Mikrowaage

Als Mikrowaagen bezeichnet man Analysenwaagen, deren Teilung bei 0,001 mg, das heißt 1 µg oder kleiner liegt. Mikrowaagen werden üblicherweise für chemische Analysen, wie beispielsweise in der Thermogravimetrie verwendet. Der Wägebereich liegt meist bei 3 bis etwa 50 Gramm Last. Spezielle Formen von Mikrowaagen werden in der Grundlagenforschung zur Messung kleinster Massen verwendet.

Ultramikrowaagen sind in chemischen und physikalischen Laboren die genauesten Waagen. Die Teilung liegt bei 0,1 µg und kleiner. Der Wägebereich beträgt meist nur 2 bis 3 Gramm. Auch diese Waagen werden von verschiedenen Herstellern produziert.

Funktionsprinzip

Elektromagnetische Kraftkompensation

Die meisten im Labor verwendeten Mikrowaagen arbeiten nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation. Dabei wird durch eine Spule in einem Permanentmagneten eine Gegenkraft erzeugt, welche der Last der zu messenden Probe auf der Waagschale entspricht. Mit dieser Gegenkraft wird das Gleichgewicht gehalten. Dies wird durch einen Lagesensor und einen Regelverstärker bewerkstelligt, die für die Einhaltung des Gleichgewichtszustandes notwendig sind. Über ein Hebelsystem ist es möglich, dass mit einer kleineren Gegenkraft eine größere Kraft auf der Waagschale im Gleichgewicht gehalten werden kann. Der Spulenstrom wird als Spannungsabfall an einem Messwiderstand gemessen und von einem Analog-Digital-Wandler weiterverarbeitet und angezeigt.^[1]

Seit einigen Jahren werden auch Mikrowaagen in Form einer Magnetschwebewaage gebaut. Dabei ist die zu wiegende Probe räumlich vollständig von der Messzelle getrennt. Die Probe befindet sich an einem Permanentmagneten, der von einem an der Waage befestigten Elektromagneten in einem freien Schwebezustand gehalten wird. Mit dieser Magnetschwebekupplung wird das Gewicht des zu messenden Probenkörpers berührungsfrei aus dem Messraum auf die Mikrowaage übertragen.^[2] Die Messung selbst folgt aber nach wie vor den Prinzipien der elektromagnetischen Kraftkompensation.

Weitere Messprinzipien

Daneben gibt es noch eine Vielzahl anderer Wägeprinzipien. Beispielsweise die laserinterferometrische Messung der Verformung einer Quarzglasfeder.

Bis in die 1980er Jahre waren dagegen spezielle Balkenwaagen üblich, bei denen manuell entsprechende Gewichts-Reiter gesetzt werden mussten.

Resonante Mikrowaage (auch Quarzmikrowaage)

→ Hauptartikel: Quarzkristall-Mikrowaage

Eine spezielle Bauform einer Mikrowaage ist die Quarzmikrowaage. Das Funktionsprinzip basiert auf der Frequenzänderung eines Schwingquarzes, wenn sich dessen Masse ändert; die Frequenz kann extrem genau gemessen werden. Es gilt der Zusammenhang:

$f \approx \sqrt{\frac{1}{m}}$

Prinzipiell können neben Quarz auch andere Materialien wie Langasit (La₃Ga₅SiO₁₄, „LGS“) und Galliumorthophosphat (GaPO₄) verwendet werden. Mit diesem Verfahren können Massen bis kleiner 80 Femtogramm (=8·10⁻¹⁴ g) gemessen werden.^[3]

Einzelnachweise

1. ↑ Funktionsweise der elektromagnetischen Kraftkompensation, in Technologiedifferenzierung - die erfolgreiche Strategie der Sartorius AG, S.11
2. ↑ Sartorius AG, Wägeraum, Nr. 5
3. ↑ chemlin.de Biosensor spürt kleinste Teilchen auf, vom 4. September 2006

Literatur

• Bankmann E, Die ultramikrogravimetrische Bestimmung von Technetium und Rhenium mit Hilfe der Quarzfaden-Ultramikrowaage, in Journal of Analytical Chemistry, 223/1966 S.63-4.
• Mayer H, Behrndt K, Eine neue Mikrowaage aus Quarz für Arbeiten im Höchstvakuum, in Zeitschrift für Physik A Hadrons and Nuclei, 147/1957,S.499-506.
• Asbury H et.al., A simple robust ultramicrobalance, in Microchimica Acta, 44/1956, S.598-618.
• Jenemann HR, Die Geschichte der Dämpfung an der Laboratoriumswaage, in Berichte zur Wissenschaftsgeschichte, 20/2006, S.235-51.

Weblinks

• KERN & SOHN, ein Hersteller von Mikrowaagen
• Mettler, ein Hersteller von Mikro- und Ultramikrowaagen
• Sartorius, ein Hersteller von Mikro- und Ultramikrowaagen
• Vitaris, ein Hersteller von Mikrowaagen