Бёккер_Хроматография [2009]

350 Глава 6. Ионная хроматография

тографа. Пробу одновременно подают на две параллельно соединенные колонки через систему двух кранов ввода пробы [6.37].

Для обработки хроматограмм достаточно двухканальной интегрирующей си& стемы. При введении пробы в систему ввода заполняются две петли. Механичес& ки связанные друг с другом рычаги обоих инжекторов поворачиваются вместе, и таким образом происходит одновременная подача проб на катионообменник и анионообменник.

6.7. Колонки для ионообменной хроматографии

Используемые в ионной хроматографии материалы сорбентов отличаются осно& вой, которая является либо полимером, либо силикагелем, величиной зерна, сте& пенью сшивки, пористостью, а также покрытием и функциональными группами. Дополнительными параметрами являются собственные размеры колонки, ее длина

идиаметр.

Вкачестве материалов носителя используются либо полимерные смолы, либо силикагель, причем последний имеет тот недостаток, что не обладает такой pH& стабильностью как синтетические ионообменные смолы. В случае стационарных фаз на полимерной основе речь идет о полистиролдивинилбензольной смоле или о сополимерах поливинилового спирта. Эти материалы хороши тем, что прояв& ляют стабильность в широкой области pH от 0 до 14. С ними не нужно вводить никаких ограничений в отношении элюентов.

Полимерные колонки устойчивы к давлению, диаметр частиц лежит в облас& ти от 5 до 25 мкм. Ионообменные группы ковалентно связаны с полимером. Для анализа анионов применяется смола с четвертичными аммониевыми группами. Избирательность и эффективность анионной колонки варьируют изменением функциональных групп аммонийного основания, степенью сшивки и размером частиц. Для анализа катионов применяются полимеры, содержащие сульфо& группы.

Как и в других хроматографических методах, в ИХ также наблюдаются эффек& ты, которые влияют на эффективность хроматографического разделения. К ним относятся ухудшение разрешения и эффективности ионного обмена, а также по& вышение противодавления в колонке. Уменьшение разделяющей способности ионообменника часто можно приписать блокировке функциональных групп ве& ществами, имеющими сравнительно высокое сродство к стационарной фазе. По& этому колонки следует время от времени промывать подходящими элюентами, чтобы удалять эти загрязнения.

Дополнительно существуют различные предколонки, носитель в которых со& ответствует носителю в хроматографической колонке. Использование предколон& ки может значительно повысить срок службы хроматографической колонки. Пред& колонки действуют как фильтры и поглощают загрязнения, которые уже есть в пробе и/или в элюенте. Так как эффективность предколонок ограничена, они так& же должны время от времени промываться. С помощью предколонок можно так& же отделять мешающие компоненты или концентрировать вещества.

6.8. Варианты применения 351

6.8. Варианты применения

Ионная хроматография отличается своей селективностью и чувствительностью при анализе органических и неорганических анионов и катионов. Большое число вариантов ее применения – это доказательство возможномтей этого метода [6.38]. Определение ионных соединений в растворах – это классическая аналитическая проблема со множеством возможных вариантов решения. При этом основные прикладные вопросы хроматографии ионов лежат, прежде всего, в области ана& лиза анионов, для которых нет подходящей альтернативы при определении сле& довых количеств. Обычные химические методы, такие как титрование и грави& метрия для определения хлорид&, фосфат&, нитрат& и сульфат&анионов являются трудоемкими, требуют много времени и иногда дают ошибочные результаты. Не& достаток в высокочувствительных методах определения анионов можно устранить внедрением ионной хроматографии и, таким образом, закрыть существенный пробел в инструментальном анализе.

