workshop ionenchromatographie: isokratisch oder...

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IC/LC Support Team

Thermo Fisher Scientific, Dreieich

Workshop – Ionenchromatographie: isokratisch oder Gradient?

2 Company Confidential – Internal Use only

Thermo Scientific™ Dionex™ Ionenchromatographie-Systeme

RFIC

HPIC

Dionex Aquion Dionex Integrion Dionex ICS-4000 Dionex ICS-5000+


Eluent

Pumpe

Vorsäule

Analytische Säule

Eluent- Förderung

Ionen-Trennung

Steuerung und Datenaufnahme (Thermo Scientific™ Dionex™ Chromeleon™ Chromatography Datensystem CDS)

Proben-aufgabe

Suppressor

Leitfähigkeits- Messzelle

Regenerent

Detektion

Suppression

IC-relevante Medien


Definition RFIC

• RFIC™ - Reagenzfreie Ionenchromatographie – IC ohne manuelles

Ansetzen der Eluenten

Begriff für alle Systeme, bei denen die IC-relevanten Reagenzien durch

Elektrolyse erzeugt werden

• Elektrolytische Genierung des Elutionsmittel

• Elektrolytische Genierung des Regeneriermittels

• Schlüsselmerkmale der RFIC:

• Leichte Bedienbarkeit

• Hohe Verfügbarkeit

• Hohe Reproduzierbarkeit und konsistente Ergebnisse

• Typische Elutionsmodi in der Ionenchromatographie bzw. RFIC

• Isokratische Elution, Carbonat-Laufmittel

• Elution im Gradienten, Hydroxid-Laufmittel


• Dem System zugeführt wird lediglich entionisiertes Wasser zugeführt

• Online-Erzeugung hochreiner, kontaminationsfreier Säuren und Basen

• Elektrische Einstellung der Eluent-Konzentration

- das manuelle Ansetzen von Säuren und Basen entfällt

• Steuerung über das Chromatographie-Datensystem (Chromeleon CDS)

• Sicher und einfach in der Anwendung

• RFIC-EG ist kompatibel mit allen gängigen IC Säulenformaten

(Standardbore- bis Kapillar-Säulen)

Vorteile der elektrolytischen Eluent-Erzeugung


RFIC Regenerent-Generierung


Eluent

Pumpe

Vorsäule

Analytische Säule

Eluent- Förderung

Ionen-Trennung

Steuerung und Datenaufnahme (Chromeleon CDS)

Proben-aufgabe

Suppressor


Regenerent

Detektion

Suppression

IC-relevante Medien


Elektrochemische Suppression zur Bestimmung von Anionen

Na2CO3,

NaOH, H2

H+ + O2 H2

+ OH–

H2O H2O

Kat

ion

en-A

ust

ausc

h-M

emb

ran

H+

H2CO3

H2O, O2 Na+

Na+, X– in Na2CO3 Eluent

An

od

e

Kat

ho

de

Detektor

H+, X

- in H2CO3

2H+ + CO32– H2CO3

H2O + H2CO3 H2O + H2CO3

Reg

ener

ent-

Kan

nal

Kat

ion

en-A

ust

ausc

h M

emb

ran

Reg

ener

ent-

Kan

nal

O2, H2, H2O, Na2CO3


RFIC Eluent-Generierung


Eluent

Pumpe

Vorsäule

Analytische Säule

Eluent- Förderung

Ionen-Trennung

Steuerung und Datenaufnahme (ChromeleonTM)

Proben-aufgabe

Suppressor


Regenerent

Detektion

Suppression

IC-relevante Medien


RFIC Eluent-Generator: Carbonat (Anionen-IC)

KOH + H2CO3 K2CO3

Anionenaustauscher

K2CO3

Elektrolyt Reservoir

K2CO3

H2 + O2

De-gaser

K+ CO32–

H2O

Pt-Anode Pt-Kathode

Kationenaustauscher

[K2CO3] Strom

Fluss

Eluent Mixer

Isolierung


RFIC für K2CO3/ KHCO3 Eluenten mit pH-Modifier

K2CO3

K+ CO32–

H2O

Pt-Anode Pt-Kathode

EGC-Carbonat

Kartusche

Degaser

Elektrolytischer

pH-Modifier

2 K2CO3 + H+ K2CO3 + KHCO3

–K+

K2CO3

Elektrolyt Reservoir

K2CO3/

KHCO3

H2 + O2

Eluent Mixer

De-gaser


Trennung der Standard-Anionen

Konventioneller Carbonat-Eluent

(3,5 mmol/L Na2CO3 /1,0 mmol/L NaHCO3)

