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Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Analytik organischer Verbindungen
Organische
Wasserinhaltsstoffe
Organische
Komplexbildner
Kohlenwasserstoffe
LHKW
Phenole
PSMBP
Tenside
PAKHuminstoffe
N-Organika
Chlorbenzole/
-phenole
Aromatische
Sulfonsäuren
S-Organika
PCB
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Analytik organischer Verbindungen
Erfassung aller einzelnen organischen Komponenten in einem Wasser nicht möglich
Analytik organischer Verbindungen
Organische Wasserinhaltsstoffe – gekennzeichnet durch hohe Vielfalt,
Wirksamkeit in stark verschiedenen Konzentrationsbereichen, rasche
Veränderlichkeit, weiter Bereich der Molmasseverteilung
Organische Inhaltsstoffe
natürlich vorkommend anthropogen vorkommend
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Analytik organischer Verbindungen
Eintragsmöglichkeiten anthropogener organischer
Stoffe in Oberflächenwässer
Oberflächenwasser
Abwasser (häuslich,
gewerblich, Industrie,
Landwirtschaft)
Straßenschmutz
SchiffsverkehrBadebetrieb
Grundwasser (Versicke-
rung von Einträgen der
Landwirtschaft
Abschwemmungen
Boden (Pflanzen-
schutzmittel, Dünger)
Niederschlag
(gelöste Abgase, Staub)
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Genormte Analysenverfahren: Deutsche Einheitsverfahren zur
Wasser-, Abwasser- und Schlamm-Untersuchung*
*ISBN-10: 3-527-19010-4 ISBN-13: 978-3-527-19010-2 - Wiley-VCH, Weinheim
organische Stoffe - F Gemeinsam erfassbare Stoffgruppen und
P Einzelkomponenten:
Organochlorinsektizide, Polychlorbiphenyle, Chlorbenzole; schwerflüchtige
Halogenkohlenwasserstoffe und Organochlorpestizide; polychlorierte Biphenyle; PAK;
leichtflüchtige halogenierte Kohlenwasserstoffe; organische Stickstoff- und
Phosphorverbindungen; Benzol und Derivate; organische Pflanzenbehandlungsmittel;
Organozinnverbindungen; Phenoxyalkancarbonsäuren; Chlorphenole; nitroaromatische
Verbindungen; monocyclische aromatische Kohlenwasserstoffe, Naphthalin und chlorierte
Substanzen; Explosivstoffe und verwandte Verbindungen; Glyphosat und
Aminomethylphosphonsäure; Nitrophenole; Organophosphorverbindungen;
Halogenessigsäuren; Phthalate; Microcystine; Trihalogenmethane; Alkylphenole; polychlorierte
Dibenzodioxine und Dibenzofurane; Pflanzenbehandlungsmittel, Biozide und Abbauprodukte;
Kohlenstoffdisulfid; Vinylchlorid; EDTA und NTA; Acrylamid; Epichlorhydrin; Komplexbildner …
Analysenmethoden:
Flüssig-Flüssig-Extraktion; Festphasenextraktion; Headspace; Purge and Trap;
Festphasenmikroextraktion;
Gaschromatographie, Flüssigchromatographie; (Dünnschichtchromatographie;
Polarographie)
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Eigenschaften Zielanalyten
Flüchtigkeit
Po
lari
tät
leichtflüchtig
mittelflüchtig
wenig flüchtig,
lipophil
wenig flüchtig,
amphiphil
wenig flüchtig,
hydrophil
nach C. ZWIENER, Karlsruhe
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Stoffbeispiele
Flüchtigkeit
Po
lari
tät
MTBE
EDTA, NTA
Pestizide
PFT
Benzotriazole,
Benzothiazole
Arzneimittel,
AntibiotikaBTEX
Röntgenkon-
trastmittelTenside
THM
PAK
Organochlorpestizide
nach C. ZWIENER, Karlsruhe
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Auswahl der Analysenmethode (grobe Orientierung)
Flüchtigkeit
Po
lari
tät
Gaschromatographie
Flüssigchromatographie
nach C. ZWIENER, Karlsruhe
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Chromatographie
Chromatographische Analysenverfahren =
physikalisch-chemische Trennmethoden
notwendig:
1. Abtrennung störender Begleitstoffe
2. Erfassung möglichst vieler Stoffe in einem Trennungsgang
Einteilung Trennmethoden:
Trennung
mit Phasenumwandlung ohne Phasenumwandlung
mit chemischer
Reaktion
ohne chemische
Reaktion
- Fällung
- Elektrolyse
- Destillation
- Kondensation
- Sublimation
mit Hilfsphase ohne Hilfsphase
- Extraktion
- Ionenaustausch
- Chromatographie
- Sedimentation
- Zentrifugation
- Elektrophorese
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Systematisierung:
Trennung durch unterschiedliche
Verteilung zwischen zwei
nichtmischbaren Phasen
Ziel Chromatographie:
- möglichst vollständige Trennung der einzelnen
Komponenten
- Ausnutzung unterschiedlicher Stoffeigenschaften (z. B.
Polarität, Ladung, Molekülgröße, funktionelle Gruppen …)
Trennung durch unterschiedliche
Wanderungsgeschwindigkeit in
einer Phase
Chromatographie
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Chromatographie
Chromatographie
Definition:
- … ist ein Trennprozess, bei dem ein Probegemisch zwischen zwei
nichtmischbaren Phasen verteilt wird.
- Verteilung erfolgt zwischen einer ruhenden (stationären) und einer
sich bewegenden (mobilen) Hilfsphase
Allgemeine Kennzeichen:
- schonende Arbeitsweise
- stets Kopplung Trennung – Detektion
- qualitative/quantitative Aussagen
Systematisierung nach:
- Aggregatzustand mobile Phase
- Trennungsmechanismen
- Ausführungstechniken
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Chromatographie
Arbeitsweise mit zwei Hilfsphasen (Teil 1)
Gefäß-Nr.: 1 2 3 4 n - 1 n
Ausgangszustand
1. Wiederholung
2. Wiederholung
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Chromatographie
Arbeitsweise mit zwei Hilfsphasen (Teil 2)
Gefäß-Nr.: 1 2 3 4 n - 1 n
n – 2. Wiederholung
n - 1. Wiederholung
n - te Wiederholung
n + 1. Wiederholung
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Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
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Chromatographie
Chromatographie
Aspekte:
- wichtig: Verteilungskoeffizienten der zu trennenden Stoffe
- im Laufe des Trennbettes: Einstellung immer neuer Gleichgewichte
- Strecke in der sich Gleichgewicht einstellt: theoretische Trennstufe
- Ziel: System mit hoher Trennstufenzahl
- somit lange Säule günstig, aber Bandenverbreiterung
- Abbildung des Trennergebnisses: Chromatogramm
Ursachen Bandenverbreiterung:
- Streudiffusion (EDDY-Diffusion)
- Strömungsverteilung (laminar)
- Längsdiffusion
- Stoffaustauschphänomene
- Abhängigkeit Trennstufenhöhe von Fließgeschwindigkeit, graphische
Darstellung: VAN DEEMTER-Kurve
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Chromatographie
2
1
3
4
Voptim
Van-Deemter-Kurve
Lineare Fließgeschwindigkeit v
Tre
nn
stu
fen
hö
he H
1 EDDY-Diffusion + Strömungsverteilung
2 Längsdiffusion
3 Stoffaustauschphänomene
4 Resultierende Kurve
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http://www.uni-mainz.de/FB/Chemie/AK-Heumann/
Van-Deemter-Kurve: Einfluss Partikeldurchmesser (gepackte Säulen)
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Van-Deemter-Kurve / Bandenverbreiterung:
Schlussfolgerungen für LC
Regel 1: Packungsmaterial mit möglichst homogener Korngrößenverteilung
verwenden
Regel 2: Strömungsgeschwindigkeit mobile Phase so wählen, dass
Längsdiffusion keine Rolle spielt
Regel 3: stationäre Phase – möglichst kleine Teilchen bzw. Teilchen mit
dünner poröser Oberflächenschicht
Regel 4: Lösungsmittel mit kleiner Viskosität einsetzen
Regel 5: hohe Analysengeschwindigkeit gehen auf Kosten der Auflösung
und umgekehrt
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Chromatographie
t‘R2
Signal
Zeit
t‘R1
t0
tR1
tR2
w1 w2
Komponente 1 Komponente 2
Probenaufgabe
Das Chromatogramm und seine Kenngrößen
w Basisbreite eines Peaks
t0 Totzeit der Trennsäule: die
Zeit, die die mobile Phase
benötigt, um durch die
Trennsäule zu wandern
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Chromatographie
Das Chromatogramm und dessen Aussagen
- Erfassung der getrennten Substanzen mittels Detektor
- Einzelsignal: Peak, Gesamtheit: Chromatogramm
- Idealform eines Peaks: Gaußkurve
- jeder Peak ist charakterisiert durch Retentionszeit, Peakhöhe bzw. –fläche
Qualitative Messung
- Retentionszeit für jede Substanz bei konstanten chromatographischen Bedingungen
charakteristisch
- Faktoren, welche die Retentionszeit beeinflussen:
• Trennsäule
• Laufmittel
• Fließgeschwindigkeit
• Probengröße
• Temperatur
- Identifizierung: Vergleich Retentionszeit Probenpeak – Peak Reinsubstanz (Standard)
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Chromatographie
Das Chromatogramm und dessen Aussagen
- bei Übereinstimmung kann Probenpeak gesuchte Substanz sein
- höhere Sicherheit durch:
• Aufstockungsverfahren
• Überprüfung mit anderen Trennsäule
• präparative Isolierung und Untersuchung mit zusätzlichen anderen Verfahren
(MS, IR, NMR)
• spezielle Detektoren (charakteristische Signalverhältnisse)
• parallele Anwendung einer anderen Methode
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Chromatographie
Quantitative Messung
- Proportionalität Stoffkonzentration – Peakfläche (bzw. Peakhöhe)
- vorher mit verschiedenen Lösungen bekannter Konzentration (Standards) Kalibrierung
erstellen
- Fläche mittels Integratoren/Rechnern ermittelt
- früher:
• Wägemethode
• Millimeterpapier auszählen
• Bestimmung mittels Planimetrie
• Näherung: Halbwertsbreite mal Höhe
• Näherung: Höhe mal Gesamtretentionszeit
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Chromatographie – Kalibrierung
Arten der Kalibrierung
I. Externe Kalibrierung (Methode des äußeren Standards)
- im Vorfeld der Probenanalytik wird mit Hilfe von verschiedenen Lösungen
exakt definierter Konzentration eine Kalibrierfunktion (i. a. linear) erstellt
(Stoffgemisch)
- bei neuen Methoden Kalibriervorschrift beachten (Arbeitsbereich an Problem
anpassen, 10-Punkte, äquidistant, statistische Kontrolle: Linearität und
Varianzhomogenität, Wiederholbarkeit, über Gesamtverfahren)
- Routineanalytik: weniger Punkte, zwischen den Proben Standards ermitteln,
Rekalibration
II. Interne Kalibrierung (Methode des inneren Standards)
- extern: Nachteil Schwankungen (z. B. Ursache Detektor), besonders GC
- Zugabe eines zusätzlichen Standards, der alle Prozesse (auch Störungen) mit
