Synthese und Test von Triphenyltetrazoliumchlorid

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mgritsch
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Synthese und Test von Triphenyltetrazoliumchlorid

Beitrag von mgritsch »

Synthese und Test von Triphenyltetrazoliumchlorid
2,3,5-Triphenyl-2H-tetrazoliumchlorid, TTC, Tetrazoliumchlorid, [298-96-4]

Triphenyltetrazoliumchlorid (TTC) ist ein Redoxindikator, der insbesondere in der Biochemie gerne zur Prüfung der Vitalität von Zellen herangezogen wird[1]. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist in der Photographie - TTC ist in gewissem Maße lichtempfindlich und kann durch UV Licht zum roten Formazan reduziert werden - ein schönes Anwendungsbeispiel hat BJ68 in seinem Artikel gezeigt.

Hergestellt wird es über den üblichen Syntheseweg der Formazane indem man eine Diazo-Kupplung zwischen Benzaldehydphenylhydrazon und Phenyldiazoniumchlorid durchführt. Das so gewonnene Triphenylformazan kann dann zum TTC oxidiert werden.

Das Zwischenprodukt Triphenylformazan hat zwar auch einige interessante Eigenschaften und kann z.B. ähnlich wie 2-Carboxyformazylbenzol Komplexe mit Metallen bilden, aufgrund seiner schlechten Wasserlöslichkeit ist es jedoch von keiner praktischen Bedeutung.


Geräte:

Bechergläser, Magnetrührer, Eisbad, Filternutschen, Vakuumdestillation oder Rotavapor, Scheidetrichter


Chemikalien:

Phenylhydrazinhydrochlorid Warnhinweis: tWarnhinweis: nWarnhinweis: xn
Benzaldehyd Warnhinweis: attn
Natriumacetat
Methanol Warnhinweis: fWarnhinweis: tWarnhinweis: xn
Anilin Warnhinweis: tWarnhinweis: nWarnhinweis: xnWarnhinweis: cWarnhinweis: f
Salzsäure Warnhinweis: cWarnhinweis: attn
Natriumnitrit Warnhinweis: oWarnhinweis: tWarnhinweis: n
Ethanol Warnhinweis: fWarnhinweis: attn
Pyridin Warnhinweis: fWarnhinweis: attn
Essigsäure Warnhinweis: cWarnhinweis: f
Blei(IV)-oxid Warnhinweis: oWarnhinweis: nWarnhinweis: xnWarnhinweis: attn
Dichlormethan Warnhinweis: xnWarnhinweis: attn
Diethylether Warnhinweis: fWarnhinweis: attn
Benzaldehydphenylhydrazon Warnhinweis: attn
Triphenylformazan Warnhinweis: attnWarnhinweis: n
Triphenyltetrazoliumchlorid Warnhinweis: attn


Durchführung:

Synthese von Benzaldehydphenylhydrazon:

16,3 g (120 mmol) Natriumacetat-Trihydrat wurden unter Erwärmen in 75 ml Methanol gelöst. Anschließend wurden 5,8 g (40 mmol) Phenylhydrazinhydrochlorid zugegeben und gerührt, bis alles aufgelöst war. Zu der noch warmen Lösung wurden unter gutem Rühren 4,0 ml (40 mmol) Benzaldehyd gegeben und noch ein paar Minuten weiter erwärmt. Bereits nach kurzer Zeit kam es zur Abscheidung von Kristallen aus Benzaldehydphenylhydrazon. Die Abscheidung wurde durch Zugabe von ca. 150 ml dest Wasser vervollständigt, die Kristalle abgenutscht, mit Wasser gut nachgewaschen und getrocknet.

Ausbeute: 7,1 g (90,4% d.Th) eines beige-braunen kristallinen Pulvers.


