Читать книгу Chromatografia jonowa - Rajmund Michalski - Страница 7
1 Wprowadzenie
Оглавление1.1. Podział metod chromatograficznych
Chromatografia, jako metoda rozdzielania znana jest od początku XX wieku, jednak jej szybki rozwój nastąpił kilkadziesiąt lat później. W roku 1903 biochemik Michał Siemionowicz Cwiet pracujący w Katedrze Botaniki Uniwersytetu Warszawskiego rozdzielił barwniki roślinne wykorzystując zjawisko adsorpcji w kolumnie wypełnionej różnymi substancjami (m.in. węglanem wapnia). Po ekstrakcji za pomocą rozpuszczalników uzyskiwał wyraźnie rozdzielone strefy. W celu opisania tej metody greckimi słowami oznaczającymi „barwę” (grec. κρωμα) i „zapis” (grec. γραφω) utworzył nowe słowo – „chromatografia” oznaczające dosłownie „zapisywanie barw” [1]. Cwiet zmarł w roku 1919 w Woroneżu (Rosja) i gdyby żył dłużej, a jego odkrycie zostałoby docenione za jego życia zapewne zostałby laureatem Nagrody Nobla. Warto w tym miejscu przypomnieć że twórcą chromatopolarografii jest wybitny polski chemik prof. Wiktor Kemula.
Obecnie metody chromatograficzne ze względu na możliwość szybkiego rozdzielania i analizy substancji także w próbkach o złożonych matrycach, należą do najbardziej rozpowszechnionych metod instrumentalnych w chemii analitycznej. Różnymi metodami chromatograficznymi można rozdzielać i analizować składniki polarne i niepolarne, kwasowe, obojętne i zasadowe, organiczne i nieorganiczne a także monomery, oligomery i polimery. W zależności od właściwości fizykochemicznych badanej próbki i jej składników, do ich rozdzielania należy zastosować odpowiedni rodzaj chromatografii. Metody chromatograficzne są powszechnie stosowane zarówno na skalę preparatywną, jak i analityczną, a chromatograf gazowy jest najbardziej rozpowszechnionym na świecie przyrządem analitycznym. Pierwszy komercyjny chromatograf gazowy z detektorem cieplno-przewodnościowym pojawił się na rynku w roku 1955, a wysokosprawny chromatograf cieczowy 10 lat później. Za prace związane z metodami chromatograficznymi wielokrotnie przyznawano Nagrody Nobla [2]. W tabeli 1.1 podano laureatów tych Nagród, którzy w swoich pracach zajmowali się zastosowaniami lub rozwojem metod chromatograficznych i pokrewnych.
TABELA 1.1. Laureaci Nagrody Nobla, których prace były związane z metodami rozdzielania
| Rok przyznania Nagrody | Laureaci | Narodowość | Tematyka badawcza |
| 1937 | Walter Norman Haworth, Paul Karrer | Anglia, Szwajcaria | Badania karotenoidów i witamin |
| 1939 | Adolf Friedrich,Johann Butenandt, Leopold Ružička | Niemcy, Szwajcaria | Badania polietylenów, terpenów i hormonów |
| 1948 | Arne Wilhelm Kaurin Tiselius | Szwecja | Zastosowania metod chromatograficznych i elektroforezy kapilarnej |
| 1951 | Edwin Mattison McMillan, Glenn Theodore Seaborg | Stany Zjednoczone | Rozdzielanie pierwiastków radioaktywnych |
| 1952 | Archer John Martin, Richard Laurence Synge | Wielka Brytania | Chromatografia podziałowa |
| 1955 | Vincent du Vigneaud | Stany Zjednoczone | Badania hormonów |
| 1958 | Frederick Sanger | Wielka Brytania | Badania insuliny i aminokwasów |
| 1961 | Melvin Calvin | Stany Zjednoczone | Badania mechanizmów fotosyntezy |
| 1970 | Luis Federico Leloir | Argentyna | Biosynteza węglowodanów |
| 1980 | Paul Berg, Walter Gilbert, Frederic Sanger | Stany Zjednoczone | Badania biochemiczne kwasów nukleinowych |
| 2008 | Roger Tsien | Stany Zjednoczone | Odkrycie białka zielonej fluorescencji |
| 2018 | Frances Arnold, George Smith, Gregory Winter | Stany Zjednoczone | Opracowanie metody prezentacji fagowej do peptydów i przeciwciał |
Chromatografię można zdefiniować jako fizykochemiczną metodę rozdzielania mieszanin w wyniku ich podziału pomiędzy fazę ruchomą i nieruchomą. Istnieje kilka sposobów podziału chromatografii i technik chromatograficznych. Jeżeli fazą ruchomą jest gaz, to mówimy o chromatografii gazowej (ang. Gas Chromatography, GC), a gdy jest nią ciecz to o chromatografii cieczowej (ang. Liquid Chromatography, LC). Jeżeli fazą ruchomą jest płyn w stanie nadkrytycznym, to taki rodzaj chromatografii nazywamy chromatografią nadkrytyczną (ang. Supercritical Fluid Chromatography, SFC).
Inny sposób podziału chromatografii oparty jest na rodzaju fazy stacjonarnej. Jeżeli jest to ciało stałe (adsorbent) to mówimy o chromatografii adsorpcyjnej, a jeżeli jest to ciecz, to o chromatografii podziałowej. Chromatografię można również podzielić na chromatografię kolumnową (z fazą nieruchomą umieszczoną w kolumnie) i chromatografię planarną (z fazą nieruchomą umieszczoną na płaszczyźnie). Najczęściej stosowaną odmianą chromatografii cieczowej jest wysokosprawna chromatografia cieczowa (ang. High Performance Liquid Chromatography, HPLC). Ogólny podział chromatografii i technik chromatograficznych (nieobejmujący technik elektromigracyjnych, takich jak m.in. elektroforeza kapilarna) przedstawiono na rysunku 1.1. Zgodnie z nim chromatografia jonowa stanowi odmianę wysokosprawnej kolumnowej chromatografii cieczowej, która różni się od HPLC przede wszystkim stosowanymi rodzajami faz stacjonarnych i ruchomych, dopuszczalnymi ciśnieniami oraz inertnymi materiałami których wykonane są części mające bezpośredni kontakt z eluentem, a także, co najważniejsze zakresem zastosowań.
Różne metody chromatograficzne ze względu na swoje możliwości znajdują szerokie zastosowania w laboratoriach kontrolno-pomiarowych i naukowo-badawczych i tak jak wszystkie inne ulegają ciągłemu doskonaleniu. Z roku na rok pojawiają się nowsze modele przyrządów i również poszerza się baza akcesoriów chromatograficznych. Jaka będzie przyszłość chromatografii? Tego nikt nie wie, ale biorąc pod uwagę to, co dzieje się w ostatnich latach w tym zakresie można spodziewać się dalszego doskonalenia sprzętu oraz podnoszenia jego niezawodności. Najbliższe lata przyniosą zapewne dalsze postępy w zakresie [3]:
— rozwoju technologii nowych, bardziej selektywnych i dedykowanych wypełnień do kolumn chromatograficznych,
— poszukiwania nowych typów specyficznych detektorów,
— miniaturyzacji układów rozdzielania i detekcyjnych,
— dalszego obniżania granic wykrywalności i oznaczalności analitów,
— opracowań nowych metodyk przygotowania próbek i łączenie ich w układy on-line,
— automatyzacji i robotyzacji procesu rozdzielania poprzez stosowanie układów wielowymiarowych i technik łączonych.
Literatura dotycząca podstaw teoretycznych i zastosowań różnych metod chromatograficznych jest obszerna. W Polsce do najważniejszej pozycji w tym zakresie należą Podstawy chromatografii Zygfryda Witkiewicza, wydane po raz pierwszy przez Wydawnictwa Naukowo-Technicze w roku 1992 [4], a wznawiane kilkakrotnie w kolejnych latach. W roku 2019 ukazała się najnowsza edycja tej książki poszerzona o metody elektroforezy kapilarnej [5]. W minionych latach ukazało się kilka monografii anglojęzycznych, w których opisano teorię i praktykę chromatografii jonowej [6–9]. Spośród nich na szczególną uwagę zasługuje podręcznik Joachima Weissa, którego trzecie trzytomowe wydanie ukazało się w roku 2016 [10]. W roku 1998 Dariusz Pogodzki na zlecenie firmy AGA Analytical opublikował materiały dotyczące chromatografii jonowej [11].
W roku 2005 Wydawnictwa Naukowo-Techniczne wydały książkę mojego autorstwa zatytułowaną Chromatografia jonowa. Podstawy i zastosowania [12], której drugie rozszerzone wydanie ukazało się w roku 2015 [13]. Stanowi ono podstawę niniejszego, znacznie poszerzonego i zaktualizowanego wydania. Od ponad trzydziestu lat zajmuję się rozwojem, zastosowaniami i popularyzacją chromatografii jonowej. W roku 2015 ukazała się także książka pod moją redakcją, w której opisano najważniejsze zastosowania technik łączonych chromatografia jonowa – spektrometria mas (IC-MS) oraz chromatografia jonowa ze spektrometrią mas ze wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzężonej (IC-ICP-MS) [14]. Od roku 2005 organizuję międzynarodowe konferencje naukowe poświęcone teorii i praktyce chromatografii jonowej. Od roku 2007 konferencjom tym towarzyszą monografie, w których zamieszczone są prace specjalistów z zakresu chromatografii jonowej i metod pokrewnych [15–25]. Monografie te stanowią cenne źródło wiedzy i uzupełnienie tej książki. Tytuły prac w nich zamieszczonych podano w książce po wykazie literatury. Niniejsze opracowanie ma na celu przybliżenie polskiemu czytelnikowi podstaw teoretycznych oraz zastosowań chromatografii jonowej oraz jej popularyzację wśród obecnych i przyszłych użytkowników.
RYS. 1.1. Rodzaje chromatografii i technik chromatograficznych
1.2. Podstawowe parametry opisujące procesy chromatograficzne
Chromatograficzne rozdzielanie składników mieszaniny jest funkcją wielu efektów termodynamicznych i kinetycznych zachodzących w układzie chromatograficznym. Wykrycie w detektorze jednego ze składników wyodrębnionych z mieszaniny powoduje pojawienie się na wykresie piku, którego pole powierzchni lub wysokość jest proporcjonalna do stężenia analizowanego składnika. Składniki chromatografowanej mieszaniny opuszczające po rozdzieleniu kolumnę są wykrywane przez detektor, a odpowiadające im piki rejestrowane w postaci chromatogramu. Mogą one mieć niesymetryczny kształt, co związane jest z procesami dyfuzji i przepływu fazy ruchomej przez kolumnę.
Czas przebywania substancji chromatografowanej w kolumnie analitycznej nazywa się całkowitym czasem retencji. Jest to czas od momentu wprowadzenia analizowanej próbki do kolumny analitycznej, do momentu zarejestrowania maksimum piku odpowiadającego tej substancji, czyli suma czasu, w którym substancja oddziaływuje z wypełnieniem kolumny i czasu potrzebnego do przejścia tej substancji od dozownika do detektora, gdyby takiego oddziaływania nie było. Iloraz ilości substancji, wyrażonej w molach, znajdującej się w fazie stacjonarnej i ilości tej samej substancji w fazie ruchomej wyraża tzw. współczynnik retencji, k, który można określić wzorem:
gdzie:
Cs – stężenie substancji chromatografowanej w fazie stacjonarnej,
Cr – stężenie substancji chromatografowanej w fazie ruchomej,
Vs – objętość fazy stacjonarnej,
Vr – objętość fazy ruchomej,
K – stała podziału.