durchläuft, Standard wird jeder Probe zu Beginn der Analyse zugegeben
- im Vorfeld: Ermittlung einer Kalibrierkurve
- Messsignale werden immer auf diesen Standard bezogen
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Chromatographie – Kalibrierung
Arten der Kalibrierung
Anforderungen interner Standard:
- nicht in Probe enthalten
- möglichst ähnliche Eigenschaften wie Analyten
- ähnliche Retentionszeit wie Analyten
- Konzentration im Bereich Analyten
III. Standardaddition (Aufstockungsverfahren)
- Problem: Matrixeinfluss auf Retentionszeit und Messsignal (Peakfläche)
- Ausweg: Zugabe der Kalibrierlösung zur Probe
- mehrere Kalibrierpunkte + Originalprobe – rechnerische oder graphische
Ermittlung der Probenkonzentration
- Vorteile:
• Berücksichtigung von Matrixeinfluss
• Zuordnung/Identifizierung von Peaks
• Erkennen von Störungen
- Nachteile: zeit- und arbeitsaufwendig, da für jede Probe mindestens 6
Bestimmungen erforderlich sind
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Chromatographie
Wichtige Formeln in der Chromatographie
Verteilungskoeffizient
Kapazitätsfaktor
Trennfaktor (relative Retention)
mob
statX
c
cK
mob
statX
n
nk '
0
0
0
''
t
tt
t
tk RR
X
mob
stat
V
VKk '
1
2
01
02
1
2
'
'
K
K
tt
tt
k
k
R
R
(mit k‘2 > k‘1)(= Maß für Fähigkeit des chrom. Systems,
zwei Stoffe zu trennen; Beeinflussung
durch Wahl stat./mob. Phase)
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Auflösung zweier Peaks
- Trennvermögen einer Säule bezüglich zweier Stoffe
- R = 2
Chromatographie
Differenz der Retentionszeiten
Summe der Basisbreiten
Auflösung zweier benachbarter Peaks21
122
RR tt
R
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Chromatographie
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Chromatographie
Wichtige Formeln in der Chromatographie
Trennstufenzahl
Trennstufenhöhe
Beeinflussung der Auflösung
22
21
2
24,516
A
thttN
RpRR
N
LH
'1
'1
4
1
k
kNR
2
''' 21 kk
k
mit
Abhängig von Trennstufenzahl eines chromatographischen Systems
Verbesserung durch:
- k‘: Änderung der Stärke der mobilen Phase
- N: Verwendung längerer / besserer Säulen; Fließgeschwindigkeit
optimieren
- α: Änderung - Art Trennmechanismus, chromatographische System
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Peakkapazität
max'1ln4
1 kN
n -Leistungsfähigkeit Trennsystem
-Zahl getrennter Peaks (Auflösung 1)
innerhalb eines vorgegebenen k‘-Wertes
Beispiel:
Trennstufenzahl: 10.000
Totzeit: 1 min
… 41 Komponenten (Peaks) können innerhalb von 5 min mit einer Auflösung
von 1 getrennt werden
Lineare Geschwindigkeit des Lösungsmittels0t
Lu
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Chromatographie
Zulässige Kapillarlänge lK, welche einen Peak um nicht mehr als 5 %
verbreitert:
NdV
DVl
k
mRK
4
2101064,7
VR: Retentionsvolumen in mL
Dm: Diffusionskoeffizient der Probe in m2/s
: Volumenstrom der mobilen Phase in mL/min
dK: Innendurchmesser in mm
N: Trennstufenzahl der Säule
V
TotvolumenBereich zwischen Probenaufgabe und Säule bzw. Säule und Detektor möglichst minimal
halten, sonst Bandenverbreiterung, schlechte Auflösung
Beispiel:
Volumenstrom: 1 mL/min
Rt: 3 min
Bodenzahl: 10.000
dK : 0,25 mm
Dm (Nitrobenzol
in Hexan): 3,8 10-9m²/s
Retentionsvolumen?
VR= · RtV
… lK = 67 cm
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Chromatographie
a0,1 b0,1 0,1 h
h
Asymmetrischer Peak:
Peaksymmetrieideale Peakform: Gaußkurve
Praxis: fast immer geringe Abweichungen
starke Asymmetrie (Fronting, Tailing) verursacht durch Fehler
Tailing (Fronting)
1,0
1,0
a
bT < 2,5
Ursachen:- schlechte Säulenpackung
- Totvolumen System
- Überladung
- Unverträglichkeit
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Van-Deemter-Gleichung
- Beziehung, welche die Trennleistung eines chromatographischen Systems
(ausgedrückt als Bodenhöhe H) in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit u
der mobilen Phase beschreibt
- Gleichung berücksichtigt Diffusions- und Massentransfereffekte
uCu
BAH
uD
dKu
D
dK
u
DdH
M
f
S
PMP
2
22
122
λ: Konstante, die Partikelform und die Homogenität der Packung wiedergibt
dP: Partikeldurchmesser
DM: Diffusionkoeffizient in der mobilen Phase
DS: Diffusionskoeffizient in der stationären Phase
Ψ: Korrekturfaktor, der Freiräume zwischen den Partikeln wiedergibt
df: Dicke des Flüssigkeitsfilmes
K1 & K2: Korrekturfaktoren, die die Geometrie der Säule und die Säulenkapazität wiedergibt
Längstdiffusion
Streudiffusion
Strömungsverteilung
Stoffaustausch (Massentransfer)
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Hochleistungsflüssigkeitschromatographie
Auswerte-
einheit
Trennsäule
Probeneingabe/ Reodyne
(+ Autosampler)Pumpe(n)
Säulen-
thermostat
Druckgasflasche
(Trägergas)
Detektor
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Chromatographie – HPLC
HPLC (High Performance Liquid Chromatographie)
Physikalisch-chemische Prozesse:
- Adsorption
- Verteilung
- Siebeffekte
- Ionenaustauschvorgänge
- selektive Bindungen
LC-Formen:
- Adsorptionschromatographie - Mixed-Mode-LC
- Verteilungschromatographie - HILIC-LC
- Umkehrphasenchromatographie
- Ionenaustauschchromatographie
- Ionenpaarchromatographie
- Größenausschlusschromatographie
- Affinitätschromatographie
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Chromatographie – HPLC
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Chromatographie – HPLC
Trennleistung/Selektivität
der Trennsäule
Empfindlichkeit/Selektivität
des Detektors
bestimmen
Leistungsfähigkeit der HPLC
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Chromatographie – HPLC
Laufmittel in der HPLC:
- Anforderungen:
• niedrige Viskosität
• gute UV-Durchlässigkeit
• Brechungsindexunterschied zur Probe
• Mischbarkeit mit anderen Laufmitteln
• Siedepunkt beachten
• hohe Reinheit (problemangepasst)
• inert bezüglich Probesubstanzen, Leitungssytemen
• möglichst geringe Toxizität, niedriger Preis
• ohne Luftanteil
• schwebstofffrei
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Chromatographie – HPLC
Elutionskraft ε0 verschiedener Lösungsmittel
Lösungsmittel Al2O3 -SiO3 MgO Florisil
Pentan
Hexan
Cyclohexan
Tetrachlormethan
Diisopropylether
Benzol
Diethylether
Chloroform
Dichlormethan
Aceton
1,4-Dioxan
Essigsäureethylester
Acetonitril
Pyridin
Ethanol
Methanol
Wasser
0,00
0,01
0,04
0,18
0,28
0,32
0,38
0,40
0,42
0,56
0,56
0,58
0,65
0,71
0,88
0,95
sehr groß
0,00
0,03
0,03
0,11
0,21
0,25
0,38
0,26
0,32
0,47
0,49
0,38
0,50
0,73
0,00
-
0,06
0,16
-
0,22
0,21
0,26
0,26
0,50
-
-
-
> 0,7
0,00
-
-
0,04
-
0,17
0,30
0,19
0,23
-
-
-
-
-
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Chromatographie – HPLC
Arbeitsweise HPLC
isokratisch
die Eigenschaften der mobilen
Phase bleiben während der
Analyse konstant
Gradient
Laufmitteleigenschaften werden
während des
chromatographischen Vorgangs
kontinuierlich verändert
Vorteile:
- Reduzierung Analysenzeit und Laufmittelmenge
- nach Optimierung Gradient Multikomponentenanalyse möglich
- Reduzierung Bandenverbreiterung
- Verbesserung Peakform
Probleme:
- Basisliniendrift
- zusätzliches Zurückfahren und Equilibrieren
- hohe Reinheitsanforderungen an Laufmittel
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Chromatographie – HPLC
Vergleich von isokratischer und
Gradientenelution
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Niederdruck-Gradient Hochdruck-Gradient
Vorteile - konstante Flussrate
- Anschluss beliebig vieler
Vorratssysteme
- geringerer apparativer
Aufwand
- preiswerter
- einfache Bedienung
- flexibel
- automatisierbar
- kurze Ansprechzeiten
- exaktere Mischungsverhältnisse
Nachteile - Abweichungen im
Mischungsverhältnis durch
verzögerte
Ansaugphase/Totvolumen der
Pumpe (unterschiedliche
Kompressibilität der
Lösungsmittel;
Volumenkontraktion beim
Mischen)
- Flussrate ist von der Volumenkontraktion
abhängig
- teurer
- hoher apparativer Aufwand (pro
Lösungsmittel separate Hochdruckpumpe;
Ultraschallschwinger zum Mischen unter
hohem Druck)
- Mischgenauigkeit sinkt bei kleinen
Flussraten/niedrigen
Mischungsverhältnissen
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Chromatographie – HPLC
Pumpe- Erzeugung hoher Drücke (geringe Teilchendurchmesser) und
konstanter Fördergeschwindigkeiten
- weiterhin gut durchspülbar, korrosionsbeständig,
wartungsarm, keine Erwärmung beim Betrieb, geräuscharm
Probenaufgabe:- Probe soll als unendlich kleines Volumen in Mitte des
Säulenanfangs platziert werden
- Dosierschlaufen vorteilhafter als Septumeinlass
- diese mit Überlauf füllen
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Chromatographie – HPLC
Reodyne-Ventile
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U(H)PLC - Ultra (High) Performance Chromatographie
Kennzeichen: stationäre Phase – kleine Teilchendurchmesser + vergleichsweise
hoher Fluss, resultierend daraus: hoher Druck (bis 1500 bar)
Vorteile: - höhere Flexibilität / mehr Möglichkeiten um Selektivität zu verbessern
(Nutzung Methanol, Flusserhöhung, Einsatz dünner/langer Säulen)
- deutliche Erhöhung von Bodenzahl / Peakkapazität kann erreicht werden
- Materialien mit ≤ 2 µm – sehre gutes
Bodenzahl/Retentionszeitverhältnis, gute Auflösung in kurzer Zeit,
geringerer Lösungsmittelverbrauch, schnellere Analysen
- kleinere Totvolumina, kleinere Peakvolumina, Verbesserung
Empfindlichkeit
Nachteile: - größerer Aufwand bei Probenvorbereitung
-teilweise schlechtere Reproduzierbarkeiten (bei wechselnder
Randbedingungen)
- Schwierigkeiten beim Methodentransfer
- deutlich höherer technischer Aufwand (Kosten, Verschleiß)
- mehr Sorgfalt beim Handling notwendig
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Chromatographie – HPLC
Signal
Signal
Rauschpegel
Drift
t
h
Zeit t
h
Licht
Detektor
Detektion in der Chromatographie
Detektorrauschen und Drift
Durchflusszelle eines
UV/VIS-Detektors
