Analytische Chemie 1 - ZHAW Biotechnologie
Analytische Chemie 1 Vorlesung der ZHAW. Bei Fragen oder Korrekturen an silvannessler@gmail.com
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Flashcards
Was sagt die Zellkonstante eines Leitfähigkeitssensors aus?
Die Zellkonstante \(k = {L \over A}\) ist bei demselben Sensor immer gleich. Sie kann über eine Standardlösung mit dem Leitwert G bestimmt werden.
\(G*k = G { L\over A } = \kappa\)
Wie funktioniert das Messprinzip von klassischen Leitfähigkeitssensoren?
In der Praxis wird oft die Wheatstone'schen Brückenschaltung benutzt, um die Leitfähigkeit von Lösungen zu bestimmen.
Zwischen A und B wird nun eine Spannung angelegt. Die beiden Widerstände R1 und R2 sind konstant. RA ist veränderlich und bei RM wird schlussendlich der Widerstand gemessen (sprich, RM ist die zu messende Flüssigkeit). Das Ziel ist nun, den Quotienten aus R1 und R2 mit dem Quotienten aus RA und RM gleichzusetzten, sodass zwischen den Punkten C und D keine Spannung anliegt.
Wie funktioniert eine 4-Elektroden Messzellen?
Bruder kei ahnig
Was sind die Vorteile von 4-Elektroden-Messzellen?
- decken grossen Messbereich ab
- die bei höheren Leitfähigkeiten störenden Polarisationseffekte haben keinen Einfluss auf das Messergebnis
Wie funktionieren induktive Leitfähigkeitssensoren?
Es werden zwei Ringkernspulen eingesetzt, bei denen eine durch eine Wechselspannung einen Strom in der Messlösung induziert. Je höher die Leitfähigkeit der Lösung ist, desto höher ist deren induziertes magnetisches Wechselfeld. Das Wechselfeld wird seinerseits von einer Empfängerspule registriert.
Wie kann der TOC Wert einer Lösung bestimmt werden?
Es werden zwei Leitfähigkeitssensoren benutzt, zwischen denen eine 220 nm UV-Lampe angebracht ist, die organische Verbindungen in CO2 und Wasser oxidiert. Durch das Carbonat-CO2-Gleichgewicht kann nun die Differenz der Leitfähigkeit gemessen werden, was dem TOC entspricht.
Mit welchen Verfahren können Biomassekonzentrationen gemessen werden?
- Druchflusszytometrie (Charakterisierung von Zellen)
- Fluoreszenz- oder Infrarotspektroskopie (Moleküle in Zellen, Rückschlüsse auf Metabolismus)
- Trübungssensoren
- Dielektrische Spektroskopie (Zellzahl und -grösse)
Was wird bei Trübungssensoren gemessen und wo werden sie eingesetzt?
- Standardmethode zur Bestimmung der Biomassekonzentration
- Streuung des Lichts wird gemessen, korreliert mit der Anzahl an suspendierten Zellen
- Partikel, die kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts, streuen das Licht seitwärts und vorwärts
- grössere Partikel streuen das Licht zur Quelle zurück
- Gemessen wird die optische Dichte, meistens bei 600 nm, der OD entspricht \(OD = \log({I_0 \over I })\)
- OD verhält sich proportional zur Zelltrockenmasse, hohe Konzentrationen müssen aber verdünnt werden
Wie funktioniert die Messung von Zellzahlen durch dielektrischen Spektroskopie?
- Anlegung eines elektrischen Wechselfelds mit wechselnder Frequenz
- lebende Zellen lassen sich polarisieren (ähnliches Verhalten wie ein Kondensator)
- bei hohen Frequenzen des Wechselstroms werden die Zellen leitend
- Kann nicht ohne weiteres von einem auf andere Organismen übertragen werden
Was sind Biosensoren?
Biosensoren haben eine biologische (oder "natürliche") Erkennungskomponente. Dies können Organismen oder Teile davon sein. Die Erkennungskomponenten können mit einem Umwandler verbunden, oder direkt in diesen integriert sein.
Wie funktionieren Biokatalytische Sensoren?