EG Carbonat-Eluent

(4,5 mmol/L K2CO3)

4,0 mmol/L K2CO3 /0,5 mmol/L KHCO3



Flu

ori

d

Ch

lori

d

Nit

rit

Bro

mid

Ph

os

ph

at

Su

lfa

t

Nit

rat 1,2 mL/min

µS

0 20 Minuten

an einer 4-mm Thermo Scientific™ Dionex™ IonPac™ AS14 Säule

mit RFIC-Carbonat-Eluenten


Peaks:

1. Fluorid 3 mg/L 2. Acetat 20 3. Formiat 10 4. Bromat 20 5. Chlorid 5 6. Nitrit 15 7. Chlorat 25 8. Bromid 25 9. Nitrat 25 10. Phosphat 40 11. Sulfat 30 12. Selenat 30 13. Iodid 40 14. Arsenat 30 15. Thiocyanat 40 16. Perchlorat 40 17. Thiosulfat 40 18. Chromat 40

Säule: Dionex IonPac AS22, 4 mm

Eluent: 4,8 mM Natriumcarbonat/ 1,0 mM Natriumhydrogen- carbonat

Fluss: 1,5 mL/min

Temperatur: 30 °C

Inj. Volumen: 10 µL

Detektion: Leitfähigkeit n. Suppression, AutoSuppression , Recycle Modus

0 10 20 30

–1

7

1 3 4 5

6 7

8 9

10

11

12

13 14 15

16 17

18

µS

Minuten

2

Isokratische Trennung umweltrelevanter Anionen


OH–

Ventil [KOH] Stromstärke

Flussrate Pt-Anode

(H2O 2H+ + ½O2 + 2e-)

Kationenaustausch-Membranen

KOH- Elektrolyse-

Kammer Pumpe

Pt-Kathode

(2H2O + 2e- 2OH- + H2)

[ + ]

[ - ]

KOH + H2 KOH

H2

Elektrolyt- Reservoir

EluGen™ KOH

Kartusche

CR-ATC Anionen- Trapsäule

RFIC Eluent-Generator: Hydroxid (Anionen-IC)

Degas Unit

K+

KOH H2O H2O

≈


Column: Dionex IonPac AG20, AS20

4 mm

Eluent: Potassium hydroxide:

5 mM from 0 to 5 min,

5–30 mM from 5 to 15 min,

30–55 mM from 15 to 30 min

Eluent Source: EGC II KOH with CR-ATC

Temperature: 30 °C

Flow Rate: 1.0 mL/min

Inj. Volume: 10 μL

Detection: Suppressed conductivity,

Thermo Scientific™ Dionex™

ASRS™ UltraII Anion Self

Regenerating suppressor, 4 mm,

AutoSuppression recycle mode

Gradiententrennung von umweltrelevanten Anionen

Peaks: 1. Fluoride 2 mg/L (ppm)

2. Acetate 10

3. Butyrate 10

4. Formate 10

5. Chlorite 10

6. Bromate 10

7. Chloride 5

8. Nitrite 10

9. Chlorate 10

10. Bromide 10

11. Nitrate 10

12. Carbonate 20

13. Sulfate 10

14. Selenate 10

15. Oxalate 10

16. Phthalate 20

17. Phosphate 20

18. Chromate 20

19. Iodide 20

20. Arsenate 20

21. Citrate 20

22. Thiocyanate 20

23. Perchlorate 30

Minuten

µS

0 5 10 15 20 25 30 –1

10

1 2

3

4

5 6

7 8

9 10

11

13

14

15

16

17 18

19

20

21 22

23

12

Inkl. polarisierbarer Anionen mit der Dionex IonPac AS20


Elutionsmodus


Elutionsmodus

Elutionsmodus

? Isokratisch Gradient

c

t

c

t


• Verwendete Konfigurationen

• System 1: Isokratische Elution mit Carbonat

• System 2: Gradienten-Elution mit Hydroxid

• Untersuchung der Retentionsverhalten:

• Injektion anorganischer Anionen

• Injektion eines Gemisches anorganischer Anionen und organischer Säuren

• Vergleich des Trennverhaltens: Gemeinsamkeiten, Unterschiede

Modell-Versuch zum Retentionsverhalten


• In beide Systeme wird eine Lösung anorganischer Anionen injiziert

• Analyte:

