Was ist der isoelektrische Punkt?

Abbildung 1: Die Messung des Zeta-Potentials und des isoelektrischen Punktes kann dabei helfen, die Effektivität von Waschsubstanzen zu optimieren. So kann z.B. die Adsorptionskinetik oberflächenaktiver Substanzen auf Textilien beurteilt werden.

Der isoelektrische Punkt beschreibt den pH-Wert, an dem die elektrische Ladung einer Oberfläche in einer wässrigen Lösung neutral ist. Der isoelektrische Punkt kann durch eine pH-Wert-abhängige Zeta-Potential-Messung ermittelt werden. Der isoelektrische Punkt ist eine wichtige Messgröße, unter anderem in der Materialwissenschaft und Pharmazie.

Isoelektrischer Punkt kurz erklärt

Der isoelektrische Punkt (IEP) ist der pH-Wert, bei dem eine Oberfläche eine neutrale elektrische Ladung aufweist. Bei diesem pH-Wert sind also die positiven und negativen Ladungen ausgeglichen. Dieser Punkt ist deshalb von besonderer Bedeutung, da er die elektrische Wechselwirkung zwischen Partikeln oder Festkörpern in einer wässrigen Lösung genau charakterisiert.

Wieso ist die Oberflächenladung pH-Wert abhängig?

Die Oberflächenladung eines Festkörpers in wässriger Lösung entsteht durch eine Deprotonierung oder Protonierung von funktionellen chemischen Gruppen an der Oberfläche. Solche Endgruppen sind etwa Carboxygruppen (COOH) oder Aminogruppen (NH₂). Bei solchen Reaktionen ändern sich die Endgruppen. Bei einer Deprotonierung verbleibt ein Teil der Endgruppe an der Oberfläche, während sich das abgelöste Proton (H⁺) mit den Molekülen der wässrigen Lösung verbindet, etwa zu Oxonium (H₃O⁺). Bei der Protonierung hingegen wird von der Endgruppe ein zusätzliches Proton (H⁺) aufgenommen und in der wässrigen Lösung verbleibt ein Hydroxidion (OH^-). Beispiele für diese Reaktionen sind:

Die Deprotonierung der Carboxygruppe (COOH)
[Oberfläche]-COOH + H₂O ⇌ [Oberfläche]-COO^- + H₃O⁺_(aq)
Die Protonierung der Aminogruppe (NH₂)
[Oberfläche]-NH₂ + H₂O ⇌ [Oberfläche]-NH₃⁺ + OH^-_(aq)

Sowohl die Deprotonierung als auch die Protonierung verlaufen reversibel, sind also umkehrbar. Mit der Zeit stellt sich ein Gleichgewicht aus Hin- und Rückreaktionen ein. Dieses Gleichgewicht ist abhängig davon, wie viel Oxonium oder Hydroxidion in der wässrigen Lösung bereits enthalten ist, also dem pH-Wert der wässrigen Lösung. Ändert man demnach den pH-Wert der wässrigen Lösung, etwa durch die Zugabe einer Säure oder Base, ändert sich auch die Oberflächenladung und das Zeta-Potential der Oberfläche.

Abbildung 2: Mit pH-Wert abhängigen Messungen des Zeta-Potentials kann der isoelektrische Punkt bestimmt werden. Der isoelektrische Punkt eines beschichteten Wafers liegt bei pH 7,3 der eines unbeschichteten Wafers bei pH 2,5.

Wie man den isoelektrischen Punk ermitteln kann

Der isoelektrische Punkt von Festkörpern in einer wässrigen Lösung kann experimentell bestimmt werden, indem man das Zeta-Potential in Abhängigkeit vom pH-Wert misst. Bei niedrigem pH-Wert ist das Zeta-Potential höher und sinkt mit steigendem pH-Wert ab. Am isoelektrischen Punkt ist das Zeta-Potential gleich Null, da die Oberfläche bei diesem pH-Wert weder eine positive noch eine negative Ladung aufweist.

Das Zeta-Potential kann einfach und schnell mit dem Zeta-Potential Analysator ZPA 20 von DataPhysics Instruments bestimmt werden. Das Flüssigkeitsdosiersystem LDU 25 kann sowohl Säuren als auch Basen, zur wässrigen Lösung im Zeta-Potential Analysator hinzudosieren. Somit lässt sich der pH-Wert der Lösung ändern, und das Zeta-Potential kann in Abhängigkeit des pH-Werts in einer Messreihe automatisch bestimmt werden. Aus der Messreihe kann anschließend der isoelektrische Punkt ermittelt werden.

Anwendungsfälle für die Bestimmung des isoelektrischen Punkts

Die Messung des isoelektrischen Punkts ist in vielen Bereichen relevant, insbesondere in der Kolloid- und Grenzflächenforschung sowie in der Materialwissenschaft. Einige wichtige Anwendungsbereiche sind:

Ein Anwendungsgebiet ist die Meerwasserentsalzung. Hier werden Interaktionen zwischen den Bestandteilen des Meerwassers und den Filtrationsmembranen mit Hilfe von Zeta-Potential-Messungen untersucht.
In der Biologie beeinflusst der isoelektrische Punkt die Protein-Wechselwirkungen, die Zelladhäsion und den Transport von Biomolekülen.
Auch in der Textilindustrie werden Oberflächen mithilfe des Zeta-Potentials und des isoelektrischen Punkts studiert. Hier geht es um die Kinetik oberflächenaktiver Substanzen auf Textilien, insbesondere bei der Textilreinigung.

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