DE2944980C2 - Zusammensetzung, Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen der Ionenstärke oder des spezifischen Gewichtes einer Flüssigkeitsprobe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Bestimmung der Ionenstärke oder des spezifischen Gewichtes einer Probe. Sie betrifft insbesondere eine Zusammensetzung, eine Prüfungsvorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Ionenstärke oder des spezifischen Gewichtes einer wäßrigen Versuchsprobe. Die Bestimmung des spezifischen Gewichtes einer Flüssigkeit wird auf zahlreichen Anwendungsgebieten erforderlich. Bei so verschiedenen Gebieten, wie dem Brauwesen, der Analyse von Urin, der Wasserreinigung, der Herstellung von Trinkwasser an Bord von Seeschiffen und dergleichen, muß das spezifische Gewicht gemessen werden. Deshalb würde eine Methode, die diese Eigenschaft schnell bestimmt, auf vielen Anwendungsgebieten sehr vorteilhaft sein, einschließlich allen Technologien, bei denen schnelle und genaue Bestimmungen des spezifischen Gewichtes erforderlich sind. Wenn ein Laborant in einem medizinischen Laboratorium

z. B. das spezifische Gewicht einer Urinprobe innerhalb von wenigen Sekunden genau messen könnte, würden diese Ergebnisse nicht nur dem Arzt bei der Diagnose eine Hilfe sein, sondern die Laboreffizienz könnte erhöht werden und innerhalb eines Zeitraumes könnten viel mehr Analysen durchgeführt werden.

Obwohl die vorliegende Erfindung einen sehr großen Anwendungsbereich hat, soll sie der Einfachheit halber doch nur diskutiert werden hinsichtlich der Bestimmung der Ionenstärke und des spezifischen Gewichtes von Urin. Anwendungen bei anderen Disziplinen werden verständlich, wenn man die Anwendung bei der Urinanalyse versteht.

Die Bestimmung des spezifischen Gewichtes von Urin ist von erheblichem Wert für die klinische Behandlung von elektrolytischen Störungen. Eine vollständige Urinanalyse schließt deshalb im allgemeinen auch eine Bestimmung des spezifischen Gewichtes ein. Dabei wird im allgemeinen die Messung des spezifischen Gewichtes mit einer geeigneten Vorrichtung vorgenommen, aber ebenso wirksam ist die Messung einiger damit zusammenhängender Eigenschaften, wie der Osmolalität oder der Ionenstärke, aufgrund derer man dann die entsprechenden Werte für das spezifische Gewicht berechnen kann.

Das spezifische Gewicht hat keine Dimension und bezieht sich, im Falle einer Lösung, auf das Verhältnis des Gewichtes eines bestimmten Volumens der Lösung zu dem an sich gleichen Volumen Wasser derselben Tempeso ratur. Für Lösungen, wie Urin, bedeutet das spezifische Gewicht eine Funktion der Zahl der Dichte und der Ionenladung und des Gewichtes der verschiedenen in Lösung befindlichen Stoffe.

Bisher hat man zur Bestimmung des spezifischen Gewichtes Hydrometer, Urinometer, Pygnometer, Schweremesser und dergleichen verwendet. Obwohl diese Vorrichtungen des Standes der Technik in den meisten Fällen ausreichend empfindlich sind, muß man doch in allen Fällen zerbrechliche große Instrumente, die immer wieder gereinigt werden müssen, einsetzen, die immer wieder kalibriert werden müssen, um ihre Zuverlässigkeit sicherzustellen. Darüber hinaus weisen diese Instrumente eine Reihe von Schwierigkeiten auf, die mit der Mechanik dieser Instrumente zu tun haben. Manchmal ist es schwierig den Miniskus abzulesen. Schaum oder Blasen an der Flüssigkeitsoberfläche können die Ablesung beeinflussen. Bei Urinometern besteht die Neigung an den Seiten des Gefäßes, welches die Flüssigkeitsprobe enthält, anzuhaften. Im Falle von Urin ist die Menge der Probe häufig nicht ausreichend, um in der einen oder anderen der vorerwähnten Vorrichtungen geprüft zu werden.

Ein Druchbruch, der die vorerwähnten Nachteile praktisch beseitigt hat und der eine schnelle Bestimmung der Osmolalität (also des spezifischen Gewichtes) ermöglicht, wird in US-PS 40 15 462 der Anmelderin beschrieben. In diesem Verfahren wird eine Trägermatrix mit osmotisch zerbrechlichen Mikrokapseln versehen, wobei die Wandungen dieser Kapseln aus halbdurchlässigem Membranmaterial bestehen. In den Wandungen eingekapselt ist eine Lösung, die eine färbende Substanz enthält. Sind die Kapseln in Berührung mit einer Lösung einer niedrigeren Osmolalität als innerhalb der Kapseln, so tritt ein osmotischer Gradient längs der Kapselwandung in Richtung auf die niedrigere Osmolalität ein und dadurch erhöht sich der hydrostatische Druck innerhalb der

Kapseln, die dadurch anschwellen und schließlich zerreißen und ihren Farbinhalt freigeben. Die bei diesem Phänomen freigegebene Menge der Farbe ist eine Funktion des spezifischen Gewichtes der Lösung.

Aus dem Vorstehenden geht hervor, daß außer den zahlreichen Vorrichtungen, mittels denen man das spezifische Gewicht direkt messen kann, es auch möglich ist, indirekte Methoden zur Bestimmung des spezifischen Gewichtes, wie die Osmolalkät einer Lösung, anzuwenden. Ein weiterer Weg zur Bestimmung des spezifischen Gewichtes ohne Direktmessung besteht in einer Bestimmung, die auf der Proportionalität des spezifischen Gewichtes und de*" Ionenstärke einer Lösung beruht Dieses Konzept liegt der vorliegenden Erfindung zugrunde. Es ist allgemein bekannt, daß das spezifische Gewicht eines wäßrigen Systems in erheblichem Maße durch die Gegenwart von geladenen Teilchen beeinflußt wird. Bei ionischen Lösungen ist es möglich, das spezifische Gewicht der jeweiligen Lösung durch Messungen der Ionenstärke sehr annähernd zu bestimmen, wenn man diese Messungen dann mit einem vorkalibrierten Referenzsystem vergleicht

