Online-Analytik at RWTH Aachen

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Was bedeutet potentiometrisch?

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Was ist eine Elektrode 1. und 2. Art?

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Warum ist die Kalibierung einer pH-Elektrode notwendig?

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Was versteht man unter dem Alkalifehler und warum tritt er auf?

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Was ist der Säurefehler und warum tritt er auf?

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Nenne Vor- und Nachteile eines ISFET

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Was sind Oxidations- und Reduktionsmittel?

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Erklären Sie das Funktionsprinzip der Clarkelektrode.

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Welche Eigenschaften sollte die Membran für die Clark-Elektrode besitzen?

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Wie funktioniert eine Fluoreszenz Sonde/ Optode und was versteht man unter luminophor und Fluoreszenzquenching?

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Wie verhält sich die Optode im Vergleich zur Clark-Elektrode?

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Nennen Sie Eigenschaften der Redox-Elektrode und Anwendungen.

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Online-Analytik

Was bedeutet potentiometrisch?

elektrochemische Messmethode, bei der die Spannung bestimmt wird, die bei einer chemischen Reaktion entsteht

Online-Analytik

Was ist eine Elektrode 1. und 2. Art?

Elektrode 1. Art: Metall, das in Lösung seines eigenen Salzes taucht

Elektrode 2. Art: Metall, mit schwerlöslichem Metallsalz überzogen, taucht in Lösung mit chemisch inertem Salz mit gleichem Anion

Online-Analytik

Warum ist die Kalibierung einer pH-Elektrode notwendig?

-das Galvani-Potential bildet sich an jeder Berührungsstelle zweier Phasen in der Elektrode

--> von Interesse ist jedoch lediglich das der äußeren Gelschicht


der Nullpunkt der Messkette ist der pH mit einer Kettenspannung = 0 mV --> i.d.R. bei pH 7, dies weicht jedoch aufgrund des Asymmetriepotentials der Glasmembran je nach Alter und Fertigungsunterschied vom Ideal ab


--> um diesen Problemen entgegenzuwirken, muss regelmäßig kalibriert werden

Online-Analytik

Was versteht man unter dem Alkalifehler und warum tritt er auf?

in stark alkalischen Lsg. (pH>12) ist die Protonenkonz. so gering, dass Na-Ionen zur Potentialdifferenz beitragen --> es wird ein pH gemessen, der niedriger ist als tatsächlich

(auch weitere Kationen problematisch bspw. K+)

Online-Analytik

Was ist der Säurefehler und warum tritt er auf?

in Lösungen mit sehr niedrigem pH (<0,5), wird ein zu hoher pH gemessen

--> bei sehr hohen Protonenkonzentrationen ist die Ionenbeweglichkeit zum Teil gehemmt. Es werden aber nur frei bewegliche Protonen bei der Messung erfasst.

Online-Analytik

Nenne Vor- und Nachteile eines ISFET

Vorteile:

-Miniaturisierung --> Einsatz in Mikrotiterplatten oder Fließinjektionsanalyse

-nicht zerbrechlich


Nachteile:

-Driften stark

-Einkapselung der Komponenten zum Schutz vor Feuchtigkeit technisch schwierig

-Referenzelektrode häufig nicht langzeitstabil

Online-Analytik

Was sind Oxidations- und Reduktionsmittel?

Oxidationsmittel sind die Verbindungen, die durch Aufnahme von Elektronen eine Oxidation einer anderen Verbindung bewirken. Dabei werden sie selbst reduziert. Reduktionsmittel sind Verbindungen, die durch Abgabe von Elektronen eine Reduktion einer anderen Verbindung bewirken. Dabei werden sie selbst oxidiert.

Oxidation: Abgabe von Elektronen

Reduktion: Aufnahme von Elektronen

Online-Analytik

Erklären Sie das Funktionsprinzip der Clarkelektrode.

-Kathode und Anode über Elektrolyten elektrisch leitend verbunden

-durch geeignete Polarisationsspannung wird O2 selektiv an der Kathode reduziert, wobei der entstehende Strom dem Sauerstoffpartialdruck proportional ist --> O2 wird verbraucht

-beachte: Elektrodenstrom unterscheidet sich bei Elektrodentypen, weshalb Elektroden und Verstärker nicht beliebig getauscht werden können

-die Kalibrierung sollte bei Fermentationsbedingungen durchgeführt werden, da pO2 von T, p und Anströmgeschwindigkeit (Rührer) abhängt

Online-Analytik

Welche Eigenschaften sollte die Membran für die Clark-Elektrode besitzen?

-Trennt Elektrolytraum vom Messgut --> muss permeabel und selektiv für O2 sein (PTFE)

--> somit findet nur die gewünschte Reaktion an der Elektrode statt

-Dicke der diffusionslimitierten Schicht wird durch Membran konstant gehalten

-Membrandicke sollte geringgehalten werden, um Ansprechzeit der Elektrode zu verringern

Online-Analytik

Wie funktioniert eine Fluoreszenz Sonde/ Optode und was versteht man unter luminophor und Fluoreszenzquenching?

Luminophor: Verbindung, die elektromagnetische Strahlung absorbieren können und als Fluoreszenz emittieren (Bsp. Rutheniumkoplex)


Abbildung:

1. Valenzelektronen werden in höheres Energieniveau angehoben (angeregter Zustand) -> durch interne Kollision geht Energie strahlungslos verloren und restliche Energie als Fluoreszenz emittiert -> durch Energieverlust ist Fluoreszenz langwelliger als das Anregungslicht

2. ist O2 im System enthalten wirkt dieser als Quencher, d.h. ein Teil der Energie wird aus dem angeregten Zustand auf den O2 übertragen -> eine Abnahme der Intensität der Fluoreszenz erfolgt (Kollisions-Quenching)


 

Messprinzip: Messung der Fluoreszenzintensitätsänderung -> das Fluoreszenzquenching ist proportional zur Sauerstoffkonzentration und wird von der Stern-Volmer-Gleichung beschrieben

Online-Analytik

Wie verhält sich die Optode im Vergleich zur Clark-Elektrode?

Optode:

-Phasenwinkelverschiebung wird aufgezeichnet --> umrechenbar in Spannungssignal

-bei niedrigen O2-Partialdruck sensitiv

-ist miniaturisierbar

-muss nicht polarisiert werden

-muss nicht vor jeder Messung kalibriert werden, da Referenz mitgemessen wird

-Ansprechzeit geringer

(T95%-->Zeit, die Sensor braucht, um 95% des finalen Messwerts zu erreichen, wenn er aus einer gesättigten Lösung in eine Lösung ohne O2 überführt wird)

-eine nicht invasive Anwendung ist möglich

-Signal zu Rausch-Verhältnis ist ungünstiger

-Lebensdauer durch Ausbleichen und Ausbluten des Farbstoffs aus Matrix begrenzt


Anwendung: ortsaufgelöste Messung möglich bei immobilisierten Hefezellen im Festbettreaktor (Optoden in Alginatperlen)

Online-Analytik

Nennen Sie Eigenschaften der Redox-Elektrode und Anwendungen.

Eigenschaften: unterschiedlicher pO2 und Redox-Trend --> Redox-Elektrode zeigt Stoffwechselumstellung schon an

Vorteil: löst Unterschiede bei sehr geringen pO2 auf (Clark nicht mehr & Optode schlechtes S/N)

Anwendungen (Regelung der Ferm. nach Redoxsignal):

-Stoffwechselwege gezielt zu beeinflussen, 

-BM-Bildung oder Stoffwechsel beeinflussen

-O2 bei sehr geringen Partialdrücken regeln

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