リン酸緩衝液(リン酸バッファー)の原理を解説

こんにちは!

 

今回は、生命科学実験で代表的な緩衝液である、リン酸緩衝液(リン酸バッファー)の仕組みをご紹介します。

 

リン酸緩衝液の調製には
①リン酸水素二ナトリウムNa2HPO4
②リン酸二水素ナトリウムNaH2PO4
の二つが登場します。

 

似ているようで違うこの二つの特性を理解できれば、リン酸緩衝液の原理はバッチリです!

 

 

この記事を読んでほしい人:

・緩衝液の原理を知りたい人

・リン酸緩衝液(リン酸バッファー)を使用している人

・リン酸緩衝生理食塩水(PBS)を使用している人

 

 

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 ※画像はイメージです。本文の内容を反映しているものではありません 。

 

 

緩衝液とは何か

緩衝液とは、外から酸や塩基を加えても、
pHが変化しにくい溶液のことです。

例えば、純水に強酸であるHClや強塩基であるNaOHを加えると、あっという間にpHが傾いてしまいますが、緩衝液中ではpHがほぼ一定に保たれます。

緩衝液の働きにより、目的の成分や試薬を加えても、pHを変化させずに実験が行えるようになります。

緩衝液は、それ自体が実験の対象になるものではなく、溶媒や希釈液として用いられることが多いものです。

 

 

リン酸水素二ナトリウムNa2HPO4の構造式と特性

リン酸水素二ナトリウムの分子式はNa2HPO4で表されます。
構造式は以下の通りです。

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リン酸水素二ナトリウムNa2HPO4は水に溶けると、Na+が電離することでHPO42-となります。

さらに、このHPO42-が以下のようにH+を受け取り、OH-が生成されることで、その水溶液は塩基性を示します。

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ただし、リン酸水素二ナトリウムNa2HPO4弱塩基のため、多くはHPO42-の状態で存在しています。

 

 

リン酸水素二ナトリウムNa2HPO4と酸の反応

ここで、このHPO42-に酸(H+)を加えてみましょう。

すると以下の反応が起きます。

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HPO42-がH+を受け取ってしまうため、溶液全体としてはpHが変化していませんね!

酸に対して、緩衝能を有しています。

 

しかしながら、これだけでは緩衝液として不十分です。

HPO42-は、塩基をほとんど中和することができないからです。

 

試しに、HPO42-に塩基(OH-)を加えてみましょう。

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HPO42-はOH-を僅かに中和することができますが、
この反応は左に傾いているため、ほとんど緩衝作用を示しません。

※ただし、OH-を大量に添加した場合は平衡は右に寄っていきます。

 

そこで、次にリン酸二水素ナトリウムNaH2PO4の反応について見ていきましょう。 

  

 

リン酸二水素ナトリウムNaH2PO4の構造式と特性

リン酸二水素ナトリウムの分子式はNaH2PO4で表されます。
構造式は以下の通りです。

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リン酸二水素ナトリウムNaH2PO4
リン酸水素二ナトリウムNa2HPO4共役酸です。

共役酸とは、ある物質がH+を受け取った状態のことです。*1

 ※例えば、アンモニアNH3の共役酸はアンモニウムイオンNH4+になります。

 

リン酸二水素ナトリウムNaH2PO4は水に溶けると、Na+が電離することでH2PO4-となります。

H2PO4-は以下のようにH+を放出し、その水溶液は弱酸性を示します。

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ただし、リン酸二水素ナトリウムNaH2PO4弱酸のため、多くはH2PO4-の状態で存在しています。

 

 

リン酸二水素ナトリウムNaH2PO4と塩基の反応

ではここで、H2PO4-に塩基(OH-)を加えてみましょう。

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H2PO4-がH+を放出し、OH-を中和してくれましたね!

塩基に対して、緩衝能を有しています。

 

 

ちなみ、H2PO4-にH+を加えた場合は、以下の反応が起こりますが、平衡が左に傾いているので、ほとんど緩衝作用を示しません。

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※H+を大量に添加した場合は平衡は右に寄っていきます。

 

 

リン酸緩衝液(リン酸バッファー)の調製

では最後に、

①リン酸水素二ナトリウムNa2HPO4 ⇒ HPO42-

②リン酸二水素ナトリウムNaH2PO4 ⇒ H2PO4-

の両方が存在するように調製すれば、リン酸緩衝液(リン酸バッファー)の出来上がりです!!

 

この二つが混在しているとき、共役酸であるH2PO4-はH+を放出しますが、弱塩基であるHPO42-がH+を受け取ってしまいます。

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共役酸であるH2PO4-は「私ばっかり悪いから」と言って、H+を放出し、
弱塩基であるHPO42-は「誰も取らないなら」と言って、H+を受けとります。

ところが、H+を受け取ったHPO42-共役酸であるH2PO4-になってしまっているので、またH+を放出し、HPO42-がそれを受け取る、
というサイクルがグルグル繰り返されて、
平衡状態が成り立ちます。

 

 

最後に、リン酸緩衝液(リン酸バッファー)
①酸を加えるパターン
②塩基を加えるパターン
の反応を見てみましょう。

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これで、酸(H+)と塩基(OH-)のどちらを加えても、pHが変化しなくなりましたね!!

 

 

まとめ

今回は、リン酸緩衝液(リン酸バッファー)の原理についてご紹介しました。

いかがでしたか?

 

大学で生命科学実験を始めると、必ず登場する緩衝液。

肝になる部分は、「H+を受け取る構造と、H+を与える構造が共存している」という状態です。

 

なお、実際の生化学実験においては、0.9w/v%生理食塩水に調製することで、リン酸緩衝生理食塩水(Phosphate Buffered Saline:PBSとして用いることが多いです。

塩分が入っているだけなので、緩衝液の原理としては、今回ご紹介した内容と同じになります。

 

本記事が少しでも参考になれば幸いです。

皆さんの実験が上手くいきますように。

 

 

本日もお読みいただき、ありがとうございました! \(^o^)/

 

 

 

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