缓冲溶液的配制.docx

1、缓冲溶液的配制缓冲溶液 缓冲溶液是一类能够抵制外界加入少量酸和碱的影响，仍能维持pH值基本不变的溶液。该溶液的这种抗pH变化的作用称为缓冲作用。缓冲溶液通常是由一或两种化合物溶于溶剂（即纯水）所得的溶液，溶液内所溶解的溶质（化合物）称之为缓冲剂，调节缓冲剂的配比即可制得不同pH的缓冲液。 缓冲溶液的正确配制和pH值的准确测定，在生物化学的研究工作中有着极为重要的意义，因为在生物体内进行的各种生物化学过程都是在精确的pH值下进行的，而且受到氢离子浓度的严格调控，能够做到这一点是因为生物体内有完善的天然缓冲系统。生物体内细胞的生长和活动需要一定的pH值，体内pH环境的任何改变都将引起与代谢有关的酸

2、碱电离平衡移动，从而影响生物体内细胞的活性。为了在实验室条件下准确地模拟生物体内的天然环境，就必须保持体外生物化学反应过程有体内过程完全相同的pH值，此外，各种生化样品的分离纯化和分析鉴定，也必须选用合适的pH值，因此，在生物化学的各种研究工作中和生物技术的各种开发工作中，深刻地了解各种缓冲试剂的性质，准确恰当地选择和配制各种缓冲溶液，精确地测定溶液的pH值，就是非常重要的基础实验工作。下表列出某些人体体液的pH值： 表13 人体体液pH 体 液 pH 体 液pH 血 清 7.357.45 大肠液8.38.4 成人胃液 0.91.5 泪6.66.9 唾 液 6.37.1 尿4.87.5 胰 液

3、 7.58.0 脑脊液7.357.457.1 基本概念 Brnsted-Lowry酸碱理论（又称酸碱质子理论）。1923年由丹麦化学家J.N.Brnsted和英国化学家T.M.Lowry同时提出了酸碱质子学说，发展了酸碱理论，被后人称为酸碱质子理论或Brnsted-Lowry酸碱理论。他们认为凡能释放质子的分子或离子（如：H2O，HCl，NH4+，HSO4 等）称为酸，凡能接受质子的分子或离子（如：H2O，NH3，Cl等）称为碱。因此，一种酸释放质子后即成为碱，称为该酸的共轭碱，同样一种碱与质子结合后，形成对应的酸，称为该碱的共轭酸。 AH B A BH 酸1 碱2 碱1 酸2 酸1 是 碱1

4、的共轭酸， 碱2 是 酸2 的共轭碱。 如盐酸在水中的解离： HCl Cl H+ HCl是酸，Cl是它的共轭碱。 缓冲体系的设计： 强电解质溶于水几乎全部解离为正负离子，弱电解质溶于水时，则不完全解离，只有部分的分子解离出正负离子，其馀以分子形式存在于溶液中。例如弱酸（HA）及其盐溶于水时，只有部分HA解离为 H+ 和 A离子，其平衡方程式如下： K1 HA A H+ (1-1) K2 (1-2) (1-2)式两边取负对数： (1-3) (1-3)式中： HA 为弱酸的浓度 H+ 为HA解离出的氢离子浓度 A 为HA的共轭碱的离子浓度 K1 为酸解离的速度常数 K2 为A与H+ 缔合的速度常数

5、 Ka 为反应方程(1-1)达平衡时HA的解离平衡常数 现将HA的pKa 定义为 lg Ka，将HA溶液的pH定义为 logH+， (1-3)式可写为 ： (1-4) 或： ( 1-5) 方程(1-4)称为：Henderson-Hassel-Balch方程，此方程对于生物化学学科，在理论与实践上都具有重要意义。该方程表示了溶液pH与溶质中可解离基团pKa之间的关系。很明显，当AHA时： pH pKa这就意味着当HA有一半解离时，溶液的pH等于 pKa，此弱酸碱缓冲体系的pKa即代表缓冲范围的中点。一个缓冲体系的有效缓冲范围，通常是在pKa值为中点的两个pH单位范围内，即：缓冲剂的有效pH范围p

6、Ka1，所以，当缓冲溶液的pH等于该缓冲剂的pKa时，缓冲能力最大。若要设计一个新的缓冲体系时，只需按所要求的pH值查出pKa值等于此pH值的各种缓冲剂并从中进行挑选即可。1960年，N.E.Good和他的同事们提出，适合生命科学研究使用的缓冲体系应具有以下特性： pKa值在68之间； 在水中的溶解度高； 不易穿透生物膜； 盐效应小； 离子浓度、溶液组成和温度对解离的影响小； 不与金属离子生成复合物或沉淀； 该缓冲剂化学稳定； 紫外和可见光波长范围内光吸收小； 易制得高纯度的盐。 按照这些要求可以设计和选择最为合适的缓冲剂来配制所需的缓冲溶液。 7.2 生物化学常用缓冲液 磷酸盐缓冲液 磷酸盐

