Praktikum Der Ionenchromatographie 12

7/24/2019 Praktikum Der Ionenchromatographie 12

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Praktikum der Ionenchromatographie Version 12

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Praktikum der Ionenchromatographie

Eine Einfhrung

Claudia EithProf. Dr. Maximilian KolbProf. Dr. Andreas SeubertDr. Kai Henning Viehweger (Hrsg.)

Metrohm Monographie

8.792.2001 d

8.792.2003 e


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Inhaltsverzeichnis

1 Die Autoren ...................................................................................................................................... 42 Einfhrung........................................................................................................................................ 53 Theoretischer Teil............................................................................................................................. 6

3.1 Historie und Bedeutung der Ionenchromatographie................................................................. 63.2 Grundlagen der Chromatographie ............................................................................................ 7

3.2.1 Einteilung und Begriffe der Chromatographie ................................................................... 73.2.2 Theoretische Konzepte zur Beschreibung der Chromatographie ................................... 10

3.3 Grundlagen der Ionenchromatographie (IC)........................................................................... 143.3.1 Terminologie und Einordnung in die LC .......................................................................... 143.3.2 Der Ionenaustausch......................................................................................................... 153.3.3 Die Ionenpaarbildung....................................................................................................... 163.3.4 Der Ionenausschluss ....................................................................................................... 17

3.4 Retentionsmodelle in der Ionenchromatographie................................................................... 183.4.1 Retentionsmodelle in der Anionenchromatographie........................................................ 183.4.2 Retentionsmodelle in der Kationenchromatographie....................................................... 23

3.5 Detektionssysteme in der Ionenchromatographie .................................................................. 263.5.1 Elektrochemische Detektoren.......................................................................................... 27

3.5.2 Spektroskopische Detektionen........................................................................................ 313.6 Stationre Phasen in der Ionenchromatographie ................................................................... 323.6.1 bersicht gebruchlicher stationrer Phasen.................................................................. 323.6.2 Stationre Phasen fr die Anionenchromatographie....................................................... 333.6.3 Stationre Phasen in der Kationenchromatographie....................................................... 343.6.4 Kationenaustauscher auf Silicagelbasis.......................................................................... 343.6.5 Kationenaustauscher auf Basis von organischen Polymeren ......................................... 353.6.6 Pellikulare Kationenaustauscher ..................................................................................... 353.6.7 Stationre Phasen in der Ionenausschlusschromatographie.......................................... 353.6.8 Die Bedeutung der Kapazitt von Ionenaustauschern.................................................... 35

3.7 Eluenten in der Ionenchromatographie................................................................................... 363.7.1 Anionenchromatographie................................................................................................. 37

3.8 Kationenchromatographie....................................................................................................... 39

3.8.1 Kationenchromatographie von Alkali-, Erdalkali- und Ammonium-Ionen mitLeitfhigkeitsdetektion.................................................................................................................... 393.8.2 Kationenchromatographie von bergangs- und Erdalkalimetall-Ionen mitNachsulenderivatisierung und photometrischer Detektion........................................................... 403.8.3 Ionenausschlusschromatographie................................................................................... 41

4 Praktischer Teil............................................................................................................................... 424.1 Hinweise zum praktischen Arbeiten........................................................................................ 424.2 Versuche zur Theorie der Ionenchromatographie .................................................................. 45

4.2.1 Versuch 1 Ionenchromatographie mit und ohne chemische Suppression ................... 454.2.2 Versuch 2 Kapazitt von Trennsulen.......................................................................... 494.2.3 Versuch 3 Selektivitt von Trennsulen ....................................................................... 524.2.4 Versuch 4 Kalibration, Nachweis- und Bestimmungsgrenzen in derIonenchromatographie ................................................................................................................... 57

4.2.5 Versuch 4a Bestimmung von Anionen mit chemischer Suppression........................... 584.2.6 Versuch 5 Vernderung der Selektivitt mit Hilfe von Kronenethern (18 Crown-6) ..... 604.2.7 Versuch 6 Vernderung der Selektivitt mit Hilfe von Komplexbildnern ...................... 634.2.8 Versuch 7 Anreicherungstechnik.................................................................................. 68

4.3 Versuche fr die Bestimmung von Anionen............................................................................ 714.3.1 Versuch 8 Bestimmung von Anionen in Trinkwasser ................................................... 714.3.2 Versuch 9 Anionen in Ethanol ...................................................................................... 744.3.3 Versuch 10 Anionen in Kopfsalat.................................................................................. 804.3.4 Versuch 11 Phosphorsure in Cola.............................................................................. 834.3.5 Versuch 12 Anionen im Wein ....................................................................................... 884.3.6 Versuch 13 Bestimmung von Verunreinigungen in Borat Chlorid und Sulfat in Borax 934.3.7 Versuch 14 Bestimmung von Anionen in Abwasser..................................................... 96

4.3.8 Versuch 15 Fluorid in Zahnpaste................................................................................ 1014.3.9 Versuch 16 Anionen in braunem und weissem Zucker .............................................. 1054.3.10 Versuch 17 Verunreinigungen im Wasserstoffperoxid ............................................... 110

4.4 Versuche fr die Bestimmung von Kationen......................................................................... 115


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4.4.1 Versuch 18 Alkli- und Erdalkalimetalle in Trinkwasser und Mineralwasser ............... 1154.4.2 Versuch 19 Bestimmung der bergangsmetalle........................................................ 1194.4.3 Versuch 20 Verunreinignungen im Silikagel Bestimmung von Calcium- undMagnesiumionen.......................................................................................................................... 1254.4.4 Versuch 21 Kosmetik und Korrosionsschutz: Bestimmung von Ethanolamin undAlkalimetallen ............................................................................................................................... 128

4.4.5 Versuch 22 Alkali- und Erdalkalimetalle im Wein ....................................................... 1325 Literatur ........................................................................................................................................ 1365.1 Literatur zum Praktikumsbuch .............................................................................................. 136


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1 Die Autoren

Claudia Eith

Chemiestudium an der Fachhochschule Aalen, Praxissemester im Bereich der Trinkwasser undAbwasseranalytik in Adelaide (Australien), seit 2000 im Bereich Forschung & Entwicklung derMetrohm AG.

Maximilian Kolb

Chemiestudium an der Technischen Universitt Mnchen, Promotion auf dem Gebiet der homogenenKatalyse, danach fr 5 Jahre Leiter des Sachgebiets Gewssergte am WasserwirtschaftsamtTraunstein. Seit 1982 Professor an der Fachhochschule Aalen; Arbeitsgebiete: Umwelttechnik,Umweltanalytik und Chemometrie.

Andreas Seubert

Chemiestudium an der Universitt Hannover, Promotion 1990: Ultraspurenanalytik in hochreinenRefraktrmetallen mit ionenchromatographischer Spuren-Matrix-Trennung. Habilitation 1995:Einsatzgebiete der On-line Kopplung HPLC-Atomspektrometrie in der Elementanalytik, 1998 bis2000 Vertretungsprofessur fr Analytische Chemie an der Universitt Gh Kassel, seit Mrz 2000Professur fr Analytische Chemie an der Philipps-Universitt Marburg.

Kai Henning Viehweger

Studium der Chemie an der Universitt Hamburg, Diplomarbeit in organischer Analytik. Promotion imBereich der marinen und stuarinen kosystemforschung, seit 1996 im Bereich Marketing derMetrohm AG International Sales Manager Ionenchromatographie.


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2 EinfhrungEs ist immer eine Herausforderung, Einblick in Dinge zu nehmen, die sich nicht direkt offenbaren. DieGrnde hierfr reichen von einfacher Neugier bis zur schlichten Notwendigkeit zu berleben. Es gibtviele Mglichkeiten hinter die Kulissen zu schauen. Die einfachste ist, sich der menschlichen Sinne zubedienen: hren, fhlen, riechen, schmecken und sehen. Die Alchemie hat sich dieser menschlichen

Sinne frher gerne bedient. Deshalb schmecken Suren heute sauer und Brom hat seinen Namen vonbromos, griechisch fr stinken. Chrom zeigt sich dem Auge farbig, da chroma sprachgeschicht-lich gleich Farbe ist. Gefhlsbetont wird die Alchemie mit Schimpfwrtern wie Du Nickel und Koboldbzw. Kobalt. Beide haben die Eisenherstellung unsere Vorfahren empfindlich gestrt.

Viele einzelne Dinge zeigen sich nicht direkt. Sie sind gut gemischt oder die menschliche Sensorikreicht nicht aus, sie zu identifizieren. Dies ist der Moment an dem die Analytik ins Spiel kommt. Siekann aus einer undefinierten Gemengelage heraus przise Informationen extrahieren, die mit denmenschlichen Sinnen zu verstehen sind.

Obwohl der Organismus voll davon ist, zeigen sie sich den menschlichen Sinnen nicht direkt. Gemeintsind Ionen, jene geladenen Atome oder Molekle, die integraler Bestandteil fast aller lebender undtoter Materie sind. Ionen sind dafr verantwortlich, dass die Nerven Informationen weiterleiten, dassdie Verdauung funktioniert, dass der Blutdruck stimmt und genug Sauerstoff ins Blut gelangt. Ionenbringen das Salz ins Meer, sie regeln den Durst und ionische Bestandteile dienen als Nahrung fr alleLebewesen von der Bakterie bis zum Menschen.

Das Wissen um Art und Menge von Ionen, die sich in Umwelt befinden, hilft biochemische undkologische Zusammenhnge zu verstehen. Die Kenntnis der Ionenkonzentrationen in Lebensmittelngibt Hinweise darauf, ob diese gesund oder vielleicht schdlich sind.

Es gibt viele Mglichkeiten, Ionen qualitativ nach ihrer Art und quantitativ nach ihrer Menge zubestimmen. Beide Informationen sind wichtig. Ein Verfahren, um an diese Information zu gelangen istdie Ionenchromatographie. Chromatographie heisst eigentlich Schreiben mit Farbe. In dertraditionellen Analytik bedeutet dies, Substanzen nach ihrer Farbe zu trennen und nachher mit demAuge zu bestimmen. Obwohl sich nicht alle Ionen durch sichtbare Farbe auszeichnen, ist der Begriffgeblieben, nur werden heute andere Verfahren zur Bestimmung eingesetzt.

Die Ionenchromatographie ist ein Mitglied in der grossen Familie dieser chromatographischenVerfahren. Mit ihr lassen sich sehr vereinfacht dargestellt alle Ionen bestimmen, die ein bzw. zweiLadungen tragen. War die Ionenchromatographie oder IC in der Vergangenheit ein sehr teuresVerfahren, so ist sie heute wesentlich preiswerter geworden. Sie entwickelt sich deshalb zu einemuniversellen und leistungsfhigen analytischen Werkzeug, das leicht zu verwenden ist.

Das Praktikum der Ionenchromatographie zeigt, dass die IC keine abgehobene analytische Spielartist, sondern auf ganz alltgliche Fragen schnell Antworten geben kann: Ist das Trinkwasser fr dieSuglingsernhrung geeignet? Wie viel Nitrat ist im Spinat? Warum verkalkt die Waschmaschine?Belastet das Abwasser die Umwelt? Da eine genaue analytische Praxis ohne theoretischenHintergrund nur schwerlich mglich ist, enthlt die vorliegende Monographie auch hierzu detaillierteInformationen in einem eigenen theoretischen Teil.

Mit dem Praktikum der Ionenchromatographie ist es mglich, nicht nur die Grundzge der IC

kennen zu lernen. Es dient auch dazu, einen generellen Einblick in die generellen Prinzipien derChromatographie zu geben. Und die Chromatgraphie leistet vieles: sie stillt naturwissenschaftlicheNeugier und sie sichert das gesunde berleben in einer belasteten Umwelt.