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Chromatographie – HPLC
HPLC-Detektoren
Aufgabe:
- Nachweis der getrennten Analyten durch kontinuierliche
Messung physikalischer Größen
- erfassen Änderungen der Zusammensetzung der mobilen
Phasen und Umwandlung in elektrische Signale
Anforderungen:
- hohe Empfindlichkeit
- geringe Drift/Rauschen
- unempfindlich bei Temperaturänderungen
- unempfindlich bei Änderung Lösungsmittelzusammensetzung
- kleines Zellvolumen
- schnelle Ansprechzeit
- hohe lineare Proportionalität Signal – Stoffmenge
- leicht bedienbar, robust, preiswert
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Chromatographie - HPLC
HPLC-Detektoren I
UV-Detektor:
- Absorptionsmessung des in Probe eingebrachten Lichtes (LAMBERT-BEER)
- relativ hohe Empfindlichkeit
- für die meisten Wasserschadstoffe einsetzbar
- kleines Zellvolumen möglich
- Gradiententechnik i.Allg. anwendbar
- großer linearer Bereich
- Nachteil: Analyten müssen ähnliche Lage Absorptionsmaxima aufweisen
(Ausweg: programmierbarer UV-Detektor, DAD)
Diodenarraydetektor:
- Spezialform des UVD
- Messung Lichtabsorption durch größere Anzahl kleiner Photodioden
- Absorption bei verschiedenen Wellenlängen innerhalb kurzer Zeit
- Aufnahme von Spektren zu jeder Retentionszeit (3-D-Chromatogramm)
- Peakidentifikation/Erkennen von Störungen
- hohe Rechenanforderungen
- geringere Empfindlichkeit
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Chromatographie – Detektoren
Deuterium-
Lampe
Linsen-
System
Blende Messzelle Holographisches
Gitter
Photodioden-Reihe
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Chromatographie – Detektoren
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Chromatographie – HPLC/Detektoren
HPLC-Detektoren II
AnregungsfilterLampe
Zelle
Emissionsfilter
PhotodiodeFluoreszenzdetektor
Fluoreszenzdetektor:
- begrenzter Einsatz, Derivatisierung
- sehr empfindlich (bis in den ppb-Bereich)
- Optimierung Extinktions- und
Emissionswellenlänge (Empfindlichkeit)
- wichtige Anwendungsbeispiele: PAK,
Sulfonsäuren
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Chromatographie – Detektoren
fluoreszenzaktiv: Moleküle mit delokalisierten Elektronen in bindenden p-Orbitalen (Elektronen mit
antiparallelen Spin, Singulettzustände), z. B. PAK
Umkehr Lichtabsorption – Deaktivierung angeregter Elektronenzustände
Reemission der Anregungsenergie in Form von definierter Strahlung (UV/VIS- bzw. Röntgenbereich)
Vergleich zur einfallenden Strahlung: gleiche oder geringere Energie
Deaktivierung höher angeregter Elektronenzustände zum niedrigsten Anregungszustand: strahlungslos
Fluoreszenz (Lichtemission): Übergang vom niedrigsten angeregten Zustand (Singulett-Zustand) auf einen
Elektronengrundzustand
Erfassung der Fluoreszenzsignale im steilen (rechten) Winkel zum Anregungslicht – Vermeidung von
Überlagerungen
S 1
S 2
S 0
T 1
FluoreszenzAbsorption
Phosphoreszenz
210
hvA hvFhvA
hvP
Fluoreszenzdetektion
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Chromatographie – Detektoren
Brechungsindexdetektor
Weitere HPLC-Detektoren:
- IR-Detektor
- Leitfähigkeitsdetektor
- RI-Detektor
- Kopplung LC – Massenspektrometer
Grundplatte
Prisma Photodiode
Licht
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Chromatographie
Kopplung LC – MS
Anfänge: Thermospray
Übertragung von Ladungen/geladenen Spezies auf Analyt durch chemische
Ionisation
Entstehung von Molekülionen (detektierbar); „Quasi“-Molekülionen
Positiv-/Negativmodus (Zufügen/Verlust von Protonen bzw. Bildung von
Clustern, Addukten, … ) +/- H3O+, NH4+, Kationen, Molekülbruchstücke
CI-Spektren – keine/wenige Fragmentierung
diverse Kopplungstechniken (Inerface)
Kopplungstechniken: u.a. : LC – GC
LC – DC
LC – NMR
LC – MS (MS² …)
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Chromatographie
Lösungsmittel in der LC-MS
geeignet:
- Mischungen aus Wasser und Methanol bzw. Acetonitril
- Zusatz flüchtiger Puffer (Ammoniumacetat, -formiat), Konzentration wichtig!
ungeeignet:
- Zusatz von Salzen, nichtflüchtige Puffer
- anorganische Säuren
- Zusatz anderer üblicher Zusätze (Trifluoressigsäure, Triethylamine)
Positive / negative Ionisation?
N-haltige Moleküle positiv
Ether/Ester positiv *
Thiole positiv
Carbonsäuren negativ
Phenole negativ
Phosphate negativ
*mögliche Bildung neutraler Addukte
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Möglichkeit der Bildung von Addukten/ Clustern bei der LC-MS
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Analyt (M=1012), positive Ionisation
[M + NH4]+
[M + Na]+[M + K]+
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Chromatographie
APCI (Atmospheric Pressure Chemical Ionisation):
- Eluent wird verdampft/zerstäubt (Heizrohr, „heated nebulizer gas“)
- Korona-Entladungsnadel: Entstehung von Primärionen aus LM
- Reaktion mit Analytmolekülen in der Gasphase
- hohe Flussrate möglich
ESI (ElectroSpray Ionisation):
- Notwendigkeit polarer Eluenten/Vorhandensein von Ionen
- Hochspannung Zuleitung + „nebulizer gas“ – Spraybildung
- Lösungsmittelverdunstung/Selbstabstoßung: Überwindung
Oberflächenspannung, „Tröpfchenexplosion“, Emission von
Molekülionen
Kopplung LC – MS
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Chromatographie
XH+
MH+
X
X M
Zusatzgas
Zerstäubergas
LC-Ablauf
M
XH+
X
X
Probe
(M)
(~ 120 °C)
Korona-Entladungsnadel
MXH+
XX
1.
2.
MH+
XH+
X X
XX
X
3.
1. Primärionenentstehung vorwiegend aus
Lösungsmittel.
2. Die entstandenen Ionen reagieren mit
Analytmolekülen, Bildung von Clustern
3. Das Elektronenfängergas unterstützt
denTransfer der Ionen zum Massen-
detektor und bewirkt eine Ionenent-
clusterung
+: chemische Ionisation
unter atmosphärischem
Druck
X: Lösungsmittelmoleküle,
z. B. H2O, NH3, etc.
LC-APCI-MS (heated nebulizer, PESciex) Elektronen-
fängergas
Elektronen-
fängergas
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Chromatographie
+
Elektronen-
fängergas
+
+
+
-
-
+
+
+
+
+
++
+
+
-+
++
++++
+-
+-+
+
+
+
+
LC-Ablauf
Zerstäubergas
Hochspannung
1.
2.
3.
1. Das Ionenspray-Inlet erzeugt kleine geladene
Tröpfchen; LM verdunstet - das elektrische
Feld wird verstärkt und die Ionen bewegen
sich Richtung Oberfläche.
2. T erhöht/LM-Moleküle verdampft; ab einem
bestimmten kritischen Feldwert emittieren
Ionen aus den Tröpfchen.
3. Das Elektronenfängergas unterstützt die
Abtrennung der Ionen.
Ion Spray-Ionenquelle
(PESciex)
Elektronen-
fängergas
+ ++
++
+
+
+-
-+
+++
+
+
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E.M. Thurman et al., Anal. Chem. 73, 2001
Kopplung LC – MS: Auswahl Interface zur Ionisation der Analyten
- für polare Stoffe: sowohl APCI als auch ESI geeignet
- ESI: gut für ionische, stark polare Verbindungen
- Zusammensetzung Eluent beeinflusst Signale im ESI stärker als im APCI
- ESI -hohe Pufferkonzentration: Abnahme Signalintensität
- höhere Tendenz zur Bildung von Addukten beim ESI
- Wahl ESI oder APCI abhängig von Analyteigenschaften, Art der verwendeten
Chromatographie (u.a. Eluent), Probenmatrix (APCI stärker anfällig!)
- sinnvoll, beide Methoden jeweils zu prüfen!
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ESI versus APCIBeispiel: Erythromycin
(Antibiotikum)
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Massenspektrometer - Quadrupol
m/z ~ (DC*RF*r0)/W
DC = Gleichspannung
RF = Wechselspannung
r0 = Radius des Quadrupols
W = Frequenz der
Wechselspannung
• Trennung nach Masse-Ladungs-
verhältnis (mehrfach geladene Ionen als
solche nicht erkennbar)
• keine gleichzeitige Erfassung mehrere
Massen
• aber schnelles „Springen“ (durch
Änderung der Spannung innerhalb von
3ms oder darunter): quasi-simultan
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LC-MS/MS
Iontrap-Systeme
- Fragmentierung von Molekülionen (Tochterionen) in
Interface (schlecht definiert) und Q2 (Kollisionszelle)
- bessere Möglichkeiten zur Identifizierung, aber Art
der Fragmentbildung stark von Randbedingungen
abhängig!! (keine universelle MS-Bibliothek!)
- diskontinuierliche Arbeitsweise
- höhere Empfindlichkeit im Scan-
Modus
- Problem: oft Wechselwirkungen
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Beispiel QTRAP-System (Kopplung von Triple-Quadrupol und Linear Iontrap)
Wahl Ionisierung: ESI bzw. APCI; positive bzw. negative Ionisation: substanzabhängig!
Arbeitsweise Q1 Q2 Q3
Q1 Scan (Q3 Scan) Scan (-) - - (Scan)
Q1 Multiple Ion SIM - -
Product Ion Scan SIM Fragmentierung Scan
Multiple Reaction Monitoring SIM Fragmentierung SIM
Precursor Ion Scan Scan Fragmentierung SIM
Neutral Loss Scan Scan Fragmentierung Scans
Enhanced MS Scan - - Trap Scan
Enhanced Resolution Scan SIM - Trap Scan
Enhanced Product Ion scan SIM Fragmentierung Trap Scan
MS³ SIM Fragmentierung Trap, Isolation & Fragmentierung
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Arbeitsweise Anwendung
Q1 Scan (Q3 Scan) Suche nach auftretenden Ionen (qualitativ)
Q1 Multiple Ion Messung bestimmter Massen (qualitativ, quantitativ)
Product Ion Scan Erfassung von Fragmenten (qualitativ)
Multiple Reaction Monitoring selektive, empfindliche Quantifizierung
Precursor Ion Scan Suche nach Verbindungen, welche die gleichen Produkte
(Fragmente) bilden
Neutral Loss Scan Suche nach Verbindungen, welche das gleiche Fragment
bilden, Strukturaufklärung
Enhanced MS Scan empfindlichere Prüfung, welche Ionen auftreten (qualitativ)
Enhanced Resolution Scan von gewählter Masse - Spektrum mit hoher Auflösung
(Isotopenverhältnis, Mehrfachladung …)
Enhanced Product Ion scan empfindlicher „Product Ion Scan“ aber diskontinuierlich
MS³ Strukturaufklärung, aber auch selektive Quantifizierung
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Chromatographie
HPLC Methodenentwicklung - Möglichkeiten Variation:
- „Fahrweise“, Gradient
- Säule: Art, Länge, Teilchengröße, Endcapping u. a.
