Bestimmung von Alkali- und Erdalkalielementen mit indirekter Fluorescenz-Detektion im...

I:resenius leitschrift [fir Fresenius Z Anal Chem (1989) 333:15-18

�9 Springer-Verlag 1989

Bestimmung von Alkali- und Erdalkalielementen mit indirekter Fluorescenz-Detektion im Pikogramm-Bereich

K. Biichmann und K.-H. Blaskowitz

Technische Hochschule Darmstadt, Fachbereich Anorganische Chemie und Kernchemie, D-6100 Darmstadt, Bundesrepublik Deutschland

Determination of alkali and alkaline earth elements with indirect fluorescence detection in the pg-range

Summary. A method for the determination of the alkali metal ions, ammonium and the alkaline earth metal ions with indirect fluorescence detection has been developed. Two different cation-exchangers were used for the separa- tion. Elution and simultaneous detection was carried out with cerium(III) nitrate. Detection limits are for the alkali metal ions between 0.25 ng/ml for lithium and 10 ng/ml for cesium, for the alkaline earth metal ions between I ng/ml for magnesium and 100 ng/ml for barium.

Einleitung

Um die Verfinderungen der chemischen Zusammensetzung von Regenwasser am Beginn eines Regenereignisses erfassen zu k6nnen, ist eine hohe zeitliche Aufl6sung der Probe- nahme, die mit kleinen Probevolumina verbunden ist, erfor- derlich. Noch kleinere Probevolumina bedingen die Unter- suchungen von Prozessen bei der Bildung von Wolken oder yon Nebelepisoden [1]. Auch wenn die Konzentration der Alkali- und Erdalkaliionen nicht extrem gering sind, fiihrt die Forderung, eine Analyse in Volumina von nur wenigen Mikrolitern durchzuffihren, zu Bestimmungsmethoden, die es erlauben, Absolutmengen im Pikogrammbereich zu erfas- sen.

Grundsfitzlich sind die iiblichen spektroskopischen Me- thoden daffir nicht geeignet, weil sie gr613ere Volumina erfor- dern. Auch k6nnen Kontaminationen zwischen der Probe- nahme und der Laboratoriumsmessung auftreten. Eine ,,in- situ"-Messung ist ausgeschlossen.

Uber die indirekte photometrische Detektion in Verbin- dung mit der Eins/iulentechnik zur empfindlichen Bestim- mung yon Kationen haben Small und Miller Jr. [2] in ihrem grundlegenden Artikel berichtet. Die indirekte Fluorescenz ist bisher nur sehr selten angewandt worden. Die Verwen- dung von Cer(III) als Elutionsmittel ffihrte zu einer Erniedri- gung der Nachweisgrenzen, sowie, besonders bei Magne- sium und Calcium, zu wesentlich kiirzeren Analysezeiten [3]. Um die Bestimmung mit indirekter Fluorescenz-Detektion [4] jedoch optimal auszunutzen, mul3 mit einer sehr niedrigen Cer(III)-Konzentration gearbeitet werden. Unter diesen Be- dingungen eluieren die Erdalkalimetallionen nicht mehr yon

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der S/iule (ION-210 Metals Column, Fa. ICT). Die Verwen- dung der Kationenaustauschers/iule CS-I (Dionex) erm6g- lichte die Bestimmung auch dieser Elemente.

Experimentelles

HPLC-System. Pumpe Varian 2510, Rheodyne-Aufgabe- ventil (7125) mit 50 pl Probeschleife, Detektor: Spectroflow 980 (Applied Biosystems), Trennsfiulen: Kationens/iule CS-1 (Dionex) und ION-210 Metals Column (ICT).

Reagentien. Cer(III)-nitrat 99,9% (Aldrich), Standards der Alkali- und Erdalkalimetallionen sowie Ammonium wurden aus den Nitraten p.a. (Merck) angesetzt.