7、是生物化学研究中使用最广泛的一种缓冲剂，由於它们是二级解离，有二个pKa值，所以用它们配制的缓冲液，pH范围最宽： NaH2PO4： pKa12.12， pKa27.21 Na2HPO4： pKa17.21， pKa212.32 配酸性缓冲液： 用 NaH2PO4，pH14， 配中性缓冲液： 用混合的两种磷酸盐，pH68， 配碱性缓冲液： 用 Na2HPO4，pH1012。 用钾盐比钠盐好，因为低温时钠盐难溶，钾盐易溶，但若配制SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳的缓冲液时，只能用磷酸钠而不能用磷酸钾，因为SDS（十二烷基硫酸钠）会与钾盐生成难溶的十二烷基硫酸钾。 磷酸盐缓冲液的优点为：容易配制成各种浓

8、度的缓冲液；适用的pH范围宽；pH受温度的影响小；缓冲液稀释后pH变化小，如稀释十倍后pH的变化小于0.1。 其缺点为：易与常见的钙Ca+离子、镁Mg+离子以及重金属离子缔合生成沉淀；会抑制某些生物化学过程，如对某些酶的催化作用会产生某种程度的抑制作用。 Tris（三羟甲基氨基甲烷，N-Tris(hydroxymethyl)aminomethane）缓冲液 Tris缓冲液在生物化学研究中使用的越来越多，有超过磷酸盐缓冲液的趋势，如在SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳中已都使用Tris缓冲液，而很少再用磷酸盐。 Tris缓冲液的常用有效pH范围是在“中性”范围，例如： Tris-HCl缓冲液： pH7.

9、58.5 Tris-磷酸盐缓冲液： pH5.09.0 配制常用的缓冲液的方法有两种：按书后附录中所列该缓冲液表中的方法，分别配制0.05mol/L Tris和0.05mol/L HCl溶液，然后按表中所列体积混合。由于标准浓度的稀盐酸不易配制，所以常用另一种方法；若配1L 0.1mol/L的Tris-HCl缓冲液：先称12.11g Tris碱溶于950mL970mL 无离子水中，边搅拌边滴加4N HCl，用pH计测定溶液pH值至所需的pH值，然后再加水补足到1L。 Tris-HCl缓冲液的优点是： 因为Tris碱的碱性较强，所以可以只用这一种缓冲体系配制pH范围由酸性到碱性的大范围pH值的缓冲

10、液；对生物化学过程干扰很小，不与钙、镁离子及重金属离子发生沉淀。其缺点是：缓冲液的pH值受溶液浓度影响较大，缓冲液稀释十倍，pH值的变化大于0.1；温度效应大，温度变化对缓冲液pH值的影响很大，即：pKa0.031 ，例如：4时缓冲液的pH8.4，则37时的pH7.4，所以一定要在使用温度下进行配制，室温下配制的Tris-HCl缓冲液不能用于04。 易吸收空气中的CO2，所以配制的缓冲液要盖严密封。 此缓冲液对某些pH电极发生一定的干扰作用，所以要使用与Tris溶液具有兼容性的电极。 有机酸缓冲液 这一类缓冲液多数是用羧酸与它们的盐配制而成，pH范围为酸性，即pH3.06.0，最常用的是甲酸、

11、乙酸、柠檬酸和琥珀酸等。 甲酸甲酸盐缓冲液很有用，因其挥发性强，使用后可以用减压法除之。乙酸乙酸钠和柠檬酸柠檬酸钠缓冲体系也使用的较多，柠檬酸有三个pKa值：pKa13.10， pKa24.75， pKa36.40。琥珀酸有二个pKa值：pKa14.18， pKa25.60。 有机酸缓冲液的缺点是：所有这些羧酸都是天然的代谢产物，因而对生化反应过程可能发生干扰作用；柠檬酸盐和琥珀酸盐可以和过渡金属离子（Fe3+、Zn+、Mg+等）结合而使缓冲液受到干扰；这类缓冲液易与Ca+离子结合，所以样品中有Ca+离子时，不能用这类缓冲液。 硼酸盐缓冲液 常用的有效pH范围是：pH8.510.0，因而它是碱

