DE3908302A1

DE3908302A1 - Ionenchromatographisches verfahren und eluierungsmittel zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3908302A1
Application number: DE19893908302
Authority: DE
Inventors: Yoshinori Takata; Mitsuo Ito
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-03-14
Filing date: 1989-03-14
Publication date: 1989-09-28
Also published as: JPH01232259A; JPH07119746B2

Description

Die Erfindung betrifft ein ionenchromatographisches Verfah ren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Eluierungsmittel zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7 zur stabilen Messung ent weder von Kationen oder Anionen oder von beiden Ionenarten jeweils über eine verlängerte Zeitspanne.

Bei einem ionenchromatographischen Verfahren mittels einer Ionenaustauschersäule bzw. Trennsäule, die mit einem Ionen austauscher-Harz von geringer Ionenaustauschkapazität ge füllt ist, welche 1/10 bis 1/100 niedriger ist als diejeni ge eines gewöhnlichen Ionenaustauscher-Harzes, erfolgt die Untersuchung mit einem Eluierungsmittel (eluent), dessen Konzentration im Millimol-Bereich (mMol) liegt. Aufgrund der niedrigen Ionenaustauschkapazität der Säule und der niedrigen Konzentration des Eluierungsmittels bedecken je doch Verunreinigungen mit größerer Selektivität als jene der gewünschten Komponenten oder irreversibel absorbierte Verunreinigungen, falls diese im Eluierungsmittel vorhanden sind, das Ionenaustauscher-Harz, was zu einer Verminderung des tatsächlich wirksamen Anteils an Ionenaustauschergrup pen und zu einer Kürzung der Speicher- bzw. Verweilzeit führt, mit dem Ergebnis, daß die gewünschten Komponenten nicht voneinander getrennt werden können.

Zur Lösung dieser Probleme wurde bereits vorgeschlagen, zu einem Eluierungsmittel einen bestimmten Anteil eines orga nischen Lösungsmittels hinzuzufügen, z. B. 5 bis 10 Gew.-% Isopropanol, und zwar unter der Annahme, daß die Verunrei nigungen organisch sind. Die vorgeschlagenen Maßnahmen führten jedoch nicht vollständig zur Lösung des Problems der Säulendegenerierung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ionenchroma tographisches Verfahren und ein Eluierungsmittel zur Durch führung des Verfahrens anzugeben, um eine verwendete Säule eines Ionenaustauscher-Harzes für eine verlängerte Zeit spanne stabil zu halten, insbesondere dann, wenn das Ionen austauscher-Harz eine geringe Ionenaustauschkapazität auf weist.

Die verfahrensseitige Lösung der gestellten Aufgabe findet sich im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1. Dagegen ist die auf das Eluierungsmittel bezogene Lösung der ge stellten Aufgabe dem kennzeichnenden Teil des Patentan spruchs 7 zu entnehmen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweils nachgeordneten Unteransprü chen gekennzeichnet.

Um die gestellte Aufgabe zu lösen, wird nach der Erfindung ein sehr kleiner Anteil einer wasserlöslichen organischen Verbindung hinzugefügt, die dieselbe Funktionsgruppe wie diejenige des Ionenaustauscher-Harzes aufweist, welches sich in einer Trennsäule (separator column) befindet, die beim ionenchromatographischen Verfahren benutzt wird. Ver unreinigungen mit einer größeren Selektivität oder Verun reinigungen, die durch die Ionenaustauschergruppe des Io nenaustauscher-Harzes irreversibel absorbiert worden sind und durch die im wesentlichen die Säulendegenerierung her vorgerufen wird, werden von der wasserlöslichen organischen Verbindung absorbiert und zusammen mit dem Eluierungsmittel ausgestoßen.

Unter den in einer Probe oder in einem Eluierungsmittel vorhandenen Verunreinigungen werden jene mit größerer Se lektivität bezüglich eines verwendeten Ionenaustauscher- Harzes als diejenige der gewünschten Komponenten in der Säule gesammelt, ohne bei wiederholten Untersuchungen zu sammen mit dem Eluierungsmittel aus der Säule ausgestoßen zu werden, auch wenn die Konzentration der Verunreinigungen gering ist, so daß sich dadurch der wirksame Anteil der Ionenaustauschergruppen reduziert. Dies führt zu einer Ver kürzung der effektiven Länge der Trennsäule, also zu einer Verkürzung der Speicher- bzw. Verweilzeit und zu einer ver schlechterten Trennung von Spitzen voneinander. Es tritt also die genannte Säulendegenerierung auf.

