DE2546618C3 - Reagenzkomposition zu direkten quantitativen chemischen Bestimmungen - Google Patents

Description

⁴⁰ Die Erfindung betrifft eine Reagenzkomposition zu

direkten quantitativen chemischen Bestimmungen von Komponenten eines Gemisches.

Die Bestimmung einer gegebenen Komponente in einem System ist die am häufigsten vorkommende Aufgabe der analytischen Chemie.' Sie kann auf direktem oder aber auf indirektem Wege durchgeführt werden.

Das direkte Meßverfahren kann im allgemeinen nur in den einfachsten Fällen verwendet werden, z. B. durch die Bestimmung einer Eigenschaft (wie z. B. Dichie, Brechungsindex, usw.) von Zweikomponentensystemen, die eine eindeutige Funktion der gesuchten Konzentration ist. Das Verfahren kann aber nur sehr selten verwendet werden, da die Proben in überwiegender Mehrzahl der Fälle aus mehr als zwei Komponenten bestehen.

Ein anderer bekannter Fall der direkten Bestimmung ist derjenige, in dem die Probe mehrere Komponenten enthält, jedoch zur Messung ein Fühler, der an die «0 Komponente zu bestimmender Konzentration selektiv anspricht, verwendet wird. Als Beispiele solcher Messungen können die pH-Bestimmungen, ferner die mit selektiven ioneneinpfindlichen Elektroden durchgeführten lonenkonzentrationsbestimmungen erwähnt werden. Ein Vorteil dieser Bestimmungsmethoden ist ihre hohe Empfindlichkeit; ihr gemeinsamer Nachteil dagegen ist die Tatsache, daß der gemessene Parameter (das Potential der Fühlerelektrode) keine lineare Funktion der gesuchten Konzentration, ferner auch von der Qualität und Konzentration der anderen, im System anwesenden Komponenten abhängig ist Deswegen ist die Konzentrationsbestimmung ungenau.

Infolge der obenerwähnten Schwierigkeiten sind die indirekten Bestimmungsverfahren (Titrationsverfahren) mehr verbreitet als die direkten Verfahren. Man stößt jedoch auch bei diesen auf mannigfaltige Schwierigkeiten: die genaue Zubereitung der Titrierlösungen, die Bestimmung ihres Faktors, ihre Aufbewahrung mit unveränderlichem Faktor, die Notwendigkeit ihrer präzisen Dosierung, ferner der Indikationsfehler in der Endpunktswahrnehmung sind Probleme, die alle als Nachteile der titrimetischen Analyseverfahren zu betrachten sind. Eine weitere Schwierigkeit ist daß manuelle Titrationen viel Zeit und Arbeit beanspruchen; diese Probleme können zwar durch automatische Titrierapparate beseitigt werden, solche Geräte sind jedoch teuer und kompliziert

Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile der direkten und indirekten Titrationsverfahren zu vermeiden.

Es wurde nun gefunden, daß alle oben beschriebenen Nachteile sowohl der direkten wie auch der indirekten Bestimmungsmethoden durch die Anwendung einer erfindungsgemäßen, komplexbildenden Reagenzkomposition, deren charakteristischer Parameter sich in der mit der Probe zustande kommenden Komplexbildungsreaktion gemäß einer streng monotonen, vorteilhaft linearen Funktion ändert, beseitigt werden können; in dieser Weise, nachdem die Probe und die genannte Reagenzkomposition in bestimmten Mengenverhältnissen zur Reaktion gebracht wurden, wird die Veränderung des genannten Parameters gemessen und daraus die Konzentration der gesuchten Komponente bestimmt.

Gegenstand der Erfindung ist eine Reagenzkomposition zu direkten quantitativen chemischen Bestimmungen von Komponenten eines Gemisches, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aus einer aus mehr als einem Glied bestehenden Reagenzserie besteht, deren ReagenzkomDonenten so ausgewählt sind, daß die negativen Logarithmen der Gleichgewichtskonstanten der zwischen der Komponente der gesuchten Konzentration und den einzelnen Gliedern der Serie sich abspielenden Reaktionen (pK) eine sich monoton verändernde Serie bilden und die Differenz zwischen den pK-Werten der benachbarten Glieder größer als 0,2 und kleiner als 5 sind.

