緩沖溶液在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用實(shí)例

暢炳蔚，秦建芳，楊佳鑫

（運(yùn)城學(xué)院，山西運(yùn)城，044000）

0 引言

緩沖溶液是指能夠抵抗少量強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和大量水的稀釋而保持體系pH基本不變的溶液。緩沖溶液可由弱酸和弱酸鹽、弱堿和弱堿鹽或多元弱酸的酸式鹽及其次級(jí)鹽組成，其作用機(jī)制是通過(guò)互為酸堿緩沖對(duì)之間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移來(lái)消耗外來(lái)的少量H+和OH-。但是，當(dāng)緩沖溶液中加入大量的酸或堿時(shí)，緩沖對(duì)將被大量消耗，抗酸抗堿能力也會(huì)隨之減弱甚至消失。緩沖對(duì)濃度越大，加入強(qiáng)酸或強(qiáng)堿時(shí)緩沖溶液pH值變化越小，緩沖容量越大。緩沖溶液的pH 值可根據(jù)亨德森-哈塞爾巴爾赫方程進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)式1與式2。緩沖溶液都有最佳的緩沖范圍，理論上最佳pH緩沖范圍在pKaΘ±1區(qū)間，實(shí)際應(yīng)用中因緩沖對(duì)不同略有變化［1］。因此，要選擇合適的緩沖溶液，就需對(duì)不同的緩沖溶液有所了解。本文列舉了緩沖溶液在生命科學(xué)、自然界、醫(yī)藥領(lǐng)域、工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，為廣大學(xué)者和專業(yè)人士更好地認(rèn)識(shí)和應(yīng)用緩沖溶液提供參考。

弱酸-弱酸鹽緩沖溶液

弱堿-弱堿鹽緩沖溶液

1 緩沖溶液在生命活動(dòng)中的作用——血漿緩沖體系

人體體液、內(nèi)環(huán)境溶液具有不同pH值［2］。人體血漿pH值保持在7.35～7.45。當(dāng)血漿pH ＜ 7.35時(shí)人體會(huì)發(fā)生酸中毒，pH ＜ 7.0時(shí)甚至?xí)杳灾滤?；血漿pH ＞ 7.45時(shí)人體會(huì)發(fā)生堿中毒，pH ＞ 7.8時(shí)會(huì)手足抽搐致死。然而當(dāng)人體攝入酸性食物（如可樂(lè)pH值為2.5）或堿性食物（如雞蛋清pH值為8），正常人血漿pH值不會(huì)產(chǎn)生很大變化，這是因?yàn)槿梭w血漿中存在NaHCO3/H2CO3、蛋白質(zhì)鈉鹽/蛋白質(zhì)、Na2HPO4/NaH2PO4緩沖體系，其中起主導(dǎo)作用的是NaHCO3/H2CO3緩沖對(duì)。當(dāng)攝入酸性食物時(shí)，HCO3-會(huì)結(jié)合H+生成H2CO3，體內(nèi)過(guò)多的H2CO3分解出CO2從肺泡排出，以保持血漿中的H+濃度基本不變，血漿pH值不變。同理，當(dāng)攝入堿性食物時(shí)，則會(huì)發(fā)生H2CO3與OH-反應(yīng)生成HCO3-，從而維持血漿pH值基本恒定。當(dāng)人劇烈運(yùn)動(dòng)后，肌肉會(huì)感覺(jué)酸痛，是因?yàn)楫a(chǎn)生了乳酸，此時(shí)人體血漿緩沖體系也可以消耗掉這部分乳酸，維持血漿pH值在7.35～7.45。此外，在血紅蛋白和氧合血紅蛋白（HHb-HHbO2）對(duì)血漿內(nèi)碳酸含量的調(diào)節(jié)中，O2和CO2的運(yùn)輸也起到了至關(guān)重要的作用。在體外細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，通常需要模擬體液緩沖體系。

