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

-

, NO

2

-

, NO

3

-

,

PO

4

3-

, SO

4

2-

) oraz kationów (Na

+

, K

+

, NH

4

+

, Ca

2+

, Mg

2+

) 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 jonowej wypełnienia kolumn stanowią głównie jonity

syntetyczne, najczęściej wielocząsteczkowe polimery (np. 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.

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

Faza stacjonarna

Faza ruchoma

Wymiana kationowa

Wymiana anionowa

SO

3

-

SO

3

-

N

+

R

3

N

+

R

3

Przepły

w

A

+

A

+

E

+

E

+

A

-

A

-

E

-

E

-

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;