Бёккер_Хроматография [2009]

320 Глава 6. Ионная хроматография

гут определяться в одном хроматографическом анализе либо отрицательно, либо положительно заряженные ионы. В двухмерной хроматографии проба идет на две отдельные колонки, поэтому возможно одновременное определение всех ионных компонентов.

В то время как в неорганическом анализе для определения металлов уже дав& но в распоряжении имеется атомная спектроскопия, ионная хроматография зак& рывает пробел, позволяя быстрое и чувствительное определение анионов. Одна& ко по сравнению с атомной спектроскопией у ионохроматографического анализа катионов металлов есть то преимущество, что при этом определяется валентность, соответственно, координационное состояние отдельных катионов. Первая нор& ма немецкого промышленного стандарта (нем.: DIN) для ионохроматографичес& кого определения анионов появилась в 1988 году [6.2].

По механизму разделения можно различить три ионохроматографических метода:

•ион&парная хроматография,

•ионообменная хроматография,

•ион&эксклюзионная хроматография.

Наряду с этим имеются дальнейшие разработки, принцип разделения кото& рых основывается на комбинации ионообменной и обращеннофазовой хроматог& рафии и которые представляют собой разновидность многомерной хроматогра& фии. В большинстве случаев термин «ионная хроматография» используют в уз& ком смысле ионобменной хроматографии.

6.1. Ион'парная хроматография

Ион&парная хроматография – это альтернатива ионообменной хроматографии. Смеси кислот, оснований и нейтральных веществ часто нельзя хорошо разде& лить методами ионного обмена. В этих случаях применяют ион&парную хрома& тографию. При этом в качестве стационарных используются фазы, разработан& ные для обращеннофазовой хроматографии и на которых проводится также наи& большое число хроматографических разделений в ВЭЖХ. Обращеннофазовая хроматография отличается особенной простотой применения при анализе не& полярных соединений. Разумеется, очень многие вещества обладают ионным или сильнополярным характером, а потому часто очень слабо удерживаются на неполярной стационарной фазе или разделяются с недостаточной селективнос& тью. Для решения таких аналитических проблем часто выбирают ион&парную хроматографию [6.3].

В подвижную фазу добавляют органическое ионогенное вещество, которое об& разует ионную пару с противоположно заряженным компонентом пробы. С хими& ческой точки зрения, это соль, которая для хроматографии представляет собой неионную органическую молекулу и может отделяться на обращенной фазе. Поня& тие образования ионной пары пришло из экстракции. Ион&парная экстракция – это техника, которая позволяет добавлением подходящего противоиона перево& дить ионные соединения из водной фазы в органическую фазу.

322 Глава 6. Ионная хроматография

насоса, крана&инжектора, хроматографической колонки, детектора и самописца, достаточно для решения большинства задач. Сложные разделения компонентов, сильно различающихся по полярности, требуют оснащения прибора градиент& ной системой элюирования.

В качестве детектора во многих случаях можно использовать проточный УФ фотометр, причем особое внимание нужно обращать на противоион ион&парных реагентов. В то время как ион тетрабутиламмония не поглощает в ультрафиолете, такие противоионы, как бромид или йодид, поглощают ниже 220 нм. Поэтому в качестве противоиона следует выбирать только сульфат.

Ион&парная хроматография на обращенной фазе достаточно проста в приме& нении. Простая наглядная теория дает пользователю возможность целенаправ& ленной оптимизации условий хроматографического разделения. Самые важные правила для этого:

•оптимальный pH подвижной фазы, гарантирующий полную ионизацию разделяемых компонентов;

•рост удерживания с ростом концентрации ион&парного реагента в элюенте;

•рост удерживания с ростом доли воды в элюенте при постоянной концент& рации ион&парного реагента;

•рост удерживания с ростом длины алкильных цепей, т.е. с ростом гидро& фобности, ион&парного реагента при его постоянной концентрации;

•рост удерживания с ростом заряда компонентов пробы при постоянном составе элюента.