- Laufmittel: Art, Zusammensetzung, pH-Wert, Zusätze
- Fließgeschwindigkeit
- Säulentemperatur
- Detektorparameter
Optimierung von Intensität, Auflösung und Analysenzeit
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Chromatographie – HPLC
Fehler in der HPLC
allgemein:
- Ursachenfindung: Ausschluss-
verfahren
- Führung exakter Aufzeichnungen
- frühzeitiges Erkennen wichtig
mobile Phase:
- Verunreinigungen
- Gasblasengehalt
- Algenbildung
Pumpe:
- Leckbildung,
Ablagerungen/Verschleiß an
Dichtungen und Pumpenköpfen
Injektor:
- Verstopfungen, Lecks
- Injektionslösungsmittel ungeeignet
Säule:
- Verunreinigungen (Vorsäule!,
Spülen)
- Pufferausfällung
- Hohlräume (plötzliche Verände-
rung Fluss, Eluent)
Detektor:
- mechanische und optische
Probleme selber lösen
- elektronische Probleme: Firma
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Chromatographie – HPLC
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Chromatographie
Allgemeine Vorgehensweise bei der chromatographischen Trennung
1. Literaturrecherche, problemorientiert, Vorauswahl Trennmechanismus und Detektion
2. Isokratische Trennung Analytgemisch (Standards), Überprüfen Peakanzahl, Peak-
breite (Fließgeschwindigkeit ändern)
3. einfacher Gradient, (lange Analysenzeit wählen)
4. Variation Gradient (Steilheit, Kombination mit isokratischen Abschnitten), Analysen-
zeit optimieren, bei Nichtlösen Trennproblem: Änderung Säule, Trennprinzip, Säulen-
länge, Laufmittel (auch pH-Wert, Zusätze)
5. Einzelstoffe injizieren (Peakzuordnung)
6. Kalibrierung mit definierten Standardmischungen
7. Überprüfung Gesamtverfahren mit Reinstwasser (alle Probenvorbereitungsschritte),
Ermittlung Wiederfindungsrate, Kalibrierung
8. Einbeziehung Realwasser (Matrixeinfluss), Störungen?, ev. Parameter verändern
(Clean-up, Gradient), Kalibrierung, Statistik, Wiederholbarkeit
9. Aufnahme von Messwerten, Rekalibrieren, Überprüfung (Parallelverfahren, Standard-
zusatz, Ringtest)
Verringerung des praktischen Aufwandes durch Rechnersimulation möglich („Dry Lab“), aber
einzelne Punkte nicht ersetzbar
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N
O
F
N
NH
HO
ON
NH2N
NH2
O
O
OTrimethoprim
O
OH
O
N
N
Cl
Ciprofloxacin
Cetirizin
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Chromatographie – HPLC
HPLC – anwendungsorientierte Aspekte I
Trennung dissoziierbarer organischer Verbindungen mittels RP:
Grundsätze: - dissoziierte Komponente stets polarer – kürzere Rt!
- Verbindung sollte nicht in zwei Ladungsformen vorliegen (Peakform!)
- geladene Komponenten: unerwünschte Sekundär-WW
bei Kenntnis pKs-Wert Ladungszustand ableitbar; Probleme: 1) z.T. unzureichende
Literaturangaben, 2) amphotere Stoffe/ multifunktionelle Moleküle
Beeinflussung Ladungszustand?
- durch Zusatz von geeigneten Puffern im Laufmittel
- Anforderungen: möglichst geringe Beeinflussung Detektion, nicht
korrosiv, beständig, keine Mischungsprobleme, MSD: flüchtig!
Beispiele: stark sauer pH 1,3…3,3 Phosphatpuffer (H2PO4-), HCOOH
schwach sauer pH 3,8…5,8 Acetatpuffer
neutral bis schwach basisch pH 6,2…8,2 Phosphatpuffer (HPO42-)
basisch pH 7,0…9,5 Boratpuffer, NH4HCO3
Achtung, Stabilität RP-Phasen beachten! (pH<2: Hydrolyse C18, pH>8: Auflösung)
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Chromatographie – HPLC
Bei der Umkehrphasenchromatographie zur Trennung dissoziierbarer Verbindungen
müssen Puffer eingesetzt werden. Welchen Einfluss hat deren Konzentration?
generell gilt:
1) Eluent wird polarer: - kürzere Retention polarerer Stoffe
- lipophilere Verbindungen eluieren später
- Löslichkeit des polaren Kieselgels erhöht sich, Verschleiß!
2) Unterdrückung der Dissoziation der freien Silanolgruppen: geringere Auswirkungen
bei Chargenunterschieden; System wird robuster
- Puffer soll eine pH-Änderung sicher vermeiden
- bei schwach polaren Analyten: 5 bis 10 mM oft ausreichend
- sonst 20 bis 30 mM (insbesondere bei älteren Materialien)
- Ionenpaarchromatographie: 60…100 mM
HPLC – anwendungsorientierte Aspekte II
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Chromatographie – HPLC
Problem:optimale Trennung basischer/saurer Stoffe bei höherem/niedrigerem pH;
aber: viele C-18-Materialien im alkalischen Bereich nicht stabil; im sauren Bereich
Hydrolyse (Säulenbluten, Verschlechterung Trennleistung)
Lösung:Einbau einer Vorsäule/kurzen C-18-Säule zwischen Pumpe und Injektor:
- alkalische Laufmittel ist mit Kieselgel gesättigt, Trennsäule wird nicht aufgelöst
- Hydrolyse erfolgt maßgeblich an Vorsäule
- Verunreinigungen gelangen nicht zur Trennsäule
Eluent Pumpe
Vorsäule Trennsäule
Detektor
HPLC – anwendungsorientierte Aspekte III
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Chromatographie – HPLC
HPLC – anwendungsorientierte Aspekte IV
Reinigung von RP-Phasen
Problem: extrem stabile Bindung hydrophober Moleküle an RP-Phasen
Lösungsansätze:
- Injektion (ev. mehrfach) reiner Lösungsmittel (100…200 µL) – Achtung Salze!
- (Rück-)Spülen mit reinem Lösungsmittel (Achtung, Salze!)
- Aufwändigere Spülprozedur:
- Neubefüllung Säuleneingang
- Einsatz einer neuen Säule
50 mL heißes Wasser (40 – 60 °C)
50 mL Methanol
50 mL Acetonitril
30 mL Tetrahydrofuran
25 mL Methanol
25 mL mobile Phase
Au
fwan
d/K
oste
n
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Vergleich von Kapazitätsfaktoren (definiert als (tR−t0)/t0),
dargestellt als Abstand vom Zentrum, bestimmt mittels
RPLC, MMLC, HILIC bzw. SFC für 7 hochpolare Stoffe
(logDOW bei pH 7.4)Quelle: T. Reemtsma et al., Environ. Sci. Technol. 2016, 50,
10308−10315
RPLC - reversed-phase LC
MMLC - mixed-mode LC
HILIC - hydrophilic interaction LC
SFC - supercritical fluid chromatography
Hydrophilic interaction liquid chromatography - HILIC
Paraquat (1,1′-Dimethyl-4,4′-bipyridinium)
Kontaktherbizid
logDOW bei pH 7.4 = -7,0
Metformin
Antidiabetikum
logDOW bei pH 7.4 = -3,7
Neu!
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Quelle: B. Buszewski & S. Noga, Anal. Bioanal. Chem., 2012, 402, 231–247
Hydrophilic interaction liquid chromatography - HILIC
Neu!
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Neu!
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Neu!
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Hydrophilic interaction liquid chromatography - HILIC
Mobile Phasen, Elutrophe Reihe:
Aceton < Isopropanol = Propanol < Acetonitril< Ethanol < Dioxan < DMF = Methanol < Wasser
Ionische Zusätze:
NH4-Acetat / -Formiat (Ziel: Analyt in einfacher ionischer Form!)
Gradient:
Im Gegensatz zur RP-LC (Wasser → Lösungsmittel): Lösungsmittel → Wasser
RP-Bedingungen:LiChrospher RP-Select B, 250 mm34.6 mm I.D., 5 mm column; mobile phase acetonitrile–20 mM sodium pentanesulfonate (14:86), pH
3.5 with sulfuric acid
HILIC-Bedingungen: Zorbax NH column; mobile phase acetonitrile –5 mM potassium phosphate, pH 6.5 (65:35)
Quelle: B. Buszewski & S. Noga, Anal. Bioanal. Chem., 2012, 402, 231–247
Neu!
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Chromatographie – IC
Schematische Darstellung eines Ionenchromatographie-Systems
Eluent Pumpe
Proben-
aufgabe
Vorsäule Trennsäule
DetektorAuffang-
gefäß
Registrier- bzw.
Auswerteeinheit
LC-Anwendungsbeispiel: Ionenchromatographie
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Chromatographie – IC
Matrix:
- wenig belastete Wässer (Trink-, Grund-, Oberflächenwasser)
Konzentrationsbereiche:
- Fluorid 0,01 – 10 mg/L
- Chlorid 0,1 – 50 mg/L
- Nitrit 0,05 – 20 mg/L
- Orthophosphat 0,1 – 20 mg/L
- Bromid 0,05 – 20 mg/L
- Nitrat 0,1 – 50 mg/L
- Sulfat 0,1 – 100 mg/L
Störungen:
- organische Säuren (z. B. Malonsäure, Maleinsäure)
- Querempfindlichkeiten bei großen Konzentrationsunterschieden
- Schwebstoffe und organische Wasserinhaltsstoffe (Huminstoffe)
EN ISO 10304-1 (früher DIN 38405-19):
Bestimmung der gelösten Anionen Fluorid, Chlorid, Nitrit, Orthophosphat,
Bromid, Nitrat und Sulfat mittels Ionenchromatographie
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Chromatographie – IC
Trennsäule:
- Anionenaustauscher niedriger Kapazität – Grundmaterial (Polystyrol/
Divinylbenzol-Copolymer, Polymethacrylate) mit Austauschergruppen
(quarternäre Ammoniumgruppen)Teilchengröße: 5 – 25 µm
Eluent:
- wässrige Lösungen von Salzen schwacher ein- oder zweibasiger Säuren
a) mit Suppressortechnik (z. B. Na2CO3/NaHCO3)
b) ohne Suppressortechnik (z. B. Kaliumhydrogenphthalat)
Detektoren:
I. Leitfähigkeitsdetektor, möglichst mit Suppressor
II. UV-Detektor oder Diodenarraydetektor
III. Elektrochemischer Detektor (Ionen müssen oxidierbar oder
reduzierbar sein), z. B. amperometrische Detektion
Bestimmung der gelösten Anionen Fluorid, Chlorid, Nitrit, Orthophosphat,
Bromid, Nitrat und Sulfat mittels Ionenchromatographie
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Chromatographie – IC
Suppressor:
- Herabsetzung Leitfähigkeit des Eluenten nach der Säule
Probenvorbereitung:
- Filtration/Einmal-Kartuschen zur Entfernung von gelöster Organika (HS),
hohen Chlorid- oder Sulfatmengen, Verdünnung
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Chromatographie – IC
Retentionsbestimmende Parameter in der Ionenaustausch-Chromatographie
Ladung
Regel: Je höher die Valenz des zu analysierenden Ions, desto größer die Retentionszeit.
Beispiel: tms(Nitrat) < tms(Sulfat)
(Orthophosphat: pH-abhängig!)
Größe
Regel: Je größer der Ionenradius des zu analysierenden Ions, desto größer die
Retentionszeit.
Beispiel: tms: F- < Cl- < Br- << I-
Polarisierbarkeit
Regel: Je höher die Polarisierbarkeit des Ions, desto größer die Retentionszeit.
Beispiel: tms(Sulfat) < tms (Thiocyanat)
Begründung: Der Ionenaustausch-Prozess wird durch Adsorptionsprozesse überlagert.
