Historia, stan obecny i perspektywy rozwojowe chromatografii jonowej

Chromatograf jonowy użytkowany w prawidłowy sposób przez doświadczonego i świadomego jego zalet i ograniczeń analityka powinien stanowić bardzo ważny i wydajny element systemu analitycznego w laboratoriach kontrolno-pomiarowych, jak i naukowo-badawczych.

W roku 1903 urodzony we Włoszech Michaił Siemionowicz Cwiet (z matki Włoszki i ojca z Ukrainy), pracując w Katedrze Botaniki Uniwersytetu Warszawskiego, rozdzielił barwniki roślinne, wykorzystując zjawisko adsorpcji w kolumnie wypełnionej różnymi substancjami (m.in. węglanem wapnia). Po ekstrakcji za pomocą różnych rozpuszczalników uzyskiwał wyraźnie rozdzielone kolorowe strefy. W celu opisania tej metody greckimi słowami oznaczającymi „barwę” (grec. κρωμα) i „zapis” (grec. γραφω) utworzył nowe słowo – „chromatografia” – oznaczające dosłownie „zapisywanie barw” [1]. Cwiet zmarł w roku 1919 w Woroneżu (Rosja) i gdyby jeszcze za jego życia odkrycie to zostało docenione, zapewne zostałby laureatem Nagrody Nobla. Niestety tak się nie stało, ale metody chromatograficzne ze względu na możliwości szybkiego rozdzielania i oznaczania analitów, także w próbkach o złożonych matrycach, należą obecnie do najbardziej rozpowszechnionych metod instrumentalnych w chemii analitycznej. Są one powszechnie stosowane zarówno na skalę preparatywną, jak i analityczną, a chromatografy gazowe i cieczowe są najbardziej rozpowszechnionymi na świecie przyrządami analitycznymi. W związku z tym zastanawiano się, jak wykorzystać tak efektywne, często zautomatyzowane techniki chromatograficzne także do oznaczania substancji nieorganicznych, szczególnie występujących w formie jonowej. Wiele metod stosowanych w analizie jonów (metody wagowe, miareczkowe, spektrometryczne, elektrolityczne i inne) jest wprawdzie tanich i łatwo dostępnych, jednak charakteryzują się wysoką pracochłonnością i często koniecznością stosowania dużych ilości drogich, a nawet toksycznych odczynników, co w obecnych proekologicznych czasach jest niewątpliwie ich dużą wadą. To było główną przyczyną powstania chromatografii jonowej. Wpływ chromatografii na rozwój nauki jest niepodważalny, a za prace związane z metodami chromatograficznymi wielokrotnie przyznawano Nagrody Nobla. Polscy uczeni mieli i mają znaczący wkład w rozwój metod i technik chromatograficznych. Spośród wielu ważnych postaci warto w tym miejscu wymienić m.in. profesorów: Andrzeja Waksmundzkiego, Zdzisława Suprynowicza, Edwarda Soczewińskiego, Zygfryda Witkiewicza, Bogusława Buszewskiego, czy twórcę chromatopolarografii prof. Wiktora Kemulę. W zakresie wymiany jonowej swój niepodważalny wkład mają m.in. prof. Zbigniew Hubicki i Rajmund Dybczyński.

Historia chromatografii jonowej

Tytuł niniejszego opracowania miał początkowo brzmieć 50 lat chromatografii jonowej. Większość z osób zajmujących się różnymi metodami i technikami separacyjnymi na pytanie „Od kiedy istnieje chromatografia?”odpowie, że to dokładnie 122 lata, mając na myśli okrycie Cwieta, lub 50 lat, jeśli chodzi o chromatografię jonową. A gdyby tak sięgnąć dalej, dużo dalej w historię….

