Chromatografia jonowa

Chromatografia jonowa jest odmianą wysokosprawnej chromatografii cieczowej stosowaną do separacji i analizy anionów i kationów oraz innych związków chemicznych w formie zdysocjowanej.

178

Chromatografię jonową stosuje się między innymi do oznaczania anionów i kationów w wodach i ściekach. Zalety chromatografii jonowej:

• możliwość jednoczesnego oznaczania kilkunastu jonów, • możliwość oznaczania jednocześnie kationów i anionów,

• możliwość oznaczania jonów pierwiastka na różnych stopniach utlenienia (analiza specjacyjna),

• wykrywalność jonów na poziomie µmol/l lub mniejszym,

• wysoka selektywność oznaczania jonów w próbkach o złożonym składzie, • niewielka ilość próbki potrzebna do analizy,

• prosty sposób przygotowania próbek do analizy, • krótki czas analizy.

Chromatografia jonowa różni się od innych rodzajów wysokosprawnej chromatografii cieczowej rodzajem stosowanych wypełnień kolumn, rodzajem eluentów oraz ewentualnie stosowaniem dodatkowego urządzenia (kolumny tłumienia lub supresora) do obniżania przewodności elektrycznej eluentu. Chromatografię jonową dzieli się na dwa rodzaje:

• chromatografię jonową z tłumieniem przewodności fazy ruchomej, • chromatografię jonową bez tłumienia przewodności fazy ruchomej.

Jeżeli stosuje się obniżanie przewodności elektrycznej eluentu to jest to chromatografia jonowa z tłumieniem przewodności. W chromatografii jonowej bez tłumienia przewodności nie ma potrzeby stosowania ani supresora, ani kolumny tłumienia. Eluent jest tak dobrany, aby jego przewodność była odpowiednio niska i umożliwiała detekcję konduktometryczną jonów próbki. Chromatografia jonowa bez tłumienia przewodności jest stosowana rzadko; dominuje stosowanie chromatografii jonowej z tłumieniem przewodności i ten rodzaj chromatografii zostanie opisany poniżej.

Ze względu na agresywne działanie faz ruchomych (eluentów), zwykły chromatograf HPLC zbudowany z metalowych części, nie nadaje się do stosowania w chromatografii jonowej. Chromatograf jonowy składa się z następujących części:

• zbiornik fazy ruchomej, • pompa,

• dozownik, • przedkolumna, • kolumna analityczna,

• supresor lub kolumna tłumienia, • detektor,

• komputer lub rejestrator.

Zasada działania chromatografu jonowego jest następująca. Faza ruchoma jest pobierana przez pompę ze zbiornika i następnie tłoczona pod ciśnieniem poprzez dozownik i przedkolumnę do kolumny chromatograficznej. Próbkę wprowadza się do strumienia fazy ruchomej w dozowniku. Jony obecne w próbce są rozdzielane na kolumnie. Eluat przechodzi do supresora (lub do kolumny tłumienia), gdzie w wyniku reakcji chemicznych przewodność elektryczna eluentu ulega obniżeniu. Dzięki temu przewodność elektryczna jonów próbki jest wysoka w porównaniu do obniżonej

179

przewodności elektrycznej jonów eluentu. Umożliwia to odróżnienie jonów próbki od jonów eluentu i ich detekcję w detektorze konduktometrycznym.

Detektor wysyła sygnały do komputera, w którym są one zapisywane w postaci pików chromatograficznych, tworząc chromatogram. W chromatografii jonowej występują następujące mechanizmy rozdzielania jonów:

• wymiana jonowa, • wykluczanie jonów, • tworzenie par jonowych.

Chromatografia wymiany jonowej jest nazywana po prostu chromatografią jonową (IC), podczas gdy chromatografia par jonowych (IPC) i chromatografia wykluczania jonowego (IEC) są uważane za techniki bardziej wyspecjalizowane.

Wysokosprawna chromatografia jonowa

Jonity, inaczej wymieniacze jonowe, są to stałe substancje nieorganiczne lub organiczne zawierające jony zdolne do wymiany na inne jony o tym samym ładunku, znajdujące się w roztworze, w którym wymieniacze jonowe są nierozpuszczalne.