Wird entsprechend der Erfindung eine wasserlösliche organi sche Verbindung mit denselben Funktionsgruppen wie die Aus tauschgruppe (Funktionsgruppe) des Ionenaustauscher-Harzes zum Eluierungsmittel hinzugefügt, und zwar mit einem größe ren Anteil als derjenige der gesamten Verunreinigungen im Eluierungsmittel und der Probe, so verbinden sich die Ver unreinigungen mit der hinzugefügten organischen Verbindung in Übereinstimmung mit dem Verteilungsgleichgewicht. Es braucht nicht besonders betont zu werden, daß ein Teil der Verunreinigungen sich mit der Ionenaustauschergruppe des Ionenaustauscher-Harzes verbindet, welches in die Trennsäu le hineingefüllt ist, jedoch übersteigt dieser Teil nicht einen vorgegebenen Anteil von Verunreinigungen infolge der Gegenwart derselben Funktionsgruppen im Eluierungsmittel wie im Ionenaustauscher-Harz und infolge des zwischen ihnen eingestellten Verteilungsgleichgewichts. Die Ansanmlung von Verunreinigungen in der Trennsäule läßt sich somit wirksam verhindern, so daß das Phänomen der Säulendegenerierung praktisch nicht mehr auftritt.

Bei einem ionenchromatographischen Verfahren ohne Ionenaus tauscher-Harz für die Trennung ist es bereits bekannt, zur Verbesserung der Trennfähigkeit zum Eluierungsmittel eine Verbindung hinzuzufügen, die eine Funktionsgruppe gleich der gewöhnlichen Ionenaustauschergruppe aufweist, z. B. quartäres Ammoniumsalz (quaternary ammonium salt) und eine Schwefelverbindung (sulfonate). In diesem Fall kommt jedoch ein Säulenfüllmaterial vom Verteilungs-Adsorptions-Typ zum Einsatz, z. B. Silica-octadecylsilan (silica-octadeylsilane bzw. ODS), usw. Der Zweck der Hinzufügung dieser Verbindung liegt darin, ein Ionenpaar mit einer zur Untersuchung ge wünschten Ionensortenkomponente zu bilden und dieses zu trennen, und zwar in Übereinstimmung mit der Verteilungs- Adsorptions-Reaktion. Diese Maßnahme ist völlig verschieden von der erfindungsgemäßen Maßnahme, bei der die wasserlös liche organische Verbindung mit derselben Funktionsgruppe wie die des Ionenaustauscher-Harzes zum Eluierungsmittel hinzugegeben wird. Die Erfindung ist darauf gerichtet, ein Ionenaustauscher-Harz mit einer Ionenaustauschergruppe als Säulenfüllmaterial für die Trennsäule zu verwenden.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1(a), (b) und (c) Diagramme zur Erläuterung der Wir kung der Erfindung gemäß einem Ausführungsbei spiel,

Fig. 2(a), (b) und (c) nach dem Stand der Technik erhaltene Diagramme zum Zwecke des Vergleichs mit der Er findung,

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkung der er findungsgemäßen Maßnahmen in Übereinstimmung mit einem anderen Ausführungsbeispiel,

Fig. 4(a) und (b) Diagramme zur Erläuterung der Wirkung der erfindungsgemäßen Maßnahmen in Übereinstimmung mit einem weiteren Ausführungsbeispiel, und

Fig. 5 einen schematisch dargestellten Aufbau eines Ionenchromatographen zur Durchführung des Ver fahrens nach der Erfindung.

Beispiel 1

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1(a), (b) und (c) ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher be schrieben, wobei herkömmliche Ergebnisse in den Fig. 2(a), (b) und (c) dargestellt sind. Die Fig. 1(a), (b) und (c) beziehen sich auf eine Untersuchung mit einer Mischprobe aus Anionen, wobei die Untersuchungsbedingungen in der nachfolgenden Tabelle 1 zusammengestellt sind.

