DE2718697A1

DE2718697A1 - Ph-indikator mit geregelter aenderung von farbe und ph-wert beim gefrieren sowie verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2718697A1
Application number: DE19772718697
Authority: DE
Inventors: Maj-Britt Ingegerd Tiru; Mandayam Tiru
Original assignee: Kockums Chemical AB and Co KG
Current assignee: I-Point Biotechnologies Malmoe Se AB
Priority date: 1976-05-11
Filing date: 1977-04-27
Publication date: 1977-11-24
Also published as: DE2718697B2; FR2351406A1; IE45416L; NL7705176A; IE45416B1; PT66522B; AU506640B2; PT66522A; MC1150A1; JPS5325489A; IT1113587B; AT359043B; CH634148A5; ES458645A1; DE2718697C3; US4149852A; NO144307B; BE854352A; DK205277A; ATA290577A

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine pH-Indikatorkomposition mit geregelter Farbänderung beim Gefrieren oder bei einer gewählten Gefriertemperatur. Ausserdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung dieser Komposition. Gemäss den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird die Regelung der Farbänderung dazu ausgenutzt, um neue Kompositionen zur Temperatur- oder Zeit-Temperatur-Anzeige zustandezubringen, im Bereich vom Gefrierpunkt der Komposition bis auf etwa 90⁰C oder niedriger. Unter "Gefrieren" ist im vorliegenden Zusammenhang der üebergang

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der Komposition von Flüssigkeit zu festem Stoff oder Aufschläiruuung gemeint, zum Unterschied von Unterkühlung, die in gewissen Fällen eintreten kann, wenn die Temperatur gesenkt wird. Um zu verhindern, dass eine Unterkühlung eintritt, können der Komposition gewisse anorganische Salze, wie KCl, NaCl usw., zugesetzt werden. Es sei ferner betont, dass für die Erfindung wässrige Systeme zwar bevorzugt werden, dass die Erfindung aber nicht hierauf beschränkt ist, sondern auch bei nicht wässrigen Systemen oder Gemischen aus w"5srigen und nicht wässrigen Systemen anwendbar ist.

pH-Indikatoren, die kurz gesagt aus einem Säure-Basenpaar bestehen, wo die Säure eine andere Farbe als die Base hat, werden allgemein dazu ausgenutzt, um den pH-Wert von Lösungen zu bestimmen oder zumindest eine Auffassung von diesem Wert zu vermitteln. Ein Nachteil dieser pH-Indikatoren ist, dass sie den pH-Wert nicht genau festlegen, da sie ein Umschlagsintervall für die Farbänderung Säureform-Basenform von 1-2 pH-Einheiten haben. U.a. aus diesem Grunde sind die pH-Indikatoren in den letzten Jahren immer mehr durch pH-Messer ersetzt worden, die auf elektrischem Wege den pH-Wert einer Lösung genauer messen. Ein bedeutender Nachteil, mit dem sowohl die pH-Indikatoren wie auch die pH-Messer behaftet sind, ist, dass man mit ihnen nicht den pH-Wert von gefrorenen Lösungen messen kann, d.h. in festem Zustand.

Der Grund, weshalb sich pH-Indikatoren normalerweise nicht zur pH-Anzeige von gefrorenen Lösungen verwenden lassen, ist, dass die Farbe des pH-Indikators nicht stabil ist, sondern dazu neigt, sich zu ändern, wenn die Lösung gefriert.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung hat man das Verhalten dieser Farbänderung beim Gefrieren untersucht und dabei feststellen können, dass sie üblicherweise von Basenfarbe zu Säurefarbe zu verlaufen scheint. Liegt also der pH-Wert der Lösung nahe oder kurz über dem Umschlagsintervall des Indikators (d.h. auf der alkalischen Seite des Umschlagsintervalls), so erhält man beim Gefrieren der Lösung eine Änderung von Basenfarbe in Lösung zu Säurefarbe in gefrorenem Zustand. Eine Voraussetzung der Farbänderung ist, dass die Lösung einen Stoff enthält, der sowohl zur Ionenstärke der Lösung wie auch zu deren Protonenzusammensetzung

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~2 27 186b7

(d.h. dem Verhältnis H : OH ) beiträgt. Derartige Stoffe sind Puffer, die zumindest ein anorganisches Ion geben und unter anoroanipchen Puffern, wie z.B. Phosphatpuffern, gewählt werden können, sowie Salze organischer Säuren. In Puffersystemen, deren Basenteil stärker ist als der Säureteil (entweder in Form eines stärkeren Basenions oder einer grösseren Anzahl Basenionen als Säureionen, beispieslweise Alkalisalz einer organischen Säure, basischer Aminosäuren oder anderer Amine, Amide oder Aminoverbindungen) , kann die Farbänderung beim Gefrieren in der entgegengesetzten Richtung erfolgen, d.h. von Säurefarbe zu Basenfarbe.

Ein weiteres Problem, welches von den obengenannten Nachteilen unabhängig erscheinen mag, ist, dass man bisher über keine einfache und wirksame Vorrichtung verfügt hat, um in einer leicht erkennbaren Weise die Temperatur- oder Temperatur-Zeitbedingungen, wie die Temperaturverteilung in einem Gefrierraum, anzeigen zu können. Somit hat man beispielsweise in Gefrierhäusern oder in Tiefkühltruhen gewöhnliche Thermometer oder temperaturempfindliche, elektrische Glieder zur Temperaturanzeige benutzt. Diese bekannten Temperaturmessglieder sind jedoch mit dem Nachteil behaftet, dass sie die Temperatur nur an einem einzigen Punkt des infragestehenden Raumes fühlen. Man erhält somit kein Gesamtbild der Temperaturverhältnisse im Gefrierraum, und ausserdem kann man oft ein falsches Bild der Verhältnisse bekommen, falls das Fühlglied, wie dies öfters der Fall ist, im kältesten Teil des Gefrierraumes angebracht ist, beispielsweise am Kaltlufteintritt eines Kühlraumes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obengenannten Nachteile der pH-Indikatoren im Zusammenhang mit gefrorenen Lösungen zu beseitigen und eine Anzeige der pH-Werte von sowohl flüssigen als auch gefrorenen Lösungen zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die pH-Indikatorkomposition die folgenden Bestandteile umfasst: (a) zumindest einen pH-Indikator in einer Menge, welche hinreichend ist, um bei pH-Verschiebung eine Farbänderung aufzuweisen, (b) eine Pufferlösung, die zumindest ein anorganisches Ion in Lösung enthält und ein pH aufweist, welches verschiebbar ist, wenn die Temperatur der Pufferlösung von einer ersten Tempe-

