Protecting IC systems with Metrohm Inline Ultrafiltration and Inline Dialysis

06.03.2023

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Dieser Artikel ist Teil 2 einer Serie

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Ionenchromatographie und Probenfiltration gehen Hand in Hand, da dieser Vorbehandlungsschritt für die meisten Probenmatrices empfohlen wird. Es ist unbedingt zu vermeiden, dass Partikel, Algen oder Bakterien in das IC-System injiziert werden, da diese sowohl das Gerät als auch die Trennsäule gefährden können. Die Proben werden oft manuell vorbereitet, zum Beispiel durch Filtration oder Zentrifugation, um Verunreinigungen und störende Matrixkomponenten zu entfernen. Eine effizientere Möglichkeit, Proben für die IC-Analyse vorzubereiten, ist die Verwendung von Metrohm Inline Sample Preparation (MISP)-Techniken zur Automatisierung des Prozesses. Mit der Metrohm Inline-Ultrafiltration (UF) oder der Inline-Dialyse kann das IC-System vor schädlichen Matrixbestandteilen geschützt werden, während gleichzeitig die manuelle Arbeit reduziert und der Probendurchsatz erhöht wird.

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Warum sollten Proben vor der Analyse mittels Ionenchromatographie gefiltert werden?
Metrohm Inline-Ultrafiltration
Metrohm-Inline Dialysis
Vergleich der Carrez-Klärung und der Metrohm-Inline-Dialyse an Milchproben

Warum sollten Proben vor der Analyse mittels Ionenchromatographie gefiltert werden?

Verschiedene Wasserarten (z. B. Prozesswasser, Oberflächenwasser, Abwasser) sowie Getränke, Extrakte und Verdauungslösungen können ein IC-System beschädigen. Partikel, Schlamm oder Pflanzenreste in einer Probe kontaminieren nicht nur das IC-System, sondern können sich auch im Material der Trennsäule anreichern. Infolge der Partikelanhäufung nimmt die Austauschkapazität der Säule (die für eine angemessene Peaktrennung erforderlich ist) in Verbindung mit einem schnellen Anstieg des Systemdrucks ab. Darunter leidet die Peakauflösung, und die Gesamtlebensdauer der Vorsäule sowie der Trennsäule werden erheblich verkürzt.

Metrohm Inline-Ultrafiltration

Die manuelle Filtration ist ein bekannter Schritt der Probenvorbereitung. Die Probe wird zunächst in eine Spritze gesaugt und dann durch einen geeigneten Filter geleitet, während sie in einen Probenbehälter injiziert wird. Dies ist eine arbeitsintensive, sich oft wiederholende Aufgabe, die sowohl Arbeitszeit als auch teure Verbrauchsmaterialien erfordert. Aufgrund der verwendeten Verbrauchsmaterialien fällt eine erhebliche Menge an Abfall an.

Die Metrohm Inline-Ultrafiltration ist eine vollständig automatisierte Inline-Lösung für diese Nachteile. Die Inline-Ultrafiltration ist die am häufigsten verwendete MISP-Technik. Diese Technik ermöglicht es Anwendern, über 100 Proben mit nur einer einzigen Ultrafiltrationsmembran zu analysieren. Je nach Matrix können mit einer UF-Membran sogar bis zu 500 oder 600 Proben gefiltert werden.

Im zugehörigen Blogbeitrag unten finden Sie unsere Empfehlungen, wann eine UF-Membran ausgetauscht werden sollte.

Wann muss ich die Filtrationsmembran gegen Inline Ultrafiltration austauschen?

Technisch gesehen kann jeder Metrohm-IC mit einem Ultrafiltrationssystem aufgerüstet werden. Die einzige Voraussetzung ist, dass der Autosampler mit einer Peristaltikpumpe ausgestattet sein muss. Das folgende Flussdiagramm zeigt das Anschlussprinzip für UF-Systeme (Animation 1).

Sobald die ungefilterten Proben auf den Probenwechsler platziert und in die MagIC Net Probentabelle eingetragen wurden, muss der Anwender nichts weiter tun. Der Autosampler saugt die Probe aus einem Probengefäß ab und transportiert sie zur UF-Zelle (Animation 1).

