Der pH-Wert muss auch in Kleinstproben bestimmt werden, also Proben, die in sehr geringen Mengen vorhanden sind.
pH-Wert bestimmen: Wasserstoffionen geben den Wert vor
Fachleute wissen, was Wasserstoff-Ionen mit dem pH-Wert zu tun haben: Der Zahlenwert, der durch das Messgerät nach dem Eintauchen in das jeweilige Medium angezeigt wird, stellt die Konzentration als dekadischen und negativen Logarithmus dar. Der pH-Wert ist umso größer, je weniger Wasserstoffionen in der Lösung sind. Demzufolge ist der pH-Wert umso niedriger, je mehr Wasserstoff-Ionen in der Lösung vorhanden sind.
Eine saure Lösung muss einen Wert von unter 7,0 haben, basische Lösungen hingegen weisen einen Wert von mehr als 7,0 auf. Der Säureschutzmantel der Haut weist einen pH-Wert von 4,5 auf und heißt damit nicht umsonst so. Der Wert deutet auf eine Säure hin, daher der Name Säureschutzmantel. Deutlich saurer geht es im menschlichen Magen zu, hier ist ein Wert von 1,5 bis 2,0 normal.
Der Magensaft stellt gleichzeitig eine große Herausforderung für Labore dar, denn die Konzentration der Säuren hier ist schwer zu messen. Die entnommenen Proben bestehen in der Regel nur aus wenigen Millilitern und können nicht verdünnt werden. Verdünnte Säuren zeigen einen anderen pH-Wert an und damit muss der Magensaft mit einer speziellen pH-Elektrode gemessen werden.
Der genannte Magensaft ist nur ein Beispiel für eine Probe mit einem sehr kleinen Volumen. Auch bei der Untersuchung von Speichel oder Blutresten auf ihren pH-Wert hin ist es schwierig, die Proben exakt zu messen.(#01)
pH-Wert in sehr kleinen Proben bestimmen
Der genannte Magensaft ist nur ein Beispiel für eine Probe mit einem sehr kleinen Volumen. Auch bei der Untersuchung von Speichel oder Blutresten auf ihren pH-Wert hin ist es schwierig, die Proben exakt zu messen. Wieder einmal hängt alles von der Wahl der richtigen Elektrode ab. Eine geeignete Mikro-pH-Elektrode macht es möglich, sehr genaue Messungen durchzuführen und präzise Ergebnisse zu erhalten.
Neben dem pH-Wert müssen in sehr kleinen Proben häufig auch andere Parameter bestimmt werden. Neben Kleinstproben in Medizinlaboren sind es häufig auch sehr teure Experimente mit kostenintensiven Bestandteilen, die eine Messung in Proben mit geringen Volumina erfordern.
Eine Beeinflussung der Probe durch eine Verdünnung ist häufig nicht möglich, zumal dieses Vorgehen zu Messfehlern führen kann. Um Fehlerquellen zu minimieren, ist die Verwendung einer Mikroelektrode die beste Wahl.
So werden derartige Elektroden unter anderem für folgende Untersuchungen verwendet:
- Bestimmung von RNA-Proben
- Bestimmung von DNA-Proben
- Bestimmung von Eiweißproben
- Analyse von Blutproben
Die Labor- und Medizintechnik kennt drei Komponenten, die eine Beeinflussung des pH-Wertes bewirken können. Zum einen muss hier das detektierende Glas genannt werden, zum anderen das Diaphragma, welches als Referenz dient. Außerdem ist der Eingangswert der Temperatur entscheidend, denn die Temperatur hat einen besonders großen Einfluss auf den gemessenen pH-Wert.
Die Membran, die sich an der unteren Seite der pH-Elektrode befindet, stellt das detektierende Glas dar. Ionen dotieren es und tragen dazu bei, dass an dieser Stelle ein Spannungspotenzial erzeugt wird. Dieses Potenzial entsteht dann, wenn Hydroniumionen der Lösungen mit anderen Ionen interagieren.
Die Spannung, die dann entsteht, wird gemessen und als pH-Wert angezeigt. Damit das Potenzial so genau wie möglich generiert werden kann, müssen detektierendes Glas und zu analysierende Lösung vollständig miteinander in Kontakt treten. Häufig ist es allerdings so, dass die Membran zum Zeitpunkt der Messung der umgebenden Luft ausgesetzt ist.
