Das Abmessen von Massen im Labor

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General Laboratory Techniques
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JoVE Science Education General Laboratory Techniques
Measuring Mass in the Laboratory

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08:00 min
April 30, 2023

Overview

Die Analysewaage ist ein häufig benutztes Gerät in wissenschaftlichen Labors. Diese hochgenauen Instrumente können Massen bis zum 10000. oder sogar 100000. Gramm genau bestimmen. Die Laufgewichtswaage ist eine Art von Waage, die Gegengewichte an drei verschiedenen Waagebalken benutzt, um eine Probe in der Waageschale auszugleichen. Auf der anderen Seite sind moderne Analysewaagen komplexe System mit elektronischen Sensoren, die dabei helfen die Masse einer Substanz genau zu bestimmen. Die Analysewaage ist so empfindlich, das sogar eine Glastür notwendig ist, um Luftströmungen zu vermeiden, die die Genauigkeit der Messungen beeinträchtigen können. Beim Abwiegen wird ein Wägeschiffchen oder Wägepapier dazu benutzt, um die abzuwiegende Substanz zu fassen und die Wägefläche vor Verschleiß zu schützen. Vor der Messung wird die Waage tariert, um das Gewicht des Wägeschiffchen oder des Wägepapiers von der Messung abzuziehen. Tarieren bezieht sich auf das setzen der Waage auf 0, damit Substanzen genau abgemessen werden können. Neben dem Abwiegen von chemischen Substanzen können Analysewaagen auch dazu benutzt werden, um Labortiere, insekten oder Zentrifugierröhrchen für Ultrazentrifugierexperimente abzuwiegen.

Procedure

Eine Analysewaage wird in den meisten, wenn nicht sogar allen, wissenschaftlichen Labors genutzt. Diese extrem präzisen Instrumente erlauben es Wissenschaftlern die Massen von verschiedenen Substanzen genau abzumessen. Waagen gibt es in vielen Ausführungen. Die Analysewaage ist die am häufigsten benutzte Waage in Labors.

Frühe Analysewaagen waren ausschließlich mechanisch und bestanden aus Waagebalken. Nicht diese Art von Balken!

Wie hier zu sehen ist, hat man früher mechanische Waagen, wie zum Beispiel Laufgewichtswaagen, benutzt. Der Waagebalken wird am Aufhängepunkt getragen. Die Waagschale befindet sich an einem Ende, während die Gegengewichte auf den drei bewegbaren, parallelen Waagebalken angebracht sind. Laufgewichtswaagen sind ausgeglichen wenn der Zeiger auf 0 steht.

Wenn eine Probe in die Waagschale gelegt wird, wird das Gleichgewicht der Waage gestört. Die schiebbaren Gewichte werden dann benutzt, um das Gleichgewicht durch Verlängerung des Hebelarms wieder herzustellen. Die Positionen auf dem Waagebalken, an denen sich die Gewichte befinden, zeigen die Masse des Objektes an.

Auf der anderen Seite sind die heutigen Analysewaagen elektronisch und beruhen auf dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation zur Massenbestimmung. Um die Masse zu berechnen, wird eine Feder durch die einwirkende Kraft verdrängt, was in einen elektrischen Strom resultiert, der an einen Mikroprozessor weitergegen wird, der dann wiederum die Masse anzeigt. Durch diese Methode können Analysewaagen das Gewicht genau bestimmen.

Analysewaagen sind sehr präzise Instrumente, die Massen bis auf das 10000. Gramm oder sogar bis auf das 100000. Gramm genau abmessen können.

Eine Analysewaage besteht aus verschiedenen wichtigen Bestandteilen. Die Proben werden in eine Waagschale platziert, die entweder mit dem Waagebalken oder der Feder verbunden ist. Der Luftschutz, also die verschiebbare Glastür, verhindert das Luftströmungen oder Staub mit der Waagschale in Kontakt kommen, was zu ungenauen Messungen führen kann. Die Tara Taste wird benutzt um die Waage auf 0 zu setzen, nachdem das Wägeschiffchen oder Wägepapier auf die Waagfläche gesetzt wurde.

Wägeschiffchen und Wägepapier fassen die zu wiegenden Substanzen auf der Waage. Sie verhindern das die Waagefläche schmutzig oder durch chemische Reagenzien beschädigt wird.

Spatel sind Instrumente, die benutzt werden, um die zu wiegenden Proben handzuhaben. Abhängig von der Substanz und von dem benötigten Gewicht kann auch eine Mikrospatel für kleinere Massen verwendet werden. Eine Scoopula wird für größere Mengen benutzt.

