Основные составляющие ионной хроматографии

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

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.

1. 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».

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.

Следует подчеркнуть следующие достоинства 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.

2. 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 (до 1 нг/мл без предварительного концентрирования;

- высокая селективность и экспрессность;

- малый объем анализируемой пробы (не более 2 мл образца);

- широкий диапазон определяемых концентраций (от 1 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.

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 последние работы были опубликованны е в 1852 и 1855 гг.

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".

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 е? от классического ионного обмена.

В ионной хроматографии применяются следующие принципы разделения:

• Ионный обмен.

• Образования ионных пар.

• 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.

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.

Ионообменные равновесия.

Ионообменный процесс представляет собой гетерогенную обратимую химическую реакцию.

Реакцию обмена двух однозарядных катионов М1+ и М2+ с участием сульфокислотного катионита (R-SO3-M+, где R - матрица ионообменника; SO3- - функциональная ионогенная группа; М+ - противоион) можно записать следующим образом:



Константа равновесия этой реакции (константа ионного обмена) имеет вид:

Здесь - равновесные концентрации ионов М1+ и М2+ в фазе ионита; [М1+] и [М2+] - равновесные концентрации ионов в растворе.

Константа ионного обмена характеризует способность ионообменника к обмену с теми или иными ионами из раствора. Если , то ион

, находящийся в растворе, имеет большее сродство к иониту, чем ион . Направление процесса ионного обмена меняется , если М1+ сорбируется лучше по сравнению с ионом М2+. При

сродство ионов М1+ и М2+ к катиониту одинаковое.

Если обмениваются ионы, имеющие разные заряды (Z), константа ионного обмена равна:

При обмене ионов равного заряда отношение между концентрациями этих ионов практически не меняется с разбавлением раствора. В более разбавленных растворах ионы с большой величиной заряда сильнее удерживаются ионитом. [6]

Этот эффект успешно используют для умягчения воды. Разбавленные растворы кальциевых и магниевых солей (жесткая вода) пропускают через колонку с катионитом в Na+ - форме. Низкая концентрация ионов Са2+ и Mg2+ благоприятствует их сорбции катионитом. В процессе регенерации ионита пропускают достаточно концентрированный раствор NaCl;, при этом ионы Са2+ и Мg2+ вытесняются из фазы катионита. Такие процессы применяют в химическом анализе, чтобы разделить ионы разного заряда, и для избирательного концентрирования следовых количеств ионов из разбавленных растворов. Порядок селективности на сульфокатионитах (R-SO3-Н+) следующий. Наиболее сильногидратированный ион Li+ слабо удерживается ионитом, а для наименее гидратированного иона Cs+ характерна значительная сорбция: Li+< H+<Na+< K+<Rb+<Cs+.

Для карбоксильных катионитов (R-COO-H+) порядок сродства обратный, причем существенное влияние на избирательность сорбции оказывает степень нейтрализации -СООН -групп (т.е. величина рН анализируемого раствора).

Для сорбции на сильнокислотных катионитах двухзарядных катионов щелочноземельных элементов (Мg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+) наблюдается такая же закономерность, что и для однозарядных катионов.

Сложнее сравнивать сродство ионов, имеющих различные заряды, т.к. при разбавлении раствора ионообменное равновесие смещается.

Для анионов такой вывод применять на практике сложнее. Известен следующий сорбционный ряд при использовании сильноосновных анионообменников (R-N+(CH3)3OH-): F-< OH-<Cl-<Br-< I-< SCN-< ClO4-.

Повышенной сорбцией характеризуются анионы сильных кислот с большим ионным радиусом и имеющие наименьший заряд. Чем больше размеры иона, тем в большей степени разрушается структура воды. Ионы с высоким зарядом и основным характером препятствуют такому процессу, поскольку они образуют водородные связи с молекулами воды или вступают в реакции гидролиза.

Таким образом, на ионообменное равновесие влияют многие факторы и количественная теория рассматривает доминирующие процессы с учетом конкурирующих реакций кислотно-основного взаимодействия и комплексообразования, термодинамических характеристик гидратации ионов, а также особенностей состава и структуры ионита.

Хроматографические параметры удерживания.

Форма хроматографического пика и время (объем) удерживания зависят от типа изотермы ионного обмена. На рис. 4 представлены формы хроматографических пиков и зависимости удерживаемого объема (VR) от концентрации определяемого иона для различных типов изотерм ионного обмена.

