电化学分析法（42）—离子选择电极法

7 离子选择电极法 (Ion Selective Electrode)
离子选择电极法是根据直接测得电池电动势来确定离子含量的一种分析方法。离子选择电极是指对某种特定的离子具有一定选择性响应的电极，它是以电位法测量溶液中某一种离子浓度的指示电极。pH玻璃电极是一种H+离子的选择电极。离子选择电极法具有操作简便、灵敏度高、便于实现连续和自动分析等特点。
7.1 离子选择电极构造和分类
离子选择电极的基本构造（图7-1），主要包括三个部分。（1）敏感膜，是最关键的部分。其中有固态膜，多孔性膜，含酶膜，气透膜等。（2）内参比溶液，其中含有与膜及内参电极响应的离子。（3）内参比电极一般用Ag-AgCl电极。



图7-1 离子选择电极的结构
1— Ag-AgCl内参比电极；2— 内参比液；3— 电极杆；4— 敏感膜

离子选择电极的分类，是根据电极的膜的组成和性质来区分的。
A 原电极
（1）晶体电极，又分为均相膜及异相膜电极。晶体电极的敏感膜由难溶盐的单晶或多晶沉淀压片制成。其中由氟化镧制成的单晶电极（氟电极）是离子选择电极中最好的一种。多晶电极中一类是由卤化银加硫化银压片制成，用以测定Ag+、I-、Br-、Cl-、CN-等离子。另一类是由重金属硫化物加硫化银压片制成，用于测重金属及S2-等离子，与Ag+或S2-有沉淀或络合反应的离子都干扰测定。均相膜是由多晶直接压片，异相膜是在多晶中掺以惰性物质热压而成。
（2）非晶体电极。1）刚性基质电极（各种玻璃电极），其敏感膜是离子交换型的薄玻璃片或其他刚性基质材料。2）流动载体电极（过去称为液膜电极），其敏感膜是由溶有某种液体离子交换剂的有机溶剂薄膜层构成。它可分为带正电荷载体、带负电荷载体或中性载体电极三种类型。
B 敏化的离子选择电极
（1）气敏电极是由离子选择电极与参比电极组成的复合电极，在复合电极的敏感膜上覆盖一层气透膜，膜与离子选择电极之间有一薄层内参比溶液。它可用于检测溶于溶液中的溶解气体或气体试样中的气体组分。现在应用较多的是氨电极和二氧化碳电极，其他还有二氧化硫、硫化氢、二氧化氮、氟化氢和氯、溴、碘等气敏电极。
（2）酶电极与气敏电极相似，而其覆盖膜是由酶制成的。它不仅能测定无机化合物，而且可以检测有机化合物，特别是生物体液中的组分。

电化学分析法（43）—离子选择电极主要技术性能

7.2离子选择电极主要技术性能

A 能斯脱响应、线性范围及检测下限
离子选择电极具有将溶液中某种特定的离子活度转换成一定的电位能力。人们把电极的电位随着离子活度的变化的特征成为响应。若这种响应变化服从于能斯脱方程，则这种响应被称为能斯脱响应。
由离子选择电极与甘汞电极组成电池，使用高输入阻抗离子计测得电池的电动势为EC，EC与待测溶液中i离子的活度 的关系，可用能斯脱方程表示：


式1对阳离子取（+），对阴离子取（-）号。EC的值随温度、内充液的成分、膜表面性质等因素而改变，它们在一定的条件下为常数。利用EC与 的关系作图，所得的直线称为工作曲线。当斜率为2.303RT/nF 时，电极即具有能斯脱响应。这种响应是离子选择的基本特征。一般说来，用离子选择电极可测定的浓度范围为10-1mol/L至10-6或10-7mol/L。

