Banner

Messparameter

Titrimetrische Calcium-Bestimmung mit der ionenselektiven Elektrode

Veröffentlicht von Sabrina Mesters-Wöll am 11.05.2021 10:00:15

HI932-Right-Front-Raised-2-720x720-115854c4-3446-4493-91b6-27b2a1e4dd58In diesem Artikel diskutieren wir den Einsatz einer ionenselektiven Elektrode (ISE) für Calcium zur Konzentrationsbestimmung dieses Elements. Zur besseren Illustration verwenden wir die Untersuchung von Nahrungsergänzungsmitteln.


 

 

 

Calcium – eines der wichtigsten Minerale für die Gesundheit

Calcium spielt eine wesentliche Rolle in unserer Gesundheit und ist das am häufigsten vorkommende Mineral in unserem Körper. Es hilft uns Zähne und Knochen gesund zu erhalten, reguliert die Muskelkontraktion und unterstützt die Freisetzung von Hormonen und Enzymen. Somit führt eine Unterversorgung mit Calcium z.B. zu Muskelverkrampfung, Verwirrung und niedriger Knochendichte. Eine Überversorgung hingegen kann zu Nierensteinen und Ablagerungen in Blutgefäßen führen. Verschiedene Gesundheitsorganisationen empfehlen eine Aufnahme vom 1000 mg Calcium täglich für Erwachsene.

Die wichtigste natürliche Quelle für Calcium sind Milch und Molkereiprodukte. Dies bringt ein Problem für Menschen, die auf Milchprodukte verzichten, mit sich. Zwar gibt es Gemüse mit vergleichsweise hohem Calciumgehalt, wie Blattkohl, Wildbrokkoli und Grünkohl, der Verzehr von diesen alleine reicht aber in der Regel nicht für eine ausreichende Versorgung. Um gesund zu bleiben nehmen daher viele Veganer calciumhaltige Nahrungsergänzungsmittel zu sich.

Für die richtige Dosierung sind sie daher auf Nahrungsergänzungsmittel mit korrekt angegebenen Calciumgehalt angewiesen. In diesem Zusammenhang führen Hersteller von Nahrungsergänzungsmitteln Konzentrationsbestimmungen an ihren Produkten im Rahmen von Qualitätskontrollen durch. Auf der Anfrage eines solchen Herstellers basiert der Praxisanteil dieses Artikels.

Häufig sind calciumhaltige Nahrungsergänzungsmittel in Tablettenform erhältlich, wobei das Calcium als Calciumcarbonat oder Calciumcitrat enthalten ist. Letzteres ist einfacher zu verstoffwechseln, aber auch teurer und hat einen geringeren Calciumanteil. Daher ist Calciumcarbonat die am häufigsten verwendete Verbindung in solchen Produkten.

Was ist eine ionenselektive Elektrode – ein kleiner Exkurs vorab.

Die Messung mit einer ionenselektiven Elektrode ist sehr empfindlich und auch bei geringen Ionenkonzentrationen genau. Eine ISE basiert auf dem Prinzip, dass bei dem Vorhandensein von bestimmten Ionen, nämlich die für die die Elektrode ausgelegt ist, ein konzentrationsabhängiges elektrisches Potential gegenüber einer Referenz aufgebaut wird.  Die bekannteste und am weitesten verbreitet ISE ist die pH-Elektrode, die auf Protonen (Wasserstoff- oder Hydroniumionen) anspricht.

Es gibt drei Hauptarten von ISE, die entweder als kombinierte Elektroden mit integrierter Referenz oder als Halbzellen mit externer Referenzelektrode verfügbar sind.

Feststoffelektroden

Eine Feststoffelektrode baut eine Spannung durch Ionenaustausch zwischen Probe und der anorganischen Membran auf. Dadurch, dass das Membranmaterial nur sehr schlecht in der Probe löslich ist, sind solche Elektroden lange haltbar. Feststoffelektroden verwenden kristalline Membranen, die entweder aus Einkristallen oder polykristallinen Pulvern gepresst bzw. aus der Schmelze gegossen werden. Verwendet werden leitfähige Kristalle, die sich dadurch auszeichnen, dass sie ein Ion besitzen, das im Festkörper beweglich ist. Ein Beispiel ist die von Hanna Instruments hergestellte Elektrode aus Silbersulfid (Ag2S) mit beweglichem Silberion Ag+. Sie ist sowohl für Silber wie auch für Sulfid-Ionen sensitiv ist.

