pH-Messung im Labor richtig gemacht: das müssen Sie wissen

Im Labor kann es oftmals notwendig werden, den pH-Wert einer Messprobe zu bestimmen – von Lebensmitteln über Flüssigkeiten bis hin zu Abwasser, Säuren und Blut. Dabei wird üblicherweise ein pH-Messgerät verwendet, das nach dem potentiometrischen Messverfahren arbeitet. Für verlässliche Messergebnisse sind nicht nur die richtige Kalibrierung und Durchführung der Messung, sondern auch die Auswahl der passenden Elektroden, der Membran und der Elektrolyte elementar.

Eine kurze Anleitung samt aller wichtigen Informationen zur pH-Messung haben wir Ihnen hier zusammengefasst.

Wann wird eine pH-Messung durchgeführt?

Ist von einer pH-Messung die Rede, so handelt es sich um die Bestimmung der sauren bzw. basischen Eigenschaften einer Messprobe. Dieser Wert ist von der Konzentration der Wasserstoffionen abhängig, die mithilfe einer Potenzialdifferenz zur Bezugselektrode des Messgeräts ermittelt werden. Daher gleicht die Funktion des pH-Meters dem eines Spannungsmessers.

Als neutral gelten Messwerte von 7. Je saurer es wird, desto stärker verschiebt sich der Wert Richtung 0. Basische bzw. alkalische Werte reichen bis 14. Die Ermittlung des pH-Wertes kann aus verschiedenen Gründen notwendig sein. So lassen sich davon Eigenschaften des Messprobe ableiten, die einen Einfluss auf die Qualität nehmen oder Rückschlüsse auf chemische Reaktionen zulassen. Daher werden pH-Messungen beispielsweise in der Lebensmittelproduktion, in der Medizin und Forschung, in Schwimmbädern oder in der Umweltprüfung durchgeführt.

pH-Messung richtig durchführen

Obwohl pH-Messungen auch mittels farbverändernden Teststreifen durchgeführt werden können, bieten diese nur einen ungefähren Wert. Im Labor kommen daher in den meisten Fällen elektrochemische Verfahren zum Einsatz, bei denen ein pH-Meter verwendet wird. Dieses erzeugt einen zuverlässigen und ablesbaren Wert. Dafür ist eine regelmäßige Kalibrierung des pH-Messgeräts notwendig, die wie folgt durchgeführt wird:

• Anpassung der Temperatur: Achten Sie darauf, dass die Pufferlösung und das Instrument die gleiche Temperatur haben, was sich mit einem automatischen Temperaturkompensator einstellen lässt.
• Überprüfung der Elektrode: Prüfen Sie die Elektrode auf Schäden und tauschen Sie sie gegebenenfalls aus.
• Vorbereitende Maßnahmen: Lagern Sie eine neue Elektrode für ca. vier Stunden in einem Becher mit Aufbewahrungsflüssigkeit, um sie vorzubereiten.
• Geräteinstellung: Stellen Sie das pH-Messgerät dann auf ATC (Automatic Temperature Compensation) oder „pH“, je nach Gerät.
• Erstes Eintauchen: Bestimmen Sie die Baseline-Spannung, indem Sie die Elektrode in eine frische Pufferlösung mit einem pH von 7,0 eintauchen und den Ablesewert auf diesen pH einstellen.
• Einpunktkalibrierung: Spülen Sie die Elektrode mit entmineralisiertem Wasser, um die Einpunktkalibrierung abzuschließen.
• Zweites Eintauchen: Für die Zweipunktkalibrierung muss die pH-Elektrode danach in eine Pufferlösung mit einem pH von 4,0 oder 10,0 eingetaucht und der Ablesewert am Gerät wieder entsprechend eingestellt werden.
• Zweipunktkalibirerung: Zuletzt wird die Elektrode ein weiteres Mal gespült und die Zweipunktkalibrierung ist damit abgeschlossen.

Auswahl der Elektrode nach Probeneigenschaften

Nicht jede Probe ist gleich – je nachdem, bei welcher Stoffart der pH-Wert bestimmt werden soll, müssen unterschiedliche Elektroden verwendet werden. Die richtige Auswahl spielt eine maßgebliche Rolle beim Erzeugen eines verlässlichen Messwertes, sodass ein besonderes Augenmerk auf diese elektrische Verbindung gelegt werden sollte. Zumeist werden Diaphragmen eingesetzt, die sich hinsichtlich der Durchlässigkeit und des Materials voneinander unterscheiden:

Keramikdiaphragma

Für klare wässrige Medien (wie Schwimmbadwasser) wird üblicherweise ein Keramikdiaphragma verwendet, das aus einem porösen Keramikstift mit einer Dicke von etwa 1 Millimeter besteht. Die Einstabmesskette bzw. die Bezugselektrode ist in den Stift eingeschmolzen und erlaubt nur einen geringen Ausfluss am Elektrolyten. Dadurch kann sich der Nachteil ergeben, dass Verunreinigungen daran haften bleiben.