7 ü . 8 Λ 7 / 0 7 3 8

ratur über dem Gefrierpunkt der genannten Lösung auf eine zweite Temperatur gesenkt wird, bei der die Lösung gefroren ist, und (c) ein Regelmittel oder einen Regelmittel-Vorläufer, welches Regelmittel imstande ist, die Ionenstärke und die Protonenzusammensetzung der gefrorenen pH-Indikatorkomposition zu ändern, um beim Gefrieren eine pH-Verschiebung der pH-Indikatorkomposition zustandezubringen, wobei das genannte Regelmittel in einer hinreichenden Menge vorhanden ist, damit die pH-Indikatorkomposition bei einer gewählten Temperatur unter dem Gefrierpunkt eine Farbe aufweist, welche dieselbe ist, wie die Farbe der genannten pH-Indikatorkomposition bei einer Temperatur über dem Gefrierpunkt,

Durch die vorliegende Erfindung hat man also die mit der Farbanzeige in gefrorenem Zustand verknüpften Probleme lösen können, indem man einer einen pH-Indikator und eine Pufferlösung mit zumindest einem anorganischen Ion in der Lösung enthaltenden pH-Indikatorkomposition ein Regelmittel zusetzt, das sowohl die Ionenstärke als auch die Protonenzusammensetzung der Komposition ändert. Hierdurch hat man auch die Voraussetzungen für das Zustandebringen eines Indikators zur einfachen und leicht erkennbaren Anzeige der Temperaturverhältnisse geschaffen, wie im folgenden näher erläutert ist.

Die erfindungsmässige Komposition kann als wahlfreie, jedoch bevorzugte Zusatzmittel auch ein Schutzmittel, beispielsweise n-Butanol enthalten.

Wie eingangs erwähnt, ist die Erfindung nicht auf wässrige Systeme beschränkt, obgleich diese bevorzugt werden. Ausser wässrigen Systemen kann man Alkohol, wie Methanol, Äthanol und Dodecanol benutzen. Selbstverständlich müssen Indikator, Puffer und Regelmittel im gewählten Medium löslich sein.

Ohne die Erfindung an eine besondere Theorie zu binden, meint man, dass die oben beschriebene Farbänderung des pH-Indikators beim Gefrieren darauf zurückzuführen ist, dass die Protonenzusammensetzung beim Gefrieren radikal geändert wird, eine Änderung, die in zwei Teile unterteilt werden kann. Erstens nimmt die gesamte Leitfähigkeit beim Gefrieren der Lösung ab, da die Beweglichkeit der verschiedenen Ionen, einschliesslich H und OH , in der Lösung stark abnimmt. Zweitens dürfte die Beweglichkeit oder

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die Zugänglichkeit von OH stärker abnehmen als für H , d.h. das Verhältnis H : OH (die Protonenzusammensetzung) nimmt beim Gefrieren der Lösung (scheinbar) zu. Dies bedeutet, dass die gefrorene Lösung einen (scheinbar) niedrigeren oder saureren pH-Wert als die flüssige Lösung hat. Da der Farbzustand des pH-Indikators gerade vom Verhältnis H : OH (d.h. pH) abhängig ist, wird sich also der Farbzustand des pH-Indikators von Basenfarbe zu Säurefarbo ändern, vorausgesetzt, dass die Änderung des Verhältnisses H : OH hinreichend ist, damit beim Gefrieren der Lösung das Umschlagsintervall des pH-Indikators passiert wird. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Änderung des Verhältnisses H : OH beim Gefrieren im allgemeinen einer Verschietung des pH-Werts nach der sauren Seite hin um etwa 2-5 Einheiten entspricht, und zwar in Abhängigkeit vom gewählten pH-Indikator. Falls also die ursprüngliche, flüssige Lösung auf einen pH-Wert von etwa 2-5 Einheiten über dem pK-Wert des pH-Indikators alkalisiert wird oder schon von Anfang an einen solchen pH-Wert hat, ändert der pH-Indikator nicht die Farbe beim Gefrieren der Lösung.

Die oben angedeutete Erklärung der Farbänderung des pH-Indikators beim Gefrieren bedeutet somit, dass der pH-Wert der Lösung gegen einen saureren Wert verschoben wird. Da man die Lösung alkalisieren muss, um die pH-Verminderung beim Gefrieren auszugleichen, wird der pH-Wert der flüssigen Lösung gegen einen mehr alkalischen Wert verschoben. Man kann dies als eine scheinbare Verschiebung des pK-Werts (Umschlagsintervalls) des pH-Indikators gegen einen mehr alkalischen Wert infolge des Gefrierens betrachten, und diese Betrachtungsweise ist u.a. in den nachstehenden Ausführungsbeispielen benutzt worden.

Die vorliegende Erfindung hat gezeigt, dass die Farbänderung des pH-Indikators beim Gefrieren hauptsächlich nur vom üebergang von flüssiger Phase zu fester Phase abhängig und im übrigen von der Temperatur hauptsächlich unabhängig sein dürfte, d.h. dass wenn sich die Farbe des Indikators einmal infolge des Gefrierens der Lösung geändert hat, keine weitere Farbänderung bei fortgesetzter Temperatursenkung unter dem Gefrierpunkt erfolgt.

