2.3. Az oldatokról

2.3.1. Az oldatok meghatározása és főbb formái

A valódi oldatok két vagy több komponensű, homogén keverékek, amelyekben a legnagyobb mennyiségű komponenst nevezzük oldószernek, a többit oldott anyagnak. A homogén keverékek szabad szemmel egyfázisúak. (Nem tudunk pl. két folyadék fázist megkülönböztetni bennük, nem úgy, mint pl. az emulziókban, ami ezért nem valódi oldat.) Valódi oldatokban az oldott anyagnak atomjai, molekulái, vagy ionjai vannak diszpergálva az oldószerben. Speciális esetet képviselnek azok az oldatok, amelyekben az oldott anyag nem molekulárisan van diszpergálva, de szabad szemmel mégsem látható (pl. micellák). Ezek ugyan nem molekuláris diszperziók, de mégsem képeznek külön fázist. Az ilyen oldatokat kolloid oldatnak nevezzük. Más meghatározás szerint az oldat kolloid, ha az oldott anyag részecske mérete 1 és 1000 nm között van. A nagyobb fehérjék ebbe a kategóriába esnek, azaz kolloid oldatot képeznek, noha abban a fehérjék molekulárisan vannak diszpergálva.

A laborgyakorlatban oldatok alatt általában folyadék halmazállapotú keveréket értünk. A biokémiában az esetek többségében vizes oldatokat készítünk, tehát olyat, amelyben az oldószer a víz. Ennek fő oka az, hogy általában fehérjékkel dolgozunk, amelyeknek vizes környezetben stabil a natív szerkezete. Kisebb vegyületek (pl. enzim szubsztrátok) oldására, vagy HPLC-s elválasztásakor gyakran készítünk szerves oldószeres oldatokat. Az oldatokat félkvantitatívan jellemezve beszélhetünk telítetlen, telített és túltelített oldatról, amelyek, rendre, a maximális lehetségesnél kevesebb, azzal megegyező, vagy annál több oldott anyagot tartalmaznak. (Ezek a jellemzők az oldhatóság okán hőmérséklet függők.)

2.3.2. Az oldatok mennyiségi leírása – koncentráció egységek

Elegyek komponenseinek mennyiségét kvantitatívan azok arányaiként adjuk meg. Ezeknek pontos kifejezései a koncentráció egységek segítségével írjuk le. Folyadék halmazállapotú keverékek - azaz oldatok - esetén többnyire az oldat valamilyen mennyiségére vonatkoztatjuk a komponensek mennyiségét, a mértékegységtől függően. A mólkoncentráció (molaritás, M) esetén például, amely a kémiában használatos mértékegység, az oldat 1 literére vonatkoztatunk a következőképpen: egy liter oldatban levő mólok száma. (Pl. 0,2 M az 0,2 mólnyi anyagot jelent 1 liter oldatban.) A kémiában is használatos (noha nem SI) koncentráció mértékegységek a különböző százalékok (%, amikor valaminek 100 egységnyi mennyiségére vonatkoztatunk). A térfogat és a vegyes százalék 100 mL oldatra, míg a súlyszázalék 100 gr oldatra vonatkozikk. (Pl. 15 vegyes %-os oldat 15 gramm oldott anyagot jelent 100 mL oldatban.) A súlyszázalékra, vagy súlyszázalékról történő átszámítások esetén az oldat sűrűségét is figyelembe kell venni, amennyiben az nem egy g/mL. Híg (néhány %-os) vizes oldatok sűrűsége elhanyagolható mértékben különbözik egytől, ezért ezek esetében pl. a súly és a vegyes % gyakorlatilag azonosnak vehető (azaz 3 vegyes % ~ 3 súly %). Fontos tudni azt, hogy gyakorlati okok miatt a biokémiai kísérletekhez használt oldatok esetén a fentiektől eltérő, mg/mL, vagy μg/mL „biokémikus” koncentrációegység is használatos.