Dies führt zu falschen bzw. fehlerhaften Messergebnissen. Das erklärt, warum ein normal großer Sensor für eine Messung der Probe, die nur ein sehr geringes Volumen aufweist, ungeeignet wäre. Die Probe würde das detektierende Glas nicht vollständig abdecken können, es würde sich eine Verbindung aus Luft und Glas entwickeln.
Ebenfalls ein Problem: das Referenzdiaphragma. Dieses ist in der Regel direkt oberhalb des detektierenden Glases zu finden. Damit kann der Referenzelektrolyt aus dem Sensor in die Probe fließen. Hat der Elektrolyt aber keinen dauerhaften Kontakt mit der Probe, wird die Messung fehlerhaft sein, das angezeigte Ergebnis ist nicht richtig.
Kleinstproben sind aber nur selten in der Lage, das Diaphragma eines normalen Sensors zu erreichen, was bedeutet, dass der Elektrolyt nicht oder nur unzureichend in die Probe fließen kann. Ein Fehler in der Messung ist wahrscheinlich.
Zuletzt sei an dieser Stelle auf die Temperatur eingegangen, die die pH-Messung in kleinen Proben erschweren kann. Die Temperatur muss unbedingt berücksichtigt werden, wenn die Messung korrekt sein soll. Bei einer sehr kleinen Probe gilt, dass ihre Masse im Vergleich zur Sensormasse so gering ist, dass sie vernachlässigt werden kann.
Bis der Sensor sein Gleichgewicht bei der Messung gefunden hat, kann dann so viel Zeit vergangen sein, dass die Sensortemperatur als Probentemperatur interpretiert werden kann. Ein falsches Messergebnis wäre die Folge.
Video: Die Nachweise von Hydroxid- und Hydronium-Ionen | Chemie
Einsatz von Mikroelektroden bei der pH-Wert Messung
Die dargestellten Probleme bei kleinsten Proben leuchten ein und sind seit Jahren bekannt. Seit einiger Zeit gibt es nun besondere Mikroelektroden, mit denen sich der pH-Wert sicher und unter Berücksichtigung der oben genannten Aspekte bestimmen lässt. Zu beachten ist, dass die Verdünnung der Probe, um ein größeres Volumen zu erhalten, auch aus dem Grund nicht möglich ist, weil der pH-Wert die Konzentration der Hydroniumionen in einer Flüssigkeit darstellt.
Der Wert muss somit aus der ursprünglichen Probe ermittelt werden, was nur mithilfe von speziellen Sensoren möglich ist. Moderne Mikroelektroden bieten dabei höchst zuverlässige Ergebnisse, die jederzeit leicht reproduzierbar sind.
Die Qualität der Elektroden der verschiedenen Hersteller ist inzwischen so gut, dass auch deren lange Lebensdauer gegeben ist, was vor allem vor dem Hintergrund der gefragten Kosteneinsparung in Laboren und Bereichen der Lebensmittelproduktion wichtig sein dürfte.
Dabei ist der Temperaturbereich der Mikroelektroden mit minus 5 °C bis plus 100 °C gewohnt groß, außerdem ist ein Temperaturfühler integriert. Er bietet die Möglichkeit zur so wichtigen Berücksichtigung des Faktors Temperatur bei der Messung des pH-Wertes.
Die Elektroden kommen der Herausforderung nach und sind besonders flach, außerdem besitzen sie nur eine Oberfläche für die Messung. Sie werden für die Bestimmung einzelner Blutstropfen ebenso eingesetzt wie für die Analyse jeder anderen Flüssigkeit, die nur in geringem Volumen verfügbar ist.
Der pH-Wert der Haut bzw. der Säureschutzmantel kann damit bestimmt werden, außerdem werden diese Spezialelektroden bei der Herstellung von Archivpapier eingesetzt. Zur Messung muss die flache Elektrode direkt auf die Lösungen gestellt werden. Das bedeutet, die Elektrode findet sich dafür auf dem Tropfen Blut oder Magensaft wieder. Die Probenflüssigkeit wird damit über die gesamte Oberfläche der ebenen Membrane verteilt.