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3 Theoretischer Teil

3.1 Historie und Bedeutung der IonenchromatographieDie Anfnge der Ionenchromatographie (IC) oder genauer gesagt der

Ionenaustauschchromatographie reichen bis in die Mitte des vorigen Jahrhunderts zurck. In denJahren von 1935 bis 1950 wurde das Wissen um Ionenaustauscher und deren Anwendung durch dasManhattan-Project erheblich erweitert. Die 50er und 60er Jahre dienten der Erarbeitung vontheoretischen Modellen zum Verstndnis des Ionenaustauschs und der darauf basierendenIonenchromatographie. In den 70er Jahren wurden kontinuierliche Detektoren eingesetzt und damitder Schritt von der Niederdruck- zur Hochleistungschromatographie vollzogen.

Tabelle 1 Geschichte des Ionenaustausches und der darauf basierenden Ionenchromatographie

um 1850 Ackerbden als Ionenaustauscher fr Mg2+,Ca2+und NH4

+Thomson u. Way

1935 Sulfonierter u. aminierter Kondensations-polymere (Phenol/Formaldehyd)

Adams, Holmes

1942 Sulfonierte PS/DVB-Harze alsKationenaustauscher (Manhattan-Projekt)

dAlelio

1947 Aminierte PS/DVB-Harze alsAnionenaustauscher

McBurney

1953 Ionenausschlusschromatographie Wheaton, Baumann

1957 Makroporse Ionenaustauscher Corte, Meyer, Kunin u.a.

1959 Grundlagen fr das theoretische Verstndnis Helfferich

1967-70 Pellikulare Ionenaustauscher Horvath, Kirkland

1975 Ionenaustauschchromatographie mitLeitfhigkeitsdetektion mittels Stripper

Small, Stevens,Baumann

1979 Leitfhigkeitsdetektion ohne Stripper Gjerde, Fritz,Schmuckler

1976-80 Ionenpaarchromatographie Waters, Bidlingmeier,Horvath u.a.

Der Begriff der Ionenchromatographie wurde im Jahre 1975 mit der Einfhrung derLeitfhigkeitsdetektion kombiniert mit einer chemischen Leitfhigkeitsreduzierung durch Small,Stevens und Bauman entwickelt und danach lange Zeit als Handelsname fr Vermarktungszweckeeingesetzt. Mittlerweile hat sich der abkrzende Begriff Ionenchromatographie als Oberbegriff fr die

Methoden Ionenaustausch- , Ionenausschluss- und Ionenpaar-Chromatographie innerhalb derHochleistungsflssigchromatographie (HPLC) etabliert [1]. Gerade im Bereich derAnionenbestimmung nimmt die IC heute die dominierende Stellung ein, whrend die zur Bestimmungvon bevorzugt kationisch vorliegenden Elementen gebruchlichen atomspektrometrischen Verfahrenbei den elektronegativen Anionenbildnern der fnften bis siebten Hauptgruppe des Periodensystemsnur eine eingeschrnkte Leistungsfhigkeit besitzen.

Das wichtigste Einsatzgebiet der Anionenchromatographie stellt heute die routinemigeUntersuchung wssriger Systeme dar, in der die Trinkwasseranalytik eine zentrale Bedeutung besitzt[2,3,4]. Daneben wird die IC fr die Elementspeziesanalyse von anionisch auftretenden Elementenoder Komplexen eingesetzt, wobei berwiegend umweltrelevante Fragestellungen bearbeitet werden.Das dritte grosse Anwendungsgebiet der Anionenchromatographie ist die Ultraspurenanalytik inhochreinen Prozesschemikalien, wie sie vor allem in der Halbleiterindustrie bentigt werden.

blicherweise bestehen Anionenaustauscher fr die HPLC heute aus sphrischen Polymerpartikelnmit einem Durchmesser von etwa 5 bis 15 m. Auf die Polymeroberflche werden mit Hilfeunterschiedlicher Verfahren sogenannte Ankergruppen aufgebracht, die als Abstandhalter (Spacer)

HPLC

LC


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zwischen dem Basispolymer und den eigentlichen funktionellen Gruppen dienen. Diese bestehen imRegelfall aus quartren Ammonium-Ionen, welche an den Ankergruppen chemisch fixiert sind. DieGesamtzahl der funktionellen Gruppen wird als Austauschkapazitt bezeichnet und stellt allgemein einzentrales Charakteristikum von Ionenaustauschern dar.

Kommerzielle Packungsmaterialien fr die Anionenchromatographie sind mit Austauschkapazittenzwischen 50 und 100 Mol pro Trennsule von niederkapazitiver Natur. Dies ist in der dominierenden

Anwendung der fr Ionen universell einsetzbaren Leitfhigkeitsdetektion (LF) begrndet, weil eineempfindliche Detektion der Analyten eine mglichst geringe Eigenleitfhigkeit der verwendetenElutionssysteme erfordert. Bei niederkapazitiven Anionenaustauschern gengen dafr in der Regelsehr verdnnte wrige Lsungen von NaOH oder Carbonat-Puffern, deren Eigenleitfhigkeit zudemnoch chemisch unterdrckt (suppressiert) werden kann [2,4].

Heute werden in der Anionenchromatographie grsstenteils funktionelle Gruppen vom Typ I(Trimethylammonium, TMA) und Typ II (Dimethylethanolammonium, DMEA) verwendet. Da dieeigentliche Wechselwirkung zwischen der stationren Phase und den Analyt-Anionen an denfunktionellen Gruppen stattfindet, hat deren Struktur einen entscheidenden Einflu auf dasSelektivittsverhalten der Packungsmaterialien. Nach den bisherigen Erkenntnissen ist dabeiinsbesondere die Polaritt der funktionellen Gruppen, die durch die Zahl der Hydroxyethylreste (-CH2CH2OH) am quartren Stickstoff gesteuert werden kann, von Bedeutung [2,4].

Der Begriff Ionenchromatographie umfasst alle Trennungen ionischer Spezies innerhalb der HPLCmit online-Detektion und ist somit von apparativen Limitierungen weitgehend befreit [5]. Die IC hat sichwegen der mittlerweile vielfltigen Auswahl an Trennsulen, Elutionssystemen und Detektoren vorallem in der Anionen-Analytik zur Methode der Wahl entwickelt. Grund hierfr ist, dass fr Anionen nurwenige Trennungsgnge existieren, die in der Praxis kaum sinnvoll zu verwenden sind.Gravimetrische und volumetrische Verfahren sind durch ihre Empfindlichkeit und ihre Selektivittlimitiert. Auch die strmische Entwicklung der Gaschromatographie ab 1965 brachte fr Anionen keinegrossen Vorteile, da die nichtflchtigen Ionen zunchst derivatisiert werden mssen und dieEmpfindlichkeit nicht den heutigen Anforderungen an die Spurenanalytik gerecht wird [6]. Fr dieKationenanalytik existieren leistungsfhige atomspektrometrische Alternativen zur IC, z.B. die ICP-AES/MS, so dass der Stellenwert der Kationenchromatographie verglichen zurAnionenchromatographie wesentlich geringer ist. Im Bereich der Analytik der Alkali- undErdalkalimetalle sowie bei der Bestimmung von Ammonium-Stickstoff (Trinkwasseranalytik) hat dieKationenchromatographie aber eine gewisse Bedeutung. Bei der Speziierung von ionischenVerbindungen ist die IC in Verbindung mit elementspezifischen Detektoren unverzichtbar. Einen gutenberblick ber die Anwendungen der IC in den verschiedensten Bereichen der Analytik geben dieWerke von Haddad et al. und Weiss [2,4].

3.2 Grundlagen der Chromatographie

3.2.1 Einteilung und Begriffe der Chromatographie

Die Chromatographie ist ein physikalisch-chemisches Verfahren zur Trennung vonSubstanzgemischen. Der Trenneffekt beruht auf einer wiederholten Verteilung zwischen zwei Phasen,von denen eine Phase als stationr (ruhend) betrachtet wird, whrend die zweite, mobile Phase sich in

einer bestimmten Richtung bewegt [7,8]. Nach dem Aggregatzustand der beiden beteiligten Phasenwerden chromatographische Techniken eingeteilt in:

flssig gasfrmig

fest LSC GSC

flssig LLC GLC

mobile Phase

stationrePhase

Abbi ldung 1 Einteilung chromatographischer Methoden nach Aufbau von stationrer und mobilerPhase


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Eine weitere Unterscheidung chromatographischer Verfahren kann nach den grundlegendenVorgngen whrend des Trennvorganges, wie etwa Adsorption oder Verteilung, bzw. nach der Art derAusfhrungstechnik (Sulen- oder Planarchromatographie) erfolgen [9].

Retentionsparameter

Betrachtet man ein Stoffgemisch und unterwirft dieses einer chromatographischen Trennung, so wirdsich fr jede Komponente ein Verteilungsgleichgewicht zwischen mobiler und stationrer Phaseausbilden. Eine Stofftrennung ist nur dann erfolgreich, wenn sich die Verteilungskoeffizienten DderKomponenten hinreichend voneinander unterscheiden. D ist definiert als das Verhltnis derKonzentrationen eines Stoffes A in der stationren (Index S) und der mobilen Phase (Index M):

M

SA

[A]

[A]D = (1)

Dementsprechend werden Stoffe mit einem hohen Verteilungskoeffizienten D strker zurckgehalten(retardiert) als solche mit einem kleinen D. Der Vorgang der chromatographischen Trennung wird inForm eines Chromatogrammes dargestellt, welches die Aufzeichnung eines Detektorsignals als

Funktion des Elutionsvolumens der mobilen Phase oder der Zeit darstellt. Somit entspricht es einemKonzentrations- oder Massenprofil als Funktion der Zeit. Das Detektorsignal soll dabei proportional zurKonzentration eines Analyten am Ende der Trennstrecke sein [8]. Die Verweil- oderBruttoretentionszeit tR eines Stoffes auf der stationren Phase setzt sich, wie in Gleichung 2dargestellt, additiv aus derNettoretentionszeit tS, welche dem realen Aufenthalt auf der Trennstreckeentspricht, und der Durchflusszeit der mobilen Phase ohne Wechselwirkung, der Totzeit tM,zusammen.

MSR ttt += (2)

Aufgrund von Kanalbildungen, Diffusionsprozessen oder Unregelmssigkeiten in derGleichgewichtseinstellung zwischen mobiler und stationren Phase knnen einige Teilchen diestationre Phase aber langsamer oder schneller passieren als nach der Nettoretentionszeit t

S zu

erwarten wre. Ein Chromatogramm besteht daher nicht aus unendlich schmalen Signalen, sondernim Idealfall aus gaussfrmigen Peaks (Abbildung 2).

Signal

Zeit oder Volumen

Hhe

t0

Analyt 1

Analyt 2

tR,2

tR,2

wa b

Tailing

Auflsung

Flche

t0 Totzeit

tR,n Retentionszeit Analyt n

tR = tR t0 Nettoretentionszeit

k = tR/ t0 Retentionsfaktor

T = b/a Tailingfaktor

R = tR/ w Auflsung

= k1/ k2 Selektivitt

Abbi ldung 2 Elutionschromatogramm einer ionenchromatographischen Trennung mit Skizzierungder wichtigsten Kenngrssen


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Durch Diffusionsprozesse, die mit zunehmender Verweilzeit auf der stationren Phase an Einflussgewinnen, beobachtet man eine mit der Retentionszeit einer Substanz zunehmendeBandenverbreiterung. Dieses Phnomen ist fr alle chromatographischen Verfahren charakteristisch.

Wie bereits erwhnt, stellt ein Peak in einem Chromatogramm idealerweise eine Gaussverteilung dar.Abbildung 3 zeigt schematisch eine Gaussverteilung.