Vorzugsweise besteht die Reagenzserie aus 3 bis 10 Gliedern. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Differenz zwischen den pK-Werten der benachbarten Glieder größer als 0,5 und kleiner als 2.

Bei weiteren Ausführungsformen der Erfindung können neben der Reagenzserie ein oder mehrere Indikatorstoffe, lonenstärken-Einstellstoffe und/oder Füllstoffe enthalten sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die Glieder der Reagenzserie auf e^;nen Träger aufgebracht.

In Verdeutlichung der Erfindung soll als Beispiel die Bestimmung eines zu messenden Ligands, z. B. Hydroxyl-lons (Base) mit Hilfe der erfindungsgemäßen Reagenzkompositionen dienen. In diesem Fall wird als Reagtiz die Lösung einer, mit dem zu bestimmenden Ligand einen Komplex bildenden Ionen, z. B. Wasserstoffionen enthaltenden, konjugierten Säure verwendet,

deren pH-Wert der Zahl der Milliäquivalente der zugegebenen Base eine eindeutige, vorteilhaft lineare Funktion isL Solch eine Säurelösung kann durch Vermischen mehrerer Säuren verschiedener Protonisierungskonstanten (der Reziprokwert der Dissoziationsgleichgewichtskonstante) hergestellt werden.

Die Wirkungsweise der Reagenskomposition ist in F i g. 1 veranschaulicht Der negative Logarithmus der Dissoziationsgleichgewichtskonstante der in der Reagenzkomposition anwesenden stärksten — mit A bezeichneten — Säure sei pK*. Der pH-Weit der Lösung ist mit diesem Wert numerisch gleich, wenn die Säure bis zu einem Titraiionsgrad von 50% titriert worden ist, das heißt bis die Konzentration des Ligands gleich der der konjugierten Säure ist. Wenn konjugierte Säure A mit dem zu bestimmenden Ligand separat titriert wird, wird die Titrationskurve der Säure A (Kurve A) erhalten; der Äquivalenzpunkt dieser Titration ist e.%. Ähnliche (B, C... N)Kurven werden im Fall konjugierter Säuren B.C.. N, deren Stärke gemäß der folgenden Ungleichung

pK_s<pKr... <pK_N

verschieden ist, erhalten. Wenn die konjugierten Säuren A, B, C... N in der Lösung gleichzeitig anwesend, und ίο die einzelnen Säuren so ausgewählt worden sind, daß der Unterschied zwischen den negativen Logarithmen ihrer Dissoziationskonstanten größer als 0,5, jedoch kleiner als 2 sei

,. (0,5<zlpK<2),

ferner ihre Konzentrationen (C■„ Cb-■■ Cn) so eingestellt worden sind, daß sie der Gleichung

C.J2 + C_B/2

pK_c - pK_B C_e/2 + Q./2 pK_;V - ρΚ_ν_^

CV₁./2'+ C~/2

entsprechen, erscheinen an der mit der den zu bestimmenden Ligand enthaltenden Lösung durchgeführten Titration erhaltenen Titrationskurve die einzelnen Äquivalenzpunkte nicht, wie üblicherweise getrennt, sondern als die Resultante der individuellen A, B, C... NTkrationskurven wird eine lineare, gerade Linie (E, in die Figur mit punktierter Linie eingetragen) erhalten. Die obige Formel stellt die Richtungstangente der Hypotenuse (E) der von durch Punkte pKa pKc- · · pK/vparallel mit der Abszisse, und durch Punkte pK*, pKg und pKc parallel mit der Ordinate gezogenen Geraden begrenzten, rechtwinkligen Dreiecken dar.

Es ist ersichtlich, daß, wenn das gemäß obigen Ausführungen hergestellte Säuregemisch als Reagenzlösung verwendet wird, der pH-Wert der Lösung eine mit der Menge des zu bestimmenden Ligands, gegebenenfalls der Hydroxylionen, proportionale Änderung zeigt, wobei die Konzentration der Hydroxylionen durch eine einzige pH-Messung bestimmbar ist. Wenn dagegen nicht Hydroxylionen, sondern Hydroxoniumionen zu bestimmen sind, wird von dem obenerwähnten Säuregemisch durch Zugabe einer Lauge ein Salzgemisch hergestellt; die den zu messenden Ligand, gegebenenfalls Hydroxoniumionen enthaltende Lösung wird zu dem erwähnten Salzgemisch zugegeben, wobei sich eine im wesentlichen sukzessive Verdrängungsreaktion abspielt und der pH-Wert der Lösung sich mit der Menge der Hydroxoniumionen linear ändert; demgemäß kann die Konzentration der Hydroxoniumionen ebenfalls durch eine einzige pH-Messung bestimmt werden.

