儀器設(shè)備課件第三章電化學分析儀器與技術(shù)

電化學分析儀器與技術(shù)

重點提示1．什么是電位分析技術(shù)？2．儀器常用的參比電極和離子選擇電極有哪些？3．電解質(zhì)分析儀的基本構(gòu)成是什么？4．pH、PCO2、PO2電極的工作原理是什么？5．電解質(zhì)分析儀由哪些系統(tǒng)組成？6．決定儀器測定結(jié)果準確度和靈敏度的是哪部分系統(tǒng)？7．電解質(zhì)分析儀的液路系統(tǒng)是如何組成的？8．血氣分析儀的基本組成和工作原理是什么？目錄第一節(jié)

電位分析技術(shù)原理第二節(jié)

電解質(zhì)分析儀第三節(jié)

血氣分析儀前言測定物理量確定

電位電流電導電量參與反應的化學物質(zhì)的量電化學分析技術(shù)是根據(jù)物質(zhì)的電化學性質(zhì)確定物質(zhì)成分的一種分析方法。方法：電位分析法、電導分析法、電解分析法、庫侖分析法、極譜法和伏安法等。特點：快速、靈敏、準確、儀器簡單、便于自動化等。第一節(jié)電位分析技術(shù)原理電位分析技術(shù)定義及分類

定義:

通過測定電池電動勢以確定被測物含量的方法。分類：直接電位法電位滴定法一、化學電池化學電池：化學能與電能相互轉(zhuǎn)換的電化學反應裝置。原電池：將本身的化學能轉(zhuǎn)換成電能。電解池：將電能轉(zhuǎn)換成化學能。一、化學電池原電池：將化學能轉(zhuǎn)變成電能裝置。組成：以銅鋅原電池為例

（-）Zn極：Zn-2e==Zn2+

（+）Cu極：Cu2++2e==Cu電池反應：Zn+Cu2+==Zn2++Cu

（反應自發(fā)進行）[討論：鹽橋的作用？維持溶液中各部分保持電中性；消除液接電位。]一、化學電池半電池又稱電極，在單個電極上發(fā)生的反應稱為半電池反應或電極反應。構(gòu)成原電池的條件：兩個電極、電解質(zhì)溶液和導線連接的閉合回路。無液體接界電池：兩個電極浸在同一個電解質(zhì)溶液中所構(gòu)成的電池。有液體接界電池：兩個電極分別浸在用半透膜或燒結(jié)玻璃隔開的，或用鹽橋連接的兩種不同的電解質(zhì)溶液中，這樣構(gòu)成的電池。二、參比電極與指示電極參比電極（referenceelectrode）又稱參考電極，是在測量溶液的電位時提供基準電位的電極。參比電極應具備：

①能迅速建立熱力學平衡電位，要求電極反應是可逆的；②電極電位是穩(wěn)定的，允許儀器進行測量。常用參比電極：甘汞電極和銀-氯化銀電極。二、參比電極與指示電極指示電極（indicatorelectrode）電位隨待測物溶液濃度變化而變化，根據(jù)電位的大小指示溶液離子的濃度。指示電極常與參比電極組成工作電池。指示電極條件：①電極電位與溶液離子的濃度或活度關(guān)系符合Nernst方程式；②響應快、重現(xiàn)性好；③結(jié)構(gòu)簡單、便于使用。常用指示電極：離子選擇性電極和一些金屬或非金屬電極

。參比電極------甘汞電極由Hg-Hg2Cl2-KCl溶液組成電極反應:

2Hg＋2Cl?＝Hg2Cl2＋2e特點:

較高的阻抗一定的電流負載能力參比電極------銀-氯化銀電極電極反應:Ag＋Cl?＝AgCl＋e特點:

體積小靈活三、離子選擇電極①電極腔體，由玻璃或高分子聚合物材料做成；②內(nèi)參比電極，通常為Ag/AgCl電極；③內(nèi)參比溶液，由氯化物及響應離子的強電解質(zhì)溶液組成；④敏感膜，對離子具有高選擇性的響應膜。定義：離子選擇電極是一種以電位法測量溶液中某些特定離子活度的指示電極。

