Хроматография– это метод разделения и определения веществ,основанный на распределении компонентов между двумя фазами –подвижной и неподвижной. Неподвижной (стационарной) фазой служит твердое пористое вещество (часто его называют сорбентом) или пленка жидкости, нанесенная на твердое вещество. Подвижная фаза представляет собой жидкость или газ, протекающий через неподвижную фазу, иногда под давлением. Компоненты анализируемой смеси (сорбаты) вместе с подвижной фазой передвигаются вдоль стационарной фазы. Ее обычно помещают в стеклянную или металлическую трубку, называемую колонкой. В зависимости от силы взаимодействия с поверхностью сорбента (за счет адсорбции или по какому-либо другому механизму) компоненты будут перемещаться вдоль колонки с разной скоростью. Одни компоненты останутся в верхнем слое сорбента, другие, в меньшей степени взаимодействующие с сорбентом, окажутся в нижней части колонки, а некоторые и вовсе покинут колонку вместе с подвижной фазой (такие компоненты называются неудерживаемыми, а время их удерживания определяет “мертвое время” колонки).
Таким образом происходит быстрое разделение сложных смесей компонентов.[12]
История открытие:
Рождение хроматографии
21 марта 1903 г. по новому стилю навсегда вошло в историю мировой науки.
Вечером этого дня на заседании биологического отделения Варшавского Общества естествоиспытателей выступил ассистент кафедры анатомии и физиологии растений Михаил Семёнович Цвет с докладом «О новой категории адсорбционных явлений и о применении их к биохимическому анализу». [13]
К сожалению, М.С.Цвет, будучи по образованию ботаником, не оценил в должной мере химический аналитический аспект своего открытия и мало публиковал свои работы в химических журналах. Впоследствии именно химики оценили реальный масштаб предложенного М.С. Цветом хроматографического метода, который стал наиболее распространенным методом аналитической химии. [13]
Следует подчеркнуть следующие достоинcтва хроматографических методов:
1. Разделение носит динамический характер, причем акты сорбции- десорбции разделяемых компонентов повторяются многократно. Этим обусловлена значительно большая эффективность хроматографического
разделения по сравнению со статическими методами сорбции и
экстракции.
2. При разделении используют различные типы взаимодействия сорбатов и неподвижной фазы: от чисто физических до хемосорбционных.
Это обуславливает возможность селективного разделения широкого круга
веществ.
3. На разделяемые вещества можно накладывать различные дополнительные поля (гравитационное , электрическое, магнитное и др.), которые, изменяя условия разделения, расширяют возможности хроматографии.
4. Хроматография – гибридный метод, сочетающий одновременное разделение и определения нескольких компонентов.
5. Хроматография позволяет решать как аналитические задачи (разделение, идентификация, определение), так и препаративные (очистка, выделение, концентрирование). Решение этих задач можно сочетать, выполняя их в режиме “online”.
Многочисленные методы классифицируются по агрегатному состоянию фаз, механизму разделения и технике проведения разделения.
Хроматографические методы различаются и по способу проведения
процесса разделения на фронтальный, вытеснительный и элюентный. [12]
Ионная хроматография
Ионная хроматография– это высокоэффективная жидкостная хроматография для разделения катионов и анионов на ионообменниках
низкой емкости. Широкое распространение ионной хроматографии
обусловлено рядом ее достоинств:
– возможность определять большое число неорганических и
органических ионов, а также одновременно определять катионы и
анионы;
– высокая чувствительность определения(до1 нг/мл без
предварительного концентрирования;
– высокая селективность и экспрессность;
– малый объем анализируемой пробы(не более2 мл образца);
97
– широкий диапазон определяемых концентраций(от1 нг/мл до
10000 мг/л);
– возможность использования различных детекторов и их комбинаций, что позволяет обеспечить селективность и малое время определения;
– возможность полной автоматизации определения;
– во многих случаях полное отсутствие предварительной пробоподготовки.
Вместе с тем, как и любой аналитический метод, ионная хроматография не лишена недостатков, к которым можно отнести:
– сложность синтеза ионообменников, что значительно затрудняет
развитие метода;
– более низкую по сравнению с ВЭЖХ эффективность разделения;
– необходимость высокой коррозионной стойкости
хроматографической системы, особенно при определении
катионов.[12]
2.1 История развития:
Изучение ионнообменных процессов началось уже в начале XIX в. с наблюдений о влиянии почв на химический состав контактирующих с ним солевых растворов. В конце 40-х годов Г. Томпсон отметил, что почва поглощает аммиак из внесенных органических удобрений, соответствующие опыты были проведены специалистом их Йорка Д. Спенсом. Первые результаты опытов Д. Спенса были опубликованы Г. Томпсоном в 1850 г. В статье отмечается, что “первое открытие высоковажных свойств почвы может едва не потерпеть неудачу как полезное для сельского хозяйства” и его последнии работы были опубликованны е в 1852 и 1855 гг. [3]
2.3 Принципы разделения ионов в сорбционных процессах
Ионообменная хроматография относится к жидкостно-твердофазной хроматографии, в которой подвижной фазой является жидкость (элюент), а неподвижной фазой – твердое тело (ионообменник). В основе метода ионообменной хроматографии лежит динамический процесс замещения ионов, связанных с неподвижной фазой, ионами элюента, поступающими в колонку. Разделение происходит благодаря разному сродству к ионообменнику ионов, находящихся в смеси, что приводит к различным скоростям их перемещения по колонке.
