2.10 Неподвижные фазы (сорбенты) в ионной хроматографии
Требования к сорбентам
Выбор неподвижной фазы имеет большое значение при проведении любого хроматографического разделения. Синтез сорбентов для ионной хроматографии затруднен, поскольку к ним предъявляется довольно много требований:
–сорбент должен иметь очень низкую ионообменную емкость
(0,001-0,1 мэкв/г). Это связано с использованием
кондуктометрическогодетектирования, прикоторомнеобходимы
элюенты (растворыкислот, солей, оснований) сконцентрацией
менее 0,01 М. Дляэффективногоразделениятакими
разбавленным и элюентами требуются низко емкостные
ионообменные сорбенты;
–диаметр сорбента не должен превышать 50 мкм (обычно он равен
5–10 мкм). Только в этом случае можно достичь высокой
Эффективности разделения;
–зерна сорбента должны обладать высокой механической
Прочностью и устойчивостью к давлению, которое возникает при
Работе с мелкодисперсной неподвижной фазой;
–сорбент должен обладать высокой химической устойчивостью по
отношению к элюирующему раствору. Он должен сохранять
Стабильность в широком интервале рН; [12]
Этим требованиям удовлетворяют поверхностно-пористые
(пелликулярные) ионообменники, которые состоят из твердого инертного
ядра, покрытого тонким слоем ионита. На таких сорбентах быстро
устанавливается равновесие, поскольку диффузия в тонкую
ионообменную пленку занимает мало времени. В результате ускоряется
хроматографический процесс и достигается высокая эффективность
Сорбенты для ионной хроматографии и их основные
Характеристики приведены в табл.
Таблица 2. Полимерные ионообменники для ионной хроматографии
Разделение анионов проводится на анионообменниках, которые содержат фиксированные группы -NR3, -NHR2, -NH2R ианионы как
противоионы.
На практике чаще используют модифицированные органические полимерные смолы и силикагели. Схематично обзор неподвижных фаз, которые применяются в ионной хроматографии, приведен на рисунке . [6]
Рис. 12. Наиболее распространенные неподвижные фазы в ионной хроматографии
ПС – поверхностно-связанные; ДВБ – дивинилбензол; МА – метилметакрилат.
Силикагелевые сорбенты, как правило, демонстрируют высокую эффективность и механическую стабильность. Однако недостатком этих фаз является узкий рабочий диапазон pH (2-7), который предполагает применение сорбентов на основе силикагеля только в одноколоночном варианте ИХ. Данный факт ограничивает применение этих сорбентов сравнительно небольшим числом объектов с высоким содержанием анионов, поскольку одноколоночный вариант [17]
ИХ проигрывает в чувствительности два порядка варианту ИХ с подавлением фоновой электропроводности.
Широкое распространение в ИХ получили сополимеры стирола и дивинилбензола, сополимеры этилвинилбензола и дивинилбензола, а также полиметакрилатные и поливиниловые смолы. Преимуществами сорбентов на основе полиметакрилатов и поливинилов являются хорошая эффективность колонок, симметричная форма пика и возможность работы как в одноколоночном, так и в двухколоночном варианте ИХ. В настоящее время анионообменники такого типа производятся фирмами Metrohm, Merck и Shimadzu. Сорбенты на основе метакрилатов, как правило, имеют диаметр частиц 10 мкм и в зависимости от параметров используемой колонки позволяют работать в диапазоне давлений 7-20 МПа при скорости потока 0,7-2 мл/мин . В качестве элюентов для них могут быть использованы карбонатный буфер, разбавленные растворы гидроксида калия, фталевая, янтарная и п-гидроксибензойная кислота .
Пример разделения, полученного на основе винилового сополимера, приведен на рис.1. Данный сорбент в двухколоночном варианте ИХ позволяет менее чем за 24 минуты с приемлемой эффективностью селективно разделять семь неорганических анионов при использовании карбонатного буферного раствора в качестве элюента. [17]
Рис. 13. Хроматограмма смеси неорганических анионов. Колонка MetrosepAnionSupp 5. Элюент: 3,2 мМ Na2CO3 + 1 мM NaHCO3. (1) – F-, (2) – Cl-, (3) – NO2-, (4) – Br-, (5) – NO3-, (6) – HPO4, (7) – SO4
Однако, в отличие от сорбентов на основе сополимера стирола и дивинилбензола, для которых рабочий диапазон рН составляет от 0 до 14, сорбенты на основе полиметакрилатных и поливиниловых смол можно использовать лишь при рН 1-12, причем работать при высоких значениях рН в течение длительного времени не рекомендуется, что ограничивает применение таких сорбентов при использовании гидроксидных элюентов в безреагентной ИХ .
