Chromatographische Verfahren

2.5.2.1 Ionenaustauschchromatographie

Die Ionenaustauschchromatographie basiert auf den Wechselwirkungen der Anionen mit den geladenen funktionellen Gruppen der stationären Phase, hier meist quaternäre Ammoniumgruppen, die an Kieselgel, Polymethacrylat oder Poly(styrol-divinylbenzol-) -Copolymere, mit oder ohne Latexpartikelschicht, gebunden sind. Man unterscheidet zwischen der Einsäulentechnik und der Suppressor-Technik. Entsprechend unterscheiden sich die verwendeten Säulen in ihrer Austauschkapazität und die mobilen Phasen in ihrer Elutionsstärke und Grundleitfähigkeit [104].

In der Suppressor-Technik findet am häufigsten ein Hydrogencarbonat / Carbonat-Eluent Anwendung [105, 107, 108, 112, 113], wobei mit einem Stufengradienten zur Trennung von Sulfit, Sulfat und Thiosulfat [112] Sulfit und Sulfat kurz nacheinander noch getrennt eluieren, Thiosulfat eluiert stark tailend. Ein Probenverhältnis von 2:1 im oberen ppm-Bereich verursacht bereits eine breite Peakbasis (z. B. 5 min). Das Tailing konnte durch Boratzusatz nicht eliminiert werden. Es wurde gezeigt, dass bei einer Kalibrierung die Stabilisierung von Sulfit unumgänglich ist, dass auch eine Oxidation in der Apparatur das Ergebnis beeinflussen kann, dass Metallionen den Prozess katalysieren, auch bei stabilisiertem Sulfit, und dass das Oxidationsbedingte Verhältnis von Sulfit zu Sulfat von der Sulfitkonzentration abhängig ist [113].

In einer Methode, die zur Untersuchung fotografischer Fixierbäder entwickelt wurde, konnte gezeigt werden, dass ein hoher Überschuss an Formaldehyd zu einer vollständigen Adduktbildung und Detektion des Addukts führt, während bei geringerer Formaldehydkonzentration das Addukt im Eluenten zerfällt und Sulfit detektiert wird [107]. Thiosulfat und Sulfat beeinflussen die Trennung unter diesen Bedingungen nicht, sie eluieren so spät, dass sie nicht beobachtet werden. Zur Verbesserung der Stabilität wird ein Formaldehydzusatz zum Eluenten empfohlen.

Die Leitfähigkeitsdetektion bei Einsatz der Suppressor-Technik ist für Sulfid ungeeignet, da im Suppressormodul Kationen gegen Protonen ausgetauscht werden, aus Hydrogencarbonat wird dann Kohlensäure mit geringer Grundleitfähigkeit gebildet und aus den Anionen bilden sich die entsprechenden Säuren. Für Sulfid mit einem pKa von 6,92 für die erste Protolysestufe bildet sich zum größten Teil Schwefelwasserstoff, der auf Grund seiner geringen Leitfähigkeit nicht detektiert werden kann. Hier wird eine amperometrische oder UV-Detektion erforderlich, bei amperometrischer Detektion liegt die Bestimmungsgrenze bei 30 ng/mL und der lineare Bereich endet bei 1000 ng/mL.

Sulfat und Sulfit konnten z. B. mit einem Borat/Carbonat/Ethylendiamin-Eluenten gleichzeitig bestimmt werden. Die Bestimmungsgrenzen liegen für Direktinjektion im ppb-Bereich, der lineare Bereich der Kalibrierung endet hier bei 50 µg/mL. Die nötige Sulfitstabilisierung durch Formaldehyd führt jedoch zu einer Peakverbreiterung [114].

Für stark polarisierbare Anionen wie Thiosulfat mit hoher Affinität und Überlagerung von Adsorptionsphänomenen müssen Austauscher mit geringerer Hydrophobizität eingesetzt werden. Zum Einfluss einer Überladung des Systems konnten keine Aussagen gefunden werden. Man erhält z. T. stark tailende Peaks. Die Bestimmungs-grenze liegt für die Leitfähigkeitsdetektion im mittleren ppb-Bereich. Für die Bestimmung der Polythionate mit hoher Affinität zur stationären Phase scheint die IPC die Methode der Wahl zu sein [114].

In einer anderen Arbeit wurde eine Trennung von Sulfit, Sulfat und Thiosulfat vorgestellt, bei der Sulfit und Sulfat nicht basisliniengetrennt aufeinander folgen und Thiosulfat deutlich später eluiert wird [115].

