DE2718697B2

DE2718697B2 - Komposition mit geregelter Änderung von Farbe und pH-Wert beim Gefrieren sowie Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2718697B2
Application number: DE2718697A
Authority: DE
Inventors: Maj-Britt Ingegerd Tiru; Mandayam Tiru
Original assignee: Kockums Chemical & Co Malmoe (schweden) AB KB
Current assignee: I-Point Biotechnologies Malmoe Se AB
Priority date: 1976-05-11
Filing date: 1977-04-27
Publication date: 1979-04-12
Also published as: FR2351406A1; IE45416L; NL7705176A; IE45416B1; PT66522B; AU506640B2; PT66522A; MC1150A1; JPS5325489A; IT1113587B; AT359043B; CH634148A5; ES458645A1; DE2718697C3; US4149852A; DE2718697A1; NO144307B; BE854352A; DK205277A; ATA290577A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Komposition mit geregelter, reversibler Farbänderung beim Gefrieren oder bei einer gewählten Gefriertemperatur. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Komposition. Bevorzugt 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 Obergang der Komposition von Flüssigkeit zu festem Stoff oder Aufschlämmung gemeint, zum Unterschied von Unterkühlung, die in gewissen Fällen eintreten kann, wenn die Temperatur gesenkt wird.

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. Unter anderem 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 festellen 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 (d. h. dem Verhältnis H⁺ :OH~) beiträgt. Derartige Stoffe sind anorganische Puffer, wie z. B. Phosphatpuffer, 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, beispielsweise 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 Temperaturver-

hältnisse 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 Gefrierraums angebracht ist, beispielsweise am Kaltlufteintritt eines Kühlraumes

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obengenannten Nachteile der pH-Indikatoren im Zusammenhang mit gefrorenen, einen Puffer enthaltenden Lösungen zu beseitigen und eine korrekte Anzeige des pH-Wertes solcher Lösungen, sowohl im flüssigen wie auch im gefrorenen Zustand, zu ermöglichen.

Die Erfindung sucht auch, eine Lösung der mit solchen Indikatoren verbundenen Schwierigkeiten zu schaffen, so daß sie in einer visuell leicht erkennbaren Weise beispielsweise die Temperaturbedingungen eines größeren oder kleineren Teils eines Raumes anzeigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Komposition, die folgende Bestandteile umfaßt: (a) zumindest einen pH-Indikator in eine.· 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 Komposition zu ändern, um beim Gefrieren eine pH-Verschiebung der Komposition zustandezubringen, wobei das genannte Regelmittel in einer hinreichenden Menge vorhanden ist, damit die Komposition bei einer gewähiten Temperatur unter dem Gefrierpunkt eine Farbe aufweist, welche dieselbe ist, wie die Farbe der genannten Komposition 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 Komposition 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 Temperatur Verhältnisse geschaffen, wie im folgenden näher erläutert ist.

Die erfindungsmäßige Komposition kann als wahl- so freie, jedoch bevorzugte Zusatzmittel auch ein Schutzmittel, beispielsweise n-Butanol enthalten.

Um zu verhindern, daß eine Unterkvhlung 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 wäßrigen und nicht wäßrigen Systemen anwendbar ist.

Wäßrige Systeme werden jedoch bevorzugt. 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 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 Säurefarbe 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 Verschiebung 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 unter anderem in den nachstehenden Ausführungsbeispielen benutzt worden.

Die vorliegende Erfindung hat gezeigt, daß die Farbänderung des pH-Indikators beim Gefrieren hauptsächlich nur vom Übergang 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 Temperatursenkunp unter dem Gefrierpunkt erfolgt.

Man hat ferner festgestellt, daß die 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 Lösung ändert und sowohl der Verminderung der Leitfähigkeit als auch der Änderung des Verhältnisses H + : 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 (einschließlich der Amide und Salze dieser Säuren) umfassen.