Współczynnik retencji k (nazywany wcześniej stosunkiem podziału) można obliczyć, wykorzystując zmierzone wartości retencji. W praktyce jest on stosunkiem czasu, w jakim substancja chromatografowana przebywa w fazie stacjonarnej do czasu jej przebywania w fazie ruchomej.
Im większą wartość ma współczynnik retencji k, tym silniej substancja oddziaływuje z fazą stacjonarną. Wielkością służącą porównywaniu selektywności różnych faz stacjonarnych jest retencja względna r rozdzielanych substancji. Określa się ją jako stosunek retencji dwóch substancji chromatografowanych, z których np. jedna jest wzorcem, a druga ma podobne do niego właściwości. Wartość r może być większa lub mniejsza od 1, a im bardziej różni się od jedności, tym lepiej te dwie substancje są rozdzielone. Podobne zależności istnieją dla dwóch sąsiednich pików na chromatogramie i są one określone przez współczynnik rozdzielenia α, którego wartość jest zawsze większa od 1. Jedne z najważniejszych parametrów chromatograficznych, takie jak selektywność fazy stacjonarnej i sprawność kolumny są charakteryzowane przez parametr nazywany rozdzielczością pików Rs. Na rysunku 1.2 przedstawiono chromatogram substancji A i B.
RYS. 1.2. Sposób obliczania rozdzielczości pików
Rozdzielczość pików substancji A i B oblicza się na podstawie równania:
gdzie:
Rs – rozdzielczość pików A i B,
tR1 – czas retencji pierwszego piku,
tR2 – czas retencji drugiego piku,
w1 – szerokość pierwszego piku przy podstawie,
w2 – szerokość drugiego piku przy podstawie.
Piki są tym lepiej rozdzielone, im wartość Rs jest większa. Gdy wartość ta wynosi 1, to piki o zbliżonej wysokości są rozdzielone w 96%. Szerokość pików chromatografowanych substancji zależy od sprawności kolumny, a ich rozdzielczość od selektywności fazy stacjonarnej. Jakość kolumn określona jest ich sprawnością, którą charakteryzuje się wysokością półki H, a dokładnie wysokością równoważną półce WRP, czyli najmniejszą długością odcinka kolumny chromatograficznej, w której osiąga się stan równowagi między stężeniami substancji chromatografowanej w fazie ruchomej i w fazie stacjonarnej. Van Deemter i wsp. [26] opracowali teorię rozdzielania w oparciu o prace Martina i Synge’a [27].
Sprawność kolumny chromatograficznej w dużym stopniu zależy od wielkości cząstek fazy stacjonarnej i zwiększa się ze zmniejszaniem ich średnicy. Uwzględniając długość kolumny L, wysokość (w milimetrach) równoważną półce oblicza się zgodnie ze wzorem:
Wykorzystując zależność wartości WRP od liniowej prędkości przepływu fazy ruchomej u, można wykreślić zależność nazywaną wykresem Van Deemtera, na podstawie którego można określić sprawność kolumny. Równanie Van Deemtera ma postać:
gdzie:
H – wysokość równoważna półce,
u – liniowa prędkość przepływu fazy ruchomej,
A, B, C – wielkości stałe dla danej kolumny, fazy stacjonarnej, fazy ruchomej oraz temperatury, charakteryzujące odpowiednio:
A – dyfuzję wirową,
B – dyfuzję cząsteczkową w fazie ruchomej,
C – opór przenoszenia masy.
Dyfuzję wirową opisuje wzór:
A = 2 · λ · dp
gdzie:
λ – współczynnik upakowania,
dp – średnica cząstek wypełnienia kolumny.
Stała A zależy od wypełnienia i upakowania kolumny, stała B od rodzaju fazy ruchomej, a stała C od współczynnika podziału substancji chromatografowanej między fazy stacjonarną i ruchomą oraz od grubości warstwy fazy stacjonarnej. Graficznym przedstawieniem równania Van Deemtera jest krzywa, na podstawie której można wyznaczyć optymalną wartość przepływu eluentu dla minimalnej wysokości półki, tak jak przedstawiono to na rysunku 1.3.
Wysokość równoważna półce przy optymalnej prędkości fazy ruchomej dla większości kolumn stosowanych w chromatografii jonowej wynosi od 0,015 do 0,20 mm.
RYS. 1.3. Wykres van Deemtera
Zależność rozdzielczości od selektywności kolumny opisanej współczynnikiem rozdzielenia α i sprawnością kolumny wyrażoną liczbą półek N można opisać równaniem:
gdzie:
N – liczba półek (sprawność kolumny),
k – współczynnik retencji,
α – współczynnik rozdzielenia.
Współczynnik rozdzielenia oblicza się ze wzoru:
gdzie k2 i k1 to odpowiednio współczynniki retencji substancji, którym odpowiadają drugi i pierwszy pik w rozważanej parze pików.
Na podstawie tego równania można obliczyć wymaganą liczbę półek N w celu uzyskania zakładanej rozdzielczości pików przy określonej selektywności:
Przykładowo dla wartości współczynnika α = 1,05 kolumna ma 16 000 półek, a dla α = 1,01 ich liczba wynosi 367 000. Liczbę półek można zwiększyć na różne sposoby, np. poprzez zwiększenie długości kolumny, zmniejszenie wielkości ziaren wypełnienia kolumny lub optymalizację przepływu fazy ruchomej. Liczba półek, a zatem sprawność kolumny chromatograficznej wzrasta ze zmniejszaniem się wartości WRP. Należy jednak pamiętać, że liczba półek nie jest wprost proporcjonalna do długości kolumny, co oznacza, że przykładowo dwukrotne wydłużenie kolumny nie poprawia dwukrotnie jej sprawności. Ponadto mniejsze wielkości ziaren powodują wzrost ciśnienia, co stanowi istotne ograniczenie dla tradycyjnych układów do chromatografii cieczowej i przyczyniło się do rozwoju ultraszybkiej chromatografii cieczowej, w której wielkości cząstek fazy stacjonarnej mogą być < 3 μm.
1.3. Terminy i definicje stosowane w chromatografii jonowej
Chromatografia jonowa (ang. Ion Chromatography, IC) jest odmianą wysokosprawnej chromatografii cieczowej stosowaną do rozdzielania i oznaczania nieorganicznych i organicznych anionów i kationów, a także innych substancji po ich wcześniejszym przeprowadzeniu w formy jonowe. Podział metod mieszczących się w ramach chromatografii cieczowej ze względu na polarność fazy ruchomej i fazy stacjonarnej przedstawiono na rysunku 1.4.
RYS. 1.4. Podział metod chromatografii cieczowej ze względu na polarność fazy stacjonarnej i ruchomej
W literaturze spotkać można także określenie chromatografia jonowymienna (ang. Ion-Exchange Chromatography, I-EC), która różni się od chromatografii jonowej, chociaż obydwa powyższe rodzaje chromatografii oparte są na tych samych, znanych od dawna procesach wymiany jonowej. Chromatografia jonowa, w której stosuje się wysokosprawne kolumny analityczne wypełnione jednorodnymi cząstkami o małych średnicach i najczęściej detekcję konduktometryczną wywodzi się z chromatografii jonowymiennej. W porównaniu z klasyczną chromatografią jonowymienną – chromatografia jonowa jest metodą wydajniejszą, szybszą, bardziej czułą i dającą bardzo dobrą powtarzalność uzyskiwanych wyników. Ze względu na zastosowania można stwierdzić, że chromatografia jonowa jest przede wszystkim metodą analityczną, a chromatografia jonowymienna metodą preparatywną. Najważniejsze różnice pomiędzy chromatografią jonowymienną i chromatografią jonową podano w tabeli 1.2.
TABELA 1.2. Podstawowe różnice pomiędzy chromatografią jonowymienną i chromatografią jonową
| Chromatografia jonowymienna | Chromatografia jonowa |
| Silne eluenty (0,1–10 M) | Słabe eluenty (0,1–10 mM) |
| Analiza pojedynczych składników | Analiza mieszaniny różnych jonów |
| Jonity o dużej pojemności wymiennej | Jonity o małej pojemności wymiennej |
| Brak supresora | Konieczny supresor (w chromatografii jonowej z tłumieniem przewodnictwa) |
| Powolne i niepowtarzalne analizy | Szybkie i powtarzalne analizy |
| Detekcja za pomocą klasycznych metod w zależności od analizowanego składnika | Najczęściej detekcja konduktometryczna |
| Wykrywalność na poziomie mg/L | Wykrywalność na poziomie μg/L |
Do roku 1975, kiedy to w sprzedaży pojawił się pierwszy chromatograf jonowy, stosowano określenie chromatografia jonowymienna, a obecnie większość analiz substancji jonowych wykonywanych metodami chromatograficznymi realizowana jest z wykorzystaniem różnych odmian chromatografii jonowej.
W krajach wysoko uprzemysłowionych chromatografia jonowa od początku swego istnienia znalazła znaczące miejsce w analityce chemicznej. W Polsce wzrost zainteresowania tą metodą chromatograficzną obserwuje się od kilkunastu lat, czego dowodem może być rosnąca liczba laboratoriów badawczych i usługowych, w których wykorzystuje się chromatografię jonową, przede wszystkim do analizy głównych nieorganicznych anionów (F–, Cl–, NO2–, NO3–, PO43–, SO42–) i kationów (Na+, NH4+, K+, Mn2+, Ca2+) w wodach i ściekach [28, 29]. W laboratoriach wykonujących rutynowe analizy wód i ścieków chromatografia jonowa systematycznie wypiera dotychczas stosowane metody klasyczne [30].
W literaturze stosowane są określenia: chromatografia jonowa z supresją, nazywana również dwukolumnową chromatografią jonową lub chromatografią jonową z tłumieniem przewodnictwa (ang. Dual-Column Ion Chromatography lub Suppresed Ion Chromatography) oraz chromatografia jonowa jednokolumnowa lub chromatografia jonowa bez tłumienia przewodnictwa (ang. Single Column Ion Chromatography lub Non-Suppressed Ion Chromatography). Nie są to określenia ścisłe, chociaż są powszechnie stosowane w literaturze anglojęzycznej. Określenie chromatografia jonowa z tłumieniem przewodnictwa (lub dwukolumnowa chromatografia jonowa) dotyczyło początkowo przyrządu do chromatografii jonowej zawierającego dwie kolumny – kolumnę analityczną i kolumnę tłumienia (nie licząc przedkolumny). Od lat 80-tych XX wieku, gdy kolumny tłumienia zaczęto zastępować supresorami (urządzeniami spełniającymi tę samą funkcję, co kolumny tłumienia), przyrządy takie składały się z kolumny analitycznej i supresora, chociaż nadal stosowano nazwę chromatografia z tłumieniem przewodnictwa [31].
