移速度、溶剂和性质有关。属自由扩散，正负离子都可以扩散通过界面，没有强制性和选择性。,液体接界电势 liquid junction potential,液体接界电势两种组成不同，或组成相同浓度不同的电解质溶液接触界面两边存在的电势。简称液接电势。,消除方法：在两溶液间连接内充高浓度KCl(或其它电解质)溶液的盐桥。因高浓度KCl溶液与稀电解质溶液接触时，扩散作用以K+、Cl向稀溶液扩散为主，而K+、Cl的淌度十分接近，形成的液接电势仅12mV。,膜电位的产生道南电位,1KClc1,2KClc2,+,c2c1,设有一渗透膜，它至少能阻止一种离子从一个液相扩散至另一液相，于是造成两相界面电荷分布不均匀，产生双电层结构而有电位差。这一电位差称为道南电位。,特点：扩散具有强制性和选择性。电位公式为：,正离子,负离子,设膜只容许K扩散通过,玻璃膜电势产生机理,水化层允许直径很小而活动能力强的H+进入，而阴离子及高价阳离子难以进入。水化层与溶液接触时，因水化层表面和溶液中的H+活度不同，H+从活度大的一方向活度小的一方扩散，,扩散达到动态平衡时，原来H+活度大的一方余下过剩的阴离子，H+活度小的一方有多余的阳离子。在相界面上产生稳定的双电层，相界电势达到稳定值。,膜两侧相界电势的产生不是由于电子的转移，而是H+在溶液和水化层界面间的转移。,玻璃膜电势,膜电势在膜内外的固液界面上电荷分布不同使膜两侧产生的电势差。,+,+,a(H+)内,a(H+)试,a(H+)试,a(H+)内,10-410-5,10-410-5mm,10-1,E(内),E(试),H+,H+,E试k1+0.05916lgaH+(试)/aH+(试),E内k2+0.05916lgaH+(内)/aH+(内),E(膜)=E(试)E(内),.,内外水化膜表面性质基本相同 k1=k2所有Na+已被H+取代a(H+)内=a(H+)外,pH玻璃电极的不对称电势,不对称电势 玻璃膜内外表面性质不同产生的电势反映在k1、k2的大小上 大小范围：130mV 产生原因：内外两侧的表面张力、含Na+浓度、机械或化学腐蚀等原因的不同。特性：随时间缓慢改变 消除：用标准缓冲溶液给仪器定位，并经常校验。,pH玻璃电极的碱差和酸差,pH玻璃电极的线性范围pH 19pH9时测出的pH值偏低 Na+、K+进入水化层,比较法测定溶液pH的原理,EESCE(EAgCl/AgEM)E不对称EL K+(2.303RT/F)pHK+0.05916pH（25oC）,EX=K+0.05916VpHXES=K+0.05916VpHS,水溶液pH值的操作定义(pH标度)：以标准缓冲溶液为基准，通过比较EX和ES，而按上式计算出的pHx值。,Ag|AgCl|HCl(0.1molL-1)|玻璃膜|试液|KCl(饱和)|Hg2Cl2|Hg,比较法测定pH值应注意的问题,应进行温度补偿并测定过程中保持恒定 EXES与pHXpHS成直线关系，斜率2.303RT/F 是温度的函数 选择pH值与待测液相近的标准缓冲溶液定位某些因素改变使K变化，应使KX与KS尽可能一致 读数完毕，应立即断路。玻璃电极与待测液接触的时间应尽可能短 读数时要分清酸度计的分度值 玻璃电极不用时要浸在蒸馏水中保存,离子选择性电极的选择性,共存的其它离子也产生膜电势。对于pH电极：,一般要求Kij 10-2。Ki,j 的大小随i，j的活度、实验条件、测定方法等变化。可粗略判断杂质离子对电极的干扰程度,为电极的Na+对H+的选择性系数。,即，在其它条件相同时，提供相同电位的H+活度与干扰离子Na+活度的比值。K越小，选择性越高。,测定Mi 离子时，若有干扰离子Mj，则：,利用选择性系数计算测定误差,当Ki,j=10-2，aj=ai，ni=nj=1时,当Ki,j=20，aj=ai/100，ni=nj=1时,例题 某NO3选择电极的Ki,j=4.110-5，在1molL-1硫酸盐溶液中测定NO3，若要求SO42产生的误差不超过5%，估计待测溶液的NO3活度应不低于多少？,解：,晶体膜电极,以难溶盐晶体代替玻璃膜制成的离子选择性电极特点：离子导电测定主要对象：组成该难溶盐晶体的构晶离子 如F-、Cl-、Br-、I-、S2-、SO42-、Cu2+、Pb2+、Cd2+单晶膜电极用难溶盐的单晶薄膜作敏感膜。