Um eine Analysewaage zu benutzen muss man sie zuerst durch Bedienen der Tara Taste anschalten. Dann öffnet man den Windschutz und platziert das Wägeschiffchen oder das Wägepapier auf die Waagfläche. Nun schließt man den Windschutz. Beim wiederholten Drücken der Tarataste sollte die Waage 0.0000g lesen.

Die Menge der zu wiegenden Substanz bestimmt ob man ein Wägeschiffchen oder Wägepapier benutzt. Für kleinere Mengen, oder für Substanzen die man in Reaktionsgefäße füllt, wie zum Beispiel Eppendorfs oder kleine Reagenzgläser, benutzt man Wägepapier. Wägepapier kann für eine leichtere Handhabung auch einfach gefaltet werden.

Wägeschiffchen werden benutzt wenn man größere Mengen abwiegen muss.

Nun gibt man die abzuwiegende Substanz mit dem Spatel auf die Waagefläche, ohne sie zu verschütten. Beim Abwiegen ist darauf zu achten, dass die Waage genügend Zeit zum stabilisieren hat. Wenn notwendig sollte der Windschutz geschlossen werden, um das Gewicht genau zu bestimmen.

Man sollte sich außerdem nicht auf die Arbeitsbank stützen, wenn man die Analysewaage benutzt, da das die Messung beeinflussen kann.

Nach dem Abmessen sollte man Überreste, die eventuell auf der Waagefläche verschüttet worden sind, mit einer Bürste sauber machen.

Denkt daran beim Arbeiten mit Analysewaagen immer Handschuhe zu tragen. Handschuhe verhindern das Fingerabdrücke auf die Waagefläche gelangen.

Analysewaagen sind so empfindlich das sogar Fingerabdrücke zu ungenauen Messungen führen können.

Man sollte außerdem nicht vergessen den Windschutz beim Abmessen zu schließen, um Luftströmungen, die zu ungenauen Messungen führen, zu verhindern.

Hygroskopische Substanzen, das heißt Substanzen die Feuchtigkeit aufnehmen, tun dies sehr schnell, also auch während der Messung. Deshalb sollte man gekühlte oder gefrorene Substanzen vor dem Abwiegen immer auf Zimmertemperatur erwärmen lassen, um die Feuchtigkeitsaufnahme zu verhindern. Eine kalte Chemikalie ist schwerer als eine aufgewärmte Chemikalie, was dazu führt das die Messung ungenau ist.

Man sollte außerdem sicherstellen das die Waage eben und zentriert ist, indem man die eingebaute Wasserblase anschaut. Wenn nicht, kann es sein das die Waage verstellbare Füße hat, damit sie auf unebenen Oberflächen gerade stehen kann. Waagen stehen außerdem meistens auf vibrationsabsorbierenden Tischen, die die Elektronik vor Vibrationen schützen.

Um sicherzustellen das die Waage genau misst, haben Analysewaagen oft Prüfgewichte zur Kalibrierung. Diese Justiergewichte haben spezifische und genaue Massen die man benutzt um die Genauigkeit einer Waage zu testen. Kalibrieren bedeutet das man die Messangabe der Waage gegen ein Gewicht abgleicht.

Viele verschiedene Substanzen können in Labors abgewogen werden. Eine Anwendung der Analysewaage ist es Flüssigkeiten zu wiegen. Das ist extrem wichtig für zum Beispiel Ultrazentrifugationsexperimente. Ein wichtiger Punkt bei diesen Experimenten ist das die Zentrifugenröhrchen die gleiche Masse haben, da sonst der Rotor nicht ausgeglichen ist, was zu großen Problemen führen kann.

Neben dem Abmessen von Flüssigkeiten, werden auch Labortiere und sogar Insekten wie Drosophila auf Analysewaagen gewogen. Damit können Wissenschaftler das Gewicht und die Nahrungsaufnahme von Tieren untersuchen.

Das war die Einführung in das Benutzen on Laborwaagen von JoVE. In diesem Video haben wir verschiedene Arten von Waagen gezeigt, wie sie funktionieren und wie man sie benutzt. Wir haben außerdem einige wichtige Hinweise für das Abwiegen von Substanzen gegeben und einige zusätzliche Anwendungen von Waagen in wissenschaftlichen Labors erläutert. Danke für eure Aufmerksamkeit.

