Anorganische Analytik

Auswertung kleiner Peaks durch Subtraktion einer modellierten Basislinie

Ionenchromatographische Perchlorat-Bestimmung in einer Chlorid-Nitrat-Sulfat Matrix. Steht man vor der Anforderung Perchlorat in einer Wasserprobe mit sehr hohen Chlorid-, Nitrat- und/oder Sulfat-Konzentrationen im Spurenbereich zu bestimmen, so erschwert diese Matrix die Peakauswertung extrem und führt so in der Regel zu Minderbefunden.

Abbildung 1 zeigt einen Perchlorat-Peak der Konzentration 5 µg/l einmal in Reinstwasser und einmal in einer Matrix die jeweils 900 mg/l Chlorid, Nitrat und Sulfat enthält. Man erkennt in Gegenwart der Matrix einen kleinen „Aufsetzer“-Peak auf der abfallenden Flanke des Sulfat-Peaks. Eine Möglichkeit kleinste Perchlorat-Konzentrationen in stark matrixhaltigen Wässern zu messen besteht in der Matrixelemination mit Kartuschen. So kann die Chlorid-Matrix durch Ag-Kartuschen und die Sulfat-Matrix durch Ba-Kartuschen entfernt werden, nicht jedoch die Nitrat-Matrix. Eine andere, gerätetechnisch aufwendigere Möglichkeit besteht mittels Heart-Cut-Technik (Reinjektionstechnik) [1] oder durch eine 2 dimensionale IC [2]. Darüber hinaus gibt es eine weitere, mathematische Möglichkeit der „Matrixelimination“ durch Extrapolation der Basislinie über eine Regressionsfunktion die nachfolgend vorgestellt werden soll.

Perchlorat eluiert aufgrund seiner hohen Affinität zu den für die Trennung eingesetzten Ionenaustauscherharzen unter Standardbedingungen sehr spät von den Trennsäulen. Für diese langen Retentionszeiten, die dem Wunsch einer möglichst niedrigen Bestimmungsgrenze entgegenstehen, sind unter anderem Wechselwirkungen mit dem Polymermaterial verantwortlich. Diese können durch Zugabe eines organischen Modifiers zum Eluenten unterdrückt werden, was zu einer deutlichen Beschleunigung von Perchlorat führt.

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Aus diesem Grund wurden für die möglichst empfindliche Perchloratbestimmung zunächst folgende chromatographische Bedingungen gewählt:

IC-System:

Metrohm 930 Compact IC Flex Oven/SeS/Deg mit LF-Detektor

Trennsäule:

Metrosep A Supp 7 – 250/4.0

Eluent:

10 mMol/L Na2CO3; 35 % Acetonitril

Flußrate:

0,7 mL/Min

Säulentemperatur:

60°C

Injektionsvolumen:

250 µL

Detektion:

Leitfähigkeit nach sequentieller Suppression

Abb.1: Vergleich des IC-Messsignals von 5 μg/l Perchlorat in matrixfreier Probe (grün) und einer Probe, die je 900 mg/l Chlorid, Nitrat und Sulfat enthält (rot).


Aufgrund der sehr hohen Konzentrationsunterschiede zwischen Spuren von Perchlorat neben großen Überschüssen an Chlorid, Nitrat und Sulfat in realen Trink- oder Badewasserproben erscheint der Perchlorat-Peak unter diesen Arbeitsbedingungen oft als kleiner „Aufsetzer“-Peak. Dies erschwert die klassische Auswertung mit Hilfe einer linearen Basislinie und führt vielfach zu Minderbefunden. Abhilfe bietet in diesem Fall eine nichtlineare Approximation der Basis unter dem Aufsetzer-Peak mit mathematischen Methoden.

