12 Vergleich unterschiedlicher Latexsäulentypen
12.2 Trenncharakteristika
12.2.5 Langzeitstabilität
Säulen für die Ionenchromatographie sind in vielfältigen Ausfertigungen kommerziell erhältlich. Neben der Anforderung, hohe Trennleistungen und geeignete Selektivitäten zu erzielen, müssen die Säulen unter Beweis stellen, dass sie für ausreichend lange Zeit reproduzierbare Ergebnisse liefern. Vor allem im Bereich der Routineanalytik müssen die Phasen erhöhtem Probenaufkommen gewachsen sein, ohne signifikante Leistungseinbußen
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innerhalb der Messreihen zu zeigen. Aus diesem Grund wurden drei unterschiedliche Säulen einem Stabilitätstest unterzogen, indem die Trennleistungsdaten und Retentionszeiten über einen längeren Zeitraum gesammelt wurden. Die Daten wurden für Chlorid, Nitrat und Sulfat ausgewertet, um jeweils einen Stellvertreter für mittelpolare, unpolare und hochgeladenen, polare Anionen darzustellen.
VBC-DVB-Latexsäule L180102 DMEA
Die VBC-DVB-Latexsäule L180102 DMEA wurde von Studenten des Anorganisch-Analytischen-Grundpraktikums im Rahmen eines Praktikumsversuchs von Sommersemester 2002 bis Sommersemester 2004 eingesetzt.
0 1 2 3 4 5 6 7
0 2000 4000 6000 8000
t [min]
k'
Chlorid Nitrat Sulfat
0 10000 20000 30000 40000 50000
0 2000 4000 6000 8000
t [min]
N[Tp/m]
Chlorid Nitrat Sulfat
Abbildung 12-14: Stabilitätstest an VBC-DVB Latexsäule L180102 DMEA; Eluent: 15 mmol/L NaHCO3, 7.5 mmol/L Na2CO3, 0.01 mmol/L HClO4, bei t>5000 min: 15 mmol/L NaHCO3, 4.5 mmol/L Na2CO3, 0.01 mmol/L HClO4
Die Retentionszeiten und Trennleistungen sind nicht über den gesamten Zeitraum konstant, sondern weisen drei Bereiche auf. Diese erstrecken sich von 0 bis 2200 min, von 2200 bis 5000 min und von 5000 bis 8000 min. Innerhalb dieser Abschnitte ist die Retentionszeit und Trennleistung der Analyten weitgehend konstant. Die Auftrennung in drei Abschnitte erfolgt dadurch, dass der Eluent jeweils zum Semesterstart leicht modifiziert wurde, um die Trennung zu optimieren. Die Gesamtlaufzeit von 8000 min entspricht einer Anzahl von ca.
1200 Injektionen bei Chromatogrammlaufzeiten von 6-7 min, was den Anforderungen an eine kommerzielle Säule nahe kommt.
VBC-DVB-Latexsäulen sind durch den Einsatz eines Styrol-ähnlichen Grundmaterials und gleichartigem Latex chemisch sehr stabil. Die Säule L180102 DMEA wird derzeit (Wintersemester 04/05) noch im Praktikum eingesetzt und zeigt keinen signifikanten Retentions- oder Trennleistungsverlust.
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GMA-EGDMA-Latexsäule M191102 EDMA
Die getestete GMA-EGDMA-Latexsäule durchlief folgenden Stabilitätstest. Es wurde wiederholt eine Probenfolge von 3 Blindproben, Einzelstandards der 8 Anionen, sowie 3 unterschiedliche Mischungen der Anionen injiziert. Ein Messzyklus bestand aus 14 Injektionen mit einer durchschnittlichen Laufzeit von 30 min. Somit hatte ein Zyklus die Gesamtdauer von 420 min oder 7 h. Die Gesamtzahl der Injektionen beträgt 406.
0 2 4 6 8 10 12 14
0 4000 8000 12000
t [min]
k'
Chlorid Nitrat Sulfat
0 20000 40000 60000 80000 100000
0 4000 8000 12000
t [min]
NCl [Tp/m]
1. mal in Flussrichtung 1. mal gegen Flussrichtung 2. mal in Flussrichtung 2. mal gegen Flussrichtung
Abbildung 12-15: Stabilitätstest GMA-EGDMA Latexsäule M191102 EDMA; Eluent: 7.5 mmol/L Na2CO3
Die Retentionszeit für die drei untersuchten Anionen blieb während des Untersuchungszeitraumes konstant. Somit verlor die Säule keinerlei Kapazität. Negativ ist anzumerken, dass die Trennsäule stark an Trennleistung einbüßt. In Abbildung 12-15-rechts ist der Trennleistungsverlust exemplarisch an Chlorid dargestellt. Bereits nach 3000 min ist ein rapider Abfall der Säuleneffizienz zu beobachten.
Nach 5000 min wurde die Säule entgegen der ursprünglichen Flussrichtung eingebaut, woraufhin die Trennleistung sogar über den Anfangswert stieg. Einige Messreihen später sank die Effizienz wieder auf einen Wert unter 20000 Tp/m. Nach erneutem Drehen der Säule verkürzten sich die trennleistungsstarken Zyklen immer weiter. Da die Retentionszeiten weitgehend stabil blieben, ist der Trennleistungsverlust hauptsächlich auf eine mechanische Schädigung des Materials zurückzuführen. Als Ursache kann der hohe Staudruck der Säule genannt werden (Vgl. Tabelle 12-5).
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THFMA-EGDMA-Latexsäule TL120204 DMEA
Bis zu einer Laufzeit von 2500 min wurde der gleiche Messzyklus wie bei der GMA-EGDMA-Säule durchlaufen. Danach wurde die Multi-Standardprobe in kürzeren Abständen an einem anderen Chromatographiesystem injiziert.