Nernst方程基本構(gòu)造：ISE與儀器內(nèi)的參比電極浸入樣品試液中構(gòu)成一個原電池，儀器測量原電池的電動勢（電位差）E，就可轉(zhuǎn)化成被測離子的活度或濃度。

E=EISE-E參比=特定的ISE，其敏感膜材料可對某一離子特異性響應，產(chǎn)生膜電位。三、離子選擇電極剛性基質(zhì)電極H+、Li+流動載體電極（液膜）敏化電極氣敏電極、氨電極、硫化氫電極酶電極、葡萄糖電極、組織電極晶體膜電極原電極非晶體膜電極均相膜電極LaF、Ag2S非均相膜電極Ag2S-CuS離子選擇電極種類分類：三、離子選擇電極(1)晶體膜電極（crystallinemembraneelectrode，CME）按敏感膜結(jié)構(gòu)分均相晶體膜電極：單晶膜電極由難溶解鹽單晶壓制而成，如LaF3氟電極；多晶膜電極由難溶鹽多晶粉末，如氯電極用AgCl粉末高壓拋光而成。非均相膜電極由電活性物質(zhì)（難溶鹽）均勻分布于惰性粘合材料中，經(jīng)加熱加壓制成。氟離子選擇電極

晶體膜電極（氟電極）結(jié)構(gòu)：右圖敏感膜：(氟化鑭單晶)

摻有EuF2

的LaF3單晶切片；內(nèi)參比電極：Ag-AgCl電極(管內(nèi))。內(nèi)參比溶液：0.1mol/L的NaCl和0.1mol/L的NaF混合溶液（F-用來控制膜內(nèi)表面的電位，Cl-用以固定內(nèi)參比電極的電位）。

LaF3的晶格中有空穴，在晶格上的F-可以移入晶格鄰近的空穴而導電。離子的大小、形狀和電荷決定其是否能夠進入晶體膜內(nèi)。

當氟電極插入到F-溶液中時，F(xiàn)-在晶體膜表面進行交換。25℃時：E膜

=

=K-0.059lgaF-

=K+0.059pF

原理:三、離子選擇電極

pH玻璃電極(2)玻璃電極（重點要求）①電極腔體：玻璃管；②內(nèi)參比電極：涂有AgCl的銀絲；③內(nèi)參比溶液：0.1mol/L的HCl溶液；④敏感膜：玻璃膜。三、離子選擇電極pH電極的水化：pH玻璃電極在使用前將電極放在蒸餾水或緩沖液中浸泡24小時以上。在水化層形成的過程中的交換反應可表示如下：≡SiO-Na+(表面)+H+===≡SiO-H+(表面)+Na+(溶液)pH玻璃電極的響應機制：①硅酸鹽玻璃中含有金屬離子、氧和硅；②敏感膜水化膠層的形成；③電極浸入待測試液中，玻璃膜內(nèi)外界面與溶液之間均產(chǎn)生界面電位，形成膜電位及電極電位。三、離子選擇電極一種液體敏感膜，由電活性物質(zhì)（載體）、有機溶劑、支撐膜（微孔膜）三部分組成。根據(jù)液體敏感膜電活性載體性質(zhì)分為三種類型：陽性液膜電極：載體帶正電荷，對陰離子響應，如硝酸根離子選擇電極；陰性液膜電極：載體帶負電荷，對陽離子響應，如鈣離子選擇電極；中性液膜電極：載體含未成鍵的電子，對陽離子響應，如鉀離子選擇電極。(3)流動載體電極（electrodewithamobilecarrier）鈣離子電極結(jié)構(gòu)內(nèi)參比溶液:

