Ionenaustauschchromatographie

Grundprinzip und Bedeutung

Die Ionenaustauschchromatographie (IC), oft kurz Ionenchromatographie, ist ein analytisches Verfahren der Chemie und Biologie. Sie trennt Stoffe anhand ihrer elektrischen Ladung. Dazu enthält eine polymere stationäre Phase, also das ruhende Material in der Trennsäule, geladene funktionelle Gruppen. An diesen sind Gegenionen reversibel gebunden: Kationen bei einem Kationenaustauscher und Anionen bei einem Anionenaustauscher.

Die Probe wird mit einer Flüssigkeit durch die Säule transportiert. Ionen der Probe werden unterschiedlich stark an die stationäre Phase gebunden und deshalb zu verschiedenen Zeiten wieder von ihr gelöst. So lassen sich die Bestandteile einer Probe getrennt nachweisen und ihre Mengen bestimmen. Die moderne Methode beruht auf reproduzierbaren Ionenaustauscherharzen mit niedriger Kapazität und hoher chromatographischer Effizienz, die Hamish Small entwickelte. Dadurch wurden Injektionsvolumina von mehreren Litern früherer Verfahren auf etwa zehn bis 100 Mikroliter verringert; die Signale wurden schmaler und die Auflösung besser.

Aufbau und Ablauf des Systems

Eine Pumpe fördert die mobile Phase durch das gesamte System. Die Probe wird mit einem Schleifeninjektor eingebracht; typische Injektionsvolumina betragen fünf bis 100 Mikroliter. Nach dem Öffnen des Ventils transportiert die mobile Phase die Probe zur analytischen Trennsäule, dem wichtigsten Bestandteil des Systems. Der Ionenaustausch erfolgt meist bei Raumtemperatur.

Als Trägermaterialien der Säule werden unter anderem beschichtetes Quarzglas, Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE), Epoxidharze, Divinylbenzol, Polymere oder Polyetheretherketon (PEEK) mit geringer Kapazität an funktionellen Gruppen verwendet. Hinter der Säule weist ein Detektor die getrennten Analyten, also die gesuchten Stoffe, qualitativ und quantitativ nach. Da die Methode relativ misst, ist für Mengenbestimmungen eine Kalibrierung nötig.

Am häufigsten wird ein Leitfähigkeitsdetektor verwendet. Möglich sind außerdem UV/VIS-, amperometrische und Fluoreszenzdetektoren sowie die Kopplung über einen Ionisator an ein Massenspektrometer. PC-Schnittstellen und Chromatographiesoftware dienen der Signalauswertung sowie häufig auch der Steuerung von Pumpen, Ventilen und Suppressor.

Mobile Phase, Eluent und Trennsäule

Die mobile Phase umfasst die flüssigen oder gelösten Stoffe, die von der Pumpe durch das System gelangen. Sie besteht in der Regel aus der Analysensubstanz mit den nachzuweisenden Ionen und dem Eluenten. Der Eluent löst Ionen wieder von der stationären Phase ab, nachdem diese dort ausgetauscht und gebunden worden sind.

Das Gleichgewicht des Ionenaustauschs wird allgemein beschrieben durch: y · A_M^(x−) + x · E_S^(y−) ⇌ y · A_S^(x−) + x · E_M^(y−). A bezeichnet das Analytion, E das Eluention, S die stationäre Phase, M die mobile Phase, x den Betrag der Ladung des Analytions und y den Betrag der Ladung des Eluentions. Die Affinitäten von Eluent- und Solut-Ionen, also nachzuweisenden Ionen, zur stationären Phase müssen ungefähr gleich sein. Für die Leitfähigkeitsdetektion werden Elutionsmittel entweder mit chemischer Unterdrückung oder mit elektronischer Kompensation der Grundleitfähigkeit eingeteilt.

Die stationäre Phase ist das ruhende Trägermaterial in der Säule. In der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie werden vor allem Polymer-Ionenaustauscher eingesetzt, weil sie auch im alkalischen Bereich stabil sind. Kieselgel-Säulen sind etwas effizienter, funktionieren aber nur im pH-Bereich von zwei bis acht. Bei Anionenaustauschern unterscheiden sich stationäre Phasen außerdem durch Grundgerüst, Porenweite und Kapazität. Die Ionenaustauschkapazität ist die Zahl der Ionenaustauschergruppen pro Gewichtseinheit des Säulenfüllmaterials und wird in Milliäquivalent pro Gramm Harz angegeben. Eine höhere Kapazität verlängert die Retentionszeit, also die Zeit bis zum Erscheinen eines Ions; zusätzliches Elutionsmittel kann dies teilweise ausgleichen.

