Auf die kleinen Dinge kommt es an: Chemiker entwickeln neuen Sensor zur pH-Messung im Mikrobereich

Neuer umweltfreundlicher, langlebiger pH-Sensor ist empfindlich genug, um pH-Schwankungen in nur wenigen Mikrolitern von Proben genau zu messen

07.11.2023

Die Messung des pH-Werts von Substanzen gibt uns wichtige Hinweise auf die Welt um uns herum, z. B. zur Identifizierung von verunreinigtem Wasser oder zur Überprüfung der Toxizität von medizinischen oder kosmetischen Produkten.

Oft stehen nur kleine Probenmengen zur Verfügung, aber die Überwachung der Schwankungen des pH-Werts in diesen winzigen Mengen ist wichtig. So kann beispielsweise die Feststellung von pH-Veränderungen in winzigen Flüssigkeitsmengen einzelner Zellen bei der Erkennung von Eierstockkrebs helfen.

Die derzeitigen Methoden zur Messung des pH-Werts sind jedoch hauptsächlich für Bulklösungen gedacht und sind nicht empfindlich genug oder zu empfindlich, um kleine Volumina in kommerziellem Maßstab zu messen.

In einer kürzlich in der Fachzeitschrift Microchimica Acta veröffentlichten Studie haben Wissenschaftler der Xi'an Jiaotong-Liverpool University, China, eine Methode entwickelt, die diese Probleme überwindet.

Dr. Qiuchen Dong, der die Studie leitete, erklärt: "Unsere Lösung musste umweltfreundlich, haltbar und empfindlich genug sein, um pH-Schwankungen in nur wenigen Mikrolitern Proben genau zu messen.

Ein Mangel an Optionen

Einige im Handel erhältliche Methoden zur Messung des pH-Werts beruhen auf den subjektiven Entscheidungen des menschlichen Auges. Bei der Verwendung von Papierstreifen mit Farbstoffen, die je nach pH-Wert der Substanz ihre Farbe ändern, müssen die Menschen die Farbe mit einer Skala vergleichen. Dies führt zu erheblichen Abweichungen bei den Antworten. Manche Menschen sehen die Farbe als pH-Wert 7,5, andere beispielsweise als 8. Diese Methode ist daher unempfindlich gegenüber kleinen pH-Änderungen, d. h. es handelt sich eher um eine grobe Schätzung. Einige der verwendeten Farbstoffe sind außerdem giftig für die Proben, was sich auf den gemessenen pH-Wert auswirkt.

Eine empfindlichere Methode zur Messung des pH-Werts verwendet extrem zerbrechliche Glaselektroden, die leicht zerbrechen können und daher in der Regel nur im Labor verwendet werden.

Um diese Probleme zu lösen, haben Dr. Dong und seine Doktorandin Weiyu Xiao neuartige Materialien und Methoden verwendet, um einen empfindlichen und zugleich robusten pH-Sensor zu entwickeln.

Eine neue Lösung

Bei dem neuen pH-Sensor von Dr. Dong und Xiao fließen Flüssigkeitsproben durch eine Reihe winziger Kanäle (mikrofluidische Kanäle) und über drei hochempfindliche Elektroden aus lichtempfindlichen Schichtmaterialien und Metallen.

"Unsere Lösung des Problems beruht auf der Entwicklung von mikrofluidischen Kanälen und Elektroden mit Hilfe der Fotolithografie, einer Methode, die häufig in der Halbleiterindustrie eingesetzt wird.

Diese mikrofluidischen pH-Sensoren können geringfügige Schwankungen in der Anzahl der Protonen in einer Substanz erkennen, die den pH-Wert definiert. Dies ermöglicht die Messung des pH-Werts mit hervorragender Genauigkeit.

Künftige Anwendungen

Das Team hat derzeit ein Patent für den pH-Sensor angemeldet und arbeitet mit Entwicklern aus der Industrie zusammen, die die Technologie in ihre Laborgeräte integrieren werden.

"Der Erfolg dieser Studie ist auf die harte Arbeit meiner derzeitigen Doktorandin Weiyu Xiao zurückzuführen, die während dieser Arbeit noch Masterstudentin war. Es ist sehr beeindruckend zu sehen, wie eine Studentin in so kurzer Zeit ein so hohes Niveau erreicht. Sie ist ein großartiges Vorbild, und ich hoffe, dass andere Studenten sich von ihren Leistungen inspirieren lassen werden.

"Die Arbeit ist auch meinen früheren Kollegen, Dr. Abdennour Abbas von der University of Minnesota und Dr. Yu Lei von der University of Connecticut, zu verdanken, die mir geholfen haben, die Ideen für dieses Projekt und viele andere zu formulieren."

Das Team ist davon überzeugt, dass ihr neuer Sensor weitreichende kommerzielle Anwendungen haben wird, von der Unterstützung bei der Erkennung von Krebserkrankungen und durch Vektoren übertragenen Viren bis hin zur Identifizierung von Verunreinigungen in mit Pestiziden besprühten Böden.

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