Erfindungsmässig hat man ferner festgestellt, dass die

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Konzentration der Lösung an demjenigen Stoff (anorganischem Puffer oder Salz einer organischen Säure), der zur Ionenstärke und Protonenzusammensetzung der Lösung beiträgt, eine solche Wirkung hat, dass die Lösung beim Gefrieren um so saurer wird, je höher die Konzentration des Stoffes (des Puffers) in der Lösung ist.

Wie schon erwähnt, wird das mit der Verschiebung des Umschlagsintervalls beim Gefrieren verknüpfte Problem erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass man ein Regelmittel zusetzt, welches die Ionenstärke und die Protonenzusammensetzung der gefrorenen ..ösung ändert und sowohl der Verminderung der Leitfähigkeit als auch der Änderung des Verhältnisses K : OH (d.h. des pH-Werts) der Lösung infolge des Gefrierens entgegenwirkt. Es sei bemerkt, dass das Regelmittel selbst nicht die Protonenzusammensetzung zu ändern braucht; wichtig ist, dass die Wirkung des Regelmittels eine solche ist, dass die Protonenzusammensetzung der gefrorenen Lösung eingeregelt wird. Hierzu lassen sich verschiedene Regelmittel gebrauchen, welche beispielsweise das pH der Lösung ändern oder oberflächenaktive Wirkung haben. Insbesondere hat man bei der Erfindung gefunden, dass Alkohole und Carboxylsäuren wirksame Regelmittel sind. Unter Alkoholen sind hier hydroxylgruppenenthaltende, organische Verbindungen und vor allem sowohl einwertige als auch mehrwertige Alkohole, wie Methanol, Äthanol, verschiedene Glykole, Glycerine sowie Kohlenhydrate zu verstehen. In entsprechender Weise umfassen die Carboxylsäure-Regelmittel gemäss der Erfindung carboxylgruppenenthaltende, organische Verbindungen, vor allem sowohl Mono- und Di- als auch Polycarboxylsäuren, die ihrerseits ausser den "üblichen" aliphatischen Carboxylsäuren, aromatische Carboxylsäuren, Ketosäuren, Hydroxysäuren und Aminosäuren (einschl. der Amide und Salze dieser Säuren) umfassen.

In der Praxis werden die reinen Carboxylsäuren nicht als Regelmittel benutzt, da dies eine unerwünschte Senkung des pH der Lösung herbeiführen würde. Stattdessen wird das Carboxylsäure-Regelmittel, bevor es der Lösung zugesetzt wird, beispielsweise durch Zugabe von NaOH auf denselben pH-Wert wie die Lösung eingeregelt. Dies bedeutet, dass das zugesetzte Carboxylsäure-Regelmittel im wesentlichen einer Lösung der freien Säure und deren Salz entspricht. Alternativ und bevorzugt kann man als Carboxylsäure-Regelmittel direkt ein Salz der Säure gebrauchen,

zweckmässigerweise ein Alkalimetall- oder Ammoniumsalz, wobei das pll beispielsweise mit Hilfe von HCl eingeregelt wird.

Erfindungscemäss kann man als Regelmittel zur Änderung der Ionenstärke und der Protonenzusammensetzung auch einen Vorläufer benutzen, d.h. ein Material, welches imstande ist, einen die Ionenstärke und die Protonenzusammensetzung ändernden Stoff zu erzeugen. Ein Beispiel eines solchen Vorläufers ist ein Enzym-Substrat-Gemisch, das durch die Einwirkung des Enzyms auf das Substrat den erforderlichen Stoff erzeugt.

Die obengenannten Regelmittel eignen sich für Systeme, die beim Gefrieren (Erstarren) saurer werden.

Allgemein gilt, dass ein Regelmittel für ein System, das beim Gefrieren saurer wird, ein Stoff ist, der ein Ion einer starken Base und ein Ion einer schwachen Säure umfasst, während ein Regelmittel für ein System, das beim Gefrieren mehr alkalisch wird, ein Stoff ist, der ein Ion einer schwachen Base und ein Ion einer starke Säure umfasst. Es sei bemerkt, dass Alkohole als Regelmittel für beide Systemtypen benutzt werden können.

Der genaue Mechanismus der Wirkung des Regelmittels gemäss der Erfindung ist nicht klargelegt, aber was z.B. Glycerin betrifft, vermutet man, dass dieses Regelmittel dadurch wirkt, dass es imstande ist, Wassermoleküle anzuziehen, wahrscheinlich zusammen mit dem pH-Indikator, wodurch dieser seine Farbe bewahrt. Ausserdem hat Glycerin ein hohes Protonenbindevermögen, was zu einer reduzierten Beweglichkeit oder Zugänglichkeit von H im Verhältnis zu OH führt, d.h. einem (scheinbar) mehr alkalischen pH-Wert. Diese Verschiebung des pH-Wertes gegen einen mehr alkalischen pH-Wert wirkt derjenigen Verschiebung des pH-Wertes gegen einen saureren Wert entgegen, welche, wie vorher erklärt, in der gefrorenen Lösung ohne Zusatz von Regelmittel auftritt. Durch sein Protonenbindevermögen ändert somit Glycerin scheinbar den pH-Wert der gefrorenen Lösung gegen einen mehr alkalischen Wert.

Für die erfindungsmässigen Carboxylsäure-Regelmittel gilt, dass sie selbst eine wirkliche Änderung der Leitfähigkeit herbeiführen, und zwar sowohl der gesamten Leitfähigkeit wie auch des gegenseitigen Verhältnisses H : OH (Protonenzusammensetzung).

