Membrangestützte Probenvorbereitung für die ... · 5.3 Versuche zur Simultanbestimmung von Sulfit...

Membrangestützte Probenvorbereitung für die Ionenchromatographie

vorgelegt von Diplom-Chemikerin Tatjana Kiesow

aus Berlin

Von der Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften der Technischen Universität Berlin

zur Erlangung des akademischen Grades Doktorin der Naturwissenschaften

-Dr. rer. nat.-

genehmigte Dissertation

Promotionsausschuss: Vorsitzender: Prof. Dr. M. Gradzielski Berichter: Priv.-Doz. Dr. W. Frenzel Berichter: Prof. Dr. T. Ressler

Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 20.12.2007

Berlin 2008 D 83

Danksagung Ein Teil der vorliegenden Dissertation entstand im Rahmen einer Projektarbeit mit der Firma Metrohm, bei der ich mich an dieser Stelle für die finanzielle Unterstützung bedanken möchte. Mein besonderer Dank gilt Herrn PD Dr. habil. Wolfgang Frenzel für die Aufnahme in seine Arbeitsgruppe und die interessante Themenstellung. Durch seine stete Diskussionsbereitschaft und Hilfestellung und das mir zugestandene große Maß an persönlicher Freiheit bei der Aus-gestaltung der Aufgabenstellung trug er entscheidend zum Gelingen dieser Arbeit bei. Ich möchte mich ebenfalls bei Herrn Prof. Dr. Thorsten Ressler für die unkomplizierte und bereit-willige Übernahme der Berichterstattung bedanken. Für die Unterstützung in technischen Fragen gilt mein Dank den Mitarbeitern des Fachge-bietes Luftreinhaltung Herrn G. Steinbrecher, T. Thele, H. Rietdorf sowie Herrn W. Wichmann. Mein Dank gilt ferner Dipl.-Chem. Betty Zinvirt, Dr. Manuel Miro Llado, Dr. Modupeola A. Jimoh und allen weiteren Doktoranden, Diplomanden und Gastwissenschaft-lern des Fachgebiets Luftreinhaltung für die sehr angenehme Arbeitsatmosphäre und Diskus-sionsbereitschaft. Allen meinen Freunden und meiner Familie, die mich moralisch und finanziell unterstützten, möchte ich an dieser Stelle für ihre Geduld und Zuneigung danken. Ein besonderer lieber Dank geht an meine Mutter, für alles.

My mum and in loving memory of my father

Inhaltsverzeichnis

I

Inhaltsverzeichnis:

1 Einleitung und Problemstellung 1

Theoretischer Teil: 3 2 Ionenchromatographie 3

2.1 Arten der IC, Chromatographische Grundgrößen 3 2.2 Das ionenchromatographische System 8

3 Probenvorbereitung 14 3.1 Notwendigkeit und Effizienz 14 3.2 Membrangestützte Probenvorbereitung 22

3.2.1 Membranen 22 3.2.1.1 Historischer Überblick 22 3.2.1.2 Unterteilung von Membranen und Applikationen 24 3.2.1.3 Allgemeine Anforderungen an Membranen und

limitierende Faktoren 33 3.2.2 Membranseparation im Fließsystem 35

3.2.2.1 Instrumenteller Aufbau 35 3.2.2.2 Separationsverfahren 40

3.2.3 Dialyse 54 3.2.3.1 Arten der Dialyse 55 3.2.3.2 Theorie und prinzipielle Untersuchungen 58 3.2.3.3 Experimentelle Konfiguration 66 3.2.3.4 Applikationen 68 3.2.3.5 Mikrodialyse 69

3.2.4 Gasdiffusion 74 3.2.4.1 Prinzip 74 3.2.4.2 Experimentelle Konfiguration 75 3.2.4.3 Applikationen 76

Experimenteller Teil: 79

4 Instrumentation 79 4.1 Komponenten der in-line Probenvorbereitungsstrecken 79 4.2 Ionenchromatographen 82

5 In-line Kopplung von Gasdiffusion und Ionenchromatographie 87

5.1 Bestimmung von Sulfit 87

Inhaltsverzeichnis

II

5.1.1 Prinzip 89 5.1.2 Voruntersuchungen 89 5.1.3 Untersuchungen zum Einfluss verschiedener Betriebsparameter 93 5.1.4 Bestimmung von freiem Sulfit im Wein 100

5.2 Bestimmung von Nitrit 106 5.2.1 Wichtige Anwendungsgebiete in flüssigen Proben und

bestehende Bestimmungsmethoden 106 5.2.2 Prinzip des Probenvorbereitungsschrittes 108 5.2.3 Eigene Untersuchungen 109

5.3 Versuche zur Simultanbestimmung von Sulfit und Nitrit 120 5.4 Bestimmung von Ammonium und kurzkettigen Aminen 123

5.4.1 Wichtige Anwendungsgebiete und bestehende Bestimmungsmethoden 123

5.4.2 Prinzip 124 5.4.3 Eigene Untersuchungen 125 5.4.4 Messung von Realproben 135

6 In-line Kopplung von Dialyse und Ionenchromatographie 137 6.1 Die Analytionen 137 6.2 Mikrodialyse 138

6.2.1 Experimentelle Untersuchungen 139 6.2.2 Vergleich konventioneller Probenvorbereitung mit der

Mikrodialyse anhand von Realproben 144 6.3 Dialyse 148

6.3.1 Einsatz der Dialyse im Fließsystem zur Bestimmung von Realproben 149

6.4 Vergleichende Betrachtungen von Mikrodialyse und Dialyse 153

7 Zusammenfassung und Ausblick 154

8 Anhang 161 8.1 Messdaten und Beispielchromatogramme zur Sulfit-Bestimmung 161 8.2 Messdaten zur Nitrit-Bestimmung 164 8.3 Messdaten zur Simultanbestimmung von Sulfit und Nitrit 170 8.4 Daten und Beispielchromatogramme zur Bestimmung von

Ammonium und Aminen 174 8.5 Messdaten zur Dialyse 178

9 Literaturverzeichnis 182

1 Einleitung und Problemstellung

1

1. Einleitung und Problemstellung Wie überall in unseren Lebensbereichen stellen Zeit, Kosten und Fehlervermeidung Kriterien dar, die auch für die chemische Analytik von entscheidender Bedeutung sind. Während bei der Entwicklung instrumenteller Analysengeräte genau dies berücksichtigt wurde, wird die Probenvorbereitung meist noch mit zeitaufwendigen, manuellen und damit oft fehlerbehaf-teten traditionellen Methoden durchgeführt. So nimmt die Probenvorbereitung im Durch-schnitt über 60 % der Analysenzeit für eine Probe in Anspruch [1]. Neben den Aufgaben, die die Probenvorbereitung zu erfüllen hat, wie homogenisieren, die Probe in einen detektierbaren Aggregatzustand überführen, Matrixabtrennung und Einstellung der Analytkonzentration, um in einem möglichst linearen Arbeitsbereich des Detektionssystems zu messen, bietet die Pro-benvorbereitung auch die Möglichkeit, die Selektivität und Empfindlichkeit einer Bestim-mungsmethode günstig zu beeinflussen. Die allgemeinen Anforderungen an ein Probenvorbereitungssystem sind: die Analyten in eine detektierbare Form und Konzentration überführen, automatisiertes Arbeiten, einfacher Auf-bau, leichte Bedienung, hohe Analysenfrequenz, möglichst wenig Verbrauch von Probe und Reagenzien, gute Präzision und Richtigkeit, Kompatibilität mit möglichst unterschiedlichen Detektoren und Einsatzmöglichkeit für verschiedene Bestimmungsmethoden. Zur Bestimmung von vielen ionischen Verbindungen findet heute oft die Ionenchromatogra-phie (IC) ihren Einsatz. Durch die enorme Vielfalt an Möglichkeiten bei der Auswahl an sta-tionären und mobilen Phasen und in Verbindung mit unterschiedlichen Detektionstechniken lassen sich auch bei schwierigen Trennproblemen meist befriedigende Lösungen finden [2]. Doch auch hier erweist sich eine Probenvorbereitung oft als notwendig. Bei der Analyse von komplex zusammengesetzten Proben ist eine direkte Messung mit der IC vielfach nicht möglich. Matrixkomponenten, wie hochmolekulare Substanzen, können die Säule und damit die Trennung der Analytionen negativ beeinflussen. Eine zu hohe oder zu niedrige Ionenkon-zentration in der Probe macht eine Verdünnung, bzw. Anreicherung erforderlich. Notwendige Probenvorbereitungsschritte, die, wenn sie manuell ausgeführt werden, zeit- und kosten-intensiv sind und das Risiko fehlerbehafteter Analysen durch Kontamination, Analytverlust und subjektiver Fehler in sich bergen, sollten möglichst automatisiert erfolgen. Daher werden im zunehmenden Maße Probenvorbereitungsverfahren angestrebt, die sich unmittelbar mit dem IC-System möglichst in-line verbinden lassen, um so eine vollständige Automatisierung des gesamten Analyseverfahrens zu ermöglichen [3]. Grundlage hierfür bieten leicht zu auto-matisierende, kontinuierlich arbeitende Fließsysteme mit integrierten Membranseparationsein-heiten. Die Vielfalt an verfügbaren Membranen erlaubt es, sehr unterschiedliche Trennmecha-nismen zu realisieren und damit die Selektivität der Abtrennung gezielt zu beeinflussen [2]. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, mit membrangestützten Separationsmethoden die Mög-lichkeiten der in-line Probenvorbereitung für die Ionenchromatographie zur Bestimmung aus-gewählter Analytionen zu untersuchen und Experimente zur Optimierung der Separationsver-

1 Einleitung und Problemstellung

2

fahren durchzuführen. Als Membranseparationsmethoden wurden die Gasdiffusion und die Dialyse, bzw. Mikrodialyse verwendet. Die Gasdiffusion zeichnet sich durch eine hohe Selek-tivität aus, da nur eine begrenzte Anzahl an Substanzen unter den jeweils gegebenen Bedin-gungen (pH-Wert) in ihre flüchtige Form überführt werden und so die gaspermeable Membran passieren. Die gasförmigen Verbindungen werden in einem zweiten selektivitäts-steigernden Prozess nochmals getrennt. Diese Trennung ist eine Kombination der Gaslöslich-keit der Verbindungen in der Akzeptorlösung und der Gaspermeabilität der Membran [4]. Die Gasdiffusion ermöglicht oftmals die prächromatographische Trennung von chromatogra-phisch ansonsten nur schwer zu trennenden Ionen [2]. Bei der Dialyse erfolgt die Separation durch Diffusion von gelösten Komponenten in der Probe über eine semipermeable hydrophile Membran in eine andere Flüssigkeit. Mit beiden Membranseparationsprozessen kann eine effektive Trennung der Analyten von der störenden Probenmatrix und eine notwendige Verdünnung oder Anreicherung des Analyten erfolgen. Im kontinuierlich operierenden Fließsystem bieten diese Membranseparationsverfahren eine leichte Automatisierbarkeit und können in-line mit dem IC-System gekoppelt werden.

Kapitel 2 Ionenchromatographie

3

Theoretischer Teil: 2. Ionenchromatographie 2.1 Arten der IC, Chromatographische Grundgrößen Die Chromatographie ist ein physikalisch-chemisches Trennverfahren, das auf der unter-schiedlichen Affinität der Analyten einer Probe zwischen mobiler und stationärere Phase beruht. Generell unterschieden werden die Chromatographiearten nach den Aggregatzustän-den der beiden Phasen. Vor allem die Hochleistungsflüssigchromatographie („High Performance Liquid Chromato-graphy), eine Weiterentwicklung der Flüssigchromatographie (flüssige mobile Phase), ist heute neben der Gaschromatographie eine der wichtigsten Methoden der instrumentellen Ana-lytik. Diese Methode ist schnell und leistungsstark durch die sehr kleinen Teilchen (<10 µm) der stationären Phase, die extrem hohen Drücken zum Durchpressen des Eluenten standhalten. Die HPLC existiert etwa seit 1970 und wurde früher auch als „High Pressure Liquid Chroma-tography“ bezeichnet [5]. Eine wichtige Variante der HPLC ist die Ionenchromatographie (IC), sie wurde 1975 von Small et al. [6] zur Trennung und Detektion ionischer Spezies eingeführt. Unter dem Begriff der Ionenchromatographie sind drei verschiedene Trennmechanismen zusammengefasst, die Ionenpaarchromatographie, die Ionenausschlusschromatographie und die Ionenaustauschchro-matographie. Bei der Ionenpaarchromatographie (MPIC, Mobile Phase Ion Chromatography) dienen un-polare Polymerharze als stationäre Phase. Dem Eluenten wird ein Ionenpaarreagenz, das aus einem anionischen oder kationischen Tensid besteht, zugefügt. Dieses Reagenz bildet mit einem entgegengesetzt geladenen Analytion ein ungeladenes Ionenpaar. Die Retention an der stationären Phase erfolgt durch hydrophobe Wechselwirkungen. Eine Analyttrennung ist möglich auf Grund der verschiedenen Bildungskonstanten der Ionenpaare und ihrer unter-schiedlichen Adsorption an der Säule. Die Selektivität dieser Methode wird im wesentlichen durch die Zusammensetzung der mobilen Phase bestimmt. Die Ionenausschlusschromatographie (HPICE, High Performance Ion Chromatography Exclusion) dient vor allem der Trennung schwacher anorganischer und organischer Säuren. Die Trennsäulen enthalten ein vollständig sulfoniertes Kationenaustauscherharz, die funk-tionellen Gruppen werden durch wässrige Eluenten hydratisiert. Diese Hydrathülle ist durch eine negative Schicht analog einer Donnan-Membran begrenzt und nur für undissoziierte Ver-bindungen (wie Wasser oder Carbonsäuren in stark sauren Eluenten) passierbar. Der Trenn-mechanismus basiert auf Donnan- Ausschluss, sterischen Ausschluss und Adsorption [7].


4

Für die in der vorliegenden Arbeit verwendete Ionenaustauschchromatographie (High Per-formance Ion Chromatography, HPIC) besteht die stationäre Phase aus Ionenaustauschergrup-pen. Als Eluent wird eine Elektrolytlösung verwendet. Bei Probenaufgabe verdrängen die Analytionen kurzzeitig die Eluentionen von der funktionellen Gruppe der festen Phase und werden zurückgehalten. Je nach Ionenstärke und Größe erfolgt dann wieder die Verdrängung der Analytionen durch überschüssige Eluentionen. Für die Anionenchromatographie, mit zwei Analytanionen A- und B- und dem Eluentionen E- ergeben sich folgende reversible Gleichgewichte [8]:

Harz-N+R3 E- + A- Harz-N+R3 A- + E- (2.1)

Harz-N+R3 E- + B- Harz-N+R3 B-+ E- (2.2) Die Gleichgewichtskonstante oder auch Selektivitätskonstante K berechnet sich wie folgt:

[X-]s · [E-]m K = ______________________ (Gl. 2.1)

[E-]s · [X-]m

[X-]s,m Konzentration des Analytions in der stationären, bzw. mobilen Phase [E-]s,m Konzentration des Eluentions in der stationären, bzw. mobilen Phase Daraus folgt, dass die Trennung der Ionen um so besser ist, je stärker sich die Gleichge-wichtskoeffizienten voneinander unterscheiden. Die Selektivität des Austauschers, zum Bei-spiel die bevorzugte Aufnahme einer bestimmten Ionensorte, spielen eine große Rolle im Trennprozess. Innerhalb einer Ionenklasse bevorzugt der Austauscher das hydratisierte Ion mit dem kleineren Radius. Für stark saure Kationenaustauscher gilt z.B. folgende Reihe: Li+< H+< Na+< NH4

+< K+< Mg2+< Ca2+ <Al3+ Die chromatographische Trennung beruht auf der Konkurrenzreaktion zwischen Ionen der mobilen Phase und der Probe mit der stationären Phase. Die Austauschgleichgewichte und damit die Trennung sind abhängig von [8]:

- der Ladung der Ionen - der Ionengröße - der Art der Gegenionen in der mobilen Phase - dem pH-Wert der mobilen Phase (bei schwachen Austauschergruppen ist die

Trennkapazität vom pH-Wert abhängig) - der Ionenstärke (Konzentration) der mobilen Phase - dem Typ des Ionenaustauschers


5

Aus dem Chromatogramm lassen sich die Chromatographischen Grundgrößen, die für den Analyten charakteristischen Daten, ablesen bzw. berechnen. Anhand eines Beispielchromato-gramms (Abb. 2.1) sollen diese Daten erläutert werden.

Abb. 2.1: Chromatogramm zweier Substanzen [5] Die Bruttoretentionszeit (tms1, tms2) ist die Zeit zwischen Injektion und Elution des Signal-maximums des Analyten. Aus der Laufzeit des reinen Eluenten von der Injektion zur Detek-tion ergibt sich die Totzeit tm. Die Zeit, in der der Analyt nicht wandert, also an der statio-nären Phase verweilt, ist die Nettoretentionszeit (tS1, tS2). Sie ergibt sich aus folgender Diffe-renz:

mmsS ttt −= 2,12,1 (Gl. 2.2)

Die Auflösung R („resolution“) ist ein Maß für die Trennung zwischen zwei benachbarten Analytsignalen, sie berechnet sich wie folgt:

21

12 )(2wwttR msms

+−

= (Gl. 2.3)

w1,2 Peakbreiten auf der Basislinie als Abschnitt der Wendetangenten Zur quantitativen Analyse genügt eine Auflösung R=2, bei einer Auflösung von R=0,5 kann ein Signal noch als aus zwei Komponenten bestehend erkannt werden [5]. Wesentlich für die Trennung zweier Komponenten ist die Selektivität α, definiert als Quotient der Nettoretentionszeit der zu trennenden Stoffe:

1

2

s

s

tt

=α (Gl. 2.4)


6

Bei konstanter Temperatur lässt sich α durch Variation der stationären und mobilen Phase be-einflussen. Eine Stofftrennung kann nur dann erfolgen, wenn sich die Verteilungskoeffizienten der Kom-ponenten hinreichend voneinander unterscheiden. Der Verteilungskoeffizient K ist als das Verhältnis der Konzentration eines Stoffes X in stationärer und mobiler Phase definiert:

[ ][ ]m

s

XXK = (Gl. 2.5)

Der Kapazitätsfaktor k’ (Gl. 2.6) ist unabhängig von apparativen Größen. Kleine k’- Werte bedeuten, die Substanz eluiert nahe oder am Totvolumen des chromatographischen Systems, d.h. eine schlechte Trennung liegt vor. Für sehr große k’- Werte ergibt sich zwar eine gute Trennung, allerdings verbunden mit langen Retentionszeiten und Peakverbreiterung. Der Kapazitätsfaktor sollte in der Praxis zwischen 2 und 5 liegen [8].

m

s

m

mms

m

s

tt

ttt

VVKk =

−=⋅=' (Gl. 2.6)

K: Verteilungskoeffizient Vm,s: Volumen der mobilen bzw. stationären Phase Die stationäre Phase wird theoretisch in einzelne Abschnitte, die Trennstufen oder Böden, un-terteilt, auf denen genau einmal eine völlig reversible und unendlich schnelle Gleichgewichts-einstellung zwischen mobiler und stationärer Phase erfolgt [8]. Eine hohe Anzahl an Trenn-stufen (charakterisiert durch die theoretische Bodenzahl N), bedeutet ein effizientes chromato-graphisches System. Unter der Voraussetzung der idealen Peakform (Gauß-Verteilung) kann die theoretische Bodenzahl N wie folgt definiert werden:

22

16 ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

wttN ss

σ mit

4w

=σ (Gl. 2.7)

w: Peakbreite σ: Standardabweichung (wird durch die Teilchen, die sich außerhalb des Peakmaximums

befinden und deren Verteilung bestimmt)


7

Zur Beschreibung der Trennleistung dient auch die theoretische Bodenhöhe H (auch HETP, „Hight Equivalent to a Theoretical Plate“).

NLHETP = (Gl. 2.8)

L: Länge der Trennsäule Durch eine Erhöhung der theoretischen Bodenzahl lässt sich die Auflösung positiv beein-flussen, dies kann durch Wechseln der Trennsäule, Erhöhung der Säulenlänge oder durch Optimierung der Fließgeschwindigkeit der mobilen Phase geschehen. Unter Berücksichtigung der Effekte, die zur Peakverbreiterung führen, stellte van Deemter et al. [9] seine dynamische Theorie auf, nach der sich die theoretische Bodenhöhe H als Maß für relative Bandenverbreiterung wie folgt berechnen lässt:

uCuBAHETP ⋅++= (Gl. 2.9)

u: lineare Strömungsgeschwindigkeit der mobilen Phase Durch den Term A wird die Streudiffusion (Eddy-Diffusion) beschrieben, er berücksichtigt die unterschiedlichen Wege, die dem Probenmolekül in einer Säulenpackung zur Verfügung stehen. Diese Streuung kann von dem Säulenmaterial, es sollte möglichst homogen sein und aus uniformen Teilchen bestehen, beeinflusst werden und ist unabhängig von der Strömungs-geschwindigkeit des Eluenten. Die Längsdiffusion wird durch Term B beschrieben, sie ist ab-hängig von der Porosität der stationären Phase und umgekehrt proportional zur Strömungs-geschwindigkeit der mobilen Phase. Die Querdiffusion und der verzögerte Massentransfer (Term C) zwischen mobiler und stationärer Phase werden mit zunehmender Fließgeschwin-digkeit größer. Bei einer vorgepackten Säule hängt die van Deemter Bodenhöhe nur noch von der Eluenten-geschwindigkeit ab. Aus der resultierenden Kurve ist folglich die Strömungsgeschwindigkeit mit der geringsten Bandenverbreiterung und damit die optimalste Trennleistung zu ermitteln. Die chromatographischen Peaks in Form der Gaußschen Kurve werden in der Praxis selten er-reicht. Es tritt Asymmetrie auf, die definiert ist als (vgl. Abb. 2.2):

hcmitabAs ⋅== 1,0 (Gl. 2.10)


8

Abb. 2.2: Asymmetrie (Tailing-Effekt) der Peakform [5] Es gibt zwei verschiedene asymmetrische Effekte. Der Tailing-Effekt (As >1) ist darauf zu-rückzuführen, dass die Analyten stark adsorptiv an der Säule zurückgehalten werden. Cha-rakterisiert ist diese Peakform durch einen schnellen Anstieg und ein langsameres Abfallen. Durch fehlende Haftstellen an der stationären Phase lässt sich der Fronting-Effekt erklären. Die auch als Leading-Effekt bezeichnete Asymmetrie ist gekennzeichnet durch ein langsam ansteigendes und schnell wieder abfallendes Signal. Bei Asymmetriefaktoren die zwischen 0,9 und 1,2 liegen, wird eine Säule als gut bezeichnet [5].

2.2 Das ionenchromatographische System Die vereinfachende Bezeichnung Ionenchromatographie bezieht sich in den weiteren Kapiteln auf die in dieser Arbeit ausschließlich genutzte Ionenaustauschchromatographie.

Abb.: 2.3 Schematischer Aufbau eines Ionenchromatographen Der prinzipielle Aufbau eines Ionenchromatographen ist in Abb. 2.3 zu sehen. Die Pumpe zählt neben der Trennsäule zu den wichtigsten Bestandteilen des HPLC-Systems. Sie muss in der Lage sein, selbst gegen hohe Staudrücke den Eluenten konstant und pulsfrei zu fördern. Dazu werden in der Regel Einkolbenpumpen mit mechanischen Pulsdämpfern und Zweikol-benpumpen eingesetzt. Das Injektionsventil, üblich ist ein Sechswege-Ventil (6-Port-Ventil) (Abb. 2.4), ermöglicht die Probe unter Normaldruck in einer Schleife mit definiertem


9

Volumen aufzunehmen und dann in das unter hohem Druck stehende Chromatographiesystem zu überführen [8]. Abb. 2.4: Funktionsweise eines 6-Port-Ventils Das eigentliche Herzstück des Systems ist die Trennungssäule. Diese ist u.a. charakterisiert durch die Ionenaustausch-Kapazität, definiert als Anzahl der zur Verfügung stehenden Ionen-austauschgruppen pro Gramm Säulenmaterial. Je höher die Austausch-Kapazität einer Säule ist, desto länger die Retentionszeiten (teilweise kompensierbar durch Eluenten mit hoher Ionenstärke) [5]. Als Grundgerüst werden Kieselgel und organische Polymere verwendet. Säulen auf Kieselgel-Basis können in einem pH-Bereich von 2–5 eingesetzt werden, sind also im alkalischen Bereich instabil, aber im Vergleich zu organischen Polymeren sind sie chrom-atographisch deutlich effizienter[5]. Sie eignen sich hervorragend zur Trennung von Kat-ionen, wo verdünnte Säuren als Elutionsmittel dienen. Von den eingesetzten organischen Polymeren haben Styrol/ Divinylbenzol-Copolymere, sowie Polymethacrylat- und Polyvinyl-Harze die größte Bedeutung als makromolekulares Grundgerüst. Das Polystyrol-Harz entsteht durch eine Copolymerisation von Styrol mit Divinylbenzol. Über das Verhältnis der beiden Stoffe kann man den Vernetzungsgrad (Anteil an Divinylbenzol) und damit die Porenstruktur beeinflussen. Je nach Lösungsmittel und Ionenstärke ändert sich ihr Packungsvolumen, so quellen sie bei kleiner und schrumpfen bei hoher Ionenstärke. Dies ist bei Eluentenwechsel durch eine entsprechend lange Konditionierungszeit zu berücksichtigen. Ionenaustauscher auf Polymerbasis zeichnen sich durch hohe chemische Resistenz und pH-Beständigkeit (Arbeits-bereich 1-13) aus [9]. Die Funktionalisierung der Trägermaterialien erfolgt durch ent-sprechende chemische Reaktionen, Beispielreaktionen sind in Abbildung 2.5 dargestellt. Anionenaustauschergruppen werden durch die Umsetzung mit einem geeigneten Amin gebil-det. Mit steigendem Substitutionsgrad durch Alkylgruppen wächst die Stärke des Austau-schers. Bei quartären Ammoniumgruppen (–NR3

+), wenn alle Reste R aus Alkylgruppen be-stehen, ist die Austauschkapazität des Packungsmaterials vom pH-Wert des Eluenten unab-hängig, da keine Deprotonierung von Wasserstoffatomen (R=H) bei höheren pH-Werten des Eluenten, wie bei primären, sekundären und tertiären Ammoniumionen, erfolgen kann. Die positiven Ladungen der Ammoniumgruppen sind durch Hydroxid-Ionen neutralisiert, diese können gegen die Anionen in Lösung ausgetauscht werden.

Schleife (Loop) wird mit Probe gefüllt (Load-Position) Schleife wird vom Eluenten durchspült Schleife

Eluent in Eluent out

Probe in Probe out


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Carbonsäuregruppen sind (R-COOH) schwache Kationenaustauschergruppen, die nur bei höheren pH-Werten deprotoniert vorliegen, während die stark sauren Sulfonsäuregruppen (R-SO3H) stets vollständig deprotoniert und damit in ihrer Kapazität unabhängig vom pH-Wert des Eluenten sind.

Abb. 2.5: A) Funktionalisierung von Silicagel zum Anionenaustauscher

B) Funktionalisierung von Methacrylsäure mit Divinylbenzol zum Methacrylat- Divinylbenzol-Copolymer

Die chromatographische Trennung wird ebenfalls durch die Wahl des Eluenten beeinflusst. Zu beachten sind dabei u.a. folgende Parameter [10]:

- Kompatibilität mit der Detektionsmethode - pH-Wert - chemische Natur und Konzentration des Eluentenions - Erzielung kurzer, aber ausreichender Retentionszeiten

Die Detektion in der Ionenchromatographie kann auf vielfältigste Weise, z.B. ampereme-trisch, potentiometrisch und spektroskopisch erfolgen. Der universellste und gebräuchlichste Detektor für die IC, der auch in der vorliegenden Arbeit Verwendung fand, ist der Leitfähig-keitsdetektor. Zu den Vorteilen der konduktometrischen Detektion zählen u.a. ein großer An-wendungsbereich, hohe Empfindlichkeit, niedrige Kosten und einfache Handhabung. Mess-technisch wird die Leitfähigkeit einer Lösung κ [S cm-1] als Kehrwert des Widerstands der Lösung zwischen zwei Elektroden mit der Fläche A und den Elektrodenabstand L erfasst [8] (Gl. 2.11).

RAL⋅

=κ (Gl. 2.11)


11

Die Leitfähigkeit eines Elektrolyten setzt sich aus der Summe der Ionenleitfähigkeiten Λ+Kation

und Λ-Anion zusammen, wobei Λ die Äquivalentleitfähigkeit ist

)( KationAnionc +− Λ+Λ=κ mit cκ

=Λ (Gl. 2.12)

Bei der Detektion wird die Änderung der Leitfähigkeit Δκ durch den Analyten gemessen und diese ist proportional zu seiner Konzentration im Eluat. Der Faktor 1000 resultiert daraus, dass ein Liter gleich 1000 cm3 entspricht.

1000)( SES cΛ−Λ

=Δκ (Gl. 2.13)

ΛS: Äquivalentleitfähigkeit des Analytions ΛE: Äquivalentleitfähigkeit des Eluentions CS: Konzentration des Analytions im Eluat Die Detektion des Eluats kann entweder direkt oder nach Durchlaufen eines Suppressors er-folgen. In Abb. 2.3 ist der Aufbau eines Ionenchromatographen mit direkter Detektion oder Einsäulentechnik skizziert. Diese Variante wird ohne Suppression („non-suppressed“ IC) betrieben. Um das Problem der hohen Grundleitfähigkeit des Eluenten zu umgehen, verwen-det man niederkapazitive Anionenaustauscher. Dadurch ist es möglich, Eluenten mit relativ geringer Eigenleitfähigkeit, aber sehr hoher Elutionskraft einzusetzen. Die aromatischen Car-bonsäuren und ihre Salze, wie Phthalsäure und Salicylsäure, zählen zu der wichtigsten Ver-bindungsklasse dieser Eluenten. Bei der Kationenchromatographie ohne Suppression werden neben verdünnten Mineralsäuren (z.B. HCL oder HNO3), schwache organische Säuren und ggf. Komplexbildner zur selektiven Beeinflussung der Retentionszeit einzelner Kationen ver-wendet. Als organische Säuren werden in der Regel Oxalsäure, Citronensäure und Weinsäure und als Komplexbildner 2,6-Pyridindicarbonsäure (Dipicolinsäure) und Kronether genutzt. Die direkte Leitfähigkeitsmessung bietet sich auch bei einer hohen Eluentenleitfähigkeit und einer wesentlich geringeren Leitfähigkeit des Analyten an. Die erzeugten negativen Peaks las-sen sich durch Umpolung des Detektors oder einfache Invertierung in üblichen Chromato-grammen darstellen [8]. Die Ionenchromatographie mit chemischer Suppression unterdrückt die hohe Grundleit-fähigkeit durch chemische Umsetzung des Eluenten in eine Form mit geringer Leitfähigkeit. Das geschieht traditionell mit einer der Trennsäule nachgeschalteten Suppressorsäule (Zwei-säulentechnik). Für die Anionenanalyse wird ein stark saurer Kationenaustauscher in Wasser-stoffform und für die Kationenanalyse ein stark basischer Anionenaustauscher in Hydroxid-form zur Suppression eingesetzt (2.3-2.6). Am Beispiel der Anionenanalyse von Chlorid mit einem Natriumhydrogencarbonat-Eluenten lässt sich dieses Verfahren wie folgt erläutern. Der


12

NaHCO3-Eluent wird gemäß Gleichung 3 neutralisiert und somit die Eigenleitfähigkeit des Eluenten drastisch reduziert. Das Analytion Chlorid erfährt keine Veränderung, jedoch sein Gegenion Na+ wird gegen das Wasserstoffion ausgetauscht. Da das Wasserstoffion eine deut-lich größere Äquivalentleitfähigkeit besitzt als das Natriumion und der Detektor die Summe der Leitfähigkeiten von Analyt- und Gegenion bestimmt, ergibt sich aus beiden Reaktionen ein Empfindlichkeitsgewinn [8]. I. Beispiel: Cl-Anion in Na+ HCO3--Eluenten, Suppression mit Kationenaustauscher

II. Beispiel: K-Kation in H+Cl—Eluenten, Suppression mit Anionenaustauscher

Die chemische Unterdrückung der Eigenleitfähigkeit ist nur bei wenigen Eluenten gegeben, somit schränkt sich die Auswahl dieser stark ein. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Suppres-sorsäulen regelmäßig regeneriert werden müssen, wenn die Konzentration an Austauscher-ionen (H+ oder OH-) zu gering wird. Daher werden heute überwiegend kontinuierlich arbei-tende Membransuppressoren (Abb. 2.6A) eingesetzt. Der Eluentenstrom ist dabei von zwei Austauschermembranen umgeben, die je nach Bestimmung die H+ oder OH- Ionen liefern. Die Austauschermembranen werden kontinuierlich durch das im Gegenstrom fließende Re-generierungsmittel in Form einer Säure, bzw. Base erneuert [11]. Für die Kationenchromato-graphie nutzt man Ammoniak und bei der Anionenchromatographie wird verdünnte Schwe-felsäure als Regenerationslösung verwendet. Eine Alternative bietet die Firma Metrohm an [8]. Der Aufbau (Abb. 2.6B) besteht aus drei gleichartigen Suppressorsäulen, die sich auf einem rotierenden Revolverkopf befinden. Während eine Säule als Suppressor dient, wird die zweite regeneriert und die dritte mit Reinstwasser gespült. Durch Rotation der Säulen nach jeder Analyse wird eine Erschöpfung der Säulen verhindert und ein kontinuierlicher Suppressorbetrieb ermöglicht.

Eluent: R-SO3- H+ + Na+ + HCO3

- R-SO3- Na+ + H2O + CO2 (2.3)

Analyt: R-SO3- H+ + Na+ + Cl- R-SO3

- Na+ + H+ + Cl- (2.4)

Eluent: R-NR3+ OH- + H+ + Cl- R-NR3

+ Cl- + H2O (2.5) Analyt: R- NR3

+ OH- + K+ + Cl- R-NR3+ Cl- + K+ + OH- (2.6)


13

A) B)

Abb. 2.6: A) Aufbau eines Membransuppressors B) kontinuierlich arbeitendes Suppressorsäu

lensystems [8]

Kapitel 3 Probenvorbereitung

14

3 Probenvorbereitung 3.1 Notwendigkeit und Effizienz Durch einen rasanten Entwicklungsprozess in den letzten Jahren stehen dem Analytiker eine Reihe von empfindlichen instrumentellen Analytikgeräten zur Verfügung. Dabei wurde der Probenvorbereitung mit ihren vielen Fehlerquellen, aber auch ihren Möglichkeiten, u.a. die Selektivität und Empfindlichkeit einer Bestimmungsmethode zu beeinflussen, wenig Auf-merksamkeit geschenkt [1]. Das gilt besonders im Hinblick auf automatisierte, preiswerte mit unterschiedlichsten Detektoren und Bestimmungsmethoden kompatiblen kommerziell erhält-lichen Systemen. Ziele und Notwendigkeit der Probenvorbereitung im allgemeinen Analysen-prozess und für die Chromatographie im besonderem, sollen in diesem Kapitel aufgezeigt werden. Die Durchführung einer Analyse bestehen aus folgenden Teilschritten [12]: • Definition der Aufgabenstellung / Analyseplanung • Probennahme • Probenvorbereitung • Bestimmung / Messung • Bewertung des Ergebnisses in Bezug auf die Aufgabenstellung So gesehen scheint die Probenvorbereitung ein Schritt unter vielen zu sein. Doch wie in Abbildung 3.1 zu sehen ist, muss meist über 60 % der Analysenzeit für diesen Arbeitsschritt aufgewendet werden.

Analyse6% Daten-Management

27%

Probennahme6%

Probenvorbereitung61%

Abb. 3.1: Zeitaufteilung für die Analyse einer Probe [1]


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Ziel der Probenvorbereitung ist es, eine optimale weitgehend störungsfreie Bestimmung des Analyten zu ermöglichen. Dazu gehören u.a.: • Homogenisierung (z.B. Zerkleinern, Lösen) • Überführung der Probe in eine geeignete Form zur Bestimmung (z.B. Lösen, evtl. Auf

schluss bei schwerlöslichen Proben) • Isolieren des Analyten aus seiner Matrix (z.B. Destillieren, Filtrieren) • Einstellung der optimalen Konzentration (Verdünnen oder Anreichern) Neben dem hohen Zeit- und Arbeitsaufwand, den diese Schritte benötigen, ist die Frage nach den Fehlerquellen, die diese oft manuell durchgeführten Methoden mit sich führen, entschei-dend. Selbst bei einfach erscheinenden Arbeitsschritten, wie Filtration oder Probenverdün-nung, werden Fehler gemacht, die die Richtigkeit und Präzision der Analysenergebnisse stark beeinflussen [13]. Rolle der Probenvorbereitung in der Chromatographie Die Zeitschrift „LC-GC“ führte in den letzten Jahren Umfragen innerhalb einer repräsen-tativen Anwendergruppe (ca. 1000 Leser dieser Zeitschrift) durch [14-19]. Die Ergebnisse dieser Studien werden im Folgenden zusammenfassend betrachtet, um Probleme und Trends deutlich zu machen. Probensorten Zu den am häufigsten analysierten Proben gehören Medikamente, organische Chemikalien, tierisches und biologisches Gewebe, Abwasser (s. Abb. 3.2). In Folge der stark anwachsenden Genforschung ist ein Anstieg an biologischen und tierischen Gewebe und Körperflüssigkeiten als Probenmaterial im Vergleich zu früheren Studien zu verzeichnen. Wenn man die umwelt-analytischen Probentypen, wie Wasser, Luft, Boden, Sediment etc., zusammenfassen würde, führten sie diese Liste an. Nach dem Aggregatzustand der Proben befragt, gaben von den Um-frageteilnehmern 78 % an mit Flüssigkeiten, 67 % mit Feststoffen, 21 % mit Gasen und 20 % mit Gelen oder halbfesten Substanzen zu arbeiten. Wobei viele von den Befragten mit mehr als einem Probenzustand zu tun haben. Die meisten der aufgeführten Substanzen bedürfen ei-ner intensiven Probenvorbereitung vor der Detektion mit der Chromatographie. Die Vielfalt und Komplexität an Probenmaterial, die mit Zunahme des biologischen Materials noch wächst, erschwert den Einsatz von möglichst einfachen automatisierten universelleinsetzbaren (für verschiedene Probenmaterialien) Probenvorbehandlungstechniken.


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Abb. 3.2: Die am häufigsten chromatographisch analysierten Probensorten [13] Probenvorbereitungstechniken In Abb. 3.3 sind die am häufigsten unter den Befragungsteilnehmern verwendeten Probenvor-bereitungsmethoden dargestellt. Einige Vorbereitungstechniken sind zwar nicht so verbreitet, wie z.B. Zellaufschluss, Lypophilisation, Dialyse und Ultrafiltration, aber in Laboren, die mit biologischem Material arbeiten, oft nicht mehr wegzudenken. Wobei in dieser Auflistung nicht berücksichtigt wurde, dass einige durchaus sinnvolle und effiziente Techniken zur Pro-benvorbereitung gar nicht oder nur von wenigen Firmen angeboten werden. Die meisten der in Abb. 3.3 dargestellten Techniken stimmen mit früheren Studien [16, 17] mit nur geringen Abweichungen in der relativen Häufigkeit der Anwendungen überein. Ultraschall ist eine Technik, deren Gebrauch stark zugenommen hat. Ultraschallextraktion wird oft bei Umwelt-feststoffen (wie Boden, Klärschlamm und Sediment) eingesetzt und ist u.a. eine vorgeschla-gene Methode der Umweltschutzbehörde (EPA) der USA [20]. Im Vergleich zur 96’er Studie sind einige neuere Extraktionsmethoden erschienen, so die beschleunigte Lösemittelextraktion (Pressurized Solvent Extraction PSE) [21]. Wobei Mikrowellenunterstützte Extraktion [22] und PSE wesentlich schneller sind im Verhältnis zu den klassischen Festextraktionen. Von den Umfrageteilnehmern nutzen mehr als 50 % zwei oder mehr Vorbereitungstechniken pro Probe, 5 % nutzen sogar 7 oder mehr Techniken pro Probe. Letzteres könnte ein Indiz darstel-len für die Komplexität der zu analysierenden Proben. Man kann davon ausgehen, dass durch-schnittlich jeder der Befragten drei Probenvorbereitungstechniken pro Probe anwendet. Eine typische Abfolge für eine flüssige Probe könnte z.B. eine Nutzung der Flüssig/ Flüssig-Ex-traktion und Evaporation zur Trocknung der gesammelten Analytlösung, gefolgt vom Wieder-lösen in einem geeigneten Solvent sein. Eine klare und optimierte Probenvorbereitungsstrate-gie ist notwendig, um die Anzahl der Schritte zu reduzieren, da jeder Schritt zusätzliche Zeit und eine potentielle Fehlerquelle darstellt [14].


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Probenanzahl In einer früheren Studie [18] gaben 51,8 % der Befragten an, dass ihre Probenmengen gleich bleiben würden. Die Resultate der neueren Studie [19] zeigen einen andersartigen Trend. Ge-nerell lässt sich formulieren, dass die Anzahl der Proben pro Gerät und Woche um ca. 7 % zu-genommen haben. Wobei bei weniger als 20 Proben pro Gerät und Woche eine Steigerung von 4 % und bei weniger als 100 Proben eine Verringerung von 2 % auftrat. Aber bei mehr als 100 Proben war ein Zuwachs von 17 % zu verzeichnen. Zu ähnlichen Ergebnissen kam auch eine pharmazeutische Studie [23] unter den entsprechenden Anwendern. Einerseits sollte eine gesteigerte Probenmenge den Wunsch nach Automatisierung fördern, andererseits ist zu beachten, dass 33,2 % der Befragten weniger als 20 Proben pro Woche und Gerät zu bearbei-ten haben (weiterführendes dazu unter Automatisierung).

Abb. 3.3: Die derzeitig verwendeten Probenvorbereitungstechniken [19] Probevolumen Für flüssige Proben kann das Anfangsvolumen stark variieren, so z.B. organisch verunrei-nigende Stoffe im Wasser. Hier ist die Probenmenge ein Liter, aber die organischen Verbin-


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dungen müssen vor der Analyse separiert und angereichert werden. Bei Blutproben von Neu-geborenen und winzigen Säugetieren hingegen können Volumen von weniger als 0,5 ml auf-treten. Während der Anteil der großen Probenvolumina (größer als 100 ml) nahezu gleich ge-blieben ist, ist der Anteil mit einem totalen Probevolumen von weniger als 1 ml drastisch ge-stiegen. Insgesamt ergab die Studie, dass die Anfangsvolumina von flüssigen Proben abneh-men. Das Benutzen kleinerer Volumina könnte u.a. auf den Empfindlichkeitsanstieg der ana-lytischen Instrumente hinweisen, dies erfordert einen kleineren Betrag an Probe, um eine adä-quate analytische Messung zu gewährleisten. Feste Proben müssen zuerst in eine flüssige Form überführt, oder die löslichen Bestandteile vom unlöslichen Feststoff extrahiert werden. Die Anfangsprobenmassen liegen laut Umfrage zwischen 50 mg bis 50 g totaler Probe. Hier ist kein besonderer Trend der Probenabnahme oder –zunahme zu erkennen. Der Nutzen vieler Probenvorbereitungstechniken für die Chromatographie liegt in ihrer Fä-higkeit, die Probe vor der Injektion anzureichern. Das typische Probenvolumen vor der Injek-tion nach der Anreicherung lag bei 25 % der Befragten bei weniger als 1 ml, 1-2 ml (27 %), 3-10 ml (29 %) und mehr als 10 ml (19 %). Natürlich ist das tatsächlich in den Chromatogra-phen zu injizierende Volumen abhängig von der Analytkonzentration der vorbereiteten Probe. Probenkonzentration Die Ausgangskonzentration der Proben unter 1 mg L-1 ist von 33 % auf 47 % und unter 1 µg L-1 von 3,7 % auf 10 % der Befragten angestiegen. Auf diese Art, so scheint es, fallen immer mehr Proben in die Kategorie der Spurenanalytik. Eine optimierte Probenvorbereitung ist für diese geringen Konzentrationen entscheidend. So muss sichergestellt werden, dass kein Probenverlust auftritt, z.B. durch Absorption an den Gefäßwänden, durch Verdunstung oder Oxidation. Hohe Anreicherungsfaktoren sind für die Probenvorbereitung notwendig (u.a. mit-tels Mikroextraktion o. SPE [24]) und empfindliche Detektoren, wie die Massenspektrometrie in der HPLC, können genutzt werden. Mithilfe chemischer Derivatisierungsreaktionen gelingt es oft Substanzen chromatographisch analysierbar zu machen, um selbst geringste Mengen hoch spezifisch bestimmen zu können, da sich mittels Derivatisierung sowohl die Trennung als auch die Detektierbarkeit verbessern lassen. Automatisierung Mit den oben dokumentierten gesteigerten Probenmengen könnte man vermuten, dass sich mehr Befragte der Automatisierung zuwenden würden. Doch der Anteil der verwendeten Automatisierung ist im Vergleich zu früheren Studien gleich geblieben. Von jenen, die keine automatisierten Probenvorbereitungsmethoden nutzen, erklärten 34 %, ihr Probendurchsatz würde keine Automatisierung rechtfertigen. Wenn man bedenkt, dass 60 % der Befragten durchschnittlich weniger als 8 Proben pro Tag und Instrument bearbeiten, ist diese Antwort nicht überraschend. Fast ein Drittel der Befragten betrachten Automatisierung als unnötig, nur 5,8 % gaben an, die automatisierte Probenvorbereitung zu nutzen oder ihren Einsatz in den


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nächsten 12 Monaten zu planen. Von jenen Studienteilnehmern, die eine automatisierte Instrumentation nutzen, gaben 43 % an, Autosampler zu nutzen. Genaugenommen ermög-lichen diese genutzten Geräte eine direkte Injektion der Probe in den Chromatographen, führen aber keine Probenvorbereitung durch. Einige Autosampler haben eine beschränkte Pro-benvorbereitungsfähigkeit, aber im Vergleich zu früheren Studien ist eine leichte Verunsiche-rung in ihrer Verwendung zu beobachten. Laborroboter, die viele manuelle Aufgaben automa-tisieren können, finden vor allen Dingen in Laboren mit hohen Probendurchsatz ihre Anwen-dung. Die Verwendung dieser Laborroboter ist im Vergleich zu 1996 um 50 % zurückge-gangen. Viele Benutzer haben festgestellt, die Integration des Roboters in ihren automatischen Analysenablauf benötigt mehr Aufmerksamkeit und Instandhaltung als sie erwartet hatten. Aber es wurde ein merkliches Anwachsen bei der Verwendung automatisierter Flüssigbear-beitungs-Systeme verzeichnet, wie die sogenannten xyz-Geräte [25]. Viele dieser Geräte, die früher zur Flüssigprobenvorbereitung dienten, wurden an andere Probenvorbereitungstech-niken angepasst, wie z.B. SPE, Solventevaporation und Filtration. Ein anderes Gebiet der Au-tomatisierung ist die Verwendung von Probenvorbereitungs-Arbeitsstationen. Ein Beispiel hierfür ist u.a. die beschleunigte Lösemittelextraktion (PSE). Probleme in der Probenvorbereitung Die Fehlerquellen, die im Analysenprozess mit der Chromatographie auftreten, sind in Abb. 3.4 dargestellt. Die Probenvorbereitung liegt mit 30 % eindeutig an erster Stelle. Auch die Fehlerquellen Kontamination und Benutzer sind zu einem großen Anteil der Probenvorbe-reitung zuzurechnen. Mit jedem zusätzlichen Arbeitschritt bei der Probenvorbereitung erhöht sich die Gefahr der Kontamination der Probe. Ebenso, wie sich die Gefahr von Fehlern durch den Anwender erhöht, besonders durch viele aufwendige manuelle Probenbearbeitungs-schritte.

0 5 10 15 20 25 30 35

Verteilung der entstehenden Fehler während der Probenanalyse [%]

Probenbehandlung

Benutzer

Säulen

Kalibration

Apparative Aspekte

Chromatographie

Peak-Integration

Probenüberführung

Kontamination

Abb. 3.4: Fehlerquellen im Analysenprozess [1] Die in Abb. 3.5 aufgeführten zu optimierenden Parameter bzgl. der Probenvorbereitung zei-gen noch einmal deutlich den Zeitfaktor an erster Stelle. Probenverlust, Kontamination und die daraus folgende fehlende Reproduzierbarkeit stellen neben dem Zeitfaktor die größten


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Probleme in der Probenvorbereitung dar. Die Präzision, die mit der chromatographischen Analyse und der entsprechenden Probenvorbereitung erreicht werden kann, wurde von den meisten Anwendern mit Werten zwischen 0,5 und 3,0 % relative Standardabweichung (RSD) angegeben. Wobei die Präzision je nach Probenvorbereitungsmethode und Anzahl der notwendigen Arbeitsschritte stark schwankt und somit über einen relativ weiten Bereich variiert.

0 10 20 30 40 50 60

Befragte Anwender [%]

Zeit

Probenverlust durch Analyse

Kontamination

Fehlende Reproduzierbarkeit

Kosten

Interpretation der Ergebnisse

Andere Probleme

Keine Probleme

Abb. 3.5: Zu optimierende Parameter bzgl. der Probenvorbereitung Zusammenfassung Dass die Automatisierung ein notwendiger, jedoch nicht von allen Anwendern erkannter, Schritt sein muss, ergibt sich aus den vorangegangen Zahlen und Fakten der Untersuchungen. Zum einen wäre da der sehr große Zeitfaktor, den die Probenvorbereitung auch schon bei wenigen Proben benötigt. Dann hat die Probenanzahl zugenommen. Für flüssige Proben ist das verfügbare Anfangsvolumen reduziert und die Analytkonzentrationen in diesen kleineren Volumina haben ebenfalls abgenommen. Die hohe Anzahl an verschiedenen Probenvorbe-reitungsschritten für eine Probe und dass sich damit vergrößernde Risiko der Kontamination und der Anwenderfehler, können durch Automatisierung reduziert werden. Nach den Studien sind Autosampler mit ihrer höchst eingeschränkten Fähigkeit zur Probenvorbereitung und Laborroboter, mit ihren teuren Anschaffungs- und Instandhaltungskosten, nur für wenige An-wender geeignet. Das Argument der Anwender, für einen geringen Probendurchsatz lohne sich eine automatisierte Probenvorbereitung nicht, ist in Hinsicht der Verwendung von Auto-samplern und Laborrobotern verständlich. Andererseits treten die oben genannten Probleme, wie Kontamination, Anwenderfehler, viele manuelle Arbeitsschritte etc. und daraus resul-tierende Fehler, unabhängig von der Probenanzahl auf. Notwendig scheint ein Baukasten-system zu sein, dass je nach notwendigen Probenvorbereitungsschritten einfach erweiterbar ist und sich leicht mit den unterschiedlichsten Detektoren koppeln lässt. Ein System, in das sich leicht verschiedene Probenvorbereitungsschritte, wie z.B. Extraktion, Filtration, Matrixabtren-


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nung und Anreicherung integrieren lassen, ist die Fließinjektionsanalyse (FIA). Die Mem-branvorbereitungstechnik, u.a. die Dialyse zur Anreicherung von Flüssigproben, sahen viele der befragten Anwender der Studie [19] als zukünftig mehr zu nutzende Probenvorbereitungs-methode an. So bietet sich die Integration der Membrantechniken in ein Fließsystem für verschiedene Probenvorbereitungsschritte, gekoppelt mit dem jeweiligen Detektor, als eine preiswerte, robuste, leicht erweiterbare und automatisierbare Methode an.