In der Praxis werden die reinen Carboxylsäuren nicht als Regelmittel benutzt, da diese eine unerwünschte Senkung des pH der Lösung herbeiführen würde. Statt dessen 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 pH beispielsweise mit Hilfe von HC! eingeregelt wird.

Erfindungsgernäu 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, weiche, 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 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). 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 Umschlagslemperatur 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 Temperaturab-

■to hängigkeit des Farbumschlags des pH-Indikators eine Farbe über der »Umschlagstemperatur« (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 Rohr zu füllen, kann man auch einen langgestreckten Streifen mit in 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 Farbthermometers besteht darin, daß man eine Kapsel 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 ι ο 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 -0,05Gew./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. Die Indikatorlösungen waren mit 0,02 M Na₂HPO₄ (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 Na₂HPO₄ gepufferter Lösung eine Verschiebung des Umschlagsintervalls beim Gefrieren aufweist.

Entsprechende Vergleichsversuche wurden angestellt, jedoch unter 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 +2O⁰C (volle Linie) sowie bei — 20°C (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

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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 bei +20°C bzw. -18⁰C, 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 Na₂HPO₄. Die Ergebnisse gehen aus Tafel 4 hervor.

Tafel 1

0,02 M Na₂HPO₄-Puffer

PH
(+20X)

Nitrazingelb
Farbe bei +20⁰C

-20'C Bromthymolblau
Farbe bei +20'C

-20'C

9,40
9,00
8,50
8,00
7,50
7,00
6,50
6,00
5,50
5,00
4,60

dunkelviolett

violett

braun

braunrot

rotgelb

gelbrot

	blau	gelb
grünbraun	blau	gelb
gelbrot	blau	gelb
gelbrot	blau	gelb
gelbrot	blaugrün	gelb
gelbrot	grün	gelb
gelbrot	grün	gelb
gelbrot	gelbgrün	gelb
gelbrot	gelb	gelb
gelbrot	gelb	gelb
gelbrot	gelb	gelb

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0,02 M Tris-Puffer

12

pH	Nitrazingelb	-20 C	Bromthymolblau	-20 C
(+20 C)	Farbe bei +20 C	dunkelviolett	Farbe bei +20 C	blau
9,40	dunkelviolett	dunkelviolett	blau	blau
9,00	dunkelviolett	dunkelviolett	blau	blaugrün
8,50	dunkelviolett	dunkelviolett	blau	grün
8,00	dunkelviolett	dunkelviolett	blau	grüngelb
7,50	dunkelviolett	violett	blaugrün	gelb
7,00	violett	hellviolett	grün	gelb
6,50	braun	gelbbraun	grün	gelb
6,00	braunrot	gelbrot	gelbgrün	gelb
5,50	rotgelb	geibrot	gelb	gelb
5,00	gelbrot	gelbrot	gelb	gelb
4,60	gelbrot		gelb
0,02 M	Tris-Puffer + 0,1 M NaCl
pH	Nitrazingelb	-18'C	Bromthymolblau	-20 C
(+20'¹C)	Farbe bei +20 ¹C	Farbe bei +20 C

