Janus: Ionenchromatographie

Ionenchromatographie Gestern, Heute und Morgen

  • Die moderne Ionenchromatographie - Aus Sicht der Forschung und Entwicklung, sowie der Industrie. © JRB - Fotolia.comDie moderne Ionenchromatographie - Aus Sicht der Forschung und Entwicklung, sowie der Industrie. © JRB - Fotolia.com

Die Einführung der (modernen) Ionenchromatographie (IC) in der Mitte der 70er Jahre des vergangenen Jahrhunderts markiert den Anfang einer neuen Ära der Ionenbestimmung. Mit den heute zur Verfügung stehenden Methoden der IC lassen sich nahezu alle anorganischen und organischen Anionen und Kationen (inklusive mehrfach geladener Biomoleküle) in allen denkbaren Probenmatrizes meist mit hoher Selektivität und Empfindlichkeit in relativ kurzer Zeit bestimmen.

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Die moderne Ionenchromatographie -
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Zudem wird durch kommerziell angebotene IC-Systeme ein hoher Automatisierungsgrad der Analyse erzielt, der sich nicht nur auf die Trennung und Datenauswertung, sondern inzwischen auch auf die Integration von Probenvorbereitungsschritten bezieht.

Beginnend mit diesem Beitrag wird in der GIT Labor-Fachzeitschrift in nicht festgelegten Abständen die Entwicklung der IC von ihren Anfängen bis hin zum heutigen Standnachgezeichnet und einer kritischen Bewertung unterzogen. Dazu werden die Anforderungen und Entwicklungsphasen der einzelnen Komponenten von IC-Systemen sowie von Trennphasen beschrieben und verschiedene Konfigurationen vorgestellt, die für spezifische Fragestellungen Anwendung finden. In diesem Zusammenhang wird insbesondere auch auf die Bedeutung unterschiedlicher Detektionsmöglichkeiten für die Ionenbestimmung eingegangen und es werden die sich dadurch ergebenden analytischen Spezifikationen diskutiert. Theoretische Grundlagen der Ionentrennung sowie sich daraus ergebenden Wege zur Optimierung bezüglich Trennleistung, Auflösung (Selektivität) und Analysenzeit werden ebenfalls erörtert.

Anhand von Applikationsbeispielen aus diversen Bereichen der analytischen Praxiswerden die Möglichkeiten der IC aufgezeigt, aber auch Probleme beschrieben und die Grenzen markiert.

Frühe Anwendungen der Ionenchromatographie
Die erste Erwähnung der Anwendung eines Ionenaustauschprozesses findet sich in der Bibel, wo darüber berichtet wird, dass Moses aus bitterem Wasser (vermutlich magnesiumhaltig) süßes Wasser erzeugt hat, indem er Holz in das Wasser gegeben hat.

Zahlreiche weitere historische Quellen liegen über die Entsalzung von Wasser durch Ionenaustausch vor, ohne dass die zugrunde liegenden chemischen Prozesse bekannt waren. Erste gezielte experimentelle Versuche zum Ionenaustausch an natürlichen Böden wurden in der Mitte des 19. Jahrhunderts durchgeführt [2,3], die auch die Grundlage für das chemische Verständnis lieferten und bereits im ausgehenden 19. Jahrhundert zu ersten industriellen Anwendungen führten. Die erste analytische Anwendung von Ionenaustauschern wurde 1917 von Folinund Bell [4] beschrieben, die synthetische Zeolithe für die Abtrennung von Ammonium von Aminosäuren nutzten und das Ammonium nach Elution mit Natronlauge dann mit Neßlers Reagenz kolorimetrisch bestimmten. In den 1920er Jahren wurden erstmals mit Ionenaustauschmaterialien gefüllte Trennsäulen für die Trennung und Bestimmung von Aminen in biologischen Proben [5] sowie von Sulfat in natürlichen Wässern [6] eingesetzt. Ein Meilenstein in der Entwicklung der Ionenaustauschchromatographie war die Synthese organischer Ionenaustauschmaterialien (Harze), die insbesondere im Zusammenhang mit dem über längere Zeit geheimgehaltenen Manhattan-Projekt (Trennungvon Seltenen Erden und Transuranen) synthetisiert und für diverse Fragestellungen im Umfeld der Nuklearforschung angewendet wurden. Die allerdings erst nach 1947 publizierten Forschungsergebnisse [7,8] waren der Auslöser für eine Flut von Publikationen, in denen immer neue organische Polymere mit unterschiedlichen funktionellen Ionenaustauschergruppen entwickelt wurden, um eine verbesserte Stabilität der stationären Phasen sowie eine erhöhte Trennleistung zu erreichen. Besonders hervorzuheben sind auch bereits in den Anfängen der 1950er Jahre publizierte Arbeiten zur Trennung von Aminosäuren mit Ionenaustauschchromatographie in Verbindung mit Nachsäulenderivatisierung und photometrischer Detektion. Dies war für die Aufklärung des Zusammenhangs der Struktur und katalytischen Aktivität von Proteinen und Peptiden von essentieller Bedeutung und hat letztlich den Autoren Moore und Stein [9] den Nobelpreis für Chemie von 1972 gebracht.

Technische Hindernisse
Wenngleich die erwähnten und zahlreiche weitere Arbeiten aus dieser Zeit in vielen Fällen zu bemerkenswerten Ergebnissen führten, gab es doch erhebliche Defizite, insbesondere bezüglich der notwendigen Analysenzeit und der Detektion der getrennten Komponenten. Trennungen haben oftmals mehrere Stunden gedauert und die Bestimmung erfolgte häufig erst nach fraktionierter Sammlung des Eluenten mit unterschiedlichen Methoden. Die kontinuierliche Detektion mittels eines im Auslauf der Trennsäule angeschlossenen Durchflussdetektors war zu dieser Zeit nur bedingt realisierbar, da entweder die Empfindlichkeit der verfügbaren universellen Detektionsmethoden (z.B. Brechungsindexmessung) zu gering war oder nur wenige Ionen durch direkte Messung mittels spektrometrischer Methoden (z.B. Photometrie oder Atomspektrometrie) zugänglich waren. Ähnliches galt für elektroanalytische Methoden wie Voltammetrie und Potentiometrie. Die Messung der elektrischen Leitfähigkeit wurde als universelle Detektionsmethode für Ionen diskutiert (und in Einzelfällen auch angewandt) aberwegen der relativ hohen Ionenstärke typischer mobiler Phasen war eine Diskriminierung zwischen Grundleitfähigkeit und der Leitfähigkeit der eluierenden Analytionen nur bei relativ hohen Anaytkonzentrationen möglich.

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