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General Laboratory Techniques

Das Ansetzen von Lösungen im Labor

Making Solutions in the Laboratory

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Making Solutions in the Laboratory

1.3: Understanding Concentration and Measuring Volumes

1.5: An Introduction to the Micropipettor

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07:27 min

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April 30, 2023

Overview

Lösungen herzustellen ist eines der einfachsten Laborverfahren das man für fast alle biologischen und chemischen Experimente braucht. Eine Lösung ist eine homogene Mischung bestehend aus dem gelösten Stoff, der in einer Flüssigkeit, auch Lösungsmittel genannt, aufgelöst wird. Lösungen werden durch die Konzentration des gelösten Stoffes gekennzeichnet. Die Konzentration ist ein Maß für wieviel von dem gelösten Stoff je Einheit Lösungsmittels vorhanden ist.

In diesem Video haben wir Schritt für Schritt gezeigt, wie man eine auf Wasser basierende – oder wässrige – Lösung für biologische Anwendungen herstellt. Das Video beschreibt wie man ausrechnet und ausmisst wieviel von dem gelösten Stoff gebraucht wird um eine Lösung herzustellen. Außerdem werden Methoden um den zu lösenden Stoff in destilliertem Wasser aufzulösen und den pH-Wert einzustellen gezeigt. Das korrekte Verfahren um Lösungen zum Endvolumen aufzufüllen wird unter Berücksichtigung des Meniskus beschrieben. Danach werden Methoden um Lösungen zu sterilisieren behandelt. Die Anwendungen von Lösungen in der biologischer Forschung werden am Beispiel von oft verwendeten biologischen Lösungen, wie der phosphatgepufferten Salzlösung (PBS) erörtert. Diese Lösungen sind Pufferlösungen, die den biologischen pH-Wert und die Osmolarität von zellulären Flüssigkeiten simulieren.

Procedure

Das Herstellen von Lösungen ist ein wichtiger Bestandteil von fast jedem chemischen und biologischen Experiment weltweit.

Eine Lösung besteht aus einem Stoff, der in einer Flüssigkeit gelöst ist. Der gelöste Stoff wird auch als Solvat und die Flüssigkeit, oder das Lösungsmittel, als Solvens bezeichnet. Die daraus resultierende homogene Flüssigkeit ist die Lösung.

Lösungen werden durch die Konzentration des gelösten Stoffes gekennzeichnet. Die Konzentration gibt an wie viel eines gelösten Stoffes in der Lösung enthalten ist.

Das Ansetzen von Lösungen ist ein relativ einfaches Laborverfahren, aber ungenaues Arbeiten kann den Unterschied zwischen einem erfolgreichen und einem misslungenen Experiment bedeuten.

Die erste Überlegung beim Ansetzen von Lösungen gilt der Sicherheit. Es ist wichtig Sicherheitsvorkehrungen abhängig von den genutzten Chemikalien zu treffen, beispielsweise das Tragen von Handschuhen und einem Laborkittel.

Es gibt viele verschiede Wege eine Lösung herzustellen. Dieses Video zeigt den gebräuchlichsten Weg um eine auf Wasser basierende, oder wässrige, Lösung anzusetzen.

Zuerst bestimmt man die Stoffmenge des zu lösenden Stoffes, die man braucht um eine bestimmte Konzentration zu erreichen. Dann wird dieser Wert unter Einbeziehung der molaren Masse, oder Gramm/Mol, in Gramm umgerechnet.

Die Chemikalien können mit einer digitalen Laborwage und einem Wägeschiffchen abgewogen werden.

Ein graduierter Messzylinder wird danach verwendet, um etwa 3/4 des Endvolumens an destilliertem Wasser abzumessen.

Es ist unerlässlich das wässrige Lösungen mit destilliertem Wasser, und nicht mit Leitungswasser, hergestellt werden. Wenn kein reines Wasser verwendet wird, kann die Qualität des jetzigen Experimentes, aber auch die von späteren Experimenten beeinträchtigt werden.

Nun transferiert man das destillierte Wasser in ein Becherglas das auf einer Magnetrührplatte steht und ein Rührstäbchen enthält.

Der abgemessene zu lösende Stoff kann dann langsam, unter konstantem Rühren, zu dem destillierten Wasser zugegeben werden. Das Rühren hilft den Stoff im Lösungsmittel aufzulösen. Die Anwendung von Wärme kann den Lösungsprozess vereinfachen.