2 mg/L Fluorid

10 mg/L Chlorid, Nitrit, Bromid, Nitrat, Sulfat,

20 mg/L Phosphat

Retentionsverhalten – Standardgemisch 1


-5.0

12.5

25.0

37.5

50.0

60.01 - 20080411_ICS-2000_CO3 #2 Std.1 ECD_1µS

1

- F

luo

rid

- C

hlo

rid

- N

itra

t

- P

ho

sp

ha

t

- S

ulfa

t

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 23.0-20

50

100

1402 - 20080411_ICS-2000_AS19 #6 Std.1 ECD_1µS

min

2

- F

luo

rid

- C

hlo

rid

- N

itri

t

- N

itra

t

- S

ulfa

t

- P

ho

sp

ha

t

Concentration: 1.00 mM

42.50

100.00

1.00

A. Isokratische Elution mit Carbonat

Trennsäule: Dionex IonPac AG22, AS22

(2 mm)

Eluent: 4,5 mmol/L Na2CO3

1,4 mmol/L NaHCO3

B. Gradient-Elution mit Hydroxid


(2 mm)

Eluent: KOH (EG)

Gradient: 1-42 mmol/L in 17 min

Flussrate: 0,3 mL/min

Inj.-Volumen: 5 µL

Detektion: Leitfähigkeit mit Suppressor

AutoSuppression,

Recycle-Modus

Probe: Standard Anionen

(PN 037157)

A

B

Retentionsverhalten - Isokratische Elution und Gradientelution


• In beide Systeme wird eine Lösung anorganischer Anionen und

organischer Säuren injiziert

• Analyte:

2 mg/L Fluorid

10 mg/L Chlorid, Nitrit, Bromid, Nitrat, Sulfat,

Acetat, Formiat, Malat, Oxalat, Fumarat

20 mg/L Phosphat

100 mg/L Citrat

25 mg/L Isocitrat

Retentionsverhalten – Standardgemisch 2


-1.0

2.5

5.0

7.5

10.0

12.01 - 20080411_ICS-2000_CO3 #28 ECD_1µS

1

- F

luo

rid

- A

ce

tat -

Fo

rmia

t

- C

hlo

rid

- N

itri

t

- B

rom

id

- N

itra

t

- P

ho

sp

ha

t

- S

ulfa

t

- M

ala

t

- O

xa

lat

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 23.0-2.0

5.0

10.0

15.0

20.02 - 20080411_ICS-2000_AS19 #34 ECD_1µS

min

2

- F

luo

rid

- A

ce

tat - F

orm

iat

- C

hlo

rid

- N

itri

t

- B

rom

id -

Nitra

t

- S

ulfa

t -

Ma

lat

- O

xa

lat

- P

ho

sp

ha

t -

Fu

ma

rat

- C

itra

t

- Iso

citra

t


50.00

100.00

1.00

A

B

Fumarat ? (Iso-) Citrat ??

Retentionsverhalten – Isokratische Elution und Gradientelution



(2 mm)


1,4 mmol/L NaHCO3



(2 mm)

Eluent: KOH (EG)



Inj.-Volumen: 5 µL


AutoSuppression,

Recycle-Modus


mit organischen Säuren


-1.0

2.5

5.0

7.5

10.0

12.0 ECD_1

µS

1

- F

luo

rid

-

Ace

tat

- F

orm

iat

- C

hlo

rid

-

Nitri

t -

Bro

mid

-

Nitra

t -

Ph

osp

ha

t -

Su

lfa

t -

Ma

lat

- O

xa

lat

- F

um

ara

t

- C

itra

t

- Iso

citra

t

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

-2.0

5.0

10.0

15.0

18.0 ECD_1

µS

min

2

- F

luo

rid

-

Ace

tat

- F

orm

iat

- C

hlo

rid

-

Nitri

t -

Bro

mid

-

Nitra

t - S

ulfa

t -

Ma

lat

- O

xa

lat

- P

ho

sp

ha

t -

Fu

ma

rat

- C

itra

t -

Iso

citra

t

A

B

Citrat Iso-

citrat

Retentionsverhalten – Isokratische Elution und Gradientelution



(2 mm)


1,4 mmol/L NaHCO3



(2 mm)

Eluent: KOH (EG)



