Hinweis: Dieser Beitrag dient ausschließlich der allgemeinen Information und dem besseren Verständnis des Themas. Er stellt keine individuelle rechtliche, gesundheitliche oder fachtechnische Beratung dar und ersetzt nicht die Beurteilung durch eine qualifizierte Fachperson oder ein akkreditiertes Prüflabor. Verbindliche Aussagen zu Ihrem konkreten Fall sind nur auf Basis einer fachgerechten Probenahme und Laboranalyse möglich.

Kationen-Analyse (Na, K, Ca, Mg, Ammonium): Wann sie nötig ist und wie ICP-MS funktioniert

Eine Kationen-Analyse bestimmt die Gehalte positiv geladener Ionen in einer Probe – in der Praxis vor allem Natrium (Na⁺), Kalium (K⁺), Calcium (Ca²⁺), Magnesium (Mg²⁺) und Ammonium (NH₄⁺). Untersucht werden Wasserproben, Böden, Flugaschen und andere mineralische Feststoffe sowie die wässrigen Auszüge dieser Feststoffe, die sogenannten Eluate. Die einfachen Metall-Kationen werden üblicherweise per ICP-MS nach DIN EN ISO 17294-2 gemessen, Ammonium dagegen separat photometrisch nach DIN 38406-5. Dieser Ratgeber erklärt, was Kationen sind, in welchen Fällen ihre Bestimmung sinnvoll sein kann und wie die beiden Messverfahren im Labor funktionieren.

Was sind Kationen?

Kationen sind Ionen mit positiver Ladung. Ihr Gegenpart sind die Anionen, also negativ geladene Teilchen wie Chlorid, Sulfat oder Nitrat. Die praktisch wichtigsten Kationen in Umwelt- und Materialproben sind Natrium, Kalium, Calcium und Magnesium – allesamt einfache Metall-Kationen – sowie Ammonium. Ammonium nimmt eine Sonderstellung ein: Es ist als einziges dieser Kationen ein molekulares, also mehratomiges Ion, das aus Stickstoff und Wasserstoff aufgebaut ist. Diese Unterscheidung ist nicht nur akademisch, sondern hat direkte Folgen für die Messtechnik, wie weiter unten deutlich wird.

Natrium, Kalium, Calcium und Magnesium zählen zu den häufigsten löslichen Bestandteilen in Böden, Wässern und mineralischen Feststoffen. Ihr Mengenverhältnis beeinflusst zahlreiche Eigenschaften: Calcium und Magnesium bestimmen im Wesentlichen die Wasserhärte, ein hoher Natriumanteil kann auf Versalzung hindeuten, und das Verhältnis der Kationen wirkt sich auf die Bodenfruchtbarkeit sowie auf die Auslaugbarkeit von Baustoffen, Schlacken und Aschen aus.

Ammonium wiederum gilt als Indikator für Stickstoff- und organische Einträge. Erhöhte Werte treten typischerweise dort auf, wo Gülle, Gärreste, Klärschlamm, Düngung oder Deponiesickerwasser eine Rolle spielen. In Gewässern ist Ammonium zudem relevant, weil es je nach pH-Wert und Temperatur in das fischtoxische Ammoniak (NH₃) umschlagen kann.

Wann eine Kationen-Analyse sinnvoll sein kann

Eine Kationen-Analyse kann in ganz unterschiedlichen Zusammenhängen sinnvoll sein. Typische Anwendungsfälle sind:

• Böden – etwa zur Einordnung von Nährstoff- oder Salzgehalten oder bei Verdacht auf Versalzung.
• Flugaschen und Verbrennungsrückstände – hier sind lösliche Salze und ihre Auslaugbarkeit oft entscheidend für die weitere Verwertung oder Entsorgung.
• Mineralische Feststoffe wie Bauschutt, Schlacken oder Gesteinsmehle.
• Eluate, also die wässrigen Auszüge solcher Feststoffe, mit denen sich abschätzen lässt, welche Bestandteile unter Wassereinfluss tatsächlich in Lösung gehen.
• Wasserproben aller Art, von Grund- und Oberflächenwasser bis zu Abwasser.

