Workshop Ionenchromatographie: isokratisch oder Gradient?

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1 Workshop Ionenchromatographie: isokratisch oder Gradient? IC/LC Support Team Thermo Fisher Scientific, Dreieich The world leader in serving science

2 Thermo Scientific Dionex Ionenchromatographie-Systeme RFIC HPIC Dionex Aquion Dionex Integrion Dionex ICS-4000 Dionex ICS Company Confidential Internal Use only

3 IC-relevante Medien Eluent- Förderung Eluent Pumpe Suppressor Regenerent Suppression Probenaufgabe Leitfähigkeits- Messzelle Detektion Ionen- Trennung Vorsäule Analytische Säule Steuerung und Datenaufnahme (Thermo Scientific Dionex Chromeleon Chromatography Datensystem CDS) 3 Company Confidential Internal Use only

4 Definition RFIC RFIC - Reagenzfreie Ionenchromatographie IC ohne manuelles Ansetzen der Eluenten Begriff für alle Systeme, bei denen die IC-relevanten Reagenzien durch Elektrolyse erzeugt werden Elektrolytische Genierung des Elutionsmittel Elektrolytische Genierung des Regeneriermittels Schlüsselmerkmale der RFIC: Leichte Bedienbarkeit Hohe Verfügbarkeit Hohe Reproduzierbarkeit und konsistente Ergebnisse Typische Elutionsmodi in der Ionenchromatographie bzw. RFIC Isokratische Elution, Carbonat-Laufmittel Elution im Gradienten, Hydroxid-Laufmittel 4 Company Confidential Internal Use only

5 Vorteile der elektrolytischen Eluent-Erzeugung Dem System zugeführt wird lediglich entionisiertes Wasser zugeführt Online-Erzeugung hochreiner, kontaminationsfreier Säuren und Basen Elektrische Einstellung der Eluent-Konzentration - das manuelle Ansetzen von Säuren und Basen entfällt Steuerung über das Chromatographie-Datensystem (Chromeleon CDS) Sicher und einfach in der Anwendung RFIC-EG ist kompatibel mit allen gängigen IC Säulenformaten (Standardbore- bis Kapillar-Säulen) 5 Company Confidential Internal Use only

6 RFIC Regenerent-Generierung 6 Company Confidential Internal Use only

7 IC-relevante Medien Eluent- Förderung Eluent Pumpe Suppressor Regenerent Suppression Probenaufgabe Leitfähigkeits- Messzelle Detektion Ionen- Trennung Vorsäule Analytische Säule Steuerung und Datenaufnahme (Chromeleon CDS) 7 Company Confidential Internal Use only

8 Regenerent-Kannal Anode Kationen-Austausch-Membran Kationen-Austausch Membran Kathode Regenerent-Kannal Elektrochemische Suppression zur Bestimmung von Anionen O 2, H 2, H 2 O, Na 2 CO 3 Na +, X in Na 2 CO 3 Eluent H 2 CO 3 H 2 O, O 2 Na + H + Na 2 CO 3, NaOH, H 2 H + + O 2 2H CO H 2 + OH 3 H 2 CO 3 H 2 O H +, X - in H 2 CO 3 H 2 O H 2 O + H 2 CO 3 H 2 O + H 2 CO 3 Detektor 8 Company Confidential Internal Use only

9 RFIC Eluent-Generierung 9 Company Confidential Internal Use only

10 IC-relevante Medien Eluent- Förderung Eluent Pumpe Suppressor Regenerent Suppression Probenaufgabe Leitfähigkeits- Messzelle Detektion Ionen- Trennung Vorsäule Analytische Säule Steuerung und Datenaufnahme (Chromeleon TM ) 10 Company Confidential Internal Use only

