Chromatografia jonowa i techniki pokrewne – wczoraj, dziś i jutro

Stosowanie różnych odmian chromatografii jonowej oraz odpowiednich metod przygotowania próbek do analizy pozwoliło rozszerzyć jej zastosowania na oznaczanie praktycznie wszystkich substancji jonowych oraz takich, które mogą tworzyć formy jonowe po reakcji derywatyzacji przed- lub zakolumnowej, a także wielu grup związków organicznych (m.in. kwasy karboksylowe, aminy, węglowodany) [13-15].

Zasadniczym problemem w powstaniu chromatografii jonowej był fakt, że „uniwersalny” w IC detektor konduktometryczny nie odróżnia przewodnictwa jonów eluentu od przewodnictwa jonów analitu. Trudności te pokonano dopiero w połowie lat 70. XX wieku, wprowadzając do układu dodatkową kolumnę (tzw. „kolumnę tłumienia”), której zadaniem było obniżanie przewodnictwa eluentu wobec przewodnictwa rozdzielanych jonów. Rozwiązanie to było początkowo stosowane w pierwszych chromatografach jonowych i dopiero wprowadzenie w połowie lat 80. minionego wieku supresorów mikromembranowych spowodowało wycofanie z użycia kolumn tłumienia [16]. O efektywności rozdzielania decydują w znacznym stopniu właściwości fazy stacjonarnej. Te stosowane w chromatografii jonowej można podzielić na wymieniacze jonowe nieorganiczne (naturalne i syntetyczne) oraz wymieniacze organiczne (naturalne, półsyntetyczne i syntetyczne). W szczególności można wyróżnić: polimery organiczne, w tym: kopolimery styrenu/diwinylbenzenu (PS/DVB), kopolimery etylenodiwinylobenzenu i diwinylobenzenu (EVB/DVB), polimery polimetakrylanowe i poliwinylowe, wymieniacze w postaci aglomeratów, wymieniacze na bazie krzemionki i inne (m.in. etery koronowe, fazy kryptandowe) [17]. Pomiary przewodnictwa właściwego są najczęściej stosowaną metodą detekcji w chromatografii jonowej, ponieważ jest ona czuła dla wszystkich zdysocjowanych składników. W zakresie niskich stężeń przewodnictwo to jest liniową funkcją stężenia jonów. Rutynowe stosowanie detektora konduktometrycznego w IC było pierwszym przypadkiem stosowania tej metody detekcji w chromatografii cieczowej. Inne detektory stosowane w chromatografii jonowej to m.in. detektory: UV/Vis, amperometryczne, fluorescencyjne, chemiluminescencyjne czy spektrometrii mas [18].

Najważniejsze zalety chromatografii jonowej to: możliwość jednoczesnego oznaczania kilkunastu jonów w krótkim czasie (około 15 minut), granice wykrywalności i oznaczalności na poziomie μg/L, niewielka ilość próbki potrzebna do analizy, możliwość stosowania różnych detektorów, prosty sposób przygotowania próbek, możliwość jednoczesnego oznaczania kationów i anionów lub jonów organicznych i nieorganicznych oraz oznaczanie jonów tego samego pierwiastka na różnych stopniach utlenienia (analityka specjacyjna) [19, 20]. Dzięki tym zaletom chromatografia jonowa szybko stała się metodą referencyjną i jest rekomendowana w wielu normach krajowych i międzynarodowych [21, 22]. Chromatografia jonowa była przedmiotem porównań z metodami elektroforezy kapilarnej [23]. Pomimo pewnych różnic technologicznych i aplikacyjnych są to metody komplementarne.