如F选择电极LaF3晶体膜多晶膜电极用难溶盐的粉末在高压下压制而成 的薄膜作敏感膜如 AgCl、AgBr、AgI、Ag2S多晶膜电极，对Cl-、Br-、I-、S2-有响应。膜电势受它们各自的Ksp所控制,单晶膜电极F选择电极,Ag-AgCl内参比电极,NaF-NaCl内参比溶液,LaF3单晶,LaF3晶体有空穴，晶格上的F-可入晶格附近空穴而导电。,E(膜)K0.05916lgaF-K 0.05916pF线性范围：c(F-)=10-210-6 molL-1检测下限：由Ksp决定 10-7molL-1适用酸度：pH56pH7，OH参与交换(正干扰)LaF3+OH=La(OH)3+3FpH5，生成HF H2F(负干扰)干扰：少。但与F生成配合物、难溶化合物的离子有干扰。,Ag2S电极,离子接触型,全固态型,Ag+检测下限：理论上10-16molL-1,也可测定CN，在试液中加入10-510-6 molL-1 Ag(CN)2,可用来测定S2,aCN-改变10倍，aAg+改变100倍。测定aCN-变化时aAg+的变化，从而测定aCN-,由于膜和容器壁对Ag+的吸附，实际检测下限为10-7molL-1。,晶体膜电极的导电机理,固体膜电极的活性材料都是离子晶体，导电过程是由电荷较少、半径较小的阴离子或阳离子实现，离子利用空穴或填隙位置运动通过晶体网格而传导电荷。,在LaF3、Ag2S、AgX晶体中，由于阳离子和阴离子半径相差大，从而形成弗伦开尔缺陷(Frenkel defect)。,LaF3晶体是F导电，Ag2S晶体是Ag导电,液体膜电极（活动载体电极）,敏感膜由待测离子的盐类、配合物等溶解在不与水混溶的有机溶剂中，再使该有机溶剂渗入惰性多孔物质而制成。特点：电阻小，响应快，选择性不如晶体膜电极。如Ca2+电极,在膜两侧的界面上发生离子交换反应,测定下限：10-5 molL-1 Ca2+适用pH范围：511干扰：少，1000倍Na+、K+的不干扰。选择性:取决于液体离子交换剂对阴、阳离子的交换选择性,其它流体膜电极,载体带负电荷阳离子电极如烷基磷酸盐Ca电极羧基硫醚RSCH2COO铜电极铅电极四苯硼酸盐(C6H5)4B与有机阳离子缔合，药物电极载体带正电荷阴离子电极1.鎓类阳离子季铵季鏻季鉮盐大阳离子2.邻二氮杂菲过度金属配阳离子3.碱性染料类阳离子如次甲基蓝结晶紫乙基紫中性载体有未成对电子能与响应离子配位形成配阳离子如抗生素冠醚等。主要对碱金属和碱土金属响应MSMS平衡趋向正向进行，产生界面双电层。MS越稳定，电极选择性越高，响应离子的萃取常数越大，灵敏度越高。,Ca2+液体膜电极构造示意图,Ag-AgCl内参比电极,内参比溶液0.1molL1CaCl2水溶液,液体离子交换剂S0.1molL1二癸基膦酸钙(RO)2POO2Ca的苯基膦酸二辛酯溶液,外壳,浸有液体离子交换剂的多孔性膜,液体离子交换剂,流体膜电极的导电机理,aCa,试越大，进入膜中的Ca2+越多，膜表面带正电荷越多，改变了膜界面的电荷分布而改变相间电位E试。如果aCa,试与aCa,内不同，则产生跨越膜的膜电位。,(RO)2POO2Ca,载体与响应离子生成的缔合物越稳定，响应离子在有机溶剂中的淌度越大，选择性越好。活性物质在有机相和水相中的分配系数越大，电极的灵敏度越高。,敏化电极,气敏电极由离子选择性电极与参比电极组成的复合电极 如由pH玻璃膜电极外加一层透气膜组成氨电极,酶电极将酶固定在胶层中，再履盖在离子选择性电极敏感膜外面组成的电极。能对某一特定的基质具有选择性，能响应反应过程中某一组分的活度变化。将脲酶固定在氨电极上制成脲酶电极，可测定血中尿素。,可用氨电极测定反应生成的NH4+。,中介液中,因中介液中c(NH4+)大，可视为不变，因此，玻璃膜电极的电势为：,脲酶,氨电极构造示意图,参比电极,中介液(0.1molL-1NH4Cl),敏感膜,电极头,电极管,内参比液,透气膜,pH玻璃膜电极,内参比电极,酶电极结构示意图,酶基体层,离子选择剂膜,内参比液,内参比电极,组织电极(tissue based membrane electrodes),以动植物组织代替酶作为生物膜材料所构成的电极,1.