11 RFIC Eluent-Generator: Carbonat (Anionen-IC) Isolierung Kationenaustauscher K 2 CO 3 Elektrolyt Reservoir K + CO 3 2 [K 2 CO 3 ] Strom Fluss Anionenaustauscher H 2 + O 2 H 2 O Degaser Eluent Mixer K 2 CO 3 Pt-Kathode Pt-Anode KOH + H 2 CO 3 K 2 CO 3 11 Company Confidential Internal Use only

12 RFIC für K 2 CO 3 / KHCO 3 Eluenten mit ph-modifier K 2 CO 3 Elektrolyt Reservoir K + CO 3 2 H 2 + O 2 H 2 O K 2 CO 3 Degaser Degaser Eluent Mixer K 2 CO 3 / KHCO 3 Pt-Kathode Pt-Anode EGC-Carbonat Kartusche Elektrolytischer ph-modifier K + 2 K 2 CO 3 + H + K 2 CO 3 + KHCO 3 14 Company Confidential Internal Use only

13 Fluorid Chlorid Nitrit Bromid Nitrat Phosphat Sulfat Trennung der Standard-Anionen an einer 4-mm Thermo Scientific Dionex IonPac AS14 Säule mit RFIC-Carbonat-Eluenten 1,2 ml/min Konventioneller Carbonat-Eluent (3,5 mmol/l Na 2 CO 3 /1,0 mmol/l NaHCO 3 ) µs EG Carbonat-Eluent (4,5 mmol/l K 2 CO 3 ) 4,0 mmol/l K 2 CO 3 /0,5 mmol/l KHCO 3 3,5 mmol/l K 2 CO 3 /1,0 mmol/l KHCO 3 15 Company Confidential Internal Use only 3,0 mmol/l K 2 CO 3 /1,5 mmol/l KHCO 3 0 Minuten 20

14 Isokratische Trennung umweltrelevanter Anionen Säule: Dionex IonPac AS22, 4 mm Eluent: 4,8 mm Natriumcarbonat/ 1,0 mm Natriumhydrogencarbonat Fluss: 7 µs 1 1,5 ml/min Temperatur: 30 C Inj. Volumen: 10 µl Detektion: Leitfähigkeit n. Suppression, AutoSuppression, Recycle Modus Minuten Peaks: 1. Fluorid 3 mg/l 2. Acetat Formiat Bromat Chlorid 5 6. Nitrit Chlorat Bromid Nitrat Phosphat Sulfat Selenat Iodid Arsenat Thiocyanat Perchlorat Thiosulfat Chromat Company Confidential Internal Use only

15 RFIC Eluent-Generator: Hydroxid (Anionen-IC) [ + ] Pt-Anode EluGen KOH Kartusche Ventil [KOH] Stromstärke Flussrate (H 2 O 2H + + ½O 2 + 2e - ) Elektrolyt- Reservoir Pumpe KOH- Elektrolyse- Kammer K + Kationenaustausch- Membranen H 2 H 2 O KOH KOH + H 2 Degas Unit KOH Pt-Kathode (2H 2 O + 2e - 2OH - + H 2 ) OH [ - ] CR-ATC Anionen- Trapsäule 17 Company Confidential Internal Use only

16 Gradiententrennung von umweltrelevanten Anionen 10 µs Inkl. polarisierbarer Anionen mit der Dionex IonPac AS Minuten 18 Company Confidential Internal Use only Peaks: 1. Fluoride 2 mg/l (ppm) 2. Acetate 10 Column: Dionex IonPac AG20, AS20 3. Butyrate 10 4 mm 4. Formate 10 Eluent: Potassium hydroxide: 5. Chlorite 10 5 mm from 0 to 5 min, 6. Bromate mm from 5 to 15 min, 7. Chloride mm from 15 to 30 min 8. Nitrite 10 Eluent Source: EGC II KOH with CR-ATC 9. Chlorate 10 Temperature: 30 C 10. Bromide 10 Flow Rate: 1.0 ml/min Inj. Volume: 10 μl 11. Nitrate 10 Detection: Suppressed conductivity, 12. Carbonate 20 Thermo Scientific Dionex 13. Sulfate ASRS UltraII Anion Self Regenerating suppressor, 4 mm, AutoSuppression recycle mode 14. Selenate 15. Oxalate 16. Phthalate Phosphate Chromate Iodide Arsenate Citrate Thiocyanate Perchlorate 30

