傳感器在血液電解質(zhì)分析中的使用——淺談離子選擇性電極的特性和應(yīng)用引言水、電解質(zhì)和酸堿平衡是維持人體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的三個(gè)重要因素。在人體發(fā)生病變時(shí)，如糖尿病酸中毒、腎功能衰竭、嚴(yán)重嘔吐、腹瀉、滲出性胸膜炎或腹膜炎等病癥，都會(huì)引起電解質(zhì)濃度偏離正常范圍，嚴(yán)重時(shí)，甚至危及生命。正常人在細(xì)胞內(nèi)、外液及各種不同體液中的鉀（K）、鈉（Na）、氯（Cl）、鈣（Ca）、鋰（Li）等電解質(zhì)的含量不盡相同，現(xiàn)有的常規(guī)方法尚不能測(cè)定細(xì)胞內(nèi)液電解質(zhì)的濃度，故常以血清的電解質(zhì)數(shù)值代表細(xì)胞外液的電解質(zhì)含量，并以此作為判斷和糾正電解質(zhì)紊亂（electrolytedisorders）的依據(jù)。測(cè)定電解質(zhì)的方法很多，有化學(xué)法、火焰光度法、原子吸收法、離子選擇性電極法等。臨床使用的電解質(zhì)分析儀（electrolyteanalyzer）是采用離子選擇性電極（ISE）測(cè)量溶液中離子濃度的儀器，可以快速精確地同時(shí)測(cè)定生物樣品中的鉀、鈉、氯、鈣、鋰、pH值等多項(xiàng)指標(biāo)。這種儀器具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、靈敏度和選擇性好、成本低、快速、準(zhǔn)確、微量、不破壞被測(cè)試樣和不用進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)處理等優(yōu)點(diǎn)。特別是ISE可以做微量和連續(xù)自動(dòng)測(cè)定，可與血?dú)夥治鰞x、自動(dòng)生化分析儀聯(lián)合進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，電解質(zhì)分析儀已在臨床檢驗(yàn)中得到了廣泛應(yīng)用，而作為其的核心，離子選擇性電極更是得到了長(zhǎng)足發(fā)展。一、什么是離子選擇性電極離子選擇性電極是一類利用膜電勢(shì)測(cè)定溶液中離子的活度或濃度的電化學(xué)傳感器，當(dāng)它和含待測(cè)離子的溶液接觸時(shí)，在它的敏感膜和溶液的相界面上產(chǎn)生與該離子活度直接有關(guān)的膜電勢(shì)。離子選擇性電極離子選擇性電極也稱膜電極，這類電極有一層特殊的電極膜，電極膜對(duì)特定的離子具有選擇性響應(yīng)，電極膜的點(diǎn)位與待測(cè)離子含量之間的關(guān)系符合能斯特公式。這類電極由于具有選擇性好、平衡世間短的特點(diǎn)，是電位分析法用得最多的指示電極。離子選擇電極的工作原理離子選擇性電極（ionselectiveelectrode,ISE）是一種用特殊敏感膜制成的，對(duì)溶液中特定離子具有選擇性響應(yīng)的電極。ISE可測(cè)量pH，以及Na+、K+、Cl-、Ca2+、Mg2+、等離子的活度或濃度。離子選擇性電極通常由電極管、內(nèi)參比電極、內(nèi)參比溶液和敏感膜四個(gè)部分組成。某一特定的ISE，其敏感膜材料可對(duì)某一離子特異性響應(yīng)。不同類型的敏感膜。其膜電位產(chǎn)生的機(jī)理可能不同。大多數(shù)膜電位的產(chǎn)生是基于膜材料的離子與溶液界面的離子發(fā)生交換反應(yīng)，改變兩相中原有的電荷分布，形成雙電層，即兩相間存在一定的電位差。離子選擇性電極的電極電位可表示為：

EISEEISE2.303RTcfnFxx式中，陽(yáng)離子選擇性電極為+,陰離子選擇性電極為一；n為離子電荷數(shù)；Cx為被測(cè)離子濃度；fx為被測(cè)離子活度系數(shù)；K在測(cè)量條件恒定時(shí)為常數(shù)。公式表明，在一定條件下，離子選擇性電極的電極電位與被測(cè)離子濃度的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系。ISE與參比電極共同進(jìn)入樣品試液中構(gòu)成一個(gè)原電池，通過(guò)測(cè)量原電池的電動(dòng)勢(shì)E,便可求得被測(cè)離子的活度或濃度。