2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專業(yè)題庫——離子選擇性電極的研究與開發(fā)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填入括號(hào)內(nèi)）1.根據(jù)膜電位理論，離子選擇性電極的電位主要取決于（）。A.內(nèi)參比電極的電位B.膜電位C.溶液本體電位D.金屬電極的電位2.對(duì)于能斯特響應(yīng)良好的離子選擇性電極，當(dāng)待測離子活度增加一倍時(shí)，膜電位（）。A.增加0.059V（25℃）B.增加0.115V（25℃）C.減少約0.059V（25℃）D.減少約0.115V（25℃）3.下列哪種電極不屬于離子選擇性電極？（）A.氫離子選擇性電極B.氯離子選擇性電極C.pH玻璃電極D.氧氣選擇性電極4.在使用離子選擇性電極測量時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)加入法主要用于（）。A.提高測定精度B.消除基質(zhì)效應(yīng)C.提高選擇性系數(shù)D.簡化校準(zhǔn)過程5.液體離子交換膜電極的敏感膜主要由（）組成。A.固體載體和離子交換液B.液體離子交換劑和溶劑C.固體離子交換劑和溶劑D.聚合物基質(zhì)和離子6.評(píng)價(jià)離子選擇性電極選擇性的重要參數(shù)是（）。A.響應(yīng)時(shí)間B.檢測限C.選擇性系數(shù)D.線性范圍7.pH玻璃電極對(duì)氫離子活度的響應(yīng)是基于（）。A.離子交換B.氧化還原C.液體接界電位D.氫離子在玻璃膜中的溶解與擴(kuò)散8.為了提高離子選擇性電極的響應(yīng)速度，通?？梢圆扇〉拇胧┦牵ǎ?。A.使用厚膜B.使用多孔膜C.降低膜內(nèi)離子擴(kuò)散系數(shù)D.增加內(nèi)參比溶液體積9.在環(huán)境監(jiān)測中，離子選擇性電極可用于直接測定水樣中的（）。A.溶解氧B.總有機(jī)碳C.氨氮D.硫酸根離子10.下列哪項(xiàng)不是離子選擇性電極的主要應(yīng)用領(lǐng)域？（）A.生物醫(yī)學(xué)樣品分析B.工業(yè)過程在線控制C.星際空間物質(zhì)分析D.食品成分檢測二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填入橫線上）1.離子選擇性電極的電位表達(dá)式通常表示為E=E?+Slog(a_i)+E_ion，其中S代表__________，a_i代表__________，E_ion代表__________。2.均相膜離子選擇性電極的膜相通常是__________狀態(tài)的離子交換材料。3.多孔膜離子選擇性電極的膜材料通常是__________，其多孔結(jié)構(gòu)有利于離子擴(kuò)散。4.測量離子選擇性電極的電位時(shí)，通常使用__________參比電極和__________鹽橋。5.影響離子選擇性電極響應(yīng)時(shí)間的主要因素包括膜厚度、膜內(nèi)離子擴(kuò)散系數(shù)以及__________。6.在使用離子選擇性電極進(jìn)行定量分析時(shí)，為了保證測量精度，通常需要繪制__________曲線。7.某一離子選擇性電極的選擇性系數(shù)K_ij表示在相同條件下，電極對(duì)離子i的響應(yīng)相對(duì)于離子j的響應(yīng)的__________。8.為了防止離子選擇性電極的膜老化或污染，使用后通常需要浸泡在__________中保存。9.氣體選擇性電極的敏感膜通常是__________，它對(duì)特定氣體分子具有選擇性吸附。10.將離子選擇性電極與適當(dāng)?shù)碾娮觾x器結(jié)合，可以構(gòu)成__________系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測。三、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.能斯特響應(yīng)（NernstResponse）2.選擇性系數(shù)（SelectivityCoefficient）3.離子交換膜（Ion-ExchangeMembrane）4.檢測限（DetectionLimit）5.