Transcript

The analytical balance and scale can be found in most, if not at all, scientific laboratories. These highly precise instruments allow scientists to accurately measure the mass a variety of substances. These balances can come in a variety of different types. The analytical balance is the most commonly used in scientific laboratories.

Early analytical balances were purely mechanical and used balance beams. Not that type of balance beam, silly.

They used mechanical balances, such as the triple beam balance you see here, the beam is supported by the fulcrum. The pan and sample are at one end, while the counterweights rest on three parallel beams and can be moved. Triple beam balances are “balanced” when the pointer is at 0.

When a sample is put in the pan, it disrupts the balance equilibrium as indicated by the pointer. The movable weights are then used to restore the balance equilibrium by increasing the lever arm. The positions on the beam at which the weights rest indicate the mass of the object.

On the other hand, today’s analytical balances are electronic and use the electromagnetic compensation method to determine mass. To calculate a mass, a spring is displaced by the downward force which then causes a load cell to send an electrical current to a signal processor, which then displays the mass. By using this method, these balances can precisely determine the mass of a substance.

Analytical balances are very precise instruments and most measure down to ten thousandths of a gram, while some can even measure down a hundred thousandth of a gram.

An analytical balance contains several key components. The weighing pan is where samples are placed. It is the component of the scale that is linked to either the balance beam or spring. The air or draft shield, the glass enclosure with movable doors atop the balance, prevents air currents and dust from coming into contact with the weighing pan, and in turn causing the measurement to be inaccurate. The tare bar is used to re-zero the scale after the weigh boat or weigh paper is placed onto the weighing pan.

Weigh boats and weigh paper are used to hold substances for measurement on the balance. They prevent the weighing pan from getting dirty or damaged by chemical reagents.

Spatulas are the instruments used to manipulate the samples that are to be weighed. Depending on the type of substance and how much needs to be weighed, a microspatula can be used for smaller quantities. The scoopula is used to mass larger quantities.

To use an analytical balance, make sure the scale is on by pressing the tare bar. Open the draft shield door and place the weigh boat or weigh paper on the scale. Close the draft shield. Press the tare bar again and the scale should now read 0.0000 g.

The amount of substance that needs to be weighed also determines whether a weigh boat or weigh paper is used. For smaller amounts, or if the substance is going into a tube such as a small vial or microfuge tube, weigh paper is utilized. Weigh paper is often folded for easy handling.

Weigh boats are used when a large amount needs to be weighed out.

Weigh the substance onto the weigh pan without spilling onto it using a spatula. While weighing, allow the reading to stabilize. If necessary, close the door of the draft shield to ensure an accurate reading.

Also, be sure not to lean on the bench while using the analytical balance as this could affect the reading.

After weighing, be sure to clean off any debris that may have spilled onto the pan using a brush.

Remember to always wear gloves when working with an analytical balance. Wearing gloves prevents fingerprints from getting on the weighing pan.

Analytical balances are so sensitive that even fingerprints can cause readings to be inaccurate.

Also remember to always close the air shield as you’re weighing your sample to prevent air currents from producing inaccurate readings.

When it comes to massing, hygroscopic substances, which are substances that take up moisture, do it quickly, since they will absorb moisture during weighing. Always allow frozen or refrigerated substances to come to room temperature, in order to prevent the chemical from absorbing moisture. A cold chemical will be heavier than one warmed-up, and cause your measurement to be incorrect.

Also always make sure the balance is level, by locating the leveling bubble and verifying that it is centered. If not, the balance may have adjustable legs that can be turned to allow the balance to be level on an uneven surface. Moreover, balances are often located on a vibration-absorbing block, which protects the electronics from vibration.

To periodically, check that your balance is giving good readings, analytical balances often come with calibration weights. These standard weights have precise, specific mass, and allow a way to check the accuracy of the balance. The term calibration refers to the process of adjusting the output of a scale or balance against a object of known weight.

Many different types of substances can be weighed in the lab. One application of an analytical balance is measuring liquids. This is critical for centrifugation experiments. One key aspect is making sure ultracentrifuge tubes have the identical mass or else the rotor will not be balanced, and cause big problems!

In addition to weighing liquids, animals and even insects such as drosophila and mosquitoes are weighed using balances. This allows scientists to track an animal’s body weight and food consumption throughout a study.

You’ve just watched JoVE’s introduction to the balances in the laboratory.

In this video, we showed you the different types of balances, how they work, how to use a balance, important tips for weighing substances, and some additional uses for balances in the scientific laboratory. Thanks for watching!