Tabelle 1 Anionen-Untersuchungsbedingungen

Probe: Mischprobe, die jeweils 20 ppm F^-, Cl^-, NO₂^-, Br^-, NO₃^-, CO₃^2-, PO₄^3- und SO₂^2- enthält, wobei 30 µl injiziert wurden.
Trennsäule: Hitachi Packed Column P#2730IC
Ionenaustauschergruppe: quartäre Ammoniumgruppe
Matrix: Methacrylharz
Partikelgröße: 10µm
Säulenabmessung: 4 mm ID × 50 mm Höhe
Temperatur: 40°C
Eluierungsmittel (Eluent): 0,7 mMol KOH-0,03 mMol Citronensäure- 20 ppm Trioctylmethylammoniumchlorid
Flußrate: 1 ml/min
Detektor: Hitachi L-3700 (elektroleitender Detektor)

Die Fig. 1(a) zeigt ein Chromatogranm einer Trennsäule bei einem ersten Untersuchungslauf, während die Fig. 1(c) das Chromatogramm beim 250. Untersuchungslauf zeigt. Dagegen sind in der Fig. 1(b) Änderungen in der Speicher- bzw. Ver weilzeit in der Trennsäule in Abhängigkeit des Untersu chungsprozesses vom ersten Lauf bis zum 250. Lauf darge stellt, wobei zu erkennen ist, daß keine wesentliche Ände rung in der Speicher- bzw. Verweilzeit (retention time) in der Trennsäule bis zum 250. Lauf auftritt. Es wird unmit telbar klar, daß sich die Säulendegenerierung durch 20 ppm quartäres Ammoniumsalz im Eluierungsmittel verhindern läßt, also durch die wasserlösliche organische Verbindung Trioc tylmethylammoniumchlorid mit derselben quartären Ammonium gruppe wie die des Ionenaustauscher-Harzes, das in die Trennsäule als Funktionsgruppe hineingefüllt ist.

Im Vergleich dazu zeigen die Fig. 2(a), (b) und (c) Ergeb nisse bei einer Trennsäule mit einem Eluierungsmittel ohne ein derartiges und in Tabelle 1 angegebenes quartäres Ammo niumsalz. Die anderen Bedingungen bezüglich der Fig. 2 sind identisch mit den in Tabelle 1 angegebenen Bedingungen. Die Fig. 2(a) zeigt ein Chromatogramm einer Trennsäule bei ei nem ersten Untersuchungslauf, während die Fig. 2(c) ein Chromatogramm der Trennsäule beim 180. Untersuchungslauf zeigt. In Fig. 2(b) sind die Änderungen der Speicher- bzw. Verweilzeit in der Trennsäule beim Untersuchungsprozeß vom ersten bis zum 180. Lauf dargestellt. Es läßt sich anhand der Fig. 2 erkennen, daß sich die Säuleneigenschaften im Laufe der Zeit verschlechtern und daß auch die Trennfähig keit der Trennsäule unbefriedigend ist bzw. nachläßt. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme läßt sich daher erreichen, daß die Trennsäule über eine verlängerte Zeitspanne stabil arbeiten kann, wie der Fig. 1 zu entnehmen ist.

Beispiel 2

Die Fig. 3 zeigt einen Effekt nach der Erfindung in Über einstimmung mit einem anderen Ausführungsbeispiel, wobei Änderungen der Speicher- bzw. Verweilzeit in Abhängigkeit der Durchleitzeit des Eluierungsmittels aufgetragen sind. Über einen ersten Zeitraum von 6 Stunden werden wiederholt Untersuchungen mit demselben und in Tabelle 1 angegebenen Eluierungsmittel vorgenommen, mit der Ausnahme, daß im Elu ierungsmittel kein quartäres Ammoniumsalz vorhanden ist. Wie zu erkennen ist, verschlechtern sich die Eigenschaften der Trennsäule im Laufe der ersten 6 Stunden mehr und mehr. Im darauffolgenden Zeitabschnitt wurde zur Untersuchung ein Eluierungsmittel verwendet, das 25 ppm quartäres Ammonium salze enthält, während die anderen Bedingungen identisch zu den in Tabelle 1 genannten Bedingungen gehalten wurden. Es wurde somit erreicht, daß sich die in ihren Eigenschaften verschlechterte Trennsäule wieder regenerieren konnte, und zwar bei Anwendung des Eluierungsmittels mit dem quartären Ammoniumsalz. In Übereinstimmung mit der Erfindung konnte somit die Trennsäule ihre anfangs guten Betriebseigenschaf ten wieder einnehmen.

Wird die Konzentration des quartären Ammoniumsalzes auf ei nen höheren Pegel angehoben, z. B. auf einen Pegel von 1000 ppm, so erfolgt die Regenerierung der Trennsäule sehr schnell, obwohl ein gewisser Einfluß auf das Trennverhalten zu beobachten ist. Bei einem niedrigeren Konzentrationspe gel von z. B. kleiner als 0,1 ppm, läßt sich durch das quartäre Ammoniumsalz kein wesentlicher Effekt erzielen.

