第三章--电化学分析仪器与技术

第三章电化学分析仪器与技术前言待测物质确定电位电流电导电量参与反应的化学物质的量电化学分析技术：是根据物质的电化学性质确定物质成分的一种分析方法。方法：电位分析法、电导分析法、电解分析法、库仑分析法、极谱法和伏安法等。特点：快速、灵敏、准确、仪器简单、便于自动化等。目录第一节电位分析技术原理第二节电解质分析仪第三节血气分析仪重点提示掌握：1、电位分析技术的基本原理；2、离子选择电极分析法。熟悉：1、直接电位法和电位滴定法；2、电解质分析仪的工作原理；3、血气分析仪的工作原理。了解：1、电解质分析仪的基本结构；2、血气分析仪基本结构。第一节电位分析技术原理电位分析技术定义及分类•定义:通过测定电池电动势以确定被测物含量的方法。•分类：1、直接电位法2、电位滴定法一、化学电池化学电池：化学能与电能相互转换的电化学反应装置，分为原电池和电解池。原电池：将本身的化学能转换成电能。电解池：将电能转换成化学能。一、化学电池原电池：将化学能转变成电能装置。组成：以铜锌原电池为例（-）Zn极：Zn-2e==Zn2+（+）Cu极：Cu2++2e==Cu电池反应：Zn+Cu2+==Zn2++Cu（反应自发进行）[讨论：盐桥的作用？维持溶液中各部分保持电中性；消除液接电位。]一、化学电池半电池又称电极，在单个电极上发生的反应称为半电池反应或电极反应。构成原电池的条件：两个电极、电解质溶液和导线连接的闭合回路。无液体接界电池：两个电极浸在同一个电解质溶液中所构成的电池。有液体接界电池：两个电极分别浸在用半透膜或烧结玻璃隔开的，或用盐桥连接的两种不同的电解质溶液中，这样构成的电池。二、参比电极与指示电极参比电极（referenceelectrode）又称参考电极，是在测量溶液的电位时提供基准电位的电极。参比电极应具备：①能迅速建立热力学平衡电位，要求电极反应是可逆的；②电极电位是稳定的，允许仪器进行测量。常用参比电极：甘汞电极和银-氯化银电极。参比电极------甘汞电极由Hg-Hg2Cl2-KCl溶液组成•电极反应:2Hg＋2Cl⁻＝Hg2Cl2＋2e•特点:较高的阻抗一定的电流负载能力参比电极------银-氯化银电极•电极反应:Ag＋Cl⁻＝AgCl＋e•特点:体积小灵活氯化银包覆的银线冲液口参比室或液体连接线液体链接KClAgCl二、参比电极与指示电极指示电极（indicatorelectrode）电位随待测物溶液浓度变化而变化，根据电位的大小指示溶液离子的浓度。指示电极常与参比电极组成工作电池。指示电极条件：①电极电位与溶液离子的浓度或活度关系符合Nernst方程式；②响应快、重现性好；③结构简单、便于使用。常用指示电极：离子选择性电极和一些金属或非金属电极。三、离子选择电极①电极腔体，由玻璃或高分子聚合物材料做成；②内参比电极，通常为Ag/AgCl电极；③内参比溶液，由氯化物及响应离子的强电解质溶液组成；④敏感膜，对离子具有高选择性的响应膜。•定义：离子选择电极是一种以电位法测量溶液中某些特定离子活度的指示电极。•Nernst方程•基本构造：三、离子选择电极刚性基质电极（H+、Na+电极）流动载体电极（钙、钾电极）敏化电极气敏电极(氨电极、硫化氢电极)酶电极(葡萄糖电极、氨基酸电极)晶体膜电极原电极非晶体膜电极均相膜电极（LaF、Ag2S）非均相膜电极（Ag2S-CuS）离子选择电极•分类：三、离子选择电极(1)晶体膜电极•按敏感膜结构分均相晶体膜电极：单晶膜电极由难溶解盐单晶压制而成，如LaF3氟电极；多晶膜电极由难溶盐多晶粉末，如氯电极用AgCl粉末高压抛光而成。非均相膜电极由电活性物质（难溶盐）均匀分布于惰性粘合材料中，经加热加压制成。氟离子选择电极三、离子选择电极pH玻璃电极(2)玻璃电极（刚性基质电极）①电极腔体：玻璃管；②内参比电极：涂有AgCl的银丝；③内参比溶液：0.1mol/L的HCl溶液；④敏感膜：玻璃膜。