儀器分析-電子教材:第一章電位分析

第一章  電位分析法

電化學(xué)分析(electrochemicalanalysis)是將被測組分以適當(dāng)形式置于化學(xué)電池中，通過測定電池的電學(xué)參數(shù)（電導(dǎo)、電動(dòng)勢、電流和電量等)，根據(jù)電學(xué)參數(shù)與被測組分化學(xué)量之間的關(guān)系來確定試樣的化學(xué)成分或濃度的分析方法。

基本的電化學(xué)分析技術(shù)包括電位分析法、電導(dǎo)分析法、庫侖分析法、伏安法等。各種技術(shù)的發(fā)展以及理論的不斷完善使電化學(xué)分析得到廣泛的應(yīng)用，也使其自身發(fā)展成為一門理論體系較完整的學(xué)科 ¾電分析化學(xué)。電化學(xué)分析具有準(zhǔn)確、靈敏、選擇性好、儀器設(shè)備簡單，易于自動(dòng)化的特點(diǎn)。

電位分析法(potentiometry)是最簡單的電化學(xué)分析技術(shù)之一，它是通過測定原電池電動(dòng)勢來測定離子活度或濃度的方法。此法分為兩類：直接電位法(directpotentiometry)和電位滴定法(potentiometrictitration)。電位滴定法是通過測量滴定過程中電池電動(dòng)勢的變化來確定滴定終點(diǎn)，它實(shí)質(zhì)上是一種滴定分析法。本章主要介紹直接電位法。

電位分析法測量濃度范圍寬，所需試液量少，在多數(shù)情況下，共存離子干擾很小，對組成復(fù)雜的試樣往往不需經(jīng)過分離處理可直接測定；不受樣品溶液的顏色、渾濁或粘度的影響。是一種直接的、非破壞性的分析方法。并可做無損分析和原位測量。因此已廣泛地應(yīng)用于化工、地質(zhì)、冶金、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)、海洋探測等各個(gè)領(lǐng)域中，并已成為重要的測試手段。

第一節(jié)  電位分析法基礎(chǔ)

一、化學(xué)電池

化學(xué)電池是一種能實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)換的裝置。按電化學(xué)反應(yīng)能量的來源可分為原電池和電解池。電化學(xué)反應(yīng)在電池內(nèi)自發(fā)地進(jìn)行，并將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿幕瘜W(xué)電池稱為原電池；如果電化學(xué)反應(yīng)所需能量由外部電源供給，則稱為電解池。電位分析法主要涉及原電池。

圖1-1 丹聶耳電池示意圖

 (一) 原電池的構(gòu)成

Daniell電池是典型的原電池。它是由鋅／硫酸鋅溶液和銅／硫酸銅溶液兩個(gè)半電池組成。兩電解質(zhì)溶液以鹽橋溝通；以導(dǎo)線連接銅極和鋅極（如圖1-1所示)。此裝置將   氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能。

電池的電極反應(yīng)如下：

負(fù)極  (氧化反應(yīng))

 正極   (還原反應(yīng))

原電池的總反應(yīng) 

即Zn失去2個(gè)電子氧化成Zn²⁺而進(jìn)入溶液，而Cu²⁺在電極上接受電子被還原為金屬Cu，鋅電極帶負(fù)電，是原電池的負(fù)極；銅電極帶正電，是原電池的正極。電子由鋅極流向銅極，通過鹽橋可使兩種電解質(zhì)溶液中的離子相互遷移，流經(jīng)整個(gè)體系的電流由金屬導(dǎo)體中的電子的運(yùn)動(dòng)和溶液中離子的遷移形成。

（二)原電池的表示方法

為了便于描述，常用符號表示原電池，IUPAC作了如下規(guī)定：

1．將發(fā)生氧化反應(yīng)的電極即原電池的負(fù)極寫在左邊；發(fā)生還原反應(yīng)的電極即正極寫在右邊。

2．用化學(xué)式表示電池中各物質(zhì)的組成，必要時(shí)應(yīng)注明其狀態(tài)，氣體要注明壓力，

溶液要給出濃度。

3．用單垂線“|”表示不同物相的界面(有時(shí)也用逗號表示)，有接界電位存在。

4．用雙垂線“||”表示鹽橋，表明溶液與溶液之間的接界電位通過鹽橋已降至略

而不計(jì)。

根據(jù)上述規(guī)定，Daniell電池可表示為

式中s代表固體，c代表濃度(mol／L)。

一個(gè)原電池可以看作是由兩個(gè)半電池組合而成，如Zn / Zn²⁺ 叫一個(gè)半電池。習(xí)慣上，把一個(gè)半電池叫作一個(gè)電極，故Zn電極應(yīng)指Zn及相應(yīng)的含Zn²⁺溶液，而不單指

Zn，Cu電極亦然。

(三)可逆電池

具備以下兩個(gè)條件的電池稱為可逆電池：

1．電池反應(yīng)有化學(xué)可逆性  當(dāng)電流反方向流過電池時(shí)，發(fā)生的電極反應(yīng)必須是原來的逆反應(yīng)。如Daniell電池，若改變其電流方向，則反應(yīng)隨之逆向進(jìn)行：在鋅極上發(fā)生還原反應(yīng) ；在銅極上發(fā)生氧化反應(yīng)；電池反應(yīng)為。

2．電極反應(yīng)具備熱力學(xué)可逆性  指電極反應(yīng)在平衡電位下進(jìn)行，流過電池的電流應(yīng)該無限小。

電位分析法所討論的電池屬于可逆電池。

二、電池電動(dòng)勢和電極電位

 (一)電池電動(dòng)勢

  可逆電池中，通過電池的電流無限小，兩極的端電壓即為該原電池的電動(dòng)勢（electromotiveforce, EMF)。電池的電動(dòng)勢實(shí)質(zhì)上是原電池內(nèi)各個(gè)相界面上的相間電位的代數(shù)和。它包括導(dǎo)線與不同金屬的接觸電位(此值很小，可以忽略)、金屬與溶液之間的相間電位（即正極電位j₊和負(fù)極電位j_-)及兩種不同溶液界面上的液體接界電位j_j。例如Daniell電池內(nèi)主要有以下幾個(gè)相間電位差：

則電池的電動(dòng)勢可表示為

 (二)電極電位和雙電層

以金屬Zn片插入ZnSO₄溶液為例說明相間電位的產(chǎn)生。金屬晶格由整齊排列著的金屬正離子和其間流動(dòng)著的電子所組成。當(dāng)金屬和溶液相接觸時(shí)，金屬表面晶格上的金屬正離子與溶液中的水分子相吸引而發(fā)生水合作用，結(jié)果一部分金屬正離子脫離晶格而進(jìn)入溶液，此過程稱為金屬的溶解過程，同樣，溶液中的金屬離子可以進(jìn)入金屬表面的晶格稱為金屬的沉積，這兩種過程同時(shí)存在。若水合鋅離子比金屬晶格中的鋅離子更穩(wěn)定，則與溶液接觸時(shí)，Zn的溶解速度大于Zn²⁺的沉積速度，在金屬Zn 與ZnSO₄溶液界面形成金屬Zn帶負(fù)電荷，溶液帶正電荷的雙電層結(jié)構(gòu)。雙電層的建立阻礙Zn的溶解速度，加速Zn²⁺的沉積速度，當(dāng)溶解和沉積速度相等，即達(dá)如下平衡時(shí)，

在固液界面上建立起一個(gè)穩(wěn)定的金屬Zn帶負(fù)電荷，溶液帶正電荷的雙電層結(jié)構(gòu)（10^-3~10^-2mm)，雙電層間的電位差就是平衡相間電位。反之，若金屬晶格中的金屬離子比水合金屬離子更穩(wěn)定，則形成金屬帶正電荷、溶液帶負(fù)電荷的平衡相間電位。這種金屬與電解質(zhì)溶液界面的相間電位稱為電極電位(electrode potential)。