Jedne z pierwszych informacji dotyczących wymiany jonowej zostały opisane w Piśmie Świętym [2]. Dotyczą one historii, kiedy to Mojżesz z Izraelitami po przekroczeniu Morza Czerwonego znalazł wodę nienadającą się do picia. Ponieważ była gorzka, Pan Bóg wskazał mu kawałek drewna, które po wrzuceniu go do wody uczyniło ją zdatną do spożycia. Z kolei w drugiej Księdze Królewskiej w akapicie „Cuda Elizeusza” tak napisano o zatrutej strawie „Gdy tylko skosztowali polewki, krzyknęli – Śmierć jest w kotle, mężu Boży! I nie mogli jeść. On zaś powiedział – Przynieście więc mąki. I wsypał ją do kotła, mówiąc – Rozlej ludziom i niech jedzą. I już nie było nic trującego w kotle”. Logicznym wytłumaczeniem tych zjawisk jest wymiana jonowa.

Naukowo zjawisko wymiany jonowej zostało opisane 170 lat temu w publikacji dotyczącej filtracji roztworów soli metali grupy 1 i 2 układu okresowego przez różnego rodzaju gleby zawierające glinokrzemiany [3]. W roku 1917 Folin i Bell [4] opisali wykorzystanie wymieniaczy jonowych do oznaczania amoniaku w moczu. Jednym z twórców współczesnej chromatografii jonowej jest Hamish Small, który swoje pierwsze prace związane z chromatografią jonową prowadził w latach 50. ubiegłego wieku w Anglii w laboratoriach firmy Harwell AEC. Po powrocie do USA pod koniec lat 50. XX wieku wraz ze swoim zespołem z firmy Dow Physical Research Laboratory (Midland, USA) kontynuował badania nad możliwościami zastąpienia metodami chromatografii cieczowej klasycznych metod mokrych stosowanych do tej pory w analizie jonów. Intensywne badania nad zastosowaniem metod chromatograficznych do rozdzielania jonów metali były prowadzone w okresie II wojny światowej w ramach prac nad budową bomby atomowej (projekt „Manhattan”). Przełom nastąpił dopiero w roku 1971, kiedy to Small i jego współpracownicy opracowali chromatograficzną metodę oznaczania litu, sodu i potasu z zastosowaniem wymiany jonowej i detekcji konduktometrycznej. Zastosowali sulfonowany kopolimer styrenowo-diwinylobenzenowy (PS-DVB) o pojemności wymiennej około 0,02 mval/g. W tym czasie był to jedyny dostępny w handlu jonit stosowany w wysokosprawnej chromatografii cieczowej. Rozwijanie chromatogramu trwało ponad 2 godziny, niemniej zarówno rozdzielanie oznaczanych jonów, jak i czułość detekcji były zadowalające. Jak wspomina Small, to ważne, historyczne wydarzenie miało miejsce 9 listopada 1971 roku [5]. Po sukcesie w rozdzielaniu kationów kilka dni później wykorzystano tę samą metodę do rozdzielania anionów. Chromatografia jonowa, w której stosuje się wysokosprawne kolumny analityczne wypełnione jednorodnymi cząstkami o małych średnicach i najczęściej detekcję konduktometryczną, wywodzi się z chromatografii jonowymiennej. W porównaniu z klasyczną chromatografią jonowymienną chromatografia jonowa jest metodą wydajniejszą, szybszą, bardziej czułą i dającą bardzo dobrą powtarzalność uzyskiwanych wyników. Ze względu na zastosowania można stwierdzić, że chromatografia jonowa jest przede wszystkim metodą analityczną, a chromatografia jonowymienna metodą preparatywną. Najważniejsze różnice pomiędzy chromatografią jonowymienną i chromatografią jonową podano w tab. 1.

Zasadniczym problemem w powstaniu chromatografii jonowej był fakt, że „uniwersalny”, jak mogłoby się wydawać, detektor konduktometryczny nie odróżnia przewodnictwa jonów eluentu od przewodnictwa jonów analitu. Trudności te pokonano dopiero w połowie lat 70. XX w., 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 [6]. W połowie lat 70. metoda była już dopracowana na tyle, że firma Dow Chemicals sprzedała licencję na supresję konduktometryczną firmie Durrum Instruments, która wkrótce dla potrzeb komercyjnych zmieniła nazwę na Dionex, która obecnie jest częścią koncernu Thermo Fischer Scientific. We wrześniu 1975 r. ta ostatnia zdecydowała się przedstawić pierwszy komercyjny chromatograf jonowy (Dionex, Model 10) podczas zjazdu Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego. Rok 1975 oficjalnie uważany jest za rok powstania chromatografii jonowej, a praca Smalla i wsp. [7] za kamień milowy w rozwoju tej metody analitycznej.

