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液相氧电极的工作原理及特点

2009-03-28 08:37阅读：

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液相氧电极的工作原理及特点
姚广
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1 前言
氧电极是为测定水中溶解氧含量而设计的一种极谱电极，早在二十世纪三十年代就有人用裸露的银-铂电极研究藻类的光合作用。自从五十年代薄膜氧电极问世以来，又大大扩展了它的应用范围。由于它具有灵敏度高、反应快、可以连续测量、记录，能够追踪反应的动态变化过程等优点，因而在叶绿体及线粒体悬浮液的光合放氧和呼吸耗氧的研究上，在对某些耗氧或放氧的酶促反应的研究上，都得到了广泛的应用。近年来，人们利用这种技术测定叶碎块或游离叶细胞的光合放氧，也取得了成功，现已发展成为一种简便快速地测定溶解氧的常规技术。
氧电极可以用来研究植物叶片及绿色部位的光合作用，植物、动物组织、器官以及微生物的呼吸速率以及呼吸途径的测定，离体叶绿体完整度的测定，RuBP加氧酶活性的测定，植物组织中H2O2酶活性的测定，多酚氧化酶活性的测定，植物组织中脂肪酸氧化酶活性的测定和线粒体呼吸的测定。
2
氧电极的基本原理和构造









氧电极的构造

2.1 氧电极的构造
薄膜氧电极最早由L.C. Clark研制（1953），故亦称Clark氧电极。氧电极实际上是一个电化学电池（上图），由镶嵌在绝缘材料上的银极和铂极构成。银极为阳极，一般制成圆环状，作为参比极，银极的面积要尽可能大些，以降低电极表面的电流密度，减少阳极的极化现象，使其电极电位不受外加电压的影响。铂极为阴极，一般制成圆点状，位于银极的中央，电解反应即发生在铂极上。
在电极的表面用15～20μm的聚乙烯或聚四氟乙烯薄膜覆盖，在电极与薄膜之间充以氯化钾溶液作为电解质。由于水中溶解氧能透过薄膜而电解质不能透过，因而排除了被测溶液中各种离子电解反应的干扰，成为测定溶解氧的专用性电极。
2.2 氧电极的基本原理
当在氧电极两极间施加电压并超过O2的分解电压（约为-0.2V）时，透过薄膜进入氯化钾溶液的溶解氧便在铂阴极上还原：
O2+2H2+4e-= 4OH-
银阳极上则发生银的氧化反应：
4Ag+4Cl-= 4AgCl+4e
此时电极间产生电解电流。由于氧在阴极被还原，而使阴极表面氧的浓度降低，于是被测溶液中的溶解氧便向阴极扩散补充，使还原过程得以继续进行，又由于电极反应的速度极快，而氧分子的扩散速度则较慢，所以电解电流的大小受氧的扩散速度的限制。这种受氧扩散速度限制的电解电流叫做扩散电流。在溶液静止、温度恒定的情况下，扩散电流受被测溶液与电极表面O2的浓度差控制。随着外加电压的加大，电极表面O2浓度必然减小，被测溶液与电极表面O2的浓度差加大，扩散电流也随之增大。但当外加的极化电压达到一定值时，阴极表面氧的还原速率大大超过O2向阴极的扩散速率，使阴极表面O2的浓度趋近于零，于是扩散电流的大小完全取决于被测溶液中的氧的浓度（对于薄膜氧电极而言，也就是紧靠膜外侧的O2浓度）。此时再增加极化电压，扩散电流基本上不再增加，使极谱波（即电流-电压曲线）产生一个平顶。将极化电压选定在平顶的中部（约0.6～0.9V），可以使扩散电流的大小基本不受电压微小波动的影响。即电压在0.6～0.9V之间，氧电极输出的电流与电极外面氧浓度之间有良好的线性关系。因此，在极化电压及温度恒定的条件下，扩散电流的大小即可作为溶解氧定量测定的基础。电极间产生的扩散电流信号可通过电极控制器的电路转换成电压输出，用自动记录仪进行记录。
氧电极法的优缺点：用氧电极法测定水中溶解氧以研究光合、呼吸，可以解决一些常规的检测技术不能解决或难解决的问题，因而与微量检压技术(瓦氏呼吸计)相比，该法具有以下优点：
A. 灵敏度极高 用该法检测水中溶解氧，其灵敏度可以达到2×10-3～4×10-3μmol/ml或4×10-2～9×10-2μl/ml，比微量检压法的灵敏度高出10倍以上。
B. 测定快速 一次测定可在数分钟内完成。
C. 可迅速追踪溶解氧含量的变化动态，并且可以记录其变化过程，不会漏过任何微小的变化，而微量检压法则无法测出气体交换速度的瞬时变化。
D.利用自动记录仪记录结果或者计算机控制，操作简便，自动化程度高。

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