單個(gè)電極電位的絕對值無法直接測量，一般采用相互比較的方法得到電極電位的相對值。國際上統(tǒng)一以標(biāo)準(zhǔn)氫電極（standard hydrogen electrod, SHE)作為相互比較的基準(zhǔn)，并人為規(guī)定其在任何溫度下的電位值為零，標(biāo)準(zhǔn)氫電極的組成為

在消除液體接界電位情況下，電極電位就是所研究電極與標(biāo)準(zhǔn)氫電極構(gòu)成原電池的電動(dòng)勢，其正負(fù)號由該電極實(shí)際進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)確定。例如，鋅電極與標(biāo)準(zhǔn)氫電極組成原電池時(shí)，鋅極上發(fā)生氧化反應(yīng)，電子由鋅電極經(jīng)外電路流向氫電極，鋅電極為負(fù)極，其電極電位則為負(fù)；銅電極與標(biāo)準(zhǔn)氫電極組成原電池時(shí)，銅電極發(fā)生還原反應(yīng)：   ，電子由氫電極經(jīng)外電路流向銅電極，則銅電極電位為正。

本書附錄中給出了許多氧化－還原電對所組成的電極（半電池)的標(biāo)準(zhǔn)電極電位，它們大多是通過上述方法測得的。但也有些電極不宜采用此法測定，而是根據(jù)化學(xué)熱力學(xué)原理計(jì)算的。標(biāo)準(zhǔn)電極電位是組成該電極電對的氧化型活度（)和還原型的活度（)相等且等于1mol/L時(shí)，氣體的分壓等于101.325kPa，溫度為25°C時(shí)，該電對相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電位，用表示。

（三)Nernst方程式

對于任意給定的電極，其電極反應(yīng)可用如下通式表示，一般寫成還原反應(yīng)形式，而不考慮電極上發(fā)生的實(shí)際反應(yīng)方向。

其電極電位與組成電極的物質(zhì)的活度及溫度的關(guān)系可用Nernst方程式表示

   （1-1)

式中，Ox和Red分別表示氧化態(tài)和還原態(tài)，—標(biāo)準(zhǔn)電極電位(V或mV)，—物質(zhì)的活度(mol／L)，— 溫度(K)，—電極反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)，—法拉弟常數(shù)，其值為96485.31（C／mol)，—?dú)怏w常數(shù)，數(shù)值為8.314（J／mol·K)。若t =25°C ，T=298.15 K時(shí)，并將自然對數(shù)換為常用對數(shù)，則式1-1變?yōu)?/p>

  （1-2)

應(yīng)用Nernst方程式計(jì)算電極電位時(shí)，首先要寫出電極反應(yīng)式并配平，電極反應(yīng)式中的系數(shù)是相應(yīng)物質(zhì)活度的方次，固體和純液體以活度1代入，氣體以分壓表示，在稀溶液中，一般可以用物質(zhì)的平衡濃度代替活度近似計(jì)算，與溫度有關(guān)，室溫下一般可用25°C下的。

三、液體接界電位

(一)液接電位的產(chǎn)生

在組成不同或組成相同濃度不同的兩種電解質(zhì)溶液相互接觸的界面間形成的電位差，稱為液體接界電位(liguidjunction potential)，簡稱液接電位，用表示。主要由具有不同遷移速度的離子通過液接界面產(chǎn)生。如圖1-2所示，兩份不同濃度的HCl溶液（c₁<c₂)相接觸，H⁺和Cl^-均由較高濃度(c₂)一方向較低濃度(c₁)一方擴(kuò)散。由于H⁺在溶液中的移動(dòng)速率比Cl^-快，越過相界面payment-defi.com/yishi/的H⁺比Cl^-多，因而在兩相界面形成雙電層，產(chǎn)生電位差。此電位差一經(jīng)產(chǎn)生，對H⁺的擴(kuò)散產(chǎn)生阻礙作用，對Cl^-的擴(kuò)散起促進(jìn)作用，直到最后兩種離子的擴(kuò)散速度相等，建立起一個(gè)穩(wěn)定的雙電層，其電位差即液接電位。

圖1-2液接電位產(chǎn)生示意圖

(二)液接電位的消除——鹽橋的作用

液接電位常達(dá)幾十毫伏，難以準(zhǔn)確測定和計(jì)算，在直接電位分析法中必須將降至可忽略程度，否則將影響電池電動(dòng)勢的準(zhǔn)確測量。目前，在兩個(gè)電解質(zhì)溶液間連一個(gè)“鹽橋”的作法是消除或減小液接電位最常用的方法。鹽橋有多種類型，最簡單的鹽橋是以U型管內(nèi)充滿含3％瓊脂的KCl飽和溶液制成，將其倒置，兩端管口分別插入兩種溶液，形成“鹽橋” (如圖1-1中所示)。鹽橋能使液接電位大大減小,這主要是因?yàn)楦邼舛鹊腒Cl的介入，在鹽橋兩端界面新形成兩個(gè)液接電位(和)，其大小主要取決于K⁺和Cl^-的擴(kuò)散，而K⁺和Cl^-的擴(kuò)散速率近于相等，故使和值均比原來的液接電位要小，且這兩個(gè)新的液接電位的方向相反，互相抵消一部分，以致總的液接電位就更小。在實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要選擇鹽橋的成分和構(gòu)型，尤其是橋內(nèi)的離子不能與溶液中離子起反應(yīng)。如AgNO₃溶液體系就不能選用KCl，可用NH₄NO₃或者KNO₃制作鹽橋，以免生成AgCl沉淀。

第二節(jié)  直接電位法

一、基本原理

直接電位法是通過測量原電池的電動(dòng)勢直接確定待測液中相應(yīng)離子濃度的方法。其基本原理是將兩支合適的電極插人待測溶液中組成原電池，其中一支電極稱為指示電極，其電極電位與待測離子的活度之間服從Nernst方程(稱為Nernst響應(yīng))。另一支電極為參比電極，其電極電位已知并恒定且與待測溶液無關(guān)，如甘汞電極。用鹽橋消除液接界電位，在電流近于零的情況下測量電池電動(dòng)勢（見圖1-3)，然后，根據(jù)Nernst方程式求出待測組分離子活度（或濃度)。

圖1-3 直接電位法測定系統(tǒng)（以pH測定為例)

二、參比電極

參比電極（reference electrode)是指在溫度、壓力一定的條件下，其電極電位準(zhǔn)確已知，且不隨待測溶液組成改變而改變的電極。

標(biāo)準(zhǔn)氫電極是最精確的參比電極（一級標(biāo)準(zhǔn))，但因其制備手續(xù)繁雜，使用極不方便，日常工作很少使用。常用的參比電極是甘汞電極和銀-氯化銀電極（二級標(biāo)準(zhǔn))。

   (一)甘汞電極

   甘汞電極是將鉑絲浸入汞與甘汞(Hg₂C1₂)的糊狀物，并以已知濃度的KCl溶液作內(nèi)充液構(gòu)成，圖1-3中為國產(chǎn)甘汞電極的結(jié)構(gòu)。甘汞電極的電極表示式為：

電極反應(yīng)為：

25℃時(shí)電極電位為： 

由此可見，甘汞電極的電位在一定溫度下只取決于內(nèi)充溶液中Cl^-的活度。表1-1中列出了25℃時(shí)KCl 三種不同濃度下的甘汞電極的電位。最常用的是飽和甘汞電極(saturatedcalomal electrode, SCE)。  

表1-1  25℃時(shí)幾種甘汞電極和銀-氯化銀電極的電極電位

（二)銀-氯化銀電極

Ag-AgCl電極是由覆上一層AgCl的銀絲浸入KCl溶液組成。制備簡單，性能可靠。一般常作離子選擇電極的內(nèi)參比電極（如圖1-3中所示)。Ag-AgCl電極表示式如下：

