chromatografia jonowa

MATERIAŁY DO ĆWICZEŃ
LABORATORYJNYCH CHROMATOGRAFIA JONOWA
mgr inż. Malwina Diduch
mgr inż. Ewa Olkowska
1. WPROWADZENIE
Termin „chromatografia” obejmuje wiele technik fizykochemicznych
ogólnie zdefiniowanych jako fizykochemiczna metoda rozdzielania, w której
składniki rozdzielane ulegają podziałowi pomiędzy dwie fazy: stacjonarną
(nieruchomą) oraz ruchomą (poruszającą się w określonym kierunku).
Najbardziej rozpowszechnione są
metody, w których przemieszczanie
mieszaniny następuje na drodze elucji. W tych technikach eluent (faza ruchoma)
płynie nieprzerwanie przez złoże fazy stacjonarnej, natomiast próbka
wprowadzana jest do układu w określonej porcji poprzez dozownik. Wszystkie
techniki chromatograficzne można podzielić m. in. ze względu na:
 kształt złoża fazy stacjonarnej: kolumnowa i planarna,
 rodzaj fazy ruchomej: cieczowa i gazowa,
 mechanizm rozdzielania: absorpcyjna, jonowymienna, podziałowa,
wykluczania i powinowactwa.
Metody chromatograficzne, jako jedne z nielicznych, umożliwiają
uzyskanie wyników jakościowych i ilościowych dla kilku oznaczanych
substancji w trakcje trwania jednego cyklu pomiarowego.
2. CHROMATOGRAFIA JONOWA – klasyfikacja
Chromatografia jonowa jest techniką analityczną wykorzystującą wiele
rodzajów separacji oraz detekcji w celu uzyskania oznaczeń indywiduów
jonowych. W chromatografii jonowej wykorzystuje się cztery główne sposoby
rozdzielania, różniące się rodzajem substancji stanowiącej materiał wypełnienia
kolumny, a co za tym idzie jej właściwościami (mechanizmem oraz zdolnością
wymiany):
 Wysokosprawna Chromatografia Jonowa (High Performance Ion
Chromatography, HPIC) w odmianie z lub bez tłumienia przewodnictwa,
 Wysokosprawna Chromatografia Jonowykluczająca (High Performance
Ion Exlusion Chromatography, HPIEC),
 Chromatografia Par Jonowych (Ion Pair Chromatography, IPC),
 Chromatografia Cieczowa Oddziaływan Hy6drofilowych (Hydrophyilic
Interaction Liquid Chromatography, HILIC)
3. CHROMATOGRAFIA JONOWA – zastosowanie
Chromatografia jonowa uważana jest za najważniejszą instrumentalną
metodę oznaczania głównych nieorganicznych anionów (F-, Cl-, Br-, NO2-, NO3-,
PO43-, SO42-) oraz kationów (Na+, K+, NH4+, Ca2+, Mg2+) w wodach pitnych,
powierzchniowych
i podziemnych,
opadach atmosferycznych,
ściekach
przemysłowych i komunalnych oraz powietrzu atmosferycznym i gazach
przemysłowych.
Stosując technikę chromatografii jonowej można oznaczać także liczne
związki organiczne (kwasy tłuszczowe; kwasy, estry oraz sole organiczne;
surfaktanty; cukry proste i dwucukry) w żywności, sokach i napojach
chłodzących, winie, piwie , pływak ustrojowych, roztworach farmaceutyków.
4. CHROMATOGRAFIA JONOWA – schemat układu
Rysunek 1. Schemat budowy chromatografu jonowego.
1. Eluent
Dobór eluentu w HPIC zależy głównie od używanej techniki detekcji.
Do rozdzielania anionów w chromatografii jonowej z tłumieniem
przewodności stosuje się najczęściej wodne roztwory węglanu sodu,
wodorowęglanu lub ich mieszaniny. Podczas supresji jony eluentu są
proponowane, powstające w tym procesie słabe kwasy są zdysocjowane w
bardzo niewielkim stopniu i wnoszą niewielki udział do całkowitego
przewodnictwa. Natomiast do elucji kationów najczęściej stosowane są
wodne roztwory kwasów mineralnych. W przypadku stosowania techniki IC
w odmianie bez tłumienia przewodności fazy ruchome powinny odznaczać
się niską przewodnością elektryczną i różnić się pod tym względem
maksymalnie od oznaczanych jonów.
Przy wyborze odpowiedniego eluentu należy pamiętać o następujących
zasadach, które gwarantują dobre rozdzielenie analitów:
 ze wzrostem wartościowości jonu analitu zwiększa się jego
powinowactwo do grupy funkcyjne fazy stacjonarnej, dlatego
wymagany jest eluent o większej mocy elucyjnej,
 przy jednakowym ładunku jonów silniej zatrzymywany jest ten
o większym promieniu jonowym i stopniu polaryzacji,
 jony analitu charakteryzujące się silnymi oddziaływaniami
hydrofobowymi lub siłami Van der Waalsa z matrycą będą
wymywane przed jonami o słabszych oddziaływaniach
2. Pompa
Najczęściej stosowanymi pompami w chromatografii jonowej są pompy
tłokowe. Ich głównym zadaniem jest wprowadzenie eluentu w ruch, a co za
tym idzie wytworzenie w układzie odpowiedniego ciśnienia. Zastosowanie
pomp kilkukanałowych umożliwia zmianę stężenia i/lub składu eluentu w
trakcie procesu czyli prowadzenia tzw. elucji gradientowej.