17 Elutionsmodus 19 Company Confidential Internal Use only

18 Elutionsmodus c Elutionsmodus c t Isokratisch? t Gradient 20 Company Confidential Internal Use only

19 Modell-Versuch zum Retentionsverhalten Verwendete Konfigurationen System 1: Isokratische Elution mit Carbonat System 2: Gradienten-Elution mit Hydroxid Untersuchung der Retentionsverhalten: Injektion anorganischer Anionen Injektion eines Gemisches anorganischer Anionen und organischer Säuren Vergleich des Trennverhaltens: Gemeinsamkeiten, Unterschiede 21 Company Confidential Internal Use only

20 Retentionsverhalten Standardgemisch 1 In beide Systeme wird eine Lösung anorganischer Anionen injiziert Analyte: 2 mg/l Fluorid 10 mg/l Chlorid, Nitrit, Bromid, Nitrat, Sulfat, 20 mg/l Phosphat 22 Company Confidential Internal Use only

21 - Nitrit - Fluorid - Chlorid - Nitrat - Phosphat - Sulfat - Fluorid - Chlorid - Phosphat - Nitrat - Sulfat Retentionsverhalten - Isokratische Elution und Gradientelution _ICS-2000_CO3 #2 Std.1 ECD_1 µs _ICS-2000_AS19 #6 Std.1 ECD_1 140 µs Concentration: 1.00 mm -20 min A B A. Isokratische Elution mit Carbonat Trennsäule: Dionex IonPac AG22, AS22 (2 mm) Eluent: 4,5 mmol/l Na 2 CO 3 1,4 mmol/l NaHCO 3 B. Gradient-Elution mit Hydroxid Trennsäule: Dionex IonPac AG19, AS19 (2 mm) Eluent: KOH (EG) Gradient: 1-42 mmol/l in 17 min Flussrate: 0,3 ml/min Inj.-Volumen: 5 µl Detektion: Leitfähigkeit mit Suppressor AutoSuppression, Recycle-Modus Probe: Standard Anionen (PN ) 23 Company Confidential Internal Use only

22 Retentionsverhalten Standardgemisch 2 In beide Systeme wird eine Lösung anorganischer Anionen und organischer Säuren injiziert Analyte: 2 mg/l Fluorid 10 mg/l Chlorid, Nitrit, Bromid, Nitrat, Sulfat, Acetat, Formiat, Malat, Oxalat, Fumarat 20 mg/l Phosphat 100 mg/l Citrat 25 mg/l Isocitrat 24 Company Confidential Internal Use only

23 - Fluorid - Nitrit - Bromid - Nitrat - Sulfat - Malat - Oxalat - Phosphat - Fumarat - Isocitrat - Chlorid - Citrat - Malat - Fluorid - Nitrit - Bromid - Nitrat - Phosphat - Sulfat - Oxalat - Chlorid Retentionsverhalten Isokratische Elution und Gradientelution _ICS-2000_CO3 #28 ECD_1 µs 1 - Acetat - Formiat _ICS-2000_AS19 #3 ECD_ µs Concentration: 1.00 mm - Acetaṯ Formiat -2.0 min A Fumarat? (Iso-) Citrat?? B A. Isokratische Elution mit Carbonat Trennsäule: Dionex IonPac AG22, AS22 (2 mm) Eluent: 4,5 mmol/l Na 2 CO 3 1,4 mmol/l NaHCO 3 B. Gradient-Elution mit Hydroxid Trennsäule: Dionex IonPac AG19, AS19 (2 mm) Eluent: KOH (EG) Gradient: 1-42 mmol/l in 17 min Flussrate: 0,3 ml/min Inj.-Volumen: 5 µl Detektion: Leitfähigkeit mit Suppressor AutoSuppression, Recycle-Modus Probe: Standard Anionen mit organischen Säuren 25 Company Confidential Internal Use only

