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MESSMETHODEN
4.6 Mess- und Analysenmethoden für die Bestimmung von Naturstoffen
4.6.1 Methoden von A bis Z
In Labors werden verschiedene physikalische und chemische Effekte ausgenutzt, um
die Art und Menge von Boden- und Pflanzeninhaltsstoffen zu bestimmen. Sie werden
hier kurz beschrieben, damit der interessierte Leser weiß, womit er sich noch
genauer befassen kann. Zum Nachmachen eignet sich dieser kleine Exkurs nicht,
schließlich braucht ein Laborant mehrere Jahre zur Erlernung der nötigen Fertig-
keiten.
Bis auf Ausnahmen handelt es sich um Vergleichsmethoden, daher sind Eichungen
nötig. Eichreihen stellt man mit abgestuften Konzentrationen aus abgewogenen
Reinsubstanzen ("Urtiter") her.
Brechungsindex, Refraktometrie
In unterschiedlich dichten Medien hat das Licht unterschiedliche Geschwindigkei-
ten, so dass das Licht im dichteren Medium (z.B. Wasser) zum Lot des Einfalls
hin gebrochen wird (dadurch erscheinen die Gegenstände am Grunde eines Gewässers
höher als sie tatsächlich sind). Nach dem SNELLIUSschen Gesetz (1618, Willebrord
SNELL van ROYEN, 1580-1626) ist der Brechungsindex oder die Brechzahl
n = sin l / sin d
wobei l der Winkel des Strahls im dünneren Medium (Luft) zum Lot ist, d der Win-
kel im dichteren Medium. Als dichtere Medien gelten Wasser, Lösungen, Fette,
Öle, ätherische Öle usw. Die Farbe des Lichts spielt eine große Rolle, weshalb
der Brechungsindex meist auf das gelbe Natriumlicht bezogen wird, es wird durch
den Index D (nD) gekennzeichnet.
Der Brechungsindex wird mit einem Refraktometer gemessen. Winzer messen mit ei-
nem Refraktometer den Zuckergehalt der Trauben.
Chromatographie
Wie bei einem Kaffeefilter wandern die Substanzen unterschiedlich schnell mit
dem aufsteigenden Lösungsmittel durch einen fortlaufenden Prozess von Adsorption
und Verteilung. Als Trägermittel eignen sich Filtrierpapier (Papierchromatogra-
phie), mineralische Stoffe (Flüssigkeitschromatographie, Säulenchromatographie
und bei der Gaschromatographie).
Papierchromatographie: Im einfachsten Fall nimmt man einen Filtrierpapierstrei-
fen, tupft 5 cm über dem unteren Ende einen Tropfen Vergleichssubstanz und dane-
ben einen Tropfen zu prüfende Substanz. Das Ganze wird in ein Reagenzglas mit
etwas Lösungsmittel gestellt. Wenn nach einer Weile die Front oben angekommen
ist, wird der Streifen herausgenommen, getrocknet, mit Reagenzlösung besprüht
und z.B. im UV-Licht betrachtet. Parallel leuchtende Flecken entsprechen den
vorhandenen Substanzen in der Referenzlösung.
Dünnschichtchromatographie ist eine Weiterentwicklung der Papierchromatographie.
Auf einer bis zu 20 cm großen Glasplatte befindet sich folienartig das Träger-
mittel, z.B. getrocknetes Kieselgel, Agar, Dextran, Polyacrylamid, Polystyrol.
Auf einer Startlinie wird je ein Tropfen der Probelösung und daneben ein Tropfen
Referenzlösung aufgegeben, getrocknet und in die Trennkammer gestellt, die unten
mit der Schleppflüssigkeit belegt ist. Sobald die Front die Grenzlinie erreicht,
wird wie bei der Papierchromatographie weiter verfahren. Laut Europäischem Arz-
neibuch (EAB) werden fast alle pflanzlichen Materialien mit diesem Verfahren
identifiziert.