Abbi ldung 3 Gaussverteilung mit den wichtigsten Kenngrssen

Die Breite bei halber Hhe wird als Halbwertsbreite b0,5bezeichnet und entspricht der 2,354-fachenVarianz der Verteilung. Die Basisbreite w ist definiert durch die Differenz der Schnittpunkte derWendetangenten mit der y-Achse, gleichbedeutend der 4-fachen Varianz der Gauss-Funktion. Beide

Grssen sind ein Mass fr die Leistungsfhigkeit einer chromatographischen Trennsule und knnenbei idealer Peakform zur Berechnung der Bodenzahlen herangezogen werden.

Abweichungen von der idealen Peakform lassen sich durch einen sogenannten Asymmetriefaktor Tbeschreiben. Er ist definiert als das Verhltnis der Strecken A und B zwischen der Mittelsenkrechtenund den Flanken der Verteilung bei 10 % ihrer Hhe (Abbildungen 2 und 3) und berechnet sich zu:

A

BT= . (3)

Fr Gauss-Peaks ist T = 1. Abweichungen zu grsseren T-Werten werden als Tailing, zu kleineren alsFronting bezeichnet. In der Praxis strebt man Symmetriefaktoren von T = 0,9 bis 1,1 an.

Retentionsfaktor, Selektivitt und Auflsung

Da die Bruttoretentionszeit tR massgeblich von den chromatographischen Bedingungen abhngt, istsie nur unter definierten Bedingungen fr eine Substanz charakteristisch und damit zur qualitativenIdentifizierung geeignet. Man fhrt daher eine dimensionslose Grsse ein, den Retentionsfaktor k,welcher den Vergleich verschiedener chromatographischer Systeme erlaubt. Er gibt an, wieviel lngersich eine Substanz auf der Trennstrecke aufhlt als in der mobilen Phase [8]. Mathematisch ist derRetentionsfaktor definiert als Produkt des Verteilungskoeffizienten D und demPhasenvolumenverhltnis von mobiler und stationrer Phase bzw. als das Verhltnis vonNettoretentionszeit zur Totzeit. Auch mglich ist eine Berechnung ber die Lnge der Trennstrecke Lund der Geschwindigkeit der mobilen Phase u (Gleichung 4).

1-Ltutt=VVD=k'R

M

S

M

S = (4)


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Bei kleinen Werten von k eluiert eine Substanz nahe an der Totzeit bzw. am Totvolumen deschromatographischen Systems, was gleichbedeutend mit einer schlechten Trennung ist. Ist k sehrgross, bedeutet dies zwar eine gute Trennung, gleichzeitig aber auch eine hohe Verweilzeit auf derTrennstrecke und damit eine Peakverbreiterung. Im Realfall sollte der Retentionsfaktor zwischen 2und 5 liegen.

Zwei Stoffe werden nur dann ausreichend getrennt, wenn sich ihre Retentionsfaktoren hinreichend

voneinander unterscheiden. Der Selektivittskoeffizient , auch relativer Trennfaktor genannt, giltals Mass fr die Trennbarkeit zweier Substanzen und ist wie folgt definiert:

12

1

2

S1

S2

MR1

MR2k'k'mit

k'

k'=

t

t=

t-t

t-t= > (5)

Lassen sich zwei Substanzen nicht auftrennen, ist = 1 und es kommt zur Koelution. Je grsser ist,desto besser die Trennung. Allerdings vergrssert sich mit zunehmendem auch der Zeitaufwand frdie Trennung, so dass man in der Praxis Selektivittskoeffizienten von = 1,5 anstrebt [10].

Der Selektivittskoeffizient beschreibt nicht die Gte eines Trennvorganges. Die Auflsung R

(Resolution) bercksichtigt nicht nur die relativen Lagen der Peaks zueinander, sondern auch ihreHalbwertsbreiten (b0,5) bzw. die Basisbreiten (w), wie aus Gleichung 6 hervorgeht.

(0,5)21(0,5)

R1R2

21

R

2

)w-(w

R1R2

b-b

t-t1,198=

ww

t2=

t-t=R

21

(6)

Ist die Differenz der Retentionszeiten zweier Peaks gross im Verhltnis zu ihren Basis- oderHalbwertsbreiten, erhlt man eine hohe Auflsung. Unter Voraussetzung einer idealen Peaksymmetrieknnen zwei Stoffe bei R = 0,5 noch identifiziert werden. Fr qualitative Trennungen sollte R = 1betragen (4-Trennung), fr eine Quantifizierung strebt man eine Auflsung von R = 1,2 bis 1,5 an[25]. Auflsungen von R 2 (8-Trennung) sind aufgrund der damit verbundenen langenAnalysezeiten nicht erwnscht.

3.2.2 Theoretische Konzepte zur Beschreibung der Chromatographie

Das Modell der theoretische Trennstufen

Das dem Destillationsprozess entstammende Modell der theoretischen Trennstufen dient derBeschreibung chromatographischer Trennungen [11]. Es unterteilt die stationre Phase in einzelneAbschnitte, den theoretischen Trennstufen oder Bden, auf denen prinzipiell genau einmal eine vlligreversible und unendlich schnelle Gleichgewichtseinstellung zwischen mobiler und stationrer Phaseerfolgt. Die Leistungsfhigkeit (Effizienz) eines chromatographischen Systems wird daher durch einemglichst hohe Anzahl theoretischer Trennstufen charakterisiert.

Die theoretische Trennstufenzahl N kann unter Verwendung der Varianz sowie der Basis- und

Halbwertsbreiten direkt aus einem Chromatogramm ermittelt werden und berechnet sich wie folgt [12]:

2

R

2

0,5

R

2

R t=b

t(2)ln8=

w

t16=N

(7)

Anstelle der Trennstufenzahl kann auch die Trennstufenhhe HETP (Height Equivalent to aTheoretical Plate) zur Beschreibung der Trennleistung herangezogen werden.

2

R

2

R

0,52

w

t

16

L=

t

b

(2)ln8

L=

L=

N

LHETP

=

(8)

Aus den Gleichungen 5 ... 8 lsst sich ableiten, dass eine stationre Phase mit einer sehr grossenZahl an theoretischen Trennstufen auch dann noch Substanzen voneinander separieren kann, wennderen Selektivittskoeffizienten oder Auflsung sich kaum voneinander unterscheiden. Die


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Gleichungen erlauben ebenso die Berechnung der Zahl an theoretischen Bden, die zur Bewltigungeines Trennproblems zwingend notwendig ist.

Das Modell der theoretischen Trennstufen kann zur Erklrung des Auftretens gaussfrmiger Signale inder Chromatographie herangezogen werden, wenn man zugrunde legt, dass es aufgrund vonStrmungs- und Diffusionsprozessen nur zu einer endlich schnellen und unvollstndigenGleichgewichtseinstellung zwischen mobiler und stationrer Phase kommt. Daraus resultiert eine

Bandenverbreiterung, da eine am Anfang der Trennstrecke schmale Substanzzone mit zunehmenderVerweilzeit auf der stationren Phase deutlich auseinandergezogen wird.

Die Berechnung der theoretischen Trennstufenzahl gemss Gleichung 7 setzt eine ideale Peakformvoraus, welche aber im Realfall nur sehr selten gegeben ist. Bei asymmetrischen Peakformen mussdie Berechnung ber die Momentenmethode erfolgen [13]. Gleichung 9 ergibt unter Einbeziehung desSymmetriefaktors nherungsweise sinnvolle Werte.

1,25+T

b

t

41,7=N

2

0,5

R

(9)

Eine effektive Trennstufenzahl n, welche der realen Trennleistung nher kommt als die theoretischeTrennstufenzahl N, ist um den Retentionsfaktor k korrigiert und berechnet sich zu:

2

k'+1

k'N=n

(10)

Die dynamische Theorie (Van-Deemter-Theorie)

Die entscheidende Schwche des Modells der theoretischen Trennstufen besteht insbesondere darin,dass der Destillation und der Chromatographie zwei grundlegend verschiedene physikalisch-chemische Prozesse zugrunde liegen. Ausserdem werden keine Annahmen ber den Einflusswichtiger experimentell zugnglicher Parameter gemacht, die nicht die Art oder Qualitt derstationren Phase selbst betreffen [14,15]. Dies knnen sein:

Flussrate der mobilen Phase Partikeldurchmesser in der stationren Phase Schichtdicke von Oberflchenfilmen auf dem Packungsmaterial

Daneben haben auch Grssen wie die Diffusionskoeffizienten in der mobilen und stationren Phase,die Temperatur oder das Detektorvolumen in der Flssigchromatographie eine grosse Bedeutung frdie Trennleistung.

Die von van Deemter entwickelte dynamische Theorie stellt im Prinzip eine Erweiterung destheoretischen Trennstufenmodells unter Einbeziehung von nichtidealen Randbedingungen dar [16].Folgende Annahmen werden gemacht:

Keine spontane und ungehemmte Einstellung von Gleichgewichten Verzgerter Massentransport in der stationren und mobilen Phase Keine ber den Sulenquerschnitt homogene Geschwindigkeit der mobilen Phase Auftreten von Streudiffusion und Ausbildung von Kanlen in der stationren Phase Longitudinaldiffusion unabhngig von der Geschwindigkeit der mobilen Phase und direkt

proportional zur Verweilzeit auf der Trennstrecke

Der Zusammenhang zwischen den genannten dynamischen Effekten und der theoretischenTrennstufenhhe wird durch die Van-Deemter-Gleichung hergestellt.

uCu

BAHETP ++= (11)

Die drei Terme A, B und C hngen dabei in unterschiedlicher Weise von der

Strmungsgeschwindigkeit u der mobilen Phase ab. Die Terme A und B beschreiben den gesamtenMassentransport durch die stationre Phase, whrend der Term C durch Strungen bei derGleichgewichtseinstellung zwischen mobiler und stationrer Phase bestimmt wird.


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Durch den Term A wird die Streudiffusion (Eddy-Diffusion) beschrieben, welche aufgrund einesMehrwege-Effektes als eine Ursache fr die Bandenverbreiterung anzusehen ist. Dieser auchPackungsfaktor genannte Term ist von der linearen Geschwindigkeit u der mobilen Phase zumindestin erster Nherung unabhngig. Fr den Term A gilt folgende Beziehung:

pd2A = (12)

In Gleichung (12) ist dpder mittlere Teilchendurchmesser in der stationren Phase, kennzeichnet diestatistische Unregelmssigkeit der Packung, welche mglichst homogen sein und aus uniformenTeilchen bestehen sollte.

Der Term Bbeschreibt die Longitudinaldiffusion in oder entgegen der Strmungsrichtung der mobilenPhase. Er ist insbesondere bei Verwendung von Kapillarsulen in der Gaschromatographie (GC) vonBedeutung, da die Diffusionskoeffizienten in Gasen um 4 bis 5 Dekaden grsser sind als inFlssigkeiten. B berechnet sich als Produkt aus dem Diffusionskoeffizienten in der mobilen Phase D Mund dem Labyrinthfaktor , welcher die Porositt der stationren Phase beschreibt.

MD2B = (13)

Da die Bedeutung der Diffusion mit zunehmender Strmungsgeschwindigkeit der mobilen Phaseabnimmt, ist B umgekehrt proportional zu u.

