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Eine wichtige Grundlage im analytischen Labor

pH-Wertmessung

Der pH-Wert ist – nicht nur – in der Analytik eine extrem wichtige Kenngröße, so beeinflusst er ­Wechselwirkungen in der Chromatografie, ist verantwortlich für ­protonierte und deprotonierte ­organische Moleküle in Lösung und unterstützt die (Ent)Faltung von Proteinen. Wird dieser Wert nicht richtig erfasst, so lassen sich alle folgenden Arbeiten nur verfälscht durchführen und inter­pretieren!

In einem analytisch arbeitenden Labor, speziell in einem Labor mit instrumenteller Analytik, werden Titrationen – wie die Gravimetrie – heute vor allem zu Lern­zwecken genutzt oder aber, um sich einen günstigen und schnellen Überblick zu verschaffen und Probenvorbereitungen durchzuführen. Im Gegensatz dazu ist die pH-Wertmessung in jedem chemischen Labor fest etabliert und gehört zu einer der essenziellen und grundlegenden analytischen Techniken.

Beim pH-Wert handelt es sich um eine dimen­sionslose Größe, die den sauren bzw. basischen Charakter einer Lösung angibt. Er wird über den negativen dekadischen Logarithmus der Aktivität der Wasser­stoffionen berechnet. Saure Lösungen haben einen pH-Wert von 1–6, neutrale Lösungen liegen in einem Bereich um pH 7 und bei einem pH-Wert von 8–14 spricht man von einer alkalischen Lösung.

pH-Wertmessung in der Praxis

In einigen Arbeitsfeldern ist die genaue Kenntnis der entsprechenden pH-Werte von besonderer Bedeutung. Deshalb gehört es für analytisch arbeitende Personen zum grundlegenden Handwerkszeug, pH-Werte korrekt bestimmen, einstellen und auch abpuffern zu können.

Für die pH-Wertmessung kommen meist Elektroden zum Einsatz, die nach unterschiedlichen Messprin­zipien funktionieren können. Wichtig für die korrekte Bestimmung des pH-Wertes ist allerdings immer, dass vor Beginn der Messung das Gerät zuerst mit mindes­tens drei verschiedenen Lösungen bekannter pH-­Werte (z.B. pH 4, 7 und 9) kalibriert wird (siehe auch Abb.1). Diese sollten möglichst den Bereich abdecken, in dem der zu bestimmende pH-Wert liegen wird.


Abb.1 Dreipunktkalibration des pH-Meters

Mithilfe eines pH-Meters lässt sich dann – wie beschrieben – der genaue pH-Wert von Lösungen messen bzw. einstellen. Letzteres erreicht man, indem man der flüssigen Lösung, die mithilfe eines Rührers stets gleichmäßig gerührt wird, nach und nach Säure bzw. Lauge zugibt, bis der gewünschte pH-Wert erreicht wird.

Im analytischen Arbeitsfeld werden jedoch häufig auch Pufferlösungen verwendet (z.B. der Phosphatpuffer). Dabei handelt es sich um Lösungen, in der eine Mischung aus einer schwachen Base und ihrer dazu konjugierenden Säure bzw. aus einer schwachen Säure und der dazu konjugierenden Base vorliegt. Der pH-Wert ist dabei relativ stabil und lässt sich durch Zugabe von Säure oder Lauge wesentlich geringer ändern als bei reinem Wasser. So kann man schon mithilfe des Pufferverhältnisses den pH-Wert einstellen und benötigt die Lauge oder Säure schließlich auch nur noch zur Feineinstellung (siehe Abb.2).