Inj.-Volumen: 5 µL


AutoSuppression,

Recycle-Modus


mit organischen Säuren


Kalibriermodus


Kalibriermodus

Kalibriermodus

? linear Quadratisch

r

c

r

c


• Verwendete Konfigurationen

• System 1: Isokratische Elution mit Carbonat

• System 2: Gradienten-Elution mit Hydroxid

• Untersuchung des Ansprech- und Kalibrierverhaltens

• Injektion von Kalibrierlösungen

(Konzentrationsbereich über bis zu zwei Dekaden)

• Vergleich von Ansprechverhalten und Kalibrierfunktionen

Modell-Versuch zum Ansprech- und Kalibrierverhalten


-5.0

12.5

25.0

37.5

50.0

60.01 - 20080411_ICS-2000_CO3 #2 Std.1 ECD_1µS

1

- F

luo

rid

- C

hlo

rid

- N

itra

t

- P

ho

sp

ha

t

- S

ulfa

t

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 23.0-20

50

100

1402 - 20080411_ICS-2000_AS19 #6 Std.1 ECD_1µS

min

2

- F

luo

rid

- C

hlo

rid

- N

itri

t

- N

itra

t

- S

ulfa

t

- P

ho

sp

ha

t


42.50

100.00

1.00



(2 mm)


1,4 mmol/L NaHCO3



(2 mm)

Eluent: KOH (EG)



Inj.-Volumen: 5 µL


AutoSuppression,

Recycle-Modus


(PN 037157)

A

B

Ansprech- und Kalibrierverhalten – Carbonat und Hydroxid


Ansprech- und Kalibrierverhalten – Carbonat und Hydroxid

Kalibrier-Experiment mit Carbonat- und Hydroxid-Elution

• Injektion von Kalibrierlösungen (Konzentrationsbereich über bis zu zwei

Dekaden)

• Vergleich von Ansprechverhalten und Kalibrierfunktionen

Kalibrierlösungen:

Analyt

Kalibrierniveau

Fluorid

[mg/L]

Acetat

[mg/L]

Chlorid

[mg/L]

Nitrat

[mg/L]

Phosphat

[mg/L]

Sulfat

[mg/L]

Std.1 20,0 100,0 30,0 100,0 150,0 150,0

Std.2 10,0 50,0 15,0 50,0 75,0 75,0

Std.3 5,0 25,0 7,50 25,0 37,5 37,5

Std.4 2,0 10,0 3,0 10,0 15,0 15,0

Std.5 1,0 5,0 1,5 5,0 7,5 7,5

Std.6 0,667 2,0 1,0 3,33 5,0 5,0

Std.7 0,333 1,0 0,5 1,67 2,5 2,5

Kalibrierung


Ansprech- und Kalibrierverhalten, Sulfat /1

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

0 50 100 160

Sulfat External ECD_1Area [µS*min]

mg/L0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

0 50 100 160


mg/L



(2 mm)


1,4 mmol/L NaHCO3

B. Gradienten-Elution mit Hydroxid


(2 mm)

Eluent: KOH (EG)



Inj.-Volumen: 5,0 µL

Detektion: Leitfähigkeit mit Suppressor,

AutoSuppression,

Recycle-Modus

Probe: Kalibrierstandardlösungen

(Dionex-PN 037157)

A

B

Carbonat – vs. Hydroxid-Elution


0.0

2.5

5.0

7.5

10.0

14.0

0 50 100 160


mg/L0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

0 50 100 160


mg/L

Carbonat-Eluent (4,5 mmol/L Na2CO3

1,4 mmol/L NaHCO3)

Hydroxid-Eluent (KOH-Gradient)

Ansprech- und Kalibrierverhalten, Sulfat /2

Carbonat – vs. Hydroxid-Elution


Minuten

µS/cm

Reaktionen im Suppressor: Analyt: NaCl HCl

HCl + H2O H3O+ + Cl-

Eluent: Na2CO3 H2CO3

H2CO3 + H2O H3O+ + HCO3

-

~ 24,0 Grundleitfähigkeit

bei z.B. 9 mmol/L Na2CO3

Carbonat-Eluent – Suppressionsvorgänge


0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

0 25 50 75 120

Acetat External ECD_1Area [µS*min]

mg/L0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

0 25 50 75 120

Acetat External ECD_1Area [µS*min]

mg/L



(2 mm)


1,4 mmol/L NaHCO3

B. Gradienten-Elution mit Hydroxid


(2 mm)

Eluent: KOH (EG)



Inj.-Volumen: 5,0 µL

Detektion: Leitfähigkeit mit Suppressor,

AutoSuppression,

Recycle-Modus

Probe: Kalibrierstandardlösungen

(Dionex-PN 037157)