Wenn alle zu lösenden Stoffe im Lösungsmittel gelöst sind, kann der pH-Wert der Lösung mit einem pH-Meter eingestellt werden. Um den pH-Wert zu erhöhen gibt man Natriumhydroxyd zu der Lösung. Um den pH-Wert zu senken fügt man verdünnte Salzsäure zu der Lösung hinzu. Die Säure oder Lauge sollte langsam zu der Lösung hinzugegeben werden, da sich der pH-Wert schnell verändern kann.

Man kann auch pH-Messpapier verwenden, um den pH-Wert zu messen. Die Messungen eines kalibrierten pH-Meters sind jedoch genauer.

Die Lösung wird dann mit Hife eines Trichters in einen volumetrischen Glaskolben gefüllt und das endgültige Volumen wird aufgefüllt. Das Auffüllen wird auch als QSing bezeichnet von quantity sufficient.

Es ist sicherzustellen, das der Meniskus mit der Beschriftung auf dem volumetrischen Glaskolben übereinstimmt. In einer wässrigen Lösung ist der Meniskus konkav und sollte am niedrigsten Punkt der Wölbung abgelesen werden.

Für die biologische Forschung, speziell für das Arbeiten mit lebenden Zellen, sollten Lösungen sterilisiert werden. Sterilisation kann durch Autoklavieren erreicht werden, wobei die Lösung hohen Temperaturen unter hohem Druck ausgesetzt wird.

Alternativ kann die Lösung sterilisiert werden, indem sie durch einen 0,22 Mikrometer Filter gefiltert wird, wodurch alle bakterielle Zellen rausgefiltert werden.

Jetzt da wir einen grundsätzlichen Überblick haben wie man Lösungen ansetzt, ist es Zeit uns Lösungen anzuschauen, die oft in Labors verwendet werden.

In der biologischen Forschung sind viele Lösungen dafür konzipiert, dass sie physiologische Flüssigkeiten imitieren. Diese Lösungen sind gepuffert, was bedeutet das sie in bestimmten pH-Bereichen resistent gegenüber pH-Wert Schwankungen sind. Normalerweise wird der pH-Wert bei ~7.4 gehalten, um intrazelluläre und extrazelluläre Flüssigkeiten zu simulieren.

Eine Phosphat-gepufferte Salzlösung (oder PBS), ist ein häufig verwendeter Puffer in der biologischen Forschung, der einen physiologischen pH-Wert und Osmolarität imitiert. Die Osmolarität bezieht sich auf die gesamte Stoffmenge des zu lösenden Stoffes in der Lösung. Zum Beispiel, 1 mol NaCl dissoziert in Natrium und Chlorid Ionen wenn es gelöst ist, so dass 2 osmol in der Lösung enthalten sind. Die Ionenkonzentration von PBS entspricht der von Zellen. PBS ist daher eine isotonische Lösung, was bedeutet das die Menge von dem gelösten Stoff ausserhalb der Zelle die Gleiche ist wie im Inneren der Zelle. PBS besteht aus verschiedenen Salzbestandteilen und Wasser. Diese Salze enthalten Phosphatgruppen, die dazu beitragen einen konstanten pH-Wert zwischen 7,2 und 7,6 beizubehalten.

Häufige Anwendungen von PBS sind zum Beispiel das Waschen von Zellen und das Verdünnen von biologischen Molekülen, beispielsweise von Proteinen.

Die Elektrolytkonzentration der künstlichen Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit (ACSF) ähnelt der Elektrolytkonzentration der “echten” Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit. Diese Lösung muss frisch zubereitet werden. Der pH-Wert, die Osmolarität und die Ionenzusammensetzung sollten genau geprüft werden um den in vivo Bedingungen zu entsprechen.

ACSF wird oft für elektrophysiologische Untersuchungen verwendet, um Gehirnscheiben vorzubereiten und zu perfusieren. Sie kann auch als extrazelluläre Lösung während Patch-Clamp Messungen verwendet werden.

Ringer’s Lösung ist eine in der biologischen Forschung oft verwendete isotonische Salzlösung mit einem ausgeglichenen pH-Wert. Sie wird oft in in vitro Experimenten mit Organen und Gewebe verwendet.

Das war die Einführung in das Ansetzen von Lösungen von JoVE. In diesem Video haben wir gelernt wie man eine Lösung ansetzt von Anfang bis Ende…

Wir haben gezeigt wie man die gewünschte Menge des gelösten Stoffes berechnet, wie eine Lösung richtig bis zum Endvolumen aufgefüllt wird und wie man Lösungen sterilisiert. Ausserdem haben wir häufig verwendete Lösungen behandelt und ihre Anwendungen diskutiert.