Der Ausdruck »Ionenstärke« bezieht sich auf die mathematische Beziehung zwischen der Zahl von unterschiedlichen Ionenspezies in einer jeweiligen Lösung und deren jeweiligen Ladungen. Die Ionenstärke μ wird mathematisch durch die Formel

μ = y Σ c,zj

wiedergegeben, worin c die molare Konzentration einer jeweiligen ionischen Spezies und ζ der absolute Wert der Ladung bedeuten. Die Summe 2 wird über alle verschiedenen Arten von Ionen in der Lösung genommea

US-PS 34 49 080 beschreibt die Messung von gelösten Natrium- oder Chloridionen. Diese Druckschrift betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration dieser Ionen in Körperschweiß. In dieser Patentschrift wird beschrieben, wie man Ionenaustauschharz zusammen mit einem pH-Indikator anwenden kann. Bei Verwendung der Vorrichtung wird die Gegenwart von Natrium- oder Chloridionen durch eine Farbänderung in dem Ionenaustauschharz, verursacht durch einen pH-Indikator, bestimmt Diese Druckschrift ermöglicht somit einen Weg, die Ionenstärke zu messen, aber die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben festgestellt, daß die dortige Lehre, wie sie in den Beispielen verwirklicht wird, nicht geeignet ist, um das spezifische Gewicht zu messen.

Sowohl die Osmolalitätsbestimmung als auch die Bestimmung der lonenstärke für eine indirekte Bestimmung des spezifischen Gewichtes, können hinsichtlich der Genauigkeit durch die Gegenwart von nicht-ionischen Spezies erheblich beeinflußt werden. Infolgedessen wird in der US-Patentanmeldung 7 16 962 vom 23. August 1976 ein Verfahren zur Entfernung dieser möglichen Quellen für eine Ungenauigkeit beschrieben und eine Vorrichtung offenbart, bei welcher das auf das spezifische Gewicht ansprechende System ein Ionisierungsmittel enthält, welches die nichtionische Lösung in eine ionische überführt

Zusammenfassend kann man zum gegenwärtigen Stand der Technik sagen, daß viele Methoden zur Bestimmung des spezifischen Gewichtes, und zwar direkte sowie auch indirekte Methoden, bekannt sind. Für die Direktmessung benötigt man Vorrichtungen die zerbrechlich, großvolumig und teuer sind und die man ständig reinigen und kalibrieren muß. Für die indirekten Methoden kann man die Messung der Konzentration von Lösungen, die als Osmolalität bekannt ist, anwenden und man erhält eine genaue Beziehung zum spezifischen Gewicht. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird eine andere Beziehung angewendet, nämlich die Beziehung zwischen dem spezifischen Gewicht und der lonenstärke einer Lösung und die Erfindung besteht in einer Vorrichtung, in einer Zusammensetzung und in einem Verfahren, bei dem man diese Beziehung ausnutzt. In US-PS 34 49 080 wird ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Natrium- und/oder Chloridionen im Körperschweiß beschrieben. In dieser Druckschrift macht man Gebrauch von der Affinität eines schwach sauren oder schwach basischen Ionenaustauschharzes zu unbekannten Ionen und von der Farbänderungskapazität des bekannten pH-Indikators. In keinem der bekannten Verfahren wird die vorliegende Erfindung nahegelegt oder beansprucht

Die vorliegende Erfindung besteht kurz gesagt in einer Testzusammensetzung, auch Reagenz genannt, einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Bestimmung des spezifischen Gewichtes einer wäßrigen Probe. Die Zusammensetzung als wäßrige Lösung besteht aus einem schwach sauren oder schwach basischen Polyelektrolytpolymer, das wenigstens zum Teil neutralisiert worden ist und einer Indikatorsubstanz, die den Ionenaustausch zwischen dem Polyelektrolyten und der Probe anzuzeigen in der Lage ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einer Trägermatrix, die zusammen mit der Zusammensetzung vorliegt. Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß man eine Probe mit der Vorrichtung oder der Zusammensetzung zusammenbringt und das Ansprechen auf eine Farbänderung beobachtet.

F i g. 1 bis 8 sind grafische Darstellungen von (a) dem Ansprechen von drei Polyelektrolyten auf Versuchsproben mit unterschiedlichen spezifischen Gewichten und (b) der Titration oder der Teilneutralisation dieser Polymeren. So werden in den

F i g. 1,2 und 3 Titrationskurven für ein Copolymer aus Methylvinyläther und Maleinsäureanhydrid, Polyacrylsäure und Polyvinylamin gezeigt.

F ι g. 4.5 und 6 zeigen das Verhalten dieser Polyelektrolyten bei der Bestimmung des spezifischen Gewichtes von Urin bei unterschiedlichem Grad der Teilneutralisation der in dem Polymer vorhandenen Gruppen.

F i g. 7 zeigt ein ähnliches Verhalten für Polyvinylamin in wäßrigen Salzlösungen unterschiedlicher Konzentrationen.

F i g. 8 zeigt das Verhalten einer bevorzugten Vorrichtung.

Die erfindungsgemäße Zusammensetzung enthält als einen Bestandteil einen schwach sauren oder schwach basischen Polyelektrolyten. Zahlreiche Beispiele für solche Polymere sind bekannt, wobei deren gemeinsame Charakteristik in dem Dissoziierungsgrad der ionischen Gruppen, wenn das Polymer einer wäßrigen Umgebung

ausgesetzt wird, besteht Die meisten Polyelektrolyten sind ganz oder teillöslich in Wasser und werden leicht ionisiert in Abhängigkeit von der ionischen Art von (a) dem wäßrigen System und (b) den ionisierbaren Gruppen in der Polymerkette.

