Przygotowanie buforu — roztwory, obliczanie i rozwiązywanie częstych problemów

Dlaczego dokładne odważanie jest niezwykle ważne w zapewnieniu wysokiej jakości roztworów buforowych

Zadzwoń
Przygotowanie buforu — roztwory, obliczanie i rozwiązywanie częstych problemów

Buffer Preparation

Buffer Preparation

Przygotowanie buforu — proces recepturowania
  1. Wybór receptury z bazy danych
  2. Przeliczenie ilości składników receptury zgodnie z wymaganą objętością buforu
  3. Ważenie związków chemicznych w zbiorniku
  4. Rozpuszczanie związków w odpowiednim rozpuszczalniku (zwykle w wodzie)
  5. Sprawdzenie i regulacja wartość pH za pomocą miernika pH
  6. Uzupełnienie roztworu do wymaganej objętości
  7. Przelanie buforu do butelki i jej oznakowanie
  8. Udokumentowanie wyników

Jak działają roztwory buforowe

Bufory to układy wodne odporne na zmiany pH po dodaniu małych ilości kwasu lub zasady, składające się ze słabego kwasu i jego sprzężonej zasady. Bufor utrzymuje stałą wartość pH roztworu przez absorpcję protonów uwalnianych podczas reakcji lub przez uwalnianie protonów, gdy są one zużywane przez reakcje. Do powstania koncepcji „buforu” doprowadziło odkrycie, że częściowo zneutralizowane roztwory słabych kwasów lub zasad odporne są na zmiany pH w przypadku dodania do nich małych ilości silnych kwasów lub zasad.
 

Sprzężona zasada to kwas, który stracił proton.
HA  ↔  H+ + A-
Kwas  ↔  proton + sprzężona zasada
 

Sprzężony kwas to zasada, która zyskała proton.
A + H+  ↔  H+A
Zasada + proton  ↔  sprzężony kwas
 

Ustanowiona zostaje równowaga między formą zdysocjowaną i niezdysocjowaną.
Na przykład słaby kwas octowy częściowo dysocjuje w wodzie, wytwarzając jon octanowy:
CH3COOH  ↔  H+ + CH3COO-
Niezdysocjowany kwas octowy, jony wodorowe i jony zdysocjowane występują w roztworze w stanie równowagi.
 

Octan sodu również dysocjuje w wodzie, wytwarzając ten sam jon octanowy:
CH3COONa  ↔  Na+ + CH3COO-
Niezdysocjowany octan sodu oraz jony sodu i octanu występują w roztworze w stanie równowagi.
 

Wodny roztwór mieszaniny kwasu octowego i octanu sodu może zatem absorbować jony H+ z dodatku kwasu przez połączenie jonów wodorowych z zasadą octanową w celu otrzymania kwasu octowego. Ponadto gdy jony OH- wprowadzane są do roztworu przez dodanie zasady, łączą się z cząsteczkami kwasu (H+), tworząc wodę. W ten sposób, przez dążenie układu do przywrócenia równowagi, roztwór jest odporny na zmiany wartości pH. Tak działa roztwór buforowy.
 

Co się dzieje po dodaniu kwasu do buforu

Po dodaniu silnego kwasu (więcej H+) do mieszaniny słabego kwasu i jego sprzężonej zasady w stanie równowagi równowaga przesuwa się w lewo zgodnie z zasadą Le Chateliera.
 

Co się dzieje po dodaniu zasady do buforu

Podobnie dzieje się w przypadku dodania do mieszaniny silnej zasady — stężenie jonów wodorowych spada o ilość mniejszą niż oczekiwana dla ilości dodanej zasady. Jest to spowodowane przesunięciem się reakcji w prawo w odpowiedzi na utratę H+ w reakcji z zasadą.

Buffer Preparation Formula

Typy roztworów buforowych

Roztwory buforowe składające się ze słabego kwasu i jego sprzężonej zasady nazywane są buforami kwasowymi i mają pH < 7. Bufor utworzony z kwasu octowego (słaby kwas) i octanu sodu (sprzężona zasada) jest buforem kwasowym i ma wartość pH około 4,75.
Roztwory buforowe składające się ze słabej zasady i jej sprzężonego kwasu nazywane są buforami zasadowymi i mają pH > 7. Przykładem buforu zasadowego jest wodny roztwór wodorotlenku amonu (słaba zasada) i chlorku amonu (sprzężony kwas), którego wartość pH wynosi 9,25.
 

Co uwzględnić podczas przygotowywania roztworu buforowego

Roztwory buforowe działają najlepiej, gdy ich pH jest podobne do pH badanego układu lub roztworu. W badaniach nad enzymami w biologii człowieka wymagany jest układ o wartości pH odpowiadającej pH krwi, tj. od 7,35 do 7,45. W przeciwnym razie enzymy nie będą działać prawidłowo. Jeśli układ buforowy ma pH poza pożądanym zakresem, będzie to również miało negatywny wpływ na analizy.
 

