第二节　直接电位法

直接电位法是利用原电池电动势与待测离子活度（或浓度）之间的函数关系，直接测定试样中待测离子活度（或浓度）的电位分析法。常用于测定溶液pH值和其他离子活度。

一、溶液pH值的测定

（一）测定原理

直接电位法测定溶液的pH值，指示电极为pH玻璃电极作为原电池的负极，参比电极为饱和甘汞电极作为原电池的正极，将两支电极插入待测溶液中组成原电池，测量其电动势，从而求得溶液的pH值。

（-）pH玻璃电极|被测溶液‖饱和甘汞电极（+）

测定时常用两次测定法，目的是消除玻璃电极的不对称电位和仪器中若干不确定因素所产生的误差。具体方法为：首先测定由标准pH缓冲溶液（已知pHs值）组成原电池的电动势（Es），再测定由待测pH溶液（pHx）组成原电池的电动势（Ex），再根据公式计算待测溶液的pHx。实际工作中，酸度计可直接显示出溶液的pH值，而不必计算待测溶液的pH值。

标准pH缓冲溶液是测定溶液pH值时用于校正仪器的基准试剂，其值的准确性直接影响测定结果的准确度。为了减小测量误差，选用标准pH缓冲溶液时，其pHs值应该尽量与待测溶液的pHx接近（ΔpH<2）。表2-6列出了不同温度下常用的标准pH缓冲溶液的pH值，供选用时参考。

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用下面原电池测量溶液pH值：

（-）pH玻璃电极|待测溶液‖饱和甘汞电极（+）

在298.15K时，测得pH=4.00的标准pH缓冲溶液的原电池电动势为0.209V，待测溶液的原电池电动势为0.312V，计算待测溶液的pH值。

（二）酸度计

1.酸度计的结构

酸度计又称为pH计，是专为测量溶液pH值或测量原电池电动势（mV）而设计的精密仪器，目前所用型号较多，仪器精度不同，自动化程度也不同。不同型号的酸度计在结构上略有差别，但测量原理都相同，主要结构均由电极系统和原电池电动势测量系统组成。电极系统由pH玻璃电极和饱和甘汞电极或复合电极与待测溶液组成原电池，原电池电动势测量系统主要由原电池电动势测量和放大装置以及显示转换装置构成。酸度计都有：电源开关、指示灯、显示屏、电极接头、电极夹、选择钮（pH-mV）、温度补偿钮、斜率调节钮、定位调节钮等部件。下面主要介绍pHS-3C型酸度计的结构。

pHS-3C型酸度计是一种数字显示的酸度计，仪器的最小显示单位为0.01pH或1mV。其外形如图2-8所示，外观见本书彩色插图1。图中各调节旋钮的作用如下：

（1）选择钮（pH/mV）　功能选择按钮，“pH”灯亮时，仪器处于pH测量方式，用于溶液pH的测定；“mV”灯亮时，仪器处于mV测量状态，用于测量原电池的电动势。

（2）温度补偿钮　消除温度对pH测定的影响。

（3）斜率调节钮和定位调节钮　抵偿不同pH玻璃电极等因素引起的电位偏差，使pH计读数与溶液pH值一致。

2.pHS-3C型酸度计的使用方法

（1）开机和预热　连接电极，接通电源，预热15min。

（2）选择测量模式　调节选择钮（pH/mV），“pH”灯亮，仪器处于pH测量方式，用于pH的测定。

（3）温度补偿　调节温度补偿钮使仪器测量的温度与标准pH缓冲溶液和待测溶液的温度相同。

（4）仪器校正　用标准pH缓冲溶液对仪器进行校正，仪器自动识别标准pH缓冲溶液的pH值。测量时，屏幕显示出相应标准pH缓冲溶液的标准pHs值。为取得精确的测量结果，校正时所用标准pH缓冲溶液应保证准确可靠。

①一点校正法　用纯化水清洗电极并用滤纸吸干水分，然后插入标准pH缓冲液中，调节仪器定位调节钮，使屏幕显示标准缓冲液的pHs值。

②两点校正法　纯化水清洗电极并用滤纸吸干水分，插入一种标准pH缓冲液中，调节定位调节钮，使屏幕显示标准pH缓冲液的pHs值。然后取出电极，纯化水清洗电极并用滤纸吸干水分，插入另一种标准pH缓冲液中，调节斜率调节钮，使屏幕显示标准pH缓冲液的pHs值。采用两点校正法，测量溶液的pH值，结果更准确。

经校正的仪器，不能再动定位调节钮和斜率调节钮。

（5）测量　取出电极，纯化水清洗电极，用滤纸吸干水分，将电极插入待测溶液中，屏幕显示的读数即为待测溶液的pH值。

（6）结束工作　测定完毕，移走溶液，取出电极，纯化水清洗电极，用滤纸吸干水分，套上套管，关闭电源，结束实验。

3.酸度计的使用注意事项

（1）仪器校正时，如果用一点校正法应尽可能用接近待测溶液pH的标准pH缓冲溶液。如果用两点校正法应选择ΔpH<3的两种标准pH缓冲溶液，并使待测溶液的pH处于两者之间，且几种溶液的温度相同。