標(biāo)準(zhǔn)加入法（StandardAdditionMethod）四、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述離子選擇性電極的電位響應(yīng)機(jī)制。2.比較均相膜離子選擇性電極和多孔膜離子選擇性電極的特點(diǎn)。3.說明使用離子選擇性電極進(jìn)行測量的主要干擾類型及其可能的消除方法。4.簡述離子選擇性電極在環(huán)境監(jiān)測中的優(yōu)勢。五、計(jì)算題（每小題10分，共20分）1.某測定的pH玻璃電極，在pH=3.00時(shí)，測得電位為E?=0.150V；在pH=4.00時(shí)，測得電位為E?=0.050V。已知25℃下，理想電極電位變化與pH變化的關(guān)系為E=E?-0.059pH。請(qǐng)計(jì)算該玻璃電極的電極斜率（S）以及E?的值。2.使用某鈉離子選擇性電極測定未知鈉溶液的濃度。已知該電極對(duì)Na?的斜率為55mV/pHunit（實(shí)際應(yīng)為59mV，此處按題目給值計(jì)算），選擇合適的pH型玻璃電極作為參比電極。在25℃下，將電極浸入一系列已知濃度c的標(biāo)準(zhǔn)溶液中，測得電位E?至E?分別為-50.0mV,-60.0mV,-70.0mV,-80.0mV,-90.0mV（相對(duì)于參比電極）。另取未知鈉溶液，測得電位為-65.0mV。請(qǐng)通過繪制E-S圖或使用線性回歸法計(jì)算未知鈉溶液的濃度c。六、論述題（10分）試論述離子選擇性電極技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)分析中的應(yīng)用前景及其面臨的挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.B解析：離子選擇性電極的電位主要由膜電位決定，即E=E_m=E?+Slog(a_i)。2.A解析：根據(jù)能斯特方程，E∝log(a_i)，當(dāng)a_i增加一倍時(shí)，E增加約0.059V（25℃）。3.D解析：氧氣選擇性電極屬于氣體選擇性電極，而其他選項(xiàng)均為常見的離子選擇性電極。4.B解析：標(biāo)準(zhǔn)加入法通過向樣品中加入與樣品基體成分相同的待測離子標(biāo)準(zhǔn)溶液，可以有效消除基體效應(yīng)對(duì)電位測定的影響。5.B解析：液體離子交換膜電極的敏感膜是液體離子交換劑溶解在合適的溶劑中形成的。6.C解析：選擇性系數(shù)是衡量離子選擇性電極選擇性好壞的關(guān)鍵參數(shù)，它表示電極對(duì)其他共存離子的響應(yīng)程度。7.D解析：pH玻璃電極的響應(yīng)是基于氫離子在玻璃膜中的溶解、擴(kuò)散以及與膜內(nèi)離子發(fā)生交換，產(chǎn)生膜電位。8.B解析：多孔膜具有較大的比表面積和較小的厚度，有利于離子快速擴(kuò)散到膜表面，從而提高響應(yīng)速度。9.D解析：離子選擇性電極可以直接測定水樣中的離子，如硫酸根離子；而溶解氧、總有機(jī)碳、氨氮通常需要其他分析方法。10.C解析：星際空間物質(zhì)分析通常需要更復(fù)雜、更耐極端條件的技術(shù)，離子選擇性電極的應(yīng)用相對(duì)有限。二、填空題1.能斯特斜率（或電極響應(yīng)斜率）；待測離子活度；液接電位（或內(nèi)參比電極電位）2.液體3.固體（多孔固體）4.飽和甘汞；飽和KCl5.內(nèi)參比溶液電阻6.標(biāo)準(zhǔn)曲線7.相對(duì)響應(yīng)程度（或相對(duì)電位）8.適當(dāng)pH的緩沖溶液（或純水，視具體電極要求）9.固體電解質(zhì)膜10.離子選擇性分析（或離子濃度分析）三、名詞解釋1.能斯特響應(yīng)：當(dāng)離子選擇性電極浸入含有待測離子的溶液中，其電位隨溶液中待測離子活度的對(duì)數(shù)呈線性變化的現(xiàn)象。2.選擇性系數(shù)：表示離子選擇性電極對(duì)某一特定離子（i）的響應(yīng)與其他共存離子（j）的響應(yīng)之比，用于表征電極的選擇性。3.離子交換膜：一種只允許特定離子通過而阻止其他離子或分子通過的薄膜材料，常用于離子選擇性電極的敏感膜或電滲析等領(lǐng)域。4.檢測限：指離子選擇性電極能夠可靠檢測到的待測離子濃度的最低值，通常定義為產(chǎn)生比空白溶液電位高100mV（即Slog(a_i)=1）時(shí)的離子活度。