Die Metrohm Ultrafiltrationszelle

Die UF-Zelle besteht aus zwei Kammern mit einem gemeinsamen spiralförmigen Strömungsweg. Diese Kammern sind mit zwei separaten Peristaltikpumpen verbunden und durch eine Membran getrennt (Animationen 1 und 2). Das einzigartige Konzept der Metrohm Inline-Ultrafiltration besteht darin, dass nur ein Aliquot aus der Probe durch die Membranoberfläche filtriert wird (Animation 2). Der Großteil der Probe wird auf der Probenseite der Ultrafiltrationsmembran zum Abfall geleitet. Dies ermöglicht einen kontinuierlichen Fluss auf der Probenseite und verhindert, dass sich Partikel auf dem Filter festsetzen. Partikel und andere unerwünschte Matrixbestandteile werden kontinuierlich weggespült, so dass sich kein Filterkuchen bilden kann. Das «saubere » Filtrat wird in die Probenschleife für die Probeninjektion in den Ionenchromatographen gefüllt.

Die von Metrohm angebotene Standard-UF-Membran (Abbildung 1) besteht aus regenerierter Cellulose mit einer Porengröße von 0,20 μm. Die Porengröße ist viel kleiner als bei anderen Membrantechnologien wie manuellen Filtermembranen oder speziellen Filterkappen verschiedener Hersteller. Partikel, die 0,5 μm und größer sind, können bereits zu Verstopfungen innerhalb des Säulenmaterials führen. Aufgrund der geringen Porengröße der Membran kann Metrohm garantieren, dass keine Partikel, die größer als 0,20 μm sind, in das Analysesystem eindringen und dieses beeinträchtigen oder beschädigen.

Leistungstests des Ultrafiltrationssystems mit dem Zellulosemembranmaterial haben in den letzten Jahren eine vernachlässigbare Kontamination durch Auslaugung gezeigt, was den Anwendern eine sehr gute und zuverlässige Routine bietet. Darüber hinaus ist der Aufbau flexibel und kann an die Bedürfnisse des Labors angepasst werden. Andere auf dem Markt erhältliche Ultrafiltrationsmembranen können ebenfalls verwendet werden. Diese erfordern jedoch gründliche Tests durch den Verbraucher, um analytische Effekte oder Verzerrungen auszuschließen, bevor Analysen durchgeführt werden.

Nach der Injektion der gefilterten Probe auf die IC-Säule, wird der gesamte Probenweg (einschließlich der UF-Zelle) parallel zur Detektion gründlich mit einer oder mehreren Spüllösungen gespült. Die Standardspülung erfolgt mit Reinstwasser (UPW). Bei Bedarf können vor dem UPW zusätzliche Spüllösungen (z. B. 30% Methanol) verwendet werden, um das Wachstum von Bakterien im Probenweg zu unterbinden. Für die letzte Spülung ist es wichtig Reinstwasser zu verwenden, da dies dann das Medium ist, in dem die UF-Zelle gelagert wird. Mit diesem Inline-Spülverfahren garantiert die Inline-Ultrafiltration eine Verschleppung von weniger als 0,1% zwischen den Proben.

Die Inline-Ultrafiltration von Metrohm kann auch mit den anderen in Teil 1 dieser Serie erwähnten MISP-Techniken kombiniert werden. Zusammen mit der intelligenten Partial-Loop Injection Technique (MiPT) oder Inline-Verdünnung von Metrohm kann jede Probe automatisch so vorbereitet werden, dass sie innerhalb des kalibrierten Konzentrationsbereichs liegt. Diese Probenvorbereitungstechniken sind leistungsstarke Hilfsmittel, die zusätzlichen Systemschutz bieten, die Lebensdauer der Trennsäule verlängern, viel Zeit im Labor sparen und Wartungs- und andere Kosten auf ein Minimum reduzieren.

Metrohm Inline-Dialysis

Häufig wird die Carrez-Klärung oder Offline-Dialyse eingesetzt, um Kolloide, Proteine, Öltropfen usw. aus Probenmatrizen mit hoher organischer Belastung zu entfernen. Zu den Proben mit dieser Art von Matrix gehören Obst- und Gemüsesäfte, Milch, Säuglingsnahrung und andere Milchprodukte. Traditionell werden Fett und Proteine aus der Probe ausgefällt, indem nacheinander Carrez-Reagenz I (Kaliumhexacyanoferrat (II)) und Carrez-Reagenz II (Zinkacetat) zugegeben werden. Nach der Fällung wird die Lösung zentrifugiert und filtriert, und die klare überstehende Lösung wird injiziert und mittels IC analysiert. Diese Vorbehandlung erfordert mehrere manuelle Schritte und eine erhebliche Menge an Chemikalien und Geräten. Im Gegensatz dazu bietet Metrohm in diesen Situationen eine automatisierte Inline-Lösung für die Probenvorbereitung an. Die Metrohm Inline-Dialyse ist eine sehr wirtschaftliche Alternative zu anderen zeitintensiven Probenvorbehandlungen und kommt ohne chemische Reagenzien aus.