9,4 9,0 8,5 8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0

violett

hellviolett

lilabraun

braun

gelb

violett violett violett violett violett violett violett hellbraun

geibrot

blau blau blau blau grünblau grün grün gelbgrün gelb gelb

hellblau

blaugrau

graugrün

gelbgrau

gelb

Tafel 2

pH-Wert
pH-Indikator

Bromthymolblau Nitrazingelb Phenolphthalein Phenolrot

Bromkresolgrün Bromkresolpurpur

Kongorot

Chlorphenolrot Bromphenolrot Methylorange Methylrot

Kresolrot
Thymolblau

0

rv

Γ

2

ν

blv_

4

r

y

_ b

y

_ ν

_b

c

y

8

r

y-

10

_b

-b

12

vr

14

ry —

y

_ ν

_ V

ν y

y

r

y —

y

Γ

bl

— -

VI

V

ry

r

y _|

,

r

.ο y_

ry —

V

b

y^r

ν

blv

^_ _

• y

Γ

y

-y

_

V

-Iy

_ _

6

y

- —

b

b	= blau
bl	= schwarz
blv	= schwarzviolett
br	= braun
C	= farblos

grbr = graubraun

Iy = hellgelb

lbr = hellbraun

ο = orange

r = rot

ry

yr

vr

= rotgelb

= gelb

= gelbrot

= violett

= violettrot

13	Tafel 3	27 1	pH 6,0 0,5% Glycerin	8 697	-18 C	14	Farbe bei Zimmertemp. (alle)	pH 6,0 0,5% Glyceri"
pH-Indikator Glyceringehalt 1% 2%		blaugrün gelbgrün gelbgrün		gelb		violett	violett gelb gelb gelb gelb
Chlorphenolrot gelb mit rot etwas rot	5%	-20 gelb gelbgrün gelb -22 gelb gelb gelb Beispiel 5 Dieses Beispiel zeigt die Einwirkung von pH, Temperatur und Glyceringehalt auf die Farbänderung	10% 20%	gelbrot	0-Kontrolle	blau
rot	Tafel 6	rot rot	gelbrot	gelb	rot
Bromkresolgrün blaugrün blaugrün blau	Regelmittel	blau blau	gelbrot	grün	Indikatorlösung enthielt wie Die Ergebnisse gehen aus	-18 C
K.ongorot braunrot dunkelrot rot	(Gew./Vol.-%)	rot rot	gelbrot	schwarz	pH 5,5 0,5% Glycerin	gelb
Tafel 4	0 = Kontrolle (nur Phosphat-Puffer)	von Chlorphenolrot. Die vorher 0,02 M Na₂HPO₄. 15 Tafel 5 hervor. Tafel 5	rot		violett rot gelb gelb gelb	gelbgrün
Temperatur pH 4,0 pH 5,0 C 0,5% 1,0% Glycerin Glycerin	Dextrose (5%)	Temperatur pH 5,0 20 c 1,0% Glycerin	rot			gelbgrün
-14 blaugrün blaugrün -16 gelb grüngelb -18 gelb gelbgrün	Sorbitol (5%)	-14 violett -16 gelbrot 25 -18 gelbrot -20 gelb -22 gelb	rot	Bromkresolgrün	grüngelb
	Saccharose (5%)		rot	+ 20 C	grün
Tween 80 (oberflächenaktives Mittel enthaltend Polyoxyäthylen (20) sorbitanniono-oleat (10%)	Chlorphenolrot	gelbrot	blau	blau
Glycerin (8,7%)	+ 20C	gelbrot	blau	blau
Äthylenglykol (10%)	rot	rot	blau	blau
Polyäthylenglykol (5%)	rot	gelbrot	blau	blau
Cellosolve(5%)	rot	rot	grün	grün
Methanol (5%)	rot	rot	blau	blau
Äthanol (5%)	rotgelb	rot	blau	blau
Natriumgluiamat (5%)	rot	blaugrün	grün
Natriumsuccinat (5%)	rot	blaugrün	hellgrün
Natriumacetat (5%)	rot	blaugrün	grün
Natriumeitrat (5%)	rot	blaugrün	blau
Ammoniumformiat (5%)	rot	blaugrün
	rot	blaugrün
rot	blaugrün
rot	blaugrün
rot	blaugrün
rot
rot

Beispiel 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 Na₂HPO₄ gepuffert war. Der pH-Wert der Lösungen wurde mit HCI auf 6,0—6,5 eingeregelt Die Ergebnisse gehen aus Tafel 6 hervor.