Jonity są wielkocząsteczkowymi ciałami stałymi o strukturze przestrzennej usieciowanej. Mają zdolność wymiany jonów z roztworem, w którym się znajdują. We współczesnej chromatografii jonowej stosuje się jonity syntetyczne, czyli wielkocząsteczkowe polimery organiczne z wbudowanymi grupami funkcyjnymi, zdolnymi do wymiany jonów w roztworze elektrolitu. Są nierozpuszczalne w wodzie i w większości rozpuszczalników organicznych. Najczęściej są to kopolimery styrenu i diwinylolobenzenu (PS/DVB). Jonity składają się z kulistych cząsteczek polimerów o średnicy od 5 do 15 µm. Jonity dzieli się na następujące rodzaje:

• kationity - grupami funkcyjnymi są kationy zdolne do wymiany; jeżeli kationit jest polimerem organicznym to stosuje się również nazwę żywica kationowymnienna,

• anionity - grupami funkcyjnymi są aniony zdolne do wymiany; jeżeli anionit jest polimerem organicznym to stosuje się również nazwę żywica anionowymnienna,

• wymieniacze amfoteryczne - w zależności od pH roztworu mają zdolność wymiany anionów albo kationów,

• wymieniacze bipolarne - mogą jednocześnie wymieniać aniony i kationy.

Faza stacjonarna w wysokosprawnej chromatografii jonowej jest jonitem z grupami funkcyjnymi o stałym ładunku, w których bezpośrednim otoczeniu znajdują się odpowiednie przeciwjony, zapewniające

W wysokosprawnej chromatografii jonowej zachodzi mechanizm wymiany jonowej (rysunek 36), która polega na wymianie jonów pomiędzy roztworem a jonitem.

O właściwościach kolumny wypełnionej żywicą jonowymienną decyduje rodzaj żywicy, stopień jej usieciowania, rodzaj i ilość grup jonowymiennych, stopień oddziaływań hydrofobowych oraz wielkość cząstek wypełnienia.

180

elektryczną obojętność układu. Zwykle przeciwjon pochodzi z fazy ruchomej i dlatego też jest nazywany jonem eluentu. Przy wymianie anionów grupami funkcyjnymi są czwartorzędowe zasady amoniowe, zaś przy wymianie kationów − grupy sulfonowe lub karboksylowe. Przeciwjon może być wymieniony przez jon substancji analizowanej, który zostanie czasowo zatrzymany w kolumnie. Jony składników analizowanej próbk i różnią się pomiędzy sobą czasem przebywania w kolumnie wynikającym z ich różnego powinowactwa do fazy stacjonarnej. Na rysunku 36 pokazano schematycznie procesy wymiany jonowej.

Ogólne zasady elucji w chromatografii jonowej:

• ze wzrostem wartościowości jonu analitu zwiększa się jego powinowactwo do grupy funkcyjnej jonitu - jony trójwartościowe są silniej wiązane niż jony dwuwartościowe, dla elucji jonów trójwartościowych trzeba użyć eluentu o większej sile jonowej niż dla dwuwartościowych,

• jeżeli analizowane jony mają tę samą wartościowość, to im większy jest promień jonowy i stopień polaryzacji, tym silniej jon jest zatrzymywany na jonicie,

• jony analitów, charakteryzujących się silnymi oddziaływaniami hydrofobowymi lub van der Waalsa z fazą stacjonarną, będą eluowały później niż jony o słabszych oddziaływaniach, na przykład jony połączone z pierścieniem aromatycznym będą się silniej wiązać z żywicą polistyrenową niż pozostałe jony, nieposiadające układu aromatycznego.

Rysunek 36. Mechanizm wymiany jonowej (A – jony analitu, E – jony eluentu) [na podstawie

Praktyczna chromatografia jonowa. Viehweger K. H. (red.), Metrohm]

W chromatografii jonowej czas retencji analizowanych jonów zależy przede wszystkim od liczby i rodzaju grup funkcyjnych związanych na powierzchni jonitu, ale także od siły jonowej i rodzaju eluentu oraz pH eluentu.

