液相氧電極的工作原理及特點
1 前言
氧電極是為測定水中溶解氧含量而設計的一種極譜電極，早在二十世紀三十年代就有人用裸露的銀-鉑電極研究藻類的光合作用。自從五十年代薄膜氧電極問世以來，又大大擴展了它的應用范圍。由于它具有靈敏度高、反應快、可以連續測量、記錄，能夠追蹤反應的動態變化過程等優點，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，在對某些耗氧或放氧的酶促反應的研究上，都得到了廣泛的應用。近年來，人們利用這種技術測定葉碎塊或游離葉細胞的光合放氧，也取得了成功，現已發展成為一種簡便快速地測定溶解氧的常規技術。
氧電極可以用來研究植物葉片及綠色部位的光合作用，植物、動物組織、器官以及微生物的呼吸速率以及呼吸途徑的測定，離體葉綠體完整度的測定，RuBP加氧酶活性的測定，植物組織中H2O2酶活性的測定，多酚氧化酶活性的測定，植物組織中脂肪酸氧化酶活性的測定和線粒體呼吸的測定。
2 氧電極的基本原理和構造
2.1 氧電極的構造
薄膜氧電極早由L.C. Clark研制(1953)，故亦稱Clark氧電極。氧電極實際上是一個電化學電池(上圖)，由鑲嵌在絕緣材料上的銀極和鉑極構成。銀極為陽極，一般制成圓環狀，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，減少陽極的極化現象，使其電極電位不受外加電壓的影響。鉑極為陰極，一般制成圓點狀，位于銀極的中央，電解反應即發生在鉑極上。
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。由于水中溶解氧能透過薄膜而電解質不能透過，因而排除了被測溶液中各種離子電解反應的干擾，成為測定溶解氧的專用性電極。
2.2 氧電極的基本原理
當在氧電極兩極間施加電壓并超過O2的分解電壓(約為-0.2V)時，透過薄膜進入氯化鉀溶液的溶解氧便在鉑陰極上還原：O2+2H2+4e-= 4OH-
銀陽極上則發生銀的氧化反應：4Ag+4Cl-= 4AgCl+4e
此時電極間產生電解電流。由于氧在陰極被還原，而使陰極表面氧的濃度降低，于是被測溶液中的溶解氧便向陰極擴散補充，使還原過程得以繼續進行，又由于電極反應的速度極快，而氧分子的擴散速度則較慢，所以電解電流的大小受氧的擴散速度的限制。這種受氧擴散速度限制的電解電流叫做擴散電流。在溶液靜止、溫度恒定的情況下，擴散電流受被測溶液與電極表面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，被測溶液與電極表面O2的濃度差加大，擴散電流也隨之增大。但當外加的極化電壓達到一定值時，陰極表面氧的還原速率大大超過O2向陰極的擴散速率，使陰極表面O2的濃度趨近于零，于是擴散電流的大小完全取決于被測溶液中的氧的濃度(對于薄膜氧電極而言，也就是緊靠膜外側的O2濃度)。此時再增加極化電壓，擴散電流基本上不再增加，使極譜波(即電流-電壓曲線)產生一個平頂。將極化電壓選定在平頂的中部(約0.6～0.9V)，可以使擴散電流的大小基本不受電壓微小波動的影響。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系。因此，在極化電壓及溫度恒定的條件下，擴散電流的大小即可作為溶解氧定量測定的基礎。電極間產生的擴散電流信號可通過電極控制器的電路轉換成電壓輸出，用自動記錄儀進行記錄。
氧電極法的優缺點：用氧電極法測定水中溶解氧以研究光合、呼吸，可以解決一些常規的檢測技術不能解決或難解決的問題，因而與微量檢壓技術(瓦氏呼吸計)相比，該法具有以下優點：
A.靈敏度極高 用該法檢測水中溶解氧，其靈敏度可以達到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.測定快速 一次測定可在數分鐘內完成。
C.可迅速追蹤溶解氧含量的變化動態，并且可以記錄其變化過程，不會漏過任何微小的變化，而微量檢壓法則無法測出氣體交換速度的瞬時變化。
D.利用自動記錄儀記錄結果或者計算機控制，操作簡便，自動化程度高。
