Keine pH Messung ist ohne eine funktionierende Elektrode möglich, zumindest keine, bei der die Indikatoren nicht auf Testpapier setzen.
Moderne pH Messung: Unverzichtbar im Labor und in der Industrie
Jede Lösung weist eine bestimmte Säure oder Base auf, die durch die pH Messung zu bestimmen ist. In vielen Bereichen des Labors und in der Industrie ist die genaue Kenntnis über den pH-Wert wichtig, wobei der Wert oft nur ein Teil zahlreicher analytischer Werte darstellt.
Sie alle gemeinsam entscheiden darüber, ob ein Experiment gelingt oder nicht und welche Schlüsse aus den Ergebnissen gezogen werden können. Im Rahmen der pH Messung wird die Aktivität der vorhandenen Wasserstoffionen festgestellt, denn die Eigendissoziation des Wassers ist entscheidend.
Die Werte werden auf einer Skala von 0 bis 14 angegeben, wobei diese Skala logarithmischer Natur ist. Ändert sich eine Einheit auf der Skala, ändert sich die Lösung um das Zehnfache. Früher einmal gab es keine Elektroden, die bei der pH Messung halfen und zu sicheren und belastbaren Daten führten. Es wurde Testpapier verwendet. Diese Farbstreifen oder Teststäbchen waren nicht nur aufwendig in der Anwendung, sondern sie waren außerdem sehr fehleranfällig.
Die Messwerte konnten nicht garantiert werden, bei einer zweiten Messung war es möglich, dass gänzlich andere Werte, die vielleicht sogar schon Schwellenwerte überschritten, herauskamen. Ein modernes Messgerät verfügt daher über Elektroden, mit denen nach dem Kalibrieren eine zuverlässige und sichere Messung des pH-Wertes möglich ist.
Die Elektrode im Messgerät nutzt dafür ein elektrochemisches Prinzip aus. Es wird eine Messkette erstellt, die wiederum aus der Messelektrode und der Referenzelektrode besteht. Der Messwert wird ermittelt. Die Messelektrode ist aus einem besonderen Glas gefertigt worden und ist vor allem für Wasserstoffionen empfindlich.
Wird sie in die Messlösung getaucht, kommt es zu einer Änderung der Spannung in der Elektrode, wobei hier zwischen Mess- und Referenzelektrode verglichen wird. Diese Änderung wird dann automatisch in den pH-Wert umgewandelt, welches im Folgenden angezeigt wird.
Die Messkette ist damit das Kernstück des gesamten Gerätesystems, wobei der Anwender durchaus viel Fingerspitzengefühl beweisen muss, wenn er derartige Messgeräte anwendet. Es muss bekannt sein, wenn der Wert gemessen worden ist. Moderne Geräte zur pH Messung sind allerdings deutlich einfacher anzuwenden, denn sie besitzen eine interne Software, mit der bekannt gegeben wird, wenn sich der Wert eingestellt hat. Dennoch ist die Auswahl der passenden Messelektrode und deren Kalibrierung entscheidend.
Video: 09 Der pH-Wert
pH Messung: Welche Elektrode darf’s denn sein?
Vor jeder pH Messung muss die Frage geklärt werden, welche Messelektrode denn die im Einzelfall am besten geeignete darstellt. Das Gelingen der Messung muss immer oberste Priorität haben, ist aber von der Auswahl der Messelektrode abhängig. Davon gibt es mehrere Hundert auf dem Markt. Experten sind der Meinung, dass die Labormitarbeiter und selbst Forscher und Entwickler oftmals noch Beratungsbedarf seitens der Hersteller haben.
Wichtig sind unter anderem die folgenden Eigenschaften bei der Auswahl der passenden Messelektrode bzw. Sonde:
- Ionenkonzentration
- Viskosität
- vorhandene Störionen und deren Einfluss
Auch wenn in Handbüchern nahezu alles rund um die pH Messung nachzulesen ist, eine derartige Beratung rund um die notwendigsten Voraussetzungen für eine korrekte pH Messung ist nur selten zu finden. Gleichwohl stellt sich hierbei die Frage nach der Automatisierung bei der Bestimmung des pH-Wertes. Die Durchsatzzahlen in den Laboren werden immer höher, im gleichen Maße werden daher auch die Fragen nach Automationslösungen häufiger gestellt.