Es wurde also herausgefunden, daß für die normale Eluierung eine Konzentration des quartären Ammoniumsalzes von 10 bis 25 ppm ausreicht, daß jedoch die Konzentration des quartä ren Ammoniumsalzes auch im Bereich von 0,1 ppm bis 1000 ppm liegen kann, um einen signifikanten Effekt zu erzielen.

Beispiel 3

Die Fig. 4(a) und (b) zeigen Ergebnisse eines anderen Aus führungsbeispiels der Erfindung. In Fig. 4(a) ist ein Chro matogramm einer Trennsäule beim 150. Untersuchungslauf dar gestellt, wobei ein Eluierungsmittel entsprechend der nach folgenden Tabelle 2 verwendet wurde, mit der Ausnahme, daß es kein Trioctylmethylammoniumchlorid enthielt. Die restli chen Bedingungen wurden entsprechend der Tabelle 2 einge stellt. Dagegen zeigt die Fig. 4(b) ein Chromatogramm der Trennsäule 15 Stunden nach dem Start zum Durchlaß eines Eluierungsmittels nach Tabelle 2 durch die verschlechterte Trennsäule, wobei das Eluierungsmittel nunmehr Trioctyl methylammoniumchlorid enthält.

Tabelle 2 Ionenchromatographische Untersuchungsbedingungen

Trennsäule: Shodex IC-1-524A (hergestellt von Showa Denko K.K., Japan)
Ionenaustauschergruppe: quartäre Ammoniumgruppe Matrix: Methacrylharz
Partikelgröße: 12,5 µm
Säulenabmessung: 4,6 mm ID × 100 mm Höhe (Säule aus rostfreiem Stahl)
Eluierungsmittel (Eluent): 1,0 mMol p-Hydroxybenzoesäure,
1,1 mMol N,N-Diethylethanolamin
20 ppm Trioctylmethylammoniumchlorid
Andere Bedingungen: wie in Tabelle 1.

Anhand der Figur läßt sich erkennen, daß sich die degene rierte Trennsäule in Übereinstimmung mit der Erfindung wie der wirksam regenerieren läßt.

Derselbe und oben beschriebene Effekt läßt sich auch mit einer Lösung erzielen, die Trioctylmethylammoniumchlorid (trioctylmethylammonium chloride) in einer höheren Konzen tration aufweist, und die mit einem Eluierungsmittel, das kein Trioctylmethylammoniumchlorid enthält, unmittelbar vor Einleitung in die Trennsäule gemischt wird.

Beispiel 4

Die Fig. 5 zeigt einen schematischen Aufbau eines Ionen chromatographen nach der Erfindung.

Ein Eluierungsmittel 1 (eluent) und eine Lösung 2, die eine wasserlösliche organische Verbindung mit derselben Funk tionsgruppe wie die eines Ionenaustauscher-Harzes mit ge ringer Ionenaustauschkapazität enthält, das in eine Trenn säule 8 hineingefüllt ist (in einigen Fällen kann als Elu ierungsmittel auch ein Lösungsmittel verwendet werden), werden über Magnetventile 3 und 4, die durch eine Steuerung 5 betätigt werden, einen Mischer 10, eine Pumpe 6 und ein Probeninjektionstor 7 zur Trennsäule 8 geleitet. Das Eluie rungsmittel 1 und die Lösung 2 können abwechselnd mit gege benen Flußraten oder gleichzeitig mit einer gegebenen Mi schungsrate zur Trennsäule 8 geleitet werden, und zwar durch entsprechende Ansteuerung der Magnetventile 3 und 4 über die Steuerung 5. In die Leitung im Bereich des Proben injektionstors 7 wird eine Probe injiziert und innerhalb der Trennsäule 8 mittels des Eluierungsmittels 1 entwik kelt. Einzelne in der Trennsäule 8 getrennte Komponenten werden von der Trennsäule 8 ausgegeben und zu einem Detek tor 9 geleitet, durch den eine quantitative Bestimmung der separierten Komponenten erfolgt.