Ein Polyelektrolyt wird als schwach oder stark sauer oder basisch je nach seinem ionischen Verhalten bezeichnet Im allgemeinen bezeichnet man einen Polyelektrolyten, der nahezu vollständig in Berührung mit Wasser ionisiert, wie Polyvinylschwefelsäure und Polystyrolsulfonsäure als starken Polyelektrolyten. Schwache Polyelektrolyten enthalten andererseits schwach saure oder schwach basische ionisierbare Gruppen. Die Ladungsdichte längs der Molekularkette dieser Polymeren kann durch den Grad der Neutralisation variiert werden. Beispiele für schwach saure oder schwach basische Polyelektrolyten, die insbesondere für die vorliegende Erfindung anwendbar sind, sind Polyacrylsäure, Polymaleinsäure, Maleinsäure-Methylvinyläther-Copolymere, Polymethacrylsäure, Styrol-Maleinsäure-Copolymere, Poly-(4-vinylpyridin) und andere.

Die erfindungsgemäße Zusammensetzung schließt schwach basische und schwach saure Polyelektrolyte ein aber sie schließt insbesondere solche ein, die teilneutralisiert sind. Wenigstens einige der funktioneilen Gruppen des Polymeren, ob sie nun schwach sauer sind (z. B. COOH) oder schwach basisch, werden zuerst teiltitriert mit einer Base oder Säure bevor man den Polyelektrolyt zu der Testzusammensetzung gibt. Typischerweise werden wäßrige Lösungen der Titriermittel verwendet, wobei basische Titriermittel NaOH, KOH, Na2CO3, Polyäthylenimin, tris-(Hydroxymethylamin)-methan und andere dem chemischen Fachmann bekannte Stoffe einschließen. Überraschenderweise wurde es für notwendig gefunden, daß eine solche Teiltitration oder -neutralisation stattgefunden hat, damit eine ausreichende Differenzierung zwischen den unterschiedlichen spezifischen Gewichten in den Testlösungen bestimmt werden kann.

Vorzugsweise wird das Polymer zu wenigstens etwa 50% neutralisiert, d. h. daß etwa die Hälfte der ionisierbaren Gruppen neutralisiert ist. Ein idealer Neutralisierungsbereich der erfindungsgemäß besonders bevorzugt wird, liegt bei etwa 75 bis etwa 95%iger Neutralisation, wobei eine 9O°/oige Neutralisation bisher als das Optimum gefunden wurde, um dadurch die größte Trennung im pH-Bereich oder hinsichtlich anderer nachweisbarer Ansprechungen im Hinblick auf das spezifische Gewicht oder die Ionenstärke festzustellen.

Wie vorher festgestellt, muß der erfindungsgemäß ausgewählte Polyelektrolyt teilneutralisiert sein. Dies bewirkt man durch Titrieren des Polymeren mit einer geeigneten Säure oder Base oder mittels anderer Mittel, mit denen man eine Teilneutralisation bewirken kann. In Fig. 1 wird die Titrierungskurve von Gantrez S-79, einem Maleinsäureanhydrid-Methylvinyläther-Copolymer der General Aniline & Film Corp, mit Natriumhydroxid in wäßriger Lösung gezeigt In Fig.2 werden ähnliche Daten für Polyacrylsäure und in Fig.3 für Polyvinylamin gezeigt.

Ein weiterer Bestandteil der Zusammensetzung ist ein Indikator, der auf Ionenaustausch anspricht. Dieser kann unterschiedliche Formen annehmen und z. B. aus einem pH-Messer, einem pH-Indikator oder aus einem anderen Mittel bestehen, mit dem ein Fachmann die Bestimmung durchführen kann. Beispielsweise kann man einen pH-Messer mit einer Standard-pH-Elektrode (in Lösungssystemen) anwenden oder mit einer Oberflächen-pH-Elektrode (wenn sich die Zusammensetzung auf einer Trägermatrix befindet). Das Ansprechen des pH-Messers kann über unterschiedliche Werte für die ionische Stärke beobachtet werden und dann kann man ein Vergleichssystem aufstellen, wobei eine spezielle Veränderung des pH's der Ionenstärke in einer jeweiligen Testprobe entspricht

Alternativ kann man bekannte pH-empfindliche chromogene Reagenzverbindungen anwenden und diese können eine Veränderung der Farbe bewirken, die von der die Messung durchführenden Person beobachtet wird und die die lonenstärke oder das spezifische Gewicht des zu untersuchenden Systems anzeigt Verwendet man ein Chromogen, so kann man ein Vergleichsfarbsystem vorher festlegen, so daß ein schneller visueller Vergleich der Zusammensetzung und des Bezugssystems die gesuchten Ergebnisse zeigt Beispiele für erfindungsgemäß geeignete Chromogene sind Bromthymolblau, Alizarin, Bromcresolpurpur, Phenolrot und Neutralrot Bromthylmolblau ist besonders geeignet

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung auf einer Trägermatrix, auf welcher die vorher erwähnte Zusammensetzung aufgebracht wurde, so daß man so eine Vorrichtung in der Hand hat, die schnelle und zuverlässige Messungen der spezifischen Gewichte einer Lösung ergibt Die Trägermatrix ist im allgemeinen —

so aber nicht erforderlicherweise — eine poröse Substanz, wie Filterpapier. Andere bekannte Formen des Materials der Trägermatrix sind poröse, keramische Streifen und gewebte oder mattierte Glasfasern (US-PS 38 46 247). Man kann auch Holz, Stoff, schwammartige Materialien und tonartige Substanzen (US-PS 35 52 928) anwenden. Alle diese Trägermaterialien sind für die vorliegende Erfindung geeignet und auch noch weitere. Besonders geeignet ist Filterpapier.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform befeuchtet man Filterpapier mit einer Lösung oder Suspension eines teilneutralisierten Polyelektrolyten in Wasser oder einem anderen geeigneten Träger, wie man ihn leicht durch Routine-Laborversuche bestimmen kann, und trocknet dann. Das Polyelektrolyt enthaltende Filterpapier wird anschließend mit einer Lösung des gewünschten Indikators (z. B. Bromthymolblau) in Methanol oder einem anderen geeigneten Lösungsmittel, wie Äthanol, Ν,Ν-Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid, befeuchtet und anschließend getrocknet Alternativ kann man auch eine Eintauchmethode anwenden, wobei der Polyelektrolyt und der Indikator in der Ausgangslösung oder -suspension gleichzeitig vorliegen.