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In Abhängigkeit davon, ob das gewählte Carboxylsäure-Regelmittel . mit dem besonderen Puffersystem zusammenwirkt, kann man der Umschlagsverschiebung des pH-Indikators beim Gefrieren entweder entgegenwirken oder diese Umschlagsverschiebung noch weiter akzentuieren .

Bei der Verwendung der obengenannten Regelmittel wurde festgestellt, dass sie die unerwartete Wirkung besitzen, dass sie die Farbänderung des pH-Indikators beim Gefrieren temperaturabhängig machen, d.h. die Farbänderung braucht nicht im unmittelbaren Anschluss an das Gefrieren zu erfolgen, sondern kann bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt der Lösung bewirkt werden. Für die Alkoholregelmittel gilt dies in Gegenwart eines anorganischen Puffers oder eines Salzes einer organischen Säure, während dies für die Carboxylsäure-Regelmittel (welche Säuresalze umfassen) auch in Abwesenheit eines anorganischen Puffers (Carboxylsäure + Alkalisalz der Carboxylsäure bilden selbst ein Puffersystem) gilt. Man hat ferner festgestellt, dass die Temperaturabhängigkeit des Farbumschlags des pH-Indikators auf dem Gehalt des zugesetzten Regelmittels sowie auf dem Ausgangs-pH der flüssigen Lösung beruht. Somit gibt ein zunehmender Gehalt an Regelmittel eine niedrigere Farbumschlagstemperatur bei konstantem pH, während ein mehr alkalisches Ausgangs-pH der flüssigen Lösung eine niedrigere Umschlagstemperatur bei konstantem Gehalt an Regelmittel gibt. Man hat hierdurch (ausser dem Entgegenwirken einer Farbänderung des pH-Indikators beim Gefrieren durch das Regelmittel) ein "Farbthermometer" geschaffen, das infolge der Temperaturabhängigkeit des Farbumschlags des pH-Indikators eine Farbe über der "Umschlags temperatur" (Basenfarbe) und eine andere Farbe unter der "Umschlagstemperatur" (Säurefarbe) zeigt. Dieser Farbumschlag kann sehr distinkt gemacht werden, so. dass das Farbthermometer eindeutig so geringe Temperaturunterschiede wie 1-2 C anzeigt. Indem man ein langgestrecktes Rohr mit einer Komposition der oben geschilderten Art gemäss der Erfindung füllt, schafft man somit ein langgestrecktes Farbthermometer, das, falls es an der Wand eines Kühl- oder Gefrierraumes angebracht wird, anzeigt, unter welcher Höhe die Temperatur hinreichend niedrig bzw. über welcher Höhe die Temperatur zu hoch ist.

Anstatt, wie oben erwähnt, die Lösung in ein langgestrecktes

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Rohr zu füllen, kann man auch einen langgestreckten Streifen mitin regelmässigem Abstand voneinander angeordneten, durchsichtigen Kammern herstellen, die alle mit der Lösung gefüllt sind. Diese Ausbildung ist praktischer als die Ausbildung des langgestreckten Rohres, da der Streifen leicht zwischen den Kammern getrennt werden kann, um Streifen erwünschter Länge zu schaffen. Ferner können die Kammern mit verschiedenen Lösungen gefüllt werden, die einen Farbumschlag bei verschiedenen Temperaturen unter dem Gefrierpunkt herbeiführen. Hierdurch wird ein Thermometer geschaffen, das durch seine Farbe in einfacher und leicht erkennbarer Weise die vorherrschende Temperatur anzeigt. Eine weitere Anwendung des beschriebenen Farbtherrnometers besteht darin, dass man eine Kapsei herstellt, die mit solcher Lösung gefüllt ist, welche bei einer gewissen Temperatur, beispielsweise -18 C, einen Farbumschlag bietet, und diese Kapsel an einer tiefgefrorenen Ware befestigt. Die die Indikatorflüssigkeit enthaltende Kapsel wird dann zu jedem Zeitpunkt während der Handhabung der tiefgefrorenen Ware anzeigen, ob die Temperatur über oder unter der gewählten Temperatur (beispielsweise -18 C) liegt. Es sei bemerkt, dass jedes besondere Farbthermometer einen Farbumschlag nur bei einer besonderen Temperatur gibt, die für die gewählte Kombination von Indikatorlösung, pH-Wert und Gehalt des Regelmittels kennzeichnend ist, dass man aber durch zweckdienliche Kombination dieser Faktoren ein Farbthermometer schaffen kann, welches bei wahlfreier Temperatur einen Farbumschlag gibt. Der pH-Indikator ist typisch in einer Menge von etwa 0,01 -0,05 Gew./Vol.% enthalten.

Es sei auch betont, dass das oben beschriebene Farbthermometer gemäss der Erfindung reversibel ist, d.h. es kann erneut benutzt werden, um Temperaturänderungen an der besonderen Farbtemperatur vorbei anzuzeigen, die für das gewählte Farbthermometer spezifisch ist.

Die Erfindung ist nun im folgenden anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Beispiel 1

Dieses Beispiel zeigt den Farbumschlag zweier verschiedener pH-Indikatoren, Nitrazingelb und Bromthymolblau, beim Gefrieren.

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Die Indikatorlösungen waren mit 0,02 M Na_HPO, (pH = 9,4) gepuffert. Die Einregelung des pH-Wertes erfolgte mit 1 N HCl. Die Ergebnisse sind in Tafel 1 gezeigt.

Aus Tafel 1 geht klar hervor, dass sowohl Nitrazingelb als auch Bromthymolblau in mit dem anorganischen Puffer Na₃HPO₄ gepufferter Lösung eine Verschiebung des Umschlagsintervalls beim Gefrieren aufweist.