Säulenchromatographie: Ein Glasrohr wird mit einer Trägersubstanz, z.B. Zeolith,
gefüllt und mit Lösungsmittel gesättigt. Nunmehr kann oben die zu testende Sub-
stanz aufgegeben werden. Durch gleichmäßig zutropfendes Lösungsmittel werden die
Stoffe unterschiedlich schnell durch die Säule geschleppt und können am unteren
Ende zu verschiedenen Zeiten detektiert und getrennt aufgefangen werden (1906,
Michail S. ZWET, 1872-1919).
Gaschromatographie: Sie kommt mit minimalen Mengen flüchtiger Testsubstanzen
aus. Die Säule ist ein dünnes Metallrohr, auch in Wendelform, gefüllt mit Träger-
mittel wie Siliziumdioxid oder auch eine Quarzglaskapillare, z.B. mit Polyimid
beschichtet. In einen Trägergasstrom (oftmals Wasserstoff als Schleppgas) wird
eine kleine Probenmenge (erwärmt) eingespritzt. Die Säule wird temperaturkon-
stant gehalten. Je dünner die Säule ist, umso stärkere Drücke braucht es, um die
Messdauer kurz zu halten (bis 200 bar bei HPLC (High Pressure Liquid Chromato-
graphy); bei UHPLC bis 2000 bar!). Die Säulenlängen betragen 0,5..60 (..100) m.
Aufwendig und daher teuer ist die Detektion der einzelnen Substanzen z.B. durch
Wärmeleitfähigkeit, Ionisation, Radioaktivität, Dielektrizitätskonstante, Spekt-
rum, Massenspektrum. Die gesuchten Substanzen laufen nach ihren spezifischen
Retentionszeiten (Zurückhaltezeiten) durch den Detektor. Graphisch ergibt sich
eine Kurve mit Zacken, den sogenannten Peaks. Aus der Fläche unter dem Peak
lässt sich auf die Menge der Substanz schließen bzw. durch Umrechnung mit Test-
reihen genauer bestimmen.
Dichte
Die Dichte flüssiger Stoffe misst man mit Pyknometern oder Senkwaagen. Ein
Pyknometer ist ein kleines Glasgefäß mit einem eingeschliffenen, durchbohrten
Stopfen, es wird völlig getrocknet auf einer Analysenwaage gewogen. Nach dem Be-
füllen mit der zu messenden Flüssigkeit und peinlich genauer Temperierung auf
20 °C wird wieder gewogen. Aus dem geeichten Volumen und dem Nettogewicht ist
die Dichte zu berechnen.
Einfacher ist die Messung mit Senkwaagen, auch Aräometer oder Senkspindel ge-
nannt. Man braucht dazu einen passenden Standzylinder und einen Satz Spindeln,
die ab 0,600 kg/dm³ in Teilbereichen von jeweils 0,100 zu haben sind. In die auf
20 °C genau temperierte Flüssigkeit lässt man die Spindel gleiten und liest den
Wert auf der Skale an der Unterkante des Meniskus ab. Die Spindel darf nicht an
der Zylinderwandung haften.
Bild Senkspindel
Die "Mostwaagen" für den Extrakt- und Zuckergehalt von Traubenmaischen zur Be-
stimmung der Oechsle-Werte sind solche Senkspindeln.
Elektronenspinresonanzspektrographie
Zum Nachweis von Radikalen wird die Probe einem starken Magnetfeld ausgesetzt
und mit Mikrowellenenergie bestrahlt. Die Radikale richten sich nach dem Magnet-
feld aus. Aus der aufgenommenen Energie kann man Rückschlüsse auf Art und Kon-
zentration der freien Radikale ziehen.
[Magnettech: http://www.berlinews.de/wista/archiv/284.shtml (11/2000)]
Elektrophorese
Die Methode ähnelt der Dünnschichtchromatographie; nur legt man hier zusätzlich
eine Gleichspannung (bis zu 1200 Volt!) an. Unter Einfluss des elektrischen Fel-
des wandern die Substanzen auf dem Substrat. Man kann die Platte nach einer be-
stimmten Zeit um 90° drehen und erneut eine Spannung anlegen. Durch Vergleich
mit einem Testgemisch lassen sich Rückschlüsse auf die Zusammensetzung ziehen.
Diese Methode ist für Eiweißkörper besonders geeignet.