Die getrocknete, die Reagenzien tragende Trägermatrix kann auf ein Verstärkungsmaterial aufgebracht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Testvorrichtung aus einer Trägermatrix aus Filterpapier, welches ein teilneutralisiertes Polyelektrolyt und den Indikator, wie vorher erwähnt, enthält, und die Matrix ist auf einer Seite an einem länglichen Stück eines transparenten Polystyrolfilms befestigt Die Matrix wird an das Ende des Films durch geeignete Maßnahmen, z. B. durch ein zweiseitiges Klebeband, befestigt und das andere Ende des Polystyrolfilms dient zum Anfassen. Die Vorrichtung wird dann an dem freien Ende des Polystyrolfilm-Verstärkungsmaterials festgehalten und die Matrix wird in die Testprobe (z. B. Urin) eingetaucht

und schnell daraus entfernt. Jede Farbbildung oder andere erkennbare Ansprechung wird nach einer vorbestimmten Zeit beobachtet und mit einem Vergleichsstandard, der den Ansprechungen bekannter Lösungen bekannter Ionenstärke oder spezifischer Gewichte entspricht, verglichen.

Der jeweils angewendete Vergleichsstandard hängt davon ab, ob die Zusammensetzung selbst verwendet wird oder sich auf einer Trägermatrix befindet und auch von dem jeweils angewendeten Indikatorsyslem. Gibt man den teilneutralisierten Poiyelektroiyten direkt zu der Testprobe und ist die Indikatorvorrichtung ein pH-Messer, so kann man einen Vergleichsstandard entwerfen, indem man eine bestimmte Menge des Poiyelektroiyten zu einem bestimmten Volumen der Lösung bekannter ionischer Stärke zugibt. Die pH-Änderung vor und nach der Zugabe des Poiyelektroiyten wird unter Anwendung des pH-Messers aufgezeichnet. Anschließend wird dieses Verfahren für eine Reihe von Lösungen mit unterschiedlichen aber bekannten Ionenstärken durchgeführt. Zur Bestimmung der Ionenstärke einer unbekannten Testprobe wird das gleiche Verfahren angewendet und die pH-Änderung wird mit der der bekannten Lösungen verglichen.

Wendet man eine Testvorrichtung an, bei welcher eine Trägermatrix vorliegt, die einen teilneutralisierten Poiyelektroiyten und ein Chromogen enthält, so kann ein Vergleichsstandard aus einer Reihe von Farbblöcken bestehen, welcher die Farbänderungen zeigt, die die Trägermatrix nach einer vorbestimmten Zeit gegenüber Lösungen bekannter lonenstärke erfährt. Bei der Prüfung einer unbekannten Probe wird die Trägermatrix einer Testvorrichtung in die Probe eingetaucht, daraus entfernt und nach einer vorbestimmten Zeit wird das Auftreten einer Farbe oder die Änderung einer Farbe festgestellt. Jede Färbung die auftritt, wird dann mit dem Vergleichsstandard-Farbblock verglichen, um so die lonenstärke oder das spezifische Gewicht der Probe festzustellen.

In den nachfolgenden Beispielen wird die vorliegende Erfindung und wie man davon Gebrauch macht, näher erläutert. Es werden bevorzugte Ausführungsformen beschrieben und untersucht. Die Beispiele sind nur beschreibend und in keiner Weise beschränkend auszulegen.

A. Die Zusammensetzung

Beispiel I
Teilneutralisation von Maleinsäureanhydrid-Methylvinyläther-Copolymer

Dieser Versuch wird durchgeführt, um die Teilneutralisation eines Poiyelektroiyten (Gantrez S-97 der General Aniline and Film Corp.) zu studieren und die Auswirkung gegenüber einer Zusammensetzung, wie sie zum Messen des spezifischen Gewichtes einer Lösung verwendet wird.

Ein modularautomatischer Titrator zum Titrieren der verschiedenen Poiyelektroiyten wurde hierbei verwendet. Der Titrator besteht aus einer automatischen Pipette, Modell 25 000 von Micromedic Systems Inc. Dieses Instrument ist in der Lage, ein konstantes Volumen Titriermittel pro Zeiteinheit zu der Lösung zuzugeben, die titriert werden soll. Der Grad der Zugabe des Titriermittels (also der Grad der Neutralisation des Poiyelektroiyten) wurde durch die Auswahl des Pipettenvolumens kontrolliert, den Bruchteil des abgegebenen Pipettenvolumens und der Konzentration des Titriermittels. Veränderungen im pH während des Titrierens wurden unter Verwendung einer Standard-pH-Elektrode und eine Orion Modell 701 Digital-pH-Messers festgestellt Die im pH-Messer auftretenden Signale wurden in einem Hewlett-Packard Modell 17 500 A Linienschreiber eingespeist, dessen Skala zuvor so kalibriert worden war, daß 1 inch (2,54 cm) einer Änderung von einer pH-Einheit entsprach. Der Schreiber ergab somit eine kontinuierliche Aufzeichnung des pH-Bereiches hinsichtlich der Zeit (und damit hinsichtlich des Volumens des zugegebenen Titriermittels).

Diese Vorrichtung wurde zum Titrieren und zur Beobachtung der Wirkungen der Teilneutralisation eines schwach sauren Poiyelektroiyten (Maleinsäureanhydrid-Vinyläther-Copolymer) verwendet Eine Lösung dieses 45 §§ Polymeren wurde aus 20 g des Poiyelektroiyten pro Liter entionisiertem Wasser hergestellt Drei 100 ml Aliquote dieser Lösung wurden in einen 250 ml Becher gegeben. Ein Aliquot wurde 0,01 π und ein weiterer 1,0 η mit NaCl eingestellt Zu dem letzteren Aliquot wurde kein Salz zugegeben. Durch Titrieren dieser Polyelektrolytlösungen mit 1,0 η NaOH in einer 50 ml Pipette in einer Rate von 9,0 ml Titriermittel/Std. und durch Aufzeichnen des pH-Bereiches gegenüber dem Volumen des Titriermittels wurde es möglich, die Titriereigenschaften des Poiyelektroiyten zu studieren und auch die Auswirkungen der Teilneutralisation auf dessen Fähigkeit, die unterschiedlichen Ionenstärken zu unterscheiden.

