氧化還原電位去極化法及鉑電極直接測定法對比研究

劉筱雪, 方 帷， 李 曉， 謝晨文, 張興利, 趙 建, 張 杰

(生物資源與生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，四川大學生命科學學院，四川成都 610064)

氧化還原電位(Eh)是一個體系所有物質(zhì)的混合氧化還原電位的數(shù)量指標[1]，它反映了整個體系氧化-還原能力的相對強弱，有助于我們了解介質(zhì)體系的電化學特征和環(huán)境狀態(tài)[2 - 3]，被廣泛應用于土壤研究[4]、水體測定[5 - 6]、醫(yī)療衛(wèi)生[7]、微生物發(fā)酵[8 - 10]等方面。國內(nèi)測定介質(zhì)體系Eh的方法主要有鉑電極直接測定法[2]和去極化測定法[11]。鉑電極直接測定法由于簡便易行的特點，是目前各行業(yè)普遍采用的測量方法，但該方法存在平衡時間長、誤差大、重現(xiàn)性差等缺點。而去極化法在一定程度上彌補了這些缺點，但其儀器設(shè)備不是很成熟，數(shù)學處理也比較繁重，所以一直未被廣泛使用。

本研究旨在對比研究氧化還原電位去極化法及鉑電極直接測定法在強/弱平衡體系中的差異，探索更加方便快捷的Eh測定方法，為Eh測量技術(shù)的改進奠定基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

雷磁pHS-25氧化還原電位測定儀：Eh復合電極501(工作電極：鉑電極；參比電極：Ag/AgCl電極)(上海儀電科學儀器有限公司)。FJA-6型氧化還原電位去極化法全自動測定儀：去極化Eh復合電極(工作電極：鉑電極；參比電極：Ag/AgCl電極；輔助電極：Ag/AgCl電極)(南京傳滴儀器設(shè)備有限公司)。

Eh電極浸泡液：取250 mL pH=4.01緩沖液，加入56 g分析純KCl，攪拌溶解。醌氫醌標準溶液：取適量醌氫醌(C12H10O4)加入pH=4.01、pH=6.86緩沖溶液中，溶解至飽和，現(xiàn)配現(xiàn)用。實驗試劑均為分析純，購自成都科龍試劑有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1電極預處理鉑電極依次在純水、無水乙醇、0.1 mol/L HCl中超聲處理3 min后，再浸泡于0.1 mol/L HCl中30 min，用純水洗凈，置于Eh浸泡液中6 h備用。每次實驗，電極插入液下2 cm處。

1.2.2醌氫醌標液的測定及儀器示值誤差pHS-25測定時間為2 min。FJA-6的測定條件為：極化時間：15 s；去極化時間：20 s；采集時間間隔：10 s；數(shù)據(jù)采集個數(shù)：5個。

1.2.3弱平衡體系Eh的測定pHS-25測定時間為20 min。FJA-6的去極化時間取90 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 醌氫醌標液的測定及儀器示值誤差

醌氫醌標液屬于強平衡體系，是一類測定Eh的標準溶液，不僅配制方便，而且在不同溫度和pH條件下具有廣泛和穩(wěn)定的電位值，常用來檢測儀器各功能組件的狀態(tài)[12]。通過測定pH=4.01、pH=6.86醌氫醌標液Eh，檢測儀器的工作狀態(tài)及其示值誤差。實驗表明，這兩種方法均能在2 min左右[12]準確測得醌氫醌標液Eh，且變異系數(shù)(CV)較小，說明它們可以精確穩(wěn)定測定強平衡體系Eh。從表1可知，去極化法及鉑電極直接測定法對醌氫醌標液Eh的測定誤差均不超過±10 mV[12]，說明pHS-25和FJA-6均符合儀器規(guī)范，可用于Eh的測定。

表1 醌氫醌標液測定結(jié)果Table 1 The results of the determination of quinhydrone standard solution by two methods

*room temperature is 25 ℃;ΔEh=Eh′-EhS(ΔEh′ is indication error,Eh is mean redox potential measured by instrument,EhSis standard Eh values of the quinhydrone standard solution[13 - 14]).

2.2 電極預處理對Eh的影響

由于鉑電極并非絕對的惰性，其表面可形成氧化膜或吸附其他物質(zhì)，影響各氧化還原電對在鉑電極上的電子交換速率，所以鉑電極的表面狀態(tài)對Eh測定有較大影響。劉志光[15]等指出用鉻酸、濃硝酸等氧化性物質(zhì)處理電極后其測定值偏高。吳錫尊[16]等推介用超聲波對鉑電極進行清洗，可確保電極不受損且測量效果好。因此，按1.2.1的方法對電極進行預處理作為實驗組，以未處理的電極作為對照組，研究了電極預處理后兩種測定方法對Eh測定的影響。結(jié)果表明，測定LB培養(yǎng)基Eh時(圖1a)，去極化法對電極預處理具顯著性差異，而測定PDB培養(yǎng)基Eh時(圖1b)，鉑電極直接測定法對電極預處理具有顯著性差異。說明電極預處理對Eh的測定存在一定影響，但預處理方法還需優(yōu)化。同時，由圖1可知LB培養(yǎng)基Eh的測定誤差比PDB培養(yǎng)基小。說明LB培養(yǎng)基的狀態(tài)更穩(wěn)定，這可能是由于LB培養(yǎng)基中含鈉鹽，可促進溶液中及電極表面電子的交換，使其更快達到電位平衡，因此測得的Eh較穩(wěn)定。而PDB培養(yǎng)基含大量淀粉顆粒和不溶性物質(zhì)，不利于電子的交換，需要較長時間才達到電位平衡，導致其測定數(shù)據(jù)具有較大的誤差。

圖1 電極預處理對測定LB(a)和PDB(b)培養(yǎng)基Eh的影響 Fig.1 The effect of electrode pretreatment on the determination of Eh of LB (a) and PDB (b)culture medium *error line with SD;when P<0.05 is significant,represented by "*".