2 緩沖溶液在自然界的應(yīng)用

2.1 土壤緩沖體系

土壤具有一定抵抗少量外來(lái)酸堿物質(zhì)，緩和其酸堿反應(yīng)變化的能力，稱為土壤的緩沖性能。土壤的緩沖性能主要依靠土壤膠體的離子交換作用、土壤中緩沖對(duì)（強(qiáng)堿弱酸鹽的解離平衡）等過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。土壤膠體吸附了很多代換性陽(yáng)離子，如Ca2+、 Mg2+、Na+等可對(duì)酸起緩沖作用，H+、 Al3+可對(duì)堿起緩沖作用。一方面，土壤膠體所吸附的交換酸H+和Al3+，通過(guò)與中性鹽類（KCl、NaCl、BaCl2等）交換，調(diào)節(jié)土壤酸度，如圖1所示［3］。另一方面，土壤中的強(qiáng)堿弱酸鹽如NaAc，與土壤膠體吸附的H+交換生成弱酸HAc，通過(guò)強(qiáng)酸弱堿鹽的解離平衡來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)酸度的調(diào)節(jié)。如圖2所示。土壤的酸堿性對(duì)土壤微生物、動(dòng)植物活動(dòng)，有機(jī)物的分解，元素的遷移有很大影響。

圖1 土壤膠體的離子交換作用

圖2 土壤中強(qiáng)酸弱堿鹽的解離平衡

2.2 海洋緩沖體系

海水pH值是衡量海水酸堿度的重要標(biāo)志。海水pH值與海水深度、季節(jié)、海水緩沖離子對(duì)、鹽度、海水生物生命活動(dòng)、海水中葉綠素α含量等因素有關(guān)［4］。海水pH值變化不大，以渤海為例，其表層海水pH值通常在7.95～8.38，底層pH值在7.89～8.35。夏季表層海水pH值最高，是由于夏季海水溫度高，海水吸收 CO2能力降低，海水中CO2含量減少［5］。此外，夏季浮游植物光合作用強(qiáng)，加劇了海水中的CO2的消耗，海水pH值升高［6，7］。

海水 pH值變化對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)具有重要影響［8］。近 200 年西北太平洋和南大洋表層海水 pH值已經(jīng)下降了 0.1，并伴有明顯季節(jié)性和局部性特征［9-11］。翟惟東等［12］發(fā)現(xiàn)在渤海夏季西北部和北部底層累積溶解氧下降5.6 mg/L，pH值降幅高達(dá)0.29。海洋酸化易誘使海洋有毒藻類暴發(fā)，改變海洋食物鏈結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致海水CaCO3飽和度降低，不利于鈣質(zhì)生物生長(zhǎng)，使得部分生物棲息地（如珊瑚礁）被破壞，還會(huì)導(dǎo)致海水缺氧層擴(kuò)張，部分海洋生物死亡甚至物種滅絕的嚴(yán)重后果［13，14］。

海水pH值的正常變化差異范圍在 0.01～0.1［4］。海水中存在多種緩沖離子對(duì)，包括碳酸鹽緩沖對(duì)（Ca2+、Mg2+與HCO3-、CO32-、H2CO3），磷酸鹽緩沖對(duì)（Ca2+、Mg2+與HPO42-、H2PO4-、PO43-），硼酸鹽緩沖對(duì)（Ca2+、Mg2+與H3BO3、H2BO3-）和硅酸鹽緩沖對(duì)（Ca2+、Mg2+與H3SiO4-、H4SiO4）［15］。海水緩沖容量取決于各種離子對(duì)的締合平衡，其中HCO3--CO32--H2CO3緩沖體系組分濃度最高，是影響海水pH值的主要因素。

3 緩沖溶液在科學(xué)研究的應(yīng)用

3.1 緩沖溶液在生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

三羥甲基氨基甲烷—鹽酸（Tris- HCl）緩沖溶液是DNA、蛋白質(zhì)研究中的重要緩沖液。Tris即三羥甲基氨基甲烷（C4H11NO3），是一種弱堿，結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖3，室溫下pKa為8.1。Tris-HCl緩沖液的緩沖原理為：Tris 中的氨基（-NH2）與鹽酸解離出的H+結(jié)合生成季銨基團(tuán)Tris-H+，Tris-H+與Tris 形成緩沖對(duì)，其平衡關(guān)系見(jiàn)式3，緩沖范圍一般為 7.0～9.0［16］。Tris 對(duì)生化過(guò)程干擾很小，不與Ca2+、Ma2+及重金屬離子發(fā)生沉淀，因此廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，常作為核酸、蛋白質(zhì)的溶解液，也有研究者將其用于DNA 的捕獲與釋放［17］、染色體的特異性標(biāo)記［18］、生物陶瓷體外浸泡液［19］等研究中。