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3.2 Membrangestützte Probenvorbereitung 3.2.1 Membranen Die ursprüngliche griechische Bedeutung des Wortes Membran ist „dünne Haut“. Die Perfek-tion der Natur mit ihren höchst anpassungsfähigen und selektiven Membransystemen kann als Vorbild für die Entwicklung neuer Membranen und ihren Anwendungen dienen. So bestehen biologische Membranen bei einer Dicke von 5-10 nm, grob betrachtet, aus drei Schichten: Protein –Lipid –Protein. Wobei die Proteine hydrophil sind, und die Membranlipide aus zwei langen hydrophoben Fettsäureketten mit polaren Kopfgruppen bestehen. Letztere bilden die so genannten Lipid-Doppelschichten, bei denen sich die hydrophoben Anteile der Moleküle gegenüberstehen. Die Membrantypen unterscheiden sich durch die stoffliche Zusammenset-zung und der räumlichen Anordnung ihrer Bausteine. Biologische Membranen können ihre Zusammensetzung in Abhängigkeit vom umgebenden Milieu (z.B. pH-Wert) ändern [26]. Der Stofftransport durch natürliche Membranen ist je nach Zellfunktion höchst selektiv. So wer-den z.B. aus dem Primärharn in den Nierenzellen für den Körper wichtige, in Wasser gelöste verwendbare Substanzen (wie Glukose, Salze) wieder in den Blutkreislauf zurückgeführt, während mit dem Harn Gifte, Harnstoff, Kreatinin etc. ausgeschieden werden. Man muss die Vorgänge in der Natur, die Membranzusammensetzungen und die ablaufenden Separationsvorgänge, verstehen, und dieses Wissen durch einen effektiven Einsatz von Mem-branen in der chemischen Analytik, der Medizin und in verfahrenstechnischen Prozessen um-setzen. Im Umkehrschluss erweitert sich auch durch zunehmende Erkenntnisse bei der Ver-wendung von Membranen das Verständnis von natürlichen Membranprozessen. 3.2.1.1 Historischer Überblick Mit den Versuchen von Abbe Nollet (1748) begann die historische Entwicklung der Mem-branseparationstechnik. Ihm gelang die Anreicherung von Alkohol in einem Alkohol-Wasser-Gemisch über eine Schweinsblase, die er als Membran nutzte [27]. Die Beobachtung, dass Polymere gaspermeabel sind, machte 1830 Mitchell. Er stellte fest, dass mit Wasserstoff ge-füllte Naturkautschukballons ihren Inhalt langsam verlieren [28]. Mattheucci und Cima er-kannten 1845 die anisotrope (Richtungsabhängigkeit physikalischer Eigenschaften) Natur von Membranen [29]. Fick untersuchte 1855 die Gasdiffusion durch Cellulosenitratmembranen und beschrieb den transmembranen Stofffluss mit dem ersten Fickschen Gesetz [30, 31]. Die Permeation verschiedener Gase durch einen Naturkautschuk wurde 1866 von Graham unter-sucht. Da die Geschwindigkeiten, mit denen die Gase durch die Membran traten, nicht mit den bekannten Gasdiffusionskonstanten korrelierten, folgerte er, dass die Löslichkeit der Gase in der Membran von entscheidender Bedeutung ist. Er entwickelte das Lösungs-Diffusions-Modell, dieses Prinzip dient bis heute der makroskopischen Beschreibung des Stofftransports


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über nichtporöse Membranen [32]. Die Erscheinung der Osmose wurde erstmals 1877 von Pfeiffer nach einem von Traube 1867 vorgeschlagenen Prinzip (Traubesche o. Pfeiffersche-Zelle) quantitativ erfasst. Bei der Pfeifferschen-Zelle wird die Membran erzeugt, indem ein mit Kupfersulfat-Lösung gefüllter Tonzylinder in eine Lösung gelben Blutlaugensalzes ge-stellt wird. Die semipermeable Membran entsteht bei Kontakt beider Lösungen in den Poren des Tonzylinders [33]. Bechold entwickelte 1907 Cellulosemembranen mit kontrollierter Po-rengröße und er beobachtete, dass durch das Anlegen von Druck der Transmembranfluss er-höht wird. Der Prozess der Ultrafiltration wurde durch ihn benannt [34]. Die Firma Sartorius fertigte erstmals 1927 industriell Membranen; einen maßgeblichen Anteil daran hatte der Chemie-Nobelpreisträger Richard Zsigmondy. Dieser entwickelte zusammen mit Bachmann 1916 Membran- und Ultrafeinfilter und die dazu gehörenden Ultrafiltrationsgeräte [35]. W. Thalheimer stellte 1938 erstmalig in einem speziellen Verfahren aus regenerierter Cellulose eine transparente Folie her. Mit diesem so genannten Cellophan als semipermeabler Membran begann die Ära der Entwicklung leistungsfähiger Dialysatoren (u.a. für die Hämodialyse) [36]. Ein weiterer Durchbruch gelang Loeb und Sourirajan [37, 38] mit der Entwicklung von asym-metrischen Membranen. Diese bestehen im Gegensatz zu symmetrischen Membranen, aus einer dünnen trennaktiven Schicht (bis 0,5 µm) und zum überwiegenden Teil aus einer höherporösen Trägermatrix. Die hohe Permeatstromdichte dieser Membran fand ihren Einsatz u.a. im Entsalzungsprozess und verdrängte damit andere energieaufwendigere traditionelle Verfahren. Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet dieser Membranen ist die Abtrennung von Wasserstoff aus den Produktgasströmen der Ammoniak- und Oxo-Synthese [39]. Die Entwicklung von Membranen für Probenvorbereitung, Industrie, Medizin, Umweltver-fahren etc. wird auch in Zukunft ein wichtiges Forschungsgebiet sein, da gegenüber her-kömmlichen Trennverfahren (z.B. Destillation) u.a. ein deutlich geringerer Energieaufwand nötig ist. Lösungsmittelaufwendige Extraktionen können durch Membranverfahren ersetzt werden, damit entfällt die zeit- und kostenaufwendige Entfernung, Aufarbeitung und Entsor-gung von Lösungsmitteln. Und nicht zuletzt ermöglicht die steigende Selektivität der Mem-branen viele Trennprozesse erst.


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3.2.1.2 Unterteilung von Membranen und Applikationen Die Anwendungsgebiete von Membranverfahren sind vielfältig. Ein grober Überblick an Ap-plikationen für verschiedene Einsatzgebiete, soll an folgenden Beispielen gegeben werden. • Probenvorbereitung [40-62] • Pharmaindustrie/ Biotechnologie (Reinigung von Fermentationsprodukten) [63-73] • Wasseraufbereitung und Abwasserbehandlung [74-81] • Medizin/ Pharmaindustrie (Dialyse [82-85], in vivo Untersuchungen mittels Mikrodialyse

[86-90]) Entsprechend der IUPAC-Empfehlung ist eine Membran „eine Struktur, deren seitliche Di-mensionen wesentlich größer sind als ihre Dicke. Durch verschiedene Antriebskräfte kann durch sie ein Massentransfer auftreten“. Dieser Definition folgend, kann eine Kategorisierung von Membranen durchgeführt werden nach: - dem Ursprung des Materials (biologisch oder synthetisch) - der Struktur (porös oder nichtporös) - den chemischen Eigenschaften (wie polar, unpolar, hydrophil, hydrophob) - nach der Antriebskraft des Massentransfers über die Membran (Druck-,

Konzentrationsunterschiede und Potentialdifferenz) - der Morphologie der Membran - der Dicke der Membran Die chemische Zusammensetzung und die Morphologie der Membran sind die entscheiden-den Faktoren, die die Selektivität des Membrantransfers bestimmen. Eine Unterscheidung in poröse und nichtporöse Membranen ist sinnvoll, da diese zwei Membranstrukturen mit unter-schiedlichen Trennmechanismen verbunden sind. Unterscheidungsmerkmale, nach denen Membranen klassifiziert werden können, sind in Abb. 3.6 dargestellt. Der Begriff der Semi-permeabilität, welcher eng verknüpft ist mit der Selektivität; kennzeichnet eine Membran als Grenze zwischen zwei Phasen, die bestimmten Verbindungen den Übergang ermöglicht, wäh-rend andere Komponenten zurück gehalten werden, oder ein Membranübergang ganz verhin-dert wird. Flüssigmembranen sind homogen und die Selektivität wird einzig durch die Beschaffenheit der Membran bestimmt. Der Separationsmechanismus ist eine kombinierte Flüssig/ Flüssig-Extraktion und Rückextraktion, die simultan an beiden Seiten der Membran mit den kontak-tierenden benachbarten flüssigen Schichten stattfindet [43]. Gasmembranen sind ebenfalls homogen. Wobei das Separationsvermögen mit der Flüchtig-keit des Analyten aus der Probenphase in die Gasphase und den Adsorptionseigenschaften der Akzeptorflüssigkeit verbunden ist. Die Gasphase selbst trägt nicht zur Selektivität bei. In vielen Arbeiten findet eine Unterteilung von Membranen nach symmetrischen und asym-metrischen Membranen statt. Symmetrische Membranen weisen über die ganze Mem-


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brandicke den gleichen Aufbau bzw. die gleiche Porengröße auf, während asymmetrische Membranen meist aus einer dünnen selektiven Schicht, auch aktive Schicht genannt, und einer porösen Stützschicht bestehen. Bei asymmetrischen Membranen durchdringt der Analyt die Membran von der einen Seite leichter als von der anderen. Der Vorteil asymmetrischer Membranen mit ihrer dünnen aktiven Schicht ergibt sich u.a. daraus, dass der Stofffluss einer Komponente über die Membran umgekehrt proportional zur Dicke der stofftrennenden selek-tiven Schicht ist. Bei der gewählten Unterteilung soll die aktive Schicht der Membran als Kri-terium zur Kategorisierung verwandt werden.

Abb. 3.6: Unterscheidungsmerkmale von Membranen Poröse Membranen Poröse Membranen besitzen mehr oder weniger regelmäßige Kanäle innerhalb ihrer Struktur (siehe Abb. 3.7). Für grobe Filtrationen liegt die Porengröße etwa bei 10 bis 100 µm. Im Be-reich von einigen Zehntel Mikrometer Porengröße erfolgt die Mikrofiltration, so ist z.B. 0,45 µm eine häufig verwendete Größe zur Mikrofiltration von Wasser. Grundsätzlich kann zwischen zwei Membranseparationsmodellen unterschieden werden. Das eine beruht auf dem Größenausschluss (konvektiver Transport) und das andere auf dem Lö-sungs-Diffusions-Mechanismus (diffuser Transport). Die Separation mit porösen Membranen,


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idealisiert als reine Porenmembranen, verläuft nach dem Größenausschlussprinzip (oder Sieb-modell), dabei werden Partikel oder Makromoleküle, die größer als die Porenöffnung sind, zurückgehalten, während kleinere die Membran passieren können. a) b)

Abb. 3.7: a) schematische Darstellung und b) elektronenmikroskopische Aufnahme einer po-

rösen Membran [91] Die Porosität einer Membran und die damit zusammenhängende Porengröße wird mit dem Porendurchmesser in µm angegeben. Eine weitere Unterteilung erfolgt nach der Molekülaus-schlussgrenze („molecular weight cutoff“, MWCO) in Dalton [D]. Er wird definiert als die minimale Molekülmasse, welche durch die Membran zurückgehalten wird. Dieser Wert ist nicht als Absolutwert anzusehen, neben den Faktoren Faltung und Ladung haben auch Inter-aktionen der Moleküle mit der Membran und die chemische Umgebung Einfluss auf das Trennverhalten einer Membran. Aus diesen Gründen kann ein Trennproblem nur empirisch gelöst werden. Das Rückhaltevermögen einer Membran muss also experimentell bestimmt werden (siehe Abb. 3.8). Je homogener die Porengrößen einer Membran sind, desto schärfer ist die Trenngrenze zwischen zurückgehaltenen und die Membran passierenden Molekülen. Für unterschiedliche Membranqualitäten ist der Verlauf der Ausschlussgrenzen in Abb. 3.9 dargestellt. Wobei die Kurve mit dem idealen Cutoff in der Praxis nicht erreichbar ist, während der scharfe Cutoff einer hochwertigen und der diffuse Cutoff einer normalen Trennmembran zugeordnet werden kann.


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Abb. 3.8: Beispiel einer experimentell bestimmten Fraktionsabscheidekurve (1 D = 1 g/mol)

[92] Abb. 3.9: Funktionen verschiedener Ausschlussgrenzen für unterschiedliche Porengrößen

homogenität

Rüc

khal

teve

rmög

en

0 200 400 600 800 1000.

0.

0.

0.

0.

0.

0.

0.

0.

0.

1.

idealer diffuser Cutoff

scharfer Cutoff

Relative Molekülmasse


28

Der Volumenstrom oder Permeatstrom beschreibt die Leistungsfähigkeit einer Membran, die neben der Selektivität zu den Trenncharakteristika einer Membran gehört. Um diesen berechnen zu können, werden folgende Annahmen gemacht [93]:

- Die Membran ist eine undurchlässige Schicht durchzogen von Poren - Die Membranstruktur wird als System parallel geschalteter Kanäle vereinfacht

Die Grundlage dafür bietet das Hagen-Poiseuillesche-Gesetz:

pl

rtVI Δ⋅=ΔΔ

=η

π8

4

(Gl. 3.1)

Wobei I der Volumenstrom über die Membran, l die Länge der Poren, r der Porendurchmesser, Δp die Druckdifferenz an den Porenöffnungen und η die dynamische Viskosität [N s m-2] ist. Man kann erkennen, dass neben der Druckdifferenz und der Viskosität des zu trennenden Me-diums, die Membrancharakteristika, wie Porenlänge und Porengröße, einen entscheidenden Einfluss auf den sich ergebenden Massenfluss über die Membran haben. Das Porenflussmo-dell [94], findet in der Theorie bei den Membranverfahren Mikrofiltration und Ultrafiltration zwar Anwendung, aber aufgrund der idealisierten Annahmen kann es nur ein Richtwert sein. So muss in der Praxis die Massenflussdichte experimentell ermittelt werden. Die Membrantrennverfahren, bei denen poröse bzw. mikroporöse Membranen eingesetzt wer-den, sind u.a. Dialyse, Mikrofiltration, Ultrafiltration. Gasdiffusion. Für viele Membranver-fahren findet man in der Literatur die unterschiedlichsten Zuordnungen zu porösen und nicht porösen, bzw. homogenen Membranen. Nach Strathmann [95] ist die Dialyse mit porösen und homogenen Membranen möglich, während der Umkehrosmose nur homogene Membranen zugeordnet werden. Wozny [96] hingegen ordnet der Dialyse nur die homogenen Membranen zu. Bei Staude [97] ist der Membrantyp für Nanofiltration, Umkehrosmose porös, und für die Dialyse sind beide Membrantypen homogen und porös möglich. Weitere Literaturstellen wie Rautenbach [98], Grassmann [94] und Kamm [99] belegen die unterschiedlichste Zuordnung von porösen und homogenen Membranen zu den entsprechenden Membranverfahren. Als erstes wäre die Frage der Definition von porösen Membranen zu klären. In vielen Veröffent-lichungen ordnet man poröse Membranen unterschiedlichen Bereichen von Porengrößen zu. Doch scheint dies nicht der entscheidende Punkt zu sein. Der Übergang von porösen und nichtporösen Membranen ist fließend im Bereich von 0,5 bis 5 nm, dem so genannten nieder-molekularen Partikelbereich (Abb. 3.10). Entsprechend gibt es für viele Membranprozesse, wie z.B. Nanofiltration, Dialyse, Umkehrosmose, Elektrodialyse, Pervaporation und Gasdif-fusion, beide Membrantypen [100, 101]. Ein anderer Aspekt ist die ständige Neuentwicklung von Membranen, vor allen Dingen von Polymermembranen, sowohl poröser als auch


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nichtporöser, mit oft verbesserter Selektivität, so dass für viele Trennverfahren immer mehr poröse und nichtporöse Membranen zur Verfügung stehen. Die Materialien, die für poröse Membranen eingesetzt werden, sind natürliche Polymere und deren Derivate, wie Cellophan (regenerierte Cellulose) und Celluloseacetat. Ebenso finden vollsynthetische Polymere, wie Polypropylen, Polytetrafluorethylen, Polycarbonat, Polyvinyl-chlorid, Polyamid, Polysulfon, Polyethersulfonamid, Polyvinylidenfluorid als poröses Mem-branmaterial ihren Einsatz. Abb. 3.10: Partikelgrößenabhängige Einsatzbereiche verschiedener Membranprozesse [94] Nichtporöse Membranen Bei einer Porengröße unterhalb von 1 nm spricht man von nichtporösen Membranen [100], sie werden auch als homogene Membranen bezeichnet, da sie überall in der Membran dieselben strukturellen Eigenschaften besitzen. Ein idealisiertes Modell (Abb. 3.11a), das den Stoff-transport durch homogene Membranen beschreibt, ist das Lösungs-Diffusions-Modell. Daher werden homogene Membranen in vielen Veröffentlichungen auch als Lösungs-Diffusions-Membranen bezeichnet. Dabei unterteilt man in drei Stofftransportschritte, als erstes erfolgt die Lösung bzw. Sorption des Analyten in die Membran, dann erfolgt die Diffusion durch die Membran und der letzte Schritt ist die Desorption aus der Membran.

Partikel-durchmesser

Partikel-bereich

Membran-verfahren

10-1 100 101 102 103 104 105 106 nm

niedermolekular makroskopisch

Mikrofiltration Ultrafiltration

NanofiltrationDialyse Umkehrosmose

ElektrodialysePervaporationGaspermeationMembrandestillation

Flüssigmembranen

makromolekular


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Zur mathematischen Beschreibung des Modells wird von folgenden Annahmen ausgegangen [102]:

- Die Membran ist ein Kontinuum. - Es herrscht ein Phasengleichgewicht an den Membranoberflächen.

Das 1. Fick’sche Gesetz beschreibt allgemein die Diffusion von Teilchen in Lösungen bei Vorliegen eines Konzentrationsgradienten:

dldcAD

dtdnJ ⋅−== (Gl. 3.2)

Dabei ist J die Diffusionsgeschwindigkeit der Stoffmenge n [mol], die in der Zeit t [s] durch ein Volumen diffundiert. Das Volumen ist durch die Fläche A [m²] und durch die Weglänge, bzw. Dicke der Membran l [m] charakterisiert. Der Konzentrationsgradient über der Membran ist dc/dl [g mol-1 m-1]. Der Diffusionskoeffizient D [m² s-1] ist ein stoffspezifischer Parameter, er ist ein Maß für das Diffusionsvermögen einer Substanz unter einem definierten Konzentra-tionsgradienten. Die Diffusion erfolgt immer vom Bereich der höheren zur niederen Konzen-tration; darauf weist das Minuszeichen in der Gleichung hin. Vereinfacht lässt sich Gleichung 3.2 für den Transport der gelösten Komponente durch die Membran wie folgt ausdrücken:

CBJ Δ⋅= (Gl. 3.3) Wobei ΔC die transmembrane Konzentrationsdifferenz und B eine Membrankonstante ist Die Membrankonstante B kann durch folgenden Quotienten angenähert werden.

lKDB

Δ⋅

= (Gl: 3.4)

Δl: Dicke der Membran, D: Diffusionskoeffizient, K: Stoffübergangskoeffizient


31

a) b)

Abb. 3.11: a) schematische Darstellung und b) elektronenmikroskopische Aufnahme einer Lösungs-Diffusions-Membran [91]

Die Trennung wird durch die Löslichkeit und den Diffusionskoeffizienten der zu separierenden Komponenten im Membranmaterial bestimmt. Es permeiert die Komponente bevorzugt durch die Membran, die eine große Löslichkeit und eine hohe Diffusionsgeschwin-digkeit im Membranmaterial aufweist. Damit können auch Komponenten gleicher Größe ge-trennt werden, ebenso ist es sogar möglich, dass größere Moleküle bevorzugt permeieren. Letzteres ist allerdings nur bei guter Löslichkeit der großen Moleküle im Membranmaterial wahrscheinlich, da der Diffusionskoeffizient wiederum eine Funktion von Größe, Form und Polarität des Analyten, Material der Membran und anderer physikalischen Systemparameter ist. Der Transfer des Analyten wird direkt vom Material der homogenen Membran beein-flusst, daher sind homogene Membranen relativ selektiv. Wie für poröse Membranen bereits ausgeführt, finden nichtporöse Membranen Anwendung bei der Nanofiltration, Dialyse, Umkehrosmose, Elektrodialyse, Pervaporation und Gasdiffu-sion. Die Membranextraktion wird mit homogenen Membranen durchgeführt, es werden da-bei polymere Membranen oder Flüssigmembranen verwendet. Es gibt zwei Arten von Flüs-sigmembranen: die trägergestützten Membranen und die Emulsionsmembranen [100], letztere bestehen aus Tröpfchen, in denen eine Aufnehmerphase enthalten ist. Bei der unterstützten Flüssigmembran (SLM-supported liquid membrane) wird die eigentliche flüssige organische Membran, naturgemäß eine nichtporöse Membran, in porösen hydrophoben Membranen durch Kapillarkräfte immobilisiert. Die typischen porösen Membranen, die als Trägermaterial fungieren, sind Polypropylen und fluorierte Polymere (PTFE, PVDF) mit einer Porengröße im Bereich von 0,05 bis 1 µm. Neben unterstützten Flüssig- und Gasmembranen zählen auch polymere Membranen zu den homogenen Membranen. Eine Diffusion durch homogene polymere Membranen kann stattfin-den, wenn ein Polymer oberhalb seiner Glasübergangstemperatur vorliegt. Erklären lässt sich dieses Phänomen mit der Theorie des freien Volumens [103]. Da diese Theorie außerhalb des Themas dieser Promotion liegt, soll es bei einer kurzen Erläuterung belassen werden. Das


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Gesamtvolumen in einem Polymer setzt sich aus dem van der Waals-Volumen der Polymer-ketten und den Leerstellen in einem Polymernetzwerk, dem sogenannten freien Volumen, zu-sammen (siehe Gleichung 3.5).

wfges VVV += (Gl. 3.5)

Vges: Gesamtvolumen im Polymer [cm³] Vf: freies Volumen [cm³] Vw: van der Waals-Volumen [cm³] Der thermische Ausdehnungskoeffizient ist oberhalb der Glasübergangstemperatur eines Polymers deutlich größer als unterhalb, dies ist gleichbedeutend mit einer stärkeren Volumen-zunahme. Da das von den Polymerketten eingenommene Volumen bei steigender Temperatur nur schwach wächst, erfolgt die Erhöhung des Gesamtvolumens also hauptsächlich durch eine Zunahme des freien Volumens. Daraus wird ersichtlich, dass die Wahrscheinlichkeit der Dif-fusion eines Moleküls durch ein Polymer oberhalb seiner Glasübergangstemperatur wächst. Das freie Volumen setzt sich aus der Summe von dem Volumen, das für die anharmonischen Schwingungen von den Polymerketten benötigt wird (interstitielles freies Volumen) und dem Volumen der Hohlräume, die diskontinuierlich im Polymer verteilt sind, zusammen (Gleichung 3.6).

iffHf VVV += (Gl. 3.6)

VfH: freies Volumen der Hohlräume [cm³] Vfi: interstitielles Volumen [cm³] Als Beispiele für polymere homogene Membranmaterialien seien hier Silikon, Latex und Nie-derdruckpolypropylen genannt. Die Zuordnung der beiden Separationsmodelle, Größenausschluss und der Lösungs-Diffusions-Mechanismus, zu porösen und nichtporösen Membranen dient dem allgemeinen Verständnis und zur Berechnung des Trennverhaltens von Membranen. Es sind idealisierte Modelle. In realen Membranen treten meist beide Trennmechanismen auf. Zusätzlich kann es u.a. zu Wechselwirkungen zwischen porösem Membranmaterial, dem Lösungsmittel und dem Analyten kommen, wie z.B. durch Adsorption oder elektrostatische Wechselwirkung. Es tritt ein sekundärer Trennungsmechanismus auf, dies kann zur Selektivität beitragen oder diese negativ beeinflussen. Ein Beispiel hierfür sind die polaren Carbonylgruppen von auf Cellulose basierenden Membranen (z.B. Celluloseacetat) für die Dialyse, die Kationen anziehen und Anionen abstoßen können. Der Sorptionsprozess von Molekülen in eine homogene polymere Membran kann infolge verschiedener spezifischer Wechselwirkungen erfolgen, z.B. durch


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Dispersionskräfte, elektrostatische Anziehung oder durch Wasserstoffbrückenbindung. Dies alles verdeutlicht die Komplexität von Membrantrennungsprozessen und damit auch die not-wendige Vereinfachung durch die Schaffung von idealisierten Modellen. Ionenaustauschermembranen Die Struktur von Ionenaustauschermembranen kann sowohl porös als auch homogen sein. Neben den oben dargestellten Modellen, Porengrößenausschluss und Lösungsdiffusions-mechanismus, ist hier vor allem die Stärke der elektrostatischen Wechselwirkung des Ana-lyten mit den ionischen Austauschgruppen der Membran für Diffusionsgeschwindigkeit und Selektivität verantwortlich. Ionenaustauschmembranen können aus 20-200 µm dicken Polymerfilmen bestehen, in denen Ladungsträger (Festionen) gebunden sind, welche zur Ladungsneutralität mobile Ionen (Ge-genionen) im Ionenaustauscher halten. Als Ausgangskomponente des Ionenaustauscher-Poly-mers können Polystyrol, Polysulfone, Polyethersulfone oder auch Polyvinylpyridin-Derivate verwendet werden. Durch eine entsprechende Funktionalisierung entstehen z.B. Copolymere mit Sulfon- oder quartären Ammoniumgruppen [104]. Bei porösen Ionenaustauschermembra-nen ist die Oberfläche des Membranmaterials auch innerhalb der Poren mit Ionenaustauscher-gruppen besetzt. Letzterer Membrantyp findet u.a. Anwendung in der aktiven Dialyse, dabei werden die Analytionen vorübergehend durch eine chemische Reaktion in das Membranma-terial eingebunden, während der Membranübergang der Gegenionen durch die gleichgela-denen Austauschergruppen verhindert wird. Das Perfluorosulfonat (Nafion®) ist ein Beispiel einer Ionenaustauschermembran, das u.a. in der Dialyse im Fließsystem verwendet wird. Die reaktiven Ionenaustauschermembranen dienen in der Probenvorbereitung der Vorkonzentra-tion von ionischen Analyten, ebenso wie zur Entfernung störender Ionen [101]. 3.2.1.3 Allgemeine Anforderungen an Membranen und limitierende Faktoren Wichtige Anforderungen an Membranen, die in der Analytik eingesetzt werden, sind eine gu-te Selektivität der Membran bezüglich des zu trennenden Analyten und daraus folgernd eine möglichst einheitliche Struktur der aktiven Membran (z.B. enge Porenverteilung) und eine gu-te Permeatleistung, was einen hohen Diffusionsquotienten des Analyten in der Membran mit einschließt. Des weiteren sollte die Membran durch eine gute mechanische, thermische und chemische Stabilität gekennzeichnet und gut verfügbar und preiswert sein. Andere Eigen-schaften der Membran, wie hydrophob oder hydrophil, porös oder homogen, sind abhängig von dem zu bestimmenden Analyten, der Probenmatrix und dementsprechend gewählten Se-parationsverfahren. Zwei limitierende oder den Membrantrennungsprozess störende Faktoren sind die Konzentra-tionspolarisation und das Fouling. Die Konzentrationspolarisation resultiert aus der Zurück-haltung von Partikeln durch die Membran und deren Akkumulation an der Membranober-


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fläche. Dabei tritt an der Membranoberfläche eine höhere Konzentration an zurückgehaltener Komponente als in der umgebenen Phase (Donorphase) auf. Es bildet sich eine oft hoch vis-kose Schicht, die einen zusätzlichen Widerstand bezüglich des Analyttransports über die Membran darstellt. Die Konzentrationspolarisation ist abhängig vom Druck, der Konzentra-tion und der Fließgeschwindigkeit der Donorphase. Der Prozess der Konzentrationspolari-sation ist reversibel, er kann rückgängig gemacht werden durch die Verringerung des trans-membranen Drucks oder der Donorkonzentration. Beim Fouling werden mit der Zeit abge-trennte Feststoffe, wie Makromoleküle und Partikel, auf oder in der Membran abgelagert. Dies führt zu einer kontinuierlichen Reduktion des erreichbaren Permeatflusses. Neben der geeigneten Wahl des Membranmaterials und einem turbulenten Strömungsprofil, ist die Rei-nigung der Membran von entscheidender Bedeutung, wobei das Fouling nur begrenzt rever-sibel ist. In Abbildung 3.12 werden die beiden beschriebenen Effekte schematisch dargestellt. Beim Arbeiten mit Membranen im Fließsystem minimiert sich die Konzentrationspolarisation und das Fouling, da der permanent fließende Donorstrom viele Partikel mitreißt und so eine Ablagerung von Partikeln einschränkt. Eine Reinigung der Membranen im Fließsystem ist sehr unkompliziert und kann als fester Zwischenschritt integriert werden.

Abb. 3.12: Verschiedene Wiederstände im Membrantrennprozess


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3.2.2 Membranseparation im Fließsystem Eine vielgenutzte Möglichkeit der Probenvorbereitung ist die Implementierung in Fließsys-teme. Zugrunde liegt dieser leicht zu automatisierenden Methode das von Ruzicka und Hansen 1975 [105] entwickelte Konzept der Fließinjektionsanalyse (FIA-Flow Injection Ana-lysis). Das Prinzip der FIA wird in der Analytischen Chemie als universelle Analysenmethode gekoppelt mit den unterschiedlichsten Detektoren und zur Probenvorbereitung seit Jahrzehnten genutzt [106-110]. Neben den Vorteilen, wie leichte Automatisierbarkeit, Univer-salität hinsichtlich der Kopplung mit den verschiedensten Detektoren und der Vielzahl von Bestimmungsmethoden für die unterschiedlichsten Analyten, bietet dieses System einen ge-ringen Verbrauch an Probe und Reagenzien und eine hohe Reproduzierbarkeit. Es kann durch exakte zeitliche Kontrolle der Abläufe im FIA-System ein definierter Zustand an jedem belie-bigen Ort des Systems und zu jedem beliebigen Zeitpunkt reproduzierbar erfasst werden [110]. Bei konventionellen betriebenen Membranseparationsmethoden ist es in der Regel not-wendig, den vollständigen Massentransfer über die Membran, bzw. das Einstellen von Vertei-lungsgleichgewichten abzuwarten. Dies bedeutet nicht nur einen großen Zeitaufwand, sondern birgt auch Fehlergefahren in sich. Im Gegensatz dazu bietet die Membranseparation im Fließ-system durch die geschilderten reproduzierbaren dynamischen Strömungsverhältnisse eine effektivere Alternative. Ein weiterer Vorteil der dynamischen Bedingungen membranba-sierender Fließsysteme ist die erhöhte Selektivität, diese ergibt sich aus den unterschiedlichen Migrationsgeschwindigkeiten der diffusionsfähigen Verbindungen durch die Membran. 3.2.2.1 Instrumenteller Aufbau Es gibt verschiedene instrumentelle Konfigurationen und Membrananordnungen, die für den Trennungsprozess im Fließsystem genutzt werden, einige sind einsetzbar für Gasseparation und Flüssigseparation und andere nur für eine Separationsart. Da in dieser Arbeit liquide Pro-ben untersucht wurden, soll das Hauptaugenmerk auf die Flüssigseparation gelegt werden. Der grundlegende Aufbau des Fließsystems ist für die Dialyse und die Gasdiffusion gleich. Das Separationsmodul kann je nach Verwendungszweck an unterschiedlichen Stellen im Fließsystem positioniert werden (Abb. 3.13). Die Separation selbst erfolgt aus einer stagnie-renden Probe oder einem fließenden Probenstrom (Abb. 3.14). Erfolgt die Membranseparation aus einer stagnierenden Probe, sind die Positionen 1 bis 3 aus Abb. 3.13 im Fließsystem mög-lich. Dabei ist die Probelösung in einem Gefäß und wird von einer Seite der Membran-oberfläche kontaktiert, die Akzeptorlösung ,stagnierend oder kontinuierlich fließend, befindet sich auf der Rückseite der Membranfläche. Die Vorventilposition (auch pre-valve Position ge-nannt) aus stagnierenden Proben ermöglicht u.a. eine Probenreinigung, die eine Isolation des Analyten mit einschließen kann. Falls notwendig, erfolgt hiernach eine Umwandlungsreaktion zu einer detektierbaren Spezies oder eine entsprechende Anreicherung im Manifold. Weitere


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Beispiele für die Membranseparation aus stagnierenden Probeflüssigkeiten sind die Mikrodia-lyse und die passive Probennahme, letztere erfolgt üblicherweise in der Vorventilposition. Diese Art der Probenvorbereitung im Batch-Verfahren wird vor allem in Autosamplern ver-wendet in Kopplung mit anderen Analysenmethoden, hauptsächlich mit der Chromatographie.

Abb. 3.13: Mögliche Positionen der Membranseparatoren im Fließsystem

1) als Bestandteil der Injektionsschleife (in-valve) 2) in der Vorventilposition (pre-valve) 3) innerhalb der Reaktionsstrecke des Manifolds (in-line) 4) als integraler Bestandteil des Detektors

Abb. 3.14: Separation aus: A stagnierender Probe, B fließendem Probenstrom [101] Für die Separation aus einem fließenden Probenstrom (Abb. 3.14B) sind die Positionen 1 bis 4 des Separationsmoduls im Manifold möglich. In Position 4 ist das Separationsmodul ein integraler Bestandteil eines Durchflussdetektors (Abb. 3.15). Dadurch besteht die Möglichkeit der kinetischen Kontrolle des Separationsprozesses und die zusätzliche Verdünnung durch den Transport des Analyten im Manifold zum entsprechenden Detektor entfällt. Beim dy-namischen Probentransport ist es möglich, ein Reagens zuzusetzen, das den Membranüber-gang des Analyten erleichtert oder diesen erst ermöglicht. Dieses Reagens wird auch Modifier genannt, ein Beispiel hierfür ist die Sulfitbestimmung aus wässrigen Lösungen, wo durch


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Zugabe verdünnter Salzsäure das Sulfit in das gasförmige Schwefeldioxid überführt wird, um einen Membranübergang in Form der Gasdiffusion zu ermöglichen.

Abb. 3.15: Beispiel der Membranseparation als Teil eines Durchflussdetektors für

reflektorische Messungen L1 (Lichtquelle) D1 (Detektor) und Absorptionsmes-sungen L (Lichtquelle) D (Detektor)

Die Effizienz der Membranseparation zwischen flüssigen Phasen kann durch Anwendung ex-terner Energiequellen verbessert werden, u.a. durch Rühren oder Ultraschall, um einen kon-trollierten konvektiven Massentransfer zu erreichen. Dies lässt sich vor allen Dingen bei stag-nierenden Proben relativ unkompliziert umsetzen. Jedoch ist eine entsprechende Schwin-gungsübertragung auf die Membran zu beachten, die den Separationsprozess beeinflussen oder die Membran schädigen kann. Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Effizienz besteht in der Temperaturerhöhung, die einen verbesserten Diffusionskoeffizienten mit sich bringt. Besondere Möglichkeiten der Konzentrationsanreicherung des Analyten und damit die Erhöhung der Methodenempfindlichkeit ergeben sich aus der Manipulierbarkeit der Strö-mungsgeschwindigkeiten im Fließsystem. In diesem Kontext sollte die Stopped-Flow-Tech-nik erwähnt werden. Beachtet man das laminare Strömungsprofil der Probe und das daraus resultierende Konzentrationsprofil, ergibt sich die Möglichkeit, den Donorstrom zur Zeit der maximalen Probenkonzentration zu stoppen, so dass der Analyt in einem ebenfalls angehal-tenen oder sehr langsam fließenden Akzeptorstrom über die Membran diffundiert. Es kann auch der Akzeptortrom gestoppt werden und der Analyt diffundiert aus dem langsamen flie-ßenden Donorstrom über die Membran. Eine weitere Anwendung der Stopped-Flow-Technik zur Konzentrationsanreicherung kann unter Nutzung der in-valve Konfiguration erfolgen, dabei wird die Akzeptorlösung vorwärts und rückwärts bewegt oder sie zirkuliert [111, 112]. Durch die Zirkulation erfolgt eine Erneuerung der Diffusionsschicht an der Membran, wo-durch Rückdiffusionseffekte, die bei stagnierendem Akzeptor auftreten, vermieden werden [113]. Ist die treibende Kraft des Separationsprozesses der Konzentrationsgradient über der Mem-bran, ergibt sich eine Limitierung hinsichtlich der Analytanreicherung in einem stagnierenden Akzeptorstrom. Wo hingegen durch einen fließenden Akzeptor die Diffusion des Analyten immer in ein neues Volumen der Akzeptorlösung erfolgt und damit der Konzentrations-


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gradient erhalten bleibt, Nachteil hierbei ist die Verdünnung des Analyten. Eine chemische Umwandlungsreaktion des Analyten im Akzeptorstrom kann den Konzentrationsgradienten ebenfalls aufrecht erhalten. Die chemische Zusammensetzung des Umsetzungsreagenzes kann die Diffusion jedoch auch negativ beeinflussen, ein Beispiel ist die Dialyse im Fließsystem auf Grund der Gegenstromdiffusion von Ionen mit einem hohen Transportindex (z.B. Hy-droxidionen) zum Donorstrom [114]. Eine hier nicht erwähnte Konfiguration ist die Anordnung von mehreren Membranseparatoren im Fließsystem. Dies bietet sich u.a. an, wenn man die Mikrodialyse zur Probennahme nutzt und der Analyt im Permeat noch weiter isoliert werden soll, sei es z.B. durch Gasdiffusion oder Membranextraktion. Zur Bestimmung von Glucose wurden zwei Dialyseeinheiten im FIA-System verwendet, die erste diente zur Konzentrationsverdünnung und die zweite zur kontrolliert begrenzten Zufuhr des Enzyms zur Glukoseoxidase [53]. In einer weiteren Arbeit zur Bestimmung von Ammoniumstickstoff in Blutproben sind auch zwei Dialyseeinheiten verwendet worden, wobei erstere zur Matrixabtrennung vom Analyten diente [59]. Man kann generell zwischen zwei verschiedenen Membranformen unterscheiden, die zu Se-parationszwecken eingesetzt werden. Die Membran als flache Folie, hierfür ist ein Separa-tionsmodul notwendig, das die Membran unterstützt und den direkten Kontakt von Akzeptor- und Donorphase mit einem definierten Teil der Membranoberfläche ermöglicht. Für diese Form der Membran wird der Sandwichbautyp eingesetzt, dabei befindet sich die Membran zwischen zwei maschinell hergestellten Platten mit entsprechenden Kanälen (Abb. 3.16A). Neben der Form der Kanäle (rechteckig, spiralförmig etc.) unterscheiden sich die Sandwich-bautypen in der Kanallänge, -tiefe und –breite. Diese Parameter beeinflussen den Separations-prozess unmittelbar, da sie die Austauschfläche zwischen Donor- bzw. Akzeptorphase und der Membran bestimmen. Die zweite Membranform ist die Hohlfasermembran (Abb. 3.16B), sie besteht vereinfacht betrachtet aus einem Stück Mikroschlauch, der je nach Verwendungs-zweck aus unterschiedlichem Material mit entsprechender Permeationseigenschaft hergestellt wird. Diese Struktur ist im Unterschied zur Folienmembran selbsttragend. Eine weitere Eigen-schaft ist die große Membranaustauschfläche im Verhältnis zum kleinen Innenvolumen von Hohlfasermembranen. Dieses Verhältnis und die Relation von Membranaustauschfläche zum Volumen der Donorphase (Abstand zwischen der Ummantelung und Hohlfasermembran) be-einflussen die Effizienz des Separationsprozesses ebenso wie die Membranlänge. Beide Sepa-rationsmodule zeichnen sich durch eine einfache instrumentelle Integration in das Fließsystem aus. Die effektive Membranaustauschfläche sollte möglichst groß sein gegenüber den Phasenvolu-mina von Akzeptor- und Donorlösung. Mit zunehmendem Abstand des Analyten in der Donorphase zur Membran sinkt die Wahrscheinlichkeit der Diffusion, daher sollten die Kanäle nicht zu tief sein.


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Abb. 3.16: Typische Konfigurationen von Membranseparatoren im Fließsystem für

Extraktion, Dialyse und Gasdiffusion [110] A) Sandwichmodul mit Flachmembran B) Rohrförmige Konfiguration mit Hohlfasermembran

Die Variablen von Membranseparatoren im Fließsystem, unabhängig betrachtet von Mem-branmaterial und den sonstigen Abmessungen des FIA-Systems, sind:

- Separation aus fließender oder stagnierender Probe - Position des Membranseparators im Fließsystem - Verhältnis der Fließraten von Akzeptor- und Donorphase, bis hin zur Stopped-Flow-

Technik - Membranform (Flach- oder Hohlfasermembran) - Effektive Austauschfläche zwischen Membran und Donor- bzw. Akzeptorphase,

Kanaltiefe Die Festlegung dieser Variablen wird im wesentlichen von dem Analyten und seiner Proben-matrix, dem sich oft daraus ergebenden gewählten Separationsverfahren, der erforderlichen Empfindlichkeit und nicht zuletzt von dem zur Verfügung stehenden oder gewählten Detektor bestimmt. Die Effizienz hinsichtlich Zeit und Kosten, Probenverbrauch, Anzahl der Proben, -eventuell als Routinemethode für viele Proben täglich-, sind ebenfalls von Bedeutung.


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3.2.2.2 Separationsverfahren Generell lassen sich Membranseparationsverfahren im Fließsystem abhängig von der che-mischen Zusammensetzung der Membran und dem physikalischen Zustand der Analyt-/ Do-norphase in Zwei- oder Dreiphasensysteme unterscheiden. In der Regel bildet dabei die nicht-poröse Membran eine eigene dritte Phase und trennt damit die beiden an die Membran grenzenden Phasen. Bei dieser Konstellation liegen drei Phasen im FIA-System vor. Sie kann aber auch, wie z.B. bei der MMLLE (Microporous membrane liquid liquid extraction), die eigentliche homogene Membran darstellen und gleichzeitig die Akzeptorphase sein, d.h. ein Zweiphasensystem im Fließsystem. Ein schematischer Überblick über die Einteilung in Zwei- und Dreiphasensysteme der im Kapitel erläuterten Separationsverfahren ist in Abb. 3.17 zu sehen. Bei den aufgeführten Separationsverfahren wurden, wie in der Arbeit verwendet, nur flüssige Donor- und Akzeptorphasen berücksichtigt.

Separationsprozess

Zweiphasensystem

Dreiphasensystem

passive Dialyse Dialyse Donan- dialyse

hydrophile poröse Membran ionische poröse Membran

ionische homogene Membran

Gasdiffusion

homogene Gasphase in poröser Membran

MMLLE Membran- extraktion

SLME PME

homogene Akzeptorphase in poröser Membran

homogene Polymermembran (mit organischer Akzeptor-

oder Donorphase)

homogene Flüssigphase in poröser Membran

homogene Polymermembran (mit wässriger Akzeptor-

und Donorphase)

Ultrafiltration

poröse Membran

Abb. 3.17: Unterteilung der Separationsverfahren in Zwei- und Dreiphasensysteme für flüssige Donor- und Akzeptorphasen mit den entsprechenden Membranen, SLME- Supported liquid membrane extraction, PME- Polymeric membrane extraction


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Im Folgenden werden in diesem Abschnitt die Separationsverfahren Ultrafiltration und Mem-branextraktion beschrieben und einige Applikationen dieser Verfahren mit angeführt. Die Er-läuterungen zu Gasdiffusion und Dialyse erfolgen in zwei separaten Kapiteln, da diese Ver-fahren in der vorliegenden Arbeit genutzt wurden. Ultrafiltration Die Ultrafiltration gehört zu den druckgetriebenen Membrantrennverfahren, diese unterteilt man in verschiedene Filterbereiche. Der osmotische Druck spielt bei der Ultrafiltration und bei der Mikrofiltration im Gegensatz zur Umkehrosmose nur eine untergeordnete Rolle. In Abbildung 3.18 sind die Verfahren nach der Größe der abtrennbaren Stoffe eingeteilt. Doch nicht nur die Partikelgröße, sondern auch die Molekülform, elektrische Ladung, hydrophile oder hydrophobe Gruppen und damit auftretende Wechselwirkungen zwischen der Membran und dem gelösten Stoff, haben einen erheblichen Einfluss auf die Einordnung. Die Einsatzbe-reiche der Membranverfahren überschneiden sich zum Teil erheblich, so dass eine klare Tren-nung oft nur willkürlich erfolgen kann.

Abb. 3.18: Trennbereiche für druckgetriebene Membranverfahren [115] Wie unter 3.2.1.1 erwähnt, wurde der Prozess der Ultrafiltration 1907 durch Bechold [34] be-nannt und später von Micheals [116] näher definiert. Eingesetzt wird die Ultrafiltration zur Abtrennung von Molekülen und Partikeln im Bereich von 1 bis 100 nm und es wird mit re-lativ hohen Drücken von bis zu 10 bar gearbeitet [117]. Mit der Annahme, dass das Lösungs-mittel laminar durch die Poren der Membran fließt, ist der Volumenfluss J proportional zum angelegten Druck über der Membran [118].


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dxdpRAJ ⋅

⋅⋅=

ηε

8² (Gl. 3.7)

J: Volumenstrom [m³/s] ε: Porosität der Membran R: Porenradius [m] η: Viskosität des Lösungsmittels [kg/ m s] A: Membranaustauschfläche [m²] dp/ dx: Druckgradient entlang der Membran [bar/ m] Aus Gleichung 3.7 ist neben der linearen Abhängigkeit des Volumenstromes von dem ange-legten Druck zu ersehen, dass eine große Membranaustauschfläche, ein großer Porenradius, hohe Porosität und eine geringe Viskosität vorteilhaft sind, um einen hohen Volumenstrom zu erhalten. Komplikationen können entstehen, wenn gelöste Stoffe von der Membran zurückge-halten werden und sich durch Akkumulation eine Gelschicht bildet, die einen zusätzlichen Widerstand für den Massentransfer darstellt. Diese Konzentrationspolarisation (s.a. 3.2.1.3) kann minimiert werden durch ein konstantes Entfernen der zurückgehaltenen Stoffe von der Membranoberfläche, einen relativen niedrigen Druck und die sogenannte cross-flow Filtration (s.a. Abb. 3.20). Eine Temperaturerhöhung bewirkt eine verstärkte Diffusion der Gelschicht-partikel zurück in den Probenstrom. Bei einem Porendurchmesser von ≤ 5 nm kann mit der Ultrafiltration ein Rückhalt von Viren erreicht werden. Die häufigste Anwendung der Ultrafiltration dient der Fraktionierung von niedermolekularen gelösten Stoffen und Makromolekülen. Durch hintereinandergeschaltete Ultrafiltrationsmembranen lässt sich eine mehrfache Fraktionierung nach Molekulargewicht erreichen. Die eingesetzten Membranen besitzen poröse, bzw. mikroporöse Struktur und sind meist asymmetrisch (dünne aktive Membranschicht), um einen hohen Volumenstrom zu er-reichen. Es werden auf Cellulose basierende und vollsynthetische Polymere als Membran-materialien eingesetzt, u.a. Celluloseacetat, regenerierte Cellulose, Polyamid, Polysulfon und Polyethersulfon. Das meist verwendete Membranmaterial ist Polysulfon, da es im Tempera-turbereich bis zu 125°C und einem pH-Bereich von 1 bis 13 eingesetzt werden kann. Die Angabe der Trennleistung der Ultrafiltrationsmembran erfolgt nach dem Molekulargewicht einer Substanz (MWCO siehe auch unter 3.2.1.2). Beide Membranformen, die Flachmembran als auch die Hohlfasermembran, können zur Ultrafiltration eingesetzt werden. Durch den Druckgradienten erfolgt der Transfer des Lösungsmittels und den darin gelösten Stoffen über das Filter. Der erforderliche Druckgradient kann durch das Saugen mit einer Vakuumpumpe oder mit Ultrazentrifuge ebenso erzeugt werden, wie durch eine Pumpe, die einen Überdruck auf die zu trennende Lösung mittels eines beschränkten Auslasses in der Ultrafiltrationsein-heit aufbaut. Bei dem Batch-Verfahren unter Nutzung der Ultrazentrifuge werden üblicherweise kommer-ziell erhältliche miniaturisierte Vorrichtungen genutzt. Diese Vorrichtung besteht aus einer


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Membran, die das Proben- und Auffanggefäß für das Filtrat teilt und als Gesamteinheit in die Zentrifuge gestellt wird. Eine weitere interessante Anwendung im Batch-Verfahren ist die in vivo Ultrafiltration [119]. Hier wird eine kleine, flexible Sonde in lebendes Gewebe einge-führt, um extrazelluläre Flüssigkeit aus dem entsprechenden Gewebe zu gewinnen. Die Sonde besteht aus einer semipermeablen Membran. Diese Membran lässt Wasser, Salze und nieder-molekulare Verbindungen (<30000 Da) passieren, während die anderen zurückgehalten und damit im Gewebe belassen werden. Durch Vakuumkammer und Kolbenhub wird die notwen-dige Druckdifferenz über der Membran aufgebaut, um die Flüssigkeit durch die Membran den Schlauch hinauf und in die Vakuumkammer, bzw. in das Probengefäß zu ziehen (s.a. Abb. 3.19). Die Probentnahmegeschwindigkeit ist langsam (0,5 bis 2 µL/h/cm der Membranlänge) und kann nicht die Geschwindigkeit überschreiten, mit welcher die entnommene Flüssigkeit durch die Blutgefäße innerhalb des Gewebes ersetzt wird. Die filtrierte Flüssigkeit ist sauber, eiweißfrei und unmittelbarer zur Analyse bereit. Im Gegensatz zur Mikrodialyse, die zur Überwachung von Konzentrationsänderungen verglichen mit einer Anfangskonzentration oder einem bestimmten Konzentrationslevel geeignet ist, stellt die Konzentration des Analy-ten im Ultrafiltrat die eigentliche Konzentration im untersuchten Gewebe dar. Dies ist bei der Mikrodialyse nur durch zusätzliche Manipulationen und extrapolieren zur Bestimmung der tatsächlichen Konzentration möglich.

Abb. 3.19: Prinzip und Aufbau der in vivo Ultrafiltration Für die in-line Ultrafiltration im Fließsystem gibt es ebenfalls kommerzielle Lösungen. So bietet die Firma Metrohm ein System an, bei der die Proben auf einem Probenteller platziert und voll automatisch abgearbeitet werden. Dabei strömt die Probe über die Ultrafiltrations-membran und gleichzeitig wird das Filtrat hinter der Membran abgesaugt und in das Proben-aufgabeventil eines Chromatographen überführt und dann injiziert. Dieses System der in-line Ultrafiltration ist zur Probenvorbereitung von Ionenchromatographen entwickelt worden, und entsprechende Applikationen gibt es für die verschiedensten Probenzusammensetzungen, wie Trinkwasser, Abwasser und Orangensaft mit Fruchtfleisch. S. Matsushita [120] trennte freies


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Kalzium und Magnesiumionen mit der in-line Ultrafiltration und aus proteinhaltiger Matrix in verschiedenen biologischen Proben ab, wie Serum, Milch und Eiweiß und bestimmte sie anschließend mit der Ionenchromatographie. Ein großes Anwendungsgebiet der in-line Ultra-filtration ist die Untersuchung von Fermentationsprozessen in Verbindung mit der HPLC [121, 122]. Am Beispiel einer dieser Applikationen [122] soll ein möglicher Aufbau der in-line Ultrafiltration erläutert werden (Abb. 3.20).

