Winfried Vonau, Wolfgang Fichtner und Ulrich Guth

Die Messung des pH-Wertes gehört neben der Bestimmung des Sauerstoffgehaltes im Abgas von Automobilen derzeit wohl zu den am häufigsten durchgeführten elektrochemischen Analysen. Er ist an das Vorhandensein von Wasser gebunden und thermodynamisch über die NERNSTsche Gleichung klar definiert.
Obwohl gegenwärtig für die pH-Wert-Messung sowohl im Labor, als auch in der industriellen und Feldanwendung der Einsatz von nach DIN 19 263 standardisierten Elektroden vorherrscht, gibt es Gebiete, auf denen sich deren Einsatz verbietet oder wo er unvorteilhaft ist. Hier sind Entwicklungsarbeiten zur Optimierung und Adaption der konventionellen Sensortechnik erforderlich oder es müssen eingesetzt werden. Messtechnisch ist der pH-Wert gemäß Abbildung 1 auf unterschiedliche Weise zugänglich.

Abbildung 1: Experimentelle Möglichkeiten zur pH-Wert-Bestimmung

Im Folgenden werden unter Berücksichtigung elektrochemischer und nichtelektrochemischer Analysenmethoden anhand einiger ausgewählter Beispiele von der Routineanwendung abweichende pH-Messaufgaben und deren Lösungswege aufgezeigt.

pH-Messung in Biorektoren und Chemostaten mit konventionellen miniaturisierten Glaselektroden

In Bioreaktoren werden häufig zur Überwachung der Kultivierung und zur Erfassung prozessspezifischer Parameter in fermentativen Synthesen pH-Sensoren eingesetzt (Abb. 2). Beispielsweise kommen im neu entwickelten Miniatur Multisensor-Chemostaten erstmalig neben kalorimetrischen auch miniaturisierte elektrochemische Sensoren, u.a. auch pH-Sensoren (Abb. 3), zum Einsatz. Die zur Online-Messung benutzten in Feinwerktechnik hergestellten miniaturisierten pH-Einstabmessketten, die aus der pH-Glas-Messelektrode und der gelbasierten Ag/AgCl-Referenzelektrode mit Keramikdiaphragma bestehen (Abb. 4), haben nur einen Durchmesser von 3 mm. Damit sind sie insbesondere zur Integration in eine Multisensoranordnung und zur Messung in kleinsten Volumina (ca. 25 ml Reaktorvolumen) geeignet.

		Abbildung 2: Verlauf der pH-Wert-Messung mit miniaturisiertem Sensor während einer Fermentation von Milchsäurebakterien Dauer: 142 Stunden, Temperatur: 42 °C, ohne Begasung, B - Beimpfung mit der Vorkultur
Abbildung 3: Miniaturisierte pH-Einstabmesskette zum flüssig keitsdichten Einbau in kleine Messzellen oder Reaktionsgefäße		Abbildung 4: Sensorkopf mit pH-sensitiver Membran und Diaphragma der Referenzelektrode

In vielen Fällen besteht Interesse daran, feste Lebensmittel, beispielsweise Käse oder Fleisch, bezüglich physikalischer, chemischer und/oder biochemischer Parameter zu untersuchen. Speziell der pH-Wert wird oft herangezogen, wenn abzuschätzen ist, ob ein Produkt noch genießbar oder bereits verdorben ist.
Heute werden hauptsächlich flüssigabgeleitete Glaselektroden verwendet. Man ist jedoch bestrebt, pH-Elektroden in Dickschichttechnik einzusetzen, die einerseits eine höhere mechanische Stabilität besitzen und miniaturisierbar sind; andererseits ist die Möglichkeit einer kostengünstigeren und automatisierbaren Fertigung gegeben.
Entwickelt wurde eine planare pH-Einstabmesskette, bestehend aus einer pH-Glaselektrode und einer Bezugselektrode, beide auf die Vorder- und Rückseite eines isolierten Stahlsubstrates platziert. Abbildung 5 zeigt eine Aufnahme der Vorder- und Rückseite der pH-Einstabmesskette in Dickschichttechnik. Die Referenzelektrode besteht aus einer glashaltigen Zwischenschicht, in die ein Chlorid-Reservoir mit 40 Masse-% NaCl eingelagert ist. Diese Glasschicht ist zwischen einer Ableitelektrode (Ag/AgCl) und einer Polymerabdeckung angeordnet.