圖3 三羥甲基氨基甲烷（Tris）的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式［16］

3.2 緩沖溶液在燃料電池研究中的應(yīng)用

固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）是目前理論能量密度最高的一種燃料電池。Ni/YSZ金屬陶瓷常作為SOFC的負(fù)極材料。研究表明，負(fù)極材料中Ni的含量越高，Ni分布得越均勻，Ni/YSZ負(fù)極的性能越好。機(jī)械混合法是制備Ni/YSZ負(fù)極的常用工藝，通過(guò)加入沉淀劑使Ni2+、Y3+、Zr4+以原子尺度混合，沉淀過(guò)程中溶液pH值變化較大，會(huì)影響粉料成分及粒度的均勻性和一致性。李瑩［20］用緩沖溶液法（NH4HCO3和NH3?H2O）制備了SOFC用Ni/YSZ負(fù)極材料，與機(jī)械混合法相比，緩沖溶液法沉淀過(guò)程中pH值更穩(wěn)定，能使Ni在YSZ基質(zhì)中分布得更均勻，有利于Ni顆粒之間形成連通的、完善的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3.3 緩沖溶液在水質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用

水總硬度指水中Ca2+、Mg2+的總量。硬度高的水飲用時(shí)會(huì)使人感到苦澀，長(zhǎng)期飲用高硬度水會(huì)消耗大量胃酸，甚至影響胃腸功能。高硬度水用于工業(yè)會(huì)導(dǎo)致鍋爐水垢過(guò)多造成管道堵塞，影響產(chǎn)品質(zhì)量。水總硬度是評(píng)價(jià)水質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。EDTA絡(luò)合滴定法是測(cè)定水總硬度的常規(guī)經(jīng)典方法，其操作簡(jiǎn)單，不需專用儀器，也是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中推薦使用的水質(zhì)鈣和鎂（總硬度）測(cè)定方法［21］。測(cè)定原理是在pH=10的條件下，用EDTA絡(luò)合滴定Ca2+和Mg2+，絡(luò)合后溶液變?yōu)樽仙蜃霞t色，鉻黑T作指示劑，當(dāng)溶液由紫色變?yōu)樘焖{(lán)色時(shí)為滴定終點(diǎn)。絡(luò)合反應(yīng)中若體系pH＜10，形成的絡(luò)合物不穩(wěn)定，不能準(zhǔn)確滴定。此外，EDTA反應(yīng)過(guò)程中不斷釋放H+，使溶液pH值降低，因此反應(yīng)需要在pH=10的NH3·H2O-NH4Cl緩沖溶液中進(jìn)行。

3.4 緩沖溶液在食品檢測(cè)中的應(yīng)用

面包、油條、油餅等面制食品中，為了改善口感，食品加工企業(yè)往往會(huì)在制作過(guò)程中加入含鋁食品添加劑，如明礬。食用過(guò)量鋁會(huì)影響腸道對(duì)磷、鈣等元素的吸收，導(dǎo)致骨質(zhì)疏松，且對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、造血系統(tǒng)、免疫功能等均有不良影響?！妒称钒踩珖?guó)家標(biāo)準(zhǔn)—食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》（GB 2760—2014）［22，23］中規(guī)定焙烤食品、油炸食品中鋁的限量標(biāo)準(zhǔn)為≤100mg/kg。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《面制食品中鋁的測(cè)定》（GB/T 5009.182—2017）采用鉻天青S分光光度法［24-26］。樣品用硝酸-高氯酸消解后，在乙二胺-鹽酸緩沖溶液（pH值為6.7～7.0）中，聚乙二醇辛基苯醚和溴代十六烷基吡啶的存在下，Al3+與鉻天青S反應(yīng)生成藍(lán)綠色的四元膠束，于620 nm波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度值并與標(biāo)準(zhǔn)系列比較定量。樣品消解后pH較低會(huì)影響顯色反應(yīng)，不能生成藍(lán)色三元絡(luò)合物，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確［27］，因此反應(yīng)需要在乙二胺-鹽酸緩沖溶液（pH值為6.7～7.0）中進(jìn)行。