Die in diesem Versuch gewonnenen Titrationsdaten wurden graphisch aufgezeichnet und in F i g. 1 gezeigt. Kurve A zeigt die Titration der Polyelektrolytlösung, welcher kein Salz zugegeben worden war. Kurve B zeigt die Titration der Polyelektrolytlösung, zu der 0,1 η NaCl gegeben worden war und Kurve C zeigt die Titration der Polyelektrolytlösung, enthaltend NaCl in einer 1,0 η Konzentration. Die deutliche Trennung, die zwischen den Kurven A, B und C in F i g. 1 ersichtlich ist, ist typisch für die Wirkung der lonenstärke auf den scheinbaren pK-Wert des Polymeren. Sieht man die Unterschiede zwischen den Titrationskurven, d. h. der pH-Werte für eine zugegebene Menge an Titriermittel, so kann man die Maximierung hinsichtlich der Bestimmung unterschiedlicher Niveaus des spezifischen Gewichtes abschätzen. Zum Beispiel wird ein größerer Unterschied in dem Bereich zwischen pH 5 und pH 10 als in den anderen Bereichen der Polymerneutralisation festgestellt. Die Kurven in F i g. 1 zeigen, daß eine optimale Differenzierbarkeit bei einem Polymerneutralisationsgrad zwischen etwa 70 und 95% und darüber (d. h. bei der Zugabe von etwa 6,0 bis 9,0 ml Titriermittel) auftritt Diese Information ist nicht nur nützlich um die Wirksamkeit des Polymeren in einem wäßrigen System zu untersuchen, sondern ist auch hilfreich, um die optimale Neutralisation des Poiyelektroiyten, der in eine Trägermatrix eingebracht wird, zu bestimmen, wie aus Beispiel IV hervorgeht

Der Prozentsatz der Neutralisation bei einem gegebenen Poiyelektroiyten kann aus den Titrationsdaten berechnet werden, wie sie grafisch in F i g. 1 in der Kurve A (die Titrierung des Poiyelektroiyten ohne Salzzuga-

be) gezeigt werden. Der Prozentsatz der Neutralisation des Polymeren wird für einen gegebenen pH der titrierten Polymerlösung berechnet, indem man den Lösungs-pH auf der vertikalen Achse sucht und eine horizontale Linie von der vertikalen Achse zur Kurve A verlängert und eine vertikale Linie von diesem Punkt auf der Kurve A zur horizontalen Achse (d. h. ml von 1,0 η NaOH) vornimmt. Das Volumen des Titriermittels (entsprechend dem Schnittpunkt der vertikalen Achse mit der horizontalen Achse) dividiert durch das Volumen des Titriermittels am Endpunkt der Titration und multipliziert mit 100 ergibt eine enge Annäherung an den Prozentsatz der Neutralisation des Polyelektrolyten. Der Titrationsendpunkt wird durch die vertikale Linearität für Kurve A ganz rechts gezeigt und kann ausgedrückt werden als Volumen des zugegebenen Titriermittels.

Für Gantrez S-97 liegt der Endpunkt, wie er in F i g. 1 gezeigt wird, sehr nahe bei 9,0 (etwa 8,6) ml 1,0 η NaOH Titriermittel. Die Titration der Gantrez-Lösung in entionisiertem Wasser bis zu einem pH von etwa 7,5 entspricht einem Volumen von etwa 6,0 ml Titriermittel. Da der Endpunkt bei etwa 8,6 ml Titriermittel liegt, kann man den Prozentsatz der Neutralisation berechnen durch

Beispiel II
Teilneutralisation von Polyacrylsäure

Dieser Versuch wurde durchgeführt, um die Teilneutralisation von Polyacrylsäure zu bestimmen und die Wirkung einer solchen Neutralisation auf die Eignung dieses Polyelektrolyten zur Bestimmung des spezifischen Gewichtes einer Lösung. Der modulare automatische Titrator, der pH-Messer und die im Beispiel I beschriebene Elektrode wurden ebenfalls angewendet, ebenso auch das dort beschriebene Verfahren.

Eine Lösung von Polyacrylsäure, einem schwach sauren Polyelektrolyten der Aldrich Chemical Co. (Katalog Nr. 19,205—8) wurde hergestellt durch Auflösen von 20 g des Polymeren in 1 1 entionisiertem Wasser. Aliquote von 100 ml dieser Lösung wurden in 250 ml Gläser gegeben. Ein aliquoter Anteil wurde auf 0,1 η NaCI und ein anderer auf 1,0 η NaCl eingestellt. Dem dritten aliquoten Teil wurde kein Salz zugegeben. Jede dieser Lösungen wurde mit 10,0 η NaOH aus einer 50 ml Pipette in einer Geschwindigkeit von 3,0 ml Titriermittel/Std. titriert. Die Ergebnisse werden in F i g. 2 angezeigt, in welcher die Kurve A die kein Salz enthaltende Polyelektrolytlösung darstellt, Kurve fJdie 0,1 η NaCl und die Kurve Cdie 1,0 η NaCl enthaltende Lösung ist

Die aus F i g. 2 ersichtlichen Daten zeigen, daß die größte Trennung hinsichtlich der Ionenstärke (d. h. zwischen Kurven A₁ B und C) bei einer Neutralisation des Polymeren von etwa 50 bis 95% oder darüber (d. h. bei einer Zugabe von etwa 1,5 bis etwa 3,0 ml Titriermittel) erfolgt Wurde z. B. das Polymere während 40 Minuten (mit 2,0 ml 10 η NaOH) titriert, kann man eine deutliche Trennung des erhaltenen pH's in Abhängigkeit von der Ionenstärke der Lösung feststellen. Kurve C, die der 1,0 η NaCl-haltigen Lösung entspricht, zeigt einen pH-Wert von etwa 5,25 und Kurve B, mit einer 0,1 η NaCl-Konzentration, ergibt einen pH-Wert von etwa 5,8, während Kurve A, die NaCl in der Konzentration Null enthält, einen pH-Wert von etwa 6,25 zeigt. Das heißt, daß die Ionenstärke oder das spezifische Gewicht einer jeweiligen Lösung annähernd durch Verwendung dieser Werte und entsprechende Interpolation dazwischen festgestellt werden kann.

