Chromatografia jonowa i techniki pokrewne – wczoraj, dziś i jutro

IC jutro

W laboratoriach na całym świecie codziennie wykonuje się miliony analiz nieorganicznych i organicznych anionów i kationów w próbkach wód i ścieków, a także w próbkach stałych i gazowych po ich odpowiednim przygotowaniu. Jest to konieczne przede wszystkim ze względu na obowiązujące regulacje. Niestety, działania te wciąż generują duże koszty, w tym środowiskowe, co jest związane ze skalą badań, stosowaniem odczynników chemicznych, powstającymi odpadami i zużytą energią. Dlatego coraz częściej zwraca się uwagę na proekologiczne aspekty IC [36].

Chromatografia jonowa w minionych latach uzyskała wysoki poziom technologiczny [37]. Postępy w IC są związane przede wszystkim z wprowadzaniem bardziej selektywnych faz stacjonarnych, nowych technologii supresji, bardziej czułych metod detekcji, a także kapilarnej [38] i wielowymiarowej IC [39]. Wprowadzanie nowych rozwiązań w zakresie supresji przyczynia się do poprawienia granic wykrywalności analitów, poszerzenia zakresu roboczego, możliwości stosowania bardziej stężonych eluentów i większych objętości próbek wprowadzanych do kolumny, a także możliwości prowadzenia elucji gradientowej, wyeliminowania piku systemowego oraz skrócenia czasu doprowadzenia układu do stanu równowagi. Wprowadzenie kapilarnej chromatografii jonowej do praktyki laboratoryjnej przyniosło wiele korzyści. Należą do nich: wyższa wydajność laboratoryjna (szybsze uzyskiwanie stabilności systemu), możliwa elucja izokratyczna i gradientowa, wyższa czułość oznaczania przy mniejszej objętości próbki, 100-krotny wzrost absolutnej czułości w porównaniu do kolumn tradycyjnych (4 mm), niższy koszt użytkowania i, co szczególnie istotne w kontekście zielonej chemii analitycznej, niższe zużycie eluentu i minimalizacja ilości wytwarzanych odpadów [40]. Kolejny „zielony” aspekt chromatografii jonowej to zminiaturyzowane systemy, które wymagają mniej materiałów eksploatacyjnych, wytwarzają mniej odpadów, a zużycie energii jest znacznie mniejsze w porównaniu do pełnowymiarowych systemów laboratoryjnych. Często można je przenieść do miejsca pobierania próbek, umożliwiając analizę „on situ” lub „online”. To znacznie zmniejsza koszty wykonania analizy i przyspiesza uzyskiwanie wyników.

Do największych producentów sprzętu i akcesoriów do chromatografii jonowej należą firmy Dionex (Sunnyvaley, Kalifornia, USA, obecnie stanowi część firmy Thermo Fischer Scientific) oraz Metrohm (Herisau, Szwajcaria). Udział w rynku chromatografii jonowej innych firm takich jak Shimadzu, Cecil Instruments, Yokogawa Analytical, Waters czy Agilent jest niewspółmiernie mniejszy. W tab. 2 zestawiono „uśrednione” najlepsze parametry współcześnie dostępnych chromatografów jonowych.

Co roku pojawiają się nowsze modele przyrządów, jak i poszerza się baza akcesoriów chromatograficznych. Jaka będzie przyszłość chromatografii jonowej? Tego nikt nie wie, ale biorąc pod uwagę to, co dzieje się w ostatnich latach, w tym zakresie można spodziewać się dalszych prac związanych z nowymi, bardziej selektywnymi i dedykowanymi fazami stacjonarnymi, bardziej efektywnymi metodami przygotowania próbek do analizy, lepszymi granicami wykrywalności i oznaczalności jonów, większą dostępnością chromatografii kapilarnej, wielowymiarowej i technik łączonych, rozszerzeniem zakresu analiz o nowe substancje, wykorzystaniem różnych odmian chromatografii jonowej w badaniach z zakresu biologii molekularnej i genetyki (genomika, proteomika, metabolomika, transkryptomika), opracowaniem nowych metod standardowych, nowymi metodami detekcji oraz miniaturyzacją urządzeń. Co z tego się spełni, okaże się w najbliższych latach. Istotna jest współpraca pomiędzy nauką a przemysłem, ponieważ zmieniają się proporcje finansowania w tych sektorach. Za kluczowe uważam szkolenie nowych kadr i edukację w zakresie metod separacyjnych, tak aby wróciły one na należne miejsce, a nie były tylko dla wielu operatorów „czarną skrzynką” produkującą wyniki.