ISE法又分為直接法和間接法。前者指血清不經(jīng)稀釋直接由電極測(cè)量，后者為血清經(jīng)一定離子強(qiáng)度緩沖溶液稀釋后由電極測(cè)量。1.2離子選擇性電極基本理論離子選擇性電極是一種以電位法測(cè)量溶液中某些特定離子活度的指示電極。測(cè)定的靈敏度高，可達(dá)10-6，特效性好。上述的pH玻璃電極就是對(duì)H+有特殊響應(yīng)（即有專屬性）的典型離子選擇性電極。目前，已制成了幾十種離子選擇性電極，如對(duì)Na+有選擇性的Na+玻璃電極，以氟化鑭單晶膜的氟離子選擇性電極。除此之外，還有鹵素離子選擇性電極，硫離子選擇性電極，Ca2+選擇性電極等。各種離子選擇性電極的構(gòu)造隨電極薄膜（敏感膜）的不同而略有不同，通常都由薄膜及其支持體、內(nèi)參比溶液（含有待測(cè)離子）、內(nèi)參比電極（如AgCl/Ag）等組成。離子選擇性電極對(duì)某一特定離子的測(cè)定，一般是基于內(nèi)部溶液與外部溶液之間產(chǎn)生的電位差（膜電位）進(jìn)行的。而雖然膜電位的形成機(jī)制較為復(fù)雜，但有關(guān)的研究已證明：膜電位的形成主要是溶液中離子與電極膜上離子之間發(fā)生交換作用的結(jié)果?，F(xiàn)以玻璃電極的膜電位建立為例來(lái)加以說(shuō)明。實(shí)踐證明，一根玻璃電極的玻璃膜，其表面必須經(jīng)過(guò)水合才能顯示pH電極的作用，未吸濕的玻璃膜的玻璃電極不顯示pH功能。所以，一根新購(gòu)進(jìn)的玻璃電極，在使用前需在蒸餾水中浸泡若干小時(shí)后才可能用于實(shí)際測(cè)定。玻璃電極的玻璃膜浸入水溶液中時(shí)，即形成一層很薄（10-4?10-5mm）的溶脹的硅酸層（水化層），其中Si與O2構(gòu)成的骨架是帶負(fù)電荷的，與此抗衡的離子是堿金屬離子M+（如Na+）,O—SLO-M+當(dāng)玻璃膜與水溶液接觸時(shí)，由于硅酸結(jié)構(gòu)與H+結(jié)合的鍵的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于與M+,所以，M+為H+所交換，這樣，膜表面的點(diǎn)位幾乎全被H+所占據(jù)而形成SiO-H+o膜內(nèi)表面與內(nèi)部溶液接觸時(shí)，同樣形成水化層。SiO-H+（表SiO-H+（表）+H2O（溶液）SiO（表）+H3O+當(dāng)內(nèi)部溶液與外部溶液的pH值不同時(shí)，則會(huì)影響上述的離解平衡，使得內(nèi)外膜表面的固一液界面上電荷分布不同，這樣跨越玻璃膜就產(chǎn)生了膜電位。當(dāng)將浸泡后的電極浸入試液時(shí)，膜外層的水化層與試液接觸，由于溶液H+活度的不同,因此使上式離解平衡發(fā)生移動(dòng)，從而使電極膜的電位差發(fā)生改變，這種變化與溶液中H+的活度有關(guān)。

△申 ?-M若膜的內(nèi)、外側(cè)水化層與溶液間的界面電位分別是9土、P，膜兩邊溶液的H+活度為內(nèi)試aH+，內(nèi)、aH+，試；若兩水化層中H+活度分別為'H+內(nèi)及'H+，試，則而根據(jù)熱力學(xué)觀點(diǎn)，界面電位與活度有如下關(guān)系：=ki+RTa=ki+RTln—h±^試

a'H+，試RTaln—RTaln—h+內(nèi)a'H+,內(nèi)為討論方便，現(xiàn)假設(shè)兩水化層完全對(duì)稱，則：為討論方便，現(xiàn)假設(shè)兩水化層完全對(duì)稱，則：k=k,a' =a'，兩水合層中擴(kuò)12 H+，試 H+，內(nèi)散電位大小相等，符號(hào)相反，故：Ap=p—pRTalnRTalnh+，試FaH+，內(nèi)2.303RT=K+ lgaF H+，試"a陽(yáng)離子由此可見，在一定的溫度下，玻璃電極的膜電位與溶液的pH呈線性關(guān)系。依次類推，各種離子選擇性電位的膜電位，在一定條件下遵從Nernst"a陽(yáng)離子Ap=K+M而對(duì)陰離子有響應(yīng)的電極則為：Ap =KAp =K—M2.303RTFlga陰離子所以，離子選擇性電極法的基礎(chǔ)就是：在一定條件下，膜電位與溶液中欲測(cè)離子的活度的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系。二、離子選擇性電極的基本特性離子選擇性電極的基本特性是衡量電極優(yōu)劣的指標(biāo)。