Entsprechende Vergleichsversuche wurden angestellt, jedoch ur >.er Verwendung von Indikatorlösungen, die mit 0,02 M des anorganischen Puffers Tris(hydromethyl)aminomethan (Tris) gepuffert waren. Eine nennenswerte Verschiebung der Umschlagsintervalle entstand nicht, was auch zu erwarten war, da Tris eine im wesentlichen undissoziierte, organische Verbindung ist, welche nicht nennenswert zur Protonenleitfähigkeit beiträgt.

Um zu zeigen, dass der Dissoziationsgrad dafür unwichtig ist, ob das Umschlagsintervall verschoben wird oder nicht, wurden auch Versuche mit Indikatorlösungen vorgenommen, die mit Tris-Puffer gepuffert waren und denen ausserdem NaCl zugesetzt war, d.h. ein Stoff, der nur die Ionenstärke, jedoch nicht die Protonenzusammensetzung ändert. Wie aus Tafel 1 hervorgeht, entstand auch in diesem Falle keine nennenswerte Verschiebung der Umschlagsintervalle .

Beispiel 2

In diesem Beispiel wurden Versuche mit einer grossen Anzahl verschiedener pH-Indikatoren ausgeführt, und es wurde festgestellt, dass sämtliche Indikatoren eine Verschiebung des Umschlagsintervalls beim Gefrieren herbeiführten. In Tafel 2 sind die verschiedenen geprüften pH-Indikatoren und deren normale Umschlagsintervalle bei +20⁰C (volle Linie) sowie bei -20⁰C (gestrichelte Linie) zusammengestellt. In sämtlichen Fällen waren die Indikatorlösungen mit 0,02 M Na₂HPO₄ gepuffert. Das pH wurde mit 1 N HCl oder 1 M NaOH eingeregelt.

Beispiel 3

Bei diesem Beispiel wurden Versuche mit Zusatz von Glycerin zu verschiedenen pH-Indikatorlösungen angestellt, die mit Phosphatpuffer gemäss Obigem gepuffert waren. Die Messungen erfolgten

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bei +20⁰C bzw. -18°C, und der pH-Wert wurde bei 7,0 konstant
gehalten. Sämtliche Proben waren bei -18°C gefroren. Die Ergebnisse sind aus Tafel 3 ersichtlich. Es sei bemerkt, dass die angegebenen Glycerinkonzentrationen sich auf eine 87%ige Glycerinlösung beziehen.

Beispiel 4

Dieses Beispiel zeigt die Einwirkung von pH, Temperatur und Glyceringehalt auf die Farbänderung von Bromkresolgrün. Die Indikatorlösung enthielt wie vorher 0,02 M Na-HPO.. Die Ergebnisse
gehen aus Tafel 4 hervor.

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Tafel 1

0,02 M Na₂HPO₄-Puffer

	Nitrazingelb	-20⁰C	Bromthymo1b i au	blau	-20°C
PH	Farbe bei		Farbe bei	Il	gelb
(+20⁰C)	+ 20⁰C	grünbraun	+20⁰C	Il	Il
9,40	dunkelviolett	gelbrot	Il	Il
9,00	π	Il	blaugrün	Il
8,50	11	M	grün	Il
8,00	Il	ti	Il	Il
7,50	Il	Il	gelbgrün	Il
7,00	violett	Il	gelb	Il
6,50	braun	Il	II	■1
6,00	braunrot	Il	Il	Il
5,50	rotgelb	Il		Il
5,00	gelbrot
4,60	Il

0,02 M Tris-Puffer

	Nitrazingelb	-20⁰C	-18°C	Bromthymolblau	blau	blau	-20⁰C	-20°C
P^H r,	Farbe bei	dunkelviolett	violett	Farbe bei	•1	π	blau	hellblau
(+20⁰C)	+ 20⁰C	Il	Il	+20⁰C	Il	If	Il	H
9,40	dunkelviolett	Il	η	Il	η	blaugrün	H
9,00	Il	Il	η	blaugrün	grünblau	grün	■I
8,50	Il	Il	Il	grün	grün	grüngelb	blaugrau
8,00	Il	violett	Il	•1	Il	gelb	graugrün
7,50	Il	hellviolett	η	gelbgrün	gelbgrün	Il	gelbgrau
7,00	violett	gelbbraun	hellbraun	gelb	gelb	η	gelb
6,50	braun	gelbrot	-	•l	Il	η	Il
6,00	braunrot	■1	gelbrot	Il		Il	Il
5,50	rotgelb	η	M NaCl		π
5,00	gelbrot	0,02 M Tris-Puffer + 0,1	Bromthymo1b1au
4,60	Il	Nitrazingelb	Farbe bei
		Farbe bei	+20⁰C
		+ 20⁰C
PH	violett
(+20⁰C)	Il
9,4	π
9,0	Il
8,5	Il
8,0	hellviolett
7,5	lilabraun
7,0	braun
6,5	-
6,0	gelb
5,5
5,0

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Tafel 2

pH-Indikator Bromthymo1b1au Nitrazingelb Phenolphthalein Phenolrot a Bromkresolgrün Bromkresolpurpur

CD

^j, Kongorot o Chlorphenolrot *** Bromphenolrot Methylorange Methylrot Kresolrot Thymolblau

b=blau

bl-schwarz

blv=schwarzviolett

br=braun

c=farblos

pH-Wert 4 6

10

12

ry_r

yr y :. --^b j ■

y ι—( tv ', y ι

c '—

y ·—

•vr c—

blv rr

y<

|»y

—y

r ι— —

y<

yf_

»ν y/ ,blv

bl»

-i-i V

: ϋ

r> V

1 -4-,b

14

grbr=graubraun

ly=hellgelb

lbr=hellbraun

o^orange

r=rot ry=rotgelb y=gelb yr=gelbrot v=violett vr=violettrot

Tafel 3

	^^-^Glycerin- \ gehalt pH-Indikator^	1%	ι 1 ! ; 2%	5% ■	10%	i * ; ; Farbe bei ; . Zimrierternp. 20% O-Kontrolle ■· (^alle)
	Chlorphenolrot	gelb mit etwas rot	rot	rot	rot	i rot gelb violett i
-J O	Bromkresolgrün	blaugrün	blaugrün	blau	blau	blau ; grün blau
/0738	Kongorot	braunrot	dunkelrot	rot	rot	rot schwarz rot i i ■ 1 ,