Abb.2 Pufferherstellung inklusive pH-Werteinstellung

Bedeutung in der Analytik – Beispiel LC-ESI-MS

Wie eingangs erwähnt, spielt der pH-Wert in analytischen Techniken oftmals eine große Rolle. Nehmen wir als Beispiel die flüssigphasenchromatografische Trennung in Kopplung mit Elektrospray-Ionisation und Massenspektrometrie, auch LC-ESI-MS genannt. In dieser analytischen Technik sind gleich drei instrumentelle Komponenten zu finden, die vom pH-Wert beeinflusst werden [1,2]:

pH-Wert in der Flüssigphasenchromatografie

Die Flüssigphasenchromatografie basiert auf der Wechselwirkung gelöster organischer Moleküle mit einer stationären Phase und ihrem Transport in der mobilen Phase. Beruht die Interaktion auf ionischen Wechselwirkungen (wie z.B. bei der Ionenchromatografie oder teilweise der hydrophilen Interaktionschromatografie [3]), so ist der pH-Wert wichtig. Ein besonderes Beispiel ist hier die Aminosäureanalytik mit C18-Chromatografie nach Krause et al., in der die pH-Werte eine Stabilität von ± 0,01 pH aufweisen müssen [4]).


Abb.3 MS-Spektren einer 5 µM Lysozym-Lösung bei unterschiedlichen pH-Werten (von pH 2,2 (a) bis pH 10,2 (i)) in 10 mM Ammoniumacetatlösung.

pH-Wert in der Elektrospray-Ionisation

Kommen die Moleküle von der chromato­grafischen Säule und sollen in das Massenspektro­meter transportiert werden, so muss man Ionen in die Gasphase bekommen. Hier spielt der pH-Wert eine große Rolle, wenn man die Tröpfchen vernebelt und trocknet, da geladene Moleküle, also Ionen, ohne weitere Behandlung im elektrischen Feld in das Massenspektrometer gelangen können [5].

pH-Wert in der Massenspektrometrie

Geladene Moleküle gelangen in das Massenspektrometer und werden dort nach dem Verhältnis von jeweiliger Masse zum Ladungsverhältnis getrennt und anschließend detektiert. Ver­lieren Moleküle ihre Ladung, so sind sie nicht mehr zu sehen. Mit heutigen Geräten können sogar ganze Proteine nachgewiesen werden und zeigen oft ein bei jedem pH-Wert entsprechen­des Ladungsmuster (siehe als Beispiel das Protein Lysozym in Abbildung 3 mit Spektren bei den jeweiligen pH-Werten [6]). Diese Spektren geben teilweise auch noch Hinweise auf die Akti­vität dieser Proteine als Enzym [7] und können wie analoge Filme betrachtet werden [8].

Dies ist nur ein Beispiel hierfür, wie wichtig in der Analytik der pH-Wert und dessen Kenntnis ist. Es gibt unzählige weitere Fälle und sicher treffen Sie in Ihrem Labor auch auf viele Anwendungen, die pH-wertabhängig sind.

Als Quintessenz bleibt festzuhalten, dass nur diejenigen gute Analysen betreiben können, die sich um korrekte Grundkenntnisse und -parameter (wie den pH-Wert) bemühen. Alles Weitere kommt dann fast wie von alleine.

Literatur

[1] Berkemeyer, C. & Letzel, T. (2007) LC-GC AdS, 2(4), 36–45
[2] Letzel, T. (2013) labor & more, 4, 30–35
[3] Greco, G. & Letzel, T. (2013) Journal of ­Chromatographic Science, 51 (7), 684–693
[4] Krause, I. et al. (1995) Journal of Chromatography A, 715, 67–79
[5] Letzel, T. (2011) In: Protein and Peptide Analysis by LC-MS: Experimental Strategies, Letzel, T. (ed.): Royal Society of Chemistry, Cambridge, 11–25
[6] Dennhart, N. (2008) Charakterisierung von ­Glykosidasen mittels Echtzeit Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometrie. Dissertationsschrift; TU München
[7] Dennhart, N.et al. (2009) Journal of Biotechnology, 143, 274–283
[8] Letzel, T., Spannende Filme aus dem Labor:
Mit der Massenspektrometrie enzymatisch-aktive ­Proteine bei der Arbeit beobachten.

ANALYTIK NEWS – Das Online-Labormagazin 02.11.2009

Bild: © istockphoto.com| jamenpercy, CactuSoup

Stichwörter:
pH-Wertmessung, Analytik, Dreipunktkalibration, Phosphatpuffer, Flüssigphasenchromatografie, Massenspektrometrie,

L&M 7 / 2014

Diese Artikel wurden veröffentlicht in Ausgabe L&M 7 / 2014.
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