Bei der Einsäulentechnik werden Anionenaustauscherharze mit niedriger Kapazität und daraus folgend Eluenten meist organischer Säuren mit geringer Leitfähigkeit in relativ kleinen Konzentrationen eingesetzt [104]. Für die Trennung schwefelhaltiger Anionen wurden Methoden mit verschiedensten Eluenten, Säulenmaterialien und Detektionstechniken entwickelt.

Für die Trennung von Sulfid, Sulfit, Sulfat und Thiosulfat wurde z. B. eine Trennung mit Kaliumhydrogenphthalat-Eluent unter Verwendung der Leitfähigkeits- und der indirekten UV-Detektion bei Konzentrationen zwischen 4 mmol/L und 8 mmol/L KHP bei Vergleich von Säulenmaterial auf Kieselgelbasis und auf Polymerharzbasis und pH-Werten zwischen 4,0 und 5,3 bzw. 6,5 untersucht [116]. Bei Einsatz von Säulen mit derivatisierten Kieselgelpartikeln werden z. B. Sulfat und Sulfit ungetrennt vor Thiosulfat und Sulfid eluiert, bei Einsatz von Säulen mit Polymerharzpartikeln verlassen Sulfit und Sulfat die Säule schlecht getrennt mit sehr geringen Retentionszeitdifferenzen, Sulfid wird zuerst eluiert und Thiosulfat zuletzt. Ähnliche Ergebnisse sind auch in einer Arbeit mit Kombination photometrischer und elektrochemischer Detektion zu finden [109].

In anderen Arbeiten gelang die Trennung von Sulfit, Thiosulfat und Tetrathionat sowohl an Hydroxyethyl-Methacrylat-Austauscher als auch an Poly(styrol-divinylbenzol)-trimethylammonium-Austauscher mit Natriumperchlorat als Eluenten, Gradiententechnik und direkter UV-Detektion [117]. Bei Verwendung der Poly(styrol-divinylbenzol)-basierenden Säule konnte z. B. Sulfit nur in Konzentrationen von 1000 µg/mL und bei hohen Salzkonzentrationen (2 mol/L Natriumperchlorat, 1 mol/L Natriumsulfat) oder 80 % n-Propanol-Zusatz detektiert werden.

Untersuchungen zur Trennung verschiedener Anionen ergaben, dass für die Ionen Sulfat und Thiosulfat das relative Verhältnis der Retentionszeiten für verschiedene Kaliumhydrogenphthalat-Konzentrationen nahezu unverändert bleibt und bei steigendem pH-Wert leicht zunimmt [118].

Es wurde eine Methode mit indirekter Detektion bei Verwendung eines Phthalat / Borat- Eluenten von pH 9, die auch zur Trennung von 100 ppm und 10 ppm Sulfat in einer 1 %igen Natriumchloridlösung geeignet ist, entwickelt. Das entspricht einem Verhältnis Chlorid : Sulfat von ca. 1 : 60 bzw. 1 : 600. Der Chlorid-Peak hat hier z. B. eine Basisbreite von etwa 14 min und Sulfat eluiert bei etwa 18 min [119].

Auch Polythionate wurden neben anderen schwefelhaltigen Anionen bestimmt. Es wurden hierbei Methoden mit Citrat als Eluent und einer modifizierten Cer-(IV)-Fluoreszenzdetektion oder Detektion durch DPP nach Sulfitolyse, mit Perchlorat als Eluent und Oxidation der Ionen durch Brom zu Sulfat sowie anschließender Umsetzung mit Fe(III)-perchlorat und photometrischer Detektion entwickelt [120, 121, 122, 123].

Die Peaks sind zum Teil sehr breit und tailend, der Abstand der zeitig eluierenden Ionen ist niedrig, der methodische Aufwand erscheint relativ hoch.

Es existieren eine Reihe von Vorschriften für schwefelhaltige Anionen mit Leitfähig-keitsdetektion, die als Eluenten neben Phthalsäure Lithiumphthalat, Salicylsäure, p-Hydroxybenzoesäure, Natriumoctansulfonat oder Gluconat mit organischen Modifikatoren und zum Teil Antioxidantien verwenden [124, 125, 126, 127, 128, 129, 130]. Die Retentionszeiten von Sulfit und Sulfat liegen immer dicht beieinander, die Auflösung von Sulfat und Thiosulfat ist etwas höher. Eine gleichzeitige Bestimmung von Polythionaten erscheint problematisch, da die Trennung von Trithionat und Thiosulfat meist unzureichend ist und die Bedingungen, die zur Elution höherer Polythionate notwendig sind, die Trennung von Sulfit, Sulfat und Thiosulfat verschlechtern. Es wird auch erkennbar, dass Chlorid, Phosphat und Carbonat, die als Bestandteile der Injektionslösungen vorhanden sein können, besonders mit Sulfit oder Sulfat interferieren und mit annähernd gleichen Retentionszeiten eluiert werden.