Fluorometrie
Es gibt Substanzen, die bei Anregung mit Licht selbst leuchten. Auffällig ist
die Fluoreszenz besonders, wenn das unsichtbare Ultraviolett zum Leuchten im
sichtbaren Bereich anregt (bekannt durch die "Weißmacher" in Waschmitteln). Die
Substanzen sind in Quarzküvetten unterzubringen, da Quarz das UV-Licht durch-
lässt. Leuchten die Substanzen von selbst (z.B. durch Energieabgabe bei einer
chemischen Reaktion), so handelt es sich um Lumineszenz. Die Messung selbst er-
folgt mit Photometern.
Gravimetrie, Gewichtsanalyse
Damit stellt man den Gehalt durch genaues Wägen fest. Die gesuchte Komponente
wird auf chemische Weise in eine unlösliche Form gebracht, abfiltriert, getrock-
net, eventuell ausgeglüht und mit einer Analysenwaage gewogen.
Diese Analysenart gilt als exakteste, weil sie ohne Eichreihen auskommt, ist
aber immer etwas unbequem und zeitaufwendig.
Indikatorpapiere
Auf Teststreifen hat man Reagenzlösungen aufgezogen. Man taucht die Streifen in
die Probenlösung und vergleicht nach vorgegebener Zeit mit einer Farbreihe. Das
Verfahren ist billig, schnell, aber ungenau und dient lediglich zur Orientierung.
Der Urvater der Indikatorpapiere war das Lackmuspapier (rot bei Säuren, blau im
Alkalischen), heute sind Papiere mit Indikatorgemischen gebräuchlich, die einen
größeren Bereich in feinerer Abstufung abdecken.
Bild Indikatorpapier um den Neutralpunkt
Interferometrie
Zwischen zwei parallelen Spiegelglasplatten wird ein einfarbiger Lichtstrahl
durchgelassen und auch gespiegelt, wodurch sich zwei Teilstrahlen ergeben. Je
nach Abstand und dem zwischen den Glasplatten befindlichen Medium ergeben sich
Interferenzen (Überlagerungen der Lichtwellen), die Aufschlüsse auf Art des Me-
diums und dessen Konzentration geben (D. BREWSTER, 1817; später A.A. MICHELSON).
Nach Eichung geeignet für Reihenuntersuchungen von Flüssigkeiten und Gasen.
Kolorimetrie und Photometrie
Die Ermittlung der Konzentrationen von Lösungen durch Messung ihrer Färbung (oft
nach Zusatz einer Reagenzlösung) nennt man Kolorimetrie. Das kann subjektiv
durch das Auge geschehen, indem die zu prüfende Lösung in einem genau bemessenen
Glasgefäß, der Küvette, mit einer abgestuften Reihe von Vergleichslösungen in
gleich gestalteten Küvetten verglichen wird oder die Farbe objektiv mit Fotozel-
len gemessen wird. Diese Methode ist beliebt bei der Nährstoffgehaltsbestimmung
von Böden und Düngern.
Leitfähigkeit, elektrische
ist ein Maß für für den Gehalt an dissoziierten Salzen in wässrigen Lösungen.
Man misst sie beispielsweise laufend in hydroponischen Nährlösungen, um festzu-
stellen, wann wieder Wasser zur Verdünnung zugeführt werden muss. Es wird mit
Wechselstrom gemessen, da Gleichstrom durch Polarisierungseffekte an den Elekt-
roden falsche Werte liefert.
Lumineszenz
ist das kalte Leuchten von Substanzen. Bei der Photolumineszenz wird das Leuch-
ten mit Licht verschiedener Wellenlängen angeregt. Hält das Leuchten nach Been-
digung der Belichtung noch eine Weile an (Nachleuchten), so spricht man von
Phosphoreszenz. Hört das Leuchten dagegen sofort auf, heißt der Effekt Fluores-
zenz. Beispielsweise beruhen die optischen Aufheller in Waschmitteln auf Fluo-
reszenz: Das ultraviolette, nicht sichtbare Licht wird in sichtbares, bläulich-
weißes Licht umgewandelt.
Bei der Chemilumineszenz wird chemische Energie z.B. durch kalte Oxidation in
Licht umgesetzt; weitere Gebiete sind Thermolumineszenz, Elektro- und Radio-
lumineszenz.