Es kann eingesehen werden, daß die Erfindung keinesfalls — etwa laut obigen Beispiels — auf azidi-alkalimetrische Bestimmungen beschränkt ist. Zu irgendeinem beliebiger, chemischen Reaktionstyp kann eine Reagenzkomposition zusammengestellt werden, deren Komponenten bei Zugabe einer zunehmenden Menge des zu bestimmenden Ligands sukzessive Gleichgewichtszustände durchgehen, wobei ein charakteristischer Parameter des Systems sich mit der Änderung des Gleichgewichtszustandes monoton (vorteilhaft linear) verändert. Auf diese Weise wird z. B. zu kedoxmessungen eine Reagenzkomposition verwendet, 6s die ein Gemisch von Komponenten verschiedener Redoxnormalpotentiale darstellt; zu komplexometrischen Messungen eine, die ein Gemisch von Komplexbildnern von verschiedenen Stabilitätskonstanten ist; zu Niederschlagsmessungen eine, die ein Gemisch von Niederschläge verschiedener Löslichkeitsprodukten zustande bringenden Niederschlagbildnern ist. Die Zusammensetzung all dieser Meßlösungen kann aufgrund derselben Betrachtungen und Formeln bestimmt werden, die in Zusammenhang mit der azidi-alkalimetrischen Reagenzkomposition beschrieben worden sind.

Es ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren bzw. Reagenzkomposition das ganze Anwendungsgebiet der volumetrischen Analyse umfaßt.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. Reagenzkomposition sind demgemäß offensichtlich. Die bisher allgemein verwendeten maßanalytischen Verfahren werden durch die Erfindung überflüssig, denn dasselbe technische Resultat wird mit einfacheren Mitteln erreicht. Die zu den Titrationen verwendeten Chemikalien und Instrumente sind überflüssig, wobei die Kosten der Analysen herabgesetzt werden. Anstatt der Titrationsprozedur wird eine einzige Messung durchgeführt, wobei die Arbeit wesentlich beschleunigt wird. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Empfindlichkeit der Bestimmungen zwischen weiten Grenzen variabel ist; bei azidimetrischen Bestimmungen kann z. B. die Zusammensetzung der Reagenslösung so gewählt werden, daß bei einer Veränderung der Konzentration des Ligands um eine Größenordnung der pH-Wert eine Veränderung von 10 Einheiten aufweist, das heißt, bei einer Messung, bei der eine Genauigkeit von 1% angestrebt ist, genügt es, den pH-Wert mit einer Genauigkeit von 0,1 pH Einheit zu bestimmen; das kann sogar an Meßstellen mit allereinfachsten technischen Bedingungen leicht verwirklicht werden.

Die Konzentration der Reagenskomposition wird zweckmäßigerweise größenordnungsmäßig gleich der der Probe gewählt, z. B. zur Messung einer Säure von 2 η-Konzentration wird eine Reagenskomposition auch von der Konzentration 2 η (oder höher) zusammengestellt. Bei wesentlich niedrigeren Konzentrationen (die z. B. mit ionensensitiven Elektroden gemessen werden) ist es dagegen zweckmäßig, sehr niedrige Konzentrationen, z. B. ΙΟ"⁵ bis 10-'° M, zu verwenden. In Spezialfäller kann es erwünscht sein, eine konstante lonenstärke, oder aber ein konstantes Potential der Bezugselektrode sicherzustellen; zu diesem Zweck wird der Lösung der Reagenzkomposition in geeigneter Konzentration —

die zweckmäßigerweise höher als 10*' η und niedriger als 5 η ist — ein geeigneter Elektrolyt-Zusatzstoff, z. B. Kaliumchlorid oder Kaliumnitrat zugegeben.

Der charakteristische Parameter der Reagenskomposition, aus welchem auf die Konzentration der gesuchten Komponente geschlossen werden kann, muß auf irgendeine Weise gemessen werden. Zweckmäßigerweise wird ein elektrischer (z. B. Elektrodenpotential, spezifisches Leitvermögen, usw.) oder ein optischer (z. B. Extinktion) Parameter bestimmt. Es kann auch so verfahren werden, daß ein auf den zu messenden Parameter charakteristisch reagierender Indikator (z. B. pH-Farbindikator, Redoxindikator, usw.) der Reagenskomposition zugemischt wird, wobei das Meßverfahren noch weiter vereinfacht wurde.