Kunststoffdiaphragma

Handelt es sich hingegen um stark verschmutzte Medien wie lackhaltige Abwässer oder Flüssigkeiten mit Sulfid-Anteil, wird auf robuste Kunststoffdiaphragmen gesetzt – dank der glatten Oberfläche können Verschmutzungen kaum anhaften. Der pH-Wert wird zumeist in Kombination mit KCL-Gel ermittelt.

Teflon-Ringdiaphragma

Eine Sonderform der Kunststoffdiaphragmen sind Teflon-Ringdiaphragmen, die mit einer zusätzliche Teflonbeschichtung versehen werden. Dadurch ist der Einsatz selbst in stark verschmutzten Medien (wie Abwasser und sogar Fett sowie Öl) möglich, weil das Teflon eine selbstreinigende Oberfläche bildet. Diese ist ringförmig angelegt.

Spaltdiaphragma

Da der pH-Wert als Potenz ermittelt wird, stellen elektrolytarme bzw. schwach gepufferte Lösungen eine Herausforderung für viele pH-Elektroden dar. In solchen Fällen kommen spezielle Spaltdiaphragmen zum Einsatz, bei denen der Elektrolyt über eine Bohrung zwischen den Schliffflächen in den Schliffkern eindringen kann. Die rauen Flächen der Mattglasverbindung erzeugen den Kontakt zwischen Messlösung und Bezugselektrolyt. Der bekannteste Vertreter dieser Gruppe ist das Schliffdiaphragma mit Mattglasverbindung.

Offenes Diaphragma

Ist ein direkter Kontakt zwischen der Messprobe und der Elektrode nötig, wird auf sogenannte offene Diaphragmen gesetzt. Sie werden für Gel- und Festelektrolyte sowie für Varianten mit einem fehlenden oder geringen Elektrolytaustritt verwendet, weshalb sie vor allem bei Messungen in Milchprodukten und Lebensmitteln utilisiert werden.

PTFE-Diaphragma

Diaphragmen aus PTFE (Polytetrafluorethylen) profitieren durch ein minimiertes Verstopfungsrisiko, sodass sich diese pH-Elektroden insbesondere für Flüssigkeiten mit gelösten Feststoffen eignen. Dazu gehören vor allem Wein und Most, wodurch die Elektroden vor allem in der Lebensmittelindustrie verwendet werden.

Stoffdiaphragma

Diaphragmen aus Stoff werden für Outdoor-Messungen herangezogen, wenn beispielsweise der pH-Wert von Abwasser oder von Regenwasser bestimmt werden soll. Die Ionenleitfähigkeit wird von dieser Aufbauart verbessert, gleichzeitig kann das Verschmutzungsrisiko deutlich minimiert werden.

Lochdiaphragma (offene Verbindung)

Eine offene Verbindung wird von einem Lochdiaphragma erzeugt, sodass zwischen der Elektrolytlösung und der Messprobe ein direkter Kontakt besteht. Daher kommt diese Elektrode insbesondere für Gel- oder Festelektrolyte infrage und ist oftmals in der Produktion von Lebensmitteln zu finden. Die große Kontaktfläche ist wenig anfällig für Verschmutzungen.

Membrangläser: verschiedene Formen und Typen

Bei den meisten pH-Metern handelt es sich um Modelle mit einer Glasmembran, bei der das elektrische Potential durch eine Halbzellenreaktion bestimmt werden kann – das ist eine schnelle und einfache Art der pH-Wert-Bestimmung. Als Glas kommt spezielles Membranglas zum Einsatz, das in verschiedenen Formen erhältlich ist. Dadurch wird die ideale Anpassung des Membranglases an die Anwendung möglich. Unterschieden werden insbesondere die folgenden Varianten:

Kugelmembran

Am häufigsten werden Kugelmembranen verwendet, die für Flüssigkeiten und wässrige Lösungen als Mittel der Wahl infrage kommen. Die runde Form ermöglicht es, den elektrischen Widerstand gering zu halten.

Zylindermembran

Membranen in Form von Zylindern oder Halbkugeln (sogenannte Kuppenmembranen) sind mechanisch etwas robuster, sodass sie sich einfach reinigen lassen und auch für korrosiv wirkende Messproben verwendet werden können. Auch diese Varianten sind auf flüssige Stoffe ausgelegt.

Kegelmembran

Für Pasten und semiflüssige Materialien werden hingegen Kegelmembranen eingesetzt. Die spezielle Form sorgt für mehr Druckfestigkeit, die mit einer hohen Robustheit und einfachen Reinigungsmöglichkeit verbunden wird.