Extrapolation der Basisline
Abbildung 1 zeigt vergleichend das Messsignal von 5 µg/l Perchlorat in einer matrixfreien Probe und einer Probe die je 900 mg/l Chlorid, Nitrat und Sulfat enthält. Während der Perchlorat- Peak in der matrixfreien Probe gut zu erkennen und auszuwerten ist, ist der Perchlorat-Peak in der matrixbelasteten Probe als kleine Erhöhung in der abfallenden Flanke des Sulfat-Peaks gerade noch zu erkennen. Da die benutzte MagIC- Software keine Möglichkeit der mathematischen Basislinienextrapolation bietet, wurden die Messdaten exportiert und in ein speziell programmiertes Excel-Sheet eingelesen. Das entwickelte Excel-VBA Programm erlaubt neben des Imports von MagIC Daten [3] auch den Import aus der Chromeleon-Software [4].

Abb. 2: Extrahierter Datenbereich der Messung von 5 μg/l Perchlorat in einer Matrix aus je 900 mg/l Chlorid, Nitrat und Sulfat (rote Linie); Messpunkte, die zur Berechnung des Regressionspolynoms herangezogen wurden (grüne Quadrate); mittels Regressionspolynom berechneter Untergrund im extrahierten Datenbereich (schwarze Linie).

Vor der eigentlichen Auswertung durch Basislinienextrapolation wird der interessierende Datenabschnitt des importierten Chromatogramms (hier der Bereich 21 bis 25 Minuten) aus dem Messdatensatz des kompletten Chromatogramms extrahiert. Anschließend erfolgt eine Reduktion der Daten und eine Glättung. Der extrahierte und reduzierte Datensatz des ausgewählten Chromatogrammbereiches ist in Abb. 2 (rote Linie) zu sehen. Aus den Datenpunkten vor und nach dem Perchlorat-Peak (vgl. Abb. 2 grüne Punkte) wird über eine Excel-Routine die Ausgleichsfunktion berechnet und deren Anpassung an den Verlauf der Messpunkte des Matrix-Peaks visuell geprüft. Je nach Steilheit des Abfalles können, von Excel angeboten, Regressionspolynome 2 bis 6 Grades gewählt werden. Für die getesteten Lösungen von Perchlorat in einer Chlorid-Nitrat-Sulfat Matrix erwiesen sich Regressionspolynome 4. (und 3. Grades) als gut geeignet.

Angemerkt sei, dass sowohl die im Diagramm durch Excel zur Verfügung gestellte Ausgleichsfunktion als auch das über die RGP-Funktion ermittelte Regressionspolynom gute Basislinienextrapolationen ermöglichten, obgleich sich die jeweils ermittelten Koeffizienten geringfügig unterscheiden. Auch kann durch die Auswahl der Datenpunkte vor und nach dem Peak die Güte der Anpassung beeinflusst werden.

Subtraktion der chromatographischen Basis
In einem nächsten Schritt erfolgt an Hand der ermittelten Ausgleichsfunktion die Berechnung der Basislinie (vgl. Abb. 2, schwarze Linie). Danach wird die über die ermittelte Ausgleichsfunktion berechnete Basislinie vom gemessenen Chromatogramm abgezogen. Abb. 3 zeigt den resultierenden Perchloratpeak nach Subtraktion der mittels Regressionspolynom (hier 4. Grades) extrapolierten Basislinie.

Abb. 3: Resultierendes Messsignal von 5 μg/l Perchlorat in einer Matrix von je 900 mg/l Chlorid, Nitrat und Sulfat nach Subtraktion des berechneten Untergrunds.

Man erkennt (vgl. Abb. 3) einen nun symmetrischen, einfach auszuwertenden Perchlorat-Peak. In Abbildung 4 ist vergleichend das Messsignal von 5 µg/l Perchlorat in Reinstwasser ebenfalls nach Durchlaufen des gleichen Rechenweges dargestellt. Der resultierende Perchlorat-Peak kann nun über die Höhe oder Fläche leicht ausgewertet werden. Die Mötlichkeit eines Reimports der Daten nach mathematischer Matrixelemination in MagIC besteht momentan nicht, wäre aber wünschenswert, um die Auswertung in gewohnter Weise unter MagIC Net durchzuführen.