Ионная хроматография представляет собой вариант колоночной ионообменной хроматографии.
Согласно рекомендациям ИЮПАК (1993 г.) термины ионообменная (ИОХ) и ионная (ИХ) хроматография определяются следующим образом. "Ионообменная хроматография основана на различии ионообменных взаимодействий для индивидуальных анализируемых веществ. Если ионы разделяются и могут быть детектированы с помощью кондуктометрического детектора или косвенного УФ - детектирования, то она называется ионной хроматографией". [6]
Современная (2005 г.) формулировка: "Ионная хроматография включает все высокоэффективные жидкостные хроматографические (ВЭЖХ) разделения ионов в колонках, объединенные с непосредственным детектированием в проточном детекторе и количественной обработкой полученных аналитических сигналов". Это определение характеризует ионную хроматографию безотносительно механизма разделения и метода детектирования и тем самым отделяет еѐ от классического ионного обмена.
В ионной хроматографии применяются следующие принципы разделения:
Ионный обмен.
Образования ионных пар.[6]
Эксклюзия ионов.
Ионный обмен
Ионный обмен представляет собой обратимую гетерогенную реакцию эквивалентного обмена ионов, находящихся в фазе ионита (противоионов), наионы элюента. Противоиионы удерживаются функциональными группами ионита за счет электростатических сил. Как правило, в катионной хроматографии эти группы являются группами сульфоновых кислот; в случае анионной хроматографии – четвертичных аммониевых оснований. На рис. 1 представлена схема процесса обмена катионов и анионов. Ионы определяемого вещества обозначены как А, ионы элюента, конкурирующие с ними за обменные центры, - Е.
Рис. 1. Ионный обмен катионов (А+) и анионов (А-) на ионы элюента (Е+ или Е-) с участием катионообменника, содержащего функциональные сульфогруппы – SO3-, и анионообменника (группы четвертичного аммониевого основания –N+R3).
Образование ионных пар
Для реализации этого механизма разделения применяют ион-парные реагенты, которые добавляют в раствор элюента. Такие реагенты представляют собой анионные или катионные поверхностно-активные вещества, например, алкилсульфоновые кислоты или тетраалкиламмониевые соли.
Вместе с противоположно заряженными определяемыми ионами ионы этого ион-парного реагента образуют незаряженную ионную пару, которая может удерживаться на неподвижной фазе за счет межмолекулярных взаимодействий. Разделение осуществляется за счет различия констант образования ионных пар и степени их адсорбции на матрице сорбента. На рис. 2 показана статическая ионообменная модель в ион-парной хроматографии после адсорбции реагента на неподвижной фазе. Этот принцип разделения применяется как для анионов, так и для катионов [6].
Рис. 2. Ионообменная модель в ион-парной хроматографии.
Ионная эксклюзия
Ионоэксклюзионная хроматография (ИЭХ). в основном, применяется для разделения слабых кислот или оснований. Наибольшее значение ИЭХ имеет для определения карбоновых и аминокислот, фенолов, углеводов.
На рис. 3 показан принцип разделения с помощью ИЭХ на примере кислот R–COOH.
Рис. 3. Схема разделения карбоновых кислот R–COOH с использованием ионоэксклюзионной хроматографии.
В ионоэксклюзионной хроматографии в качестве неподвижной фазы часто применяют полностью сульфированный катионообменник, содержащий ионыводорода (противоионы). В водном растворе элюента сульфокислотные группы ионита гидратируются. Гидратная оболочка ограничивается воображаемой отрицательно заряженной мембраной (Доннановской мембраной). Мембрана проницаема только для недиссоциированных молекул (например, воды).
Органические карбоновые кислоты могут быть разделены, если в качестве элюента применяются сильные минеральные кислоты. Вследствие низких значений констант кислотности карбоновые кислоты присутствуют в таких растворах в недиссоциированной форме. Эти формы могут проходить через мембрану Доннана и адсорбироваться на неподвижной фазе. [6]