Ca2+水溶液。液膜(內(nèi)外管之間)：0.1mol/L二癸基磷酸(液體離子交換劑)的苯基磷酸二辛酯溶液。其極易擴散進入微孔膜，但不溶于水，故不能進入試液溶液。鈣離子電極是液膜電極的代表，其結(jié)構(gòu)如上圖。多孔性膜是疏水性的，僅支持離子交換劑形成一層薄膜—即為電極的敏感膜。鈣離子電極的電位二癸基磷酸根可以在液膜-試液兩相界面間來回遷移，傳遞鈣離子，直至達到平衡。在薄膜兩面的界面發(fā)生離子交換反應：RCa=Ca2++R2-。由于Ca2+在水相（試液和內(nèi)參比溶液）中的活度與有機相中的活度差異，在兩相之間產(chǎn)生相界電位。在25℃時為：

鈣電極適宜的pH范圍是5～11，可測出

10-5mol/L的Ca2+。三、離子選擇電極氣體傳感器，以原電極作為指示電極與參比電極一起插入電極管內(nèi)組成復合電極，電極管中充有特定的電解質(zhì)溶液稱為中介液，在電極管的端部緊貼離子選擇電極敏感膜處，用透氣膜將中介液與外部試液隔開，構(gòu)成氣敏電極。測量時，待測溶液中的氣體通過透氣膜進入中介液內(nèi)發(fā)生反應，引起中介液某種離子化學平衡移動，電極電位也發(fā)生變化。該離子可用指示電極測定，從而可以測定待測溶液氣體組分的分壓，常用的氣敏電極是O2電極和CO2電極。(4)氣敏電極（gassensingelectrode）三、離子選擇電極指示電極的敏感膜上覆蓋酶，當酶接觸待測物質(zhì)時，利用酶的特殊催化反應使待測物質(zhì)明顯減少或增加，該變化再轉(zhuǎn)換為電極中的電位或電流變化?；A(chǔ)電極的選擇與酶促反應中產(chǎn)生或消耗的電極相應活性物質(zhì)有關(guān)。酶電極的基礎(chǔ)電極主要包括電流型電極和電位型電極。（5）酶電極（enzymeelectrode）三、離子選擇電極離子選擇電極的性能參數(shù)線性范圍和檢測下限。線性范圍：校準曲線的直線部分所對應的離子活度范圍。檢測下限：校準曲線的直線部分與水平部分延長線的交點所對應的離子活度。響應斜率：在Nernst響應范圍內(nèi)，離子選擇電極對離子活度增加10倍時的電位變化值稱為實際響應斜率。選擇系數(shù)：反應ISE抵抗其他干擾離子的能力。響應時間：指ISE和參比電極一起接觸試液到電極電位趨于穩(wěn)定數(shù)值（波動小于1mV）所需的時間。線性范圍和響應時間

一般線性范圍在10-1～10-6mol/L；響應時間：電極浸入試液后達到穩(wěn)定的點位需要的時間。

平衡時間越短越好?？赏ㄟ^攪拌縮短平衡時間；測量不同濃度試液時，應由低到高測量。四、直接電位分析法與電位滴定分析法電位分析法（potentiometry）利用電極電位與溶液中待測物質(zhì)離子的活度（或濃度）的關(guān)系進行分析的一種電化學分析法。

直接電位分析法在相同條件下，分別將標準液和試樣作為工作電池溶液，測定其電位值，與標準溶液比較推算出試樣溶液中特定離子活（濃）度。電位滴定法利用滴定過程中電動勢突躍變化來確定終點的滴定分析法。四、直接電位分析法與電位滴定分析法（一）直接電位分析法標準比較法（直讀法）標準曲線法標準加入法（二）電位滴定法滴定終點確定自動電位的滴定三、離子選擇性電極的測量方法1、標準比較法2、標準曲線法3、標準加入法兩種溶液，pH已知的標準緩沖溶液s和pH待測的試液x。測定各自的電動勢為：若測定條件完全一致，則K’s=K’x,兩式相減得：