Piśmiennictwo

1. Witkiewicz Z., Kałużna-Czaplińska M.: Podstawy chromatografii i technik elektromigracyjnych. Warszawa 2019, WN-T.
2. Buszewski B., Dziubakiewicz E., Szumski M.: Techniki elektromigracyjne. Teoria i praktyka. Warszawa 2012, Malamut.
3. Michalski R.: Chromatografia jonowa. Warszawa 2020, PWN.
4. Michalski R.: Chromatografia jonowa – zalety i ograniczenia. „Laboratorium – Przegląd Ogólnopolski”, 2005, 3, 27-31.
5. Michalski R.: Chromatografia jonowa – uwagi użytkownika. „Laboratorium – Przegląd Ogólnopolski”, 2005, 3, 31-35.
6. Michalski R.: Trendy rozwojowe w chromatografii jonowej. „Laboratorium – Przegląd Ogólnopolski”, 2008, 9, 16-21.
7. Michalski R.: Metody przygotowania próbek w chromatografii jonowej, „Laboratorium – Przegląd Ogólnopolski”, 2005, 4, 23-25
8. Small H., Bowman B.: Ion chromatography: A historical perspective. „Am Lab”, 1998, 10, 1-8.
9. Small H., Stevens T.S., Bauman W.C.: Novel ion exchange chromatographic method using conductometric detection. „Anal Chem”, 1975, 47, 1801-1806.
10. Witkiewicz Z., Śliwka E.: Chromatografia i techniki elektromigracyjne – słownik pięciojęzyczny. Warszawa 2015, WNT.
11. Buszewski B., Noga S.: Hydrophilic interaction liquid chromatography (HILIC) – a powerful separation technique. „Anal Bioanal Chem”, 2012, 402, 231-247.
12. Paull B., Michalski R.: Ion Chromatography Principles and Applications. [In:] Worsfold P., Poole C., Townshend A., Miró M.: Encyclopedia of Analytical Science. London 2019, Elsevier Health Sciences, 178-189.
13. Michalski R., Pecyna-Utylska P., Kernert J.: Ion Chromatography and Related Techniques in the Carboxylic Acids Analysis. „Critical Reviews in Analytical Chemistry”, 2020, 549-564.
14. Michalski R., Pecyna-Utylska P., Kernert J.: Analysis of the ammonium ions and biogenic amines content by ion chromatography. Review. „Journal of Chromatography A”, 2021, 1651.
15. Cataldi T.R.I., Campa C., Benedetto G.E.: Carbohydrate analysis by high-performance anion-exchange chromatography with pulsed amperometric detection: The potential is still growing. „Fres J Anal Chem”, 2000, 368, 739-758.
16. Michalski R.: Zjawisko supresji w chromatografii jonowej. „Laboratorium – Przegląd Ogólnopolski”, 2005, 6, 26-31.
17. Weiss J., Jensen D.: Modern Stationary Phases for Ion Chromatography. „Anal Bioanal Chem”, 2003, 375, 81-98.
18. Saubert A.: Theory, principles and applications of advanced detection techniques in ion chromatography. [In:] Metrohm: Advanced detection techniques in ion chromatography. Monograph, 2008.
19. Michalski R.: Chromatografia jonowa – nowoczesna metoda w analityce specjacyjnej nieorganicznych jonów. „Analityka”, 2007, 1, 35-40.
20. Michalski R., Łyko A., Jabłońska M., Szopa S.: Zastosowania chromatografii jonowej w analityce specjacyjnej wybranych pierwiastków. [W:] Voekel A., Wasiak W. (red.): Chromatografia w praktyce. Wyd. Politechniki Poznańskiej, 2011, 33-42.
21. Michalski R.: Przegląd metod ISO wykorzystujących chromatografię jonową do badania jakości wód i powietrza. „Laboratorium – Przegląd Ogólnopolski”, 2005, 2, 24-30.
22. Michalski R.: Ion Chromatography as a Reference Method for The Determination of Inorganic Ions in Water and Wastewater. „Crit Rev Anal Chem”, 2006, 36, 107-127.