4 緩沖溶液在工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用

4.1 緩沖溶液在硅半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用

在生產(chǎn)硅半導(dǎo)體器件時(shí)，需用氫氟酸腐蝕以去除硅片表面的氧化膜SiO2，反應(yīng)過(guò)程見(jiàn)式（4）。若直接用HF溶液作腐蝕液，反應(yīng)初始時(shí)體系H+濃度過(guò)大，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，H+濃度將不斷下降，pH值不斷上升，會(huì)造成腐蝕不均勻。在HF溶液中加入NH4F，反應(yīng)過(guò)程中NH4F水解產(chǎn)生HF，見(jiàn)式（5），使得HF濃度維持穩(wěn)定。而體系中H+主要來(lái)源于HF的解離，見(jiàn)式（6），HF濃度穩(wěn)定，因此反應(yīng)過(guò)程中H+濃度穩(wěn)定，反應(yīng)pH穩(wěn)定，硅片腐蝕均勻。

4.2 緩沖溶液在氣體凈化中的應(yīng)用

煤炭是我國(guó)第一大能源，2021年煤炭消費(fèi)量占我國(guó)能源消費(fèi)總量的56.0%。但是煤炭燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量硫氧化物、硫化氫等有害氣體。在我國(guó)煤化工氣體凈化領(lǐng)域中，栲膠脫硫工藝［28］是使用效果最好的脫硫方法之一，其采用碳酸鹽對(duì)H2S氣體進(jìn)行吸收。脫硫液中Na2CO3含量越高，對(duì)H2S的吸收量越大。但脫硫液初始Na2CO3含量過(guò)高時(shí)，脫硫液pH值過(guò)高。當(dāng)緩沖液pH＞9.5時(shí)，不利于HS-向單質(zhì)硫的轉(zhuǎn)化，不易回收固態(tài)硫，脫硫液中的HS-會(huì)對(duì)水體造成污染。而脫硫液中Na2CO3含量較低時(shí)，pH過(guò)低，H2S去除率較低，因此脫硫液的pH值是影響栲膠脫硫工藝最重要的因素。采用Na2CO3-NaHCO3緩沖體系對(duì)H2S進(jìn)行吸收，可維持脫硫液pH值在9.00～9.20之間。緩沖溶液中Na2CO3最佳初始含量為4 ～ 6 g/L。

4.3 緩沖溶液在染料生產(chǎn)中的應(yīng)用

織物染色工藝中，需要將織物置于含有染料的染缸中，俗稱染浴。大多數(shù)染料對(duì)染浴的pH值較敏感，若染浴pH值不穩(wěn)定，產(chǎn)品便會(huì)出現(xiàn)色差、色淺、色花等瑕疵。將緩沖溶液應(yīng)用于印染行業(yè)中，可有效控制染浴的pH值，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

硫化黑是消費(fèi)最大的硫化染料，常用于牛仔、棉織物的染色。硫化黑在染色過(guò)程中，很容易發(fā)生氧化，產(chǎn)生染斑。在染浴中加入Na2CO3-NaHCO3的混合堿來(lái)控制pH值，可減慢氧化速度，有效減輕染斑。

涂料印花中實(shí)驗(yàn)的黏合劑或交聯(lián)劑通常是弱酸性溶液，帶有弱正電荷，常使乳液分散穩(wěn)定性降低，而不利于印花。若在印花色漿中加入某些緩沖劑，如NH3?H2O-（NH4）2SO4，可使色漿pH值穩(wěn)定在7～8，此時(shí)色漿的黏度和流變性最為理想，亦可防止交聯(lián)反應(yīng)過(guò)早發(fā)生，提高色漿穩(wěn)定性，保證印花過(guò)程順利進(jìn)行，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

一種橙紅色的染料——安替比林，是由苯酚在堿性介質(zhì)中與鐵氰化鉀、4-氨基安替比林反應(yīng)合成的。反應(yīng)過(guò)程中為了防止芳香胺類的干擾，在體系中加入NH3·H2O-NH4Cl緩沖溶液以控制反應(yīng)體系pH值為10.0 ± 0.2。