Maßanalyse, Titrationsanalyse, Volumetrie
Zu einer mit einer Pipette genau abgemessenen flüssigen Probenmenge mit unbekann-
tem Gehalt in einem Becherglas oder Glaskolben wird aus einer Bürette solange
eine Maßlösung zugetropft, bis der Endpunkt der Titration erkannt wird. Den End-
punkt zeigt ein Farbumschlag eines Indikators an oder ein anderer physikalischer
Effekt (pH-Wert mit Spezialelektroden, elektrische Leitfähigkeit: Konduktometrie;
Potentialänderung: Potentiometrie). Nach Art der reagierenden Partner unterschei-
det man Azidimetrie, Alkalimetrie, Jodometrie, Permanganometrie, Komplexomet-
rie... Als Maßlösung dienen Normallösungen, die im Liter 1n-Lösung genau ein
Grammäquivalent des betreffenden Stoffes bzw. Vielfache oder Bruchteile enthal-
ten. Ein Liter 0,1n-Schwefelsäure neutralisiert also genau einen Liter 0,1n-Kali-
lauge.
Massenspektroskopie (MS)
Mit einem Elektronenstoß bzw. durch Kanalstrahlen aus einer Entladungsröhre kann
man Ionen erzeugen und durch ein Magnetfeld ablenken, wobei die Ionen nach ihrer
Masse auffächern (1919, Francis W. ASTON 1877-1945, Nobelpreis 1922). Mit dieser
Methode sind Messungen von Spuren bis hinunter in den Femtobereich (bis 10-15 g
= 1 fg) möglich sowie mit der Beschleuniger-Massenspektroskopie sogar die Tren-
nung einzelner Isotope voneinander.
Ein Massenspektrometer (MS) besteht aus einer Ionenquelle (mit Strom, Wärme,
Licht, Laser, Elementarteilchen, chemischer Energie...), die Teilchen werden
durch ein elektrisches Feld in einem Analysator geführt, in dem die Ionen nach
ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis separiert werden. Die Detektion erfolgte ursprüng-
lich mit Fotoplatten, heute kommen Sekundärelektronenvervielfacher, Photomulti-
plier und andere Bauteile zum Einsatz. Sehr empfindliche Ergänzung der Gaschro-
matographie.
Mikroskopie
Zu einem kleinen Exkurs über das Mikroskopieren
siehe Mikroskop
Nephelometrie
misst Trübungen in Flüssigkeiten, indem der seitlich ausgestreute Anteil eines
Lichtstrahls photometrisch ermittelt wird. Nach John TYNDALL (1820-1893) heißt
diese Form der Lichtstreuung an den Teilchen Tyndallkegel.
Optische Aktivität
Das natürliche Licht schwingt in allen Ebenen, mit einem Polarisationsfilter
(aus NICOLschen Prismen) siebt man eine Schwingungsebene aus und misst nach dem
Durchgang durch eine zu prüfende Substanz, wie sehr sich die Schwingungsrichtung
verändert. Dreht sie nach rechts, wird der Betrag mit einem (+) versehen, nach
links mit einem (-). Ursprünglich hatte man die Drehrichtung mit D (oder d
für lat. dexter, rechts) und L (oder l für lat. laevus, links) bezeichnet und
das am Beispiel des D-Glycerinaldehyds festgelegt.
Später stellte man fest, dass trotz gleicher räumlicher Struktur des asymmet-
risch belegten Kohlenstoffatoms es Moleküle gibt, die das Licht in die andere
Richtung drehen. Zur genauen Bezeichnung stellt man daher beide Angaben vor den
Verbindungsnamen, normal wären D(+)- und L(-)-, abweichend davon sind jedoch
auch D(-)- und L(+)- möglich. D und L stehen also nur für für die Konfiguration am
asymmetrischen ohne Berücksichtigung des Drehungssinns. Den zu messenden Dreh-
wert geben (+) und (-) an.
Ein Gemisch aus einer Verbindung in zwei räumlich unterschiedlichen Bauformen
(D und L) heißt Racemat.