Synthese von Triphenylformazan:[2]

In einem 250 ml-Becherglas wurden 5,9 g (30 mmol) Benzaldehydphenylhydrazon in 15 ml Pyridin und 15 ml Ethanol gelöst und in einem Eisbad auf 5 °C gekühlt. Das Benzaldehydphenylhydrazon löst sich in dieser Mischung problemlos auf und bleibt auch in der Kälte in Lösung.
Inzwischen wurden in einem 50 ml-Becherglas 2,8 g (30 mmol) Anilin in 9 ml konz. Salzsäure gelöst und ca 10 g zerstoßenes Eis zugegeben. Der Ansatz wurde in einem Eisbad weiter gekühlt und unter Rühren eine Lösung von 2,3 g (33 mmol) Natriumnitrit in 5 ml Wasser zugetropft. Das Anilin wird dabei vollständig zu einer klaren Lösung des Diazoniumsalzes umgesetzt.
Die Lösung des Diazoniumsalzes wurde nun langsam und unter gutem Rühren zur vorbereiteten, gekühlten Lösung des Benzaldehydphenylhydrazons gegeben, wobei darauf geachtet wurde, dass die Temperatur nicht über 20 °C stieg. Dabei bildete sich sofort eine intensive orange Farbe, die rasch zu einem dunklen, kräftigen Rot wurde. Es wurde noch 3 Stunden bei Raumtemperatur weiter gerührt, um die Reaktion zu vervollständigen. Dabei kam es zu einer leichten Gasbildung durch zerfallendes Diazoniumsalz, wodurch der durch ausgefallenes Produkt relativ dickflüssige Ansatz sich aufbläht - ein ausreichend großes Becherglas ist daher wichtig. Durch Umschwenken bzw Rühren mit dem Glasstab konnte die Schaumbildung etwas in Grenzen gehalten werden. Der Niederschlag wurde abgenutscht, mehrfach gut mit Wasser nachgewaschen und mit ca. 120 ml Ethanol siedend ausgekocht. Nach dem Auskühlen wurde erneut abgenutscht und das Produkt getrocknet.

Ausbeute: 5,90 g (65,5 % d.Th) eines dunkelroten kristallinen Pulvers.


Synthese von Triphenyltetrazoliumchlorid:[3]

5,0 g (17 mmol) Triphenylformazan wurden in einem 150 ml-Becherglas in 30 ml Essigsäure gelöst und auf ca 60 °C erwärmt. Nun wurden im Verlauf von etwa 2 Stunden unter gutem Rühren in kleinen Portionen insgesamt 4,4 g (18 mmol) Blei(IV)-oxid eingebracht und die Temperatur dabei weiter bei 60 °C gehalten. Bei jedem neuen Eintrag von PbO2 kommt es zu einem merklichen Temperaturanstieg, eine rasche Zugabe ist daher auf jeden Fall zu vermeiden. Die Farbe der Lösung verändert sich dabei von dunkelrot zu bräunlich. Der Ansatz wurde weitere 2 Stunden bei 60 °C gehalten und dann von geringen Mengen überschüssigem PbO2 abfiltriert. Der Filter wurde mit etwas Essigsäure nachgewaschen, um Verluste an Produkt zu vermeiden.

Die nun braune Lösung wurde am Rotavapor unter reduziertem Druck auf ein Minimum eingeengt (alternativ: einfache Vakuumdestillation). Der dickflüssige Rückstand wurde in ein 150 ml-Becherglas überführt und die Reste im Kolben gut mit zunächst insgesamt 25 ml Wasser bzw. dann 30 ml konz. HCl nachgewaschen und ebenfalls ins Becherglas überführt. Durch die konz. HCl wird das als Nebenprodukt gebildete Bleiacetat als schwerlösliches Chlorid ausgefällt und abgenutscht.

Das Filtrat wurde nun im Scheidetrichter 6 mal mit 10 ml DCM ausgeschüttelt. Die vereinigten organischen Phasen wurden über Calciumchlorid getrocknet, auf ca. 25 ml eingeengt und durch Zugabe von ca. 30 ml Diethylether das Produkt ausgefällt. Zur Reinigung wurde das Produkt erneut in ca. 15 ml Ethanol warm aufgelöst und durch Zugabe von ca. 25 ml Diethylether ausgefällt.

Ausbeute: 4,0 g (71,8 % d.Th) eines hellbeigen kristallinen Pulvers.


