2.5.3. Хроматография с динамическим модифицированием.

Ион-парная хроматография

Под динамическим модификатором понимается такое соединение, которое постоянно поступает в колонку вместе с подвижной фазой и, находясь в динамическом равновесии с другими компонентами системы, радикальным образом изменяет механизм сорбции, а также ведет к качественному изменению селективности системы. Изменение селективности может происходить за счет образования ассоциатов модификатора с неподвижной фазой либо молекулами сорбатов.

Основной целью модифицирования является подавление нежелательных механизмов сорбции, создание условий, для которых характерны линейные изотермы сорбции и, следовательно, симметричная форма хроматографических пиков. Например, при хроматографировании ионогенных соединений (особенно оснований) на силикагеле в обычных бинарных элюентах форма пиков ассиметрична потому, что в адсорбционном слое, обогащенном для гидрофильного адсорбента молекулами воды, могут происходить процессы диссоциации и ионного обмена. Стандартный прием их подавления - включение в элюент специфических модификаторов - уксусной кислоты (если сорбаты кислые) или органических оснований (для сорбатов основной природы). С аналогичной целью в обращенно-фазовой хроматографии к элюенту добавляют кислоты или буферные растворы.

В системах с динамическим модифицированием удается, с одной стороны, добиться реализации в более чистом виде тех механизмов сорбции, которые внутренне присущи данной комбинации сорбента и подвижной фазы. С другой стороны, противоположной целью динамического модифицирования может являться создание в системе условий для реализации таких механизмов сорбции, которые без модификации нехарактерны. Этим путем на относительно небольшом числе исходных сорбентов можно создавать разнообразные по селективности системы.

К числу наиболее важных в практическом отношении приложений динамического модифицирования относится ион-парная хроматография. Ионогенные органические соединения в режиме обращенно-фазовой хроматографии обычно дают ассиметричные пики. К тому же наиболее гидрофильные органические кислоты и основания вообще слабо удерживаются неполярными сорбентами. Ион-парная хроматография, совмещая в себе достоинства обращенно-фазовой и ионообменной хроматографии, позволяет успешно анализировать ионогенные соединения.

Суть этого метода заключается в динамическом модифицировании сорбента группами, обладающими ионообменными свойствами. В качестве сорбента применяют октил- или октадецилсиликагель. Подвижная фаза помимо обычных для обращенно-фазовых разделений компонентов содержит гидрофобные ионы в качестве специфических модификаторов. Для разделения оснований применяют натриевые соли алкилсульфокислот с числом атомов углерода 4 - 12, для разделения кислот - соли тетраалкиламмония.

До сих пор еще не сформировалось единого мнения о механизме ион-парной хроматографии. Согласно одной модели, гидрофобные ионы модификатора сорбируются на поверхности алкилсиликагеля таким образом, что к подвижной фазе обращены заряженные группы (рис. 12). В результате образуется поверхность, обладающая ионообменными свойствами. Предполагается, что сорбция в таких системах подчиняется обычным закономерностям ионообменной хроматографии (реакция 2).

Рис. 12. К механизму ион-парной хроматографии: А  ионобменная сорбция на динамически модифицированном алкилсиликагеле; Б  сорбция ионных пар на алкилсиликагеле.

Согласно другой модели, поверхностное модифицирование сорбента не играет существенной роли. Предполагается, что гидрофобный противоион образует с хроматографируемым ионом пару в растворе подвижной фазы (реакция 3). Эта ионная пара затем сорбируется на неполярной поверхности по обычному обращенно-фазовому механизму (реакция 4).

Важно, что обе модели предполагают одну и ту же структуру адсорбированного комплекса (АК на рис. 10). Кроме того, вполне вероятно, что истинный механизм процесса зависит от типа динамического модификатора и условий опыта. В последнее время предложены также другие модели, которые в известной мере преодолевают противоречия первоначальных концепций, считая их двумя крайними случаями единого механизма.

В ряде работ изучена сорбция динамических модификаторов (додецилсульфата и тетрабутиламмония) алкилсиликагелями. Количество этого реагента в неподвижной фазе зависит от его гидрофобности, концентрации в подвижной фазе и ее pH. При отсутствии органического растворителя в подвижной фазе либо неизменной его концентрации изотермы адсорбции ион-парных модификаторов близки к ленгмюровским. Обычно концентрация ион-парного модификатора при насыщении имеет порядок 0,1 -1 ммоль/г.

