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Zusammenfassung:
Ein neuer Ansatz zur Simulation von dynamischen Chromatogrammen wird vorgestellt, der auf der Programmiersprache Python basiert. Dabei wird auf ein numerisches Verfahren zurückgegriffen, um den kinetisch kontrollierten Phasentransfer zwischen mobiler und stationärer Phase und Reaktionen der Analyten abzubilden. Diese Methode ermöglicht, für die gesetzten Zeitintervalle der Simulation, das Konzentrationsprofil aller Analyten auf der Trennsäule zu ermitteln. Durch das Konzentrationsprofil der Analyten lassen sich auch bimolekulare Reaktionen zweier Analyten (2. Reaktionsordnung) während des chromatographischen Trennprozesses berücksichtigen. Durch den modularen Aufbau des Simulationsprogramms, ist es zudem möglich gekoppelte Reaktionen zu untersuchen. Am Beispiel der auf der Zeitskala der Ionenaustauschchromatographie reaktiven Aluminiumkomplexe [Al(edta)F]2− , [AlOx3]3− , [AlCit2]3− und [AlF2]+ konnte das Simulationsprogramm erfolgreich eingesetzt werden, um die Reaktionen während der Trennung anhand des ICP-MS-Detektorsignals zu bestimmen und die entsprechenden Reaktionsraten bei verschiedenen Temperaturen zu quantifizieren. Durch das vorgestellte Simulationsverfahren ist es erstmalig möglich die Spezieszusammensetzung der Aluminiumkomplexe in den Proben zu bestimmen, welche über klassische Auswerteverfahren der Chromatographie nicht zugänglich sind. Bei den untersuchten Citrat-, Oxalat- und Fluorid-Komplexen des Aluminiums zeigte sich eine bimolekulare Komplexbildungsreaktion in Kombination mit einer unimolekularen Komplexzerfallsreaktion als zentrale Reaktivität. Weiterhin konnte eine Abhängigkeit der beobachteten Reaktionsgeschwindigkeit vom Retentionsfaktor des Eduktes durch unterschiedliche Reaktionsraten in der mobilen und stationären Phase der chromatographischen Trennsäule erklärt werden. Während für den Zerfall des Komplexes [Al(edta)F]2− eine 10-fach bzw. für den Zerfall von [AlCit2]3− eine rund 50-fach höhere Reaktionsrate in der mobilen Phase im Vergleich zur stationären Phase ermittelt werden konnte, fällt der Unterschied der phasenabhängigen Reaktionsrate für den Komplexzerfall von [AlOx3]3− nur gering aus. Zusätzlich wurde die pH-Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeiten untersucht. Für alle untersuchten Komplexzerfallsreaktionen konnte dabei ein deutlicher Anstieg in der Zerfallsrate für niedrigere pH-Werte festgestellt werden. Neben den homoleptischen Komplexen wurde auch der Komplex [AlCit(HOx)2]2− als reaktive Spezies erkannt. Dieser sowie verschiedene Citrat- und Oxalat-Komplexe des Aluminiums nehmen in der Detoxifizierung der Aluminiumionen von Pflanzen (z.B. Buchweizen) eine herausragende Stellung ein. Es konnte gezeigt werden, dass mit der dynamischen Ionenaustauschchromatographie in Kombination mit den niedrigen Nachweisgrenzen des ICP-MS-Detektors eine sensitive Methode zur Aluminiumspeziesanalytik entwickelt wurde.

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