Konieczne jest zatem przygotowanie roztworów buforowych o określonym pH, co można zrobić na różne sposoby:

  • Regulacja pH
    Krystaliczny kwas lub zasadę najpierw rozpuszcza się w objętości wody odpowiadającej około 60–70% końcowej wymaganej objętości roztworu buforowego. pH jest testowane, a następnie regulowane. W przypadku zastosowania kwasu krystalicznego pH reguluje się za pomocą zasady, która nie generuje jonów mogących wprowadzać zakłócenia do badanego układu. W przypadku zastosowania zasady krystalicznej pH reguluje się za pomocą odpowiedniego kwasu. Po osiągnięciu żądanego pH objętość roztworu buforowego można uzupełnić wodą w celu uzyskania wymaganej objętości.

  • Mieszanie roztworów kwasowych i zasadowych
    W tej metodzie roztwór kwasu lub zasady miesza się z roztworem odpowiedniej soli. Stężenie roztworów źródłowych musi być takie samo jak wymaganego roztworu buforowego. Roztwory można mieszać w różnych proporcjach w celu osiągnięcia różnych wartości pH w końcowym roztworze buforowym. Można także monitorować pH podczas dodawania jednego roztworu do drugiego.

  • Używanie równania Hendersona-Hasselbacha
    Równanie Hendersona-Hasselbacha można wykorzystać do oszacowania wartości pH roztworu buforowego przy użyciu stałej dysocjacji pKa. Kiedy słaby kwas (HA) znajduje się w roztworze, a dysocjacja na jony wodorowe (H+) i jego sprzężona zasada (A-) są w stanie równowagi, stała dysocjacji jest miarą siły kwasu w tym punkcie równowagi. Równanie Hendersona-Hasselbacha jest następujące: 
  • Buffer Preparation - second formula

    Gdzie: pKa jest stałą dysocjacyjną kwasu słabego;
    [A-] jest stężeniem sprzężonej zasady w stanie równowagi;
    [HA] jest stężeniem kwasu w stanie równowagi.

    W przypadku gdy stężenia zasady sprzężonej i kwasu w stanie równowagi są takie same, pH staje się równe stałej dysocjacyjnej. W tym momencie roztwór buforowy zapewnia maksymalne możliwości buforowania.
    Równanie Hendersona-Hasselbacha stosuje się również do określania stałej dysocjacji słabych kwasów przez bezpośredni pomiar pH.
     

Zalety buforów uniwersalnych
Uniwersalne roztwory buforowe składają się z kombinacji kilku par kwasowo-zasadowych. Dzięki temu utrzymują wartość pH roztworu w szerszym zakresie i mogą być stosowane w wielu innych zastosowaniach.

Dodatkowe wskazówki przygotowania i stosowania buforów
 

  • Tworzenie standardowych procedur operacyjnych (SOP) dotyczących przygotowywania buforu
    W celu zapewnienia spójności i powtarzalności warto udokumentować proces przygotowywania buforu i dbać, by wszyscy przestrzegali tej samej procedury. Procedury SOP powinny zawierać szczegółowe informacje na temat zastosowanych materiałów oraz dokładne kroki dotyczące czasu i sposobu dodawania składników i pomiaru pH. Mogą również obejmować wiele z wymienionych poniżej punktów.
     
  • Noszenie odpowiedniej odzieży ochronnej
    Należy zakładać odpowiednie środki ochrony indywidualnej (PPE) np. okulary ochronne i odzież ochronną, szczególnie podczas pracy z silnymi kwasami lub zasadami.
     
  • Kontrola zanieczyszczenia mikrobiologicznego (zwłaszcza w zastosowaniach biologicznych)
    Przed użyciem buforu należy sprawdzić, czy nie jest zanieczyszczony mikrobiologicznie. Roztwory buforowe o pH zbliżonym do neutralnego są szczególnie podatne na zanieczyszczenia. W roztworze mogą się pojawić zmętnienia lub zanieczyszczenia, które osiadły na dnie.
     
  • Prawidłowe używanie miernika pH
    W celu zapewnienia dokładnych pomiarów miernik pH należy regularnie wzorcować i konserwować. Należy prawidłowo przygotować elektrodę przed użyciem oraz zastosować odpowiedni roztwór buforowy w celu zapewnienia właściwego zanurzenia złącza elektrody. Przed pomiarem należy odczekać do uzyskania stabilnej wartości pH, a po wykonaniu pomiaru należy przepłukać elektrodę wodą destylowaną. Należy się upewnić, że miernik pH używany jest w temperaturze otoczenia, lub należy użyć elektrody z zintegrowanym czujnikiem temperatury.
     