2.3.3. Oldatok készítése

Miután a homogenitás alapvető kritérium, oldatkészítéskor fontos tudnunk az oldani kívánt vegyület oldhatóságát, amely hőmérsékletfüggő tulajdonság. A vegyületek oldhatóságát táblázatokból (szervetlen vegyületek esetén), vagy a gyártótól (pl. katalógusokban megadva) tudhatjuk meg. Az oldhatóságot a hőmérsékleten kívül az oldószer kémhatása (pH-ja), azaz az oldandó anyag sav-bázis tulajdonsága is befolyásolja. Bázisok savas, savak lúgos oldatban hajlandók jól oldódni, ezért ennek megfelelően gyakran kell változtatnunk az oldat kémhatását. Ezt legegyszerűbben valamilyen szervetlen sav, vagy bázis (rendszerint HCl, NaOH, KOH) adásával, illetve valamilyen puffer rendszer alkalmazásával érjük el. Mindkét esetben tudatában kell lennünk annak, hogy a kapott oldat több komponensű, azaz az oldani kívánt anyagon kívül a pH-t befolyásoló anyagot is tartalmaz.

A pontos koncentrációk elérése érdekében mindig olyan mérőeszközöket (mérőhenger, pipetta, mérleg stb.) használunk, amelyeknek maximális méréstartományához közel esik a mérendő mennyiség. (Pl. 70 mL oldatot nem 250 mL maximális méréstérfogatú mérőhengerben készítünk, hanem 100 mL-esben.) Mivel a leggyakrabban használt koncentrációegységek (molaritás, vegyes és térfogat %) az oldott anyag mennyiségét az oldat térfogatára vonatkoztatják (lásd fent), mindig a kész oldat térfogatának kell a kívántnak (számítottnak) lennie, azaz annak nem csak az oldószert, hanem az oldott anyagokat is tartalmaznia kell. Ha pl. egy liter 4 M-os CaCl2 oldatot kell készítenünk, akkor a kimért CaCl2-ot nem egy liter vízhez adjuk, hanem jóval kevesebbhez (pl. 500-600 mL-hez - akár feloldódott akár nem), majd ezután egészítjük ki a térfogatot egy literre. Csak így érhetjük el, hogy az oldat (teljes) térfogata, azaz a CaCl2 és a víz együttesen lesz egy liter. Eszerint az eljárás szerint figyelembe vesszük azt a tényt, hogy az oldott anyagnak is van hozzájárulása az összes térfogathoz (a végtérfogathoz). Egy másik ok, ami miatt mindig a kívánt végtérfogatnál kisebb térfogatú oldószerbe tesszük az oldani kívánt anyagot az lehet, hogy állítanunk kell a pH-t az oldódás elősegítése, vagy egy kívánt érték elérése érdekében. A pH állításhoz sav vagy lúg oldatot használunk, amelynek térfogata többnyire előre nem ismert, és nem elhanyagolható. Ha az oldani kívánt anyagot a végtérfogatnak megfelelő mennyiségű oldószerben oldanánk, akkor (még ha az oldott anyag térfogata elhanyagolható is) a pH állítása során ezt a térfogatot biztosan túllépnénk, így oldatunk nem a kívánt (hanem kisebb és többnyire ismeretlen) koncentrációjú lenne. A helyes eljárás szerint tehát figyelembe kell vennünk azt a tényt, hogy a pufferoló (adalék) anyag térfogatát is tartalmaznia kell a végtérfogatnak.

Összekeveréskor jó, ha tudjuk mit mihez célszerű, vagy biztonságos adni. A tömény kénsav hígítása jó példa a néha kötelező elővigyázatosságra: mindig a kénsavat adjuk a vízhez, mert fordított esetben a nagy oldáshő miatt felforró és szétfröcskölődő kénsavas forró víz súlyos balesetet okozhat. A célszerű sorrend fontosságára példa a szilárd anyagok oldása: jó, ha az oldószerhez adjuk az oldandó anyagot, és nem fordítva, az oldószert öntjük a szilárd anyagra. Ez különösen követendő eljárás fehérjék oldásakor, ellenkező esetben előfordulhat, hogy a lassan oldódó fehérje leragad az edény aljára, ami nagyon lelassítja az oldódást.