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Chromatographie – IC
Elutionsreihenfolge der wichtigsten anorganischen Anionen
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Chromatographie
Bestimmung von 6 polycyclischen
aromatischen Kohlenwasserstoffen
Isokratische Trennung der sechs
polycyclischen Aromaten
Fluoreszenzdetektion:
Anregung 365 nm,
Emission 470 nm
Arbeitsbedingungen:
Beispiel a)
• Säule: HS 5 HCODS (PAK-Spezialsäule); 125 x 4,6 mm
• Eluent: Acetonitril/Wasser (85 : 15)
• Flussrate: 1,8 mL/min
• Säulentemperatur: 21 °C
Beispiel b)
• Säule: Nucleosil 120-4 um PAK, 250 x 4 mm
• Eluent: Methanol/Tetrahydrofuran (80 : 20)
• Flussrate: 1,5 mL/min
• Säulentemperatur: 30 °C
Peakidentifizierung:
1) Fluoranthen
2) Benzo(b)fluoranthen
3) Benzo(k)fluoranthen
4) Benzo(a)pyren
5) Benzo(ghi)perylen
6) Indeno(1,2,3-cd)pyren
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Wichtige Literatur
Meyer, V.: Praxis der Hochleistungs-Flüssig-Chromatographie.
(Aarau: Salle, Sauerländer, 1992)
Unger, K. K.: Packings and stationary phases in chromatography techniques.
(New York: Dekker, 1990)
Engelhardt, H.: Practice of High Performance Liquid Chromatography.
(Berlin, Heidelberg: Springer, 1986)
Kromidas, S.: Practical Problem Solving in HPLC. (Weinheim: Wiley-VCH, 2000)
Weiß, K.: Ionenchromatographie.
(Weinheim: VCH, 1991)
Schomburg, G.: Gaschromatographie. Grundlagen – Praxis – Kapillartechnik.
(Weinheim: VCH, 1986)
Leibnitz, E., Struppe, H. G.: Handbuch der Gas-Chromatographie.
(Leipzig: Akad. Verl.ges. Geest und Portig KG, 1988)
Hübschmann, H.-J.: Handbuch der GC/MS. Grundlagen und Anwendung. (Weinheim, VCH,
1996)
Wagner, H., Blasius, E.: Praxis der elektrophoretischen Trennmethoden.
(Weinheim, VCH)
Funk, W.; Dammann, V., Vonderheid, C., Oehlmann, G.:
Statistische Methoden in der Wasseranalytik.
(Weinheim: VCH)
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Chromatographie – GC
Gaschromatographie
Kennzeichen/allgemeine Aspekte
mobile Phase: inertes Trägergas
stationäre Phase: vor allem immobilisierte Flüssigkeiten, auf Träger
(poröser Feststoff) oder an Wandungen dünner
Röhren (Kapillargaschromatographie)
Phasensystem (=Kombination stationäre und mobile Phase) wird nur
durch stationäre Phase bestimmt (Gase unbegrenzt mischbar)
kontinuierlicher Strom der mobilen Phase über stationärer Phase –
kontinuierliche Verteilung der Probesubstanzen
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Chromatographie – GC
Gaschromatographie
Abgase
Auswerte-
einheit
DetektorKapillarsäule
Injektor
Flussgeber
Reinigungs-
stufeev. Split
Säulenofen
(temperaturprogrammiert)
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Chromatographie – GC
Gaschromatographie
Kennzeichen/allgemeine Aspekte
Trägergas
kaum Wechselwirkungen zu gasförmigen Gasbestandteilen
somit Selektivität nur durch stationäre Phase bestimmt
aber Einfluss auf:
• Trennleistung
• Zeitbedarf
• Detektierbarkeit der Probe
weitere Anforderungen: chemisch inert, hohe Reinheit
Kriterien wie Preis, Toxizität und Brennbarkeit beachten
hauptsächlich Stickstoff, Helium, Wasserstoff, (Argon)
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Chromatographie – GC
stationäre Phase
Flüssigkeiten mit geringer Flüchtigkeit (hohes Molgewicht)
unpolare Säulen: nur van der WAALS-Wechselwirkungen
polare Säulen: auch Dipol-, Wasserstoffbrücken-Wechselwirkungen
Trennung erfolgt in Reihenfolge ansteigender Molekulargewichte
Faustformel: je höher Polarität der stationären Phase um so
ausgeprägter Selektivität
hochsiedende KWs Polysiloxane Polyglycole
Gaschromatographie - stationäre Phasen
Gepackte Säulen Kapillarsäulen
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Chromatographie – GC
stationäre Phase
Flüssigkeiten mit geringer Flüchtigkeit (hohes Molgewicht)
unpolare Säulen: nur van der WAALS-Wechselwirkungen
polare Säulen: auch Dipol-, Wasserstoffbrücken-Wechselwirkungen
Trennung erfolgt in Reihenfolge ansteigender Molekulargewichte
Faustformel: je höher Polarität der stationären Phase um so
ausgeprägter Selektivität
hochsiedende KWs Polysiloxane Polyglycole
Gaschromatographie - stationäre Phasen
Gepackte Säulen Kapillarsäulen
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Quelle: http://chromatographie.ntk-landau.de/Saeulen_GC.htm
Gaschromatographie - stationäre Phasen
R = z. B.
- Methylgruppen (-CH3, unpolar)
- Phenylgruppen (-C6H5, etwas polar)
- Cyanopropyl-Gruppen (-(CH2)3-CN, stark polar)
- Vinyl (CH2=CH-)
(quervernetzbar)
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Chromatographie – GC
Injektoren in der GC
Verbindung zur Säule
Einlass für das Trägergas
Einlass für die Probe
Verdampfungskammer
• Aufbau (Injektionsart, Materialien)
• Prozesse (Verdampfung, Vermischung,
Transport)
• Einspritzgeschwindigkeit
• Injektionstemperatur
• Septen, Liner, Inserts
Arten der Injektion
Direkt-
Injektion
Split-
Injektion
Split/Splitless-
Injektion
On-Column-
Injektion
…Heiße Probenaufgabesysteme Kaltaufgabesysteme
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Chromatographie – GC
Injektoren in der GC
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Chromatographie – GC
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Chromatographie – GC
Vergleich isotherme GC – temperaturprogrammierte GC
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Chromatographie – GC
Aufbau GC:
Versorgungseinrichtung Trägergas/Hilfsgase/Brenngase
Probenaufgabesystem (on column, Kaltnadel-, split/splitless)
Trennsäule/Säulenofen
Detektor:
• Wärmeleitfähigkeitsdetektor
Trägergas Helium (gute Wärmeleitfähigkeit)
Messung Verringerung Wärmeabgabe eines Heizdrahtes;
universell
• Flammenionisationsdetektor
Wasserstoff-Luft-Flamme, Analyt wird ionisiert, Ionenerfassung
mittels Kollektor (Stromfluss); universell, T > 100 °C
• Elektroneneinfangdetektor
Ionisation Trägergas: Stickstoff oder Argon (+ 5 % Methan),
Analyten: elektronegative Spezies, Aufnahme thermischer
Elektronen, Stromabnahme; selektiv
Vergleich
(ca. Detektions-
grenze)
400 pg absolut
10 … 100 pg
0,05 … 1 pg
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Chromatographie – GC
KathodeAnode
(+)
M
e-
e-
e-
RCl
Ni63
β-
keine Spannung
Anode
(+)
Kathode
e-
e-
e-
RCl
Ni63
β-
Spannung angelegt
β-
= beta Teilchen
M = Trägergasmolekül
e-
= sekundäre Elektronen mit niedriger Energie
e-RCl = elektrophiles Molekül mit eingefangenem Elektron
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Chromatographie
ECD Verhalten von verschiedenen Verbindungen
Chemische Gruppe rel. Empfindlichkeit
Kohlenwasserstoffe 1
Ether, Ester 10
Aliphatische Alkohole, Ketone, Amine, mono-Cl-,
mono-F-Verbindungen
100
Mono-Br-, di-Cl- und di-F-Verbindungen 1000
Anhydride und tri-Cl-Verbindungen 10 000
Mono-I-, di-Br-, poly-Cl- und poly-F-Verbindungen 100 000
Di-I-, tri-Br-, poly-Cl- und poly-F-Verbindungen 1 000 000
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Chromatographie – GC
Aufbau GC:
Detektor:
• Stickstoff-Phosphor-Detektor
ähnlich FID, nur niedrigere Temperatur, bei Anwesenheit Rb
selektive Ionisation von N- und P-Verbindungen; selektiv
• Flammenphotometrischer Detektor
Verbrennung von S- und P-haltigen Substanzen:
Chemolumineszenz; selektiv
• Massenselektiver Detektor
Elektronenstoß- oder chemische Ionisation, teilweise
Bindungssprengung, für jedes Molekül charakteristische Fragmente,
Auftrennung in Magnet- oder Hochfrequenzwechselfeld:
Massenspektren (3D-Daten), Identifizierung im Scan-Modus,
Quantifizierung im SIM-Betrieb
• Atomemissionsdetektor, Elektrolytischer Leitfähigkeitsdetektor u. a.
Vergleich
(ca. Detektions-
grenze)
0,4 … 10 pg N
0,1 … 1 pg P
0,9 pg P
20 pg S
< 0,1 pg (SIM)
0,2 pg
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Chromatographie
Ionenquelle
Detektor
Diagramm eines Quadrupol – Massenspektrometers
Die Ionen treten in Wechselwirkung mit dem elektrischen Feld,
welches durch die vier Quadrupolstäbe hervorgerufen wird und
werden entsprechend dem Masse/Ladungs-Verhältnis getrennt.
