缓冲溶液

缓冲溶液是一种水溶液，由弱酸及其共轭碱的混合物组成，反之亦然。当向其中加入少量或中等量的强酸或碱时，其pH值变化很小，因此它被用来防止溶液pH值的改变。缓冲溶液在各种化学应用中被用来将pH值保持在几乎恒定的值。

缓冲原理

缓冲溶液之所以能够抵抗pH值变化，是因为弱酸HA及其共轭碱A^-之间存在平衡。

HA ⇌ H⁺ + A^-

当向弱酸及其共轭碱的平衡混合物中加入一些强酸时，根据勒沙特列原理，平衡将向左移动。因此，氢离子浓度增加的程度小于加入的强酸量的预期。同样，如果向混合物中加入强碱，氢离子浓度降低的程度小于加入的碱量的预期。这种效应用弱酸的模拟滴定图说明，pK_a = 4.7。未解离酸的相对浓度用蓝色表示，其共轭碱用红色表示。在缓冲区pH = pK_a ± 1处，pH变化相对缓慢，以pH = 4.7为中心，[HA] = [A^-]。氢离子浓度降低的程度小于预期，因为大部分添加的氢氧根离子在反应中被消耗

OH^- + HA → H₂O + A^-

只有很少一部分被消耗在中和反应中，导致pH值升高。

OH^- + H⁺ → H₂O

一旦酸被去质子化超过95%，pH值就会迅速升高，因为大部分添加的碱都被消耗在中和反应中。

pH估计

亨德森-哈塞尔巴尔赫方程描述了pH值作为生物和化学系统中酸度的量度的推导。该方程也用于估计缓冲溶液的pH值，以及寻找酸碱反应的平衡pH值。

该方程由下式给出

${\mathit {pH}}={\mathit {pK}}_{a}+{\log }_{10}\left({\frac {\left\lbrack {\mathit {Base}}\right\rbrack }{\left\lbrack {\mathit {Acid}}\right\rbrack }}\right)$

亨德森-哈塞尔巴尔赫方程中隐含了一些重要的近似值。最重要的是假设在平衡时酸及其共轭碱的浓度将保持与正式浓度相同。这忽略了酸的解离和H⁺与碱的结合。水的解离和水本身的相对浓度也被忽略了。当处理相对强酸或碱（pKa离7差几个单位）、稀溶液或浓溶液（小于1 mM或大于1M）或酸碱比率严重偏斜（大于100比1）时，这些近似值将失效。在高缓冲稀释度下，当来自水的质子浓度变得与缓冲物质本身的浓度相等或更高时（在pH 7时，这意味着缓冲组分浓度正式上小于10⁻⁵ M，但实际上要高得多），'缓冲'系统的pK_a将趋于中性。

常见的缓冲溶液

磷酸盐缓冲盐水 (PBS) 是生物学研究中常用的缓冲溶液。它是一种水基盐溶液，含有磷酸钠、氯化钠，在一些配方中还含有氯化钾和磷酸钾。溶液的渗透压和离子浓度与人体相同（等渗）。
PBS 有很多用途，因为它对大多数细胞来说是等渗的，而且无毒。这些用途包括物质稀释和细胞容器冲洗。含有 EDTA 的 PBS 也用于分离附着的和聚集的细胞。然而，不能添加二价金属，如锌，因为这会导致沉淀。对于这些类型的应用，建议使用 Good's 缓冲液。
Tris，也称为 THAM（较短的名称是 tris(羟甲基)氨基甲烷 的缩写），是一种有机化合物，其化学式为 (HOCH₂)₃CNH₂。Tris 在生物化学和分子生物学中被广泛使用。在生物化学中，Tris 被广泛用作缓冲溶液的成分，例如在 TAE 和 TBE 缓冲液中，尤其是用于核酸溶液。它含有伯胺，因此会发生与典型胺相关的反应，例如与醛的缩合反应。Tris 在 25 °C 时的 pK_a 为 8.07，这意味着缓冲液的有效 pH 范围在 7.07 到 9.07 之间。Tris 会抑制许多酶，因此在研究蛋白质时应谨慎使用。