Beispiel III
Teilneutralisation von Polyvinylamin

Dieser Versuch wurde durchgeführt, um die Teilneutralisation eines schwach basischen Polyelektrolyten, nämlich von Polyvinylamin, zu untersuchen und die Wirkungen einer solchen Neutralisation auf die Anwendbarkeit dieses Polyelektrolyten zur Bestimmung des spezifischen Gewichtes. Der modulare automatische Titrator, der pH-Messer und die Elektrode und ebenso auch das Verfahren waren die gleichen wie in Beispiel I.

Eine Lösung aus Polyvinylamin in dessen Hydrochloridsalz-Form (vollständig neutralisiert), mit einem Molekulargewicht von etwa 60 000 wurde hergestellt in einer Polymerkonzentration von 20 g/l entionisiertem Wasser. Drei Aliquote von jeweils 100 ml wurden aus dieser Lösung hergestellt und in 250 ml Becher gegeben. Einer dieser Aliquote wurde mit NaCl auf eine Konzentration von 0,5 η und ein anderer auf eine Konzentration von 3,0 η eingestellt Dem restlichen Aliquot wurde kein Salz zugegeben. Jede dieser Lösungen wurde dann unter Verwendung einer 50 ml Pipette in einer Menge von 9,0 ml Titriermittel pro Stunde mit 1,0 η NaOH titriert Die Ergebnisse werden in F i g. 3 gezeigt, in welcher Kurve A die Titration der kein Salz enthaltenden Polyelektrolytlösung anzeigt, Kurve B die Lösung, die 0,5 η NaCl enthielt, und Kurve Cdie Titration der Lösung, die 3,0 η NaCl enthielt, anzeigt die Daten in F i g. 3 zeigen, daß nur eine geringe Reaktion erfolgt in Abhängigkeit von der Ionenstärke, wenn das Polymer vollständig in der Amin- oder der nicht-neutralisierten Form (pH 10,35 Minuten) vorliegt, während eine sehr gute Trennung auftritt bei niedrigeren Graden der Titration, d. h. wenn die Neutralisation des Polymeren stärker ist Die Fähigkeit von Polyvinylamin, zwischen unterschiedlichen Ionenstärken zu differenzieren, variiert umgekehrt mit der Menge an Titriermittel, so daß zu Beginn der Titration (bei einem Überschuß von 95%iger Neutralisierung) eine ausgezeichnete Trennung vorliegt, während bei Null-Konzentration (Zugabe von etwa 53 ml Titriermittel) keine Trennung eintritt

B. Testvorrichtung
Beispiel IV

Verhalten eines Maleinsäureanhydrid-Methylvinyläther-Copolymer auf einer Trägermatrix

Die in Beispiel 1 verwendete Lösung (20 g Maleinsäure-Anhydrid-Methylvinyläther-Copolymer pro 1 entionisiertem Wasser) wurde weiter untersucht, um das Verhalten zu messen des spezifischen Gewichtes von Urin, wenn diese Lösung auf eine Trägermatrix aufgebracht war.

Eine Testvorrichtung, die empfindlich gegenüber der Ionenstärke oder dem spezifischen Gewicht war, wurde hergestellt, indem man die Lösung des Copolymer auf Filterpapier aufbrachte und dann trocknete. Es wurden verschiedene Testvorrichtungen hergestellt, um das Verhalten des Polyelektrolyten bei verschiedenen Neutralisationsgraden zu erforschen. Es wurden Aliquote des Copolymeren aus Maleinsäureanhydrid-Methylvinyläther in Lösung in verschiedenem Maße durch Titrieren mit NaOH neutralisiert Filterpapierstreifen von Eaton & Dikeman (Nr. 204) wurden jeweils in diese teiltitrierten Aliquote eingetaucht und dann getrocknet. Die imprägnierten, getrockneten Streifen mit den jeweiligen Aliquoten wurden dann entweder in Urin mit unterschiedlichen bekannten spezifischen Gewichten oder in entionisiertes Wasser getaucht und daraufhin wurde der pH gemessen. Ein pH-Messer mit einer flachen Oberflächenelektrode der Firma Markson Science Inc. (Nr. 1207 BactiMedia combination pH/Referenzelektrode) wurde für diese Messungen verwendet. Die Werte für Δ pH, d. h. der Unterschied des pH's von identischen Streifen, die in entionisiertes Wasser bzw. in Urin bekannten spezifischen Gewichtes eingetaucht worden waren, sind nachfolgend in Tabellenform angegeben.

Die in der obigen Tabelle enthaltenen Daten wurden in F i g. 4 aufgetragen, in welcher die drei Kurven die JpH-Werte angeben, die durch Urine gebildet wurden, welche die angegebenen spezifischen Gewichte hatten und bei denen Teststreifen aus Aliquoten von unterschiedlichen Neutralisationsgraden eingetaucht worden waren. Aus F i g. 4 ist ersichtlich, daß der Grad der Trennung der Kurven merklich in dem Maße der Neutralisation des Polyelektrolyten ansteigt, d. h. mit einer Zunahme des pH. Je stärker die Teilneutralisa tion des Gantrez- Polyelektrolyten ist.umsogrößeristdessenFähigkeit.zwischenspezifischenGewichtsniveausinUrinzu unterscheiden.

Beispiel V
Verhalten von Polyacrylsäure auf einer Trägermatrix

Der in Beispiel II verwendete Polyelektrolyt (20 g Polyacrylsäure pro 1 entionisiertes Wasser) wurde weiter untersucht nm dessen Verhalten beim Messen des spezifischen Gewichtes von Urin festzustellen, wenn man den Polyelektrolyten in einer Trägermatrix einbrachte.