Abb. 3.20: Ultrafiltration im Fließschema zur Überwachung von Fermetationsprozessen und

detaillierte Ansicht der Ultrafiltrationseinheit [122]

Wie in Abb. 3.20 zu sehen, wird die Fermentationsflüssigkeit kontinuierlich aus dem Fermentor durch die Ultrafiltrationseinheit und zurück gepumpt. Durch eine Sperre, bzw. eine Beschränkung am Auslass der Ultrafiltrationseinheit, wird eine Druckdifferenz über der Membran gebildet und entsprechend kleine Moleküle gelangen in ihrem Lösungsmittel über die Membran, hingegen werden Makromoleküle und Partikel zurückgehalten und zurück zum Fermentor transportiert. Das so erhaltene Filtrat kann direkt zum Chromatographen transpor-tiert und injiziert werden. Eine Anreicherung wird durch die Ultrafiltration zwar nicht erreicht, doch die außerordentlich gute Matrixseparation in Verbindung mit den Vorzügen des Fließsystems bietet ein großes


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Potential für weitere Applikationen der Probenvorbereitung in Verbindung mit der Ionen-chromatographie. Membranextraktion Eine erste Veröffentlichung zum Prinzip der Membranextraktion zur Probenvorbereitung in der analytischen Chemie erschien 1986 von Audunsson [123]. Diese Arbeit wurde weiterent-wickelt und appliziert für die verschiedensten Proben. Maßgeblichen Anteil an dieser Ent-wicklung hat die Gruppe um Jönsson und Mathiasson der Universität Lund in Schweden. Mehrere Übersichtsartikel mit Hintergrundinformationen und Anwendungen wurden seitdem veröffentlicht [40, 42, 44, 124, 125]. Die treibende Kraft der Membranextraktion ist die Kon-zentrationsdifferenz. Es werden homogene Membranen, sowohl Flachmembranen als auch Hohlfasermembranen, zur Membranextraktion im Fließsystem eingesetzt. Der instrumentelle Aufbau der Membranextraktion kann mit unterschiedlichen Fließsystemen realisiert werden. Ein sehr simpler Aufbau ist in Abb. 3.21A dargestellt. Dieses System ist für einfache An-wendungen [126, 127] und große Probenvolumen von 100 ml und mehr geeignet. Die Ent-fernung der Akzeptorphase erfolgt in diesem Fließsystem manuell nach jeder Extraktion. In Abb. 3.21B ist ein Fließsystem dargestellt, das sich zur Automatisierung eignet. Die Injektion des Analyten in den Chromatographen erfolgt über eine Vorsäule, um eine Injektion zu gewährleisten, die so viel wie möglich an extrahiertem Analyten in einem Volumen von 1 bis 2 ml enthält. Dieses System wurde u.a. für Umweltuntersuchungen genutzt [61, 128]. Die so-genannte heart-cutting Technik (Abb. 3.21C), wird angewandt, um eine Vorsäule zu vermei-den, dabei gelangt nur ein Teil des Extrakts in die Injektionsschleife und wird direkt in die HPLC-Säule injiziert. Diese Technik erfordert kleinere Probevolumen und Extraktionsein-heiten, sowie einen präzis kontrollierten Zeitablauf und exakte Pumpen (Spritzenpumpen). Ein automatisierter Ablauf über einen Computer gesteuert und kontrolliert bietet sich hier nicht nur an, sondern ist auch notwendig. Angewendet wurde dieses System z.B. zur Unter-suchung von Medikamenten in Blutplasma und Urin [48, 129].


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Abb. 3.21: Verschiedene Fließschemata für die Membranextraktion A) off-line Fließsystem

B) Fließsystem mit Vorsäule zur Bestimmung von Herbiziden in Wasser mit der HPLC [61] C) Fließsystem mit direkter HPLC Injektion zur Bestimmung von Medikamenten in Blut [48]

Drei Arten der Membranextraktion werden in diesem Abschnitt beschrieben, die PME (Poly-mermembranextraktion), die MMLLE (Mikroporöse Membran Flüssig-Flüssig-Extraktion) und die SLME (Unterstützte Flüssigmembran Extraktion). Für die ersten beiden erfolgt nur eine kurze Erläuterung, während die meist verwendete und sehr variable SLME ausführlicher beschrieben wird. Ein gemeinsames Merkmal dieser drei Techniken ist, dass die Selektivität der Extraktion vor allem dadurch erreicht wird, dass Probenverbindungen, die sich nicht oder sehr schwer in der Membranphase lösen, im Donorkanal zurück gehalten werden. Bei der PME (Polymermembranextraktion) wird im Gegensatz zur MMLLE und SLME eine dünne feste homogene Membran eingesetzt. Diese Polymermembran besteht meist aus Poly-ethylen oder Silikon. Wobei Silikon wesentlich häufiger verwendet wird, da es neben seiner Hydrophobie eine sehr hohe Permeabilität für kleine hydrophobe Moleküle aufweist [130]. Die Unterschiede in der Löslichkeit und Diffusionsgeschwindigkeit der verschiedenen Ana-lyten in der Polymermembran sind die Basis der Selektivität. Der Vorteil dieses Systems liegt in seiner mechanischen Stabilität aufgrund der festen Struktur der Membran, damit wird die Wahrscheinlichkeit eines Durchbruchs der Membran stark reduziert. Allerdings ist der Diffu-sionskoeffizient in Polymeren kleiner als in Flüssigkeiten, so erfolgt Massentransfer und damit die Extraktion langsamer. Die feste Natur des Silikons macht die PME zu einer viel-seitigen Technik, die es ermöglicht, wässrige [131] und organische Proben [62] zu extra-hieren.


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Folgende Phasenkombinationen sind mit der PME möglich [132]: - wässrige Donorphase/ Polymermembran/ wässrige Akzeptorphase - organische Donorphase/ Polymermembran/ wässrige Akzeptorphase - wässrige Donorphase/ Polymermembran/ organische Akzeptorphase

Diese Möglichkeiten des Einsatzes der Silikonmembran wurden erstmals von Melcher [133, 134] beschrieben. Bei wässriger Donor- und Akzeptorphase liegt ein Dreiphasensystem vor. Ähnlich der SLME erfolgt eine kombinierte simultane Extraktion aus zwei Flüssig-Flüssig-Extraktionen, zuerst von der Donorphase in die Polymermembran und dann eine Rück-extraktion in die Akzeptorphase. Eine Erhöhung der Selektivität ist möglich durch Änderung der Bedingungen in der Akzeptorphase, dies wird unter SLME näher erläutert. Ist eine der beiden Phasen, Donor- oder Akzeptorphase, organisch und die andere wässrig, liegt ein Zwei-phasensystem vor, da die organische Phase in die Polymermembran eindringt und diese zum Quellen bringt. Die Extraktion unter diesen Bedingungen ist vergleichbar mit der MMLLE [37]. Zahlreiche Applikationen der PME zur Probenvorbereitung im Fließsystem in Ver-bindung mit der HPLC sind publiziert worden [62, 131, 134-139]. Dabei wurden verschiedene Analyten in den unterschiedlichsten Proben bestimmt, z.B.: Vitamin E in Butter [136], ver-schiedene Pestizide in Eiern [135], Phenole in Kerosin, in Benzin und Rohöl [138, 139], semi-flüchtige organische Verbindungen in Wasser [134, 137]. Martinez [62] bestimmte Herbizide in mehreren Pflanzenölen. Nach einer Verdünnung mit Hexan erfolgte die Extraktion durch eine Silikonflachmembran in eine Methanol-Perchlorsäure-Mischung mit abschließender HPLC-Detektion. Ein vollautomatisches Überwachungssystem zur Bestimmung von Chlor-phenolen im Abwasserstrom wurde von Melcher et. al [131] entwickelt, dessen Kernstück eine von wässriger Natronlauge durchflossene Silikonhohlfaser war, direkt mit der HPLC ge-koppelt. Ein Zweiphasensystem mit einer wässrigen und einer organischen Phase stellt die MMLLE (Mikroporöse Membran Flüssig-Flüssig-Extraktion) dar. Das Prinzip der MMLLE im Fließ-system ist der konventionellen Flüssig-Flüssig-Extraktion gleichzusetzen, aber neben dem geringen Lösungsmittelverbrauch ist es leicht zu automatisieren und mit den geeigneten De-tektoren (z.B. Normalphasen-HPLC) zu koppeln. Die Flüssig-Flüssig-Extraktion im Fließ-system beschrieb Valcarcel [140], die organische und die wässrige Phase wurden in einem Kanal gemischt und später separiert. Das praktische Problem der Phasenseparation scheint eine breite Anwendung dieser Technik verhindert zu haben. Bei der MMLLE separiert eine mikroporöse hydrophobe Membran die beiden Phasen, die organische Akzeptorphase füllt die Poren der Membran und ermöglicht den direkten Kontakt durch die Flüssig-Flüssig-Grenz-fläche, ohne dass eine Mischung der beiden Phasen auftritt. Der gesamte Massentransfer zwischen den Phasen findet an der Membranoberfläche statt. Wie die klassische Extraktion ist auch die MMLLE beschränkt durch den Verteilungskoeffizienten. Bei einem hohen Vertei-lungskoeffizienten ist es möglich, mit einem stagnierenden Akzeptorstrom zu arbeiten und so eine Anreicherung in dem kleinen Extraktvolumen zu erzielen. Ein langsam fließender Ak-zeptorstrom ist bei kleineren Verteilungskoeffizienten notwendig, um die Diffusion über die


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Membran aufrecht zu erhalten, was zu einer geringeren Konzentrationsanreicherung im Akzeptorkanal führt. Für hoch hydrophobe Verbindungen (z.B. Kohlenwasserstoffe) ist die MMLLE besser geeignet als die SLME. Diese Verbindungen können leicht von der wässrigen in die organische Phase extrahieren, aber eine Rückextraktion in eine andere wässrige Phase wie bei der SLME ist nicht möglich. Die Anwendung der MMLLE im Fließsystem gekoppelt mit der HPLC wurde u.a. für die Bestimmung von: kationischen Tensiden im Wasser [141], unpolaren Fungiziden im Wasser [55, 56], Phenol im Öl [142] und lokalen Betäubungsmitteln im Blutplasma [143] genutzt. SLME (Supported liquid membrane extraction, Unterstützte Flüssigmembranextraktion) ist die vielseitigste Membranextraktionstechnik zur analytischen Probenvorbereitung [43, 144]. Bei dieser Dreiphasentechnik werden die Analyten aus einer wässrigen Probe im Donorkanal durch eine organische Flüssigkeit in die oft stagnierende wässrige Akzeptorphase extrahiert. Die organische Phase ist in einer hydrophoben mikroporösen Membran immobilisiert und hat direkten Kontakt mit der Donor- und Akzeptorphase. Als Membranmaterial wird oft PTFE oder PP und als organisches Lösungsmittel meist langkettige Kohlenwasserstoffe, wie n-Undekan, Kerosine und stärker polare Verbindungen, z.B. Dihexylether, eingesetzt. Es erfolgt eine kombinierte Extraktion aus zwei Flüssig-Flüssig-Extraktionen, von der Donorphase in die Membranphase und aus dieser eine Rückextraktion in die Akzeptorphase. Die beiden Pro-zesse, Extraktion und Rückextraktion, laufen simultan und in einem Fließsystem integriert, auch kontinuierlich ab. Es gibt viele Möglichkeiten, die chemischen Bedingungen des Dreiphasensystems zu beein-flussen und eine Anreicherung verschiedenster Analyten zu erreichen. Die chemische Mani-pulation der Donorphase dient dazu, einen möglichst selektiv extrahierbaren Analyten zu er-halten. Der pH-Wert kann durch entsprechende Zugabe von verdünnten Basen oder Säuren so eingestellt werden, dass kleine basische oder saure Verbindungen ungeladen und damit extra-hierbar in der Donorphase vorliegen [123]. Durch Zugabe von Reagenzien, wie z.B. Ionen-paare und Chelatbildner in die Donorphase, können permanent geladene Verbindungen und Metallionen extrahiert werden [40]. Beispiele dafür sind die Bestimmung von anionischen Tensiden [145] und Metallionen mit unterschiedlichen komplexierenden Verbindungen [146-148]. Die chemischen Bedingungen in der Akzeptorphase wandeln den Analyten in eine nicht extrahierbare Form um, dieser Vorgang wird auch Trapping genannt. Damit wird zum einen eine Rückextraktion des Analyten in die Membran verhindert, und zum anderen der Kon-zentrationsgradient über der Membran aufrechterhalten, dies ermöglicht die Anreicherung des Analyten in der stagnierenden Akzeptorphase. Realisiert werden kann dies u.a. durch eine ent-sprechende pH-Wert Einstellung in der Akzeptorphase, die den extrahierten ungeladenen Analyten unmittelbar an der Akzeptor-MembranGrenzfläche ionisiert. Ein weiteres Beispiel ist die Zugabe löslicher Antikörper als Trapping-Reagenz in die Akzeptorphase, wodurch der Analyt selektiv in einen nicht rückextrahierbaren Antigen-Antikörper-Komplex umgewandelt wird, dies führt zu einer sehr hohen Selektivität der Bestimmungsmethode [149]. Eine andere Möglichkeit, den Analyten in eine extrahierbare Form zu überführen, ist die sogenannte


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Carriermembran. Diese Carrier können Kronether, Ionenpaare oder Chelatbildner sein, die in der Membranphase immobilisiert sind. Durch Zusatz selektiv mit den Analyten wechsel-wirkender Carrier zu der Membranflüssigkeit wird der Transport der Analyten durch die Membran entweder erst ermöglicht (insbesondere für geladene Verbindungen) oder gefördert. Eine erhöhte Extraktionseffizienz wurde durch Zugabe von Trioktylphosphinoxid unter Aus-bildung von Wasserstoffbrückenbindungen für kurzkettige Karbonsäuren erzielt [46]. Des Weiteren lassen sich Aminosäuren aus einer basischen Lösung durch Ionenpaarung mit Am-moniumverbindungen in der Membran [150] oder von sauren Lösungen mit Hilfe des Ionen-paarbildners DEHPA (Di-2-ethylhexylphophorsäure) [151] extrahieren. Auch Metallionen können in ähnlicher Weise extrahiert werden [147, 152]. Das Prinzip der SLME soll hier an zwei Beispielen, ohne und mit Carrier beladene Flüssig-membran, erläutert werden.

Abb. 3.22: Prinzip der SLME ohne Membrancarrier für ionisierbare organische Verbindungen

[47, 153] In Abb. 3.22 ist das Prinzip der SLME ohne Membrancarrier für die Extraktion von basischen und sauren Verbindungen zu sehen. So kann, z.B. für Amine der pH-Wert der Probe im Donorkanal so eingestellt werden, dass die Amine ungeladen vorliegen und in die organische Membranphase extrahieren. Von dort diffundieren sie in eine stagnierende saure Akzep-torphase und werden unmittelbar an der Akzeptor- Membrangrenzfläche protoniert. Um ein vollständiges Trapping zu erreichen, sollte der pH-Wert der Akzeptorphase ca. 3,3 Einheiten kleiner sein als der pKa-Wert des Analyten. Starke saure Verbindungen sind geladen in der alkalischen Donorphase und können so nicht die Membran passieren, das gleiche gilt für permanent geladene Verbindungen. Neutrale Verbindungen können sich in allen drei Phasen verteilen, aber sie können nicht in der Akzeptorphase angereichert werden, da eine ent-sprechende Umwandlungsreaktion wie bei den Aminen nicht stattfindet. Unter diesen Bedin-gungen ist eine hoch selektive SLME für kleine basische Moleküle möglich. Saure Verbin-dungen lassen sich in ähnlicher Weise unter entgegengesetzten pH-Wert Bedingungen extra-hieren (s.a. Abb. 3.22).


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Als Beispiel für die Carrier beladene Flüssigmembran dient hier ein neutraler Carrier zum Kationentransport (Abb. 3.23). Neutrale Carrier (C) können u.a. nicht-ionische Tenside (z.B. Alkylpolyglycoside) sein. An der Donor-Membran-Grenzfläche kommt es zur Komplex-bildung mit dem in der Donorphase vorliegendem Ionenpaar (M+X-) und dem neutralen Carrier. Es bildet sich ein Ionenpaarkomplex (MCX), der durch die Membran diffundiert. Dieser Komplex dissoziiert an der Akzeptor-Membran-Grenzfläche und das Ionenpaar ge-langt in die Akzeptorphase. Der freie Carrier hingegen diffundiert von der Phasengrenzfläche in die Membranphase zurück.

Abb. 3.23: Schematische Darstellung eines Kationentransports mit neutralem Carrier Zusammenfassend kann das Prinzip der SLME wie folgt betrachtet werden: neutrale, extrahierbare Verbindungen werden in der Donorphase oder im Falle der Carriermembran an der Donor-Membran-Grenzfläche gebildet, durch die Membran transportiert und in der Akzeptorphase in eine andere, nicht extrahierbare Form umgewandelt. Eine detaillierte theoretische Beschreibung des Massentransfers für die SLME wurde von Jönsson 1993 [154] publiziert, an dieser Stelle erfolgt nur eine Erläuterung der grundlegenden Prinzipien. Die Extraktionsgeschwindigkeit ist proportional der Konzentrationsdifferenz (ΔC) der diffundieren Spezies über der Membran [40].

AADD CCC αα −=Δ (Gl. 3.8)

αD, αA: Die Fraktionen des Analyten, die in extrahierbarer Form in der Phase vorliegen ΔC: Konzentrationsgradient über der Membran CD: Konzentration in der Donorphase CA: Konzentration in der Akzeptorphase


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Die Extraktionsbedingungen sollten so gewählt werden, dass der Wert αD nahe Eins ist und αA ein sehr kleiner Wert ist. Bei Beginn der Extraktion ist die Konzentration des Analyten in der Akzeptorphase (CA) gleich Null und im weiteren Verlauf steigt dieser Wert über den Kon-zentrationswert in der Donorphase (CD).Die Extraktionseffizienz (E) ist in Gleichung 3.9 beschrieben.

S

A

nnE = (Gl. 3.9)

E: Extraktionseffizienz nA: Stoffmenge des Analyten in der Akzeptorphase nS: Stoffmenge des Analyten der Probe. die während der Extraktion dem System zugeführt wurde Die Extraktionseffizienz ist eine Funktion von vielen Parametern, einschließlich der Größe des Verteilungskoeffizienten K des Analyten zwischen den wässrigen Phasen und der or-ganischen Membranphase, der Trappingbedingungen im Akzeptor, Fließgeschwindigkeit der Donorphase, Charakteristika und Dimensionen der Membran und der Kanäle [40]. Für relativ hydrophile Verbindungen mit niedrigen K Werten ist der Analyt ungenügend in der or-ganischen Membran extrahiert und der Gesamtmassetransfer ist begrenzt durch den Diffu-sionstransport durch die Membran, man spricht von einer membrankontrollierten Extraktion, dies führt zu kleinen Werten für die Extraktionseffizienz. Bei mittleren Werten des Ver-teilungskoeffizienten erfolgt die Limitierung durch den Transport des Analyten in der fließenden Donorphase, hierbei verläuft der Massentransfer donorkontrolliert, in diesem Bereich ist die effizienteste Extraktion möglich. Für sehr hohe K Werte (z.B. bei stark hydro-phoben Verbindungen) nimmt die Extraktion in die Akzeptorphase stark ab und ein relativ großer Anteil des Analyten verbleibt in der Membran. Dieses Phänomen wird auch Memory-Effekt genannt [44]. Der effizienteste Massentransfer findet bei einem Oktanol-Wasser-Verteilungskoeffizienten KOW von etwa 10³ statt [153]. Das Trapping in der Akzeptorphase sollte vollständig sein, ist dies nicht der Fall, wird die Extraktionseffizienz mit der Zeit abnehmen [155]. Die Extraktionseffizienz ist am höchsten bei sehr niedrigen Donorfließge-schwindigkeiten und sie nimmt ab mit wachsender Fließgeschwindigkeit. Andererseits steigt mit einer höheren Fließgeschwindigkeit der Donorphase auch die Menge an Analyt, die dem Extraktionssystem zugeführt wird, dies führt oft zu einer größeren Menge an Analyten im Akzeptor in einer gegebenen Zeit. Ist das Probevolumen begrenzt, sollte eine niedrige Donor-fließgeschwindigkeit gewählt werden, um soviel Analyt wie möglich aus dem Donorstrom zu extrahieren. Es ist notwendig Bedingungen zu finden, die zu reproduzierbaren Werten der


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Extraktionseffizienz führen. Aber es ist nicht notwendig, die maximale Effizienz zu erzielen, da in der Praxis meist eine Maximierung des Anreicherungsfaktor erwünscht ist. Der Konzentrationsanreicherungsfaktor Ee ist wie folgt definiert [156]:

S

Ae C

CE = (Gl. 3.10)

CA: Konzentration in der Akzeptorphase CS: Konzentration in der Probe Im Gegensatz zu den anderen Extraktionstechniken (klassische Flüssig-Flüssig-Extraktion, MMLLE, PME) beeinflusst der Verteilungskoeffizient den Anreicherungsfaktor bei der SLME nicht, sondern nur die Geschwindigkeit des Massentransfers. Der Anreicherungsfaktor in der stagnierenden Akzeptorphase nimmt mit steigender Donorfließgeschwindigkeit zu. Bei begrenzt zur Verfügung stehenden Probevolumen ist also ein Kompromiss zu finden und, z.B. mit einer langsameren Donorfließgeschwindigkeit die Extraktionseffizienz zu steigern. Viele Applikationen der SLME im Fließsystem gekoppelt mit der HPLC sind publiziert worden [48, 61, 126-129, 157-161]. Die Bestimmung von Herbiziden in Wasser erfolgte mit der SLME über eine Vorsäule mit der HPLC, das entsprechende Fließschema befindet sich in Abb. 3.21B [61]. Eine vollautomatisierte über den Computer gesteuerte und kontrollierte SLME wurde direkt mit der HPLC-Säule gekoppelt (s.a. Abb. 3.21C), u.a. zur Bestimmung von Medikamenten im Blutplasma und Urin [48, 129]. In einer neueren Arbeit [159] wurde eine Polypropylen-Hohlfasermembran mit Undekan als immobilisierte Flüssigmembran als SLM zur Bestimmung von gelösten Chlorphenolen in Wasserproben verwendet. Die Kopp-lung der SLME mit der Ionenchromatographie findet nur wenig Anwendung. So erfolgte die Bestimmung von kurzkettigen Carbonsäuren aus Bodenproben unter Nutzung der SLME gekoppelt mit der IC [162]. Nach Sieben und Zentrifugieren wurde das erhaltene Boden-wasser über die SLM extrahiert. Die Flüssigmembran enthielt neben Di-n-hexylether, Tri-n-oktylphosphinoxid (TOPO) als neutralen Membrancarrier. Dieser führte durch die Ausbildung von Wasserstoff-Brücken-Bindungen zu einem erhöhten Massentransfer der kurzkettigen Car-bonsäuren aus der sauren Donorlösung in die alkalische Akzeptorphase. Die in höchsten Kon-zentrationen in den Proben vorliegenden Säuren waren Methan-, Ethan- und die Milchsäure. Eine weitere Methode diente zur simultanen Bestimmung von Metallionen im Spurenbereich (µg l-1) aus Flussgewässern [163]. Zur Bestimmung von Zn, Ni, Co, Cd und Mn wurden die wässrigen Proben im Donorkanal mit konzentrierter Salpetersäure auf einen pH-Wert von 3 eingestellt. Als Akzeptorlösung wurde 0,1 M Salpetersäure verwendet. Die flüssige Phase der SLM war eine 40 % Lösung von Di-2-Ethylhexylphosphorsäure (DEHPA) in Di-n-hexyl-ether. Bei der Nutzung der schwachen organischen Säure (DEHPA) als Extraktionsmittel, war die treibende Kraft über der Membran für die Extraktion der Metallionen der Protonen-gradient. Das vorliegende Extrakt in der 0,1M Salpetersäure musste vor Injektion in die Säule


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neutralisiert werden. Ein Milliliter der extrahierten und angereicherten Probe in 0,1 M Salpetersäure wurde mit 1 ml 0,2 M Weinsäure (pH-Wert 3) gemischt. Nach dem Mischen hatte die Lösung einen pH-Wert von zirka 2,2 und konnte so direkt in die Säule injiziert werden. Die Detektion erfolgte auch mit der Graphitrohr-AAS, die Ergebnisse waren nahezu gleich. Wobei der zeitliche Aufwand für die Messungen, wie zu erwarten, bei der Graphitrohr-AAS um vieles länger war. Neben der Möglichkeit der Automatisierbarkeit der Membranextraktion und der damit ein-hergehenden Vorteile hinsichtlich Kosten und Fehlervermeidung, kann diese Technik für viele Extraktions- bzw. Trennungsprobleme in der Probenvorbereitung verwendet werden. Die Trennungseffizienz ist bemerkenswert und es besteht die Möglichkeit der Anreicherung der Analyten. Ein offensichtlicher Vorteil der Membranextraktion liegt in dem sehr geringen Lösungsmittelverbrauch verglichen mit alternativen Extraktionstechniken, wie die SPE (solid phase extraction) oder der klassischen Flüssig-Flüssig-Extraktion. Für die SLME liegt der Lösungsmittelverbrauch bei etwa 300 µl und für die SPE meist um die 100 ml.


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3.2.3 Dialyse Die Dialyse erfolgt durch Diffusion von gelösten Komponenten in der Probe über eine semi-permeable hydrophile Membran in eine andere Flüssigkeit. Diffusion, aus dem Lateinischen kommend, bedeutet verstreuen, ausbreiten etc., es ist die Bewegung von Molekülen oder Ionen zur Erreichung einer größtmöglichen Konzentrations-verteilung. Der Stoffaustausch findet dabei von der höheren zur niedrigeren Konzentration statt. Diffusion erfolgt im Gegensatz zur Konvektion ohne Strömung des Mediums, in dem sich die Teilchen befinden. Der Begriff Dialyse kommt aus dem Griechischen und bedeutet Auflösung. Der Prozess der Dialyse wurde von Graham 1861 [164] untersucht und er entdeckte das Prinzip dieses Mem-brantrennungsprozesses. Er beobachtete den vollständigen Konzentrationsausgleich in kurzer Zeit von einer Salzlösung und Wasser, die durch eine Membran getrennt waren. Des weiteren stellte er fest, dass Kolloide wesentlich langsamer als die Ionen des Salzes durch die Mem-bran diffundieren und Substanzen, die eine bestimmte Molekülgröße überschritten, voll-ständig von der Membran zurückgehalten wurden. Thomas Graham hat auch die ersten Dialy-satoren entworfen (Abb. 3.24). In seinen Experimenten gelang es ihm u.a. reinen Harnstoff aus einem halben Liter Urin und arsenige Säure, weinsaures Antimonoxid-Kali und Strychnin aus defibriniertem Blut zu dialysieren. Letzteres war zweifellos die erste Hämodialyse, wenn auch noch nicht am Patienten durchgeführt.

Abb. 3.24: Glockenförmiger Dialysator „Bulb dialyser“ von T. Graham [165]


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3.2.3.1 Arten der Dialyse Grundsätzlich lässt sich die Dialyse in drei Formen unterteilen, passive Dialye, aktive Dialyse und Elektrodialyse. Als passive Dialyse wird der Membranübergang bezeichnet, dessen trei-bende Kraft ausschließlich aus dem Konzentrationsgradienten über der Membran resultiert. Aktive Dialyse oder Donnan-Dialyse liegt vor, wenn der Trennungsprozess zusätzlich noch durch eine Ionenaustauschermembran unterstützt wird. Die Klassifizierung in passive und ak-tive Dialyse kann auch nach der Natur der verwendeten Membran durchgeführt werden [140, 166], für den passiven Prozess neutrale Membranen und für die aktive Dialyse Ionenaus-tauschermembranen. Für die Elektrodialyse können Ionenaustauschermembranen und neutrale Membranen verwendet werden [124]. Bei der aktiven Dialyse oder Donnan-Dialyse werden Ionen mit einer bestimmten Ladung über die Ionenaustauschermembran transferiert. Im Idealfall erfolgt dieser Übergang nur von Ionen mit einheitlicher Ladung. Es gibt zwei Möglichkeiten mittels Donnandialyse eine Matrixnormalisierung zu erreichen. Dies kann entweder durch selektive Zugabe von Ionen zur Probe oder durch Entfernung ausgewählter Ionen aus der Probe erfolgen. Die selektive Zugabe von Ionen zur Probe findet sehr häufig Anwendung bei der Donnan-Dialyse, gekoppelt mit der Ionenchromatographie [167]. So erfolgt ein Austausch von Na-triumionen durch Wasserstoffionen der Schwefelsäure, die durch eine Kationenaustauscher-membran von der Natriumhydroxidlösung (Probelösung) getrennt ist. Der pH-Wert der Probe ist dadurch gesenkt, während der Anionengehalt theoretisch unverändert ist, was eine Bestim-mung dieser Anionen mittels IC erlaubt. Der gleiche Prozess findet bei der chemischen Unter-drückung des Eluenten bei der IC statt [10]. Die routinemäßige Verwendung ist beschränkt, da die Membran für Sulfationen aus der Akzeptorlösung nicht ganz undurchlässig ist. Dieses Problem kann minimiert werden u.a. durch Erhöhung der Permselektvität der Membran (z.B. die Fähigkeit, nur Ionen mit einfacher Ladung den Membranübergang zu ermöglichen), oder durch Nutzung von Säuren, deren Anionen nur eine kleine Tendenz besitzen, die Membran zu durchdringen. Als Alternative nutzten Cox und Tanaka [168, 169] eine Aufschlämmung von Ionenaustauschharz in Wasserstoffform statt einer Akzeptorlösung. Da das Gegenanion das Harzkügelchen selbst ist, entfällt der Transport über die Membran. Dieser Prozess wird Dual-Ionen-Austausch genannt. Die zweite Möglichkeit der Anwendung der Donnandialyse, das selektive Entfernen von Ionen aus der Probe zur Probenreinigung für die IC, schließt die Extraktion von Analytionen in einen geeigneten Akzeptor mit ein. Dieser Prozess führt zu einer Probenormalisierung, da die Analytionen in eine Akzeptorlösung mit bekannter Zusammensetzung gelangen. Es kann zu Störungen durch zu hohe Ionenkonzentrationen in der Akzeptorphase kommen. Als Pro-blemlösung bietet sich der Einsatz von Carbonatsalzen als Akzeptor und die Anwendung des Dual-Ionen- Austauschprozesses an. Durch einen Dual-Ionen-Austauschschritt werden Car-bonat und Bicarbonat im Akzeptor in Kohlensäure umgewandelt, die Probe wird dann direkt oder nach Entfernung des gelösten Kohlendioxids in die IC injiziert [170].


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Die aktive Dialyse ermöglicht Matrixnormalisierung und Probenvorkonzentration bei der Probenreinigung für die Ionenchromatographie [167]. Geringe Störungen durch suspendierte Feststoffe, neutrale Lösungen und entgegengesetzt zum Analyt geladene Ionen, beeinflussen weder die Geschwindigkeit der Dialyse, noch erfolgt ihr Transport in einem signifikanten Anteil in den Akzeptor [171-173]. Für die aktive Dialyse wurden sowohl die Flach- als auch die Hohlfasermembranmodule genutzt [174, 175]. Verwendet wurde die aktive Dialyse ge-koppelt mit der Ionenchromatographie, u.a. zur Bestimmung von Anionen in Zucker, Sirup und Flusswasser und von Chlorid in Kohle [171]. Als Akzeptorlösung diente bei allen Be-stimmungen eine Mischung von Natriumcarbonat und Natriumhydrogencarbonat. In weiteren Applikationen [175-177] für die Ionenchromatographie wurde die Donnan-Dialyse eingesetzt zur Bestimmung im Spurenbereich von Anionen in konzentrierten Basen oder von Kationen in konzentrierten Säuren. Für die Elektrodialyse werden poröse (neutrale Membranen oder Ionenaustauschermembra-nen) Membranen genutzt. Die Separationszelle besteht aus Akzeptor- und Donorkanal, die je eine Elektrode enthalten. Wenn es notwendig ist, werden diese Elektroden von einer Ionen-austauschermembran abgeschirmt, um eine elektrochemische Reaktion der Analyten auf der Elektrodenoberfläche zu verhindern [117].

Abb. 3.25: Schematische Darstellung einer Elektrodialysezelle [117] Die treibenden Kräfte für den Membranübergang der geladenen Verbindungen sind Konzen-trationsgradient und elektrisches Potential über der Membran. Die geladenen Verbindungen werden dabei aktiv durch das elektrische Potential über die Membran zur Elektrode im Ak-zeptorkanal transportiert, die entgegengesetzt geladenen Verbindungen bewegen sich in Richtung der anderen Elektrode, während die Bewegung neutraler Verbindungen nur durch passive Diffusion erfolgt. Neben der Größe ist hier auch die Ladung der Verbindung ausschlaggebend für die Selektivität der Separation. Wenn das Konzentrationsgleichgewicht auf beiden Seiten der Membran eingetreten ist, beginnt die Rückdiffusion zum Donorkanal.


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Im Gegensatz zur passiven Dialyse wird durch das elektrische Potential der Transfer des Analyten zum Akzeptorkanal aufrechterhalten, bis das Gleichgewicht von Rückdiffusion und elektrischem Fluss erreicht ist. Das heißt, der Transfer des Analyten vom Donor- zum Akzeptorkanal verläuft in der Regel quantitativ. A.J.J. Debets [179] beschrieb die Theorie der in-line Elektrodialyse zur Probenvorbereitung. Der molekulare Fluss kann wie folgt beschrieben werden [117]:

dxdV

RTDAczF

dxdcDAJJJ MigrDiff ⋅−−=+= (Gl. 3.11)

z: Ladungszahl F: Faradaykonstante [C mol-1]

c: Analytkonzentration [mol m-3] R: Gaskonstante [J mol K-1] D: Diffusionskoeffizient [m² s-1] T: Temperatur [K] dV/ dx: Potentialdifferenz über der Membran [V m-1] Der erste Term Jdiff beschreibt die Diffusion von Teilchen aufgrund der Konzentrationsdifferenz nach dem 1. Fick’schen Gesetz (s.a. Gl. 3.2). Der zweite Term, die Nernst-Planck-Gleichung, beschreibt die Diffusion aufgrund der Potentialdifferenz. Die Entfernung von störenden Elektrolyten ist oft eine Vorraussetzung zur Bestimmung von Ionen im Spurenbereich in stark sauren oder basischen Proben mittels der Ionenchromato-graphie mit Leitfähigkeitsmessung [167]. Durch die Nutzung einer Elektrodialysezelle mit Ionenaustauschermembran zwischen Donor- und Akzeptorphase und der Elektrodenreaktion, kann die Konzentration von Hydroxid- oder Wasserstoffionen drastisch reduziert werden, ohne die Analytkonzentration zu beeinflussen. J.M. Petersen [180] entfernte mittels der Elektrodialyse Hydroxidionen aus nitrat- und sulfathaltigen Proben vor der Detektion mit der Ionenchromatographie. Zur Bestimmung mit der Ionenchromatographie von Metallionen in stark saurem Medium erfolgte die Probenvorbereitung in der Elektrodialysezelle über eine Anionenaustauschermembran [181]. P.R. Haddad [178] beschrieb eine Elektrodialysemethode zur off-line Neutralisation von stark alkalischen Proben zur Bestimmung von anorganischen Anionen im Spurenbereich mit der Ionenchromatographie. Wie bereits erwähnt, erfolgt der Membranübergang bei der passiven Dialyse auf Grund des Konzentrationsgradienten über der Membran. Erläuterungen zu Prinzip, Konfigurationen etc. erfolgen in den nächsten Kapiteln, da diese Dialyseart Bestandteil der vorliegenden Arbeit ist.


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3.2.3.2 Theorie und prinzipielle Untersuchungen Zu Beginn der Dialyse ist der Konzentrationsgradient und damit die Diffusionsgeschwindig-keit am größten. Beide, Konzentrationsgradient und Diffusionsgeschwindigkeit, nehmen mit fortschreitender Dialyse ab und sind mit Erreichen des Konzentrationsgleichgewichtes gleich Null. Dies ergibt sich aus dem 1. Fick’schen Gesetz (Gl. 3.2, S 30), danach ist die Diffusions-geschwindigkeit proportional der Konzentrationsdifferenz über der Membran. Den Propor-tionalitätsfaktor D [m² s-1] bezeichnet man hierbei als Diffusionskoeffizienten.

Abb. 3.26: Verlauf der Diffusionsgeschwindigkeit gegenüber der Dialysezeit Die Diffusion innerhalb der Membran kann durch Umstellen von Gl. 3.2 beschrieben werden.

dtccAkdn )( 121 −⋅⋅= (Gl. 3.12)

k1: membranspezifische Konstante c: Konzentration auf beiden Seiten der Membran Daraus folgt nach Integration:

)( 12 cctAnk−⋅⋅

= (Gl. 3.13)

k: Permeabilitätskoeffizient [mol² m-2s-1g-1] Der Permeabilitätskoeffizient ist konstant für bestimmte Kombinationen von Membranen und Lösungen ohne Elektrolyten.


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Mit der Stokes-Einstein-Beziehung lässt sich der Diffusionskoeffizient beschreiben.

rkTDπη6

= (Gl. 3.14)

D: Diffusionskoeffizient der gelösten Substanz [m² s-1] k: Boltzmannkonstante [J K-1] T: Temperatur [K] η: Viskosität [kg m-1s-1] r: Molekülradius der diffundierenden Spezies [m] Allgemein lässt sich formulieren, dass die Diffusionsgeschwindigkeit mit zunehmender Molekül- bzw. Teilchengröße der zu dialysierenden Substanz abnimmt. Weitere die Dialyse beeinflussende Faktoren sind: Konzentrationsdifferenz, Temperatur, Ladung, Viskosität der Lösung und die Membraneigenschaften Fläche, Dicke und Permeabilität. Die obigen Betrachtungen gelten für die Gleichgewichtsdialyse bzw. für die Dialyse im Batch-Betrieb. Während der Gleichgewichtsdialyse stagnieren beide Phasen, Donor und Akzeptor. Der zeitliche Verlauf ist abhängig von der Konzentrationsdifferenz zwischen den beiden Phasen und kann wie folgt beschrieben werden [117]:

)11()(ad

ad VVJcc

dtd

+=− (Gl. 3.15)

J: Diffusionsgeschwindigkeit oder Fluss der Analytmoleküle [mol s-1] Vd/a: Volumen des Donor- bzw. Akzeptorkanals [m³] Cd/a: Konzentration in Donor- bzw. Akzeptorkanal [mol m-3] Durch Anwendung des 1. Fick’schen Gesetzes (Gl. 3.2) auf Gleichung 3.15 und differenzieren erhält man Gleichung 3.16.

tVVlr

DAt

adt

adadecccc

⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅

⋅−

= ⋅−=−11

0)()( (Gl. 3.16)

l: Membrandicke [m] t: Dialysezeit [s]


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RE („recovery“, Wiederfindung) ist definiert als der prozentuale Anteil der Analytmoleküle der Probe (vor der Dialyse), die sich nach der Dialyse im Akzeptorkanal der Separationszelle befinden. Geht man davon aus, dass sich vor der Dialyse keine Analytmoleküle im Akzeptor

befinden ( 00 ==tac ), lässt sich RE nach Gleichung 3.17 ermitteln.

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡−

+=

⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+ t

VVrlDA

da

a adeVV

VRE11

1 (Gl. 3.17)

Nach Einstellung des Gleichgewichts befinden sich äquivalente Analytkonzentrationen in beiden Phasen. Bei Verwendung von gleichen Phasenvolumina erhält man auch gleiche Analytstoffmengen in Donor- und Akzeptorphase und damit 50 % Recovery (s.a. Abb. 3.27)

Abb. 3.27: Schematische Darstellung der Gleichgewichtsdialyse bei gleichen Phasenvolumina

[182] Die Gleichgewichtsdialyse ist ein sehr langsamer Prozess da, wie in Abb. 3.26 zu sehen, die Diffusionsgeschwindigkeit während der Dialyse ständig abnimmt, die maximale Recovery bei gleichen Phasenvolumina beträgt 50 %. Mit großem Akzeptorvolumen oder einem Akzeptor, der wiederholt erneuert wird, lässt sich die Probe nahezu abreichern. Die Verkürzung der Gleichgewichtseinstellungszeit lässt sich bei vorgegebenen Phasenvolumina durch einen hohen Diffusionskoeffizienten, eine große Membranaustauschfläche und eine geringe Mem-brandicke erreichen. Um die Nachteile der Gleichgewichtsdialyse zu überwinden, kann man die kontinuierliche, bzw. die Dialyse im Fließsystem verwenden. Bei der kontinuierlichen Dialyse werden beide Phasen, Akzeptor- und Donorphase, oder eine Phase ständig erneuert und so die Konzentrationsdifferenz über der Membran aufrechterhalten und damit eine höhere Diffusionsgeschwindigkeit erzielt. Der theoretische Hintergrund der Dialyse im Fließsystem ist in verschiedenen Arbeiten beschrieben [182, 183-186]. Die Untersuchung wichtiger Systemparameter der passiven


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Dialyse im Fließsystem ergab, dass eine große Membranaustauschfläche bezüglich des Probevolumens und ein hohes Akzeptor- zu- Donor- Volumenverhältnis die Analytrecovery verbessern [187]. Die Anzahl der Moleküle, die pro Zeiteinheit die Membran passieren (die Diffusionsgeschwindigkeit), ist abhängig vom Konzentrationsgradienten und anderen Para-metern. Die wichtigsten Parameter sind Fläche und Dicke der Membran und der Diffusions-koeffizient des Analyten. Letzterer wird bestimmt durch Probenviskosität, Temperatur und Größe des Analyten im Vergleich mit der Membranporengröße (s.a. Gl. 3.14). Weitere, die Dialyse stark beeinflussende Parameter sind Fließgeschwindigkeit und chemische Zusammen-setzung der Donor- und Akzeptorphase. Eine Optimierung der Parameter ist notwendig, um die Diffusionsgeschwindigkeit zu maximieren und eine hohe Analytrecovery zu erhalten.

Prinzipielle Untersuchungen der Parameter, die die Effizienz der Dialyse im Fließsystem be-einflussen, werden im Folgenden vorgestellt.

Dialysatorgeometrie Die Verwendung eines richtig konstruierten Dialyseblocks, bzw. die Dialysatorgeometrie beeinflussen die zur Verfügung stehende Austauschfläche des Membranprozesses (s.a. Kap. 3.2.2.1 Instrumenteller Aufbau). Die Parameter Kanallänge, -tiefe und –breite bestimmen die Austauschfläche der verwendeten Membran. Durch eine verringerte Donorkanaltiefe kann die Analytrecovery verbessert werden [187, 188]. Dies ergibt sich aus der schon erwähnten Tat-sache, dass mit zunehmendem Abstand des Analyten in der Donorphase zur Membran die Wahrscheinlichkeit der Diffusion sinkt. Allgemeiner lässt sich formulieren: Durch Ver-ringerung der Kanaltiefe wird der prozentuale Anteil der Phasenvolumen, die im Kontakt mit der Membran stehen, erhöht und die lineare Fließgeschwindigkeit vergrößert sich. Letzteres führt zu einem erhöhten Massentransfer über die Membran, da es zu einer Verkleinerung der Diffusionsgrenzschicht kommt. Allerdings sind dabei kleinere Probenverweilzeiten im Donor-kanal und eine erhöhte Dispersion zu berücksichtigen. Durch Erhöhung der Kanallänge ver-größert sich die Austauschfläche ebenfalls, jedoch ist diese limitiert durch den Rückdruck, der sich im Dialysator aufbaut, was zu einem ungleichmäßigen Fließen und damit schlecht re-produzierbaren Ergebnissen führt. Bei dem überwiegenden Anteil der veröffentlichten Applikationen wurde der kommerziell erhältliche Dialyseblock von Gilson (Villiers-le-Bel, France) mit 0,2 mm Kanaltiefe und 20 µm dicken Membranen verwendet [124]. Diese Ab-messungen sichern einen schnellen Dialyseprozess ohne Probleme, wie Blockieren der Kanäle oder Durchbrechen der Membran.

Membranparameter Wichtige Membranparameter, die den Stofftransfer beeinflussen, sind Porengröße, bzw. Porengrößenverteilung in der Membran, Membrandicke und Membranmaterial. Wie unter Kap. Membranen beschrieben, wird die Dialysemembran durch den MWCO (definiert als Molekülmasse der kleinsten Verbindung, welche zu mehr als 90 % zurückgehalten wird) charakterisiert. Für jede Applikation ist der MWCO so zu wählen, dass störende Verbindun-gen im ausreichenden Maße zurückgehalten werden, aber gleichzeitig ein schneller Analyt-


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transfer über die Membran gesichert ist. In vielen Fällen wird die Dialyse im Fließsystem für biologische Proben verwendet. Hauptziel dabei ist, Proteine und andere große Biomoleküle vom Analyten zu trennen und analytische Trennsäulen zu schützen. Für diese Anwendungen werden meist Membranen mit MWCO-Werten von 10-15 KDa genutzt. Wenn kleinere Ver-bindungen zurückgehalten werden sollen, wie Huminstoffe in Umweltproben, sind Mem-branen mit kleineren Porengrößen zu verwenden [188]. Durch Abnahme der Membrandicke ist ebenfalls eine verbesserte Analytrecovery zu erzielen [187]. Limitiert wird diese Redu-zierung durch die Stabilität der Membran. Durch die Verwendung von Hohlfasermembranen statt Planarmembranen wird eine größere Membranaustauschfläche erzielt. Eine mögliche Anordnung ist die Bündelung von mehreren Hohlfasermembranen, beide Enden der Fasern sind in einen Fitting geklebt und das Bündel taucht in die Probe, während sich die Akzeptorphase in den Hohlfasermembranen befindet. Die Anzahl der Moleküle, die pro Zeiteinheit die Membran passieren, ist größer, dies führt zu deutlich verbesserten Nachweisgrenzen [188]. Die absolute Recovery ist jedoch nicht notwendigerweise besser, da dieser Aufbau nur mit relativ großen Volumen (25 ml und mehr) nutzbar ist. Nachteile sind die relativ fragile Natur der Hohlfasern, die Schwierigkeiten beim Reinigen nach der Dialyse und das begrenzte Automatisierungspotential [124]. Diese Methode ist nur für Anwendungen geeignet, bei denen das Probevolumen nicht begrenzt ist. Als Alternative bietet sich die Mikrodialyse mit Hohlfasermembranen an, sie wird in einem späteren Abschnitt erläutert.

Fließsystemparameter Untersuchungen der unterschiedlichen Fließrichtungen der Phasen im System ergaben, dass bei entgegengesetzter Fließrichtung die Präzision schlechter und die Gleichgewichtsein-stellungszeit höher ist als bei paralleler Fließrichtung. Die ausgeprägtere Dispersion und der höhere Gegendruck bei entgegengesetzter Fließrichtung begründen dies. Durch die Änderung der Fließgeschwindigkeiten, bzw. des Verhältnisses der Donor- und Akzeptorgeschwindigkeit, lässt sich die Analytrecovery in einem großen Bereich variieren. Bei gleichen Fließgeschwindigkeiten von Donor- und Akzeptorphase ergibt sich ein Stoff-mengenverlauf wie in Abb. 3.28 für die Gleichgewichtsdialyse dargestellt. Der vollständige Konzentrationsausgleich (Analytrecovery von 50 %) kann durch entsprechend lange Dia-lysezeit erreicht werden. Der Vorteil der Dialyse im Fließsystem besteht aber gerade darin, dass dies nicht notwendig ist, da unter gleichen Bedingungen nach einmaliger Kalibrierung zuverlässige Ergebnisse in wesentlich kürzerer Zeit erzielbar sind. Bei stagnierender Donor- und kontinuierlich fließender Akzeptorphase ist es theoretisch möglich, die gesamte Stoffmenge des Analyten in den Akzeptor zu überführen (Abb. 3.28).