24 - Fluorid - Bromid - Nitrit - Fumarat - Phosphat - Isocitrat - Citrat - Malat - Oxalat - Fumarat - Citrat - Isocitrat - Fluorid - Bromid - Nitrit - Nitrat - Phosphat - Sulfat Retentionsverhalten Isokratische Elution und Gradientelution µs - Acetat - Formiat - Chlorid 1 µs 2 - Acetat - Formiat - Chlorid - Nitrat - Sulfat - Malat - Oxalat Citrat Isocitrat ECD_1 ECD_1 min A B A. Isokratische Elution mit Carbonat Trennsäule: Dionex IonPac AG22, AS22 (2 mm) Eluent: 4,5 mmol/l Na 2 CO 3 1,4 mmol/l NaHCO 3 B. Gradient-Elution mit Hydroxid Trennsäule: Dionex IonPac AG19, AS19 (2 mm) Eluent: KOH (EG) Gradient: 1-42 mmol/l in 17 min Flussrate: 0,3 ml/min Inj.-Volumen: 5 µl Detektion: Leitfähigkeit mit Suppressor AutoSuppression, Recycle-Modus Probe: Standard Anionen mit organischen Säuren 26 Company Confidential Internal Use only

25 Kalibriermodus 28 Company Confidential Internal Use only

26 Kalibriermodus r linear c Kalibriermodus? r c Quadratisch 29 Company Confidential Internal Use only

27 Modell-Versuch zum Ansprech- und Kalibrierverhalten Verwendete Konfigurationen System 1: Isokratische Elution mit Carbonat System 2: Gradienten-Elution mit Hydroxid Untersuchung des Ansprech- und Kalibrierverhaltens Injektion von Kalibrierlösungen (Konzentrationsbereich über bis zu zwei Dekaden) Vergleich von Ansprechverhalten und Kalibrierfunktionen 30 Company Confidential Internal Use only

28 - Nitrit - Fluorid - Chlorid - Nitrat - Phosphat - Sulfat - Fluorid - Chlorid - Phosphat - Nitrat - Sulfat Ansprech- und Kalibrierverhalten Carbonat und Hydroxid _ICS-2000_CO3 #2 Std.1 ECD_1 µs _ICS-2000_AS19 #6 Std.1 ECD_1 140 µs Concentration: 1.00 mm -20 min A B A. Isokratische Elution mit Carbonat Trennsäule: Dionex IonPac AG22, AS22 (2 mm) Eluent: 4,5 mmol/l Na 2 CO 3 1,4 mmol/l NaHCO 3 B. Gradient-Elution mit Hydroxid Trennsäule: Dionex IonPac AG19, AS19 (2 mm) Eluent: KOH (EG) Gradient: 1-42 mmol/l in 17 min Flussrate: 0,3 ml/min Inj.-Volumen: 5 µl Detektion: Leitfähigkeit mit Suppressor AutoSuppression, Recycle-Modus Probe: Standard Anionen (PN ) 31 Company Confidential Internal Use only

29 Ansprech- und Kalibrierverhalten Carbonat und Hydroxid Kalibrierung Kalibrier-Experiment mit Carbonat- und Hydroxid-Elution Injektion von Kalibrierlösungen (Konzentrationsbereich über bis zu zwei Dekaden) Vergleich von Ansprechverhalten und Kalibrierfunktionen Kalibrierlösungen: Kalibrierniveau Analyt Fluorid [mg/l] Acetat [mg/l] Chlorid [mg/l] Nitrat [mg/l] Phosphat [mg/l] Sulfat [mg/l] Std.1 20,0 100,0 30,0 100,0 150,0 150,0 Std.2 10,0 50,0 15,0 50,0 75,0 75,0 Std.3 5,0 25,0 7,50 25,0 37,5 37,5 Std.4 2,0 10,0 3,0 10,0 15,0 15,0 Std.5 1,0 5,0 1,5 5,0 7,5 7,5 Std.6 0,667 2,0 1,0 3,33 5,0 5,0 Std.7 0,333 1,0 0,5 1,67 2,5 2,5 32 Company Confidential Internal Use only