Ergebnisse und Diskussion

i Trennung der Alkalimetallionen und Ammonium

Um eine optimale Trennung aller Elemente zu erreichen, verwendet man ein Elutionsmittel mit sehr geringer Cer(III)- Konzentration. In Abb. I sind die Abh/ingigkeiten der Re- tentionszeiten (a) und der Peakh6hen (b) von der Cer(III)- Konzentration dargestellt. Sowohl die Retentionszeiten als auch die Peakh6hen nehmen mit abnehmender Konzentra- tion zu. Wenn diese jedoch den Wert yon 1.8 gmol/1 unter- schreitet, f/ihrt diese, auger bei Lithium und Natrium, zu einer starken Peakverbreiterung. Nur for die ersten beiden Ionen ist die Elutionsst/irke der mobilen Phase noch ausrei- chend, um gut auswertbare Signale zu erhalten. Eine ein- wandfreie Trennung der Alkalimetallionen und Ammonium konnte mit einer Cer(III)-Konzentration yon 3.5 ~tmol/1 er- zielt werden (Abb. 2). Nachweisgrenzen wurden ffir alle Ele- mente bestimmt (Tabelle 1), Kalibrierungen nur ffir Na- trium, Ammonium und Kalium erstellt (Tabelle 2).

Wenn ebenfalls Magnesium und Calcium detektiert wer- den sollen, mul3 die Cer(III)-Konzentration auf 55 gmol/1 erh6ht werden, um eine gr6Bere Elutionsst/irke der mobilen Phase zu erzielen. Magnesium eluiert dann nach 8, Calcium nach 18 rain. Um allerdings die Alkalimetallionen und Am- monium bei groBen Konzentrationsunterschieden, wie sie in den meisten natfirlichen Proben (Regenwasser, Oberfl/ichen- wasser) vorliegen, genau bestimmen zu k6nnen, ist ein schw/icheres Elutionsmittel erforderlich. Magnesium und Calcium werden unter dieser Bedingung auf der S/iule festge- halten und mfissen von Zeit zu Zeit durch mehrmaliges

16

t [ mn ]

15

9

G

3

8

a

i i ,

8 IB 28 38 18 58 N8 [ pH/L ]

Rbhaengigkeit der Retenr yon der Cer-KonzentratJon C~+= ~, Rb ~= +, K += J, NH~= #, Na += X, Li += 8

[mm 3

258 ~ ~ b 1 5 8

IB8

5 8 ~

- - t e i , x , L - -

18 2~ 31a 4O fib 610 [ p~/L

Abb. 1. a Abh~ingigkeit der Retentionszeiten yon der Cer-Konzen- tration. Cs + =-k,, R b + = + , K + = @, NH2 = # , Na + = x, Li + = | h Abhfingigkeit der Peakh6hen yon der Cer-Konzentra- tion. Cs + = * , R b + = + , K + = @ , N H 2 = 4#,Na + = x , L i + = |

J L i

I N a +

IUf /t A

, f i , , ~ ,

2 4 G O 1O 1 2 t [ m i n 2

Abb. 2. Trennung von Lithium 100 ng/ml, Natrium 200 ng/ml, Am- monium 200 ng/ml, Kalium 200 ng/ml, Rubidium 400 ng/ml und C/isium 400 ng/ml. Trenns/iule: ION-210 Metals Column (ICT). Mobile Phase: 3,5 gmol/1 Cer(III)-nitrat (1 ml/min). Detektion: Fluorescenz (Spectrollow 980, Applied Biosystems). Empfindlich- keit: 0,03, Injektionsvolumen: 50 gl

Tabelle 1. Nachweisgrenzen

[ng/ml] a [pg] abs. b

Li + 0,25 12,5 Na + 0,5 25 zqH~ 1 50 K + I 50 Rb + 4 200 Cs + 10 500 Mg z + 1 50 Ca 2 + 2 100 Sr z § 5 250 Ba z + 100 5000

Bezogen auf das dreifache Detektorrauschen b Bezogert auf das Injektionsvolumen (50 pl)