Latex-Austauscher und Suppression

Latex-Anionenaustauscher besitzen ein mechanisch relativ resistentes Substrat und erzeugen einen moderaten Rückdruck. Kleine Latexteilchen erhöhen die chromatographische Effizienz. Wegen ihrer Oberflächenzusammensetzung und -funktionalisierung schwellen und schrumpfen solche Säulen nur wenig. Es können günstige Elutionsmittel wie Natriumhydroxidlösung eingesetzt werden. Die Selektivität hängt vom Vernetzungsgrad des Latexpolymers und von der funktionellen Gruppe am Latexpolymer ab. Die Ionenaustauschkapazität ist antiproportional zur Partikelgröße des Substrats, aber proportional zur Größe der Latexteilchen und zum Latexbedeckungsgrad der Substratoberfläche.

Ein Suppressor wird bei Leitfähigkeitsmessungen vor der Messzelle eingesetzt. Er senkt die Grundleitfähigkeit des Eluenten und verbessert damit deutlich die Nachweisgrenze. Im einfachsten Fall ist er eine Ionenaustauschsäule in Wasserstoffform mit H⁺- oder H₃O⁺-Ionen. Frühe Säulen-Suppressoren mussten periodisch mit H⁺ regeneriert werden. Vor 25 Jahren wurden sie durch kontinuierliche Membran-Suppressoren abgelöst; inzwischen werden wieder Systeme mit drei automatisch abwechselnd unterdrückenden und regenerierenden Säulen verwendet. Die Regeneration geschieht kontinuierlich durch Elektrolyse von Wasser oder diskontinuierlich durch Säuren.

Beispielsweise entstehen aus NaHCO₃ am Harz-SO₃H Harz-SO₃Na, CO₂ und H₂O; aus NaOH entstehen Harz-SO₃Na und H₂O. Aus NaCl beziehungsweise NaBr entstehen entsprechend HCl beziehungsweise HBr. Kohlensäure und Wasser leiten nahezu nicht, während HCl und HBr in Wasser weitgehend zu H₃O⁺ + Cl⁻ beziehungsweise H₃O⁺ + Br⁻ dissoziieren und gut leitfähig sind. Bei Carbonat-Eluent kann das Entfernen der Kohlensäure durch einen zweiten Suppressor oder leichten Unterdruck die Grundleitfähigkeit weiter senken.

Detektion und Auswertung

Detektionsverfahren werden in elektrochemische und spektroskopische Verfahren eingeteilt. Zu den elektrochemischen Verfahren gehören Leitfähigkeits- und amperometrische Detektion. Die Wahl hängt vom Trennverfahren und Eluenten ab; die Leitfähigkeitsdetektion ist besonders wichtig, weil sie universell verwendbar ist.

Die elektrische Leitfähigkeit χ wird in Siemens pro Zentimeter angegeben: χ = l / (A · R). Dabei ist l die Länge des Leiters, A sein Querschnitt und R sein Widerstand. Die Leitfähigkeit ist proportional zur Konzentration, Ladungszahl und Beweglichkeit der Ionen. Daher ist eine quantitative Analyse möglich. Sie steigt zwar bei höherer Temperatur, diese wird jedoch konstant gehalten. Das Detektorsignal wird zur Datenverarbeitung an den Computer gesendet.

Die Auswertung vergleicht Peakflächen im Chromatogramm. Bei der Kalibrierung wird mithilfe von Standardsubstanzen das Verhältnis von Peakfläche zu Konzentration bestimmt. Mehrere Analyten werden über ihre Retentionszeit identifiziert. Für eine quantitative Bestimmung dürfen sich Peaks verschiedener Substanzen nicht überlagern. Dies wird durch eine geeignete Wahl des Chromatographiesystems oder durch ein anderes Detektionssystem erreicht.

Typische Messbeispiele

Bei einer Gradientenelution biogener Amine, Methylamine und Standardkationen wurde eine Kationenaustauschsäule IonPac CS18 von Dionex (Sunnyvale, USA) mit wässriger Methansulfonsäure als Eluent verwendet. Fast alle Komponenten wurden vollständig getrennt. Lithium (1) und Trimethylamin (7) zeigen bei einem annähernd 40-fachen Konzentrationsunterschied nahezu gleiche Peakhöhen; das verdeutlicht ihre unterschiedliche spezifische Leitfähigkeit. Calcium (9) und Phenethylamin (16) zeigen leichtes Tailing, also ein Nachziehen des Peaks.

Eine Trinkwasseranalyse aus Houston, USA, erfasste Anionen nach Zugabe von Chlorit, Bromat und Chlorat. Eluent war eine wässrige Na₂CO₃-Lösung; verwendet wurde die Anionenaustauschsäule Metrosep A Supp 7 - 250 von Metrohm. Chlorid, Fluorid und Sulfat lagen in deutlich höheren Konzentrationen vor als zugesetztes Chlorit und Bromat. Bei höherer Auflösung wurde deren Tailing deutlicher sichtbar. Chlorid und Nitrit waren in diesem Fall nicht auf Basislinienniveau getrennt.