缓冲液制备——解决方案、计算和常见问题解答

缓冲液制备——解决方案、计算和常见问题解答

为何准确称量对于缓冲液的质量至关重要

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缓冲液制备——解决方案、计算和常见问题解答

Buffer Preparation

Buffer Preparation

缓冲液制备——配制工作流程
  1. 从数据库中选择配方
  2. 根据所需的缓冲液体积重新计算配方中各成分的数量
  3. 称量各成分并在容器中混合
  4. 使用适合的溶剂(一般是水)溶解混合物
  5. 使用pH计检查并校正pH值
  6. 将溶液补足至所需体积
  7. 转移到存储瓶中并进行标记
  8. 记录结果

缓冲液如何发挥作用?

加入少量酸或碱时,缓冲液是阻碍pH值改变的水溶液体系,由弱酸和其共轭碱组成。 缓冲液可吸收反应过程中释放的质子或在反应过程中质子被消耗时释放质子,保持溶液的pH值不变。 部分中性的弱酸或弱碱溶液可抵消在添加少量强酸或强碱后pH值的变化,这一发现就是“缓冲液”概念的来源。

共轭碱是给出一个质子的酸。
HA  ↔  H+ + A-
酸  ↔  质子 + 共轭碱

共轭酸是接受一个质子的碱。
A + H+  ↔  H+A
碱 + 质子  ↔  共轭酸

已解离的离子和未解离的分子之间达成平衡。
例如,弱醋酸在水中发生部分解离,生成醋酸根离子:
CH3COOH  ↔  H+ + CH3COO-
未解离的醋酸、氢离子和已解离的离子在溶液中平衡共存。

醋酸钠在水中解离时也会生成相同的醋酸根离子:
CH3COONa  ↔  Na+ + CH3COO-
未解离的醋酸钠、钠离子和醋酸在溶液中平衡共存。

由于氢离子可与醋酸根离子结合生成醋酸,因此,由醋酸和醋酸钠混合而成的水溶液可吸收添加酸后产生的H+离子。 而且,由于添加碱而使溶液中出现OH-离子时,它们将与酸分子(H+)结合形成水。 这样,由于系统尝试恢复平衡,溶液的pH值将不会变化。 这就是缓冲液的工作方式。

在缓冲液中添加酸后会发生什么情况?

在弱酸及其共轭碱构成的平衡混合溶液中,加入一些强酸(H+更多)后,根据勒夏特列原理,平衡将向左移动。

在缓冲液中添加碱后会发生什么情况?

同样,如果在混合溶液中添加了强碱,氢离子浓度的降低幅度将小于预期平衡碱添加量所需的量。 这是因为反应向右移动,以适应与碱反应中H+的损失。

Buffer Preparation Formula

缓冲液的类型

由弱酸及其共轭碱组成的缓冲液称为酸性缓冲液,pH值小于7。 例如,由醋酸(弱酸)和醋酸钠(共轭碱)组成的缓冲液就是一种酸性缓冲液,pH值约为4.75。
由弱碱及其共轭酸组成的缓冲液称为碱性缓冲液,pH值大于7。 例如,由氢氧化铵(弱碱)和氯化铵(共轭酸)组成的水溶液就是一种碱性缓冲液,pH值为9.25。

制备缓冲液时需要考虑哪些问题

当缓冲液的pH值接近正在研究的系统或溶液的pH值时,才能发挥较大作用。 在人体生物学的酶研究中,需要使用与血液的pH值(7.35至7.45)相匹配的缓冲液系统,否则,酶将无法正常发挥作用。 如果缓冲液系统的pH值超出所需范围,也会对分析带来不利影响。

因此,必须能够制备具有指定pH值的缓冲液,这可通过不同方法来完成:

  • pH校正
    先将结晶酸或碱溶解在最终所需缓冲液体积60-70%的水中。 检测pH值然后进行校正。 如果使用结晶酸,则使用特定碱对pH值进行校正,该碱不会产生可能干扰正在研究的系统的离子。 如果使用结晶碱,则使用适合的酸对pH值进行校正。 达到所需pH值后,可加水将缓冲液的体积补足到所需值。

  • 混合酸和碱溶液
    在此方法中,将酸或碱溶液与相关盐的溶液相混合。 原溶液的浓度必须与所需缓冲液的浓度相同。 可按各种比例将这些溶液相混合,获得pH值不同的最终缓冲液。 或者,一边将一种溶液添加到另一个溶液中,一边监测pH值。

  • 使用Henderson-Hasselbach等式
    可使用Henderson-Hasselbach等式,利用解离常数pKa来估计缓冲液的pH值。 当溶液中存在弱酸(HA),且解离出的氢离子(H+)与其共轭碱(A-)处于平衡状态时,解离常数反映了该平衡点处的酸强度。 Henderson-Hasselbach等式如下所示:
  • Buffer Preparation - second formula