式中pHs已知，實驗測出Es和Ex后，即可計算出試液的pHx，ICPAC推薦上式作為pH的實用定義。使用時，盡量使溫度保持恒定并選用與待測溶液pH接近的標準緩沖溶液。1、標準比較法三、離子選擇性電極的測量方法2、標準曲線法

分別測定各溶液的電位值，并繪制E-lgci

關(guān)系曲線。注意：離子活度系數(shù)保持不變時，膜電位才與logci呈線性關(guān)系。Elgci用待測離子的純物質(zhì)配制一系列不同濃度的標準溶液，3、標準加入法設(shè)某一試液體積為V0，其待測離子的濃度為cx，往試液中準確加入一小體積Vs(大約為V0的1/100)的用待測離子的純物質(zhì)配制的標準溶液,濃度為Cs(約為Cx的100倍)。由于V0>>Vs，可認為溶液體積基本不變。則：濃度增量為：⊿c=Cs

Vs/V0可以認為γ2≈γ1，χ2≈χ1。則：1.電位滴定裝置與滴定曲線記錄每次滴定時的滴定劑用量（V）和相應的電動勢數(shù)值（E），作圖得到滴定曲線。通常采用三種方法來確定電位滴定終點。2.電位滴定終點確定方法(1)E-V曲線法：圖（a）

簡單，準確性稍差。

(2)ΔE/ΔV-V曲線法：圖（b）

一階微商由電位改變量與滴定劑體積增量之比計算之。(3)Δ2E/ΔV2-V曲線法：圖（c）

Δ2E/ΔV2二階微商。

第二節(jié)電解質(zhì)分析儀電解質(zhì)分析儀電解質(zhì)分析儀（electrolyteanalyzer）

采用離子選擇電極（ISE）測量溶液中離子濃度的儀器。測定指標：生物樣品中的K+、Na+、Cl-、Ca2+、Li+、Mg2+、pH值等。一、電解質(zhì)分析儀的分類與工作原理（一）電解質(zhì)分析儀的分類按結(jié)構(gòu)、測量方法、自動化程度、電極檢測方式等。（二）離子選擇電極鉀、鈉、氯三種電極是臨床電解質(zhì)分析儀器上常用電極。鉀、鈉、氯三種離子選擇電極計量性能要求批內(nèi)重復性≤1.5%，示值誤差（平均偏倚）≤±4%，10分鐘內(nèi)穩(wěn)定性≤2%。一、電解質(zhì)分析儀的分類與工作原理（三）電解質(zhì)分析儀的工作原理樣品通過某離子選擇性電極時由某相應的電解質(zhì)滲過電極膜時產(chǎn)生了電流，通過對該電流的放大，同標準液A標及B標通過電極時產(chǎn)生的電流進行對數(shù)及斜率比較，計算出樣品中某一電解質(zhì)的值。二、電解質(zhì)分析儀的結(jié)構(gòu)顯示器分析箱Na電極K電極參比電極測量電路驅(qū)動器邏輯控制電路操作鍵結(jié)構(gòu)框圖

不同的電解質(zhì)分析儀在儀器板面上都具有人機對話的操作鍵。在分析檢測樣品時，操作者可以通過按鍵操作控制分析檢測過程。1.面板系統(tǒng)例如：AVL9180電解質(zhì)分析儀

只有yes/no兩個按鍵，yes

鍵用來接收顯示屏上的提問，no

鍵用來否定顯示屏上的提問，通過這兩個鍵對儀器進行各種操作和參數(shù)設(shè)定。二、電解質(zhì)分析儀的結(jié)構(gòu)二、電解質(zhì)分析儀的結(jié)構(gòu)2.電極系統(tǒng)儀器將測量電極與測量毛細管做成一體化的結(jié)構(gòu)，使各電極對接在一起自然形成測量毛細管。參比電極采用甘汞電極。二、電解質(zhì)分析儀的結(jié)構(gòu)指示電極：流動式離子感應透明膜電極2.電極系統(tǒng)新型儀器的測量電極參比電極：流動式透明接頭電極Na電極結(jié)構(gòu)示意圖二、電解質(zhì)分析儀的結(jié)構(gòu)3.液路系統(tǒng)