  • Należy zwracać uwagę na temperaturę
    Stopień dysocjacji może się zmieniać w zależności od temperatury. Roztwór buforowy powinien zatem zostać przygotowany w tej samej temperaturze, w której będą wykonywane analizy. Należy się również upewnić, że temperatura podczas wzorcowania elektrody jest taka sama jak temperatura pomiaru.
     
  • Należy zwracać uwagę na stężenie
    Powszechną praktyką jest rozcieńczanie roztworów buforowych do wymaganego stężenia w celu wykorzystania w analizach. Zmiana stężenia może jednak wpłynąć na stopień dysocjacji. Ponieważ pH jest miarą jonów wodorowych (H+), zmiana dysocjacji może spowodować zmianę pH. Gdy bufor zostanie rozcieńczony, przed jego użyciem należy ponownie sprawdzić pH.

Ekspert od przygotowywania buforów

Wyzwania związane z przygotowaniem roztworu buforowego

Dokładne przygotowywanie buforu

Guide: Biological Buffer Preparation
Przygotowanie buforu — zoptymalizowany proces obejmujący kompleksowe zarządzaniem danymi

Przygotowanie buforu — wzorcowanie miernika pH

Powiązane produkty

Często zadawane pytania dotyczące przygotowania roztworu buforowego


 

1. Jak zwiększyć efektywność ważenia podczas przygotowywania buforu?

 

W wagach XPR/XSR METTLER TOLEDO można zapisywać własne konkretne metody ważenia. W przypadku przygotowywania roztworu buforowego uzyskuje się to przez zastosowanie w wadze metody „Prosta receptura z szablonami” w celu zapisania w wadze receptury obejmującej każdy składnik, wraz z jego docelową masą i przedziałem tolerancji. Po uruchomieniu metody użytkownik zostaje przeprowadzony krok po kroku przez całą procedurę. Nie traci się czasu na sprawdzanie arkusza receptury i nie ma niepewności co do aktualnego etapu realizacji procedury. Wyniki ważenia zapisywane są automatycznie i mogą zostać na końcu wydrukowane. Zapewnia to znaczną oszczędność czasu przez wyeliminowanie konieczności ręcznego zapisu wszystkich wyników ważenia.


 

2. Jaka jest najlepsza waga do przygotowywania roztworu buforowego?

Dobór najlepszej wagi zależy od indywidualnych wymagań. Należy znać największe i najmniejsze ilości, które będą ważone, a także stopień dokładności ważenia (tj. tolerancję lub dopuszczalny błąd). METTLER TOLEDO oferuje bezpłatny serwis, który pomoże Ci wybrać odpowiednią wagę spełniającą wymagania konkretnej aplikacji. Aby uzyskać bezpłatną rekomendację dotyczącą wyboru wagi, wystarczy się skontaktować z naszym lokalnym przedstawicielem. Ta sama usługa określa również, czy istniejąca waga spełnia konkretne wymagania.


 

3. Podczas przygotowywania roztworu buforowego jest bardzo dużo danych do zarejestrowania. Jak uniknąć popełniania błędów? Potrzebuję niezawodnego rozwiązania.

Najpierw do wagi należy podłączyć czytnik kodów kreskowych. Pozwoli to na elektroniczne zapisywanie identyfikatorów próbek, numerów partii, numerów zamówień itp. Następnie do wagi należy podłączyć drukarkę. Drukarki P-5x METTLER TOLEDO umożliwiają automatyczne drukowanie metadanych oraz daty i godziny wraz z wynikami pod koniec procedury ważenia. Alternatywną opcją jest podłączenie wagi do oprogramowania laboratoryjnego LabX, które oferuje kompleksowe zarządzanie danymi, w tym konfigurowalne raporty, które mogą być wysyłane bezpośrednio do LIMS lub ERP.


 

4. Skąd mogę mieć pewność, że odczyt pH roztworu buforowego jest wiarygodny?

Aby mieć pewność co do dokładności miernika pH, konieczne są jego regularne wzorcowania i kontrole. Zapoznaj się z poradnikiem i dowiedz się więcej o roztworze METTLER TOLEDO do łatwego wzorcowania miernika pH. Obejrzyj także wideo: „Wzorcowanie pH — przydatny poradnik”.


 

5. Co się stanie w przypadku dodania większej ilości składnika, niż jest to konieczne?

Zamiast wyrzucać odważone wcześniej materiały, w przypadku przypadkowego odważenia za dużej ilości jednego składnika można dodać dodatkowe ilości pozostałych składników. Przy ręcznym obliczaniu ilości może to być trudne i wiąże się to z dużym ryzykiem wystąpienia błędów. Należy również mieć świadomość, że dodatkowe wymagane ilości mogą być bardzo małe, a waga może nie być odpowiednia do ich odmierzania. Może być wymagana druga waga o wyższym stopniu dokładności i niższej minimalnej naważce. Jeśli waga podłączona jest do systemu LabX, może on wykonać niezbędne przeliczenia i śledzić aktualny proces realizacji procedury.