Tafel 4

(Temperatur pH 4,O j I ⁰C I 0,5% Glycerin ⁽

pH 5,0 I pH 6,0

1,0% Glycerin ! 0,5% Glycerin

-14

-16

Blaugrün

Gelb

Blaugrün

Grüngelb

Gelbgrün

-18	j Gelb	Gelbgrün	Gelbgrün
-20	• Gelb	Gelbgrün	] Gelb
-22	j Gelb i	I Gelb I	Gelb

Beispiel 5

Dieses Beispiel zeigt die Einwirkung von pH, Temperatur und Glyceringehalt auf die Farbänderung von Chlorphenolrot. Die Indikatorlösung enthielt wie vorher 0,02 M Na₃HPO₄. Die Ergebnisse gehen aus Tafel 5 hervor.

Tafel 5

Temperatur ⁰C	pH 5,0 1,0% Glycerin	pH 5,5 0,5% Glycerin	pH 6,0 0,5% Glycerin ; :
-14	Violett	Violett	Violett
-16 ί	Gelbrot	Rot	Gelb
-»	Gelbrot '	Gelb	Gelb
-20	Gelb {	Gelb \	Gelb ί
-22	Gelb j	\ Gelb	Gelb

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Tafel

JRegelmi ttel
!(Gew./Vol.%)

Chlorphenolrot +20⁰C -18°C

Bromkresoljrün +20⁰C -18

0 = Kontrolle (nur Phosphat-Puffer)

Rot

Gelb

Blau

Gelb

Dextrose (5%)

Sorbitol (5%)

Rot

Gelbrot Blau Gelbrot Blau

Gelbgrün

Saccharose (5%)

Rot

Gelbrot Blau

Grüngelb

Tv/een 80 (oberflächen- Rotgelb aktives Mittel enthaltend Polyoxyäthylen (20)

Gelbrot Grün

Grün

	I	Rot	Rot	ι i Blau	Blau
Glycerin (8,7%)	i	Rot	Rot	₍ Blau	Blau
Äthylenglykol (10%)	i	Rot	Rot	Blaugrün	Blau
_Polyäthylenglykol (5%)	i	Rot	Rot	Blaugrün	Blau
Cellosolve (5%)	• i	Rot	Gelbrot	Blaugrün	Grün
Methanol (5%) ί	I 1	Rot	Gelbrot	Blaugrün	Blau
iXthanol (5%)	J	Rot	Rot	Blaugrün	Blau
INatriumglutamat (5%)	i I	Rot	Gelbrot	Blaugrün	Grün ;
JNatriumsuccinat (5%) i	I i	Rot	Rot	Blaugrün	Hellgrün ^!
Natriumacetat (5%) j	i	Rot	Rot	Blaugrün	Grün i
Natriumeitrat (5%)	i i	Rot	Rot	Blaugrün	Blau j
JAmmoniumformiat (5%)

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Ccispiol 6

Dieses Beispiel veranschaulicht die einer Farbänderung entgegenwirkende Wirkung verschiedener Regelmittel gemäss der Erfindung. Die Indikatorlösungen bestanden aus Chlorphenolrot bzw. Bromkresolgrün in wässriger Lösung, die mit 0,02 M Na-,ΗΡΟ. gepuffert war. Der pH-Wert der Lösungen v/urde mit HCl auf 6,0-6,5 eingeregelt. Die Ergebnisse gehen aus Tafel 6 hervor.

Beispiel 7

Dieser Versuch zeigt teils die Verschiebung des Umschlagsintervalls eines pH-Indikators (Kongorot) beim Gefrieren, und teils dass diese Verschiebung bei fortgesetzter Temperatursenkung unter dem Gefrierpunkt nicht weiterläuft, d.h. so lange oich die Indikatorkomposition entweder in der flüssigen oder in der festen Phase befindet, so ist das Umschlagsintervall temperaturunabhängig, vorausgesetzt, dass ein Regelmittel gemäss der Erfindung, wie Glycerin, nicht zugesetzt worden ist. Die Ergebnisse gehen aus Tafel 7 hervor.

Tafel 7

Farbe von Kongorot-Indikator in wässriger Lösung, gepuffert mit 0,02 M Na₂IIPO₄

pH	-20⁰C	-15°C	sy	-6°C	+5°C	+10⁰C	+20⁰C
(+20⁰C)	rot	rot	fest	rot	rot	rot	rot
9,9	η	η		η	η
9,15	η	η		rotbraun	η
8,5	schwarz	schwarz	schwarz	η
8,0	η	Il	•1	η
7,5	Il	η	η	η
7,0	η	■	η	n
6,5	η ι	η	η	η
6,0


Beispiel 8



flüssig

Um zu zeigen, dass die Carboxylsäure-Regelmittel gemäss der Erfindung das Umschlagsintervall des pH-Indikators im gefrorenen System auch ohne Puffer temperaturabhängig machen können, wurde ein Versuch mit einer Lösung angestellt, die 5% Natriumsuccinat (Carboxylsäure-Regelmittel) und Chlorphenolrot als pH-Indikator enthielt. Die ?u*«e des TocUfcators wurde bei +20 C

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sowie drei verschiedenen Temperaturen unter dem Gefrierpunkt beobachtet, wobei folgendes festgestellt wurde

Temperatur ( C)	Farbe
+20	rot
-6	rot
-10	gelbrot
-18	gelbrot

Die zwischen -6°C und -10⁰C stattgefundene Farbänderung zeigt eine Änderung des Umschlagsintervalls des pH-Indikators an.