    其中:pKa是弱酸的解离常数
    [A-]是平衡时的共轭碱浓度
    [HA]是平衡时的酸浓度

    如果平衡点处的共轭碱和酸的浓度相同,则pH值将等于解离常数。 此时,缓冲液将提供最大缓冲能力。
    此外,还可通过直接测定pH值,然后利用Henderson-Hasselbach等式来确定弱酸的解离常数。

通用缓冲液的优势
通用缓冲液由多种酸碱对组成。 因此,通用缓冲液可在更广泛的范围内保持溶液的pH值,适合更多应用。

制备和使用缓冲液的附加提示

  • 制定缓冲液制备SOP
    好的做法是,记录缓冲液制备过程并确保每个人都遵循相同程序,确保一致性和可再现性。 该SOP中应包括所用材料的详细信息,以及何时和如何添加成分以及测定pH值的准确步骤。 该SOP中还应包括下面提到的各点。
  • 穿戴防护服
    必须佩戴适当的个人防护装备(PPE),比如护目镜和防护衣,尤其是处理强酸或强碱时。
  • 检查有无细菌污染(尤其是在生物应用中)
    使用任何缓冲液之前,检查容器是否存在细菌污染。 pH值接近中性的缓冲液尤其容易受到污染。 可能会在溶液中看到浑浊物或沉在底部的污染物。
  • 正确使用pH计
    应定期校准和维护pH计,确保准确测量pH。 使用前,应正确准备电极,且应使用足够的缓冲液,确保完全浸没电极液络部。 记录读数前确保等待pH值稳定,并在事后使用蒸馏水冲洗电极。 确保在室温下使用pH计,或使用带有集成温度传感器的电极。
  • 注意温度
    解离度会随温度不同而变化。 因此,应在执行分析时要使用的温度下制备缓冲液。 此外,还应确保校准电极时的温度与执行测量时的温度相同。
  • 注意浓度
    常见做法是将存储的缓冲液稀释到所需浓度,然后在分析中使用。 不过,改变浓度会影响解离度。 由于pH值是氢离子(H+)的浓度指数,解离度的改变会导致pH值发生变化。 稀释后,在使用缓冲液之前,应重新检查pH值。

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1. 如何提高缓冲液制备过程中的称量效率?

 

使用梅特勒托利多XPR/XSR天平,可保存专用称量方法。 具体到缓冲液制备,可在天平上利用“使用模板简单配制”方法,将每种缓冲液成分及其目标重量和容许区间保存为配方。 开始执行该方法时,将出现提示,指导您完成过程中的每一步。 不必浪费时间检查配方表,而且完全掌握过程的进展情况。 重量结果被自动保存,并可在结束时打印出来,无需手动记录所有重量结果,从而节省大量时间。


 

2. 哪种天平适合缓冲液制备?

适合的天平取决于具体需求。 您需要了解要称量的最大和最小重量以及需要多准确地进行称量(即容差或允许误差是多少)。 为了帮助您选择满足应用需求的适合天平,梅特勒托利多提供免费服务。 请直接联系当地代表,获得免费的天平推荐。 该服务还可确定您的现有天平能否满足要求。


 

3. 在制备缓冲液时,需要记录大量数据。 如何避免出错? 我需要一个不会出现差错的解决方案。

首先,将一个条形码扫描器连接到天平。 这样,将能够以电子形式记录样品ID、批号和订单号等。 接着,将打印机连接到天平。 使用梅特勒托利多的P-5x系列打印机,在称量过程结束时,可自动打印出结果以及元数据、日期和时间。 或者,也可以将天平连接到LabX实验室软件,该软件提供全面的数据管理,包括可直接发送到LIMS或ERP的自定义报告。


 

4. 如何确保缓冲液的pH读数正确?

为了确保准确度,必须对pH计进行定期校准和检查。 请查看相关指南,了解有关梅特勒托利多提供的轻松校准pH计的解决方案的更多信息。 此外,还可查看视频:pH校准——实用操作指南。


 

5. 如果添加的一种成分的量超过所需量该怎么办?

如果在称量一种成分时,不小心称出太多,则可补足其他成分的量,而不是丢弃当时已称量出的材料。 如果由人工计算数量,则很具有挑战性,且出错风险很高。 而且,还应注意,所需的附加量可能非常少,所用天平可能不适合此类称量。 可能需要使用准确度更高且最小称量值更小的第二台天平。 如果天平已连接到LabX,则LabX可执行必要的重新计算,并跟进操作过程的进度。