В области анализа катионов соотношения методов выглядят по&другому. Здесь уже перед внедрением ионной хроматографии в распоряжении находились эф& фективные методы анализов, которые сегодня достигли очень высокого уровня развития и представляют укоренившиеся и хорошо изученные методы аналити& ческих лабораторий. Прежде всего, следует назвать методы атомной спектроско& пии: атомно&абсорбционную и атомно&эмиссионную. У атомной эмиссии есть то дополнительное преимущество, что возможно одновременное определение мно& гих элементов. Высокочувствительная плазменная масс&спектрометрия без труда открывает область ppt концентраций. Ионная хроматография не может вытеснить эти процессы. Однако у нее есть то решающее преимущество, что она разделяет катионы согласно их валентности. Методами атомной спектроскопии этого сде& лать нельзя, они дают лишь соответствующее суммарное содержание элемента. Однако вопрос о видах ионов в области следовых и ультраследовых количеств приобретает все большее значение, что может дать ионной хроматографии реша& ющее преимущество. Если, наконец, ионную хроматографию объединяют с атом& но&спектрометрическими методами, то они из конкурентов превращаются в парт& неров. Ионы после хроматографического разделения попадают в спектрометр в разное время. Матричные эффекты из&за сложного состава пробы, которым сле& дует уделять особое внимание при атомно&спектрометрических методах, практи& чески отсутствуют.

Наряду с этим новым многообещающим, но дорогим гибридом ионная хро& матография применяется сегодня, естественно, во многих областях рутинного анализа. Список приложений настолько велик, что его нельзя перечислить здесь полностью. Вероятно, упрощенно можно говорить о том, что все заряженные ча& стицы, которые можно определить в водном растворе с помощью ионной хрома& тографии, уже определяются этим методом.

Особого значения ионная хроматография достигла в области количественного анализа анионов в воде всех видов [6.39]. Таким образом, меньше чем за 10 мин одновременно могут определяться фторид&, хлорид&, фосфат&, нитрат& и сульфат& ионы, от концентраций которых зависит качество воды. Высокая чувствитель&

352 Глава 6. Ионная хроматография

ность и возможность автоматизации в значительной мере способствовали быстро& му распространению метода [6.40]. При использовании химического подавления, т.е. при определении с непосредственном вводом пробы, для отдельных ионов без предконцентрирования возможные пределы обнаружения находятся около 10 ppb.

Объекты со сложной матрицей, например, сточные воды или экстракты почв, также могут легко исследоваться с помощью ионной хроматографии. Применяе& мые в этой области ион&селективные электроды часто отличаются коротким вре& менем жизни и плохой чувствительностью.

6.8.1.ИХ в химии электроэнергетики

Вобласти электроэнергетики ставятся очень высокие требования к чистоте воды, которая непрерывно контролируется путем измерениям электрической проводи& мости [6.41]. В рамках обычного производственного контроля с помощью этого метода локализуют разгерметизацию конденсаторов и наблюдают за работой со& оружений для водоподготовки. Измерение проводимости, однако, неспецифич& но, так как повышение измеряемого сигнала ничего не говорит о виде загрязне& ния. Для нахождения самых незначительных протечек в сооружении нужно опре& делять загрязнения хлоридами или сульфатами в области нескольких ppb.

Определение хлорида и сульфата с помощью концентрирующей колонки воз& можно вплоть до области ppt концентраций. Однако этот анализ ультрамалых кон& центраций требует очень тщательно согласованной общей концепции проведе& ния анализа. Так как оба этих иона присутствуют практически повсюду, то необ& ходимо избегать каких&либо загрязнений при подготовке и вводе пробы. При этом предконцентрирование происходит из закрытого кольцевого трубопровода, что& бы прокачать через концентрирующую колонку с помощью насоса строго опре& деленное количество чистой воды. После переключения крана ввода сконцент& рированные на концентрирующей колонке ионы переносятся на аналитическую колонку и там разделяются.

Ионная хроматография также успешно применяется при контроле устройств для удаления серы и азота из дыма, который содержит множество неорганичес& ких ионов. При удалении серы сульфиты окисляются до сульфатов, наряду с этим возникает небольшое количество других соединений серы, как, например, дити& онат, которые все можно определить с помощью ионной хроматографии. При уда& лении азотсодержащих соединений из дыма в первую очередь проводят анализ на нитриты и нитраты.

6.8.2.ИХ в гальванотехнической промышленности

Гальванические ванные для декоративной или функциональной обработки ме& талла содержат, как правило, граммовые количества соли металла и минеральной кислоты. Для определения этих основных компонентов ионная хроматография как метод анализа следовых количеств подходит меньше, так как пробы нужно сильно разбавлять для хроматографического разделения. Для определения ионов металла и анионов в высоких концентрациях существуют подходящие методы титрования и тирующие автоматы.