Beispiel 9

In Tafel 8 sind verschiedene Beispiele von Enzym-Substrat-Kombinationen gezeigt, welche Vorläufer des erwünschten Regelmittels sind und durch enzymatische Reaktion das erwünschte Regelmittel erzeugen. Es leuchtet ein, dass die gezeigten Kombinationen nur einige erläuternde Beispiele verwendbarer Vorläufer sind, und dass der Fachmann unzählige andere Enzym-Substrat-Kombinationen wählen kann, die durch enzymatische Reaktion das erwünschte Regelmittel erzeugen.

Enz?

Phosphatase Phosphatase Esterase

Lipase

Beispiel 10

Tafel 8

Substrat

Glucose-6-Phosphat ß-Glycerophosphat Äthylbutyrat Triglycerid

Regelmittel Glucose Glycerin Äthanol Glycerin

Uebrige Produkte Phosphat Phosphat Butyrat Fettsäuresalz

Eine Komposition zur Verwendung als "Farbthermometer" gemäss der Erfindung wurde folgendennassen hergestellt.

Zu 2 1 einer wässrigen Lösung, die 142,5 g Na₂HPO.-2H₂O enthielt, wurden 350 ml 99,5% Glycerin, 4 1 0,5% Lösung von Chlorphenolrot und 800 ml n-Butanol (Schutzmittel) zugesetzt, wonach das Ganze mit destilliertem Wasser auf ein Gesamtvolumen von 40 verdünnt wurde. Die erhaltene Lösung wurde dann mit 1 N HCl auf pH 7,5 eingeregelt.

Die so erhaltene Lösung wurde in durchsichtige Kammern auf

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einem Streifen gefüllt, wie früher beschrieben. Hierdurch erhielt man ein Farbthermometer, das bei Prüfung violette Farbe bei Temperaturen über etwa -18 C und gelbe Farbe bei Temperaturen unter etwa -18 C zeigte.

Beispiel 11

10 1 der in Beispiel 10 hergestellten Farbthermometerlösung wurden durch Zugabe von 35,6 g Na₂HPO₄-2H₂O sowie 50 ml 99,5%
Glycerin modifiziert. Der pH-Wert der Lösung wurde auf 7,96 ge~
messen.

Bei Verwendung dieser Lösung als Farbthermometer in der oben beschriebenen Weise erhielt man einen Umschlag von violetter
Farbe zu gelber Farbe, als die Temperatur unter etwa -24°C gesenkt wurde.

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Claims

P. MclGchkur 2718697

Anmelder: Koinmanditboläget Kockums Chemical AB & Co. Nya Agnesfridsvagen 181

S-213 7 5 MALMÖ, Schweden

Bezeichnung; "_ph-Indikator mit geregelter Änderung von Farbe und ph-Wert beim Gefrieren sowie Verfahren zu seiner Herstellung"

Patentansprüche:

< IJ pH-Indikatorkomposition mit geregelter Farbänderung beim Gefrieren oder bei einer gewählten Gefriertemperatur, gekennzeichnet durch (a) zumindest einen pH-Indikator in einer Menge, welche hinreichend ist, um bei pH-Verschiebung eine Farbänderung aufzuweisen, (b) eine Pufferlösung, die zumindest ein anorganisches Ion in Lösung enthält und ein pH aufweist, welches verschiebbar ist, wenn die Temperatur der Pufferlösung von einer ersten Temperatur über dem Gefrierpunkt der genannten Lösung auf eine zweite Temperatur gesenkt wird, bei der die Lösung gefroren ist, und (c) ein Regelmittel oder einen Regelmittel-Vorläufer, welches Regelmittel· imstande ist, die Ionenstärke und die Protonenzusammensetzung der gefrorenen pH-Indikatorkomposition zu ändern, um beim Gefrieren eine pH-Verschiebung der pH-Indikatorkomposition zustandezubringen, wobei das genannten Regelmittel in einer hinreichenden Menge vorhanden ist, damit die pH-Indikatorkomposition bei einer gewählten Temperatur unter dem Gefrierpunkt eine Farbe aufweist, welche dieselbe ist, wie die Farbe der genannten pH-Indikatorkomposition bei einer Temperatur über dem Gefrierpunkt.

2. pH-Indikatorkomposition nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferlösung eine wässrige Lösung ist.

3. pH-Indikatorkomposition nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Indikator einen pK-Wert in der genannten pH-Indikatorkomposition hat, und dass das Regelmittel in einer wirksamen Menge vorliegt, um eine Änderung der Protonenzusainmen-

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Setzung herbeizuführen, so dass (a) für eine beim Gefrieren saurer werdende pH-Indikatorkomposition die genannte Protonenzusamniensetzung in einen über dem genannten pl'-Wert liegenden Wert geändert wird, und (b) für eine beim Gefrieren mehr alkalisch werdende pH-Indikatorkomposition die genannte Protonenzusammensetzung in einen Wert unter dem genannten pK-Wert geändert wird.

4. pH-Indikatorkomposition nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelmittel ein Alkohol oder ein Vorläufer dafür ist.

5. pH-Indikatorkomposition nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelmittel zumindest eine Hydroxylgruppe umfasst und unter Methanol, Äthanol, Glykolen, Glycerin und Kohlenhydraten gewählt ist.

6. pH-Indikatorkomposition nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlenhydrat unter Saccharose, Sorbitol und Dextrose gewählt ist.

7. pH-Indikatorkomposition nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für eine pH-Indikatorkomposition, die beim Gefrieren saurer wird, das Regelmittel ein Stoff ist, der ein Ion eines starken Alkalis und ein Ion einer schwachen Säure umfasst.

8. pH-Indikatorkomposition nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelmittel ein Salz einer Carboxylsäure ist.