Jak wspomniano powyżej, podstawową barierą w rozwoju chromatografii jonowej był brak możliwości rozróżniania przewodnictwa analizowanych jonów na tle wysokiego przewodnictwa fazy ruchomej. Stosowane do tego celu kolumny tłumienia wymagały systematycznej regeneracji, co wiązało się z koniecznością przerywania analiz, a ponadto charakteryzowały się niestabilnością linii zerowej i rozmywaniem pików oraz trudnościami z rozdzielaniem par jonów, takich jak m.in. Cl^–/NO₂^– czy Na⁺/NH₄⁺. Było to przyczyną poszukiwań nowych rozwiązań metodycznych i aparaturowych. Na przełomie lat 70. i 80. ubiegłego wieku Gjerde i wsp. [8] po raz pierwszy zastosowali układ do chromatografii jonowej pozbawiony kolumny tłumienia oraz eluenty o bardzo niskich przewodnictwach. Krótko po tych publikacjach nastąpiła szybka komercjalizacja chromatografii jonowej bez tłumienia przewodnictwa przez firmę Wescan Company, a nieco później Waters, Shimadzu, Metrohm i inne. Główną zaletą tej odmiany chromatografii jonowej było uproszczenie przyrządu, który nie musiał zawierać kolumny tłumienia lub supresora.

W roku 1981 firma Dionex wprowadziła na rynek pierwsze chromatografy jonowe, w których głowice pomp wykonano bez użycia części metalowych, co zdefiniowało różnice pomiędzy, jakby nie było, podobnymi przyrządami do IC i do HPLC. W początkowym okresie rozwoju chromatografii jonowej nie stosowano kwaśnych eluentów, a próbki o niskiej wartości pH rozcieńczano wodą przed analizą, tak, aby nie niszczyły głowic pomp i innych metalowych części w chromatografie. Obecnie wszystkie części chromatografu jonowego, z którymi bezpośredni kontakt ma eluent oraz analizowana próbka, są wykonywane w całości z tworzyw inertnych, takich jak np. keton polidieterowy. Polimer ten jest odporny chemicznie, reaguje wyłącznie ze stężonymi kwasami i wykazuje zmniejszoną odporność na działanie tylko niektórych rozpuszczalników organicznych, takich jak: dichlorometan, dimetylotlenosiarczek czy tetrahydrofuran.

W roku 1984 wprowadzono pierwsze oprogramowanie komputerowe do obsługi chromatografów, a pod koniec 1985 roku ulepszony supresor o większej niż dotychczas wydajności. Kolejne ważne wydarzenie miało miejsce w roku 1986, kiedy to wprowadzono supresor mikromembranowy, który umożliwiał zastosowanie elucji gradientowej. W efekcie nastąpiło rozszerzenie listy analizowanych anionów do praktycznie wszystkich substancji zdysocjowanych w zakresie pH od 0 do 14, w tym wielu związków organicznych. W roku 1990 firma Dionex wprowadziła na rynek autosupresory typu SRS, do regeneracji których potrzebna była tylko czysta woda. Był to pierwszy istotny krok do realizacji celu, jakim była zasada „Just Add Water”, czyli zminimalizowanie operacji związanych z przygotowaniem eluentów, co zwiększało zarówno bezpieczeństwo pracy z odczynnikami, jak i obniżało ryzyko popełniania błędów przy ich przygotowaniu. Jej efektem było opracowanie i pojawienie się na rynku automatycznych generatorów eluentów wprowadzonych do sprzedaży w roku 1998. W roku 1996 szwajcarska firma Metrohm wprowadziła na rynek, a w 2000 roku opatentowała supresor kolumnowy MSM z automatyczną regeneracją.

Czytaj także: Oznaczanie węglowodanów w produktach spożywczych techniką chromatografii jonowej