Es ist sinnvoll, auf der dem Messmedium zugewandten Seite des Sensors dem Stahlsubstrat eine scharfkantige Spitze zu verleihen, so dass der pH-Sensor direkt in ein festes Objekt eingestochen werden kann. Das Stahlsubstrat wird zur elektrischen Isolierung in ein Polymer eingebettet. Die Kontaktierung mit dem Ableitkabel wird durch eine entsprechende Steckverbindung gewährleistet, so dass ein Austauschen des Sensorkopfes problemlos erfolgen kann. Der Aufbau des gesamten Sensors, bestehend aus Sensorkopf, Sensorschaft und Ableitkabel ist in Abbildung 6 dargestellt.

Abbildung 5: Dickschicht-pH-Sensor

Abbildung 6: Einstichelektrode zur pH-Messung fester Lebensmittel

Der pH-Wert gestattet uns Aussagen über die Qualität von Fleisch, u.a. dessen Haltbarkeit, Bindekraft und Pökelbereitschaft zu treffen.

Chronischer Rückfluss von saurem Magen- oder alkalischem Darmsaft in den Ösophagus führen bei Teilen der Bevölkerung zu einer Alteration der Schleimhaut, die mit relativ häufigen und typischen Beschwerden ohne nennenswerte histomorphologische Veränderungen einhergeht [1]. Bei vielen Patienten mit chronischem Reflux entwickelt sich jedoch eine erosive Entzündung der Speiseröhre mit Komplikationen wie Stenose oder maligner Schleimhauterkrankung. Die Kontaktzeit des Refluates mit der Schleimhaut der Speiseröhre gilt als wesentlicher pathogenetischer Faktor der Refluxkrankheit. Für deren Diagnostik sowie für Untersuchungen direkt im Magen hat sich seit langem die elektrochemische pH-Metrie etabliert, vor allem, weil sie gegenüber röntgenologischen und szintigraphischen Verfahren überlegen ist [2]. Üblich ist mittlerweile die sog. 24h-pH-Metrie. Bisher bekannte Sonden erfordern für ihre Herstellung einen sehr erheblichen Aufwand an mikromechanischen und glasbläserischen Fertigungsschritten.
Eine gegenüber bisher vorhandenen Magensonden verbesserte Lösung [3], die in Abbildung 7 schematisch und in Abbildung 8 gegenständlich dargestellt ist, weist mehrere Vorteile auf.

Abbildung 7: pH-Magensonde (schematische Darstellung)

Abbildung 8: pH-Magensonde, bestehend aus Sb-Indikator- und gelförmiger Bezugselektrode

Metall-Metalloxid-Elektroden auf der Basis von halbleitenden Oxiden (PtO₂, IrO₂, RuO₂, OsO₂, Ta₂O₃, TiO₂, PdO, SnO₂, ZrO₂ und PbO₂), vorzugsweise der Gruppe der Platinmetalle, eignen sich besonders für miniaturisierte Strukturen zur pH-Wert-Bestimmung [4, 5]. Die Metall-Metalloxidstrukturen können durch thermische bzw. anodische Oxydation von Metallelektroden, durch Zersetzung von Metallsalzen auf einem Ableitkontakt oder durch das Einbringen des Metalloxids in eine inerte Matrix erzeugt werden.