電極反應(yīng)為：

25℃時(shí)電極電位為：

同樣，也只取決于內(nèi)沖液C1^-活度。不同C1^-濃度下的Ag-AgCl電極電位值列于表1-1中。

三、指示電極—離子選擇性電極

電位分析用的指示電極(indicator electrode)主要是離子選擇性電極(ionselective electrode, ISE)，它的電極電位與溶液中相應(yīng)離子活度的關(guān)系符合Nernst方程。

(一)離子選擇性電極的構(gòu)造和分類

離子選擇性電極主要由兩部分組成(見圖1-3)：

(1) 敏感膜：敏感膜也稱傳感膜。它具有選擇性地將溶液中特定離子的活度轉(zhuǎn)變成電位信號（膜電位)的作用。

(2) 內(nèi)導(dǎo)體系：內(nèi)導(dǎo)體系一般包括內(nèi)參比溶液和內(nèi)參比電極。其作用在于將膜電位引出。

離子選擇性電極最重要的組成部分就是敏感膜，它決定著電極的性質(zhì)，不同的電極，具有不同的敏感膜。根據(jù)敏感膜的組成和性質(zhì)，IUPAC建議對離子選擇性電極作如下分類：

 (二)離子選擇電極的電極電位

 離子選擇電極電位主要由兩部分構(gòu)成：內(nèi)參比電極的電位和膜電位。

將一支離子選擇性電極插入試液中，則在電極敏感膜兩側(cè)各有一個(gè)界面，即膜與被測溶液間的界面和膜與電極內(nèi)參比溶液（含有一定活度的被測離子)的界面。由于膜內(nèi)外待測離子活度不同，跨越膜兩側(cè)界面間將產(chǎn)生電位差，這個(gè)電位差即為該電極的膜電位。膜電位即為膜內(nèi)、外兩個(gè)相界面電位差的代數(shù)和：

膜外 

膜內(nèi) 

由于膜內(nèi)外兩表面性質(zhì)基本相同， 故膜電位

由于內(nèi)充液的離子活度是固定值，因此膜電位可表示為

離子選擇電極的電極電位為內(nèi)參比電極電位和膜電位的代數(shù)和

合并后用表示，令代替式中，并考慮到離子的電荷符號，離子選擇電極的電極電位Nernst方程表達(dá)式為：

(1-3)

其中陽離子取“+”號、陰離子取“－”號。

（三)常用離子選擇電極

1．pH玻璃電極 

(1) pH玻璃電極(pH glasselectrode)的結(jié)構(gòu)：pH玻璃電極是對溶液中H⁺呈選擇性響應(yīng)的一種玻璃膜電極。其基本結(jié)構(gòu)如圖1-3中所示。底部有一個(gè)由特殊玻璃材料制成的薄膜狀玻璃泡(厚約50mm)，玻璃泡封接在一段對離子不響應(yīng)的玻璃管上。泡內(nèi)充有0.1 mol／L HCl溶液，起恒定膜內(nèi)側(cè)電位值和內(nèi)參比電極電位值的作用，并插入鍍有AgCl的Ag絲作為內(nèi)參比電極，如此構(gòu)成的pH玻璃電極表示式如下：

(2) pH玻璃電極的響應(yīng)機(jī)制及電極電位：pH玻璃電極的敏感膜為玻璃膜，一般由Na₂O、CaO、SiO₂按摩爾比22:6:72組成，玻璃化后，其中的SiO₂形成硅氧四面體，彼此連接構(gòu)成一個(gè)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)骨架（見圖1-4)，玻璃膜中的Na⁺占據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的空穴位置，是敏感膜中的電荷載體，也是電極響應(yīng)功能的決定因素，CaO則影響電極的電阻及溫度效應(yīng)。膜電位產(chǎn)生的機(jī)制一般傾向于“離子交換理論”。電極之所以對溶液中待測氫離子產(chǎn)生響應(yīng)，是由于敏感膜中的離子交換作用。pH玻璃電極必須經(jīng)過水浸泡之后才能顯示其功能，當(dāng)玻璃膜與水溶液接觸時(shí)，原來骨架中的Na⁺與水中H⁺發(fā)生以下交換反應(yīng)

膜的表面形成一層水化層（水化凝膠層)，厚度為10^-5~10^-4mm，見圖1-5。由于硅氧結(jié)構(gòu)與H⁺的鍵合強(qiáng)度遠(yuǎn)大于它與Na⁺的鍵合強(qiáng)度，交換平衡后，水化層表面鈉離子的點(diǎn)位基本上全被氫離子占有，從表面到水化層內(nèi)部，H⁺數(shù)目逐漸減少，而Na⁺數(shù)目逐漸增加。在玻璃膜內(nèi)表面也同樣發(fā)生上述過程而形成同樣的內(nèi)水化層。當(dāng)浸泡好的玻璃電極浸入待測溶液時(shí)，水化層與溶液接觸，其界面之間，由于H⁺活度不同，H⁺從活度高的一方向活度低的一方擴(kuò)散，水化層和溶液間H⁺擴(kuò)散達(dá)到如下平衡，

因而改變了玻璃膜上原來正負(fù)電荷分布的均勻性，在兩相界面形成穩(wěn)定的雙電層，產(chǎn)生相間電位。同理，玻璃膜內(nèi)表面與內(nèi)參比溶液界面處也產(chǎn)生一定的相間電位。

膜外 

膜內(nèi) 

由此可見，玻璃膜兩側(cè)相間電位的產(chǎn)生不是由于電子轉(zhuǎn)移，而是H⁺在溶液和水化層間擴(kuò)散的結(jié)果。跨越玻璃膜兩側(cè)溶液間的電位差就是膜電位 ，可表示為

由于玻璃膜內(nèi)外側(cè)水化層結(jié)構(gòu)情況基本相同，則

，

故    

由于固定

圖1-4 硅酸鹽玻璃結(jié)構(gòu)平面示意圖  圖1-5 玻璃電極膜電位示意圖

如果內(nèi)外參比電極相同且玻璃膜的內(nèi)充溶液與外部試液的 也相同，則電池電動(dòng)勢應(yīng)趨于零，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明仍有一定電動(dòng)勢，稱為不對稱電位（)，這是由于電極制作或使用造成玻璃性能不均勻所形成的。

由此可見，pH玻璃電極的電位()由內(nèi)參比電極電位（)；玻璃膜電位()和不對稱電位()組成：

  在實(shí)際使用中，用已知pH值的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液進(jìn)行校準(zhǔn)，可消除不對稱電位。將式中常數(shù)項(xiàng)合并，用K表示，因此，玻璃電極電位可由下式表示：

 （25℃) (1-4)

由此可見，pH玻璃電極的電極電位值隨試液中H⁺離子活度的變化而改變，并與溶液中H⁺離子活度呈Nernst響應(yīng)。

（3)pH玻璃電極的選擇性：任何一種離子選擇性電極都不可能是只對一種離子響應(yīng)而對其它離子沒有響應(yīng)的特效電極，pH玻璃電極也如此。它除了能對H⁺離子響應(yīng)外，還能對Na⁺、K⁺、NH₄⁺等離子響應(yīng)，但響應(yīng)程度各不相同。pH玻璃電極對陽離子的選擇性響應(yīng)順序是：H⁺Na⁺>K⁺>Rb⁺>Cs⁺。它對H⁺的響應(yīng)程度遠(yuǎn)大于Na⁺等離子的響應(yīng)程度(約為10⁹倍)，只有當(dāng)試液中pH很大(H⁺濃度很小)時(shí)，Na⁺才有可能干擾。pH玻璃電極一般在pH1~9的范圍內(nèi)電極響應(yīng)正常。在pH超過10或含Na⁺濃度較高的溶液中，測出的pH值偏低（稱為堿差或鈉差)；pH玻璃電極在強(qiáng)酸性條件下(pH<1或在非水溶液中)，由于水分子活度變小。也減小，致使pH測定值偏高（稱為酸差)。