三、离子选择电极pH电极的水化：pH玻璃电极在使用前将电极放在蒸馏水或缓冲液中浸泡24小时以上。在水化层形成的过程中的交换反应可表示如下：SiO-Na+(表面)+H+----SiO-H+(表面)+Na+(溶液)pH玻璃电极的响应机制：①硅酸盐玻璃中含有金属离子、氧和硅；②敏感膜水化胶层的形成；③电极浸入待测试液中，玻璃膜内外界面与溶液之间均产生界面电位，形成膜电位及电极电位。三、离子选择电极•一种液体敏感膜，由电活性物质（载体）、有机溶剂、支撑膜（微孔膜）三部分组成。•根据液体敏感膜电活性载体性质分为三种类型：阳性液膜电极：载体带正电荷，对阴离子响应，如硝酸根离子选择电极；阴性液膜电极：载体带负电荷，对阳离子响应，如钙离子选择电极；中性液膜电极：载体含未成键的电子，对阳离子响应，如钾离子选择电极。(3)流动载体电极三、离子选择电极•是一种气体传感器，以原电极作为指示电极与参比电极一起插入电极管内组成复合电极，电极管中充有特定的电解质溶液称为中介液，在电极管的端部紧贴离子选择电极敏感膜处，用透气膜将中介液与外部试液隔开，构成气敏电极。•测量时，待测溶液中的气体通过透气膜进入中介液内发生反应，引起中介液某种离子化学平衡移动，电极电位也发生变化。该离子可用指示电极测定，从而可以测定待测溶液气体组分的分压，常用的气敏电极是O2电极和CO2电极。(4)气敏电极三、离子选择电极•指示电极的敏感膜上覆盖酶，当酶接触待测物质时，利用酶的特殊催化反应使待测物质明显减少或增加，该变化再转换为电极中的电位或电流变化。•基础电极的选择与酶促反应中产生或消耗的电极相应活性物质有关。•酶电极的基础电极主要包括电流型电极和电位型电极。（5）酶电极（enzymeelectrode）三、离子选择电极离子选择电极的性能参数•线性范围和检测下限。线性范围：校准曲线的直线部分所对应的离子活度范围。检测下限：校准曲线的直线部分与水平部分延长线的交点所对应的离子活度。•响应斜率：在Nernst响应范围内，离子选择电极对离子活度增加10倍时的电位变化值称为实际响应斜率。•选择系数：反应ISE抵抗其他干扰离子的能力。•响应时间：指ISE和参比电极一起接触试液到电极电位趋于稳定数值（波动小于1mV）所需的时间。四、直接电位分析法与电位滴定分析法•电位分析法（potentiometry）利用电极电位与溶液中待测物质离子的活度（或浓度）的关系进行分析的一种电化学分析法。1、直接电位分析法在相同条件下，分别将标准液和试样作为工作电池溶液，测定其电位值，与标准溶液比较推算出试样溶液中特定离子活（浓）度。2、电位滴定法利用滴定过程中电动势突跃变化来确定终点的滴定分析法。四、直接电位分析法与电位滴定分析法（一）直接电位分析法•标准比较法（直读法）•标准曲线法•标准加入法（二）电位滴定法•滴定终点确定•自动电位的滴定第二节电解质分析仪电解质分析仪电解质分析仪（electrolyteanalyzer）采用离子选择电极（ISE）测量溶液中离子浓度的仪器。测定指标：生物样品中的K+、Na+、Cl-、Ca2+、Li+、Mg2+、pH值等。一、电解质分析仪的分类与工作原理（一）电解质分析仪的分类按结构、测量方法、自动化程度、电极检测方式等。（二）离子选择电极钾、钠、氯三种电极是临床电解质分析仪器上常用电极。钾、钠、氯三种离子选择电极计量性能要求批内重复性≤1.5%，示值误差（平均偏倚）≤±4%，10分钟内稳定性≤2%。一、电解质分析仪的分类与工作原理（三）电解质分析仪的工作原理样品通过某离子选择性电极时由某相应的电解质渗过电极膜时产生了电流，通过对该电流的放大，同标准液A标及B标通过电极时产生的电流进行对数及斜率比较，计算出样品中某一电解质的值。二、电解质分析仪的结构显示器分析箱Na电极K电极参比电极测量电路驱动器逻辑控制电路操作键结构框图不同的电解质分析仪在仪器板面上都具有人机对话的操作键。在分析检测样品时，操作者可以通过按键操作控制分析检测过程。