濃度と容量測定法

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General Laboratory Techniques
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Understanding Concentration and Measuring Volumes

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08:51 min
April 30, 2023

Overview

溶液は、ほとんど全ての生物学研究において何かしらの目的で利用されます。従って、溶液の測定方法や取り扱い方を知っておくことはどの実験においても必須事項となります。

このビデオでは、溶液調製の基本概念をトピックとしています。溶液は溶媒とその中に溶解した溶質とで構成されており、分子性物質が均一に混じり合っている液体です。通常、溶液は成分とその濃度で表すことができます。濃溶液は段階希釈など様々な方法で希釈できます。

さらにこのビデオでは、溶液調製を正確に行うための基本事項にも焦点を当てています。適切な測定用器具を使った正確な容量測定法やメニスカスの読み方について説明し、さらに実験において容量測定が必要となる例をいくつか紹介しています。例えば、頻繁に利用されるゲル電気泳動実験では、質量体積パーセント濃度を用いたゲルの調製や濃縮ストック溶液の希釈調製が必須となります。また検量線作成用のスタンダードを段階希釈により準備する方法も紹介しています。

Procedure

溶液の濃度と容量の測定法について理解することは、ほとんどの実験でとても重要になります。

溶液は、溶質と溶媒で構成される均一混合物です。

一般に、成分とそれに対応する濃度で溶液を表すことができます。

正しい溶液濃度を得るためには、いろいろな種類の容量測定用器具を知っておく必要があります。

不適切なはかり方で誤った濃度を調製してしまうことが、実験を失敗に導く恐れがあります。

実験において、使用する溶液濃度を正確に把握することは必須事項です。

通常、濃度はモル濃度で表されます。1モルの溶液は、1モルの溶質と1Lの溶媒で構成されます。実際に調製する際には、はかり取った質量と分子量を利用し、溶液のモル数を決定します。

また、質量パーセント濃度も使用されます。溶質の質量を溶媒の量で割った濃度を質量体積パーセント濃度と呼びます。

時には溶質が液体であることもあります。その場合の濃度は、その溶質となる液体を溶媒の量で割った値である体積パーセント濃度を使用します。

頻繁な使用に対しては、安定化合物であれば高濃度の溶液をストック溶液として作っておきます。ストック溶液には希釈倍数をラベル表示しておきましょう。この10Xとは使用時よりも10倍高い濃度であることを意味しています。

これらストック溶液は必要にに応じて溶媒で希釈し、目的の濃度に調製します。

あるいは、パラレル希釈をすることでストック溶液から目的溶液を調製することも可能です。簡単な計算で、目的の濃度と量の溶液を既知濃度のストック溶液から調製できます。計算で出した容量を希釈し、目的の総容量に調製することで、目的の濃度に到達します。

しかしある状況下では、目的の量を希釈に必要なストック溶液の量で割った値である希釈因子が大きくなりすぎる場合があります。このときパラレル希釈をしようとすると、必要なストック溶液の量が少なくなり過ぎて正確に測定できません。

そんなときは段階希釈によりストック溶液から希釈溶液を調製できます。希釈した溶液を再度希釈します。目的の濃度に達するまで希釈を繰り返して下さい。

様々な容量測定用器具がありますが、ここで重要なことは全ての器具で正確な測定が行えるわけではないことを知っておくことです。

ビーカーや三角フラスコは容量測定用の器具ではなく、溶液を混合、保存するためのものです。サイドのメモリは容量のおおよその目安となります。

それとは異なり、測定用の器具は液体物質の正確な量を測定することができます。器具には最大容量とTC又はTDの文字が書かれています。

TCはto contain(受用)の略であり、通常メスフラスコやメスシリンダーに表示され、容器に入れた量を測定します。

TDはto deliver(出用)の略であり、溶液の排出量を測定するピペットやシリンンジに表示されています。

一般にメスフラスコは定められた濃度の溶液を調製する際に用います。溶質を溶解後、標線に達するまで溶媒を加えます。最後に溶液を適量加える操作をQ.S.’ingといいます。

Q.S.’ingの際、液体とフラスコが接する部分で屈曲が生じます。これはメニスカスと呼ばれ、界面張力により引き起こされます。水溶液のメニスカスは凹型となるためその下面を読みます。

また、特定量を排出して測定する器具もあります。測定用器具を選ぶときには、最も精密に測定するために目的容量を収容可能な最小の器具を常に選ぶようにしましょう。

50mLを超す容量測定にはメスシリンダーが最適です。

通常血清用ピペットは、0.1mLから50mLの測定に用います。

0.2μLから5mLの場合は、マイクロピペットを使用します。

ピペット用チップが測定する溶液に適合しないときには、代わりにガラス製のハミルトンシリンジを使用します。マイクロリットル単位を正確に測定可能です。

溶液の測定の基礎を学んだところで、次にそれを研究へどう応用できるか見ていきましょう。

DNAのゲル電気泳動はDNA断片の混合物を分離する手法であり、その大きさを推定できます。電場をかけることで、負に帯電した分子が海藻由来の糖質であるアガロースで作製したゲルマトリックスを通過し移動します。

ゲルマトリックスを準備する際には、質量/体積パーセント濃度を用いて、1%アガロースゲルを作製します。

一般に電気泳動には大量のランニングバッファーが必要となります。頻繁かつ大量に使用するため、通常より高濃度の10倍ストック溶液を希釈しこのバッファーを調製します。

目的の1xバッファーを得るために、ストック溶液1に対し精製水9を加え希釈します。

マイクロプレートリーダーを使った実験では、サンプルのタンパク質濃度を既知濃度のサンプルを利用し確認します。これらはスタンダードと呼ばれます。

段階希釈を行い濃度の違うスタンダードをいくつか準備します。最終的にそれらを利用して検量線を作成し、サンプル濃度を推定可能です。

ここまでJoVE濃度および容量測定法編をご覧いただきました。このビデオでは、濃度の計算、希釈法などの基本概念と様々な測定用器具を学びました。また、分子生物学や生化学におけるその概念の応用例を紹介しました。

ご覧いただきありがとうございました。量の測定は正確に行いましょう。

Transcript

Understanding the concepts behind solution concentration and measuring volumes in the lab are two important aspects of nearly every experiment.

