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Systembeschreibung und
Arbeitsanleitung für die Analyse von
Anionen in Wässern Version 2.6
September 2017 Karl-Heinz Jansen,
Michael Lappé
Ionen-Chromatographie Arbeitsanleitung für Anionenbestimmungen
SYKAM Chromatographie Vertriebs GmbH Carl-von-Linde-Straße 2 D-82256 Fürstenfeldbruck www.sykam.de
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Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung .................................................................................................................................................................... 3
2 Das Ionenchromatographie System..................................................................................................................... 4 2.1 S 1130 Isokratische Pumpe ............................................................................................................................. 5
2.1.1 Empfohlene Wartungsintervalle: ........................................................................................................... 5 2.2 S 5300 Proben Injektionsmodul ....................................................................................................................... 6
2.2.1 Empfohlene Wartungsintervalle: ........................................................................................................... 6 2.3 S 150 Ionen Chromatographiemodul (inkl. Säulenofen) ........................................................................... 7
2.3.1 Empfohlene Wartungsintervalle: ........................................................................................................... 7 2.4 CS 7 Datenerfassungs- und Steuersystem .................................................................................................... 8
3 Ionenchromatographischer Funktionsablauf ..................................................................................................... 9 3.1 Auto Suppressions-Einheit und Regenerierung ......................................................................................... 13
3.2 Analysenbedingung ....................................................................................................................................... 18
3.3 Ansatz der Fließmittel ..................................................................................................................................... 20
3.3.1 Stammlösung Anionenpuffer ............................................................................................................... 20 3.3.2 Pufferlösung ............................................................................................................................................. 20
3.4 Analysendurchführung Anionen .................................................................................................................. 21
3.5 Auswertung der Anionenbestimmungen ................................................................................................... 23
3.6 Reproduzierbarkeit ......................................................................................................................................... 30
4 Zweikanal-Ionenchromatographie System ....................................................................................................... 32 4.1 Funktionsablauf bei simultaner Anionen/Kationen-Bestimmung .......................................................... 32
4.2 Analysenbedingungen der Kationenbestimmung .................................................................................. 34
4.3 Ansatz der Kationenfließmittel ...................................................................................................................... 35
4.3.1 Pufferlösung Kationenpuffer ................................................................................................................. 35
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1 Einleitung
Das System ist ausgelegt für die Analyse von Anionen in wässriger Matrix. Die
Chromatographie erfolgt durch automatische Injektion der Probe und Elution in das
entsprechende Trenn- und Detektionssystem. Im System können folgende Anionen
F, Cl,NO2, Br, NO3, PO4, SO4
standardmäßig analysiert werden. Weitere Anionen erfordern die Anpassung von
Trennsäulen und Fließmitteln.
Die Kalibrierung erfolgt über externe Standards mit Lösungen bekannter Konzentration.
Nachweisgrenzen liegen im Bereich von 0,1 bis 1 mg Ion/l.
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2 Das Ionenchromatographie System Abbildung 1:
Abbildung 1: Ionenchromatographie System
Das Ionenchromatographie-System besteht aus:
S 150 IC Module inkl. integriertem Auto Suppressor
S 1130 Isokratische Pumpe mit Degaser
S 5300 Proben Injektor System
CS 7 Chromstar Datensystem
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2.1 S 1130 Isokratische Pumpe
Abbildung 2: isokratische Pumpe S 1130
Die S 1130 ist eine isokratische Zweikolbenpumpe in inerter Ausführung. Durch den
integrierten Vakuumdegaser können partikelfreie Fließmittel direkt eingesetzt werden.
Die Pumpe wird in allen Funktionen vom Datensystem gesteuert.
Parameter Werte
Anzahl der Kanäle 1
Degasertechnik durch angelegtes Vakuum an semipermeabler Membran
Flussrate Analytisch : 0.001 - 10.000 ml/min
Flussgenauigkeit ± 1.0 % @ 1.000 ml / min
Flusspräzision ± 0.1 % RSD @ 1.000 ml/min
Druckbereich 0 – 40 MPa (0 – 6000 PSI)
Details zur Bedienung und Wartungsintervalle siehe Manual S 1130.