Beispiel 7

Dieser Versuch zeigt teils die Verschiebung des 60 Umschlagsintervalls eines pH-Indikators (Kongorot) beim Gefrieren, und teils daß diese Verschiebung bei fortgesetzter Temperatursenkung unter dem Gefrierpunkt nicht weiterläuft, d. h. so lange sich die Indikatorkomposition entweder in der flüssigen oder in 65 der festen Phase befindet, so ist das Umschlagsintervall temperaturunabhängig, vorausgesetzt, daß ein Regelmittel, wie Glycerin, nicht zugesetzt worden ist Die Ergebnisse gehen aus Tafel 7 hervor.

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Tafel 7

Farbe von Kongorot-Indikator in wäßriger Lösung, gepuffert mit 0,02 MNa₂HPO₄

pH (+20 C	-20X	-15 "C	-6 C	+5.⁰C	+10 C	+20''C
9,9	rot	rot	rot	rot	rot	rot
9,15	rot	rot	rot	rot	rot	rot
8,5	rot	rot	rotbraun	rot	rot	rot
8,0	schwarz	schwarz	schwarz	rot	rot	rot
7,5	schwarz	schwarz	schwarz	rot	rot	rot
7,0	schwarz	schwarz	schwarz	rot	rot	rot
6,5	schwarz	schwarz	schwarz	rot	rot	rot
6,0	schwarz	schwarz	schwarz	rot	rot	rot
		fest			flüssig
			Beispiel 8

Um zu zeigen, daß die Carboxylsäure-Regelmittel 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 Dif Farbe des Indikators wurde bei +20⁰C sowie dre verschiedenen Temperaturen unter dem Gefrierpunk beobachtet, wc jei folgendes festgestellt wurde.

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

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

Beispiel

In Tafel 8 sind verschiedene Beispiele von Enzym-Substrat-Kombinationen gezeigt, welche Vorläufer de: erwünschten Regelmittels sind und durch enzymatische Reaktion das erwünschte Regelmittel erzeugen.

Tafel 8

Enzym	Substrat	Beispiel	Regelmittel	Übrige Produkte
Phosphatase	Glucose-6-Phosphat	Glucose	Phosphat
Phosphatase	jß-Glycerophosphat	Glycerin	Phosphat
Esterase	Athylbutyrat	Äthanol	Butyrat
Lipase	Triglycerid	Glycerin	Fettsäuresalz
	10

Eine Komposition zur Verwendung als »Farbthermometer« wurde folgendermaßen hergestellt

Zu 21 einer wäßrigen Lösung, die 142,5 g Na₂HPO₄ · 2 H₂O enthielt, wurden 350 ml 99,5% Glycerin, 41 0,5% Lösung von Chlorphenolrot und 800 ml n-Butanol (Schutzmittel) zugesetzt, wonach das Ganze mit destilliertem Wasser auf ein Gesamtvolumen von 401 verdünnt wurde. Die erhaltene Lösung wurde dann mit 1 N HCl auf pH 7,5 eingeregelt.

Die so erhaltene Lösung wurde in durchsichtige Kammtrn auf 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

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

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.

909 515/449

Claims

Patentansprüche:

1. Komposition mit peregelter, reversibler Farbänderung beim Gefrieren oder bei einer gewählten s 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 Komposition zu ändern, um beim Gefrieren eine pH-Verschiebung der Komposition zustandezubringen, wobei das genannte Regelmittel in einer hinreichenden Menge vorhanden ist, damit die Komposition bei einer gewählten Temperatur unter dem Gefrierpunkt eine Farbe aufweist, welche dieselbe ist, wie die Farbe der genannten Komposition bei einer Temperatur über dem Gefrierpunkt

2. Komposition nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferlösung eine wäßrige Lösung iüt.

3. Koniposition nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelmittel die Protonenzusammensetzung derart ändert, daß bei einer beim Gefrieren saurer werdenden Komposition ein kleinerer pK-Wert und bei einer beim Gefrieren alkalischer werdenden Komposition ein größerer pK-Wert eingestellt wird.