Współczesne chromatografy jonowe składają się m.in. z dwóch kolumn (przedkolumny i kolumny analitycznej) oraz supresora (dawniej kolumny tłumienia). W literaturze anglojęzycznej do tego typu chromatografów stosuje się nadal nazwę Dual-Column Ion Chromatography lub Suppressed Ion Chromatography. W języku polskim tę najczęściej stosowaną odmianę chromatografii jonowej nazywa się chromatografią jonową z tłumieniem przewodnictwa [32]. W roku 2004 PWN wydał pierwszy słownik poświęcony chromatografii i elektroforezie [33], a w roku 2015 ukazał się pięciojęzyczny (polski, angielski, niemiecki, ukraiński i rosyjski) słownik Chromatografia i techniki elektromigracyjne [34].
Drugą odmianą chromatografii jonowej jest chromatografia jonowa bez tłumienia przewodnictwa. Nazwę tę wprowadzono do literatury anglojęzycznej w roku 1980, kiedy to Gjerde i wsp. [35] opracowali i opisali odmianę chromatografii jonowej opartą na wykorzystaniu eluentów o bardzo małym przewodnictwie, co spowodowało, że w tej odmianie chromatografii jonowej nie stosuje się kolumny tłumienia lub supresora. Ten rodzaj chromatografii jonowej nazywa się chromatografią jonową bez tłumienia przewodnictwa.
W chromatografii jonowej wyróżnia się trzy główne sposoby rozdzielania oparte na różnych właściwościach substancji stanowiących wypełnienie kolumn i wynikającej z tego zdolności wymiany jonów. Należą do nich:
— chromatografia jonowa z tłumieniem lub bez tłumienia przewodnictwa (ang. Suppressed Ion Chromatography, Non-Suppressed Ion Chromatography, IC),
— chromatografia wykluczania jonów (ang. Ion Exclusion Chromatography, IEC),
— chromatografia z tworzeniem par jonowych (ang. Ion Pair Chromatography, IPC).
W literaturze anglojęzycznej można spotkac się także z następującymi nazwami i skrótami:
— chromatografia jonowa – HPIC (ang. High Performance Ion Chromatography),
— chromatografia wykluczania jonów – HPIEC (ang. High Performance Ion Exclusion Chromatography),
— chromatografia z tworzeniem par jonowych – MPIC (ang. Mobile Phase Ion Chromatography).
W tabeli 1.3 podano najważniejsze metody rozdzielania anionów i kationów technikami chromatografii jonowej wraz z metodami detekcji.
1.3.1. Chromatografia jonowa (IC)
We współczesnej chromatografii jonowej wypełnienia kolumn stanowią zazwyczaj jonity z naniesionymi na nie grupami funkcyjnymi o stałym ładunku, w których
TABELA 1.3. Metody rozdzielania anionów i kationów technikami chromatografii jonowej wraz z metodami detekcji
Na rysunku 1.5 przedstawiono schemat rozdzielania anionów (na przykładzie jonów Cl–) na żywicy anionowej z czwartorzędowymi grupami amoniowymi jako grupami funkcyjnymi, a na rysunku 1.6 rozdzielania kationów (na przykładzie jonów Na+) na żywicy kationowymiennej z funkcyjnymi grupami sulfonowymi.
RYS. 1.5. Mechanizm rozdzielania anionów na żywicach anionowymiennych
RYS. 1.6. Mechanizm rozdzielania kationów na żywicach kationowymiennych
1.3.2. Chromatografia wykluczania jonowego (IEC)
Metoda ta po raz pierwszy została opisana przez Wheatona i Baumana [36] w roku 1953. Głównym parametrem opisującym retencję w przypadku czystego mechanizmu wykluczania jonów jest stała dysocjacji, bo wiele związków ma dobrze określoną jej wartość. Z tego powodu metoda ta jest łatwa do opisu teoretycznego i relatywnie łatwo można przewidzieć retencję analitów. Podobnie do innych metod chromatograficznych również w chromatografii IEC mamy rzadko do czynienia z jednym mechanizmem retencji. Z dodatkowych mechanizmów retencji wymienić należy normalny układ faz oraz układ faz odwrócony, hydrofobową adsorpcję na żywicy złoża, wykluczanie steryczne, wymianę jonową, oddziaływania typu Van der Waalsa oraz tzw. efekt ekranowania [37].
W chromatografii wykluczania jonów wykorzystuje się zjawisko równowagi membranowej Donnana. Porowaty wymieniacz jonowy odgrywa rolę półprzepuszczalnej membrany, oddzielającej dwie fazy ciekłe – fazę ruchomą od wodnej fazy stacjonarnej, zawartej w porach wymieniacza. Membrana ta jest przepuszczalna tylko dla substancji niezjonizowanych lub słabo zjonizowanych, które ulegają podziałowi pomiędzy te dwie fazy, a ich migracja przez kolumnę jest opóźniona. Natomiast substancje zjonizowane, nieprzenikające do wnętrza porów, nie są zatrzymywane w kolumnie i opuszczają ją w czasie odpowiadającym czasowi retencji substancji nie oddziałującej z fazą stacjonarną. Na rysunku 1.7 przedstawiono uproszczone mechanizmy rozdzielania występujące w chromatografii IEC.
RYS. 1.7. Mechanizm rozdzielania analitów w chromatografii wykluczania jonowego
Cechą charakterystyczną chromatografii IEC jest ten sam ładunek elektryczny zdysocjowanych grup funkcyjnych jonowymiennej żywicy i analizowanych związków. Próbki charakteryzujące się ujemnym ładunkiem, np. zdysocjowane kwasy, są rozdzielane na kationicie zawierającym anionowe grupy funkcyjne, a próbki zawierające związki naładowane dodatnio (zasady) rozdzielane są na anionicie zawierającym kationowe grupy funkcyjne (zwykle są to jony tetraalkiloamoniowe). W pewnym sensie mamy tu do czynienia z sytuacją odwrotną do chromatografii jonowej, w której aniony rozdzielane są na anionicie, a kationy na kationicie. Tak więc, mimo iż w chromatografii IEC wykorzystuje się kolumny jonowowymienne do prawdziwej wymiany jonów nie dochodzi. Czasami te same kolumny mogą być stosowane w obu technikach [38]. Komercyjnie dostępne kolumny do chromatografii IEC są z reguły dłuższe i szersze od standardowych kolumn chromatograficznych. Ma to na celu zwiększenie ich objętości wewnętrznych. Cechą charakterystyczną komercyjnie dostępnych kolumn do chromatografii wykluczania jonowego jest ich duża pojemność. Osiąga się to przez zwiększenie wymiarów kolumny i stężenia grup funkcyjnych złoża oraz przez stosowanie mocnych wymieniaczy jonowych. Zwykle, jako złoże wykorzystuje się makroporowaty, całkowicie sulfonowany, kopolimer styrenu i diwinylobenzenu charakteryzujący się dużą pojemnością wymienną [39].
Ponieważ stężenie jonów w fazie stacjonarnej jest zazwyczaj znacznie większe niż w ruchomej, następuje osmotyczny przepływ wody do żywicy, powodujący jej pęcznienie. Proces ten zmniejsza się wraz ze wzrostem stężenia jonów w fazie ruchomej i wzrostem stopnia usieciowania żywicy. Dlatego retencja kwasów i zasad oznaczanych metodą chromatografii IEC jest zależna od ich stałych dysocjacji. Mocne, całkowicie zdysocjowane, kwasy lub zasady są elektrostatycznie odpychane od złoża. W konsekwencji są one wymywane nierozdzielone w objętości martwej kolumny. Niezdysocjowane cząsteczki mogą penetrować wnętrze żywicy. Temperatura kolumny wpływa na dwa podstawowe parametry chromatograficzne. Jej wzrost zwiększa dyfuzję, a stąd i sprawność kolumny. Zwiększenie selektywności natomiast uzyskuje się ze spadkiem temperatury. Analizy przeprowadza się czasami w podwyższonej temperaturze celem usprawnienia wymiany jonowej i zmniejszenia efektów kinetycznych [40].
Wybór faz stacjonarnych jest dosyć ograniczony, a stopień dyfuzji analitów do wnętrza fazy stacjonarnej decydujący o czasach retencji analitów zależy od jej stopnia usieciowania [41]. Typowe fazy stacjonarne stosowane w chromatografii wykluczania jonowego to w pełni sulfonowane żywice kationowymienne o dużej pojemności. Efektywność rozdzielania można modyfikować poprzez zmianę pH eluentu (ponieważ pH decyduje o stopniu ich dysocjacji) lub poprzez dodawanie do eluentu modyfikatorów organicznych (np. acetonitrylu lub izoproponolu). W przypadku prostych kwasów karboksylowych ich czasy retencji zwiększają się wraz ze zwiększaniem się masy cząsteczkowej. Kwasy di- i trikarboksylowe (np. kwas szczawiowy i cytrynowy) eluują później [43], a silnie zdysocjowane kwasy nieorganiczne zgodnie z mechanizmami rozdzielania wymywają się z kolumny analitycznej w objętości martwej. Słabo zdysocjowane kwasy (np. kwas borowy lub węglowy) mogą być dobrze rozdzielone z wykorzystaniem tej odmiany chromatografii jonowej.
Już w roku 1964 Harlow i Morman [42] stwierdzili, że żywice o wysokim stopniu usieciowania (12%) są odpowiednie do rozdzielania słabych kwasów karboksylowych, a dla kwasów silnie zdysocjowanych najlepsze są żywice o stopniu usieciowania zaledwie 2%. Obecnie w kolumnach analitycznych stosowanych w chromatografii wykluczania jonowego najczęściej stosuje się fazy stacjonarne o stopniu usieciowania 8%. W pełni sulfonowane żywice jonowymienne mogą być stosowane także do rozdzielania prostych i złożonych alkoholi oraz aldehydów. Fazy stacjonarne na bazie krzemionki są rzadko stosowane w IEC do rozdzielania prostych nieorganicznych jonów, ale znajdują zastosowania do analiz białek.
Liczba eluentów stosowanych w chromatografii wykluczania jonowego jest ograniczona. Najczęściej jest to czysta woda dejonizowana. Inne przykłady eluentów to kwasy mineralne (np. HCl, H2SO4) oraz kwasy organiczne (np. kwas tridecylofluoroheptanowy czy kwas benzoesowy). W IEC w przypadku detekcji konduktometrycznej stosuje się technikę supresji.
Aparatura stosowana w chromatografii wykluczania jonów nie różni się zasadniczo od stosowanej w chromatografii jonowej [43]. Najważniejsze zalety IEC to: duża trwałość kolumn (umożliwia to analizę wielu próbek bez konieczności wstępnego ich oczyszczania), łatwość rozdzielania związków jonowych od niejonowych oraz możliwość stosowania detekcji konduktometrycznej. Nieco później zastosowania nowych rodzajów kolumn o zwiększonych wymiarach, opartych na złożu z kopolimeru styrenu i diwinylobenzenu umożliwiło także analizę nowych klas związków. Stosowane mogą być także układy łączone: chromatografia wykluczania jonowego – chromatografia jonowa (ICE-IC). Schemat takiego układu przedstawiono na rysunku 1.8.
Koncepcja ta została wprowadzona przez Richa i wsp. [44], którzy zastosowali układ ICE-IC do rozdzielania i oznaczania kwasu pirogronowego i mlekowego w surowicy krwi. W tamtych czasach nie było możliwości efektywnego rozdzielania głównych nieorganicznych anionów i kwasów karboksylowych techniką IC, więc układ wielowymiarowy typu IEC-IC okazał się bardzo użyteczny w zakresie jednoczesnego rozdzielania nieorganicznych i organicznych anionów. Obecnie w przypadkach jednoczesnego rozdzielania w próbce głównych nieorganicznych jonów i kwasów karboksylowych dominuje chromatografia jonowa z elucją gradientową, aczkolwiek techniki dwuwymiarowe, takie jak ICE-IC znajdują nadal zastosowania m.in. do oznaczania śladowych zanieczyszczeń anionowych ultraczystych stężonych kwasów, np. HF czy H3PO4, które mają kluczowe znaczenie w przemyśle produkcji półprzewodników.