组织中含有大量酶，2.组织中的酶稳定，功效强，电极寿命长，3.组织适于制膜，有机械强度。,直接电位法,方法一：标准对照测量法,由SCE，离子选择电极和待测溶液组成电池,分别测定浓度为CS的标准溶液和浓度为CX的待测溶液的电池电动势ES、EX，相减得：,代入CS值，解出CX。测阳离子，取“”号；测阴离子取“”号。,氟离子选择电极测定F,E(EAgCl/AgELaF3膜)ESCEELE不对称,Hg|H2gCl2|KCl(饱和)|试液|LaF3膜|NaF,NaCl,AgCl|Ag,方法二：标准曲线法,操作步骤：测定被测离子系列浓度标准溶液和参比电极的电动势ES，作Elgc 标准曲线。,为保证不变，加入总离子强度调节缓冲液TISAR(Total ionic strength adjustment buffer)测F时，NaCl 0.1、HAc 0.25、NaAc 0.75、柠檬酸钠0.001molL-1，pH5.0 I=1.75。,在同样条件下测定试样溶液的EX，在标准曲线上查出与EX相对应的CX,lgci,Ex,c,方法三标准加入法,被测试液成分复杂、离子强度大时采用标准加入法,取一份待测试液，测得电动势E1,往此试液加入浓度是其100倍，体积约为1/100的标准溶液,两次测定在同一体系中进行，Ej、x等影响因素相同。,令：,则：,测定时，CS、V0、VS必须准确测量，并控制E2050mV优点：不需系列标准溶液，不需加TISAR，操作简便快速。,测得电动势E2，忽略体积变化,思考题：推导考虑体积变化的计算公式。,x1 游离（未配位）离子的摩尔分数。,方法四格氏(Gran)作图法,在V0mL试液中，加入不同体积Vs的标准溶液，分别测定E，以(V0+Vs)10E/S为纵坐标，Vs为横坐标作图得一直线，延长直线与横坐标轴相交得Vs(负值)。,因(V0+Vs)10E/S=0，则k(cxV0+csVs)=0,空白,试样,空白试验不加样品按同样操作进行的试验，可以校正试剂等引起的误差。,用半对数格氏坐标纸作图法,规定V0100mL，Vs=010mL，考虑10%稀释效应的半对数格氏坐标纸如图。横坐标1mL格-1，纵坐标5mV格-1.,空白,试液,取水样50.00mL，加TISAB溶液稀至100mL，每次加入1.010-3 molL-1F-标准溶液1mL，共4次，同样方法作空白试验,结果如下：0 1 2 3 4E试样 192 177 167 161 155 E空白 269 197 181 171 164 Vs空白=-0.01mL，Vs试样=-0.07mL,注意1.若V0为100mL的A倍，横坐标上每大格应变为AmL2.纵坐标为10nE/S，一价离子取S=58mV，每大格代表5mV，二价离子的S=29mV，就将测得的电动势乘2。3.空白试验的目的是消除电极的斜率误差和试剂空白。作图法实为多次标准加入法，麻烦，但可提高准确度。,影响直接电位法测定准确度的因素,溶液的pH值干扰离子 待测离子浓度10-110-6molL-1 响应时间电极浸入试液后得到稳定电势95%所需时间待测离子浓度越大，响应越快待测离子的扩散速度搅拌可缩短平衡时间离子强度一般含大量非干扰离子时响应较快膜越薄响应越快膜越光洁响应越快,温度E=K(2.303RT/nF)lga K包含Ej、E(参)、E(内)电动势测量误差对 E=K(RT/nF)lnc 微分得,1mV=0.001V电位的测量误差，一价离子的浓度误差为4%，二价离子为8%，只宜于测定低价离子。,离子选择电极的检测限与响应斜率,以离子电极的电位E对响应离子活度的负对数pa作图，所得曲线叫做校准曲线。,电极的线性响应范围直线部分CD。当斜率与理论值2.303RT/nF基本一致时，称为有能斯特响应。,A,检测限是灵敏度的标志，实际应用中定义为CD与FG两外推线交点A处的活度或浓度值。,测试仪器,1.有高输入阻抗的电子毫伏计输入阻抗是指测量时横跨在离子计输入端的等效电阻。,即为保证1/1000的测量准确度，仪器的输入阻抗应是电池内阻的1000倍以上。离子电极最大内阻为510109欧。2.测量精度达到0.2mV，对应误差2%。RE%=3900nE3.稳定性良好810小时或电压波动10%时零点漂移为2mV以内。