Tabelle 2. Kalibrierung

Spezies Konzentrations- Steigung bereich (ng/ml) (mm. ml- ng-1)

Ordinaten- Korr.- abschnitt koeff, r (mm)

Na + 1-1000 (13) 0,8158 30,119 0,993 Na2 10-1000 (11) 0,6546 60,085 0,994 K + 1-1000 (12) 0,3176 4,764 0,999 Mg z + 5 - 1000 (12) 0,0797 1,348 0,995 Ca z+ 5-1000 (12) 0,0389 0,463 0,998

Injizieren einer Cer(II I ) -L6sung von 30 mmol/1 eluiert wer- den.

Bei Proben mit hoher Gesamt ionenkonzent ra t ion kann ein zu groBer Systempeak die Signale von Lithium und Na- tr ium iiberdecken. Der Systempeak resultiert aus den unter- schiedlichen Ionenkonzentra t ionen von Elutionsmittel und Probel6sung. Ha t die Probe eine geringere Ionenkonzentra- tion, erscheint der Systempeak als negativer Peak im Chro- matogramm, im umgekehrten Fal l als positiver. Die Ursache hierftir ist, daB, aufgrund des chemischen Gleichgewichts, die injizierten Probeionen die /iquivalente Menge an Cer- ionen am S/iulenkopf v o n d e r station/iren Phase verdr/ingen. Ist diese Menge pro Volumeneinheit gr6Ber als diejenige der Cer( I I I ) -Konzent ra t ion im Elutionsmittel , registriert der Detektor eine Zunahme der Fluorescenz. Im anderen Fal l kommt es zu einer Verdiinnung des Eluenten, die ebenfalls detektiert wird. Deshalb kann es zur Bestimmung von Li- thium und Na t r ium erforderlich sein, Proben entsprechend zu verdiinnen (Abb. 3).

2 Trennung der Erdatkalimetallionen

Ftir die Trennung der Erdalkal imetal l ionen wurde die CS-1 Kationens/iule yon Dionex verwendet. Aul3er Magnes ium und Calcium konnten auch Stront ium und Barium best immt werden. Ein entsprechendes Chroma tog ramm zeigt Abb. 4. Der EinfluB der Cer( I I I ) -Konzent ra t ion auf Retentionszei- ten und Peakh6hen ist aus Abb. 5 zu ersehen. Mit abneh- mender Konzent ra t ion nehmen die Retentionszeiten wieder zu, w/ihrend die Peakhghen bei der Cer( I I I ) -Konzent ra t ion von 18 pmol/1 ein Maximum aufweisen und danach wieder abfallen. Dies ist dadurch zu erkl/iren, dab einerseits durch die geringer werdende Cer( I I I ) -Konzent ra t ion im Elut ions:

Na +

+ K

f I i

0 2 '~ 6 t [ rain ]

Abb. 3. Bestimmung einer Regenwasserprobe (1/5 verdtinnt): Pro- benahmeort: Darmstadt, 23.3. 1988. Natrium 124 ng/ml, Ammo- nium 216 ng/ml und Kalium 145 ng/ml. Trenns/iule: ION-210 Me- tals Column (ICT). Mobile Phase: 3,5 gmol/1 Cer(III)-nitrat (1 ml/ min). Detektion: Fluorescenz (Spectroflow 980, Applied Bio- systems). Empfindlichkeit: 0,03, Injektionsvolumen: 50 111

Mg 2+

" U r i i

~+ Ca

B a 2+

fl 2 4 6 8 18 1 2 14 16 t [ min ]

Abb. 4. Trennung von Magnesium, Calcium, Strontium und Ba- rium (je 100 ng/ml). Trenns~iule: CS-1 (Dionex). Mobile Phase: 28 gmol/l Cer(III)-nitrat (1 ml/min). Detektion: Fluorescenz (Spec- troflow 980, Applied Biosystems) Empfindlichkeit: 0,005, Injek- tionsvolumen: 50 gl

mittel sich das Signal- zu Rauschverhfiltnis erh6ht, auf der anderen Seite aber die sp/itere Elution zu breiteren und fla- cheren Peaks ffihrt.