Test des Triphenyltetrazoliumchlorids:

a) Reduktionstest: Eine Spatelspitze (!) des Produkts wurde im Reagenzglas in ca 10 ml dest Wasser aufgelöst und mit einer Spatel voll Natriumcarbonat alkalisch gestellt. Nun wurde eine kleine Menge Glucose zugegeben und erwärmt - mit steigender Temperatur bildet sich erst langsam eine Trübung, dann immer rascher ein Niederschlag aus schwer löslichem, tief rotem Triphenylformazan.

b) Test als Vitalfärbung von Kulturen:
Herstellung eines improvisierten TTC-Agars: In einem 250 ml-Becherglas wurden 1,5 g Agar, 1,5 g Collagen-Hydrolysat (Nahrungsergänzungsmittel), 0,5 g Glucose, 0,5 g Suppenpulver ("Knorr Goldaugen Rindsuppe"), 0,38 g Dinatriumhydrogenphospat-Dodecahydrat, 50 mg Kaliumdihydrogenphosphat und 1 Spielplatz TTC vorgelegt und in 100 ml Wasser gelöst und 5 Minuten lang gekocht. Mit der Lösung wurden 3 Petrischalen ausgegossen und der Nährboden erstarren gelassen.
Die Petrischalen wurden dann beimpft: in eine wurde mehrfach kräftig hinein gehustet, in der zweiten wurde ein Fingerabdruck hinterlassen sowie mit einem feuchten Wattestäbchen der Boden im Vorzimmer gewischt und damit der Agar beimpft, in der dritten wurde mit dem feuchten Wattestäbchen in der Toilette unter dem Beckenrand gewischt und dann damit der Agar beimpft.
Die Kulturen wurden zur Bebrütung mit der Agar-Seite nach oben (damit sich keine Kondenswasser-Tröpfchen bilden und damit die Kultur nicht überhitzt) auf einen warmen Heizkörper gelegt. Die Kultur dürfte eine Temperatur von ca 30-35 °C gehabt haben. Nach 12 Stunden waren auf der Kultur von der Toilette bereits zahlreiche rote Punkte erkennbar, nach 24 Stunden waren die Ausstriche sehr kräftig mit rot gefärbten Kolonien übersät. Die anderen beiden Kulturen zeigten erst später wesentliches Wachstum (teils bakteriell, teils Schimmelpilze) und waren nur teilweise rot gefärbt.

c) Test als Vitalfärbung von Hefe:
In einem Reagenzglas wurde etwas Zucker in Wasser aufgelöst, ein kleine Menge Backhefe zugegeben und die Suspension auf 2 Reagenzgläser aufgeteilt. Eines wurde abgekocht, das andere blieb unbehandelt. In beide wurde eine Spatelspitze (!) TTC gegeben. Nach kurzer Zeit setzte im nicht abgekochten Ansatz eine leichte Gärung ein, wobei anscheinend das TTC der Hefe schadet - nach kurzer Zeit kam die Gärung zum erliegen. Die Hefe die sich im vitalen Ansatz am Boden absetzte, war kräftig rot gefärbt, im abgekochten Ansatz war sie ungefärbt.


Entsorgung:

Abfälle kommen zu den halogenfreien organischen Abfällen. Die Abfälle aus der Oxidation zum Triphenyltetrazoliumchlorid kommen zu den schwermetallhaltigen Abfällen.


Erklärung:

Benzaldehyd und Phenylhydrazin reagieren zum Benzaldehydphenylhydrazon. Dieses wird mit Benzoldiazoniumchlorid (aus Anilin und Natriumnitrit) zum Triphenylformazan umgesetzt. Mit einem starken Oxidationsmittel wie PbO2 erfolgt der oxidative Ringschluss zum TTC:
00 Reaktion.png
Bei der Nutzung als Redox-Indikator wird das farblose TTC dabei wieder zurück zum intensiv roten Triphenylformazan, einem Vertreter der Formazane reduziert.
00 Redox.png
Die Redox-Prozesse sind dabei in beide Richtungen relativ stark gehemmt, sodass trotz eines relativ niedrigen Redox-Potentials von

Triphenylformazan <-> Tetrazoliumchlorid + e- + H+ (E° = -0,294 V)

eine Oxidation des Triphenylformazans nur mit sehr starken Oxidationsmitteln (Peroxid, Pb4+, Persulfat) und/oder Katalysatoren möglich ist, bzw. umgekehrt die Reduktion des TTC sehr starke Reduktionsmittel (Dithionit) erfordert. Dadurch bleibt das farbige Produkt der Reduktion (im Gegensatz zu z.B. Leukomethylenblau) beständig und wird nicht durch Luftsauerstoff wieder oxidiert. In lebenden Zellen kann aufgenommenes TTC im Rahmen biologischer Prozesse durch NADH reduziert werden und zeigt somit Vitalität an. Benutzt wird es unter anderem, um die Keimfähigkeit von Saatgut zu prüfen oder als Zusatz zu Agar-Kulturmedien, wo es bei manchen Bakterien- oder Pilzarten zu einer kräftigen Anfärbung der Kolonien und somit besserer Erkennbarkeit führt.


