Ionenaustauschchromatographie

Ionenaustauschchromatographie
Methode
Englische Bezeichnung	Ion Chromatography (IC)
Welche Materialien können gemessen werden?	wässrige, möglichst neutrale Proben
Zeitl. Aufwand insgesamt	i.d.R. mehrere Stunden bei bereits erarbeiteter Methode (Probenpräparation, Herstellung von Standards und Eluenten, Kalibration des Geräts, Analyse)
Aufbereitung
Generell mögliche Aufbereitungsarten?	filtrieren und verdünnen (falls nötig)
Aufbereitungsarten (an LMU)?	zur Messung wird ein gering konzentriertes Aliquot (= Verdünnen) benötigt ohne feste Partikel und Bakterien (< 20 µm)
Erforderliche Probenmenge	i.d.R wenige ml
Zeitl. Aufwand Probenaufbereitung (inkl. Reinigung)	Herstellung von Standard- und Eluentkonzentrat: mehrere Stunden (fast alle Konzentrate können länger verwendet werden, Lagerung im Kühlschrank) Entgasung: 1 Std Verdünnung Standardreihe: 1 Std Aufwand Probenaufbereitung etwa 15 min pro Probe
Messprozedur
Kalibration notwendig	Ja
Administrator notwendig	Ja
Messung = Dienstleistung	Ja
Messung selbständig möglich (nach Einweisung)	Ja, bedingt
Dauer der Messung pro Probe	15 min
Ausgabeformat	Elementkonzentration in mg/l; evtl. Verdünnung muss berücksichtigt werden

Die Ionenaustauschchromatographie (IC), oft auch Ionenchromoatographie, ist eine routinemäßige Analyse wässriger Systeme, vor allem für anionisch vorliegende Elemente. Stoffe werden anhand ihrer Ladung getrennt und die getrennten Ionen durch Leitfähigkeitsmessungen oder mit Hilfe elektrochemischen Detektoren nachgewiesen.

Grundprinzip

Die Anfänge der Ionenchromatographie liegen Mitte des 19. Jahrhunderts. Als analytische Methode wurde sie 1975 von Small, Stevens und Baumann eingeführt. Die Ionenchromatographie (IC) ist eine destruktive Methode und wird zur quantitativen Bestimmung von Kationen (Na⁺, K⁺, Ca⁺, …) und Anionen (F^-, Cl^-, SO^2-₄, NO^-₃ …) in wässrigen Systemen genutzt. Im Bereich der Umweltanalytik ist die IC eine Standardmethode zur Bestimmung von Anionen und einigen Kationen. Konzentrationen können im Bereich von mg/l bis hin zu wenigen µg/l gemessen werden, abhängig von der zu messenden Probe.

Apparativer Aufbau des Ionenchromatographen

Messprinzip

Anionen in der Lösung werden durch eine physikalisch-chemische Trenntechnik voneinander separiert. Das Trennungsprinzip beruht auf der unterschiedlichen Verweilzeit des Analyten (=der Probelösung) zwischen einer mobilen (= Eluent) und einer stationären Phase (nicht miteinander mischbar) entlang einer Trennstrecke (Aufgrund von Verteilungsgleichgewichten, Adsorption/Desorption, Austauschgleichgewichten). Der Austritt der Komponenten wird detektiert, die Verweilzeit ist spezifisch für die jeweiligen Ionen. Die zeitabhängige Trennung der Spezies wird zusammen mit gekoppelter Leitfähigkeits-detektion aufgezeichnet und ergibt das Chromatogramm.

Apparativer Aufbau des Ionenchromatographen

Zur Messung werden benötigt:

Standardlösung zur Kalibration des Geräts
Eluent als mobile Phase zum Transport des Analyten durch die Trennsäule
Vorbereitete Aliquote der zu untersuchenden Probe

Standardherstellung

Für den Kalibrierstandard zur Anionenmessung (LMU) werden zunächst Stammlösungen hergestellt. Dazu werden die einzelnen Salze zunächst über Nacht bei 90 °C im Trockenschrank getrocknet und anschließend im Exsikkator abgekühlt. Danach werden die eingewogenen Mengen in Reinstwasser gelöst. Die Stammlösungen werden in vorgespülten Laborflaschen im Kühlschrank aufbewahrt und sind bis 24 Monate haltbar. Von der Stammlösung werden für die Kalibration die nötigen Verdünnungen in unterschiedlichen Konzentrationen hergestellt. Diese Kalibrierstandards sind mindestens alle 3 Monate frisch herzustellen. Um die Originalstandards (Stammlösung und Kontrollstandard) vor wechselnden Temperatureinflüssen und ständigem Öffnen und Schließen zu schützen, werden von der Originalflasche ca. 20 ml in ein geeignetes Gefäß für den täglichen Bedarf abgefüllt.