2.1.1 Empfohlene Wartungsintervalle:
2.1.1.1 Austausch von Verschleißteilen: 12 Monate
2 Saphir-Kolben
2 Primär-Dichtungen
2 Sekundär-Dichtungen
2 Rückschlag-Ventile
2.1.1.2 Vollwartung mit mechanischer Reinigung und Kalibrierung: 36 Monate
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2.2 S 5300 Proben Injektionsmodul
Abbildung 3: Probenaufgabe System S 5300
Das S 5300 Proben Injektionsmodul ist ein automatisches Probenaufgabesystem mit
einer x/y/z1/z2 Ansteuerung einer Injektionsnadel, die über eine Transferkapillare mit
einer Motorbürette gekoppelt ist. Selektiv können einzelne Probenvials angefahren und
ein Aliquot der Probe angesaugt werden. Dieses Aliquot wird dann verlustfrei in den
Eluentenstrom vor der Säule injiziert. Durch frei programmierbare Waschzyklen sind
Verschleppungen von Probe zu Probe nahezu ausgeschlossen.
Das Injektionsmodul wird in allen Funktionen vom Datensystem angesteuert.
Parameter Werte
Probenkapazität 120 (1.5 ml Vials), 192 (Microtiter Platten)
Injektionsvolumen programmierbar 0.1 - 999.9 µl
Injektionspräzision < 0.5% variables Injektionsvolumen (10 µl)
Linearität Korrelationsfaktor > 0.999
Kühlung +4 - +60 °C (optional)
Verschleppung < 0.05% mit Waschprogramm
Details zur Bedienung und Wartungsintervalle siehe Manual S 5300.
2.2.1 Empfohlene Wartungsintervalle:
2.2.1.1 Austausch von Verschleißteilen: 12 Monate
Injektionsnadel
Luftnadel
Transfer-Kapillare
Rotor-Seal
2.2.1.2 Vollwartung mit mechanischer Reinigung und Kalibrierung: 36 Monate
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2.3 S 150 Ionen Chromatographiemodul (inkl. Säulenofen)
Abbildung 4: IC-Modul S 150
Das S 150 Ionen Chromatographiemodul macht aus einem normalen Chromatographie
System einen hochempfindlichen Ionen Chromatographen für Ein- und Zweikanal
(Optional) –Detektion. Im System ist neben den Leitfähigkeitsdetektoren, dem
Säulenofen, einem automatischen Säulenschaltventil (Option) auch die neue
selbstregenerierende Auto-Suppressionseinheit für Anionen integriert. Kürzeste Wege mit
konstanter Temperierung erlauben schnelle, störunanfällige Anionenanalytik.
Das Ionen Chromatographiemodul wird in allen Funktionen vom Datensystem
angesteuert.
Parameter Werte
Messbereich 20nS/cm - 20,000 µS/cm
Auto-Suppressor integriert
Temperaturbereich +30°C - +100°C
Temperaturgenauigkeit < 0.1°C
Austauschbares Ventil optional: jedes S 6000 Serienventil
Benetzte Materialien Peek, PPS, PTFE, Edelstahl
Details zur Bedienung und Wartungsintervalle siehe Manual S 150.
2.3.1 Empfohlene Wartungsintervalle:
2.3.1.1 Regenerierung Auto Suppressions-Einheit:
Nach Bedarf (ca. 60 bis 100 l Fließmittelverbrauch) spätestens alle 12 Monate.
Regenerierung laut Vorschrift; Austausch der Transferlösung.
2.3.1.2 Vollwartung mit mechanischer Reinigung und Kalibrierung: 36 Monate
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2.4 CS 7 Datenerfassungs- und Steuersystem
Abbildung 5: Virtuelle Steueroberfläche CS 7
Details zur Bedienung siehe Manual Chromstar 7.
Es wird empfohlen, das Rechnersystem direkt nach der Installation zu sichern und eine
Wiederherstellungs-Vorlage anzulegen.
Updates der soft-ware können online jederzeit erfolgen.