2．氟離子選擇性電極 

（1)氟離子選擇電極(fluorideelectrode)的結(jié)構(gòu)：F^-電極是目前固態(tài)晶體膜電極中最典型、性能最好、應(yīng)用最為廣泛的一種離子選擇性電極。它的敏感膜是由難溶的LaF₃單晶片制成，其電極結(jié)構(gòu)見圖1-6。電極的底部是封在塑料管一端的LaF₃單晶片(為了增加導(dǎo)電性加入少量EuF₂)，管內(nèi)充以0.1 mol／L NaF和0.1 mol／L KCl混合溶液為電極內(nèi)充溶液，Ag-AgCl電極為內(nèi)參比電極。其電極表達(dá)式為

(2) 氟電極的電位：LaF₃單晶膜可與F^-進(jìn)行交換，其電極電位則反映試液中F^-的活度，25℃時(shí)：

 (1-5)

一般在1～10^-7 mol / L F^-范圍內(nèi)，該電極符合上式關(guān)系。由LaF₃的溶度積常數(shù)可推知，LaF₃飽和溶液中的約為10^-7 mol / L。因此，理論上氟選擇性電極在純水體系中檢測下限約為10^-7 mol /L F^-。

圖1-6 氟離子選擇電極示意圖

(3) 氟電極的選擇性：氟電極的膜電位，是F^-離子直接與LaF₃晶格中的F^-離子交換和擴(kuò)散作用引起的。因此，F(xiàn)^-電極使用前無需浸泡活化，晶片表面也不用特別處理。在LaF₃單晶中，只有F^-離子與試液中的F^-響應(yīng)，溶液中也只有F^-離子能進(jìn)入膜相并參與導(dǎo)電，其它離子均不能。所以F^-離子電極的選擇性很高。實(shí)踐證明，1000倍過量的其它鹵素離子(Cl^-、Br^-、I^-)、Ac^-、HCO₃^-、SO₄^2-、NO₃^-、PO₄^3-等離子均不干擾F^-的測定。但溶液中的Fe³⁺、Al³⁺和Th⁴⁺等陽離子與F^-形成配合物使測定結(jié)果偏低。

(4)溶液pH 值對氟電極性能影響：溶液pH 值影響F^-在溶液中存在的形態(tài)，在F^-溶液中存在如下結(jié)合質(zhì)子平衡：

當(dāng)酸度較高時(shí)，平衡向右移動(dòng)，形成氟氫根離子,使游離F^-活度降低，造成測定值偏低。

此外，溶液pH 值還影響氟電極敏感膜，在時(shí)．電極顯示正常的行為，當(dāng)pH>8時(shí)，LaF₃單晶膜與溶液中OH^-作用，生成La(OH)₃,置換出F^-

當(dāng)pH較高時(shí)，LaF₃電極晶體膜溶解出F^-，使電極測定F^-結(jié)果顯著偏高。為消除酸度的影響，可采用加入合適的緩沖溶液的辦法。

3．氨氣敏電極 

氣敏電極(gas sensing electrode)是對某些氣體敏感的電極，其結(jié)構(gòu)是一種化學(xué)電池。常用的氨氣敏電極由透氣膜(或空氣隙)、內(nèi)充溶液、指示電極及外參比電極四部分組成。透氣膜是疏水性的聚合物膜(如聚四氟乙烯)，能選擇性地透過NH₃氣體，指示電極為離子選擇電極（通常為pH玻璃電極)，外參比電極采用Ag-AgCl電極，其結(jié)構(gòu)如圖1-7。測定時(shí)試液中NH₃透過膜向內(nèi)擴(kuò)散，直至膜兩側(cè)NH₃的分壓相等。擴(kuò)散到膜內(nèi)的NH₃與水反應(yīng)并和膜內(nèi)充液中的NH₄⁺達(dá)平衡：

因內(nèi)充液中的NH₄⁺濃度足夠大， 可看作常數(shù)，則上式可寫成：

pH玻璃電極與活度呈Nernst響應(yīng)，

則該氨復(fù)合電極的電位（即電池電動(dòng)勢)與試樣中NH₃的活度符合Nernst關(guān)系：

    (1-6)

氨氣敏電極是氣敏電極中的一種。由上可知，氣敏電極是由氣體滲透性膜與離子選擇電極組合成的一種復(fù)膜電極，可用于測定溶解于溶液中的氣體或氣態(tài)試樣中的氣體組分。常用的氣敏電極還有CO₂、SO₂、NO₂、H₂S、HF、HCN、HAC和鹵素電極等。

圖1-7 氨氣敏電極示意圖

(四)離子選擇電極的性能

通常用以下幾種參數(shù)表征離子選擇性電極的基本特性。

1．線性范圍和檢測限  離子選擇性電極電極電位用Nernst方程式表示

用對作圖（j 為縱座標(biāo)， 為橫座標(biāo))，所得j ~曲線（見圖1-8)稱為校準(zhǔn)曲線。校準(zhǔn)曲線的直線部分（ab線段)所對應(yīng)的離子活度范圍稱為線性范圍，也稱為離子選擇性電極Nernst響應(yīng)范圍。大多數(shù)商品電極的線性范圍在10^-l~10^-6mol／L。離子選擇性電極的檢測限由校準(zhǔn)曲線確定，按IUPAC定義，校準(zhǔn)曲線的兩切線的交點(diǎn)所對應(yīng)的離子活度，即為該電極對離子的檢測限。它表明離子選擇性電極能夠檢測待測離子的最低濃度，一般為10^-5~10^-7mol／L。離子選擇性電極也有檢測上限，不同的電極上限數(shù)值不同，但一般為lmol／L左右。

圖1-8 電極的線性范圍和檢測限

2．電極斜率  在線性范圍內(nèi),當(dāng)待測離子的活度變化10倍(即一個(gè)數(shù)量級)時(shí)所引起的電極電位變化的數(shù)值（mV)，稱為該電極對所給定離子的斜率，常用S 表示。S 則為電極電位表達(dá)式中的數(shù)值，即曲線的斜率。25℃時(shí)，其理論值一價(jià)離子為 mV；二價(jià)離子為mV。往往從曲線測出的實(shí)際電極比稍低，而且隨電極使用時(shí)間延長，電極斜率逐漸降低。一支電極若，電極斜率高，電極質(zhì)量好，測量誤差��；若，屬不合格電極，測量誤差大，不能繼續(xù)使用。

3．選擇性  離子選擇電極對離子呈選擇性響應(yīng)的基礎(chǔ)在于電極的膜電位，而膜電位主要來自膜界面上交換與擴(kuò)散。任何離子若參與這個(gè)過程均有可能為電極所響應(yīng)。當(dāng)待測離子i與于擾離子j共存時(shí)，考慮到共存離子j對電位的貢獻(xiàn)，電極電位可寫為

式中、分別表示待測離子i和干擾離子j所荷電荷數(shù)，為i離子對j離子的電位選擇性系數(shù)(potentiometricselectivity coefficient)，或簡稱為選擇性系數(shù)，可表示為:

 (1-7)

其含義是產(chǎn)生相同電位的待測離子活度與干擾離子之比（其它條件都相同)。也可理解為相同條件下，同一電極對i離子和干擾離子j 響應(yīng)能力之比。值越小，表示干擾越��；值越大說明電極對i離子的選擇性越低。例如Corning玻璃電極的，表明當(dāng)Na⁺的活度為H⁺活度的10⁹倍時(shí)，二者對玻璃膜電位的貢獻(xiàn)相等，可見CorningpH 玻璃電極對H⁺的選擇性較高，Na⁺干擾很小。