Der Term C wird als Massenbergangsterm bezeichnet. Der verzgerte Massentransfer zwischenmobiler und stationrer Phase hat zumeist den grssten Anteil an der Bandenverbreiterung. DieStrungen in der Gleichgewichtseinstellung zwischen mobiler und stationrer Phase werden mitzunehmendem u grsser, weshalb sich eine direkte Proportionalitt zur linearen Fliessgeschwindigkeitergibt. Die Verzgerungen im Massentransfer resultieren aus den im Vergleich zur mobilen Phasesehr kleinen Diffusionskoeffizienten DSin der stationren Phase, weshalb Teilchen, die sich gerade inden Poren der stationren Phase aufhalten, hinter dem Peakmaximum, welches sich mit der mobilenPhase weiterbewegt, zurckbleiben. Durch kurze Diffusionswege und schnelle Austauschvorgngelsst sich der Term C deutlich verringern. Dies kann ber eine Lokalisierung der Poren vor allem ander Oberflche erfolgen, die so nur wenig in das Innere der stationren Phase hineinreichen. DerMassenbergangsterm C berechnet sich wie folgt:

( ) S

2

D

dp

k'+1

k'16=C

(14)

Die graphische Darstellung der Van-Deemter-Gleichung ergibt eine hyperbelartige Kurve, in derenMinimum sich die Fliessgeschwindigkeit u fr die minimale Bodenhhe (maximale Trennstufenzahl)bestimmen lsst (Abbildung 4).

Abbi ldung 4 Darstellung der Einzelterme aus der van-Deemter Theorie mit der resultierenden Van-Deemter-Kurve mit Optimum der Fliessgeschwindigkeit

Auch die dynamische Theorie geht letztendlich von idealisierten Voraussetzungen aus. Im Realfallsind die drei Terme A, B und C nur in erster Nherung unabhngig voneinander, wobei es zustzlicheinen Einfluss der Fliessgeschwindigkeit u auf die Streudiffusion (Term A) gibt. Der Term C lsst sich


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in die Terme CMund CS differenzieren, die den Massentransfer in der mobilen Phase (C M) bzw. zurstationren Phase und zurck beschreiben (CS). Daher ist die ursprngliche Van-Deemter-Gleichungin zahlreichen Anwendungsfllen fr die HPLC, GC und die TLC modifiziert worden [17,18].

Moderne Flssigchromatographie (LC)

Die Flssigkeitschromatographie LC (Liquid Chromatography) ist als Oberbegriff fr zahlreichemoderne flssigchromatographische Trennverfahren zu betrachten. Sie lsst sich auf dieverschiedensten Substanzklassen anwenden und zeichnet sich durch eine exzellente analytischeLeistungsfhigkeit aus. Die Ionenchromatographie (IC) ist ein Bestandteil der LC, welche die wohl zurZeit wichtigste Trennmethode in der modernen Analytischen Chemie darstellt [3].

Die HPLC stellt eine konsequente Weiterentwicklung der klassischen Flssigkeitschromatographie(Liquid Chromatography, LC) dar. In der klassischen LC, von Tswett im Jahre 1906 eingefhrt, wurdenGlasssulen mit 1 bis 5 cm Durchmesser und einer Lnge von bis zu 500 cm verwendet, die mitTrennphasen von 150 bis 200 m Partikelgrsse gefllt waren. Trennungen auch einfacherStoffgemische dauerten bei mssiger Trennleistung oft mehrere Stunden. Aufgrund des in derFolgezeit entwickelten Verstndnisses der Chromatographie (Gleichung 11) wurde deutlich, dass eineLeistungssteigerung nur durch eine drastische Verringerung des Partikeldurchmessers in derstationren Phase mglich war, was allerdings vllig neue Anforderungen an das chromatographische

Equipment stellte.

Seit etwa 1970 steht eine spezielle und leistungsfhige Gertetechnik zur Verfgung, die in der Lageist, die hohen Gegendrcke von 10 bis 50 MPa zu bewltigen, welche bei Verwendung vonPackungsmaterialien mit einem Durchmesser von 3 bis 10 m und Trennsulen von 125 bis 250 x 4mm ID auftreten knnen.

Die HPLC hat sich aufgrund der drastischen Miniaturisierung zu einer rein analytischen Trennmethodeentwickelt, wohingegen die klassische LC heute praktisch nur noch fr prparative Zweckeangewendet wird. Die Vorteile der HPLC gegenber der klassische LC sind dabei vor allem:

Exzellente chromatographische Effizienz Kontinuierliche Arbeitsweise Online-Detektion der getrennten Substanzen

Hohe Empfindlichkeit und Reproduzierbarkeit Nutzung der Retentionszeit zur qualitativen Identifizierung von Stoffen Kurze Analysenzeiten

Ein HPLC-System besteht unabhngig vom Einsatzgebiet im wesentlichen aus den in der Abbildung 5dargestellten Komponenten der Hochleistungspumpe mit Vorrat fr die mobile Phase (Eluent), Injektor(Probenaufgabe), Trennsule und Detektionssystem (inklusive Derivatisierung, Datenaufnahme und -verarbeitung):

Abbi ldung 5 Aufbau einer HPLC- bzw. IC-Anlage mit den wichtigsten Komponenten

Die Pumpe ist neben der Trennsule das Kernstck eines jeden HPLC-Systems. Sie muss in der Lage

sein, den Eluenten mglichst konstant und pulsationsfrei auch gegen hohe Staudrcke zu frdern.Diese machen auch die Verwendung eines speziellen Schleifen-Injektors zur Probenaufgabenotwendig. blich ist ein 6-Wege-Ventil, das in der Lage ist, die Probe unter Normaldruck in einerSchleife mit definiertem Volumen aufzunehmen und in das unter hohem Druck stehende HPLC-


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System zu berfhren. Die Zusammensetzung der mobilen Phase muss wie die Art der Trennsule andie analytische Fragestellung angepasst werden. Dies trifft ebenso auf die Auswahl desDetektionssystems zu. Die Datenaufnahme und -verarbeitung erfolgt heute ausschliesslichcomputergesteuert. Je nach Problemstellung lsst sich dieser grundlegende Aufbau einer HPLC-Apparatur nahezu beliebig erweitern.

Trennprinzipien in der LCDie HPLC lsst sich anhand der verschiedenen physikalisch-chemischen Wechselwirkungen zwischenden Substanzen in einer Probe und der stationren Phase differenzieren. Obwohl im Realfall meistmehrere Mechanismen fr eine erfolgreiche Trennung verantwortlich sind [9], ist eine grobeKlassifizierung nach den folgenden Trennmechanismen mglich:

Adsorption Verteilung Grssenausschluss Affinitt Ionenaustausch Ionenpaarbildung

IonenausschlussDie Adsorptionschromatographie ist definiert durch Grenzflchenreaktionen, bei denen flssigeoder gasfrmige Stoffe an einer festen Phase angereichert werden. Zur qualitativen und quantitativenBeschreibung von Adsorptionsprozessen existieren verschieden Modelle, wobei an dieser Stelle aufdie einschlgige Literatur der Physikalischen Chemie verwiesen sei [19]. In der Anwendung lassensich zwei Ausfhrungstechniken unterscheiden. Bei der Normalphasen-Chromatographie ist diestationre Phase meist ein Silicagel und damit wesentlich polarer als das Laufmittel(Kohlenwasserstoffe). In der Umkehrphasenchromatographie (Reversed-Phase) sind die Verhltnissegenau entgegengesetzt. Aus praktischen Grnden, welche vor allem die Handhabung der Eluentenbetreffen, wird heute fast nur noch die RPC eingesetzt [3,9].

Bei der Verteilungschromatographie ist die stationre Phase eine mit der mobilen Phase nichtmischbare Flssigkeit. Die Trennung beruht auf den unterschiedlichen Lslichkeiten der Analyten in

beiden Phasen. Dabei gilt im Idealfall das Nernstsche Verteilungsgesetz. Dieser Trennmechanismusspielt vor allem in der Gaschromatographie eine bedeutende Rolle, wenn mit Trennflssigkeitenbeschichtete Kapillaren als stationre Phasen verwendet werden. Verteilungschromatographie kannauch in der HPLC vorliegen, wenn mit unpolaren Kohlenwasserstoffen modifizierte Silicagele, z.B.sogenannte Octadecyl-Phasen, als Trennmaterialien zum Einsatz kommen.

Die Grssenausschlusschromatographie, auch Size-Exclusion-Chromatography (SEC) genannt,ermglicht eine Trennung nach der Moleklgrsse aufgrund von Siebeffekten. Als stationre Phasenwerden Silicagele oder organische Polymerharze mit definierter Porenstruktur verwendet. KleinereAnalyten knnen in die Poren diffundieren und werden retardiert. Mit zunehmender Moleklgrssewird eine Wechselwirkung mit den Poren immer unwahrscheinlicher, bis ab einer bestimmten GrsseMolekle ganz ausgeschlossen werden und praktisch im Totvolumen eluieren. Die SEC findet vorallem in der Polymer- und Bioanalytik breite Anwendung.

Die Affinittschromatographie ermglicht die Trennung von Stoffgemischen durch selektive oderspezifische Wechselwirkungskrfte. Vor allem bei Enzymen und ihren Substraten beobachtet manhochspezifische Wechselwirkungen, ebenso zwischen Antikrpern und Antigenen (Schlssel-Schloss-Prinzip). In der Praxis werden Enzyme oder Antikrper auf einer stationren Phase chemischimmobilisiert. Befindet sich nun ein entsprechendes Substrat oder Antigen in der Probe, so wird diesesmit extremer Selektivitt retardiert. Daher ist die Bioaffinittschromatographie im Bereich derWirkstoffanalytik (Pharmakologie) ein unverzichtbares Verfahren.

Die Ionenaustauschchromatographie (IC) wird ebenso wie die Ionenpaar- undIonenausschlusschromatographieim folgenden Kapitel ausfhrlich behandelt.

3.3 Grundlagen der Ionenchromatographie (IC)

3.3.1 Terminologie und Einordnung in die LC

Die Ionenaustausch- oder Ionenchromatographie (IC) stellt eine Untergruppe der HPLC dar. LautIUPAC ist die Ionenaustauschchromatographie wie folgt definiert [7,8]:


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Bei der Ionenaustauschchromatographie beruht die Trennung auf Unterschieden in denIonenaustauschaffinitten der einzelnen Analyten. Wenn anorganische Ionen getrennt und mitLeitfhigkeitsdetektoren oder durch indirekte UV-Detektion nachgewiesen werden, bezeichnet mandies auch als Ionenchromatographie.

Diese Definition ist aus verschiedenen Grnden unglcklich gewhlt. Die Detektionstechnik sollteunabhngig vom vorliegenden Trennmechanismus betrachtet werden. Ausserdem ist eine

Beschrnkung des Begriffes Ionenchromatographie auf anorganische Ionen nicht nachvollziehbar, dain der Praxis mit einem gegebenen System oft sowohl organische wie auch anorganische Ionengleichzeitig getrennt und identifiziert werden knnen.

Besser geeignet zur Definition der Ionenchromatographie ist eine ltere, allgemeinere Definition [20]:

Die Ionenchromatographie umfasst alle schnellen flssigkeitschromatographischenTrennungen von Ionen in Sulen in Online Kopplung mit Detektion und Quantifizierung ineinem Durchflussdetektor.

Diese Definition charakterisiert die Ionenchromatographie unabhngig von Trennmechanismus undDetektion, grenzt sie aber gleichzeitig vom klassischen Ionenaustausch ab. Als Trennprinzipien wirkenin der Ionenchromatographie:

Ionenaustausch Ionenpaarbildung Ionenausschluss

Chromatographische Methoden werden durch den berwiegend vorliegenden Trennmechanismusdefiniert. Die Ionenaustauschchromatographie wird dabei heute vereinfacht Ionenchromatographie(IC) genannt, wobei die Ionenpaarchromatographie (IPC) und Ionenausschlusschromatographie (IEC,Ion Exclusion Chromatography) als speziellere Anwendungen gelten.