Nach GMP sind alle Daten auf einem zusätzlichen Speicher (Server) kontinuierlich zu
sichern. Dazu bietet die soft-ware einen File-Transfer Manager an.
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3 Ionenchromatographischer Funktionsablauf
Abbildung 6: Flussdiagramm automatisches Ionenchromatographie-System zur
Bestimmung von Anionen
Für die Anionenchromatographie wird eine Pufferlösung von Natriumkarbonat und
Natriumrhodanid eingesetzt.
Die Konzentration der Karbonatlösung wirkt sich direkt auf die Elutionsgeschwindigkeit
aus. Optimale Resultate werden in einem Konzentrationsbereich von 4 bis 7 mM erzielt.
Der Rhodanid-Zusatz (NaSCN) beeinflusst primär die Elution von Nitrit, Bromid und Nitrat
und reduziert das Tailing-Verhalten dieser Ionen. Optimale Resultate werden in einem
Konzentrationsbereich von 50 bis 100 µM erzielt.
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Die Pufferlösung wird in der Ansaugseite der Dosierpumpe kontinuierlich über einen
Vakuum-Degaser aufbereitet und dann über eine Zweikolbenpumpe in das System
gefördert. Übliche Förderraten liegen zwischen 0,8 ml/min und 1,2 ml/min.
Parallel wird an der Saugseite der Dosierpumpe entgaste Pufferlösung für die
Spülfunktion des Probengebers abgegriffen.
Die Dosierpumpe fördert die Pufferlösung über eine Waschsäule zum Injektionsventil des
Probengebers. Die Waschsäule ist über Filtersysteme mit neutralem Polystyrol gefüllt und
soll das System vor Verunreinigungen (Partikel, Pilze etc.) schützen. Die Filtersysteme und
die Füllung können vom Anwender bei Bedarf ersetzt werden.
Abbildung 7: Puffervorwasch-Säule
Im Injektionsventil des Probengebers wird der Eluentenstrom mit einem Aliquot der
Probe (5 bis 80 µl oder Schleifenüberfüllung mit 150 µl) versetzt.
Der Eluentstrom befördert die Probe auf die Trennsäule, die wiederum mit einer
Vorsäule (Austausch nach ca. 500 bis 1000 Injektionen) geschützt ist.
Abbildung 8: Am Säuleneingang integrierter Vorsäulenhalter
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Auf der Trennsäule werden die Anionen auf Grund ihrer Valenz, Ionenradius und
Dissoziation durch Wechselwirkung mit der stationären Phase getrennt.
Abbildung 9: Anionenwechselwirkungen an der stationären Phase
Die Trennsäule wird konstant temperiert, damit unabhängig von den
Standortbedingungen reproduzierbare Ergebnisse erzielt werden. Darüber hinaus hat
die Temperatur einen zusätzlichen Einfluss auf die Trennselektivität. Eine Erhöhung der
Temperatur beschleunigt primär die Elution von Nitrit, Bromid und Nitrat und
verlangsamt die Elution von Phosphat. Höhere Temperaturen erniedrigen die Viskosität
des Puffers, woraus geringere Rückdrücke und längere Säulenstandzeiten resultieren.
Optimale Temperaturbereiche für Anionenbestimmungen liegen zwischen 40°C und 60
°C.
Abbildung 10: Säulenofen im IC-Modul
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Die Anionen werden im Natriumkarbonat-Puffer nach ihrer Trennung auf der
Anionenaustauschersäule direkt in die automatische Suppressions-Einheit gefördert. Hier
erfolgt der Austausch aller Kationen gegen Hydronium-Ionen. Dadurch liegen die
Anionen in der anschließenden Leitfähigkeits-Zelle als Mineralsäuren in einem schwach
leitenden Kohlensäure-Untergrund vor und können empfindlich nachgewiesen werden.
Die Leitfähigkeitssignale der getrennten Anionen werden als Peaks in einem
Chromatogramm registriert und im Vergleich mit Kalibrationslösungen ausgewertet.
Dabei ist die Retentionszeit ein Maß für die Qualität (Identifizierung) und die Fläche des
Peaks ein Maß für die Quantität (im Vergleich mit einer Eichgeraden).