Danke für eure Aufmerksamkeit und vergesst nicht beim Ansetzen von Lösungen auf eine saubere Arbeitsweise zu achten.

Transcript

Making solutions is an essential procedure involved in virtually all biological and chemical experiments performed across the globe.

A solution is made up of a substance dissolved in liquid. The dissolved substance is known as the solute, and the bulk fluid as the solvent. The resulting homogenous mixture is referred to as the solution.

Solutions can be described by their solute concentration, a measure of how much solute is present per unit of solution.

Making solutions may be a basic laboratory skill, but poor technique can mean the difference between a successful or failed experiment.

The first consideration when making solutions is safety. It is important to take appropriate precautions, such as wearing gloves and a lab coat, depending on the type of chemicals you are working with.

There are many different ways to go about making a solution. This video will demonstrate the most common way to make a water-based, or aqueous, solution.

First determine the moles of solute you will need to achieve the desired concentration in a given volume of solution. Then covert this value to grams using the molecular weight, or the number of grams per mole, of the chemical.

The chemicals can be weighed out using a digital balance and a weigh boat.

A graduated cylinder can then be used to measure out a volume of purified water that is roughly three quarters of the final volume of solution.

It is imperative that aqueous solutions be prepared with purified water rather than tap water. Failure to do so can compromise the quality of not only the solution, but potentially multiple experiments down the line.

At this point, the purified water should be transferred into a beaker containing a stir bar on a magnetic stir plate.

The measured solutes can then be added to the stirring purified water. Stirring the mixture helps the solute to dissolve. Applying heat can also be used for this purpose.

Once all of the solutes have been dissolved in solvent, the pH of the solution can be adjusted using a pH meter. To bring the pH up, add dilute sodium hydroxide to the stirring solution. To bring the pH down, add dilute hydrochloric acid. Be sure to slowly add the acid or base, as the pH can change rapidly.

pH paper can also be used to measure the pH of a solution, however use of a calibrated pH meter results in a more accurate measurement.

The solution is then poured into a volumetric flask using a funnel so that it can be brought up to its final volume. Adding the quantity sufficient to reach this volume is known as Q.S.’ing the solution.

Be sure that the meniscus lines up with the mark on the volumetric flask. In an aqueous solution, the meniscus is concave, and should be read at the lowest point of the curve.

When performing biological research, specifically those involving living cells, solutions may need to be sterilized before use. This can be done by autoclaving, which subjects the solution to high temperature steam under high pressure.

Alternatively, the solution can be sterilized by running over a 0.22 micron filter, which will exclude any bacterial cells.

Now that you have a fundamental understanding of how to make solutions, it’s time to take a look at some commonly used solutions in the laboratory and their applications.

In biological research, numerous solutions are designed to mimic physiological fluids. These solutions are buffered, which means they resist change in pH in a specific range; usually, pH is maintained at about 7.4 to simulate intracellular and extracellular fluids.

Phosphate buffered saline, or PBS, is a commonly used buffer in biological research that mimics physiological pH and osmolarity. Osmolarity refers to the total moles of solute in a solution. For example, a solution containing 1 mole of NaCl has 2 osmoles of solute, because the sodium and cloride ions dissociate in solution. PBS has ion concentrations which closely match those of cells, making it an isotonic solution, meaning that the amount of solute outside of the cell is equivalent to what’s found inside the cell. PBS is made up of several different salts in water, including salts with phosphate groups that maintain a constant pH in the range of 7.2 to 7.6.

Common uses for PBS in the lab include washing cells, and diluting biomolecules such as protein.

Artificial cerebrospinal fluid, or ACSF mimics the electrolyte concentrations of cerebrospinal fluid. This solution must be freshly prepared, and the pH, osmolarity, and ionic composition should be carefully monitored to match in vivo conditions.

ACSF is generally used in electrophysiological studies to prepare brain slices and to perfuse them during experiments. It can also serve as the extracellular solution during patch clamp measurement.

Ringer’s solution is an isotonic saline solution with a balanced pH used in biological research. It is commonly used in in vitro experiments with organs and tissues.

You’ve just watched JoVE’s introduction to making solutions. In this video we reviewed how to make a solution from start to finish… including how to determine the required amount of solute (A), how to properly QS a solution (B), and methods of sterilization (C). We also reviewed some common solutions as well as their applications in biological research (D).

Thanks for watching, and remember to always use proper technique when making solutions.