电化学分析法（44）—离子选择电极主要技术性能

B选择性系数
离子选择电极并非是专属性的，其选择性是相对的。选择性系数Ki,j（i表示主要响应离子，j表示干扰离子）就是离子选择电极选择性能的量度，其定义为：引起离子选择电极的电位有相同的变化时，所需的被测离子的活度与所需的干扰离子的活度之间的比值。例如对一个pH玻璃电极来说，当H+的活度aH+为10-11mol/L时对电极电位的影响与当Na+的活度aNa+为1mol/L时对电极电位的影响是相同的，那么这个离子选择电极的选择性系数KH+,Na+=10-11/1=10-11，这表明该电极对H+比对Na+的响应要灵敏1011倍。由此可见，Ki,j越小，表示该电极的选择性能越好。Ki,j为10-4时，即无干扰。
C 准确度
离子选择电极测定的准确度与测量仪器的精度有关，并容易受到溶液组分、液接电位、温度、搅拌的方法等影响。因此，所有的电极都是按一定的比率在能斯脱方程式的常数项E0产生漂移。其测定的相对误差（在25℃时）可近似地用下式表示：
误差≈4ni△E电池 （44）
式中 △E电池——电池电位测量误差；
ni——待测离子电荷数。
由式44式可见，如果△E电池的测量精度为0.5mV，则一价离子浓度测定的相对误差为2％；二价离子约为4％；三价离子约为6％。为了获得具有一定准确度的结果，测量仪器的精度一般应达到0.lmV。这样，对一价离子直接测定的相对误差约为±0.4％。目前,离子选择电极法一般适用于一价离子和低含量的测定。

电化学分析法（45）—离子选择电极的分析测量技术

7.3 离子选择电极的分析测量技术
离子选择性电极能直接测定液体试样，溶液的颜色和浊度一般不影响测试结果。对复杂的样品无需预处理，只要调节溶液的pH值和离子强度就可以测定。
A 总离子强度调节缓冲剂
离子选择电极响应的是离子活度，而定量分析的结果是要求得出试液中被测成分的浓度。活度与浓度之间的差别与离子强度有关。当溶液中离子强度足够大，且固定时，活度系数为常数，电极电位与被测离子的浓度符合能斯脱方程式，被测离子的浓度可由电极电位值求得。
在实际工作中，溶液的稳定离子强度常采用在溶液中加入大量的惰性电解质来维持。其中所加入的惰性电解质称为离子强度调节剂。为了使用方便，离子强度调节剂、缓冲溶液及掩蔽剂等往往是预先混合在一起，再加入测试液中，这种混合溶液称为总离子强度调节缓冲剂（TISAB）。其作用是维持溶液中的离子强度为足够大并为恒定值；维持溶液中适当的pH值；消除干扰；促使液接电位稳定等。如果用氟电极测定氟时，总离子强度调节缓冲剂常采用柠檬酸钠-硝酸钾（pH为7）或磺基水杨酸-EDTA（pH为9）的混合溶液。

电化学分析法（46）—离子选择电极的分析测量技术

B 测量技术
a工作曲线法
此法是以测出的系列标准溶液的电动势（Ei）值与㏒ci的关系作工作曲线。然后测量样品溶液的电池电动势，即可在工作曲线上查出相应的㏒ci值。如果使用半对数坐标纸绘图，则可直接由工作曲线上查出待测离子的浓度。
b标准加入法
取一份待测试液（体积为Vx），测量其电池电动势（E1）之后，加入小体积（Vs，约为Vx/100）的标准溶液（cs，约为100cx），这时介质条件基本不变，再测量电池电动势（E2），由公式可计算出试液中待测离子的浓度。
标准加入法的一般通式如下；


式中,s—电极实测斜率。
当试液是复杂的体系（即介质成分与标准溶液有较大差别）时，此法适用。
c 格氏作图法
格氏作图法是多次标准加入法的一种图解求值的方法。将一系列已知标准溶液加到待测试液中，测量其电池电动势，以（Vx＋Vs）×10Ei/s（i为添加次数）和加入标准溶液的体积Vs的关系作图，可作出一直线，将直线向下延长，与横轴（V轴）相交得Ve（为负值）。
格氏作图法的计算公式为