Probenaufbereitung

Probenmaterial, welches mit IC gemessen werden soll, muss flüssig vorliegen und mikrofiltriert sein. Die Probe muss zudem auch so verdünnt werden, dass sie in dem linearen Bereich der Kalibration liegen wird. Kennt man die Konzentration der Probe nicht, fängt man mit hohen Verdünnungen an und tastet sich schrittweise an die gewünschte Konzentration heran. Partikelhaltige bzw. trübe wässrige Proben sind mit einem Membranfilter 0,45 µm zu behandeln. Für die Kationenmessung wird die Probe leicht angesäuert.

Vor- und Nachteile / Fazit

Vorteile der IC sind vor allem ihre Schnelligkeit, Empfindlichkeit, Selektivität und Simultanität. Mit einer guten Kalibrierung können zahlreiche Proben mit vielen Parametern gemessen werden. Zu den Nachteilen zählen die hohen Präzisionsanforderungen und die zeitaufwändige Herstellung der Standard- und Eluenten-Konzentrate, weiter die hohen Kosten von Vor- und Trennsäule sowie des Suppressors.

Fehlerquellen

Störungen treten i.d.R. nur auf, wenn die Trennsäule verschmutzt ist, bzw. die Trennleistung der Säule nachlässt oder der Suppressor defekt ist.
Stark saure Proben in einen geeigneten pH-Bereich verdünnen.
Kontamination der Probe und des Probengefäßes.
Vortest: bei unbekannten Proben ist eine Leitfähigkeitsmessung, pH-Abschätzung mittels pH-Papier, bei Verdacht auf hohe organische Belastung eine TOC-Analyse sinnvoll.
Achtung: Bei Chlorid-Messungen muss jeder Hautkontakt mit der Probe (auch an Gefäßinnenwänden) vermieden werden. Auswahl des geeigneten Eluenten und der richtigen Trennsäule
Verdünnungsfehler

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Verzeichnis von Normen und Richtlinien

DIN EN ISO 10304-1 (Juli 2009): Wasserbeschaffenheit: Bestimmung von gelösten Anionen mittels Flüssigkeits-Ionenchromatographie - Teil 1: Bestimmung von Bromid, Chlorid, Fluorid, Nitrat, Nitrit, Phosphat und Sulfat
DIN EN ISO 14911 (DEV E 34, Dezember 1999): Wasserbeschaffenheit: Bestimmung der gelösten Kationen Li⁺, Na⁺, NH₄⁺, K⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺ und Ba²⁺ mittels Ionenchromatographie
DIN CEN/TR 16269, DIN SPEC 33965 (2011/12):Außenluft-Leitfaden zur Messung von Anionen und Cationen im PM 2,5
VDI 3870, Blatt 13 (Dezember 1996): Messen von Regeninhaltsstoffen: Bestimmung von Chlorid, Nitrat und Sulfat in Regenwasser mittels Ionenchromatographie mit Suppressortechnik
AQS-Merkblatt A-6/1
LAWA AQS-Merkblatt P-11 (Mai 2013)

Literatur

Amthauer, G., Pavicevic, M.K., 2000. Physikalisch-chemische Untersuchungsmethoden in den-Geowissenschaften, Band 1: Mikroskopische, analytische und massenspektrometrische Methoden, E. Schweizerbart´sche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart.
Höll, K., 2010. Wasser, Nutzung im Kreislauf: Hygiene, Analyse und Bewertung. De Gruyter, Berlin, Boston.

Referenzen

Autor:innen

Dieser Artikel wurde geschrieben und gegengelesen von:

Adriana Gerz, Elena Zwerschke

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