6.8. Варианты применения 353

Вместе с тем есть гальванические ванны, в которых для управления условия& ми покрытия специально добавляют ионы в количествах в области ppm. К ним принадлежит, например, применяемый в изготовлении печатных плат кислый медный электролит на основе сульфата меди и серной кислоты. Он содержит в большинстве случаев хлорид в концентрации от 40 до 100 мг/л. Это низкое содер& жание хлорида наряду с высоким избытком сульфата определяется с помощью ионной хроматографии.

Состав гальванических ванн тщательно согласовывают при введении новых добавок для получения желаемых качеств слоя металла при функциональной и декоративной обработке. Наряду с неорганическими компонентами, солями и кислотами часто нужно добавлять также органические вещества для целенаправ& ленного управления качествами слоя металла. Отдельные ингредиенты при этом подвергаются разложению; образуются продукты взаимодействий и продукты разложения. Состав, таким образом, постоянно изменяется и его необходимо со& ответствующим образом корректировать. Для рутинного контроля здесь оказы& вается полезной ионная хроматография благодаря быстрому и надежному анали& зу состава электролита в ванне [6.42]. Пробоподготовка почти во всех случаях ог& раничивается простым разбавлением деионизированной водой и последующей фильтрацией.

Преимущество ионной хроматографии по сравнению с применяемыми до сих пор и часто неспецифическими методами традиционной химии состоит, прежде всего, в избирательности процесса. С ростом издержек производства на качественные дорогостоящие продукты возникла необходимость применять но& вые методы анализов, которые способствуют лучшему пониманию сложных про& цессов в гальванических ваннах. Как при разработке новых ванн, так и при конт& роле в процессе производства ИХ позволяет следить за содержанием добавок в электролитах. С помощью этих данных можно целенаправленно управлять жела& емыми качествами возникающих металлических слоев. Табл. 6.3 дает небольшой обзор различных возможностей использования ИХ в анализе электролитов галь& ванических ванн.

Таблица 6.3. Примеры использования ИХ в гальванической промышленности

354 Глава 6. Ионная хроматография

В области гальванотехники существуют многочисленные приложения, в ко& торых осаждение металлов производится в электролитных ваннах как за счет элек& тролиза, так и без использования электричества. В особенности в растворах элек& тролитов, которые используют без применения электрического тока, происходят значительные химические превращения веществ. Содержащийся в электролит& ной ванне химический восстановитель интенсивно расходуется по мере парал& лельного накопления образующихся продуктов окисления. Для безупречной ра& боты эти ванны требуют постоянного контроля химического состава электроли& та, чтобы на основе аналитических данных можно было проводить соответствую& щую коррекцию состава.

Работающие без применения электричества ванны для никелирования содер& жат в большинстве случаев в качестве восстановителя гипофосфит натрия, кото& рый окисляется при выделении никеля до фосфита. Для поддержания постоян& ной скорости восстановления гипофосфит должен постоянно добавляться в элек& тролит; накопление фосфита ведет к ограничению срока эксплуатации электро& лита, который затем должен утилизироваться. Совместный анализ гипофосфита и фосфита методами классической химии – весьма дорогостоящий метод. Ион& ная хроматография, просто после разбавления раствора электролита, позволяет за несколько минут количественно определить оба иона.

Ионная хроматография особенно подходит для анализа в области гальвано& техники благородных металлов. Очень тщательный аналитический контроль в ходе покрытия необходим здесь как из&за необходимости использовать для анализа возможно меньшие количества электролита, ввиду его высокой стоимости, так и из&за высоких издержек в случае плохого качества покрытия. Стандартные элек& тролиты для выделения золота содержат его в большинстве случаев в форме циа& нокомплексов наряду с избытком свободного цианида. Так как золото может су& ществовать как в одновалентной, так и в трехвалентной форме, в присутствии избытка цианида существуют анионные цианокомплексы [Au(CN)2]– и [Au(CN)4]–. Классическими методами анализа, а именно ААС, осаждением или титрованием, после дорогостоящей пробоподготовки можно определить лишь общее содержа& ние золота. Эти методы не позволяют различать элементы по степеням окисле& ния. Цианокомплексы золота, благодаря их стабильности, можно разделить и за& тем количественно определить с помощью ИХ (рис. 6.19).