Untersuchungen an Thiosulfat-Injektionslösungen führten zu dem Resultat, dass bei Einsatz von p-Hydroxybenzoesäure der Systempeak zwischen Sulfat und Thiosulfat einen Doppelpeak bei Thiosulfat verursacht [13]. Daraufhin wurde ein (vermutlich alkalischer) Benzoat-Eluent verwendet. Hier werden Sulfit und Sulfat ungetrennt vor Thiosulfat eluiert. Tetrathionat konnte hier nicht bestimmt werden, da es die Säule nicht verlässt. Bei weiteren Versuchen wurde die Pufferkonzentration bei längerer Trennsäule verdoppelt, so dass sich die Retentionszeit von Thiosulfat auf 20 min erhöhte. Sulfit und Sulfat blieben auch hier ungetrennt. Für die Bestimmungen von Sulfat neben Thiosulfat wurde daraufhin auf die kürzere Säule zurückgegriffen, wobei Sulfat (mit Sulfit eluierend) und Thiosulfat durch Leitfähigkeitsmessung detektiert wurden. Für Sulfat wurde eine Nachweisgrenze von etwa 0,2 ppm und ein linearer Bereich der Kalibrierung von 0,8 ppm bis 6 ppm gefunden.

Problematisch erscheint hier, dass eine Verfälschung der Ergebnisse durch die gemeinsame Elution von Sulfit und Sulfat erfolgen kann, da Sulfit unstabilisiert sehr schnell zu Sulfat oxidiert wird. Auf Grund der niedrigen Nachweisgrenze und der hohen Empfindlichkeit für Sulfat in der Ionenchromatographie können Konzentrationen des aus Sulfit gebildeten Sulfats die Bestimmung verfälschen. Die Bestimmung von Sulfit, (angegebene Nachweisgrenze 6 ppm) kann somit ebenfalls auf Grund der fehlenden Selektivität der eingesetzten Methode durch eine Oxidation des Sulfits zu Sulfat beeinflusst worden sein.

Für Thiosulfat wurde ein linearer Kalibrierbereich zwischen 150 ppm und 350 ppm angegeben.

Bei der Stabilisierung von Sulfit wird Hydroxymethansulfonat gebildet (LXXV) und (LXXVI) [110]. Untersuchungen zum Einfluss verschiedener Zusätze wie Formaldehyd, Aceton, Alkohole, Glycerol und Saccharide ergaben, dass Formaldehyd im Molverhältnis 1:1 am effektivsten eine Oxidation für mindestens 72 h verhindert [131].

Weiterführende Untersuchungen ergaben bei 5 %igem Formaldehydzusatz nach 14 d eine Oxidation zu Sulfat < 0,1 %, auch eine Katalyse durch Fremdionen konnte unterbunden werden [132].

HCHO + H2O → H2C(OH)2 (LXXV)

H2C(OH)2 + HSO3- H2C(OH)(SO3)^- + H2O (LXXVI)

2.5.2.2 Ionenpaarchromatographie

Durch Zusatz von quaternären Alkylaminverbindungen zur mobilen Phase können Anionen an einer chemisch gebundenen Umkehrphase getrennt werden. Die Grundlagen des Retentionsmechanismus sind nach wie vor nicht vollständig geklärt. Sowohl die Theorie der Bildung neutraler Ionenpaare, die von der unpolaren stationären Phase retardiert werden, als auch die Beschreibung mit dem Modell des dynamischen Ionenaustauschers, bei dem die stationäre Phase durch das zugesetzte Reagenz belegt wird, charakterisieren nur Grenzfälle. Durch Einsatz organischer sowie anorganischer Modifikatoren wie Methanol, Propanol, Acetonitril oder Natriumcarbonat können Retentionszeiten verkürzt und die Peakform verbessert werden [114, 133, 134].

Untersuchungen zur Eignung von Ionenpaarbildnern für schwefelhaltige Ionen kamen zu unterschiedlichen Ergebnissen. Rabin und Stanbury favorisierten Tetrapropylammoniumbromid für die Trennung, Tetraethylammoniumsalze wurden wegen zu niedriger und Tetrabutylammoniumsalze wegen zu hoher Kapazitätsfaktoren als ungeeignet bezeichnet [135]. Weidenauer et al fanden dass Sulfit, Sulfat und Thiosulfat nicht aufgelöst werden, wenn Tetrathionat eluiert werden soll [115]. Bei Verwendung von Tetrabutylammoniumhydroxid müssen Analysenzeiten von 40 Minuten akzeptiert werden, Sulfit, Sulfat und Thiosulfat werden getrennt, die Auflösung entspricht bei Konzentrationen von je 2 ppm jedoch keiner Basislinientrennung.