Nadel- oder Einstichmembran

Als Nadel- oder Einstichmembranen werden Glaskörper bezeichnet, die direkt in das Medium eingeführt werden. Sie verfügen über eine spitze Form und sind eher empfindlich. Der potenzielle Einsatzbereich erstreckt sich auf halbfeste Medien wie Obst und Fleisch.

Flachmembran

pH-Messungen auf Oberflächen werden mit einer Flachmembran ermöglicht, die nicht in das Medium eingeführt werden muss – es reicht der Kontakt für die Messung. Sie kommen vor allem für Haut oder Papier zur Anwendung-

Die richtige Elektrolytlösung für die pH-Messung wählen

Im Inneren des pH-Meters befindet sich ein Referenzdraht, an dem der Spannungsunterschied zwischen Bezugselektrode und Messprobe abgeleitet werden kann. Dieser Referenzelektrolyt ist in eine Elektrolytlösung eingetaucht, die ebenfalls nicht immer gleich ist – sie sollte an die Anforderungen der Messprobe angepasst werden. Prinzipiell lassen sich hier drei Elektrolytlösungen unterscheiden:

Flüssigelektrolyt

Für nachfüllbare Elektroden werden Flüssigelektrolyte verwendet, die in den meisten Fällen auf KCL (Kaliumchlorid) oder KCL+Ag/AgCl (Kaliumchlorid + Silber-Silberchlorid) basieren. Das bietet den Vorteil, dass die verbrauchte Flüssigkeit nachgefüllt oder ein verschmutzter Elektrolyt ausgetauscht werden kann. Gleichzeitig werden Reinigung und Wartung erleichtert, was diese Variante benutzerfreundlich macht.

Gelelektrolyt

Gelförmige Elektrolyten sind ebenfalls wartungsarm und haben zusätzlich einen geringen Verschmutzungsgrad. Gleichzeitig sind sie druckresistenter, weshalb sie gerne für industrielle Messungen oder Outdoor-Einsätze verwendet werden. Im Gegensatz zu Festelektrolyten sind sie einfacher gebaut und günstiger in der Anschaffung, weshalb sie auch für Einzelmessungen infrage kommen.

Festelektrolyt

Anstelle einer leitenden Flüssigkeit werden bei Festelektrolyten Polymere verwendet, die fest im Inneren des pH-Meters verankert sind. Dadurch entsteht der Nachteil, dass die Elektrode nicht nachfüllbar ist. Allerdings sind diese Elektrolyte besonders druckresistent und langlebig. Sie sind vor allem in industriellen Anwendungen zu finden.

Reinigung der Elektrode

Um ungenaue Messwerte und verfälschte Ergebnisse zu vermeiden, müssen die Elektroden der pH-Meter regelmäßig gereinigt werden. Je nach Verschmutzungsart und Aufbau der Elektrode kommen dabei verschiedene Reinigungsverfahren zum Einsatz:

Verstopfung durch Silbersulfid

Verstopfen Sulfide bzw. Silbersulfid (Ag2S) die Elektrode, sollte eine alkalische Tensid- und Polyphosphorlösung verwendet werden. Alternativ kommen auch Thioharnstoff-Lösungen oder Salzsäure infrage. Spülen Sie die Elektrode für etwa 5 bis 30 Minuten.Verstopfung durch Silberchlorid

AgCl-Verstopfungen lassen sich am besten durch ein Einweichen der Elektrode in einer konzentrierten Ammoniaklösung lösen. Entsprechende Verschmutzungen entstehen zumeist durch eine Reaktion von Silberionen des Referenzelektrolyten mit Chlorid-haltigen Proben.

Verstopfung durch Proteine

Protein-Verunreinigungen können mit einer Lösung aus 0,5% Pepsin in 0,1 mol pro Liter Salzsäure behandelt werden. Dafür sollte die Elektrode für mehrere Stunden in der Lösung eingeweicht werden.

Andere Verstopfungen des Diaphragmas

Für andere Verstopfungen eignen sich insbesondere Ultraschallbäder und HCl-Lösungen. In unserem Ratgeber zur Reinigung von Elektroden haben wir Ihnen viele weitere Verschmutzungsarten und Reinigungsansätze aufgelistet.

Lagern Sie die Elektrode nach der pH-Messung richtig

Nicht nur die Reinigung, sondern auch die richtige Aufbewahrung trägt zu einer langen Lebensdauer und genauen Messwerten des pH-Meters bei. Daher sollte die Elektrode für die Lagerung in Leitungswasser – niemals in destilliertes Wasser – oder direkt in eine Aufbewahrungslösung gegeben werden. Für eine langfristige Lagerung über mehrere Wochen oder Monate kann auch eine Trockenlagerung möglich sein.

FAQ

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