Es ist möglich, die Trennung und Untersuchung mit einem Eluierungsmittel 1 durchzuführen, zur Regenerierung der verschlechterten Trennsäule 8 diese für eine bestimmte Zeit mit der Lösung 2 zu versorgen und dann in der regenerierten Trennsäule 8 wiederum die Trennung und Untersuchung mit Hilfe des Eluierungsmittels 1 fortzuführen. Die Trennung und Untersuchung kann jedoch auch effektiv und stabil über eine verlängerte Zeitspanne erfolgen, indem eine Mischung aus Eluierungsmittel 1 und Lösung 2 durch die Trennsäule 8 hindurchgeleitet wird, und zwar mit einer solchen Mi schungsrate, die zu einer Konzentration der organischen Verbindung im Bereich von 0,1 bis 1000 ppm und insbesondere im Bereich von 10 bis 25 ppm führt. Hierdurch verschlech tert sich nicht der Trenneffekt der Säule, während anderer seits die Degenerierung der Säule verhindert wird.

Derselbe Effekt, der bei der Anionen-Austauschharz-Säule beobachtet worden ist, läßt sich auch bei der Kationen-Aus tauschharz-Säule feststellen. Im Falle einer Ionenchromato graphie unter Verwendung einer Kationen-Austauschharz-Säule mit einer Sulfonsäuregruppe (sulfonic acid group) als Ionenaustauschergruppe ist es wirksam, zum Eluierungsmittel einen sehr kleinen Anteil von Alkylbenzolsulfonsäure (al kylbenzenesulfonic acid) hinzuzufügen.

In Übereinstimmung mit der Erfindung kann eine Ionenchroma tographie über eine verlängerte Zeitspanne stabil durchge führt werden, ohne daß die Trennsäule ausgetauscht werden muß. Die Untersuchungskosten bzw. Prüfkosten lassen sich dadurch wirksam reduzieren. Der umständliche Wechsel der Trennsäule braucht nicht mehr so oft durchgeführt zu wer den.

Claims

1. Ionenchromatographisches Verfahren unter Verwendung einer mit einem Ionenaustauscher-Harz gefüllten Trennsäule (8), dadurch gekennzeichnet, daß eine Eluierung der Trenn säule (8) mit einem Eluierungsmittel erfolgt, das eine was serlösliche organische Verbindung enthält, die dieselbe Funktionsgruppe wie diejenige des Ionenaustauscher-Harzes aufweist.

2. Ionenchromatographisches Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ionenaustauscher-Harz ein Ionenaustauscher-Harz mit niedriger Ionenaustauschkapazität ist.

3. Ionenchromatographisches Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Eluierungsmittel 0,1 bis 1000 ppm der wasserlöslichen organischen Verbindung enthält.

4. Ionenchromatographisches Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ionenaustauscher-Harz ein Ionenaustauscher-Harz mit einer quartären Ammoniumgruppe als Funktionsgruppe und die wasserlösliche organische Ver bindung Trioctylmethylammoniumchlorid sind.

5. Ionenchromatographisches Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eluierung zuerst mit einem Eluierungsmittel erfolgt, das keine solche wasserlösliche organische Verbindung enthält, und dann nach einer gegebe nen Zeit mit einem Eluierungsmittel, das die wasserlösliche organische Verbindung enthält.

6. Ionenchromatographisches Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine Lösung mit der wasserlöslichen Verbindung bereitgestellt und dann mit ei nem Eluierungsmittel gemischt wird, welches keine solche wasserlösliche organische Verbindung enthält, und zwar un mittelbar vor Einleitung in die Trennsäule (8), und daß die resultierende Mischung zur Trennsäule (8) geführt wird, um die Eluierung durchzuführen.

7. Eluierungsmittel für die Ionenchromatographie, da durch gekennzeichnet, daß es eine wasserlösliche organische Verbindung mit derselben Funktionsgruppe wie die eines Ionenaustauscher-Harzes aufweist, welches in eine Ionen chromatographie-Trennsäule (8) eingefüllt ist.

8. Eluierungsmittel nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß das Ionenaustauscher-Harz ein Ionenaustau scher-Harz mit niedriger Ionenaustauschkapazität ist.

9. Eluierungsmittel nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge kennzeichnet, daß das Eluierungsmittel 0,1 bis 1000 ppm der wasserlöslichen organischen Verbindung enthält.

10. Eluierungsmittel nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß das Ionenaustauscher-Harz ein Ionenaustau scher-Harz mit einer quartären Ammoniumgruppe als Funk tionsgruppe und die wasserlösliche organische Verbindung Trioctylmethylammoniumchlorid sind.