1.面板系统例如：AVL9180电解质分析仪只有yes/no两个按键，yes键用来接收显示屏上的提问，no键用来否定显示屏上的提问，通过这两个键对仪器进行各种操作和参数设定。YesNoYesNoAVL9180AVL9180YesNoYesNoAVL9180AVL9180二、电解质分析仪的结构二、电解质分析仪的结构1.电极系统仪器将测量电极与测量毛细管做成一体化的结构，使各电极对接在一起自然形成测量毛细管。参比电极采用甘汞电极。二、电解质分析仪的结构指示电极：流动式离子感应透明膜电极1.电极系统新型仪器的测量电极参比电极：流动式透明接头电极Na电极结构示意图二、电解质分析仪的结构3.液路系统液路系统通常由标本盘、溶液瓶、吸样针、三通阀、电极系统、蠕动泵等组成。蠕动泵的作用：为各种试剂的流动提供动力。液路系统直接影响到样品浓度测定的准确性和稳定性。二、电解质分析仪的结构4.电路系统通常由测量电路将电极产生的微弱信号经反对数放大器放大，然后进入A/D转换，最后送到三位LED数字显示器显示并打印结果。二、电解质分析仪的结构5.软件系统提供仪器的各种操作程序分析仪的软件系统，是控制仪器运作的关键。软件系统的作用微处理系统操作仪器设定程序操作仪器测定程序操作自动清洗程序第三节血气分析仪血气分析仪血气分析仪（bloodgasanalyzer）是利用电极对人全血中的酸碱度（pH）、二氧化碳分压（PCO2）和氧分压（PO2）进行测定的仪器。血气分析参数•实际碳酸氢根浓度（AB）•标准碳酸氢根浓度（SB）•血液缓冲碱（BB）•血浆二氧化碳总量（T-CO2）•血液碱剩余（BEblood）•细胞外液碱剩余（BEECF）•血氧饱和度（SO2）一、血气分析仪的工作原理一、血气分析仪的工作原理（一）电极系统电极是血气分析仪的电化学传感器。离子极----主要有K+、Na+、Li+、Ca2+、Cl-、pH和pCO2电极伏安型传感器----主要是PO2电极电化学传感器主要包括两大类：一、血气分析仪的工作原理（一）电极系统血气分析仪使用四支电极：pH电极PCO2电极PO2电极pH参比电极一、血气分析仪的工作原理1．pH电极和pH参比电极血气分析仪使用毛细管pH玻璃电极和甘汞电极测量溶液的酸碱度。血液饱和KCl甘汞电极PBSAg/AgCl电极放大器PH7.38液体界面PH敏感玻璃膜液体界面此种电极的标本用量为小于100ul，pH测定范围为0-10。一、血气分析仪的工作原理PCO2电极作用原理：PCO2电极是一种气敏电极。它将测量室内的血液与玻璃电极及其外面的HCO3-溶液分隔开，只允许血液样品中CO2分子通过，让其溶解、水化，并建立电离平衡，使溶液中氢离子（H+）增加，因而使膜内溶液pH值下降。待测溶液中pH值的变化与lgPCO2有线性关系。由pH电极测得pH值的变化量，经反对数放大器转换为PCO2，再用数字显示。一、血气分析仪的工作原理2．PCO2电极PCO2测量系统示意图一、血气分析仪的工作原理3．PO2电极PO2电极属于伏安传感器，是一种气敏电极。O2渗透膜用聚丙烯膜或聚四氟乙烯膜，也有用聚乙烯、聚酯作电极膜。基于电解氧过程中产生电极电流二实现。二、血气分析仪的基本结构（二）管路系统血气分析仪的管路系统比较复杂，是血气分析仪很重要的组成部分。功能有完成自动定标、自动测量、自动冲洗等。管路系统结构，通常由气瓶、溶液瓶、连接管道、电磁阀、正压泵、负压泵和转换装置等部分组成。二、血气分析仪的基本结构（二）管路系统二、血气分析仪的基本结构1．气路系统气路系统用来提供PCO2和PO2两种电极定标时所用的两种气体。每种气体中含有不同比例的氧和二氧化碳。压缩气瓶供气方式，又叫外配气方式气体混合器供气方式，又叫内配气方式气路系统的类型二、血气分析仪的基本结构（1）压缩气瓶供气方式由两个压缩气瓶供气，一个含有5％的二氧化碳和20％的氧；另一个含10％的二氧化碳，不含氧。经过减压后输出的气体，首先经过湿化器饱和湿化后