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Abb. 3.28: Stoffmengenprofil der Dialyse im Fließbetrieb bei Stagnation des Donorstroms Dies geht jedoch mit einer erheblichen Verdünnung des Analyten im Akzeptor einher, aber in Kombination mit einer Anreicherungssäule (ASTED-System, Kapitel 3.2.3.3) lassen sich her-vorragende Ergebnisse erzielen. So ist u.a. die vollständige Entfernung von störenden Verbin-dungen mittels Dialyse möglich. Wenn ein ausreichend großes Probevolumen zu Verfügung steht, kann man durch stagnierenden Akzeptor und kontinuierlich fließenden Donor die Probenkonzentration im Akzeptor erhalten (Metrohm-Konzept, Kapitel 3.2.3.3). Die Kombination der Fließgeschwindigkeiten kann aber auch eingesetzt werden, um Proben automatisiert und damit weniger fehlerbehaftet zu verdünnen, z.B. wie oben beschrieben mit stagnierender oder langsam fließender Donorphase und kontinuierlich schneller fließendem Akzeptor. Zu beachten ist, dass sehr unterschiedliche Phasenfließgeschwindigkeiten zu einem Membrandurchbruch führen können. 3

Chemisch-physikalische Einflüsse Die chemischen Einflüsse der Probenzusammensetzung auf den Massentransfer des Analyten sind für Dialyse ionischer Verbindungen besonders wichtig, ein entsprechender Übersichts-artikel wurde von Miro und Frenzel [114] veröffentlicht. Bei geringen Ionenkonzentrationen erhält man kleinere Recoveries als für höhere Konzentrationen, daraus folgt eine Krümmung der Kalibrierkurve. Durch Zugabe einer Elektrolytlösung, dem sogenannten Modifier, kann eine Linearisierung der Kalibrierung erreicht werden, die Steigung der Geraden ist dabei abhängig von der Art des zugesetzten Modifier. Dadurch lässt sich die Nachweisempfind-lichkeit auf Grund der unterschiedlichen Diffusionsgeschwindigkeit der Ionen in Abhängig-keit von Größe und Ladung variieren. Anionen und Kationen diffundieren nicht unabhängig voneinander über die Membran [189]. Ein Anionentransfer ist aus Neutralisationsgründen im-mer auch mit einem Kationentransfer verbunden. Vielfältigste Untersuchungen wurden hierzu in unserem Arbeitskreis durchgeführt. Brandt [190] stellte einen Anstieg der Diffusion von Chloridionen durch Zusatz von Sulfationen (kleinerer Diffusionskoeffizient) fest. Dies lässt sich wie folgt erklären: Durch Zugabe von Natriumsulfat in eine Natriumchloridlösung erhöht sich die Gesamtkonzentration von Natrium und damit der Konzentrationsgradient für Na-trium. Natriumionen diffundieren verstärkt über die Membran, auf Grund der Elektro-neutralität muss ein Anionentransfer in gleicher Richtung erfolgen. Da Chloridionen die Membran leichter passieren (größerer Diffusionskoeffizient), werden sie bevorzugt über die


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Membran diffundieren. Bei der Gleichgewichtdialyse (oder im Batch-Verfahren) sind die Konzentrationen der beteiligten Ionen in Donor und Akzeptor nach Einstellung des Gleich-gewichts gleich groß. Die temporäre Erhöhung der Chloridkonzentration ist aber unter dynamischen Bedingungen im Fließsystem nutzbar. In weiteren Untersuchungen verwendete er Kaliumhydrogenphthalat als Modifier, das Anion kann die Membran nicht (bzw. sehr schlecht) passieren. Dadurch wurde die Dialyserate der Chloridionen erhöht und die Sulfat-konzentration hat keinen Einfluss mehr auf das Chloridsignal gehabt. In Gegenwart eines Modifiers hatte der pH-Wert keinen Einfluss mehr auf die Dialyserate. In der erwähnten Arbeit wurde zur Detektion Ionenchromatographie ohne Suppressor-Technik und mit einem Kaliumhydrogenphthalat-Eluenten verwendet. Megelski [191] arbeitete mit Ionen-chromatographie mit Suppressor-Technik und einem Natriumcarbonat/ Natriumhydrogen-carbonat-Eluenten, dabei erwies sich der Kaliumhydrogenphthalat-Modifier als ungeeignet, da er, wenn auch im geringen Maße, durch die Membran tritt und sich so störend auf das Chromatogramm auswirkt. Mit dem Einsatz von Natriumhydrogencarbonat als Modifier zeigten sich nur geringfügig niedrigere Dialyseraten gegenüber Kaliumhydrogenphthalat und störende Matrixeinflüsse konnten weitestgehend ausgeschlossen werden. Schombara [192] untersuchte den Einfluss von Kationen auf den Chloridionentransport über die Membran. Sie stellte dabei fest, dass Wasserstoffkationen liefernde Säuren, eingesetzt auf der Donorseite, den Chloridionentransfer stärker fördern, als die entsprechenden Salze. Dies liegt in der hohen Beweglichkeit der Wasserstoffionen begründet, da sie am schnellsten durch die Membran diffundieren, auf der Akzeptorseite ein positives Potential aufbauen und dadurch den Transfer der Chloridionen stärker fördern. Die Ergebnisse bestätigten den langsameren Membrantrans-fer von höher geladenen Kationen, da auf Grund des Co-Transportes von entsprechend mehr Analytanionen die Diffusionsgeschwindigkeit gesenkt wird. Die Tendenz zunehmender Dialyserate für die Anionen bis zu einem versuchsbedingten Maximum bei steigender Kat-ionenkonzentration, konnte ebenfalls nachgewiesen werden. Beim Vergleich verschiedener Wasserstoffionen liefernder Säuren, die sie dem Donorstrom zusetzte, stellte sie fest, dass Säuren, die stark dissoziiert vorliegen und ein, die Membran schwer passierbares, Anion be-sitzen, wie Schwefelsäure, einen hohen Analytanionentransfer in den Akzeptor erzielen. Durch Zugabe von Kationen (das Gegenion der Kationenlösungen war jeweils Nitrat mit gleichbleibender Konzentration) in die Akzeptorphase wurde der Transfer der Chloridionen mit steigender Ladung der Kationen erhöht. Mit zunehmender Ladung und Größe der Kationen erfolgt der Membrantransfer schwerer, sie haben eine erhöhte Verweilzeit in der Akzeptorphase und bauen durch ihre mehrfache Ladung ein positives Potential auf, wodurch der Transfer von Chloridionen über die Membran erhöht wird. Der Analytanionentransfer steigt mit zunehmender Kationenkonzentration in der Akzeptorphase, bis unter den gewählten Versuchsbedingungen ein Maximum erreicht ist. Da Proben nicht homogen sind und eine sinnvolle Kalibrierung nur erfolgen kann, wenn der Analyttransfer über die Membran für Probe- und Bezugslösung gleich ist, muss oft eine Kompensation der Matrixeffekte durch Zusatz eines Modifiers erfolgen. Der Modifier kann dem Proben- oder dem Akzeptorstrom


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zugesetzt werden. Übliche Modifier sind Salze und Säuren im Konzentrationsbereich von 0,1 bis 0,5 M. Der Modifier sollte chemisch inert, leicht zu entsorgen, preiswert sein und das anschließende Detektionsverfahren nicht stören. Letzteres schränkt die Wahl des Modifiers für die Dialyse mit ionenchromatographischer Bestimmung stark ein, da dieser im Chromato-gramm Störpeaks erzeugen kann. Megelski [191] und Hagemeister [193] stellten bei Ver-wendung des Phthalatmodifier und anschließender Detektion mit der Ionenchromatographie (Zweisäulentechnik) eine Störung des Chromatogramms durch dominante Phthalatsignale fest. Eine Verwendung des Na2CO3/ NaHCO3-Eluenten als Modifier in 10fach höherer Kon-zentration verursachte insbesondere bei geringen Analytkonzentrationen Störungen im Chromatogramm in der Nähe des Chloridsignals [193]. Die Effizienz der kontinuierlichen Dialyse ist auch stark abhängig von hydrophoben Wechselwirkungen der Analyten mit der Zelluloseacetatmembran. Stärker hydrophobe Ver-bindungen erreichen niedrigere Recoveries, als schwächer hydrophobe Verbindungen auf-grund der Wechselwirkung zwischen Analyt und Membran [194]. Durch Zugabe von hydro-phoben kationischen Tensiden in die Probe konnten die Wechselwirkungen des Analyten mit der Dialysemembran verringert werden [195, 196]. Theoretisch kann die Diffusionsgeschwindigkeit verbessert werden durch eine Reduzierung der Probenviskosität, z.B. durch Verdünnung der Probe. Da dies aber zu einem Verlust an Empfindlichkeit der Methode führt, werden Proben in der Praxis meist nie mehr als not-wendig verdünnt, z.B. um eine Blockierung von Schläuchen und Kanälen im Fließsystem zu verhindern. Für die Ionenchromatographie erweist sich eine Verdünnung bei Proben mit ho-hen Ionenkonzentrationen als notwendig, da sonst ein Überladungseffekt der Trennsäule auf-tritt, in der Regel bei Analytkonzentrationen größer als 100 mg/l oder bei einer Gesamt-ionenkonzentration, die größer ist als 1000 mg/l [3]. Eine Erhöhung der Temperatur kann den Fluss über die Membran ebenfalls verbessern, so wurde bei Temperaturen über 50 °C eine höhere Recovery erzielt [3, 199]. Aus praktischen Gründen werden die meisten Applikationen bei Raumtemperatur durchgeführt. Die Temperatur sollte jedoch während der Messungen konstant gehalten werden, da sonst Er-gebnisschwankungen aufgrund der Beeinflussung beim Massentransfer über die Membran auftreten können.


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3.2.3.3 Experimentelle Konfiguration Ein möglicher Aufbau der Dialyse gekoppelt mit der Chromatographie ist in Abb. 3.29 zu sehen. Die Probe wird in den Donorkanal der Dialysezelle gepumpt und Verbindungen von geeigneter Größe transferieren auf Grund des Konzentrationsgradienten über die Membran in den Akzeptorkanal, der mit dem Chromatographiesystem gekoppelt ist. Die Trennung von Verbindungen bei Vorhandensein des Konzentrationsgradienten erfolgt auf Grund unter-schiedlicher Größe und der damit verbundenen unterschiedlichen Diffusionsgeschwindigkeit. Andere Anordnungsmöglichkeiten im Fließsystem sind u.a. die Platzierung des Dialysators hinter der Pumpe, das ASTED-System (in-valve Position der Anreicherungssäule), Zuführung eines Derivatisierungsreagenzes zum Dialysat vor der Trennsäule, Probeninjektionsventil kurz vor dem Dialysator (geringere Probendispersion im Carrier) und in-valve Position des Dialy-sators. Drei Modi der Dialyse im Fließsystem können beschrieben werden [187]. Sie unter-scheiden sich hinsichtlich der stagnierenden, unterteilten oder kontinuierlich fließenden Proben- bzw. Donorphase im Dialysator. Bei der statischen Dialyse stagniert der Donorstrom und der Akzeptorstrom fließt kontinuierlich. Der sequentielle Modus wird verwendet, wenn das Probevolumen größer ist als das Donorkanalvolumen in der Dialyseeinheit. Das Probevolumen wird dabei unterteilt in einzelne Sequenzen und nacheinander im statischen Modus dialysiert. Für kleine Probenvolumen ist bevorzugt der statische Modus zu nutzen. Große Probevolumina können entweder mit kontinuierlich fließenden Phasen dialysiert wer-den, dabei erfolgt diese Methode zwar schnell, aber man erzielt niedrige Recoveries (10-15 %). Die andere Möglichkeit ist die Dialyse im langsameren sequentiellen Modus mit höheren Recoveries (>30 %). Die Wahl des Modus ist abhängig von dem verfügbaren Probe-volumen, der erforderlichen Empfindlichkeit und Geschwindigkeit.

Abb. 3.29: Schematische Darstellung der Dialyse im Fließsystem gekoppelt mit der HPLC und IC Eine Variante, den Anteil der analysierten Probe zur ursprünglichen Probe zu verbessern, ist ein Spurenanreicherungsschritt innerhalb des Systems. Dabei stagniert der Donorstrom und die diffundierten Analyten werden mit dem fließenden Akzeptor auf die Anreicherungssäule


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transportiert. Nach der Dialyse erfolgte die Desorption der Analyten und der Transfer in das Chromatographiesystem. Diese Methode wird automatisierte sequentielle Spurenanreicherung des Dialysats, kurz ASTED (automated sequential trace enrichment of dialysates), genannt [198] (s.a. Abb. 3.30).

Abb. 3.30: ASTED-System, Spurenanreicherungssäule (TEC „trace enrichment cartridge“) in der Injektionsschleife des Ionenchromatographen [199] Die Funktionsweise des ASTED-Sytems lässt sich wie folgt zusammenfassen: Die Probe wird in den Donorkanal der Dialysezelle gepumpt und dort angehalten, dabei steht das Injektionsventil auf „inject“ –Position. Während das Injektionsventil auf „load“ –Position steht, transportiert der fließende Akzeptor das Dialysat auf die TEC. Nach einer bestimmten Zeit erfolgt durch Schalten des Injektionsventils die Elution der Analyten von der TEC auf die eigentliche Trennsäule. In dieser Zeit wird die Dialyseeinheit mit Carrier gespült. Das Prinzip des stagnierenden Akzeptors und fließenden Donors für ausreichend große Probevolumina ist von der Firma Metrohm patentiert. Bei niedrigen Donorfließraten ist der Zeitpunkt, an dem sich 100 % des Analyten im Akzeptor befinden, schon nach wenigen Minuten erreicht. Da das Volumen des Dialysats wesentlich größer ist als das der Injektions-schleife des Chromatographen, kann durch die „heartcut“-Technik aus dem Akzeptor das Dia-lysat unverdünnt in die Injektionsschleife gelangen. Diese „heartcut“-Technik bedarf sekun-dengenauer computergesteuerter Pumpen. Die Kalibrierung des Dialysesystems ist nicht notwendig auf Grund der unveränderten Konzentration des Analyten.


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3.2.3.4 Applikationen Die erste Anwendung der passiven Dialyse im Fließsystem für die LC wurde zur Bestimmung von Kalzium- und Magnesiumionen in Serumproben verwendet [200]. Das Probevolumen in der Dialysezelle betrug 40 µl und die verwendete Hohlfasermembran hatte einen Innendurchmesser von 200 µm. Während der Dialyse wurde die Probe durch die Separationszelle gepumpt und die Akzeptorlösung in der Hohlfasermembran stagnierte. Nach der Dialyse erfolgte der Transport der Akzeptorphase aus der Hohlfasermembran in die Injektionsschleife und die Bestimmung mit der Ionenchromatographie. Turnell und Cooper [201] dialysierten Aminosäuren im Serum mit einer Flachmembran, dabei stagnierten Donor- und Akzeptorlösung für 1 min in der Dialyseeinheit. Die Bestimmung mit der Umkehr-phasenchromatographie erfolgte nach dem Transport der Akzeptorphase in eine 50 µl Injek-tionsschleife. Diese Methode war leicht zu automatisieren und eine große Anzahl von Aminosäuren konnten in 6 min separiert und detektiert werden. Die Bestimmungsgrenze lag bei 6 nM mit einem linearen Bereich bis 1,8 mM. Das patentierte ASTED-System der Firma Gilson wurde u.a. zur Bestimmung verschiedener Aminosäuren [202], Kortisol [199], Nitrofuran in tierischen Substanzen [187], Enoximon [203], Koffein und Theophyllinen in verschiedenen Medikamenten [204] angewendet. Die Anwendung der passiven Dialyse gekoppelt mit der Ionenchromatographie erfolgte zur Bestimmung von Kalzium- und Magnesiumionen in Serumproben [200]. Dieses Verfahren war schnell, benötigte nur geringe Probenvolumen und erlaubte eine direkte Injektion des Dialysats in den Chromatographen. Die Probenvorbereitung für die Ionenchromatographie durch Kopplung aktiver und passiver Dialyse durch T. Asada [205] koppelte die aktive Dia-lyse mit einer passiven Dialysezelle zur Bestimmung von Sulfat und Phosphat in Proben mit hohen Chloridkonzentrationen. Dabei erfolgte zuerst ein Abtrennung der monovalenten störenden Ionen, wie Chlorid, über eine monovalente anionenselektive Membran. Die mehrfachgeladenen Ionen, wie Phosphat und Sulfat, die nicht über diese Membran transferieren, wurden von der störenden Matrix in einer weiteren Separationszelle durch passive Dialyse getrennt und anschließend mit der Ionenchromatographie bestimmt. Zur simultanen Bestimmung verschiedener Anionen mit der Ionenchromatographie verwendete Grudpan [206] die passive Dialyse als Probenvorbereitung. Dabei erfolgte eine Abtrennung verschiedener störender Partikel und Verbindungen, wie Proteine und Tenside. Die Ver-dünnung mit der Dialyse im Fließsystem wurde zur Kalibrierung im Bereich von 1 bis 50 mg L-1 mit sehr guter Reproduzierbarkeit genutzt. Ein Vergleich der Methode mit entspre-chenden Standardmethoden zur Bestimmung von Anionen in verschiedenen Wasserproben ergab vergleichbare Werte. Eine weitere Applikation der passiven Dialyse erfolgte zur Bestimmung von Oxytetracyclin aus Serum und Vollblut [207]. Proteine und Blutzellen wurden durch die Dialysemembran zurückgehalten, das Dialysat auf einer kleinen Säule angereichert und anschließend separiert und detektiert mittels der Ionenchromtaographie mit UV-Detektion. Die Nachweisgrenze lag bei 50 ng L-1. Ein Verfahren zur Bestimmung von


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Chrom VI in Leder [208] durch Kopplung von in-line Dialyse mit Ionenchromatographie und anschließender UV/ VIS- Detektion wurde entwickelt. Die Abtrennung der hochmolekularen Matrix fand durch die in-line Dialyse statt. Zur Anwendung kam das patentierte stopped-flow-Verfahren [209], dabei stagniert der Akzeptorstrom während die Probelösung im Gegenstrom durch die Dialyseeinheit fließt. Im Vergleich dieser Methode zur photometrischen Methode nach DIN-Norm mit Festphasenextraktion konnte festgestellt werden, dass die in-line Dialyse Methode mit IC einen geringen Zeit- und Kostenaufwand benötigt, zuverlässiger ist und eine bessere Nachweisempfindlichkeit besitzt. Eine weitere Applikation zur Bestimmung von Chrom VI in einer Matrix von Farbstoffen und dreiwertigen Chrom mit in-line Dialyse und Ionenchromatographie ist von Ganeshjeevan [210] publiziert worden. Die Nachweisgrenze lag bei 5 µg L-1 und die Analysenzeit unter 20 min. Eine Vielzahl von Applikationen, basie-rend auf der stopped-flow-Dialyse zur in-line Probenvorbereitung für die Ionenchromato-graphie, wurde von der Firma Metrohm publiziert. Als Beispiele seien hier genannt: Anionen und niedermolekulare organische Säuren in Infusionslösungen, Zitronen- und Ascorbinsäure in Vitamintabletten, Jodide in Humanurin, Kalzium in Milch. Diese Anwendungsverfahren sind in Firmen-Applikationen erschienen und auch in entsprechenden Übersichtsartikeln [211] publiziert. In unserer Arbeitsgruppe fanden Untersuchungen der Dialyse für verschiedene Probenzusammensetzungen statt. Brandt [190] bestimmte Chlorid in Bodenproben mit der Dialyse. Ein Vergleich mit durch Direktpotentiometrie ermittelten Werte ergab eine gute Übereinstimmung. Auch der Vergleich der Festphasenextraktion und der Dialyse als Proben-vorbereitungsmethode bei der Analyse verschiedener Anionen in Oberflächenwasser zeigte eine gute Übereinstimmung der Werte. Für Industrieabwässer hingegen traten beim Chroma-togramm der Probe, die mit der Festphasenextraktion vorbehandelt wurde, im Gegensatz zur Dialyse störende Peaks auf. Ein Vergleich der Dialyse und konventioneller Probenvor-bereitungsmethoden bei der Bestimmung verschiedener Anionen in Abwässern aus chemischer und lederverarbeitender Industrie, Bodeneluaten und Trinkwasser ergaben bis auf wenige Ausnahmen übereinstimmende Ergebnisse [192]. Doch die wesentlichen Vorteile, geringer Reagenzienverbrauch, keine manuellen Arbeitschritte, geringe Analysenzeit und –kosten, der in-line Dialyse gegenüber konventioneller Probenvorbereitung für die Ionenchro-matographie, zeigten sich auch hier. 3.2.3.5 Mikrodialyse Die Mikrodialyse ist eine spezielle Anwendung der Dialyse, sie ist gekennzeichnet durch kleine Dimensionen der Dialyseeinheit. Die Idee hinter der Mikrodialyse war, die Funktion der Blutgefäße nachzuahmen, um in situ Probenentnahme und –reinigung durchzuführen. In der Medizin wird die Mikrodialyse schon seit langem für pharmakinetische Studien zur Über-wachung von extrazellulären chemischen Abläufen in lebendem Gewebe genutzt [86-90]. Bereits 1972 führte Delgado eine kontinuierliche Probennahme mittels Mikrodialyse aus dem Gehirn am lebenden Tier durch [212]. Verschiedenste Konfigurationen der Mikrodialysezelle


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sind publiziert und untersucht worden [2, 213]. Die am häufigsten verwendete Mikrodia-lyseeinheit besitzt eine konzentrische Form (Abb. 3.31A). Durch die Hohlfasermembran der Zelle strömt die Perfusions- bzw. Akzeptorlösung und die Analyten der Probe diffundieren über die Membran in die Akzeptorlösung. Eine oft im medizinischen Bereich verwendete Mikrodialysesonde, die in das Gewebe implantiert werden kann, ist in Abbildung 3.31B dargestellt. A) B)

Abb. 3.31: A) Schematische Darstellung einer konzentrischen

Mikrodialysezelle B) Implantierbare Mikrodialysesonde

Die hohen Kosten und die fehlenden Möglichkeiten zur Optimierung der Dialyse durch Veränderungen am Aufbau der kommerziell erhältlichen Mikrodialysesonden für klinische Zwecke sind deutliche Nachteile bei der Applikation dieser Technik auf die verschiedensten chemisch-analytischen Bereiche. Die Mikrodialyseeinheit enthält eine semipermeable Membran, die in feste, halbfeste und flüssige Proben eingeführt wird. Anwendungen außerhalb des medizinischen Bereichs wurden u.a. für Biotechnologie [214] und Umweltanalytik [215] publiziert. Die Probennahme kann kontinuierlich fließend oder stopped-flow erfolgen, beides wurde mit und ohne Rühren unter-sucht [216]. Die Wahl des Probennahmemodus ist abhängig von Konzentration und Proben-größe des Analyten und von der erforderlichen Detektionsempfindlichkeit. Für in vitro Stu-dien ist Rühren realisierbar, bei in vivo Experimenten hingegen, wie im Pflanzengewebe, gestaltet sich das Rühren extrem schwierig. Die erhaltenen Resultate der Mikrodialyse sind abhängig von der experimentellen Umgebung. Entsprechend der Mikrodialysetheorie können verschiedene Widerstände für den Analyten beim Membrantransfer in unterschiedlichen


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Probenumfeldern die analytischen Resultate beeinflussen. Die Wahl der Komponenten der Mikrodialyseeinheit, insbesondere Konstruktion und die Membran, sind wichtig für die erfolgreiche Durchführung der Mikrodialyse. Bungay und Mitarbeiter [217] haben gezeigt, dass die erhaltenen Mikrodialysedaten quanti-tativ und qualitativ betrachtet werden können. Entsprechend des Massetransfermodells für die Mikrodialyse wird die Extraktionsfraktion (EF), auch als relative Recovery bezeichnet, in Gleichung 3.18 definiert.

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡−== ++

−)(

1

1100 extmdd RRRQ

p

d eCCEF (Gl. 3.18)

Cd: Konzentration des detektierten Analyten nach der Mikrodialyse Cp: Konzentration des Analyten in der Probe Qd: Perfusions- bzw. Akzeptorgeschwindigkeit Rd, m, ext: Dialysatwiderstand, Membranwiderstand, externe Widerstände (Partikel etc. in einer komplexen Matrix)

Wobei ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡++ )(

1

extmd RRR der Permeabilitätsfaktor ist. Für Mikrodialysemembranen wird der

Permeabilitätsfaktor hauptsächlich durch den Membranwiderstand auf den Transport des Analyten bestimmt. Die Extraktionsfraktion wird nicht durch die Konzentration des Analyten beeinflusst [218] und auch die Komplexibilität der Matrix beeinträchtigt die Extrak-tionsfraktion nicht signifikant [74]. Eine hohe Extraktionsfraktion reduziert die Anforde-rungen an die Empfindlichkeit des Detektionssystems. Die Mikrodialyseeinheit sollte eine von den folgenden Erfordernissen erfüllen: Kleine Dia-lyseeinheit mit hoher Extraktionsfraktion oder robuste, größere Dialyseeinheit mit hoher Ex-traktionsfraktion. Kleine effiziente Dialysezellen sind notwendig für die Probennahme aus einem begrenzten Volumen, wie in organischen oder pflanzlichen Gewebe, um eine Zer-störung der Probenumgebung zu verhindern. Diese kleinen Dialyseeinheiten werden u.a. zum Monitoring der hydrolytischen Eigenschaften von Enzymen und der Mineralaufnahme von Pflanzen eingesetzt. Große und robuste Dialysezellen werden vorzugsweise zur Probennahme und –vorbereitung aus Bioreaktoren und Fermentatoren verwendet. Obwohl die Größe, Robustheit und Effizienz der Mikrodialyseeinheit wichtige Parameter sind, können Kosten, wie bereits erwähnt, ein hemmender Faktor sein. So muss der Anwender oft mehrere Mikrodialyseeinheiten testen, um das geeignete Membranmaterial und den MWCO zu bestimmen. Viele, vor allen Dingen kommerziell erhältliche Mikrodialysesonden, sind sehr empfindlich, sie können zerstört werden durch zu hohe Perfusionsgeschwindigkeiten oder kleinste Zusammenstöße. Eine Mikrodialyseeinheit sollte veränderbar sein [220] und


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muss z.B. eine Untersuchung verschiedener Membranen mit gleichen Innendurchmessern erlauben. Die Auswahl der Membran sollte nicht nur durch eine hohe Extraktionsfraktion bestimmt sein, sondern auch unter Berücksichtigung der komplexen Matrix, pH-Wert und Temperatur erfolgen. Um diese Ziele zu erreichen, kann der Analytiker verschiedene kommerziell erhält-liche Hohlfasermembranen mit unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheiten, MWCO’s und Materialien, wie Polysulfone, Polyethersulfon, Polyamide und Cuprophan untersuchen. Alle diese Membranen besitzen ausreichende pH- und Temperaturbereiche [74]. Torto [220] selektierte Membranen, die den Einsatz der Mikrodialyse für die in-line Probennahme von Hochtemperatur-Bioprozessen ermöglichten. Untersuchungen von Wechselwirkungen der Mikrodialysemembran mit komplexen Probenmatrixs, insbesondere mit Proteinen, wurden von verschiedenen Gruppen publiziert [218, 221, 222]. Die Kopplung kleiner Mikrodialyseeinheiten mit traditionellen Analytikinstrumenten stellt oft ein Problem dar. So kann es zu langen Dialysezeiten kommen, um ein ausreichendes Probe-volumen für die Detektion zu erhalten. Das benötige Probevolumen des gekoppelten Detek-tors bestimmt damit die Analysenfrequenz und der auftretende Zeitverlust steht im Wider-spruch zur Vorstellung von kontinuierlichen Analysentechniken. Neben den Untersuchungen zu Selektion und Optimierung der Membran erfolgten auch Studien zur Konstruktion der Mikrodialyseeinheit [219], um eine Steigerung der Extraktionsfraktion zu erreichen. Eine gesteigerte Extraktionsfraktion erlaubt eine höhere Akzeptorfließgeschwindigkeit und damit eine höhere Analysenfrequenz. Eine andere Möglichkeit ist die Mikrochip Totalanalyse, Manz und Mitarbeiter [223] prägten die Abkürzung „microTAS“ für mikroanalytische Total-systeme, um eine neue Methode der analytischen Instrumentation zu definieren. Die Mikro-chip-Dialyse wurde für verschiedene Applikationen publiziert [224-226]. In-line Kopplung der Mikrodialyse mit der LC oder CE ermöglicht eine Multianalytbestim-mung [227, 228]. Erfolgreiche Applikationen gibt es u.a. in der Biotechnologie [221]. Bei der Bestimmung von Metallionen wurde die Mikrodialyse mit verschiedenen Detektoren (CE, Graphitrohr-AAS, ICP-MS) gekoppelt [75]. Es fand u.a. eine Untersuchung der Abhängigkeit der Extraktionsfraktion unterschiedlicher Metallionen von Membranmaterial, MWCO und dem pH-Wert der Perfusionslösung statt. Um das Potential dieser Methode zu demonstrieren, erfolgte eine Bestimmung der Ionen im Abwasser und im Abwasserschlamm von Dünger. Für Bestimmung von Sachariden im Abwasser der Getränkeindustrie wurde die Mikrodialyse gekoppelt mit der Ionenchromatographie genutzt [215]. Bestimmt wurden dabei Glucose, Sucrose und Fructose, der pH-Wert (6,8) des Abwassers veränderte die Elutionsreihenfolge der beiden erst erwähnten Verbindungen. Zum Monitoring der enzymatischen Hydrolyse von Stärke bei 90°C kam die Mikrodialyse gekoppelt mit Anionenaustauschchromatographie und elektrochemischer Detektion zum Einsatz [229]. Verwandt wurde dazu eine Polysulfonmem-bran mit einem MWCO von 5 KDa. Die charakteristische fingerprint-Separation erfolgte nach der Hydrolyse durch die Anionenaustauschchromatographie. Durch eine nachgeschaltete Säule trat eine verbesserte Detektion und eine Reduzierung der Elektrodenablagerung


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(Fouling) auf. Buldini [230] nutzte die Kopplung der Mikrodialyse mit Ionenchromatographie zur Bestimmung anorganischer Anionen im Abwasser einer Olivenölmühle. In einem ersten Schritt erfolgte die Homogenisierung der Probe mittels Ultraschall und dann eine Verdünnung und die Mikrodialyse. Der überwiegende Anteil an organischen Verbindungen konnte so ohne zusätzliche Reagenzien aus der Probe in wenigen Minuten entfernt werden, während die löslichen Anionen unbeeinflusst blieben. Die erhaltene klare Lösung wurde in-line in den Ionenchromatographen injiziert. Die genutzte Dialysemembran bestand aus Cellulosetriacetat, mit einen Porendurchmesser von 0,2 µm, Dicke 15 µm und einem Durchmesser von 47 mm. Es wurden gute Ergebnisse mit niedriger Standardabweichung für alle bestimmten Anionen mit einer Dialysezeit von 10 min im stopped-flow Verfahren erreicht. Die Recovery lag zwischen 96 und 104 % und die Nachweisgrenze bei 10 µg L-1. Diese Technik hat das Potential über die aktuellen Anwendungen hinaus zu expandieren, da sie, wie verschiedenste Publikationen belegen, eine zuverlässige, schnelle und genaue in-line Probenvorbereitungstechnik ist. Zusätzliche Möglichkeiten ergeben sich aus der in situ Probennahme in flüssigen als auch in halbfesten Medien.


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3.2.4 Gasdiffusion 3.2.4.1 Prinzip Bei der Gasdiffusion im Fließsystem werden flüchtige Komponenten aus der flüssigen Matrix über eine gaspermeable Membran abgetrennt und diffundieren in die Akzeptorlösung. Dieser Separationsschritt entfernt den größten Anteil der Interferenzen durch zwei Prozesse und verbessert dadurch die Selektivität der Methode [4]. Der erste Prozess ermöglicht nur gas-förmigen Verbindungen den Membranübergang, so werden neben Partikeln und hochmole-kularen Verbindungen auch alle nichtflüchtigen Komponenten im Donorstrom zurückgehalten [2]. Eine Unterscheidung zwischen den Gasen ist der zweite Prozess, der die Selektivität steigert. Diese Trennung ist eine Kombination der Gaslöslichkeit in der Akzeptorlösung und der Gaspermeabilität der Membran. Die üblicherweise verwendete hydrophobe mikroporöse Membran stellt mit ihren Luft gefüllten Poren die Gasphase dar. Diese Gasphase bildet die Grenzschicht, die einen Flüssigkeitsaustausch über die Membran verhindert [231, 232] und den Massentransfer des gasförmigen Analyten mittels Diffusion erlaubt. Diese Methode wird auch als isotherme Destillation [101] bezeichnet. Einerseits ist das Anwendungsgebiet der Gasdiffusion auf flüchtige Komponenten beschränkt, andererseits besteht gerade darin die hohe Selektivität der Methode. Die Gasdiffusion ermöglicht die prächromatographische Tren-nung von chromatographisch ansonsten nur schwer zu trennenden Ionen [2]. Und im Unterschied zur Dialyse und Ultrafiltration kann hier eine Anreicherung der diffundierten Analyten in der Akzeptorphase erfolgen [113]. Die theoretische Beschreibung des Analyt-transfers über die Membran, eine mathematische Beziehung der Analytkonzentration auf beiden Seiten der Membran als eine Funktion der Zeit in Abhängigkeit von Transferkoeffi-zienten und Fließgeschwindigkeit, entwickelte Van der Linden [231]. Die Konversion der Analyten in flüchtige Verbindungen findet durch geeignete Wahl der Reagenzlösung statt. Diese Umwandlung wird meist durch pH-Wert Verschiebung im Donor-strom erreicht. Ionische Verbindungen, wie Ammonium und einige Amine, sind im alka-lischen gasförmig bzw. stark flüchtig. Im sauren Medium können u.a. Sulfit, Sulfid, Zyanid, Nitrit und Carbonat zu SO2, H2S, HCN, NOx und CO2 umgewandelt werden und so über die Membran diffundieren. Die chemischen Zusammensetzungen der Donor- und Akzeptorphase sind für die Effizienz des Separationsschrittes wichtige Parameter. So nimmt die Löslichkeit der Gase mit wachsender Konzentration von Elektrolyten und mit steigender Temperatur ab. Die optimale chemische Zusammensetzung der Akzeptorlösung (pH-Wert, Art des Puffers etc.) wurde in einem Artikel von Van der Linden [233] diskutiert. Die Aufrechterhaltung des Konzentrationsgradienten über der Membran ist notwendig, um den Analyttransfer in die Akzeptorphase zu gewährleisten. Eine Möglichkeit ist das permanente Erneuern der Ak-zeptorphase. Oder die Umwandlung der separierten Verbindungen in der Akzeptorphase in nichtflüchtige Verbindungen, dies ist für die Gase der beschriebenen ionischen Verbindungen


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durch entsprechende pH-Wert Anpassung der Akzeptorlösung möglich. Ein starkes Konzen-trationsgefälle über der Membran entsteht bei einem wesentlich größeren Probevolumen gegenüber dem Akzeptorvolumen. 3.2.4.2 Experimentelle Konfiguration Das Fließsystem für die Gasdiffusion besitzt den gleichen grundlegenden Aufbau wie den unter Dialyse (Abb. 3.29) beschriebenen. Ebenso sind die Separationszellen für Dialyse und Gasdiffusion prinzipiell baugleich (vgl. Abb. 3.16). Die instrumentellen Aspekte und die Hauptparameter, die den Gastransfer beeinflussen, sind in verschiedenen Arbeiten beschrieben [113, 231, 232, 234]. Ein hoher Massentransfer vom Donor- zum Akzeptorkanal wird mit Gasdiffusionszellen erreicht, die eine große Membran-austauschfläche und dünne Fließkanäle besitzen. Beide, die totale und die relative Fließge-schwindigkeit zwischen Donor und Akzeptorphase, beeinflussen die Gastransfereffizienz und die Endkonzentration in der Akzeptorphase [110, 231]. Um einen hohen Konzentrations-gradienten über der Membran aufrecht zu erhalten, ist eine hohe Donorgeschwindigkeit möglich und wie bereits erwähnt eine schnelle Entfernung des Analyten im Akzeptorstrom, z.B. durch Umwandlung in nichtflüchtige Komponenten. Obwohl die Diffusionseffizienz mit der Verweilzeit in der Separationszelle verknüpft ist, d.h. sie wird vermindert mit zunehmen-der Donorfließgeschwindigkeit [181], impliziert eine geringe Diffusionseffizienz keine niedrige Empfindlichkeit. Die Empfindlichkeit wird bestimmt durch die resultierende Analyt-konzentration im Akzeptor und ist abhängig vom Analytmassentransfer und dem Akzeptor-volumen, in welchem der Analyt gelöst wird [235]. Bei einer schneller fließenden Akzeptor-lösung tritt ein Verdünnungseffekt des Analyten auf [113]. Unter Berücksichtigung der resultierenden Konzentration in der Akzeptorlösung (welche die tatsächlich gemessene Kon-zentration ist), kann ein maximaler Wert durch Anhalten dieser Lösung über eine längere Zeitspanne vor dem Transport zum Detektor erhalten werden [113, 232]. In Hinblick auf die jeweilige Anwendung gilt es einen akzeptablen Kompromiss zwischen Probenverbrauch, möglichen Problemen mit unterschiedlichen Drücken an der Membran, erforderlicher Empfindlichkeit und akzeptabler Analysenzeit durch Variation der Fließgeschwindigkeiten zu finden. Es muss auch berücksichtigt werden, dass ein System mit permanent fließenden Lösungen einfacher und zuverlässiger arbeitet, als ein System, das Stopped-Flow-Schritte nutzt [236, 237]. Die Anordnung des Detektors im Fließsystem ist ebenfalls ein wichtiger Aspekt, die ideale Situation wäre die direkte Detektion in der stagnierenden Akzeptorlösung der Gasdiffusions-zelle (siehe Abb. 3.15). Diese Integration von Separation und Detektion ist begrenzt, sie kann in den Fällen genutzt werden, wo entweder kein Reagenz (wie bei der Potentiometrie mit Ionenselektiven Elektroden) oder nur ein einzelnes Reagenz notwendig ist [113]. Des weiteren muss das Detektionsprinzip zur Miniaturisierung geeignet sein. Eine andere Variante


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ist, den Durchflussdetektor seriell zur Gasdiffusionszelle in einer Schleife, in der die Akzeptorlösung zirkuliert, anzuordnen [113]. Unter Beachtung der involvierten chemischen Reaktionen ist bei der Zusammensetzung der Donorlösung insbesondere die Flüchtigkeit der Analyten berücksichtigen. Die Akzeptor-lösung sollte so zusammengesetzt sein, dass die über die Membran diffundierenden Analyten sich gut lösen, möglichst in eine nicht flüchtige Spezies umgesetzt werden, und den anschließenden instrumentellen Detektionsprozess nicht stört. Die grundlegenden Anforderungen an die Membranen für die Gasdiffusion sind Gas-permeabilität und Hydrophobie, wobei dünne stark poröse Membranen einen hohen Massen-transfer gewährleisten. Das überwiegend verwendete Membranmaterial ist mikroporöses Teflon (Polytetrafluoroethylen), eingesetzt werden kann es als Flachmembran und Hohlfaser-membran. In einzelnen Arbeiten zur Gasdiffusion [238, 239] wurden homogene hydrophobe Membranen wie Silikon verwendet Es sei hier bemerkt, dass der Transportmechanismus über diese Membranen nicht vollständig geklärt ist, und ein gemischter Mechanismus von Lösen, Diffusion und Permeation an zunehmen ist. 3.2.4.3 Applikationen Es gibt zahlreiche publizierte Arbeiten zur Bestimmung unterschiedlichster Analyten mit der Gasdiffusion als Probenvorbereitungsmethode im Fließsystem, gekoppelt mit den ver-schiedensten Detektoren. Zusammenstellungen dieser Applikationen nach Analyten, Matrix und Detektionsprinzip sind in mehren Publikationen zu finden [101, 111, 240]. Eine kurze Übersicht (Tab. 3.1) soll an einigen Beispielen die Vielfältigkeit dieser Methode zeigen und Publikationen unter Nutzung der Ionenchromatographie (IC), die in den oben angegebenen Literaturstellen nicht erwähnt werden, berücksichtigen. Tab. 3.1: Applikationen der Gasdiffusion im Fließsystem (ISE: Ionenselektive Elektrode)

Analyt

Detektionsprinzip

Probenmatrix

Literatur

Sulfit Carbonat Hydrogencarbonat

Leitfähigkeitsmessung IC Photometer Photometer Leitfähigkeitsmessung Photometer Photometer

Wein, Fruchtsäfte Rotwein Wein Alkalimetallhydroxid- Lösungen Meereswasser Wein Mineralwasser

[245] [241] [246] [247] [248] [249] [244]


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Zyanid Ammonium Ammonium/ Methylamine Trimethyl-N-oxide Queksilber (II) Jod

IC Photometer, Potentiometer (ISE) Photometer, Potentiometer (ISE) Photometer Photometer IC IC IC Amperemeter Lumineszenz- Messung

Abwasser Wasser Wasser Wasser Wasser Wasser Abwasser Meereswasser Wasser Meereswasser, Planktonkulturen, Fisch Wasser Pharmazeutische Produkte

[236] [113] [232] [113] [251] [250] [243] [237] [235] [242] [251] [252]

Die Vorteile der Gasdiffusion im Fließsystem sind vielfältig und wurden in den voran-gehenden Kapiteln der Membranseparation im Fließsystem ausführlich dargestellt. So können klassische Methoden, wie die destillative Abtrennung, z.B. von Ammoniak oder Zyan-wasserstoff bei der Bestimmung von Ammonium und Zyanid in stark belasteten Wässern oder Bodeneluaten, durch die Gasdiffusion im Fließsystem elegant ersetzt werden. Die unter experimentelle Konfiguration erwähnte Integration von Separation und Detektion wurde u.a. zur Bestimmung von Ammonium mittels Reflexionsspektroskopie [253] und mit Ionen-sensitiven Elektroden zur Bestimmung von Cyanid und Ammonium genutzt [113]. Auf Publikationen der Gasdiffusion gekoppelt mit der Ionenchromatographie wird im folgenden näher eingegangen, da dies Thema der vorliegenden Arbeit ist. Liu und Kollegen [236] entwickelten ein automatisiertes System zur Bestimmung von Gesamtzyanid und in-stabilen Zyanid in wässrigen Proben. Es erfolgte eine in-line Photodissoziation stabiler Metallzyanidkomplexe, wie Fe(CN)6

3-, im sauren Medium mit einer Hg-Lampe. Das so frei-gesetzte Zyanid (HCN) diffundierte über die Separationsmembran in verdünnte Natronlauge, der störende Anteil der Probenmatrix wurde damit weitestgehend entfernt. Das Zyanid konnte von verbleibenden Interferenzen, wie Sulfid, durch die Ionenchromatographie separiert und anschließend amperemetrisch detektiert werden. Ein Vergleich ergab mehrere Vorteile des Zyanidanalysensystems mit Gasdiffusion gegenüber aktuellen Standardmethoden [254]. Die in-line Photodissoziation ermöglichte eine schnelle und komplette Bestimmung der meisten stabilen Metallzyanidkomplexe. Das System lieferte Informationen über die vorliegende Form


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des Zyanids in der Probe. Diese Informationen sind sinnvoll, um die Korrelation zwischen den vorliegenden Formen des Zyanids in Wasserproben und ihrer biologischen Effekte besser zu verstehen. Die Kombination von Gasdiffusion und Ionenchromatographie erlaubte eine nahezu interferenzfreie Bestimmung des Analyten. Das automatisierte System lieferte einen relativ schnellen Probendurchsatz von 8 Proben pro Stunde und ist bei einer Nachweisgrenze für Gesamtzyanid von 0,1 µg L-1 für die meisten Abwasserproben geeignet. Zur simultanen Bestimmung von Ammonium und Methylaminen in verschiedenen Wasser-proben nutzte Gibb [235] die Kopplung von Gasdiffusion und Ionenchromatographie. Durch Zugabe von verdünnter Natronlauge zur Probe im Fließsystem deprotonierten Ammonium und die Methylamine und transformierten so in ihre flüchtige gasförmige Form. Sie diffun-dierten über die Membran in die saure stagnierende Akzeptorlösung. Hier erfolgte durch Re-protonierung die Umwandlung in ihre nicht flüchtige Form. Nach einer vorgegebenen Diffu-sionszeit erfolgte die Injektion von 200 µl in den Ionenchromatographen. Die Probengefäße wurden sofort nach Probennahme verschlossen und bei Probenentnahme vor atmosphärischer Kontamination durch eine saure Gasfalle auf dem Gefäß geschützt, bei den weiteren Metho-denschritten war die Probe auf Grund des geschlossenen Fließsystems relativ frei von Kontamination. Für die Bestimmung der Analyten im Meereswasser war es notwendig, eine Prezipitation von Ca(OH)2 und Mg(OH)2 im Fließsystem zu verhindern. Bei einem pH-Wert von 12-12,5 verhinderte EDTA erfolgreich die Bildung der Prezipitate im System. Unter diesen Bedingungen wurden mehr als 98 % Ammonium und der Amine deprotoniert und diffundierten über die Membran. Die Separationszeit mit dem Ionenchromatographen betrug 15 min. Die Empfindlichkeit der Methode lag bei ca. 3-5 nM für die Methylamine und bei 20-40 nM für Ammonium. Eine neue, sichere und empfindliche Analysenmethode von Trimethylamin-N-oxid in wäss-rigen und biologischen Proben publizierte A.D. Hatton [242]. Nach zwanzig Minuten enzy-matischer Reduzierung von Trimethylamin-N-oxid zu Trimethylamin erfolgte die Bestim-mung über die Gasdiffusion im Fließsystem gekoppelt mit der Ionenchromatographie. Die dabei genutzten Bedingungen waren ähnlich der bei Gibb et al. [235] beschriebenen. Die Nachweisgrenze lag bei 1,35 nmol dm-3 für Proben aus Meereswasser, von Planktonkulturen und Fisch. Auch wenn die Kopplung von Gasdiffusion im Fließsystem mit der Ionenchromatographie erst in einigen wenigen Applikationen realisiert wurde, zeigt sich doch das Potential, das der in-line Probenvorbereitung gekoppelt mit einem Detektor der simultan mehrere Analyten bestimmen kann, innewohnt.

Kapitel 4 Instrumentation

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Experimenteller Teil: 4. Instrumentation 4.1 Komponenten der in-line Probenvorbereitungstrecken In-line Probenvorbereitungsstrecke Gasdiffusion

Der prinzipielle Aufbau der Gasdiffusion im kontinuierlich arbeitenden Fließsystem ge-koppelt mit der Ionenchromatographie ist in Abbildung 4.1 dargestellt. Für die Förderung der Lösungen im Fließsystem wurden pulsationsarme geschwindigkeitsvariable Ismatec-Mehr-kanalschlauchpumpen vom Typ IPS-8 mit Tygon®-Pumpschläuchen verwendet. Teflon-schläuche mit einem Innendurchmesser von 0,5-0,8 mm dienten als Transportstrecken und eng gewickelte Schläuche (Innendurchmesser 0,5 mm) als Mischstrecken. Zur Verbindung der Transportstrecken kamen T-Stücke aus PVDF und Standardchromatographiefittings zum Einsatz. Die Kopplung des Fließsystems mit dem Ionenchromatographen erfolgte über den Ausgang des Akzeptorkanals mit dem Probeneinlass des IC-Injektionsventils.

Abb. 4.1: Fließschema der Kopplung von Gasdiffusion mit der Ionenchromatographie


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Als Gasseparationseinheit kamen verschiedene Zellen mit spiralförmigen und linearen Fließ-kanälen zum Einsatz (s.a. Abb. 4.2). Die genauen Abmessungen der genutzten Separations-zellen sind, ebenso wie die verwendeten Membranen, unter den jeweiligen Anwendung in Kapitel 5 aufgeführt. A) B)

Abb. 4.2: Gasseparationszellen A) Dialysis Unit 754 der Firma Metrohm mit spiralförmigem

Kanal B) Schematische Darstellung der Separationseinheit mit geradlinigem Fließ-kanal

In-line Probenvorbereitungsstrecke Dialyse

Es erfolgten Untersuchungen mit der in-line Mikrodialyse (s.a. Kap. 3.2.3.5) aus einer stag-nierenden Probe mittels einer Hohlfasermembran. Das entsprechende Fließsystem mit Kopp-lung der Ionenchromatographie ist in Abbildung 4.3 zu sehen. Der Aufbau der Dialysezelle bestand aus einem 10 ml Becherglas und einem in der Institutswerkstatt gefertigten Teflon-aufsatz mit entsprechenden Öffnungen für den Akzeptorschlauch (Abb. 4.4). Die genutzte Hohlfasermembran war eine Kapillarmembran aus regenerierter Cellulose von 30 mm Länge, mit einer Wanddicke von 8 µm und einem Innendurchmesser von 200 µm. Die Cellulose-kapillarmembran wurde vom Akzeptorstrom durchflossen und befand sich in der jeweiligen Probelösung im Becherglas. Die in-line Dialyse als Vergleichsmethode zur Mikrodialyse erfolgte aus einem fließenden Probenstrom. Das zur Dialyse genutzte Fließsystem (Abb. 4.5) besitzt den gleichen grundle-genden Aufbau wie den unter Gasdiffusion (Abb. 4.1) beschriebenen. Der schematische Auf-bau der verwendeten Dialysezelle ist in Abb. 2B dargestellt. Die aus Plexiglas in der Instituts-werkstatt gefertigte Dialysezelle hat eine Kanallänge von 70 mm, -breite von 3 mm und eine Kanaltiefe von 0,2 mm. Die in diesem Fließsystem verwendeten Membranen werden in Kap. 6 näher beschrieben.


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Abb. 4.3: Fließschema der Mikrodialyse gekoppelt mit der Ionenchromatographie aus

stagnierender Probe Abb. 4.4: Aufbau der Mikrodialyseeinheit mit Hohlfasermembran

Hohlfaser- membran

Akzeptorstrom- einlass

Akzeptorstrom- auslass

IC-Pumpe Injektions- IC-Säule Detektor ventil

Akzeptor-lösung

Eluent

Pumpe Hohlfasermembran

Probe


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Abb. 4.5: Fließschema der Kopplung von Dialyse aus fließendem Probenstrom mit der Ionen-

chromatographie Beide Fließsysteme sind jeweils zusammengesetzt aus einer Ismatec-Mehrkanalschlauch-pumpe vom Typ IPS-8 mit einem Tygon®-Pumpschlauch und Transportstrecken aus Teflon-schläuchen von 0,5 mm Innendurchmesser und der Separationseinheit. Die Kopplung des Fließsystems mit der Ionenchromatographie erfolgte unmittelbar am Akzeptorstromausgang der Dialysezelle über einen Teflonschlauch mit dem Injektionsventil des Ionenchromato-graphen.

4.2 Ionenchromatographen Ionenchromatograph 690 Das für die Detektion verwendete ionenchromatographische System beinhaltet neben dem Ionenchromatographen 690 der Firma Metrohm ein Vorratsgefäß für den Eluenten, eine HPLC-Pumpe der Firma Metrohm und als Daten-Aufzeichnungsgerät einen Schreiber. Der Ionenchromatograph selbst (Abb. 4.6) umfasst ein manuell schaltbares Sechswege-Ventil, in das Injektionsschleifen mit unterschiedlichen Volumina integrierbar sind, die entsprechende Trennsäule im Säulenraum und einen thermostabilisierten Leitfähigkeitsdetektor. Die Leitfä-higkeitsdetektion erfolgte bei einer Temperatur von 35 ± 1 °C mit elektronischer Untergrund-kompensation. Bei der verwendeten HPLC-Pumpe, handelte es sich um eine Kurzhubkolben-pumpe des Typs IC-697 mit Pulsationsdämpfer, die eine konstante und pulsationsfreie Förderung des Eluenten mit Fließgeschwindigkeiten von 0 bis 5 ml min-1 ermöglichte.


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Abb. 4.6: Vorderansicht des Ionenchromatographen 690 [255]

Der gewünschte Arbeitsbereich (Full-Scale) wird durch die Einstellung von Messbereich (Range) und Empfindlichkeit (Sensitivity) definiert.

ySensitivitRangeScaleFull = (Gl. 4.1)

In sieben Schritten lässt sich der Messbereich und in elf Schritten die Empfindlichkeit (Abb. 4.7) variieren. Die Einstellung des Messbereichs muss so erfolgen, dass die Leitfähigkeitswer-te von Eluent und den Analytionen erfasst werden können.

1) Anzeige der Eluentenleitfä-higkeit [µS cm-1]

2) Anzeige des Full-Scale-Ar-beitsbereiches [µS cm-1]

3) Range Einstellung des Mess-bereiches (10-1000 µS cm-1)

4) Empfindlichkeitseinstellung (1-2000)

5) Dämpfung des Messsignals 6) Lampe zeigt eingeschaltete

elektronische Untergrund-kompensation an

7) Schalter zur Nullsetzung des Messsignals

8) Overload-Anzeige, zeigt an, dass das Messignal ausser-halb ± 150 % des Full-Scale-Bereichs liegt

9) Thermostat-Anzeige 10) Thermostatschalter 11) Taste zur Markierung (ca.

10 % des Full-Scale-Be-reichs)

12) Netzschalter 13) Tür zum Innenraum 14) Injektionsventil 15) Anschluss für Ansaug-

schlauch 16) Anschluss für Spritzen


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Abb. 4.7: Einstellungsmöglichkeiten von Messbereich (Range) und Empfindlichkeit

(Sensitivity) Der Polaritätsumschalter +/- befindet sich ebenso wie der Anschluss für die Ableitung zum Abfallbehälter (Waste) an der Rückseite des Ionenchromatographen. Für die Untersuchungen mit dem Ionenchromatographen 690 kam die Anionentrennsäule Hamilton PRP-X 100 zum Einsatz. Das Trägermaterial besteht aus einem Polystyrol/ Di-vinylbenzol-Copolymer mit quartären Ammoniumgruppen als Anionenaustauschergruppen mit einer Partikelgröße von 10 µm. Die Länge der verwendeten Säule beträgt 125 mm und ihr Durchmesser 4 mm. Einsetzbar ist die Säule in einem pH-Bereich von 1 bis 13. Ionenchromatograph 790 Personal Bei dem zweiten Ionenchromatographen, der für die vorliegende Arbeit genutzt wurde, handelt es sich um den Personal IC 790 der Firma Metrohm. Es ist ein kompaktes Ionen-chromatographie-System mit elektronischer Suppression für Anionen und Kationen und der Möglichkeit der chemischen Suppression für Anionen mit dem Metrohm-Suppressor-Modul "MSM". Funktionsweise und Aufbau des Suppressor-Moduls sind in Kapitel 2.2 erläutert. Die in den IC 790 integrierte Zweikanalpumpe dient dem Transport von Schwefelsäure zur Regenerierung und von Reinstwasser zur Spülung der Säulen des kontinuierlich arbeitenden chemischen Suppressors. Der Säulenraum ist thermisch und elektrisch isoliert. Eine ruhige Grundlinie durch einen pulsationsarmen Eluentenfluss liefert die Doppelkolbenpumpe mit Fließgeschwindigkeiten von 0,2 bis 2,5 ml min -1. Der thermostabilisierte Leitfähigkeitsdetek-tor hat einen Messbereich von 0 bis 1000 µS cm-1. In Abb. 4.8 ist der Aufbau des Kompakt-Systems dargestellt.


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Abb. 4.8: Innenansicht des Personal IC 790 [256] Das Ionenchromatographie-System wird vollständig über einen PC gesteuert, entsprechende Geräteparameter, wie Fließgeschwindigkeit, Minimal- und Maximaldruck, und ein Korrek-turfaktor zum Feinabgleich der Fördermenge können eingegeben und gespeichert werden. Sämtliche Parameter, die zu einer zuverlässigen und reproduzierbaren Datenaufnahme und –verarbeitung gehören, sind in der entsprechenden Chromatographiemethode zugänglich. Die Auswertung der Chromatogramme erfolgt automatisch, es ist aber auch möglich, die Er-kennung und Integration der Peaks manuell durchzuführen. Es stehen verschiedene Methoden der Kurvenanpassung für die Mehrpunktkalibrierungen zur Verfügung. Die jeweiligen Sys-temparameter werden zusammen mit den Chromatogrammen abgespeichert, so das eine sichere Archivierung gewährleistet ist [256].