液路系統(tǒng)通常由標本盤、溶液瓶、吸樣針、三通閥、電極系統(tǒng)、蠕動泵等組成。蠕動泵的作用：為各種試劑的流動提供動力。

液路系統(tǒng)直接影響到樣品濃度測定的準確性和穩(wěn)定性。

二、電解質(zhì)分析儀的結(jié)構(gòu)4.電路系統(tǒng)通常由測量電路將電極產(chǎn)生的微弱信號經(jīng)反對數(shù)放大器放大，然后進入A/D轉(zhuǎn)換，最后送到三位LED數(shù)字顯示器顯示并打印結(jié)果。二、電解質(zhì)分析儀的結(jié)構(gòu)5.軟件系統(tǒng)提供儀器的各種操作程序分析儀的軟件系統(tǒng)，是控制儀器運作的關(guān)鍵。軟件系統(tǒng)的作用微處理系統(tǒng)操作儀器設(shè)定程序操作儀器測定程序操作自動清洗程序第三節(jié)血氣分析儀血氣分析儀

血氣分析儀（bloodgasanalyzer）是利用電極對人全血中的酸堿度（pH）、二氧化碳分壓（PCO2）和氧分壓（PO2）進行測定的儀器。

血氣分析參數(shù)實際碳酸氫根濃度（AB）標準碳酸氫根濃度（SB）血液緩沖堿（BB）血漿二氧化碳總量（T-CO2）血液堿剩余（BEblood）細胞外液堿剩余（BEECF）血氧飽和度（SO2）

一、血氣分析儀的工作原理二、血氣分析儀的基本結(jié)構(gòu)

（一）電極系統(tǒng)

血氣分析儀使用四支電極：

pH電極

PCO2電極

PO2電極

pH參比電極

二、血氣分析儀的基本結(jié)構(gòu)（一）電極系統(tǒng)電極是血氣分析儀的電化學傳感器。

離子極----主要有K+、Na+、Li+、Ca2+、

Cl-、pH和pCO2

電極

伏安型傳感器----主要是PO2

電極電化學傳感器主要包括兩大類：二、血氣分析儀的基本結(jié)構(gòu)1．pH電極和pH參比電極

血氣分析儀使用毛細管pH玻璃電極和甘汞電極測量溶液的酸堿度。

血液飽和KCl甘汞電極PBSAg/AgCl電極放大器PH7.38液體界面PH敏感玻璃膜液體界面此種電極的標本用量為2l，pH測定范圍為010。

*pH測定原理與方法指示電極：pH玻璃膜電極參比電極：飽和甘汞電極Ag,AgCl|HCl|玻璃膜|試液溶液

KCl(飽和）

|Hg2Cl2（固），

Hg玻璃液接甘汞電池電動勢為：

pH電極是利用電位法原理測量溶液的H+濃度，其電極是一個對H+敏感的玻璃電極，同時必須用另一電位值已知的參比電極配套，通常與甘汞電極保持電接觸。血樣中的H+與玻璃電極膜中的金屬離子進行交換，產(chǎn)生電位差，并與血樣的H+濃度成正比，二者之間存在著對數(shù)關(guān)系。二、血氣分析儀的基本結(jié)構(gòu)2．PCO2電極

PCO2電極是根據(jù)J.Severinghaus原理設(shè)計，故也稱為“Severinghaus”電極。

PCO2

測量系統(tǒng)示意圖

二、血氣分析儀的基本結(jié)構(gòu)PCO2電極作用原理：

它將測量室內(nèi)的血液與玻璃電極及其外面的HCO3-溶液分隔開，血液與玻璃電極及其外面的HCO3-溶液分隔開，只允許血液樣品中CO2分子通過，讓其溶解、水化，并建立電離平衡，使溶液中氫離子（H+）增加，因而使膜內(nèi)溶液pH值下降。由二氧化碳分壓電極的工作原理可知，待測溶液中pH值的變化與lgPCO2有線性關(guān)系。由pH電極測得pH值的變化量，經(jīng)反對數(shù)放大器轉(zhuǎn)換為PCO2，再用數(shù)字顯示。