Bilder:

01 Hydrazon.jpg
Kristallisiertes Benzaldehyd Phenylhydrazon

02 Diazotierung.jpg
Diazotierung von Anilin

03 Diazokupplung.jpg
Diazo-Kupplung zum Triphenylformazan

04 Formazan.jpg
Zwischenprodukt Triphenylformazan

05 Oxidation.jpg
Oxidation von Triphenylformazan mit PbO2 in Essigsäure

06 Einrotieren.jpg
Einrotieren des Filtrats

07 Pb Fällen.jpg
Fällung des Bleichlorids

08 DCM Extraktion.jpg
Extraktion des Filtrats mit DCM

09 Fällung Ether.jpg
Fällung des TTC aus der DCM-Lösung mit Ether

10 Produkt.jpg
Das fertige Produkt TTC

11 Glucose-Test.jpg
Test mit Glucose - Reduktion bei Erwärmung im alkalischen

12 Agar Test.jpg
Test mit einem Ausstrich von Fäkalkeimen auf einer TTC-hältigen Agar-Platte

13 Hefe Test.JPG
Test Vitalfärbung von Hefe, abgesetzte Hefe nach etwas mehr als einem Tag - links eine abgekochte, tote Hefe; rechts eine vitale Hefe (wenngleich sie das TTC nicht zu gut vertragen hat - eventuell schon überdosiert?)


Literatur:

[1] Science (1950), 111, 385 https://doi.org/10.1126/science.111.2885.385
[2] Bull. Hist. Chem. (2012), 37, 91
[3] Chemicke Zvesti (1957), 11, 153
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lemmi
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Re: Synthese und Test von Triphenyltetrazoliumchlorid

Beitrag von lemmi »

Wow, sehr schön! Eine mehrstufige, nicht ganz anspruchslose Synthese mit dennoch guten Ausbeuten. Und die Anwendung auch gleich demonstriert!

Ich erinnere mich, dass wir die Färbng mit Triphenyltetrazoliumchlorid im Studium mal im Biologiepraktikum gemcht haben, weiß aber nicht mehr genau, was wir damit geprüft haben.

Der "improvisierte" Agar ist ziemlich komplex zusammensegtzt. Wo hast du die Rezeptur her? Und was ist "kollagen-Hydrolysat" und welches "Suppenpulver" hast du verwendet?
"Alles sollte so einfach wie möglich gemacht werden. Aber nicht einfacher." (A. Einstein 1871 - 1955)

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mgritsch
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Re: Synthese und Test von Triphenyltetrazoliumchlorid

Beitrag von mgritsch »

lemmi hat geschrieben: Montag 14. November 2022, 21:50 Ich erinnere mich, dass wir die Färbng mit Triphenyltetrazoliumchlorid im Studium mal im Biologiepraktikum gemcht haben, weiß aber nicht mehr genau, was wir damit geprüft haben.
Biologie - eventuell eine Vitalfärbung von Pflanzen oder Keimzellen, da gibt’s einiges. Man kann zB Maiskörner ankeimen lassen, halbieren und in TTC Lösung legen, dann färbt sich nur keimfähges Gut, wird anscheinend auch zur Qualitätskontrolle von Saatgut gemacht wie groß die Quote ist. An Wurzeln keimender Pflanzen tut sich auch viel… Google /Scholar bzw YouTube liefert viele Ergebnisse aus der Ecke.
Der "improvisierte" Agar ist ziemlich komplex zusammensegtzt. Wo hast du die Rezeptur her? Und was ist "kollagen-Hydrolysat" und welches "Suppenpulver" hast du verwendet?
Improvisation eben, kein Rezept :) Einmal in die Kiste was passen könnte. Angelehnt an TTC haltige Medien wie ROTI®DipSlide CASO-TTC/RBCenr oder auch http://www.liofilchem.net/login/pd/ts/15360_TS.pdf