Так как золото – это относительно мягкий металл, его часто легируют кобаль& том для повышения твердости. При этом кобальт добавляется в электролит в виде сульфата, и затем он осаждается совместно с золотом. Образующийся со време& нем цианокомплекс кобальта [Co(CN)6]3–, который не повышает твердость золо& та, можно определять с помощью ионной хроматографии одновременно с циано& комплексами золота. Далее, такие основные компоненты, как фосфат и цитрат, а также примеси хлорида и железа, также могут быть легко определены с помощью ионной хроматографии.

Свободные цианид&анионы могут детектироваться с помощью амперометрии в области следовых количеств. Метод находит применение при аналитическом контроле промывных и сточных вод из гальванических ванн, содержащих циани& ды. С помощью ИХ можно также анализировать компонент, ответственный за

356 Глава 6. Ионная хроматография

вания высокочистых реагентов в чистых комнатах. Применение высокоочищен& ной воды является важным фактором в полупроводниковой промышленности, так как ионные примеси влияют на долговечность и функциональную способ& ность этих конструктивных элементов.

Институт полупроводниковых приборов и материалов (англ.: SEMI Semiconductor equipment and materials institute) предлагает методы для идентификации и количе& ственного определения соединений, которые могут оказывать влияние на поведение этих микроэлектронных конструктивных элементов. В области производства полу& проводниковых деталей ИХ используется как эффективный метод определения ионов.

6.8.4. ИХ в пищевой промышленности

Высокие требования к качеству продукции предъявляются также в пищевой про& мышленности. Из экономических соображений и для исключения человеческих ошибок методы производства продуктов были в значительной степени автомати& зированы. Чтобы производить продукты с одинаковым качеством и вкусом, не& обходим аналитический контроль. Это следует, например, из определения нитра& та в овощах, после того как стало известно, что даже детское питание может со& держать высокую концентрацию нитрата, который попадает в овощи из средств обработки растений. В таких случаях ионная хроматография дает возможность проще, быстрее и более точно определять неорганические и органические анио& ны и катионы в сложной матрице [6.44].

Ионная хроматография, как метод анализа, все больше признается многими контрольными лабораториями и научно&исследовательскими лабораториями пи& щевой промышленности, так как для анализа требуется лишь минимальная про& боподготовка [6.45]. Большое преимущество ИХ состоит в легком приготовлении пробы из сложных матриц. Пробы этого вида экстрагируют деионизированной водой, и этот экстракт, после фильтрации, вводят непосредственно на колонку.

6.8.5. Другие возможности применения

Ионная хроматография применяется в области медицины для определения ион& ных веществ естественного или искусственного происхождения в моче. Определе& ние неорганических ионов в сыворотке или плазме крови происходит после осаж& дения белков. Для этого к пробе добавляют в равном объемном соотношении аце& тонитрил или другой подходящий растворитель для осаждения белка. После отде& ления осадка с помощью центрифуги часть прозрачного раствора пробы вводится в

хроматограф [6.46]. Ионную хроматографию можно успешно применять также для анализа почечных камней, которые состоят преимущественно из натриевой соли мочевой кислоты. После удаления почечного камня проводят полный анализ кати& онов, Na+, K+, NH4+ и Ca2+, и анионов, урата, оксалата, хлорида и сульфата [6.47].

Дополнительные возможности использования ИХ заключаются в контроле медикаментов и инфузионных растворов [6.48]. Многие медикаменты обладают собственной ионной природой и для повышения стабильности и растворимости активного вещества в терапевтических количествах их производят в солевой фор& ме. При этом часто речь идет об аминах в форме гидрохлоридов или об органичес&

6.9. Выводы и перспективы 357

ких кислотах в форме натриевых солей или соли с этаноламином. В области ана& лиза моющих средств основные компоненты чистящих средств можно опреде& лять очень быстро методом ИХ в виде пирофосфата, триполифосфата, ЭДТУ и заменителя фосфата НТУ (нитрилотриуксусной кислоты).