選擇性理想的離子選擇性電極應(yīng)僅對(duì)某一特定的離子有電位響應(yīng)。但實(shí)際上，每一種離子選擇性電極對(duì)于與這種特定離子共存的其它離子都有不同程度的響應(yīng)，即在不同程度上，一些共存離子對(duì)離子選擇性電極的膜電位會(huì)產(chǎn)生一定的影響。例如，pH玻璃電極，在測(cè)定溶液的pH值時(shí)，若pH>9，則玻璃電極就會(huì)對(duì)溶液中的堿金屬離子（如Na+）產(chǎn)生一定的響應(yīng)，使得其膜電位與pH的理想線性關(guān)系發(fā)生偏離，產(chǎn)生測(cè)量誤差，這種誤差稱為“鈉誤差”或“堿性誤差”。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，就是pH玻璃電極不僅對(duì)H+有響應(yīng)，且在一定條件下對(duì)Na+也有響應(yīng)。當(dāng)H+濃度較高時(shí)，電極對(duì)H+的響應(yīng)占主導(dǎo)，但當(dāng)H+濃度較低時(shí)，Na+存在的影響就顯著了。所以，對(duì)于此時(shí)pH玻璃電極的膜電位即應(yīng)修為：2303RTig?+anF式中：為溶液中共存的Na+的活度，K 為Na+對(duì)H+的選擇性系數(shù)。若設(shè)i為某離Na H+,Na+子的選擇性電極的欲測(cè)離子，j為與i共存的干擾離子，n.與n.分別為兩種離子的電荷，則ij一般離子選擇性電極的膜電位通式可表示為：2.303RTA申=K土 lg[a+K-（a）nn.]M nF . .,j jK..可理解為：在其它條件相同時(shí)提供相同電位的i與j的活度比，即：.,.aK..= i——.,. （a）n./n..若n=n=1,設(shè)K.=10-2,則a=0.0iaa=iooa.。也就是說(shuō)，當(dāng)a.—百倍于a.時(shí),j離子所..........提供的電位才等于i所提供的電位，亦即：只有在a=i00a.的條件下，j離子的存在才能對(duì)j.i的電位測(cè)定產(chǎn)生影響（因?yàn)樵撾姌O對(duì)i離子的敏感度比對(duì)j離子大于100倍）。但當(dāng)K.=100.,j時(shí)，與i離子比較，j離子是主響應(yīng)離子。所以，K..值越小越好。.j顯然，K..的大小說(shuō)明了j對(duì)i的干擾程度，K..越小，離子選擇性電極對(duì)待測(cè)離子的選.j .j擇性就越高。不過(guò)，K.j的大小與離子活度和實(shí)驗(yàn)條件及測(cè)定方法等有關(guān)，因此不能用K.j.j .j的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)作為分析測(cè)定時(shí)的干擾校正。測(cè)量范圍電極有很寬的測(cè)量范圍，一般有幾個(gè)數(shù)量級(jí)。根據(jù)膜電勢(shì)的公式，以電勢(shì)對(duì)離子活度的對(duì)數(shù)作圖，可得一直線，其斜率為RT/ZiF。這就是校正曲線。實(shí)際上，當(dāng)活度ai很低時(shí)，由于膜物質(zhì)本身的溶解以及干擾離子的影響等，校正曲線明顯彎曲。電極的線性響應(yīng)范圍是指校正曲線的直線部分,它是定量分析的基礎(chǔ)，大多數(shù)電極的響應(yīng)范圍為10-1?10-5M，個(gè)別電極達(dá)10-7M，所以測(cè)定的靈敏度往往滿足不了痕量分析的要求。在采用離子緩沖液時(shí)，電極的線性響應(yīng)范圍可大大擴(kuò)展（如銀電極可達(dá)10-20M），使電極可用于理論研究。響應(yīng)速度電極的響應(yīng)時(shí)間有不同的表示方法，浸入法測(cè)定的響應(yīng)時(shí)間是指從電極接觸溶液開始至達(dá)到穩(wěn)定電勢(shì)值（±1毫伏）的時(shí)間;注射法則通過(guò)迅速改變測(cè)量溶液濃度，測(cè)量達(dá)到電勢(shì)最終變化值A(chǔ)E的固定百分?jǐn)?shù)的時(shí)間，如t90,t95等。電極的響應(yīng)時(shí)間隨電極種類、溶液的濃度、溫度、電極處理方法而異。一般，固態(tài)電極響應(yīng)較快，有的只有幾毫秒（如硫化銀電極）；液膜電極響應(yīng)較慢，通常從幾秒到幾分鐘。