Die Metrohm Low Volume Dialysezelle (Abbildung 2) , das Herzstück dieser Technik, besteht aus zwei Kammern, die durch eine Celluloseacetatmembran getrennt sind, ähnlich dem Zellen- und Membranaufbau der Inline-Ultrafiltration. Im Gegensatz zur Inline-Ultrafiltration wird bei der Inline-Dialyse jedoch mit der Stopped-Flow-Technik gearbeitet. Dadurch können Analyten die Membranoberfläche durch Diffusion passieren, während schädliche Matrixkomponenten wie Partikel, Öl, Fett und größere Proteine ausgeschlossen werden. Da die Matrix ständig weggespült wird, wird ein Fouling der Membran verhindert und die Bildung eines Filterkuchens unterbunden, da kein Druck ausgeübt wird.

Die IC-Familien 930 und 940 von Metrohm können problemlos mit einem Kit für die Inline-Dialyse aufgerüstet werden. Der IC und der Autosampler müssen jedoch beide mit Peristaltikpumpen ausgestattet sein. Der technische Standardaufbau ist in Animation 3 dargestellt.

Vergleich der Carrez-Klärung und der Metrohm-Inline-Dialyse an Milchproben

Es wurde eine gründliche Untersuchung durchgeführt, um die Effizienz von zwei Probenvorbereitungsmethoden für die Analyse von Milchproben mittels Ionenchromatographie zu vergleichen: Inline-Dialyse und Carrez-Klärung. Insgesamt lieferten beide IC-Systemaufkonfigurationen über den Testzeitraum von sechs Monaten, in dem etwa 2000 Milchproben injiziert wurden, vergleichbare Ergebnisse.

Einer der überwachten Parameter war der Systemdruck. Ein erhöhter Druck kann auf das Vorhandensein von Verstopfungen oder einer Verschlechterung der Trennsäule hinweisen. Der Systemdruck blieb über die gesamte Versuchsreihe sehr stabil. Um die Leistung der Trennsäule zu überprüfen, wurden in definierten Intervallen Qualitätskontrollstandards injiziert und überwacht. Eine abnehmende Säulenleistung zeigt sich anhand einer Verschlechterung der Peakform und einer tendenziell abnehmenden Auflösung, was zu unzureichenden Wiederfindungen führt. Dies wird verursacht, wenn Fett, Proteine oder Partikel in die Trennsäule gelangen. Die Testreihen zeigten jedoch, dass die Wiederfindungsraten der Qualitätskontrollstandards (Chlorid, Nitrat und Nitrit) bei beiden Setups recht stabil blieben (Abbildung 3).

Die Lebensdauer der Säule wurde bei beiden IC-Setups kaum beeinträchtigt Der ausführliche Vergleich der traditionellen manuellen Probenvorbereitung (Carrez-Klärung) mit der automatisierten Metrohm-Inline-Dialyse bewies jedoch die Wirksamkeit des letzteren Membranverfahrens, um das Analysesystem angemessen vor Bakterien, Proteinen, Fett und anderen Verunreinigungen zu schützen und gleichzeitig den gesamten Arbeitsaufwand im Labor und den Chemikalienverbrauch zu minimieren. Weitere Details zu dieser Studie finden Sie in unserem White Paper «Vereinfachte Analyse von Milchprodukten mit Metrohm Inline Dialyse».

Daher hat sich Metrohm Inline-Dialyse als ideales Probenvorbereitungswerkzeug für Milchprodukte wie Milchproben erwiesen. Die Inline-Dialyse kann für ein breites Spektrum an Lebensmittelproben, aber auch für anspruchsvolle Proben in anderen Industriesektoren wie Biochemie, Kraftstoffe und Pharmazeutika verwendet werden. Einige Anwendungsbeispiele für diese Branchen werden am Ende dieses Artikels vorgestellt.

Fazit

Beide in diesem Artikel beschriebenen membranbasierten Inline-Probenvorbereitungstechniken (UF und Dialyse) sind leistungsstarke Werkzeuge, die repetitive Laborarbeiten erleichtern. Darüber hinaus tragen sie auch dazu bei, das IC-System zu schützen und gleichzeitig die gesamten Analysekosten und die Menge der verwendeten Chemikalien zu reduzieren. Nichtsdestotrotz ist die Probenmatrix ausschlaggebend dafür, ob die Metrohm Inline-Ultrafiltration oder die Inline-Dialyse gewählt wird.