バッファーは、少量の酸または塩基を添加するとpHの変化に抵抗する水性システムであり、弱酸とその共役塩基で構成されています。バッファーは、反応中に放出されるプロトンを吸収するか、反応によって消費されるプロトンを放出することにより、溶液のpHを一定に保ちます。弱酸や弱塩基の部分中和溶液は、少量の強酸や強塩基を添加するとpHの変化に耐性があるという発見が、「バッファー」の概念につながりました。

共役塩基は、プロトンを失った酸です。
HA H⁺ + A  ↔  ^-
酸性 ↔  プロトン+共役塩基

共役酸は、プロトンを獲得した塩基です。
A + H ⁺  ↔  H ⁺ A
塩基+プロトン ↔  コンジュゲート酸

解離した形態と解離していない形態との間の平衡が確立されます。
例えば、弱酢酸は水中で部分的に解離し、酢酸イオンを生成します。
CH₃COOH  ↔  H⁺ + CH₃COO^-
解離していない酢酸、水素イオン、解離したイオンは、溶液中で平衡状態にあります。

酢酸ナトリウムはまた、水中で解離して同じ酢酸イオンを生成します。
CH₃COONa  ↔  Na⁺ + CH₃COO^-
未解離の酢酸ナトリウムとナトリウムと酢酸のイオンは、溶液中で平衡状態で存在します。

したがって、酢酸と酢酸ナトリウムの混合物の水溶液は、水素イオンと酢酸塩基が結合することにより、酸の添加によるH ⁺ イオンを吸収して酢酸を生成することができます。さらに、OH^- イオンがアルカリを添加して溶液に導入されると、酸性分子(H⁺)と結合して水が生成されます。このようにして、システムが平衡を回復しようとすると、溶液はpH値の変化に抵抗します。これが緩衝液の仕組みです。

酸をバッファーに加えるとどうなりますか?

弱酸とその共役塩基の平衡混合物に強酸(H+以上)を添加すると、ル・シャトリエの原理に従って、平衡が左にシフトします。

バッファーにベースを追加するとどうなりますか?

同様に、混合物に強塩基を添加すると、水素イオン濃度は、添加された塩基の量に対して予想される量よりも減少しません。これは、塩基との反応でH⁺ が失われるのに対応するために、反応が右にシフトするためです。

弱酸とその共役塩基からなる緩衝液は酸性緩衝液と呼ばれ、pH < 7です。酢酸(弱酸)と酢酸ナトリウム(共役塩基)で作られた緩衝液は酸性の緩衝液で、pHは約4.75です。
弱塩基とその共役酸からなる緩衝液はアルカリ性緩衝液として知られており、pHは7>です。アルカリ性緩衝液の例としては、pH9.25の水酸化アンモニウム(弱塩基)と塩化アンモニウム(共役酸)の水溶液があります。

緩衝液は、そのpHが調査対象のシステムまたは溶液のpHと類似している場合に最も効果的です。ヒト生物学における酵素の研究では、血液のpH、つまり7.35〜7.45に一致するシステムが必要であり、そうしないと酵素が正しく機能しません。バッファーシステムのpHが目的の範囲外の場合、これも分析に悪影響を及ぼします。

したがって、特定のpHの緩衝液を調製できる必要があり、これはさまざまな方法で行うことができます。

• pH調整
  結晶性の酸または塩基は、最初に緩衝液の最終必要量の約60〜70%に相当する量の水に溶解されます。pH はテストされ、調整されます。結晶性酸を使用する場合、pHは、調査中のシステムに干渉する可能性のあるイオンを生成しない塩基を使用して調整されます。結晶性塩基を使用する場合は、適切な酸を使用してpHを調整します。所望のpHが達成されたら、緩衝液の容量を水で補充して、必要な容量を得ることができます。
  
  
• 酸溶液と塩基溶液の混合
  この方法では、酸または塩基の溶液を随伴塩の溶液と混合します。ソース溶液の濃度は、必要な緩衝液と同じでなければなりません。溶液をさまざまな比率で混合して、最終緩衝液で異なるpH値を達成できます。あるいは、一方の溶液を他方の溶液に加えながらpHをモニターすることもできます。
  
  
• ヘンダーソン・ハッセルバッハ方程式の使用
  ヘンダーソン・ハッセルバッハ方程式は、解離定数pK_aを使用して緩衝液のpHを推定するために使用できます。弱酸(HA)が溶液中にあり、水素イオン(H ⁺)とその共役塩基(A^-)への解離が平衡状態にあるとき、解離定数はこの平衡点での酸の強さの尺度です。ヘンダーソン・ハッセルバッハの方程式は次のとおりです。 



ここで、pKaは弱酸の解離定数です
[A-]は、平衡状態における共役塩基の濃度です
[HA]は平衡状態の酸の濃度です

共役塩基と酸の平衡時の濃度が同じ場合、pHは解離定数と等しくなります。この時点で、バッファ ソリューションは最大のバッファリング機能を提供します。
ヘンダーソン・ハッセルバッハの式は、pHの直接測定による弱酸の解離定数を決定するためにも使用されます

ユニバーサルバッファー溶液は、いくつかの酸-塩基対の組み合わせで構成されています。これにより、ユニバーサルバッファーは、より広い範囲で溶液のpH値を維持できるため、より多くのアプリケーションで使用できます。

• バッファー調製SOPの作成
  バッファー調製プロセスを文書化し、全員が同じ手順に従って一貫性と再現性を確保することをお勧めします。SOPには、使用する材料の詳細と、いつ、どのように成分を添加し、pHを測定するかの正確な手順を含める必要があります。SOPには、以下に示す多くのポイントも含まれる場合があります。
  
  
• 防護服を着用してください
  特に強酸や強塩基を扱う場合は、保護メガネや衣服などの適切な個人用保護具(PPE)を着用する必要があります。
  
  
• 微生物汚染のチェック(特に生物学的アプリケーション)
  バッファーを使用する前に、容器に微生物汚染がないか確認してください。pHが中性に近い緩衝液は、特に汚染を受けやすいです。溶液に曇りが見られたり、底に付着した汚染物質が見られる場合があります。
  
  
• pHメーターを正しく使用する
  pHメーターは、正確なpH測定を確保するために、定期的に校正および保守する必要があります。電極は使用前に適切に準備し、電極接合部が正しく沈められていることを確認するために十分な緩衝液を使用する必要があります。読み取りを行う前に安定したpH値を待ち、その後電極を蒸留水ですすいでください。pHメーターは必ず周囲温度で使用するか、温度プローブが組み込まれた電極を使用してください。
  
  
• 温度に注意してください
  解離の量は温度によって異なります。したがって、緩衝液は、分析を実行するのと同じ温度で調製する必要があります。また、電極を校正する温度が測定する温度と同じであることを確認してください。
  
  
• 集中力に注意してください
  分析に使用するには、ストックバッファー溶液を必要な濃度に希釈するのが一般的です。ただし、濃度を変更すると、解離の量に影響を与える可能性があります。pHは水素イオン(H ⁺)の尺度であるため、解離の変化はpHの変化を引き起こす可能性があります。希釈後、バッファーを使用する前にpHを再確認する必要があります。