電極的響應(yīng)速度是判斷電極能否用于連續(xù)自動(dòng)分析的重要參數(shù)。準(zhǔn)確度通過(guò)測(cè)量電勢(shì)直接計(jì)算離子的活度或濃度，其準(zhǔn)確度不高，且受到離子價(jià)態(tài)的限制。理論計(jì)算表明，對(duì)于一價(jià)離子，1毫伏的測(cè)量誤差會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生±4％的濃度相對(duì)誤差。離子價(jià)態(tài)增加,誤差也成倍增加。此外,電極在不同濃度范圍有相同的準(zhǔn)確度，因此它較適用于低濃度組分的測(cè)定。分類離子選擇性電極的種類很多，1975年國(guó)際純粹化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)，根據(jù)離子選擇性電極大多是膜電極這個(gè)特點(diǎn)，依膜的特征，推薦將離子選擇性電極以下二類：⑴原電極這類電極包括晶體（膜）電極、非晶體（膜）電極和活性載體電極。晶體電極又分為均相膜電極和非均相膜電極（如：以LaF3為敏感膜的F-離子選擇性電極；以Ag2S為敏感膜的S2-選擇性電極；以AgX為敏感膜的X-離子選擇性電極等）；非晶體（膜）電極又稱硬質(zhì)電極（如鈉玻璃電極）；而活性載體電極則是以浸有某種液體離子交換劑的惰性多孔膜作為電極膜的一類電極，所以又稱液膜電極（如Ca2+選擇性電極）。⑵敏化電極此類電極又分為氣敏電極和酶電極。前者是以微多孔性氣體滲透膜為電極膜而測(cè)定溶液中氣體含量的選擇性電極，所以又稱為氣體傳感器；而后者是在相應(yīng)的感應(yīng)膜上涂漬生物酶，并通過(guò)酶的催化作用，使待測(cè)物生成能在電極上產(chǎn)生響應(yīng)訊號(hào)的化合物或離子，從而間接地測(cè)定待測(cè)物的含量。三、離子選擇電極性的應(yīng)用和發(fā)展3.1離子選擇性電極的應(yīng)用離子選擇性電極是一種簡(jiǎn)單、迅速、能用于有色和混濁溶液的非破壞性分析工具，它不要求復(fù)雜的儀器，可以分辨不同離子的存在形式，能測(cè)量少到幾微升的樣品，所以十分適用于野外分析和現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)。與其他分析方法相比，它在陰離子分析方面特別具有競(jìng)爭(zhēng)能力。電極對(duì)活度產(chǎn)生響應(yīng)這一點(diǎn)也有特殊意義，使它不但可用作絡(luò)合物化學(xué)和動(dòng)力學(xué)的研究工具，而且通過(guò)電極的微型化已被用于直接觀察體液甚至細(xì)胞內(nèi)某些重要離子的活度變化。離子選擇性電極的分析對(duì)象十分廣泛，它已成功地應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、水質(zhì)和土壤分析、臨床化驗(yàn)、海洋考察、工業(yè)流程控制以及地質(zhì)、冶金、農(nóng)業(yè)、食品和藥物分析等領(lǐng)域。3.2離子選擇性電極的發(fā)展電極分析在環(huán)境監(jiān)測(cè)、化工、冶金、地質(zhì)、電力、航空、原子能工業(yè)、海洋調(diào)查、地震預(yù)報(bào)、防疫衛(wèi)生、食品加工、農(nóng)業(yè)分析等個(gè)方面的應(yīng)用，均取得了一定成效。目前，國(guó)內(nèi)在開展離子電極及其測(cè)試儀表的研制與應(yīng)用的同時(shí)，正逐步加強(qiáng)有關(guān)基本理論研究工作，以期進(jìn)一步解決離子電極的制造與應(yīng)用中存在的各種問(wèn)題，為設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的電極提供理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。在經(jīng)典的電位分析法中，用玻璃膜電極測(cè)定溶液中的氫離子活度獲得了最廣泛的應(yīng)用，也啟示了人們研究設(shè)計(jì)對(duì)其它離子具有選擇性的電極。除對(duì)玻璃電極進(jìn)行較系統(tǒng)的研究以外，為了尋找對(duì)不同離子具有選擇性的電極膜，對(duì)其他一些選擇性電極也進(jìn)行了長(zhǎng)期的探索和試驗(yàn)