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Abb. 4.9: Typische Bildschirmoberfläche der mitgelieferten Software zur Steuerung und Aus

wertung der Ionenchromatographie [256] Für die Bestimmung von Anionen wurde die IC-Anionensäule Metrosep Dual 2 der Firma Metrohm eingesetzt. Das Trägermaterial besteht aus Polymethacrylat mit quartären Ammoni-umgruppen, die Partikelgröße beträgt 6 µm. Die Säule besitzt einen Durchmesser von 4,6 mm und eine Länge von 75 mm und sie kann im pH-Bereich von 1- 12 verwendet werden. Der Einsatz der Säule kann ohne chemische Suppression, z.B. mit einem Phthalsäure-Eluenten oder mit chemischer Suppression und einem Carbonat-Eluenten erfolgen. Zur Bestimmung der Kationen wurden zwei verschiedene Säulen eingesetzt. Zum einen fand die IC-Kationensäule Metrosep Cation 1-2 mit Polybutadienmaleinsäure auf Silikagelbasis (sphärisches Kieselgel) und einen Partikeldurchmesser von 7 µm Verwendung. Mit ihr kön-nen mono- und divalente Kationen durch die Maleinsäuregruppen getrennt werden. Die Se-lektivität der Trennung lässt sich dabei durch Zugabe von Komplexierungsreagenzien in den Eluenten variieren. Der pH-Bereich der Säule ist 2-7, sie hat einen Durchmesser von 4 mm und eine Länge von 125 mm. Die zweite verwendete Säule ist die IC-Kationensäule Metro-sep C 2 – 250 mit Kieselgel als Trägermaterial und Carboxylgruppen als Kationenaus-tauschergruppen. Die Partikelgröße beträgt 7 µm, die Länge der Säule 250 mm und der Durchmesser 4 mm. Einsetzbar ist die Säule im pH-Bereich von 2 bis 7.

Kapitel 5 In-line Kopplung von Gasdiffusion und Ionenchromatographie

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5. In-line Kopplung von Gasdiffusion und Ionenchromatographie In den folgenden Kapiteln werden die Untersuchungen zum Einsatz der Gasdiffusion als Pro-benvorbereitungsmethode für die Ionenchromatographie am Beispiel von verschiedenen Ana-lyten (Sulfit, Nitrit, Ammonium und kurzkettige Amine) beschrieben. Der theoretische Hintergrund, sowie Applikationen zur Gasdiffusion sind in Kapitel 3 ausführlich erläutert. Die hier beschriebenen Untersuchungen umfassen notwendige Vorversuche zur Applikation des Vorbereitungsschrittes in das Fließsystem, Experimente zur Untersuchung verschiedener Be-triebsparameter des Fließsystems und die Anwendungen der entwickelten Analysenmethoden für Sulfit, Ammonium und kurzkettige Amine auf Realproben. Es erfolgen Betrachtungen zur Notwendigkeit der Bestimmung der Analyten, in dem u.a. wichtige Anwendungsgebiete auf-gezeigt werden. Ebenso werden bestehende Bestimmungsmethoden insbesondere hinsichtlich ihrer Probenvorbereitung und Automatisierbarkeit vorgestellt.

5.1 Bestimmung von Sulfit Dass Sulfit als ein Beispiel für das breit anwendbare System der Kopplung von Gasdiffusion und Ionenchromatographie (GD-IC) im Fließsystem in der vorliegenden Arbeit verwendet wurde, hat verschiedene Gründe. Als Erstes konnten die vorher in unserem Arbeitskreis ge-sammelten Erfahrungen mit der Gasdiffusion von Sulfit im Fließsystem [257, 113], welche eine einfachere Optimierung hinsichtlich des Separationsschrittes gestattete, genutzt werden. Zweitens wird die ionenchromatographische Bestimmung behindert durch die Instabilität von Sulfit. Denn im Gegensatz zu Sulfat, welches eine Mesomerie bedingte hohe Stabilität auf-weist, gehört Sulfit zu den schwefelhaltigen Anionen, die sehr leicht zu Sulfat oxidieren (5.1), da sie das Bestreben haben, in die Oxidationszahl +6 überzugehen [258]. Bei Zugabe von Formaldehyd wird Sulfit stabilisiert durch die Bildung von Hydroxymethansulfonat (5.2), (5.3). SO3

2- + ½ O2 SO42- (5.1)

HCHO + H2O H2C(OH)2 (5.2) H2C(OH)2 + HSO3

- H2C(OH)(SO3)- + H2O (5.3) Eine partielle Oxidation erfolgt von Sulfit zu Sulfat auch in der Säule während der chromato-graphischen Trennung, Metallionen katalysieren diesen Prozess und das oxidationsbedingte Verhältnis von Sulfit zu Sulfat ist von der Sulfitkonzentration abhängig [259, 260]. Dies alles kompliziert eine simultane Bestimmung von Sulfit und Sulfat. So konnten z.B Sulfat und Sulfit mit einem Borat/ Carbonat/ Ethylendiamin-Eluenten gleichzeitig bestimmt werden, doch die notwendige Sulfitstabilisierung durch Formaldehyd führte zu einer starken


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Peakverbreiterung [261]. In einer weiteren Arbeit wurde die Trennung von Sulfit und Sulfat neben Thiosulfat untersucht, dabei erfolgte die Elution von Sulfit und Sulfat nicht basislinien-getrennt [262]. Drittens ist Sulfit eine oft zu bestimmende Komponente in einem breiten Spektrum von Industrie- und Lebensmittelproben, wo eine Probenvorbereitung oft unerlässlich ist. So findet Sulfit in der Lebensmittelindustrie als Konservierungsmittel seine Anwendung, hier sind eine ganze Reihe von Sulfitsalzen wie z.B. Natriumhydrogensulfit (E222), Kalziumhydrogensulfit (E227) und Natriumsulfit (E221) zugelassen. Die antimikrobielle und antioxidative Wirkung erstreckt sich auf Pilze und Bakterien. Diese Wirkung steigt mit fallendem pH-Wert und beruht auf der Bildung Schwefliger Säure [263]. Hinzu kommt, dass die meisten der bestehenden Standardmethoden zur Bestimmung von Sulfit zeitaufwendige manuelle Methoden sind, die oft Titration, Destillation oder spektrome-trische Bestimmung des separierten Schwefeldioxids beinhalten, auch wenn hier eine Weiter-entwicklung der Methoden stattgefunden hat. So wurde ein elektrochemischer Sulfitsensor auf der Basis einer amperometrischen Sauerstoffelektrode entwickelt. Dabei ist die Sulfitoxidase physikalisch in einer Polymermatrix immobilisiert und auf der Sauerstoffelektrode fixiert [264]. Eine spektrometrische Bestimmung von Sulfit durch die Reaktion mit OPA (o-Phthalaldehyd) in Anwesenheit von Ammoniak wurde von Abdel-Latif [265] vorgestellt. Nachteile dieser Methode bestehen im hohen Hintergrundsignal bei der Analyse realer Proben und in der Instabilität des Reagenz. Des Weiteren wurde ein Küvettentest entwickelt, bei dem Sulfitionen mit 2,2’-Dinitro-5,5’-dithiobenzoesäure in neutraler Lösung ein organisches Thio-sulfat bilden, das dabei freigesetzte Thiol wird photometrisch bestimmt [266]. Was den vorge-stellten Methoden, auch den ionenchromatographischen Methoden, innewohnt, ist also eine Störung von vorhandenem Sulfat neben Sulfit und eine störende Probenmatrix, die durch zu-sätzliche Probenvorbereitung, wie filtrieren etc. beseitigt werden muss. Hier bietet sich die FIA, gekoppelt mit dem der Bestimmungsmethode entsprechendem Detektor an. Zumindest kann der oft fehlerproduzierende Schritt der manuellen Probenvorbereitung automatisiert und mit weniger Verbrauch an Zeit und Reagenzien durch die FIA übernommen werden. Die Be-stimmung von Schwefeldioxid mittels automatischer Fließmethoden ist in zahlreichen Arbei-ten behandelt worden [z.B. 257, 267, 268, 246]. So wurde eine bewährte spektralphotome-trische Bestimmungsmethode für Sulfit in ein Fließsystem mit Gasdiffusion adaptiert, dies führte zu einer verbesserten Selektivität, die unter anderem die direkte Analyse von partikel-belasteten und gefärbten Wasser- und Getränkeproben erlaubt [257]. Des weiteren konnte eine Methode für die Bestimmung von SO2 in Luft entwickelt werden, die keinerlei Quer-empfindlichkeiten aufweist und sich zudem durch hohe Präzision und Empfindlichkeit aus-zeichnet [257]. Bei der Bestimmung von Sulfit mittels Gasdiffusion im Fließsystem wurden zumeist photometrische oder elektrochemische Detektionsmethoden angewandt. Die in-line Kopplung von Gasdiffusion mit IC zur Bestimmung von Sulfit wurde meines Wissens erst-mals in der Arbeitsgruppe von W. Frenzel im Rahmen einer Projektarbeit mit der Firma Metrohm [241] und dieser Promotion bearbeitet.


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5.1.1 Prinzip Die Separation des Sulfits mittels Gasdiffusion erfolgt generell nach Konversion zu Schwefel-dioxid durch Ansäuern der Probe. Das über die Membran diffundierende Gas wird in der Ak-zeptorlösung wieder als Sulfit aufgenommen und mit Wasserstoffperoxid zu Sulfat oxidiert. Bei der hier angewendeten GD-IC-Kopplung durchspült die Akzeptorlösung kontinuierlich das Injektionsventil, und die Bestimmung des Sulfats erfolgt nach chromatographischer Sepa-ration mittels Leitfähigkeitsdetektion. 5.1.2 Voruntersuchungen Es erfolgten Untersuchungen zu den Stabilitätsproblemen bei der ionenchromatographischen Detektion von Sulfit. Des Weiteren wurden Experimente zur Oxidation von Sulfit zu Sulfat im Batch-Verfahren und zur geeigneten chemischen Zusammensetzung von Donor- und Ak-zeptorphase durchgeführt, um eine sinnvolle Adaption der Probenvorbereitung in ein Fließsystem zu gewährleisten. Reagenzien und Lösungen Zur Herstellung aller Lösungen wurde deionisiertes Wasser vom Seradest-System (spezifischer Widerstand >18 MΩ cm-1) genutzt. Alle Lösungen wurden vor Einführung in das Fließsystem entgast.

Stammlösungen (1 g L-1 SO2) Die Zusammensetzung der Stammlösung bestand aus 2,217 g Natriumsulfat (Na2SO4) in 1000 ml destilliertem Wasser. Durch entsprechendes Verdünnen der Stammlösung erfolgte die Herstellung der benötigten Standardlösungen. Die Sulfitstammlösung enthielt 1,967 g Natriumsulfit (Na2SO3) in 1000 ml destilliertem Wasser. Entsprechende Arbeitsstandards wurden durch Verdünnen der Stammlösungen täglich frisch hergestellt. Die Stabilisierung von Stammlösung und Standards erfolgte durch Zugabe von EDTA (Endkonzentration 1 mmol L-1). Die Stabilität der Stammlösung betrug zwei Wochen.

Eluenten Durch Mikrofiltration (Celluloseacetatfilter, 45 µm) erfolgte die Entgasung der Eluenten. Der für den IC 690 verwendete Eluent enthielt 5,6 mmol L-1 Kaliumhydrogenphthalat, sowie 10 % Aceton, die Eluentenfließgeschwindigkeit betrug 1,7 ml min-1. Die Zusammensetzung des Eluenten für den IC 790 mit der Anionensäule Metrosep Anionen Dual 2 bestand aus 1,3 mmol L-1 Natriumcarbonat und 2 mmol L-1 Natriumhydrogencarbonat, und die Fließge-schwindigkeit betrug 0,8 ml min-1. Um eine Absorption von Kohlendioxid im Carbonat-Eluenten aus der Luft zu vermeiden, wurde auf dem Eluentengefäß eine Gasfalle mit Na-triumhydroxid-Granulat angeordnet.


90

Anfängliche Untersuchungen zur Bestimmung von Sulfit mittels der Ionenchromatographie (IC 790) bestätigten die unter 5.1 erwähnten Stabilitätsprobleme. Die mit EDTA stabilisierten Sulfitstandards ergaben zwei Peaks (zusätzlich zum EDTA-Peak), was auf eine partielle Oxi-dation von Sulfit in der Säule hinweist [14]. Eine Quantifizierung von Sulfit konnte nicht er-folgen, da das Verhältnis der beiden Peaks nicht konstant war. Eine Zusammenfassung der Messergebnisse ist in Tabelle 5.1 zu sehen.

Tab. 5.1: Peakgrößen bei direkter Messung der Sulfitstandards Konzentration [mg SO2/L]

Sulfit-Komponente Area [µS/cm s]

Sulfat-Komponente Area [µS/cm s]

5 50 2,8

10 80 17,2

50 518 60 Eine Bestimmung von Sulfit in Form von Sulfat löst das vorher geschilderte Problem. Durch Anwendung der Gasdiffusionsseparationsmethode, stören die in der Probe anwesenden Sul-fate nicht, da diese nicht flüchtig sind und folglich nicht in den Akzeptorkanal transferieren. Da die Oxidation des Sulfits zum Sulfat abhängig ist von der Reaktionszeit und der Konzentration des Oxidationsmittels, erfolgte eine Variation der Konzentration des Wasserstoffperoxids und der Reaktionszeit im Batch-Verfahren. Der Grad der Vollständigkeit des Oxidationsschrittes konnte beurteilt werden durch den Vergleich der mit Wasserstoff-peroxid behandelten Sulfitstandards mit Sulfatstandards gleicher Stoffmenge. Die vollstän-dige Oxidation mit 0,3 % Wasserstoffperoxid für einen Sulfitstandard mit der Konzentration von 50 mg/l dauerte 1 Minute. Diese Zeit wurde als Schwellenwert genutzt, um eine Adaption in das in-line System, wie Platzierung der Mischstrecke und geeignete Abmessungen zwischen Gasdiffusionszelle und Injektionsventil des IC-Systems, vorzunehmen. Der Aufbau des entsprechenden Fließsystems ist in Abbildung 5.1 dargestellt. Die Fließgeschwindigkeiten betrugen für die Sulfitstandards und Modifier 0,5 ml min-1, und für den Akzeptor 0,2 ml min-

1. Zusammensetzung der Donorlösung (Modifier) Im System wird Sulfit vor Eintritt in die Gasdiffusionseinheit zu Schwefeldioxid umgewan-delt, die Probe sollte mit einer starken Säure geeigneter Konzentration gemischt werden. So ist für die Sulfitbestimmung eine Säurelösung mit einem pH-Wert unterhalb des pKa1-Wertes von Sulfit (z.B. pH<1) geeignet. Schwefelsäure wurde nicht verwendet, da ein versehentlicher Durchbruch durch die Membran zu einer höheren Sulfatkonzentration im Akzeptorstrom füh-ren würde. Diese wäre nicht von dem Sulfat, das durch die in-line Oxidation von Sulfit


91

gebildet wird, zu unterscheiden. Salzsäure hingegen kann gleichzeitig dazu dienen, einen Flüssigkeitsdurchtritt durch das Erscheinen des Chloridpeaks im Chromatogramm zu erken-nen. So wurde in den folgenden Untersuchungen 0,5 mol L-1 Salzsäure zum Ansäuern der Probe eingesetzt. Zusammensetzung der Akzeptorlösung Die Akzeptorlösung sollte so zusammengesetzt sein, dass das über die Membran diffun-dierende Schwefeldioxid gut aufgenommen wird und zu Sulfat oxidiert wird. Zum Einsatz kam eine 0,3 % Wasserstoffperoxid-Lösung. Höhere Wasserstoffperoxidkonzentrationen wurden wegen eines auftretenden Störsignals im Chromatogramm, sowie der Gefahr einer Schädigung der Trennsäule letztendlich nicht in Erwägung gezogen.

Abb. 5.1: Fließschema zur Bestimmung von Sulfit mit Wasserstoffperoxid als Akzeptor Mit diesem Fließsystem ergaben sich keine sinnvollen reproduzierbaren Werte. Während sich für die direkt in den Ionenchromatographen injizierten Sulfitstandards, welche vorher mit 0,3 % Wasserstoffperoxidlösung versetzt wurden, im Vergleich zu den direkt injizierten Sulfatstandards, sehr wohl reproduzierbare Werte ergaben (siehe Tab. 5.2).

Tab. 5.2: Vergleich direkt gemessener Standards mit Messungen der Standards nach in-line Gasdiffusion unter Nutzung von H2O2 als Akzeptor

Konzentration SO2 [mg/L]

Na2SO4 (direkt) [µS cm-1]

Na2SO3+H2O2

(direkt) [µS cm-1]

1.Messung Na2SO3(in-line) [µS cm-1]

2.Messung Na2SO3(in-line) [µS cm-1]

5 15,5 16 2,5 4,5

10 31,5 31 1,5 1,0

20 62,5 62,5 6,5 4,0


92

Wasserstoffperoxid erwies sich in den Untersuchungen als ungeeignete Akzeptorlösung. Man kann davon ausgehen, dass sich infolge des relativ hohen Partialdruckes Spuren von Wasserstoffperoxid über die hydrophobe Membran verbreiten und es so zu einer Teiloxida-tion der Sulfite im Donorkanal kommt. Dies würde auch die nicht reproduzierbaren Werte für die in-line separierten Sulfitstandards erklären.


93

Als alternative Akzeptorlösung wurde reines Wasser gewählt. Und erst in einer nachge-schalteten Reaktionsschleife erfolgte die Oxidation des Sulfits mit Wasserstoffperoxid in-line zu Sulfat. Der sich aus den Voruntersuchungen ergebende Versuchsaufbau ist in Abbildung 5.2 dargestellt.

Abb. 5.2: Generell verwendetes Fließschema der Kopplung von Gasdiffusion und Ionenchro-

matographie zur Bestimmung von Sulfit mit Wasser als Akzeptorlösung, MC1: Misch- bzw. Reaktionsstrecke von Probe und Salzsäure (Modifier), MC2: Misch- bzw. Reaktionsstrecke von Akzeptorlösung mit Analyten und Oxidationsmittel

5.1.3 Untersuchungen zum Einfluss verschiedener Betriebsparameter Wie im Kapitel 3.2.4 erläutert, wird die Gasdiffusionsrate im Fließsystem von mehreren Fak-toren (wie z.B. Fließsratenverhältnisse, Art der Membran, Zellgeometrie der Gasseparations-einheit, Flüchtigkeit des Analyten, Art der Matrix) beeinflusst. Um eine Optimierung des Systems hinsichtlich Empfindlichkeit (evtl. Anreicherung des Analyten) und Effizienz zu er-zielen, sind diese Untersuchungen für jeden Analyten und jedes Fließsystem unabdingbar. Neben Untersuchungen zum Einfluss der Konfiguration der Gasdiffusionszelle und des Mate-rials der Separationsmembran auf den diffundierenden Analyten, wurde auch der Einfluss der Akzeptorfließrate untersucht.


94

Einfluss der Konfiguration der Gasdiffusionszelle Es wurden drei verschiedenen Gasdiffusionszellen mit Polypropylenmembranen hinsichtlich ihrer Diffusionseffizienz und ihrer Praktikabilität untersucht. Für die Metrohmzelle (Z1) mit einem spiralförmigen Fließkanal von ca. 30 cm Länge und einer Kanalbreite von 3 mm ergibt sich eine Membranaustauschfläche von 900 mm². Die Tiefe der Fließkanäle beträgt ca. 0,5 mm. Die beiden in der Institutswerkstatt gefertigten Gasdiffusionszellen mit geradlinigen und meanderförmigen Fließkanälen weisen jeweils mit 3 mm die gleiche Kanalbreite und mit 0,2 mm die gleiche Kanaltiefe auf, unterscheiden sich aber in der Länge. Die kleine Zelle (Z2) hat eine Länge von 75 mm, die große Zelle (Z3) eine Länge von 200 mm. Daraus ergibt sich für die drei Zellen Z1, Z2 und Z3 ein Verhältnis der Membranaustauschfläche von 900:225:600 mm2 bzw. 4:1:2,7. Die vergleichenden Tests wurden mit dem Ionenchromato-graphen 690 als Detektor durchgeführt.

Tab. 5.3: Vergleich der Empfindlichkeit bei Verwendung unterschiedlicher

Gasdiffusionszellen Konzentration SO2 [mg /L]

Na2SO4 (direkt) [µS cm-1]

Na2SO3+H2O2

(direkt) [µS cm-1]

Metrohm-zelle Z1 [µS cm-1]

Eigenbau Z2 [µS cm-1]

Eigenbau Z3 [µS cm-1]

5 16,0 16,5 6,9 6,25 14,0 10 31,0 32,5 13,7 12,50 28,5 20 63,0 66,0 27,5 25, 50 56,8

Für die Zellen Z2 und Z3 ergab sich der erwartete Anstieg der Signale (Abb. 5.3) mit zu-nehmender Größe der Austauschfläche. Allerdings sind die für die Metrohmzelle Z1 er-haltenen Werte trotz deutlich höherer Austauschfläche nur etwa so groß, wie für die Zelle Z2. Dies hängt vermutlich mit der größeren Tiefe der Kanäle der Metrohmzelle zusammen, die eine höhere Verdünnung des über die Membran diffundierenden Analyten mit sich bringt. Die Berechnung des Verdünnungsfaktors unter Berücksichtigung der Konzentration der ange-saugten Standards ergab 2,4 für die Metrohmzelle, 1,2 und 2,6 für die Zellen mit 20 und 7,5 cm Länge.


95

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25

Konzentration [mgSO2/L]

Sign

al [

µS/c

m]

direkteInjektionMetrohmzelleZ1Zelle Z2

ZelleZ3

Abb. 5.3: Vergleich der Empfindlichkeit für verschiedene Gasdiffusionszellen

Vergleich der Separationsmembranen Die Untersuchungen wurden mit einer Teflonmembran (Goretex; Porendurchmesser: 0,1 µm; Dicke: 60 µm) und einer Polypropylenmembran (Enka; Porendurchmesser: 0,25 µm; Dicke: 80 µm) in Verbindung mit der Metrohmzelle unter den oben angegebenen experimentellen Bedingungen durchgeführt. Der direkte Vergleich erfolgte durch Aufnahme von Kalibrationskurven im Bereich von 5 bis 20 mg L-1. Die erhaltenen Daten sind in Tabelle 5.4 und Abbildung 5.4 zusammengestellt.

Tab. 5.4: Vergleich der Separationsmembranen bezüglich des Gastransfers

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25

Konzentration [mg SO2/L]

Sign

al [µ

S/cm

]

direkteInjektionPP-Membran

PTFE-Membran

Abb. 5.4: Vergleich der Membranmaterialien

Konzentration SO2 [mg /L]

Na2SO3+H2O2

(direkt) [µS cm-1]

Metrohmzelle PP-Membran [µS cm-1]

Metrohmzelle PTFE-Membran [µS cm-1]

5 16,5 6,9 7,5 10 32,5 13,5 14,8 20 66 27,8 30,0


96

Die Ergebnisse zeigen nur einen geringfügigen Unterschied in der Gaspermeabilität der Mem-branen. Die etwas höheren Werte für die PTFE-Membran trotz kleinerer Porengröße ergaben sich aus der geringeren Dicke. Diese wiederum erwies sich in der Praxis als Nachteil. So ist die Polypropylenmembran mechanisch deutlich robuster und lässt sich viel einfacher hand-haben. Die Abbildung 5.4 zeigt auch, dass unter den gewählten experimentellen Bedingungen die resultierende Konzentration ca. 40 % der Ausgangskonzentration betrug. Berücksichtigt man noch, dass die Probelösung durch den Zusatz der Säure im Fließsystem um den Faktor zwei verdünnt wurde, ergibt sich eine Konzentration in der Akzeptorlösung, die in etwa 80 % der Probelösung entspricht. Der Verdünnungsfaktor durch den Gasdiffusionsprozess ist also unter den gewählten Bedingungen relativ gering. Einfluss der Fließraten Die Wahl der totalen als auch der relativen Fließrate der Akzeptor- und Donorkanäle hat, wie in Kapitel 3.3.2 ausführlich erläutert, einen Einfluss auf die Empfindlichkeit der Methode. Die Fließrate des Akzeptors (Wasser) hat Einfluss auf den Gastransfer (Verweilzeit in der Gas-diffusionszelle) und die Verdünnung des über die Membran diffundierenden Analyten. Hinzu kommt ein weiterer Verdünnungsfaktor, das Wasserstoffperoxid. Durch die Variation der Ak-zeptorgeschwindigkeit wird auch die Kinetik der Oxidationsreaktion beeinflusst. So ist neben der Gastransfereffizienz und der Verdünnung bei Änderung der Akzeptorfließrate auch zu beachten, dass die Verweilzeit zwischen Separationseinheit und dem Injektionsventil des IC-Systems ausreichend ist für die In-line Oxidation zum Sulfat. Des weiteren sollte die Verweil-zeit der Probelösung im Fließsystem nicht länger sein als die Zeit, die für die Aufnahme eines Chromatogramms notwendig ist, so dass keine Reduktion der Analysenfrequenz eintritt. Zur Untersuchung des Einflusses der Akzeptorfließgeschwindigkeit (Wasser), wurden die Fließgeschwindigkeiten von Standardlösung und Modifier (Salzsäure) bei jeweils 0,5 ml min-1 konstant gehalten und die des Wassers variiert (0,2; 0,4 und 0,5 ml min-1). Die Zugabe der Wasserstoffperoxidlösung wurde manuell durchgeführt und nach einer Reaktionszeit von einer Minute erfolgte die Injektion in den Ionenchromatographen. Die erhaltenen Resultate sind in Tab. 5.5 und Abb. 5.5 zu sehen. Exemplarisch ist dort die Abhängigkeit anhand von Kalibrationskurven, die mit drei unterschiedlichen Fließraten auf-genommen wurden, dargestellt.


97

Tab. 5.5: Variation der Akzeptorgeschwindigkeit Konzentration SO2 [mg /L]

Na2SO3+H2O2

(direkt) [µS cm-1]

0,5 ml min-1 [µS cm-1]



5 16,0 5,5 7,5 13,8 10 31,5 11,0 14,0 27,4 20 64,0 22,5 28,0 55,0

0

10

20

30

40

50

60

70

0 10 20 30


Sign

al [µ

S/cm

]

direkteInjektion

Acc. 0,5ml/min

Acc. 0,4ml/min

Acc. 0,2ml/min

Abb. 5.5: Variation der Fließrate des Akzeptors

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6

reziproke Akzeptorgeschwindigkeit [min/ml]

Sign

algr

öße

[%]

10 mg/LStandard

Wert derdirektenInjektion

Abb. 5.6: Abhängigkeit der Signalgröße von der reziproken Akzeptorfließgeschwin-

digkeit, (y=17,3x+0,77) Die erhaltenen Resultate aus Abb. 5.6 stimmen mit den theoretischen Überlegungen und vor-hergehenden Experimenten [113, 231, 109] dahingehend überein, dass die Signalgröße bzw. die Sulfatkonzentration umgekehrt proportional zur Akzeptorfließgeschwindigkeit ist. Das in Abbildung 5.2 dargestellte Fließschema wurde zu Experimenten der Fließgeschwindig-keitsvariation des Oxidationsmittels genutzt. Das relative Fließratenverhältnis für Probe, Modifier und Akzeptor war 1:1:1 bei einer Fließgeschwindigkeit von 0,5 ml min-1. Die Fließ-geschwindigkeit des Wasserstoffperoxids betrug 0,08 und 0,2 ml min-1. Zur Detektion kam der Ionenchromatograph 790 unter den oben erwähnten Bedingungen zum Einsatz.


98

0

50

100

150

200

250

0 10 20 30


Sign

al [µ

S/cm

s]

direkte Injektion

H2O2 0,2 ml/min

H2O2 0,08ml/min

Abb. 5.7: Variation der Fließraten von Wasserstoffperoxid

0

20

40

60

80

100

120

140

0 3 6 9 12

reziproke Fließgeschwindigkeit [min/ml]

Sign

algr

öße

[%]

1

10 mg/l Standarddirekte Injektion

Abb. 5.8: Abhängigkeit der Signalgröße von der reziproken Fließgeschwindigkeit

des Wasserstoffperoxids, y=1,3x+42,93 Auch hier zeigte sich die inverse Proportionalität der Signalgröße zur Fließgeschwindigkeit des Oxidationsmittels. Das heißt, dass der Verdünnungseffekt die Signalgröße und damit die Empfindlichkeit stärker beeinflusst als eine höhere Konzentration an Wasserstoffperoxid (durch größere Fließgeschwindigkeiten des Oxidationsmittels). Wie am Anstieg der Kurve zu sehen ist, hat die Veränderung der Oxidationsmittelfließgeschwindigkeit längst nicht so einen starken Einfluss auf die Signalgröße, wie die Variation der Akzeptorgeschwindigkeit. Im Folgendem erfolgte nochmalig eine Variation der Akzeptorfließgeschwindigkeit um eine möglichst hohe Empfindlichkeit mit dem genutzten Fließsystem zu erzielen. Die Fließge-schwindigkeiten von Modifier- und Probelösung betrug jeweils 0,5 ml min-1 und die des Oxi-dationsmittels 0,08 ml min-1.


99

0100200300400500600700800

0 20 40 60

Konzentration [mg/l]

Sign

al [µ

S/cm

s]

direkte Injektion

Acc. 0,2 ml/min

Acc. 0,08 ml/min

Abb. 5.9: Variation der Fließrate des Akzeptors mit in-line Oxidation

020406080

100120140

0 5 10 15reziproke

Akzeptorfließgeschwindigkeit [min/ml]

Sign

algr

öße

[%]

20 mg/LStandards

direkteInjektion

Abb. 5.10: Abhängigkeit der Empfindlichkeit von der Akzeptorfließgeschwindigkeit

mit in-line Oxidation Wie in Abb. 5.10 zu sehen, kann durch eine starke Absenkung der Akzeptorfließgeschwindig-keit (0,08 ml min-1) und bei entsprechend langsamer Fließgeschwindigkeit des Wasserstoff-peroxids eine Situation erreicht werden, bei der die resultierende Konzentration höher ist als die Ausgangskonzentration der Probelösung ist, d.h. eine Anreicherung findet statt. In der Praxis sprechen jedoch zwei Faktoren gegen die hier notwendigen Bedingungen, unter denen eine Anreicherung erzielt werden kann. So wäre die Verweilzeit der Probelösung im Fließ-system länger als die Retentionszeit des Analyten, was eine Verminderung der Analysenfre-quenz mit sich bringen würde. Ein weiterer limitierender Faktor (s.a. Kap.3.2.3.2) ist die sich erhöhende Druckdifferenz entlang der Membran mit zunehmender Differenz der Fließge-schwindigkeiten von Donor- und Akzeptorflüssigkeit, da damit Flüssigkeitsdurchtritt immer wahrscheinlicher wird. Letzteres würde eine zeitaufwendige Rekalibrierung notwendig machen, da sich das Gleichgewicht über einer neuen Membran erst erneut einstellen muss.


100

5.1.4 Bestimmung von freiem Sulfit im Wein Schwefeldioxid im Wein Das Schwefeln (Zuführung von Schwefeldioxid, Schwefliger Säure und Sulfiten) wurde schon im griechischen Altertum praktiziert. Es ist eine traditionelle antimikrobielle und anti-oxidative Maßnahme, um Bakterien, Schimmelpilze und damit deren giftige Produkte (Mykotoxine) zu vermeiden, und den Wein vor zu schneller Oxidation (Verfärbung, Firnge-schmack) zu schützen. Zudem wird der Bildung von Histamin durch mikrobielle Decarboxi-lierung der Aminosäure Histidin entgegengewirkt. Unerwünschte Gärungsnebenprodukte werden durch den Schwefel gebunden und Polyphenole stabilisiert. So hemmen Schwefeldi-oxid und Hydrogensulfit oxidierende Enzyme (wie Tyrosinasen und Laccasen), die den Luft-sauerstoff auf die phenolischen Weininhaltsstoffe übertragen [269, 270]. Die Polyphenole haben antioxidative Wirkung und gelten neben dem Alkohol als zweite wirksame Substanz-gruppe im kardioprotektiven Geschehen. So wird durch Rotwein und im gleichen Maße durch Weißwein das Risiko eines Herzinfarktes deutlich gemindert [271]. Es gibt keinen schwefel-freien Wein, nur Wein dem kein SO2 zugeführt wurde, da schweflige Säure bei der Gärung von Saccharomyces-Hefen gebildet wird. Damit liegt in allen Weinen obligatorisch eine geringe Konzentration von bis zu 30 mg SO2 L-1 vor. Das Schwefeln erfolgt heute meist mit flüssigen SO2 oder festem Kaliumdisulfit (K2S2O5). Aber neben all den positiven Effekten von Schwefeldioxid und Sulfiten als Konservierungsmittel, gibt es auch negative Eigen-schaften. So kann eine zu hohe Konzentration der Konservierungsstoffe zur Zerstörung von Vitamin B1 und Folsäure, und zur Hemmung verschiedener Enzyme im Körper, zur Reizung des Magen-Darm Kanals, und zu Anfällen bei Asthmatikern führen [272]. Damit ist ein zu hoher Gehalt an freier, wie auch gebundener schwefliger Säure physiologisch bedenklich. Aber andererseits kann ein Schutz des Weins gegen Oxidation und mikrobiellen Verderb nur dann gewährleistet werden, wenn genügend Schwefeldioxid vorhanden ist. Diese Faktoren machen eine Analytik zur Bestimmung von schwefliger Säure im Wein unabdingbar. Versuche, Schwefel durch andere Stoffe (wie Ascorbinsäure) zu ersetzen, schlugen fehl. Keine andere Substanz vereint in sich die wichtigen Eigenschaften, wie die selektive anti-mikrobielle und antioxidative Wirkung und die Fähigkeit, Carbonylverbindungen in ge-schmacklich neutrale Verbindungen zu überführen. Die schweflige Säure tritt in wässrigen Lösungen (Wein besteht zu über 80 % aus Wasser) pH-Wert abhängig in verschiedenen Dissoziationsstufen auf (siehe Abb. 5.11).


101

Abb. 5.11: Protolysebereiche der schwefligen Säure in Abhängigkeit

vom pH-Wert (nach Würdig/ Woller, 1989) Man erkennt, dass die Sulfit-Form für den pH-Wert relevanten Bereich des Weins nicht vor-handen ist. Erst bei einem pH-Wert von über 5 treten massgebliche Konzentrationen dieser Ionenspezies auf. Neben dem pH-Wert ist die Konzentration von SO2 und HSO3

- von der Anzahl potentieller Bindungspartner für SO2 abhängig. So bindet Acetaldehyd Schwefel-dioxid irreversibel, daher sollte der Gehalt von Acetaldehyd im Wein möglichst gering sein. Die meisten Bindungspartner, wie Diacetyl, Acetoin und Pyruvat setzen mit abnehmender Konzentration des aktiven Schwefeldioxids in der Lösung das gebundene Schwefeldioxid wieder frei, wobei sich das in Abb. 5.10 dargestellte chemische Gleichgewicht zwischen SO2 und HSO3

- sofort wieder einstellt. Dieses Gleichgewicht liegt je nach Säuregrad des Weins im Bereich von 5 % SO2 bzw. H2SO3 und 95 % HSO3

-. Bestimmungsmethoden Die iodometrische Titration [273, 274, 275] ist wohl eine der bekanntesten Methoden zur Be-stimmung von freier schwefliger Säure. Hierbei wird freie schweflige Säure durch direkte iodometrische Titration gemessen (5.4). Andere reduzierende Substanzen (sogenannte Reduk-tonen) werden durch einen Blindwert erfasst, wobei die freie schweflige Säure vorher mittels einer propionaldehydhaltigen wässrigen Lösung abgebunden wird (5.5).

(IV)

(5.4)


102

(5.5) R= -CH2-CH3

Bei Tanner und Brunner [275] wird ebenfalls in einem ersten Schritt die titratorische Bestim-mung aller reduzierenden Komponenten (freie schweflige Säure und Reduktonen) durch-geführt. Wobei im zweiten Schritt zur Bestimmung des Blindwertes die freie schweflige Säure durch Zugabe eines Überschusses von Glyoxal-Lösung abgebunden wird. Die Störung durch Ascorbinsäure wird durch Zugabe von Metaphosphorsäure in den Bestimmungsansatz unterbunden. Zur Bestimmung der gesamten schwefligen Säure wird nach alkalischer Hydro-lyse (5.6, 5.7) der gebundenen schwefligen Säure und Wiederansäuern ebenfalls iodometrisch titriert.

(5.6) (5.7)

Letztere Methode sollte jedoch bei Anwesenheit von Ascorbinsäure und höheren Gehalten an schwefliger Säure nur orientierenden Charakter besitzen. Notwendig ist dann das noch we-sentlich aufwendigere Destillationsverfahren [276] mit anschließender Titration. Eine weitere Methode ist die Bestimmung von schwefliger Säure mittels HPLC-Biosensorkopplung [277]. Das Sulfit wird dabei auf der HPLC-Säule unter isokratischen Bedingungen von Störverbin-dungen abgetrennt. Im nachgeschalteten Biosensor bestehend aus einem Enzymreaktor, wird das abgetrennte Sulfit durch Sulfitoxidase zu Sulfat und Wasserstoffperoxid umgesetzt (5.8). Das gebildete Wasserstoffperoxid wird an der Platinelektrode oxidiert (5.9) und die Strom-stärke, die proportional zur Sulfitkonzentration ist, anschließend im elektrochemischen Detektor gemessen.

(5.8)

(5.9)


103

Um den Gesamtsulfitgehalt zu bestimmen, muss auch hier durch Zugabe von NaOH das gebundene Sulfit in die freie Form überführt werden. Bei einem pH-Wert von über 10,6 liegt das Gleichgewicht vollständig auf der Seite des freien Sulfits. Bei den vorgestellten Methoden ist beim Vorhandensein von Schwebstoffen in der Probe eine vorhergehende Filtration notwendig. Die Titrationsverfahren sind zeit- und arbeitsaufwendig, der Proben- und Reagenzverbrauch ist sehr hoch. Mit der HPLC-Biosensorkopplung ist eine selektive und empfindliche Messung von Sulfit möglich. Bei zu hohen Probenkonzentrationen ist allerdings ein Vorverdünnen notwendig. Nachteile dieser Methode sind eventuelle Trennprobleme bei der HPLC, Aktivitätsverlust des Enzyms und Abnahme der Elektrodenempfindlichkeit im Laufe der Zeit. Eigene Untersuchungen Für die folgenden Untersuchungen wurde das in Abb. 5.1 dargestellte Fließschema mit den dort angegebenen Fließraten und dem Ionenchromatographen der Firma Metrohm 790 genutzt. Es kam die Gasdiffusionszelle mit der Länge von 7,5 cm in Verbindung mit einer Polypropylenmembran zum Einsatz. Die Kalibration des gekoppelten Systems erfolgte im Konzentrationsbereich von 1-100 mg L-1. Genutzt wurde das System zur Bestimmung von freiem Sulfit in Rose, Weiß- und Rotweinen. Die Proben wurden direkt in das System inji-ziert, wobei einige Proben entweder in verschiedenen Verhältnissen verdünnt oder mit Sulfit-standards bekannter Konzentration versetzt und unverzüglich gemessen wurden. Die er-haltenen Resultate sind in Tabelle 5.6 zusammengestellt. Die Langzeitstabilität des Systems wurde durch wiederholte Messungen über einen Zeitraum von einigen Wochen untersucht, dabei wurden Messungen an unbehandelten Weinproben durchgeführt. Unter identischen ex-perimentellen Bedingungen ergaben sich ähnliche Resultate mit einer Abweichung von unter 10 %. Für diese Untersuchung war es ausreichend einen Standard mitzumessen. Bei einem Membranwechsel, der generell nur bei versehentlichen Durchbruch nötig ist, ist eine Rekali-brierung notwendig, da es anfänglich aufgrund des noch nicht eingestellten Gleichgewichts über der neuen Membran zu größeren Abweichungen kommt.


104

Tabelle 5.6: Resultate der Analyse der Weinproben Nr. Probentyp Verdün-

nungsfaktor Spike a

[mg L-1] freies SO2

[mg L-1] RSD (n=3)

[%] Recovery b [%]

1 Valpolicella Rotwein/ Italien

1 2 5 1

kein kein kein

5

5,4 6,2 6,9

10,1

3,8 3,6 3,6 4,8

94,0 2 Bordeaux

Rotwein/ Frankreich 1 2

kein kein

15,4 19,3

3,4 3,7

3 Languedoc Rotwein/ Frankreich

1 2 1 1

kein kein

5 10

24,1 28,3 26,8 32,2

4,2 1,9 3,2 4,0

54,0 81,0

4 Chianti Rotwein/ Italien

1 2 1 1

kein kein

5 10

8,8 9,4

12,9 18,9

4,9 1,8 2,6 3,8

82,0 101,0

5 Cosecha Rotwein/ Spanien

1 2 5 1 1

kein kein kein

5 10

14,8 17,2 21,1 17,9 22,4

4,0 4,1 2,4 1,8 3,6

62,0 76,0

6 Tafelwein Rotwein/ Algerien

1 5

kein kein

22,8 28,3

2,9 3,7

7 Weißherbst/ Rose- wein/ Deutschland

1 2

kein kein

6,8 7,2

2,2 1,9

8 Grauburgunder Weißwein/ Deutschland

1 2 1 1

kein kein

5 10

7,4 7,7

11,2 17,1

4,4 4,0 1,9 2,8

76,0 97,0

9 Riesling Weißwein/ Deutschland

1 2 5

kein kein kein

14,1 15,8 17,2

2,8 2,0 1,9

10 Orvieto Weißwein/ Italien

1 2 1 1

kein kein

2 5

3,2 3,5 4,1 7,9

5,0 3,8 3,3 1,9

45,0 94,0

11 Tafelwein Weißwein/ Italien

1 2 5

kein kein kein

18,5 19,5 20,1

3,2 3,5 1,7

12 Tafelwein Weißwein/ Frankreich

1 2 1 1 1

kein kein

2 5

10

9,3 8,2 9,0

10,8 14,2

4,7 4,0 5,2 2,8 3,1

73,7 75,0 98,0


105

a Die entsprechenden Sulfitstandards wurden mit der jeweiligen Weinprobe auf 10 ml aufgefüllt (Spikes) und danach unverzüglich gemessen.

b Die Recovery (Wiederfindung) wurde aus dem Verhältnis der gebildeten Differenz zwischen den SO2 Konzentrationen vor und nach Zugabe der entsprechenden Standards berechnet.

Eine allgemeine Betrachtung der Daten zeigt einen höheren Betrag von freiem Sulfit bei Ver-dünnung, dies ist wahrscheinlich auf die Verschiebung des Gleichgewichts zwischen freien und gebundenen Sulfit zurückzuführen [278]. Andererseits war die Wiederfindung der sum-mierten Sulfitkonzentrationen der Proben generell unter 100 % und in einigen Fällen sogar unter 50 %. Es ist davon auszugehen, dass es durch das überschüssige Aldehyd im Wein zur Bildung des Alkylsulfonats kommt. Durch wiederholte Bestimmungen wurde eine Präzision von 3-5 % RSD ermittelt. Im Verlauf der Messung konnte keine Beeinträchtigung durch Adsorption von Weinbestandteilen auf der Membran festgestellt werden.

Fazit Die dargestellte Methode angewendet zur Bestimmung von Sulfit ist interessant für viele Ge-biete, insbesondere für die Lebensmittelanalytik, wo Sulfit als Konservierungsmittel eine wichtige Rolle spielt. Die Analyse von Wein zeigt das vorhandene Potential der Methode, wenn auch die Interpretation der erhaltenen Werte kompliziert ist, durch das gleichzeitige Vorliegen von gebundenem und freiem Schwefeldioxid. Eine alkalische Vorhydrolyse wäre in-line möglich und würde eine Gesamtsulfitbestimmung erlauben. Die Matrixbestandteile im Wein, die die oben vorgestellten Methoden stören und eine entsprechende vorhergehende Fil-tration notwendig machen, stellen für diese Methode kein Problem dar. Es entfällt das manu-elle Verdünnen von Proben mit entsprechend hohen Konzentrationen und auch eine An-reicherung ließe sich erzielen durch eine Variation der Fließraten. Proben- und Reagenz-verbrauch sind bei dieser Methode gering, ebenso wie der Arbeitsaufwand verglichen mit konventionellen Methoden. Gegenüber der oft genutzten Spektroskopie [267, 268, 246, 279] oder elektrochemischen Detektion [278, 280] ist die Nutzung des IC als Detektor von Vorteil, da flüchtige Verbindungen wie z.B. Carbonate chromatographisch separiert und auch simul-tan detektiert werden.


106

5.2 Bestimmung von Nitrit Nitrit ist ein oft zu bestimmender Parameter, insbesondere in der Umwelt- und Lebensmittel-analytik. Die aus der Probenmatrix resultierenden Probleme können häufig nur durch ein auf-wendiges manuelles Procedere gelöst werden. Die Gasdiffusion im Fließsystem als leicht zu automatisierende Methode bietet sich hier als Alternative an. In den folgenden Versuchen wurden Voruntersuchungen zur Oxidation des Nitrits zu Nitrat mit Wasserstoffperoxid durchgeführt. Die Experimente der in-line Separation erfolgten zum einen unter gleichen Bedingungen wie bei der Sulfitbestimmung, als entsprechende Grund-lage für die beabsichtigte Simultanbestimmung von Sulfit und Nitrit. Und zum anderen mit einem vereinfachten Fließsystem ohne eine der Gasdiffusion nachgeschalteten Oxidation. 5.2.1 Wichtige Anwendungsgebiete in flüssigen Proben und bestehende Bestim- mungsmethoden Ein wichtiges Anwendungsgebiet der Nitritbestimmung in wässrigen Proben ist die Untersu-chung von Gewässern. Wesentlicher Bestandteil der Proteine sind Stickstoffverbindungen, diese werden von Bakterien, teilweise unter der Bildung von giftigen Zwischenprodukten, im Wasser stufenweise abgebaut. Der zweite Schritt dieses Abbauprozesses, die Nitrifikation (Abb. 5.12), ist die Nitritation. Dabei setzen Bakterien der Gattung Nitrosomonas unter Sauer-stoffzufuhr Ammoniak und Ammonium zu Nitrit um (Gl. 5.10). Nitrit ist u.a. ein starkes Fischgift. Eine Konzentration von 0,1-1,0 mg L-1 kann, je nach Fischart, Einwirkungsdauer und äußeren Bedingungen, Schäden hervorrufen.

Abb. 5.12: Abbauprozess der Proteine im Wasser

Untersuchungen von Trinkwasser und Getränken hinsichtlich des Nitritgehalts sind ebenfalls notwendig, da zum einen Nitrit eine Reduktion des Hämoglobins zum Methämoglobin be-wirkt. Die Folge ist eine verminderte Fähigkeit des Blutes, Sauerstoff aufzunehmen und zu transportieren. Gefährdet von dieser Sauerstoffunterversorgung sind vor allem Säuglinge [281]. Zum anderen kann Nitrit mit sekundären Aminen im Magen kanzerogene Nitrosamine bilden [282]. Aufgrund der hohen Toxizität bestand nach der alten Trinkwasserverordnung

Prozess der Nitrifikation Nitrosomas Nitrobacter Proteine Ammonium Nitrit Nitrat

2NH4+ + 3O2 + 2H2O 2NO2

- + 4H3O+ (5.10)


107

von 1990 ein Nitritgrenzwert von 0,1 mg L-1 [283]. Seit 2001 gilt ein Grenzwert von 0,5 mg L-1 [284]. Allerdings darf am Wasserwerksausgang ein Wert von 0,1 mg L-1 nicht überschritten werden. Begründet wird dies dadurch, dass die Nitritkonzentration durch Re-duktion von Nitrat im Wasserverteilungsnetz ansteigen kann [285]. Aufgrund der akuten Toxizität von Nitrit erweist sich eine Grenzwertkontrolle durch geeig-nete Analysenmethoden als notwendig. Es gibt eine Vielzahl von analytischen Nitrit-Bestim-mungsmethoden, im Folgenden sollen nur einige kurz erläutert werden. Der größte Anteil der entwickelten Methoden zur Bestimmung von Nitrit ist verbunden mit einer kolorimetrischen Reaktion. Eine Standardmethode ist die photometrische Detektion nach DIN EN 26777 (D10). Dabei reagieren Nitrite in saurer Lösung mit primären Aminen unter Bildung von Di-azoniumsalzen (5.11). Die Diazoniumsalze reagieren mit aromatischen Verbindungen, die eine Amino- oder Hydroxylgruppe enthalten, zu intensiv gefärbten roten Azofarbstoffen (5.12). Letztere werden Photometrisch erfasst.

Als Nachteile dieser Standardmethode erweisen sich der hohe Verbrauch an Probe (50 ml) und an Reagenzien (jeweils 1 ml pro Probe), sowie die manuelle Zugabe der Reagenzien (Fehlerquelle). Die Probenvorbereitung zur Entfernung störender Partikel aus der Probe muss ebenfalls manuell erfolgen. In einer weiteren Arbeit zur Bestimmung von Nitrit in Wasser und Boden [286] ist der manuelle Aufwand enorm. So erfolgte vor der eigentlichen Detektion neben der Zugabe von diversen Reagenzien noch eine zweifache Zentrifugation der wässrigen Probe mit den entsprechenden Zusätzen. Für die Bestimmung von Nitrit, Nitrat, Sulfat und phenolischen Verbindungen im Abwasser nutzen Lapa et al. [287] die SIA (Sequential Injection Analysis). Dabei erfolgte eine in-line Umsetzung von Nitrit mit Sulfanilamid und 1-Naphthyl-Ethylendiamin und die photometrische Detektion. Der lineare Arbeitsbereich lag bei 0,5-25 mg L-1. Zum Vergleich bei der Bestimmung von Nitrit im Abwasser wurde eine


108

photometrische Standardmethode herangezogen, die Werte waren bis auf geringe Abweichun-gen gut vergleichbar. Eine Probenvorbereitung zwecks der Entfernung von Partikeln aus der Probe ist nicht dokumentiert. Unter Nutzung der Flüssigchromatographie (Ionenpaarchroma-tographie) mit UV-Detektion bestimmten Iskandarani et al. [288] Nitrit in Wasserproben. Gemessen wurde im Bereich von 2 bis 17 mg L-1. Das in der Publikation [288] abgebildete Beispielchromatogramm zeigt für Nitrit keinen bis zur Basislinie verlaufenden Peak, die Auflösung R (Gl. 2.3) zwischen Nitrit und dem kurz danach eluierten Bromid war schlecht. Die Probenvorbereitung erfolgte auch hier manuell durch Filtration. Ein Vergleich mit einer spektrometrischen Standardmethode für Quellwasser ergab nahezu übereinstimmende Werte. Die Firma Knauer stellte eine HPLC-Methode (Ionenpaarchromatographie) mittels UV-Detektion zur Nitrit- und Nitratbestimmung in Fruchtsäften vor [289]. Zur Probenvor-bereitung wurden die Fruchtsäfte mit einer Kaliumhexacyanoferrat (II)- und einer Zinksulfat-lösung versetzt. Nach der Fällung erfolgte eine Zentrifugation des Überstandes. Zusätzlich be-stand noch die Möglichkeit, über eine SPE Anionenaustauscherkartusche coeluierende Be-gleitstoffe aus der Probe abzutrennen und das Filtrat chromatographisch zu bestimmen. Bis zu einer Konzentration von 0,1 mg L-1 konnten beide Ionen detektiert werden. Die Nitritbestim-mung mit einer Festphasenextraktion im SIA-System basierend auf der Retention des Azo-farbstoffes aus einer kolorimetrischen Reaktion auf der stationären Phase (chemisch modifi-ziertes Silikagel) durch Umkehrphasenadsorption wurde von M. Miro et al. publiziert [290]. Durch die Säule erfolgte eine Anreicherung des Analyten und die Entfernung der störenden Matrix. Es konnte mittels dieser Methode eine Nachweisgrenze von 6 µg L-1 erreicht werden. Die vorgestellten Methoden sind vielfältig und zeichnen sich oft durch eine gute Nachweis-grenze aus. Jedoch die Probenvorbereitung, wenn sie erwähnt wird, erfolgt in den über-wiegenden Fällen manuell und meist in mehreren Schritten. Zur Bestimmung von Nitrit mittels Gasdiffusion im Fließsystem liegen bislang nur wenige Arbeiten vor [290, 291]. Als Detektionsmethode kam auch dabei meist die Photometrie zum Einsatz. Die Kopplung der Gasdiffusion mit der Ionenchromatographie ist meines Wissens nach noch nicht beschrieben. 5.2.2 Prinzip des Probenvorbereitungsschrittes Die Separation des Nitrits aus der Probe mittels Gasdiffusion erfolgt generell durch Ansäuern der Probe. Die dabei ablaufenden Reaktionen sind nicht vollständig aufgeklärt [292, 293]. Die Gleichung (5.13) zeigt, dass sich NO und NO2 gleichzeitig bilden. Eine Reihe anderer Gase, inbegriffen HNO2, N2O3, N2O4 und N2O5 können auch entstehen und über die gaspermeable Membran in die Akzeptorlösung diffundieren [293]. Das gebildete NO ist relativ inert und zu-dem sehr schlecht wasserlöslich, so das es vermutlich als gelöstes Gas über die Donor- und Akzeptorlösung ohne weitergehende Reaktionen ausgespült wird.