Ein Probenwechsel ist dabei die Lösung. Dennoch ist eine Automation bei pH-Messungen nicht sinnvoll, denn häufig genug müssen diese Analysen ad hoc vorgenommen werden. Sie sind kein fester Punkt, der irgendwann im Laufe der Messkette abgearbeitet werden muss und speziell nach anderen Arbeitsschritten erledigt wird. Vielmehr kann plötzlich die Frage nach der pH Messung im Raum stehen. Eine Automatisierungslösung würde hierbei nicht helfen. Wichtiger sind Dokumentationen zu gemessenen Werten.
Des Weiteren ist für eine genaue pH-Messung wichtig, dass die Kalibrierung des Gerätes stimmt. Außerdem müssen die gebotenen Bedingungen in den Labors äußerst sauber sein, denn nur dann sind die Datensätze wirklich als belastbar anzusehen.
Vor allem die Einflüsse durch Druck und Temperatur sind dabei zu berücksichtigen, wobei diese schon beim Kalibrieren wichtig sind. Eine gewisse Abweichung in den Werten ist immer möglich oder sogar wahrscheinlich, im gewissen Rahmen jedoch zu vernachlässigen.
Die Welt der pH-Messungen ist zwar nicht ständigen Änderungen unterworfen, doch wenn sich etwas ändert, dann ist es auch relevant.(#02)
pH Messung mit farbigen Messelektroden?
Die Welt der pH-Messungen ist zwar nicht ständigen Änderungen unterworfen, doch wenn sich etwas ändert, dann ist es auch relevant. So zum Beispiel die Revolution des Arbeitsbereichs durch die neuen Iod/Iodid-Elektroden.
Eigentlich ist eine pH-Messung für einen Labormitarbeiter oder einen Lebensmitteltechniker Routine. Das pH-Meter überprüft über einen Sensor und eine Pufferlösung, die zur Kalibrierung eingesetzt wird, den pH Wert, das digitale Gerät zeigt ihn an. Die Messung selbst nimmt nur wenig Zeit in Anspruch und ist deutlich schneller als die früheren Messungen mit Indikatoren wie Lackmuspapier. Eine korrekte Messung innerhalb kürzester Zeit ist wichtig, denn der Praktiker möchte seine Zeit so effektiv wie möglich nutzen.
Die wichtigsten Bauteile einer Messelektrode sind die Glasmembran, die auf den pH Wert sensibel reagiert, und das Diaphragma. Letzteres verbindet das Referenzsystem mit der Messlösung. Neuerungen bieten die genannten Iod/Iodid-Elektroden.
Sie setzen zuerst einmal auf farbige Lösungen in der Referenzelektrode, wobei sich die verwendeten Lösungen an ein festes Verhältnis aus Iod und Iodid halten müssen. Dieses Redoxpaar baut sein elektrochemisches Potenzial auf dem Konzentrationsverhältnis der beiden enthaltenen Stoffe auf. Deren Absolutkonzentration hingegen ist nicht relevant.
Die neuen Messelektroden nutzen das genannte Redoxpaar als Referenzpotenzial in der Glaselektrode sowie im eingesetzten Bezugssystem. Damit ist der Nachteil bisher eingesetzter ähnlicher Systeme eines kontinuierlichen Potenzialverlusts ausgebessert worden. Iod verschwindet nicht mehr aus dem Bezugselektrolyten.
Die neue Serie der Iod/Iodid-Elektroden hingegen nutzt ein patentiertes Dreikammersystem und einen Vorratsspeicher. Letzterer findet sich in der ersten Kammer der Elektroden und sorgt für einen dauerhaften Nachschub an Iod. Damit wird das Referenzpotenzial kontinuierlich auf einem Niveau gehalten. Die elektrolytische Verbindung ist über das innere Diaphragma hergestellt und besteht zwischen der zweiten und der dritten Kammer.
Diese beiden Kammern wiederum enthalten den Brückenelektrolyten, der über das äußere Diaphragma eine Verbindung mit der jeweiligen Probe herstellt. Im inneren Diaphragma ist nur noch eine sehr geringe Diffusion von Triiodid und Iodid vorhanden, welche in den Brückenelektrolyten geht. Iod muss nur noch langsam in die erste Kammer nachgeliefert werden.
