Winkler-Methode

Oxymetrie, oft auch Oximetrie geschrieben, ist die Bezeichnung für die Messung des Sauerstoffgehaltes. Die Bestimmung des Gehaltes an gelöstem Sauerstoff in Flüssigkeiten ist hierbei von besonderem Interesse wegen ihrer großen Bedeutung in Medizin, Pharmazie, Aquakultur und Abfallwirtschaft. Es gibt heute im Wesentlichen drei Methoden der Sauerstoffmessung: die Winkler-Methode, die polarografische Methode und die Lumineszenz-Methode. In der intensivmedizinischen Patientenüberwachung kommt in erster Linie die Methode der Pulsoxymetrie zum Einsatz.

Zur Messung gibt es medizinische Geräte, die als Oxymeter bzw.Pulsoxymeter bezeichnet werden.

Winkler-Methode

Die Winkler-Methode wurde bereits 1888 von L. S. Winkler entwickelt und beruht auf der Oxidation von zweifach positiv geladenen Manganionen durch den gelösten Sauerstoff. Es gibt verschiedene Varianten dieser Methode, die sich durch die jeweils eingesetzte Säure unterscheiden. Auf Grund des für den Feldeinsatz ungeeigneten Titrationsverfahrens kommt die Winkler-Methode hauptsächlich in Analyselaboren zum Einsatz. Die Genauigkeit von einigen Mikrolitern je Liter ist relativ hoch.

Methode mit Schwefelsäure

Durch Zugabe von Mangan(II)-ionen und Kaliumiodid unter Luftabschluss zur Probe bildet sich ein Mangan(II)hydroxid, das zu Mangan(III)hydroxid oxidiert wird und als brauner Niederschlag ausfällt:

$\mathrm{Mn^{2+} + 2 \ OH^- \longrightarrow Mn(OH)_2}$

$\mathrm{2 \ Mn(OH)_2 + 1/2 \ O_2 + H_2 O \longrightarrow 2 \ Mn(OH)_3}$

Nach Zugabe von Schwefelsäure wird das Mangan(III) durch das Iodid reduziert:

$\mathrm{2 \ Mn(OH)_3 + 2 \ I^- + 6 \ H^+ \longrightarrow 2 \ Mn^{2+} + I_2 + 6 \ H_2 O}$

Die Menge des so gebildeten Iods ist äquivalant zur Menge des ursprünglich vorhandenen Sauerstoffs und wird titrimetrisch mit Natriumthiosulfat bestimmt:

$\mathrm{2 \ S_2 O_3^{2-} + I_2 \longrightarrow S_4 O_6^{2-} + 2 \ I^-}$

Die Massenkonzentration an gelöstem Sauerstoff kann nach folgender Formel berechnet werden:

$\mathrm{C_m = \frac{M \cdot V_2 \cdot C \cdot F}{4 \cdot V_1}}$ (in Milligramm je Liter)

Variable	Beschreibung
M	molare Masse von Sauerstoff
V1	Volumen der titrierten Probe (in ml)
V2	Volumen des verbrauchten Natriumthiosulfats (in ml)
C	Konzentration des Natriumthiosulfats (in mmol/l)
F	V0/(V0–V')
V0	Volumen der Probenflasche (in ml)
V'	Volumen der zugegebenen Mangansulfatlösung (in ml)

Methode mit Salzsäure

Der im Wasser gelöste Sauerstoff wird bei dieser Variante mit alkalischem Mangan(II)-chlorid (MnCl₂) gebunden. Dazu wird außer Mangan(II)-chlorid noch kaliumiodidhaltige Natronlauge zur Probe gegeben. Das Mn²⁺ wird zu Mn⁴⁺ oxidiert und es entsteht Manganoxyhydrat (MnO(OH)₂).

$\mathrm{MnCl_2 + 2 \ NaOH \rightleftarrows Mn(OH)_2 + 2 \ NaCl }$

$\mathrm{Mn(OH)_2 + 1/2 \ O_2 \rightleftarrows MnO(OH)_2}$

Manganoxyhydrat fällt als brauner Niederschlag aus, der nun den gesamten ehemals gelösten Sauerstoff enthält.

Der Niederschlag wird mit konzentrierter Salzsäure (HCl) gelöst. Dabei finden folgende Umsetzungen statt:

$\mathrm{MnO(OH)_2 + 4 \ HCl \rightleftarrows MnCl_2 + 3 \ H_2 O + Cl_2}$

$\mathrm{2 \ KI + Cl_2 \rightleftarrows 2 \ KCl + I_2}$

Das entstehende Iod kann mit Natriumthiosulfat (Na₂S₂O₃) titrimetrisch bestimmt werden:

$\mathrm{2 \ Na_ 2 S_2 O_3 + I_2 \rightleftarrows 2 \ NaI + Na_2 S_4 O_6}$

Die Sauerstoffkonzentration ergibt sich dann aus

$\mathrm{C_{Sauerstoff} = 20 \ \frac{V}{V-1} \ 2,5 \ \mu mol/L}$

Variable	Beschreibung
C	Konzentration des Sauerstoffs in der Probe
V	Volumen der Winklerflasche
x	Menge der verbrauchten 0,01 mol Natriumthiosulfat-Lösung in ml
V/(V–1)	korrigiert den bei der Zugabe von Manganchlorid und kaliumiodidhaltigem Natriumhydroxid verlorenen 1 ml Wasser

Polarographische Methode

Bei dieser Methode wird Sauerstoff elektrochemisch reduziert:

$\mathrm{O_2 + 2 \ H_2 0 + 4 \ e^- \longrightarrow 4 \ OH^-}$

Der elektrische Strom wird über Elektroden abgeleitet und seine Größe dient als Messsignal. Dieses auch heute noch weit verbreitete Verfahren geht auf das Jahr 1897 zurück, erste Anwendungen am Menschen gelangen Mitte des 19. Jahrhunderts. Die bekannteste Umsetzung dieser Methode wird Clark-Elektrode bezeichnet. Die Messzelle ist hierbei mit einem Elektrolyt gefüllt in dem sich Anode und Kathode befinden, die wiederum durch eine nur für Sauerstoff durchlässige semipermeable Membran voneinander getrennt sind. Die Reduktionsreaktion findet an der üblicherweise aus Edelmetall bestehenden Kathode statt. Aufgrund ihrer Einfachheit ist diese Methode auch für den Feldeinsatz geeignet, sie erreicht jedoch nicht die Genauigkeit des Winkler-Verfahrens.

Lumineszenz-Methode

Während die theoretischen Arbeiten dieses Verfahrens auf das Jahr 1947 datieren erfolgte die praktische Umsetzung erst 1987. Diese Methode nutzt die Lumineszenzstrahlung eines geeigneten Leuchtstoffes (Luminophore) aus, der durch Einstrahlung von normalem Licht angeregt wird. Die Anregungsenergie der Lumiphoren wird mit verschiedenen Zeitkonstanten auf die Sauerstoffmoleküle abgegeben, was in einer charakteristischen Dämpfung in der Intensitäts-Zeit-Kurve zu beobachten ist. Abhängig vom Material des Leuchtstoffes (meistens Metalloporphyrin-Albumin-Komplexe) und der Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes ist die Lumineszensstrahlung bzgl. Maximal-Intensität und zeitlichem Abklingverhalten von der das bestrahlte Material umgebenden Sauerstoffkonzentration abhängig.

Quellen und Web-Links

• Eine Übersicht + Literaturangabe