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3.1 Auto Suppressions-Einheit und Regenerierung
Das Kernstück der Suppressions-Einheit ist eine semipermeable Kationenaustauscher-
Membran, in der kontinuierlich alle Kationen im Eluat der Trennsäule gegen Hydronium-
Ionen ausgetauscht werden.
Abbildung11: Schaubild Suppressions-Membran
Das Eluat durchläuft das Innere der Membranfaser, die Regenerationslösung (Säure)
wird außen vorbei geleitet.
Abbildung 12: Anionen in der semipermeablen Membran
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Abbildung 13: Kationenübergang in die Transfer-Lösung
Abbildung 14: Umwandlung des Karbonat-Puffers in Kohlensäure
Die Hydronium-Ionen aus der Regenerationslösung, hier Transfer-Lösung, werden
kontinuierlich verbraucht. Um nicht permanent neue Säure dem System zuzuführen,
wird die Transferlösung im Kreis über eine Ionenaustauschkammer mit großer Kapazität
geführt und dabei kontinuierlich regeneriert (Entfernung der Kationen, Austausch
gegen Hydronium-Ionen).
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Abbildung 15: Schaubild Regenerations-Austauscher
Abbildung 16: Regenerierung Transfer-Lösung
Die gesamte Auto-Suppressions-Einheit ist im Ionenchromatographie-Modul integriert.
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Abbildung 17: Aufbau des Auto-Suppressions-Modul
Nach einem Analysen-Verbrauch von ca. 60 l bis 100 l Karbonat-Puffer ist die
Ionenaustauscher-Kammer im Suppressions-Modul erschöpft und muss regeneriert
werden.
Dazu werden:
500 ml Regenerationslösung (5 % ige Schwefelsäure)
250 ml demineralisiertes Wasser
250 ml Transferlösung (Polysulfonsäure)
benötigt.
Bevor die Regenerierung beginnen kann, muss die Abdeckplatte an der linken Seite
des IC-Moduls entfernt werden.
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Abbildung 18: Service-Einheit zur Regeneration des Basis Austauschers
Die beiden Kapillaren aus dem Zubehör-Set anschrauben.
Die „In“ Kapillare kommt in das Schwefelsäure-Vorratsgefäß, die „Out“ Kapillare wird in
einem ausreichenden Abfallgefäß fixiert.
Der Regenerationshahn wird in die Position „Reg.“ geschaltet.
Mit einer Geschwindigkeit von 5000 werden mit der Membranpumpe die 500 ml
Regenerationslösung über den Ionenaustauscher (ca. 30 Minuten) gefördert.
Anschließend wird bei gleicher Membranpumpengeschwindigkeit die Schwefelsäure
mit 250 ml demineralisiertem Wasser aus der Kammer gespült.
Zum Abschluss wird die Kammer wieder mit 250 ml Transferlösung gefüllt.
Die Membranpumpe wird abgeschaltet, das Regenerationsventil auf „Run“ geschaltet,
die Kapillaren entfernt und die Abdeckplatte wieder montiert.
Damit ist das System wieder für eine Analysenperiode vorbereitet.
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3.2 Analysenbedingung
Trennmaterial SykroGel-Ax 300 AB-A01
Abmessungen 3 x 150 mm Stahl
Eluent 6 mM Na2CO3 / 90 µM NaSCN
Fluss 1 ml/min (0,7 ml/min – 1,2 ml/min)
Temperatur 35 °C
Rückdruck Ca. 90 bar
Injektionsvolumen 5 µl bis 100 µl
System IC S 150
Abbildung 19: Chromatogramm Anionen Kontroll-Lösung
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Abbildung 20: Chromatogramm einer komplexen Anionen-Mischung
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3.3 Ansatz der Fließmittel
Die Fließmittel werden in der täglichen Analysenroutine frisch aus Konzentraten
(Stammlösungen) angesetzt und müssen nach maximal 6 Tagen verworfen werden.
Die Stammlösung ist gekühlt im Dunkeln ca. 1 Jahr stabil.