Am einfachsten wird die erfindungsgemäße Reagenskomposition in Form einer Lösung verwendet; es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Reagenslösung auf einen körnigen, faserigen, gewebenen, laminierten, usw. Träger (z. B. Filtrierpapier oder Silikagel) aufzubringen, oder aber der Reagenskomposition im festen Zustand mil einem geeigneten Zusatzmaterial (wie lonenstärken-Einstellmaterial, Reagens, Füllmaterial, usw.) zu vermischen und so zu verwenden.

Außer den in den oben beschriebenen, direkten Meßverfahren (die dadurch gekennzeichnet sind, daß die zu bestimmende Komponente der Probe ein mit der Reagenskomposition unmittelbar in Reaktion tretendes Ligand ist) ermöglicht die Erfindung auch indirekter Meßverfahren, bei denen der mit der Reagenskomposition in Reaktion tretende Ligand erst durch eine Reaktion der Probe gebildet wird. Zum Beispiel, die zu bestimmende Substanz ist Cholinesterase; die Probe wird mit Azetylcholin Substrat zur Reaktion gebracht, und die während der Reaktion gebildete Essigsäure wire mit der erfindungsgemäßen Reagenskomposition bzw Verfahren in direkter Weise bestimmt. Von dei gemessenen Menge der Essigsäure kann das Cholineste rase-Gehalt der Probe errechnet werden.

Beispiel

Eine Lösung von der Konzentration 0,1 η wird von in

ίο den folgenden angegebenen Säuren bereitet, und die Lösungen werden gemäß folgenden Proportionen vermischt:

Volumteile
Maleinsäure

^!f' (pKi = 2,00, pK₂ = 6,26) 1,0
Zitronensäure

(pK, = 3,06, pK₂ = 4,74, pK₃ = 5,40) 8,1

Kaliumdihydrogenphosphal(pK = 7,21) 8,5

Meta-Nitrophenol(pK = 8,34) 14,0

Borsäure (pK = 0,14) 4,5

Phenol (pK = 9,89) 2,5

Wenn 1 ml des obigen neungliedrigen Säuregemisches mit einer Lauge titriert wird, wird das in Fig.2 dargestellte Diagramm erhalten. Wie ersichtlich, ist der pH-Wert der Lösung eine praktisch lineare Funktion der eingetragenen Laugenmenge. F i g. 2 stellt gleichzeitig das Eichdiagramm der im Beispiel angegebenen Reagenskomposition dar; wenn zu l"ml der Reagenskomposition eine bekannte Menge der die zu bestimmende Base enthaltenden Lösung zugegeben ist, kann die gesuchte Konzentration der Base nach der pH-Bestimmung von F i g. 2 abgelesen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Reagenzkomposition zu direkten quantitativen chemischen Bestimmungen von Komponenten eines s Gemisches, dadurch gekennzeichnet, daß die Reagenzkomposition aus einer aus mehr als einem Glied bestehenden Reagenzserie besteht, deren Reagenzkomponenten so ausgewählt sind, daß die negativen Logarithmen der Gleichgewichts- ι ο konstanten der zwischen der Komponente der gesuchten Konzentration und den einzelnen Gliedern der Serie sich abspielenden Reaktionen (pK) eine sich monoton verändernde Serie bilden und die Differenz zwischen den pK-Werten der benachbarten Glieder größer als 0,2 und kleiner als 5 sind.

2. Reagenzkomposition nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reagenzserie aus Z bis 10 Gliedern besteht

3. Reagenzkomposition nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen den pK-Werten der benachbarten Glieder größer als 0,5 und kleiner als 2 ist.

4. Reagenzkomposition gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Reagenzserie Indikatorstoff(e) enthalten sind.

5. Reagenzkomposition gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Reagenzserie Ionenstärken-Einstellstoff(e) enthalten sind.

6. Reagenzkomposition gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Reagenzserie Füllstoffe) enthalten sind.

7. Reagenzkomposition gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Glieder der Reagenzserie auf einen Träger aufgebracht sind.