Der gemeinsame Nenner: Es geht meist darum, die löslichen Salz-, Nährstoff- oder Belastungsbestandteile eines Materials zu erfassen. Das kann beispielsweise für die Einstufung zur Verwertung oder Entsorgung, bei Fragen zur Wasserhärte oder bei der Beurteilung von Stickstoffeinträgen über Ammonium eine Rolle spielen. Ob eine Untersuchung im Einzelfall erforderlich ist und welche Parameter dabei betrachtet werden sollten, hängt stark vom Material und vom konkreten Anlass ab.

ICP-MS: Wie die Metall-Kationen bestimmt werden

Das Kernverfahren für die Bestimmung der Metall-Kationen ist die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma, kurz ICP-MS. Maßgeblich ist DIN EN ISO 17294-2 mit dem Titel „Wasserbeschaffenheit – Anwendung der induktiv gekoppelten Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS) – Teil 2: Bestimmung ausgewählter Elemente einschließlich Uran-Isotope“. Die aktuelle Fassung stammt aus dem Dezember 2024 und basiert auf der internationalen Norm ISO 17294-2:2023.

Das Messprinzip lässt sich so zusammenfassen: Die vorbereitete Probe wird in ein rund 6.000 bis 10.000 Grad Celsius heißes Argon-Plasma eingebracht. In dieser extremen Hitze werden die Atome ionisiert. Die entstandenen Ionen werden anschließend im Massenspektrometer nach ihrem Verhältnis von Masse zu Ladung getrennt und gezählt. Weil dabei viele Elemente gleichzeitig erfasst werden, spricht man von einer simultanen Multielement-Bestimmung – und das mit sehr niedrigen Nachweisgrenzen.

DIN EN ISO 17294-2 deckt über 60 Elemente ab, darunter Natrium, Kalium, Calcium und Magnesium. Anwendbar ist das Verfahren auf Trink-, Grund-, Oberflächen- und Abwasser sowie ausdrücklich auch auf Eluate. Die Untergrenze des Arbeitsbereichs liegt für viele Elemente zwischen 0,1 und 1 Mikrogramm pro Liter. Damit handelt es sich um sehr empfindliche Spurenanalytik, die auch geringe Konzentrationen belastbar erfasst.

Ammonium: photometrisch statt ICP-MS

Ammonium wird bewusst nicht per ICP-MS gemessen. Der Grund liegt in der Natur des Verfahrens: ICP-MS bestimmt Elemente und Isotope, nicht aber das molekulare NH₄⁺-Ion. Stickstoff selbst ist per ICP-MS wegen seiner hohen Ionisierungsenergie und eines allgegenwärtigen Untergrunds kaum belastbar messbar. Ammonium wird deshalb in einem eigenen, photometrischen Verfahren nach DIN 38406-5 (E 5) bestimmt.

Diese Norm gehört zu den „Deutschen Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- und Schlammuntersuchung“ und trägt den Titel „Kationen (Gruppe E); Bestimmung des Ammonium-Stickstoffs (E 5)“. Das Prinzip beruht auf einer Farbreaktion: Bei einem pH-Wert von etwa 12,6 reagiert Ammonium mit Hypochlorit- und Salicylat-Ionen, wobei Nitroprussid (Pentacyanonitrosylferrat) als Katalysator dient. Es entsteht ein blauer Indophenol-Farbstoff, dessen Intensität im Photometer gemessen wird. Der Anwendungsbereich liegt bei einer 1-cm-Küvette üblicherweise zwischen etwa 0,04 und 2 mg/l. Eine vollständige Kationen-Betrachtung kombiniert also in der Regel zwei Methoden: ICP-MS für die Metall-Kationen und die Photometrie für Ammonium.

