Pufferherstellung

Warum ist genaues Wägen entscheidend für die Qualität von Pufferlösungen?

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Pufferherstellung – Lösungen, Berechnung und Lösen häufiger Probleme

Buffer Preparation

Pufferherstellung – Rezeptierablauf
  1. Auswählen einer Rezeptur aus der Datenbank
  2. Berechnen der Mengen für die Rezeptur entsprechend dem erforderlichen Puffervolumen
  3. Wägen der Verbindungen in das Gefäss
  4. Lösen der Verbindungen in einem geeigneten Lösungsmittel (meist Wasser)
  5. Prüfen und Justieren des pH-Werts mithilfe eines pH-Messgeräts
  6. Auffüllen der Lösung bis zum erforderlichen Volumen
  7. Umfüllen der Lösung in eine Vorratsflasche und Beschriften
  8. Dokumentieren der Ergebnisse

Wie funktionieren Pufferlösungen?

Puffer sind wässrige Lösungen, die bei Zugabe geringer Säure- oder Basenmengen den pH-Wert konstant halten. Sie bestehen aus einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base. Ein Puffer hält den pH-Wert einer Lösung konstant, indem er bei Reaktionen freigesetzte Protonen absorbiert bzw. indem er Protonen freisetzt, die dann durch eine Reaktion verbraucht werden. Dem Konzept des „Puffers“ liegt die Tatsache zugrunde, dass teilweise neutralisierte Lösungen aus schwachen Säuren oder Basen ihren pH-Wert auch bei Zugabe geringer Mengen starker Säuren oder Basen beibehalten.
 

Eine konjugierte Base ist eine Säure, die ein Proton abgegeben hat.
HA  ↔  H+ + A-
Säure  ↔  Proton+ konjugierte Base
 

Eine konjugierte Säure ist eine Base, die ein Proton aufgenommen hat.
A + H+  ↔  H+A
Base + Proton  ↔  konjugierte Säure
 

Zwischen der dissoziierten und undissoziierten Form wird ein Gleichgewicht hergestellt.
Beispiel: Schwache Essigsäure dissoziiert teilweise in Wasser, wodurch ein Acetation frei wird:
CH3COOH  ↔  H+ + CH3COO-
Zwischen der undissoziierten Essigsäure, den Wasserstoffionen und dem undissoziierten Ion besteht in der Lösung ein Gleichgewicht.
 

Natriumacetat dissoziiert ebenfalls in Wasser und spaltet eben jenes Acetation ab:
CH3COONa  ↔  Na+ + CH3COO-
Zwischen dem undissoziierten Natriumacetat und den Natrium- und Acetationen besteht in der Lösung ein Gleichgewicht.
 

Eine wässrige Lösung aus einem Gemisch aus Essigsäure und Natriumacetat kann daher durch Hinzugabe einer Säure durch die Kombination der Wasserstoffionen mit der Acetatbase zur Bildung von Essigsäure H+-Ionen absorbieren. Wenn ausserdem OH--Ionen durch den Zusatz eines Alkalis zur Lösung hinzugefügt werden, verbinden Sie sich mit Säuremolekülen (H+) zur Bildung von Wasser. Da das System versucht, das Gleichgewicht wiederherzustellen, verändert sich der pH-Wert der Lösung nicht. So funktioniert eine Pufferlösung.
 

Was passiert nach Hinzugabe von Säure zum Puffer?

Wenn die starke Säure (mehr H+) zu einem ausgewogenen Gemisch aus der schwachen Säure und ihrer konjugierten Base hinzugefügt wird, verschiebt sich das Gleichgewicht nach dem Prinzip von Le Chatelier auf die linke Seite.
 

Was passiert nach Hinzugabe einer Base zum Puffer?

Wenn dem Gemisch auf ähnliche Weise eine starke Base zugeführt wird, nimmt die Wasserstoffionenkonzentration weniger stark ab, als man es bei der hinzugefügten Basenmenge erwartet hätte. Grund ist die Verschiebung der Reaktion auf die rechte Seite, um den Verlust von H+ in der Reaktion mit der Base auszugleichen.