109

Das im Donorkanal gebildete NO2 diffundiert partiell über die Membran in die wässrige Ak-zeptorlösung. Dort kann es unter erneuter Disproportionierung in Nitrit und Nitrat umgewan-delt werden (5.14).

Ersichtlich aus den beiden oberen Gleichungen ist, dass sich durch eine höhere Konzentration von Nitrit in der Probe mehr NOx bildet und dadurch eine höhere Konzentration an Nitrit hinter der Membran auftritt. Die Aufnahme von NO2 in wässrigen Lösungen wurde in ver-schiedensten Publikationen zum Teil sehr kontrovers diskutiert. Es wurden experimentell, je nach Zusammensetzung der Absorberlösung und der NO2-Konzentration, unterschiedliche Konzentrationsverhältnisse von Nitrit und Nitrat gefunden [292, 294, 295, 296]. Die Oxida-tion mit Wasserstoffperoxid ist stark pH-Wert abhängig. So ist in neutraler und schwach saurer Lösung das Redoxpotential von H2O2 ausreichend hoch, um Nitrit zu Nitrat zu oxi-dieren. In stärkerer alkalischer Lösung verhält sich H2O2 gegenüber Nitrat jedoch als Reduk-tionsmittel und wandelt dieses in Nitrit um [296]. 5.2.3 Eigene Untersuchungen Reagenzien und Lösungen Zur Herstellung aller Lösungen wurde deionisiertes Wasser vom Seradest-System (spezi-fischer Widerstand >18 MΩ cm-1) genutzt. Alle Lösungen wurden vor Einführung in das Fließsystem entgast. Die Herstellung der Stammlösung [1 g L-1 NO2] erfolgte aus NaNO2, was zuvor im Ofen bei ca. 105 °C mindestens 2 h getrocknet wurde. Bei kühler Aufbewahrung in einer braunen Glasflasche war die Lösung mindestens 14 Tage haltbar. Durch entsprechendes Verdünnen erfolgte die Herstellung der Arbeitsstandards täglich neu. Die Eluenten und Ionenchromatographen wurden, wie in Kapitel 5.1.2 beschrieben, genutzt. Voruntersuchungen Wie unter 5.2.2 beschrieben, erfolgt der Probenvorbereitungsschritt durch Ansäuern der Probe und anschließende Diffusion des Analyten über die Membran in die wässrige Akzeptorphase. Der letzte Schritt vor der Detektion mit dem Ionenchromatographen, die Oxidation von Nitrit zu Nitrat mit Wasserstoffperoxid, wurde vor Adaption in das Fließsystem genauer untersucht, um entweder eine vollständige Oxidation unter sinnvollen Bedingungen hinsichtlich der

2H+ + 2NO2- NO + NO2 + H2O (5.13)

2NO2 + H2O NO3- + NO2

- + 2H+ (5.14)


110

Kopplung von Fließsystem und Ionenchromatographen zu erhalten, oder wenn dies nicht möglich ist, das Verhältnis von Nitrit und Nitrat nach der Oxidation genauer zu untersuchen, um eine reproduzierbare Größe in Abhängigkeit zur Analytkonzentration zu finden Neben der Konzentration von Wasserstoffperoxid und Nitrit ist die Oxidation auch abhängig von der Reaktionszeit. Dieses wurde im folgenden mit einem 10 mg L-1 Nitritstandard unter Variation der Reaktionszeit von 3 bis 13 min im Batch-Verfahren untersucht. Das Volumen-verhältnis von Standard und 0,3 % Wasserstoffperoxidlösung (98,8 mmol L-1) betrug 1:0,4. In Tabelle 5.7 sind die Mittelwerte der Messungen und ihre Relativen Standardabweichungen und in Tabelle 5.8 die Summen aus Nitrit- und Nitratsignal angegeben. Zur Detektion wurde der IC 690 genutzt. Eine ausführliche Darstellung der Messwerte ist im Anhang 8.2 gegeben.

Tab. 5.7: Signale für Nitrit und Nitrat durch Variation der Reaktionszeit der Nitritoxidation (10 mg L-1)

Reaktionszeit [min]

NO2--Signal

ohne H2O2

(direkt) [µS cm-1]

NO2--Signal

+H2O2

[µS cm-1]

RSD [%]

NO3--Signal

+H2O2

[µS cm-1]

RSD [%]

3 10,00 5,33 4,70 2,00 4,1013 10,00 1,80 4,54 5,43 2,30

Tab. 5.8: Summe der Nitrit- und Nitratsignale durch Variation der Oxidationszeit Reaktions-zeit [min]

NO2--Standard

ohne H2O2

[µS cm-1]

∑ Signale [µS cm-1]

RSD [%]

3 10,00 7,33 2,32 13 10,00 7,23 1,30

Unter diesen Bedingungen konnte auch nach 13 min Reaktionszeit keine vollständige Oxi-dation des Nitrits zu Nitrat erreicht werden. Die Signalgrößen von Nitrit und Nitrat waren relativ gut reproduzierbar. Nach drei Minuten Oxidationszeit waren ca. 27 % zu Nitrat oxi-diert und nach weiteren 10 min lagen ca. 75 % als Nitrat vor. Die Abhängigkeit der Nitritoxidation von der Wasserstoffperoxidkonzentration wurde als zweites im Batch-Verfahren untersucht. Es erfolgte die Zugabe von 0,5 ml, bzw. 2 ml 0,3 % Wasserstoffperoxidlösung zu jeweils 5 ml Standardlösung (resultierende Wasserstoffperoxid-konzentrationen 9,88 mmol L-1 bzw. 39,53 mmol L-1). Die Konzentration der Standards be-trug 1,087 mmol, 0,435 mmol und 0,1087 mmol bzw. 50, 20 und 0,5 [mg L-1 NO2], damit lag Wasserstoffperoxid in allen Proben im Überschuss vor. Die Reaktionszeit betrug 7 min und zum Einsatz kam der IC 790. Für die Messungen mit 9,88 mmol L-1 (0,5 ml) H2O2 sind in Tabelle 5.9 die Relative Standardabweichung und die Mittelwerte der Nitrit- und Nitratsignale


111

angegeben. In Tabelle 5.10 sind die entsprechenden Summen aus beiden Signalen und die Relative Standardabweichung zusammengestellt. Eine Veranschaulichung der Werte ist in Abbildung 5.13 zu sehen. Entsprechende Zusammenfassung der Daten für 39,53 mmol L-1 (2 ml) H2O2 ist in Tab. 5.11, 5.12 und in Abbildung 5.14 erfolgt. Die linearen Funktionen in den Abbildungen und das Bestimmtheitsmaß beziehen sich auf die Summe der Signale. Im Anhang 8.2 sind alle Messwerte aufgeführt.

Tab. 5.9: Mittelwerte der Nitrit- und Nitratsignale für 9,88 mmol L-1 H2O2 Konzentration NO2 [mg/L]

NO2--Signal

[µS cm-1 s-1]RSD [%]

NO3--Signal


Verhältniss NO3/NO2-Signale

5 31,86 4,65 1,59 3,72 0,0520 108,99 3,73 25,35 12,71 0,2350 317,38 1,42 35,91 5,81 0,11

Tab. 5.10: Mittelwerte der Summen der Nitrit- und Nitratsignale für 9,88 mmol L-1 H2O2-Konzentration

Konzentration NO2 [mg/L]

∑ Signale [µS cm-1 s-1]

RSD [%]

5 33,45 4,6020 134,34 0,7850 353,30 0,93

y = 7,1285x - 4,4046R2 = 0,9996

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 20 40 60

Konzentration [mg/L]

Sign

al [µ

S/ c

m s

]

Nitrit 0,5 ml H2O2Nitrat 0,5 ml H2O2Summe

Abb. 5.13: Nitrit- und Nitratsignale und deren Summen für 9,88 mmol L-1

H2O2-Konzentration


112

Tab. 5.11: Mittelwerte der Nitrit- und Nitratsignale für 39,53 mmol L-1 H2O2


NO2--Signal


NO3--Signal



5 5,98 2,75 23,09 4,89 3,8620 50,14 1,80 58,96 5,50 1,1850 118,68 0,43 157,65 0,31 1,33

Tab. 5.12: Mittelwerte der Summen der Nitrit- und Nitratsignale für

39,53 mmol L-1 H2O2 Konzentration NO2 [mg/L]


RSD [%]

5 29,03 3,2620 109,09 2,5250 276,33 0,12

y = 5,507x + 0,478R2 = 0,9999

0

50

100

150

200

250

300

0 20 40 60


Sign

al [µ

S/cm

s]

Nitrit 2 ml H2O2Nitrat 2 ml H2O2Summe

Abb. 5.14: Abhängigkeit der Nitritoxidation für 39,53 mmol L-1 H2O2

Durch eine höhere Konzentration an Wasserstoffperoxid kam es zu einer verstärkten Bildung von Nitrat. Bei einer Wasserstoffperoxidkonzentration von 39,53 mmol L-1 lag bei allen drei Nitritkonzentrationen eine Oxidation von über 50 % vor. Eine vollständige Oxidation von Nitrit zu Nitrat konnte unter den gegebenen Bedingungen nicht erreicht werden. Die Signal-größen von Nitrat (zweimal einen RSD von über 5 % und einmal von über 12 %) sind nicht gut reproduzierbar. So sind die Verhältnisse der Signale in Abhängigkeit von der Nitritkon-zentration nur schwer interpretierbar. Für die Wasserstoffperoxidkonzentration von 9,88 mmol L-1 ist zu sehen, dass das Signalverhältnis von Nitrat zu Nitrit für die höheren Konzentrationen von 20 und 50 [mg L-1 NO2] größer ist als für 5 mg L-1. Bei einer Konzen-


113

tration von 39,53 mmol L-1 für Wasserstoffperoxid liegt bereits bei 5 mg l-1 der höchste Wert des Signalverhältnisses vor. Vergleicht man die Signalverhältnisse für die verschiedenen Wasserstoffperoxidkonzentrationen, ergibt für die höhere H2O2-Konzentration auf Grund der oben erwähnten verstärkten Bildung von Nitrat das größere Signalverhältnis. Für die Summe beider Signale ergab sich hingegen eine bessere Reproduzierbarkeit. Die Voruntersuchungen zur Oxidation von Nitrit mit Wasserstoffperoxid im Batch-Verfahren ergaben trotz Variation der Konzentration des Wasserstoffperoxids und Reaktionszeit immer zwei Signale für Nitrit und Nitrat. In Hinblick auf die in-line Probenvorbereitung gekoppelt mit der Ionenchromatographie erscheinen höhere Wasserstoffperoxidkonzentration oder auch längere Reaktionszeiten für eine möglichst vollständige Oxidation von Nitrit wenig sinnvoll, da erstere die Säule empfindlich stören und längere Reaktionszeiten die Analysenfrequenz erheblich herabsetzen. Um das in der wässrigen Akzeptorphase in Nitrit und Nitrat dispro-portionierte NO2 mit Wasserstoffperoxid vollständig zu Nitrit zu reduzieren, bedarf es einer alkalischen Lösung mit einem pH-Wert von größer 12 [296]. Diese Bedingungen würden die eingesetzte Säule schädigen. Eine andere Überlegung ist, wenn auch im Fließsystem die Re-produzierbarkeit der Signalverhältnisse von Nitrit und Nitrat nicht ausreichend ist, zur Auswertung die Summen der Signale heranzuziehen, die, wie in Abbildung 5.13 und 5.14 zu sehen, linear über den Konzentrationsbereich von 5 bis 50 mg L-1 verlaufen und gut reprodu-zierbar sind. In-line Untersuchungen mit Wasserstoffperoxid Eigene experimentelle Untersuchungen erfolgten mit dem in Abbildung 5.15 gezeigten Mani-fold. Dabei wurden in Hinblick auf eine beabsichtigte Simultanbestimmung von Sulfit und Nitrit (Kap. 5.3) die experimentellen Bedingungen, die Zusammensetzung von Modifier (0,5 mol L-1 Salzsäure) und Akzeptorlösung (Wasser) und als Oxidationsmittel Wasserstoff-peroxid, beibehalten.

Abb. 5.15: Verwendetes Fließschema mit Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel


114

Die Separationseinheit bestand aus der unter 5.1.3 beschriebenen Metrohmzelle in Verbin-dung mit einer Polypropylenmembran (Enka; Porendurchmesser: 0,25 µm; Dicke: 80 µm). Die Fließgeschwindigkeiten betrugen für Probe, Modifier und Akzeptorlösung jeweils 0,5 ml min-1 und für Wasserstoffperoxid 0,2 ml min-1. Gekoppelt war das Manifold an den IC 790. Eine Zusammenfassung der Messwerte erfolgte in Tabelle 5.13 und 5.14.

Tab. 5.13: Mittelwerte der Nitrit- und Nitratsignale für die in-line Proben- vorbereitung bei einer Akzeptorfließgeschwindigkeit von 0,5 ml min-1


NO2--Signal

[µS cm-1 s-1] RSD [%]

NO3--Signal

[µS cm-1 s-1] RSD [%]

5 1,37 2,15 5,19 3,0720 3,76 2,64 17,40 2,4850 10,10 2,14 41,70 1,48

Tab. 5.14: Summe der Nitrit- und Nitratsignale bei direkter Messung und nach in-

line Separation Konzentration NO2 [mg/L]

∑ Signale für direkte Mes-sung [µS cm-1 s-1]

∑ Signale für in-line Sepa-ration [µS cm-1 s-1]

Verdünnungs-faktor zwischen direkter Mes-sung und in-line Separation

5 34,66 6,56 5,3 20 112,50 21,16 5,3 50 276,20 51,80 5,3

05

1015202530354045

0 10 20 30 40 50 60


Sign

al [µ

S/cm

s]

NitritNitrat

Abb. 5.16: Nitrit- und Nitratsignale für die in-line Gasdiffusion und Oxidation bei

einer Akzeptorfließgeschwindigkeit von 0,5 ml min-1


115

0

50

100

150

200

250

300

0 20 40 60


Sign

al [µ

S/cm

s]

direkte Injektion in-line Separation

Abb. 5.17: Summen der Signale für direkte Messungen und in-line Separation, mit den

Gleichungen: 6123,63803,5 += xy und dem Bestimmtheitsmaß R2= 0,9998 für die

direkte Messung und für die in-line Separation (0,5 ml min-1) 3162,10076,1 += xy und dem Bestimmtheitsmaß R2= 0,9999

Die in-line Oxidation ergab bei konstanten experimentellen Bedingungen gut reproduzierbare Signale für Nitrit und Nitrat. Auf Grund der guten Reproduzierbarkeit scheint es möglich, so-wohl die Signale für Nitrit und Nitrat, als auch die Summe der Signale zur Auswertung heran-zuziehen. Um den Verdünnungsfaktor 5,3 durch die in-line Gasdiffusion gegenüber der direk-ten Messung und damit auch die Nachweisgrenze der Methode zu verbessern, ist es möglich, die Akzeptorgeschwindigkeit zu reduzieren. Bei ansonsten gleichbleibenden Bedingungen hinsichtlich Manifold und der anderen Fließgeschwindigkeiten wurde die Akzeptorgeschwin-digkeit (Wasser) von 0,5 auf 0,2 ml min-1 gesenkt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5.15 und 5.16 zusammengefasst.

Tab. 5.15: Mittelwerte der Nitrit- und Nitratsignale für die in-line Probenvor bereitung bei einer Akzeptorfließgeschwindigkeit von 0,2 ml min-1


NO2--Signal

[µS cm-1 s-1] RSD [%]

NO3--Signal

[µS cm-1 s-1] RSD [%]

5 2,73 1,08 13,54 2,3820 7,24 2,39 45,61 3,5550 20,07 2,71 109,42 0,93


116

Tab. 5.16: Summe der Nitrit- und Nitratsignale bei direkter Messung und nach in-line Separation


∑ Signale für direkte Mes-sung [µS cm-1 s-1]

∑ Signale für in-line Sepa-ration [µS cm-1 s-1]

Verdünnungs-faktor zwischen direkter Mes-sung und in-line Separation

5 34,66 16,27 2,13 20 112,50 52,85 2,13 50 276,20 129,49 2,13

0

50

100

150

200

250

300

0 20 40 60


Sign

al [µ

S/cm

s]

direkte Injektion Acc. 0,5ml/minAcc. 0,2ml/min

Abb. 5.18: Summen der Signale für die Variation der Fließgeschwindigkeit des

Akzeptors Funktionen: 6123,63803,5 += xy ; R2= 0,9998; direkte Messung

3162,10076,1 += xy ; R2= 0,9999; in-line Separation (0,5 ml min-1)

1619,35215,2 += xy ; R2= 0,9999; in-line Separation (0,2 ml min-1)

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6

reziproke Akzeptorgeschwindigkeit [min/ml]

Sign

algr

öße

[%]

20 mg/L Standard

Wert der direktenInjektion

Abb. 5.19: Abhängigkeit der Summen der Signalgrößen von der

reziproken Akzeptorfließgeschwindigkeit


117

Durch die Absenkung der Akzeptorgeschwindigkeit um den Faktor 2,5 konnte der Verdün-nungsfaktor gegenüber der direkten Messung entsprechend von 5,3 auf 2,1 verringert werden. Über die Summe der Signale ist ein linearer Arbeitsbereich von 0,1 bis 50 mg L-1 für die ent-wickelte Analysenmethode gegeben. Die Analysenfrequenz kann erheblich gesteigert werden, wenn unter den gegebenen Bedingungen der IC 690 mit der Anionentrennsäule Hamilton PRP-X 100 genutzt wird, da die Retentionszeiten dieser Säule unter diesen Bedingungen, 1,8 min für Nitrit und 2,2 min für Nitrat, kürzer sind, als für die Anionensäule Metrosep Anionen Dual 2 (s.a. Anhang 8.2 Beispielchromatogramme). Innerhalb der Zeit von maximal 5 min für die Aufzeichnung des Chromatogramms kann die in-line Probenvorbereitung der nachfolgenden Probe bereits erfolgen. Daraus ergibt sich eine maximale Analysenfrequenz von 12 pro Stunde. Betrachtet man den prozentualen Anteil der Signale von Nitrit und Nitrat an der Summe der Signale aus den in-line Experimenten, ergibt sich der in Abb. 5.20 dar-gestellte Verlauf über die verschiedenen Konzentrationen für die jeweilige Akzeptorge-schwindigkeit.

0

10203040

5060

708090

Sign

algr

öße

[%]

5 mg/L 20 mg/L 50 mg/L

Nirtrit 0,2 ml/minNitrat 0,2 ml/minNitrit 0,5 ml/minNitrat 0,5 ml/min

Abb. 5.20: Prozentualer Anteil von Nitrit und Nitrat an der Summe der Signale

Aus Abb. 5.20 ist zu ersehen, dass bei Verringerung der Akzeptorgeschwindigkeit von 0,5 auf 0,2 ml min-1 der Anteil des Nitrats steigt. Betrachtet man den Verlauf über der Konzentration, erkennt man insbesondere für den Nitratanteil, dass die Werte relativ dicht beieinander liegen (mit Relativen Standardabweichungen von 1,5 bzw. 1,6 % für 0,2 bzw. 0,5 ml min-1, s.a. Tab. 8.25 Anhang). Eine Konzentrationsabhängigkeit für den prozentualen Anteil von Nitrit, bzw. Nitrat am Gesamtsignal ist hier nicht festzustellen. Im Konzentrationsbereich von 5 bis 50 mg L-1 ist für die vorgestellte Methode ein linearer Ar-beitsbereich mit gut reproduzierbaren Werten gegeben. Zur Auswertung können sowohl die Signale für Nitrit und Nitrat, als auch die Summe der Signale herangezogen werden.


118

In-line Untersuchungen ohne Wasserstoffperoxid

Abb. 5.21: Fließschema zur Bestimmung von Nitrit ohne Oxidation In weiteren Untersuchungen erfolgten Experimente zur Bestimmung von Nitrit ohne Oxida-tion mit Wasserstoffperoxid im Konzentrationsbereich von 0,1 bis 10 mg L-1 NO2. Es sollte einerseits untersucht werden, ob auch unter diesen Bedingungen eine reproduzierbare Bestimmung von Nitrit möglich ist. Und andererseits wurde die Bildung von Nitrit und Nitrat aus NO2 in der wässrigen Akzeptorlösung bezüglich ihrer Signalverhältnisse und Reprodu-zierbarkeit betrachtet. Das verwendete Fließschema ist in Abbildung 5.21 dargestellt, als Modifier kam 0,5 mol L-1 Schwefelsäure und als Akzeptor Wasser zum Einsatz. Die Herstellung und Behandlung der Lösungen und Standards erfolgten wie zuvor beschrieben. Die Fließratenverhältnisse betrugen für Standardlösungen, Modifier und Akzeptorlösung 3:1:1, mit Fließgeschwindigkeiten von 0,6 ml min-1 für die Standardlösung und jeweils 0,2 ml min-1 für Modifier und Akzeptorlö-sung. Zur Detektion wurde der IC 690 mit der Anionentrennsäule Hamilton PRP-X 100 und dem in Kap. 5.1.2 aufgeführten Eluenten verwendet. In Tabelle 5.17 und 5.18 sind die Mess-ergebnisse aufgeführt. Zum Vergleich wurden Nitritstandards direkt mit dem Ionenchromato-graphen gemessen.

Tab. 5.17: Nitritsignale bei direkter Messung Konzentration NO2 [mg/L]

NO2-Signal

[µS cm-1] NO2

-Signal [µS cm-1]

NO2-Signal

[µS cm-1] Mittelwert [µS cm-1]

RSD [%]

0,1 0,48 0,44 0,44 0,45 4,161 3,64 3,56 3,64 3,61 1,04

10 38,40 37,60 38,40 38,13 0,99


119

Tab. 5.18: Nitritsignale nach in-line Gasdiffusion Konzentration NO2 [mg/L]

NO2- Signal

[µS cm-1] NO2

- Signal [µS cm-1]

NO2- Signal


RSD [%]

0,1 0,17 0,18 0,18 0,17 3,411 1,80 1,78 1,69 1,76 2,72

10 16,45 16,40 16,50 16,45 0,25

05

1015202530354045

0 5 10 15


Sign

al [µ

S/cm

]

in-line Separationdirekte Injektion

Abb. 5.22: Vergleich der Nitritsignale für direkte Messung und in-line Separation

Funktionen: y=3,818x-0,06; R2= 1; direkte Injektion y=1,6394x+0,0607; R2= 1, in-line Separation

Unter den gewählten experimentellen Bedingungen waren lediglich Signale für Nitrit erfass-bar. Dies könnte damit begründet werden, dass sich bei geringen Konzentrationen von NO2 in Wasser das Verhältnis von Nitrit und Nitrat zugunsten der Bildung von Nitritionen verschiebt [295] und gebildete Nitrationen in einer, unter den gewählten Bedingungen, nicht mehr mess-baren Konzentration vorliegen. Die resultierende Konzentration betrug ca. 40 % der Aus-gangskonzentration. In dem gemessenen Konzentrationsbereich waren die Werte gut reprodu-zierbar und eine lineare Abhängigkeit (s.a. Abb. 5.22) ist zwischen den detektierten Nitrit-signalen und der Analytkonzentration im Bereich von 0,1 bis 10 mg L-1 gegeben.


120

5.3 Versuche zur Simultanbestimmung von Sulfit und Nitrit In weiteren Versuchen wurde die Möglichkeit der Simultanbestimmung von Sulfit und Nitrit mittels Gasdiffusion-IC Kopplung untersucht. Zum Einsatz kam das in Abbildung 5.23 darge-stellte Fließschema. Dieser Aufbau wurde verwendet, da in den vorangegangenen Untersu-chungen zur Einzelkomponentenbestimmung von Sulfit (Kap. 5.1) und Nitrit (Kap. 5.2) mit diesem Fließsystem gute Ergebnisse erzielt werden konnten.

Abb. 5.23: Fließschema zur Simultanbestimmung von Nitrit und Sulfit Als Separationseinheit kam die Metrohmzelle mit einer Polypropylenmembran (Enka; Poren-durchmesser: 0,25 µm; Dicke: 80 µm) zum Einsatz. Die Fließgeschwindigkeiten betrugen für Probe und Salzsäure jeweils 0,5 ml min-1, für Akzeptorlösung und Wasserstoffperoxid jeweils 0,2 ml min-1. Als Detektor diente der IC 690 mit der Anionentrennsäule Hamilton PRP-X 100. Die Herstellung der Mischstandards erfolgte durch Zugabe der entsprechenden Konzentration an Natriumnitrit zu den mit EDTA stabilisierten Sulfitstandards (s.a. Kap. 5.12; 5.23). Die untersuchten Mischstandards besaßen gleiche Konzentrationsverhältnisse, mit jeweils 10, 25 und 50 mg L-1 und unterschiedliche Konzentrationsverhältnisse, von 2:1 (50 mg L-1 SO2 und 25 mg L-1 NO2) und 1:2 (25 mg L-1 SO2 und 50 mg L-1 NO2). Die Konzentrationsangaben be-ziehen sich, wie in den vorangehenden Kapiteln, auf SO2 bzw. NO2. Um Vergleichswerte für die Messungen mit der in-line Gasdiffusion zu schaffen, erfolgte im Batch-Verfahren die Oxidation der Mischstandards und anschließende Detektion mit dem Io-nenchromatographen. Unter den gleichen Bedingungen wurden auch Einkomponentenstan-dards von Sulfit und Nitrit gemessen, um Unterschiede zwischen Mischstandards und Einzel-komponentenstandards, bzw. eine gegenseitige Beeinflussung der Analyten in den Mischstan-


121

dards zu erkennen. In den folgenden Tabellen sind die Daten der Messreihen zusammenge-fasst.

Tab. 5.19: Mittelwerte der Nitrit-, Nitrat-, Sulfatsignale für die direkte Messung der Mischstandards nach Oxidation mit H2O2 im Batch-Verfahren

Tab. 5.20: Messungen der Einzelstandards von Sulfit und Nitrit nach Oxidation mit H2O2 im Batch-Verfahren

Tab. 5.21: Mittelwerte der Nitrit-, Nitrat-, Sulfatsignale der Mischstandards nach in-

line Gasdiffusion Konzentration SO2/ NO2 [mg L-1]

SO42--

Signal [µS cm-1]

NO2--

Signal [µS cm-1]

NO3--

Signal [µS cm-1]

∑ Signale (NO2, NO3) [µS cm-1]

10/ 10 5,5 0 6,75 6,7525/ 25 7,5 0 16,88 16,8850/ 50 8 0 31,75 31,7550/ 25 1,75 0 17,75 17,7525/ 50 0 0 35 35

Tab. 5.22: Messungen der Einzelstandards von Sulfit und Nitrit nach in-line Gasdif

fusion

Konzentration SO2/ NO2 [mg L-1]

SO42--

Signal [µS cm-1]

NO2--

Signal [µS cm-1]

NO3--

Signal [µS cm-1]

∑ Signale (NO2, NO3)

[µS cm-1]

Signal- Verhältniss NO3/NO2-

10/ 10 28,0 12,5 19,0 31,5 1,52 25/ 25 70,5 57,0 22,0 79,0 0,39 50/ 50 145,0 111,0 43,0 154,0 0,39 50/ 25 144,0 74,0 0,0 74,0 0

Konzentration [mg L-1]

SO42--

Signal [µS cm-1]

NO2--

Signal [µS cm-1]

NO3--

Signal [µS cm-1]

∑ Signale (NO2, NO3)

[µS cm-1]

Signal- Verhältniss NO3/NO2-

10 31,7 9,0 27,2 36,2 3,02 25 76,2 40,3 48,3 88,6 1,20 50 153,0 81,7 98,1 179,8 1,20

Konzentration [mg L-1]

SO42--

Signal [µS cm-1]

NO2--

Signal [µS cm-1]

NO3--

Signal [µS cm-1]

∑ Signale (NO2, NO3) [µS cm-1]


10 26,7 2,83 14,13 16,96 4,99 25 67,0 5,9 36,5 42,4 6,21 50 136,2 13,2 71,2 84,4 5,40


122

Die Ergebnisse sind nur sehr schwer zu interpretieren. Bei der direkten Messung der Misch-standards (Tab. 5.19) ist zu sehen, dass die Nitritsignale außer bei der kleinsten gemessenen Konzentration von 10 mg L-1 immer größer sind als die Nitratsignale und dass in Gegenwart von SO2 im Überschuss kein Nitrat mehr erfassbar ist. Vergleicht man die Ergebnisse der direkten Messung der Mischstandards (Tab. 5.19) mit der Messung der Einzelkomponenten-standards (Tab. 5.20) ist zu erkennen: Dass die Sulfatsignale und die Summen der Signale von Nitrit und Nitrat für die Einzelkomponentenstandards etwas höhere Werte besitzen aber noch vergleichbar sind. Die Signalverhältnisse von Nitrat und Nitrit weichen jedoch stark vonein-ander ab. In Gegenwart von Sulfit (in den Mischstandards) wird das Signalverhältnis von Ni-trat zum Nitrit hin verschoben. Bei der in-line Gasdiffusion (Tab. 5.21) ergaben sich kleine Werte für Sulfat und Nitrat so-wohl im Vergleich mit der direkten Messung der Mischstandards (Tab. 5.19), als auch im Vergleich mit der in-line Gasdiffusion der Einzelstandards (Tab. 5.22). Nitrit war in keinem Mischstandard mehr erfassbar. Betrachtet man den Prozess der gleichzeitigen Bildung von SO2 und NO2 durch das Ansäuern, so kann es zu einer Umsetzung dieser Gase im gelösten Zustand in der Donorflüssigkeit kommen. Dabei könnte SO2 durch NO2 zu Sulfat oxidiert und das NO2 zu NO reduziert werden. Dadurch würde nur wenig SO2 und NO2 über die Membran in die Akzeptorlösung gelangen und dort durch Wasserstoffperoxid oxidiert werden. Die Ver-schiebung des Signalverhältnisses vollständig zu Nitrat und die relativ hohen Nitratwerte ge-genüber den erhaltenen Sulfatsignalen bleiben unklar. Als Ergebnis muss festgehalten werden, dass eine Simultanbestimmung von Nitrit und Sulfit mittels Gasdiffusion unter diesen Bedingungen nicht möglich ist und weitergehende grundle-gende Untersuchungen erforderlich machen. Interessanterweise ist eine Störung durch Nitrit bei der Sulfitbestimmung in den zahlreichen Veröffentlichungen [245, 246, 249, 297] zu dieser Thematik nicht erwähnt. Es ist zu vermu-ten, dass diese Störung bisher auch noch nicht untersucht worden ist, da bei konkreten Frage-stellungen aus dem Bereich der Umwelt- und Lebensmittelanalytik diese Substanzen nicht, oder zumindest nicht in vergleichbar großen Konzentrationen gleichzeitig zugegen sind.


123

5.4 Bestimmung von Ammonium und kurzkettigen Aminen In diesem Kapitel erfolgt einleitend eine Kurzdarstellung über die Bedeutung von Ammonium und kurzkettigen Aminen als Bestimmungsparameter in Gewässern und Trinkwasser, sowie ein kurzer Überblick über bestehende Bestimmungsmethoden der Analyten unter Anwendung der Gasdiffusion. Die experimentellen Untersuchungen umfassen Versuche hinsichtlich der chromatographischen Trennung und Detektion der Analyten und eine Optimierung der Gasdiffusion im Fließsystem durch Variation der experimentellen Bedingungen. Die ent-wickelte Methode wurde zur Bestimmung der Analyten in Oberflächenwasser eingesetzt. 5.4.1 Wichtige Anwendungsgebiete und bestehende Bestimmungsmethoden Ammonium ist neben Nitrit und Sauerstoff ein bedeutender ökotoxikologischer Parameter. Wie in Abbildung 5.12 dargestellt, ist Ammonium die erste Stufe beim Abbau von orga-nischen Stickstoffverbindungen. Der größte Anteil an Ammonium in Gewässern lässt sich auf kommunale und industrielle Abwässer zurückführen. Für die Wasserpflanzen stellt Ammo-nium eine wichtige Stickstoffquelle dar. Nicht verbrauchtes Ammonium wird von Bakterien durch Sauerstoffaufnahme in das ebenfalls giftige Nitrit, dann von Nitratbakterien durch Sauerstoffaufnahme zum ungiftigen Nitrat oxidiert. Bei höheren Konzentrationen kann Am-monium erheblich zur Belastung des Sauerstoffhaushalts beitragen, da bei der mikrobiellen Oxidation (Nitrifikation) von 1 mg Ammonium-Stickstoff zu Nitrat rund 4,5 mg Sauerstoff verbraucht werden. Dieser Prozess ist allerdings stark temperaturabhängig und erhebliche Umsätze erfolgen nur in den warmen Jahreszeiten. Von toxikologischer Bedeutung ist die Tatsache, dass in Abhängigkeit von pH-Wert und Temperatur ein Teil des Ammoniums als giftiges Ammoniak freigesetzt wird. Dies kann in extremen Fällen zum Fischsterben führen. Ammonium im Trinkwasser ist relativ ungiftig für den Menschen, doch erhöhte Konzentra-tionen weisen auf eine bakterielle Zersetzung und damit auf Verunreinigungen hin. Der Grenzwert für Ammonium im Trinkwasser liegt laut Trinkwasserverordnung von 2001 [284] bei 0,5 mg L-1. Die Bestimmung von Ammonium ist also u.a. für die Beurteilung der Gewässergüte, Abwas-serkontrolle und für die Überwachung von Trinkwasser notwendig. Die aliphatischen Amine sind wichtige Zwischenprodukte in der chemischen und pharmazeu-tischen Industrie. Dimethylamin ist das meist verwendete Amin unter den drei Methylaminen, weltweit werden jährlich 500 000 Tonen an Methylaminen produziert [298]. In der che-mischen Industrie findet Dimethylamin u.a. bei der Herstellung von Fungiziden, Herbiziden, Antioxidantien, Detergentien und Pharmazeutika Verwendung [33]. Auf diese Weise gelan-gen aliphatische Amine durch eine Vielzahl von industriellen Anwendungen in die Umwelt. Daneben treten aliphatische Amine auch durch den natürlichen Weg des Abbaus organischer


124

stickstoffhaltiger Verbindungen in Gewässern auf. Methyl- und Dimethylamin gehören der Wassergefährdungsstufe 2 an, sie sind schon im µg L-1- Bereich wassergefährdend [299]. Für Dimethyl- und Diethylamin sind jeweils 10 µg L-1 als EU-Qualitätsziel angegeben [300]. Se-kundäre Amine sind grundsätzlich toxikologisch relevant, da sie bereits im Spurenbereich mit Nitrit zu den stark karzinogenen Nitrosaminen reagieren können. Die Bestimmung von ali-phatischen, bzw. kurzkettigen Aminen in flüssigen Proben, wie Abwasser und Oberflächen-wasser, erweist sich als notwendig, um Umwelt- und Gesundheitsschäden zu vermeiden oder zu erkennen. Ammonium ist die Komponente, die mittels Gasdiffusion in Fließsystemen am häufigsten be-stimmt worden ist. Zahlreiche Publikationen zur GD-FIA liegen vor, in denen prinzipielle Untersuchungen zum Gastransfer und des gesamten Fließsystems durchgeführt, oder Anwen-dungen für die Bestimmungen sehr unterschiedlicher Proben beschrieben wurden [z.B. 234,301-303], wobei die Detektion meist potentiometrisch, spektroskopisch oder über die Leitfähigkeit erfolgte. Eine Standardmethode [304] zur Bestimmung von Ammonium-Stick-stoff mittels Gasdiffusion im Fließsystem existiert ebenfalls. Über die Bestimmung von Aminen mit Gasdiffusionsseparation ist meines Wissens nach nur in drei Arbeiten in Verbindung mit der Ionenchromatographie [235, 242] und der Gaschro-matographie [305] berichtet worden. Eine ausführlichere Beschreibung der GD-FIA Metho-den gekoppelt mit der Ionenchromatographie ist in Kapitel 3.2.4.3 unter der Beschreibung der Gasdiffusion erfolgt. S. W. Gibb et al. [235] nutzen als einzige in ihrer Arbeit die Kopplung von Gasdiffusion und Ionenchromatographie auch zur Bestimmung von Ammonium. Die verwendete instrumentelle Konfiguration der in-line Separation war sehr komplex aufgebaut und beinhaltete mehrere Schaltventile. Zudem wurden zum Erreichen niedriger Nachweis-grenzen sehr lange Anreicherungszeiten (20 min und mehr) in einem Stopped-Flow-Modus gewählt. 5.4.2 Prinzip Das Ammonium und die Amine werden mit einem Modifier deprotoniert und so in ihre un-geladenen flüchtige Formen überführt. Nach ihrer gemeinsamen Diffusion über die Membran erfolgt die Reprotonierung in der Akzeptorlösung und die anschließende Separation und De-tektion mit dem Ionenchromatographen.


125

5.4.3 Eigene Untersuchungen Die im Folgenden beschriebenen Untersuchungen, teilen sich in zwei Abschnitte: (I) Vor-untersuchungen zur chromatographischen Trennung von Ammonium und einiger ausge-wählter Amine mit unterschiedlichen Kationentrennsäulen der Firma Metrohm, und (II) Un-tersuchungen zum Einfluss der experimentellen Bedingungen auf die Separation mittels Gas-diffusion im Fließsystem. (I) Voruntersuchungen zur chromatographischen Trennung Die Untersuchungen wurden mit zwei verschiedenen Kationentrennsäulen Metrosep C 2–250 und Metrosep Cation 1-2 durchgeführt. Für beide Säulen betrug das Injektionsvolumen 20 µl und die Fließgeschwindigkeit 1 ml min-1. Ziel war es, eine basislinienaufgelöste Trennung der Analyten mit einer maximalen Retentionszeit von 13 min für die am spätesten eluierende Komponente zu erreichen. Die Vorgabe der Retentionszeit sollte die maximale Probenvorbe-reitungszeit im Fließsystem nicht zu weit überschreiten, um eine möglichst hohe Analysen-frequenz zu gewährleisten. Neben Ammonium wurden Methylamin, Ethylamin, Dimethyl-amin und Trimethylamin als Testsubstanzen eingesetzt. Die Mischstammlösung bestand aus Ammoniumchlorid, Methylamin, Ethylamin, Dimethyl-amin und Trimethylamin mit jeweils einer Konzentration von 1 g L-1 [N] in 2 mmol L-1 HNO3. Die Arbeitsstandards wurden durch entsprechendes Verdünnen mit 2 mmol L-1 HNO3 hergestellt. Die Konzentrationsangaben beziehen sich immer auf Stickstoff. Versuche mit Metrosep Cation 1-2 Basierend auf Applikationsvorschriften der Firma Metrohm wurden zwei verschiedene Eluen-ten (10 mmol L-1 Weinsäure/ 10 % Aceton und 4 mmol L-1 Weinsäure/ 1 mmol L-1 Dipicolin-säure) getestet. Die erhaltenen Chromatogramme sind in Abbildung 5.24 bis 5.26 dargestellt. Abb. 5.24: Eluent: 10 mM Weinsäure/ 10 % Aceton Abb. 5.25: Weinsäure-Dipicolinsäure-

Eluent

0 1 2 3 4 5 6 7 min

5

10

15

20

25

30

35

40

45 uS/cm

Cond

amm

oniu

m

ethy

lam

in

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

10

20

30

40

50

60

70

80

uS/cm

Cond

amm

oniu

m

ethy

lam

in

min


126

Abb. 5.26: Weinsäure-Dipicolinsäure- Eluent Man erkennt, dass mit dem Weinsäure-Dipicolinsäure-Eluenten eine Trennung innerhalb von 8 min erreicht wird. Die Auflösung zwischen Ethyl- und Dimethylamin ist allerdings nicht be-friedigend. Für eine Bestimmung von Methylamin im Mischstandard ist die Trennung von Ammonium nicht ausreichend. Versuche mit Metrosep C 2–250 Wiederum ausgehend von der Applikationsvorschrift der Firma Metrohm erfolgten die Ver-suche mit einem Weinsäure-Dipicolinsäure-Eluenten. Die Chromatogramme, die mit unter-schiedlichen Weinsäurekonzentrationen erhalten wurden, sind in Abb. 5.27-5.29 zusammen-gefasst dargestellt. Eine gute Trennung von Ammonium und den ausgewählten Aminen konnte in allen Fällen erzielt werden. Allerdings sind die Retentionszeiten insbesondere für Trimethylamin auch bei hoher Weinsäurekonzentration noch sehr groß. Dennoch wurde diese Eluentenzusammensetzung (20 mM Weinsäure, 0,75 mM Dipicolinsäure) für alle weiteren Untersuchungen gewählt. Auf die Bestimmung von Trimethylamin wurde aber in der Regel verzichtet.

Abb. 5.27: 4 mM Weinsäure/0,75 mM Dipicolinsäure Abb. 5.28: 10 mM Weinsäure /0,75 mM Dipicolinsäure

Abb. 5.29: 20 mM Weinsäure/0,75 mM Dipicolinsäure

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

-614

-612

-610

-608

-606

-604

-602

uS/cm

Cond

Am

mon

ium

Eth

ylam

in

Dim

ethy

lam

in

Tri

met

hyla

min

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 min

5

10

15

20

25

30

35

40

uS/cm

Cond

Am

mon

ium

Eth

ylam

in

Dim

ethy

lam

in

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 min

-875

-870

-865

-860

-855

-850

-845

-840

-835

-830uS/cm

Cond

Am

mon

ium

Eth

ylam

in

Dim

ethy

lam

in

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 min

-1219 -1218 -1217 -1216 -1215 -1214 -1213 -1212 -1211

uS/cm

Cond

Am

mon

ium

Met

hyla

min

Eth

ylam

in

Dim

ethy

lam

in

Tri

met

hyla

min


127

(II) Untersuchungen zum Einfluss der experimentellen Bedingungen auf die Separation mittels Gasdiffusion im Fließsystem

Das verwendete Manifold ist in Abbildung 5.30 dargestellt. Alle hier beschriebenen Versuche erfolgten mit der Metrohmzelle (s.a. Kap. 5.1.3). Die Zusammensetzungen der Modifierlö-sung und Akzeptorlösung werden im Folgenden erläutert. Zusammensetzung der Donorlösung (Modifier) Der pH-Wert der Probe sollte nach Zumischen des Modifiers mindestens 11 betragen, um eine ausreichende Deprotonierung bzw. Verflüchtigung des Ammoniums zu erreichen. Bei Proben, die höhere Konzentrationen an Kationen enthalten, die bei diesem pH-Wert präzipi-tieren, muss der Donorlösung ein ausreichender Überschuss an EDTA zugesetzt werden. Als Modifier wurde eine 0,3 M Kaliumhydroxidlösung gewählt, da so ein partieller Flüssigkeits-durchbruch der Donorlösung sofort am Kaliumsignal im Chromatogramm erkennbar ist. Der resultierende pH-Wert in der Donorlösung war größer als 12, damit konnte eine erfolgreiche Deprotonierung aller Analyten sichergestellt werden [235]. Auf den Zusatz von EDTA konnte verzichtet werden, da bei den hier vorgestellten prinzipiellen Untersuchungen lediglich mit Standardlösungen gearbeitet wurde. Zusammensetzung der Akzeptorlösung Bei der Wahl der Akzeptorlösung muss berücksichtigt werden, dass sie einerseits als gute Senke für die Analyten fungiert, um den Gastransfer zu erhöhen. Andererseits ist eine Kom-patibilität mit der Ionenchromatographie notwendig, da es sonst zu einer Zerstörung der Säule bzw. zur Störung der Separation und Detektion der Analyten kommt. Die Verwendung von 2 mmol L-1 HNO3 hat sich in der vorliegenden Arbeit als geeignet erwiesen.

Abb. 5.30: Fließschema zur Simultanbestimmung von Ammonium und kurzkettigen Amine

Probe KOH HNO3


128

Einfluss der Akzeptorfließgeschwindigkeit In den vorliegenden Untersuchungen sollte festgestellt werden, ob mit dem in Abb. 5.30 dar-gestellten kontinuierlichem Fließsystem gekoppelt mit der Ionenchromatographie Ammonium und verschiedene Amine simultan und in einer sinnvollen Messzeit (ca. 13 min) bestimmt werden können. Wie zuvor bei den Versuchen zur Bestimmung von Sulfit und Nitrit, erfolg-ten auch hier Experimente zum Einfluss der Akzeptorfließgeschwindigkeit auf die Empfind-lichkeit der Methode. Dabei wurde zum Vergleich immer die direkte Messung der Mischstan-dards mit dem Ionenchromatographen herangezogen. Die Fließgeschwindigkeit wurde mit je-weils 0,5 ml min-1 für Probe- und Modifierlösung konstant gehalten, während die Akzeptor-fließgeschwindigkeit mit 0,4, 0,2 und 0,08 ml min - 1 variiert wurde. Als Membran fand die PP-Membran (Akzo Nobel Accurel) mit einer Porengröße von 0,1 µm Verwendung. Genutzt wurde die Metrosep C 2–250 Kationentrennsäule mit dem oben beschriebenen Eluenten. Die erhaltenen Daten sind in den Tabellen 5.23 bis 5.25 zusammengestellt, entsprechende Beispielchromatogramme befinden sich in Anhang 8.4. Tab. 5.23: Werte für die direkte Messung und für die Messung nach der in-line Gasdiffusion

des 10 mg L-1 Mischstandards Direkte Messung

In-line Gasdiffusion Acc.: 0,4 ml/min



Komponente Area [µS/cm s]

Area [µS/cm s]

Area [µS/cm s]

Area [µS/cm s]

Ammonium 86,4 23,2 44,2 101 Methylamin 28,8 6,78 13,1 35,6 Ethylamin 26,5 5,98 12,9 29,9 Dimethylamin 33,9 6,88 16,4 43,7


129

Tab. 5.24: Werte für die direkte Messung und für die Messung nach der in-line Gasdiffusion des 5 mg L-1 Mischstandards

Direkte Messung





Area [µS/cm s]

Area [µS/cm s]

Area [µS/cm s]

Ammonium 40,9 10,8 19,5 44,0 Methylamin 12,3 3,37 5,78 17,2 Ethylamin 12,6 2,82 5,77 13,1 Dimethylamin 16,7 3,34 7,05 19,3 Tab. 5.25: Werte für die direkte Messung und für die Messung nach der in-line Gasdiffusion

des 2 mg L-1 Mischstandards Direkte

Messung In-line Gasdiffusion Acc.: 0,4 ml/min




Area [µS/cm s]

Area [µS/cm s]

Area [µS/cm s]

Ammonium 17,4 4,42 9,99 22,8 Methylamin 6,52 1,42 3,09 7,33 Ethylamin 5,27 1,13 3,00 7,19 Dimethylamin 7,41 1,39 3,78 9,21 Die Auswertung der erhaltenen Daten für die Kalibration der einzelnen Komponenten im Konzentrationsbereich von 2 bis 10 mg L-1 ist in Abb. 5.31 komprimiert dargestellt. Man er-kennt, dass in allen Fällen lineare Kalibrationskurven erhalten wurden. Die Steigung der Kali-brationskurven nimmt erwartungsgemäß mit abnehmender Fließgeschwindigkeit der Akzep-torlösung zu. Interessant ist auch, dass die relativen Verdünnungsfaktoren bzw. Anreiche-rungsfaktoren für die unterschiedlichen Komponenten bei den Fließgeschwindigkeiten von 0,2 und 0,08 ml min – 1 in etwa gleich groß sind (s. a. Anhang 8.4, Tab. 8.37; 8.38). Dies be-deutet, dass die Gastransferraten der gewählten Analytkomponenten unter diesen Bedingun-gen ähnlich sind.


130

Ammonium-Komponente

0153045607590

105

0 2 4 6 8 10


Sign

al [

µS/c

m s

] direkt

Acc.0,4 ml/min

Acc.0,2 ml/min

Acc.0,08 ml/min

Methylamin-Komponente

0

10

20

30

40

0 5 10


Sign

al [

µS/c

m s

]

direkt

Acc.0,4 ml/min

Acc.0,2 ml/min

Acc. 0,08 ml/min

Ethylamin-Komponente

05

1015202530

0 5 10Konzentration [mg/L]

Sign

al [µ

S/c

m s

] direkt

Acc. 0,4 ml/min

Acc.0,2 ml/min

Acc.0,08 ml/min

Dimethylamin-Komponente

01020304050

0 2 4 6 8 10


Sign

al [

µS/s

cm

] 1

direkt

Acc. 0,4 ml/min

Acc. 0,2 ml/min

Acc. 0,08 ml/min

Abb. 5.31: Kalibrationskurven der einzelnen Komponenten für verschiedene Akzeptor

geschwindigkeiten Es ist auch ersichtlich, dass bei einer Akzeptorfließgeschwindigkeit von 0,08 ml min-1 die Konzentration in der Akzeptorlösung bereits größer ist als in der ursprünglichen Probelösung. Es fand unter den gegebenen Bedingungen also eine absolute Anreicherung der Komponenten statt. Zur Veranschaulichung sind in Abb. 5.32 die Mittelwerte der erhaltenen Daten aller Komponenten für den 10 mg L-1 Mischstandard gegen die reziproke Fließgeschwindigkeit aufgetragen. Als Bezugspunkt wurde die Signalfläche der einzelnen Komponenten bei direk-ter Messung herangezogen (s.a. Anhang 8.4, Tabelle 8.39).