Vom Feststoff zum Eluat: Auslaugung nach DIN EN 12457

Böden, Flugaschen und andere mineralische Feststoffe lassen sich nicht direkt mit den Wasser-Normen untersuchen. Vorher wird üblicherweise ein Eluat hergestellt, also ein wässriger Auszug. Grundlage ist DIN EN 12457 „Charakterisierung von Abfällen – Auslaugung von körnigen Abfällen und Schlämmen“. Gängig ist das einstufige Schüttelverfahren mit einem Flüssigkeits-zu-Feststoff-Verhältnis von 10 l/kg (Teil 2). Daneben gibt es Varianten mit einem Verhältnis von 2 l/kg (Teil 1) sowie ein zweistufiges Verfahren mit 2 plus 8 l/kg (Teil 3).

Das so gewonnene Eluat wird anschließend nach den passenden Wasser-Normen analysiert. Die Kationen beziehungsweise Metalle werden per ICP-MS nach DIN EN ISO 17294-2 bestimmt. Für gelöste Anionen wie Chlorid, Fluorid, Nitrat, Nitrit, Phosphat, Sulfat und Bromid kommt dagegen die Ionenchromatographie nach DIN EN ISO 10304-1 zum Einsatz. So entsteht aus einem Feststoff ein aussagekräftiges Bild der löslichen Bestandteile.

Ionenchromatographie: Anionen und Kationen nicht verwechseln

An dieser Stelle ist eine Präzisierung wichtig, die in der Praxis häufig durcheinandergerät. DIN EN ISO 10304-1 bestimmt Anionen, nicht Kationen. Werden Kationen ausnahmsweise ionenchromatographisch statt per ICP-MS bestimmt, ist eine andere Norm einschlägig: DIN EN ISO 14911 für gelöste Kationen wie Lithium, Natrium, Ammonium, Kalium, Mangan, Calcium, Magnesium, Strontium und Barium. Wer über Verfahren spricht, sollte 10304 (Anionen) und 14911 (Kationen) daher sauber auseinanderhalten. Für die klassischen Metall-Kationen bleibt die ICP-MS nach DIN EN ISO 17294-2 in der Regel das leistungsfähigere Verfahren.

Bewertung und Grenzwerte: Was gilt – und was nicht

Für die klassischen Kationen Natrium, Kalium, Calcium und Magnesium gibt es keinen einheitlichen, bundesweit gültigen „Schadstoff-Grenzwert“, wie man ihn etwa von PAK kennt. Die Bewertung erfolgt material- und kontextabhängig. Für Eluate können beispielsweise Zuordnungs- oder Verwertungsklassen nach der Deponieverordnung (DepV) beziehungsweise nach LAGA-Vorgaben herangezogen werden; bei Wasser kommen Trinkwasser-Parameter in Betracht, bei Böden bodenkundliche Referenzwerte. Ammonium hat je nach Medium eigene Orientierungs- oder Grenzwerte, etwa im Trinkwasser- oder Abwasserbereich.

Wichtig ist eine klare Abgrenzung zu Werten, die nichts mit Kationen zu tun haben und in diesem Zusammenhang häufig fälschlich zitiert werden:

• Die aus der TRGS 551 bekannten Schwellen für Benzo(a)pyren – unbedenklich unterhalb von 50 mg/kg, auffällig zwischen 50 und 1.000 mg/kg, erheblich oberhalb von 1.000 mg/kg – betreffen Teer und PAK, nicht Kationen. Sie gehören zu einem anderen Untersuchungsthema.
• VDI 3866 Blatt 5 beschreibt ein rasterelektronenmikroskopisches Verfahren zur Asbest-Bestimmung und hat mit einer Kationen-Analyse ebenfalls nichts zu tun.

Beide Regelwerke gehören zu anderen Fragestellungen und dürfen im Kationen-Kontext nicht als Kationen-Grenzwerte dargestellt werden. Wer den Verdacht auf Asbest hat, sollte zudem bedenken, dass bei der Probenahme Fasern freigesetzt werden können; hier kann es sinnvoll sein, die Probenahme einer qualifizierten Fachfirma zu überlassen, statt selbst Hand anzulegen.