3.3.2 Der Ionenaustausch

Die Ionenaustauschchromatographie (IC) beruht auf einer stchiometrisch verlaufenden chemischenReaktion zwischen Ionen in einer Lsung und einem blicherweise festen Stoff, der funktionelleGruppen trgt und Ionen aufgrund elektrostatischer Krfte fixieren kann. In der

Kationenchromatographie sind dies im einfachsten Fall Sulfonsuregruppen, in derAnionenchromatographie quarternre Ammoniumgruppen. Zwischen beiden Phasen knnen Ionengleichsinniger Ladung theoretisch vllig reversibel ausgetauscht werden. Der Prozess desIonenaustausches fhrt zu einem Gleichgewichtszustand. Auf welcher Seite dieses Gleichgewichtliegt, hngt von der Affinitt der beteiligten Ionen zu den funktionellen Gruppen der stationren Phaseab. Die Abbildung 6 zeigt schematisch die Austauschvorgnge fr Kationen und Anionen. Dabeiwerden die Analyt-Ionen mit A bezeichnet, die mit diesen um die Austauschpltze konkurrierendenEluent-Ionen mit E.

Abbi ldung 6 Schematische Darstellung des Ionenaustauschprozesses in der Ionenchromatogra-phie. Links: Kationenaustausch, rechts: Anionenaustausch

Thermodynamische Aspekte des IonenaustauschprozessesIonenaustauscher bestehen im Normalfall aus festen Phasen, an deren Oberflche ionische Gruppenfixiert sind. Aufgrund der Elektroneutralittsbedingung befindet sich immer ein entgegengesetzt


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geladenes Gegen-Ion in der Nhe der funktionellen Gruppe. Das Gegen-Ion stammt in der Regel ausdem Laufmittel und wird deshalb auch als Eluent-Ion bezeichnet.

Wird eine Probe aufgegeben, die zwei Analyt-Ionen A- und B- enthalten, so verdrngen diesekurzzeitig die Eluent-Ionen E-und werden an der fixierten Ladung zurckgehalten, bevor sie ihrerseitswieder durch das Eluent-Ion ausgetauscht werden. Fr die Anionenchromatographie ergeben sichdamit folgende reversiblen Gleichgewichte:

Harz - N+R3E- + A- Harz - N+R3A

- + E- (15)

Harz - N+R3E- + B- Harz - N+R3B

- + E- (16)

Durch die unterschiedlichen Affinitten von A-und B-zu den funktionellen Gruppen ist eine Trennungder Komponenten mglich. Die Gleichgewichtskonstante K wird auch Selektivittskoeffizient genanntund berechnet sich fr das Anion A-wie folgt:

MS

MS

3

3A

][A][E

][E][A

][A]ERN-[Harz

][E]ARN-[Harz=K

+

+

=

(17)

Unter der Voraussetzung, dass die Konzentration der Eluent-Ionen normalerweise um mehrereGrssenordnungen hher ist als die der Analyt-Ionen, kann [E-] in mobiler und stationrer Phase alskonstant betrachtet werden. Damit lassen sich der Verteilungskoeffizient DA (Gleichung 1) und derRetentionsfaktor kA (Gleichung 4) berechnen. Derartige Berechnungen sind aber strenggenommennur dann zulssig, wenn die Konzentrationen in Gleichung 17 den Aktivitten entsprechen, was nurbei unendlicher Verdnnung der Fall ist [19]. Die Aktivitten der Ionen in der stationren Phase sindprinzipiell nicht zugnglich [4]. Fr die am hufigsten eingesetzten Ionenaustauscher geringerKapazitt, die nur mit sehr verdnnten Elektrolyten als Laufmittel verwendet werden knnen, behilftman sich mit der Vernachlssigung der Aktivitten. Diese sehr grobe Nherung trifft frPackungsmaterialien mit hherer Kapazitt (> 200 mMol/g) und konzentriertere Eluenten nicht mehrzu, bei denen sich deutliche Abweichungen vom idealen Verhalten zeigen.

3.3.3 Die Ionenpaarbildung

Mit Hilfe der Ionenpaarchromatographie knnen die gleichen Analyten getrennt werden wie mit derIonenaustauschchromatographie, der Trennmechanismus ist jedoch ein vllig anderer. Als stationrePhasen werden die aus der Verteilungschromatographie bekannten, vllig unpolaren Reversed-Phase-Materialien verwendet. Dem Eluenten wird ein sogenanntes Ionenpaarreagenz zugefgt, dassaus anionischen oder kationischen Tenside wie Tetraalkylammonium-Salzen bzw. n-Alkylsulfonsurenbesteht. Die Ionenpaarreagenzien bilden mit Analyt-Ionen entgegengesetzter Ladung ein ungeladenesIonenpaar, welches an der stationren Phase durch hydrophobe Wechselwirkungen retardiert werdenkann. Aufgrund der Bildungskonstanten der Ionenpaare und ihrer unterschiedlich starken Adsorptionist eine Stofftrennung mglich. Abbildung 7 zeigt vereinfacht das statische Ionenaustausch-Modell, beidem angenommen wird, dass es erst nach Adsorption des Ionenpaarreagenzes an der stationren

Phase zu Wechselwirkungen mit den Analyten kommt.


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Abbi ldung 7 Schematische Darstellung des statischen Ionenaustausch-Modells in derIonenpaarchromatographie (IPC). Das Trennprinzip gilt sowohl fr Anionen als auch fr Kationen.

3.3.4 Der Ionenausschluss

Die Ionenausschlusschromatographie (IEC) dient vor allem zur Trennung von schwachen Suren oderBasen [2,4]. Den grssten Stellenwert besitzt die IEC bei der Analytik schwacher Suren wieCarbonsuren, Kohlenhydraten, Phenolen oder Aminosuren. Die Abbildung 8 zeigt das Trennprinzipder IEC am Beispiel einer Carbonsure R COOH.

Abbi ldung 8 Der Donnan-Ausschluss als Trennprinzip in der Ionenausschlusschromatographie(IEC)

Als Packungsmaterial wird in der IEC hufig ein vollstndig sulfonierter Kationenaustauscherverwendet, dessen Sulfonsuregruppen mit Protonen als Gegen-Ionen elektrisch neutral sind. Bei

wssrigen Eluenten sind die funktionellen Gruppen hydratisiert. Die Hydrathlle wird durch eine(gedachte) negativ geladene Membran (Donnan-Membran) begrenzt. Sie ist nur fr ungeladene, nichtdissoziierte Molekle wie Wasser passierbar. Organische Carbonsuren knnen getrennt werden,wenn starke Mineralsuren wie Salzsure als Laufmittel verwendet werden. Aufgrund der niedrigenSurekonstanten (pkS-Werte) der Carbonsuren liegen diese im stark sauren Eluenten nahezuvollstndig undissoziiert vor. Sie knnen die Donnan-Membran durchqueren und an der stationrenPhase adsorbieren, whrend die Chlorid-Ionen der vollstndig dissoziierten Salzsureausgeschlossen werden.

Die Abbildung 9 zeigt eine typische Abhngigkeit des Elutionsvolumens einer Sure von deren pKs-Wert fr die Trennung durch Ionenausschluss. Deutlich sind berlagerte Adsorption (lngerkettigeCarbonsuren, H2S) und die Grenzen des praktischen Arbeitsbereiches zu erkennen. Die Trennungvon Carbonsuren erfolgt letztlich aufgrund ihrer unterschiedlichen pkS-Werte.


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Abbi ldung 9 Abhngikeit des Elutionsvolumens in der Ionenausschlusschromatographie vomjeweiligen pKs-Wert der Sure

3.4 Retentionsmodelle in der IonenchromatographieIm Idealfall wird die Retention eines Analyten in der Ionenchromatographie nur durch dessen Affinittzu den funktionellen Gruppen des Ionenaustauschers bestimmt. Diese Affinitt lsst sich durch dieFormulierung einer chemischen Reaktion, der Ionenaustauschreaktion, beschreiben und mit denMitteln des Massenwirkungsgesetzes erklren.

Die im folgenden vorgestellten Retentionsmodelle versuchen, auf Basis des MassenwirkungsgesetzesVoraussagen ber das Retentionsverhalten der beteiligten Analyten unter bestimmtenchromatographischen Bedingungen zu treffen. Sind die resultierenden Modelle geeignet, diemakroskopischen Beobachtungen zu erklren, kann mit ihrer Hilfe z.B. ein Elutionssystem auf dasjeweilige Trennproblem hin optimiert werden.

3.4.1 Retentionsmodelle in der Anionenchromatographie

Die folgenden Betrachtungen befassen sich zunchst mit der Elution durch gleichionischeVerdrngung als einfachstem Elutionsmechanismus in der Ionenchromatographie. Das konkreteBeispiel ist auf die Anionenchromatographie bezogen, die gleichen berlegungen gelten aber analogauch fr die Kationenchromatographie. Erst bei Ergnzung des Eluenten mit Komplexbildnern mussdas Retentionsmodell erweitert werden, was im Kapitel: Retentionsmodell fr die Elution inGegenwart von Komplexbildnern (Seite 24) passieren wird.

Retentionsmodell fr Eluenten mit einem AnionUnter der Voraussetzung der Elektroneutralitt ist der einfachste Ansatz fr ein Retentionsmodell diegleichionische Verdrngung, bei der nur ein einziges Eluent-Ion Ey-mit einem Analyt-Anion Ax-um diefunktionellen Gruppen der stationren Phase konkurriert [4]. Die Konzentration des Eluent-Anions Ey-ist dabei zeitlich konstant (isokratische Elution).

Die Austauschpltze der Trennsule mit der Kapazitt Q sind zu Beginn des chromatographischenProzesses mit den Eluent-Anionen Ey-belegt. Wird eine Probe mit dem Analyt-Anion Ax-aufgegeben,so kommt es zwischen stationrer Phase (Index S) und mobiler Phase (Index M) zur Einstellung desfolgenden Gleichgewichtes:

y AMx-+ x ES

y- y ASx-+ x EM

y- (18)

Das Gleichgewicht lsst sich nach dem Massenwirkungsgesetz durch eine thermodynamischeGleichgewichtskonstante beschreiben. Man erhlt bei Bercksichtigung der Aktivitten der beteiligtenIonen die folgende thermodynamische Gleichgewichtskonstante:


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x

E

y

A

x

E

y

A

xyS

yxM

xyM

yxS

EA,yS

xM

yM

xS

][E][A

][E][AK

=

(19)

Die Aktivitten der beteiligten Ionen in stationrer und mobiler Phase werden mangels Bestimmbarkeit

in der stationren Phase im allgemeinen vernachlssigt und gleich Eins gesetzt.Fhrt man nun fr das Analyt-Anion Ax- zwei aus Kapitel 3.2.1 bekannte Grssen ein, denVerteilungskoeffizienten DAund den Retentionsfaktor kA.

M

SA

[A]

[A]D = mit

M

SAA

V

VDk' = (20)

so lsst sich Gleichung 19 durch diese Beziehungen und unter Vernachlssigung der Aktivittenumformen zu:

x

yS

yM

y

S

MAEA,

][E

][EV

Vk'K

=

(21)

Da die Konzentration der Eluent-Ionen E im Regelfall um mehrere Zehnerpotenzen grsser ist als dieder Analyt-Anionen Ax-, kann man in guter Nherung annehmen, dass alle funktionelle Gruppen mit Ey-belegt sind. Die nicht bestimmbare Konzentration von Ey- in der stationren Phase lsst sich unterdieser Annahme durch die leichter zugnglichen Parameter Austauschkapazitt Q und Ladung desEluent-Anions y ersetzen:

y

Q][E yS =

(22)

Damit geht Gleichung 21 ber in:

xyM

xy

S

M'AEA, ][E

y

Q

V

VkK

= (23)

Der Retentionsfaktor kA des Analyt-Anions Ax- ist aus einem Chromatogramm leicht zugnglich.