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Chromatographie
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
(mainlib) Benzeneacetic acid, 2-[(2,6-dichlorophenyl)amino]-
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 3000
50
100
2839 51 63
77 89 107151
179
214
242
250
277
295
NH
Cl
Cl
O
OH
OC
Cl
NH
HN
O
O
OH
HN
O
OH
Cl
Cl
Cl
HN
Cl
HN
Cl
HN
Cl O
HN
Cl O
Cl
HN
Cl O
OH
28
HO
O
45
76
90
110
125
133136
145
149
201
215243
HN
Cl
Cl
250
259
278
NH
91
HN
Cl
Cl
179
Beispiel: Fragmentierung von Diclofenac (M = 296 g/mol)
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Chromatographie
überkritisches Fluid:
- mobile Phase: kritische Zustandsform
- Zustand: weder Gas noch Flüssigkeit
- Zustand wird erreicht durch Erhöhung Druck und Temperatur
- die einzelnen Gase/Flüssigkeiten besitzen eine bestimmte kritische
Temperatur bzw. kritischen Druck, oberhalb dieser Punkte: überkritisches
Fluid (CO2: 31,3 °C und 7,3 Mpa)
Kennzeichen:
- gegenüber Flüssigkeiten:
• geringere Dichte
• niedrigere Viskosität
• höherer Diffusionskoeffizient
- oberhalb Tkritisch: auch bei weiterer Erhöhung des Drucks keine
Verflüssigung möglich
- überkritische Fluide sind kompressibel; gutes Strömungsverhalten
- Zunahme Lösungsvermögen mit steigendem Druck
SFC – Chromatographie mit überkritischen Phasen
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Zustandsdiagramm von Kohlendioxid
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Chromatographie
Anwendung:
- für Analyten, die auf Grund zu geringer Flüchtigkeit/hoher Thermolabilität
nicht mit GC und wegen Unbeständigkeit/schlechter Lösungseigenschaften
in üblichen Lösungsmitteln nicht mit der HPLC getrennt werden können
Gerätetechnik – Hauptmodule:
- Einrichtung zur Druckerzeugung, -regelung und –entspannung
- Pumpe, Injektionsventil (ähnlich HPLC)
- Trennsäule (HPLC oder GC)
- Detektor (HPLC oder GC)
Gradienttechnik:
- Zusammensetzung mobile Phase (vgl. HPLC)
- Temperatur (vgl. GC)
- Druck
- Dichte
- lineare Strömungsgeschwindigkeit
SFC – Chromatographie mit überkritischen Phasen
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Chromatographie – CE
Begriffe:
- Elektrophorese: Trennung durch unterschiedliche Bewegung/Wanderung
von geladenen Teilchen im elektrischen Feld
- Ionophorese: Elektrophorese kleiner Ionen
- Kata-/Anaphorese: Elektrophorese von Kationen bzw. Anionen
- Trägerfreie E.: Trennung freier Lösung
- Träger-E.: Trennung bei Anwesenheit eines Trägermatrials (Gel,
Papier, Celluloseacetatfolie)
wichtige Einflussgrößen:
- Ionenbeweglichkeit, Funktion von:
• Temperatur
• Feldstärke
• Teilchenradius + Lösungsmittelmoleküle
• Ionenladung
• Ionenstärke der Lösung
• Dissoziationsgrad
• pH-Wert
• Reibungseffekte Lösungsmittel, Wandungen
Kapillar(zonen)elektrophorese CE (CZE)
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Chromatographie – CE
- Kapillare: 20 – 200 cm lang, i.D. 25 – 200 µm
- u. a. Fused-silica-Kapillaren, Teflon
- 2 separate Puffersysteme mit angeschlossenen
Elektroden (bis 30 kV)
- geringer Strom: 5 – 250 µA
- spezielle Probenaufgabe
- HPLC-Detektoren insbesondere UVD, zunehmend MSD
- diverse Techniken (u. a. MEC, Isotachophorese,
isoelektrische Fokussierung)
Kapillarelektrophorese
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Chromatographie – CE
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Chromatographie – CE
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Chromatographie – CE
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Chromatographie – CE
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Chromatographie – CE
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Chromatographie – CE
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Chromatographie – CE
Vergleich Ionenchromatographie - Kapillarelektrophorese
Vorteile CE im Vergleich zur IC
bessere simultane Trennung organischer
und anorganischer Ionen
Kurze Analysenzeiten
Kaum Probenvorbereitung, wenig
Matrixeffekte (Huminstoffe stören i. d. R.
nicht)
Hohe Reproduzierbarkeit
Nachteile CE
Geringerer dynamischer Bereich
(Linearität)
Konzentrationsabhängiger Shift der
Peakmaxima
Zeitverluste durch Spülung der
Kapillare
Geringe Empfindlichkeit aufgrund
niedriger Injektionsmengen
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Chromatographie – CE
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Analytik organischer Verbindungen - Summenparameter
Erfassung aller einzelnen organischen Komponenten in einem Wasser nicht möglich
Analytik organischer Verbindungen
Organische Wasserinhaltsstoffe – gekennzeichnet durch hohe Vielfalt,
Wirksamkeit in stark verschiedenen Konzentrationsbereichen, rasche
Veränderlichkeit, weiter Bereich der Molmasseverteilung
Organische Inhaltsstoffe
natürlich vorkommend anthropogen vorkommend
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
• allgemeine Definition: Huminstoffe sind refraktäre, höhermolekulare,
polydisperse und polyfunktionelle Substanzen biogenen Ursprungs
• Huminstoffe werden bei chemischen und biologischen Ab- und
Umbaureaktionen aus natürlichen organischen Substanzen gebildet
• keine einheitlichen, im Sinne der klassischen Chemie definierten
Verbindungen
• es kann weder eine Summenformel noch eine Struktur angegeben werden
• aquatische Huminstoffe machen ca. 50 – 80 % des DOC aus, im Allgemeinen
dominieren Fulvinsäuren
• Angaben zu den molaren Massen schwanken sehr stark und reichen von
500 g/mol bis 100.000 g/mol, wobei die Fulvinsäuren die niedrigeren
Werte aufweisen (500…2.000 g/mol)
Huminstoffe
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
C C
O
O
H
C
O
O
H
C O H O H
C O
R
H
C O
R
R
O CH3
aliphatische aromatische
Carboxylgruppe
aldehydische ketonische
Carbonylgruppe
alkoholische phenolische
Hydroxylgruppe
Methoxygruppe
Typische funktionelle
Gruppen in Huminstoffen
O
HO
O
OH
COOH
OH
COOH
HON
CH
COOH
R
O
O
O
HO
HN
CH
C
NH
R
O
C
N
CH CH2
O
C
C
C
OH
OH)4(H
OH
O
O
HO
O O
O
H
O
OH
COOH
COOH
Strukturvorschlag
Huminstoffe
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Operationell definierte Unterscheidung (Bodenuntersuchungen)
Bodenmaterial
Unlösliche Fraktion Lösliche Fraktion (Extrakt)
Ansäuern auf
pH ≤ 2
Niederschlag Gelöste Fraktion
Humine
Huminsäuren Fulvinsäuren
Extraktion
Analytische Charakterisierung von Huminstoffen I
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Summenbestimmungsmethoden
Warum? Vorteile?
- Vielzahl organischer WIS, auch wenn deren Einzelkonzentrationen nicht bestimmbar
- Schnelligkeit der Verfahren
- Aufwand relativ gering
- Einsatz u. a. Monitoring, Überwachung …
Grenzen/Probleme?
- einzelne Summenparameter – oft nur begrenzt Aussagen möglich (→ Kombination
diverser Analysenparameter)
- keine Aussagen über Art/Bewertung der einzelnen Verbindungen (→ zusätzlich
ausgewählte Einzelstoffanalysen – LC/GC - und wirkungsbezogene Analytik)
Kennzeichen
- Erfassung gemeinsamer stofflicher Strukturmerkmale oder Eigenschaften
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Analytik organischer Verbindungen
Beispiele für Summen- und Gruppenparameter
(operationell definiert)
CSB (Chemischer Sauerstoffbedarf) – chemisch oxidierbare organische Substanzen
BSB (Biologischer Sauerstoffbedarf) – biologisch oxidierbare organische Substanzen
DOC (Dissolved Organic Carbon) – gelöste organische Substanzen
TOC (Total Organic Carbon) – Gesamtheit der gelösten und ungelösten organischen
Substanzen
AOX (adsorbierbare organische Halogen(X)-verbindungen) – chlor-, brom-, iodhaltige
organische Substanzen
AOS (adsorbierbare organische Schwefelverbindungen) – organische
Schwefelverbindungen
IOS (ionenpaarextrahierbare organische Schwefelverbindungen) – organische
Schwefelverbindungen (Sulfonsäuren)
Aromatische Amine – Anilin und Anilinderivate
Phenolindex – Phenole
Methylenblau-/Bismutaktive Substanzen – anionische / nichtionische Tenside
…
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Analytik organischer Verbindungen
Methoden zur Ermittlung der Sauerstoffmenge, die zur Oxidation der
organischen Wasserinhaltsstoffe notwendig ist
Chemischer
Sauerstoffbedarf
Biochemischer
Sauerstoffbedarf
indirekte Verfahren
definierte Bedingungen erforderlich (Vergleichbarkeit)
Vollständigkeit der Reaktion häufig nicht gegeben
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Analytik organischer Verbindungen
Biochemischer Sauerstoffbedarf
Definiert wird der biochemische Sauerstoffbedarf, BSBn, als die Masse an
gelöstem Sauerstoff, die von adaptierten Mikroorganismen beim oxidativen
Abbau der im Wasser enthaltenen organischen Stoffe unter festgelegten
Bedingungen innerhalb von n Tagen benötigt wird.
Chemischer Sauerstoffbedarf
Der chemische Sauerstoffverbrauch wird als die auf Sauerstoff umgerechnete
Menge an Oxidationsmitteln definiert, die bei der Oxidation organischer
Inhaltsstoffe des Wassers unter festgelegten Bedingungen benötigt wird. Das
verwendete Oxidationsmittel muss dabei angegeben werden.