Grundlage der Elektroden bildet ein RuO2-Pulver der Fa. Alfa Aesar (A Johnson Matthey Company), welches nach Herstellerangaben Partikelgrößenverteilungen im Submikrometerbereich besitzt. Die spezifische Oberfläche des Rutheniumoxidpulvers beträgt zwischen 45 - 65 m²/g. Sauerstofftitrationsmessungen zeigen einen direkte Zerfall des RuO₂-Pulvers ohne Zwischenstufen ab 900 °C. Das heißt, Zwischenoxidationsstufen sind nach dem Sintern nicht zu erwarten.
Die Herstellung der Sensorstrukturen erfolgt mittels Siebdrucktechnik. Diese Beschichtungstechnologie hat sich auf Grund der hohen Flexibilität und Produktivität bei geringen Investitionskosten als sehr zweckmäßig für die Herstellung von elektrochemischen Sensoren erwiesen.
Für die Rutheniumoxid-Dickschichtelektroden werden Pasten auf der Grundlage von Polymeren und Glasfritten als inerte Matrix verwendet. Die Ableitelektrode besteht aus einer Platinschicht, welche gleichzeitig für die Ankontaktierung verwendet wird. Nach dem Aufdrucken der Rutheniumoxidelektrode wird diese mittels einer polymeren Paste auf der Basis von Epoxidharzen maskiert (Abb. 10). Die geometrische Elektrodenfläche beträgt nach dieser Maskierung ca. 7 mm².

Abbildung 9: Labormuster einer RuO2-Elektroden

Abbildung 10: Physiosensor zur Analyse von Speichel, Urin und Serum Analytvolumen 200 µL (Minium), Einmalsensor

Die Sensorkennlinien der Rutheniumoxid-Dickschichtelektroden zeigen quasi NERNST'sches Verhalten, wobei auf Grund der elektrochemischen Eigenschaften eine, von den korrespondierenden Spezies abhängige Redoxempfindlichkeit zu verzeichnen ist.
Diese Eigenschaften prädestinieren diese Ruthenium-Dickschichtelektroden für den Einsatz in Lab-on-Chip-Systemen (Abb.10) mit relativ konstanten Randbedingungen, wie es beispielsweise bei der Stoffwechseldiagnostik und biomedizinischen Anwendungen der Fall ist.

ISFET (Ionensensitive Feldeffekttransistoren) sind chemische Sensoren auf Halbleiterbasis. Entsprechend Abbildung 11 ist bei einem ISFET zur Messung des pH-Wertes die metallische Gate-Elektrode eines MOS-Feldeffekttransistors durch eine dünne pH-sensitive Schicht aus Si₃N₄, Al₂O₃ oder Ta₂O₅ ersetzt. Diese Sensoren haben sehr kleine Abmessungen, eine kurze Ansprechzeit.

Abbildung 11: Wirkprinzip und elektrische Betriebsschaltung eines ISFET-Sensors

Insbesondere die Verkapselung und Kontaktierung von ISFET ist ein schwieriges technologisches Problem. Funktionsbedingt muss die chemisch sensitive Fläche des Mikrosensorchips unmittelbaren Kontakt zu dem Messmedium haben, während andererseits die davon nur ca. 1 mm entfernten Chipkanten und elektrischen Kontaktierungen zuverlässig vor der korrosiven Einwirkung des Messmediums geschützt werden müssen [6]. Am Kurt-Schwabe-Institut wurden spezielle Technologien zur Verkapselung der Sensorchips im Labormaßstab entwickelt [7].
ISFET-pH-Sensoren wurden zur Lösung spezieller Messprobleme auf verschieden Forschungsgebieten, u.a. zur nichtinvasiven In-vivo-Messungen in der Medizin [8] eingesetzt.

Abbildung 12 zeigt zwei Ausführungsformen von ISFET-Messsonden für den Einsatz in der Stomatologie (a) und Gynäkologie (b).

