西蒙的电极

在英国，典型的化学本科生的培训存在着一个令人好奇的差距。当每个人都花时间解开量子力学，在有机反应机制上按箭头，学习计算电子以使无数无机结构合理化时，花在化学科学的关键基础之一:测量上的时间却少得惊人。作为众多商业活动基础的分析化学，常常被边缘化。

这是意外，还是势利?就像以前关于纯科学与应用科学的争论一样，分析化学经常被视为一种技术工艺。它肯定是有用的，但并不是真正的智力探索，它值得与“真正的”科学相提并论。然而，仪器和测量的发展总是为进一步的研究打开大门，并且需要经常跨越学科传统界限的技能。正如选择性钾电极的主要发明者之一威廉·西蒙(Wilhelm Simon)的故事所表明的那样，这种态度并不是英国人独有的现象。

西蒙的发明故事始于20世纪初的一件改变了化学思维的设备:克里默的球状玻璃电极(manbetx手机客户端3.0， 2018年2月，p70)。Fritz Haber立即利用电极实时显示质子浓度的能力，用它来绘制酸碱滴定过程中质子浓度的变化。加上Sørensen的简单pH刻度，Haber的图使酸碱平衡在概念上更容易理解。然而，由于电极结构复杂，可靠的测量需要极其精密的象限或金箔静电计，pH值的电测量仍然是一个小众领域。

1934年，一切都改变了，阿诺德·贝克曼和亨利·弗雷克获得了“酸度测量仪器”的专利，该仪器将一个更坚固的电极、真空管放大器和电流计结合在一起。尽管基于1928年发表的非常相似的想法，贝克曼具有商业头脑，开发出了一种紧凑、坚固且使用简单的设备。具有讽刺意味的是，他将专利提供给了玻璃和陶瓷制造商康宁公司，后者认为这款设备所涉及的玻璃不够多，不值得他们这么做。贝克曼毫不气馁，成立了自己的公司;新型pH计成千上万地销售，成为化学和医学实验室的支柱。贝克曼成为了一个大玩家，pH值成为了一个家喻户晓的术语。

然而，对于其他离子，测量它们的浓度远不是那么简单。几乎没有别的选择，只能取样品的等分，用光谱技术(如火焰光度法)来确定离子含量——直接连续监测只是一个梦想。然而，就在贝克曼申请专利的同一年，有关未来可能性的诱人暗示出现在了文献中。两位匈牙利化学家朗盖尔和布卢姆报告说，玻璃的成分在决定电极是只对质子有反应，还是受到其他离子的影响方面至关重要。他们发现，向玻璃中添加硼或铝氧化物会导致电极对钠表现出显著的敏感性，他们将这种效应归因于通过结构的离子传导。但是这个观察并没有真正有用，因为对其他离子的存在有太多的交叉敏感性。

十年后，在美国哈佛医学院工作的生物化学家乔治·艾森曼重返工作岗位。艾森曼主要对测量活体组织中钠浓度的可能性感兴趣，他邀请邻近的麻省理工学院的同事使用不同比例的钠、硅和铝制作了一系列玻璃。在保持pH值不变的情况下，他证明了一种特定的玻璃成分对钠的敏感性可能比对钾的敏感性高250倍。这使得在真实生理条件下进行钠的测定成为现实的可能。

艾森曼并不孤单。在瑞士苏黎世的联邦理工学院，一位年轻的化学家威廉·西蒙(Wilhelm Simon)也在思考类似的问题。西蒙出生于瑞士北部，在法德双语区贝尔(Biel，或Bienne)附近长大。他在ETH完成了本科训练，并在埃德加·海尔布隆纳(Edgar Heilbronner)的指导下获得了有机化学博士学位。埃德加·海尔布隆纳以对化学拓扑结构进行第一批刻意研究而闻名(他制备了第一个Möbius碳氢化合物)。但是，尽管他在有机合成方面有专长，西蒙的兴趣却在其他方面:他想自动化和简化化学研究中更繁琐的方面。

西蒙开发了第一台元素分析仪并将其商业化。这是一个能够进行Pregl的CHN分析的设备(manbetx手机客户端3.0， 2015年11月，p43)自动和更小的样本。自动汽相渗透计紧随其后。然后，西蒙和他的学生们发明了一种将气相色谱法与质谱法相结合的方法，这一发展将改变环境科学和生物科学，并为医学取证和“组学”的无数变体打开了大门。

西蒙对自动酸滴定的兴趣使他想到了玻璃电极。西蒙已经成功地建造了一台自动滴定仪，但由于其对高ph值碱金属离子的交叉敏感性而受挫。为了寻找解决方案，西蒙和他的学生Dorothée Wegman对由不同的商业玻璃成分制成的电极的行为进行了系统的研究。他们的结论是，电导率的差异是限制玻璃性能的关键因素，而且电极的组成和使用历史都影响了钠对电极的影响程度。

