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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川成都 610064)

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

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

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

雷磁pHS-25氧化還原電位測(cè)定儀：Eh復(fù)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(xué)儀器有限公司)。FJA-6型氧化還原電位去極化法全自動(dòng)測(cè)定儀：去極化Eh復(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)試劑均為分析純，購(gòu)自成都科龍?jiān)噭┯邢薰尽?/p>

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1電極預(yù)處理鉑電極依次在純水、無(wú)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(shí)驗(yàn)，電極插入液下2 cm處。

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

1.2.3弱平衡體系Eh的測(cè)定pHS-25測(cè)定時(shí)間為20 min。FJA-6的去極化時(shí)間取90 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 醌氫醌標(biāo)液的測(cè)定及儀器示值誤差

醌氫醌標(biāo)液屬于強(qiáng)平衡體系，是一類測(cè)定Eh的標(biāo)準(zhǔn)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(lái)檢測(cè)儀器各功能組件的狀態(tài)[12]。通過(guò)測(cè)定pH=4.01、pH=6.86醌氫醌標(biāo)液Eh，檢測(cè)儀器的工作狀態(tài)及其示值誤差。實(shí)驗(yàn)表明，這兩種方法均能在2 min左右[12]準(zhǔn)確測(cè)得醌氫醌標(biāo)液Eh，且變異系數(shù)(CV)較小，說(shuō)明它們可以精確穩(wěn)定測(cè)定強(qiáng)平衡體系Eh。從表1可知，去極化法及鉑電極直接測(cè)定法對(duì)醌氫醌標(biāo)液Eh的測(cè)定誤差均不超過(guò)±10 mV[12]，說(shuō)明pHS-25和FJA-6均符合儀器規(guī)范，可用于Eh的測(cè)定。

表1 醌氫醌標(biāo)液測(cè)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(yù)處理對(duì)Eh的影響

由于鉑電極并非絕對(duì)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(duì)在鉑電極上的電子交換速率，所以鉑電極的表面狀態(tài)對(duì)Eh測(cè)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(cè)定值偏高。吳錫尊[16]等推介用超聲波對(duì)鉑電極進(jìn)行清洗，可確保電極不受損且測(cè)量效果好。因此，按1.2.1的方法對(duì)電極進(jìn)行預(yù)處理作為實(shí)驗(yàn)組，以未處理的電極作為對(duì)照組，研究了電極預(yù)處理后兩種測(cè)定方法對(duì)Eh測(cè)定的影響。結(jié)果表明，測(cè)定LB培養(yǎng)基Eh時(shí)(圖1a)，去極化法對(duì)電極預(yù)處理具顯著性差異，而測(cè)定PDB培養(yǎng)基Eh時(shí)(圖1b)，鉑電極直接測(cè)定法對(duì)電極預(yù)處理具有顯著性差異。說(shuō)明電極預(yù)處理對(duì)Eh的測(cè)定存在一定影響，但預(yù)處理方法還需優(yōu)化。同時(shí)，由圖1可知LB培養(yǎng)基Eh的測(cè)定誤差比PDB培養(yǎng)基小。說(shuō)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(jìn)溶液中及電極表面電子的交換，使其更快達(dá)到電位平衡，因此測(cè)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(zhǎng)時(shí)間才達(dá)到電位平衡，導(dǎo)致其測(cè)定數(shù)據(jù)具有較大的誤差。

圖1 電極預(yù)處理對(duì)測(cè)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(cè)定法平衡電位時(shí)間的選擇

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

表2 鉑電極直接測(cè)定法測(cè)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(cè)定法去極化時(shí)間的優(yōu)化

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

圖2 去極化時(shí)間對(duì)LB(a)、PDB(b)培養(yǎng)基Eh測(cè)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(shí)驗(yàn)在測(cè)定LB、PDB培養(yǎng)基Eh的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，連續(xù)測(cè)量次數(shù)超過(guò)6次后，Eh會(huì)隨著次數(shù)的增加而逐漸出現(xiàn)漂移，這與Goldin等[17]報(bào)道的由于連續(xù)測(cè)量使電極表面不斷發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，隨后的測(cè)量值是在之前電極表面發(fā)生變化的基礎(chǔ)上測(cè)定的，從而導(dǎo)致Eh出現(xiàn)漂移的現(xiàn)象相符。

2.5 弱平衡體系Eh的測(cè)定

通過(guò)測(cè)定LB、PDB無(wú)菌液體培養(yǎng)基的Eh研究?jī)煞N方法在不同弱平衡體系中的精確度和穩(wěn)定性，結(jié)果見(jiàn)表3和表4。兩種方法對(duì)LB、PDB培養(yǎng)基Eh測(cè)定值存在60～120 mV的差異。造成兩種方法測(cè)定值相差較大的原因主要有以下幾點(diǎn)：弱平衡體系平衡建立緩慢，測(cè)定誤差甚大，可達(dá)40～100 mV[4]；測(cè)定儀的結(jié)構(gòu)和計(jì)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(cè)定法小，說(shuō)明去極化法比鉑電極直接測(cè)定法更精確穩(wěn)定。

表3 去極化及鉑電極直接測(cè)定法測(cè)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(cè)定法測(cè)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(duì)氧化還原電位去極化法和鉑電極直接測(cè)定法進(jìn)行對(duì)比研究，實(shí)驗(yàn)表明這兩種方法能快速準(zhǔn)確地測(cè)定強(qiáng)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(cè)定結(jié)果更精確穩(wěn)定。去極化法相對(duì)于鉑電極直接測(cè)定法具有更快速、精確、穩(wěn)定等特點(diǎn)，值得深入研究并加以推廣應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為Eh的研究和技術(shù)改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。