Chromatografia wykluczania jonów jest stosowana przede wszystkim do rozdzielania słabych kwasów nieorganicznych, kwasów organicznych, alkoholi, aldehydów, aminokwasów, a także grupowego rozdzielania związków jonowych od niejonowych. Przykładem jest jednoczesne oznaczanie kwasów krzemowego, borowego i węglowego z wykorzystaniem detektora wyładowań koronowych (ang. Corona Charge Aerosol Detector, CAD), opisane przez Otsukę i wsp. [45]. Chromatografia IEC znajduje szerokie zastosowania w analizie słabych kwasów oraz cukrów. Istnieje możliwość efektywnego rozdzielania tą techniką także aminokwasów, białek, alkoholi oraz aldehydów. Związki te oznaczane były w różnych próbkach: wodzie morskiej, wodzie mineralnej, płynach biologicznych, żywności, winie, detergentach, w ściekach itp. [46, 47].
Interesujące zastosowania metoda ta znajduje w analizie kwasów karboksylowych. Zwykle do detekcji wykorzystuje się detektory fotometryczne w zakresie długości fal 250–280 nm dla kwasów aromatycznych i 200–220 nm dla kwasów alifatycznych. Tylko kwasy i zasady o pośrednich wartościach stałych dysocjacji (10–7–10–2) mogą być rozdzielane w tej technice (przy założeniu czystego mechanizmu wykluczania jonów). Większą retencję należy więc oczekiwać dla kwasów charakteryzujących się większymi
RYS. 1.8. Schemat układu IEC-IC
wartościami pKa, jak to zostało wykazane przez Tanakę i wsp. [48]. Analogiczna zależność dla zasad została po raz pierwszy zaobserwowana przez Haddada i wsp. [49]. Najpopularniejsze kolumny stosowane do rozdzielania kwasów karboksylowych techniką IEC to kolumny Dionex IonPac ICE-AS1 i AS6 oraz Metrohm Organic Acids.
Przykładowy chromatogram kwasów karboksylowych przedstawiono na rysunku 1.9, a na rysunku 1.10 chromatogram próbki śniegu ze Spitzbergenu uzyskany z wykorzystaniem kolumny analitycznej Metrohm Organic Acid.
RYS. 1.9. Chromatogram kwasów karboksylowych uzyskany metodą chromatografii wykluczania jonowego
Rys. 1.10. Chromatogram kwasów karboksylowych w próbce śniegu; kolumna analityczna – Metrohm Organic Acids, eluent – 0,5 mM kwas perfluorobutylowy + 7% aceton, natężenie przepływu eluentu – 0,5 mL/min, detekcja – konduktometryczna z tłumieniem przewodnictwa bezpośrednim otoczeniu znajdują się odpowiednie przeciwjony zapewniające elektryczną obojętność układu. W kolumnach anionowymiennych grupami funkcyjnymi są najczęściej czwartorzędowe zasady amoniowe, a w kolumnach kationowymienych grupy sulfonowe. Gdy przeciwjon zostanie zastąpiony przez jon substancji analizowanej, zostaje on czasowo zatrzymywany w kolumnie. Rozdzielane jony próbki różnią się między sobą czasem przebywania wewnątrz kolumny, wynikającym z różnicy ich powinowactwa do fazy stacjonarnej. Jest to klasyczny mechanizm wymiany jonowej wykorzystywany w chromatografii jonowej do rozdzielania anionów i kationów. Proces wymiany jonowej jest odwracalny, a reakcje wymiany jonowej zachodzą stechiometrycznie. W wyniku klasycznych mechanizmów wymiany jonowej i zróżnicowanego powinowactwa jonów analitu do fazy stacjonarnej następuje ich rozdzielanie i z kolumny analitycznej są one wymywane w różnych czasach retencji.
TABELA 1.4. Wybrane kolumny analityczne stosowane w chromatografii wykluczania jonowego
| Parametr | Kolumna | ||||||
| Nazwa kolumny | IonPac ICE-AS1 | IonPac ICE-AS6 | Metrosep Organic Acids | PRP-X300 | Rezed ROA Organic Acid | Shim-Pack SCR-102 H | ORH-801 |
| Producent | Thermo Scientific | Thermo Scientific | Metrohm | Hamilton | Phenomenex | Shimadzu | Interaction Chemical |
| Wymiary kolumny [mm] | 250 × 9 | 250 × 9 | 250 × 7,8 | 250 × 4,1 | 300 × 8 | 300 × 8 | 300 × 6,5 |
| Grupy funkcyjne | Sulfonowe | Sulfonowe i karboksylowe | Sulfonowe | Sulfonowe | Sulfonowe | Sulfonowe | Sulfonowe |
| Średnica cząstek [μm] | 7,5 | 8 | 5 | 7 | 8 | 7 | 8 |
| Przykładowe zastosowania | Słabe nieorganiczne kwasy i małocząsteczkowe kwasy karboksylowe | Alifatyczne hydroksykwasy i alkohole | Słabe kwasy nieorganiczne i organiczne | Alifatyczne kwasy karboksylowe | Słabe kwasy organiczne, węglowodany, alkohole | Słabe kwasy organiczne | Alifatyczne kwasy karboksylowe |
W połączeniu z detekcją amperometryczną można techniką IEC oznaczać także siarczki i arseniny. Opisana przez Kima i Kima w roku 1986 metoda [50] jest obecnie standardową metodyką oznaczania jonów S2– i AsO2– zamieszczoną w katalogu norm AOAC (ang. Association Of Analytical Communities). Metodyka ta jest selektywna i nie wymaga specjalnego przygotowania próbki do analizy. Jej wadą jest szybka degradacja powierzchni elektrody (do 40% po ok. 8 godzinach ciągłej pracy detektora amperometrycznego). IEC jest także bardzo użyteczna do oznaczania jonów CN–, które na elektrodzie srebrowej są utleniane i wykrywane z bardzo wysoką czułością. Kolejny przykład to oznaczanie krzemianów [51]. Wykorzystanie techniki łączonej IEC-ICP-MS do oznaczania krzemianów w wodzie morskiej opisali Hioka i wsp. [52]. Także Sakai i wsp. [53] opisali zastosowania tej techniki, ale z detekcją chemiluminescencyjną do oznaczania krzemianów w wodach. Wybrane parametry przykładowych kolumn stosowanych w IEC podano w tabeli 1.4.
1.3.3. Chromatografia z tworzeniem par jonowych (IPC)
W chromatografii z tworzeniem par jonowych, jony substancji oznaczanej X oddziaływają z lipofilowymi jonami L (stanowiącymi składnik eluentu), tworząc kompleks typu XL. Kompleks ten może być odwracalnie wiązany z niepolarną powierzchnią fazy stacjonarnej S, tj. fazą o polarności mniejszej niż eluent, tworząc kompleks XLS. Rozdzielane jony próbki (w postaci kompleksów XL) różnią się między sobą czasem przebywania w kolumnie, wynikającym z ich różnych powinowactw do niepolarnej powierzchni fazy stacjonarnej, co stanowi przyczynę rozdzielania. Według alternatywnego modelu lipofilowe jony eluentu są adsorbowane na powierzchni fazy nieruchomej, tworząc kompleks typu LS. W wyniku tego na powierzchni niepolarnej fazy stacjonarnej, powstaje dynamiczny wymieniacz jonowy, z którym oddziaływają jony substancji rozpuszczonej X. Jony o charakterze hydrofobowym, np. alkilowe i arylowe sulfoniany mogą penetrować wnętrze warstwy utworzonej przez kompleks LS, a o ich czasie przebywania decyduje zjawisko adsorpcji. Jony bardziej hydrofilowe penetrują tylko strefę zewnętrzną, a o ich czasie przebywania w kolumnie decyduje mechanizm wymiany jonowej [54]. Na rysunku 1.11 przedstawiono mechanizmy rozdzielania wykorzystywane w chromatografii par jonowych.
Efektywność rozdzielania analitów w IPC zależy od następujących parametrów:
1. Rodzaju lipofilowego przeciwjonu w fazie ruchomej i jego stężenia w eluencie.
2. Rodzaju modyfikatora organicznego lub nieorganicznego oraz ich stężenia w eluencie.
3. pH eluentu.
4. Temperatury kolumny.
RYS. 1.11. Mechanizm rozdzielania analitów w chromatografii par jonowych
Chromatografia z tworzeniem par jonowych to technika, w której do fazy ruchomej dodaje się substancję tworzącą jony hydrofobowe (np. C7H15SO3–). Jony te oddziaływają z jonami składników próbki, tworząc neutralne pary jonów, które podlegają rozdzielaniu chromatograficznemu. Typowe odczynniki stosowane w chromatografii par jonowych to, w przypadku oznaczania anionów: NH4OH, wodorotlenek tetrametyloamoniowy, tetrapropoyloamoniowy i tetrabutyloamoniowy, a w przypadku kationów: HCl, HClO4 oraz kwasy heksasulfonowy, heptasulfonowy i oktasulfonowy. Dodawanie lipofilowych substancji, takich jak kwas alkanosulfonowy lub czwartorzędowe związki amoniowe do fazy ruchomej pozwala oznaczać wybrane anality w odwróconym układzie faz [55]. W tej odmianie chromatografii jonowej także stosuje się technikę supresji, np. z wykorzystaniem supresorów typu ASF-1 i ASF-2.
Podstawy teoretyczne oraz zastosowania chromatografii jonowej z tworzeniem par jonowych opisano w pracy [56]. Chromatografia par jonowych znajduje zastosowania głównie do oznaczania hydrofobowych jonów, takich jak: siarczany(VI), sulfoniany, alkaloidy, barbiturany, pochodne kwasów tłuszczowych oraz wybrane kompleksy jonów metali. Początkowo ta odmiana chromatografii jonowej była użyteczną alternatywą stosowaną do oznaczania mocno spolaryzowanych jonów, takich jak: tiosiarczany lub chlorany(VII), które były silnie zatrzymywane na typowych wymieniaczach jonowych. IPC jest szczególnie użyteczna w rozdzielaniu par jonów, które na typowych wymieniaczach anionowych są eluowane blisko siebie (np. NO3–/ClO3– czy benzoesan/NO3–), a także tlenowych jonów siarki takich jak: S2O62–, S2O82– czy SnO62– [57]. Inny przykład dotyczy rozdzielania kwasów karboksylowych [58].
