Chromatographie Grundlagen

Analytische Chemie X: Instrumentelle Verfahren der Ionenanalyse

• Die Präsentation behandelt instrumentelle Verfahren der Ionenanalyse, gehalten von Dr. Marco Keller vom Department Pharmazie, Zentrum für Pharmaforschung in München

Instrumentelle Verfahren der Ionenanalyse

• Folgende instrumentelle Verfahren werden behandelt:
• Ionenchromatographie (IC)
• Atomabsorptionsspektrometrie (AAS)
• Atomemissionsspektrometrie (AES)
• Weitere Methoden (ICP, RFA, AFS)

Chromatographie

• Chromatographie kommt aus dem Griechischen und bedeutet Farbenschreiben.
• Es ist ein physikalisch-chemisches Verfahren zur Auftrennung von Substanzgemischen.
• Die Aufteilung erfolgt durch unterschiedliche Verteilung der Einzelbestandteile zwischen einer stationären (ruhenden) und einer mobilen (beweglichen) Phase.
• Die praktische Anwendung umfasst:
• Isolierung oder Reinigung von Substanzen (präparative Chromatographie)
• Chemische Analytik zur Identifizierung oder mengenmäßigen Bestimmung von Stoffgemischen

Definitionen wichtiger Begriffe

• Stationäre Phase: Phase, die mit den einzelnen Substanzen des Substanzgemisches Wechselwirkungen eingeht und sich nicht bewegt; der Aufenthalt der Analyten wechselt zwischen mobiler und stationärer Phase, was zu einer Retention führt; jede Substanz besitzt eine charakteristische Retentionszeit.
• Mobile Phase: Phase, in die das Substanzgemisch am Beginn des Trennsystems eingebracht wird und die sich bewegt; bei der Flüssigchromatographie ist die mobile Phase flüssig, bei der Gaschromatographie kommen Trägergase zum Einsatz.
• Retention (Zurückhaltung): Verzögerter Durchfluss von einzelnen Substanzen des Substanzgemisches der mobilen Phase durch Wechselwirkung mit der stationären Phase; Retention ist abhängig von:
• Stärke der Wechselwirkung der Substanz mit der stationären Phase (Neigung in der stationären Phase zu bleiben)
• Neigung in der mobilen Phase zu bleiben
• Diffusionseigenschaften der Substanz (Beweglichkeit in der stationären und mobilen Phase)

Wechselwirkungen, Retentionszeit, Elution

• Wechselwirkungen: Spezifische Wechselwirkungen des zu analysierenden Stoffes mit der stationären Phase werden genutzt, um Substanzgemische zu trennen; die Stärke der Wechselwirkungen hängt von der Struktur und den funktionellen Gruppen der Substanzen ab; Arten von Wechselwirkungen sind u.a.:
• Van-der-Waals-Kräfte
• Polare Wechselwirkungen (z. B. Wasserstoffbrückenbindungen, ionische Wechselwirkungen)
• Retentionszeit: Zeit, die die Moleküle eines reinen Stoffes zum Durchwandern der Säule benötigen (Zeit zwischen Injektion und Detektion des Analyten).
• Elution: Von lat. eluere „auswaschen", das Herauslösen oder Verdrängen von adsorbierten Stoffen aus festen Adsorbentien und Ionenaustauschern durch kontinuierliche Zugabe eines Lösungsmittels; die aus der Trennsäule fließende Lösung wird Eluat genannt.

Ionenaustauschchromatographie (IC)

• IC ist eine flüssigkeitschromatographische Trennung von Ionen mit Detektion z. B. mit Leitfähigkeitsdetektoren.
• Die Trennung beruht auf Unterschiede in den Ionenaustauschaffinitäten der einzelnen Analyten.
• Für Kationenanalytik werden oft leistungsfähigere atomspektrometrische Alternativen anstatt der Ionenchromatographie verwendet (z.B. AAS, AES, ICP/OES).
• Für Anionenbildner der 5. bis 7. Hauptgruppe des PSE sind atomspektrometrische Methoden nur eingeschränkt anwendbar.
• Das wichtigste Einsatzgebiet der Ionenchromatographie ist die Anionenanalytik (Anionenbestimmung in Trinkwasser, Ultraspurenanalytik in pharmazeutischen Produkten, Bestimmung von Alkali-, Erdalkali- und Ammoniumionen in Trinkwasser).

Schematischer Aufbau

• Die Abbildung zeigt einen schematischen Aufbau eines ionenchromatographischen Systems, bestehend aus: Eluent, Pumpe, Injektionsventil, Trennsäule mit Ionenaustauscher, Suppressor, Leitfähigkeitsdetektor und Computer mit Auswertesoftware.

Der Ionenaustausch

• Der Ionenaustausch beruht auf einer stöchiometrisch verlaufenden chemischen Reaktion zwischen Ionen in Lösung und einem festen Stoff (z. B. Polymerharz), der funktionelle Gruppen trägt und Ionen aufgrund elektrostatischer Kräfte fixieren kann.
• In der Kationenchromatographie sind dies meist Sulfonsäuregruppen.
• In der Anionenchromatographie quartäre Ammoniumgruppen.
• Zwischen beiden Phasen können Ionen gleichsinniger Ladung völlig reversibel ausgetauscht werden.
• Der Prozess des Ionenaustausches führt zu einem Gleichgewichtszustand; auf welcher Seite dieses Gleichgewicht liegt, hängt von der Affinität der beteiligten Ionen zu den funktionellen Gruppen der stationären Phase ab.
• Analyt-Ionen und Eluent-Ionen konkurrieren um die Austauschplätze.

Prinzip der Ionenaustauschchromatographie

• Wenn eine Probe mit zwei Analyt-Ionen A⁻ und B⁻ aufgegeben wird, verdrängen diese kurzzeitig die Eluent-Ionen E⁻ und werden an der fixierten Ladung zurückgehalten, bevor sie ihrerseits wieder durch das Eluent-Ion ausgetauscht werden.
• Für die Anionenchromatographie ergeben sich damit folgende reversible Gleichgewichte: Harz - N⁺R₃ E⁻ + A⁻ ⇌ Harz - N⁺R₃ A⁻ + E⁻ und Harz - N⁺R₃ E⁻ + B⁻ ⇌ Harz - N⁺R₃ B⁻ + E⁻.
• Durch die unterschiedlichen Affinitäten von A⁻ und B⁻ zu den funktionellen Gruppen ist die Aufenthaltsdauer der Analyt-Ionen an den fixierten Ladungen unterschiedlich.
• Durch die unterschiedlich ausgeprägten Retentionen ergibt sich eine Trennung der Komponenten.

Detektion der Ionen durch Leitfähigkeitsmessungen

• Die elektrische Leitfähigkeit ist proportional zur Konzentration, zur Ladungszahl und zur Beweglichkeit der Ionen und wird in Siemens pro Zentimeter angegeben.
• Die Leitfähigkeit steigt bei Temperaturerhöhung, daher muss bei Messungen die Temperatur konstant gehalten werden.
• Die Leitfähigkeitsdetektion ist ein unselektives Detektionsprinzip.
• In der Ionenchromatographie verwendet man wässrige Elektrolyte als Laufmittel, deshalb muss der Detektor auf die geringe, durch die Analyt-Ionen verursachte Veränderung der Gesamtleitfähigkeit des Eluenten ansprechen.
• Durch Verwendung sogenannter Suppressionstechniken kann die Eigenleitfähigkeit bestimmter Eluenten drastisch reduziert werden, was zu einer deutlichen Empfindlichkeitssteigerung führt.

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