Ein Kalibrierexperiment im Bereich von 1,5 bis 15 µg/l zur Bestimmung der Verfahrenskenngrößen zeigte, dass im Bereich kleiner Konzentrationen die Auswertung über die Peakhöhe nach Subtraktion der berechneten Basislinie gegenüber der Auswertung über die Peakfläche zu kleineren relativen Verfahrensstandardabweichungen führen kann.

Abb. 4: Resultierendes Messsignal von 5 μg/l Perchlorat in einer matrixfreien Probe nach Subtraktion des berechneten Untergrundes.

Durch weitere Optimierung der chromatographischen Bedingungen konnte mittlerweile für die hier beschriebene Aufgabenstellung eine Lösung gefunden werden, die eine nahezu vollständige Trennung der Anionenmatrix von dem im Spurenbereich vorliegenden Perchlorat ermöglicht [5]:

IC-System:

Metrohm 930 Compact IC Flex Oven/SeS/Deg mit LF-Detektor

Trennsäule:

Metrosep A Supp 7 – 150/4.0

Eluent:

20 mMol/L Na2CO3

Flußrate:

0,7 mL/Min

Säulentemperatur:

60 °C

Injektionsvolumen:

250 µL

Detektion:

Leitfähigkeit nach sequentieller Suppression

Abb. 5: Vergleich der ursprünglichen und der optimierten Trennung anhand der Injektion einer mit 5 μg/L Perchlorat dotierten Trinkwasser-Probe (Injektionsvolumen 250 μL).

Unter diesen Bedingungen ergibt sich eine so hohe Auflösung zwischen der Anionenmatrix und Perchlorat, dass Perchlorat nicht mehr als Aufsetzer-Peak eluiert und dadurch eine klassische Auswertung möglich wird (Abb. 5).

Resumee
Für kleine, unsymmetrische Aufsetzer-Peaks auf einer abfallenden Flanke eines Matrix-Peaks kann die Berechnung der Peakbasis aus Messdaten vor und hinter dem Aufsetzer-Peak mittels eines Regressionspolynoms und Subtraktion der berechneten Grundlinie vom gemessenen Chromatogramm zu einem symmetrischen, leicht auswertbaren Analytpeak führen. Wie Messreihen mit zunehmender Matrix (je 100 bis 900 mg/l Chlorid + Nitrat + Sulfat) zeigten, unterscheiden sich die gefundenen Messsignale nach mathematischer Matrixelemination nur noch im Rahmen der Messunsicherheit vom Messsignal einer matrixfreien Lösung. Entsprechend lagen die Wiederfindungsraten, unabhängig von der Matrix zwischen 90 und 110 %, während sie bei einer „normalen“ Auswertung für hohe Matrixkonzentrationen auf unter 70 %, bei gleichzeitig schlechter Peaksymmetrie, fielen.

Da die Güte der Extrapolation der abfallenden Peakflanke vom gewählten mathematischen Modell und der Auswahl der Datenpunkte abhängt, ist eine Optimierung der Chromatographie bei gleichbleibendem apparativen Aufwand der erste Schritt. Werden aber keine besseren Trennbedingungen gefunden oder sind die hierzu notwendigen Mittel zu aufwendig, können im zweiten Schritt mathematische Hilfsmittel von hohem Nutzen sein.

[1] Metrohm IC Application Note S-342 – Trace perchlorate in drinking water applying re-injection (heart-cut) technique
[2] Thermo Application Note 1024 – Improved Determination of Trace Perchlorate in Drinking Water Using 2D-IC
[3] Bauer 2015: Excel VBA Programm zur Berechnung nichtlinearer Basislinien unter chromatographischen Aufsetzerpeaks – Datenimport aus MagIC
[4] Bauer – Neist 2015: Erweiterung zum Messdatenimport aus Chromeleon
[5] Metrohm IC Application Note S-346 – Traces of perchlorate in drinking water

Karl-Heinz Bauer, Fachbereichsleiter Anorganische Analytik, Hessenwasser

Karl-Heinz Bauer, Fachbereichsleiter Anorganische Analytik, Hessenwasser und

Thomas Kolb, Produktmanager Ionenchromatographie, Metrohm Deutschland

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