1.3.4. Inne techniki chromatograficzne wykorzystywane do oznaczania jonów
Chromatografia oddziaływań hydrofilowych HILIC (ang. Hydrophilic Interaction Liquid Chromatography) jest techniką, która może służyć do rozdzielania substancji polarnych i średniopolarnych. Od ponad dwóch dekad jest skuteczną alternatywą dla chromatografii cieczowej w normalnym układzie faz NP-HPLC (ang. Normal Phase – High Performance Liquid Chromatography) i w odwróconym układzie faz RP-HPLC (ang. Reversed Phase – High Performance Liquid Chromatography) [5]. Najczęściej w normalnym układzie faz rozdziela się wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, aminy, amidy, iminy, alkohole, fenole, sacharydy, kwasy karboksylowe, aminokwasy, peptydy, kwasy nukleinowe i inne. Układ taki ma sporo ograniczeń, ponieważ wymaga stosowania bezwodnych rozpuszczalników o wysokiej czystości. Obecnie obszar zastosowań metody NP-HPLC zmniejsza się, gdyż ten rodzaj chromatografii jest trudny do połączenia ze spektrometrią mas. Nawet niewielka zawartość wody obecnej w fazie ruchomej (0,01%) powoduje uzyskiwanie niepowtarzalnych czasów retencji i wpływa negatywnie na kształt otrzymywanych pików. W technice HILIC mamy do czynienia z wieloma mechanizmami rozdzielania. Retencja analitów wzrasta ze wzrostem hydrofilowości analitu. Jak opisuje to Buszewski i wsp. [59] na powierzchni fazy stacjonarnej tworzy się podwójna warstwa elektryczna. Fazy stacjonarne stosowane w HILIC można podzielić na: żel krzemionkowy, fazy neutralne, fazy naładowane, fazy bipolarne oraz fazy typu RP/HILIC [60].
Mechanizm rozdzielania analitów opiera się zarówno na wykorzystaniu bezpośrednich oddziaływań pomiędzy fazą stacjonarną i fazą ruchomą, jak i zastosowaniu wody z dodatkiem modyfikatora jonowego. Najczęściej jego zawartość nie przekracza 0,1% objętości, co powoduje, że na powierzchni ziaren sorbentu tworzy się warstwa eluentu o zwiększonej zawartości wody. Migrujące przez kolumnę chromatograficzną anality podlegają oddziaływaniom, które zachodzą pomiędzy warstwą fazy ruchomej o dużej zawartości składnika organicznego a warstwą zaadsorbowanej wody. Chromatografia HILIC polega na wykorzystaniu polarnej fazy stacjonarnej i polarnego eluentu, zawierającego wodę. Fazy stacjonarne stosowane w chromatografii HILIC to najczęściej żel krzemionkowy modyfikowany grupami aminowymi, amidowymi, cyjanowymi bądź grupami hydroksylowymi (faza stacjonarna typu diol) lub polarne polimery. Fazę ruchomą stanowi natomiast mieszanina rozpuszczalników organicznych z wodą. Im większa jest zawartość wody w eluencie tym siła elucji fazy ruchomej jest większa. W kolumnach HILIC na powierzchni hydrofilowej fazy stacjonarnej tworzy się cienka warstwa wody zaadsorbowanej z eluentu. Tak, więc następuje podział polarnego analitu pomiędzy hydrofilową warstwą wodną na powierzchni stacjonarnej a mniej hydrofilowym rozpuszczalnikiem (np. acetonitrylem). W technice HILIC wykorzystywane są różnorodne mechanizmy retencji, które niestety nie są do końca poznane i opisane w literaturze naukowej.
Technika ta została wprowadzona w połowie lat 70-tych XX wieku, początkowo do rozdzielania węglowodanów. Najczęściej kolejność elucji oznaczanych substancji zachodzi od najmniej do tych najbardziej polarnych. Jednak od tej reguły są wyjątki. Występują one szczególnie wtedy, kiedy fazą stacjonarną jest modyfikowany żel krzemionkowy. Można powiedzieć, że technika HILIC łączy w sobie elementy chromatografii w normalnym układzie faz, w odwróconym układzie faz oraz wymiany jonowej. HILIC nadaje się do oznaczania analitów, które w technice RP-HPLC są wymywane blisko objętości martwej i obejmuje zarówno związki polarne i jonowe, które są rozpuszczalne w fazie ruchomej (wodzie). W przeciwieństwie do NP-HPLC nie jest wymagane dodawanie substancji tworzącej pary jonowe, co upraszcza oznaczanie i umożliwia detekcję MS. Do rozdzielania małocząsteczkowych związków organicznych z powodzeniem stosowana jest technika RP-HPLC. Jako fazy stacjonarne stosuje się zazwyczaj krzemionkę modyfikowaną grupami oktadecylowymi lub oktylowymi. Nie są jednak one odpowiednie do rozdzielania substancji silnie spolaryzowanych. Problemu tego nie rozwiązuje do końca dodawanie do eluentu odczynników tworzących z analitami pary jonowe, ponieważ ogranicza to stosowanie detekcji spektrometrii mas. Najtrudniejsze próbki analizowane tą techniką to takie, które zawierają duże ilości niejonowych, ale silnie hydrofilowych substancji.
Przegląd takich zastosowań opisali Gennaro i Angelino [61]. Praca dotyczy faz stacjonarnych, elementów i metod detekcji stosowanych w tej metodzie chromatograficznej, ale dedykowanych jonem nieorganicznym w wodach, ściekach i innych próbkach ciekłych.
1.4. Historia i rozwój chromatografii jonowej
Jedna z pierwszych informacji dotyczących wymiany jonowej została opisana w Piśmie Świętym [62]. Dotyczy ona historii, kiedy to Mojżesz z Izraelitami po przekroczeniu Morza Czerwonego znalazł wodę nienadającą się do picia. Ponieważ była gorzka, Pan Bóg wskazał mu kawałek drewna, które po wrzuceniu go do wody uczyniło ją zdatną do spożycia.
Z kolei w drugiej Księdze Królewskiej w akapicie „Cuda Elizeusza” tak napisano o zatrutej strawie: Gdy tylko skosztowali polewki, krzyknęli „Śmierć jest w kotle, mężu Boży!” I nie mogli jeść. On zaś powiedział „Przynieście więc mąki.” I wsypał ją do kotła mówiąc „Rozlej ludziom i niech jedzą.” I już nie było nic trującego w kotle. Logicznym wytłumaczeniem tych zjawisk jest wymiana jonowa.
Zjawisko wymiany jonowej zostało naukowo opisane 170 lat temu w publikacji dotyczącej filtracji roztworów soli metali grupy 1 i 2 układu okresowego przez różnego rodzaju gleby zawierające glinokrzemiany [63]. W roku 1917 Folin i Bell [64] opisali wykorzystanie wymieniaczy jonowych do oznaczania amoniaku w moczu. Inne przykłady zastosowań wymiany jonowej w analizie chemicznej w okresie przed powstaniem chromatografii jonowej opisano w pracach Korkischa [65] oraz Riemana i Waltona [66], w których na podstawie swoich doświadczeń związanych z procesami destylacji opisali oni po raz pierwszy koncepcję półek w chromatografii. Do rozwoju podstaw teoretycznych w HPLC przyczyniły się także prace Horvata i wsp. [67], Scotta [68] oraz Snydera [69]. Wiele stosowanych metod w analizie jonów (metody wagowe, miareczkowe, spektrometryczne, elektrolityczne i in.) były wprawdzie tanie i łatwo dostępne, ale bardzo pracochłonne i często wymagały stosowania dużych ilości drogich, a nawet toksycznych odczynników. Z kolei metody chromatograficzne w tamtym okresie były stosowane niemal wyłącznie do rozdzielania i analizy związków organicznych.
Jednym z twórców współczesnej chromatografii jonowej jest Hamish Small, który swoje pierwsze prace związane z chromatografią jonową prowadził w latach 50-tych ubiegłego wieku w Anglii w laboratoriach firmy Harwell AEC. Po powrocie do Stanów Zjednoczonych pod koniec lat 50-tych w firmie Dow Chemicals (Midland) w zespole Dow Physical Research Laboratory kontynuował badania nad możliwościami zastąpienia metodami chromatografii cieczowej klasycznych metod mokrych stosowanych do tej pory w analizie jonów. Badania nad zastosowaniem metod chromatograficznych do rozdzielania jonów metali były prowadzone w okresie II wojny światowej w ramach prac nad budową bomby atomowej (projekt „Manhattan”), jednakże przełom nastąpił dopiero w roku 1971, kiedy to Small i jego współpracownicy zaproponowali i przebadali chromatograficzną metodę oznaczania litu, sodu i potasu z zastosowaniem wymiany jonowej i detekcji konduktometrycznej. Zastosowali oni sulfonowany kopolimer styrenowo-diwinylobenzenowy (PS/DVB) o pojemności wymiennej ok. 0,02 mEq/g. W tym czasie był to jedyny dostępny w handlu jonit stosowany w wysokosprawnej chromatografii cieczowej. Rozwijanie chromatogramu trwało ponad 2 godziny, niemniej rozdzielanie oznaczanych jonów, jak i czułość detekcji były zadowalające. Jak wspomina Small, to ważne, historyczne wydarzenie miało miejsce 9 listopada 1971 roku [70]. Po sukcesie w rozdzielaniu kationów, w kilka dni później wykorzystano tę samą metodę do rozdzielania anionów.
Chromatografia jonowymienna była zasadniczo metodą preparatywną, ponieważ analiza za pomocą detektora konduktometrycznego jonów obecnych w próbce na tle fazy ruchomej, którą był stężony eluent sprawiała poważne trudności. Kluczowym zagadnieniem było wykorzystanie odpowiednich wypełnień w kolumnach analitycznych oraz opracowanie metody zmniejszania przewodnictwa eluentu (który był elektrolitem) tak, aby możliwa była analiza rozdzielonych jonów z wykorzystaniem detektora konduktometrycznego. Eluenty do rozdzielania anionów stosowane w początkowym okresie rozwoju chromatografii jonowej, miały charakter zasadowy (np. NaOH, fenolany, Na2CO3) natomiast do rozdzielania kationów kwasowy (np. roztwory kwasu siarkowego lub kwasu metanosulfonowego).
Początkowo do zmniejszania przewodnictwa eluentu (supresji) stosowano drugą kolumnę (kolumnę tłumienia) umiejscowioną za kolumną analityczną, a przed detektorem konduktometrycznym. Zawierała ona fazę stacjonarną o dużej pojemności. W wyniku zachodzących w niej reakcji, jony eluentu tworzyły produkty o małym przewodnictwie, takie jak H2O (gdy stosowano eluenty w postaci wodnych roztworów wodorotlenków) lub H2CO3 (jeżeli używano eluentów węglanowych). W połowie lat 70-tych metoda była już dopracowana na tyle, że firma Dow Chemicals sprzedała licencję na supresję konduktometryczną firmie Durrum Instruments, która wkrótce dla potrzeb komercyjnych zmieniła nazwę na Dionex i która obecnie jest częścią koncernu Thermo Fischer Scientific. We wrześniu 1975 ta ostatnia zdecydowała się przedstawić pierwszy komercyjny chromatograf jonowy (Dionex, Model 10) podczas zjazdu Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego. Rok 1975 oficjalnie uważany jest za rok powstania chromatografii jonowej, a praca Smalla i wsp. [71] za kamień milowy w rozwoju tej metody analitycznej. W roku 1977 autorzy tej pracy otrzymali w Pittsburgu nagrodę w dziedzinie chemii analitycznej za przedstawioną koncepcję chromatografii jonowej i jej zastosowania.