- Enzyme auf einer Oberfläche Immobilisiert
- Geschwindigkeit der Reaktion, die durch die Enzyme katalysiert werden gilt als Mass der Konzentration den Substrats
- Reaktionsgeschw. lässt sich über den Elektrolysestrom messen -> amperometrische Transduktion
- meistens aber nur indirekt über den Verbrauch des Oxidationsmittels bzw. des Nebenprodukts
Wie funktionieren Bioaffinitätssensoren?
- Beruhen auf Wechselwirkungen (Komplexbildung) zwischen Probemolekülen und biologischen Komponenten
- Ausmass der Komplexbildung korreliert mit der Analytenkonzentration
- Änderung der Eigenschaften der Sensoroberfläche (Brechungsindex, Fluoreszenzemission etc.)
- z.B. Immunosensoren oder DNA-Microarrays
Wie können die biologischen Komponenten an der Sensoroberfläche immobilisiert werden?
- Unspezifische Bindung durch Adsorbtion -> Sensor in Lösung getaucht, die die biologische Substanz enthält.
- meist weniger beständig
- Kovalente Bindungen der Enzyme oder AK weisen eine höhere Langzeitbeständigkeit auf, können aber die Funktion der Enzyme stören
- Self Assembled Monolayers aus Alkylketten auf Gold-Oberflächen sind gut geeignet
- Kohlepasten oder leitfähige organische Salze können für Enzyme verwendet werden, die genug hydrophob sind
Welche Anforderungen an Biosensoren gibt es?
- Hohe Spezifität gegenüber dem Analyten
- Hohe Stabilität im Einsatz und während der Lagerung
- Unabhängigkeit der Reaktion von physikalischen Parametern wie pH-Wert, Temperatur oder Rühren
- Ansprechverhalten mit hoher Empfindlichkeit, Genauigkeit und Reproduzierbarkeit, mit Vorteil lineare Kennlinie
- Keine Probenvorbehandlung (Verdünnung, Filtration, Aufkonzentrieren)
- Hohe Reversibilität, d.h. sowohl aufsteigende als auch abnehmende Konzentrationen werden erfasst
- Preisgünstig, klein und einfach in der Bedienung
- Nicht anfällig auf Fouling oder Proteolyse
Wie funktioniert die amperometrisch-enzymatische Bestimmung von Glucose?
- Katalytische Oxidation von Glucose zu Gluconolacton, wobei Wasserstoffperoxid hergestellt wird
- Wasserstoffperoxid wird elektrochemisch bestimmt
- hohes Potential aufgrund von hohem Standardreduktionspotentials nötig
- dadurch relativ grossen Einfluss von Störsubstanzen, die dabei ebenfalls oxidiert werden
Wie sind Biosensoren zweiter Generation aufgebaut und was ist der Vorteil gegenüber der ersten Generation?
Bei Biosensoren zweiter Generation werden die Elektronen, die auf das Enzym übertragen wurden, direkt an die Elektrode übertragen. Dies läuft über Mediatoren ab. Mediatoren sind Redox-Aktive Verbindungen. Sie stellen den Kontakt zwischen Enzym und Elektrodenoberfläche her.
Im Vergleich zu den Sensoren erster Generation sind diejenigen zweiter Generation weniger anfällig auf Interferenzen.
Wieso gibt es nur einen limitierten Einsatz von Biosensoren?
kurze Lebensdauer der Enzyme
Bei welcher Anwendungsart haben sich Biosensoren bewährt?
Einmalanwendungen (wie z.B. Glucosemessung bei Diabetikern) sind ein geeignetes Einsatzgebiet von Biosensoren. Dabei werden Glucoseoxigenasen auf einen Teststreifen gedruckt.
Wie können optische Messverfahren mit Biosensoren vereinigt werden?
Teststreifen für die Glucosebestimmung im Urin haben zusätzlich zur Glocoseoxigenase eine Peroxidase, die das entstehende Wasserstoffperoxid reduziert, was eine Vorstufe eines Farbstoffs bildet. Durch eine Farbreaktion kann anschliessend die Konzentration bestimmt werden.
Wie kann die Wiederfindungsrate einer Probe berechnet werden?
- Berechnung der Konzentration der aufgestockten Lösung mit der Formel der Kalibration
\(x = {y + b \over m}\)
- Einsetzen der (auf die Lösungsmenge angepassten Konzentration) in die folgende Formel
\(WFR = {x_{Konz, aufgestockt} - x_{Aufstockung} \over x_{Konz, Probelösung}}\)