Die Wahl des richtigen Eluenten in der Chromatographie ist von entscheidender Bedeutung - insbesondere bei der Ionenaustauschchromatographie (auch als Ionenchromatographie oder IC bekannt) - ebenso wie die Wahl der richtigen Säule. Beide müssen harmonisch zusammenarbeiten, um eine optimale Trennleistung zu erzielen. In der Chromatographie sprechen wir oft vom "Dreieck der Abhängigkeit" - der wechselseitigen Beziehung zwischen den Analyten, der stationären Phase und dem Elutionsmittel. Dieser Blogbeitrag beleuchtet den Eluenten als zentralen Bestandteil dieses Dreiecks. Dabei wird die Rolle der mobilen Phasen in der IC erörtert, verschiedene Eluenttypen vorgezeigt und welche Aspekte bei der Auswahl und Vorbereitung eines Eluenten für Ihre spezifische Anwendung zu berücksichtigen sind.
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Abbildung 1 veranschaulicht, wie dieses Konzept speziell auf die Ionenchromatographie anwendbar ist. Jede der drei Komponenten – Analyten, stationäre Phase und Eluent – spielt im Trennungsprozess eine entscheidende und miteinander verbundene Rolle. Das Ändern einer Komponente beeinflusst die anderen. Wird das Gleichgewicht zwischen ihnen gestört, kann dies die Peakauflösung, die Analytretention und die Gesamtleistung der Methode negativ beeinflussen.
Das Verständnis dieses Dreiecks ist für die Entwicklung effektiver Ionenchromatographiemethoden von entscheidender Bedeutung. Es bietet einen einfachen Rahmen zur Fehlerbehebung und Optimierung der Trennstrategie für bestimmte analytische Herausforderungen. Es ist von entscheidender Bedeutung, die Eigenschaften des Eluenten zu kennen, die die Analyttrennung beeinflussen können. Dadurch können Sie diese Eigenschaften zu Ihrem Vorteil nutzen und die bestmögliche Leistung bei Ihrer IC-Analyse erzielen.
![Abhängigkeitsdreieck in der Ionenchromatographie (adaptiert aus [1]).](https://metrohm.scene7.com/is/image/metrohm/Eluent%20blog%20post%20-%20Fig%201%20-%20Triangle%20of%20dependency%20IC?qlt=85&ts=1748421644012&$xh-730$&dpr=off&bfc=on "Abhängigkeitsdreieck in der Ionenchromatographie (adaptiert aus [1]).")
In der Chromatographie ist der Eluent (mobile Phase) die flüssige Lösung, die die Analyten durch die Trennsäule (stationäre Phase) transportiert (Abbildung 2). Vor dem Eintritt in die Hochdruckpumpe wird der Eluent mit einem Eluent Degasser entgast. Anschließend fließt er durch einen Injektor (dargestellt ist ein 6/2-Injektor), bevor er durch die Säule gepumpt wird. Die Analyten werden nach dem Passieren der Säule nachgewiesen.
Die Suppression dient in der Ionenchromatographie dazu, Leitfähigkeitseinflüsse des Eluenten zu eliminieren. Es reduziert das Hintergrundrauschen auf ein Minimum und ermöglicht ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis für die resultierenden Peaks. Dieser Suppressionsschritt erfolgt zwischen der Säule und dem Detektor.
Der Eluent spielt aufgrund seiner Wechselwirkungen mit der Säule eine entscheidende Rolle bei der Trennung der Analyten. Bei der Ionenchromatographie basiert das Elutionsmittel üblicherweise auf Säuren, Basen oder Salzen. Die konkrete Zusammensetzung hängt von der Ladung des zu trennenden Ions ab. Bei der Anionenanalyse basiert der Eluent in der Regel auf Gemischen aus Natriumcarbonat/Natriumbicarbonat, Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid. Eluenten für die Kationenanalyse basieren üblicherweise auf niedrigen Konzentrationen von Salpetersäure, Schwefelsäure oder Methansulfonsäure.
Wie bei allen Trennungen mittels Flüssigkeitschromatographie ist die mobile IC-Phase der Parameter, der sich am einfachsten ändern lässt, um die Analyttrennung zu beeinflussen. Im Gegensatz dazu sind die Säule und das Detektionssystem in den meisten Fällen vordefiniert.
