Der pH-Wert ist die Einheit, mit der der saure bzw. basische Charakter eines Mediums gemessen wird. Das Membranglas des Sensors liefert ein elektrochemisches Potenzial in Abhängigkeit vom pH-Wert des Mediums. Dieses Potential wird durch die selektive Anlagerung von H+-Ionen an der Außenschicht der Membran erzeugt. Dadurch bildet sich an dieser Stelle eine elektrochemische Grenzschicht mit einer elektrischen Potenzialdifferenz. Ein integriertes Ag/AgCl-Referenzsystem dient als die benötigte Referenzelektrode. Die gemessene Spannung wird mit der Nernst-Gleichung in den entsprechenden pH-Wert umgewandelt.
Wie funktioniert die potenziometrische pH-Messung
Bei der potenziometrischen pH-Messung geht es darum, mit speziellen Elektroden Potenzialdifferenzen zu bestimmen. Sehen wir uns das genauer an:
Glaselektroden
Die wichtigste Komponente in traditionellen Glaselektroden ist eine pH-empfindliche Glaskugel am Ende eines Glasröhrchens. Im Inneren der Elektrode befindet sich eine neutrale, auf einen pH-Wert von 7 gepufferte Kaliumchloridlösung, die einen als elektrischer Anschluss dienenden Silber-Silberchlorid-Draht umgibt.
Ein zweiter Silber-Silberchlorid-Draht in einer anderen Kaliumchloridlösung ist das Referenzsystem in einem äußeren Glasröhrchen. Ein kleines Diaphragma trennt das Referenzsystem von der zu messenden Lösung, jedoch nicht die elektrische Verbindung zur Lösung.
Wenn die Elektrode in eine Lösung getaucht wird, erkennt die Elektrode die unterschiedliche Konzentration von Wasserstoffionen an der Glasmembran. Durch diese Konzentrationsdifferenz entsteht eine messbare Potenzialdifferenz, die dann in einen pH-Messwert umgewandelt wird.
So funktioniert die Glaskugel
Stellen Sie sich vor, dass der Sensor in eine Lösung getaucht wird, z. B. verdünnte Salzsäure. Die kleineren Wasserstoffionen durchdringen die Grenzschicht der Glasmembran und bewirken eine Ladungstrennung, da die größeren Chloridionen an der Außenseite bleiben.
In der Kugel liegt die Wasserstoffionenkonzentration konstant bei einem pH-Wert von 7. Wenn die Wasserstoffionenkonzentration außen höher ist (saure Lösungen), entsteht eine Potenzialdifferenz, der pH-Wert liegt dann unter 7. Bei neutralen Lösungen ist die Wasserstoffionenkonzentration auf beiden Seiten gleich, der pH-Wert ist 7. Wenn die Wasserstoffionenkonzentration außen niedriger ist, liegt der pH-Wert über 7.
Glasfreie Sensoren
In Branchen, für die Glas ungeeignet ist, bieten ISFETs eine robuste Alternative. Sie ersetzen die traditionelle Glaskugel durch eine pH-empfindliche Schicht, die in einen Metall-Oxid-Halbleiter (metal-oxide-semiconductor, MOS)-Transistor integriert ist.
Wenn positive Wasserstoffionen mit dieser Schicht interagieren, bewirken sie eine Ladungstrennung, und der Bereich zwischen Source und Drain wird leitfähig. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen dem Stromfluss und dem pH-Wert der Lösung. Wie Glassensoren benötigen auch ISFETs für genaue Messungen ein stabiles Referenzsystem, das durch ein Diaphragma geschützt ist.
Präzision für jede Anwendung
Wenn das potentiometrische Prinzip so umgesetzt wird wie von Endress+Hauser, bietet es höchste Genauigkeit bei der pH-Messung. Diese Technik kommt in vielen Branchen zum Einsatz und ermöglicht eine höhere Produktausbeute, weniger Abfall sowie Anwendungen, in denen Glassensoren nicht verwendet werden können.
Ob mit Glassensoren oder ISFETs, potentiometrische pH-Messungen sind ein grundlegendes Element der Flüssigkeitsanalyse. Ihr wissenschaftlicher Hintergrund und die Technologie, auf die sie sich stützen, sorgen für zuverlässige Ergebnisse.