Testvorrichtungen wurden hergestellt und geprüft wie in Beispiel IV, mit der Ausnahme, daß anstelle von Gantrez S-97 Polyacrylsäure verwendet wurde. Eine Lösung aus 20 g Polyacrylsäure pro 1 entionisiertes Wasser wurde hergestellt Aliquote dieser Lösung wurden mit 10 η Natriumhydroxid titriert bis man die in der nachfolgenden Tabelle angegebenen pH-Werte erreichte. Filterpapierstreifen von Eaton & Dikeman (Nr. 204) wurden in diese Aliquote eingetaucht und getrocknet Dann wurden sie jeweils in Urin mit verschiedenen bekannten spezifischen Gewichten und in entionisiertes Wasser getaucht und der pH wurden gemessen. Die zipH-Werte wurden wie in Beispiel IV bestimmt und nachfolgend tabellarisch aufgezeichnet. Für diese Messungen wurde ein ^/pH-Messer mit einer flachen Oberflächenelektrode, erhalten von Markson Science Inc. (Nr. 1207 BactiMedia combination pH/Referenzelektrode) verwendet

pH des Aliquots der	zipH-Werte von Urinen der angegebenen spezifischen Gewichte	spez. Gew.	spez. Gew.
Polyelektrolytlösung	spez. Gew.	1,015	1,005
	1,030	0,29	0,32
4,75	0,20	031	0,54
6,0	1,04	1,44	0,65
7,0	1,70	2,06	1,04
8,0	2,41	2,29	1,09
9,25	3,24	2,66	1,65
9,75	3,52

pH des Aliquots der	/4pH-Werte von Urinen der angegebenen spezifischen Gewichte	spez. Gew.	spez. Gew.
Polyelektrolytlösung	spez. Gew.	1,015	1,030
	1.005	0,05	0,00
4,0	0,11	0,64	0,70
5,0	0,5	0,88	1,09
6,0	0,56	1,29	1,68
7,0	0,76	1,40	1,98
7,5	0,91	1,73	2,29
8,0	1,15	1,82	2,10
825	1.10

Die Daten der obigen Tabelle wurden in F i g. 5 graphisch dargestellt, welche ebenso wie F i g. 4 zeigt, daß der Grad der Trennung der Kurven merklich ansteigt mit dem Grad der Neutralisation, d. h. mit einem Ansteigen des pH's des Polyelektrolyten.

Beispiel VI Verhalten von Polyvinylamin in einer Trägermatrix

Der Polyelektrolyt von Beispiel III wurde weiter untersucht, um dessen Verhalten beim Messen von Urinen mit verschiedenen spezifischen Gewichten zu untersuchen, wenn man den Polyelektrolyten in einer Trägermatrix einbrachte.

Die Testvorrichtung wurde hergestellt und geprüft, wie in den Beispielen VI und V. mit der Ausnahme, daß

anstelle von Gantrez S-97 bzw. Polyacrylsäure Polyvinylamin verwendet wurde. Man stellt eine Lösung her aus 20 g Polyvinylamin (erhältlich von Dynapol Ine, 60 000 M. W, siehe J.A.CS. 98,5996,1976) pro 1 entionisiertem

Wasser. Der verwendete Polyelektrolyt lag in Hydrochloridform vor und somit in vollständig neutralisiertem Zustand. Aliquote dieser Lösung wurden jeweils mit 1,0 η NaOH titriert, um die pH-Niveaus der Lösungen, wie

sie in der nachfolgenden Tabelle angezeigt werden, zu erreichea Filterpapierstreifen von Eaton § Dikeman (Nr. 204) wurden in diese Aliquote getaucht und getrocknet. Sie wurden dann in unterschiedliche Urine mit bekannten spezifischen Gewichten getaucht, sowie in entionisiertes Wasser und der pH wurde gemessen mit einer flachen Oberflächenelektrode, wie sie in den Beispielen IV und V beschrieben wurde. Die Werte für JpH wurden wie in den Beispielen IV und V bestimmt und tabelliert

25

30

35

40

45

pH des Aliquots der	JpH-Werte von Urinen der angegebenen spezifischen Gewichte	spez. Gew.	spez. Gew.
Polyelektrolytlösung	spez. Gew.	1,015	1,030
	1,005	1,60	1,78
2,8	1,05	1,64	1,92
3,0	1,06	1,11	1,29
3,5	0,89	1,17	Ui
4,0	0,89	-0,10	-033
6,0	+ 0,06	-0,99	-1,70
8,0	-0,71	-1,47	-23
10,0	-1,45	-2,50	-2,81
11,0	-1,80	-2,57	-3,07
12,0	-2,24

Die grafische Darstellung dieser Daten, F i g. 6, zeigt eine wirksame Trennung bei einer Teilneutralisierung des Polyelektrolyten bis etwa unterhalb pH 5. Die Kurve für Urin mit einem spezifischen Gewicht von 1,005 ergibt eine viel kleinere Veränderung im pH als die Kurve für Urin mit einem spezifischen Gewicht von 1,030. Der Urin mit einem spezifischen Gewicht von 1,015 ergab einen Zwischen-^pH-Wert, wie zu erwarten war.

Dies wird noch viel deutlicher erkennbar, wenn man die Polyvinylamin-Testvorrichtung jeweils in wäßrige Salzlösungen unterschiedlicher Ionenstärke und in entionisiertes Wasser taucht und dann den pH-Wert mißt, um JpH-Werte zu erhalten. Die wie oben hergestellten Streifen wurden mit unterschiedlichen Konzentrationen an Natriumchlorid in entionisiertem Wasser geprüft. Die Salzlösungskonzentrationen betrugen 0,5,1,5 bzw. 3,0 η NaCI. Die bei dieser Untersuchung erhaltenen Daten werden nachfolgend in der Tabelle gezeigt und wurden in F i g. 7 aufgetragen. Die Kurven A, B und Centsprechen Salzlösungen mit einer Konzentration von 3,0,1,5 bzw. 0,5 η NaCl.