（2）要保证标准pH缓冲溶液的pHs值准确可靠。标准pH缓冲溶液一般可保存2～3个月。如发现有浑浊、发霉或沉淀等现象时，不能继续使用，需重新配制。

（3）测量不同的试样，应选择相适应的pH玻璃电极（例如测量强酸、强碱或者纯化水等）。

（4）将电极从一种溶液移入另一溶液之前，应用纯化水清洗电极，再用滤纸将水吸干，也可以使用所换的溶液冲洗电极。操作时不要刻意擦拭电极的玻璃球泡，否则可能导致电极响应迟缓或者损坏电极。

（5）测定强酸、强碱或特殊性溶液（如含蛋白质、涂料等溶液），应尽量减少浸泡时间，用后仔细清洗。

用酸度计测定溶液的pH值不受溶液中氧化剂、还原剂或其他活性物质、有色物质、胶体溶液或浑浊溶液等影响，在药物分析时常应用于注射液、大输液、滴眼液等制剂及原料药的酸碱度的检查，例如盐酸普鲁卡因注射液的pH值检查。在临床医学检验中可以测定血液、胃液和尿液等各种体液的pH值。但不能用于含氟溶液的pH值测定。

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使用酸度计测定溶液的pH值时，为什么要用标准pH缓冲溶液标定？

二、其他离子活度的测定

直接电位法测定其他阴、阳离子离子活度时，所用的指示电极通常为离子选择性电极，仪器可以用离子选择性电极分析仪或离子活度计，也可以用酸度计。

（一）总离子强度调节缓冲剂

离子选择性电极响应的是离子活度（a），而定量分析的结果是要求得出试液中待测离子的浓度（c），它们之间的关系为a=γc，γ为活度系数，而活度系数与离子强度有关，当溶液中离子强度足够大且固定时，活度系数为常数，电极电位与待测离子浓度之间的关系符合能斯特方程式，测出电极电位通过计算即求得待测离子的浓度。

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，加入的惰性电解质称为离子强度调节剂。为了使用方便，将离子强度调节剂、缓冲溶液及掩蔽剂预先混合后，再加入待测溶液中，这种混合溶液称为总离子强度调节缓冲剂（total ion strength adjustment buffer，TISAB），其作用是保持待测溶液与标准溶液有相同的离子强度和活度系数；维持溶液在适当的pH范围内，满足离子选择性电极的要求；消除干扰离子；促使电极电位稳定等。例如，测定F-浓度时，总离子强度调节缓冲剂的组成为：1mol/L NaCl溶液，使溶液保持较大并稳定的离子强度；0.25mol/L HAc溶液和0.75mol/L NaAc溶液，使溶液的pH值维持在5左右；0.001mol/L柠檬酸钠，掩蔽Fe3+、Al3+等干扰离子。总离子强度调节缓冲剂对于分析的准确度有着至关重要的意义。

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什么是“总离子强度调节缓冲剂”？通常由哪几部分组成？加入它的目的是什么？

（二）定量分析方法

利用离子选择性电极测定待测离子浓度时，一般不采用能斯特方程式直接计算待测离子浓度，常采用以下几种测定方法。

1.标准曲线法

标准曲线法是仪器分析技术常用的方法之一。在离子选择性电极的线性范围内，原电池电动势与溶液浓度的常用对数呈线性关系，在测量时，配制若干个浓度不同的标准溶液（加入总离子强度调节缓冲剂），按照浓度从小到大顺序测定各个标准溶液的原电池电动势，作E-lgc标准曲线。然后在被测溶液中也加入同样的总离子强度调节缓冲剂，与测定标准溶液相同的条件下测定待测离子的原电池电动势（Ex），再从标准曲线上查出对应的lgcx。此种方法称为标准曲线法。该方法应用范围广，适用于被测体系较简单的例行分析、批量样品分析，优点是即使电极响应不完全服从能斯特方程式也可得到满意结果。该方法要求待测溶液与标准溶液有相近的组成，离子强度一致，活度系数相同（加入等量的总离子强度调节缓冲剂），溶液温度相同。

2.标准对比法

利用已知离子活度as（或浓度）的标准溶液为基准，测定其原电池电动势Es，在同样的条件下测定待测溶液的原电池电动势Ex，298.15K时，用以下公式计算被测离子的活度ax（或浓度）