Die Auswahl eines geeigneten Eluenten kann anhand verschiedenster Kriterien erfolgen. Dabei sind unter anderem folgende Parameter zu berücksichtigen [1–8]:
Das Elutionsmittel sollte die Detektionsmethode nicht beeinträchtigen, etwa durch eine hohe Grundleitfähigkeit, eine starke UV-Absorption bei der gleichen Wellenlänge wie der Analyt oder durch eine chemische Reaktion mit den Zielanalyten. Nur so lassen sich eine stabile Basislinie, reproduzierbare Retentionszeiten und eine hohe Nachweisempfindlichkeit gewährleisten. [4].
Die für den Eluenten verwendeten Chemikalien dürfen keine unerwünschten Reaktionen mit der stationären Phase eingehen und müssen chemisch stabil sein, um Interferenzen oder eine Zersetzung während der Analyse zu vermeiden [5]. Daher ist es notwendig, die Eigenschaften der stationären Phase zu kennen. Hersteller beschreiben häufig die Standardbedingungen sowie die Einschränkungen der stationären Phase – beispielsweise den geeigneten pH-Bereich oder die Zugabe organischer Modifikatoren.
Lesen Sie unseren weiterführenden Blogbeitrag zur Auswahl einer IC-Säule und erfahren Sie, wie Sie die Trennung Ihrer Analyten gezielt optimieren können.
Best Practice für Trennsäulen in der Ionenchromatographie (IC) – Teil 2
Die Zusammensetzung des Eluenten spielt eine entscheidende Roll bei der Trennung der Zielionen, da sie deren Retentionszeiten beeinflusst. Im Folgenden sind die wichtigsten Einflussfaktoren aufgeführt.
![Einfluss der Eluentkonzentration auf die Peakform (Fronting oder Tailing) bei überladenen Bromidpeaks (0,1, 1, 10, 100, 300 und 500 mmol/l Bromid) unter Verwendung unterschiedlicher Natriumhydroxidkonzentrationen als Eluent. Abbildung adaptiert nach Wahab et al. [6].](https://metrohm.scene7.com/is/image/metrohm/Eluent-blog-post-Fig-3-Peak-Shape-Hydroxide?qlt=85&ts=1749132807968&$xh-544$&dpr=off&bfc=on "Einfluss der Eluentkonzentration auf die Peakform (Fronting oder Tailing) bei überladenen Bromidpeaks (0,1, 1, 10, 100, 300 und 500 mmol/l Bromid) unter Verwendung unterschiedlicher Natriumhydroxidkonzentrationen als Eluent. Abbildung adaptiert nach Wahab et al. [6].")
![Einfluss der Eluentkonzentration auf die Peakform (Fronting oder Tailing) bei überladenen Bromidpeaks (0,1, 1, 10, 100, 300 und 500 mmol/l Bromid) unter Verwendung unterschiedlicher Konzentrationen von Carbonat-/Hydrogencarbonat-Eluenten. Abbildung adaptiert nach Wahab et al. [6].](https://metrohm.scene7.com/is/image/metrohm/Eluent-blog-post-Fig-4-Peak-Shape-Carbonate?qlt=85&ts=1749132816370&$xh-544$&dpr=off&bfc=on "Einfluss der Eluentkonzentration auf die Peakform (Fronting oder Tailing) bei überladenen Bromidpeaks (0,1, 1, 10, 100, 300 und 500 mmol/l Bromid) unter Verwendung unterschiedlicher Konzentrationen von Carbonat-/Hydrogencarbonat-Eluenten. Abbildung adaptiert nach Wahab et al. [6].")
![pH-Einfluss des Eluenten auf die Retentionszeit häufiger Anionen (1. Fluorid, 2. Chlorid, 3. Nitrit, 4. Bromid, 5. Nitrat, 6. Phosphat und 7. Sulfat) mit der Metrosep A Supp 19 - 150/4.0 Säule unter Verwendung des Standard-Carbonat-Eluenten [10].](https://metrohm.scene7.com/is/image/metrohm/Eluent%20blog%20post%20-%20Fig%205%20-%20Screenshot%20from%20Column%20Program?qlt=85&ts=1749130006298&$xh-544$&dpr=off&bfc=on "pH-Einfluss des Eluenten auf die Retentionszeit häufiger Anionen (1. Fluorid, 2. Chlorid, 3. Nitrit, 4. Bromid, 5. Nitrat, 6. Phosphat und 7. Sulfat) mit der Metrosep A Supp 19 - 150/4.0 Säule unter Verwendung des Standard-Carbonat-Eluenten [10].")
Änderungen des pH-Werts des Eluenten führen zu Verschiebungen im Dissoziationsgleichgewicht des Analyten und damit zu einer Änderung der Retentionszeit des Analyten (Abbildung 5).
