酸鹼度(pH值) 原理及應用概述

配製pH測定相關緩衝溶液所使用的水
pH值的測定相當普遍,甚至我們每天所使用的近乎每一項物質,其效能好壞皆與pH值有關:例如洗髮精與肥皂、用來清洗身體及牙齒的水、解渴的飲料、日常飲食、服用的藥物等等。
測定pH值最準確的方法是使用酸鹼度計(pH meter)。酸鹼度計測定pH值,主要是利用兩個電極的電位差來測量(其中一個是參考電極)。另一個測定pH值的方式,是使用酸鹼指示劑(pH indicator)。酸鹼指示劑會在特定的pH值改變顏色。廣用指示劑(universal indicator)亦常被使用,其包含數個指示劑的混合,因此當環境的pH值從2改變至10,廣用指示劑會呈現一系列不同的顏色。廣用指示劑在市面上也有做成試紙,試紙上面有不同指示劑,測定上非常簡易方便。
緩衝溶液是添加少量酸或鹼之後,可維持一定pH值的溶液。因為pH值對化學及酵素反應的影響很大,緩衝溶液在實驗室被非常廣泛的使用。配製pH緩衝液時,需使用高純度的水,方能降低水中污染物質的影響。
更多pH值測定相關的資訊請參考以下連結:
http://www.horiba.com/application/material-property-characterization/water-analysis/water-quality-electrochemistry-instrumentation/the-story-of-ph -and-water-quality/thestory-of-ph/ways-of-measuring-ph/
-化學物質的溶解特性
-藥物分子的生物利用度(bioavailablity)
-化學反應的速率
-有機體的生理化學特性(physiological chemistry) 水中可能存在會影響pH測定的污染物質 pH值相關緩衝液的配製,通常是將固體溶質溶在水中,或先配製濃縮溶液再以水稀釋。用來配製的水應是高純度、不含污染性的酸或鹼,以免影響溶液pH值的測定。以下是可能影響pH值測定的水中污染物質種類。
離子
若水溶液中有一定含量如銨根離子或碳酸根離子等,會改變溶液的氫離子濃度,導致pH測定結果不準確。若欲配製特定離子強度的緩衝液,或水中含有ㄧ些污染的離子,將改變溶液的離子強度。因此,使用低離子濃度的水來配製緩衝液才會安全。通常建議使用比阻抗值大於1 MΩ.cm的水。

有機物質
若水中有弱有機酸及鹼的污染,亦會影響溶液的pH值。為了確保低有機物質污染,水中應儘量降低有機物質的總濃度。ㄧ般來說,建議使用TOC小於50 ppb的水。
細菌因細菌ㄧ般無法承受強酸強鹼的環境,其可能存在並生長於pH 5~9的緩衝溶液。另外,當細菌細胞膜分解的時候,會釋放出帶電的有機物質。因此,低細菌污染的水方能避免細菌或其副產物相關的問題產生。
顆粒
酸鹼度計的效能可能被高濃度的顆粒污染物影響(雖然低濃度顆粒對其影響不大)。顆粒會沉積在酸鹼度計電極的表面,影響儀器的效能。為避免此影響發生,建議於水純化步驟的
終端加裝一道過濾膜,以去除可能存在的顆粒污染物質。水的貯存雖然水的貯存方式並非純水品質的要素,但卻可能造成溶液最終pH值明顯的影響,尤其當純水於配製溶液之前儲存一段時間。水經過ㄧ系列的純化步驟後,環境裡的離子與空氣很容易溶解進去。只要純水與空氣接觸,空氣中的二氧化碳即會溶進水中,形成碳酸氫根及碳酸根離子,進而將純水轉化成碳酸根緩衝液。將此碳酸根緩衝液與待測水溶液及粉末混合,皆可造成pH值被改變的結果。另外,貯存的水中可能有細菌的生長,進而在儲存緩衝液容器的內裡表面形成生物膜(biofilm)。因此,強烈建議於每次使用前,將儲存緩衝溶液的容器徹底清洗。
實驗佐證
圖1的實驗結果,說明了經過RO膜(逆滲透膜)及EDI (electrodeionization,電子連續式去離子模組)純化的純水(即默克Elix系統),及再經過精緻端進一步純化的超純水(即默克的
Milli-Q系統)皆可用以配製緩衝溶液。磷酸及PBS濃縮溶液以水稀釋10及100倍。實驗顯示新鮮產製的純水與超純水與配製緩衝液的瓶裝蒸餾水可以得到完全相同的結果。水純化系統的好處是可隨時製造需要的純水,亦可用在實驗室其他的應用,及節省純水的花費。

然而, Milli-Q 超純水純度極高, 幾乎不含離子, 故其緩衝能力(buffering capacity) 很低。當從純水系統取超純水時, 其pH 會快速改變。任何容器內壁上存在的污染物質會溶進水中改變超純水的pH 值; 空氣中的二氧化碳會很自然的溶進水中, 進而產生碳酸根離子降低使pH 值降低。

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圖1以不同來源來稀釋濃縮溶液的效果。Milli-Q水:比阻抗值18.2 MΩ.cm, TOC < 5 ppb,微生物< 1 CFU/mL。Elix水:比阻抗值> 5 MΩ.cm, TOC < 30 ppb (線上偵測),微生物< 10 CFU/mL。
另外溫度亦會影響pH值。以低溫的溶液配製緩衝溶液可能讓pH值有0.1的差異。
Milli-Q超純水的pH值
Milli-Q超純水的pH值為6.998 (詳情請參考文章:“ High Purity Water and pH”,連結如下方)。

另外,實驗室一般使用的酸鹼度計並不適合拿來測量離子含量過少的水溶液。因此用來測量Milli-Q的pH值,會得到不正確的值。有些酸鹼度計的供應商會提供相關的技術資訊,說明為何以傳統的酸鹼度計測量超純水pH值,會得不到準確的結果。有些供應商設計出可以動態運作模式測量超純水pH值的儀器,但這些儀器很少被一般的實驗室使用。這是為什麼即使純水系統產製的Milli-Q pH值極為接近7,許多科學研討會的研究報告仍顯示
Milli-Q的pH值是遠大於7.0的原因。
更多相關資訊,請參考:
http://www.metacafe.com/watch/839024/ph_value_measurement/
http://web.jjay.cuny.edu/~acarpi/NSC/7-ph.htm
http:// www.johnkyrk.com/pH.html

實驗室純水解決方案
pH測定及待測緩衝液配製所使用的水的選擇,與下列幾項因素有關:

實驗室的狀況
-實驗室純水系統是否需要確效(validation)?
-實驗室純水系統的進水來源
-實驗室每日純水及超純水的使用量
-實驗室有效空間
-實驗室確保水質符合規格要求所需的線上水質偵測
-實驗室是否有其他應用需要使用超純水
-實驗室將來可能的擴建計畫
要使pH測定及待測溶液品質達到最佳化,請聯繫默克純水部門。我們將協助您做最佳的選
擇並達到最好的實驗結果。
資料來源:
http://www.merckmillipore.com/labwater

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