例如，测定水样中的钙离子浓度。将钙离子选择性电极和饱和甘汞电极插入100.0mL水样中，298.15K时，测得钙离子电极电位为-0.0619V，同样方法测得浓度为1.119×10-3mol/L硝酸钙标准溶液中钙离子电极电位为-0.0483V。将测定数据代入式（2-14），计算得水样中钙离子浓度为3.88×10-4mol/L。在临床医学检验中用此法测定血清中钙离子浓度。

3.标准加入法

先测定由待测溶液（cx，Vx）和电极组成原电池的电动势Ex，再向待测溶液中加入标准溶液（cs，Vs）（要求cs为cx的100倍以上，Vx为Vs的100倍以上），测量其原电池的电动势Es，用下式计算出待测离子浓度cx：

式（2-15）中ΔE为Es-Ex。待测离子是阳离子计算时“±”选“+”，待测离子是阴离子计算时“±”选“-”。Δc为加入标准溶液后，试样浓度的增加值，计算公式如下：

式（2-15）中S为电极响应斜率，在298.15K时，理论斜率为，n为待测离子的电荷数。电极响应的实际斜率由实验测得。具体方法为：取两份不同浓度的标准溶液（c1和c2，且c1>c2），在实验条件下，用同一对电极分别测定其原电池电动势（E1和E2），则电极的实际斜率为：

因此，只要测得ΔE（E1-E2）和S后，便可根据式（2-15）计算出待测离子的浓度。

【例2-1】用氟离子选择性电极测定水样中F-浓度时，取水样50.0mL，加总离子强度调节缓冲溶液50.0mL，测得其原电池电动势值为137.2mV，再加2.00×10-3mol/LF-标准溶液1mL，测得其原电池电动势值为117.0mV，氟离子选择性电极的响应斜率为58.0mV/pF。求水样中F-浓度。

答：水样中F-浓度为3.25×10-5mol/L。

标准加入法适用于试样组成复杂、变动性大的样品。该方法的优点是无需配制标准系列溶液绘制标准曲线，也不需要配制与添加总离子强度调节缓冲剂，操作步骤简单快速。为保证得到准确的结果，在加入标准溶液后，试液的离子强度应无显著变化。

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离子选择性电极的定量分析方法有哪些？

（三）离子选择性电极分析仪的操作方法

各种型号的离子选择性电极分析仪的试剂配方、试剂用量、操作方法有所不同，但一般要有下列步骤：

（1）开启仪器，清洗管道；

（2）用适合本仪器的低、高值斜率液进行两点校正；

（3）测定电极电位值；

（4）测定结果由仪器内微处理器计算后打印数值；

（5）每天用完后，清洗电极和管道后关机。若用于急诊检验室，可不关机，自动定时清洗和单点校准，随时使用。

（四）应用实例

1.恩氟烷中氟化物含量的测定

具体的操作步骤如下。

（1）制备标准溶液　精密称取经105℃干燥4h的氟化钠221mg，置100mL容量瓶中，加水20mL使溶解，再加入氢氧化钠溶液（0.04％）1.0mL，用纯化水稀释至刻度，摇匀，即得（1mL相当于含1mg的F），用塑料容器密闭存放，作为标准储备液。精密量取标准储备液适量，用缓冲溶液（pH=5.25）（取氯化钠110g与柠檬酸钠1g，置2000mL容量瓶中，加纯化水700mL，振摇使溶解，小心加入氢氧化钠150g，振摇使溶解，放冷至室温，在振摇下加入冰醋酸450mL和异丙醇600mL，用水稀释至刻度，混匀，溶液的pH值应在5.0～5.5）分别配制成1mL中含氟1、3、5、10（μg）的溶液各100mL。

（2）制备供试品溶液　精密量取恩氟烷药品25mL，精密加纯化水25mL，振摇5min，静置分层，精密量取水层10mL，再精密加入缓冲溶液（pH=5.25）10mL，摇匀，即得。

（3）测定方法　以饱和甘汞电极为参比电极，氟离子选择性电极为指示电极，分别测量标准溶液和供试品溶液的原电池电动势值，以氟离子浓度（μg/mL）的对数值为横坐标，以原电池电动势值（mV）为纵坐标，作图，绘制标准曲线，根据测得的供试品溶液的原电池电动势值，从标准曲线上确定供试品溶液中的氟离子浓度，不得大于5μg/mL。

2.血清中氯化物的测定

氯化物是细胞外液中主要阴离子，测氯化物的方法很多，但由于离子选择性电极方法简便、灵敏、准确、适合装备于大型自动化分析仪，所以大多数实验室逐步用离子选择性电极方法代替其他方法，如临床医学检验用的电解质分析仪就采用离子选择电极法测定氯化物。离子选择性电极的敏感元件是典型的银-氯化银或硫化银，电极膜为溶剂多聚膜掺季铵盐阴离子交换剂组成的活性材料，制成特殊的PVC管状电极，电极膜的一侧与被测试液接触，另一侧与内参比溶液相接触，膜电位直接与试样中氯离子的活度成正比。