Gleichung 23 wird daher nach dieser Grsse aufgelst.

y

x

yM

y

x

y

1

EA,

M

S'A ][E

y

Q)(K

V

Vk

= (24)

Diese Gleichung ist von entscheidender Bedeutung fr die Anionenchromatographie, da durch sie einquantitativer Zusammenhang zwischen dem Retentionsfaktor kA und einigen experimentellzugnglichen Parametern wie der Konzentration des Eluenten und der Austauschkapazit hergestelltwird. In der Praxis arbeitet man aus Grnden der bersicht mit der logarithmierten Form derGleichung 24.

][Elogy

xlog

y

Qlog

y

xKlog

y

1k'log yMEA,A

++= mitM

S

V

V= (25)

Aus Gleichung 25 ergeben sich zunchst folgende Konsequenzen: Eine Erhhung der Eluentenkonzentration [Ey-] beschleunigt die Elution


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o Grssere Retentionsfaktoren werden verursacht durch grssereGleichgewichtskonstanten KA,E, hhere Austauschkapazitten Q und ein grsseresPhasenvolumenverhltnis.

Multivalente Analyten Anx-werden strker retardiert als monovalente Ax-,o zumindest solange die Eluentkonzentration [Ey-] realtiv niedrig ist. Dies wird auch als

Elektroselektivitt bezeichnet.

Multivalente Eluenten Eny-

haben eine hhere Elutionskraft als monovalente Ey-

o Die Elution multivalenter Analyten Anx-wird durch gesteigerte Konzentrationen

monovalenter Eluent-Ionen Ey-strker beeinflusst als die monovalenter Analyten Ax-.

In erster Nherung kann angenommen werden, dass die Selektivittskoeffizienten bei konstantem unabhngig von Q sind, womit sich folgende Proportionalitt ergibt:

][E

Qk'

-yM

A (26)

Aus Gleichung 26 ist ersichtlich, dass bei einer Steigerung der Austauschkapazitt Q dieKonzentration des Eluenten [Ey-] proportional erhht werden muss, damit konstante

Retentionsfaktoren erreicht werden. Dies ist der Grund, warum in der Ionenchromatographieblicherweise niederkapazitive Trennphasen verwendet werden, da hohe Elektrolytkonzentrationendie wichtigste Detektionsmethode in der Ionenchromatographie, die Leitfhigkeitsdetektion, praktischunmglich machen.

Zur Optimierung von Trennproblemen wird oft die Eluentenkonzentration [E y-] variiert. Werden alleanderen in Gleichung 25 auftretenden Parameter konstant gehalten, vereinfacht sich diese zu:

][Elogy

xCk'log yM1A

= (27)

Die graphische Auftragung der Gleichung 27 ergibt eine Gerade mit der Steigung m = - x/y und demAchsenabschnitt C, der die Grssen Q, und K

A,E enthlt. Bei Verwendung monoanionischer

Eluenten wird m auch als effektive Ladung bezeichnet. Abbildung 10 stellt schematisch das Ergebnisder Gleichung 27 fr verschiedene Kombinationen unterschiedlich geladener Eluent- und Analyt-Anionen dar.

Abbi ldung 10 Graphische Darstellung von Gleichung 28 fr verschiedene Kombinationenunterschiedlich geladener Eluent- und Analyt-Anionen [4].

Gleichung 27 wurde bisher in einer Vielzahl von Publikationen besttigt, allerdings unter derVoraussetzung, dass niederkapazitive Trennmaterialien und verdnnte Eluenten verwendet wurden.

Variiert man dagegen unter konstanten Bedingungen die Austauschkapazitt Q, vereinfacht sich

Gleichung 25 zu:


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y

Qlog

y

xCk'log A += (28)

Die graphische Darstellung dieser Gleichung hnelt Abbildung 10, allerdings mit positivenGeradensteigungen. Chromatographische Untersuchungen zur Variation von Q wurden bisher nur

einmal bei der Trennung von divalenten Kationen durchgefhrt. Dabei zeigte sich, dass im Gegensatzzu den bisherigen Annahmen der Retentionsfaktor und auch die Selektivittskoeffizienten nichtunabhngig von der Austauschkapazitt betrachtet werden knnen. Es wird deutlich, dass zurOptimierung von Trennproblemen neben der Konzentration des Eluenten [E y-] auch dieAustauschkapazitt Q eine wichtige Grsse darstellt.

Die bisherigen Betrachtungen gelten nur fr ein Analyt-Anion. Konkurrieren dagegen zweiunterschiedliche Anionen Ax und Bz um die funktionellen Gruppen, so gilt fr denSelektivittskoeffizienten KA,B:

xzS

zxM

xzM

zxS

BA,][A][A

][B][AK

= (29)

Unter Bercksichtigung von Gleichung 20 erhlt man zunchst die Selektivitt ,

][B][A

][B][A

k'

k'

zS

xM

zM

xS

B

ABA,

== (30)

und dann nach Umformen die Gleichungen 31 a und b,

+=

S

MBBA,A.B

V

Vk'log

z

zxKlog

z

1log (31a)

+=

S

MABA,A.B

V

Vk'log

z

zxKlog

x

1log (31 b)

die sich fr gleichgeladene Analyten (x = z) vereinfachen zu:

BA,BA, Klogz

1log = (32) bzw. A,BA,B Klogx

1log = (33)

Fr die Selektivitt zwischen zwei gleichgeladenen Analyt-Anionen bedeutet dies:

sie ist nur eine Funktion des Selektivittskoeffizienten KA,Bund der Ladungen z bzw. x,

sie hngt bei konstantem KA,Bweder von der Konzentration [Ey-] noch von der chemischenBeschaffenheit des Eluent-Anions ab (!)

Bei unterschiedlichen Ladungen von A und B ergibt sich:

hngt vom Retentionsfaktor einer der beiden Analyten ab, die beiden Retentionsfaktoren kAund kBsind nicht unabhngig voneinander (!)

An den Gleichungen 31 bis 33 ist besonders bemerkenswert, dass die Selektivitten zweier Anionenzunchst weder von der chemischen Beschaffenheit noch von der Ladung des Eluent-Anions abhngt,solange das Phasenvolumenverhltnis und der Selektivittskoeffizient konstant sind. In der Praxislsst sich aber dennoch eine Vernderung von durch die Variation von [Ey-] erreichen, da sich zweiAnalyten trotz gleicher Ladung deutlich in ihren chemischen Eigenschaften, z.B. Polarisierbarkeit undHydratation, unterscheiden knnen, was unterschiedliche Affinitten zur stationren Phase zur Folge

hat. Diese Wechselwirkungen werden aber in der klassischen Ableitung nicht bercksichtigt.


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Retentionsmodelle fr Eluenten mit mehreren Anionen

Die bisherigen Betrachtungen bezogen sich auf Elutionssysteme mit nur einem Eluent-Anion. In derPraxis liegen aber meist mehrere eluierende Spezies vor, etwa bei Carbonat/Hydrogencarbonat-Puffern oder bei mehrbasigen Suren wie Phosphorsure, deren Dissoziation und damitSpeziesverteilung stark vom pH-Wert abhngt.

Selbst in einfachen Fllen, wenn keines der beteiligten Eluent-Anionen an Sure-Base-Gleich-gewichten beteiligt ist, kann der Zusammenhang zwischen dem Retentionsfaktor k und derEluentkonzentration [E-] nicht in Form einer einfachen log-log-Beziehung nach Gleichung 28dargestellt werden. Dies wre nur dann mglich, wenn die Konzentration oder die Elutionskraft derbrigen Eluent-Anionen zu vernachlssigen ist, was dem Retentionsmodell fr monoanionischeEluenten entsprechen wrde.

In der Literatur werden mehrere Modelle beschrieben, die sich mit polyanionischen Eluenten befassenund im folgenden kurz diskutiert werden:

Modell des dominanten Gleichgewichtes [21] Modell der effektiven Ladung [22-24] Modell der vielfachen Eluentspezies [25,26]

Bei Betrachtung eines auf Phosphat basierenden Eluenten H2PO4-, HPO4

2- und PO43-, (im weiteren

H2P-, HP2-und P3-) und dem monovalenten Analyt-Ion A-bilden sich folgende Gleichgewichte aus:

+ S2M PHA + M2S PHA ; x1 (34)

+ 2S21

M HPA + 2M2

1S HPA ; x2 (35)

+ 3S31

M PA + 3M3

1S PA ; x3 (36)

Die Grssen x1..3 entsprechen dabei den Anteilen der jeweiligen Reaktionen an der Retention,

weshalb gilt:

x1+ x2+ x3= 1 (37)

Sowohl das Modell des dominanten Gleichgewichtes als auch das der effektiven Ladung postulieren,obwohl mehrere Spezies vorhanden sind, eine bestimmte Ladung fr das Eluent-Anion, so dass das inKapitel 4.1.1 fr monoanionische Eluenten abgeleitete Retentionsmodell verwendet werden kann.

Das Modell des dominanten Gleichgewichtesnimmt an, dass Gleichung 36 ganz auf der rechtenSeite liegt, da P3- aufgrund der hheren Ladung wesentlich strker als H2P

- und HP2- an derstationren Phase gebunden wird. Damit ist P3-allein fr die Elution massgeblich, so dass sich dieLadung des Eluent-Anions zu -3 ergibt. Dieses Modell erzielt allerdings nur bei multivalenten Analyteneine gute bereinstimmung mit der Praxis [4].

Beim Modell der effektiven Ladung wird unter Bercksichtigung des pH-Wertes aus denMolenbrchen der mglichen Spezies H2P-, HP2- und P3-eine effektive Ladung berechnet [22]. Mit

dieser und den vorliegenden Konzentrationen der Eluentspezies lsst sich eine Beziehung analogGleichung 27 aufstellen. Voraussetzung fr derartige Berechnungen ist aber, dass sich dieSelektivitten der Eluent-Spezies bezglich des Analyt-Ions A-nicht wesentlich unterscheiden. DasModell der effektiven Ladung lsst sich vor allem bei monovalenten Analyten sinnvoll anwenden [4].

In der Realitt ist das Modell der vielfachen Eluentspezieszur Beschreibung von Eluenten, derenKomponenten sich chemisch voneinander ableiten, am besten geeignet. Die folgenden Betrachtungenbasieren auf dem Modell von Mongay et al. [27], welches eine Weiterentwicklung der Arbeiten vonJenke und Pagenkopf darstellt [25].

Aus den Gleichungen 34 bis 36 lsst sich das globale Gleichgewicht auf der Trennsule darstellen(Gleichung 38). Unter Bercksichtigung von Gleichung 37 lsst sich bei Vernachlssigung der

Aktivitten die Gleichgewichtskonstante KA,Pfr den Austauschprozess definieren (Gleichung 39).


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khv 23 22/12/2000

+++++ 3S3

22

S21

M321 P3

xHP

2

xPH

1

xA)xx(x (38)

+++++ 3M3

M2

M21

S321 P

3

xHP

2

xPH

1

xA)xx(x

][HP][HP]P[H][A

][HP][HP]P[H][AK

/3X3S

/2X2S

/1XS2M

/3X3M

/2X2M

/1XM2S

PA,321

321

= (39)

Die weitere mathematische Behandlung erfolgt wie bei der Ableitung des Retentionsmodells frmonoanionische Eluenten. Bercksichtigt werden mssen vor allem:

Die (mgliche) Dissoziation des Analyt-Anions A Die Gesamtkonzentration der Eluentspezies: cP= [H3P] + [H2P

-] + [HP2] + [P3] Das Ausmass der Wechselwirkungen der Eluentspezies mit den funktionellen Gruppen

Die Einfhrung des Retentionsfaktors kA(Gleichung 20) und der Kapazitt Q (Gleichung 22) liefertnach weiterer mathematischer Umformung einen komplizierten Ausdruck fr kA [28], der hier nur inseiner logarithmierten und weiter vereinfachten Form dargestellt wird:

P321

3A clog3

x

2

x

1

xCk'log

++= (40)

C3 ist eine Konstante, die analog Gleichung 27 Grssen wie das Phasenvolumenverhltnis, dieKapazitt und die Gleichgewichtskonstante enthlt, cP die Summe der Konzentrationen derEluentspezies. Aus Gleichung 40 lsst sich folgern, dass die Steigungen der Geraden bei einerdoppelt logarithmischen Auftragung immer kleiner sein mssen als nach dem einfachen

Retentionsmodell fr monoanionische Eluenten (Gleichung 27), da die Summe in der Klammer stetskleiner als Eins ist. Weiterhin wird deutlich, dass der pH-Wert einen entscheidenden Einfluss auf dasAusmass der Beeinflussung der log-log-Beziehung hat.