4．響應(yīng)時(shí)間  電極的響應(yīng)時(shí)間是指從離子選擇性電極與參比電極同時(shí)接觸試液組成原電池起，到電池電動(dòng)勢達(dá)到穩(wěn)定值的95％止所經(jīng)過的時(shí)間，以表示。影響響應(yīng)時(shí)間的因素主要有：①待測離子的濃度越低，響應(yīng)時(shí)間越長；②電極膜越厚，響應(yīng)時(shí)間越長；③干擾離子存在，可使響應(yīng)時(shí)間增長；④攪拌速度快，響應(yīng)時(shí)間可縮短；⑤溫度升高可使響應(yīng)時(shí)間縮短等。實(shí)際工作中往往應(yīng)用來確定測量過程中讀取和記錄測定值的時(shí)間。

5．溫度效應(yīng)  溫度對電極電位的影響主要有兩個(gè)方面。①溫度變化將改變電極的斜率。此影響可通過調(diào)節(jié)測試儀器的“溫度補(bǔ)償”予以校正；②溫度不同，離子選擇性電極的電位值不同；③溫度還將影響離子選擇性電極的其它性能，如電活性物的溶解度，它關(guān)系到檢出下限和測量誤差。此外，溫度變化可引起溶液中化學(xué)平衡的移動(dòng)，以致溶液中游離的待測離子濃度發(fā)生明顯的變化。通常采用在同溫度下測定試液和標(biāo)準(zhǔn)溶液的方法來消除這種影響，尤其在大批樣品測定時(shí)，經(jīng)常插入標(biāo)液核對電極斜率和標(biāo)準(zhǔn)電位的變化是必要的。

6．膜電阻  離子選擇性電極的膜電阻—般都較高，晶體膜電極的膜電阻在10⁴~10⁶W，玻璃膜電極可達(dá)10⁶~10⁹W。因此測量由離子選擇電極組成的原電池的電動(dòng)勢不能用電位差計(jì)，需用具有高輸入阻抗的毫伏計(jì)，以便于獲得更小的“零電流”，以消除由于電極的電阻所產(chǎn)生的電位（IR)對電池電動(dòng)勢測量的影響。

四、直接電位法的分析方法

   用直接電位法分析時(shí)，一般規(guī)定以指示電極（離子選擇性電極)為正極，參比電極（常用SCE)為負(fù)極（用玻璃電極測定溶液PH值除外)，與待測溶液組成原電池 ，測定其電動(dòng)勢，對于電池

其電池電動(dòng)勢可表示為

用鹽橋消除或把液體接界電位減到最小程度，則電池電動(dòng)勢為兩個(gè)電極的電位差值：

由于為定值，合并后，則

 (1-8)

式1-8 是直接電位法的定量基礎(chǔ)。式中陽離子取“+”號、陰離子取“－”號。

(一)溶液中pH 值的測定

1.測定原理  在日常溶液pH 值測定中，常以飽和甘汞電極為正極，pH 玻璃電極為負(fù)極。組成如下原電池：

電池電動(dòng)勢

即   (1-9)  

 2.定量方法  由式(1-9) 可知，電池的電動(dòng)勢與試液中pH呈線性關(guān)系。可通過pH計(jì)( 測定pH 的電子毫伏計(jì))測得，式中K值雖然為一常數(shù)，但K 值因電極、溫度和試液組成不同而改變，難以計(jì)算，無法通過1-9式直接計(jì)算溶液pH 值。因此常用“兩次測量法”（標(biāo)準(zhǔn)比較法)測定溶液的pH 值，即在相同條件下，用同一組電極分別測定由已知pH值的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液與由待測液(欲求pH_X)所組成的原電池的電動(dòng)勢和，進(jìn)行計(jì)算。

兩式相減并整理得：

  (1-10)

這就是IUPAC提出的pH實(shí)用定義。即實(shí)際工作中以標(biāo)準(zhǔn)緩沖液pH值為基準(zhǔn)，待測溶液的pH值與之比較而得出的。常用的幾種標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的標(biāo)準(zhǔn)pH值列于表1-2中。實(shí)際工作中常利用儀器上pH功能鍵，首先將已水化好的pH玻璃電極和參比電極插入已知pH值的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液組成原電池，對pH計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)(稱為定位)。再換以待測液與同一對電極組成原電池，即可在pH計(jì)上直接讀出待測溶液的pH值。

表1-2  pH標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的pH

采用“兩次測量法”消除了玻璃電極不對稱電位的影響，但飽和甘汞電極在標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液和在待測溶液中產(chǎn)生的液接電位未必相同，二者之差稱殘余液接電位。為了減小殘余液接電位對測量結(jié)果的影響，要求選用與被測液的pH盡量接近的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液“定位”。

(二)離子濃度的測定

   選用適當(dāng)?shù)碾x子選擇性電極和參比電極與待測溶液組成原電池，與溶液pH測定相似的方法來測定其它相應(yīng)離子的活度（濃度)。但是Nernst方程中電池電動(dòng)勢是與待測離子活度的對數(shù)呈線性關(guān)系而不是待測離子的濃度，而在分析工作中，通常要求測定離子濃度(目前尚無廣泛的離子活度標(biāo)準(zhǔn))。因此，在測定工作中往往加入離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑，以建立與待測離子濃度的定量關(guān)系。

   1．離子強(qiáng)度的調(diào)節(jié)  活度(activity)與濃度關(guān)系為，g為活度系數(shù)，若用S代表電極的斜率代入式1-8 中得

而數(shù)值僅與溶液的離子強(qiáng)度有關(guān)。若在整個(gè)測定過程中保持試液的離子強(qiáng)度恒定，則不變，可將S log項(xiàng)并人常數(shù)項(xiàng)K中，即可得到：

(1-11)

式1-11是與的定量關(guān)系式。

因此在離子濃度測定中，通常向標(biāo)準(zhǔn)溶液和樣品溶液中加入相同量的總離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)緩沖劑(totalion strengthadjustment buffer，TISAB)，以維持溶液具有相同的活度系數(shù)。TISAB的組成一般包括以下三種物質(zhì)，維持離子強(qiáng)度恒定的惰性強(qiáng)電解質(zhì)；穩(wěn)定pH的緩沖物和消除干擾離子的掩蔽劑。需要注意的是在不同的離子測定中，TISAB的組成是不相同的。

2．離子濃度定量方法  電位分析法也與其它儀器分析方法一樣，采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法、標(biāo)準(zhǔn)比較法和標(biāo)準(zhǔn)加入法進(jìn)行分析定量。

（1)標(biāo)準(zhǔn)曲線法：配制一系列濃度已知的標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別向標(biāo)準(zhǔn)溶液和試樣溶液加入一定量的TISAB溶液，測定相應(yīng)的電動(dòng)勢，繪制E ~曲線。根據(jù)試樣溶液的電動(dòng)勢，從標(biāo)準(zhǔn)曲線上求試樣溶液中待測組分的濃度c_x。標(biāo)準(zhǔn)曲線法的優(yōu)點(diǎn)是曲線的濃度范圍寬，便于測定濃度變化大的批量樣品。適用于天然水、飲用水等比較簡單的體系，或血清、海水等組成較為恒定的樣品中待測物質(zhì)的測定。

(2)標(biāo)準(zhǔn)比較法：也稱兩次測量法。向標(biāo)準(zhǔn)溶液和試樣溶液中加入相同量的TISAB，使兩溶液的活度系數(shù)g基本相同，測出和。

S為電極斜率，兩式相減得

表示試液和標(biāo)準(zhǔn)溶液中的電池電動(dòng)勢之差，對上式取反對數(shù)，則有

（1-12)