9. pH-Indikatorkomposition nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Carboxylsäureteil von einer Carboxylsäure hergeleitet ist, die zumindest eine Carboxylgruppe umfasst und unter aliphatischen und aromatischen Carboxylsäuren, Ketosäuren, Hydroxysäuren und Aminosäuren gewählt ist.

10. pH-Indikatorkomposition nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Carboxylsäure unter Ameisensäure, Essigsäure, Bernsteinsäure, Zitronensäure und Glutaminsäure gewählt ist.

11. pH-Indikatorkomposition nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für eine pH-Indikatorkomposition, die beim Gefrieren mehr alkalisch wird, das Regelmittel ein Stoff ist, der ein Ion eines schwachen Alkalis und ein Ion einer starken Säure umfasst.

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12. pH-Indikatorkomposition nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelmittel-Vorläufer ein Enzym-Substrat-Gemisch ist, das durch enzymatische Reaktion das Regelmittel erzeugt.

13. pH-Indikatorkomposition nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorläufer unter Phosphatase/Glucose-6-phosphat, Phosphatase/p-Glycerophosphat, Esterase/Äthylbutyrat und Lipase/ Tr.glycerid gewählt ist.

J.4. pH-Indikatorkomposition nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Komposition eine wässrige Komposition ist, umfassend

(a) Chlorphenolrot als pH-Indikator,

(b) Na₃HPO₄ als Puffer, und

(c) Glycerin als Regelmittel.

15. pH-Indikatorkomposition nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Liter wässriger Komposition etwa

50 ml 0,4 M wässriger Lösung von Na₂HPO₄·2H₂O, 100 ml 0,5%-iger Chlorphenollösung, 9 ml Glycerin (99,5%),

20 ml n-Butanol als wahlfreies Schutzmittel, destilliertes Wasser zur Bereitung von 1 Liter, und

1 M HCl zur Einregelung des pH auf 7,5 enthält.

16. pH-Indikatorkomposition nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Liter der genannten wässrigen Komposition ausserdem 3,56 g Na₂HPO₄.2H₂O und 5 ml Glycerin (99,5%) zugesetzt sind.

17. Verfahren zur Herstellung einer pH-Indikatorkomposition mit geregelter Farbänderung beim Gefrieren oder bei einer gewählten Gefriertemperatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die folgenden Bestandteile benutzt werden:

(a) zumindest ein pH-Indikator in einer Menge, welche hinreichend ist, um bei pH-Verschiebung eine Farbänderung aufzuweisen,

(b) eine Pufferlösung, die zumindest ein anorganisches Ion in Lösung enthält und ein pH aufweist, welches verschiebbar ist, wenn die Temperatur der Pufferlösung von einer ersten Temperatur über dem Gefrierpunkt der genannten Lösung auf eine zweite

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Temperatur gesenkt wird, bei der die Lösung gefroren ist, und (c) ein Regelmittel oder ein Regelmittel-Vorläufer, welches Regelmittel imstande ist, die Ionenstärke und die Protonenzusammensotzung der gefrorenen pH-Indikatorkomposition zu ändern, um beim Gefrieren eine pH-Verschiebung der pH-Indikatorkomposition zustandezubringen, und dass das genannte Regelmittel in einer hinreichenden Menge zugesetzt wird, damit die pH-Indikatorkomposition bei einer gewählten Temperatur unter dem Gefrierpunkt eine Farbe aufweist, welche dieselbe ist, wie die Farbe der genannten pH-Indikatorkomposition bei einer Temperatur über dem Gefrierpunkt.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelmittel einer wässrigen Pufferlösung zugesetzt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelmittel in einer wirksamen Menge zugesetzt wird, um eine Änderung der Protonenzusammensetzung herbeizuführen, so dass (a) für eine beim Gefrieren saurer werdende pH-Indikatorkomposition die genannte Protonenzusammensetzung in einen über dem pK-VJert des pH-Indikators liegenden Wert geändert wird, und (b) für eine beim Gefrieren mehr alkalisch werdende pH-Indikatorkomposition die genannte Protonenzusammensetzung in einen Wert unter dem ρκ-Wert des pH-Indikators geändert wird.

20. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelmittel ein Alkohol oder ein Vorläufer dafür zugesetzt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelmittel ein Alkohol zugesetzt wird, der zumindest eine Hydroxylgruppe umfasst und unter·Methanol, Äthanol, Glykolen, Glycerin und Kohlenhydraten gewählt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelmittel ein Kohlenhydrat zugesetzt wird, das unter Saccharose, Sorbitol und Dextrose gewählt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die pH-Indikatorkomposition beim Gefrieren saurer wird und dass als Regelmittel· ein Stoff zugesetzt ^wir^x der ein Ion eines starken

Alkalis und ein Ion einer schwachen Säure umfasst.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelmittel ein Salz einer Carboxylsäure zugesetzt wird.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Carboxylsäureteil von einer Carboxylsäure hergeleitet wird, die zumindest eine Carboxylgruppe umfasst und unter aliphatischen und aromatischen Carboxylsäuren, Ketosäuren, Hydroxylsäuren und Aminosäuren gewählt wird.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Carboxylsäure unter Ameisensäure, Essigsäure, Bernsteinsäure, Zitronensäure und Glutaminsäure gewählt wird.

27. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die pH-Indikatorkomposition beim Gefrieren mehr alkalisch wird, und dass als Regelmittel ein Stoff zugesetzt wird, der ein Ion eines schwachen Alkalis und ein Ion einer starken Säure umfasst.

28. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelmittel-Vorläufer ein Enzym-Substrat-Gemisch zugesetzt wird, das durch enzymatische Reaktion das Regelmittel erzeugt.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorläufer unter Phosphatase/Glucose-6-phosphat, Phosphatase/ß-Glycerophosphat, Esterase/Äthylbutyrat und Lipase/Triglycerid gewählt wird.

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