5.標(biāo)準(zhǔn)加入法：一種校準(zhǔn)和測定離子選擇性電極電位的方法，通過向待測溶液中逐次加入少量已知濃度的待測離子標(biāo)準(zhǔn)溶液，繪制電位變化曲線，從而消除基質(zhì)效應(yīng)并計(jì)算待測離子濃度。四、簡答題1.簡述離子選擇性電極的電位響應(yīng)機(jī)制。解析：離子選擇性電極的電位響應(yīng)基于膜電位理論。當(dāng)待測離子從溶液本體擴(kuò)散到電極膜表面，并通過膜內(nèi)（對(duì)于均相膜）或膜孔（對(duì)于多孔膜）到達(dá)膜與內(nèi)參比溶液的界面時(shí)，如果膜內(nèi)外離子種類和活度不同，就會(huì)在膜內(nèi)外界面和內(nèi)參比溶液與電解質(zhì)溶液的界面之間產(chǎn)生電位差，即膜電位和液接電位。膜電位的大小取決于膜內(nèi)離子的活度（或濃度）以及膜的選擇性，遵循能斯特方程關(guān)系；液接電位是兩種不同電解質(zhì)溶液接觸時(shí)產(chǎn)生的電位差?？傠娢皇悄る娢缓鸵航与娢坏目偤?，對(duì)特定電極，液接電位可設(shè)法固定，因此電極電位主要隨待測離子活度變化而變化。2.比較均相膜離子選擇性電極和多孔膜離子選擇性電極的特點(diǎn)。解析：均相膜離子選擇性電極的敏感膜是均勻的液體離子交換劑或固態(tài)電解質(zhì)，膜較薄，響應(yīng)速度快，選擇性好，理論上對(duì)所有離子的響應(yīng)符合能斯特方程。但膜易損壞，易被污染，成本較高，通常需要較精確的測量條件。多孔膜離子選擇性電極的敏感膜是多孔固體材料，含有離子交換基團(tuán)，膜較厚，響應(yīng)速度相對(duì)較慢，但由于膜的多孔結(jié)構(gòu)，對(duì)離子有“篩分”作用，選擇性相對(duì)較差，可能偏離能斯特響應(yīng)，但膜較穩(wěn)定，不易堵塞，應(yīng)用較廣泛。3.說明使用離子選擇性電極進(jìn)行測量的主要干擾類型及其可能的消除方法。解析：主要干擾類型包括：*共存離子干擾：其他能與膜發(fā)生離子交換或與待測離子形成配合物的離子會(huì)干擾測量。消除方法：利用選擇性系數(shù)選擇干擾小的電極；采用標(biāo)準(zhǔn)加入法消除或減小干擾。*物理干擾：溫度變化、攪拌速度變化等會(huì)影響擴(kuò)散速率和電位。消除方法：保持恒溫、恒速攪拌。*化學(xué)干擾：溶液pH變化、存在氧化還原劑、絡(luò)合劑等會(huì)改變待測離子活度。消除方法：控制合適的pH范圍；加入絡(luò)合劑掩蔽干擾離子；選擇合適的參比電極。*膠體或懸浮物干擾：可能覆蓋電極表面或堵塞膜孔。消除方法：過濾樣品；使用適當(dāng)?shù)那逑匆呵逑措姌O。4.簡述離子選擇性電極在環(huán)境監(jiān)測中的優(yōu)勢。解析：離子選擇性電極在環(huán)境監(jiān)測中具有顯著優(yōu)勢：*直接測定：可直接測定水、土壤等樣品中多種離子的濃度，無需復(fù)雜的樣品預(yù)處理。*快速便攜：測量速度快，儀器相對(duì)簡單，易于攜帶，適合現(xiàn)場快速監(jiān)測。*成本較低：相對(duì)于某些光譜或色譜方法，電極成本較低，運(yùn)行成本也較低。*應(yīng)用廣泛：可測定多種環(huán)境相關(guān)的陽離子（如Na?,K?,Ca2?,Mg2?,F?,Cl?,SO?2?,NO??等），覆蓋面廣。*易于自動(dòng)化：可與自動(dòng)分析儀或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測。五、計(jì)算題1.某測定的pH玻璃電極，在pH=3.00時(shí)，測得電位為E?=0.150V；在pH=4.00時(shí)，測得電位為E?=0.050V。已知25℃下，理想電極電位變化與pH變化的關(guān)系為E=E?-0.059pH。請(qǐng)計(jì)算該玻璃電極的電極斜率（S）以及E?的值。解析：根據(jù)能斯特方程形式E=E?-SpH，其中理想斜率S=0.059V。方法一（計(jì)算變化量）：ΔE=E?-E?=0.050V-0.150V=-0.100V。ΔpH=4.00-3.00=1.00。代入公式：-0.100V=(0.059V)*(1.00)。計(jì)算得S=0.059V。代入任一條件求E?