Clark-Sensor und elektrochemische HPLC-Detektion
Wie der Clark-Sensor gelösten Sauerstoff über einen Reduktionsstrom misst und wie ein amperometrischer Detektor oxidierbare Stoffe hinter einer HPLC-Säule erfasst.
Das Wichtigste in Kürze
- Der Clark-Sensor ist ein amperometrischer Sauerstoffsensor, dessen Strom proportional zum gelösten \(\ce{O2}\) ist.
- Er besteht aus einer sauerstoffdurchlässigen Membran, einer KCl-Innenlösung, einer Goldkathode und einer Silber-Opferanode, zwischen denen eine Spannung anliegt.
- An der Kathode gilt \(\ce{O2 + 4e^- + 2H2O -> 4OH^-}\), an der Anode \(\ce{Ag + Cl^- -> AgCl + e^-}\), sodass sich \(\ce{AgCl}\) bildet.
- Die Silberelektrode dient als Bezugselektrode und stellt das Potential der Arbeitselektrode ein.
- Der amperometrische HPLC-Detektor misst die Oxidation der Analyten in einer Durchflusszelle, das Signal ist konzentrationsproportional.
- Erfassbar sind elektrochemisch aktive Stoffe wie Thiole und Chinone; der Detektor wird auch in der Ionenchromatographie eingesetzt.
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Worum es geht
Amperometrische Sensoren übersetzen eine Konzentration direkt in einen Strom. In der Pharmazie begegnen sie dir als Sauerstoffelektrode, als Glucose-Sensor und als empfindlicher Detektor in der HPLC.
Amperometrische Sensoren
Ein amperometrischer Sensor legt eine feste Spannung an und misst den fließenden Strom. Der Strom entsteht, weil der Analyt an einer Elektrode umgesetzt wird. Er ist proportional zur Konzentration des Analyten. Das Messprinzip kennst du aus der Monoamperometrie.
Der bekannteste Vertreter ist der Clark-Sensor für gelösten Sauerstoff. Kombiniert man ihn mit dem Enzym Glucoseoxidase, entsteht ein Glucose-Sensor. Das Enzym verbraucht Sauerstoff umso stärker, je mehr Glucose vorliegt.
Aufbau des Clark-Sensors
Der Clark-Sensor ist eine abgeschlossene Messzelle. An seiner Spitze sitzt eine sauerstoffdurchlässige Membran. Sie lässt gelösten \(\ce{O2}\) hindurch und hält störende Probenbestandteile zurück. Dahinter liegt eine Kaliumchlorid-Innenlösung als Elektrolyt.
In diese Lösung tauchen zwei Elektroden: eine Edelmetallkathode, etwa aus Gold, und eine ringförmige Silberanode. Zwischen Opferanode und Kathode liegt eine feste Spannung. Das Silber überzieht sich mit \(\ce{AgCl}\) und wirkt so wie eine Silber/Silberchlorid-Elektrode. Es dient als Bezugselektrode und stellt das Potential der Arbeitselektrode ein.
Eine Elektrode, die sich bei der Messung selbst verbraucht. Ihr Metall wird oxidiert und liefert die Elektronen, die an der Kathode für die Reduktion gebraucht werden.
Elektrodenreaktionen
Sauerstoff diffundiert durch die Membran zur Goldkathode. Dort wird er summarisch zu Hydroxid-Ionen reduziert:
\[\ce{O2 + 4e^- + 2H2O -> 4OH^-}\]
Die Elektronen stammen aus der Silberanode. Silber wird oxidiert und fällt mit den Chlorid-Ionen der Innenlösung als Silberchlorid aus:
\[\ce{Ag + Cl^- -> AgCl + e^-}\]
Im Betrieb wächst also eine \(\ce{AgCl}\)-Schicht auf der Anode, und das Silber wird langsam verbraucht. Je mehr Sauerstoff nachdiffundiert, desto größer ist der gemessene Strom.
Elektrochemischer HPLC-Detektor
Der amperometrische Detektor nutzt dasselbe Prinzip hinter einer Trennsäule. Das Eluat strömt durch eine Durchflusszelle mit Arbeits-, Bezugs- und Gegenelektrode. An der Arbeitselektrode liegt ein Potential, bei dem die Analyten oxidiert werden. Jeder durchströmende Analyt erzeugt einen Strompeak.
Die Signalhöhe ist proportional zur Analytkonzentration. Das Signal entsteht allein durch Elektronenübergang an der Elektrode. Anders als bei strahlungsbasierten Detektoren wird der Analyt also nicht durch Gammastrahlung ionisiert.
Erfassbar sind nur elektrochemisch aktive Stoffe:
- Thiole, etwa Cystein oder Glutathion
- Phenole und Catecholamine wie Adrenalin
- Chinone, die meist reduktiv gemessen werden
Diese Selektivität macht den Detektor sehr empfindlich für solche Stoffklassen. Er ist auch in der Ionenchromatographie einsetzbar, etwa für Zucker an Goldelektroden.
Quiz
Aussage 1
Thiole wie Glutathion lassen sich nach HPLC-Trennung amperometrisch über ihre Oxidation an der Arbeitselektrode erfassen.
Thiole sind leicht oxidierbar und erzeugen in der Durchflusszelle einen konzentrationsproportionalen Strompeak.
Aussage 2
Die Silberelektrode des Clark-Sensors verändert sich im Betrieb nicht, weil sie nur das Potential vorgibt.
Silber ist eine Opferanode: Es wird zu \(\ce{AgCl}\) oxidiert und dabei verbraucht. Zugleich dient es als Bezugselektrode.
Aussage 3
An der Goldkathode des Clark-Sensors nimmt jedes \(\ce{O2}\)-Molekül vier Elektronen auf, und es entstehen Hydroxid-Ionen.
Die summarische Kathodenreaktion lautet \(\ce{O2 + 4e^- + 2H2O -> 4OH^-}\).
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