Az oldódás sebességét többféleképpen gyorsíthatjuk: keveréssel, hőmérséklet emeléssel, ultrahang alkalmazásával, vagy a komponensek megfelelő sorrendben történő oldásával (pl. az akrilamid gélek festéséhez használt Coomassie oldat készítése esetén). Az első szokásos és „veszélytelen” módszer. Az ultrahangos kezelés, de különösen a hőmérséklet emelés azonban körültekintést igényel: figyelemmel kell lenni az oldandó anyag (hő)stabilitására. Tipikusan érzékeny anyagok a fehérjék, akárcsak számos egyszerűbb szerves vegyület. Ha oldáskor a pH-t is állítanunk kell, gyakran tekintetbe kell vennünk az oldandó anyag sav-bázis érzékenységét. A nem kívánt változásokat úgy előzhetjük meg, hogy kerüljük nagy mennyiségű illetve töménységű sav, vagy lúg oldat adását. Inkább hígabb sav, vagy lúg oldatot használunk, kis részletekben adagolva. Néha speciális követelményeknek kell megfelelni, mint pl. fény, vagy oxigén érzékenység, illetve sterilitás. Az utóbbi esetben, ha az oldandó anyag hőérzékeny, az elkészült oldatot nem lehet hővel sterilezni. Ehelyett szűrést kell alkalmazni.

Az elkészített oldatnak tisztának kell lennie az oldandó anyag teljes feloldódása után. Ha ez nem teljesül, akkor a kész oldatot le kell szűrni. Ehhez hagyományos eszközöket (szűrőpapírt, zsugorított üvegszűrőt), vagy egyszer-használatos, eldobható, különböző anyagú és pórusméretű szűrőmembránokat használhatunk az oldat tisztaságával szemben állított követelményeknek megfelelően. Például az FPLC-hez és HPLC-hez, valamint az optikai mérőeszközökben (fotométer, fluoriméter) használt oldatoknak lebegő részecskét nem szabad tartalmaznia, mert az káros a berendezés számára (FPLC, HPLC), illetve zavarja, néha lehetetlenné teszi a pontos mérést.

Az elkészített oldatokat jól záró műanyag, vagy üveg edényben (cső, vagy üveg) tároljuk, mert csak így tudjuk megakadályozni azt, hogy az oldószer lassú párolgása következtében a koncentráció megváltozzon. (Ez különösen illékonyabb szerves oldószerek esetén fontos.) Ezért a főzőpoharak, Erlenmeyer és más lombikok, vagy mérőhengerek (amelyeket az oldat elkészítésekor használunk) teljesen alkalmatlanok oldatok tárolására, mert még vizes oldatok esetén sem teljesítik a biztonságos tárolással kapcsolatos fenti követelményt. A legtöbb szervetlen és szerves vegyület oldatát szobahőmérsékleten tárolhatjuk, de a biokémiában vannak oldatok, amelyeket hűtőszekrényben, vagy fagyasztva kell tárolni. Az utóbbi a kémiai és mikrobiológiai stabilitás érdekében szükséges. Amennyiben nem sterileztük őket, a fehérjék oldata, de még olyan egyszerű szervetlen vegyület oldata is, mint a foszfát sóké igen kedvelt megtelepedési helye baktériumoknak és gombáknak. (Ezek megjelenését az oldat lassú megzavarosodása és gyakran kellemetlen szagúvá válása jelzi). Az is előfordulhat, hogy az enzimek (pl. proteázok) oldatban lassan aktivitásukat vesztik. A hűtés, amely esetükben többnyire 0 ºC alá történő hűtést jelent, ha teljesen megakadályozni nem is tudja ezeket a folyamatokat, de jelentősen lassítani igen.

Az oldatokat tároló edényeket mindig felirattal kell ellátni, amelynek legalább addig kell olvashatónak maradnia, amíg az oldatra szükségünk van, vagy el nem fogy. Egy-egy oldott anyagot tartalmazó oldat esetén a koncentráció mellett az anyag nevét, szervetlen vegyület esetén képletét írjuk az üvegre. A legtöbb esetben azonban az oldat sokkomponensű. Ilyenkor csak akkor van módunkban minden komponens nevét és koncentrációját feltüntetni, ha azok egyszerűen (pl. képlettel) jelölhetők. A sokkomponensű oldatoknak többnyire saját, megkülönböztető nevük van, ami az adott laboron belül egyértelmű (pl. aktiváló oldat, szonikáló puffer, 10×reakciókeverék, stb.). Számos esetben ezek az oldatnevek „nemzetköziek”, mert valamilyen széles körben alkalmazott eljáráshoz tartoznak. Tipikusan ilyenek a reagensek (pl. Bradford reagens, amelyet fehérjekoncentráció mérésre használunk), és a tápoldatok nevei (pl. LB, vagy 2YT stb., amelyeket baktériumok növesztésére használunk). Az oldat készítésének az időpontja is fontos lehet, ezért célszerű azt is feltüntetni.