3.3.1 Stammlösung Anionenpuffer
Natriumkarbonat Merck 1.06392.0500
Na2CO3 M = 105,99 g/mol
Konzentration der Stammlösung: 1 M Na2CO3
Einwaage: 53 g
Natriumthiocyanat Alfa Aesar 33388
NaSCN M = 81,072 g/mol
Konzentration der Stammlösung: 15 mM NaSCN
Einwaage: 0,6 g
53 g Natriumkarbonat und 0,6 g Natriumthiocyanat werden in einem 500 ml Becherglas
mit 400 ml Wasser versetzt und unter Rühren gelöst. Die Lösung wird in einen 500 ml
Messkolben überführt und mit dest. Wasser bis zur Eichmarke aufgefüllt. Die fertige
Pufferlösung wird steril filtriert (0,2 µm) und in ein Kunststoffgefäß überführt.
Die Lösung ist gekühlt im Dunkeln 1 Jahr stabil. Bei der Abnahme von Aliquots ist darauf
zu achten, dass keine chemischen/biologischen Kontaminationen auftreten können.
3.3.2 Pufferlösung
Puffer: 5 mM Na2CO3 + 75 µM NaSCN
5 ml Anionenpuffer-Stammlösung werden in einem 1 l Messkolben mit ca. 100 ml Wasser
versetzt, kurz geschüttelt und bis zur Eichmarke aufgefüllt. Die Lösung wird in die
Systembehälter überführt und sollte nicht länger als 6 Tage eingesetzt werden. Aus
Sicherheitsgründen wird empfohlen, die fertige Lösung noch über 0,45 µm zu filtrieren.
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Bei größeren Ansätzen von Fließmitteln hat es sich als sinnvoll erwiesen, 25 ml Puffer-
Konzentrat mit 4l demineralisiertem Wasser zu versetzen und zu filtrieren.
3.4 Analysendurchführung Anionen
Für die Routine-Analyse wird folgende Prozedur empfohlen:
Aufbau einer Analysensequenz wie z.B.:
Abbildung 21: Darstellung der Sequenz-Tabelle
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Dabei wird in der Analysenmethode ein Zeitprogramm nach folgendem Muster
empfohlen:
Abbildung 22: Darstellung der Zeit-Tabelle in der Analysenmethode
Die beschriebene Sequenz wird geladen; damit beginnt automatisch die Equilibrierung
des Systems. Nach ca. 30 Minuten kann die Sequenz gestartet werden. Sämtliche
Steuerungen werden vom Datensystem übernommen.
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3.5 Auswertung der Anionenbestimmungen
Die Anionen werden mit einer externen Standardlösung kalibriert.
Abbildung 23: Kalibrierlösung
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Bei einer Einpunkt-Kalibration wird ein Standardlauf gewählt und re-integriert. Der re-
integrierte Standardlauf wird unter einem neuen Dateinamen abgespeichert.
Die Methode, mit der gemessen wurde, wird im Methodeneditor geöffnet und unter
„Kalibration“ die Einpunkt-Kalibration ausgewählt. Die Peaks müssen mit den
entsprechenden Mengen eingefügt werden und die gewünschte
Berechnungsgrundlage muss ausgewählt werden. Es wird das soeben abgespeicherte
Chromatogramm für die Kalibration verwendet. Die Methode wird nun unter einem
neuen Dateinamen abgespeichert.
Unter „Batch-Wizard“ wird „Berechnung mit neuer Methode“ ausgewählt. Alle
Chromatogramme, die ausgewertet werden sollen, werden eingefügt und mit der
kalibrierten Methode neu berechnet.
Im Anschluss können die Chromatogramme ausgewertet werden.
Bei einem größeren dynamischen Analysenbereich sind zur Auswertung Mehrpunkt-
Kalibrierlösungen für genaue Analysewerte zwingend notwendig. Empfohlen werden je
nach Messbereich 5 bis 10 Punkt-Kalibrierungen. Für die primären Anionen einige
repräsentative Eichkurven im Folgenden:
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Abbildung 24: Kalibrier-Kurve Fluorid
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Abbildung 25: Kalibrier-Kurve Chlorid
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Abbildung 26: Kalibrier-Kurve Nitrat
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Abbildung 27: Kalibrier-Kurve Phosphat
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Abbildung 28: Kalibrier-Kurve Sulfat
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3.6 Reproduzierbarkeit
Die Reproduzierbarkeit im Routinebetrieb liegt in der Regel im Bereich von ca. 1 %
relative Standardabweichung.
