緩衝溶液

緩衝溶液是一種水溶液，由弱酸及其共軛鹼的混合物組成，反之亦然。當向其中加入少量或中等量的強酸或鹼時，其pH值變化很小，因此它被用來防止溶液pH值的改變。緩衝溶液在各種化學應用中被用來將pH值保持在幾乎恆定的值。

緩衝原理

緩衝溶液之所以能夠抵抗pH值變化，是因為弱酸HA及其共軛鹼A^-之間存在平衡。

HA ⇌ H⁺ + A^-

當向弱酸及其共軛鹼的平衡混合物中加入一些強酸時，根據勒沙特列原理，平衡將向左移動。因此，氫離子濃度增加的程度小於加入的強酸量的預期。同樣，如果向混合物中加入強鹼，氫離子濃度降低的程度小於加入的鹼量的預期。這種效應用弱酸的模擬滴定圖說明，pK_a = 4.7。未解離酸的相對濃度用藍色表示，其共軛鹼用紅色表示。在緩衝區pH = pK_a ± 1處，pH變化相對緩慢，以pH = 4.7為中心，[HA] = [A^-]。氫離子濃度降低的程度小於預期，因為大部分新增的氫氧根離子在反應中被消耗

OH^- + HA → H₂O + A^-

只有很少一部分被消耗在中和反應中，導致pH值升高。

OH^- + H⁺ → H₂O

一旦酸被去質子化超過95%，pH值就會迅速升高，因為大部分新增的鹼都被消耗在中和反應中。

pH估計

亨德森-哈塞爾巴爾赫方程描述了pH值作為生物和化學系統中酸度的量度的推導。該方程也用於估計緩衝溶液的pH值，以及尋找酸鹼反應的平衡pH值。

該方程由下式給出

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

亨德森-哈塞爾巴爾赫方程中隱含了一些重要的近似值。最重要的是假設在平衡時酸及其共軛鹼的濃度將保持與正式濃度相同。這忽略了酸的解離和H⁺與鹼的結合。水的解離和水本身的相對濃度也被忽略了。當處理相對強酸或鹼（pKa離7差幾個單位）、稀溶液或濃溶液（小於1 mM或大於1M）或酸鹼比率嚴重偏斜（大於100比1）時，這些近似值將失效。在高緩衝稀釋度下，當來自水的質子濃度變得與緩衝物質本身的濃度相等或更高時（在pH 7時，這意味著緩衝組分濃度正式上小於10⁻⁵ M，但實際上要高得多），'緩衝'系統的pK_a將趨於中性。

常見的緩衝溶液

磷酸鹽緩衝鹽水 (PBS) 是生物學研究中常用的緩衝溶液。它是一種水基鹽溶液，含有磷酸鈉、氯化鈉，在一些配方中還含有氯化鉀和磷酸鉀。溶液的滲透壓和離子濃度與人體相同（等滲）。
PBS 有很多用途，因為它對大多數細胞來說是等滲的，而且無毒。這些用途包括物質稀釋和細胞容器沖洗。含有 EDTA 的 PBS 也用於分離附著的和聚集的細胞。然而，不能新增二價金屬，如鋅，因為這會導致沉澱。對於這些型別的應用，建議使用 Good's 緩衝液。
Tris，也稱為 THAM（較短的名稱是 tris(羥甲基)氨基甲烷 的縮寫），是一種有機化合物，其化學式為 (HOCH₂)₃CNH₂。Tris 在生物化學和分子生物學中被廣泛使用。在生物化學中，Tris 被廣泛用作緩衝溶液的成分，例如在 TAE 和 TBE 緩衝液中，尤其是用於核酸溶液。它含有伯胺，因此會發生與典型胺相關的反應，例如與醛的縮合反應。Tris 在 25 °C 時的 pK_a 為 8.07，這意味著緩衝液的有效 pH 範圍在 7.07 到 9.07 之間。Tris 會抑制許多酶，因此在研究蛋白質時應謹慎使用。