IC dzisiaj

Zaznaczony w tytule podział niniejszego opracowania na to, co było, jest i być może będzie w IC, jest czysto umowny. Wiele wydarzeń przenika się i trudno określić precyzyjnie ich ramy czasowe. Chromatografia jonowa, stosowana początkowo przede wszystkim do analiz wód i ścieków, obecnie obejmuje znacznie szerszy zakres i dotyczy on m.in.: badań próbek środowiskowych, przemysłu półprzewodników, metalurgicznego i energetycznego, produkcji żywności, kosmetyków i przedmiotów codziennego użytku, a także rolnictwa czy badań biomedycznych, klinicznych i farmaceutycznych [24].

Kluczowym elementem każdej analizy jest przygotowanie próbki. Większość próbek badanych metodą IC to próbki o nieobciążonej matrycy (wody do picia, wody opadowe). Tego rodzaju próbki nie wymagają stosowania dodatkowych czynności, poza ich przesączeniem za pomocą sączka o wymiarach porów (np. 0,45 μm) w celu usunięcia cząstek stałych. Ścieki najczęściej również wymagają tylko sączenia, ewentualnie rozcieńczenia wodą dejonizowaną w celu uzyskania właściwego zakresu stężeń analitów [25]. Ogólnie metody przygotowania próbek w metodach chromatograficznych, w tym w IC, można podzielić ze względu na stan skupienia próbki na [26]:

1. próbki ciekłe (filtracja, rozcieńczanie, zmiana pH, dodawanie wzorców, derywatyzacja, ekstrakcja ciecz – ciecz, ekstrakcja do fazy stałej, destylacja, mikrodyfuzja, techniki membranowe),
2. próbki stałe (suszenie, homogenizacja, rozpuszczanie, ekstrakcja/wymywanie, trawienie, spalanie),
3. próbki gazowe (absorpcja w roztworach, absorpcja na nośnikach stałych, pobieranie z wykorzystaniem membran).

W porównaniu do stanu z końca ubiegłego wieku obecnie stosowane metody przygotowania próbek są zazwyczaj szybsze, bardziej efektywne, przyjazne dla użytkowania i środowiska, a także łatwiejsze do automatyzacji i miniaturyzacji [27].

O ile zastosowanie chromatografii jonowej do analizy anionów wynikało z wielu zalet w porównaniu do dotychczas stosowanych metod klasycznych, o tyle jej zastosowanie do analizy kationów było początkowo ograniczone ze względu na z powodzeniem stosowane do tego celu metody kolorymetryczne, potencjometryczne oraz przede wszystkim metody spektrometrii absorpcyjnej. Przewagą IC jest przede wszystkim możliwość jednoczesnego oznaczania jonów amonowych wraz z kationami metali grupy I i II [28], a także analiza specjacyjna [29]. Formalnie od początków istnienia chromatografia jonowa była stosowana w analizie specjacyjnej do jednoczesnego rozdzielania i oznaczania m.in. anionów: NO₂^–/NO₃^– [30] czy SO₃^2-/SO₄^2-. Obecnie jest to najważniejsza metoda analizy nieorganicznych ubocznych produktów dezynfekcji wód (BrO₃^–; ClO₂^–/ClO₃^–/ClO₄^–) [31, 32] oraz jonowych form metali i metaloidów [33]. Minionych kilkanaście lat to okres szybkiego rozwoju tzw. technik łączonych, opartych na chromatografii jonowej. Najpopularniejsze z nich to: IC-ICP-MS (ang. ion chromatography – inductively coupled plasma – mass spectrometry), IC-ICP-OES (ang. ion chromatography – inductively coupled plasma – optical emission spectrometry) oraz IC-MS (ang. ion chromatography – mass spectrometry) [34]. Techniki łączone stwarzają ogromne, nieznane dotychczas możliwości, a ich główne zalety to: ekstremalnie niskie granice wykrywalności i granice oznaczalności, znikomy wpływ czynników przeszkadzających w oznaczeniach oraz bardzo dobra dokładność i powtarzalność oznaczań [35].

Czytaj także: Oznaczanie węglowodanów w produktach spożywczych techniką chromatografii jonowej