Das wiederum bringt den großen Vorteil mit sich, dass der Vorratsspeicher fast unerschöpflich ist und dass damit das Potenzial überaus stabil bleibt. Die Lebensdauer der „IoLine-Elektroden“ ist nahezu unerschöpflich.
Doch die neuen Messelektroden haben einen weiteren Vorteil zu bieten, wenn sie mit anderen Redoxsystemen verglichen werden. Andere Systeme, die auf Silber und Silberchlorid bzw. auf Quecksilber und Kalomel setzen, können mit dem Temperaturkoeffizienten nicht punkten: Dieser liegt beim Iod/Iodid-System nahezu bei null. Mithilfe dieses Koeffizienten wird bestimmt, wie stark sich das Potenzial in einem identischen Bezugssystem verändert, wenn eine Temperaturveränderung vorgenommen wird.
Als Bezug dient ein System, welches auf konstanter Temperatur gehalten werden muss. Bei der pH Messung mit den neuen „IoLine-Elektroden“ können Temperaturwechsel vorgenommen werden, die angezeigten Werte sind dennoch sicher und zuverlässig.
Das gilt auch dann, wenn die Änderungen in der Temperatur im Rahmen der Kalibrierung vorgenommen werden oder wenn sie während der Messung selbst auftreten. Gerade der Faktor der Temperatur ist entscheidend, denn diese wirkt am stärksten auf den pH Wert bzw. ist sie in der Lage, den Wert zu verändern.
Können farbige Elektroden tatsächlich Vorteile bringen, außer dass sie endlich Leben in den oft tristen Laboralltag bzw. Farbe in diesen bringen?(#01)
Vorteile des neuen Systems für die pH Messung
Können farbige Elektroden tatsächlich Vorteile bringen, außer dass sie endlich Leben in den oft tristen Laboralltag bzw. Farbe in diesen bringen?
Die Entwickler des neuen Systems haben bewiesen, dass es für Anwender zahlreiche Vorteile gibt, wenn sie das neue Iod/Iodid-Referenzsystem anwenden:
- hohe Lebensdauer der Messelektroden
- optimale Anpassung der Messelektroden an die Proben
- Nachfüllen der Brückenelektrolyte ist sehr einfach
- schnelle Einstellungen möglich
- exakte Messergebnisse
Die lange Lebensdauer ergibt sich durch das Dreikammersystem, das eben bereits beschrieben wurde, und die Verbindung mit dem Referenzspeicher. Das Nachfüllen der Elektrolyte ist einfach, weil im Sensorkopf ein Nachfüllloch vorhanden ist. Werden die Einsatzbedingungen plötzlich geändert, sind die Messergebnisse immer noch sehr genau, denn die Messelektroden messen schnell und zuverlässig selbst bei sprunghaften Veränderungen des ph Wertes.
Hinzu kommt, dass das System frei ist von Metallionen, die in der Messung gänzlich unerwünscht sind. Die Messelektroden eignen sich damit hervorragend für alle Messvorgänge, bei denen Metallionen auf keinen Fall vorhanden sein dürfen, wie es beispielsweise bei Messungen in Trispuffern der Fall ist. Verschiedene Diaphragmen und Formen der Membrangläser sowie unterschiedliche Anschlussmöglichkeiten stehen dem Anwender zur Verfügung, sodass für jeden Messbedarf das passende Modell zur Verfügung steht.
Die Messelektroden sind sogar für regulierte Messumgebungen geeignet, denn das neue System integriert sich hervorragend in bereits vorhandene Messsysteme. Die wichtigen Daten sind zum Beispiel bei der Kombination IoLine-Elektroden und ProLab-Serie in der Messelektrode hinterlegt.
Das Messgerät nutzt immer die jeweiligen Werte der angeschlossenen Messelektrode, damit wird die Sicherheit der Messung deutlich größer und die Dokumentation der Messwerte ist automatisch möglich.
Die IoLine-Elektroden stammen von SI Analytics und sind für höchste Qualitätsansprüche konzipiert worden Sie kommen in der Forschung ebenso zum Einsatz wie in der Qualitätskontrolle im pharmazeutischen Bereich, des Weiteren in der Biotechnologie und in der Lebensmittelindustrie.
Bildnachweis:©Shutterstock-Titelbild: engineer story -#01: Kolonko -#02: zlikovec
