缓冲溶液的作用原理?

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离子选择电极(Ion Selective Electrode,ISE)是20世纪70年代发展起来的一种分析化学传感技术。由于具有操作简便、灵敏度高和成本低等优点,现已广泛用于生物、医药、环保等领域中离子浓度或活度浓度的定量测定。在ISE的构造中,通常需加入一种或几种电解质溶液,即缓冲溶液(buffer solution)。 通过调节缓冲溶液的浓度,可以改变离子环境对离子选择电极响应的性质;通过调节缓冲溶液的pH值,可以改变离子的形式(如H+被取代而形成阴离子)以及离子的价数(氧化还原电位),从而影响离子与电极表面活性中心的相互作用,进而影响传感器对离子检测的特异性及灵敏性。缓冲溶液的选择在离子选择电极法中非常重要。

1. 缓冲效应及其原理 在电化学测量过程中,由于离子在溶液中的存在形态会受到溶液的电性(pH值)和化学组成(离子强度)的影响,因此常常会出现非特异性的电流或电压信号,这种因背景离子存在而产生的干扰称为缓冲效应。 所谓缓冲效应,就是指当加入一个离子后,由于其他离子的存在而导致检测信号发生偏移的现象。其原理可理解为:待测离子与胶体颗粒表面的活性点(配位基团或不饱和键)结合,形成络合物而被吸附到固体表面;同时,与待测离子具有相似荷电特征的缓冲剂阳离子或阴离子,会与表面活性点结合的待测离子发生竞争性的抑制或促进反应,从而减少或增加了待测总离子含量,使电化学信号产生不同程度的偏移[5]。可以通过选用不同pH值的缓冲溶液来控制待测离子的生成/降解过程,以达到分离和浓缩的目的。

2. pH值对离子选择电极响应的影响 当以含不同浓度待测离子的溶液作为工作溶液时,可在一定的pH范围内得到一个相对稳定的电信号,这一范围即是该离子的测定范围。如果增加或减少工作溶液的pH值,则电信号会发生变化,且随pH值的变化而变化;如果改变过快,则会产生振幅很大的波动,这种现象被称为pH突跃。 一般情况下,对于同一电极,在所选择的缓冲溶液范围内,pH突跃越大,表示该离子与电极反应的可逆程度越高,即离子活性越高。反之,则说明离子活性较低。

需要指出的是,许多电解质溶液都具有缓冲能力,但效果不明显;只有在特定条件下,才能表现出较大的缓冲能力。其中决定缓冲能力的两个重要参数是缓冲体积比和缓冲距离。当其它条件相同时,增大缓冲液的体积比可使缓冲能力显著提高;然而增加过多会造成浪费。选择合适的缓冲体积比十分重要。增加缓冲液与样品溶液的接触时间也可提高缓冲效果。一般来说,延长接触时间可明显增强缓冲作用,但时间过长,有可能导致误差增加。

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