式1-12是單標(biāo)準(zhǔn)比較法的計(jì)算公式，S為電極斜率，對陽離子取“+”號，對陰離子取“－”號。標(biāo)準(zhǔn)比較法只有電極實(shí)際斜率與理論斜率相一致時(shí)才適用，否則誤差較大。

(3)標(biāo)準(zhǔn)加入法：當(dāng)待測溶液的組成比較復(fù)雜，加入TISAB難以使試液和標(biāo)準(zhǔn)溶液離子強(qiáng)度相等時(shí)，可采用標(biāo)準(zhǔn)加入法。本法是先測定試液的電動(dòng)勢Ex，然后加入適量濃度較大、體積較小的標(biāo)準(zhǔn)溶液，再測量一次電池的電動(dòng)勢Ex+s。設(shè)試液中待測離子濃度為c_x，體積為V_x，加入標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為c_S，體積為V_S；令，則

 （1-13)

     （1-14)

因標(biāo)準(zhǔn)加入后溶液稀釋效應(yīng)小，，K與K¢基本一致，將式1-14減式1-13，則可得：

取反對數(shù)并整理后即為：

 (1-15)

式1-15 是標(biāo)準(zhǔn)加人法的基本計(jì)算式。對陽離子來說，S取正值；而測定陰離子時(shí)，S取負(fù)值。當(dāng)加入的標(biāo)準(zhǔn)溶液體積時(shí)，則式1-15可簡化為：

 (1-16)

式中

【例1-1】在20℃時(shí)用Ag⁺離子選擇電極測定50ml含Ag⁺的試液，測得電位為42mV，加入1.0 g/L的Ag⁺標(biāo)準(zhǔn)液0.50m1后，測得電位為72mV，求試液中Ag⁺離子濃度(設(shè)電極效率為100％)。

解  =72-42=30(mV)

電極斜率

又，則

采用標(biāo)準(zhǔn)加入法應(yīng)事先知道電極的實(shí)際斜率(可通過工作曲線求出)。如S未知，或在標(biāo)準(zhǔn)液中與在待測液中測得的不一致時(shí)，應(yīng)采用二次標(biāo)準(zhǔn)加入法(或連續(xù)加標(biāo)法)求解。

標(biāo)準(zhǔn)加入法的優(yōu)點(diǎn)是通常不用加入總離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑，操作簡單快速，準(zhǔn)確度較高。適用于基體組成復(fù)雜、變動(dòng)性大的一類樣品測定。

（三)測量儀器

目前國內(nèi)外生產(chǎn)出專門與離子選擇性電極配套使用的測試儀器，統(tǒng)稱為離子計(jì)。這些儀器的輸入阻抗須高于電極內(nèi)阻1000倍以上，目的是使通過的電流小至10^-12A以下，達(dá)到“零電流”條件下測定的要求。國外有美國Orion公司的Orion系列離子計(jì)，瑞士Metrohm公司的654型離子計(jì)等。根據(jù)不同功能可分為mV計(jì)、mV／pX計(jì)、mV／pX／c計(jì)。目前常用的國產(chǎn)儀器主要是測溶液pH值的酸度計(jì)，有pHS-2型、pHS-3型、pHS-3C型酸度計(jì)和pHD-11型數(shù)字式酸度計(jì)等。它們除了測定溶液pH值外還可用于電池電動(dòng)勢測定，與其它離子選擇性電極配合測定其它離子濃度。

五、直接電位法的準(zhǔn)確度

一般情況下，電動(dòng)勢測定的不確定性在1mV數(shù)量級。電動(dòng)勢測量的誤差直接影響分析的準(zhǔn)確度。在直接電位法中，濃度的相對誤差可由Nernst公式導(dǎo)出

將上式微分，則

用有限增量DE和Dc代替dE 和dc，得

E的單位用V時(shí)，25℃時(shí)，分析結(jié)果的相對誤差

     (1-17)

對于一價(jià)離子，電動(dòng)勢測量誤差DE，每±l mV將產(chǎn)生約±4％的濃度相對誤差，對二價(jià)離子，每±l mV的電動(dòng)勢測量誤差將引起±8％的濃度相對誤差，對高價(jià)離子的影響尤為嚴(yán)重。因此測定高價(jià)離子，可將其轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛢r(jià)的配位離子后再用直接電位法測定。例如，可將B(III)轉(zhuǎn)化為BF₄^-離子后用BF₄^-離子液膜電極測定。

六、直接電位法的應(yīng)用示例

只要有合適的離子選擇電極就可以簡便快速的測定相應(yīng)的物質(zhì)。到目前為止，用商品電極能直接測定的離子已達(dá)40余種。同時(shí)，還能根據(jù)配合、沉淀等化學(xué)反應(yīng)或生物化學(xué)反應(yīng)間接測定多種離子。此外，利用氣敏電極、酶電極等可直接測定氣體（如CO₂、SO₂、NO₂、NH₃等)和許多有機(jī)化合物(如尿素、氨基酸、扁桃甙、膽甾醇、青霉素等)。

 1.衛(wèi)生檢驗(yàn)中應(yīng)用  在醫(yī)藥衛(wèi)生檢驗(yàn)中，常用直接電位法測定溶液的pH值，其它如K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、F^-、NO₃^-、Cl^-、I^-、S^2-、NH₃及SO₂等均可用直接電位法測定。例如直接電位法測定水中F^-離子濃度的電位法為國家標(biāo)準(zhǔn)方法之一，下面以此為例簡要介紹。

（1)水中F^-離子濃度的測定

以F^-電極為正極，飽和甘汞電極為負(fù)極，在一定離子強(qiáng)度條件下，下列電池電動(dòng)勢與F^-濃度的對數(shù)呈線性關(guān)系

電池的電動(dòng)勢

根據(jù)試樣基體情況不同，可采用不同的定量方法，常用的為標(biāo)準(zhǔn)曲線法和標(biāo)準(zhǔn)加入法。標(biāo)準(zhǔn)曲線法如下：吸取不同量氟標(biāo)準(zhǔn)使用液和適量試樣溶液，各加入相同量TISAB試劑，分別測定標(biāo)準(zhǔn)溶液和樣品溶液的電池電動(dòng)勢s、Ex，以為縱坐標(biāo)，氟離子濃度為橫坐標(biāo)，在半對數(shù)坐標(biāo)紙上繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，根據(jù)Ex在曲線上求得水樣F^-濃度。

　TISAB液的組成為：氯化鈉（1.0mol／L)、冰醋酸（0.25mol／L)、醋酸鈉 （0.75mol/L)、檸檬酸三鈉（0.001mol/L)、用NaOH調(diào)節(jié)至pH5.0～5.5、總離子強(qiáng)度為1.75。其中NaCl是離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑；檸檬酸三鈉起掩蔽A1³⁺、Fe³⁺、Th⁴⁺等少量化學(xué)干擾離子與F^-的絡(luò)合作用；而HAc-NaAc為緩沖劑，使pH為5.0～5.5，防止生成HF和消除OH^-離子的干擾作用。

（2)血清中濃度的測定

血清鉀含量是診斷某些疾病的依據(jù)。用鉀微電極測定可以克服以前采用的四苯硼鉀濁度法或火焰光度法比較費(fèi)時(shí)的缺點(diǎn)。根據(jù)血液中離子含量的范圍，應(yīng)用樣品加入法是比較準(zhǔn)確和方便的測定方法。

將鉀電極和參比電極置于標(biāo)準(zhǔn)溶液（)中，測定電動(dòng)勢（)后，洗凈電極，再測量2.0ml()標(biāo)準(zhǔn)溶液的電動(dòng)勢（)，然后在該液中加入0.10ml血清試樣，混勻，再測得電動(dòng)勢（)，從下式計(jì)算血清鉀的含量。

