液相氧電極的工作原理及特點(diǎn)

　　1 前言

　　氧電極是為測(cè)定水中溶解氧含量而設(shè)計(jì)的一種極譜電極，早在二十世紀(jì)三十年代就有人用裸露的銀-鉑電極研究藻類(lèi)的光合作用。自從五十年代薄膜氧電極問(wèn)世以來(lái)，又大大擴(kuò)展了它的應(yīng)用范圍。由于它具有靈敏度高、反應(yīng)快、可以連續(xù)測(cè)量、記錄，能夠追蹤反應(yīng)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程等優(yōu)點(diǎn)，因而在葉綠體及線粒體懸浮液的光合放氧和呼吸耗氧的研究上，在對(duì)某些耗氧或放氧的酶促反應(yīng)的研究上，都得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，人們利用這種技術(shù)測(cè)定葉碎塊或游離葉細(xì)胞的光合放氧，也取得了成功，現(xiàn)已發(fā)展成為一種簡(jiǎn)便快速地測(cè)定溶解氧的常規(guī)技術(shù)。

　　氧電極可以用來(lái)研究植物葉片及綠色部位的光合作用，植物、動(dòng)物組織、器官以及微生物的呼吸速率以及呼吸途徑的測(cè)定，離體葉綠體完整度的測(cè)定，RuBP加氧酶活性的測(cè)定，植物組織中H2O2酶活性的測(cè)定，多酚氧化酶活性的測(cè)定，植物組織中脂肪酸氧化酶活性的測(cè)定和線粒體呼吸的測(cè)定。

　　2 氧電極的基本原理和構(gòu)造

　　2.1 氧電極的構(gòu)造

　　薄膜氧電極早由L.C. Clark研制(1953)，故亦稱(chēng)Clark氧電極。氧電極實(shí)際上是一個(gè)電化學(xué)電池(上圖)，由鑲嵌在絕緣材料上的銀極和鉑極構(gòu)成。銀極為陽(yáng)極，一般制成圓環(huán)狀，作為參比極，銀極的面積要盡可能大些，以降低電極表面的電流密度，減少陽(yáng)極的極化現(xiàn)象，使其電極電位不受外加電壓的影響。鉑極為陰極，一般制成圓點(diǎn)狀，位于銀極的中央，電解反應(yīng)即發(fā)生在鉑極上。

　　在電極的表面用15～20μm的聚乙烯或聚四氟乙烯薄膜覆蓋，在電極與薄膜之間充以氯化鉀溶液作為電解質(zhì)。由于水中溶解氧能透過(guò)薄膜而電解質(zhì)不能透過(guò)，因而排除了被測(cè)溶液中各種離子電解反應(yīng)的干擾，成為測(cè)定溶解氧的專(zhuān)用性電極。

　　2.2 氧電極的基本原理

　　當(dāng)在氧電極兩極間施加電壓并超過(guò)O2的分解電壓(約為-0.2V)時(shí)，透過(guò)薄膜進(jìn)入氯化鉀溶液的溶解氧便在鉑陰極上還原：O2+2H2+4e-= 4OH-

　　銀陽(yáng)極上則發(fā)生銀的氧化反應(yīng)：4Ag+4Cl-= 4AgCl+4e

　　此時(shí)電極間產(chǎn)生電解電流。由于氧在陰極被還原，而使陰極表面氧的濃度降低，于是被測(cè)溶液中的溶解氧便向陰極擴(kuò)散補(bǔ)充，使還原過(guò)程得以繼續(xù)進(jìn)行，又由于電極反應(yīng)的速度極快，而氧分子的擴(kuò)散速度則較慢，所以電解電流的大小受氧的擴(kuò)散速度的限制。這種受氧擴(kuò)散速度限制的電解電流叫做擴(kuò)散電流。在溶液靜止、溫度恒定的情況下，擴(kuò)散電流受被測(cè)溶液與電極表面O2的濃度差控制。隨著外加電壓的加大，電極表面O2濃度必然減小，被測(cè)溶液與電極表面O2的濃度差加大，擴(kuò)散電流也隨之增大。但當(dāng)外加的極化電壓達(dá)到一定值時(shí)，陰極表面氧的還原速率大大超過(guò)O2向陰極的擴(kuò)散速率，使陰極表面O2的濃度趨近于零，于是擴(kuò)散電流的大小完全取決于被測(cè)溶液中的氧的濃度(對(duì)于薄膜氧電極而言，也就是緊靠膜外側(cè)的O2濃度)。此時(shí)再增加極化電壓，擴(kuò)散電流基本上不再增加，使極譜波(即電流-電壓曲線)產(chǎn)生一個(gè)平頂。將極化電壓選定在平頂?shù)闹胁?約0.6～0.9V)，可以使擴(kuò)散電流的大小基本不受電壓微小波動(dòng)的影響。即電壓在0.6～0.9V之間，氧電極輸出的電流與電極外面氧濃度之間有良好的線性關(guān)系。因此，在極化電壓及溫度恒定的條件下，擴(kuò)散電流的大小即可作為溶解氧定量測(cè)定的基礎(chǔ)。電極間產(chǎn)生的擴(kuò)散電流信號(hào)可通過(guò)電極控制器的電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出，用自動(dòng)記錄儀進(jìn)行記錄。

　　氧電極法的優(yōu)缺點(diǎn)：用氧電極法測(cè)定水中溶解氧以研究光合、呼吸，可以解決一些常規(guī)的檢測(cè)技術(shù)不能解決或難解決的問(wèn)題，因而與微量檢壓技術(shù)(瓦氏呼吸計(jì))相比，該法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　A.靈敏度極高 用該法檢測(cè)水中溶解氧，其靈敏度可以達(dá)到2×10-3～4×10-3μmol/ml或4×10-2～9×10-2μl/ml，比微量檢壓法的靈敏度高出10倍以上。

　　B.測(cè)定快速 一次測(cè)定可在數(shù)分鐘內(nèi)完成。

　　C.可迅速追蹤溶解氧含量的變化動(dòng)態(tài)，并且可以記錄其變化過(guò)程，不會(huì)漏過(guò)任何微小的變化，而微量檢壓法則無(wú)法測(cè)出氣體交換速度的瞬時(shí)變化。

　　D.利用自動(dòng)記錄儀記錄結(jié)果或者計(jì)算機(jī)控制，操作簡(jiǎn)便，自動(dòng)化程度高。