Historia, stan obecny i perspektywy rozwojowe chromatografii jonowej

Schemat chromatografu jonowego z kolumną analityczną oraz supresorem w wersji anionowymiennej i kationowymiennej oraz zachodzącymi w nich reakcjami wymiany jonowej przedstawiono na rys. 1.

Zasada działania chromatografu jonowego jest następująca. Eluent jest tłoczony ze zbiornika, w którym się znajduje, poprzez przedkolumnę do kolumny analitycznej, wypełnionej odpowiednim wymieniaczem jonowym. Za pomocą dozownika do strumienia eluentu wprowadzana jest próbka, której jony są rozdzielane w kolumnie analitycznej. Następnie (tylko w chromatografii jonowej z tłumieniem przewodnictwa) eluat kierowany jest do supresora (kolumny tłumienia), w którym w wyniku zachodzących reakcji wymiany jonowej jony eluentu tworzą słabo zdysocjowany kwas lub wodę, a jony analitu w postaci dobrze zdysocjowanych soli lub wodorotlenków trafiają do detektora konduktometrycznego. Sygnał z detektora jest rejestrowany w postaci piku chromatograficznego. Poniżej przedstawiono reakcje chemiczne zachodzące podczas procesu chromatograficznego na przykładzie rozdzielania anionów.

Jony analitu (np. F^– i Cl^–) wraz z jonami eluentu przechodzą przez kolumnę analityczną, w której zachodzą następujące reakcje wymiany jonowej:

jonit-N⁺HCO₃^– + Na⁺ + F^– ⇔ jonit – N⁺ F^– + Na⁺ + HCO₃^–

oraz

jonit-N⁺HCO₃^– + Na⁺ + Cl^– ⇔ jonit – N⁺ Cl^– + Na⁺ + HCO₃^–

W wyniku zróżnicowanego powinowactwa jonów analitu do fazy stacjonarnej następuje ich rozdzielanie i są one wymywane z kolumny analitycznej w różnych czasach retencji na tle słabo zdysocjowanego NaHCO₃. Następnie trafiają do supresora, w którym wymieniaczem jest sulfonowany kationit o dużej pojemności. Zachodzą w nim następujące reakcje chemiczne:

jonit-SO₃^–H⁺ + Na⁺ + HCO₃^– ⇔ jonit – SO₃^–Na⁺ + H₂CO₃

Jony eluentu NaHCO₃ w wyniku zachodzących reakcji zostają przeprowadzone w bardzo słabo zdysocjowany kwas węglowy. Jednocześnie jony analitu (F^– i Cl^–) w supresorze reagują zgodnie z równaniem:

jonit-SO₃^–H⁺ + Na⁺ + F^– ⇔ jonit – SO₃^–Na⁺ + H⁺ + F^–

oraz

jonit-SO₃^–H⁺ + Na⁺ + Cl^– ⇔ jonit – SO₃^–Na⁺ + H⁺ + Cl^–

W ten sposób w wyniku zachodzących reakcji wymiany jonowej w kolumnie analitycznej i w supresorze do detektora trafiają jony analitu w postaci silnie zdysocjowanych kwasów na tle słabo zdysocjowanego kwasu węglowego (lub wody w wypadku stosowania eluentu NaOH lub KOH). Uzyskany sygnał związany z przewodnictwem jonów analitu jest wystarczająco wysoki, aby za pomocą detektora konduktometrycznego zarejestrować piki rozdzielanych jonów na tle słabego sygnału związanego z przewodnictwem H₂CO₃ lub H₂O.

W wypadku rozdzielania kationów kolumna wypełniona jest wymieniaczem z grupami sulfonowymi, a eluentem jest np. wodny roztwór HCl. Jony analitu (np. Na⁺ i K⁺) wraz z jonami eluentu przechodzą przez kolumnę analityczną, w której zachodzą następujące reakcje wymiany jonowej:

jonit-SO₃^–H⁺ + Na⁺ + Cl^– ⇔ jonit – SO₃^–Na⁺ + H⁺ + Cl^–

oraz

jonit-SO₃^–H⁺ + K⁺ + Cl^– ⇔ jonit – SO₃^–K⁺ + H⁺ + Cl^–

W wyniku zróżnicowanego powinowactwa jonów analitu do fazy stacjonarnej następuje ich rozdzielanie i z kolumny analitycznej są wymywane w różnych czasach retencji jony analitu na tle silnie zdysocjowanego HCl. Następnie przechodzą one do supresora, w którym wymieniaczem jest anionit o wysokiej pojemności z czwartorzędowymi grupami amoniowymi jako grupami funkcyjnymi. Zachodzą w niej następujące reakcje wymiany jonowej:

jonit-N⁺OH^– + H⁺ + Cl^– ⇔ jonit – N⁺Cl^– + H₂O

W wyniku zachodzących reakcji powstaje woda, a jony analitu (Na⁺ i K⁺) reagują z wymieniaczem w supresorze zgodnie z równaniem:

jonit-N⁺OH^– + Na⁺ + Cl^– ⇔ jonit – N⁺Cl^– + Na⁺ + OH^–

oraz

jonit-N⁺OH^– + K⁺ + Cl^– ⇔ jonit – N⁺Cl^– + K⁺ + OH^–

W wyniku zachodzących reakcji w kolumnie analitycznej i w supresorze do detektora trafiają jony analitu w postaci silnie zdysocjowanych wodorotlenków na tle wody.

Chromatografia jonowa – stan obecny i perspektywy rozwojowe

Dobierając odpowiednie warunki rozdzielania, takie jak: rodzaj kolumny analitycznej (jej wypełnienia); rodzaj, stężenie i natężenie przepływu eluentu; parametry pracy supresora i detektora, a także sposób przygotowania próbki do analizy, można rozdzielać i oznaczać praktycznie wszystkie jony, zarówno nieorganiczne, jak i organiczne, w próbkach o różnych matrycach [9]. Oprócz klasycznej chromatografii aniono- i kationowymiennej technikami pokrewnymi do IC stosowane są chromatografia wykluczania jonowego (IEC) [10] oraz chromatografia jonowa z tworzeniem par jonowych (IPC) [11]. Typowe eluenty i oznaczane jony zestawiono w tab. 2.

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, w tym wielu grup związków organicznych (np. kwasy karboksylowe, aminy, węglowodany) [12-14].

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) [15]. Dzięki tym zaletom chromatografia jonowa szybko stała się metodą referencyjną i jest rekomendowana w wielu normach krajowych i międzynarodowych [16].

Czytaj także: Chromatografia jonowa i techniki pokrewne – wczoraj, dziś i jutro