pH计的原理与工作原理 | pH探头的解释

pH值的测量在制药行业中是一项至关重要的分析测试。药物的稳定性、溶解度以及生物利用度，进而产品的质量，都受到pH值测量的结果影响。除了pH值对产品质量的影响以及它有助于提高合规性（和产品的一致性）之外，它还关系到原材料检测和成品检测这两个环节，这两个环节都需要准确的pH值测量结果。
用于测量 pH 值的仪器基于 pH 电极，该电极能够指示溶液中氢离子的含量。因此，从事质量控制、产品配方和制造工作的人员必须了解这些仪器的操作原理。

什么是pH值？

溶液的酸碱性可以通过 pH 值来测量。pH 值还可以通过对溶液中氢离子浓度（以对数形式表示）的计算来确定溶液中氢离子的量。以下是不同 pH 值的定义：
- 如果数值低于7，则被认为是酸性的。
- 如果等于7，那么它是中性的。
- 如果数值超过7，那么它就是碱性的。
确保 pH 值的测量非常精确，无论变化幅度大小，都能在制药过程中保证结果的准确性。

pH探头的工作原理

pH探针的工作原理基于电位法（两个电极用于测量两种液体之间的电位差）。能斯特方程将电极的电位与25摄氏度（℃）下氢离子的浓度联系起来。根据能斯特方程，当pH值变化一个单位时，电位大约会变化59毫伏（mv）。用简单的话来说：
pH探针产生的电位大小取决于液体中氢离子的浓度。
2. pH探针产生的电位量会与另一个参比电极（即参比电极）的电位进行比较。
3. pH计通过转换电位差来生成pH数值。

pH探头的组成部分

pH探针由两个主要组件构成：

玻璃（测量）电极

• 由一种特殊的玻璃膜制成，这种膜仅能与氢离子发生相互作用。
• 内部含有缓冲溶液；通常pH值为7。
• 含有银/氯化银（Ag/AgCl）内部电极。

玻璃膜对氢离子具有选择性，因此在pH值测量中起着关键作用。

参比电极

• 含有稳定的电解质溶液；通常是氯化钾。
• 参比电极用于建立参考电压（保持恒定），以便进行比较。
• 还配备有银/氯化银电极。

组合电极

在现代的pH测量系统中，两个电极被集成在同一装置内，这种装置被称为组合电极。这种设计使得它们在制药实验室中更加便于使用，并能够更准确地测量pH值。

pH探头的工作原理

pH探头的操作原理如下所述：
探针被放置在样品溶液中。
2. 氢离子将会与玻璃膜发生接触。
3. 在玻璃表面形成了一层水合凝胶。
4. 样品溶液与玻璃膜之间发生了离子交换。
在玻璃膜的两侧会产生电位差。
6. 参比电极提供了一个稳定的电压参考值，用于进行比较。
7. pH计用于测量玻璃膜两侧的电位差。
8. 利用校准数据，pH计将测量到的电压转换为pH值。
读数以pH值的形式显示在pH计上。

玻璃膜的作用

玻璃膜是整个探针中最关键、最敏感的部分。

• 仅对氢离子具有选择性响应
• 形成一层水合层，这是离子交换所必需的。
• 膜的质量直接影响到测量的准确性。

如果膜变干或受到污染，探头的性能将会下降。

温度对pH测量的影响

温度通过三种方式影响pH值的测量结果：

• 电极对温度变化的响应方式发生了变化。
• 电极产生的电压输出遵循能斯特方程（Nernst equation）的规律。该方程说明了电压的产生量与离子浓度之间的关系。
• 溶液的实际 pH 值也可能随着温度的变化而变化。

许多现代pH计都配备了内置的自动温度补偿（ATC）功能，能够自动对测量结果进行温度校正。

如果仪表没有温度补偿功能，测量结果将会出现误差。

pH计的校准

为了获得可靠和准确的结果，必须进行校准。

标准缓冲溶液

常用于 pH 校准的标准缓冲溶液包括：

• pH值为4（酸性较低）
• pH值为7（中性）
• pH值为10（高碱性）。

校准的类型

• 单点基线精度
• 两点法 - 常规精度
• 三点式测量法——高精度。

最佳校准实践

• 仅使用新鲜且经过认证的溶液。
• 缓冲溶液的温度也应与样品的温度保持一致。
• 请确保在每次更换缓冲液时都冲洗电极。
• 防止缓冲溶液受到污染。

通过对 pH 传感器进行适当的校准，可以确保符合药品生产质量管理规范（GMP）的要求。

pH探针在制药行业的应用

pH探针在制药生产的各个领域中被广泛使用：

制剂研发

描述制剂稳定性
- 为了提高溶解度和溶出性能

2. 质量控制检测

在使用前对原材料进行检测。
- 检查最终产品

3. 生产监控

观察化学反应的进展
确保产品制造过程的一致性。

4. 水系统监测

- 纯化水系统的使用
- 用于注射的水（WFI）