6.2. Ионообменная хроматография

Для разделения неорганических катионов и анионов, которые нельзя разделить с помощью ион&парной хроматографии, применяется ионообменная хроматография. При этом разделение анионов – это основная проблема ИХ. В то время как для анализа катионов сегодня имеются производительные методы атомной спектро& скопии, такие как ААС и ИСП&ОЭС, анионы были долгое время предметом особо& го внимания аналитики. Классические методы мокрой химии являются в высшей степени трудоемкими из&за интенсивной пробоподготовки. В противоположность этому ИХ позволяет быстро получить результаты благодаря коротким временам разделения. Разумеется, нужно отметить, что время анализа часто лимитирует не разделение как таковое, а полное элюирование сильно удерживаемых посторонних компонентов матрицы, до того как может быть введена следующая проба. В тече& ние последних лет ни один метод ВЭЖХ не развивался так же быстро, как ИХ [6.6].

Ионообменная хроматография из&за простоты может во многих случаях про& водиться на обычном оборудовании для ВЭЖХ. Для высокочувствительных ана& лизов вплоть до области ультраследовых количеств применяются специальные насосы, у которых головки и все соединения выполнены свободными от нержа& веющей стали. Так как в ИХ наиболее широко применяется детектор по электро& проводности, то лучше всего использовать системы, не содержащие металличес& ких частей, чтобы исключить какие&либо загрязнения.

6.2. Ионообменная хроматография 323

6.2.1.Механизм разделения

Вионообменной хроматографии в качестве стационарной фазы применяется по& лимерная или силикагельная матрица, на поверхности которой привиты кислот& ные или основные группы. Речь идет о ионообменном материале, похожем на тот, что применяется для удаления тяжелых металлов из сточных вод. Различие состо& ит в том, что в технике очистки сточных вод требуется как можно более полное удерживание ионных компонентов, в то время как в ионной хроматографии от& дельные ионы в разной степени связываются с функциональными группами ионообменного сорбента и элюируются подвижной фазой. Для этого требуются специальные ионообменные сорбенты с низкой емкостью и высокой эффек& тивностью.

Вобращеннофазовой хроматографии механизм разделения довольно хорошо может быть описан на основе теории псевдорегулярных растворов с учетом пара& метров растворимости [6.7]. В ионной хроматографии, из&за введения ионных групп и применения в большинстве случаев водной подвижной фазы, взаимодействия коренным образом изменяются. Но и для ионообменной хроматографии были пред& ложены модельные механизмы разделения. Так как детектирование проводится по электропроводности, то представляется разумным использовать в качестве элю& ента высокоочищенную воду, чтобы можно было зарегистрировать, таким обра& зом, самые низкие концентрации ионов в проточной ячейке. Название этой тех& ники разделения говорит о том, что имеет место процесс ионного обмена. Мате& риал ионообменника уже перед вводом пробы нейтрализован противоионами, которые должны находиться и в мобильной фазе. Тогда при вводе пробы проис& ходит обмен ионов подвижной фазы на ионы пробы на ионогенных центрах ионо& обменного материала.

Вкачестве примера более подробно рассмотрим этот процесс еще раз при раз& делении анионов. Колонка наполнена сильноосновной ионообменной смолой.

Вкачестве элюента используется разбавленный водный раствор соли, анионы ко& торого уравновешивают ионообменник в колонке. После ввода раствора пробы анионы из пробы адсорбируются в колонке. Итак, ионный обмен происходит между ионами подвижной и стационарной фаз. Анионы подвижной фазы, кото& рые теперь «обменены» с анионами пробы (отсюда и название «ионообменная хроматография»), мигрируют с катионами пробы по колонке. Так как дальней& ший обмен в колонке происходит только с идентичными анионами, катионы про& бы достигают детектора вместе с фронтом растворителя.

Неудерживаемые катионы пробы вместе с анионами подвижной фазы дости& гают детектора за мертвое время; образуется первый пик, который называется в ИХ часто «пик воды». В зависимости от вида и количества катионов водный пик может давать в итоге отрицательный или положительный сигнал. Адсорбирован& ные анионы тем временем непрерывно обмениваются на анионы подвижной фазы, мигрируют вместе с элюентом и адсорбируют снова на ионите. Таким образом, устанавливается равновесный процесс между адсорбцией анионов из элюента и анионов пробы на ионита, на который накладывается движение подвижной фазы. При этом разделение анионов определяется их сродством к стационарной фазе.