：0.150V=E?-(0.059V)*(3.00)。E?=0.150V+0.177V=0.327V。方法二（聯(lián)立方程）：E?=E?-0.059*3.00；E?=E?-0.059*4.00。聯(lián)立解得：E?=0.327V；S=0.059V。答案：電極斜率S=0.059V/pH；E?=0.327V。2.使用某鈉離子選擇性電極測定未知鈉溶液的濃度。已知該電極對(duì)Na?的斜率為55mV/pHunit（實(shí)際應(yīng)為59mV，此處按題目給值計(jì)算），選擇合適的pH型玻璃電極作為參比電極。在25℃下，將電極浸入一系列已知濃度c的標(biāo)準(zhǔn)溶液中，測得電位E?至E?分別為-50.0mV,-60.0mV,-70.0mV,-80.0mV,-90.0mV（相對(duì)于參比電極）。另取未知鈉溶液，測得電位為-65.0mV。請(qǐng)通過繪制E-S圖或使用線性回歸法計(jì)算未知鈉溶液的濃度c。解析：方法一（E-S圖法）：根據(jù)E=E?+Slog(c)的形式，在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，以電位E為縱坐標(biāo)，以log(c)為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。將E?至E?的數(shù)據(jù)點(diǎn)(-50,log(c?)),(-60,log(c?)),(-70,log(c?)),(-80,log(c?)),(-90,log(c?))繪制在圖上，這些點(diǎn)應(yīng)呈線性關(guān)系。將未知溶液的電位-65.0mV在縱軸上找到，作水平線與標(biāo)準(zhǔn)曲線相交，再從交點(diǎn)作垂直線到橫軸，讀出對(duì)應(yīng)的log(c)值。根據(jù)線性回歸計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率應(yīng)接近題給斜率55mV/pHunit（注意單位轉(zhuǎn)換：55mV=0.055V=0.055/0.059=0.932log單位）。假設(shè)通過繪圖或回歸得到log(c_未知)=x。則未知濃度c=10^xmol/L。方法二（線性回歸法）：將E值轉(zhuǎn)換為Y值：Y?=-50.0/0.055,Y?=-60.0/0.055,Y?=-70.0/0.055,Y?=-80.0/0.055,Y?=-90.0/0.055。Y值應(yīng)與log(c)呈線性關(guān)系：Y=E?'+(1/S)*log(c)。進(jìn)行線性回歸，得到斜率(1/S)和截距E?'。S=1/斜率。未知溶液：Y_未知=-65.0/0.055。log(c_未知)=斜率*(Y_未知-E?')。c_未知=10^(斜率*(Y_未知-E?'))mol/L。（注：實(shí)際計(jì)算中需先進(jìn)行單位統(tǒng)一，將mV斜率轉(zhuǎn)換為V單位，再進(jìn)行回歸分析。此處簡化了數(shù)值處理步驟。）六、論述題試論述離子選擇性電極技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)分析中的應(yīng)用前景及其面臨的挑戰(zhàn)。解析：離子選擇性電極（ISE）技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)分析中具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的價(jià)值。應(yīng)用前景：1.體液成分快速檢測：可直接、快速、便捷地測定血液、尿液、汗液、淚液等多種生物樣品中關(guān)鍵離子的濃度，如K?,Na?,Cl?,HCO??,Ca2?,Mg2?,PO?3?,I?等，對(duì)于臨床診斷、病情監(jiān)測和即時(shí)檢驗(yàn)（POCT）具有重要意義。2.神經(jīng)科學(xué)研究：可用于測量腦脊液或細(xì)胞外液中神經(jīng)遞質(zhì)相關(guān)離子（如Na?,K?,Cl?）的濃度變化，幫助研究神經(jīng)信號(hào)傳遞機(jī)制和神經(jīng)系統(tǒng)疾病。3.細(xì)胞生理學(xué)研究：可通過微電極技術(shù)測量單個(gè)細(xì)胞或細(xì)胞群的離子濃度變化，研究細(xì)胞膜的離子