MATERIAA
Y DO ĆWICZEC

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:
·ð ksztaÅ‚t zÅ‚oża fazy stacjonarnej: kolumnowa i planarna,
·ð rodzaj fazy ruchomej: cieczowa i gazowa,
·ð mechanizm rozdzielania: absorpcyjna, jonowymienna, podziaÅ‚owa,
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 technikÄ… analitycznÄ… wykorzystujÄ…cÄ… 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):
·ð Wysokosprawna Chromatografia Jonowa (High Performance Ion
Chromatography, HPIC) w odmianie z lub bez tłumienia przewodnictwa,
·ð Wysokosprawna Chromatografia JonowykluczajÄ…ca (High Performance
Ion Exlusion Chromatography, HPIEC),
·ð Chromatografia Par Jonowych (Ion Pair Chromatography, IPC),
·ð Chromatografia Cieczowa OddziaÅ‚ywan 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:
·ð ze wzrostem wartoÅ›ciowoÅ›ci jonu analitu zwiÄ™ksza siÄ™ jego
powinowactwo do grupy funkcyjne fazy stacjonarnej, dlatego
wymagany jest eluent o większej mocy elucyjnej,
·ð przy jednakowym Å‚adunku jonów silniej zatrzymywany jest ten
o większym promieniu jonowym i stopniu polaryzacji,
·ð jony analitu charakteryzujÄ…ce siÄ™ silnymi oddziaÅ‚ywaniami
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.
PodstawÄ… 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.
Faza ruchoma
E+ A+ E- A-
Przepływ
A+ E+ A- E-
SO3- SO3- N+R3 N+R3
Wymiana kationowa 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:
·ð poprzez zawracanie eluentu (fazy ruchomej, która opuÅ›ciÅ‚a detektor)
·ð z zewnÄ™trznym zasilaniem wodnym (woda dejonizowana),
·ð z zewnÄ™trznym 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 prÄ…du 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
plaz
mie (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 wadÄ… 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;