Flüssigkeitsmembranelektroden

Eine Flüssigkeitsmembranelektrode verfügt über eine dünne PVC-Folie als Membran, die mit einem Ionophor – einem Molekül, das in der Lage ist spezifische Ionen zu binden und durch Membranen zu transportieren – beschichtet ist. Eine der ersten Elektroden dieser Bauart ist die Kalium-ionenselektive Elektrode, bei der die Membran mit dem Antibiotikum Valinomycin als Ionophor beschichtet ist.  Die Valinomycin-Moleküle sind in der Lage K+-Ionen mit ihrer ringförmigen Struktur einzufangen und sie nach Transport durch die Membran wieder freizusetzen. Da diese Elektrodensorte mechanisch wesentlich empfindlicher als eine Feststoffelektrode ist, sind die Sensormodule einfach austauschbar.

Gasmembranelektroden

Gasmembranelektroden sind stets kombinierte Elektroden. Sie dienen der Messung gelöster Gase in Flüssigkeiten. Bei diesem Typus trennt eine gasdurchlässige Membran das Sensorelement von der Messlösung.  Bedingt durch den Partialdruck des gelösten Gases diffundiert es durch die Membran und ändert dort den pH-Wert eines dünnen Films eines ungepufferten Elektrolyten auf der Oberfläche des internen pH-Sensors. Die Diffusion läuft solange ab, bis ein Gleichgewicht der Partialdrücke in Elektrolyt und Messlösung erreicht ist. Der pH-Wert ist proportional zur Menge gelösten Gases in der Probe. Hanna Instruments stellt Gasmembran-ISE für Kohlendioxid und Ammoniak her.

Wie kann mit einer ionenselektiven Elektrode gemessen werden?

Eine ISE kann sowohl für absolute wie auch relative Messmethoden verwendet werden. Zu den relativen Messmethoden zählen alle Messmethoden, die Standards verwenden. Das gemessene Elektrodenpotential wird dabei in Relation zu den bekannten Konzentrationen der Standards gesetzt. Die externe Kalibrierung z.B. wird vor den direkten potentiometrischen Messungen durchgeführt. Bei absoluten Methoden wird das Signal der Elektrode ohne vorhergehenden Kalibrerung benutzt. Beispiel hierfür ist die potentiometrische Titration mit einem bestimmten ISE-Signal bzw. einer Signaländerung als Indikator für den Endpunkt.  

Beide Vorgehensweisen haben Ihre Vor- und Nachteile, die in Bezug auf die Messung mit ISE im Folgenden kurz diskutiert werden. Eine allgemeine Diskussion wird auf einen weiteren Blog-Beitrag vertagt, da dieses Thema von grundlegendem Interesse ist und dementsprechend gewürdigt werden sollte.

Direkte Potentiometrie

Die Kalibrierung mit Standardlösungen separat von den Proben (extern) ist die am häufigsten verwendete Kalibriermethode. Die direkte Potentiometrie bietet sich vor allem für den Routinebetrieb mit vielen ähnlichen Proben an. Messgeräte wie das Labormessgerät HI5522 zeigen die Ionenkonzentration einer unbekannten Probe direkt an, nachdem das Instrument mit zwei oder mehr Standards kalibriert wurde. Anpassungen der Ionenstärke werden für Standard und Messprobe durchgeführt. Diese Variante gestattet schnelle, routinemäßige Messungen für eine Reihe unterschiedlicher Applikationen.

Als alternative, relative Messmethode bietet sich die Kalibrierung mit internen Standards an. Bei der internen Standardisierung wird der Standard zur Messprobe gegeben, das heißt, die Probe wird ein oder mehrfach mit bekannten Mengen an Standard aufgestockt. Die Konzentration der ursprünglichen Probe wird durch eine Regression (Kalibriergerade) ermittelt. Diese Methode bietet den Vorteil, dass sie weniger fehleranfällig ist, weil sich Einflüsse bei der Messung durch Variablen wie pH, Viskosität, Ionenstärke und Matrix aufheben.