二、血氣分析儀的基本結(jié)構(gòu)3．PO2電極

PO2電極是一種氣敏電極。O2滲透膜用約20m的聚丙烯膜或聚四氟乙烯膜，也有用聚乙烯、聚酯作電極膜。

PO2電極是一種對O2敏感的電極，屬于電位法，電極結(jié)構(gòu)如圖所示。以白金絲（Pt）為陰極，Ag/AgCl參比電極為陽極，以陰極與陽極之間的一層磷酸鹽緩沖液藉以溝通，其外包裹一層聚丙烯膜，膜外接觸血樣品。此膜不能透過離子，僅O2可透過。當樣品中的O2透過聚丙烯膜到達Pt陰極表面時，O2不斷地被還原，產(chǎn)生如下化學變化：陰極反應O2＋2H2O＋4e－→4OH－電解質(zhì)反應NaCl＋OH－→NaOH＋Cl－陽極反應Ag+＋Cl－→Agcl＋e－氧的還原反應導致陰陽極之間產(chǎn)生電流，其強度與氧的擴散量或PO2成正比，以此測出PO2值（圖5-9）。PO2電極可測定范圍為0-106kPa。二、血氣分析儀的基本結(jié)構(gòu)（二）管路系統(tǒng)

血氣分析儀的管路系統(tǒng)比較復雜，是血氣分析儀很重要的組成部分。

功能有完成自動定標、自動測量、自動沖洗等。

管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通常由氣瓶、溶液瓶、連接管道、電磁閥、正壓泵、負壓泵和轉(zhuǎn)換裝置等部分組成。

二、血氣分析儀的基本結(jié)構(gòu)（二）管路系統(tǒng)二、血氣分析儀的基本結(jié)構(gòu)1．氣路系統(tǒng)

氣路系統(tǒng)用來提供PCO2和PO2兩種電極定標時所用的兩種氣體。每種氣體中含有不同比例的氧和二氧化碳。

壓縮氣瓶供氣方式，又叫外配氣方式氣體混合器供氣方式，又叫內(nèi)配氣方式氣路系統(tǒng)的類型二、血氣分析儀的基本結(jié)構(gòu)（1）壓縮氣瓶供氣方式

由兩個壓縮氣瓶供氣，一個含有5％的二氧化碳和20％的氧；另一個含10％的二氧化碳，不含氧。

經(jīng)過減壓后輸出的氣體，首先經(jīng)過濕化器飽和濕化后，再經(jīng)閥或轉(zhuǎn)換裝置送到測量室中，對PCO2和PO2電極進行定標。

濕化器是用水蒸氣將定標氣體飽和濕化的裝置。

經(jīng)飽和濕化后的水蒸氣產(chǎn)生的壓力為恒定值。

二、血氣分析儀的基本結(jié)構(gòu)（2）氣體混合器供氣方式

用儀器本身的氣體混合器產(chǎn)生定標氣。

加到氣體混合器上來的空氣壓縮機產(chǎn)生的壓縮空氣和氣瓶送來的純二氧化碳氣體，二氧化碳的純度要求大于99.5％，氣體混合器將上述兩種氣體進行配比、混合，最后產(chǎn)生類似于上述氣瓶內(nèi)氣體比例的兩種不同濃度的氣體。同氣瓶預混的供氣方式一樣，這兩種氣體也要經(jīng)濕化器后，才送給測量毛細管。

血氣分析儀氣體混合器工作原理示意圖

二、血氣分析儀的基本結(jié)構(gòu)2．液路系統(tǒng)

液路系統(tǒng)具有兩種功能，一