Jak wspomniano powyżej podstawową barierą w rozwoju chromatografii jonowej był brak możliwości rozróżniania przewodnictwa analizowanych jonów na tle dużego przewodnictwa fazy ruchomej. Stosowane do tego celu kolumny tłumienia, wymagały systematycznej regeneracji, co wiązało się z koniecznością przerywania analiz, a ponadto charakteryzowały się niestabilnością linii zerowej i rozmywaniem pików, oraz trudnościami z rozdzielaniem par jonów, takich jak Cl–/NO2– czy Na+/NH4+. Było to przyczyną poszukiwań nowych rozwiązań metodycznych i aparaturowych. Na przełomie lat 70-tych i 80-tych ubiegłego wieku Gjerde i wsp. [72] po raz pierwszy zastosowali układ do chromatografii jonowej pozbawiony kolumny tłumienia oraz eluenty o bardzo małych przewodnictwach. Krótko po tych publikacjach nastąpiła szybka komercjalizacja chromatografii jonowej bez tłumienia przewodnictwa przez firmę Wescan Company, a nieco później Waters, Shimadzu, Metrohm i inne. Główną zaletą chromatografii jonowej bez tłumienia przewodnictwa było uproszczenie przyrządu, który nie musiał zawierać kolumny tłumienia lub supresora. Należy jednak zaznaczyć, że ta odmiana chromatografii jonowej w wypadku analizy anionów charakteryzuje się nieco mniejszą czułością i ograniczonym zakresem zastosowań w porównaniu do chromatografii jonowej z tłumieniem przewodnictwa.
Najważniejsze różnice w chromatografii jonowej z i bez tłumienia przewodnictwa dotyczą stosowanych eluentów i pojemności wymiennej kolumn. W przypadku kolumn do chromatografii jonowej bez tłumienia przewodnictwa ich pojemność jest ok. 10-krotnie mniejsza od tych stosowanych w klasycznej chromatografii z użyciem supresora. W większości laboratoriów analitycznych wykorzystujących chromatografię jonową, stosuje się jej wersję z tłumieniem przewodnictwa. W mniejszym stopniu wykorzystuje się chromatografię jonową bez tłumienia przewodnictwa oraz chromatografię wykluczania jonowego i par jonowych.
W roku 1981 firma Dionex wprowadziła na rynek pierwsze supresory zastępujące dotychczas stosowane kolumny tłumienia oraz chromatografy wysokociśnieniowe, w których głowice pomp wykonano bez użycia części metalowych. W roku 1984 ta sama firma wprowadziła pierwsze oprogramowanie komputerowe do obsługi chromatografów, a pod koniec 1985 roku ulepszony supresor o większej wydajności niż dotychczas stosowane.
Kolejne ważne wydarzenie miało miejsce w roku 1986, kiedy to wprowadzono supresor mikromembranowy (ang. MicroMembrane SuppressorTM, MMS), który umożliwiał zastosowanie elucji gradientowej. W efekcie nastąpiło rozszerzenie listy analizowanych anionów do praktycznie wszystkich substancji zdysocjowanych w zakresie pH od 0 do 14, jak również wielu związków organicznych. Opatentowanie metody supresji przez firmę Dionex przyczyniło się w znaczący sposób do jej dominacji na rynku chromatografów jonowych aż do początku XXI wieku. W roku 1990 firma Dionex wprowadziła na rynek autosupresory typu SRS (ang. Self Regenerated Suppressor), dla których do regeneracji potrzebna była tylko czysta woda. Był to pierwszy istotny krok do realizacji celu jakim była zasada Just Add Water, czyli zminimalizowanie operacji związanych z przygotowaniem eluentów, co zwiększało zarówno bezpieczeństwo pracy z odczynnikami, jak i obniżało ryzyko popełniania błędów przy ich przygotowaniu. Jej efektem było opracowanie i pojawienie się na rynku automatycznych generatorów eluentów wprowadzonych do sprzedaży w roku 1998. Wszystko, co trzeba wykonywać w ramach przygotowania próbki, to wlać dejonizowaną wodę do generatora eluentu i za pomocą programu komputerowego określić jego skład i stężenie. Obecnie najbardziej obiecujące aspekty związane z rozwojem chromatografii jonowej to nowe fazy stacjonarne stosowane w różnych odmianach chromatografii jonowej, technologie supresji, kapilarna i wielowymiarowa chromatografia jonowa, techniki łączone oraz rozszerzanie zakresu analiz o nowe rodzaje próbek i analitów.
Coraz więcej publikowanych prac dotyczy technik dwuwymiarowych IC × IC, w których wykorzystywane są kolumny znacznie różniące się selektywnością. Pierwszy etap polega na wstępnym rozdzielaniu analitów (lub ich grup), a kolejny na dalszym bardziej selektywnym rozdzielaniu poszczególnych frakcji. Taki sposób postępowania jest wprawdzie bardziej skomplikowany i kosztowny, ale daje bardzo dobre wyniki szczególnie w przypadku próbek o złożonych matrycach. Polepszenie rozdzielczości uzyskuje się poprzez izokratyczne jak i gradientowe rozdzielanie wielowymiarowe (również z gradientem przepływu fazy ruchomej, względnie pH). Takie rozwiązanie stosowane jest zwykle w sytuacji, gdy istnieją bardzo duże dysproporcje w stężeniach poszczególnych analitów w próbce [73]. Schemat połączeń i działania tej chromatografii pokazano na rysunku 1.12.
RYS. 1.12. Schemat połączeń w dwuwymiarowej chromatografii jonowej
W roku 1983 Rokushika i wsp. [74] opisali podstawy kapilarnej chromatografii jonowej. Niestety ze względu na brak w tamtych latach odpowiednich przyrządów, dzięki technologiom opracowanym przez firmę Dionex, kapilarna chromatografia jonowa jest komercyjnie dostępna od roku 2010. Szczegóły techniczne i zastosowania tej techniki opisali Kuban i Dasgupta [75]. Kolumny kapilarne mają średnicę 10 razy mniejszą od kolumn tradycyjnych. Wprawdzie fazy stacjonarne w nich stosowane są takie same jak w innych kolumnach, ale samo zmniejszenie średnicy kolumny skutkuje wymaganymi natężeniami przepływu eluentu na poziomie zaledwie 10 µL/min i objętością dozowanej próbki ok. 0,4 µL. Wprowadzenie kapilarnej chromatografii jonowej do praktyki laboratoryjnej przyniosło wiele korzyści. Przede wszystkim dotyczą one mniejszego zużycia odczynników i lepszych granic wykrywalności oraz powszechności stosowania elucji gradientowej. W porównaniu do eluentów na bazie Na2CO3/NaHCO3 tło przewodnictwa eluentu jest zdecydowanie niższe, a dopuszczalne ciśnienie w układzie dochodzi do 34,5 MPa. Najważniejsze wydarzenia poprzedzające powstanie chromatografii jonowej oraz etapy jej rozwoju i popularyzacji podano w tabeli 1.5.
TABELA 1.5. Najważniejsze wydarzenia poprzedzające powstanie chromatografii jonowej oraz etapy jej rozwoju i popularyzacji
| Rok | Wydarzenie |
| 1903 | Odkrycie przez M.S. Cwieta chromatografii jako metody rozdzielania substancji [1] |
| 1935 | Synteza i wykorzystanie pierwszych sulfonowanych i aminowanych polimerów (prace Adamsa, Holmesa i d’Alelio) [76] |
| 1947 | Prace Mc Burney’a dotyczące zastosowania aminowanych żywic PS/DVB jako wymieniaczy jonowych [77, 78] |
| 1952 | Brytyjscy uczeni – Martin i Synge otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za opracowanie teorii rozdzielania, która do dzisiaj jest podstawą teorii wszystkich nowoczesnych metod chromatograficznych [79] |
| 1953 | Opracowanie przez Wheatona i Baumana podstaw teoretycznych chromatografii wykluczania jonów [36] |
| 1957 | Mikroporowate wymieniacze jonowe (prace Corte, Meyera i Kunina) [80] |
| 1967 | Synteza wymieniaczy „błonkowatych” (prace Kirklanda) [81] |
| 1971 | Small i jego współpracownicy opracowali chromatograficzną metodę oznaczania litu, sodu i potasu z zastosowaniem wymiany jonowej i detekcji konduktometrycznej [70] |
| 1975 | Publikacja fundamentalnej pracy Smalla, Stevensa i Baumana dotyczącej analizy anionów i kationów metodą chromatografii jonowej z detekcją konduktometryczną [71] |
| 1975 | Prezentacja pierwszego komercyjnego chromatografu jonowego podczas zjazdu Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego. Opracowanie chromatografii jonowej jako nowej metody analitycznej |
| 1976–1980 | Opracowanie chromatografii z tworzeniem par jonowych(w wyniku prac m.in. Watersa, Bidlingmeiera i Horvata) [55] |
| 1980 | Opracowanie chromatografii jonowej bez tłumienia przewodnictwa (prace Gjerde i wsp.) [35] |
| 1981 | Wprowadzenie na rynek chromatografów jonowych, w których elementy mające styczność z eluentem wykonane były całkowicie bez użycia części metalowych |
| 1981 | Zastąpienie kolumn tłumienia supresorami membranowymi |
| 1984 | Wprowadzenie pierwszych programów komputerowych do obsługi chromatografów jonowych i interpretacji uzyskiwanych wyników |
| 1984 | Uznanie przez Agencję Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych (ang. United States Environmental Protection Agency, US EPA) i Amerykańskie Towarzystwo Badań i Materiałów (ang. American Society for Testing and Materials, ASTM) chromatografii jonowej jako referencyjnej metody analizy jonów w wodach i ściekach |
| Lata 1992–2000 | Opracowanie przez Międzynarodową Organizację Normalizacyjną (ang. International Standard Organisation, ISO), jak i inne organizacje, norm wykorzystujących chromatografię jonowa do analizy jonów w wodach i ściekach oraz badania gazowych zanieczyszczeń powietrza [82] |
| Obecnie | Wprowadzanie nowych faz stacjonarnych i bardziej efektywnych supresorów, nowych metod przygotowania próbek do analizy, programów do optymalizacji rozdzielania, miniaturyzacja przyrządów, wielowymiarowa i kapilarna chromatografia jonowa, techniki łączone IC-MS, IC-ICP-MS |
W początkowym okresie rozwoju chromatografii jonowej nie stosowano kwasowych eluentów, a próbki o małej wartości pH rozcieńczano wodą przed analizą tak, aby nie niszczyły głowic pomp i innych metalowych części w chromatografie. Obecnie wszystkie części chromatografu jonowego, z którymi bezpośredni kontakt ma eluent oraz analizowana próbka są wykonywane w całości z tworzyw inertnych, takich jak keton polidieterowy (ang. Poly Ether-Ether Ketone, PEEK). Polimer ten jest odporny chemicznie, reaguje wyłącznie ze stężonymi kwasami i wykazuje zmniejszoną odporność na działanie tylko niektórych rozpuszczalników organicznych, takich jak: dichlorometan, dimetylotlenosiarczek czy tetrahydrofuran.