,当要求测量的相对误差小于1/1000时,测量相对误差为,离子计,测量电池,离子选择性电极在生物学中的应用,1.,仪器阻抗与测量误差,设pH玻璃电极的内阻为108欧，检流计的灵敏度为10-9A，即可能造成的电流的测量误差为10-9A，由此产生的电动势测量误差为,接近2个pH单位的电位。若仪器的阻抗为1011欧，则,相当于0.002pH单位。,电位滴定法,电势滴定法根据指示电极在滴定过程中发生相对的电势突跃指示终点的滴定分析方法可用于有色、浑浊溶液的滴定滴定反应条件计量关系确定平衡速度快终点确定方法EV曲线法E/VV曲线法2E/V2V(二级微商)法,电势滴定法,指示电极,参比电极,直流毫伏计,搅拌器,搅拌子,0.1000molL-1 AgNO3 溶液滴定0.1000molL-1的NaCl溶液在化学计量点附近的电势滴定数据,EV滴定曲线,操作方法绘制EV曲线,3.作两平行线的等分线,4.确定平分线与曲线的交点,5.交点对应的V 即终点体积,2.作两条与曲线相切的平行行线,E/VV曲线,操作方法 1.绘制E/VV曲线,2.曲线峰值对应的V 即终点体积,2E/2VV曲线,作图法 绘出2E/2V V曲线,计算法 计算出计量点前后两体积V1,V2的2E/2V 内插法求出V计量,V2,V1,V,.,2E/2V0所对应的体积即V计量,电势滴定法的应用,解决浑浊有色突跃范围小的滴定问题酸碱滴定参比电极甘汞电极指示电极pH玻璃电极水溶液、非水溶液中弱酸弱碱多元酸碱混合酸碱配位滴定EDTA滴定汞电极其它滴定离子选择性电极沉淀滴定银量法指示电极Ag电极卤化银(或硫化银)膜电极氧化还原滴定指示电极惰性金属电极,电势分析法小结,相界电势定义产生机理液体接界电势参比电极甘汞电极Ag-AgCl电极构成特性指示电极金属电极金属金属难溶盐电极汞电极惰性金属电极膜电极pH玻璃电极单晶体膜电极(F-电极)液体膜电极(Ca2+电极)气敏电极(氨电极)各种膜电极产生膜电势的机理膜电势公式离子选择性电极的主要性能直接电势法比较法标准曲线法标准加入法原理操作步骤计算公式pH值的测定电势滴定法指示滴定终点的方法、原理、计算公式EV曲线 E/VV曲线 2E/2VV曲线电势分析法的应用作业910111213,金属金属离子电极,简称金属电极，由能发生氧化还原反应的金属插在该金属离子的溶液中组成，其电极电势决定于溶液中金属离子的活度(或浓度)用于测定金属离子的活度或浓度。,AgAg+电极常用于银量法指示终点,金属金属离子电极只有一个相介面，称为第一类电极,金属金属难溶盐电极,由表面涂有一层同种金属难溶盐的金属插在该难溶盐的阴离子溶液中构成。其电极电势随溶液中阴离子活度(浓度)改变而改变。可用于测定难溶盐阴离子的浓度,Ag，AgCl(s)|KCl(aq),金属金属难溶盐电极含有两个相介面称为第二类电极,第三类电极,由金属与两种具有相同阴离子的难溶盐(或难离解的配合物)，再与含有第二种难溶盐(或难离解配合物)的阳离子组成的电极体系。如在以草酸银和草酸钙饱和过的含有钙离子的溶液中，用银电极可以指示钙离子的活度。Ag|Ag2C2O4,CaC2O4,Ca2+,有三个相界面称第三类电极,汞电极,由汞电极或镀汞银电极浸入含有被测离子Mn+的溶液中，并加入少量(35滴0.05molL-1)的HgY2配合物组成。常在EDTA配位滴定中作指示电极。Hg|HgY2，MY(n4)，Mn+,详见P141图18,汞电极指示配位滴定终点的原理,滴定过程中虽然a(MYn-4)逐渐变化，但a(HgY2-)基本不变。因此：,应用条件：KMYKHgYCu2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+、Al3+(pH211)。pH11，生成HgOpH2，HgY2-不稳定溶解氧有影响，特别是在碱性溶液中，通氮气除去。,KMYKHgY,惰性金属电极,由惰性金属（Pt 或 Au）插入含有某氧化形和还原形电对的溶液中组成。如 Pt|Fe3+，Fe2+,惰性电极也称氧化还原电极，又称零类电极。,惰性金属不参与氧化还原反应，只起传递电子的作用。电极电势决定于电对氧化形和还原形活度（或浓度）的比值。可用于测定的氧化形浓度或还原形浓度或它们的比值。,