Наибольшее распространение в современной ИХ получили сополимеры стирола [37-43] или этилвинилбензола и дивинилбензола. Их широкое распространение обусловлено высокой химической устойчивостью в диапазоне pH 0-14. Матрицы на основе сополимера этилвинилбензола с дивинилбензолом для создания анионообменников для ИХ активно использует корпорация ThermoFisher
Наиболее широкое применение для создания современных анионообменников получили пять типов структур, приведенных на рис. 14
Рис. 14. Наиболее распространенные в современной ИХ структуры неподвижных фаз. 1 – электростатически агломерированные ультрапористые сополимеры, 2 –пористая основа с привитыми полимерными пленками, 3 – матрица, инкапсулированная полимером, 4 – химически модифицированные полимерные матрицы, 5 – основа с послойно-наращенным полимерным функциональным слоем
Латексные анионообменники
Сорбенты такого типа чаще всего представляют собой частицы сульфированного сополимера стирола (либо этилвинилбензола) и дивинилбензола диаметром 5-25 мкм с закрепленными на их поверхности за счет электростатических и ван-дер-Ваальсовых взаимодействий полностью аминироваными латексами– частицами поливинилбензилхлорида или полиметакрилата диаметром порядка 0,1 мкм с закрепленными на поверхности четвертичными аммониевыми группами (рис. 15) [17]
Рис. 15. Структуры зерна латексного анионообменника и латексной частицы
Пелликулярная структура агломерированных анионообменников обуславливает их высокую хроматографическую эффективность. Основными параметрами, влияющими на хроматографические свойства латексных анионообменников, являются степень покрытия поверхности матрицы сульфо-группами, а также диаметр латексных частиц .
Латексные анионообменники получили широкое применение для определения неорганических анионов. В качестве матрицы для латексных анионообменников могут быть использованы как пористые, так и непористые сополимеры. Широкий спектр сорбентов такого типа производится в настоящее время фирмой ThermoFisher (колонки IonPac AS1-17) на основе непористых сополимеров. Диаметр частиц таких сорбентов лежит в диапазоне 9-25 мкм, а размер латексов 65-350 нм. Сорбенты данной серии отличаются друг от друга структурой четвертичных аммониевых групп на поверхности лактексных частиц
Пример разделения смеси анионов на колонке IonPac AS-3 приведен на рис. 16.
Рис. 16. Хроматограмма смеси анионов. Латексный анионообменникIonPac AS-3. Элюент: 1,7 мМ Na2CO3+1,8 мМ NaHCO3. Скорость потока: 2 мл/мин
Альтернативой латексным частицам для формирования электростатически закрепленного слоя агломерированных анионообменников на основе непористых матриц являются углеродные нанотрубки
Рис. 17. Схема создания сорбентов с электростатически-закрепленными углеродными нанотрубками
Превращение углеродных нанотрубок в анионообменные частицы авторы работы [57] осуществляли послойным наращиванием на их поверхности гиперразветвленной полимерной сетки, содержащей четвертичные атомы азота. Схема, по которой проводилась кватернизация углеродных нанотрубок, приведена на рис. 18. Данный способ создания гиперразветвленного ионообменного слоя широко применяется для создания различных типов анионообменников [17]
Рис. 18. Схема функционализации углеродных нанотрубок посредством наращивания гиперразветвленного функционального слоя
Большой интерес представляют высокогидрофильные аниониты, основой которых является гель поливиниловог оспирта с привитыми группами четвертичного аммониевого основания Такие сорбенты применяются для разделения как слабо-, так и сильно удерживаемых ионов в изократическом режиме элюирования, что позволяет доступными средствами существенно увеличить число определяемых компонентов. [7]