Рис. 4. Форма хроматографического пика и зависимость удерживаемого объема (VR) от концентрации определяемого иона для различных типов изотерм ионного обмена

В случае линейной изотермы пик симметричен, а объем удерживания не зависит от концентрации определяемого иона. Для выпуклой изотермы хроматографический пик имеет асимметричную форму с размытым задним фронтом (тылом); объем удерживания уменьшается с увеличением концентрации определяемого иона. Обратная картина наблюдается для вогнутой изотермы. В этом случае размыт передний фронт хроматографического пика и объем удерживания увеличивается. Из вышесказанного следует, что концентрации определяемых ионов должны находиться в области линейной изотермы ионного обмена.

На рис. 5 представлена хроматограмма смеси двух веществ. По оси абсцисс отложено время хроматографирования (t), по оси ординат - величина сигнала детектора (I), зависящая от концентрации веществ в растворе (элюате), вытекающем из колонки.

Рис. 5. Хроматограмма смеси двух веществ, полученная элюентным методом

Время от момента ввода анализируемой пробы до регистрации максимума пика называют временем удерживания (элюирования) tR.

Время удерживания складывается из двух составляющих - времени пребывания вещества в подвижной (tп.ф.) - и неподвижной (tн.ф.) фазах: tR = tп.ф. + tн.ф.. Величина tп.ф равна времени прохождения через колонку несорбируемого компонента (tп.ф.= t0).

Время удерживания tR зависит от природы вещества и сорбента, а также упаковки сорбента и может меняться от колонки к колонке.

Поэтому для характеристики "истинной" удерживающей способности следует ввести приведенное время удерживания tR/:

tR/ = tR - t0.

Для характеристики удерживания часто используют понятие удерживаемого объема VR. Он равен объему подвижной фазы, который необходимо пропустить, чтобы элюировать вещество:

VR = tR·F,

где F - объемная скорость потока элюента.

Vп.ф. (или V0) включает в себя объем колонки, незанятый сорбентом, объем коммуникаций от устройства ввода пробы до колонки и от колонки до детектора. Исправленный (приведенный) удерживаемый объем равен:

VR/ = VR - V0.

При постоянных условиях хроматографирования (скорость потока элюента, состав фаз, давление, температура) значения tR и VR достаточно хорошо воспроизводимы и могут быть использованы для идентификации веществ. Безразмерный числовой параметр k - фактор удерживания позволяет провести сравнение различных хроматографических систем. Этот параметр дает информацию о том, насколько дольше вещество находится в сорбенте, чем в подвижной фазе:

k = tR/ / t0.

Вспомогательными параметрами, используемыми при количественной обработке хроматограмм, являются ширина пика на половине высоты (полуширина пика) щ0.5 или ширина пика в любой другой точке высоты, например, ширина в точке перегиба -2у (рис. 6).



Рис. 6. К определению количественных параметров хроматографического пика. Выходная хроматографическая кривая (хроматограмма)

хроматография ионообменный химический гетерогенный

В количественном хроматографическом анализе измеряемыми величинами является площадь пика А - участок выходной хроматографической кривой, ограниченной контуром BCDEF (ветвями пика) и продолжением нулевой (базовой) линии BF. Кроме этого, высота пика h - отрезок GD, отвечающий максимальной амплитуде сигнала детектора (перпендикуляр, восстанавливаемый от продолжения базовой линии BF к вершине пика).

В хроматографическом анализе следует стремиться к получению хроматограмм с гауссовыми пиками. Сам факт асимметричности хроматографической полосы свидетельствует о нелинейной изотерме сорбции, что может служить причиной недостаточно полного разделения соседних зон и, как следствие, меньшей точности результатов количественного анализа.

Для определения принадлежности формы хроматографического пика к гауссовой можно использовать отнесение ширины пика при основании к полуширине пика. Для истинно гауссовых пиков должно соблюдаться равенство:

щосн=1.698щ0.5.

В первом приближении можно считать пик гауссовым, если численное значение отношения находится в пределах 1.67-1.73.

Селективность разделения.

Любой процесс распределения вещества между двумя фазами характеризуется коэффициентом распределения D:

D = Сн.ф. / Сп.ф.,

где Сн.ф. и Сп.ф. - концентрации вещества в неподвижной и подвижной фазах соответственно.

Объем удерживания вещества (иона) связан с его коэффициентом распределения уравнением:

VR = D·Vн.ф. + V0,

где Vн.ф. - объем неподвижной фазы (ионита).

Учитывая формулу, получаем:

VR/ = D·Vн.ф.

Уравнения являются основными уравнениями равновесной хроматографии. Они показывают, что объем или время удерживания иона пропорциональны его коэффициенту распределения и объему ионита; чем выше коэффициент распределения иона, тем меньше скорость его перемещения по колонке.