30 Ansprech- und Kalibrierverhalten, Sulfat /1 Carbonat vs. Hydroxid-Elution Sulfat External ECD_ Area [µs*min] 20.0 A. Isokratische Elution mit Carbonat Trennsäule: Dionex IonPac AG22, AS22 (2 mm) Eluent: 4,5 mmol/l Na 2 CO 3 1,4 mmol/l NaHCO B A B. Gradienten-Elution mit Hydroxid Trennsäule: Dionex IonPac AG19, AS19 (2 mm) Eluent: KOH (EG) Gradient: 1-42 mmol/l in 17 min Flussrate: 0,3 ml/min Inj.-Volumen: 5,0 µl mg/l Detektion: Probe: Leitfähigkeit mit Suppressor, AutoSuppression, Recycle-Modus Kalibrierstandardlösungen (Dionex-PN ) 33 Company Confidential Internal Use only

31 Ansprech- und Kalibrierverhalten, Sulfat /2 Carbonat vs. Hydroxid-Elution 14.0 Sulfat External ECD_1 Area [µs*min] 25.0 Sulfat External ECD_1 Area [µs*min] mg/l Carbonat-Eluent (4,5 mmol/l Na 2 CO 3 1,4 mmol/l NaHCO 3 ) mg/l Hydroxid-Eluent (KOH-Gradient) 34 Company Confidential Internal Use only

32 Carbonat-Eluent Suppressionsvorgänge µs/cm Reaktionen im Suppressor: Analyt: NaCl HCl HCl + H 2 O H 3 O + + Cl - Eluent: Na 2 CO 3 H 2 CO 3 H 2 CO 3 + H 2 O H 3 O + + HCO 3 - ~ 24,0 Grundleitfähigkeit bei z.b. 9 mmol/l Na 2 CO 3 Minuten 35 Company Confidential Internal Use only

33 Ansprech- und Kalibrierverhalten, Acetat Carbonat vs. Hydroxid-Eluition Acetat External ECD_ Area [µs*min] B A A. Isokratische Elution mit Carbonat Trennsäule: Dionex IonPac AG22, AS22 (2 mm) Eluent: 4,5 mmol/l Na 2 CO 3 1,4 mmol/l NaHCO 3 B. Gradienten-Elution mit Hydroxid Trennsäule: Dionex IonPac AG19, AS19 (2 mm) Eluent: KOH (EG) Gradient: 1-42 mmol/l in 17 min Flussrate: 0,3 ml/min Inj.-Volumen: 5,0 µl mg/l Detektion: Probe: Leitfähigkeit mit Suppressor, AutoSuppression, Recycle-Modus Kalibrierstandardlösungen (Dionex-PN ) 36 Company Confidential Internal Use only