324 Глава 6. Ионная хроматография

Таблица 6.1. Типичный элюционный ряд для анионов

Анионы элюируются по очереди согласно своему заряду, диаметру и полярности [6.8]. В табл. 6.1 приведена типичная последовательность элюирования анионов.

Ионный обмен происходит между ионами подвижной и стационарной фаз. Это значит, что при связывании каждого иона пробы со стационарной фазой ос& вобождается один ион буфера и наоборот.

Концентрация ионов в подвижной фазе, проходящей через колонку, постоянна, изменяется лишь идентичность отдельных ионов.

Для детектирования ионов в водном растворе лучше всего подходит измере& ние электропроводности [6.9]. Хотя детектирование по электропроводности по& зволяет чувствительное измерение концентраций ионов в растворе, недостатком ионообменной хроматографии является то, что сам элюент должен быть ионо& генным и поэтому обладает значительной фоновой проводимостью. Изменения проводимости между чистым элюентом и элюентом, содержащим ионы пробы, вследствие этого становятся очень малыми. Это приводит лишь к относительно небольшим сигналам анализируемых ионов на фоне базовой линии с высокой фоновой проводимостью элюента.

Если детектор по электропроводности комбинирует с ионообменной колон& кой, то чувствительность определения зависит от различия в электрофоретичес& кой подвижности между ионами пробы и буфера. Если только эквивалентные проводимости буфера и пробы близки друг к другу, то это приведет к низкой чув& ствительности определения ионов как следствие незначительного изменения в проводимости элюента.

В настоящее время в ионной хроматографии с детектированием по электро& проводности существуют два инструментальных метода подавления проводимос& ти элюента:

•системы с химическим подавлением и

•системы с электронным подавлением.

Первыми коммерчески доступны стали приборы с химическим подавлением. Патентные права фирмы Dionex препятствовали производству и продаже таких систем другими фирмами. Патенты не только защищают рынок для определен& ного изобретения, но также удерживают независимых исследователей от того, чтобы они предпринимали принципиальные улучшения, так как они могли бы достичь финансовых преимуществ и какой&то амортизации своих инвестиций. Наоборот, изобретатели идут на то, чтобы разработать прибор с тем же целевым

6.2. Ионообменная хроматография 327

Задачей подавляющей колонки является, с одной стороны, химическое подавле& ние высокой фоновой проводимости элюента и, с другой стороны, перевод ана& лизируемой пробы в сильнопроводящую форму. Этот вид детектирования также обозначают как «подавленная проводимость».

Так как в ионной хроматографии нужно делать принципиальное различие между анализом анионов и анализом катионов, то процессы, которые протекают при химическом подавлении, следует рассмотреть отдельно для каждого из ана& лизов. Решающим для химического подавления является выбор элюента, т.е. вид добавляемых ионов.

АНИОННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

В анализе анионов для химического подавления используется тот факт, что для углекислоты только соль существует в ионной форме, в то время как свободная углекислота существует только в виде двуокиси углерода, растворенной в воде. Элюентам готовят на основе карбонат и/или гидрокарбонат. На аналитической разделительной колонке, содержащей анионообменную смолу в карбонатной форме, в соответствии с ее селективностью разделяются анионы из пробы. Элюи& рующая сила элюента, содержащего карбонат/гидрокарбонат, определяется со& отношением обоих анионов и может варьироваться в широкой области.

После разделения в аналитической колонке создающий электропроводность раствора карбонат или гидрокарбонат превращается в подавляющей колонке в сво& бодную кислоту, т.е. в СО2. Одновременно все другие анионы пробы также перехо& дят в форму свободных кислот. Функция подавляющей колонки пояснена на при& мере разделения таких двух анионов, как хлорид и бромид. После разделения обоих анионов на аналитической анионообменной колонке элюент поступает во вторую колонку, которая содержит сильнокислотный катионообменный сорбент в прото& нированной форме (Н&форма). В этой колонке протекают следующие реакции:

1.Создающий высокую электропроводность гидрокарбонат натрия перево& дится за счет обмена натриевых ионов на протон катионообменника в не& диссоциированную углекислоту. Этот процесс обозначают как подавление проводимости элюента.