Kollagen-Hydrolysat gibt’s als Nahrungsergänzung, ist ein fast weißes, leicht wasserlösliches Pulver das wohl aus Kollagen-Abfällen durch partielle Hydrolyse gewonnen wird (Mahlzeit!). Das nächstbeste was ich statt Pepton zu bieten hatte :)

Suppenpulver: Knorr Goldaugen Rindsuppe. Bisschen Salz schadet ja nicht, nur die Petersil- oder Schnittlauch-Partikel wirken störend :mrgreen: :lol:

Bin ganz stolz dass das auf Anhieb geklappt hat, war mein allererster Nähragar und scheint den Fäkalkeimen gut zu passen!
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Re: Synthese und Test von Triphenyltetrazoliumchlorid

Beitrag von aliquis »

Aufwendige, aber interessante Synthese.

Warum wurde Bleidioxid statt des ebenfalls erwähnten Peroxids/Persulfats ausgewählt?

Rotationsverdampfer kosten ja normalerweise ein kleines Vermögen. Gibt es empfehlens- und preiswerte Bezugsquellen?
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lemmi
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Re: Synthese und Test von Triphenyltetrazoliumchlorid

Beitrag von lemmi »

Bin ganz stolz dass das auf Anhieb geklappt hat, war mein allererster Nähragar und scheint den Fäkalkeimen gut zu passen!
Das kannst du auch! Ist ein schönes Resultat.
Salz kann durchaus sehr stören - aber offenbar in deinem Falle ja nicht. Man könnte natürlich kalauern, dass deine Darmkeime weniger anspruchsvoll sind als deine Synthesen :dita:
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mgritsch
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Re: Synthese und Test von Triphenyltetrazoliumchlorid

Beitrag von mgritsch »

aliquis hat geschrieben: Dienstag 15. November 2022, 01:01 Aufwendige, aber interessante Synthese.
ich fand sie eigentlich nicht so aufwändig, alles geht relativ zügig und glatt. Sind ja nur 3 Schritte.
Warum wurde Bleidioxid statt des ebenfalls erwähnten Peroxids/Persulfats ausgewählt?
weil es lt dem verlinkten Paper die beste Ausbeute gibt ([3] hat 73,8% versprochen im Gegensatz zu sonst um die 50% oder drunter. Da war ich mit meinen 71,8% knapp dran. Wobei ich etwas abgewichen bin und PbO2 statt Pb2O3 benutzt habe...)
weil auch bei H2O2 noch ein Kat (V2O5) nötig ist damit es reagiert und den man dann auch wieder los werden muss. Und der Vorversuch im RG wirkte weniger glatt bzgl Entfärbung. Persulfat fand ich zwar erwähnt aber ohne konkrete Angabe zu Procedere.
Gibt es empfehlens- und preiswerte Bezugsquellen?
Du suchst Bezugsquellen für ein kleines Vermögen? 8) :lol:
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mgritsch
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Re: Synthese und Test von Triphenyltetrazoliumchlorid

Beitrag von mgritsch »

lemmi hat geschrieben: Dienstag 15. November 2022, 09:31 Salz kann durchaus sehr stören - aber offenbar in deinem Falle ja nicht.
ich dachte solange ich unter den physiologischen 0,9% bleibe sollte es zumindest nicht stören und habe meine Menge mit der Salz-Angabe des Herstellers drauf ausgerichtet. Physiologisches Umfeld vertragen die ja sonst auch gut :) Ich habe auch schon überlegt Hefeextrakt zu kaufen, hab ich günstig als Pulver im Angler-Zubehör gefunden, die nutzen das wohl für Aromatisierung von Ködern.
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Re: Synthese und Test von Triphenyltetrazoliumchlorid

Beitrag von aliquis »

mgritsch hat geschrieben: Dienstag 15. November 2022, 11:40 ich fand sie eigentlich nicht so aufwändig, alles geht relativ zügig und glatt. Sind ja nur 3 Schritte.
Ja, vermutlich war die Dokumentation aufwendiger als das eigentliche Experiment und wirkt nur deshalb so. Ist ja nicht ungewöhnlich.
Du suchst Bezugsquellen für ein kleines Vermögen? 8) :lol:
Ja, das würde ich vermutlich auch benötigen, wenn ich mir einen Marken-Roti zum Listenneupreis zulegen wollte... :( Deshalb meine Frage.
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Re: Synthese und Test von Triphenyltetrazoliumchlorid