6.9. Выводы и перспективы

Ионную хроматографию предложили в 1975 году для разделения ионных соеди& нений. Разделение может происходить благодаря образованию ионных пар, ион& ному обмену или эксклюзии ионов, причем детектирование в большинстве слу& чаев основано на измерении электрической проводимости. Благодаря таким ме& тодам детектирования, как УФ спектрофотометрия, флуорометрия и амперомет& рия, ИХ превратилась в очень разностроннюю технику анализа не только ионных, но и полярных соединений.

В случае ионной хроматографии речь идет об одном из вариантов жидкостной хроматографии, поэтому, что касается инструментального оформелния и исполь& зования, ИХ имеет много общего с ВЭЖХ. Таким образом, ИХ легко автоматизи& руется и интегрируется в лабораторную систему данных.

При ионообменной хроматографии следует различать два процесса: одноко& лоночную технику (англ.: single column ion chromatography, SCIC) и ИХ с хими& ческим подавлением проводимости элюента, где между колонкой и детектором по электропроводности происходит химическое подавление собственной (фоно& вой) проводимости подвижной фазы. Одноколоночная хроматография – это бы& стрый, простой и низкобюджетный метод анализа большинства ионных соедине& ний. Более дорогая техника подавления проводимости позволяет определять сле& довые количества ионов вплоть до области ppb концентраций. Сегодня этот ме& тод, наряду с лидером на рынке ионной хроматографии фирмой Dionex, предлагает также и второй по величине поставщик оборудования для ИХ фирма Metrohm, так что здесь следует ожидать дальнейшего развития рынка.

Ионная хроматография исключительно подходит для селективных и, в то же время, одновременных определений ионов в смесях с большим линейным рабо& чим диапазоном и является, таким образом, важным дополнением к аналитичес& ким методам классической химии и вольтамперометрии. В особенности там, где анионы и катионы можно определить только очень трудоемкими методами, ион& ную хроматографию выбирают как метод, позволяющий одновременное и поэто& му очень быстрое определение ионов. При незначительном объеме пробы она обладает высокой эффективностью определения множества ионов. Таким обра& зом, ионные хроматографы находят применение преимущественно в области ох& раны окружающей среды и управления качеством продукции, а также в области самых различных исследовательских задач химической промышленности. ИХ является методом, предписанным немецким промышленным стандартом (нем.: DIN) для анализа питьевой воды и сточных вод.

Несмотря на это следует помнить, что ИХ дает возможность только ионного анализа. Для более простых задач часто выбирают титриметрию, потенциомет& рию или вольтамперометрию.

ГЛАВА 7

КАПИЛЛЯРНЫЙ ЭЛЕКТРОФОРЕЗ

Капиллярный электрофорез (КЭ) – это относительно молодой метод анализов, ко& торый однако бурно развивается. Он подходит для разделения полярных и ионных проб и дополняет классические методы разделения, такие как ВЭЖХ и ГХ [7.1]. Все методы электрофоретического разделения основываются на принципе разной ско& рости миграции заряженных частиц и молекул в постоянном электрическом поле.

Капиллярный электрофорез объединяет различные методы электрофореза и хроматографии в отдельный метод, который обеспечивает воспроизводимое раз& деление с высоким разрешением в течение короткого времени с высокой чувстви& тельностью вплоть до области следовых количеств. Дополнительно коммерчес& кое оборудование для капиллярного электрофореза предлагает возможность ав& томатического ввода пробы, микропрепаративного сбора фракций, компьютер& ного управления и получения данных, а также регистрации проб с помощью УФ&, флуоресцентных, радиохимических или электрохимических детекторов, а также масс&спектрометров и детекторов по электропроводности [7.2].

Первые работы по электрофорезу были связаны, в основном, с разделением биомакромолекул (ДНК, белки). Настоящий прорыв в рутинном анализе произо& шел, между тем, благодаря применению этого метода для разделения и определе& ния малых молекул и внедрению коммерческих устройств в 1989 году [7.3]. Ре& кордами в области анализа неорганических анионов и катионов с помощью ка& пиллярного электрофореза следует считать:

•абсолютный мировой рекорд по числу обнаруженных молекул при анализе следовых количеств составляет около 600 молекул при детектировании с помощью лазерындуцированной флуоресценции [7.4],

•определение 1/2 молекул на каплю при комбинировании КЭ&МС,

•рекорд в области скорости анализов (30 веществ за 90 с).