Fr Eluentspezies, die sich chemisch nicht voneinander ableiten, existiert ein Modell von Jano et al.,welches zur Beschreibung von Eluenten entwickelt wurde, die einen Phosphatpuffer und zustzlichPerchlorat enthalten [29]. Die Ableitung dieses Modells erfolgt analog den obigen berlegungen,allerdings muss zustzlich ein Austauschgleichgewicht fr ein weiteres, monovalentes Eluent-Ionbetrachtet werden. Die Berechnungen liefern sehr komplizierte Ausdrcke fr den Retentionsfaktor,die sich aber fr neutrale oder saure Eluenten drastisch vereinfachen lassen. Fr den Fall, dass nebendem Perchlorat nur eine weitere monovalente Eluent-Spezies vorliegt, erhlt man Gleichung 41, in derx und y die Beitrge der entsprechenden Gleichgewichtsreaktionen (x: Phosphatpuffer, y: Perchlorat)an der Retention reprsentieren. C ist wie in den brigen Modellen eine Konstante, whrend der nichtnher bestimmte Faktor a bercksichtigen soll, um wieviel strker das Perchlorat-Ion an derstationren Phase gebunden wird als die betreffende Phosphat-Spezies.

][Elogi

xyalog

i

xyCk'log -ii1A

+

+= (41)

Da die Klammerterme in Gleichung 41 stets kleiner als Eins sind, ist die Steigung in der log-log-Auftragung immer geringer als nach dem einfachen Retentionsmodell zu erwarten. Das Modell liefertim konkreten Anwendungsfall gute bereinstimmungen mit den experimentellen Daten. Es kannallerdings in der beschriebenen Form nicht auf alkalische Elutionssysteme angewendet werden.

3.4.2 Retentionsmodelle in der Kationenchromatographie

Die Kationenchromatographie muss fr die Betrachtung der Retentionsmodelle in zwei Untergruppengeteilt werden. Die eine Gruppe befasst sich mit Alkali und Erdalkalimetallkationen als Analyten undbentigt nur ein Elutionsystem auf Basis der gleichionischen Verdrngung. Dabei trgt die stationre

KA,P


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khv 24 22/12/2000

Phase Carbonsure-Gruppen als Funktionalitt. Bei der Trennung von zwei- und hhergeladenenMetallionen kommt man um den Einsatz eines Komplexbildners nicht herum, dessen Einfluss auf dieRetention im Kapitel Retentionsmodell fr die Elution in Gegenwart von Komplexbildnern auf Seite24 beschrieben wird.

Retentionsmodell fr Eluenten mit einem Kation

Die Erluterungen des Abschnitts Retentionsmodell fr Eluenten mit einem Anion gelten in analogerWeise fr die Kationenchromatographie mit Elution durch gleichionische Verdrngung. In der Praxisrelevant ist dies fr die Bestimmung von Alkali- und Erdalkalimetalle, Ammonium und kurzkettigenAminen. Als Eluentkationen werden neben H+ auch organische Kationen wie die 2,3-Diaminopropionsure (DAP) in Verbindung mit verdnnter Salzsure eingesetzt. Je nacheingestelltem pH-Wert des Eluenten liegt die DAP in den ionischen Formen (1) und (2) vor (Abbildung11). Nach einer Suppression erhlt man die zwitterionische Form (3), die keine Eigenleitfhigkeitbesitzt.

Abbi ldung 11 Ionische Spezies der Diaminopropionsure

Retentionsmodell fr die Elution in Gegenwart von Komplexbildnern

In der Kationenchromatographie werden zur Trennung von Erdalkali-, bergangs- und Schwermetall-Ionen Eluenten eingesetzt, die zustzlich zum Eluentkation En+noch einen Komplexbildner enthalten.Als Komplexbildner werden hauptschlich Dicarbonsuren H2L wie Weinsure, Oxalsure,

Citronensure und auch Pyridindicarbonsure, eingesetzt. Die Analyten bilden mit den Anionen derKomplexbildner HL sowie L2unterschiedlich stabile Komplexe mit verschiedenen Stchiometrien.Durch die Komplexierung wird die effektive, d.h. im zeitlichen Mittel vorliegende Ladung der Analytenherabgesetzt. Da dies entsprechend der Kinetik der Komplexbildung und der Stabilittskonstanten derKomplexe erfolgt, nehmen die Selektivittsunterschiede zu und eine Trennung auch hnlicherAnalyten wird mglich. Neben dem Ionenaustausch ist daher die Komplexbildung entscheidend fr dieTrennung der hhergeladenen Metall-Ionen.

Mex++ L2 MeLx-2[ ][ ]+

=2x

2x

MeLLMe

MeLKmit (42)

MeLx-2+ L2 MeL2x-4 [ ][ ]

= 22-x

4x

MeLLMeL

MeLKmit 2 (43)

MeLx-2 + L2 MeL2x-4

[ ][ ]

=22x

4x

MeLLMeL

MeLKmit

2 (44)

Mex++ HL MeHLx-1

[ ][ ]+

=HLMe

MeHLKmit

x

1x

HL (45)

Um den Einfluss des Komplexbildners auf die ionenchromatographische Trennung zu bercksichtigen,wird das Retentionsmodell der gleichionischen Verdrngung (siehe Kapitel Retentionsmodell frEluenten mit einem Anion auf Seite 18) erweitert. Als Einflussgrsse, die das Ausmass der


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khv 25 22/12/2000

Komplexierung des Analyten beschreibt, wird der M-Wert eingefhrt. Der Bruchteil M der freienAnalyt-Ionen in der mobilen Phase ist gegeben als

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]Me'Me

MeLMeLMeHLMe

Me

x

4x2

2x1xx

x

M

+

+

+

=+++

= (45)

mit der Gesamtkonzentration [Me] der Metall-Ionen. Der M-Wert lsst sich aus denKomplexbildungskonstanten, den Suredissoziationskonstanten der Carbonsure und dem pH-Wertdes Eluenten berechnen. Fr den Verteilungskoeffizienten DMeerhlt man unter Bercksichtigung derKomplexbildung:

[ ][ ]

[ ][ ]+

==x

xM

xMe

Me

MeR

Me'

MeRD (46)

Setzt man voraus, dass nur freie Analyt-Ionen Mex+ mit den Carbon- oder Sulfonsure-Gruppenwechselwirken und c(Ez+) >> c(H+), so ergibt sich fr Gleichung 21:

[ ]xx

+

= yy

M

MeEMe, E

y

Q

k'K (47)

In der logarithmierten Form erhlt man fr Gleichung 47 analog zu Gleichung 25:

][Elogy

xlog

y

Qlog

y

xKlog

y

1logk'log yMEMe,MMe

++++= (48)

Liegen nebeneinander mehrere kationische Metall-Spezies vor, z. B. Mex+ und MeHL(x-1)+, resultiertdaraus im Chromatogramm in der Regel jedoch nur ein Peak fr den betreffenden Analyten. DieAnzahl der auftretenden Peaks ist abhngig von der Kinetik der Komplexierungs- und

Dekomplexierungs-Gleichgewichte in der mobilen Phase. Man erhlt nur einen Peak fr den Fall, dasssich die Komplexgleichgewichte in der mobilen Phase schnell einstellen im Vergleich zurAufenthaltszeit des Komplexes in der stationren Phase. Verluft die Umkomplexierung hingegen nurlangsam, knnen asymmetrische oder multiple Peaks auftreten.

Unter der Annahme, dass alle in der mobilen Phase vorliegenden Metall-Spezies mit der stationrenPhase wechselwirken knnen, ergibt sich fr den experimentell bestimmten Kapazittsfaktor kexpdesAnalyten:

2-x2x1-x1xxx MeLMeLMeHLMeHLMeMexp

' k'k'k'k ++ ++= (49)

Bei der Betrachtung der Abhngigkeit des Kapazittsfaktors von den Einflussgrssen Q, [Ey+] sowie

Mwird jedoch der in Gleichung 48 dargestellte Zusammenhang zugrunde gelegt, da die divalentenAnalyten mit starken Komplexbildnern berwiegend neutrale oder anionische Komplexe bilden.

Berechnung von M-Werten

Der M-Wert ist nach Gleichung 45 definiert als das Verhltnis der Konzentration der freien Metall-Ionen zur Gesamtkonzentration der Metall-Ionen. Die Konzentrationen der in der mobilen Phasevorliegenden Metall-Spezies lassen sich mit den jeweiligen Komplexbildungskonstanten und denSuredissoziationskonstanten der verwendeten Carbonsure berechnen.

Bei der Verwendung von Weinsure als Komplexbildner im Eluenten werden von den Erdalkali-,bergangs- und Schwermetallen vornehmlich die neutralen 1:1-Komplexe MeL sowie in geringeremMasse die Hydrogentartrat-Komplexe MHL+ gebildet. Fr die Berechnung von M ergibt sich frWeinsure-Eluenten:


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khv 26 22/12/2000

[ ] [ ] [ ] LHLMeHLLLMeL22

M cKcK1

1

MeHLMeLMe

Me

++=

++=

++

+

(50)

wobei cL die Gesamtkonzentration der Weinsure und HL sowie L die Molenbrche der Sure-Anionen HL-und L2-sind.

Mit Oxalsure und/oder Pyridindicarbonsure bilden einige Metall-Ionen neben den 1:1-Komplexenauch stabile MeL2

2--Komplexe, so dass sich Mwie folgt berechnet:

[ ] [ ] [ ] 2L

2

LMeLMeLLLMeL

22

2

2

McKKcK1

1

MeLMeLMe

Me

2++

=++

=+

+

(51)

Berechnung der Suredissoziation

Der pH-Wert und die Konzentration des Komplexbildners in der mobilen Phase bestimmen dieKonzentration an Ligand und damit das Ausmass der Komplexierung der Analyten. Eine zweiprotonigeSure dissoziiert in zwei Stufen:

H2L HL-+ H+

[ ]LHHHL

Kmit2

S1

+

= (52)

HL- L2-+ H+

[ ]+

=HL

HLKmit

2

S2 (53)

mit den Surekonstanten KS1 und KS2 . Die zur Berechnung des M-Wertes verwendeten

Molenbrche H L2 , HL sowie L ergeben sich aus den Massenwirkungsgesetzen der einzelnen

Deprotonierungsschritte:

[ ][ ] [ ] [ ]

[ ][ ] [ ]

211

2

SSS

2

2

22

2LH

KKHKH

H

LHLLH

LH

++=

++=

++

+

(54)

[ ][ ] [ ] [ ] [ ] [ ]

211

1

SSS

2

S

22

HLKKHKH

HK

LHLLH

HL

++=

++=

++

+

(55)

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]211

21

SSS

2

SS

22

2L

KKHKHKK

LHLLHL

++=

++=

++ (56)

3.5 Detektionssysteme in der IonenchromatographieZur Detektion von Substanzen stehen im Bereich der HPLC eine Reihe von unterschiedlichenVerfahren zur Verfgung, wobei die Wahl eines geeigneten Detektors im Hinblick auf die analytischeFragestellung erfolgen muss. Die Anforderungen an einen Detektor lassen sich wie folgtzusammenfassen:

Hohe Messempfindlichkeit und kurze Ansprechzeiten Proportionalitt des Messsignals zur Analytkonzentration (grosser linearer Bereich) Geringe Vernderung der Basislinie (Drift) Geringes Eigenrauschen Mglichst kleines Eigenvolumen zur Verminderung der Bandenverbreiterung


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khv 27 22/12/2000

Allgemein werden selektive und nicht selektive Detektoren unterschieden. Whrend ein selektiverDetektor direkt auf eine Eigenschaft des Analyten anspricht, reagieren unselektive Detektoren auf einedurch den Analyten hervorgerufene nderung einer physikalischen Eigenschaft des gesamtenElutionssystems. Da sich die Detektoren zur Verwendung mit der Ionenchromatographie im Prinzipnicht von denen fr die konventionelle HPLC unterscheiden, werden die wichtigstenDetektionssysteme in diesem Abschnitt zumindest angesprochen. Der universellste und

gebruchlichste Detektor in der IC ist der Leitfhigkeitsdetektor.