46）
目前已设计出多种使用方便的专用的格氏作图坐标纸。此法用于测量复杂成分的试液，尤其适用于低含量物质的测定。

电化学分析法（47）—微型伏安电极在体分析

8 在体和无损电化学分析
8.1 微型伏安电极在体分析
采用伏安法研究和测定动物脑内与神经传导有关的内源性物质方法是在电极上施加一变化的电压，然后测量电极表面附近电活性物质氧化时所产生的电流。在动物脑内，人们感兴趣的大部分电活性物质都是可氧化的，但直接与神经传导系统有关的化合物是有限的。通常可检测的神经传导递质有多巴胺（DA）、去甲肾上腺素（NE）、5-羟色胺（5-HT）以及它们的代谢产物。因此微电极伏安法可以作为连续监测进入细胞间液中原生性神经递质的有用工具。
用于神经递质测定的电化学技术原理主要为伏安法，通常由伏安仪在检测电极上施加变化的电压（不高于1V），并与参比电极（一般采用镀有AgCl的银丝）和辅助电极（如铂丝、银丝、不锈钢丝等）组成三电极测量线路。当电极的尺寸（电极的有效面积）很小时，也可以采用由检测电极和参比电极组成的双电极测量线路。基本测定方式有两类：第一类为线性扫描伏安法；第二类为示差脉冲伏安法。在第一类方法中，通过仪器使检测电极的电位作线性变化，即线性电位扫描；同时记录电位～电流曲线（伏安图）。更为常用的是后者，其方法是在慢扫描电位上叠加精确控制的脉冲，由此产生了峰形伏安信号。当有两种或两种以上电活性物质同时存在时，采用示差脉冲伏安法可使各种物质的电流峰易于分离和测量，因此比线性扫描伏安法具有更好的分辨率。在实际测定中，各种被测化合物的氧化电位必须有足够的差别才能保证在伏安图上被分辨出。因此在活体动物脑组织分析中，大约（150～200）mV是两种物质可分辨的最小电位差值。值得注意的是，伏安图中的电流峰形状可能因为电极长期暴露在脑组织中而变形，这也会导致分辨性能下降。当采用示差脉冲伏安法时，由于扫描速度受到方法本身的限制，完成一次测定往往需要一至数分钟。
8.2 微型离子选择性电极在体分析
连续在体监测血液中各种电解质浓度在医学研究和临床诊断上具有重要价值，采用微型离子选择性电极是实施这种分析的最有效途径之一、医学上的迫切需要促使分析化学家设计和研制了用于活体分析的微型离子选择性电极。
Walker采用微型离子选择性电极可测定体内细胞间液中的钾离子、钠离子和氯离子，活体PH等 。电极的基体是一个顶端十分尖细的玻璃毛细管，利用毛细管作用在其内部充入液体离子交换剂。电极的尖端经过仔细地抛光处理，以减少电极在插入体内过程中产生的损伤。还有不少研究人员采用离子通透膜直接与电极导体接触，这样可以省去内充参比溶液，进一步减小电极的尺寸和体积。电极导体可以采用金属导线、金属或石墨微型圆盘、以及半导体材料（例如离子选择性场效应晶体管）， 不同结构的微型离子选择性电极各有其优点，但也有不足之处。

电化学分析法（48）—无损电化学传感器

8.3 无损电化学传感器
在体电化学分析往往需要通过针刺或手术将传感器插入生物体内，虽然，新型传感器体积很小，但总是不可避免地会对测定对象产生损伤。为了避免这类损伤。近年来出现了一类无损电化学传感器，在气体测定方面已经得到成功地应用。
较常见的无损分析仪器是所谓“透过皮肤”连续测定氧和CO2的电化学传感器。这种传感器对病人和婴儿是十分有用的，因为连续采血进行化验，不仅人和新生儿身体难以承受，而且有可能引发各种感染。上述无损分析的实质是测定穿透皮肤，到达体外气体的浓度。为了保证体内气体浓度和体外浓度具有很好的相关性，最有效的方法是增加皮肤的渗透性。这类商品仪器采用的方法是将皮肤加热至44℃，促进体内气体扩散到皮肤表面后，再进行测定。
目前使用的氧气无损分析传感器基本上是属于 Clark型氧电极，但为了适应无损分析的特殊需要进行了重新设计，并减小了电极体积。常用的CO2无损分析传感器采用了多孔四氟乙烯膜或硅酮橡胶膜，皮肤表面的被测气体透过薄膜，渗入内充碳酸盐溶液，由pH电极测定内充溶液酸度变化，与常规CO2气敏电极十分相似。人们正在设计和研制新型的无损电化学传感器，同时连续检测体内的O2,CO2和pH。
一些测定体内其他各种组分的新型无损电化学传感器也不断出现。例如测定体内粘液中葡萄糖含量的传感器；测定血红蛋白和 pH的无损传感器等。随着高新技术的不断发展，例如超薄膜印制技术的日趋完善，将会使新型皮肤表面无损电化学传感器价格更便宜，性能更优越。

这个灰常好

牛哥好啊！