2.3 鉑電極直接測定法平衡電位時間的選擇

在鉑電極直接測定法的實際測量中，為了便于數(shù)據(jù)的測定，一般將某一時間點的穩(wěn)定電位(5 min內(nèi)電位變化值不大于1 mV)視為相對平衡電位[4]。由于LB、PDB培養(yǎng)基屬于弱平衡體系，達到電位平衡所需的時間較長，且不同體系所需時間不同。因此，研究了LB、PDB培養(yǎng)基Eh的測定時間。由表2可知，在20 min時LB、PDB培養(yǎng)基才達到相對平衡電位。因此，鉑電極直接測定法測量LB、PDB培養(yǎng)基Eh的測定時間選20 min。

表2 鉑電極直接測定法測量LB、PDB培養(yǎng)基Eh的結(jié)果Table 2 The determination results of Eh of LB,PDB medium by the platinum electrode direct determination

* room temperature is 25 ℃;Eh=E0+Eref( Eh is the redox potential relative to the normal hydrogen electrode(NHE),E0is the redox potential measured with work electrode and reference electrode,Erefis the redox potential of reference electrode relative to the NHE);EhSAg/AgCl=199 mV[13 - 14].

2.4 去極化測定法去極化時間的優(yōu)化

去極化時間為20 s能快速穩(wěn)定地測定醌氫醌標液Eh。但從圖2可知，去極化時間為20 s時，LB、PDB培養(yǎng)基Eh的測定誤差較大，這可能是弱平衡體系達到電位平衡所需的時間較長，太短的去極化時間會產(chǎn)生較大的誤差，且不同體系的最適去極化時間不同。因此，以20 s為對照組，以90、180、300 s為實驗組，探究了LB、PDB培養(yǎng)基的最適去極化時間。結(jié)果表明(圖2)，去極化時間對弱平衡體系Eh的測定有較大影響。測定LB培養(yǎng)基Eh時(圖2a)，實驗組與對照組具顯著性差異，且90 s的誤差最小，因此，最適去極化時間取90 s。測定PDB培養(yǎng)基Eh時(圖2b)，實驗組與對照組皆無顯著性差異，且對照組的誤差較大，說明去極化時間對PDB培養(yǎng)基Eh的測定有一定影響。雖然去極化時間為300 s時的誤差最小，但考慮誤差和測定時間的最優(yōu)比，去極化時間選90 s。

圖2 去極化時間對LB(a)、PDB(b)培養(yǎng)基Eh測定的影響Fig.2 The effect of depolarization time on the determination of Eh of LB (a),PDB (b) culture medium *error line with SD;when P<0.05 is significant,represented by “*”,and P<0.01 is extremely significant,represented by “**”.

此外，本實驗在測定LB、PDB培養(yǎng)基Eh的過程中發(fā)現(xiàn)，連續(xù)測量次數(shù)超過6次后，Eh會隨著次數(shù)的增加而逐漸出現(xiàn)漂移，這與Goldin等[17]報道的由于連續(xù)測量使電極表面不斷發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，隨后的測量值是在之前電極表面發(fā)生變化的基礎(chǔ)上測定的，從而導致Eh出現(xiàn)漂移的現(xiàn)象相符。

2.5 弱平衡體系Eh的測定

通過測定LB、PDB無菌液體培養(yǎng)基的Eh研究兩種方法在不同弱平衡體系中的精確度和穩(wěn)定性，結(jié)果見表3和表4。兩種方法對LB、PDB培養(yǎng)基Eh測定值存在60～120 mV的差異。造成兩種方法測定值相差較大的原因主要有以下幾點：弱平衡體系平衡建立緩慢，測定誤差甚大，可達40～100 mV[4]；測定儀的結(jié)構(gòu)和計算方法不同；鉑電極表面狀態(tài)的差異。此外，去極化法的CV值比鉑電極直接測定法小，說明去極化法比鉑電極直接測定法更精確穩(wěn)定。

表3 去極化及鉑電極直接測定法測量LB培養(yǎng)基EhTable 3 The determination of the Eh of LB culture medium by two methods

* room temperature is 25 ℃;pH=7.0.

表4 去極化及鉑電極直接測定法測量PDB培養(yǎng)基EhTable 4 The determination of the Eh of PDB culture medium by two methods

* room temperature is 25 ℃;pH=6.0.

3 結(jié)論

本文對氧化還原電位去極化法和鉑電極直接測定法進行對比研究，實驗表明這兩種方法能快速準確地測定強平衡體系Eh，但在弱平衡體系(LB、PDB培養(yǎng)基)中存在一定差異，且LB培養(yǎng)基的測定結(jié)果更精確穩(wěn)定。去極化法相對于鉑電極直接測定法具有更快速、精確、穩(wěn)定等特點，值得深入研究并加以推廣應用。實驗結(jié)果為Eh的研究和技術(shù)改進奠定了基礎(chǔ)。