12、性范围内最常用的缓冲液，其优点是配制方便，只使用一种试剂，缺点是能与很多代谢产物形成络合物，尤其是能与糖类的羟基反应生成稳定的复合物而使缓冲液受到干扰。 氨基酸缓冲液 此缓冲液使用的范围宽，可用于pH=2.011.0，例如最常用的有： 甘氨酸HCl缓冲液：pH=2.05.0， 甘氨酸NaOH缓冲液：pH=8.011.0， 甘氨酸Tris缓冲液：pH=8.011.0，（此缓冲液用于广泛使用的SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳的电极缓冲液）， 组氨酸缓冲液：pH=5.56.5， 甘氨酰胺（glycine amide）缓冲液：pH=7.88.8， 甘氨酰甘氨酸（glycylglycine）缓冲液：pH=8.0

13、9.0。 此类缓冲体系的优点是：为细胞组份和各种提取液提供更接近的天然环境。其缺点是：与羧酸盐和磷酸盐缓冲体系相似，也会干扰某些生物化学反应过程，如代谢过程等。试剂的价格较高。 两性离子缓冲液（Zwitterionic buffers），又称Goods缓冲液1960年，N.E.Good和他的同事们总结了现有的各种缓冲试剂的优缺点后认为，必须用人为设计和人工合成的方法来找到专门用于生命科学研究的特定的缓冲体系，这些缓冲体系应具有前面所述的九条要求和特性。他们合成的一系列Goods缓冲液可查阅有关的资料。Goods缓冲液的主要优点是不参加和不干扰生物化学反应过程，对酶化学反应等无抑制作用，所以它们

14、专门用于细胞器和极易变性的、对pH敏感的蛋白质和酶的研究工作。其缺点是：价格昂贵，对测定蛋白质含量的双缩脲法和Lowry法不适用，因为它们会使空白管的颜色加深。常用缓冲溶液的配制方法1 甘氨酸盐酸缓冲液（0.05mol/L）X毫升0.2 mol/L甘氨酸+Y毫升0.2 mol/L HCI，再加水稀释至200毫升pHXYpHXY2.02.42.62.85050505044.032.424.216.83.03.23.43.65050505011.48.26.45.0甘氨酸分子量 = 75.07，0.2 mol/L甘氨酸溶液含15.01克/升。2邻苯二甲酸盐酸缓冲液（0.05 mol/L）X毫升0.

15、2 mol/L邻苯二甲酸氢钾 + 0.2 mol/L HCl，再加水稀释到20毫升pH(20)XYpH(20)XY2.22.42.62.83.0555554.0703.9603.2952.6422.0223.23.43.63.855551.4700.9900.5970.263邻苯二甲酸氢钾分子量 = 204.23，0.2 mol/L邻苯二甲酸氢溶液含40.85克/升3磷酸氢二钠柠檬酸缓冲液pH0.2mol/L Na2HPO4（毫升）0.1mol/L柠檬酸（毫升）pH0.2mol/L Na2HPO4 （毫升）0.1mol/L柠檬酸（毫升）2.22.42.62.83.03.23.43.63.84.

16、04.24.44.64.85.00.401.242.183.174.114.945.706.447.107.718.288.829.359.8610.3010.6018.7617.8216.8315.8915.0614.3013.5612.9012.2911.7211.1810.6510.149.705.25.45.65.86.06.26.46.66.87.07.27.47.67.88.010.7211.1511.6012.0912.6313.2213.8514.5515.4516.4717.3918.1718.7319.1519.459.288.858.407.917.376.786.155

17、.454.553.532.611.831.270.850.55Na2HPO4分子量 = 14.98，0.2 mol/L溶液为28.40克/升。Na2HPO42H2O分子量 = 178.05，0.2 mol/L溶液含35.01克/升。C4H2O7H2O分子量 = 210.14，0.1 mol/L溶液为21.01克/升。4柠檬酸氢氧化钠-盐酸缓冲液pH钠离子浓度（mol/L）柠檬酸（克）C6H8O7H2O氢氧化钠(克)NaOH 97%盐酸（毫升）HCl（浓）最终体积（升）2.23.13.34.35.35.86.50.200.200.200.200.350.450.38210210210210245

18、28526684838383144186156160116106456810512610101010101010 使用时可以每升中加入1克克酚，若最后pH值有变化，再用少量50%氢氧化钠溶液或浓盐酸调节，冰箱保存。5柠檬酸柠檬酸钠缓冲液（0.1 mol/L）pH0.1 mol/L柠檬酸（毫升）0.1 mol/L柠檬酸钠（毫升）pH0.1 mol/L柠檬酸（毫升）0.1 mol/L柠檬酸钠（毫升）3.03.23.43.63.84.04.24.44.64.818.617.216.014.914.013.112.311.410.39.21.42.84.05.16.06.97.78.69.710.85