23. Haddad P.R.: Comparison of Ion Chromatography and Capillary Electrophoresis for the Determination of Inorganic Anions. „J Chromatogr A”, 1997, 770, 281-290.
24. Michalski R.: Zastosowania chromatografii jonowej w badaniach próbek medycznych, przemysłowych i spożywczych, „Laboratorium – Przegląd Ogólnopolski”, 2005, 5, 28-32.
25. Michalski R.: Ion Chromatography Applications in Wastewater Analysis. [In:] Special Issue of Separations (Open Access Separation Science Journal) entitled „Separation Techniques in Waste Water Treatment”, 2018, 5 (1), 16.
26. Liu M.J., Liu C.C., Fang G.Z., Wang S.: Advanced analytical methods and sample preparation for ion chromatography techniques. „RSC Adv”, 2015, 5, 58713-58726.
27. Frenzel W., Michalski R.: Sample Preparation Techniques for Ion Chromatography. [In:] Michalski R.: Application of IC-MS and IC-ICP-MS in Environmental Research. New Jersey 2016, John Wiley & Sons, Inc., 210-266.
28. Michalski R.: Application of ion chromatography for the determination of inorganic cations. „Critical Reviews in Analytical Chemistry”, 2009, 39/4, 230-250.
29. Michalski R., Jabłońska M., Szopa S.: Role and Importance of Hyphenated Techniques in Speciation Analysis. [In:] Bakirdere S.: Speciation Studies in Soil, Sediment and Environmental Samples. 2013, Science Publishers/CRC Press/Taylor&Francis Group, 242-262.
30. Michalski R., Kurzyca I.: Determination of Nitrogen Spiecies (Nitrate, Nitrite and Ammonia Ions) in Environmental Samples by Ion Chromatography (Review). „Polish Journal of Environmental Studies”, 2006, 15, 5-18.
31. Michalski R., Łyko A.: Bromate Determination. State of The Art. „Critical Reviews in Analytical Chemistry”, 2013, 43/2, 100-122.
32. Michalski R.: Oznaczanie ubocznych nieorganicznych produktów dezynfekcji wód. „Laboratorium – Przegląd Ogólnopolski, Wydanie specjalne – Woda”, 2005, 22-24.
33. Michalski R., Jabłońska M., Szopa S., Łyko A.: Application of ion chromatography with ICP-MS or MS detection to the determination of selected halides and metal/metalloids species. „Critical Reviews in Analytical Chemistry”, 2011, 41, 2, 133-150.
34. Michalski R.: Application of IC-MS and IC-ICP-MS in Environmental Research. New Jersey 2016, John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, 1-269.
35. Michalski R.: Hyphenated Methods Based on Separation Methods for Speciation Analysis. [In:] Encyclopedia of Analytical Chemistry. 2021, John Wiley & Sons, Inc. Hoboken.
36. Michalski R., Pecyna-Utylska P.: Ion Chromatography as a Part of Green Analytical Chemistry. „Archives of Environmental Protection”, 2020, 46, 3-9.
37. Wouters S., Haddad P.R., Eltink S.: System Design and Emerging Hardware Technology for Ion Chromatography. „Chromatographia”, 2017, 80, 689-704.
38. Yang B., Zhang F., Liang X.: Recent development in capillary ion chromatography technology. „Cent Eur J Chem”, 2012, 10, 472-479.
39. Johns C., Shellie R.A., Pohl C.A., Haddad P.R.: Two-dimensional ion chromatography using tandem ion-exchange columns with gradient-pulse column switching. „J Chromatogr A”, 2009, 1216, 6931-6937.
40. Michalski R., Pecyna-Utylska P.: Green Aspects of Ion Chromatography Versus Other Methods in the Analysis of Common Inorganic Ions. „Separations”, 2021, 8, 235.

prof. dr hab. Rajmund Michalski
Instytut Podstaw Inżynierii Środowiska PAN, Zabrze