In anderen Fällen ist es nötig, die Elektroden in Probenbehälter einzuführen, die eine besondere Form aufweisen. Auch das ist nur mit Mikroelektroden möglich, wenn ein genaues Messergebnis gewünscht ist. Messungen in Reagenzgläsern, in NMR-Probengläsern oder auch in Eppendorf-Reaktionsbehältern sind Beispiele für derartige Probenbehälter, die keine Standardform aufweisen und damit eine besondere Herausforderung an die Messung des pH-Wertes stellen.
Die Elektrode muss hier besonders klein und schmal sein, damit sie überhaupt in die Lösungen eingeführt werden kann. Mit Spezialelektroden sind nun Proben von bis zu 15 µl möglich. Die Membran ist bei einer solchen Elektrode sehr klein, das Diaphragma wurde speziell platziert, damit die Messung fehlerfrei möglich ist. Die Biowissenschaft profitiert schon seit Langem von diesen Spezialelektroden.
Das vorgenannte Beispiel zeigt, wie wichtig Mikroelektroden für die Forschung sind. Somit sind diese Errungenschaften moderner Technik nicht nur aus der Labortechnik und aus der Lebensmittelindustrie wegzudenken, sondern auch aus Medizin und Forschung.(#02)
Überhaupt kommt die Forschung einen großen Schritt voran, wenn sie auf Spezialelektroden für die pH-Wert Messung setzen kann. So kommt die Anwendung der Mikroelektroden bei der Untersuchung von Muscheln zum Einsatz. Bei ihnen muss untersucht werden, welchen Einfluss der Klimawandel auf die Muschelschalen bzw. auf den Kalk der Muscheln hat.
Im Ergebnis zahlreicher Tests kam heraus, dass den Miesmuscheln die zunehmende Versäuerung der Meere schadet und dass ihre Kalkschale nicht mehr so belastbar ist. Damit geht es den Muscheln wie anderen Lebewesen, die auf Kalk zur Verteidigung setzen. Ohne die Möglichkeit der Messung des pH-Wertes über spezielle Mikroelektroden wäre es nicht möglich gewesen, die Veränderungen festzustellen.
Zum Versuch bei den Miesmuscheln: Ein Forscherteam untersuchte die abiotischen Bedingungen, die unter der Schale der Muscheln herrschen. Dafür wurden die Larven gemessen, die weniger als ein zehntel Millimeter groß sind. Die verwendeten Mikroelektroden stammten aus eigener Herstellung (die bis dahin erhältlichen Mikroelektroden stellten sich als immer noch deutlich zu groß heraus) und so konnten Kalzium, Karbonat und pH-Wert bestimmt werden.
Damit konnten die Forscher nachweisen, dass die Larven der Muscheln dazu fähig sind, den pH-Wert und die Konzentration von Karbonat selbst zu bestimmen und zu erhöhen. Die Verkalkung der Schale konnte damit erhöht werden. Nimmt die Versauerung der Gewässer aber zu, sinkt der pH-Wert unter der Schale der Miesmuscheln ab.
Sie können damit weniger Kalk bilden. Kommt dann noch der Faktor der steigenden CO2-Konzentration hinzu, so kann sich die Schale sogar anlösen. Die Sterblichkeit unter den untersuchten Miesmuschellarven stieg. Eine Auflösung der Schale setzt jedoch erst bei sehr niedrigem pH-Wert ein. Der Schluss daraus: Organische Bestandteile, die in der Schale der Muscheln vorhanden sind, tragen zu einer Resistenz gegen Säure bei.
Das vorgenannte Beispiel zeigt, wie wichtig Mikroelektroden für die Forschung sind. Somit sind diese Errungenschaften moderner Technik nicht nur aus der Labortechnik und aus der Lebensmittelindustrie wegzudenken, sondern auch aus Medizin und Forschung. Ohne diese besonderen Elektroden würden Messungen zum pH-Wert nicht durchgeführt werden können oder würden bestenfalls Annäherungswerte zeigen, weil eine korrekte Messung nicht möglich wäre.
Bildnachweis:©Shutterstock-Titelbild: photong _-#01: FINNARIO -#02: Jan Faukner
