Ionenchromatographie mit gepulster amperometrischer Detektion (IC-PAD)

Wir verwenden die Ionenchromatographie zur Bestimmung von Mineralelementen hauptsächlich aus Bodenwasserproben und von Kohlenhydraten als pflanzliche Stoffwechselprodukte aus Pflanzenmaterial.

Die Bestimmung von Kohlehydraten erfolgt mit Hilfe der Anionenaustausch-Chromatographie. Da die pK-Werte von Zuckern zwischen 12-14 liegen, können diese im stark alkalischen Milieu in die anionische Form überführt und an einem stark basischen Anionenaustauscher in der Hydroxid-Form getrennt werden. Als Elutionsmittel eignet sich Natriumhydroxid im Konzentrationsbereich c = 0.001 und 0.15 mol/L. Den Hydroxid-Ionen kommen dabei zwei Funktionen zu. Sie fungieren einerseits als Eluent-Ionen und bestimmen zum anderen den pH-Wert der mobilen Phase. Eine Änderung der Hydroxidionen-Konzentration in der mobilen Phase hat somit zwei unterschiedliche Auswirkungen auf das Retentionsverhalten der Kohlenhydrate. Während mit steigendem pH-Wert die Dissoziation der Kohlenhydrate und folglich ihre Retention zunimmt, bewirkt die damit verbundene Erhöhung der Eluent-Ionen-Konzentration eine Verringerung der Retention. Solange die Dissoziation der Kohlenhydrate nicht quantitativ ist, kompensieren sich diese beiden Effekte. Bei vollständiger Dissoziation der Kohlenhydrate hat eine weitere Erhöhung der Hydroxidionen-Konzentration lediglich eine Verringerung der Retention zur Folge.

Elution

Beim Herstellen des Natriumhydroxid-Eluenten muss beachtet werden, dass dieser frei von Carbonat ist. Das Carbonat-Ion hat eine sehr viel höhere Elutionskraft als das Hydroxid-Ion, somit führen selbst Spuren von Carbonat im Eluenten zu einer verminderten Auflösung. Der Eluent wird daher kontinuierlich mit Helium gespült.

Eine typische IC Säule ist 250 mm lang und hat einen Durchmesser von 4.6 mm. Die Säulen enthalten den Anionenaustauscher aus pellikularem Latex, worauf sich quartäre Ammoniumgruppen befinden, die als Austauscherplätze für die Anionen dienen. Der Begriff „Austauscher“ rührt daher, dass Ionen sich wiederholt gegenseitig von den Wechselwirkungsplätzen verdrängen. Unter „Latex“ wird hier die kolloidale Lösung von Polymeren, z.B. Polymethacrylatderivaten, verstanden.

Eine Pumpe treibt  den Eluenten (z.B. NaOH 18 mMol) mit einer definierten Flussrate (z.B. 1 mL/min) durch das IC-System, das i.d.R. aus Injektionsventil, Trennsäule und Detektor besteht. Das Injektionsventil enthält die Probenschleife (Volumen 10 -100 µL) mit der zu injizierenden Probe. Das System wird solange mit Eluent gespült, bis es sich im stabilen Gleichgewicht befindet. Erst dann wird das Injektionsventil geschaltet, die Probenschleife vom Eluenten durchspült und die Probe auf die Trennsäule aufgebracht.

Retention

Die einzelnen Anionen werden aufgrund unterschiedlich starker Wechselwirkungen mit der Trennsäule auf dieser unterschiedlich lange zurückgehalten. Dieser Vorgang heisst Retention. Die getrennten Ionen unterscheiden sich folglich durch ihre Retentionszeiten. Die aufgetrennten Ionen werden einem Detektor zugeführt, wo sie ein zeitabhängiges Signal (Peak) auslösen. Wird der Verlauf Signalintensität / Zeit in einem xy-Diagramm visualisiert, ergibt sich das entsprechende Chromatogramm, das zur Auswertung der Messung herangezogen wird.

Die qualitative Analyse erfolgt durch Vergleich der Retentionszeiten, die quantitative Auswertung erfolgt durch Vergleich der Peakflächen (ggf. auch der Peakhöhen) mit Standardlösungen bekannter Zusammensetzung.

Detektion

Die Detektion der Kohlenhydrate erfolgt mittels gepulster Amperometrie. Die Messzelle besteht aus Arbeitselektrode, Referenzelektrode und Gegenelektrode. Passiert eine elektroaktive Substanz (z.B. ein Kohlenhydrat-Anion) die Durchflusszelle, so wird das Anion  oxidiert. Es wird ein anodischer Strom erzeugt, der der Konzentration der Kohlenhydrat-Spezies proportional ist und daher als Chromatogramm dargestellt werden kann. Um zu vermeiden, dass es zu Ablagerungen der oxidierten Spezies auf der Elektroden-Oberfläche kommt, werden rasch wechselnde Arbeitspotentiale angelegt und so mögliche Reaktions-produkte von der Elektrodenoberfläche entfernt.