Abbildung 29: Statistische Berechnung der Relativen Standard-
Abweichung
Ähnliche Standardabweichungen gelten für die Retentionszeiten, deren Stabilität ja
maßgeblich für eine automatische Auswertung ist.
Abbildung 30: Reproduzierbarkeit der Retartierung
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Bei größeren Konzentrationsunterschieden kann es jedoch zu stärkeren Abweichungen
der Retentionszeiten kommen, durch Vorrücken der Peak-Maxima infolge von
Selbstelution. Es sollten daher ausreichend große Peak-Erkennungsfenster vorbereitet
sein.
Als hilfreich erwiesen sich dabei folgende Parameter:
Abbildung 31: Anionen-Peakfenster zur Identifizierung
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4 Zweikanal-Ionenchromatographie System
Im Zweikanalsystem werden aus einer Probe gleichzeitig Anionen und Kationen
bestimmt. Dazu wird die Probe durch ein spezifisches Probenaufgabeventil mit 2
getrennten Probenschleifen gefördert und dann simultan in 2 getrennte
Analysensysteme injiziert. Ermöglicht wird dies durch eine zweite Elutions-Pumpe und
eine Erweiterung des IC-Moduls mit einem zweiten Leitfähigkeitsdetektor.
4.1 Funktionsablauf bei simultaner Anionen/Kationen-Bestimmung
Abbildung 32: Flussablauf simultane Anionen/Kationen-Bestimmung
Bei der simultanen Anion/Kationenbestimmungen sind die Analysenparameter für
beide Trennsysteme aufeinander abgestimmt. Das heißt es wird bei gleicher
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Säulentemperatur und vergleichbarer Analysenzeit gearbeitet. Durch die gleichzeitige
Injektion der Probe in 2-getrennte Analysensysteme entfällt auch die Option varaiable
Injektion, da die beiden Probenschleifen überfüllt werden müssen. Dazu werden 200 µl
Probe in eine 50 µl Schleife für Anionen und in eine 20 µl Schleife für Kationen befördert.
Eine Crosskontamination von Natrium aus dem Anionenpuffer ins Kationensystem ist
dabei nicht detektierbar.
Die Anionen werden nach dem schon beschriebenen Verfahren mit automatischer
Suppression analysiert; bei den Kationen wird direkte Leitfähigkeitsdetektion nach
Reverse-Schaltung eingesetzt.
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4.2 Analysenbedingungen der Kationenbestimmung
Trennmaterial SykroSil-Cx 300 SA-K01
Abmessungen 4,6 x 150 mm Stahl
Eluent 100 µL Methansulfonsäure, 100 mg 18-Kron-6 Ether, 100 mg
Oxalsäure pro Liter
Fluss 0,9 ml/min
Temperatur 35 °C
Rückdruck Ca. 70 bar
Injektionsvolumen 20 µL
System IC S 150
Abbildung 33: Chromatogramm einer Kationenkontrolllösung
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4.3 Ansatz der Kationenfließmittel
Die Fließmittel werden in der täglichen Analysenroutine frisch angesetzt und müssen
nach maximal 6 Tagen verworfen werden.
4.3.1 Pufferlösung Kationenpuffer
Puffer: 100 µL Methansulfonsäure (Merck 8.06022.0250)
100 mg 18-Kron-6 Ether (Merck 8.11684.0005)
100 mg Oxalsäure (Merck 1.59361.0040)
Ca. 800 mL Wasser werden in einen 1L Messkolben gegeben. Es werden 100 µL
Methansulfonsäure, 100 mg 18-Kron-6 Ether und 100 mg Oxalsäure hinzugefügt. Unter
Rühren wird alles gelöst und homogenisiert. Anschließend wird bis auf 1000 mL aufgefüllt
und über 0,45 µm filtriert.