Potentiometrische Titration

Bei der potentiometrischen Titration werden ISE üblicherweise zur selektiven Detektion, entweder von einem Titrantenbestandteil oder von einer Probenspezies eingesetzt. Somit kann der Verlauf einer z.B. Fällungs- oder komplexometrischen Titration verfolgt und der Endpunkt detektiert werden. Der Endpunkt der Titration wird durch das Erreichen eines bestimmten Spannungswerts bzw. -änderung bestimmt. Bei der Verwendung von ISE als Indikator für den Titranten erfolgt z.B. ein sprunghafter Spannungsanstieg dann, wenn der Analyt in der Probe vollständig ausgefällt (aufgebraucht) wurde und dadurch die Konzentration des Titranten in der Messlösung schlagartig ansteigt.

Was macht hier Sinn – Direktmessung oder Titration?

Prinzipiell sind beide Vorgehensweisen für die Messung des Calciumgehalts in den Nahrungsergänzungsmitteln durchführbar. Die potentiometrische Titration bietet den Vorteil, dass hier lediglich die Änderung des Elektrodensignals zu Endpunktdetektion verwendet werden kann. Es entfällt also die Notwendigkeit der Kalibrierung mit Standards, was mit Aufwand verbunden ist, da Standards frisch hergestellt und die Elektrode täglich kalibriert werden muss. Insbesondere der Aufwand für die interne Standardisierung ist in diesem Fall unnötig, da die zu untersuchenden Proben in der Regel keine komplexe Matrix aufweisen. Die Wahl fiel also auf die potentiometrische Titration, auch da nur eine überschaubare Anzahl an Proben pro Tag gemessen werden sollte.

Vorgehensweise bei der titrimetrischen Bestimmung von CalciumIonenselektive Elektrode ISE für Calcium

Calcium wird mittels komplexometrischer Titration bestimmt, dabei wird EDTA (Ethylendiamintetraessigsäure) als Komplexbildner eingesetzt. Das bedeutet, EDTA entzieht der Probe Ca2+-Ionen, die in einem Komplex gebunden werden. Es wird also so lange EDTA-Lösung zugegeben, bis das gesamte in der Probenlösung vorhandene Calcium verbraucht ist. An diesem Punkt wird sich das Signal der Calcium-ISE nicht mehr ändern und die Titration beendet. Aus dem Verbrauch an EDTA bis zum Erreichen dieses Punkts lässt sich dann einfach auf die Calciumkonzentration schließen.

Bei den zu untersuchenden Proben handelte es sich um Tabletten. Um das Calcium für die Messung aufzuschließen werden die gemörserten Tabletten in Salzsäure aufgelöst. Danach wird der pH-Wert der Lösung mittels eines Ammoniumchlorid / Ammoniumhydroxid-Puffers auf 10 eingestellt. Die Komplexbildung mit EDTA erfolgt am besten bei pH-Werten zwischen 9 und 11. Für die Durchführung der Titration wurde das Gespann aus Hannas potentiometrischem Titrator HI932 und der Calcium-Kombinations-ISE HI4104 verwendet. Durch die hohe Genauigkeit der 40.000-Schritt-Kolbendosierpumpe des Titrators und die Geschwindigkeit des dynamischen Dosierverfahrens, kann der Titrationsendpunkt sowohl schnell als auch präzise bestimmt werden. Bei der dynamischen Dosierung wird das EDTA anfangs in größeren Voluminaschritten zudosiert und es wird automatisch umso feiner dosiert je näher man dem Endpunkt kommt, so dass dieser exakt erkannt werden kann und die Analysezeit trotzdem kurz bleibt.

Somit ist die titrimetrische Bestimmung von Calcium mit einer ISE als Indikator eine einfach anzuwendende und genaue Messmethode, die den Ansprüchen an die routinemäßige Überprüfung einer kleineren Anzahl von Proben – wie hier Nahrungsergänzungmitteln – mehr als genügt. Haben Sie Fragen dazu, ob ein ähnliches Verfahren für Ihre Problemstellung verwendet werden kann?

Kontaktanfrage

Literaturhinweise

[1] chemgapedia.de, Artikel zu Kalibrierung, Zugriff am 18.08.2017
[2] Douglas A. Skoog und James J. Leary, Instrumentelle Analytik: Grundlagen – Geräte – Anwendungen, Springer, 1996

Autoren: Stefan Langner und Dr. Eugen Federherr.

Themen: Titration, Ionen, Calcium

Abonnieren Sie E-Mail-Updates zu diesem Blog