Solutions are made up of a solute dissolved in solvent to yield a homogeneous mixture.

Solutions are generally identified by their components and corresponding concentrations.

To correctly arrive at the correct solution concentration, you must be familiar with the many different containers available for volume measurements.

Poor technique when measuring volumes can lead to incorrect concentrations and be the difference between a successful or failed experiment.

When performing experiments, it is imperative to know the exact concentration of solutions used.

Concentration is most commonly expressed as molarity. A one molar solution contains one mol of solute per liter of solution (B+C). When making solutions in the lab, the mols of solute can be determined from the measured mass of the molecule and its molecular weight.

Solutions can also be prepared and quantified as percent concentrations from the weight of solute per unit volume of solvent, known as a percent weight-volume solution.

Keep in mind that the solute is sometimes in liquid form. In this case, the percent concentration can be expressed as the volume of liquid solute per unit volume of solvent, referred to as a percent volume-volume solution.

For frequent use, concentrated solutions of stable compounds, known as stock solutions, can be prepared. Stock solutions may be labeled as a multiple of the concentration in the final working solution. Here you see a 10X solution.

These stock solutions can be diluted as necessary with solvent to achieve the desired concentration.

Alternatively, a dilution can be prepared from a more concentrated solution using a parallel dilution. Using this simple calculation, a solution of desired concentration and desired volume can be prepared from a stock solution of known concentration. The resulting volume can be diluted to the total volume of the solution to achieve the desired concentration.

However, in some situations, the dilution factor, which is equal to the final volume divided by volume of stock solution needed for the dilution, is too large. This makes parallel dilution impractical as the necessary volume of the stock solution would be too small to accurately measure.

With the serial dilution technique, a stock solution can be used to make a dilute solution, which can then be diluted further to make a more dilute solution and so on until the desired concentration is met.

When measuring volumes in the lab you will come across many containers that can hold liquid. However, it is important to realize that not all of these vessels are designed for accurately measuring volume.

Non-volumetric containers, such as beakers and Erlenmeyer flasks, are designed for mixing and storing solutions and are generally not calibrated. Instead, the measurements, or graduations, on the side represent approximations of liquid capacity.

Conversely, volumetric labware is designed to measure exact volumes of liquid substances. Volumetric labware is denoted with the capacity it is calibrated to hold as well as the letters TC or TD.

TC stands for “to contain” and is generally found on volumetric flasks and graduated cylinders, which are calibrated to hold a precise volume of liquid.

TD denotes “to deliver” and is usually found on measuring devices designed to dispense liquid, such as pipettes and syringes.

Volumetric flasks are generally used to prepare solutions of a specific concentration. After dissolving the solute, solvent is added to the flask until the total volume reaches the graduation line. Adding the “quantity sufficient” to reach this volume is known as Q.S.’ing the solution.

When Q.S.’ing the solution, the top of the liquid curves where it meets the flask. This is called the meniscus and is caused by surface tension. In an aqueous solution, the meniscus is concave, and should be read at the lowest point of the curve.

There are several vessels designed to measure and deliver specific volumes of liquid. When choosing volumetric labware, always select the smallest device that will accommodate the desired volume to achieve the highest accuracy.

When measuring volumes of liquid above 50 mL, graduated cylinders are the appropriate choice.

Serological pipettes are generally used to measure and deliver volumes in the range of 0.1 to 50 mL.

For volumes of 0.2 microliters to 5 mL, micropipettors should be used.

When plastic pipette tips are not compatible with the liquid to be measured, glass Hamilton syringes are an alternative for accurate measurement of volumes in the microliter range.

Now that we have covered the basics of working with solutions, we’ll discuss how some of these concepts are applied in research.

DNA Gel electrophoresis is a technique used to separate a mixed population of DNA fragments, to estimate their size, by applying an electric field to move the negatively charged molecules through a gel matrix made of agarose – a carbohydrate from seaweed

In preparing the gel matrix, percent weight/volume solutions are commonly used to make 1% weight/volume agarose gels.

Generally electrophoresis requires large quantities of running buffers. Because of their frequent use and large volumes, these buffers are usually diluted from more concentrated 10x stock solutions.

To achieve the desired 1x buffer, one unit volume of the stock solution is diluted in 9 unit volumes of purified water.

In microplate reader experiments, the concentration of unknown samples of protein are often determined based on a set of samples of known concentrations called standards.

Serial dilutions are often used to generate standards of incrementally-higher concentrations, so that ultimately, a standard curve can be generated and the concentration of unknown sample determined.

You’ve just watched JoVE’s introduction to understanding concentration and measuring volumes. In this video we reviewed some basic concepts such as calculating concentration, performing dilutions , and how different types of labware are used to measure volumes. Applications of some of the concepts introduced in this video were also discussed for molecular biology and biochemistry.

Thanks for watching and remember to always use accuracy and precision when measuring volumes.