Beitrag von aliquis »

lemmi hat geschrieben: Dienstag 15. November 2022, 09:31 Salz kann durchaus sehr stören - aber offenbar in deinem Falle ja nicht.
Ja, wären nicht vor allem etwaige Rückstände von Bleisalz sehr hinderlich? :?
Dafür müssten mgritsch Keime wirklich schon sehr abgehärtet sein... :wink:
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Re: Synthese und Test von Triphenyltetrazoliumchlorid

Beitrag von Alf »

Wie immer eine super Synthese und ein spannendes und nützliches Produkt! :thumbsup:

Mit TTC kann man schön zwischen motilen und nicht motilen Bakterien unterscheiden wenn man sie in einem Röhrchen mit Agar "einsticht".
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mgritsch
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Re: Synthese und Test von Triphenyltetrazoliumchlorid

Beitrag von mgritsch »

aliquis hat geschrieben: Dienstag 15. November 2022, 16:37 Ja, wären nicht vor allem etwaige Rückstände von Bleisalz sehr hinderlich? :?
Dafür müssten mgritsch Keime wirklich schon sehr abgehärtet sein... :wink:
Rechen- bzw. Abschätzaufgabe zur Relevanz deiner Befürchtung:
- wie groß ist die Löslichkeit von PbCl2 in ca. 4M HCl? (pKL = 3,74)
- wie groß ist die Löslichkeit von PbCl2 in DCM bzw der Verteilungskoeffizient von PbCl2 zwischen wässr. Lösung und DCM?
- angesichts der Angaben für die Umkristallisation - wie viel könnte schlimmstenfalls noch bis ins Endprodukt verschleppt werden?
- wie groß ist die Konzentration des Endprodukts im Agar, und wie viel Pb Anteil wäre das dann?

Nota Bene sind Schwermetalle tendenziell eher für höhere Organismen schädlich. Bakterien und Pilze gedeihen auf Schwermetall teils erstaunlich gut, man fragt sich schon eher was die überhaupt als Nahrungsquelle nutzen. Siehe dazu viewtopic.php?f=59&t=5699&hilit=schimmelpilz
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Re: Synthese und Test von Triphenyltetrazoliumchlorid

Beitrag von aliquis »

Nee, da bleibt wohl nichts mehr übrig, und falls doch: siehe das von Dir zuletzt genannte Beispiel - erstaunlich aber allemal. Naja, von Pilzen weiß man ja, dass sie Schmermetalle prima einlagern können. Wie Bakterien darauf reagieren, bin ich mir nicht sicher. Hängt vll. auch von der Art ab. Verlässlich gekillt kriegt man die aber wohl nur mit Hypochlorit.
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Re: Synthese und Test von Triphenyltetrazoliumchlorid

Beitrag von lemmi »

Alf hat geschrieben: Dienstag 15. November 2022, 17:09 Mit TTC kann man schön zwischen motilen und nicht motilen Bakterien unterscheiden wenn man sie in einem Röhrchen mit Agar "einsticht".
Erklär das doch mal genauer, wie geht das?
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Re: Synthese und Test von Triphenyltetrazoliumchlorid

Beitrag von Alf »

Man nimmt zb dasselbe Medium wie mgritsch verwendet hat aber vlt etwas weniger Agar (sollte eher halbfest sein). Dann füllt man damit
kleine Reagenzgläser, autoklaviert und beimpft indem man einen geraden Stichkanal mit der zu ubtersuchenden Kolonie setzt. Wenn die Bakterien motil sind dann sollte sich der gesamte Agar rot färben, wenn sie das nicht sind wachsen sie nur im Stichkanal. Für Enterobakterien ist das eine super Methode.

Man könnte auch andere spezifische Färbung verwenden wenn man vorab weiß welches Bakterium untersucht wird. Sonst ist TTC aber gut geeignet da es unspezifisch färbt und deshalb auch primär geeignet ist.
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Re: Synthese und Test von Triphenyltetrazoliumchlorid

Beitrag von lemmi »

Ah! Jetzt dämmert es bei mir auch wieder :mrgreen: Danke!
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