Insgesamt gesehen lassen sich mit dieser Trennsfiule, auger fiir Barium, sehr niedrige Nachweisgrenzen erzielen (Tabelle 1). Kalibrierungen wurden fiir Magnesium und Calcium durchgefiihrt (Tabelle 2).

Ftir die Messung yon Proben (Regenwasser, Oberflfi- chenwasser) wurde ein Cer(III)-Gehalt von 28 gmol/1 im

17

t [ min )

15

12

9

G

3

8

4

\ '

..... ~ .................. 555_2

+ i

8 28 48 E8 8a 180 128 [ pM/L I

Rbhaeng lgke l% der R e t e n i i o n s z e i t e n yon der Cer - K o n 2 e n t r a t i o n 2~ 2+ 2+

) k

Bfl ' ' - -

BB

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

fl 2@ 48 60 88 IgB 128 [ ~aH/L ]

Rbha~nslgkeit d e r Peakhoehe yon d e r Cee - K o n / e n t r a t i o n

Sr 2+. *. Ca2+ = +, Mg2+ = X

Ahh. 5. a Abh/ingigkeit der Retentionszeiten vonder Cer-Konzen- tration. Sr 2+ = * , CaZ+= + , Mg 2+= x. b Abh/ingigkeit der Peakh6he yon der Cer-Konzentration. Sr 2+ = * , Ca 2+= +, Mg2+ = •

2+ Ca

2+ M9

0 2 4 (5 B t [ rain ]

Abb. 6. Bestimmung einer Regenwasserprobe: Probenahmeort: Darmstadt, 23.3. 1988. Magnesium 115 ng/ml und Calcium 690 rig/ ml. Trennsfiule: CS-1 (Dionex). Mobile Phase: 28 gmol/1 Cer(III)- nitrat( I ml/min). Detektion: Fluorescenz (Spectroflow 980, Ap- plied Biosystems). Empfindlichkeit: 0.01, Injektionsvolumen: 50 gl

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Elutionsmittel gew/ihlt, um kurze Analysezeiten zu erzielen (Abb. 6). St6rungen treten bei Gehalten fiber 1 gg/ml an zweiwertigen Obergangselementen auf, da diese kurz nach dem Magnesium eluieren.

SchluBfolgerung

Mit der indirekten Fluorescenz-Detektion konnten die Nachweisgrenzen ffir die im Regen relevanten Kationen ge- genfiber herk6mmlichen Methoden deutlich gesenkt wet- den. Die M6glichkeit, deren Bestimmung aus einem Probe- volumen kleiner als 20 ril durchzuf'tihren, ist gegeben. Dem Nachteil, von jeder Probe zwei Messungen durchffihren zu miissen, stehen auf der anderen Seite die sehr niedrigen Nachweisgrenzen, der weitgehende Ausschlul3 von Konta- ruination, die M6glichkeit der ,,in situ"-Analyse und die

kurzen Analysenzeiten gegenfiber. Uber eine entsprechende S/iulenschaltung sollte die Bestimmung der Kationen auch in einem Lauf m6glich sein.

Danksagung. Der DFG (SFB 233) sowie dem Bundesministerium ftir Forschung und Teehnologie danken wir ffir die finanzielle Unter- stiitzung dieser Arbeit.

Literatur

1. Baltensperger U (1988) J Chromatogr 439:121 2. Small H, Miller TE (1982) Anal Chem 54:462 3. Shermann JH, Danielson ND (1987) Anal Chem 59:490 4. Shermann JH, Danielson ND (1987) Anal Chem 59:1483 5. Blaskowitz KH (1988) Diplomarbeit, Technische Hoehschule

Darmstadt

Eingegangen am 29. September 1988