0 5 10 15 20
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 t [min]
k'
Chlorid (System 1) Chlorid (System 2) Nitrat (System 1) Nitrat (System 2) Sulfat (System 1) Sulfat (System 2)
0 10000 20000 30000 40000
0 1000 2000 3000
t [min]
NCl [Tp/m]
System 1 System 2
Abbildung 12-16: Stabilitätstest THFMA-EGDMA Latexsäule TL120204 DMEA; Eluent: 7.5 mmol/L Na2CO3; System 1: 761 Compact IC (Metrohm); System 2: modulare IC, 732 Detektor (Metrohm)
Die Ergebnisse des Stabilitätstests für die THFMA-EGDMA-Säule sind prinzipiell die gleichen wie die für oben erwähnte GMA-EGDMA-Säulen. Nach einer Laufzeit von 2500 min verliert die Säule stark an Trennleistung. Im Gegensatz zur GMA-EGDMA-Säule konnte durch den Einbau entgegengesetzt zur ursprünglichen Flussrichtung die Trennleistung dieser Säule nicht wiederhergestellt werden.
Nach der Fertigstellung der Messreihe wurde die stationäre Phase aus dem Säulenkörper entfernt, wobei am Säuleneingang ein Totvolumen mit einer Trennstreckenlänge von ca.
5 mm zum Vorschein kam.
Der auf den Säulen lastende Druck kann dazu führen, dass die Phase mit der Zeit in der Säule zusammensackt. Dadurch entsteht am Säulenanfang ein Totvolumen, welches zur Bandenverbreiterung der Signale führt. Außerdem ist oftmals ein stetig steigender Betriebsdruck für die Säule zu verzeichnen.
Des Weiteren kann ein hoher Betriebsdruck in Kombination mit Druckschwankungen dazu führen, dass sich Kanäle oder Risse innerhalb der stationären Phase bilden. Die Folge sind zusätzliche Weglängenunterschiede, die die Effizienz der Säule verschlechtern. Im Chromatogramm ist dies durch die Bildung so genannter Doppelpeaks zu erkennen. Das Analytsignal besteht dann nicht mehr aus einer einzigen Bande, sondern erscheint als zwei nicht aufgelöste Peaks.
Neben den mechanischen Belastungen kann die chemische Umgebung, in der die Säule betrieben wird, dazu führen, dass diese nach gewisser Zeit nicht mehr einsetzbar ist. Sind die
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Materialien auf Styrol-Basis chemisch sehr inert, so ist der Einsatz von Methacrylat-Säulen bei hohen pH-Werten oft problematisch. Da vornehmlich basische Eluenten in der suppressierten Anionenchromatographie zum Einsatz kommen, beobachtet man oftmals einen Rückgang der Säulenkapazität bei oberflächenfunktionalisierten Methacrylat-Säulen [70]. Eine dafür verantwortliche chemische Reaktion ist die basische Esterhydrolyse. Sie überführt die Estergruppe des Methacrylats in die entsprechende Säure und einen Alkohol, der die funktionelle Gruppe (R2) trägt.
O R2 O
R1
O R2 O
-R1 OH
-O R2
O
R1
O H +
HO R2 O
R1
O- + OH
-Abbildung 12-17: basische Esterhydrolyse [119]
Des Weiteren ist die Hofmann-Eliminierung fähig, die Kapazität der Säule zu veringern.
Hierbei wird nicht die Monomereinheit im Gerüst des Polymers zerstört, sondern die funktionelle Gruppe aus dem System entfernt [120].
O R1
O NR3
H
O R1
O
+ H2O + NR3 OH
-Abbildung 12-18: Hofmann Eliminierung [91]
Die Eluenten haben im Vergleich zu den Reagenzien in der organischen Synthese relativ geringe Konzentrationen. Trotzdem können die genannten Abbaureaktionen schnell ablaufen, da stetig Ungleichgewichtsbedingungen vorliegen. Die Konzentration des Reaktanden (nämlich des Eluenten) nimmt während der gesamten Zeit nicht ab, während die Reaktionsprodukte von der Phase gewaschen werden.
Die Zerstörung der stationären Phase durch chemischen Abbau kann bei den hier untersuchten Säulen weitgehend ausgeschlossen werden, da bei keiner der Säulen ein signifikanter Retentionsverlust zu verzeichnen gewesen ist.
Auch von Proben kann die Gefahr einer Schädigung der stationären Phase auftreten. In Matrices mit hohen Anteilen ein- oder mehrfach geladener Kationen (Ca2+, Mg2+, Ba2+, Na+) ist eine Verdrängung der funktionellen Latexpartikel von der stationären Phase möglich[121].
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Da auch dieser Effekt mit einer Abnahme der Retention einhergeht, kann dies nicht die Ursache für die beschriebenen Befunde sein.
Die mechanische Schädigung, hervorgerufen durch zu hohen Staudruck, ist der Grund für den Trennleistungsverlust an den hier untersuchten MA-Latexsäulen. Es müssen daher Wege erarbeitet werden, die Latexagglomerate zuverlässig zu entfernen oder zu zerstören.
Eine IC-Säule ist kein Produkt, was ewig hält. Die stetige mechanische Belastung des Materials und die nicht pH-neutralen Betriebsbedingungen führen bei den meisten Materialien zu Trennleistungsverlusten. Hersteller streben als Lebensdauer für ihre Säulen 1500-2000 [122]
Injektionen an, was im Rahmen dieser Untersuchungen nur die dargestellten VBC-DVB-Säulen leisten.
13 Einsatz eines kommerziellen organischen Polykations… 161