Der pH-Wert muss in einem bestimmten Bereich gehalten werden, der eine Degradation oder Veränderung der stationären Phase verhindert, insbesondere bei Säulen auf Silica-Basis, die empfindlich auf extreme pH-Bedingungen reagieren [7,9].
Darüber hinaus reagieren Detektionsmethoden wie die Leitfähigkeit und UV-Absorption empfindlich auf pH-Änderungen. Ein konstanter pH-Wert minimiert das Basislinienrauschen und verbessert die Nachweisempfindlichkeit [8].
Für eine effektive Trennung empfehlen wir, zunächst einwertige Ionen zu isolieren, gefolgt von mehrwertigen. Die Einführung mehrwertiger Ionen inmitten einwertiger Ionen durch Erhöhung der Eluentenstärke oder durch Änderung des pH-Werts des Eluenten birgt erhebliche Risiken. Diese Trennungen (und damit die Peakauflösung) sind besonders anfällig gegenüber Säulenalterung und chargenbedingte Schwakungen.
![V-förmiger Effekt der Temperatur auf die Retentionszeit der Standardanionen (1. Fluorid, 2. Chlorid, 3. Nitrit, 4. Bromid, 5. Nitrat, 6. Phosphat und 7. Sulfat) mit der Metrosep A Supp 19 - 150/4.0-Säule unter Verwendung des Standardcarbonat-Eluenten [10].](https://metrohm.scene7.com/is/image/metrohm/Eluent%20blog%20post%20-%20Fig%206%20-%20V-shape%20effect?qlt=85&ts=1749130140474&$xh-544$&dpr=off&bfc=on "V-förmiger Effekt der Temperatur auf die Retentionszeit der Standardanionen (1. Fluorid, 2. Chlorid, 3. Nitrit, 4. Bromid, 5. Nitrat, 6. Phosphat und 7. Sulfat) mit der Metrosep A Supp 19 - 150/4.0-Säule unter Verwendung des Standardcarbonat-Eluenten [10].")
![Auswirkungen der Verwendung eines organischen Modifiers (Methanol) auf die Retentionszeit der Standardanionen (1. Fluorid, 2. Chlorid, 3. Nitrit, 4. Bromid, 5. Nitrat, 6. Sulfat und 7. Phosphat) mit der Metrosep A Supp 19 - 150/4.0-Säule unter Verwendung eines Carbonat-Eluenten [10].](https://metrohm.scene7.com/is/image/metrohm/Eluent%20blog%20post%20-%20Fig%208%20-%20Eluent%20modifiers?qlt=85&ts=1749130469050&$xh-544$&dpr=off&bfc=on "Auswirkungen der Verwendung eines organischen Modifiers (Methanol) auf die Retentionszeit der Standardanionen (1. Fluorid, 2. Chlorid, 3. Nitrit, 4. Bromid, 5. Nitrat, 6. Sulfat und 7. Phosphat) mit der Metrosep A Supp 19 - 150/4.0-Säule unter Verwendung eines Carbonat-Eluenten [10].")
Die Zugabe eines organischen Lösungsmittels (z. B. Methanol, Aceton oder Acetonitril) zu wässrigen Eluenten hat im Allgemeinen wenig Einfluss auf die Retentionszeit nicht polarisierbarer Ionen (z. B. Fluorid, Chlorid, Natrium, Calcium usw.). Polarisierbare und weniger hydrophile Ionen (z. B. Iodid, Thiocyanat, organische Ammoniumkationen usw.) eluieren bei Verwendung eines organischen Modifiers typischerweise früher.
Darüber hinaus werden organische Modifiers häufig eingesetzt, um die Ionisierung innerhalb der Elektrospray-Ionisationsquelle zu erhöhen, wenn ein Ionenchromatograph mit einem Massenspektrometer gekoppelt wird.
Um eine bessere Trennung der Alkalimetallionen zu erreichen, werden Komplexbildner eingesetzt. Die Zugabe von 18-Krone-6-ether (1,4,7,10,13,16-Hexaoxacyclooctadecan) zum Eluenten führt zu einer besseren Trennung zwischen Na+, NH4+und K+. Diese Modifikation ist beispielsweise nützlich, um die Bestimmung von Spuren an NH4+ in natürlichen Wasserproben mit hoher K+-Belastung zu verbessern.
Abbildung 9 zeigt, wie die Retentionszeit von K+ nach Zugabe von 18-Krone-6-Ether zum Eluenten signifikant ansteigt (Tabelle 1). Dies lässt sich durch die Bildung des in Abbildung 10 gezeigten K+-18-Krone-6-Ether-Komplex erklären, welcher erheblich größer ist. Die Retentionszeit von Kalium nimmt aufgrund der sterischen Hinderung zu, und damit auch der Abstand zu NH4+. Selbst hohe Kaliumkonzentrationen beeinträchtigen nicht die Ammoniumbestimmung.