西蒙工作期间，美国剑桥的一群具有商业头脑的化学家成立了一家公司——猎户座研究公司(Orion Research)，与康宁合作开发一种不仅能感知质子的电极。在聘请艾森曼为顾问后，奥里翁尝试了无数次改进他的配方，但都以失败告终，他意识到需要一种不同的方法。詹姆斯·罗斯(James Ross)是康宁公司的化学家，是猎户座团队的一员，他曾尝试测量钙离子的浓度，但没有成功。他得出结论说，在玻璃中移动字母是行不通的——因为它与玻璃中的硅酸盐结合得太强烈了。他想知道，如果结合位点本身是可移动的呢?换句话说，如果pH电极中的玻璃最初是一个模型膜，如果我们回到膜中寻找灵感呢?

膜是众所周知的诱导电位。1911年，英国伦敦大学学院的弗雷德里克·多南(Frederick Donnan)证明，当离子溶液被半透膜隔开时，可测量的电势出现在屏障的两侧。唐南的论文很快成为电生理学和生物化学的基石，但它也激发了无数的实验。1913年，哈伯的一个学生莱因霍尔德·伯特纳和他的研究生J·勒布一起用浸在盐溶液中的苹果作为电极。Beutner和Loeb表明，尽管苹果周围溶液中离子的选择对电位没有影响，但它们的数量和电荷却有影响，正如Donnan所预测的那样。然后他们用油酸、愈创木酚和甲酚制成合成膜，并测量其电位。这些数值远低于Donnan的预测——这些膜是不完美的，成分是水溶性的——但这些合成膜是真实膜的合理模型。考虑到Loeb和Beutner专注于生物学，他们从未想过要反过来使用他们的系统来测量浓度。

50年后，罗斯决定将阳离子结合位点从玻璃移到电极本身。他用透析膜将玻璃管的一端密封起来，然后将溶解在与水不混溶的长链醇中的磷酸钙填充在管内。用银和氯化银制成的电线提供电连接，玻璃内外钙浓度的差异产生了电势;溶液中强钙结合磷酸盐配体的存在确保了钠离子和钾离子几乎没有影响。这项专利是一个至关重要的里程碑，尽管出于各种原因，猎户座研究公司将他们的工作转向了其他方向。

但阳离子的结合位点是一个热门话题。1964年，美国宾夕法尼亚大学的伯顿·普雷斯曼(Berton Pressman)发现了环肽抗生素缬霉素(valinomycin)和非肌动蛋白(nonactin)的惊人效果，它们能够通过增加膜对钾的通透性来完全破坏线粒体中的离子泵。Pressman指出，这种效应是由于这些多肽能够区分碱金属，与钾而不是钠或锂结合。具有讽刺意味的是，普雷斯曼的工作是通过同时使用两个或多个不同的离子敏感电极来支撑的，每个电极都被用来纠正另一个电极的缺陷。

能够结合碱金属的想法是个大新闻。猎户座大学的化学家和西蒙在苏黎世的团队立即着手研究这些显著的肽是否可以在电极上工作。首先，研究小组使用该小组的蒸汽压渗透计确定了钾肽复合物的稳定常数。然后西蒙开始测试，准备制造一个设备。电极由一根玻璃管组成，在玻璃管中放置银和氯化银线以及标准氯化钾溶液。在玻璃管的末端放着一个精细的玻璃熔块，它浸泡在四氯化碳或苯的饱和溶液中，作为半透膜。虽然相对较慢，但电极对钾的敏感度是钠的750倍。在美国，猎户座的小团队也进行了类似的观察，但在速度上比不上西蒙的团队。令他们懊恼的是，西蒙将申请关键专利(这对罗斯的膜方法给予了应有的信任)，迫使猎户座公司为使用这项技术支付版税。

西蒙的小组现在是离子选择性电极的领导者，提高了它们的速度和反应速度;到20世纪70年代，他们已经开发出微型微电极，可以探测细胞生理学的核心。

然而，当西蒙被提升到普通教授的水平时，他的专业是“特殊有机化学”——他的大学仍然在努力承认分析化学是一门独立的专业。直到20世纪80年代，西蒙的实验室才最终更名为分析化学实验室。也许这是在提醒我们，人类的大脑对分类和分类有着微妙的调节，但对世界的取笑会导致判断、势利和盲点。难道我们不应该像画边界一样，把跨越边界看作一种常态吗?

致谢

我很感谢Daren Caruana和Tom Miller给我的灵感和评论