5 緩沖溶液在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

5.1 緩沖溶液在滴眼液中的應(yīng)用

一些眼部疾病需要使用滴眼液治療緩解，人體淚液pH值在7.3～7.5，當(dāng)?shù)窝垡哼^(guò)酸或過(guò)堿時(shí)，對(duì)人眼刺激性較大，甚至?xí)p傷眼睛及眼黏膜。研究表明，當(dāng)?shù)窝垡簆H值在6～8時(shí)，對(duì)眼部刺激較?。?9］。因此，在制備滴眼液過(guò)程中，需要在藥物中加入緩沖溶液，使滴眼液pH值在藥物最穩(wěn)定pH值和淚液生理pH值之間，以保證藥物藥效的穩(wěn)定性，并盡量減少對(duì)眼部的刺激［30］。氯霉素是一種常見(jiàn)的抗生素，用于滴眼液可以治療由大腸桿菌、流感嗜血桿菌、克雷伯菌屬、金黃色葡萄球菌、溶血性鏈球菌等導(dǎo)致的眼部感染，如沙眼、結(jié)膜炎、角膜炎、眼瞼緣炎等。氯霉素在弱酸溶液中能穩(wěn)定存在，在中性或堿性溶液中易分解。使用硼酸緩沖溶液（H3BO3-B（OH）4-）配制氯霉素滴眼液，可將滴眼液pH值控制在5.8～6.4，這既能使氯霉素長(zhǎng)期穩(wěn)定有效，又對(duì)人眼刺激較小。此外，硼酸本身具有防腐作用，也可延長(zhǎng)氯霉素滴眼液的有效期。

5.2 緩沖溶液在止血?jiǎng)┲械膽?yīng)用

凝血酶是一種具有止血功能的蛋白質(zhì)，是臨床上一種常見(jiàn)的止血?jiǎng)．?dāng)用于消化道出血時(shí)，胃液pH值在0.9～1.8，蛋白質(zhì)在強(qiáng)酸條件下變性，凝血酶活性大大降低，無(wú)法止血。遲斌元［31］將檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖劑作為輔料與凝血酶配伍，服用時(shí)藥物遇水形成緩沖溶液，使凝血酶局部環(huán)境pH值在6～8，有效抵御了體液pH對(duì)凝血酶的不利影響，防止凝血酶變性并使其在最佳pH范圍內(nèi)發(fā)揮最佳藥效。

5.3 緩沖溶液在藥物保存方面的應(yīng)用

藥物的穩(wěn)定性不僅受其自身性質(zhì)影響，而且與周圍環(huán)境如光線強(qiáng)度、溫度、濕度、環(huán)境酸堿性、氧氣、二氧化碳、微生物等息息相關(guān)［30］。黃芩苷是從黃芩根中提取出來(lái)的一種黃酮類化合物，具有抑菌抗炎、抗氧化、抗變態(tài)及解痙作用，廣泛添加于中藥藥品中。黃芩苷在溶液中的穩(wěn)定性和溶解度受pH影響較大。pH值較低時(shí)，黃芩苷中葡糖醛酸羧基易成鹽而游離析出。黃芩苷在液體藥劑中易氧化水解，也會(huì)使得pH值降低，有效成分流失。pH值較高時(shí)，黃芩苷分子中γ-吡酮環(huán)發(fā)生裂解。目前黃芩苷藥劑的配置，均是用堿液將pH值調(diào)節(jié)至6.8左右，此時(shí)黃芩苷具有較高的穩(wěn)定性和較大的溶解度［32］。而磷酸鹽緩沖溶液（H2PO4-- HPO42-）的pH值為6.2～8.2，可為黃芩苷提供穩(wěn)定的酸堿環(huán)境。

6 結(jié)語(yǔ)

緩沖溶液在生命科學(xué)、自然界、科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥領(lǐng)域中都存在著廣泛應(yīng)用。對(duì)廣大學(xué)者和專業(yè)人員而言，掌握各種緩沖溶液的性質(zhì)、緩沖范圍及用途可以幫助其選擇合適的緩沖溶液。在選擇和配制緩沖溶液時(shí)，不僅要考慮緩沖溶液的緩沖范圍，還要考慮其穩(wěn)定性，以及是否與體系中原有物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)、對(duì)主體物質(zhì)的干擾性等。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的緩沖溶液會(huì)被開(kāi)發(fā)應(yīng)用在醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、食品等領(lǐng)域中。