![Überlagerte Chromatogramme mit gängigen Kationen (Lithium, Natrium, Ammonium, Kalium, Calcium und Magnesium), die die Wirkung der Zugabe von 18-Krone-6-Ether (in Orange) zum Elutionsmittel zeigen [3,11].](https://metrohm.scene7.com/is/image/metrohm/Eluent%20blog%20post%20-%20Fig%209%20-%2018-crown-6%20ether%20with%20common%20anions?qlt=85&ts=1749130842792&$xh-544$&dpr=off&bfc=on "Überlagerte Chromatogramme mit gängigen Kationen (Lithium, Natrium, Ammonium, Kalium, Calcium und Magnesium), die die Wirkung der Zugabe von 18-Krone-6-Ether (in Orange) zum Elutionsmittel zeigen [3,11].")
| Peak | Komponente | RT [min] | RT [min] (18-Krone-6) |
|---|---|---|---|
| 1 | Lithium | 4.31 | 4.25 |
| 2 | Natrium | 5.60 | 5.61 |
| 3 | Ammonium | 6.28 | 6.42 |
| 4 | Kalium | 8.46 | 10.39 |
| 5 | Calcium | 17.47 | 17.00 |
| 6 | Magnesium | 20.78 | 20.00 |
Dicarbonsäuren bilden mit vielen zweiwertigen Kationen Komplexe, die in der Regel eine geringere elektrische Ladung aufweisen. Dies hat zur Folge, dass mehrwertige Kationen bei der Zugabe von Dicarbonsäuren zum Eluenten weniger stark zurückgehalten werden und früher eluieren. Wie stark dieser Effekt ausfällt, hängt vom jeweiligen Komplexbildungskonstanten des Kations ab.
Abbildung 11 zeigt diese Wirkung auf Magnesium, Calcium und Zink bei Verwendung von Dipicolinsäure (auch bekannt als Pyridin-2,6-dicarbonsäure, PDC oder DPA) als Eluent Modifier. Im Vergleich zu Calcium oder Magnesium bildet das Übergangsmetall Zink einen viel stärkeren Komplex mit Dipicolinsäure. Daher wird es bereits durch geringe Konzentrationen dieses Komplexbildners stark beeinflusst. Im Chromatogramm b) eluiert Zink bereits vor Lithium, in c) ist es vollständig komplexiert und eluiert mit dem Injektionspeak. Calcium bildet mit Dipicolinsäure nur einen schwachen Komplex, sein Komplex ist jedoch stärker als mit Magnesium. Im Chromatogramm b) ist die Auflösung von Magnesium und Calcium reduziert, während in c) Calcium bereits vor Magnesium eluiert. Dieser Modifier wird verwendet, um die Analysezeit bei der Bestimmung von Calcium und Magnesium sowie Alkalimetallkationen zu verkürzen.
![Chromatogramme zeigen die Trennung von 1. Natrium, 2. Kalium, 3. Magnesium, 4. Zink und 5. Calcium bei Verwendung unterschiedlicher Mengen an Dipicolinsäure-Modifier im Eluenten: a) 0 mol/L, b) 0,1 mmol/L, c) 0,7 mmol/L [11].](https://metrohm.scene7.com/is/image/metrohm/Eluent%20blog%20post%20-%20Fig%2011%20-%20common%20cations%20with%20DPA?qlt=85&ts=1749131048893&$xh-544$&dpr=off&bfc=on "Chromatogramme zeigen die Trennung von 1. Natrium, 2. Kalium, 3. Magnesium, 4. Zink und 5. Calcium bei Verwendung unterschiedlicher Mengen an Dipicolinsäure-Modifier im Eluenten: a) 0 mol/L, b) 0,1 mmol/L, c) 0,7 mmol/L [11].")
| Peak | Komponente | RT [min] (a) | RT [min] (b) | RT [min] (c) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Natrium | 6.79 | 6.50 | 5.39 |
| 2 | Kalium | 10.42 | 9.93 | 8.08 |
| 3 | Magnesium | 33.05 | 29.90 | 19.05 |
| 4 | Zink | 38.24 | 3.38 | – |
| 5 | Calcium | 44.48 | 35.87 | 16.08 |
Nachdem Sie den idealen Eluenten für Ihre Anwendung gefunden haben, bietet es sich an eine Automatisierung in Betracht zu ziehen. Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Eluentherstellung zu automatisieren. Eine bewährte Vorgehensweise ist die Verwendung von Eluent-Konzentraten, aus denen sich die gewünschte Konzentration präzise und automatisch herstellen lässt. Alle Standardeluenten, die mit Metrohm Säulen verwendet werden, sind bei Merck erhältlich. Diese Eluentkonzentrate können beispielsweise mit einem 941 Eluent Production Module automatisch verdünnt werden.