34 Ansprech- und Kalibrierverhalten Auswertung Kalibrierniveau Analyt Fluorid [mg/l] Acetat [mg/l] Chlorid [mg/l] Nitrat [mg/l] Phosphat [mg/l] Sulfat [mg/l] Std.1 20,0 100,0 30,0 100,0 150,0 150,0 Std.2 10,0 50,0 15,0 50,0 75,0 75,0 Std.3 5,0 25,0 7,50 25,0 37,5 37,5 Std.4 2,0 10,0 3,0 10,0 15,0 15,0 Std.5 1,0 5,0 1,5 5,0 7,5 7,5 Std.6 0,667 2,0 1,0 3,33 5,0 5,0 Std.7 0,333 1,0 0,5 1,67 2,5 2,5 Carbonat-System Kalibrierbezug Fläche Fläche Fläche Fläche Fläche Fläche Kalibrierung (Chromeleon) Quad Quad Quad Quad Quad Quad Linearer Korrelations-Koeffizient ; (r) * 99,942 99,992 99,985 99,822 99,865 99,836 Bestimmtheits-Maß ; (R²) ** 99,967 99,992 99,953 99,972 99,960 99,970 Steigung (Fläche/Konzentration) 0,135 0,008 0,085 0,048 0,025 0,065 Hydroxid-System Kalibrierbezug Fläche Fläche Fläche Fläche Fläche Fläche Kalibrierung (Chromeleon) Quad Quad Lin Lin Lin Lin Linearer Korrelations-Koeffizient ; (r) * 99,935 98,747 99,997 99,997 99,997 99,994 Bestimmtheits-Maß ; (R²) ** 99,994 99,800 99,994 99,994 99,994 99,992 Steigung (Fläche/Konzentration) 0,334 0,051 0,192 0,109 0,064 0,145 Faktor Ansprechverhalten Hydroxid vs. Carbonat Elution 2,5 6,2 2,2 2,2 2,5 2,2 * Korrelationskoeffizient (Correlation Coefficient): Maß für die "lineare Abhängigkeit" zwischen zwei Variablen ** Bestimmtheits-Maß (Coefficient of Determination): Maß für die Abweichung der gemessenen Datenpunkte von der Kalibrierkurve *** Faktor Ansprechverhalten ist abhängig von der Carbonat / Bicarbonat-Konzentration des säulenspezifischen Eluenten 37 Company Confidential Internal Use only

35 Entscheidungskriterien Carbonat- oder Hydroxid-Elution? Beide Elutionsmittel liefern sicher Analysenergebnisse Mehrnutzen durch Hydroxid: Höherer Empfindlichkeit und Linearsierung der Kalibrierfunktionen Large Volume Injektion (kein Wasserdip ) Hydroxid ist ideal für den Gradienten-Betrieb Isokratische oder Gradient-Elution? Beide Elution-Modi liefern hohe Selektivität und Auflösung Mehrnutzen durch Gradienten-Elution: Höhere Peak-Kapazität Beschleunigung mehrwertiger Ionen im Gradienten mit gleichzeitig erhöhte Auflösung der früh eluierenden Analyten erhöhte Nachweisempfindlichkeit durch Peak-Fokussierung Aufgabenstellung & Probenmatrix bestimmen die Wahl des Verfahrens 39 Company Confidential Internal Use only

36 DIN EN ISO Company Confidential Internal Use only

37 DIN EN ISO (Juli 2009) Wasserbeschaffenheit - Bestimmung von gelösten Anionen mittels Flüssigkeits-Ionenchromatographie - Teil 1: Bestimmung von Bromid, Chlorid, Fluorid, Nitrat, Nitrit, Phosphat und Sulfat Ersatz für bisherige Normen ISO (gering belastete Wässer) und ISO (Abwässer) Matrices: Trinkwasser, Oberflächenwasser, Abwasser Neu: Sicker- und Meerwasser Neu: Isokratische UND Gradienten-Elution Neu: Carbonat/Hydrogencarbonat- UND Hydroxid-Eluenten Neu: Kalibriermodus gemäß Erfordernissen: (Linear, Quadratisch, ) Generelle Gültigkeit, keine Einschränkungen der Säulenformate, anwendbar für Standardbore- bis Kapillar-Säulen 41 Company Confidential Internal Use only

38 Normkonforme Ionenchromatographie mit RFIC Isokratische Elution Gradienten-Elution DIN EN ISO Company Confidential Internal Use only

39 44 Company Confidential Internal Use only Continued