Gemessen wird die optische Aktivität mit einem Polarimeter. Für rechtsdrehende
Substanzen steht Glucose (=Dextrose), für linksdrehende Fructose (=Lävulose).
Rübenzuckerlösungen weisen keine optische Aktivität auf (weil sich Rechtsdrehung
der Dextrose und Linksdrehung der Fructose aufheben), man weicht hier auf die
Messung des Brechungsindex aus.
pH-Wert
In einer wässrigen Lösung ist das Wasser in Wasserstoffionen (H+; diese nack-
ten Protonen gibt es in Wasser nicht, sie sind an Wassermoleküle angelagert)
und Hydroxylionen (OH-) dissoziiert (gespalten). Das Produkt beider Konzentra-
tionen (gemessen in mol/l) ist in etwa (temperatur- und konzentrationsabhängig)
konstant bei 10E-14 bzw. 10-14. Da das Produkt konstant ist, genügt es, nur
die Konzentration der Wasserstoffionen anzugeben. Der Umgang mit der Exponenten-
schreibweise ist umständlich, deshalb nimmt man im Prinzip nur den Exponent und
kehrt das Vorzeichen um. Dieser Sachverhalt verbirgt sich hinter der Definition:
"Der pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der Wasstoffionenkonzentra-
tion einer wässrigen Lösung" (S.P.L. SÖRENSEN, 1909). Die pH-Werte bestreichen
den Bereich zwischen 0 und 14, der Neutralpunkt liegt bei 7,0; darunter ist der
sauere, darüber der alkalische Bereich anzutreffen. Für das Pflanzenwachstum
trägt der pH-Wert des Bodens entscheidend bei und muss daher gelegentlich über-
prüft werden. Im einfachsten Fall gelingt das mit Indikatorpapierstreifen (siehe
oben), während zu Reihenuntersuchungen präzisere elektrische Messmethoden einge-
setzt werden. Man braucht dazu spezielle Normal-Elektroden; damit das Messgerät
nicht das Gleichgewicht an der Elektrode beeinflusst, müssen Messgerät und Mess-
brücke hochohmig sein.
Polarographie
An einer Quecksilberelektrode, die ihre Oberfläche ständig erneuert (durch Trop-
fen, J. HEYROWSKY, 1922) in einer zu messenden Lösung wird eine Spannung ständig
erhöht und der Strom kontinuierlich gemessen. Aus den charakteristischen Stufen
dieser Kurve kann auf Art der Substanz und Konzentration geschlossen werden. Die-
se Messmethode eignet sich für anorganische und organische Stoffe wie Mineral-
stoffe, Zucker, Aminosäuren und Vitamine.
Polarisation siehe optische Aktivität
Potentiometrie
Fast belastungslose Messung der Aktivität von Lösungspartnern an Spezialelektro-
den (klassisch an der Wasserstoffelektrode oder an Glaselektroden), besonders zur
Erkennung von Titrationsendpunkten.
Radiometrie
Die Messmethoden beruhen auf der Wechselwirkung von Kernstrahlung mit Materie.
Eine grobe Einteilung in vier Gruppen:
1. Veränderung der Strahlenintensität
Radiometrie: z.B. Dickenbestimmung, Füllhöhen, Feuchtigkeitsmessung
Radiographie: Gammagraphie, Röntgenographie
2. Chemische Wirkung radioaktiver Strahlung
Strahlenchemie
Biologische Strahlenwirkung
3. Tracertechnik zur Erfassung von Chemismen und Anlagenmechanismen
Aufklärung von Reaktionsabläufen, Spurenelementbestimmung
Prozesskontrolle
4. Umwandlung von Kernstrahlung in andere Energieformen (Strom, Wärme)
Stoff- und Strukturaufklärung
Schmelzpunkt
Die zu prüfende Substanz wird in ein gläsernes Kapillarröhrchen gefüllt und ne-
ben der Kugel eines Thermometers in einem Schmelzpunktapparat nach THIELE befes-
tigt. Der Schenkel des Apparats wird erwärmt, so dass die wärmeleitende Flüssig-
keit (z.B. konzentrierte Schwefelsäure) zirkuliert, bis die Kristalle der Sub-
stanz zusammenfließen und einen Meniskus bilden. Wenn nur kleine Mengen der Sub-
stanz zur Verfügung stehen, bestimmt man den Schmelzpunkt unter dem Mikroskop
auf einem Heiztisch.
