氧化还原电位去极化法及铂电极直接测定法对比研究

刘筱雪, 方 帷， 李 晓， 谢晨文, 张兴利, 赵 建, 张 杰

(生物资源与生态环境教育部重点实验室，四川大学生命科学学院，四川成都 610064)

氧化还原电位(Eh)是一个体系所有物质的混合氧化还原电位的数量指标[1]，它反映了整个体系氧化-还原能力的相对强弱，有助于我们了解介质体系的电化学特征和环境状态[2 - 3]，被广泛应用于土壤研究[4]、水体测定[5 - 6]、医疗卫生[7]、微生物发酵[8 - 10]等方面。国内测定介质体系Eh的方法主要有铂电极直接测定法[2]和去极化测定法[11]。铂电极直接测定法由于简便易行的特点，是目前各行业普遍采用的测量方法，但该方法存在平衡时间长、误差大、重现性差等缺点。而去极化法在一定程度上弥补了这些缺点，但其仪器设备不是很成熟，数学处理也比较繁重，所以一直未被广泛使用。

本研究旨在对比研究氧化还原电位去极化法及铂电极直接测定法在强/弱平衡体系中的差异，探索更加方便快捷的Eh测定方法，为Eh测量技术的改进奠定基础。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

雷磁pHS-25氧化还原电位测定仪：Eh复合电极501(工作电极：铂电极；参比电极：Ag/AgCl电极)(上海仪电科学仪器有限公司)。FJA-6型氧化还原电位去极化法全自动测定仪：去极化Eh复合电极(工作电极：铂电极；参比电极：Ag/AgCl电极；辅助电极：Ag/AgCl电极)(南京传滴仪器设备有限公司)。

Eh电极浸泡液：取250 mL pH=4.01缓冲液，加入56 g分析纯KCl，搅拌溶解。醌氢醌标准溶液：取适量醌氢醌(C12H10O4)加入pH=4.01、pH=6.86缓冲溶液中，溶解至饱和，现配现用。实验试剂均为分析纯，购自成都科龙试剂有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1电极预处理铂电极依次在纯水、无水乙醇、0.1 mol/L HCl中超声处理3 min后，再浸泡于0.1 mol/L HCl中30 min，用纯水洗净，置于Eh浸泡液中6 h备用。每次实验，电极插入液下2 cm处。

1.2.2醌氢醌标液的测定及仪器示值误差pHS-25测定时间为2 min。FJA-6的测定条件为：极化时间：15 s；去极化时间：20 s；采集时间间隔：10 s；数据采集个数：5个。

1.2.3弱平衡体系Eh的测定pHS-25测定时间为20 min。FJA-6的去极化时间取90 s。

2 结果与讨论

2.1 醌氢醌标液的测定及仪器示值误差

醌氢醌标液属于强平衡体系，是一类测定Eh的标准溶液，不仅配制方便，而且在不同温度和pH条件下具有广泛和稳定的电位值，常用来检测仪器各功能组件的状态[12]。通过测定pH=4.01、pH=6.86醌氢醌标液Eh，检测仪器的工作状态及其示值误差。实验表明，这两种方法均能在2 min左右[12]准确测得醌氢醌标液Eh，且变异系数(CV)较小，说明它们可以精确稳定测定强平衡体系Eh。从表1可知，去极化法及铂电极直接测定法对醌氢醌标液Eh的测定误差均不超过±10 mV[12]，说明pHS-25和FJA-6均符合仪器规范，可用于Eh的测定。

表1 醌氢醌标液测定结果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 电极预处理对Eh的影响

由于铂电极并非绝对的惰性，其表面可形成氧化膜或吸附其他物质，影响各氧化还原电对在铂电极上的电子交换速率，所以铂电极的表面状态对Eh测定有较大影响。刘志光[15]等指出用铬酸、浓硝酸等氧化性物质处理电极后其测定值偏高。吴锡尊[16]等推介用超声波对铂电极进行清洗，可确保电极不受损且测量效果好。因此，按1.2.1的方法对电极进行预处理作为实验组，以未处理的电极作为对照组，研究了电极预处理后两种测定方法对Eh测定的影响。结果表明，测定LB培养基Eh时(图1a)，去极化法对电极预处理具显著性差异，而测定PDB培养基Eh时(图1b)，铂电极直接测定法对电极预处理具有显著性差异。说明电极预处理对Eh的测定存在一定影响，但预处理方法还需优化。同时，由图1可知LB培养基Eh的测定误差比PDB培养基小。说明LB培养基的状态更稳定，这可能是由于LB培养基中含钠盐，可促进溶液中及电极表面电子的交换，使其更快达到电位平衡，因此测得的Eh较稳定。而PDB培养基含大量淀粉颗粒和不溶性物质，不利于电子的交换，需要较长时间才达到电位平衡，导致其测定数据具有较大的误差。