Buffer Preparation Formula

Pufferlösungstypen

Pufferlösungen, die aus einer schwachen Säure und deren konjugierter Base bestehen, werden als Säurepuffer bezeichnet und haben einen pH-Wert von unter 7. Ein mit Essigsäure (schwache Säure) und Natriumacetat hergestellter Puffer ist ein Säurepuffer und hat einen pH-Wert von ca. 4,75.
Pufferlösungen, die aus einer schwachen Base und deren konjugierter Säure bestehen, werden als alkalische Puffer bezeichnet und haben einen pH-Wert von über 7. Ein Beispiel für einen alkalischen Puffer ist eine wässrige Lösung aus Ammoniumhydroxid (schwache Base) und Ammoniumchlorid (konjugierte Base), die einen pH-Wert von 9,25 aufweist.
 

Folgende Aspekte sind bei der Herstellung einer Pufferlösung zu beachten

Pufferlösungen sind am wirkungsvollsten, wenn ihr pH-Wert dem Wert des Systems oder der untersuchten Lösung ähnlich ist. Bei der Studie von Enzymen in der Humanbiologie ist ein System erforderlich, das den gleichen pH-Wert wie Blut, d. h. 7,35 bis 7,45, aufweist, da die Enzyme andernfalls nicht korrekt arbeiten. Wenn das Puffersystem einen pH-Wert aufweist, der ausserhalb des gewünschten Bereichs liegt, hat dies ebenfalls negative Auswirkungen auf die Analysen.
 

Daher müssen Pufferlösungen mit einem bestimmten pH-Wert hergestellt werden können. Dies kann auf verschiedene Weise erreicht werden:

  • pH-Einstellung
    Die kristalline Säure oder Base wird zuerst in einer Wassermenge gelöst, die ca. 60 – 70 % der letztendlich benötigten Menge an Pufferlösung entspricht. Der pH-Wert wird geprüft und anschliessend eingestellt. Wenn eine kristalline Säure verwendet wird, wird der pH-Wert mithilfe einer Base eingestellt, die keine Ionen erzeugt, die das zu untersuchende System beeinträchtigen könnten. Wenn eine kristalline Base verwendet wird, wird der pH-Wert mithilfe einer geeigneten Säure eingestellt. Sobald der gewünschte pH-Wert erreicht ist, kann die Pufferlösungsmenge mit Wasser ergänzt werden, um das erforderliche Volumen zu erreichen.

  • Mischen von Säure- und Basenlösungen
    Bei diesem Verfahren wird eine Lösung der Säure oder Base mit einer Lösung des zugehörigen Salzes gemischt. Die Konzentrationen der Ursprungslösungen müssen der erforderlichen Pufferlösung entsprechen. Die Lösungen können in verschiedenen Verhältnissen gemischt werden, um in der letztendlichen Pufferlösung verschiedene pH-Werte zu erreichen. Alternativ kann der pH-Wert überwacht werden, während eine Lösung zur anderen hinzugefügt wird.

  • Mithilfe der Henderson-Hasselbalch-Gleichung
    Mit der Henderson-Hasselbalch-Gleichung kann der pH-Wert einer Pufferlösung anhand der Dissoziationskonstanten, pKa, geschätzt werden. Wenn eine schwache Säure (HA) in Lösung vorliegt und die Dissoziation in Wasserstoffionen (H+) und ihre konjugierte Base (A-) im Gleichgewicht ist, dient die Dissoziationskonstante als Masseinheit für die Säurestärke an diesem Gleichgewichtspunkt. Die Henderson-Hasselbalch-Gleichung lautet wie folgt: 
  • Buffer Preparation - second formula

    Dabei gilt: pKa ist die Dissoziationskonstante der schwachen Säure
    [A-] ist die Konzentration der konjugierten Base im Gleichgewicht
    [HA] ist die Konzentration der Säure im Gleichgewicht

    Falls die Gleichgewichtskonzentrationen der konjugierten Base und der Säure identisch sind, ist der pH-Wert gleich der Dissoziationskonstanten. An diesem Punkt bietet die Pufferlösung das maximale Pufferpotenzial.
    Die Henderson-Hasselbalch-Gleichung wird auch zur Bestimmung der Dissoziationskonstanten von schwachen Säuren per direkter pH-Wertbestimmung verwendet.
     