3.5.1 Elektrochemische Detektoren

Leitfhigkeitsdetektion

Die Leitfhigkeitsdetektionoder auch konduktometrische Detektion hat in der Ionenchromatographieeinen Anteil von etwa 55 % [4]. Aus Sicht der verkauften Ionenchromatographen drfte dieser Anteilheute noch wesentlich hher liegen. Die Leitfhigkeitsdetektion ist ein unselektives Detektionsprinzip,wobei auch in diesem Fall direkte und indirekte Bestimmungen mglich sind. Da in derIonenchromatographie wssrige Elektrolyte als Laufmittel verwendet werden, muss der Detektor aufdie relativ geringe, durch die Analyt-Ionen verursachte Vernderung der Gesamtleitfhigkeit desEluenten ansprechen. Durch die Verwendung sogenannter Suppressionstechniken kann die

Eigenleitfhigkeit bestimmter Eluenten drastisch reduziert werden, wodurch im Falle der starkenSureanionen eine deutliche Empfindlichkeitssteigerung erreicht wird.

Die Leitfhigkeit einer Lsung wird messtechnisch als Kehrwert des Widerstandes R bestimmt, deneine Lsung zwischen zwei Elektroden der Flche A und des Abstandes L verursacht.

= L / A R (57)

Die quivalentleitfhigkeit einer Lsung ermittelt sich zu:

= / c (58)

Die Grenzleitfhigkeit und die Abhngigkeit der Leitfhigkeit von der Konzentration kann anhandder Gleichung 59 ermittelt werden. Die Konstanten A und B sind empirische Stoffkonstanten.

= - (A + B ) c (59)

Die Leitfhigkeit eines Elektrolyten setzt sich additiv aus den Ionenleitfhigkeiten -

Anion und +

Kationzusammen

= c (-

Anion-+ +

Kation+) (60)

Abbi ldung 12 Aufbau einer Leitfhigkeitsmesszelle.

Nach dem Kohlrauschschen Gesetz gilt, dass die Leitfhigkeit einer verdnnten Lsung proportionalzur Summe der Leitfhigkeiten aller Ionen multipliziert mit deren Konzentrationen ist.


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khv 28 22/12/2000

1000

i= ci (61)

wobei die Leitfhigkeit in S cm-1, die Grenzleitfhigkeit in S cm2 (z mol L-1)-1 und c dieKonzentration in z mol L-1(z entspricht der Ladung des Ions) ist. Der Faktor 1000 resultiert daraus,

dass 1 Liter 1000 cm3

entspricht.Die Leitfhigkeitsnderung durch den Analyten ist proportional zu dessen Konzentration im Effluat.

( )1000

c SES

= (62)

wobei S und E fr die Analyt- bzw. Eluent-Ion steht. Da bei der Leitfhigkeitsdetektion die nderungder Leitfhigkeit gemessen wird, treten in der Anionenchromatographie bei hohen Grundleitfhigkeitennur geringe Leitfhigkeitsnderungen auf. Es ist daher meist gnstig, die Grundleitfhigkeit mglichstgering zu halten.

Abbi ldung 13 Verlauf der Leitfhigkeit des Eluates einer ionenchromatographischen Trennung einesMehrstoffgemisches. Gezeigt sind die Verlufe fr einen Eluenten mit hoher (rot) bzw. niedriger (blau)Leitfhigkeit

Die Leitfhigkeit eines Eluates in der Ionenchromatographie kann entweder direkt oder nachDurchlaufen eines Suppressors bestimmt werden. Diese Varianten werden auch als Ein- bzw.Suppressortechnik bezeichnet. Welche der beiden Ausfhrungsformen zu bevorzugen ist, kannanhand von berschlagsrechnungen ermittelt werden.

Verwendet man im Bereich der Anionenchromatographie die direkte Leitfhigkeitsdetektion, so erhltman fr Empfindlichkeit der Bestimmung Peakausgedrckt als Differenz zwischen der Leitfhigkeitvon Analyt und Eluentanion fr den Fall Chlorid als Analyt und Carbonat als Eluent-Anion folgendeGleichungen:

Peak cAnalyt(-

Cl-- -

CO3

2- ) Peak cAnalyt(76 - 72)

Peak cAnalyt 4

Wird der Eluent an die Bedrfnisse der direkten Leitfhigkeitsdetektion angepasst, so erhlt man frdas obige Beispiel durch Ersatz des Carbonat-Eluenten durch einen Phthalat-Eluenten folgendeEmpfindlichkeit:

Peak cAnalyt(-

Cl--

-

Phthalat2- ) Peak cAnalyt(76 - 38)

Peak cAnalyt 38


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khv 29 22/12/2000

Im Fall der chemischen Suppression der Leitfhigkeit des Eluenten ist die Empfindlichkeit desVerfahrens nur noch durch die quivalentleitfhigkeit der zu detektierenden Substanz bestimmt. ImFall von Cl-gilt dann:

Peak cAnalyt(-

Cl-+ +

H+ ) Peak cAnalyt(76 + 350)

Peak cAnalyt 426

Aus obigen berschlagsrechnung folgt fr Anionen, dass die direkte Leitfhigkeitsdetektion um denFaktor 10 unempfindlicher ist als die Leitfhigkeitsdetektion nach chemischer Suppression.

Fr die Kationenchromatographie ergibt sich analog die folgende berschlagsrechnung, wobei alsAnalyt Na+und als Eluent H+eingesetzt wird. Im Fall der direkten Leitfhigkeitsdetektion (HCl/NaCl)gilt

Peak cAnalyt(+

Na+- +

H+ ) Peak cAnalyt(50 350)

Peak cAnalyt 300

Bei chemischer Suppression der Leitfhigkeit des H+-Ions durch Umsatz zu Wasser gilt:

Peak cAnalyt(+

Na+ +

-

OH-) Peak cAnalyt(76 + 198)

Peak cAnalyt 248

Damit ergibt sich fr die direkte Leitfhigkeitsdetektion von Kationen eine hhere Empfindlichkeit alsfr die Leitfhigkeitsdetektion nach chemischer Suppression.

Tabelle 2 quivalentleitfhigkeit einiger Ionen

Kationen

(S cm2eq-1) Anionen (S cm2eq-1)H+ 350 OH 198Li+ 39 F 54Na+ 50 Cl 76K+ 74 Br 78NH4

+ 73 I 77 Mg2+ 53 NO2

72 Ca2+ 60 NO3

71 Sr2+ 59 HCO3

45 Ba2+ 64 CO3

2 72 Zn 2+ 52 H2PO4

33 Hg 2+ 53 HPO4

2 57 Cu 2+ 55 1/3PO43 69 Pb 2+ 71 SO4

2 80 Co 2+ 53 CN 821/3Fe

3+ 70 SCN 66N(Et)4

+ 33 Acetat 41 Phthalat 38Propionat 36Benzoat 32Salicylat 30 Oxalat 74

Die Suppressoren fr die Ionenchromatographie knnen entweder als diskontinuierlich arbeitetende

Packed-Bed-Suppressoren gemss Abbildung 14 oder als kontinuierlich arbeitende Membransuppres-soren ausgelegt sein. Der Packed-Bed-Suppressor in der von Metrohm verwendeten Revolveraus-fhrung, besitzt drei gleichartige Suppressoreinheiten, von denen jeweils eine Einheit als Suppressor


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khv 30 22/12/2000

dient, die zweite regeneriert und die dritte mit Wasser gesplt wird. Nach Ablauf einer Analyse wirdder Revolver um 120o gedreht und die zuvor gesplte Sule wird als Suppressor benutzt. Auf dieseWeise wird eine quasi-kontinuierliche Arbeitsweise ermglicht.

DetektorWasteWaste

EluatH2SO4 Wasser

3 21

Abbi ldung 14 Schematischer Aufbau eines Packed-Bed-Suppressors fr eine quasi-kontinuierlicheArbeitsweise

Der in Abbildung 15 skizzierte Membransuppressor ermglicht eine kontinuierliche Arbeitsweise, ist

aber durch den Einsatz von Ionenaustauschermembranen anfllig gegenber Belegungen derMembranoberflche, die dann eine reduzierte Suppressionskapazitt und schliesslich ein Versagendes Suppressors zur Folge haben.

EluatDetektor

H2SO4

H2SO4

Abfall

Abfall

Ionenaustausch-Membran

Abbi ldung 15 Schematischer Aufbau eines kontinuierlich arbeitenden Membransuppressors

Amperometrische Detektion

Voltammetrische Detektoren knnen im Prinzip auf alle Verbindungen angewendet werden, die leichtreduzierbare oder oxidierbare funktionelle Gruppen tragen. Der amperometrische Detektor ist diewichtigste Variante. Bei ihm wird zwischen einer Arbeits- und einer Referenzelektrode eine bestimmte

Spannung angelegt. Passiert nun ein elektrochemisch aktiver Analyt die Messstrecke, dessenHalbstufenpotential so liegt, dass bei der angelegten Spannung eine Reduktion oder Oxidationabluft, fliesst ein Strom, der das Messsignal darstellt. Die Amperometrie ist sehr empfindlich, wobeider Stoffumsatz nur etwa 10 % betrgt. Im Bereich der Ionenanalytik lassen sich neben einigenKationen (Fe3+, Co2+) vor allem Anionen wie Nitrit, Nitrat, Thiosulfat sowie Halogene undPseudohalogene bestimmen. Die wichtigsten Anwendungsflle liegen jedoch in der Analytik vonZuckern mittels Anionenchromatographie und in der klinischen Analytik. Der coulometrischeDetektor liefert aufgrund einer anderen Arbeitsweise einen quantitativen Stoffumsatz, worausallerdings keine gesteigerte Empfindlichkeit resultiert.

Potentiometrische Detektion

Bei der potentiometrischen Detektionwird mit ionensensitiven Elektroden gearbeitet, die teilweise

eine sehr hohe Selektivitt besitzen. Die Sensoren mssen trotz ihrer notwendigen starkenMiniaturisierung zuverlssig arbeiten knnen, was in der Praxis immer noch Probleme bereitet. Daherbleibt die Anwendung der potentiometrischen Detektion, insbesondere in der Ionenchromatographie,bisher auf wenige Spezialflle beschrnkt.


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3.5.2 Spektroskopische Detektionen

Photometrische Detektion

Die photometrischeoder UV/VIS-Detektionist aufgrund ihres sehr grossen Anwendungsbereichesin der HPLC die wichtigste Detektionsvariante, da nahezu alle organischer Molekle berchromophore Grupp

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Praktikum Der Ionenchromatographie 12