Смола&SO3– – H+ + NaHCO3 → смола&SO3– – Na+ + H2O + CO2.

2. Хлорид натрия и бромид натрия переводятся в соответствующие им кислоты.

Смола&SO3– – H+ + NaCl → смола&SO3– – Na+ + HCl. Смола&SO3– – H+ + NaBr → смола&SO3– – Na+ + HBr.

Результат реакции подавления: обладающие высокой проводимостью мине& ральные кислоты (Н+&ионы обладают самой большой ионной подвижностью) попадают в детектор по электропроводности в присутствии только слабой прово& дящей угольной кислоты и могут быть обнаружены с высокой чувствительнос& тью. Эквивалентная проводимость для Н+ = 349,8, а для Na+ = 50,1. По закону Кольрауша измеряемая проводимость – это сумма обеих эквивалентных прово& димостей аниона и катиона. Превращение компонентов пробы в соответствую&

328 Глава 6. Ионная хроматография

щие минеральные кислоты означает дополнительное повышение чувствительно& сти при кондуктометрической детектировании.

КАТИОННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

По аналогии с анализом анионов реакция подавления для катионов происходит c HCl в качестве элюента. В этом случае подавительная колонка содержит сильно& основный анионообменник в ОН&форме, так что катионы пробы превращаются в гидроксиды, а элюент будет содержать лишь не обладающую проводимостью воду.

Стационарная фаза представляет собой сульфированную по поверхности ионо& обменную смолу. В качестве элюентов используют, как правило, разбавленную со& ляную кислоту в концентрациях около 1 ммоль/л, так как хлорид ионы обменива& ются при последующем подавлении на ОН&ионы и образующаяся при этом вода практически лишена проводимости. На катионообменном сорбенте, находящемся благодаря используемому элюенту в Н&форме, другие катионы разделяются в соот& ветствии с его селективностью. При этом, благодаря появлению ОН&ионов, снова достигают выигрыша в чувствительности, так как они обладают более высокой эк& вивалентной проводимостью, чем другие анионы, хотя увеличение чувствительно& сти и не столь высоко, как при появлении Н+&ионов при анализе анионов.

В этих условиях элюируются ионы щелочных металлов, аммония и простых алкиламинов. Двухзарядные катионы (кальций, магний и переходные металлы) могут не элюироваться разбавленной соляной кислотой, так как обладают крайне высоким сродством к стационарной фазе.

Для разделения щелочноземельных металлов сегодня рекомендуется исполь& зовать в качестве элюента раствор м&фенилендиамин дигидрохлорида. Однако он не может храниться очень долго, так как распадается под действием света.

Переходные металлы (железо, медь, никель, цинк, кобальт и свинец) не могут определяться этим способом, хотя их сродство к стационарной фазе сравнимо со сродством кальция и магния. Причина здесь состоит в нерастворимости гидро& ксидов переходных металлов.

6.2.2.2. Подавитель с мембраной из пустотелого волокна

Система из двух колонок улучшает чувствительность измерения. Тем не менее, она приводит к появлению новых проблем. Как следует из приведенных выше процес& сов ионного обмена, подавительные колонки должны периодически регенериро& ваться. При анализе анионов колонку с катионитом переводят снова в Н&форму промывкой серной кислотой. Наоборот, подавляющая колонка при анализе ка& тионов регенерируется щелочью. Этот процесс поддается автоматизации, и при работе с двумя подавительными колонками возможен также непрерывный ана& лиз, однако стоимость оборудования соответственно увеличивается.

Простая по сути измерительная система становится более сложной и, вместе с тем, более дорогой; из&за подавительной колонки в хроматографической систе& ме возникает дополнительный мертвый объем, что приводит к уширению пиков всех компонентов. Кроме того, из&за изменения во времени удерживания и от& клика детектора при возрастающей нагрузке на подавительную колонку требует& ся регулярная калибровка системы.