Für Hydroxid-Eluenten wie NaOH, KOH oder LiOH ist das 948 Continuous IC Module, CEP die ideale Lösung. Dieses Modul ermöglicht die kontinuierliche elektrolytische Herstellung von Hydroxid-Eluenten aus einem Hydroxid-Konzentrat.
Eluenten bilden einen Schlüsselfaktor im sogenannten Abhängigkeitsdreieck der Ionenchromatographie. Vor der Herstellung eines Eluenten sind zahlreiche Aspekte zu berücksichtigen – darunter die richtigen Vorbereitungsschritte, die verwendeten Chemikalien sowie weitere Einflussgrößen. Für eine reproduzierbare und robuste Ionenchromatographie ist die sorgfältige Wahl und Vorbereitung des Eluenten unerlässlich.
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[1] Kromidas, S. The HPLC Expert; Wiley-VCH: Weinheim, 2016.
[2] Haddad, P. R.; Jackson, P. E. Ion Chromatography; Journal of Chromatography Library; Elsevier: Amsterdam, 1990.
[3] Schäfer, H.; Läubli, M. Monograph: Ion Chromatography; Metrohm AG: Herisau, Switzerland, 2023. https://www.metrohm.com/en/products/8/1085/81085077.html
[4] Liu, Y.; Kaiser, E.; Avdalovic, N. Determination of Trace-Level Anions in High-Purity Water Samples by Ion Chromatography with an Automated On-Line Eluent Generation System. Microchemical Journal 1999, 62 (1), 164–173. DOI:10.1006/mchj.1999.1699
[5] Zou, J.; Motomizu, S.; Fukutomi, H. Reversed-Phase Ion-Interaction Chromatography of Inorganic Anions with Tetraalkylammonium Ions and Divalent Organic Anions Using Indirect Photometric Detection. Analyst 1991, 116 (12), 1399–1405. DOI:10.1039/AN9911601399
[6] Wahab, M. F.; Anderson, J. K.; Abdelrady, M.; et al. A. Peak Distortion Effects in Analytical Ion Chromatography. Anal. Chem. 2014, 86 (1), 559–566. DOI:10.1021/ac402624a
[7] Martin, D. Column Chromatography; IntechOpen, 2013.
[8] Motomizu, S.; Oshima, M.; Hironaka, T. Ion-Exchange Chromatographic Determination of Anions by Indirect Photometric Detection: Comparison of Eluent Ions with Respect to Sensitivity Enhancement. Analyst 1991, 116 (7), 695–700. DOI:10.1039/AN9911600695
[9] Acikara, Ö. B. Ion-Exchange Chromatography and Its Applications. From the Edited Volume Column Chromatography, Edited by Dean F. Martin and Barbara B. Martin, InterOpen 2013. DOI:10.5772/55744
[10] Metrohm AG. Column Manual A Supp 19 (6.01034.4x0); 8.107.8013EN / 2023-03-08; Metrohm AG: Herisau, Switzerland, 2023.
[11] Kolb, M.; Seubert, A.; Schäfer, H.; Läubli, M. (Editor). Monograph: Practical Ion Chromatography, 3rd ed.; Metrohm AG: Herisau, Switzerland, 2020. https://www.metrohm.com/en/products/8/1085/81085069.html
Monographie: Praktkum der Ionenchromatographie – Eine Einführung
Monographie: Fortgeschrittene Detektionstechniken in der Ionenchromatographie
Broschüre: 941 Eluent Production Module – Inline-Eluentherstellung für die Ionenchromatographie
Broschüre: Continuous Ion Chromatography Module: Genießen Sie die Vorteile einer automatischen Herstellung hochreiner Eluenten
Säulen-Handbuch: Metrosep A Supp 19
Die vollständig überarbeitete und aktualisierte zweite Auflage der Monographie «Ionenchromatographie» bietet eine eingehende Auseinandersetzung mit der Theorie und den praktischen Anwendungen der Ionenchromatographie. Darüber hinaus sind ausführliche Diskussionen zur Theorie, zu Nachweismethoden und zu Trennsäulentypen enthalten.
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