图1 电极预处理对测定LB(a)和PDB(b)培养基Eh的影响 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 铂电极直接测定法平衡电位时间的选择

在铂电极直接测定法的实际测量中，为了便于数据的测定，一般将某一时间点的稳定电位(5 min内电位变化值不大于1 mV)视为相对平衡电位[4]。由于LB、PDB培养基属于弱平衡体系，达到电位平衡所需的时间较长，且不同体系所需时间不同。因此，研究了LB、PDB培养基Eh的测定时间。由表2可知，在20 min时LB、PDB培养基才达到相对平衡电位。因此，铂电极直接测定法测量LB、PDB培养基Eh的测定时间选20 min。

表2 铂电极直接测定法测量LB、PDB培养基Eh的结果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 去极化测定法去极化时间的优化

去极化时间为20 s能快速稳定地测定醌氢醌标液Eh。但从图2可知，去极化时间为20 s时，LB、PDB培养基Eh的测定误差较大，这可能是弱平衡体系达到电位平衡所需的时间较长，太短的去极化时间会产生较大的误差，且不同体系的最适去极化时间不同。因此，以20 s为对照组，以90、180、300 s为实验组，探究了LB、PDB培养基的最适去极化时间。结果表明(图2)，去极化时间对弱平衡体系Eh的测定有较大影响。测定LB培养基Eh时(图2a)，实验组与对照组具显著性差异，且90 s的误差最小，因此，最适去极化时间取90 s。测定PDB培养基Eh时(图2b)，实验组与对照组皆无显著性差异，且对照组的误差较大，说明去极化时间对PDB培养基Eh的测定有一定影响。虽然去极化时间为300 s时的误差最小，但考虑误差和测定时间的最优比，去极化时间选90 s。

图2 去极化时间对LB(a)、PDB(b)培养基Eh测定的影响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，本实验在测定LB、PDB培养基Eh的过程中发现，连续测量次数超过6次后，Eh会随着次数的增加而逐渐出现漂移，这与Goldin等[17]报道的由于连续测量使电极表面不断发生电子转移，随后的测量值是在之前电极表面发生变化的基础上测定的，从而导致Eh出现漂移的现象相符。

2.5 弱平衡体系Eh的测定

通过测定LB、PDB无菌液体培养基的Eh研究两种方法在不同弱平衡体系中的精确度和稳定性，结果见表3和表4。两种方法对LB、PDB培养基Eh测定值存在60～120 mV的差异。造成两种方法测定值相差较大的原因主要有以下几点：弱平衡体系平衡建立缓慢，测定误差甚大，可达40～100 mV[4]；测定仪的结构和计算方法不同；铂电极表面状态的差异。此外，去极化法的CV值比铂电极直接测定法小，说明去极化法比铂电极直接测定法更精确稳定。

表3 去极化及铂电极直接测定法测量LB培养基EhTable 3 The determination of the Eh of LB culture medium by two methods

* room temperature is 25 ℃;pH=7.0.

表4 去极化及铂电极直接测定法测量PDB培养基EhTable 4 The determination of the Eh of PDB culture medium by two methods

* room temperature is 25 ℃;pH=6.0.

3 结论

本文对氧化还原电位去极化法和铂电极直接测定法进行对比研究，实验表明这两种方法能快速准确地测定强平衡体系Eh，但在弱平衡体系(LB、PDB培养基)中存在一定差异，且LB培养基的测定结果更精确稳定。去极化法相对于铂电极直接测定法具有更快速、精确、稳定等特点，值得深入研究并加以推广应用。实验结果为Eh的研究和技术改进奠定了基础。