131

0

20

40

60

80

100

120

140

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14reziproke Akzeptorgeschwindigkeit

[min/ ml]

Sign

algr

öße

[%]

Mittelwerte ausallenKomponentendes 10 mg/LMischstandardsdirekte Injektion

Abb. 5.32: Mittelwerte der Signalgrößen aller Komponenten des 10 mg l-1

Mischstandards gegen die reziproke Akzeptorgeschwindigkeit Der Faktor der Signalvergrößerung bei Verringerung der Akzeptorgeschwindigkeit von 0,4 auf 0,2 ml min-1 liegt bei ca. 2, bei weiterer Verringerung der Fließgeschwindigkeit wird das Signal erwartungsgemäß noch einmal um den Faktor von rund 2,5 vergrößert (Tab. 5.23 bis 5.25). Unter Berücksichtigung, dass in der vorliegenden Konfiguration die Probelösung durch die Zumischung der KOH-Lösung um den Faktor 2 verdünnt wurde, ergibt sich bei einer Ak-zeptorfließgeschwindigkeit von 0,08 ml min-1 ein mittlerer Anreicherungsfaktor von etwa 2,5. Der Anreicherungspunkt (Schnittpunkt der beiden Geraden in Abb. 5.32) ist bereits bei ca. 10 min ml-1 erreicht. Das bedeutet bei einer Verlangsamung der Fließgeschwindigkeit des Ak-zeptors unter 0,1 ml min-1 erfolgt unter den gegebenen Bedingungen bereits eine absolute An-reicherung der Analyten. Durch wiederholte Messungen der in-line Separation des 10 mg L-1 Mischstandards bei einer Akzeptorfließgeschwindigkeit von 0,2 ml min-1 wurde eine Präzision von 1-1,6 % RSD er-mittelt (s. Tab. 8.40, Anhang). Die Zeit, die für die Aufnahme eines Chromatogramms notwendig ist, beträgt ca. 12,5 min. In dieser Zeit kann die in-line Probenvorbereitung für die nächste Probe mit einer Akzeptorge-schwindigkeit 0,08 ml min-1 erfolgen. Mit der genutzten Konfiguration wäre es auch möglich, einen entsprechenden Stopped-Flow-Schritt zu integrieren und dadurch eine größere An-reicherung der Analytkomponenten in der Akzeptorphase bzw. eine bessere Nachweisgrenze zu erreichen. Einfluss der Membran auf den Gastransfer Da der Gastransfer von der Porosität und dem Membranmaterial abhängt, erfolgten die Mes-sungen mit drei verschiedenen Membranmaterialien und mit verschiedenen Porengrößen eines Membranmaterials. Eingesetzt wurden Polypropylenmembranen (Akzo Nobel, Porendurch-messer: 0,1 µm), Teflonmembranen (Goretex Porendurchmesser: 0,1 µm) und Polyvinyliden-fluoridmembranen (Millipore, Porendurchmesser: 0,22 µm und 0,45 µm). Die Unter-


132

suchungen erfolgten unter den oben beschriebenen Bedingungen im Fließsystem bei einer Ak-zeptorfließgeschwindigkeit von 0,2 ml min-1 mit 5 und 10 mg L-1 Mischstandards. Die für den Gastransfer mit verschiedenen Membranmaterialien erhaltenen Werte sind in Tabelle 5.26 zu-sammengestellt, wobei die direkten Messungen der Standards mit dem Ionenchromatographen wiederum zum Vergleich herangezogen wurden. Eine graphische Zusammenstellung der ex-perimentellen Ergebnisse ist in Abb. 5.33 zu sehen. Alle Messwerte befinden sich im Anhang 8.4. Die direkten Messungen erfolgten am Anfang und am Ende der gesamten Messreihe. Tab. 5.26: Gasdiffusionsraten in [%] für die verschiedenen Membranmaterialien

PP-Membran PTFE-Membran PVDF-Membran Komponente 5 mg L-1 10 mg L-1 5 mg L-1 10 mg L-1 5 mg L-1 10 mg L-1

Ammonium 69,06 64,97 72,76 68,62 65,23 65,11Methylamin 54,60 50,27 58,33 54,05 51,74 48,50Ethylamin 47,41 46,27 51,06 49,87 53,55 51,89Dimethylamin 60,74 56,06 64,54 59,76 63,42 58,08

0

10

20

30

40

50

5 6 7 8 9 10


Sign

al [µ

S/s

cm]

Ammonium PPAmmonium PTFEAmmonium PVDFMethylamin PPMethylamin PTFEMethylamin PVDFEthylamin PPEthylamin PTFEEthylamin PVDFDimethylamin PPDimethylamin PTFEDimethylamin PVDF

Abb. 5.33: Vergleich verschiedener Membranmaterialien

Aus Tabelle 5.26 und Abb. 5.33 ist ersichtlich, dass es zwischen den verschiedenen Mem-branmaterialien (PVDF, PP und PTFE) bei vergleichbaren Porengrößen keine wesentlichen Unterschiede hinsichtlich der Selektivität und Empfindlichkeit gibt, wobei sich die etwas hö-heren Gasdiffusionsraten für die PTFE-Membran gegenüber der PP-Membran aus der ge-ringeren Dicke ergaben. Die Dicke der PP-Membran war mit 92,5±17,5 µm und die Dicke der Teflonmembran mit 60 µm angegeben. Untersuchungen zu verschiedenen Porengrößen eines Membranmaterials erfolgten mit der PVDF-Membran mit Porengrößen von 0,22 und 0,45 µm. Die entsprechenden Ergebnisse sind in Tabelle 5.27 und Abb. 5.34 zusammengefasst.


133

Tab. 5.27: Gasdiffusionsraten in [%] für verschiedene Porengrößen Porengröße 0,22 µm Porengröße 0,45 µm Komponente 5 mg L-1 10 mg L-1 5 mg L-1 10 mg L-1

Ammonium 65,23 65,11 57,51 57,79 Methylamin 51,74 48,50 47,71 48,42 Ethylamin 53,55 51,89 52,31 51,15 Dimethylamin 63,42 58,08 53,44 51,88

0

10

20

30

40

50

60

70

80

5 6 7 8 9 10

Konzentration [mg/l]

Sign

al [µ

S/cm

s]

Ammonium 0,22µmAmmonium 0,45µmMethylamin 0,22µmMethylamin 0,45µmDimethylamin 0,22µmDimethylamin 0,45µmEthylamin 0,22 µm

Ethylamin 0,45 µm

Abb. 5.34: Vergleich unterschiedlicher Porengrößen

Wie aus Abb. 5.34 und Tabelle 5.27 zu entnehmen, besitzt die Membran mit der kleineren Po-rengröße die höhere Gastransferleistung für alle Analytkomponenten. Bedingt wird dies durch die höhere Porosität der Membran, die sich aus dem Quotienten der Porenfläche und der Ge-samtmembranfläche ergibt. Festzuhalten bleibt, dass sich keine gravierenden Unterschiede zwischen den untersuchten Membranen hinsichtlich Selektivität und Empfindlichkeit ergaben, die Gasdiffusionsraten la-gen bei 50 bis maximal 70 % unter den gegebenen Bedingungen im Fließsystem, so dass die Praktikabilität, bzw. die Haltbarkeit der Membranen ein entscheidendes Kriterium sein sollte. Bei allen durchgeführten Messungen gab es keinen Flüssigkeitsdurchbruch, jedoch sind die Polypropylen- und die Polyvinylidenfluoridmembran mechanisch deutlich robuster und lassen sich einfacher handhaben.


134

Linearer Arbeitsbereich Die Untersuchung erfolgte mit dem beschriebenen Manifold und einer PP-Membran bei einer Akzeptorgeschwindigkeit von 0,08 ml min-1. In Tabelle 5.28 und Abb. 5.35 sind die Ergeb-nisse dargestellt. Tab. 5.28: Werte für die Kalibrationsgeraden im Messbereich von 0,1 bis 10 mg L-1

Komponente 10 mg L-1

Signal [µS/cm s] 2 mg L-1

Signal [µS/cm s] 1 mg L-1

Signal [µS/cm s] 0,1 mg L-1

Signal [µS/cm s] Ammonium 100,00 22,50 11,50 1,23Methylamin 35,30 7,34 3,44 0,37Ethylamin 30,20 7,29 3,60 0,36Dimethylamin 42,80 9,20 4,40 0,44

0

20

40

60

80

100

120

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10


Sign

al [µ

S/ s

cm

]

Ammonium

Methylamin

Ethylamin

Dimethylamin

Abb. 5.35: Linearer Arbeitsbereich von 0,1 bis 10 mg L-1

Ammonium: 3912,18905,9 += xy , R²=0,9993

Methylamin: 0626,05267,3 += xy , R²=0,9999

Ethylamin: 6335,09703,2 += xy , R²=0,9984

Dimethylamin: 2512,0262,4 += xy , R²=0,9998

Im linearen Arbeitsbereich von 0,1 bis 10 mg L-1 konnten die vier Analytkomponenten erfasst werden. Die kleinste noch bestimmbare Konzentration lag unter den angegebenen Bedingungen bei 100 µg L-1.


135

5.4.4 Messung von Realproben Zur Bestimmung der Analyten in Realproben wurden Oberflächenwasserproben aus dem Landwehrkanal, der Spree an der Jannowitzbrücke und aus der Müggelspree in der Nähe des Spreetunnels entnommen. Bei den Wasserproben handelte es sich ausschließlich um Einzel-proben, die in einer Tiefe von ca. 0,5 m genommen und bis zur Analyse in PE-Flaschen im Kühlschrank gelagert wurden. Die Analyse erfolgte spätestens am Folgetag. Das in Abb. 5.30 dargestellte Manifold wurde unter den oben angegebenen Bedingungen zur Bestimmung mit einer PP-Membran genutzt. Um eine mögliche Präzipitation von in den Pro-ben vorhandenen Kationen zu verhindern, wurde der Kaliumhydroxidlösung eine 1 M EDTA-Lösung hinzugesetzt. Die Fließgeschwindigkeiten betrugen jeweils 0,5 ml min-1 für Probe- und Modifierlösung und die Akzeptorfließgeschwindigkeit 0,08 ml min – 1. Die dreifachen Messungen der Proben erfolgten ohne weitere Vorbehandlung mit dem Fließsystem. Vor und nach Messung aller Proben erfolgte die Aufnahme einer Kalibrationskurve mit Gasdiffusion. In Tabelle 5.29 sind die Ergebnisse zusammengestellt. Für die Amine waren in allen drei Proben keine von der Basislinie abweichenden Signale erkennbar. Die Messdaten für Ammo-nium befinden sich in Tabelle 8.45 (s. Anhang). Tab. 5.29: Ergebnisse für Ammonium im Oberflächenwasser Probenent- nahmestelle

1. Messung [mg L-1]

2. Messung [mg L-1]

3. Messung [mg L-1]

Mittelwert [mg L-1]

Standard-abweichung

Relative Standardab-weichung [%] RSD

Jannowitzbrücke Spree 0,18 0,175 0,17 0,175 0,004 2,33Landwehr- kanal 0,15 0,15 0,14 0,14 0,003 2,29Müggel- spree 0,21 0,22 0,20 0,21 0,008 3,88

Tab. 5.30: Daten für die Kalibration von Ammonium zur Bestimmung der Realproben Konzentration [mg/L]

1. Messung [µS cm-1 s-1]

2. Messung [µS cm-1 s-1]

Mittelwert [µS cm-1 s-1]

0,1 2,30 2,45 2,381 11,50 11,10 11,302 23,30 22,70 23,00

10 100,00 102,00 101,00


136

Die Kalibration mit Gasdiffusion für Ammonium ergab folgende Gleichung: 902,19288,9 += xy , mit R2= 0,9997 (siehe Anhang, Abb. 8.9).

Im Verlauf der Messungen konnte keine Beeinträchtigung durch Schwebstoffe aus der Probe auf der Membran festgestellt werden. Die Kontinuität der Gasdiffusion zeigt sich auch an der geringen Abweichung der Messwerte für die Kalibration von Ammonium, die vor und nach der Messung aller Proben erfolgte. Die ermittelten Konzentrationen für Ammonium lagen alle unter dem gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwert für Trinkwasser von 0,5 mg L-1. Das Potential der dargestellten Methode zur Bestimmung von Ammonium und kurzkettigen Aminen in flüssigen Proben ergibt sich aus dem einfachen Aufbau, dem geringen Proben- und Reagenzverbrauch und ihrer leichten Automatisierbarkeit. Eine zusätzliche Anreicherung könnte man durch einen Stopped-Flow-Schritt erzielen, wobei berücksichtigt werden muss, dass ein System mit permanent fließenden Lösungen zuverlässiger arbeitet und einen ein-facheren Aufbau besitzt [236, 237].

Kapitel 6 In-line Kopplung von Dialyse und Ionenchromatographie

137

6. In-line Kopplung von Dialyse und Ionenchromatographie In diesem Kapitel werden Untersuchungen mit der Mikrodialyse und der Dialyse zur Proben-vorbereitung für die Ionenchromatographie beschrieben. Die Theorie und Anwendungen dieser beiden Membranseparationsmethoden sind in Kapitel 3.2.3 ausführlich dargestellt. Mit einer in der Institutswerkstatt hergestellten Mikrodialyseeinheit wurden Experimente hin-sichtlich der beeinflussenden Parameter, wie Fließrate und Zusammensetzung der Akzeptorlö-sung durchgeführt. Des weiteren erfolgten Untersuchungen zur gegenseitigen chemischen Be-einflussung der zu dialysierenden Substanzen auf die Dialyserate, um letztendlich ein ge-eignetes System der Mikrodialyse zur Untersuchung von Realproben zu entwickeln und zu nutzen. Für die Dialyse im Fließsystem erfolgten theoretische Betrachtungen, um geeignete Fließge-schwindigkeiten von Donor- und Akzeptorlösung für möglichst optimale Dialyseraten in einer angemessenen Zeit zu finden. Das so entwickelte Fließsystem wurde dann zur Bestimmung der Analytionen in Realproben eingesetzt, um eine Vergleichsmöglichkeit zwischen den beiden Methoden Mikrodialyse und Dialyse zu schaffen.

6.1 Die Analytionen Die in den Realproben bestimmten Analytionen sind Phosphat, Sulfat, Nitrat und Chlorid im Oberflächenwasser; ihr Vorkommen und ihre Bedeutung soll im Folgenden kurz erläutert werden. Phosphat ist Bestandteil der Grundbausteine des Lebens (Nucleotide und Nuclein-säuren). Im Gewässer ist Phosphat u.a. ein Pflanzennährstoff. Eine zu hohe Konzentration kann unter bestimmten Bedingungen das Algenwachstum stark ansteigen lassen und in der Folge zu einem Sauerstoffmangel führen. Auf Grund der obligatorischen Eliminierung von Phosphat bei der Abwasserbehandlung und der Verwendung von phosphatfreien Wasch-mitteln, tritt die Phosphatbelastung durch die Landwirtschaft zunehmend in den Vordergrund. Der Phosphatgehalt im Trinkwasser spielt gegenüber dem Gehalt in Gewässern nur eine untergeordnete Rolle. So liegt der Grenzwert in der Trinkwasser-Aufbereitungsverordnung bei 6,7 mg L-1, da zuviel Phosphat den Wasserleitungen schadet. Die Phosphatkonzentration in Gewässern ist bei einer Gewässergüte I-II (sehr geringe Belastung) ≤ 0,04 mg L-1 Ortho-Phosphat-P und bei einer mäßigen Belastung ≤ 0,1 mg L-1 Ortho-Phosphat-P [306]. Die Gewässerklasse II mit 0,1 mg L-1 Ortho-Phosphat-P gilt als Richtwert. Erhöhte Konzentrationen von Sulfat können in Gewässern eutrophierungsfördernd (Eutro-phierung – unerwünschte Zunahme von Nährstoffen in Gewässern) sein. So kann Sulfat zur Mobilisierung von im Sediment festgelegten Phosphor führen [307]. Der Gewässereintrag kann durch stillgelegten und aktiven Bergbau, atmosphärisch (Verbrennung fossiler Brenn-stoffe), durch Kläranlagen und Landwirtschaft erfolgen. Eine erhöhte Sulfatkonzentration im


138

Trinkwasser (Grenzwert 240 mg L-1) kann in den Nieren zu einer zu hohen Salzfracht führen. Die Wasserzuläufe nach Berlin weisen Konzentrationen von 150 bis 180 mg L-1 auf [307]. Somit liegt Sulfat in den Berliner Gewässern in einer Konzentration von ≤ 200 mg L-1 vor, dies entspricht der Gewässergüteklasse II-III (deutliche Belastung). Eine Erhöhung der Konzentration von Chlorid in Gewässern kann durch häusliche und indus-trielle Abwässer und im Winter durch Streusalz erfolgen. Jahreszeitlich bedingte reduzierte Wasserzuflüsse können ebenfalls zu erhöhten Chloridkonzentrationen führen. In den Berliner Gewässern liegt die Chloridkonzentration bei ≤ 100 mg L-1, das entspricht einer mäßigen Be-lastung (Gewässergüteklasse II) [306, 307]. Bei Chloridkonzentration oberhalb von 200 mg L -1 können Probleme für die Trinkwasserversorgung auftreten [307]. Wie in Kapitel 5.2.1 erwähnt, stellt Nitrat die Endstufe des Abbauprozesses der Proteine durch Bakterien im Wasser dar. Ein zusätzlicher Gewässereintrag kann durch Dünger, indus-trielle Abwässer und durch Verbrennungsvorgänge erfolgen. Höhere Nitratwerte können in Gewässern zu verstärktem Algenwachstum und im Folgenden zu einem deutlichen Sauer-stoffschwund führen. Nitrat selbst ist für den Körper ungefährlich, doch wird Nitrat im Körper im Speichel und im Magen zu Nitrit umgewandelt. Die Folge hiervon kann eine Sauerstoffunterversorgung und die Bildung von kanzerogenen Nitrosaminen im Magen sein (vgl. Kap. 5.2.1). Der höchst-zulässige Nitratgehalt im Trinkwasser liegt laut Trinkwasserverordnung [284] bei 50 mg L-1. Die Zielvorgabe für Berliner Gewässer liegt bei Konzentrationen von ≤ 2,5 mg L-1 NO3-N (mäßige Belastung) [307]. Aus den Erläuterungen wird ersichtlich, dass eine Überwachung der Analytkonzentration im Oberflächenwasser notwendig ist. Die direkte Bestimmung mit der Ionenchromatographie ist auf Grund der störenden Matrix und zu hoher oder zu niedriger Analytkonzentrationen oft nicht möglich, so dass sich die Dialyse, bzw. Mikrodialyse zur in-line Probenvorbereitung für die Ionenchromatographie als sinnvolle Alternative zur aufwendigen konventionellen Proben-vorbereitung anbietet.

6.2 Mikrodialyse Wie in Kapitel 3.2.3.5 erläutert, ist die Mikrodialyse eine spezielle Anwendung der Dialyse, die sich durch kleine Dimensionen der Dialysezelle auszeichnet. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Hohlfasermembran genutzt. Sie besitzt eine große Austauschfläche gegenüber einem kleinen Akzeptorvolumen. Nach Gleichung 3.18 [217] gilt für die Extraktionsfraktion (EF) bzw. die relative Dialyserate:


139

p

d

CCEF = (Gl. 3.18)

Cd: Konzentration des detektierten Analyten nach der Mikrodialyse Cp: Konzentration des Analyten in der Probe Das kleine Akzeptorvolumen bewirkt eine geringe Verdünnung des Analyten in der Akzeptor-phase und die große Austauschfläche gewährleistet einen optimalen Übergang der dialysie-renden Substanzen, damit ist eine hohe Dialyserate gewährleistet. Ausführliche Beschreibungen von Theorie und Applikationen befinden sich in Kapitel 3.2.3.5. 6.2.1 Experimentelle Untersuchungen Das Fließschema für die in-line Mikrodialyse gekoppelt mit der Ionenchromatographie ist in Abb. 6.1 dargestellt. Die Dialyse erfolgte aus stagnierenden Probe- bzw. Standardlösungen mittels einer Hohlfasermembran. Der Aufbau der Mikrodialyseeinheit ist in Kap. 4, Abb. 4.5 zu sehen. Die von der Akzeptorlösung (Perfusionslösung) durchflossene Kapillarmembran bestand aus regenerierter Cellulose und besaß eine Länge von 30 mm und einen Innendurch-messer von 200 µm, daraus resultiert ein Volumen von ca. 0,94 µl.

Abb. 6.1: Aufbau der in-line Mikrodialyse Die Messungen erfolgten mit dem IC 790 und der Anionensäule Metrosep Anionen Dual 2. Der Eluent bestand aus 1,3 mmol L-1 Natriumcarbonat und 2 mmol L-1 Natriumhydrogencar-bonat, und die Fließgeschwindigkeit betrug 0,8 ml min-1. Um eine Absorption von Kohlendi-oxid im Carbonat-Eluenten aus der Luft zu vermeiden, wurde auf dem Eluentengefäß eine Gasfalle mit Natriumhydroxid-Granulat angeordnet.


140

Standardlösungen Die Anionenkonzentration der Mischstammlösung betrug 1 g L-1 (Cl-, NO3

-, PO43-, SO4

2-). Die Standards wurden durch entsprechende Verdünnung der Mischstammlösung hergestellt. In-line Untersuchungen mit reinem Wasser als Akzeptorlösung Erste Untersuchungen der in-line Mikrodialyse erfolgten mit reinem Wasser als Akzeptorlö-sung und auch die Analytionen waren in reinem Wasser gelöst. Zur Untersuchung der Dialy-serate in Abhängigkeit von der Konzentration wurden Standardlösungen von Chlorid, Nitrat, Phosphat und Sulfat dialysiert. Als Vergleichsgrößen zur Berechnung der Dialyseraten wurde die direkte Messung der Standards mit dem Ionenchromatographen herangezogen. Die Fließ-geschwindigkeit der Akzeptorlösung betrug 10 µl min-1. In Abb. 6.2 und 6.3 sind die Ergeb-nisse zusammengefasst (alle Daten siehe Anhang 8.5).

0102030405060708090

100

0 5 10 15 20 25


Sig

nal [

µS/c

m s

] ChloridNitratPhosphatSulfat

Abb. 6.2: Kalibrierkurven der Analytanionen

0

10

20

30

40

50

Dia

lyse

rate

[%]

2,5mg/L 5mg/L 10mg/L 15mg/L 20mg/L

ChloridNitratPhosphatSulfat

Abb. 6.3: Dialyseraten der Analytanionen bei verschiedenen Konzentrationen


141

Die Kurvenverläufe in Abb. 6.2 zeigen, dass unter den gegebenen Bedingungen für alle vier Anionen ein nichtlinearer Verlauf im Konzentrationsbereich von 2,5 bis 20 mg L-1 vorliegt. Wie in Kapitel 3 unter Dialyse erläutert, erhält man bei geringen Ionenkonzentrationen ohne Modifier kleinere Recoveries als für höhere Konzentrationen. Daraus folgt die Krümmung der Kalibrierkurven. Die Dialyseraten sind wie in Abb. 6.3 zu sehen, konzentrationsabhängig. Auffällig ist, dass die Dialyseraten von Chlorid je nach Konzentration mal größer oder kleiner sind als die von Nitrat. Bei mehrmaliger Wiederholung der Messungen wurde dieses Ergebnis bestätigt. Die Mittelwerte der Dialyseraten sind: 25,47 % Chlorid, 23,54 % Nitrat, 2,03 % Phosphat und 8,07 % Sulfat. Wählt man als Bezugsion zur Bestimmung der relativen Dialyseraten der Ionen untereinander Sulfat, ergeben sich die folgenden relativen Dialyseraten: Chlorid Nitrat Phosphat Sulfat 3,1 : 2,9 : 0,25 : 1 Chlorid und Nitrat besitzen unter diesen Bedingungen vergleichbare relative Dialyseraten. Sie passieren die Membran leichter als Sulfat und Phosphat. Das Phosphation weist eine ähnliche Größe auf wie das Sulfation, seine Dialyserate ist aber um ein Viertel kleiner. Phosphat ist dreifach negativ geladen. Da ein Anionentransfer aus Neutralisationsgründen immer auch mit einem Kationentransfer verbunden ist, erfolgt die Diffusion von Phosphat über die Membran langsamer (s.a. Kap. 3.2.3.2). Der Einfluss der Fließgeschwindigkeit des Akzeptors auf die Dialyserate wurde für 2 und für 10 µl min-1 mit einem 2,5 mg L-1 Mischstandard untersucht. Die Ergebnisse sind in Abb. 6.4 zusammengefasst.

0

10

20

30

40

50

60

70

Dia

lyse

rate

[%]

2 µL/min 10 µl/min

Flißgeschwindigkeit

ChloridNitratSulfatPhosphat

Abb. 6.4: Dialyserate in Abhängigkeit von der Fließgeschwindigkeit


142

Für alle vier Analyten ergeben sich erwartungsgemäß bei einer geringeren Fließgeschwindig-keit größere Dialyseraten, da durch die verlängerte Verweilzeit des Akzeptors in der Kapillare mehr Anionen in das Akzeptorvolumen dialysieren und sich so die Analytkonzentration in der Akzeptorphase erhöht. Unter den gegebenen Bedingungen bei 2 µl min-1 waren die Dialyse-raten für Chlorid und Nitrat größer als 60 %. Für Sulfat und Phosphat betrug die Dialyserate 35 bzw. 12,5 %. Für die relativen Dialyseraten ergibt sich für Sulfat als Bezugsion: Chlorid Nitrat Phosphat Sulfat 1,8 : 1,8 : 0,4 : 1 Chlorid und Nitrat besitzen zwar gleiche relative Dialyseraten, doch ihr Verhältnis gegenüber Sulfat hat sich von 3:1 (für 10 µl min-1) auf 2:1 (2 µl min-1) verringert. Geändert hat sich auch das Verhältnis von Phosphat zu Sulfat von 0,25:1 (10 µl min-1) auf 0,4:1 (2 µl min-1). Es zeigt sich, dass sich neben der Dialyserate (%) unter den gegebenen Bedingungen auch die Dialy-senratenverhältnisse mit der Fließgeschwindigkeit des Akzeptors ändern. Die gegenseitige chemische Beeinflussung der dialysierten Substanzen erklärt dieses Phänomen. Bei höheren Fließgeschwindigkeiten kommt es auf Grund des Donnan-Effekts zu einem schnellen Trans-fer der einfach geladenen Anionen zu Lasten der großen Anionen (Sulfat, Phosphat). Wäh-rend bei kleineren Fließgeschwindigkeiten, bzw. einer längeren Verweilzeit auf Grund des Konzentrationsgradienten auch verstärkt die großen Anionen dialysieren, was wiederum zum Rückgang des Massentransfers der kleinen Anionen führt.

In-line Untersuchungen mit dem Eluenten als Akzeptorlösung Zur Optimierung der Kompatibilität der Mikrodialyse mit dem IC-System wurde der Carbo-nateluent als Akzeptorlösung eingesetzt. In dieser Carbonatmatrix erfolgte auch die Herstel-lung der Standards, um die gleiche Carbonatkonzentration auf Donor- und Akzeptorseite zu erhalten und damit die Dialyse der Carbonationen zu vermeiden. Unter den veränderten Bedingungen wurde eine Untersuchung der Dialyseraten durchgeführt. Dazu erfolgte die Dialyse von Mischstandards (2,5, 5 und 10 mg L-1) mit einer Akzeptorge-schwindigkeit von 10 µl min-1. Die Ergebnisse sind in Abbildung 6.5 und 6.6 dargestellt.


143

05

1015202530354045

0 2 4 6 8 10 12


Sig

nal [

µS/c

m s

] ChloridNitratPhosphatSulfat

Abb. 6.5: Kalibrierkurven der Analytanionen

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Dia

lyse

rate

[%]

2,5mg/L 5mg/L 10mg/L

ChloridNitratPhosphatSulfat

Abb. 6.6: Dialyseraten der Analytanionen bei verschiedenen Konzentrationen

Die Kalibrierkurven in Abb. 6.5 sind linear. Auffällig jedoch ist, dass die Kalibrationskurve von Sulfat einen sehr kleinen Anstieg besitzt im Vergleich zu Chlorid bzw. Nitrat und zu den Untersuchungen mit Wasser als Akzeptorlösung. Die Dialyseraten (Abb. 6.6) lassen im Rah-men der Messgenauigkeit keine signifikante Konzentrationsabhängigkeit erkennen. Für die Mittelwerte der Dialyseraten ergaben sich: 31,69 % Chlorid, 36,26 % Nitrat, 2,9 % Phosphat und 4,07 % Sulfat. Für die relativen Dialyseraten ergibt sich für Sulfat als Bezugsion: Chlorid Nitrat Phosphat Sulfat 7,8 : 8,9 : 0,7 : 1 Für die Analyten Chlorid, Nitrat und Phosphat ergaben sich höhere Dialyseraten im Vergleich mit der Dialyse unter Nutzung von reinem Wasser als Akzeptor und auf der Donorseite. Die Dialyseraten sind zwar konzentrationsunabhängig, doch die hohen relativen Dialyseraten von Chlorid und Nitrat im Verhältnis zu Sulfat zeigen eine stark verminderte Dialyse von Sulfat


144

auf. Dies deutet auf eine gegenseitige chemische Beeinflussung der dialysierten Substanzen hin. Zur Minimierung der Matrixeinflüsse, insbesondere in Hinblick auf die Realprobenmes-sung, ist der Einsatz eines Modifiers unumgänglich. Die Messgenauigkeit für die Mikrodialyse war unter den gegebenen Bedingungen mit einer Relativen Standardabweichung von maximal 2,15 % (PO4

3-) für den 10 mg L-1 Mischstandard gut. Um einen Vergleich hinsichtlich der Matrixbeeinflussung zu schaffen, erfolgte unter den gleichen Bedingungen die Dialyse des Mischstandards und der Einzelstandards mit einer Konzentration von 0,1 mM. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6.1 zusammengefasst. Tab. 6.1: Vergleich der Dialyseraten für Mischstandard und Einzelstandards (0,1 mM)

Art des dialy-sierten Standards

Cl- [%]

NO3-

[%] PO4

3-

[%] SO4

2- [%]

Mischstandard 31,8 37,2 2,8 3,6Einzelstandards 26,1 31,2 3,2 6,1

Die Ergebnisse in Tab. 6.1 zeigen eine erhöhte Dialyserate des Mischstandards für Chlorid und Nitrat gegenüber den Einzelstandards. Beim gleichzeitigen Vorliegen von Chlorid-, Ni-trat, Phosphat- und Sulfationen, kann unter Berücksichtigung des Donnan-Effekts angenom-men werden, dass sich die Anwesenheit der Sulfat- und Phosphationen auf Grund ihrer grö-ßeren Molekülmasse und höheren Ladung auf die Dialyserate von Chlorid und Nitrat auswir-ken. 6.2.2 Vergleich konventioneller Probenvorbereitung mit der Mikrodialyse

anhand von Realproben Die vorangegangenen Untersuchungen zeigen, dass die Dialyserate stark von der Probenzu-sammensetzung abhängig ist. Besonders bei Realproben, mit ihrer in der Regel unbekannten Zusammensetzung und oft zahlreichen Probeninhaltsstoffen, spielt diese Abhängigkeit eine Rolle. Um eine sinnvolle Kalibrierung zur Bestimmung der Analyten zu gewährleisten, muss der Analyttransport bzw. die Dialyserate über die Membran sowohl in der Bezugs als auch in der Probelösung gleich, also matrixunabhängig sein. Daraus folgt die Notwendigkeit des Ein-satzes eines Modifiers. Wahl des Modifiers Auf Bedeutung und Funktionsweise des Modifiers wurde bereits in Kap. 3.2.3.2 ausführlich eingegangen. Der Modifier dient zur Kompensation von Matrixeinflüssen und sorgt so für lineare Kalibrierkurven. Er sollte chemisch inert, leicht zu entsorgen, preiswert sein und das


145

anschließende Detektionsverfahren nicht stören. In der Arbeitsgruppe von W. Frenzel erfolg-ten mehrere Untersuchungen zur Wahl eines geeigneten Modifier für die Dialyse gekoppelt mit der Ionenchromatographie [190-193]. Je nach verwendetem IC-System und Eluenten wurde Kaliumhydrogenphthalat, Natriumhydrogencarbonat oder der Eluent Natriumcarbonat/ Natriumhydrogencarbonat in 10fach höherer Konzentration eingesetzt. Das von Brandt [190] eingesetzte Kaliumhydrogenphthalat eignete sich als Modifier für ein IC-System ohne che-mische Suppression mit einem entsprechenden Kaliumhydrogenphthalat-Eluenten. Für die Io-nenchromatographie mit chemischer Suppression und Natriumcarbonat/ Natriumhydrogen-carbonat-Eluenten wirkte sich dieser Modifier störend auf das Chromatogramm aus [191-193]. Hagemeister [193] nutzte einen Natriumcarbonat/ Natriumhydrogencarbonat-Modifier in 10fach höherer Konzentration als den eingesetzten Eluenten und stellte Störungen für klei-nere Analytkonzentrationen im Chromatogramm in der Nähe des Chloridsignals [193] fest. Megelski [191] und Schombara [192] arbeiten mit einem Natriumhydrogencarbonat-Modifier mit einer Konzentration von 6,72 g L-1 ohne Störung der chromatographischen Detektion und mit einer guten Kompensation des störenden Matrixeinflusses. Der Grund dafür könnte in der unterschiedlichen Elutionsstärke von Natriumhydrogencarbonat (schwacher Eluent) und Na-triumcarbonat (starker Eluent) zu suchen sein [5], so dass eine erhöhte Konzentration an Natriumcarbonat wesentlich stärker die Elution und damit das Chromatogramm beeinflusst als Natriumhydrogencarbonat. In der vorliegenden Arbeit wurde Natriumhydrogencarbonat als Modifier verwendet. Es wurde mit einer Konzentration von 5,92 g L-1 Natriumhydrogen-carbonat (entspricht 70,52 mmol HCO3

-) gearbeitet. Diese Konzentration entspricht einem 25fachen molaren Überschuss an Anionen gegenüber einer typischen Analytkonzentration von 100 mg L-1 Chlorid. Prozedere Es erfolgten Messungen zur Bestimmung von Chlorid, Nitrat, Phosphat und Sulfat in zwei Gewässerproben (Oberflächenwasser) mittels Mikrodialyse. Zur konventionellen Probenvorbereitung wurden alle Proben über eine Membran (0,45 µm) filtriert, verdünnt und anschließend direkt mit dem Ionenchromatographen gemessen. Für die direkte Messung mit dem IC-System wurde eine Kalibrierkurve mit wässrigen Mischstan-dards aufgenommen. Die Kalibrierung des Mikrodialysesystems erfolgte mit wässrigen Mischstandards und Modi-fierzusatz. Hierzu wurde der Modifier in entsprechender Konzentration mit Standardlösung aufgefüllt. Zusätzlich wurde noch die Standardaddition durchgeführt. Beide Funktionen soll-ten im Rahmen der statistischen Schwankungen ähnliche Steigungen besitzen. Wenn dies der Fall ist, kann davon ausgegangen werden, dass die Probenmatrix die Dialyserate der Analyt-ionen nicht wesentlich beeinflusst. Bei der Probenvorbereitung durch die Mikrodialyse wurde nur in den Fällen zusätzlich verdünnt, in denen die Analytkonzentration außerhalb des Arbeitsbereiches lag.


146

Der Aufbau des Mikrodialysesystems ist in Abbildung 6.1 dargestellt. Als Akzeptor wurde der IC-Eluent mit einer Fließgeschwindigkeit von 10 µl min-1 genutzt. Ergebnisse In Abb. 6.7 bis 6.10 sind die Kalibrierkurven und Standardadditionen mit der jeweiligen Probe dargestellt. Bis auf geringe Abweichungen sind die Anstiege der Graphen für Kalibra-tion und Standardaddition mittels Mikrodialyse vergleichbar. Das heißt, unter den gegebenen Bedingungen für die vorliegenden Probenzusammensetzungen konnten die Matrixeinflüsse ausreichend minimiert werden.

0100200300400500600700800900

1000

0 20 40 60 80 100 120


Sign

al [µ

S/cm

s] Kalibtationskurve

Aufstockfunktion 1

Aufstockfunktion 2

Abb. 6.7: Parameter Chlorid: Kalibrierfunktion mit der Steigung 5,07;

Aufstockfunktion 1 mit der Steigung 5,00, Aufstockfunktion 2 mit der Steigung 5,01

050

100

150

200250

300

350400

0 50 100 150 200


Sign

al [µ

S/cm

s]

Kalibrationskurve

Aufstockfunktion 1

Aufstockfunktion 2

Linear(Aufstockfunktion 2)

Abb. 6.8: Parameter Sulfat: Kalibrierfunktion mit der Steigung 0,89;

Aufstockfunktion 1 mit der Steigung 0,90, Aufstockfunktion 2 mit der Steigung 0,90


147

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 5 10 15 20 25


Sign

al [µ

S/cm

s]

KalibrationskurveAufstockfunktion

Abb. 6.9: Parameter Phosphat: Kalibrierfunktion mit der Steigung 0,13;

Aufstockfunktion 1 mit der Steigung 0,13

0

10

20

30

40

50

60

0 5 10 15 20 25


Sign

al [µ

S/cm

s]

KalibrationskurveAufstockfunktion 1Aufstockfunktion 2

Abb. 6.10: Parameter Nitrat: Kalibrierfunktion mit der Steigung 1,92;

Aufstockfunktion 1 mit der Steigung 1,91 Aufstockfunktion 2 mit der Steigung 1,92

Ein Vergleich der Methoden (Tab. 6.2) ergibt, dass die Ergebnisse von konventioneller Pro-benvorbereitung und Mikrodialyse gut übereinstimmen. Damit ist die Mikrodialyse gegenüber der konventionellen Probenvorbereitung mit Verdünnen und Filtrieren als gleichwertige Alternative anzusehen. Berücksichtigt man noch die Automatisierbarkeit der Mikrodialyse, ergeben sich Vorteile hinsichtlich Kosten- und Zeitaufwand.


148

Tab. 6.2: Ergebnisse der Realprobenmessung mittels Mikrodialyse im Vergleich zur

konventionellen Probenvorbereitung Realprobe c (Cl-)

[mg L-1] c (NO3

-) [mg L-1]

c (PO43-)

[mg L-1] c (SO4

2-) [mg L-1]

Konv. Proben-vorbereitung 61,3 4,5 0,1 151,5

Oberflächen-wasser I

Mikrodialyse 62,1 4,2

0,1 150,2

Konv. Proben-vorbereitung 60,5 7,2 -- 170,5

Oberflächen-wasser II

Mikrodialyse 58,4 6,2

-- 172,7

6.3 Dialyse Das Prinzip der Dialyse, die Parameterbeeinflussungen im Fließsystem und entsprechende Applikationen sind in Kap. 3.2.3 ausführlich dargestellt. Eine Reihe von Untersuchungen zur Dialyse im Fließsystem wurden im Arbeitskreis W. Frenzel durchgeführt [190-193]. So wurde die Abhängigkeit der Dialyserate von Membran-material, -dicke und Porengröße, bzw. Porengrößenverteilung für unterschiedlichste Membra-nen getestet. Brandt [190] untersuchte u.a. verschiedene Dialysatorgeometrien und fand die Beeinflussung dieser auf die zur Verfügung stehende Membranaustauschfläche und damit auf die Dialyserate bestätigt. Schombara [192] führte Experimente zur Abhängigkeit der Dialyse-raten von der Zellgeometrie bei verschiedenen Fließraten durch. Bei weiteren Untersuchungen zur Abhängigkeit der Fließgeschwindigkeiten von Donor- und Akzeptorlösung dokumentierte sie: bei gleichgroßen Fließraten von Akzeptor und Donor mit abnehmender Fließgeschwin-digkeit eine zunehmende Dialyserate, bei gleichbleibender Akzeptorgeschwindigkeit und zunehmender Donorfließgeschwindigkeit einen geringfügigen Anstieg der Dialyserate, bei gleichbleibender Donorfließgeschwindigkeit und mit zunehmender Akzeptorgeschwindigkeit ebenfalls einen geringfügigen Anstieg der Dialyserate. Die letzten beiden Ergebnisse beruhen auf der Erhaltung des Konzentrationsgradienten über der Membran, wobei die Erhöhung der Akzeptorgeschwindigkeit immer mit der Verdünnung des Analyten in der Akzeptorphase ein-hergeht. Da in der vorliegenden Arbeit die Dialyse im Fließsystem lediglich zu Vergleichszwecken mit der entwickelten Mikrodialysemethode dient, wurde auf Parameteruntersuchungen verzichtet.


149

Stattdessen konnte anhand der vorliegenden Untersuchungen aus dem Arbeitskreis ein opti-miertes Fließsystem zur Realprobenbestimmung genutzt werden. 6.3.1 Einsatz der Dialyse im Fließsystem zur Bestimmung von Realproben Der genutzte Aufbau ist in Abb. 6.11 in einem Fließschema dargestellt. Als Modifier wurde wie für die Mikrodialyse Natriumhydrogencarbonat in einer Konzentration von 5,92 g L-1 ein-gesetzt. Die Zusammensetzung der Akzeptorlösung bestand aus dem Eluenten (1,3 mmol L-1 Natriumcarbonat und 2 mmol L-1 Natriumhydrogencarbonat). Die Anionenkonzentration der Mischstammlösung betrug 1 g L-1 für Chlorid, Nitrat, Phosphat und Sulfat. Als Dialysator kam eine Zelle mit 7 cm Kanallänge, 3 mm Kanalbreite und einer Kanaltiefe von 0,2 mm, das entspricht einer Austauschfläche von 2,1 cm², zum Einsatz. Die verwendete Membran war eine Cuprophan®-Flachmembran (regenerierte Cellulose) von Akzo Nobel mit einer Dicke von 6,5 µm. Vor Beginn der Dialyse wurde die Membran einige Minuten mit Wasser gespült.

Abb. 6.11: Fließschema für die Dialyse im Fließsystem

Wahl der Fließgeschwindigkeiten Die Wahl der Fließraten ist abhängig vom verfügbaren Probevolumen, der erforderlichen Em-pfindlichkeit und dem Zeitaufwand. Durch eine Änderung der Fließratenverhältnisse von Donor und Akzeptor wird der Konzentrationsgradient über der Membran und die Verweilzeit beeinflusst. Mit möglichst großen Donorfließraten und kleinen Akzeptorfließraten kann eine hohe Dialyserate erreicht werden. Nachteile sind jedoch ein hoher Probenverbrauch und län-gere Analysenzeiten. Als Kompromiss zwischen hoher Dialyserate, Zeitaufwand und Pro-benverbrauch wurde das Fliessratenverhältnis von 2:1 für Donor- und Akzeptorstrom mit jeweils 0,6 ml min-1 für jeden Kanal gewählt.


150

Prozedere Es erfolgten Messungen zur Bestimmung von Chlorid, Nitrat, Phosphat und Sulfat in zwei Gewässerproben (Oberflächenwasser) mittels Dialyse. Mit der Dialyse wurden andere Was-serproben als mit der Mikrodialyse bestimmt. Eine Vergleichbarkeit beider Methoden ist aber auf Grund der jeweils erfolgten direkten Messung nach der konventionellen Probenvorberei-tung mit dem IC-System gegeben. Als konventionelle Probenvorbereitung erfolgte eine Filtration (Membran 0,45 µm) und eine Verdünnung aller Proben mit anschließender direkter ionenchromatographischer Detektion. Die entsprechende Kalibrierung wässriger Standards wurde ohne Dialyse mit dem IC-System durchgeführt. Für die quantitative Bestimmung der Realproben über die Dialyse wurden ebenfalls Kalibrier-funktionen mit wässrigen Standards aufgenommen. Des weiteren erfolgte noch die Standard-addition für die Analyten über die Dialyse. Wenn die Probenmatrix die Dialyserate der Ana-lytionen nicht wesentlich beeinflusst, sollten Kalibrierfunktion und Aufstockkalibrierfunktion im Rahmen der Messgenauigkeit ähnliche Steigungen besitzen. Ergebnisse In Abb. 6.12 bis 6.15 sind die Kalibrierkurven und Standardadditionen für die Dialyse mit den jeweiligen Proben dargestellt.

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150


Sgna

l [µS

/ cm

s]


Abb. 6.12: Parameter Chlorid: Kalibrierfunktion mit der Steigung 1,40;

Aufstockfunktion 1 mit der Steigung 1,40; Aufstockfunktion 2 mit der Steigung 1,40


151

0

20

40

60

80

100

120

140

0 50 100 150 200 250


Sign

al [µ

S/cm

s]

KalbrationskurveAufstockfunktion 1Aufstockfunktion 2

Abb. 6.13: Parameter Sulfat: Kalibrierfunktion mit der Steigung 0,34;


0

2

4

6

8

10

12

14

0 5 10 15 20 25

Konzentratiion [mg/L]

Sign

al [µ

S/cm

s]


Abb. 6.14: Parameter Nitrat: Kalibrierfunktion mit der Steigung 0,45;


0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,0

0 5 10 15 20 25


Sign

al [µ

S/cm

s]

Kalibrationskurve

Abb. 6.15: Parameter Phosphat: Kalibrierfunktion mit der Steigung 0,05


152

Auch hier sind wie bei der Mikrodialyse bis auf geringe Abweichungen die Anstiege der Graphen für Kalibration und Aufstockfunktion mittels Dialyse vergleichbar. Unter den gege-benen Bedingungen konnten für die vorliegenden Probenzusammensetzungen die Matrixein-flüsse ausreichend minimiert werden. Phosphat konnte in beiden Proben nicht nachgewiesen werden.

Tab. 6.3: Ergebnisse der Realprobenmessung mittels Dialyse im Vergleich zur konventionellen Probenvorbereitung

Realprobe c (Cl-) [mg L-1]

c (NO3-)

[mg L-1] c (SO4

2-) [mg L-1]

Konv. Proben-vorbereitung 57,3 5,5 168,2

Oberflächen-wasser I

Dialyse 56,8 5,9

166,1

Konv. Proben-vorbereitung 60,1 6,8 175,5

Oberflächen-wasser II

Dialyse 58,2 6,2

179,2

Aus den zusammengefassten Daten in Tab. 6.3 ist zu erkennen, dass die Ergebnisse von Dialyse und konventioneller Probenvorbereitung vergleichbar sind. So lässt sich ebenso wie bei der Mikrodialyse feststellen, dass die Dialyse im Fließsystem gegenüber der konventio-nellen Probenvorbereitung eine sinnvolle Alternative darstellt.


153

6.4 Vergleichende Betrachtungen von Mikrodialyse und Dialyse Die Bestimmungen der Analytionen ergab mit beiden Methoden im Vergleich zur konventio-nellen Probenvorbereitung gut vergleichbare Werte. Während der Realprobenmessungen konnten für die Dialyse und die Mikrodialyse keine Störungen durch Adsorption von Proben-bestandteilen auf der Membran festgestellt werden. Betrachtet man die Dialyseraten der Analytionen für die Dialyse unter den gegebenen Ver-suchsbedingungen ergeben sich: Chlorid Nitrat Phosphat Sulfat 10 % : 6,8 % : 1,2 % : 4 % Für die Mikrodialyse ergeben sich unter den gewählten Bedingungen die folgenden Dialyse-raten: Chlorid Nitrat Phosphat Sulfat 38 % : 28,5 % : 3,6 % : 10,5 % Es lässt sich erkennen, dass die Mikrodialyse die höheren Dialyseraten besitzt. Für den in dieser Arbeit genutzten Aufbau von Mikrodialyse und Dialyse unter den gegebenen Versuchs-bedingungen besitzt die Mikrodialyse damit die höhere Empfindlichkeit. Was sich auch mit der bereits erwähnten Tatsache einer großen Membranaustauschfläche gegenüber einem kleinen Akzeptorvolumen für die Mikrodialyse begründen lässt. Beide Methoden können automatisiert werden. Für die Dialyse gibt es bereits entsprechende kommerziell erhältliche Systeme (Kap. 3.2.3). Die kommerziell erhältlichen Mikrodia-lysesonden werden hauptsächlich in der Medizin eingesetzt und sind wie in Kap. 3.2.3.5 dargelegt empfindlich, teuer und besitzen nicht die Möglichkeit durch Veränderung am Auf-bau eine Optimierung der Dialyse durchzuführen. Die in Kap. 3.2.3.5 angeführten Appli-kationen und die in dieser Arbeit geführten Untersuchungen belegen das Potenzial dieser Me-thode, besonders für sehr kleine Probevolumen die mit großer Empfindlichkeit detektiert werden können. Für die in der vorliegenden Arbeit durchgeführten Untersuchungen von Oberflächenwasser erwiesen sich beide Methoden als geeignet. Beide Systeme konnten ohne Störungen genutzt werden und zeichnen sich durch einen einfachen Aufbau und eine leichte Handhabbarkeit aus.

7 Zusammenfassung und Ausblick

154

7. Zusammenfassung und Ausblick Die vorliegende Arbeit ist ein Beitrag zur Entwicklung, Optimierung und Anwendung mem-brangestützter in-line Probenvorbereitungstechniken für die Ionenchromatographie. Die Io-nenchromatographie findet heute eine breite Anwendung bei der analytischen Bestimmung von verschiedensten ionischen Verbindungen. Die theoretischen Grundlagen und das Prinzip der Ionenchromatographie wurden einleitend erläutert. Um die Notwendigkeit, vorhandene Probleme und Trends in der Probenvorbereitung für die Chromatographie darzulegen, erfolgte eine zusammenfassende Betrachtung vorhandener Studien [14-19] zur Befragung von reprä-sentativen Anwendergruppen der Chromatographie. Diese ergab u.a., dass neben dem hohen Zeitfaktor für die Probenvorbereitung (über 60 % der Analysenzeit), die Probenanzahl pro Gerät zunehmen, Probenvolumen und Ausgangskonzentration in den Proben abnehmen, die Probenzusammensetzungen immer komplexer werden (Zunahme biologischer Proben), zwei oder mehr (bis zu 7) Probenvorbereitungstechniken pro Probe genutzt werden und dass die Probenvorbereitung eindeutig an erster Stelle der Fehlerquellen im Analysenprozess mit der Chromatographie steht. Jedoch nur ein kleiner Anteil von Anwendern nutzt automatisierte Techniken zur Probenvorbereitung, wie Autosampler, die eine beschränkte Probenvorbe-reitungsfähigkeit besitzen und oft nur eine direkte Injektion der Probe in den Chromatogra-phen ermöglichen. Ein Anwachsen wurde bei der Verwendung automatisierter Flüssigbe-arbeitungs-Systeme verzeichnet und die Membranseparationstechnik, u.a. die Dialyse zur An-reicherung von Flüssigproben, sehen viele der befragten Anwender der Studien als zukünftig mehr zu nutzende Probenvorbereitungsmethode . Die Membran bildet das Kernstück der Separationseinheit. Ihre Eigenschaften beeinflussen den Trennungsprozess der Analyten von der störenden Matrix entscheidend und durch ihre Vielfalt lassen sich sehr verschiedene Separationsmechanismen für die Probenvorbereitung realisieren, so dass das Wissen um ihre Eigenschaften und ihre Kategorisierung zum Ver-ständnis für den Separationsprozess wichtig ist. In der vorliegenden Arbeit erfolgte eine theo-retische Unterteilung in poröse und nichtporöse Membranen, da diese zwei Membranstruk-turen mit zwei unterschiedlichen Membranseparationsmodellen, Größenausschluss- (konvek-tiver Transport) und dem Lösungs-Diffusions-Modell (diffuser Transport) verbunden sind. Die idealisierten Membranseparationsmodelle wurden beschrieben und die Membran-trennungsverfahren diesen zugeordnet. Wichtige Membranseparationsmethoden im Fließsystem, ihr Prinzip und entsprechende Applikationen sind in dieser Arbeit beschrieben. Besonderes Augenmerk lag dabei auf der in der vorliegenden Arbeit genutzten Gasdiffusion und der Dialyse. Mit Ausnahme der Dialyse sind nur wenige Arbeiten zur in-line Kopplung der Membranseparation mit der Ionen-chromatographie publiziert. Ziel der experimentellen Untersuchungen mit der Gasdiffusion (GD) war es zum einen, die den Separationsprozess beeinflussenden Parameter im Fließsystem an Hand von wichtigen


155

Analyten zu untersuchen. Zum anderen sollten Methoden zur in-line Probenvorbereitung für die Ionenchromatographie (IC) entwickelt und zur Bestimmung der Analyten in Realproben eingesetzt werden. Sulfit ist u.a. ein wichtiges Konservierungsmittel in der Lebensmittelindustrie und seine direkte ionenchromatographische Bestimmung wird durch seine Instabilität behindert. So er-folgt eine partielle Oxidation von Sulfit zu Sulfat auch in der Säule während der chromato-graphischen Trennung. Die Separation des Sulfits aus der Probenmatrix mittels Gasdiffusion erfolgt prinzipiell nach Konversion zu Schwefeldioxid durch Ansäuern der Probe. Das über die Membran diffundierende Gas wird in der Akzeptorlösung wieder als Sulfit aufgenommen und mit Wasserstoffperoxid zu Sulfat oxidiert. Bei der angewendeten GD-IC-Kopplung durchspülte die Akzeptorlösung kontinuierlich das Injektionsventil, und die Bestimmung des Sulfats erfolgte nach chromatographischer Separation mittels Leitfähigkeitsdetektion. Um eine sinnvolle Adaption der Probenvorbereitung in ein Fließsystem zu gewährleisten, wurden Experimente zur Oxidation von Sulfit zu Sulfat im Batch-Verfahren durchgeführt. Die Wahl des Modifiers zum Ansäuern der Probe fiel auf Salzsäure, da ein unbeabsichtigter Flüssig-keitstransfer durch die gaspermeable Membran durch das Erscheinen des Chloridsignals im Chromatogramm zu erkennen ist. Der Einsatz von Wasserstoffperoxid als Akzeptorlösung erwies sich als ungeeignet, da davon auszugehen ist, dass sich infolge des relativ hohen Par-tialdruckes Spuren von Wasserstoffperoxid über die hydrophobe Membran verbreiten und es so zu einer Teiloxidation der Sulfite im Donorkanal kommt. Als Akzeptorlösung fand reines Wasser Verwendung und in einer nachgeschalteten Reaktionsschleife erfolgte die Oxidation des Sulfits mit Wasserstoffperoxid. Der Einfluss von Membranbeschaffenheit, Konfiguration der Gasdiffusionszelle und Fließratenverhältnisse wurde untersucht. So ergab ein Vergleich einer Teflonmembran mit einer Polypropylenmembran eine höhere Gasdiffusionsrate für die Teflonmembran. Und bei entsprechend geringen Fließgeschwindigkeiten für Wasser (als Akzeptorlösung) und Wasserstoffperoxid konnte eine Anreicherung erreicht werden. Jedoch sind Stabilität und Effizienz für ein kontinuierlich operierendes Fließsystem wichtige Fak-toren. So ist die untersuchte Polypropylenmembran mechanisch deutlich stabiler und gewähr-leistet ein störungsfreies Arbeiten. Gegen die notwendigen Bedingungen, unter denen eine Anreicherung erzielt werden kann, sprechen die lange Verweilzeit der Probelösung im Fließ-system, die länger ist als die Retentionszeit des Analyten. Das bewirkt eine Verminderung der Analysenfrequenz. Dagegen spricht auch die sich erhöhende Druckdifferenz entlang der Membran mit zunehmender Differenz der Fließgeschwindigkeiten von Donor- und Akzeptor-flüssigkeit, da damit ein Flüssigkeitsdurchtritt immer wahrscheinlicher wird. Zum Einsatz des Systems bei der Bestimmung von freiem Sulfit im Wein fand die untersuchte Polypropylen-membran ihren Einsatz und für die Fließraten wurde ein sinnvoller Kompromiss zwischen notwendiger Empfindlichkeit und ausreichender Analysenfrequenz gewählt.