式中， , 

2.在生命科學(xué)中的應(yīng)用

各種離子選擇電極的研制成功，使直接電位法迅速用于醫(yī)學(xué)和生物學(xué)等領(lǐng)域。離子選擇電極響應(yīng)溶液中待測離子的活度，這個(gè)特點(diǎn)對生理學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的研究具有十分重要的意義。

利用微電極(直徑小于lmm)可實(shí)現(xiàn)體內(nèi)、甚至細(xì)胞膜內(nèi)外離子活度的在位分析。例如用鈣微電極測定了體液及線粒體懸液中的Ca²⁺。電解質(zhì)分析儀采用離子選擇電極法來測量全血、血漿、血清和尿液標(biāo)本中電解質(zhì)(主要指Na⁺、K⁺、Cl^-和HCO₃^-)含量。儀器已經(jīng)微機(jī)化，能自動(dòng)監(jiān)護(hù)、自檢故障作出系統(tǒng)報(bào)警，即時(shí)計(jì)算診斷結(jié)果。臨床檢驗(yàn)中，由pH、pCO₂和pO₂電極為敏感元件的血?dú)夥治鰞x用于動(dòng)脈血標(biāo)本中的pH值、CO₂分壓和O₂分壓的測定。

第三節(jié)  電化學(xué)生物傳感器簡介

一、概述

電化學(xué)傳感器(chemicalsensor)是將物質(zhì)信息實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為電信號或光信號的一種小型化裝置，它能夠連續(xù)測定液體和氣體中化學(xué)物質(zhì)的濃度。傳感器由以下幾部分組成：①化學(xué)敏感層，即識(shí)別系統(tǒng)；②將化學(xué)信息轉(zhuǎn)換為電信號或光信號的轉(zhuǎn)換器；③信號采集和數(shù)據(jù)處理電子線路。這幾部分通常集成一體而成為傳感器。以離子選擇電極為例，固體膜或液膜為化學(xué)敏感層；轉(zhuǎn)換器則基于電極電位；而信號采集和數(shù)據(jù)處理采用電壓表。電化學(xué)傳感器是基于電化學(xué)原理的一類傳感器。用固定化的生物體成份(酶、核糖體、抗體、結(jié)合蛋白質(zhì)、激素)或生物體本身(細(xì)胞、細(xì)胞器、組織)作為敏感元件的傳感器稱為生物傳感器（biosensor)，以電化學(xué)電極為信號轉(zhuǎn)換器的生物傳感器稱為電化學(xué)生物傳感器(electrochemical biosensor)。

 物質(zhì)之間具有較高的特異親合力的例子在生物體內(nèi)比較多見，例如酶與底物之間、抗原與抗體之間、激素與受體之間等等。特異親合力為傳感器的選擇性（專屬性)奠定了基礎(chǔ)。利用上述的生物材料作為選擇性識(shí)別被測物的敏感成分，再利用電化學(xué)的原理和手段去檢測敏感成分與被測物之間相互作用時(shí)所引起的變化，就能把生物學(xué)與電化學(xué)兩種不同學(xué)科結(jié)合起來，建立一種跨學(xué)科的新的檢測方法或技術(shù)。

與傳統(tǒng)分析檢測手段相比電化學(xué)生物傳感器有以下優(yōu)點(diǎn): ①生物傳感器的敏感元件都是由選擇性好的生物體材料構(gòu)成，具有對被測組分的特異性。樣品一般不需進(jìn)行預(yù)處理, 測定時(shí)不需加入其他試劑, 可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、連續(xù)、在位無損監(jiān)測。②響應(yīng)快, 樣品用量少; 經(jīng)過固化的敏感材料可反復(fù)、多次使用, 分析成本遠(yuǎn)低于大型分析儀器。③ 體積較小, 利于儀器小型化。可制成便攜式儀器，便于在野外進(jìn)行連續(xù)檢測。

二、電化學(xué)生物傳感器的基本組成和工作原理

電化學(xué)生物傳感器又稱生物敏電極，它由兩部分構(gòu)成，如圖1-9所示。一部分是把生物體內(nèi)成分、生物體本身(如微生物)或生物體的一部分(如組織)固定在惰性的疏水基質(zhì)膜或多孔粒子上，形成能識(shí)別被測定物的敏感元件；第二部分是把敏感元件對被測物起作用時(shí)所產(chǎn)生的信息變化轉(zhuǎn)變成電信號的信號轉(zhuǎn)換元件。傳感器選擇性好壞完全取決于它的敏感元件，而傳感器的其它性能則和它的整體組成有關(guān)。

當(dāng)被測物質(zhì)與敏感元件接觸時(shí)，敏感元件中具有分子識(shí)別功能的物質(zhì)與被測物發(fā)生特異性反應(yīng)（免疫反應(yīng)、催化反應(yīng)等)，而產(chǎn)生化學(xué)量的變化，轉(zhuǎn)換元件將這種變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏�、電壓等電信號，由測量儀器加以測量，根據(jù)信號的大小對待測物質(zhì)進(jìn)行定量分析。

圖1-9生物傳感器的基本構(gòu)成示意圖

三、電化學(xué)生物傳感器分類

根據(jù)測量信號的不同，電化學(xué)生物傳感器可分為電流型和電位型兩類。

1．電流型   被測物經(jīng)敏感元件識(shí)別，再經(jīng)轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換后輸出電流信號，測量的是傳感電極和參比電極之間施加恒定電位產(chǎn)生的電流，也就是電極活性物質(zhì)在電極上反應(yīng)所產(chǎn)生的電流，發(fā)生的反應(yīng)中有氧參與的占多數(shù)，故大多以氧電極作為基礎(chǔ)電極，也有用H₂O₂電極等作為轉(zhuǎn)換器件。

2．電位型  作為轉(zhuǎn)換器件的電極是在零電流條件下操作、待測物濃度由敏感的膜電極電位的變化定量測定，轉(zhuǎn)換器輸出信號是電位值，常用的電位型電極包括二氧化碳電極、氨電極、pH 玻璃電極等。各種電位型生物電極的電位值與被測物活性的關(guān)系符合Nernst方程：

如果根據(jù)敏感元件中敏感材料識(shí)別物質(zhì)的不同，生物傳感器可分為酶傳感器、微生物傳感器、組織膜傳感器、免疫傳感器等幾類，下面對幾種傳惑器作簡要介紹。

(一)酶傳感器

 酶傳感器（enzyme sensor)俗稱酶電極，是最早出現(xiàn)的生物傳感器，其敏感材料是具有生物活性的酶。利用酶對特定化學(xué)物質(zhì)的選擇性催化功能，使反應(yīng)快速進(jìn)行，而酶促反應(yīng)過程中的底物或生成物的變化可用特定電極檢測�，F(xiàn)以研究得最為成熟的葡萄糖氧化酶傳感器為例，說明酶傳感器的工作原理。

 葡萄糖氧化酶傳感器的敏感元件是固定有葡萄糖氧化酶(GOD)的酶膜，即將葡萄糖氧化酶用適當(dāng)?shù)姆椒ü潭ㄔ谝宜崂w維素等高分子多孔膜上，制成活性膜。再將其密封在Clark氧電極的透氧膜上，因此它的信號轉(zhuǎn)換器是Clark氧電極。整個(gè)電極的結(jié)構(gòu)和工作原理見圖1-10。

圖1-10葡萄糖氧化酶傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)將此電極浸入含葡萄糖的試液后，葡萄糖分子擴(kuò)散進(jìn)入酶膜，在GOD的催化作用下，發(fā)生如下反應(yīng)：