Селективность является мерой взаимного распределения двух или более определяемых веществ (аналитов) в ходе хроматографического процесса. Хроматографическое разделение основывается на селективности сорбента и термодинамических свойствах аналитов по отношению к хроматографическойсистеме. Таким образом, селективность является мерой относительного удерживания или относительной подвижности двух веществ.

Различие во временах удерживания можно представить как расстояние между центрами хроматографических полос, что соответствует величине ДV.

ДV = V2 - V1 = (D2·Vн.ф. + V0) - (D1·Vн.ф. + V0) = (D2 - D1)·Vн.ф.

Таким образом, селективность зависит от различия коэффициентов распределения определяемых веществ. Если D1 = D2, то хроматографическое разделение невозможно.

Фактор удерживания (емкости) (k) зависит от произведения коэффициента распределения (D) и фазового объемного отношения:

k = D·Vн.ф. / Vп.ф.,

где Vн.ф. / Vп.ф. - фазовое объемное отношение.

Фазовое отношение зависит от типа (набивная, капиллярная) колонки, е? диаметра, площади поверхности, пористости сорбента и других факторов.

При малых величинах k вещество элюируются близко к t0 или в объеме V0хроматографической системы. Если величина k большая, это означает, что пик становится широким. На практике приемлемый диапазон изменяется 1 ? k ? 5.

Два вещества будут разделяться, если фактор разделения (б) > 1. Его вычисляют по уравнению:

б = tR/(2) / tR/(1) = k1 / k2 = D2 / D1.

Если б = 1, тогда в данной хроматографической системе отсутствует термодинамическое различие в сорбционных характеристиках обоих компонентов и их нельзя разделить.

Время удерживания (tR) и фактор разделения (б) относятся к равновесным характеристикам хроматографического процесса, поскольку положения максимумов пиков определяются только равновесными свойствами системы. Следует отметить, что величина б не зависит от скорости потока элюента и размеров колонки и поэтому является более фундаментальной характеристикой сорбентов и компонентов смеси по сравнению со временем удерживания. На фактор разделения влияют лишь те параметры, которые изменяют коэффициент распределения (D): природа растворенного вещества, а также подвижной и неподвижной фаз.

Разрешение хроматографических пиков и эффективность колонки.

Фактор разделения (б) не описывает качество разделительного процесса.

Разрешение двуххроматографических пиков (Rs) принимает во внимание не только места их расположения, но и учитывает величины ширины пиков щ1 и щ2:

Rs= 2(tR2- tR1) / (щ1+ щ2).

Если различие времен удерживания двух пиков сравнительно большое, а ширина оснований (щ1+ щ2) мала, тогда разрешение пиков хорошее. Два вещества могут быть идентифицированы, если для них Rs= 0.5. Для удовлетворительного разделения Rs должно быть равно 1 (4у - разделение; 4у -ширина основания гауссового пика). При выполнении количественного анализа стремятся к разрешениям Rs от 1.2 до 1.5. Величины Rs? 2 (8у - разрешение) следует избегать из-за большой продолжительности анализа.

Немаловажным фактором в хроматографии является эффективность хроматографической системы. Под эффективностью понимают е? способность препятствовать размыванию пиков. Для объяснения такого процесса используют теорию теоретических тарелок и кинетическую теорию.

Теоретическая тарелка - это гипотетическая зона, высота которой соответствует достижению равновесного состояния между двумя фазами. Чем больше теоретических тарелок в колонке, т.е. чем больше число раз устанавливается равновесие, тем эффективнее колонка. Количественной мерой эффективности является число теоретических тарелок N и высота Н, эквивалентная теоретической тарелке (ВЭТТ):

N = (tR/ у)2= 16·(tR/ щосн.)2= 5.54·(tR/ щ0.5)2.

H = L / N,

где L - длина колонки, t,

R - время удерживания, у - стандартное отклонение гауссова пика,

щ0,5 - ширина пика на половине высоты,

щосн - ширина пика при основании.

В случае высокоэффективной колонки размывание хроматографического пика небольшое, пики узкие. В идеальном случае Н приближается к диаметру (d) зерна сорбента. Чтобы сравнить эффективность двух колонок, лучше использовать приведенную высоту тарелки: h = H/d. При уменьшении величины Н максимумы хроматографических пиков становятся более острыми.

Таким образом, теория теоретических тарелок дает возможность сравнить эффективность различных колонок, оценить качество сорбента и заполнения колонок. Однако эта теория не позволяет выяснить зависимость N и Н от скорости потока элюента, природы и зернения сорбента. Кроме того, позволяет выяснить природу факторов, вызывающих размывание.

Размещено на Allbest.ru

...