3. Kolumna
Kolumna analityczna
jest najważniejsza częścią
każdego układu
separacyjnego, ponieważ zachodzą w niej procesy fizykochemiczne, które
prowadza do rozdzielenia analitów znajdujących się w próbce. We współczesnej
chromatografii
syntetyczne,
jonowej
najczęściej
wypełnienia
kolumn
wielocząsteczkowe
stanowią
polimery
głównie
(np.
jonity
żywice)
z
wbudowanymi (naniesionymi) grupami funkcyjnymi zdolnymi do wymiany
jonowej. Najczęściej stosowanymi grupami funkcyjnymi w przypadku
kationitów
są
grupy
sulfonowe,
natomiast
w
przypadku
anionitów
czwartorzędowe grupy amoniowe.
Rysunek 2. Schematyczne przedstawienie wypełnia kolumny do HPIC.
Podstawą rozdzielania w IC jest wymiana jonowa. Mechanizm ten opiera
się na stechiometrycznej reakcji chemicznej pomiędzy jonami w dozowanej
próbce ciekłej oraz grupami funkcyjnymi, które zdolne są do zatrzymywania
jonów w wyniku działania sił elektrostatycznych. Rozdzielone jony różnią się
między sobą czasem przebywania wewnątrz kolumny, wynikającym z różnego
stopnia powinowactwa jonu do fazy stacjonarnej.
E+
Faza ruchoma
A+
E-
A-
Przepływ
+
A
SO3-
E
SO3-
+
A- +
N R3
Wymiana kationowa
E-
N+R3
Wymiana anionowa
Faza stacjonarna
Rysunek 3. Schemat procesu wymiany jonowej w chromatografii jonowej.
A: jony analitu, E: jony eluentu.
O właściwościach kolumny wypełnionej wymieniaczem jonowym
decydują takie czynniki jak ; rodzaj jonitu, stopień jego usieciowania, rodzaj i
liczba grup funkcyjnych, jakość upakowania. Wyższą selektywność uzyskuje się
dla kolumn wypełnionych jonitami o małym zróżnicowaniu wielkości cząstek i
równomiernym upakowaniu.
4. Supresor
Użycie silnych elektrolitów jako eluentów fazy ruchomej w chromatografii
jonowej z bezpośrednia detekcją konduktometryczną wymaga zastosowania
dodatkowego elementu w układzie, jakim jest supresor, w celu usunięcia
przewodnictwa eluentu. Obecnie najczęściej stosowanymi są supresory
membranowe zwane również autosupresorami, w których do wytwarzania
jonów wodorowych i wodorotlenowych wykorzystano procesy elektrodowe.
Napięcie przyłożone do elektrod wymusza odpowiedni ruch jonów, które są
wymieniane między eluentem, a roztworem regenerującym poprzez membranę
w procesie elektrolizy. Tego typu supresory mogą być regenerowane w
następujący sposób:
 poprzez zawracanie eluentu (fazy ruchomej, która opuściła detektor)
 z zewnętrznym zasilaniem wodnym (woda dejonizowana),
 z zewnętrznym zasilaniem roztworami kwasów lub zasad (supresja
chemiczna).
Rysunek 4. Supresor - widok ogólny.
Rysunek 5. Supresor schemat budowy.
5. Detektor
Detektor to urządzenie, które określa zmiany w składzie eluentu na
podstawie różnic pomiędzy właściwościami fizykochemicznymi eluentu i
analitu. W najczęściej wykorzystywanym detektorze konduktometrycznym
wykorzystuje się zdolność roztworów elektrolitów umieszczonych w polu
elektrycznym, powstającym
pomiędzy dwoma elektrodami przepływowego
naczynka konduktometrycznego, do przewodzenia prądu na skutek transportu
jonów.
Rysunek 6. Schemat ideowy przepływowego naczynka konduktometrycznego.
Detektor
konduktometryczny
jest
najczęściej
wykorzystywany
w
chromatografii jonowej, ze względu na fakt iż w zakresie małych stężeń
przewodność elektrolityczna jest liniową funkcja stężenia elektrolitu. Detektor
ten może być stosowany do oznaczania wszystkich substancji, które po
rozdzieleniu w kolumnie docierają do niego w postaci jonów. Zalicza się do
nich jony mocnych kwasów oraz zasad, w przypadku jonów słabych
elektrolitów trzeba tak dobrać pH eluentu, aby maksymalnie zwiększyć ich
stopień dysocjacji.
Ciekawymi i nowoczesnymi detektorami stosowanymi od niedawna w
chromatografii jonowej są detektory, które wykorzystują wzbudzenie w
sprzężonej
plazmie
indukowanej
i
spektrometrię
masową.
Połączenie
chromatografii jonowej ze spektrometrem mas ze wzbudzeniem w indukowanej
plaźmie (ICP - MS) to obecnie jedno z najbardziej efektywnych urządzeń w
analizie chemicznej, zwłaszcza specjacyjnej. Wprowadzenie tych detektorów
pozwoliło na znaczne zmniejszenie wartości liczbowej parametru granicy
wykrywalności (LOD), co jest szczególnie przydatne w analizie śladowej i
ultraśladowej. Stale trwają badania nad możliwościami ich zastosowania, jednak
ich wadą jest wysoka cena.
Literatura:
D. Pogocki, „Wstęp do chromatografii jonowej”, Warszawa, 1998;
M. Jackowska, P. Kosbucki, B. Buszewski, „Chromatografia jonowa na
przełomie wieków”, Analityka, 4, 2009;
R. Michalski, „Chromatografia jonowa”, Warszawa, 2005;