156

Die Analyse von Wein zeigt das vorhandene Potential der Methode, auch wenn durch das gleichzeitige Vorliegen von gebundenem und freiem Schwefeldioxid die Interpretation der erhaltenen Werte kompliziert ist. Die Matrixbestandteile im Wein haben keinen Einfluss auf die Trennleistung und Lebensdauer der Trennsäule und durch wiederholte Bestimmungen wurde eine Präzision von 3-5 % RSD ermittelt. Es entfällt das manuelle Verdünnen von Pro-ben mit entsprechend hohen Konzentrationen und auch eine Anreicherung lässt sich erzielen. Proben- und Reagenzverbrauch sind bei dieser Methode gering, ebenso wie der Arbeits-aufwand verglichen mit konventionellen Methoden [273-275]. Die Nutzung des IC als der Gasdiffusion nach geschaltetes Bestimmungsverfahren bietet prinzipiell weitere Vorteile, da andere flüchtige Verbindungen, wie z.B. Sulfid als H2S, Cyanid als HCN oder auch Carbonat (als CO2), chromatographisch separiert und somit simultan detektiert werden könnten. Nitrit ist ein wichtiger und oft zu bestimmender Parameter, z.B. in der Umwelt- und Lebens-mittelanalytik. Die komplexe Probenmatrix erfordert häufig eine aufwendige manuelle Pro-benvorbereitung. Die Gasdiffusion im Fließsystem als leicht zu automatisierende Methode bietet sich hier als Alternative an. Dabei wird das Nitrit durch Ansäuern aus der Probe separiert. Das gebildete Stickstoffdioxid diffundiert über die Membran in die Akzeptorlösung (Wasser) und wird mit Wasserstoffperoxid zu Nitrat oxidiert. Die Voruntersuchungen zur Oxidation von Nitrit mit Wasserstoffperoxid im Batch-Verfahren ergaben trotz Variation der Konzentration des Wasserstoffperoxids und Reaktionszeit immer zwei Signale für Nitrit und Nitrat. In Hinblick auf die in-line Probenvorbereitung gekoppelt mit der Ionenchromato-graphie erschienen höhere Wasserstoffperoxidkonzentration oder auch längere Reaktions-zeiten für eine möglichst vollständige Oxidation von Nitrit wenig sinnvoll, da hohe Wasser-stoffperoxidkonzentrationen die Trennung stark beeinflussen und zu einer Zerstörung der Trennsäule führen und längere Reaktionszeiten die Analysenfrequenz erheblich herabsetzen. Für die in-line Probenvorbereitung wurde der Aufbau des Fließsystems, sowie die chemischen Zusammensetzungen von Donor- und Akzeptorphase auf Grund der beabsichtigten Simultan-bestimmung von Sulfit und Nitrit beibehalten. Die in-line Separation und Oxidation ergab bei konstanten experimentellen Bedingungen gut reproduzierbare Signale für Nitrit und Nitrat. Durch eine Absenkung der Akzeptorge-schwindigkeit um den Faktor 2,5 konnte der Verdünnungsfaktor gegenüber der direkten Mes-sung mit dem IC von 5,3 auf 2,1 verringert werden. Eine Konzentrationsabhängigkeit für den prozentualen Anteil von Nitrit bzw. Nitrat am Gesamtsignal ist nicht fest zustellen. Im Kon-zentrationsbereich von 5 bis 50 mg L-1 ist für die vorgestellte Methode ein linearer Arbeits-bereich gegeben. Zur Auswertung können sowohl die Signale für Nitrit und Nitrat, als auch die Summe der Signale herangezogen werden. Im Zusammenhang mit der Nitritbestimmung erfolgten auch Untersuchungen ohne Oxidation mit Wasserstoffperoxid, aber unter ansonsten gleichbleibenden Bedingungen. Es sollte u.a. untersucht werden, ob auch unter diesen Bedingungen eine reproduzierbare Bestimmung von Nitrit möglich ist. Unter den gewählten experimentellen Bedingungen waren nur Signale für


157

Nitrit erfassbar. Dies könnte damit begründet werden, dass sich bei geringen Konzentrationen von NO2 in Wasser das Verhältnis von Nitrit und Nitrat zugunsten der Bildung von Nitrit-ionen verschiebt [295] und gebildete Nitrationen in einer, unter den gewählten Bedingungen, nicht mehr messbaren Konzentration vorliegen. Die Werte waren gut reproduzierbar und es ist eine lineare Abhängigkeit zwischen Nitritkonzentration und Messsignal im Bereich von 0,1 bis 10 mg L-1 gegeben. Die Versuche zur Simultanbestimmung von Sulfit und Nitrit erfolgten mit dem gleichen Aufbau des Fließschemas, wie zur Einzelkomponentenbestimmung von Sulfit und Nitrit, da die erzielten Ergebnisse die Möglichkeit einer erfolgreichen Simultanbestimmung nahe legten. Die Ergebnisse der in-line Gasdiffusion waren allerdings nur schwer zu interpretieren. Es ergaben sich kleine Werte für Sulfat und Nitrat, sowohl im Vergleich mit der direkten Messung der Mischstandards, als auch im Vergleich mit der in-line Gasdiffusion der Einzelstandards. Nitrit war in keinem Mischstandard mehr erfassbar. Betrachtet man den Prozess der gleichzeitigen Bildung von SO2 und NO2 durch das Ansäuern im Donorkanal der Gasdiffusionszelle, so kann vermutet werden, dass es zu einer Umsetzung dieser Gase im gelösten Zustand in der Donorflüssigkeit kommt. Dabei könnte SO2 durch NO2 zu Sulfat oxidiert und das NO2 zu NO reduziert werden. Dadurch würde nur wenig SO2 und NO2 über die Membran in die Akzeptorlösung gelangen und dort durch Wasserstoffperoxid oxidiert werden. Eine Simultanbestimmung von Nitrit und Sulfit mittels Gasdiffusion war unter diesen Bedingungen nicht möglich und es sind weitergehende grundlegende Untersuchungen er-forderlich. In den zahlreichen Veröffentlichungen [245, 246, 249, 297] zu dieser Thematik ist die Störung durch Nitrit bei der Sulfitbestimmung nicht erwähnt. Es ist zu vermuten, dass diese Störung bisher auch noch nicht untersucht worden ist, da bei konkreten Fragestellungen aus dem Bereich der Umwelt- und Lebensmittelanalytik diese Substanzen nicht, oder zumindest nicht in vergleichbar großen Konzentrationen gleichzeitig zugegen sind. Ammonium kann in Abhängigkeit von pH-Wert und Temperatur teilweise in Ammoniak umgesetzt werden und so zu einem Fischsterben in Gewässern führen. Kurzkettige Amine sind wichtige Zwischenprodukte in der chemischen und pharmazeutischen Industrie. Sie können durch den natürlichen Abbauprozess stickstoffhaltiger Verbindungen, aber auch durch eine Vielzahl von industriellen Anwendungen in die Umwelt gelangen. Die Bestimmung von Ammonium und kurzkettigen Aminen in flüssigen Proben, wie Abwasser und Oberflächen-wasser, erweist sich als notwendig. Generell wurden Ammonium und die kurzkettigen Amine in den Proben im Fließsystem mittels Modifiers (KOH) deprotoniert und so in ihre unge-ladene flüchtige Form überführt. Nach ihrer Diffusion über die gaspermeable Membran erfol-gte die Reprotonierung in der Akzeptorlösung (HNO3) und die anschließende Separation und Detektion mit der IC. Es erfolgten Voruntersuchungen zur chromatographischen Trennung mit unterschiedlichen Kationensäulen und Eluenten, um eine saubere Trennung der Analyten mit einer maximalen Retentionszeit von 13 min für die am spätesten eluierende Komponente


158

zu erreichen. Mit der Kationensäule Metrosep C 2–250 und der entsprechenden Eluenten-zusammensetzung von Weinsäure und Dipicolinsäure konnte für die Analyten (Ammonium, Methylamin, Ethylamin und Dimethylamin) in der vorgegebenen Zeit eine gute Trennung erzielt werden. Mit dem entworfenen kontinuierlich arbeitenden Fließsystem gekoppelt mit der IC konnten Ammonium und die Amine in einer sinnvollen Messzeit detektiert werden. Wie zuvor bei den Versuchen zur Bestimmung von Sulfit und Nitrit, erfolgten auch hier Experimente zum Einfluss der Akzeptorfließgeschwindigkeit auf die Empfindlichkeit der Methode. In allen Fällen waren die Kalibrationskurven linear und die Steigung der Kalibra-tionskurven nahm erwartungsgemäß mit abnehmender Fließgeschwindigkeit der Ak-zeptorlösung zu. Interessant ist auch, dass die relativen Verdünnungsfaktoren bzw. Anreiche-rungsfaktoren für die unterschiedlichen Komponenten bei den untersuchten Fließgeschwin-digkeiten in etwa gleich groß sind. Dies bedeutet, dass die Gastransferraten der gewählten Analytkomponenten unter diesen Bedingungen ähnlich sind. Bei entsprechend kleiner Akzep-torfließgeschwindigkeit fand unter den gegebenen Bedingungen eine absolute Anreicherung der Komponenten statt. In der Zeit, die für die Aufnahme eines Chromatogramms notwendig ist, kann die in-line Probenvorbereitung für die nächste Probe erfolgen und so eine relativ hohe Analysenfrequenz gewährleistet werden. Für alle vier Analyten ergab sich ein linearer Arbeitsbereich von 0,1 bis 10 mg L-1. Da der Gastransfer von der Porosität und dem Membranmaterial abhängt, erfolgten Messungen mit drei verschiedenen Membranmaterialien und mit verschiedenen Porengrößen eines Membranmaterials. Für die verschiedenen Mem-branmaterialien (PVDF, PP und PTFE) ergaben sich bei vergleichbaren Porengrößen keine wesentlichen Unterschiede hinsichtlich der Selektivität und Empfindlichkeit. Die Unter-suchungen zu verschiedenen Porengrößen ergab eine größere Gastransferleistung für die Membran mit der kleineren Porengröße, bedingt durch die höhere Porosität der Membran. Zur Realprobenmessung erfolgte die Bestimmung der Analyten im Oberflächenwasser, wobei keine Amine nachgewiesen werden konnten. Die Messungen der Proben erfolgten ohne weitere Vorbehandlung mit dem Fließsystem. Im Verlauf der Messungen konnte keine Beein-trächtigung durch Schwebstoffe aus der Probe auf der Membran festgestellt werden. Die Kontinuität der Gasdiffusion zeigte sich auch an der geringen Abweichung der Kalibrations-kurve von Ammonium, die vor und nach der Messung aller Proben erfolgte. Das Potential für weitere Anwendungen der dargestellten Methode zur Bestimmung von Ammonium und kurz-kettigen Aminen in flüssigen Proben ergibt sich aus dem einfachen Aufbau, dem geringen Proben- und Reagenzverbrauch und ihrer leichten Automatisierbarkeit. Ziel der experimentellen Untersuchungen mit der Mikrodialyse (MD) war es, die den Separa-tionsprozess beeinflussenden Parameter im Fließsystem an Hand von wichtigen Analyten und die gegenseitige chemische Beeinflussung der zu dialysierenden Substanzen auf die Dialyse-rate zu untersuchen, um letztendlich ein geeignetes System der Mikrodialyse zur Unter-suchung von Realproben zu entwickeln und zu nutzen. Es sollten auch Messungen der Analy-ten in Realproben mit der Dialyse im Fließsystem erfolgen, um eine Vergleichsmöglichkeit zwischen den beiden Techniken der Mikrodialyse und der Dialyse zu schaffen.


159

Als Analytionen wurden Phosphat, Sulfat, Nitrat und Chlorid gewählt, ihre Konzentrationsbe-stimmung ist u.a. wichtig um die Qualität von Gewässern und Trinkwasser beurteilen zu können. Die meist komplex zusammengesetzte Probenmatrix erfordert auch hier eine auf-wendige Probenvorbereitung, so dass sich die Dialyse bzw. Mikrodialyse zur Separation der Analyten anbietet. Eine in-line Kopplung der Dialyse mit der IC erlaubt die Simultanbestim-mung der vier Analyten in der Probe. Die Mikrodialyse (MD) erfolgte aus stagnierenden Probe- bzw. Standardlösungen mittels einer, von der Akzeptorlösung durchflossenen Hohlfasermembran. In ersten in-line Versuchen erfolgte die MD mit reinem Wasser als Akzeptorlösung und auch die Analyten lagen in reinem Wasser vor. Unter den gegebenen Bedingungen ergab sich für alle vier Anionen ein nichtlinearer Verlauf der Kalibrierkurven, da man ohne Zugabe eines Modifiers auf Grund der unterschiedlichen Diffusionskoeffizienten der Ionen in der Probe bei geringen Ionenkonzen-trationen kleinere Recoveries erhält als für höhere Konzentrationen. Die Dialyseraten sind unter den gegebenen Bedingungen konzentrationsabhängig. Bei der Verringerung der Akzep-torfließgeschwindigkeit zeigte sich, dass sich neben der Dialyserate (sie steigt für alle vier Analyten an) auch die Dialysenratenverhältnisse mit der Fließgeschwindigkeit des Akzeptors ändern. Durch den Kationenüberschuss, geliefert von Sulfat und Phosphat, kommt es bei höheren Fließgeschwindigkeiten zu einem schnellen Transfer der einfach geladenen Anionen zu Lasten der großen Anionen (Sulfat, Phosphat). Bei kleineren Fließgeschwindigkeiten, bzw. einer längeren Verweilzeit, dialysieren auf Grund des Konzentrationsgradienten auch ver-stärkt die großen Anionen, das wiederum zum Rückgang des Massentransfers der kleinen Anionen führt. In weiteren in-line Untersuchungen erfolgte der Einsatz des IC-Eluenten als Akzeptorlösung, um eine bessere Kompatibilität mit dem IC-System zu erreichen, in dieser Matrix waren auch die Analyten gelöst. Die erhaltenen Kalibrationskurven waren für alle vier Analyten linear und die Dialyserate ließ im Rahmen der Messgenauigkeit keine Konzen-trationsabhängigkeit erkennen. Ein Vergleich der Dialyseraten für Mischstandard und Einzel-standards zeigte jedoch für die Einzelstandards kleinere Werte für Chlorid, Nitrat und höhere Werte für Sulfat und Phosphat. Unter Berücksichtigung des Donnan-Effekts kann angenom-men werden, dass sich die Anwesenheit der Sulfat- und Phosphationen auf Grund ihrer größeren Molekülmasse und höheren Ladung auf die Dialyserate von Chlorid und Nitrat auswirken. Zur Messung der Analyten in Realproben (Oberflächenwasser) wurde daher ein Natriumhydrogencarbonat-Modifier (70,52 mmol HCO3

-) eingesetzt. Die Realprobenmes-sungen erfolgten einmal mit der MD-IC-Kopplung durch Standardaddition und mit konventioneller Probenvorbereitung und anschließender IC- Detektion. Bis auf geringe Ab-weichungen waren die Anstiege der Graphen für Kalibration und Standardaddition mittels Mikrodialyse vergleichbar. Das heißt, unter den gegebenen Bedingungen für die vorliegenden Probenzusammensetzungen konnten die Matrixeinflüsse ausreichend minimiert werden. Der Vergleich mit der konventionellen Probenvorbereitung ergab übereinstimmende Ergebnisse. Für die Dialyse im Fließsystem kam der gleiche Modifier wie bei der Mikrodialyse zum Ein-satz. Und auch hier erfolgte ein Vergleich der Realprobenmessungen mit der Dialyse im


160

Fließsystem und konventioneller Probenvorbereitung. Die Anstiege der Kurven für Standard-addition und Kalibrierung mit der Dialyse waren vergleichbar, ebenso stimmten die Ergeb-nisse von Dialyse und konventioneller Probenvorbereitung gut überein. Für die in der vorliegenden Arbeit durchgeführten Untersuchungen von Oberflächenwasser erwiesen sich beide Methoden als geeignet. Beide Systeme konnten ohne Störungen genutzt werden und zeichnen sich durch einen einfachen Aufbau und eine leichte Handhabbarkeit aus. Sie stellen zumindest eine gleichwertige Alternative zur konventionellen Probenvorbereitung dar. Die MD zeichnet sich auf Grund der höheren Dialyseraten, gegeben durch eine größere Membranaustauschfläche gegenüber einem kleinen Akzeptorvolumen, durch eine höhere Empfindlichkeit aus. Ausblick: Die in der vorliegenden Arbeit genutzten Membranseparationsmethoden im Fließsystem zur Probenvorbereitung für die Ionenchromatographie zeichnen sich durch einen geringen Proben- und Reagenzverbrauch, eine leichte Automatisierbarkeit, geringe Kosten und einen einfachen Aufbau aus. Da die am Anfang erwähnten Aspekte, wie immer komplexere Probenzusammensetzungen, größere Probenanzahl und kleinere Probenvolumina, den Trend in der Analytik charakterisieren, wäre es sinnvoll, auf die in der Technik schon stark verbrei-teten Membranseparationsverfahren zurückzugreifen und zur automatisierten Probenvorberei-tung nicht nur für die IC im Fließsystem zu verwenden. Es bieten sich auf Grund der Vielzahl zur Verfügung stehender Membranen sehr unterschiedliche Separationsmethoden an und diese Möglichkeiten werden sich im Zuge der Membranentwicklung sicher noch erweitern. Die Membrantrennung ist ein in der Natur weit verbreiteter Prozess, sie kann oft (Ausnahme z.B. Elektrodialyse) ohne zusätzliche Energiezufuhr betrieben werden.

8. Anhang

161

8. Anhang 8.1 Messdaten und Beispielchromatogramme zur Sulfit-Bestimmung Tab. 8.1: Werte und Kalibrationskurve für die direkte Messung der Sulfitstandards mit

Wasserstoffperoxid (Ionenchromatographen 690) Konzentration [mg SO2/L]

Signal [µS cm-1]

Signal [µS cm-1]

Signal [µS cm-1]

Mittelwert Standard- abweichung

Relative Standard-abweichung [%] RSD

5 16,0 16 16,5 16,2 0,24 1,4610 31,0 31 31,5 31,2 0,24 0,7620 66,0 64 64,0 64,7 0,94 1,4650 152,5 153 152,5 152,7 0,24 0,15

020406080

100120140160180

0 10 20 30 40 50 60


Sign

al [µ

S/cm

]

Abb. 8.1: Kalibrationskurve für IC 690 mit der Kalibrierfunktion: 09,105,3 += xy

und dem Bestimmtheitsmaß R2= 0,9994 Tab. 8.2: Werte und Kalibrationskurve für die direkte Messung der Sulfitstandards mit

Wasserstoffperoxid (Ionenchromatographen 790) Konzentration [mg SO2/L]

Signal [µS/cm s]

Signal [µS/cm s]

Signal [µS/cm s]

Mittelwert Standard- abweichung


5 51,77 51,70 53,80 52,42 0,974 1,85810 105,28 105,31 106,45 105,68 0,545 0,51520 215,10 215,80 212,00 214,30 1,651 0,77150 580,60 551,00 582 571,20 14,295 2,503

8. Anhang

162

0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40 50 60


Sign

al [µ

S/cm

s]

Abb. 8.2: Kalibrationskurve für IC 790 mit der Kalibrierfunktion: 28,647,11 −= xy

und dem Bestimmtheitsmaß R2= 0,9993

Tab. 8.3: Daten zur Fließgeschwindigkeit von 0,2 ml min-1 des Oxidationsmittels Konzentration [mg SO2/L]

Signal [µS/cm s]

Signal [µS/cm s]

Signal [µS/cm s]

Mittelwert [µS/cm s]

Standard- abweichung


5 13,9 13 13,15 13,35 0,34 2,5520 56,91 57,2 56,8 56,97 0,15 0,2650 133,5 130 129,5 131 1,54 1,18

Tab. 8.4: Daten zur Fließgeschwindigkeit von 0,08 ml min-1 des Oxidationsmittels Konzentration [mg SO2/L]

Signal [µS/cm s]

Signal [µS/cm s]

Signal [µS/cm s]

Mittelwert [µS/cm s]

Standard- abweichung


5 14,4 14,3 13,66 14,12 0,33 2,3220 69,3 67,9 68,00 68,40 0,64 0,9350 160 159 167,90 162,30 3,98 2,45

Tab. 8.5: Daten zur Variation der Akzeptorfließgeschwindigkeit in-line Konzentration [mg SO2/L]

Direkte Injektion [µS/cm s]

0,2 ml/min [µS/cm s]

0,08 ml/min [µS/cm s]

5 51,8 26,6 69,220 215 114 269,450 581 291,5 726,3

8. Anhang

163

Beispielchromatogramme IC 790

Abb. 8.3: Beispielchromatogramm eines Sulfitstandards (20 mg L-1) bei direkter

Messung ohne Wasserstoffperoxid Abb. 8.4: A) Chromatogramm: Direkte Messung eines 5 mg L-1 Sulfit-Standards mit

H2O2, B) Kalibrationskurve für direkte Messungen der Sulfitstandards mit H2O2

Abb. 8.5: Chromatogramme der in-line Probenvorbereitung, Fließgeschwindigkeiten:

Modifier- und Probelösung 0,5 ml min-1, Oxidationsmittel 0,08 ml min-1 A) Akzeptorlösung 0,2 ml min-1 B) Akzeptorlösung 0,08 ml min-1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 min

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

µS/cm

Cond

Sulfi

t

Sulfa

t

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 min13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

µS/cm

Cond

Sulfa

t

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18min

14

16

18

20

22

24

uS/cm

Cond

Sulfa

t

A) B)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 min13.5

14.0

14.5

15.0

15.5

16.0 uS/cm

Cond

Sulfa

t

Conc

entr

atio

n 62.50

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60AreaE+01

1

2

3

A) B)

8. Anhang

164

8.2 Messdaten zur Nitrit-Bestimmung Daten zur Untersuchung der Abhängigkeit der Nitritoxidation von der Wasserstoffperoxid-konzentration (Kap. 5.2.3 Voruntersuchungen) Tab. 8.6: Nitritsignale für 0,5 ml 0,3 %- H2O2-Lösung (9,88 mmol L-1 H2O2) Konzentration NO2 [mg/L]

NO2-

Signal [µS cm-1 s-1]

NO2-


NO2-



Standard-abweichung


5 30,82 30,82 33,96 31,86 1,48 4,6520 104,28 108,50 114,20 108,99 4,07 3,7350 322,25 318,50 311,40 317,38 4,50 1,42

Tab. 8.7: Nitratsignale für 0,5 ml 0,3 %- H2O2-Lösung (9,88 mmol L-1 H2O2) Konzentration NO2 [mg/L]

NO3-


NO3-


NO3-



Standard-abweichung


5 1,54 1,55 1,67 1,59 0,06 3,7220 28,60 26,50 20,96 25,35 3,22 12,7150 32,96 37,50 37,27 35,91 2,09 5,81

Tab. 8.8: Summen aus Nitrit- und Nitratsignalen für 0,5 ml 0,3 %- H2O2-Lösung

(9,88 mmol L-1 H2O2) Konzentration NO2 [mg/L]





Standard-abweichung


5 32,36 32,37 35,63 33,45 1,54 4,6020 132,87 135,00 135,16 134,34 1,04 0,7850 355,22 356,00 348,67 353,30 3,29 0,93

Tab. 8.9: Nitritsignale für 2 ml 0,3 %- H2O2-Lösung (39,53 mmol L-1 H2O2) Konzentration NO2 [mg/L]

NO2-


NO2-


NO2-



Standard-abweichung


5 5,81 5,92 6,20 5,98 0,16 2,7520 51,21 50,20 49,00 50,14 0,90 1,8050 119,24 118,00 118,80 118,68 0,51 0,43

8. Anhang

165

Tab. 8.10: Nitratsignale für 2 ml 0,3 %- H2O2-Lösung (39,53 mmol L-1 H2O2) Konzentration NO2 [mg/L]

NO3-


NO3-


NO3-



Standard-abweichung


5 23,77 24,00 21,50 23,09 1,13 4,8920 54,57 62,30 60,00 58,96 3,24 5,5050 156,96 158,00 158,00 157,65 0,49 0,31

Tab. 8.11: Summen aus Nitrit- und Nitratsignalen für 2 ml 0,3 %- H2O2-Lösung

(39,53 mmol L-1 H2O2) Konzentration NO2 [mg/L]





Standard-abweichung


5 29,58 29,81 27,70 29,03 0,95 3,2620 105,77 112,50 109,00 109,09 2,75 2,5250 276,20 276,00 276,80 276,33 0,34 0,12

Werte von Nitrit, Nitrat und der Summe beider Signale für verschiedene Oxidationszeiten (Kap. 5.2.3 Voruntersuchungen) Tab. 8.12: Nitritsignal nach einer Oxidationszeit von 3 min NO2

--Signal +H2O2


Standardabweichung Relative Standardab-weichung [%] RSD

5,6 5,33 0,25 4,75,4 5,0

Tab. 8.13: Nitratsignal nach einer Oxidationszeit von 3 min NO3

--Signal +H2O2



1,9 2,00 0,08 4,12,0 2,1

Tab. 8.14: Summe aus Nitrit- und Nitratsignal nach einer Oxidationszeit von 3 min ∑ Signale [µS cm-1]

Mittelwert [µS cm-1]


7,5 7,33 0,17 2,327,4 7,1

8. Anhang

166

Tab. 8.15: Nitritsignal nach einer Oxidationszeit von 13 min NO2

--Signal +H2O2



1,8 1,80 0,08 4,541,9 1,7

Tab. 8.16: Nitratsignal nach einer Oxidationszeit von 13 min NO3

--Signal +H2O2



5,3 5,43 0,12 2,305,4 5,6

Tab. 8.17: Summe aus Nitrit- und Nitratsignal nach einer Oxidationszeit von 3 min ∑ Signale [µS cm-1]



7,1 7,23 0,09 1,307,3 7,3

Messwerte zur in-line Untersuchung Akzeptorfließgeschwindigkeit 0,5 ml min-1 (Kap. 5.2.3 In-line Untersuchungen mit Wasserstoffperoxid) Tab. 8.18: Nitritsignale für Akzeptorfließgeschwindigkeit 0,5 ml min-1 Konzentration NO2 [mg/L]

NO2-


NO2-


NO2-



Standard-abweichung


5 1,41 1,36 1,34 1,37 0,03 2,1520 3,68 3,70 3,90 3,76 0,10 2,6450 10,40 9,90 10,00 10,10 0,22 2,14

Tab. 8.19: Nitratsignale für Akzeptorfließgeschwindigkeit 0,5 ml min-1 Konzentration NO2 [mg/L]

NO3-


NO3-


NO3-



Standard-abweichung


5 5,18 5,00 5,39 5,19 0,16 3,0720 17,00 17,20 18,00 17,40 0,43 2,4850 41,00 42,50 41,60 41,70 0,62 1,48

8. Anhang

167

Tab. 8.20: Summe der Signale für Akzeptorfließgeschwindigkeit 0,5 ml min-1 Konzentration NO2 [mg/L]





Standard-abweichung


5 6,59 6,36 6,73 6,56 0,15 2,3320 20,68 20,90 21,90 21,16 0,53 2,5150 51,40 52,40 51,60 51,80 0,43 0,83

Tab. 8.21: Direkte Injektion der Standards Konzentration NO2 [mg/L]

NO2--Signal

[µS cm-1 s-1] NO3

--Signal [µS cm-1 s-1]


5 5,89 28,77 34,6620 50,20 62,30 112,5050 119,24 156,96 276,20

Messwerte zur in-line Untersuchung Akzeptorfließgeschwindigkeit 0,2 ml min-1 (Kap. 5.2.3 In-line Untersuchungen) Tab. 8.22: Nitritsignale für Akzeptorfließgeschwindigkeit 0,2 ml min-1 Konzentration NO2 [mg/L]

NO2-


NO2-


NO2-



Standard-abweichung


5 2,77 2,70 2,72 2,73 0,03 1,0820 7,30 7,00 7,41 7,24 0,17 2,3950 20,80 19,90 19,50 20,07 0,54 2,71

Tab. 8.23: Nitratsignale für Akzeptorfließgeschwindigkeit 0,2 ml min-1 Konzentration NO2 [mg/L]

NO3-


NO3-


NO3-



Standard-abweichung


5 13,11 13,89 13,61 13,54 0,32 2,3820 45,30 43,80 47,73 45,61 1,62 3,5550 110,76 108,30 109,20 109,42 1,02 0,93

8. Anhang

168

Tab. 8.24: Summe der Signale für Akzeptorfließgeschwindigkeit 0,2 ml min-1 Konzentration NO2 [mg/L]





Standard-abweichung


5 15,88 16,59 16,33 16,27 0,35 3,4620 52,60 50,80 55,14 52,85 1,78 3,3750 131,56 128,20 128,70 129,49 1,48 1,14

Tab. 8.25: Prozentualer Anteil der Signale von Nitrit und Nitrat an der jeweiligen Summe der

Signale für die in-line Probenvorbereitung bei einer Akzeptorfließgeschwindigkeit von 0,2 ml min-1 und 0,5 ml min-1


NO2--Anteil

am ∑ Signal [%] (0,5 ml/min)

NO3--Anteil

am ∑ Signal [%] (0,5 ml/min)

NO2--Anteil am

∑ Signal [%] (0,2 ml/min)

NO3--Anteil am

∑ Signal [%] (0,2 ml/min)

5 20,9 79,1 16,8 83,2 20 17,8 82,2 13,7 86,3 50 19,5 80,5 15,5 84,5

Mittelwert 19,4 80,6 15,3 84,7 Streuung 1,3 1,3 1,3 1,3 RSD [%] 6,5 1,6 8,3 1,5

8. Anhang

169

Beispielchromatogramme des IC 790 mit der Anionensäule Metrosep Anionen Dual 2

Abb. 8.6: Chromatogramm mit direkter Messung des Nitrits und H2O2

Abb. 8.7: Chromatogramm nach in-line Probenvorbereitung

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 min

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23µS/cm

Cond

Nitr

it

Nitr

at

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 min

13.5

14.0

14.5

15.0

15.5

16.0

16.5

17.0

µS/cm

Cond

Nitr

it Nitr

at

8. Anhang

170

8.3 Messdaten zur Simultanbestimmung von Sulfit und Nitrit Messungen von Mischstandards Tab. 8.26: Nitritsignale für die direkte Messung der Mischstandards nach Oxidation mit H2O2

im Batch-Verfahren Konzentration SO2/ NO2 [mg L-1]

NO2-

Signal [µS cm-1]

NO2-

Signal [µS cm-1]

NO2-

Signal [µS cm-1]


Standard-abweichung


10/ 10 12,00 12,70 12,80 12,50 0,36 2,8525/ 25 56,70 57,30 57,00 57,00 0,24 0,4350/ 50 110,00 112,00 111,00 111,00 0,82 0,7450/ 25 73,50 74,00 74,50 74,00 0,41 0,55 Tab. 8.27: Nitratsignale für die direkte Messung der Mischstandards nach Oxidation mit H2O2


NO3-

Signal [µS cm-1]

NO3-

Signal [µS cm-1]

NO3-

Signal [µS cm-1]


Standard-abweichung


10/ 10 18,40 19,00 19,60 19,00 0,49 2,5825/ 25 21,60 22,40 22,00 22,00 0,33 1,4850/ 50 43,60 42,50 42,90 43,00 0,45 1,0650/ 25 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Tab. 8.28: Sulfatsignale für die direkte Messung der Mischstandards nach Oxidation mit H2O2


SO42-

Signal [µS cm-1]

SO42-

Signal [µS cm-1]

SO42-

Signal [µS cm-1]


Standard-abweichung


10/ 10 27,20 28,40 28,40 28,00 0,57 2,0225/ 25 70,50 70,90 70,20 70,53 0,29 0,4150/ 50 143,70 145,30 146,40 145,13 1,11 0,7650/ 25 144,80 142,90 144,30 144,00 0,80 0,56

8. Anhang

171

Tab. 8.29: Nitratsignale für die in-line Separation der Mischstandards Konzentration SO2/ NO2 [mg L-1]

NO3-

Signal [µS cm-1]

NO3-

Signal [µS cm-1]

NO3-

Signal [µS cm-1]


Standard-abweichung


10/ 10 6,40 6,85 7,00 6,75 0,25 3,7825/ 25 16,30 16,90 17,44 16,88 0,47 2,7650/ 50 32,15 31,90 31,20 31,75 0,40 1,2750/ 25 18,25 17,05 17,95 17,75 0,51 2,8725/ 50 33,85 35,05 36,10 35,00 0,92 2,63 Tab. 8.30: Sulfatsignale für die in-line Separation der Mischstandards Konzentration SO2/ NO2 [mg L-1]

SO42-

Signal [µS cm-1]

SO42-

Signal [µS cm-1]

SO42-

Signal [µS cm-1]


Standard-abweichung


10/ 10 5,30 5,80 5,40 5,50 0,22 3,9325/ 25 7,00 7,70 7,80 7,50 0,36 4,7550/ 50 7,80 8,40 7,80 8,00 0,28 3,5450/ 25 1,68 1,81 1,76 1,75 0,05 3,0625/ 50 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Zu Tabelle 5.19 erfolgte Messungen der Einzelstandards von Sulfit und Nitrit nach Oxidation mit H2O2 im Batch-Verfahren Tab. 8.31: Sulfatsignale für die direkte Messung der Sulfitstandards nach Oxidation mit H2O2

im Batch-Verfahren Konzentration SO2 [mg L-1]

SO42-

Signal [µS cm-1]

SO42-

Signal [µS cm-1]

SO42-

Signal [µS cm-1]


Standard-abweichung


10 31,00 32,50 31,50 31,67 0,62 1,9725 76,25 76,50 76,00 76,25 0,20 0,2750 152,00 154,00 153,00 153,00 0,82 0,53

8. Anhang

172

Tab. 8.32: Nitritsignale für die direkte Messung der Nitritstandards nach Oxidation mit H2O2

im Batch-Verfahren Konzentration NO2 [mg L-1]

NO2-

Signal [µS cm-1]

NO2-

Signal [µS cm-1]

NO2-

Signal [µS cm-1]


Standard-abweichung


10 9,80 8,90 8,30 9,00 0,62 6,8525 38,50 41,60 40,70 40,27 1,30 3,2350 78,80 82,20 84,20 81,73 2,23 2,73 Tab. 8.33: Nitratsignale für die direkte Messung der Nitritstandards nach Oxidation mit H2O2

im Batch-Verfahren Konzentration NO2 [mg L-1]

NO3-

Signal [µS cm-1]

NO3-

Signal [µS cm-1]

NO3-

Signal [µS cm-1]


Standard-abweichung


10 26,50 28,10 26,85 27,15 0,69 2,5325 52,20 47,00 45,80 48,33 2,78 5,7550 94,05 99,20 101,00 98,08 2,95 3,00

Zu Tabelle 5.20 erfolgte Messungen der Einzelstandards von Sulfit und Nitrit nach in-line Gasdiffusion

Tab. 8.34: Sulfatsignale für die in-line Separation der Sulfitstandards Konzentration SO2 [mg L-1]

SO42-

Signal [µS cm-1]

SO42-

Signal [µS cm-1]

SO42-

Signal [µS cm-1]


Standard-abweichung


10 27,80 26,00 26,30 26,70 0,79 2,9525 69,5 65,75 65,80 67,02 1,76 2,6250 137,00 138,00 133,50 136,17 1,93 1,42 Tab. 8.35: Nitritsignale für die in-line Separation der Nitritstandards Konzentration NO2 [mg L-1]

NO2-

Signal [µS cm-1]

NO2-

Signal [µS cm-1]

NO2-

Signal [µS cm-1]


Standard-abweichung


10 2,70 2,90 2,90 2,83 0,09 3,3325 5,70 6,00 5,90 5,87 0,12 2,1350 12,50 13,80 13,30 13,20 0,54 4,06

8. Anhang

173

Tab. 8.36: Nitratsignale für die in-line Separation der Nitritstandards Konzentration NO2 [mg L-1]

NO3-

Signal [µS cm-1]

NO3-

Signal [µS cm-1]

NO3-

Signal [µS cm-1]


Standard-abweichung


10 13,60 15,00 13,80 14,13 0,62 4,3725 37,15 36,80 35,50 36,48 0,71 1,9550 70,85 74,20 68,60 71,22 2,30 3,23

8. Anhang

174

8.4 Daten und Beispielchromatogramme zur Bestimmung von Ammoni-um und Aminen

Beispielchromatogramme (Metrosep C 2–250) des 10 mg L-1 Mischstandard für direkte Mes-sung und nach in-line Separation bei verschiedenen Akzeptorgeschwindigkeiten.

Abb. 8.8: Einfluss der Akzeptorfließgeschwindigkeit A Chromatogramm des Mischstandards bei direkter Injektion B Chromatogramm des Mischstandards mit in-line Separation, Akzeptorgeschwindigkeit

0,4 ml min-1

C Chromatogramm des Mischstandards mit in-line Separation, Akzeptorgeschwindigkeit 0,2 ml min-1

D Chromatogramm des Mischstandards mit in-line Separation, Akzeptorgeschwindigkeit 0,08 ml min-1

Tab. 8.37: Relative Verdünnungsfaktoren bei einer Akzeptorgeschwindigkeit von

0,2 ml min -1 Komponente 2 mg L-1

5 mg L-1

10 mg L-1

Ammonium 1,80 2,09 1,95Methylamin 2,11 2,13 2,2Ethylamin 1,80 2,18 2,05Dimethylamin 1,96 2,37 2,06

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 min

-1224

-1222

-1220

-1218

-1216

-1214

-1212

-1210uS/cm

Cond

Am

mon

ium

Met

hyla

min

Eth

ylam

in

Dim

ethy

lam

in

A

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 min

-1223.5

-1223.0

-1222.5

-1222.0

-1221.5

-1221.0

-1220.5

-1220.0uS/cm

Cond

Am

mon

ium

1

Met

hyla

min

Eth

ylam

in

Dim

ethy

lam

in

B

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 min

-1224

-1223

-1222

-1221

-1220

-1219

-1218

-1217

-1216uS/cm

Cond

Am

mon

ium

Met

hyla

min

Eth

ylam

in

Dim

ethy

lam

in

C

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 min

-1224

-1222

-1220

-1218

-1216

-1214

-1212

-1210uS/cm

CondA

mm

oniu

m

Met

hyla

min

Eth

ylam

in

Dim

ethy

lam

in

D

8. Anhang

175

Tab. 8.38: Relativer Anreicherungsfaktoren bei einer Akzeptorgeschwindigkeit von 0,08 ml min -1

Komponente 2 mg L-1

5 mg L-1

10 mg L-1

Ammonium 1,30 1,08 1,17 Methylamin 1,24 1,40 1,24 Ethylamin 1,36 1,03 1,13 Dimethylamin 1,25 1,20 1,29 Tab. 8.39: Einfluss der Akzeptorgeschwindigkeit auf die Signalgröße am Beispiel des Misch-

standards 10 mg L-1

10mg/l Mischstandard

Komponente

Direkte Messung

Signalgröße

[%]

In-line Separation

Acc.: 0,4 ml min-1

Signalgröße

[%]

In-line Separation

Acc.: 0,2 ml min-1

Signalgröße

[%]

In-line Separation

Acc.: 0,08 ml min-1

Signalgröße

[%]

Ammonium 100 26,85 51,2 116,9

Methylamin 100 23,54 45,49 123,6

Ethylamin 100 22,57 48,68 112,83

Dimethylamin 100 20,29 48,38 128,91

Mittelwerte 100 23,31 48,44 120,56 Tab. 8.40: Messungen nach in-line Gasdiffusion zur Erfassung der Präzision

10mg/l Mischstandard Komponente

Signale [µS cm-1 s-1]




Standard-abweichung


Ammonium 43,8 44,2 44,9 44,30 0,45 1,03

Methylamin 13,3 13,1 12,8 13,07 0,21 1,57

Ethylamin 12,8 12,9 13,2 12,97 0,17 1,31

Dimethylamin 16,6 16,4 16,0 16,33 0,25 1,53

8. Anhang

176

Tab. 8.41: Daten der in-line Gasdiffusion in [µS cm-1 s-1] zum Vergleich der Membranma- terialien

PP-Membran PTFE-Membran PVDF-Membran Komponente 5 mg L-1 10 mg L-1 5 mg L-1 10 mg L-1 5 mg L-1 10 mg L-1

Ammonium 29,73 52,32 31,32 55,26 28,08 52,43Methylamin 10,43 16,67 11,15 17,92 9,89 16,08Ethylamin 14,89 27,00 16,04 29,10 16,82 30,28Dimethylamin 11,47 19,12 12,19 20,91 11,97 20,32 Tab. 8.42: Werte zur direkten Messung der Standards Komponente 1.Mess.

[µS cm-1 s-1] 5 mg L-1

2.Mess. [µS cm-1 s-1] 5 mg L-1

Mittelwert [µS cm-1 s-1] 5 mg L-1

1.Mess. [µS cm-1 s-1] 10 mg L-1

2.Mess. [µS cm-1 s-1] 10 mg L-1

Mittelwert [µS cm-1 s-1] 10 mg L-1

Ammonium 43,34 42,75 43,05 80,40 80,67 80,53Methylamin 19,02 19,19 19,11 34,82 31,49 33,16Ethylamin 32,81 30,00 31,41 58,74 57,96 58,35Dimethylamin 19,76 18,01 18,88 34,75 35,24 34,99 Tab. 8.43: Daten der in-line Gasdiffusion in [µS cm-1 s-1] zum Vergleich unterschiedlicher Po-

rengrößen Porengröße 0,22 µm Porengröße 0,45 µm Komponente 5 mg L-1 10 mg L-1 5 mg L-1 10 mg L-1

Ammonium 28,08 52,43 24,76 46,54Methylamin 9,89 16,08 9,12 16,06Ethylamin 16,82 30,28 16,43 29,84Dimethylamin 11,97 20,32 10,09 18,15

0

20

40

60

80

100

120

0 5 10 15


Sign

al [µ

S/cm

s]

1

Kalibrationskurve

Abb. 8.9: Kalibrationskurve von Ammonium zur Bestimmung von Realproben mit

der Kalibrierfunktion: 902,19288,9 += xy und dem Bestimmtheitsmaß

R2= 0,9997

8. Anhang

177

Tab. 8.44: Daten zur Bestimmung von Realproben für Ammonium Probenentnahme- stelle

1.Messung [µS cm-1 s-1]

3.Messung.[µS cm-1 s-1]

3.Messung.[µS cm-1 s-1]


Standard-abweichung


Jannowitzbrücke 3,69 3,64 3,59 3,64 0,04 1,11Landwehrkanal 3,37 3,34 3,29 3,34 0,03 0,98Müggelspree 3,99 4,09 3,89 3,99 0,08 2,03

8. Anhang

178

8.5 Messdaten zur Dialyse Mikrodialyse; In-line Untersuchungen mit reinem Wasser als Akzeptorlösung Tab. 8.45: Signale der direkten Messung der Standards Konzentration [mg L-1]

Cl--Signal [µS cm-1 s-1]

NO3--Signal

[µS cm-1 s-1] PO4

3--Signal [µS cm-1 s-1]

SO42--Signal

[µS cm-1 s-1] 2,5 29,63 16,1 9,504 21,32

5 61,07 35,18 19,82 43,01 10 124,6 63,63 38,76 84,27 15 168,9 86,2 51,84 112,4 20 280,2 137,8 83,22 181,5

Tab. 8.46: Signale der in-line Mikrodialyse mit Wasser als Akzeptorlösung (10 µl min-1) Konzentration [mg L-1]


NO3--Signal

[µS cm-1 s-1] PO4


SO42--Signal

[µS cm-1 s-1] 2,5 10,59 3,99 0,24 2,50

5 12,35 6,90 0,46 3,87 10 24,49 14,30 0,71 3,61 15 34,24 21,61 0,72 6,63 20 88,16 35,51 1,77 17,11

Tab. 8.47: Relative Dialyseraten Konzentration [mg L-1]

Cl- [%]

NO3-

[%] PO4

3-

[%] SO4

2- [%]

2,5 35,73 24,75 2,50 11,73 5 20,22 19,61 2,30 9,00

10 19,66 22,47 1,83 4,29 15 20,27 25,07 1,39 5,90 20 31,46 25,77 2,13 9,43

Tab. 8.48: Signale für verschiedene Fließgeschwindigkeiten des Akzeptors Akzeptorfließ- geschwindigkeit [µl min-1]


NO3--Signal

[µS cm-1 s-1] PO4


SO42--Signal

[µS cm-1 s-1]

2 19,07 9,97 1,19 35,18 10 10,59 3,99 0,24 11,73

8. Anhang

179

Tab. 8.49: Dialyseraten [%] für verschiedene Akzeptorfließgeschwindigkeiten (Verhältnis der Signale aus direkter Messung Tab. 8.45 und in-line Mikrodialyse) Akzeptorfließ- geschwindigkeit [µl min-1]

Cl- [%]

NO3-

[%] PO4

3-

[%] SO4

2- [%]

2 64,36 61,95 12,51 35,18 10 35,73 24,75 2,50 17,22

Mikrodialyse; In-line Untersuchungen mit dem Eluenten als Akzeptorlösung Tab. 8. 50: Signale der direkten Messung der Standards Konzentration [mg L-1]


NO3--Signal

[µS cm-1 s-1] PO4


SO42--Signal

[µS cm-1 s-1] 2,5 31,28 16,65 7,72 21,65

5 63,92 33,80 17,11 42,9 10 132,84 66,73 33 88,37

Tab. 8.51: Signale der in-line Mikrodialyse mit Wasser als Akzeptorlösung (10 µl min-1) Konzentration [mg L-1]


NO3--Signal

[µS cm-1 s-1] PO4


SO42--Signal

[µS cm-1 s-1] 2,5 9,95 6,20 0,22 0,79

5 20,10 11,90 0,51 1,72 10 42,24 24,25 0,97 4,03

Tab. 8.52: Relative Dialyseraten Konzentration [mg L-1]

Cl- [%]

NO3-

[%] PO4

3-

[%] SO4

2- [%]

2,5 31,81 37,24 2,85 3,65 5 31,46 35,21 2,92 4,01

10 31,80 36,34 2,94 4,56 Tab. 8.53: Messungen zur Genauigkeit der Mikrodialyse mit einem 10 mg L-1 Mischstandard

bei 10 µl min-1 Messung Cl [µS/cm s] NO3 [µS/cm s] PO4 [µS/cm s] SO4 [µS/cm s]

1 45,43 24,45 1,01 4,042 44,98 24,14 0,98 4,123 45,14 24,40 0,96 4,15

Mittelwert 45,18 24,33 0,98 4,10Standardabw. 0,19 0,13 0,02 0,04RSD [%] 0,41 0,55 2,15 1,09

8. Anhang

180

Beispielchromatogramme des 10 mg L-1 Mischstandard für direkte Messung und nach in-line Mikrodialyse zur Messung von Realproben Abb. 8.10: A Chromatogramm des Mischstandards bei direkter Injektion

B Chromatogramm des Mischstandards mit Mikrodialyse, Akzeptor- geschwindigkeit 10 µl min-1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 min

14.0 14.2 14.4 14.6 14.8 15.0 15.2 15.4 15.6 15.8 16.0 16.2 16.4 16.6

uS/cm

Cond

Chl

orid

Nitr

at

Phos

phat

Sulfa

t

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 min

138,5 139,0 139,5 140,0 140,5 141,0 141,5 142,0 142,5 143,0 143,5 144,0 144,5 145,0

uS/cm

Cond

Chl

orid

Nitr

at

Phos

phat

Sulfa

t

8. Anhang

181

Chlorid-Komponente Nitrat-Komponente

Sulfat-Komponente Phosphat-Komponente Abb. 8.11: Kalibrierung des IC-Systems mit wässrigen Mischstandards für die Messung von

Realproben mit konventioneller Probenvorbereitung

Concentration25.00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Area

E+01

1

2

3

4

5

Concentration25.00

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55Area

E+00

1

2

3

4

5Concentration 25.00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13Area

E+01

1 2

3

4

5

Concentration 25.00

5 10 15 20 AreaE+01

1 2

3

4

5

9 Literaturverzeichnis

182

Literaturverzeichnis [1] R.E. Majors, LC.GC, 1(9) (1991) 130 [2] W. Frenzel, GIT Fachz. Lab., 2 (2004) 139 [3] Probenvorbereitungstechniken für die Ionenchromatographie, Monographie Metrohm

AG, Herisau 2004 [4] D.A. Hollowell, G.E. Pacey, G. Gordon, Anal. Chem., 57 (1985) 2851 [5] J. Weiß, Ionenchromatographie, 2. Auflage (1991) Verlag Chemie Weinheim [6] H. Small, S. Stevens, W.C. Baumann, Anal. Chem., 47 (1975) 1801 [7] D. Jensen, Grundlagen der Ionenchromatographie, 3. Auflage (2000) Dionex GmbH [8] C. Eith, M. Kolb, A. Seubert, K.H. Viehweger, Praktikum der Ionenchromatographie,

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Einführung in das anorganisch-chemische Praktikum,14. Auflage, Hirzel- Verlag, 1995,K. Cammann, Instrumentelle Analytische Chemie, Spektrum -Verlag, 2001D. A. Skoog, J. J. Leary, Instrumentelle Analytik, Springer Berlin, 1996D. C. Harris, Lehrbuch der Quantitativen Analyse, Springer Berlin, 2002

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183

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