Auch die Trennungen der Polythionate in den umfangreichen Untersuchungen von Steudel et al basieren auf Eluenten mit Tetrabutylammoniumhydrogenphosphat und vorwiegend Acetonitril [71, 100, 136, 137]. Die Acetonitril-Konzentrationen wurden je nach Trennproblem in Abhängigkeit von der Kettenlänge der Polythionate variiert, z. T.

wurde Methanol, in anderen Methoden Natriumcarbonat zugesetzt. Für höhere Polythionate scheint die Anwendung eines linearen Konzentrationsgradienten mit Reduktion des Ionenpaarbildners geeignet. Für noch höhere Polythionate wurde die Acetonitril-Konzentration erhöht. Thiosulfat wird gefolgt von Tetrathionat, die Auflösung von Tetrathionat und Pentathionat ist teilweise gering, Sulfit und Sulfat wurden nicht bestimmt. Unter veränderten Bedingungen kann auch Trithionat von Thiosulfat getrennt werden. Es wurde bei diesen Untersuchungen das Phänomen der Bildung von Nachbarpeaks bei den Polythionaten auf Grund von Säulenüberladung beobachtet. Ein bedeutender Überschuss eines Anions lag nicht vor.

Ein Versuch, unterschiedliche Polysulfide zu trennen, scheiterte an den bestehenden Gleichgewichten der Polysulfide verschiedener Kettenlänge, sich ineinander umzuwandeln [138]. Die Polysulfide konnten jedoch als ein Peak von HS^- und SO3

2-mit ähnlichem Eluenten wie für die Polythionatbestimmung getrennt werden, lediglich der Acetonitril-Anteil wurde reduziert und der pH-Wert erhöht.

Bei Untersuchungen von Natriumthiosulfat-Injektionslösungen wurde die Trennung an einer RP-18-Phase mit direkter UV-Detektion angewendet [12]. Das Fließmittel setzte sich aus Methanol und einer wässrigen Tetrabutylammoniumhydrogensulfat-Lösung zusammen. Es wird zuerst Sulfit und anschließend Thiosulfat eluiert. Die Begründung, dass Sulfat nicht detektiert werden konnte, da es von der hohen Sulfatkonzentration des Ionenpaarbildners maskiert wird, muss abgelehnt werden, da Sulfat bei λ = 254 nm keine UV-Absorption aufweist und eine Detektion dadurch ausgeschlossen ist. Eine Bestimmung von Sulfit neben Thiosulfat in den Injektionslösungen erfolgte nicht, so dass zum Einfluss des Thiosulfat-Überschusses keine Aussagen gemacht werden können. Für Thiosulfat wurde hier ein Bereich von 100 bis 800 ppm kalibriert.

Auf Grund von Extraktionsversuchen wurde in einer Arbeit Hexamethoniumchlorid als geeigneter Ionenpaarbildner gefunden und untersucht [13]. Sulfit und Thiosulfat wurden unter diesen Bedingungen nicht retardiert. Sulfat konnte auf Grund der fehlenden UV-Absorption nicht bestimmt werden. Tetrathionat wurde früh eluiert. Die Kalibrierung wurde von 1,5 µg/mL bis 6,0 µg/mL durchgeführt. Die dokumentierte Peakhöhe betrug bei der Injektion von 1,5 µg/mL Tetrathionat 0,7 mm. Diese Signalgröße dürfte dem kritischen Messwert entsprechen und stellt in der Konzentrationsdomäne somit die Nachweisgrenze dar. In Injektionslösungen konnten kein Polythionate nachgewiesen werden.

2.5.2.3 Hochleistungsflüssigkeitschromatographie

Die Methoden zur Trennung von Schwefelhomocyclen aus hydrophilen Schwefelsols an RP-18-Phasen mit UV-Detektion wurden durch Steudel et al entwickelt [71, 100, 139, 140]. Der Schwefel wurde durch Kohlenstoffdisulfid oder Cyclohexan extrahiert oder direkt als Sol injiziert. Als Eluent wurden Methanol / Cyclohexan oder reines Methanol eingesetzt, so dass Basislinientrennung der einzelnen Homocyclen erreicht wurde.

Hierbei konnte der Alterungsprozess der Solen mit der einhergehenden Änderung der Zusammensetzung untersucht werden, wobei erwartungsgemäß der Anteil der stabilen Schwefelhomocyclen, vorrangig S8, aber auch S7 und S12, zunahm.