Spektroskopie, Spektralanalyse
In einer heißen Flamme zeigen verschiedene Elemente ein charakteristisches Licht,
(man denke an das gelbe Aufflackern einer Heizgasflamme, wenn Kochsalz hinein-
gerät). Durch ein Prisma werden Lichtstrahlen gebrochen, und zwar umso stärker,
je kurzwelliger das Licht ist. Der Lichtstrahl wird durch ein Spaltrohr mit mög-
lichst engem Spalt auf das Prisma gelenkt, die Spektralfarben bzw. Spektralli-
nien werden durch ein auf das Prisma gerichtetes Fernrohr betrachtet und mit den
Wellenlängenangaben der Skale verglichen. Die Linien sind charakterisch für be-
stimmte Elemente, die Methode eignet sich daher zur Bestimmung von Mineralstof-
fen bzw. Spurenelementen. Unterschieden werden Emissionsspektrum (wie beim Koch-
salz in der Flamme) und Absorptionsspektrum, wenn das ausgesendete Licht erst
durch Dampf von Testsubstanzen gesendet wird, das erste Beispiel sind die Fraun-
hoferschen Linien der Sonne (1814, Joseph v. FRAUNHOFER, 1787-1826). Die ersten
Spektralapparate verdanken wir Gustav Robert KIRCHHOFF (1824-1887) und Robert
BUNSEN (1811-1899).
Statt des Prismas kann auch ein optisches Gitter zur Auflösung der Spektralli-
nien dienen, statt des sichtbaren Lichtes lassen sich Infrarot (hilfreich bei
der Aufklärung von Molekülstrukturen, liefert Aussagen über die Kräfte zwischen
den Atomen im Molekül, wo liegen Doppelbindungen vor usw.) oder Röntgenstrahlen
verwenden. Bei Kristallen verhalten sich die Atompunkte wie ein optisches Gitter,
so dass aus der Röntgeninterferenz auf die Anordnung im Kristallgitter zu schlie-
ßen ist. Es wurden qauch tragbare, pistolenförmige Röntgenspektrometer entwi-
ckelt, die in kurzer Zeit vor Ort gestatten, beispielsweise Schwermetalle in Bo-
denproben zu detektieren.
Tüpfelanalyse
Auf entweder saugendes (z.B. Filtrierpapier) oder glattes Material (Glas, Por-
zellan) ist die Probe (ein Lösungstropfen, Blut etc.) aufzubringen und ein Rea-
genztropfen zuzugeben. Eine Fällung oder eine Gerinnung oder eine Farbänderung
lassen dann auf das Ergebnis schließen.
Viskosität, Zähigkeit
Das Fließen von Flüssigkeiten wird als ein Gleitvorgang zwischen benachbarten
Schichten aufgefasst. Diese innere Reibung wird dynamische Viskosität genannt.
Bezieht man die dynamische Viskosität auf die Dichte, erhält man die kinemati-
sche Viskosität. Die dynamische Viskosität ε (eta) wird in Pa*s (= N/*s/m²),
früher in Poise P bzw. Centipoise cP angegeben. Die kinematische Viskosität
ν (ny) (m²/s = Pa*s(kg/m³)) wurde früher in Stokes St bzw. Centistokes cSt an-
gegeben. Die Kenntnis der Zähigkeit z.B. von Ölen ist für die Auslegung techni-
scher Apparate unerlässlich. Da die Viskosität temperaturabhängig ist, werden
die Messgeräte z.B. nach ENGLER, UBBELOHDE oder HÖPPLER mit Thermostaten tempe-
riert.
Voltametrie
Messung des Strom-Spannungsverhaltens an Elektroden in Abhängigkeit von Reaktio-
nen oder/und Konzentrationen, auch die Gesamtheit der elektrochemischen Messver-
fahren wie Amperometrie, Coulometrie, Dekametrie, Elektrogravimetrie, Kondukto-
metrie, Leitfähigkeitsmessung, Polarographie, Potentiometrie
Wassergehalt siehe Feuchtemessung
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