A

B

Ansprech- und Kalibrierverhalten, Acetat

Carbonat – vs. Hydroxid-Eluition


Analyt

Kalibrierniveau

Fluorid

[mg/L]

Acetat

[mg/L]

Chlorid

[mg/L]

Nitrat

[mg/L]

Phosphat

[mg/L]

Sulfat

[mg/L]

Std.1 20,0 100,0 30,0 100,0 150,0 150,0

Std.2 10,0 50,0 15,0 50,0 75,0 75,0

Std.3 5,0 25,0 7,50 25,0 37,5 37,5

Std.4 2,0 10,0 3,0 10,0 15,0 15,0

Std.5 1,0 5,0 1,5 5,0 7,5 7,5

Std.6 0,667 2,0 1,0 3,33 5,0 5,0

Std.7 0,333 1,0 0,5 1,67 2,5 2,5

Carbonat-System

Kalibrierbezug Fläche Fläche Fläche Fläche Fläche Fläche

Kalibrierung (Chromeleon) Quad Quad Quad Quad Quad Quad

Linearer Korrelations-Koeffizient ; (r) * 99,942 99,992 99,985 99,822 99,865 99,836

Bestimmtheits-Maß ; (R²) ** 99,967 99,992 99,953 99,972 99,960 99,970

Steigung (Fläche/Konzentration) 0,135 0,008 0,085 0,048 0,025 0,065

Hydroxid-System

Kalibrierbezug Fläche Fläche Fläche Fläche Fläche Fläche

Kalibrierung (Chromeleon) Quad Quad Lin Lin Lin Lin

Linearer Korrelations-Koeffizient ; (r) * 99,935 98,747 99,997 99,997 99,997 99,994

Bestimmtheits-Maß ; (R²) ** 99,994 99,800 99,994 99,994 99,994 99,992

Steigung (Fläche/Konzentration) 0,334 0,051 0,192 0,109 0,064 0,145

Faktor Ansprechverhalten

Hydroxid vs. Carbonat Elution 2,5 6,2 2,2 2,2 2,5 2,2

* Korrelationskoeffizient (Correlation Coefficient): Maß für die "lineare Abhängigkeit" zwischen zwei Variablen

** Bestimmtheits-Maß (Coefficient of Determination): Maß für die Abweichung der gemessenen Datenpunkte von der Kalibrierkurve

*** Faktor Ansprechverhalten ist abhängig von der Carbonat / Bicarbonat-Konzentration des säulenspezifischen Eluenten

Ansprech- und Kalibrierverhalten – Auswertung


Entscheidungskriterien

Carbonat- oder Hydroxid-Elution?

• Beide Elutionsmittel liefern sicher Analysenergebnisse

• Mehrnutzen durch Hydroxid:

• Höherer Empfindlichkeit und Linearsierung der Kalibrierfunktionen

• Large Volume Injektion (kein „Wasserdip“)

• Hydroxid ist ideal für den Gradienten-Betrieb

Isokratische oder Gradient-Elution?

• Beide Elution-Modi liefern hohe Selektivität und Auflösung

• Mehrnutzen durch Gradienten-Elution:

• Höhere Peak-Kapazität

• Beschleunigung mehrwertiger Ionen im Gradienten mit gleichzeitig …

• … erhöhte Auflösung der früh eluierenden Analyten

• … erhöhte Nachweisempfindlichkeit durch Peak-Fokussierung

Aufgabenstellung & Probenmatrix bestimmen die Wahl des Verfahrens


DIN EN ISO 10304-1


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

• Ersatz für bisherige Normen ISO 10304-1 (gering belastete Wässer) und ISO 10304-2 (Abwässer)

• Matrices: Trinkwasser, Oberflächenwasser, Abwasser Neu: Sicker- und Meerwasser

• Neu: Isokratische UND Gradienten-Elution

• Neu: Carbonat/Hydrogencarbonat- UND Hydroxid-Eluenten

• Neu: Kalibriermodus gemäß Erfordernissen: (Linear, Quadratisch, …)

• Generelle Gültigkeit, keine Einschränkungen der Säulenformate,

anwendbar für Standardbore- bis Kapillar-Säulen


Gradienten-Elution

Isokratische Elution

DIN EN ISO 10304-1

Normkonforme Ionenchromatographie mit RFIC


Continued…

workshop ionenchromatographie: isokratisch oder...

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