Obok rodzaju wypełnienia w kolumnie analitycznej, rodzaju i stężenia eluentu, a także rodzaju detektora, ważnym elementem chromatografu cieczowego jest pompa eluentu oraz dozownik próbki. W chromatografii jonowej stosuje się pompy jednotłokowe, pompy z podwójnymi tłokami równoległymi oraz szeregowe pompy dwutłokowe. Można je podzielić na pompy izokratyczne lub gradientowe, z gradientem po stronie niskiego lub wysokiego ciśnienia. Pompy stosowane w chromatografii jonowej nie różnią się zasadniczo od tych stosowanych w HPLC. Powinny one charakteryzować się odpowiednimi zakresami objętościowymi wydatku, maksymalnym ciśnieniem roboczym, odtwarzalnością oraz niskim zakresem pulsacji wydatku [83]. Do wprowadzania próbek do kolumny analitycznej w chromatografii jonowej stosuje się obecnie przede wszystkim automatyczne zawory dozujące (np. firmy Rheodyne). Pojemność pętli dozowniczej wynosi zazwyczaj od 10 do 1000 μL. W przypadku manualnego podawania próbki do kolumny, błąd wstrzykiwania może dochodzić do 10%, a gdy stosuje się automatyczne dozowniki próbek, zwykle nie przekracza on wartości 2–3%.
Chromatografia jonowa, jako odmiana chromatografii cieczowej wymaga stosowania tych samych lub podobnych urządzeń (pompy, dozowniki, detektory), jakie stosowane są w wysokosprawnej chromatografii cieczowej. Klasyczny chromatograf do HPLC zbudowany z elementów metalowych mających styczność z eluentem nie jest odpowiedni do stosowania jako chromatograf jonowy, ze względu na agresywne chemicznie eluenty o szerokim zakresie pH, stosowane w chromatografii jonowej. Opracowanie zasad supresji przyczyniło się w zasadniczy sposób do powstania chromatografii jonowej, która szybko została zaakceptowana, jako rutynowa metoda analizy anionów i kationów przede wszystkim w wodach i ściekach.
Najważniejsze zalety chromatografii jonowej to:
1. Możliwość jednoczesnej analizy kilkunastu jonów w krótkim czasie (ok. 5–30 minut)
Metody dotychczas stosowane do analizy nieorganicznych jonów często wymagają używania drogich i toksycznych odczynników, w wielu przypadkach nie są odpowiednio czułe i powtarzalne, a ponadto często są pracochłonne. Tym niemniej wiele z nich wciąż jest stosowanych w laboratoriach ze względu na dostępność i niskie koszty. Możliwość jednoczesnego oznaczania kilku lub kilkunastu jonów w połączeniu z pełną automatyzacją tego procesu należy do najważniejszych zalet chromatografii jonowej. Czas rozdzielania zależy od rodzaju zastosowanej kolumny analitycznej, rodzaju i stężenia eluentu, jego natężenia przepływu oraz parametrów pracy supresora i detektora. Przykładowy chromatogram rozdzielania 16 anionów w wodzie przedstawiono na rysunku 1.13.
RYS. 1.13. Chromatogram 16 anionów w próbce wzorcowej; kolumna – Dionex IonPac AS18, elucja gradientowa – KOH, detekcja – konduktometryczna z tłumieniem przewodnictwa
2. Niewielka ilość próbki potrzebna do analizy
Chromatografia jonowa jest wykorzystywana przede wszystkim do rutynowych analiz wód i ścieków. W niektórych wypadkach konieczne jest jednak wykonanie analizy w próbkach o bardzo małej objętości (np. próbki mgły, płynów ustrojowych). Objętość pętli dozowniczych stosowanych w chromatografii jonowej wynosi zazwyczaj od 10 do 1000 μL, a minimalna objętość próbki potrzebna do analizy to ok. 0,5 mL.
3. Możliwość stosowania różnych detektorów
Pomiary przewodnictwa właściwej są najczęściej stosowaną metodą detekcji w chromatografii jonowej, ponieważ jest ona czuła dla wszystkich zdysocjowanych składników, a w zakresie małych stężeń przewodnictwo to jest liniową funkcją stężenia jonów. Rutynowe stosowanie detektora konduktometrycznego w chromatografii jonowej było pierwszym przypadkiem stosowania tej metody detekcji w chromatografii cieczowej. Inne detektory stosowane w chromatografii jonowej to m.in. detektory: UV-vis, amperometryczne, fluorescencyjne, chemiluminescencyjne, czy spektrometrii mas (ang. Mass Spectrometry, MS), spektrometrii mas z plazmą indukcyjnie sprzężoną (ang. Inductively Coupled Plasma Mass Spektrometry, ICP-MS) lub spektrometrii emisji optycznej ze wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzężonej (ang. Inductively Coupled Plasma – Optical Emission Spektrometry, ICP-OES).
4. Sposób przygotowania próbek do analizy
Jeżeli przedmiotem badań jest próbka wody o nieobciążonej matrycy, przed jej wprowadzeniem do kolumny chromatograficznej wystarczy przesączyć ją przez sączek o średnicy porów 0,45 μm. Ponieważ metodą chromatografii jonowej badane są najczęściej wody przeznaczone do spożycia przez ludzi, wody opadowe, wody powierzchniowe i podziemne, ten sposób przygotowania próbki do analizy jest zazwyczaj wystarczający. W wypadku analiz próbek o obciążonej matrycy (np. ścieki, emulsje) oraz próbek stałych i gazowych konieczne jest zastosowanie odpowiednich metod przygotowania próbek. Cząstki stałe mogą zatykać pory wypełnień w kolumnach, powodując tym zmiany ich charakterystyk, zmniejszenie czasów retencji i selektywności oraz szybsze zużycie.
5. Możliwość jednoczesnej analizy kationów i anionów lub jonów organicznych i nieorganicznych
O ile zastosowanie chromatografii jonowej do analizy anionów wynikało z wielu zalet w porównaniu do dotychczas stosowanych metod klasycznych, jej zastosowanie do analizy kationów było początkowo ograniczone ze względu na stosowane do tego celu z powodzeniem metody kolorymetryczne, potencjometryczne oraz przede wszystkim metody spektrometrii absorpcyjnej. Przewagą chromatografii jonowej jest jednak możliwość jednoczesnego oznaczania jonów amonowych oraz analiza specjacyjna. Umożliwia to uzyskanie pełniejszej informacji o badanej próbce, wykorzystując do tego celu tylko jedną metodę analityczną i jeden przyrząd. Przykładowy chromatogram wybranych nieorganicznych i organicznych jonów przedstawiono na rysunku 1.14.
6. Selektywność rozdzielania
Ze względu na pojemność faz stacjonarnych stosowanych w kolumnach maksymalne dopuszczalne stężenia poszczególnych jonów w próbce nie powinny przekraczać kilkuset mg/L. Obecnie kolumny jonowymienne stosowane m.in. do analizy śladów bromianów(V) lub jonów amonowych pozwalają oznaczać je także w próbkach, w których stosunek stężeń jonów Cl–/BrO3– czy Na+/NH4+ wynosi nawet do 10 000 : 1.
7. Możliwość analizy jonów tego samego pierwiastka na różnych stopniach utlenienia (analityka specjacyjna)
Ta zaleta chromatografii jonowej zaczęła być doceniana szczególnie w ostatnich latach wraz z rozwojem analityki specjacyjnej. W zależności od stopnia utlenienia różne jony tego samego pierwiastka mogą istotnie różnić się właściwościami toksykologicznymi (np. Cr(III)/Cr(VI); As(III)/As(VI), Sb(III)/Sb(V), Tl(I)/Tl(III),
RYS. 1.14. Jednoczesne rozdzielanie nieorganicznych i organicznych anionów w próbce wzorcowej; kolumna – Dionex IonPac AS11, elucja gradientowa – NaOH, detekcja – konduktometryczna z tłumieniem przewodnictwa
Se(IV)/Se(VI)). Od początków istnienia chromatografia jonowa była stosowana w analizie specjacyjnej, do jednoczesnego rozdzielania i oznaczania m.in. anionów: NO2–/NO3–, czy SO32–/SO42–. Obecnie jest to najważniejsza metoda analizy nieorganicznych ubocznych produktów dezynfekcji wód (BrO3–; ClO2–/ClO3–/ClO4–) oraz jonowych form metali i metaloidów.
8. Bezpieczeństwo i niskie koszty eksploatacji
W porównaniu do wysokosprawnej chromatografii cieczowej, w której jako eluenty stosuje się drogie i toksyczne rozpuszczalniki organiczne, w chromatografii jonowej, jako eluenty stosowane są zazwyczaj silnie rozcieńczone wodne roztwory Na2CO3/NaHCO3 i NaOH/KOH (do rozdzielania anionów) lub rozcieńczone kwasy (do rozdzielania kationów). Ich zalety to niska cena, dostępność oraz bezpieczeństwo zarówno w użytkowaniu, jak i utylizacji („zielona chemia”).
Popularność chromatografii jonowej wynika z wielu przyczyn. W przypadku analizy anionów metody kolorymetryczne i potencjometryczne powszechnie znane i dostępne stosuje się do jednoczesnego oznaczania zaledwie jednego lub dwóch jonów. Obecnie dostępne na rynku elektrody jonoselektywne umożliwiają analizę ok. 50 jonów. Wykrywalność poszczególnych jonów oznaczanych za ich pomocą mieszczą się w zakresie od ok. 10 do 400 μg/L. Elektrody jonoselektywne z powodu wolnej kinetyki reakcji są mało odporne na interferencje, aczkolwiek w niektórych przypadkach (np. oznaczanie fluorków) wciąż są bardzo użyteczne. Podobne ograniczenia dotyczą metod przepływowych (pomijając układy wielokanałowe), które wykorzystywane są w standardowych metodach analizy m.in. jonów NO2–, NO3– i PO43–.
Nieco inaczej przedstawiała się sytuacja w przypadku oznaczania kationów. Do ich analiz stosowano i stosuje się nadal z powodzeniem metody kolorymetryczne, elektrochemiczne oraz przede wszystkim metody spektroskopowe, takie jak atomowa spektrometria absorpcyjna AAS (ang. Atomic Absorption Spectrometry). Chromatografia jonowa charakteryzuje się dobrą wykrywalnością kationów, porównywalną z metodami spektroskopowymi, a dla małych stężeń jest nawet bardziej dokładna. Często jednak konieczne jest oznaczenie w próbce zarówno anionów, jak i kationów i wtedy chromatografia jonowa umożliwiająca uzyskanie większej ilości informacji za pomocą jednego przyrządu jest metodą bardziej użyteczną. Należy także pamiętać o jonach amonowych, które nie są wykrywane metodami spektroskopowymi.
Wymienione zalety przyczyniły się do tego, że wkrótce po powstaniu chromatografii jonowej opracowano wiele znormalizowanych metodyk, w których wykorzystuje się ją jako metodę referencyjną analizy anionów i kationów w różnego rodzaju próbkach. W roku 1984 ASTM zatwierdziła chromatografię jonową jako standardową metodę analizy anionów w wodach i ściekach. Również US EPA ustanowiła wiele procedur analitycznych w oparciu o tę metodę analityczną. W ślad za nimi w latach 90-tych ubiegłego wieku ISO oraz Polski Komitet Normalizacyjny (PKN) wprowadziły normy dotyczące analizy anionów i kationów, których wykaz znajduje się w tabeli 1.6. Ich nazwy podano zgodnie z polskim tłumaczeniem lub nazwą oryginalną.
Opisując rozwój chromatografii jonowej warto wspomnieć o interesujących rozwiązaniach, jakimi są zminiaturyzowane przyrządy do chromatografii jonowej [84]. Zalety takich mikroukładów to przede wszystkim redukcja zużycia odczynników chemicznych i możliwość ich wykorzystania w sytuacjach wymagających ograniczenia rozmiarów przyrządów pomiarowych.