Зависимость удерживания сорбата от концентрации ион-парного реагента имеет максимум (рис. 13). Данная кривая вблизи максимума достаточно полога, поэтому в практических целях обычно пользуются правилом: модифицирующий эффект всегда проявляется достаточно отчетливо, если концентрация ион-парного агента находится в пределах 1 - 10 ммоль/л.

Рис. 13. Типичные кривые, выражающие зависимость удерживания от концентрации ион-паорного реагента в подвижной фазе: 1  сорбат нейтрален; 2  ион-пароный реагент и сорбат имеют одинаковый заряд; 3  заряды ион-парного реагента и сорбата противоположны.	Рис. 14. Типичные зависимости удерживагия слабой кислоты от pH подвижной фазы. Цифры на кривых  концентрация ион-парного реагента (ммоль/л).

При одинаковой молярной концентрации более выраженный модифицирующий эффект характерен для более гидрофобных ионов, с большим числом атомов углерода. Разница в действии гомологичных ион-парных реагентов определяется различиями их собственных сорбционных свойств. Зависимость удерживания от концентрации получается одинаковой для любых модификаторов, если выражать концентрацию не в молях на литр подвижной фазы, а в молях на грамм сорбента.

На модифицирующий эффект существенно влияние оказывает pH подвижной фазы. Ассоциация модификатора с сорбатом, где бы она не происходила, будет наиболее прочной, если оба они ионизированы. Поэтому pH подвижной фазы выбирают в зависимости от свойств сорбата и модификатора. На рис. 14 изображена типичная зависимость коэффициентов емкости слабой кислоты от pH подвижной фазы и концентрации модификатора. Нижняя кривая, соответствует обычному обращенно-фазовому режиму. При добавлении в подвижную фазу динамического модификатора удерживание увеличивается. Более всего этот эффект выражен при pH около 6, где в достаточной степени ионизированы и сорбат, и модификатор. Рекомендуемы значения pH для ион-парной хроматографии приведены в табл. 8.

.

Табл. 8. Выбор рН подвижной фазы. .

Тип сорбата pK_a Интервал pH

Сильные кисллоты  2 2 - 7

Слабые кислоты  2 6 - 7

Слабые основания  2 2 - 5

Сильные основания  2 2 - 7

Кроме перечисленных факторов на удерживание в ион-парной хроматографической системе существенное влияние оказывают структурные особенности сорбатов.

При разделении сложных смесей, содержащих сорбаты различной основности и гидрофобности, трудно с достаточной точностью предвидеть отклик системы на изменение тех или иных условий опыта. Поэтому для поиска оптимальных режимов целесообразно применять статистические методы.

В последние годы возрастает внимание исследователей к мицеллярной, или псевдофазовой, жидкостной хроматографии. Подвижные фазы, используемые в этом режиме, аналогичны применяемым в ион-парной хроматографии фазам, но содержат поверхностно-активный модификатор в концентрациях, достаточных для образования мицелл. Молекулы сорбатов могут связываться с мицеллами, либо не связываться, либо выталкиваться электростатическими силами из окрестности мицеллы. Первому типу взаимодействия соответствует резкое уменьшение удерживания, третьему - увеличение, Поэтому мицеллярная хроматография открывает дополнительные возможности варьирования удерживания и селективности.

Например, в мицеллярном режиме удается элюировать с октадецилсиликагеля антрацен с помощью подвижной фазы, содержащей всего 3% пропанола. В условиях обычной обращенно-фазовой хроматографии для этого требуется не менее 30% органического растворителя.

Применение мицеллярной хроматографии особенно выгодно при градиентном элюировании, Это связано с тем, что концентрация свободного поверхностно-активного агента в растворе почти постоянна, а увеличение элюирующей силы достигается за счет изменения концентрации мицелл.

В качестве мицеллообразователей наряду с ионогенными соединениями могут использоваться неионогенные поверхностно активные вещества (например, полиоксиэтилен-23-додеканол), а также цвиттерионные агенты, например, пропансульфонат додецилметиламмония.