19、.05.25.45.65.86.06.26.46.68.27.36.45.54.73.82.82.01.411.812.713.614.515.316.217.218.018.6柠檬酸C6H8O7H2O：分子量210.14，0.1 mol/L溶液为21.01克/升。柠檬酸钠Na3 C6H5O72H2O：分子量294.12，0.1 mol/L溶液为29.41克/毫升。6乙酸乙酸钠缓冲液（0.2 mol/L）pH(18)0.2 mol/L NaAc(毫升)0.3 mol/L HAc(毫升)pH(18)0.2 mol/LNaAc(毫升)0.3 mol/LHAc(毫升)2.63.84.04.24.44

20、.60.751.201.802.653.704.909.258.808.207.356.305.104.85.05.25.45.65.85.907.007.908.609.109.404.103.002.101.400.900.60Na2Ac3H2O分子量 = 136.09，0.2 mol/L溶液为27.22克/升。7磷酸盐缓冲液（1）磷酸氢二钠磷酸二氢钠缓冲液（0.2）pH0.2 mol/L Na2HPO4(毫升)0.3 mol/L NaH2PO4(毫升)pH0.2 mol/L Na2HPO4(毫升)0.3 mol/L NaH2PO4(毫升)5.85.96.06.16.26.36.46.56

21、.66.76.86.98.010.012.315.018.522.526.531.537.543.549.555.092.090.087.785.081.577.573.568.562.5 56.551.045.07.07.17.27.37.47.57.67.77.87.98.061.067.072.077.081.084.087.089.591.593.094.739.033.028.023.019.016.013.010.58.57.05.3Na2HPO42H2O分子量 = 178.05，0.2 mol/L溶液为85.61克/升。Na2HPO412H2O分子量 = 358.22，0.2 m

22、ol/L溶液为71.64克/升。NaH2PO42H2O分子量 = 156.03，0.2mol/L溶液为31.21克/升。（2）磷酸氢二钠磷酸二氢钾缓冲液（1/15 mol/L）pHmol/L/15Na2HPO4(毫升)mol/L/15KH2PO4(毫升)pHmol/L/15Na2HPO4(毫升)mol/L/15KH2PO4(毫升)4.925.295.916.246.476.646.816.980.100.501.002.003.004.005.006.009.909.509.008.007.006.005.004.007.177.387.738.048.348.678.187.008.009.

23、009.509.759.9010.003.002.001.000.500.250.100Na2HPO42H2O分子量 = 178.05，1/15M溶液为11.876克/升。KH2PO4分子量 = 136.09，1/15M溶液为9.078克/升。8磷酸二氢钾氢氧化钠缓冲液（0.05M）X毫升0.2M K2PO4 + Y毫升0.2N NaOH加水稀释至29毫升 pH(20)X (毫升)Y（毫升）pH(20)X (毫升)Y（毫升）5.86.06.26.46.66.85555550.3720.5700.8601.2601.7802.3657.07.27.47.67.88.05555552.9633.5

24、003.9504.2804.5204.6809巴比妥钠-盐酸缓冲液（18）pH0.04M巴比妥钠溶液0.2V盐酸pH0.04M巴比妥钠溶液(毫升)0.2N盐酸(毫升)6.87.07.27.47.67.88.08.210010010010010010010010018.417.816.715.313.411.479.397.218.48.68.89.09.29.49.61001001001001001001001005.213.822.521.651.130.700.35巴比妥钠盐分子量=206.18;0.04M溶液为8.25克/升10Tris盐酸缓冲液（0.05M，25）50毫升0.1M三羟甲

25、基氨基甲烷（Tris）溶液与X毫升0.1N盐酸混匀后，加水稀释至100毫升。pHX(毫升)pHX(毫升)7.107.207.307.407.507.607.707.807.908.0045.744.743.442.040.338.536.634.532.029.28.108.208.308.408.508.608.708.808.9026.222.919.917.214.712.410.38.57.0三羟甲基氨基甲烷（Tris）HOCH2 CH2OH CHOCH2 NH2分子量=121.14;0. 1M溶液为12.114克/升。Tris溶液可从空气中吸收二氧化碳，使用时注意将瓶盖严。11硼酸硼

26、砂缓冲液（0.2M硼酸根）pH0.05M硼砂（毫升）0.2M硼砂（毫升）pH0.05M硼砂（毫升）0.2M硼酸（毫升）7.47.67.88.01.01.52.03.09.08.58.07.08.28.48.79.03.54.56.08.06.55.54.02.0硼砂Na2B4O7H2O,分子量=381.43;0.05M溶液（=0.2M硼酸根）含19.07克/升。硼酸H2BO3,分子量=61.84,0.2M溶液为12.37克/升。硼砂易失去结晶水，必须在带塞的瓶中保存。11硼酸-硼砂缓冲液（0.2M硼酸根）pH0.05M硼砂（毫升）0.2M硼酸（毫升）pH0.05M硼砂（毫升）0.2M硼酸（毫升）7.47.67.88.01.01.52.03.09.08.58.07.08.28.48.79.03.54.56.08.06.55.54.02.0