181

Podobnie jak we wszystkich rozdzieleniach metodą chromatografii cieczowej, również w chromatografii jonowej faza ruchoma wpływa na separację analitów. Dobiera się rodzaj przeciwjonu, pH oraz siłę jonową eluentu. Dla mocnych kationitów i anionitów im wyższa siła jonowa eluentu, tym wyższa jego siła elucyjna. Natomiast pH eluentu powinno być tak dopasowane, aby zapewniało dysocjację jonów analitu oraz jonów związanych z powierzchnią jonitu.

Eluentami stosowanymi do rozdzielania anionów w chromatografii jonowej z tłumieniem przewodności są najczęściej wodne roztwory węglanu sodu Na2CO3, wodorowęglanu sodu NaHCO3

lub ich mieszaniny (elucja izokratyczna) lub wodne roztwory NaOH lub Na2B4O7 (elucja gradientowa). Do oznaczania kationów eluentami są głównie kwasy mineralne, takie jak HCl lub HNO3.

Wysokosprawna chromatografia wykluczania jonowego

W chromatografii wykluczania jonowego wykorzystane jest zjawisko równowagi membranowej Donnana. Równowaga membranowa Donnana jest to stan ustalający się między dwoma roztworami przedzielonymi membraną półprzepuszczalną. W chromatografii wykluczania jonowego funkcję półprzepuszczalnej membrany pełni porowaty wymieniacz jonowy. Oddziela on wodną fazę ruchomą od wodnej fazy stacjonarnej zawartej w porach wymieniacza. Membrana jest przepuszczalna tylko dla związków niezjonizowanych lub słabo zjonizowanych. Ulegają one podziałowi pomiędzy fazę stacjonarną i fazę ruchomą a tym samym wolniej migrują przez kolumnę. Natomiast jony, które nie wnikają do wnętrza porów wypełnienia kolumny, nie są zatrzymywane przez kolumnę.

Rysunek 37. Mechanizm wykluczania Donnana w chromatografii wykluczania jonowego na przykładzie kwasu karboksylowego [na podstawie Praktyczna chromatografia jonowa. Viehweger K.

H. (red.), Metrohm]

Najważniejszym zastosowaniem chromatografii wykluczania jonowego jest analiza słabych kwasów, takich jak kwasy karboksylowe, lub zasad. Na rysunku 37 pokazano mechanizm separacji metodą IEC na przykładzie kwasu karboksylowego R-COOH. Wypełnieniem kolumny jest sulfonowany wymieniacz kationowy, którego grupy sulfonowe z protonami, jako jonami przeciwnymi są elektrycznie obojętne. Grupy funkcyjne są uwodnione zaś uwodniona warstwa jest ograniczona przez hipotetyczną, ujemnie

182

naładowaną membranę Donnana. Przez membranę przenika swobodnie woda natomiast organiczne kwasy karboksylowe mogą przeniknąć, jeżeli będą w postaci niezdysocjowanej. Kwasy karboksylowe, mające niskie wartości stałych kwasowych (pKA), są w mocno kwaśnych eluentach praktycznie całkowicie niezdysocjowane. Fazą ruchomą jest w takim przypadku roztwór mocnego kwasu mineralnego.

Chromatografia par jonowych

W chromatografii par jonowych, zwanej również chromatografią jonowo-asocjacyjną, do fazy ruchomej dodawany jest tak zwany odczynnik pary jonowej. Składa się on ze związków powierzchniowoczynnych (anionowych lub kationowych), takich jak sole tetraalkiloamonowe lub kwasy n-alkilosulfonowe. Jony analitu X oddziałują z jonami L odczynnika pary jonowej. Tworzy się kompleks typu XL. Kompleks XL może związać się w sposób odwracalny z niepolarną powierzchnią fazy stacjonarnej S, tworząc z kolei kompleks XLS. Jeżeli rozdzielane jony próbki (w postaci kompleksów XL) różnią się powinowactwem do niepolarnej fazy stacjonarnej, to będą eluowały z kolumny w różnym czasie i ulegną rozdzieleniu. W chromatografii par jonowych stosuje się hydrofobowe fazy stacjonarne, takie same jak w chromatografii podziałowej, np. RP-18 czy RP-8. Na rysunku 38 pokazano schematycznie mechanizm wymiany jonowej w chromatografii par jonowych.

Rysunek 38. Mechanizm wymiany jonowej w chromatografii par jonowych [na podstawie Praktyczna

chromatografia jonowa. Viehweger K. H. (red.), Metrohm]