Для практического анализа эти рекорды имеют только второстепенное значе& ние. Но все же у ионной хроматографии появился достойный конкурент. В одном капилляре могут анализироваться друг за другом катионы и анионы, причем не& обходима только смена буфера. Недостатком метода является наличие лишь не& большого числа чувствительных детекторов; сегодня коммерчески доступным является только УФ/ВИД детектор. С помощью косвенной УФ детекции в КЭ мо& жет анализироваться только область концентраций примерно от 10 ppb до 500 ppm, причем динамический диапазон ограничен двумя порядками. В области следо& вых количеств ионная хроматография может сохранить свое доминирующее по& ложение. Но и здесь можно ожидать дальнейшего прогресса с использованием других методов детектирования [7.5].

При этом капиллярный электрофорез в различных вариантах не ограничива& ется анализом только ионов. Нейтральные молекулы могут разделяться с помо&

7.1. История и развитие 359

щью мицеллярной электрокинетической хроматографии (МЭКХ). В этом методе к буферу добавляются мицеллообразующие ионогенные вещества. Если нейтраль& ные молекулы находятся в мицеллах, они перемещаются в электрическом поле к детектору; в буфере они неподвижны. После того как распределение накладывает& ся на миграцию, речь при МЭКХ может идти о настоящем хроматографическом процессе. Возможности применения этого метода раскрыты еще не полностью.

7.1. История и развитие

Принцип электрофореза известен с начала 19&го столетия. Тем не менее, про& цесс, называемый в то время «катафорезом», из&за сложных устройств для полу& чения электричества применялся только для исследования физических основ обнаруженного явления. Основой электрофоретического разделения является раз& личная скорость миграции веществ в электрическом поле. Электрофорез как ме& тод разделения был предложен в Швеции Арне В. К. Тизелиусом в 1937 году [7.6]. Он обнаружил, что смесь белков мигрирует в наполненной буфером трубке под действием приложенного напряжения в одном направлении и скорость мигра& ции зависит от заряда и подвижности отдельных белков. Тизелиус из Упсалы получил Нобелевскую премию по химии в 1948 году за работы по электрофорезу и адсорбции, в частности, за открытие сложной природы белков сыворотки крови.

Методом электрофореза теперь можно было наблюдать миграцию макромо& лекул в электрическом поле, определять количественно отдельные компоненты смеси, а также измерять относительную скорость миграции белка как очень зна& чимую и характерную величину. Разделяющая способность электрофореза в сво& бодном растворе, как она проводилась Тизелиусом, была ограничена тепловой диффузией и конвекцией. Поэтому электрофорез стал проводиться в антикон& векционных средах, таких как полиакриламид или агарозные гели. Гели в форме дисков или трубок были использованы для разделения биологических макромо& лекул по их молекулярным весам. Электрофорез в плоском слое имеет недостат& ки: большая длительность анализа, невысокая эффективность и трудность детек& тирования и автоматизации. Альтернативой электрофорезу в плоском слое явля& ется электрофоретическое разделение в узких трубках или капиллярах.

Электрофоретические методы проводятся в двух принципиально разных сре& дах. С одной стороны, процесс проходит в стабилизируемой антиконвекционной среде, например, полиакриламидном геле, с другой стороны, в жидкой фазе, на& пример, в буфере. Хотя работы по зонному электрофорезу проводились Ф. М. Эве& рартсом и сотрудниками еще в 1979 году в Голландии, Джим Йоргенсен, ученый из университета Калифорнии, в 1981 году, используя капилляр с внутренним ди& аметром менее 80 мкм, впервые смог решить многие проблемы [7.7]. Прошло, однако, несколько лет, прежде чем готовые приборы стали коммерчески доступ& ны и ускорили использование «высокоэффективного капиллярного электрофо& реза» (ВЭКЭ) [7.8].

Преимущество капилляров с маленьким внутренним диаметром – это большое электрическое сопротивление. Даже при высоких напряжениях от 20 до 30 кВ по