反應(yīng)結(jié)果導(dǎo)致試液中溶解氧濃度降低，因此氧電極的輸出電流迅速下降。當(dāng)本體溶液中的溶解氧向電極表面的擴(kuò)散速度與電極上因酶反應(yīng)而消醫(yī)學(xué)全.在線耗氧的速度相等時(shí)，電極表面處溶解氧的量便不再變化，氧電極的輸出電流便達(dá)到恒定值。反應(yīng)前后氧電流的改變值與試液中葡萄糖的濃度在一定范圍內(nèi)成線性關(guān)系，根據(jù)電極輸出電流的改變值可求出試樣中葡萄糖的濃度。此法能在臨床檢驗(yàn)中用于測定體液中的葡萄糖含量。

同樣，利用尿素在脲酶作用下生成氨和碳酸的反應(yīng)原理，可以制成由脲酶固定化膜與氨氣敏電極或pH 玻璃電極組合制成尿素傳感器等。目前已研制成功的酶傳感器有幾十種。

（二)免疫傳感器

免疫傳感器（immunosensor)是在免疫測定法的基礎(chǔ)上，利用抗體對抗原的識(shí)別功能和與抗原的結(jié)合能力而設(shè)計(jì)的新型傳感器。它可分為標(biāo)記的、非標(biāo)記的和基于脂質(zhì)膜溶菌作用的免疫傳感器三類。

標(biāo)記免疫傳感器也稱酶免疫傳感器，通常用酶標(biāo)記抗原或酶標(biāo)記抗體作分子識(shí)別元件，Clark電極作信號轉(zhuǎn)換。由于用具有化學(xué)放大作用的酶作標(biāo)記物，所以標(biāo)記免疫傳感器的靈敏度較高，可以作超微量的免疫測定。

非標(biāo)記免疫傳感器是直接將抗體或抗原固定于膜或電極表面，當(dāng)發(fā)生免疫反應(yīng)后，抗體與抗原形成的結(jié)合物改變了膜或電極表面的物理性質(zhì)，如表面電荷密度、離子在膜內(nèi)的傳質(zhì)速度等，從而引起膜電位或電極電位的變化，由離子選擇電極檢測。其靈敏度不如標(biāo)記法。

基于脂質(zhì)膜溶菌作用的免疫傳感器是將抗原固定在脂質(zhì)膜表面，季銨離子作標(biāo)示物。在補(bǔ)體蛋白存在下，抗體與抗原反應(yīng)形成的復(fù)合物引起脂質(zhì)膜的溶菌作用，于是標(biāo)示物穿過脂質(zhì)膜，由離子選擇性電極檢測。

（三)微生物傳感器

將存活狀態(tài)下的微生物用高聚物或高分子凝膠固定成微生物膜，再將它密封在電極表面，則可制成微生物傳感器（microbial sensor)。由于微生物比酶易得且穩(wěn)定，所以微生物傳感器比較經(jīng)濟(jì)耐用。根據(jù)原理不同，微生物傳感器又分為呼吸活性測定型和代謝產(chǎn)物型兩類。

 呼吸活性測定型微生物傳感器由固定有好氧微生物的膜和氧電極組成。把傳感器浸入含有機(jī)物的溶液中，有機(jī)物向微生物膜擴(kuò)散并被微生物攝取，引起微生物的呼吸活性發(fā)生改變，導(dǎo)致溶液中溶解氧量變化，其減少值可用氧電極上的還原電流指示。這樣，根據(jù)攝取有機(jī)物前后氧電流的差值，即可測出試液中有機(jī)物的含量。

代謝產(chǎn)物型微生物傳感器，其原理是利用微生物攝取有機(jī)物后生成各種能在電極上反應(yīng)的代謝產(chǎn)物，用電化學(xué)電極去檢測這些電化學(xué)活性物質(zhì)。由于試樣中有機(jī)化合物的濃度與代謝產(chǎn)物的濃度具有相關(guān)性，因此從電極輸出信號的強(qiáng)弱即可測定有機(jī)化合物的含量。

四、電化學(xué)生物傳感器進(jìn)展

生物傳感器中問世最早的是電化學(xué)生物傳感器，近年來它仍在迅速地發(fā)展。以下簡要介紹新型電化學(xué)生物傳感器及與之有關(guān)的新技術(shù)。

（一)電化學(xué)生物傳感器的微型化

生物傳感器的兩個(gè)重要發(fā)展趨勢是微型化和多功能化。氧電極、H₂O₂電極、pH電極、氨氣敏電極、CO₂氣敏電極等常作為生物傳感器的信號轉(zhuǎn)換器，但常規(guī)電極由于體積較大，限制了它在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，特別是在體、在位、在線連續(xù)監(jiān)控方面需要微型化的電化學(xué)電極。

 微型電化學(xué)傳感器沒有嚴(yán)格的定義,一般來說微型傳感器的一維尺寸至少在一個(gè)方向上是微米級。10 nm是微電極的最低尺寸限度,低于這一尺寸的稱為納米電極。隨著各種微加工技術(shù)廣泛地應(yīng)用于電化學(xué)傳感器中，微型傳感器在電化學(xué)分析中的應(yīng)用取得了快速的發(fā)展。微型傳感器易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn),只需要少量的樣品，大大降低有毒試劑的消耗,減少環(huán)境污染，同時(shí)具有分析成本低,響應(yīng)時(shí)間快,檢測下限低和適用于現(xiàn)場快速檢測等優(yōu)點(diǎn)。

（二)微陣列電極在生物傳感器中的應(yīng)用

電極微型化的意義不僅限于尺寸縮小帶來的直接影響(如實(shí)施在體在位檢測)，更重要的是提供了高的穩(wěn)態(tài)電流密度、高的信噪比，極小的時(shí)間常數(shù)和低的溶液電位降等優(yōu)異的電化學(xué)特性。但是，微電極技術(shù)對測量儀器提出了更高的要求，如高靈敏度與高響應(yīng)速度等。微電極體系的響應(yīng)電流極小，一般在pA～nA之間，常規(guī)測量儀器精確測量有較大困難。于是提出了各種有關(guān)的微陣列電極(microarrayelectrode，MAE)的設(shè)計(jì)。一般而言，微陣列電極是由多支微型電極并聯(lián)地連接而成，它既保留了微電極的優(yōu)點(diǎn)，又在一定程度上改善了其測試性能。除具有單支微電極的特性外，還具有以下特點(diǎn)：電流的加和性，增大了響應(yīng)電流，總的溶液電位降不變；相似數(shù)量級的時(shí)間常數(shù)等等。這樣就在更大程度上改善了測試體系的信噪比，提高了檢測靈敏度。由于微陣列電極所獨(dú)具的優(yōu)越性，以微陣列電極為基礎(chǔ)電極的生物傳感器的報(bào)道日益增多，尤其在開發(fā)微型化、集成化、智能化的生物傳感器并將其應(yīng)用于臨床診斷、發(fā)酵控制、病理藥理研究等領(lǐng)域成為令人關(guān)注的研究方向。

（三)電化學(xué)基因傳感器

基因探針技術(shù)是分子生物學(xué)中基因檢測的重要技術(shù)，通常使用的基因探針采用放射性同位素標(biāo)記，產(chǎn)生放射性污染，并且價(jià)格昂貴。電化學(xué)DNA基因傳感器研究獲得了很好的效果。它是由一個(gè)支持DNA片斷(ssDNA)的電極和檢測用的電活性雜交指示劑構(gòu)成。在適當(dāng)?shù)臏囟取�pH值、離子強(qiáng)度下，電極表面的DNA探針分子能與靶序列選擇性地雜交從而導(dǎo)致電極表面結(jié)構(gòu)的改變，這種雜交前后的結(jié)構(gòu)差異，通過雜交指示劑來識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)對特定靶基因測定的目的。電化學(xué)DNA傳感器具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值，它也將成為今后生物傳感器的研究熱點(diǎn)之一。

（康學(xué)軍，張建新)