Metodą chromatografii gazowej można rozdzielać i analizować ok. 20% znanych związków chemicznych, a metodą chromatografii cieczowej (w tym jonowej) ok. 80%. Szacuje się, że rynek chromatografii gazowej (jako wartość rocznej produkcji aparatury i akcesoriów) w roku 2018 wyniósł ok. 18 mld USD, a wysokosprawnej chromatografii cieczowej ok. 7 mld USD (w tym ok. 900 mln USD to wartość sprzedaży chromatografów jonowych) [85]. W roku 2018 na świecie sprzedano ok. 4500 chromatografów jonowych, a w minionych latach opisano w literaturze ponad 1500 metodyk analitycznych opartych o chromatografię jonową i techniki pokrewne.
Rynek HPLC zdominowany jest przez firmy Waters, Agilent, Thermo Fischer Scientific i Shimadzu. Reszta należy m.in. do firm Knauer, Jasico, Hitachi czy Perkin Elmer. Do największych producentów sprzętu i akcesoriów do chromatografii jonowej należą firmy: Dionex (Sunnyvaley, Kalifornia, Stany Zjednoczone, obecnie stanowi część firmy Thermo Fischer Scientific) oraz firma Metrohm (Herisau, Szwajcaria). Udział w rynku chromatografii jonowej innych firm, takich jak Shimadzu, Cecil Instruments, Yokogawa Analytical, Waters oraz Agilent jest niewspółmiernie mniejszy.
Tak jak inne techniki instrumentalne chromatografia jonowa rozwija się szybko i co roku na rynku pojawiają się nowe, bardziej rozwinięte przyrządy [86]. W tabeli 1.7 zamieszczono przegląd specyfikacji dostępnych najbardziej rozwiniętych chromatografów jonowych (dane z roku 2019). Jest to wyłącznie przykład, który wkrótce może być nieaktualny, wyparty przez jeszcze bardziej nowoczesne rozwiązania.
TABELA 1.6. Wykaz norm międzynarodowych, europejskich i polskich dedykowanych do analiz próbek ciekłych, gazowych i stałych z wykorzystaniem chromatografii jonowej
| Numer normy i rok publikacji | Nazwa |
| Próbki ciekłe | |
| PN-ISO 10304–1 (1998) | Jakość wody – Oznaczanie rozpuszczonych jonów fluorkowych, chlorkowych, azotynowych, ortofosforanowych, bromkowych, azotanowych i siarczanowych za pomocą chromatografii jonowej.Część 1: Metoda dla wód mało zanieczyszczonych |
| PN-ISO 10304–2 (1998) | Jakość wody – Oznaczanie rozpuszczonych anionów za pomocą chromatografii jonowej. Część 2: Oznaczanie bromków, chlorków, azotanów, azotynów, ortofosforanów i siarczanów w ściekach |
| PN-ISO 10304–3 (2000) | Jakość wody – Oznaczanie rozpuszczonych anionów za pomocą cieczowej chromatografii jonowej. Część 3: Oznaczanie chromianów, jodków, siarczynów, tiocyjanków i tiosiarczanów |
| PN-ISO 10304–4 (2000) | Jakość wody – Oznaczanie rozpuszczonych anionów za pomocą chromatografii jonowej. Część 4: Oznaczanie chloranów, chlorków i chlorynów w wodach mało zanieczyszczonych |
| PN-EN ISO 10304-1 (2009). Zastępuje normy PN-ISO 10304-1 i 10304-2 z roku 1998 | Jakość wody – Oznaczanie rozpuszczonych anionów za pomocą chromatografii jonowej.Część 1: Oznaczanie bromków, chlorków, fluorków, azotanów, azotynów, fosforanów i siarczanów |
| PN-ISO 15061 (2002) | Jakość wody – Oznaczanie rozpuszczonych bromianów metodą chromatografii cieczowej |
| PN-ISO 14911 (2001) | Jakość wody – Oznaczanie jonów Li+, Na+, NH4+, K+, Mn2+, Ca2+, Mg2+, Sr2+ i Ba2+ techniką chromatografii jonowej. Metoda dla wód i ścieków |
| ISO 11206 (2011) | Water quality – Determination of dissolved bromate – Method using liquid chromatography of ions and post-column reaction (PCR) |
| PN-EN 15492 (2012) | Etanol jako komponent benzyny – Oznaczanie zawartości nieorganicznych jonów chlorkowych i siarczanowych – Metoda chromatografii jonowej |
| ISO 19340 (2017) | Water quality – Determination of dissolved perchlorate – Method using ion chromatography (IC) |
| Próbki gazowe | |
| PN-ISO 1911-1,2,3(2001) | Emisja ze źródeł stacjonarnych. Manualna metoda oznaczania HCl.Część 1: Pobieranie próbek gazów. Część 2: Absorpcja związków gazowych.Część 3: Analiza roztworów absorpcyjnych i obliczanie |
| PN-Z-04317 (2006) | Ochrona czystości powietrza – Oznaczanie ditlenku azotu i ditlenku siarki na stanowiskach pracy metodą chromatografii jonowej z pasywnym pobieraniem próbek |
| ISO 264125 (2010) | Ambient air quality – Guide for the measurement of anions and cations in PM 2.5 |
| ISO 11632 (1998) | Stationary source emissions – Determination of mass concentration of sulfur dioxide. Ion chromatography method |
| ISO 21438-1 (2007) | Workplace atmospheres – Determination of inorganic acids by ion chromatography.Part 1: Non-volatile acids (sulfuric acid and phosphoric acid) |
| ISO 21438-2 (2007) | Workplace atmospheres – Determination of inorganic acids by ion chromatography.Part 2: Volatile acids, except hydrofluoric acid (hydrochloric acid, hydrobromic acid and nitric acid) |
| ISO 17091 (2013) | Workplace air – Determination of lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide and calcium dihydroxide. Method by measurement of corresponding cations by suppressed ion chromatography |
| ISO 16740 (2005) | Workplace air – Determination of hexavalent chromium in airborne particulate matter.Method by ion chromatography and spectrophotometric measurement using diphenyl carbazide |
| Próbki stałe | |
| PN-EN 13368-1 (2014) | Nawozy. Oznaczanie czynników chelatujących metodą chromatografii jonowej. Część 1: EDTA, HEDTA i DTPA |
| PN-EN 13368-2 (2012) | Nawozy – Chromatograficzne oznaczanie czynników chelatujących w nawozach.Część 2: Oznaczanie żelaza schelatowanego przez o,o-EDDHA i o,o-EDDHMA metodą chromatografii jonowej |
| PN-EN 15192 (2006) | Charakteryzowanie odpadów i gleby – Oznaczanie chromu(VI) w materiale stałym metodą alkalicznego roztwarzania i chromatografii jonowej z detekcją spektrofotometryczną |
| PN-EN 16318 (2013) | Nawozy – Oznaczanie pierwiastków śladowych – Oznaczanie chromu(VI) metodą fotometryczną (metoda A) oraz metodą chromatografii jonowej z detekcją spektrofotometryczną (metoda B) |
| PN-EN 62321-3-2 (2014) | Oznaczanie wybranych substancji w wyrobach elektrotechnicznych. Część 3-2: Badanie przesiewowe. Oznaczanie całkowitej zawartości bromu w tworzywach sztucznych i wyrobach elektronicznych metodą spalenia próbki i chromatografii jonowej |
| PN-EN 12014-4 (2006) | Artykuły żywnościowe – Oznaczanie zawartości azotanów i/lub azotynów. Część 4: Oznaczanie zawartości azotanów i azotynów w produktach mięsnych metodą chromatografii jonowymiennej (IC) |
| ISO 14720 (2013) | Testing of ceramic raw and basic materials – Determination of sulfur in powders and granules of non-oxidic ceramic raw and basic materials. Part 2: Inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP/OES) or ion chromatography after burning in an oxygen flow |
| ISO 19242 (2015) | Rubber – Determination of total sulfur content by ion chromatography |
| ISO 20295 (2018) | Soil quality – Determination of perchlorate in soil using ion chromatography |
| ISO/DIS 23919 (2017) | Cigarettes – Determination of ammonia in cigarette mainstream smoke using ion chromatography |
| ISO 20702 (2017) | Fertilizers and soil conditioners – Determination of microamounts of inorganic anions in fertilizers by ion chromatography |
TABELA 1.7. Porównanie specyfikacji dwóch najbardziej rozwiniętych (dane na rok 2019) systemów do chromatografii jonowej
| Przyrząd | Metrohm 940 ProfIC Vario | Thermo Scientific ICS5000+ HPIC | |
| Średnica kolumny [mm] | 2; 4; 4,6 | 2; 4 | 0,4 |
| Moduł pompy | |||
| Typ elucji | Trójskładnikowy gradient niskociśnieniowy/binarny gradient wysokociśnieniowy | Izokratyczny/czwartorzędowy gradient niskiego ciśnienia | Izokratyczny |
| Zasada działania pompy | Dwutłokowa | Dwutłokowa, szeregowa | Dwutłokowa, szeregowa |
| Zakresy przepływu eluentu [mL/min] | 0,001–20 | 0–10 | 0,001–0,1 |
| Dokładność/precyzja [%] | < ±0,1 | < ± 0,1 | < ±0,1 |
| Max. ciśnienie [bar] | 350 | 410 | 410 |
| Moduł przygotowania eluentu | |||
| Przygotowanie „online” | Mieszanie do 5 eluentów | Automatyczny generator eluentu | Automatyczny generator eluentu |
| Zakres gradientu [mM] | Gradient w zależności od zasilania | 0–100 mM (dla 0,5 mL/min) lub 0–33 mM (dla 3 mL/min) | 0–200 mM (dla ≤ 5 µL/min) lub 0–67 mM (dla 30 µL/min) |
| Supresory i usuwanie CO2 | |||
| Typ supresora | 3 kolumienki (kartridże) pakowane w module | Membrana dwustronna | Włókno kapilarne |
| Pojemność supresora [µEq/min] | 0,13 – 0,45 – 1800 | 36–200 | 1 |
| Regeneracja | Chemiczna, sekwencyjna | Elektrolityczna, ciągła | Elektrolityczna, ciągła |
| Linia bazowa [µS/cm] | 0,8–0,9 | 0,5–1,0 | 0,5–1,0 |
| Szumy [nS/cm] | < 0,2 | < 0,2 | < 0,2 |
| Maksymalna odporność na rozpuszczalniki organiczne [%] | 100 | 40 | 40 |
| Objętość martwa [µL] | 400 | 40/200 | 1/2 |
| Detektor | |||
| Objętość celki [µL] | 0,8 | 0,7 | 0,02 |
| Poziom szumów [nS/cm] | < 0,1 | ± 0,1 | ± 0,1 |
| Dodatkowe detektory | UV-vis, amperometryczny | Amperometryczny | Amperometryczny |
| Termostatowanie kolumny | |||
| Typ chłodzenia | Powietrze | Powietrze | Powietrze |
| Kontrola temperatury [°C] | 5–80 | 10–80 | 15–70 |
| Przygotowanie próbek | |||
| Możliwości przygotowania próbek w systemie online | Filtracja, rozcieńczanie, eliminacja matrycy, wstępne zatężenie, dializa, ekstrakcja | Filtracja, rozcieńczanie, eliminacja matrycy, zatężanie, dializa, derywatyzacja, regulacja pH i pomiar przewodnictwa | Możliwości przygotowania próbek w systemie online |