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Analytik organischer Verbindungen
Biochemischer Sauerstoffbedarf
Prinzip:
- Tätigkeit von Mikroorganismen (aerobe Bedingungen) Abbau organischer
Stoffe
- Verbrauch an Sauerstoff wird gemessen und angegeben
Durchführung:
Variante 1:
• Probe (20 °C) auf pH 7 – 8 einstellen, 2 h Standzeit bei anorganischen
sauerstoffzehrenden Stoffen (Fe(II))
• ev. diverse Verdünnungsreihen (mit luftgesättigtem Wasser)
• je nach Probe: Sättigung mit reinem Sauerstoff/Animpfen mit definierter
MO-Mengen (Kläranlagenablauf)
• Messung O2 (WINKLER oder elektrometrisch), t = 0
• wiederholte Messung nach verschiedenen Zeiten (BSB-Kurve)
• üblich: nach 5 Tagen O2-Restmenge bestimmen: Differenz = BSB5
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Analytik organischer Verbindungen
Biochemischer Sauerstoffbedarf
Durchführung:
Variante 2:
• geschlossene Flasche: Teil Gas (Luft oder O2)/Teil Probe
• Messung (in Abhängigkeit von der Zeit):
1. Änderung Partialdruck (Maß für O2-Verbrauch)
2. CO2-Entstehung
• auch Messung Differenz CSB (t = 0) und CSB (t = n Tage)
Einflussfaktoren:
- Sauerstoffkonzentration (Luft: Sättigung ca. 9 mg/L)
- Nährstoffangebot
- Temperatur
- Lichteinwirkung
- Zeit
- Art der Wasserinhaltsstoffe
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Analytik organischer Verbindungen
Biochemischer Sauerstoffbedarf
Praxis:
- vorrangig zur Abwasserbeurteilung
- Verfälschung durch toxische Stoffe
- Problem Nitrifikation (zeitlich später; Nitrifikationshemmer zusetzen)
- Zusammenhang zu Gewässergüteklassen:
- Grundwasseruntersuchung: Wirksamkeit Mineralisation in der
Bodenpassage
- Nachteil: langer Zeitbedarf
Gewässergüteklasse I II III IV
BSB5 [mg/L] 2 – 3 3 – 5,5 5,5 – 14 über 14
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Analytik organischer Verbindungen
Chemischer Sauerstoffbedarf
Prinzip:
- Umsetzung organischer Wasserinhaltsstoffe mit bestimmten Oxidationsmitteln
- Verbrauch an Oxidationsreagenz (Differenzmessung vor und nach der
Reaktion) = Maß für Menge an organischen Inhaltsstoffen
- Umrechnung auf Sauerstoff
- Oxidationsmittel: Kaliumdichromat K2Cr2O7
(Kaliumpermanganat KMnO4)
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Analytik organischer Verbindungen
Oxidation mit Permanganat
- in stark alkalischem Medium:
MnO4- MnO4
2- E0 = 0,54 V
MnO4- + 1 e- MnO4
2-
- in schwach alkalischem bis neutralem Medium:
MnO4- MnO2 E0 = 0,58 V
MnO4- + 3 e- + 2 H2O MnO2 + 4 OH-
- in saurem Medium:
MnO4- Mn2+ E0 = 1,52 V
MnO4- + 5 e- + 8 H+ Mn2+ + 4 H2O E = 1,43 V
Oxidation mit Dichromat
Cr2O72- Cr3+ E0 = 1,36 V
Cr2O72- + 14 H+ + 6 e- 2 Cr3+ + 7 H2O E = 1,90 V
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Analytik organischer Verbindungen
Chemischer Sauerstoffbedarf
Vollständigkeit der Oxidation abhängig von:
- Art der organischen Stoffe
- Konzentration der organischen Stoffe
- pH-Wert
- Reaktionstemperatur
- Reaktionszeit
- Anwesenheit bestimmter anorganischer Stoffe
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Analytik organischer Verbindungen
Permanganat – Verbrauch (Permanganat-Index)
- 10 min Erhitzen der angesäuerten Wasserprobe mit KMnO4 (definierter Überschuss)
im siedenden Wasserbad:
MnO4- + 5 e- + 8 H3O
+ Mn2+ + 12 H2O
- Restgehalt Permanganat wird mit bekanntem Überschuss an Oxalationen
umgesetzt:
MnO4- + 5 C2O2
2- + 16 H3O+ 2 Mn2
+ + 24 H2O + 10 CO2
- Restgehalt Oxalat mit Permanganat zurücktitriert – entspricht KMnO4-Verbrauch
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Analytik organischer Verbindungen
Chemischer Sauerstoffbedarf (Permanganat-Verbrauch)
Hinweise:
- Umrechnung: 1 mg KMnO4 = 0,253 mg O2
- relativ empfindlich: 0,5 – 10 mg/L O2
- Anwendung für gering belastet Wässer
- Nichterfassung z. B. Tenside, Chlorkohlenwasserstoffe, niedere Fettsäuren
und Alkohole
- oxidiert werden z. B. Huminstoffe, Phenole
- Literatur: nur 20 – 25 % der Organika werden erfasst
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Analytik organischer Verbindungen
Dichromat – Verbrauch
- Oxidation der organischen Stoffe durch Kaliumdichromat (bekannte Menge im
Überschuss) in stark schwefelsaurer Lösung
- Bedingungen: 2 Stunden bei (148 ± 3) °C mit Katalysator (Ag+)
Cr2O72- + 6 e- + 14 H3O
+ 2 Cr3+ + 21 H2O
- Titration des nichtverbrauchten Dichromates mit Ammoniumeisen(II)-sulfat, Indikator
Ferroin
Cr2O72- + 6 Fe2+ + 14 H3O
+ 2 Cr3+ + 6 Fe3+ + 21 H2O
- auch photometrisch bestimmbar (Küvettentests)
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Analytik organischer Verbindungen
Chemischer Sauerstoffbedarf – (Dichromatverbrauch)
Hinweise:
- Umrechnung: 1 mg K2Cr2O7 = 0,163 mg O2
- Störungen durch Chlorid (Oxidation zu Chlor): Verhinderung durch Zusatz
Quecksilbersulfat (Maskierung)
- 95 – 97 % ige Oxidation der Organika, Rest beständige Spaltprodukte (CO,
CH4), z. T. N-haltige Heterocyclen
- relativ unempfindlich (> 15 mg/L)
- weitere Nachteile: relativ umständlich, zeitaufwendig, Anfall zu entsorgender
Mengen Quecksilber-, Chrom- und Silberionen
- Abwasserabgabengesetz: mittelfristig Ersatz CSB durch TOC
- ca. - Umrechnung: CSB (mg/L O2) = 3 x TOC (mg/L C); CSB/TOC = mittlerer
Ox.-grad!!
- sehr wichtig: Verhältnis BSB5/CSB (max. = 1), besonders bei Verfolgung
biologischer Behandlung (Quotient wird zunehmend kleiner)
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Analytik organischer Verbindungen
Gesamter (Gelöster) Organischer Kohlenstoff (TOC)
und andere C – Parameter
direkte summarische Analysenverfahren
vollständige Oxidation organischer C-Verbindungen
Messung CO2, Ergebnisangabe: in mg/L Corg bzw. mmol/L Corg
Begriffe:
TC - Total Carbon
TOC - Total Organic Carbon
TIC/IC - (Total) Inorganic Carbon
DOC - Dissolved Organic Carbon
NDOC - Nondissolved Organic Carbon
POC - Purgeable Organic Carbon
NPOC - Nonpurgeable Organic Carbon
VOC - Volatile Organic Carbon
TC = TOC + IC DOC + NDOC = TOC POC + NPOC = TOC
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Analytik organischer Verbindungen
D O C
Filtration (Membranfiltration Poren-Ø 0,45 µm)
Variante A
- Ansäuern (H3PO4)
- Überführen CO32-/HCO3
- in CO2
- Austreiben mit Purge-Gas
- entspricht NPOC
Variante B
- getrennte Bestimmung von DC
und DIC
- Differenz entspricht DOC
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Analytik organischer Verbindungen
Oxidation der Kohlenstoffverbindungen
nasschemisch
- Oxidationsmittel z. B.
Kaliumdichromat,
Kaliumperoxodisulfat
oder Kaliumperiodat
- in schwefelsaurer Lösung
- hoher Zeitbedarf
UV-Licht
- i. a. mit Zusatz von
Oxidationsmittel (vgl. I)
oder Sauerstoff
- Temperatur ca. 60 °C
- schwebstofffrei
- z. T. nicht vollständig
thermisch
- erhöhte Temperatur
(650 – 1000 °C)
- Katalysator
- Sauerstoff (synth. Luft)
- praktisch vollständige
Oxidation
III III
Entstehung von CO2, H2O u. a. Verbrennungsprodukten
(Wasserabscheider, Trocknung)
Quantitative Detektion des CO2
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Analytik organischer Verbindungen
Quantitative Detektion des CO2
- IR-Spektrometrie
- Acidimetrie
- CO2-selektive Elektrode
- Flammenionisationsdetektor
(nach Reduktion zu Methan)
- Wärmeleitfähigkeitsdetektor
- Absorption von IR-Licht
- IR-aktiv: Molekül mit Dipol (H2O, CO2 …)
- nichtdispersive IR-Spektroskopie
- CO2: starke Bande bei 2349 cm-1 (H2O: 3710 cm-1)
ND-IR-Detektor Quelle:http://www.esrl.noaa.gov/gmd/outreach/faq_cat-3.html
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Analytik organischer Verbindungen
Anmerkung zum Parameter TOC / DOC
Probenvorbereitung:
- Membranfiltration: C-Eintrag
- Schwebstofferfassung: Verbrennungsmethode
- dabei Homogenisierung der Probe
IC-Entfernung:
- Purge-Zeit, pH-Wert einhalten
- mögliche Kontaminationen beachten
- Verlust flüchtiger Komponenten
Differenzmethode:
- nur bei höheren DOC-Gehalten
- Verhältnis IC/DOC geht in Fehler ein
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Analytik organischer Verbindungen
Anmerkung zum Parameter TOC / DOC
Verbrennung 1000 °C:
- schnell, sicher, vollständig
- Peakform substanzunabhängig
- schlagartige Verdampfung der Wasserprobe
- C-Verdünnung, Abkühlung
- max. Injektionsvolumen: 100 µL
- Salzaufschluss – hoher Verschleiß
Verbrennung 680 °C:
- Katalysator: Platin
- Salze stören weniger, bis 2 mL injizierbar
- Auswertung über Peakfläche
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Analytik organischer Verbindungen
Anmerkung zum Parameter TOC / DOC
UV/VUV-(Oxidationsmittel)-Oxidation:
- größere Probevolumina (> 10 mL)
- sehr gute Reproduzierbarkeit
- Salze stören
- z. T. unvollständiger Aufschluss (Kolloide)
Nachweisgrenzen:
- Verbrennung 680 °C: bis 50 µg/L
- UV/Persulfat: wenige µg/L
- entscheidend: Qualität Verdünnungswasser
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Analytik organischer Verbindungen
Typische TOC - Bereiche
Abwasser 100 – 10.000 ppm C
Industrieabwasser 100 – 10.000 ppm C
Fluss-/Seewasser 2 – 20 ppm C
Meerwasser 0,3 – 2 ppm C
Grundwasser 0,4 – 10 ppm C
Trinkwasser 0,5 – 3 ppm C
Destilliertes Wasser 100 – 200 ppb C
Reinstwassersysteme 10 – 200 ppb C
Kesselspeisewasser 10 – 200 ppb C
ppm: part per million (mg/L)
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Anmerkung zum Parameter TOC / DOC
Ox.stufe Beispiel CSB/TOC
+ 3 Oxalsäure 0,667
+ 2 Methansäure 1,333
+ 1 Zitronensäure 2,0
0 Formaldehyd 2,667
- 1 Buttersäure 3,333
- 2 Methanol 4,0
- 3 Ethan 4,667
- 4 Methan 5,333
CSB/TOC-Verhältnis = mittlere Oxidationsstufe des C (Gesamtheit aller
organischen Wasserinhaltsstoffe); Erfahrungswert ca. 3
667048
32
4
2 ,
C
O
TOC
CSB
Quelle: G. Gruber, Schriftenreihe zur Wasserwirtschaft, TU Graz,
1999.
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Parameter Rohwasser Gereinigtes
Abwasser
CSB 200 - 600 25 - 75
BSB5 100 - 300 5 - 20
TOC 75 - 150 5 - 25
Typische Zu- und Ablaufkonzentrationen von Kläranlagen in mg/L
Quelle: G. Gruber: Der biologisch abbaubare Kohlenstoffgehalt in der Abwassertechnik – BTOC und BDOC als Alternative zum BSB. Schriftenreihe
zur Wasserwirtschaft, TU Graz, 1999.
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LC-OCD (Liquid Chromatography – Organic Carbon Detection)
-weitere Aufschlüsselung des DOC:
Bild-Quelle: DOC-Labor Dr. Huber
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LC/OCD
Anlagenbedingungen (LC/DOC)
Eluent Phosphat-Puffer: 28 mmol/l; pH 6,6
(1,25 g/l Na2HPO42H2O und 2,5 g/l KH2PO4)
Flußrate 1,0 ml/min (isokratisch)
Injektionsvolumen
Bestimmungsgrenze
2 ml (Chromatographie) und 0,2 ml (Säulenbypaß)
20 µg/l DOC (2 ml Injektionsvolumen)
Meßwert-
aufnahme
DOC-
Detektion
Probenaufgabe(automatisiert)
UV-
Detektion
Gelchromatographie
Kühlmantel
Kolbenpumpe
Eluent
S. A. Huber, F. H. Frimmel, Fres. J. Anal. Chem. 1992
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
LC/OCD
Bild-Quelle: DOC-Labor Dr. Huber
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Fraktion 1 (Huminstoffe)
Fraktion der Huminstoffe – Fulvinsäuren
Fraktion 2 („Building Blocks“)
Huminstoff-Grundeinheiten (Vorläufer bzw. Abbauprodukte von Huminstoffen)
Fraktion 3 (Niedermolekulare Säuren)
niedermolekularen Säuren, Ketone oder Aldehyde
Fraktion 4 (Amphiphile Substanzen)
schwach hydrophobe bzw. amphiphile Stoffe; tensidisch wirkende, z.T. N-haltige
Verbindungen, wie z.B. Proteine, Peptide, Aminozucker
Fraktion 5 (Polysaccharide/Proteine)
hydrophiles, hochmolekulares Material, das mit dem Trenngel keine Wechselwirkungen
eingeht (gesättigte Strukturen, z. B. Polysaccharide und Proteine)
Fraktion 6 - Hydrophobe organische Stoffe (HOC)
stark hydrophobe Fraktion, wird nicht chromatographiert
LC/OCD
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
LC/OCD
Bild-Quelle: DOC-Labor Dr. Huber
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Bestimmung der Absorption im Bereich der UV-Strahlung,
Spektraler Absorptionskoeffizient (DIN 38404-3)
- Spektrale Absorptionskoeffizient - relativ einfach und schnell bestimmbar
- Messung bei 254 nm: summarischen Erfassung von Verbindungen mit
chromophore Gruppen - Mehrfachbindungen oder π-Elektronensysteme (z. B.
