Ионообменная хроматография

Ионообменная хроматография (ИХ) является разновидностью жидкостной хроматографии и в аппаратурном оформлении ничем не отличается от других видов жидкостной колоночной хроматографии. В основе ИХ лежит процесс ионного обмена. В отсутствии побочных реакций (гидролиз, полимеризация и др.) процесс ионного обмена стехиометричен. В этом основное отличие ИХ от молекулярной адсорбционной и распределитель­ной. Разделение в ИХ основано на различии сродства анализируемых ионов к ионам противоположного знака, жестко закрепленным в ионо­обменнике (ионите). Такие ионы называются фиксированными, а ионы, компенсирующие их заряд - противоионами. Противоионы участвуют в ионном обмене и, как правило, входят в состав подвижной фазы. При хроматографировании зона ионов с большим сродством к фиксированным ионам противоположного знака будет отставать от зоны с меньшим сродством. Поскольку подвижная фаза содержит противоион, то после завершения процесса хроматографирования ионообменник возвращается в свое исходное состояние.

Неподвижная фаза. Наибольшее практическое применение нашли ионообменные смолы, которые условно можно разделить как бы на две части: матрицу (каркас), не участвующую в ионном обмене, и ионогенные группы, структурно связанные с матрицей. Такой матрицей чаще всего является сополимер дивинилбензола и полистирола. Дивинил­бензол как бы "сшивает" поперечными связями цепи полистирола, что приводит к образованию зерен полимера, пронизанных порами. Размер пор можно изменять, варьируя соотношение дивинилбензола и полистирола, что определяет также структуру и прочность ионита, его способность к набуханию.

Недостатком синтетических ионообменников является их малая механи­ческая прочность, что приводит к разрушению частиц ионита при высоком давлении, характерном для ВЖХ. Для уменьшения сопротивления массопе­реносу и увеличения механической прочности используют поверхностно­пористые смолы, представляющие собой тонкую пленку ионообменника, нанесенного на твердое инертное тело, например на частицы силикагеля.

Все ионообменники можно разделить на классы в зависимости от ряда обмениваемых ионов.

Катиониты способны к обмену катионов. В зависимости от функциона­льных групп, участвующих в ионном обмене, катиониты подразделяют на сильнокислотные, содержащие группы –SO₃^- H⁺ , среднекислотные с группой фосфорной кислоты –РО₃^- Н⁺ и слабокислотные с группами слабых карбоновых кислот –СОО^- Н⁺ . Выпускаемые катиониты могут быть либо в Н-форме, либо в солевой с противоионами Na⁺ , K⁺ .

Аниониты способны обменивать анионы. Сильноосновные аниониты со­держат четвертичную аммониевую группу -N(CH₃)₃⁺ , средне- и слабооснов­ные содержат вторичные или третичные протонированные аминогруппы: -NH(CH₃)₂⁺ , -NH₂(CH₃)⁺ . Выпускают аниониты либо в ОН-форме, либо в Cl^- - форме (солевая форма).

Амфолиты могут обмениваться как с катионами, так и с анионами. Такие биполярные ионообменники получают, связывая с матрицей амино­кислоты.

Хелатные смолы связывают ионы металлов, образуя с ними комплексы различной прочности. Получают такие иониты введением в матрицу способных к комплексообразованию функциональных групп. Такими груп­пами служат фрагменты лимонной, винной кислоты, ЭДТА и другие лиганды, образующие лабильные комплексы с ионами многих металлов.

Общим свойством всех ионитов является их возможность отделять электролиты от неэлектролитов. Используемые в хроматографическом анализе ионообменники должны обладать следующими свойствами:

- не растворяться в подвижной фазе;

- быть устойчивыми к воздействию кислот и оснований;

- содержать достаточное количество ионогенных групп;

- обладать достаточной механической прочностью.

Для ионообменников определены ряды селективности ионов, в которых каждый последующий член обладает большим сродством к ионообменнику. Такие ряды приводятся в хроматографических справочниках. В общем случае, большую способность к удерживанию ионообменниками проявляют ионы, заряд и поляризуемость которых больше, а радиус гидратирован­ного иона меньше.

Подвижная фаза. В ИХ в качестве подвижной фазы применяют водные буферные растворы. Изменяя концентрацию ионов водо-

рода, вид буфера и ионную силу, можно изменять селективность системы.

Слабые кислоты и основания находятся в ионизированном состоянии при определенном значении рН среды. Поэтому от концентрации ионов водоро­да в элюенте зависит, будут участвовать эти соединения в ионном обмене или пройдут через колонку в виде недиссоциированных молекул. Присутствие посторонних ионов сдвигает равновесие ионного обмена с участием определяемого иона, в результате чего удерживание этого иона ионообменником уменьшается.

При разделении ионов металла на хелатных смолах регулированием рН также можно повысить селективность системы. При повышении кислотности раствора связываться в комплексы с лигандами будут лишь те металлы, которые способны к образованию прочных соединений. Различие в проч­ности образующихся комплексных соединений также можно использовать для повышения селективности ионообменной хроматографической системы.