Vorteile von universellen Pufferlösungen
Universelle Pufferlösungen bestehen aus eine Kombination aus verschiedenen Säure-Base-Paaren. Auf diese Weise können universelle Pufferlösungen den pH-Wert einer Lösung über einen grösseren Bereich hinweg aufrechterhalten, wodurch sie auch in einer Vielzahl weiterer Anwendungen eingesetzt werden können.

Zusätzliche Tipps für die Pufferherstellung und -verwendung
 

  • Pufferherstellung, SOP
    Es ist ratsam, den Pufferherstellungsprozess zu dokumentieren, um sicherzustellen, dass zur Gewährleistung von Konsistenz und Reproduzierbarkeit jeder auf gleiche Weise vorgeht. In der SOP muss genau angegeben werden, welche Materialien verwendet werden, wie genau vorgegangen wird und zu welchem Zeitpunkt und auf welche Weise die Komponenten hinzugefügt werden und der pH-Wert gemessen wird. Die SOP kann ausserdem viele der nachfolgend genannten Punkte enthalten.
     
  • Tragen von Schutzkleidung
    Angemessene persönliche Schutzausrüstung (PSA), z. B. Schutzbrille und -kleidung, muss getragen werden, besonders bei Arbeiten mit starken Säuren oder Basen.
     
  • Auf mikrobielle Verunreinigungen prüfen (v. a bei biologischen Anwendungen)
    Vor der Verwendung eines Puffers muss der Behälter auf mikrobielle Verunreinigungen überprüft werden. Pufferlösungen mit einem fast neutralen pH-Wert sind besonders anfällig für Verunreinigungen. Aufgrund von Verunreinigungen, die sich am Boden angesammelt haben, weist die Lösung evtl. eine gewissen Trübung auf
     
  • Richtige Anwendung Ihres pH-Messgeräts
    Für genaue pH-Messungen muss Ihr pH-Messgerät regelmässig kalibriert und gewartet werden. Die Elektrode muss vor dem Einsatz ordnungsgemäss vorbereitet werden, ausserdem muss ausreichend Pufferlösung verwendet werden, damit das Elektrodendiaphragma korrekt eingetaucht werden kann. Warten Sie, bis sich ein stabiler pH-Wert einstellt, bevor Sie den Messwert ablesen, und spülen Sie die Elektrode anschliessend mit entionisiertem Wasser. Stellen Sie sicher, dass Sie Ihr pH-Messgerät bei Umgebungstemperatur verwenden, oder verwenden Sie eine Elektrode mit integriertem Temperaturfühler.
     
  • Beachten Sie die Temperatur
    Die Dissoziationsmenge kann je nach Temperatur variieren. Pufferherstellung und anschliessende Analysen müssen daher bei gleicher Temperatur erfolgen. Stellen Sie ausserdem sicher, dass die Temperatur bei der Elektrodenkalibrierung der Temperatur bei der Messung entspricht.
     
  • Achten Sie auf die Konzentration
    Es ist gängige Praxis, gelagerte Pufferlösungen bis zur für die Analyse benötigten Konzentration zu verdünnen. Dennoch kann die Dissoziationsmenge durch Änderungen der Konzentration beeinflusst werden. Da der pH-Wert ein Messwert für Wasserstoffionen (H+) ist, kann eine Änderung der Dissoziation eine pH-Wertänderung hervorrufen. Nach der Verdünnung muss der pH-Wert vor Verwendung des Puffers erneut geprüft werden.