4. Komposition nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelmittel ein Alkohol oder ein Vorläufer dafür ist.

5. Komposition nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelmittel zumindest eine Hydroxylgruppe umfaßt und unter Methanol, Äthanol, Glykolen, Glycerin und Kohlenhydraten gewählt ist.

6. Komposition nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlenhydrat unter Saccharose, Sorbitol und Dextrose gewählt ist.

7. Komposition nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Komposition, die beim Gefrieren saurer wird, das Regelmittel ein Stoff ist, der ein Ion eines starken Alkalis und ein Ion einer schwachen Säure umfaßt

8. Komposition nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelmittel ein Salz einer Carboxylsäure ist.

9. Komposition nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß derCarboxylsäureteil von einer Carboxylsäure hergeleitet ist, die zumindest eine Carboxylgruppe umfaßt und unter aliphatischen und aromatischen Carboxylsäuren, Ketosäuren, Hydro- feo xysäuren und Aminosäuren gewählt ist.

10. Komposition nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Carboxylsäure unter Ameisensäure, Essigsäure, Bernsteinsäure, Zitronensäure und Glutaminsäure gewählt ist. t>5

11. Komposition nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Komposition, die beirr! Gefrieren mehr alkalisch wird, das Regelmittel ein Stuff ist der ein Ion eines schwachen Alkalis und ein Ion einer starken Säure umfaßt

12. Komposition nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Regelmittel-Vorlauf er ein Enzym-Substrat-Gemisch ist, das durch enzymatische Reaktion das Regelmittel erzeugt

13. Komposition nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorläufer unter

Phcsphatase/Glucose-6-phosphat
Phosphatase/ß-Glycerophosphat,
Esterase/Äthylbutyrat und
Lipase/Triglycerid
gewählt ist

14. Komposition nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine wäßrige Lösung, umfassend

(a) Chlorphenolrot als pH-Indikator,

(b) Na₂HPO₄ als Puffer, und

(c) Glycerin als Regelmittel.

15. Komposition nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Liter wäßriger Komposition etwa

50 ml 0,4 M wäßriger Lösung von

Na₂HPO₄ · 2 H₂O,
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. Komposition nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Liter der genannten wäßrigen Komposition außerdem 3,56 g Na₂HPO₄ ■ 2 H₂O und 5 ml Glycerin (99,5%) zugesetzt sind.

17. Verfahren zur Herstellung einer Komposition mit geregelter, reversibler Farbänderung beim Gefrieren oder bei einer gewählten Gefriertemperatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die folgenden Bestandteile gemischt 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 Temperatur gesenkt wird, bei der die Lösung gefroren ist, und (c) ein Regelmittel oder ein Regelmittel-Vorläufer, welches Regelmittel imstande ist, die lonenstärke und die Protonenzusammensetzung der gefrorenen Komposition zu ändern, um beim Gefrieren eine pH-Verschiebung der Komposition zustandezubringen, und daß das genannte Regelmittel in einer hinreichenden Menge zugesetzt wird, damit die Komposition bei einer gewählten Temperatur unter dem Gefrierpunkt eine Farbe aufweist, welche dieselbe ist, wie die Farbe der genannten Komposition 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 Ände-

rung der Protonenzusammensetzung herbeizuführen derart, daß bei eicer beim Gefrieren saurer werdenden Komposition ein kleinerer pK-Wert und bei einer beim Gefrieren alkalischer werdenden Komposition ein größerer pK-Wert eingestellt 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 Kohlenhy- is drat zugesetzt wird, das unter Saccharose, Sorbitol und Dextrose gewählt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Komposition, die beim Gefrieren saurer wird, als Regelmittel ein Stoff zugesetzt wird, 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 Carboxy'säure unter Ameisensäure, Essigsäure, Bernsteinsäure, Zitronensäure und Glutaminsäure gewählt wird.

27. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Komposition, die beim Gefrieren mehr alkalisch wird, 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/jS-Glycerophosphat,
Esterase/Äthylbutyrat und

Lipase/Triglycerid

gewählt wird.