Ablauf und Einordnung des Ergebnisses

Bei Schadstoffalarm.de, betrieben von der GUNICO Crown UG in Büttelborn, läuft eine Untersuchung üblicherweise so ab: Sie bestellen online, senden Ihre Materialprobe per Post ein, die Auswertung erfolgt in externen, teils DAkkS-akkreditierten Partnerlaboren, und das Ergebnis wird anschließend verständlich im Kundenportal eingeordnet.

Zur Ehrlichkeit gehört dabei ein klarer Hinweis: Der Betreiber selbst ist nicht DAkkS-akkreditiert, und nicht jedes Verfahren läuft akkreditiert. Ob ein konkretes Verfahren akkreditiert ist, hängt vom jeweiligen Partnerlabor und dessen Prüfumfang ab und wird nicht pauschal versprochen. Für einen Kationen-Befund gibt es außerdem keine gesetzlich fixierte „bestanden/nicht bestanden“-Automatik wie bei PAK; die Einordnung erfolgt kontextabhängig.

Wenn Sie eine solche Untersuchung erwägen, finden Sie die Details zur Kationen-Analyse per ICP-MS auf der Bestellseite. Ob sie im Einzelfall das passende Verfahren ist, lässt sich seriös nur nach Sichtung von Material und Fragestellung sagen.

Häufige Fragen

Was ist eine Kationen-Analyse? Die Bestimmung positiv geladener Ionen – vor allem Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium und Ammonium – in Wasser, Böden, Aschen oder Eluaten. Die Metall-Kationen werden per ICP-MS nach DIN EN ISO 17294-2 gemessen, Ammonium separat photometrisch nach DIN 38406-5.

Wann brauche ich eine Kationen-Analyse? Sie kann sinnvoll sein, wenn Sie Böden, Flugaschen, mineralische Feststoffe oder deren wässrige Auszüge (Eluate) auf lösliche Salz-, Nährstoff- oder Belastungsbestandteile prüfen möchten – etwa zur Verwertungs- oder Entsorgungseinstufung, bei Versalzung, Wasserhärte oder Stickstoff-(Ammonium-)Einträgen. Ob sie erforderlich ist, hängt vom konkreten Anlass ab.

Wie funktioniert ICP-MS? Die Probe wird in ein sehr heißes Argon-Plasma eingebracht, die Atome werden ionisiert und die Ionen im Massenspektrometer nach Masse getrennt und gezählt. So lassen sich viele Elemente gleichzeitig bis in den Mikrogramm-pro-Liter-Spurenbereich bestimmen – nach DIN EN ISO 17294-2.

Warum wird Ammonium nicht per ICP-MS gemessen? ICP-MS misst Elemente und Isotope, nicht das molekulare Ammonium-Ion; Stickstoff ist per ICP-MS kaum belastbar messbar. Ammonium wird deshalb photometrisch über die Indophenolblau-Reaktion nach DIN 38406-5 bestimmt (blaue Färbung, Messung im Photometer).

Ist das Ergebnis DAkkS-akkreditiert? Das hängt vom Verfahren und Partnerlabor ab. Die Auswertung erfolgt in externen, teils DAkkS-akkreditierten Laboren. Der Betreiber selbst ist nicht akkreditiert, und nicht jedes Verfahren läuft akkreditiert – das sagen wir offen und versprechen es nicht pauschal.

Hinweis: Dieser Beitrag dient ausschließlich der allgemeinen Information und dem besseren Verständnis des Themas. Er stellt keine individuelle rechtliche, gesundheitliche oder fachtechnische Beratung dar und ersetzt nicht die Beurteilung durch eine qualifizierte Fachperson oder ein akkreditiertes Prüflabor. Verbindliche Aussagen zu Ihrem konkreten Fall sind nur auf Basis einer fachgerechten Probenahme und Laboranalyse möglich.