Leitfaden für die Pufferherstellung

Herausforderungen bei der Herstellung einer Pufferlösung

Genaue Pufferherstellung
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Pufferherstellung – ein optimierter Arbeitsablauf mit umfassender Datenverwaltung

Pufferherstellung – Kalibrierung von pH-Messgeräten

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FAQ – Pufferherstellung


 

1. Wie kann ich Wägeprozesse für die Pufferherstellung effizienter gestalten?

 

Auf XPR/XSR-Waagen von METTLER TOLEDO können Sie Ihre eigenen spezifischen Wägeverfahren speichern. Bei der Pufferherstellung wird hierfür das Verfahren „Einfaches Rezeptieren mit Vorlagen“ auf der Waage verwendet, um jede Pufferkomponente mit Zielgewicht und Toleranzintervall als Rezeptur auf der Waage zu speichern. Wenn das Verfahren gestartet wird, werden Sie durch jeden Verfahrensschritt geleitet. Es wird keine Zeit für die Prüfung eines Rezepturblatts verschwendet und es herrscht keine Unsicherheit darüber, an welcher Stelle des Verfahrens Sie sich gerade befinden. Wägeergebnisse werden automatisch gespeichert und können am Ende ausgedruckt werden. So sparen Sie viel Zeit, da Wägeergebnisse nicht mehr handschriftlich protokolliert werden müssen.


 

2. Welche Waage eignet sich am besten für die Pufferherstellung?

Es hängt von Ihren individuellen Anforderungen ab, welche Waage am besten geeignet ist. Sie müssen die grössten und geringsten zu wägenden Mengen kennen und wissen, wie genau Sie diese wägen möchten (d. h. welche Toleranzen oder erlaubte Fehlerzahlen festgelegt sind). METTLER TOLEDO bietet einen kostenlosen Service, um Sie bei der Wahl der richtigen Waage zu unterstützen, damit Sie die Anforderungen Ihrer Anwendung erfüllen. Fragen Sie einfach Ihren örtlichen Vertreter nach einer kostenlosen Waagenempfehlung. Derselbe Service findet heraus, ob Ihre Waage Ihre Qualitätsanforderungen erfüllt


 

3. Bei der Pufferherstellung ist eine Vielzahl an Daten zu erfassen. Wie kann ich Fehler vermeiden? Ich benötige eine fehlerfreie Lösung.

Schliessen Sie zunächst ein Barcode-Lesegerät an Ihre Waage an. Auf diese Weise können Sie Proben-IDs, Losnummern, Bestellnummern usw. automatisch erfassen. Schliessen Sie danach einen Drucker an Ihre Waage. Mit der Druckerreihe P-5x von METTLER TOLEDO können Metadaten sowie Datum und Uhrzeit zusammen mit den Ergebnissen am Ende des Wägevorgangs automatisch ausgedruckt werden. Alternativ können Sie Ihre Waage mit der LabX-Laborsoftware verbinden, die eine umfassende Datenverwaltung mit benutzerdefinierbaren Berichten bietet, welche direkt an Ihr ERP- oder LIMS-System gesendet werden können.


 

4. Wie kann ich die Richtigkeit des pH-Wertes meiner Pufferlösung prüfen?

Eine regelmässige Kalibrierung und Prüfung Ihres pH-Messgeräts ist wichtig, um seine Genauigkeit zu gewährleisten. Lesen Sie im Leitfaden nach und erfahren Sie mehr über die Lösung von METTLER TOLEDO für eine unkomplizierte Kalibrierung eines pH-Messgeräts. Sehen Sie sich auch dieses Video an: pH-Kalibrierung ‒ Praktischer Leitfaden


 

5. Was muss ich tun, wenn ich von einem Inhaltsstoff eine zu grosse Menge hinzugefügt habe?

Wenn Sie versehentlich eine zu grosse Menge eines Inhaltsstoffs einwägen, sollte eher mehr von den anderen Inhaltsstoffen zugegeben werden, als die bereits eingewägten Materialien zu verwerfen. Dies kann sich sehr schwierig gestalten und zu Fehlern führen, wenn Sie die Mengen manuell berechnen. Sie müssen sich also bewusst sein, dass die zusätzlich erforderlichen Mengen evtl. sehr gering sind und ihre Waage dafür möglicherweise nicht geeignet ist. Unter Umständen ist eine zweite Waage mit einer höheren Genauigkeit und einer geringeren Mindesteinwaage erforderlich. Wenn Ihre Waage mit LabX verbunden ist, kann LabX die erforderlichen Neuberechnungen durchführen und Ihren Fortschritt im Verfahren verfolgen.