50

55

60

65

pH des Aliquots der	^pH-Werte bei Salzlösungen der angegebenen Normalitäten	1,5 η NaCl	3,0 η NaCI
Polyelektrolytlösung	0,5 η NaCl	0,63	0,93
2,8	0,60	1,37	1,46
3,0	1,04	0,99	1,23
3,5	0,88	1,32	1,61
4,0	1,00	0,93	1,03
6,0	0,90	0,64	0,68
8,0	0,64	0,64	0,60
10,0	0,61	-0,03	-0,10
11,0	— 0,01	-0,22	-0,29
12,0	-0,09

Aus Fig. 7 wird ersichtlich, daß beim pH 10, bei dem der Polyelektrolyt im wesentlichen unproloniert und unverändert ist, die Auswirkung der verschiedenen Salzkonzentrationen praktisch nicht existent ist. Eine Teilneutralisation des Polymeren ergibt jedoch eine ständig steigende Abweichung beim Verhalten hinsichtlich der lonenstärke, wie durch die zunehmenden Unterschiede zwischen den jeweiligen aufgetragenen Punkten hervorgeht und wodurch eine stark divergente//pH-Ansprechung für unterschiedliche lonenstärken gezeigt wird.

Beispiel VII

Testvorrichtung, hergestellt unter Verwendung von Maleinsäureanhydrid-Methylvinyläther-Copolymer und Bromthymolblau

Die Testzusammensetzjng gemäß Beispiel I wurde auf einer Trägermatrix, zusammen mit Bromthymolblau, einem bekannten pH-Indikator, angewendet, um die Charakteristika der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der visuellen Bestimmung des spezifischen Gewichtes zu untersuchen.

Eine Lösung wurde hergestellt aus 20 g Gantrez S-97 pro 1 entionisiertem Wasser. Ein Aliquot dieser Lösung wurde mit NaOH titriert bis die Lösung einen pH von 8,0, gemessen mit einem pH-Messer und einer Elektrode gemäß Beispiel I hatte. Ein Filterpapierstreifen (Eaton & Dikeman, Nr. 204) wurde in die teiltitrierte (neutralisierte) aliquote Lösung eingetaucht und dann getrocknet Der getrocknete, das Polymer enthaltende Streifen wurde dann in eine methanoiische Lösung von Bromthymolblau einer Konzentration von \2 g pro 1 eingetaucht Nach dem Trocknen wurde der Filterpapierstreifen auf ein klares Verstärkungsmaterial aus Plastik aufgebracht unter Verwendung eines doppelseitigen Klebestreifens. Die so erhaltenen Testvorrichtungen bestanden jeweils aus einem Streifen des Verstärkunsmaterials einer Größe von 8,5 χ 0,5 cm, der an einem Ende ein quadratisches Stück des imprägnierten Filterpapiers einer Größe von 0,5 cm Kantenlänge enthielt Der Rest des Verstärkungsmaterials wurde zum Anfassen verwendet Die Empfindlichkeit dieser Prüfvorrichtung gegenüber dem spezifischen Gewicht wurde untersucht, indem man drei verschiedene Urinproben mit unterschiedlichem spezifischen Gewicht und Wasser prüfte. Eine Vorrichtung wurde in die jeweilige Testlösung eingetaucht und schnell daraus entfernt Nach 60 Sekunden wurde die Vorrichtung mit einem Reflektionsspektrofotometer, welches die Intensität des reflektierten Lichtes von der Testvorrichtung im sichtbaren Bereich jede halbe Sekunde abtastet und mißt, untersucht

Die.erzielten Ergebnisse nach 60 Sekunden sind in Fi g. 8 aufgetragen und zeigen eine merkliche Trennung, die eine einfache und genaue Differenzierung des spezifischen Gewichtes von Wasser (spezifisches Gewicht 1,000) und Urin mit spezifischen Gewichten von 1,005,1,015 bzw. 1,030 ermöglicht. Eine visuelle Farbdifferenzierung war ebenso leicht, wobei die Vorrichtung bei Wasser eine blaue Farbe zeigte, bei Urin mit einem spezifischen Gewicht von 1,005 eine blau-grüne Farbe, bei 1,015 eine grüne Farbe und bei 1,030 eine gelbe Farbe.

Diese Beispiele zeigen die Beziehung zwischen der Teilneutralisation des Polyelektrolyten und der Bestimmung des spezifischen Gewichtes bzw. der Ionenstärke. Die Gantrez-Lösung, aus welcher die Vorrichtung hergestellt wurde, hatte einen pH von etwa 8. Unter Bezugnahme auf Kurve A in F i g. 1 entspricht dieser pH etwa 6,9 ml Titriermittel. Unter Anwendung der in Beispiel I beschriebenen Berechnung entspricht dies einer etwa 79%igen Neutralisation. Die bemerkenswerte Unterscheidungsfähigkeit zwischen den spezifischen Gewichten, die man bei diesem Versuch feststellt, ist auf diesen verhältnismäßig hohen Grad der Polyelektrolytneutralisation zurückzuführen.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Reagenz zur Bestimmung der Ionenstärke oder des spezifischen Gewichtes einer wäßrigen Probe, dadurch gekennzeichnet, daß es als wäßrige Lösung eines schwach sauren oder schwach basischen, zu wenigstens etwa 50% neutralisierten Polyelektrolytpolymers vorliegt, und einen Indikator enthält, der in der Lage ist, einen Ionenaustausch zwischen dem Polyelektrolyten und der Probe anzuzeigen.

2. Reagenz gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyelektrolytpolymer zu etwa 75—95% neutralisiert worden ist.

3. Reagenz gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Polyeiektrolyt Polyacrylsäure, ίο Polymaleinsäure, Maleinsäure-Vinylmethylether-Copolymer, Polymethacrylsäure, Styrol-Maleinsäure-Co polymer, Polyvinylamin oder Poly-(4-vinylpyridin) ist

4. Reagenz gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Indikator eine den pH anzeigende Substanz ist.

5. Reagenz gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Indikator Bromthymolblau ist

6. Testvorrichtung zum Bestimmen der Ionenstärke oder des spezifischen Gewichts einer wäßrigen Probe, dadurch gekennzeichnet daß die Vorrichtung ein Trägermaterial enthält, auf welches ein Reagenz gemäß

Ansprachen 1 bis 5 aufgebracht ist 7. Verfahren zum Bestimmen der Ionenstärke oder des spezifischen Gewichts einer wäßrigen Probe,

dadurch gekennzeichnet, daß man die Probe mit einem Reagenz gemäß Ansprüchen 1 bis 5 oder einer Testvorrichtung gemäß Anspruch 6 in Berührung bringt und die durch den Indikator bewirkte Anzeige beobachet