Huminstoffe, Ligninverbindungen)
- Messung im sichtbaren Bereich (z. B. bei 436 nm) – Erfassung gefärbter
Wasserinhaltsstoffe (Huminstoffe oder Eisen- und Manganverbindungen)
- Angabe: auf Schichtdicke bezogen (Einheit zumeist m-1)
- für bestimmtes Gewässer - oftmals gute Korrelation zwischen SAK254 und DOC
- SSAK – Spezifische Absorptionskoeffient (Verhältnis SAK254/DOC); dient zur
weitergehenden Charakterisierung des DOC, Maß für die „Aromatizität“
C C C C C O C S C NN N
N O
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λEmission λAnregung
Intensität
2D/3D-Fluoreszenzmessungen zur DOC-Charakterisierung
• Anregung Wasserprobe (filtriert) im Bereich 200 bis 700 nm
• Erhaltung einer Exzitations-Emissions-Matrix (EEM) durch Variation von λEx
• Zuordnung typischer Gruppen wie Humin-/Fulvinsäuren, Pigmente, Proteine
• Fraktionierung DOC nach chemischer Struktur (LC-OCD primär nach Größe)
• Probleme Quantifizierung: Streu-, Innerfilter-, Quenchingeffekte
• Lösungsansätze: automatische Spektrenfilter, mathematische Korrekturverfahren
Quelle: W. Schmidt, TZW Dresden
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Chl A Chlorophyll A
PC Phycocyanin
PE Phycoerythrin
FC Fucoxanthin
Tyr Tyrosine
Trp Tryptophane
Phe Phenylalanine
EPS extracellular
polymeric
substances
FS fulvic acid
like
HS humic acid
like
Q-o Quinone (oxidized)
Q-s Semiquinone
Q-h Hydroquinone
HS/FSHS/FS
Chl a
Chl a
Chl a
PC
PE
Tyr
Tyr
Trp
Trp
EPS
EPS
Q-oQ-o
Q-s
Q-s
Q-s
Q-s/h
Q-s/hHS/FS
FC
FC
Biopolymers
Humic substances
Algae pigments
Phe
Quelle: W. Schmidt, TZW Dresden
2D/3D-Fluoreszenzmessungen zur DOC-Charakterisierung
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Analytik organischer Verbindungen
Summenbestimmungsmethoden für organische Halogenverbindungen
beruhen auf drei grundlegenden Verfahrensschritten:
1. einer Anreicherung
2. der Überführung des organisch gebundenen Halogens in
Halogenide (Gasphase: Halogenwasserstoffe)
3. der quantitativen Bestimmung der Halogenidionen
Organische Halogenverbindungen
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Analytik organischer Verbindungen
Unterscheidung der summarischen Bestimmungsverfahren
nach physikalischen Grundprinzipien
Probe
F/S-Trennung F/F-Trennung F/G-Trennung
Adsorption Extraktion Austreibung
AOX EOX POX
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Analytik organischer Verbindungen
Methoden zur summarischen Bestimmung von Organohalogenverbindungen
Organohalogenverbindungenflüchtig, extrahierbar, adsorbierbar in Abwasser,
Oberflächenwasser und Trinkwasser
POX
Strippen
Austreiben bei 80 °C
mit Intertgas
EOX
Ausschütteln mit
einem
Extraktionsmittel
AOX
Adsorbieren an
Gemahlener
Aktivkohle
Desorption/Teil-
mineralisierung durch
Erhitzen im Rohrofen
Mineralisierung
Halogenidbestimmung
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Analytik organischer Verbindungen
Organische Halogenverbindungen:
Summarische Erfassung mit der AOX-Methode
EN 1485 (DIN 38409 H14/H8)
Prinzip Durchführung
Probenahme:
- Glasgefäße, luftblasenfrei füllen
- pH-Einstellung mit HNO3 auf pH ~ 2
- Untersuchung möglichst rasch
- Lagerung dunkel, kühl
Anreicherung/Adsorption an Aktivkohle:
- 2 Methoden:
Schüttelmethode
(Batch-Verfahren)
Säulenmethode
(dynamisches Verfahren)
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Analytik organischer Verbindungen
Organische Halogenverbindungen:
Summarische Erfassung mit der AOX-Methode
allgemeine Randbedingungen:
- Gehalt weiterer adsorbierbarer, nicht halogenierter Komponenten
- Gehalt anorganischer Halogenide (Chlorid)
- Meerwasseranalytik – SPE vorschalten
- Kontaktzeit Wasserprobe mit A-Kohle
- Qualität der Aktivkohle
Schüttelmethode:
- 100 mL Probe 1 Stunde mit 50 mg A-Kohle schütteln
- Zusatz von NaNO3/HNO3 (Auswaschen anorganischer Halogenide)
- Filtration über chloridfreie Polycarbonatmembranfilter
- Waschen des Filterkuchens mit NaNO3/HNO3-Lösung
- Filterkuchen + Filter zur Verbrennung
Vorteile:
- preiswert
- Analyse schwebstoffhaltiger Proben
Börnick - Vorlesung Wasseranalytik WS 2016/17
Analytik organischer Verbindungen
AOX [µg/L]
A
Messbereich
größeres
Volumen
B
C
durch Verdünnung
erweiterter
Anwendungsbereich D
durch Mehrfach-
adsorption erweiterter
Anwendungsbereich
E
ausgeschlossener
Konzentrationsbereich
10 0001000100101
1
10
100
250
1000
10 000
DOC [mg/L]
Anwendungsbereiche für die AOX – Methode
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Analytik organischer Verbindungen
Organische Halogenverbindungen:
Summarische Erfassung mit der AOX-Methode
Säulenmethode:
- zwei hintereinandergeschaltete Säulen Aktivkohle
(je 40 mg, dazwischen Keramikwolle)
- Probe (50 bis 100 mL) wird mit 3 mL/min über Säulen gepumpt,
anschließendes Spülen mit NaNO3/HNO3
- i. a. jede Säule einzeln verbrennen
Vorteile:
- geringere Blindwerte
- vollständigere Erfassung
- Kontrollmöglichkeiten
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Analytik organischer Verbindungen
Organische Halogenverbindungen:
Summarische Erfassung mit der AOX-Methode
Verbrennung:
- Verbrennung von Filterrückstand + Filter (Schüttelmethode) bzw.
Säuleninhalt + Keramikwolle (Säulenmethode) im Quarzrohr bei
950 °C und Sauerstoffzufuhr
- Mineralisierung zu HCl, HBr und HI (ferner CO2, H2O …)
- Verbrennungsgase über Adsorber (konz. H2SO4)
Detektion:
- quantitative Erfassung der gebildeten Halogenkohlenwasserstoffe
mit verschiedenen Verfahren möglich, vorrangig Microcoulometrie
- Ausnutzung 1. FARADAYsches Gesetz: m = K · Q
(Stoffumsatz proportional Ladungsmenge)
- Voraussetzung: 100 %iger Stoffumsatz
- Berechnung Ladung aus Stromstärke und Elektrolysezeit
- coulometrische Titration: bei konstantem Strom wird Titrant erzeugt
(Ag+), der mit Analyt (Halogenid) reagiert
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Analytik organischer Verbindungen
Organische Halogenverbindungen:
Summarische Erfassung mit der AOX-Methode
Detektion:
I. anodische Reagenzerzeugung Ag Ag+ + e-
II. chemische Fällungstitration Ag+ + X- AgX
Getrennte Erfassung von chlor-, brom- und iodorganischen Verbindungen:
- Ionenchromatographie, spezielle Methodik
- AOI (bedeutsam zur summarischen Erfassung von Röntgenkontrastmitteln)
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Analytik organischer Verbindungen
Mineralisierungsgase
Pt-Katode
Ag-Anode
Ag/Hg2SO4
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Analytik organischer Verbindungen
Vergleich von EOX und AOX für unterschiedliche Wässer
nach SCHNITZLER, M. et al.
Probe EOX
[µg/L]
AOX
[µg/L]
EOX/AOX
[%]
Rhein, Maxau
Main
Rhein, Düsseldorf
Wolfegger Aach
Abwasser A
Abwasser B
Abwasser C
34
51
30
50
490
740
1630
60
435
199
626
3425
3355
9685
57
12
15
8
14
22
17
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Analytik organischer Verbindungen
AOF:
- ähnlich AOX, Schüttelmethode: bessere Ergebnisse
- Detektion nach Absorption in Citrat-Pufferlösung mit
ionenselektiver Elektrode
- Verschleiß Quarzrohr, Glasgeräte durch Bildung HF
(glasaggressiv)
AOS:
• Prinzip:
- ähnlich AOX, Adsorption an A-Kohle
- Entfernung anorganischer S-Komponenten (SO42-)
- Verbrennung: Entstehung SO2
- Entfernung gebildeter Halogenide (Ag-Wolle)
- Einleitung in microcoulometrische Titrationszelle
- Anwesenheit von Chlorat und Ag+
- SO2 reduziert Chlorat zu Chlorid: Quantifizierung
coulorimetrisch
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Analytik organischer Verbindungen
AOS:
• Probleme:
- Schwefelarme A-Kohle (Preis, zusätzliche
Vorbehandlung)
- Bildung Schwefeltrioxid (muss unterbunden werden,
da nicht coulorimetrisch erfassbar)
SO2 + ½ O2 SO3
- hohe Temperatur, geringer O2-Partialdruck,
Anwesenheit eines Katalysators
- Nachweisgrenzen: ca. 2 µg Schwefel absolut,
Analysenzeit: 10 – 15 min
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Analytik organischer Verbindungen
TN – Gesamtstickstoff
insgesamt 5 Parameter:
Gesamtstickstoff
Organisch gebundener
Stickstoff
Anorganische
Stickstoffverbindungen
- Nitrat
- Nitrit
- Ammonium
(KJELDAHL)
KJELDAHL:
- klassisches Verfahren
- Aufschluss organischer N-Verbindungen (Ox.-zahl: -3) mit
konz. Schwefelsäure (+ Katalysator)
- in Lauge: Bildung Ammoniak, destillative Abtrennung
- aufwendig, problematisch: z. B. Heterocyclen, hohe
Nitrit-/Nitratgehalte
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Analytik organischer Verbindungen
Gesamtstickstoff
• Prinzip:
- Oxidation Wasserprobe bei hohen Temperaturen
- Bildung Stickstoffmonoxid, Trocknung Gasstrom
- Reaktion NO mit Ozon: Bildung angeregtes NO2*
- Desaktivierung unter Lichtabspaltung (= Chemo-
lumineszenz)
- Erfassung durch Photomultipler; quantitativ messbar
- Nachweisgrenzen: 0,5 – 1 mg/L, z. T. darunter
- Analysenzeit: ca. 5 min
- Probleme: hohe Salzfracht, z. T. Verschleppung
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Analytik organischer Verbindungen
Schema der Gesamtstickstoffbestimmung durch Chemolumineszenz
O2
Probe
Pyrolyse
Trockner
Reaktor
Gasreiniger
Abluft
Ozonator
Photo-
multiplerElektrometer
Integrator
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