Abbildung 12: ISFET-pH-Messsonden für In-vivo-Mess-ungen in der Stomatologie (a) und Gynäkologie (b).

Ein Beispiel für die Anwendung der ISFET-pH-Messsonde nach Abb. 12(a) ist in Abb. 13 dargestellt. Die Änderung des pH-Wertes des Speichels während und nach der Spülung mit einer sauren Lösung wurde in Abhängigkeit von verschiedenen Einflussgrößen bestimmt.

Abbildung 13: Ergebnisse der pH-Messung mit einer ISFET-Messsonde bei einem Mundspülversuch

In den letzten Jahren haben sich auf dem Gebiet der pH-Messungen kolorimetrische Verfahren und faseroptische Sensoren (Optoden) als Alternativen zu elektrochemischen Anordnungen für spezielle Messaufgaben zunehmend etabliert. Als indirekte Applikation der pH-Messung ist die CO₂-Gasmessung zu nennen, bei der der zu ermittelnde Partialdruck den pH-Wert eines Puffers beeinflusst und dann mit kolorimetrischen Anordnungen erfasst wird.
Im Kurt-Schwabe-Institut wird derzeit in Kooperation mit:

• der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg Institut für Technische Chemie und Makromolekulare Chemie,
• DYOMICS, Jena und dem
• CiS Institut für Mikrosensorik gGmbH, Erfurt

Abbildung 14: Prinzipdarstellung eines Enzymsensors zur Messung der Konzentration von PSM mit integrierter optischer pH-Messzelle

Der in den pH-Sensor eingesetzte mikro-optoelektronische Sensor MORESTM zur Signalerzeugung (LED) und Aufnahme (Photodioden) ist planar ausgebildet. Der Vorteil von MORESTM gegenüber einem faseroptischen Sensor besteht im geringeren gerätetechnischen Aufwand, da zusätzlich lediglich eine Signalverarbeitung benötigt wird.

Abbildung 15: Spektrales Verhalten des Systems BS121/CPG-Membran, Absorptionsspektren der BS121/CPG-Membran bei Variation des pH-Wertes, Farbstoffkonzentration im Cocktail: 0,25 mM

Abbildung 16 zeigt am Beispiel von Kalibrierkurven der Membran BS121/CPG die Funktionstüchtigkeit des Messsystems. Das Ansprechen des pH-Sensors wird im Bereich pH = 7 bis 9 demonstriert, dem Arbeitsbereich für die Detektion der PSM. Über einen Zeitraum von 14 Tagen konnten gut übereinstimmende Messergebnisse erzielt.

Abbildung 16: Photostrom in Abhängigkeit vom pH-Wert der Pufferlösung (links). Abhängigkeit des Photostromes der PD bei kontinuierlichem Wechsel zwischen den pH-Werten pH = 8,73 und pH = 7,09 (rechts). Ionenstärke: 100 mM, Wellenlänge: 670 nm, mittl. Porendurchmesser der CPG-Membran: 66 nm, transmembrane Druckdifferenz: 125 mbar.

Das optische pH-Messsystem eignet sich gut zur Bestimmung des pH-Wertes. Die Ansprechzeit konnte gegenüber den Messungen am UV/VIS-Spektrometer um mehr als 80% gesenkt werden und liegt im Mittel bei ca. 2 Minuten.
Die Herstellung poröser Glasmembranen mit maßgeschneiderten Textureigenschaften sowie definierter Geometrie und die modulare Bauweise der Messzelle versprechen einerseits die Möglichkeit der Fertigung identischer Indikator/ bzw. Enzym/CPG-Membranen und andererseits einen schnellen und unkomplizierten Austausch der Membranen. Die Kombination der neuen mit Indikator präparierten Sensormaterialien mit miniaturisierter Optik ist, in einem Durchflusssystem integriert, eine viel versprechende Entwicklung auf dem Gebiet der optischen pH-Messung.