Historia, stan obecny i perspektywy rozwojowe chromatografii jonowej

Jeśli chodzi o literaturę polskojęzyczną na ten temat, to w roku 1998 Dariusz Pogodzki na zlecenie firmy A.G.A. Analytical opublikował materiały dotyczące chromatografii jonowej [17]. W roku 2005 Wydawnictwa Naukowo-Techniczne wydały moją książkę zatytułowaną Chromatografia jonowa. Podstawy i zastosowania [18], której kolejne wydania ukazały się w latach 2015 [19] i 2020 [20]. W roku 2015 ukazała się także książka pod moją redakcją, w której opisano wybrane zastosowania technik łączonych: chromatografia jonowa – spektrometria mas (IC-MS) oraz chromatografia jonowa ze spektrometrią mas ze wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzężonej (IC-ICP-MS) w analityce środowiskowej [21]. Od roku 2005 były przeze mnie organizowane międzynarodowe konferencje naukowe poświęcone teorii i praktyce chromatografii jonowej. Od roku 2007 konferencjom tym towarzyszyły wydawane monografie, w których zamieszczane były prace specjalistów z zakresu chromatografii jonowej i metod pokrewnych [22-32].

Od oficjalnej daty jej powstania, tj. roku 1975, metoda ta ewoluowała od prostej metody analiz głównych nieorganicznych anionów (F^–, Cl^–, NO₂^–, NO₃^–, PO₄^3-, SO₄^2-) i kationów (Na⁺, NH₄⁺, K⁺, Mn₂⁺, Ca₂⁺) w wodach do metody rozdzielania umożliwiającej w połączeniu z nowoczesnymi detektorami analizowanie śladowych ilości substancji w materiałach o złożonych matrycach. Coraz większe znaczenie znajdują techniki łączone, w których wykorzystuje się chromatografię jonową i techniki pokrewne, szczególnie w zakresie analityki specjacyjnej [33]. Biorąc pod uwagę pochodzenie analizowanych próbek, poza próbkami wód i ścieków czy żywności, powietrza czy próbek farmaceutycznych i klinicznych można wyróżnić próbki pochodzące z różnych gałęzi przemysłu [34]. Chromatografia jonowa i techniki pokrewne ze względu na swoje możliwości znajdują liczne zastosowania w laboratoriach kontrolno-pomiarowych i naukowo-badawczych i tak jak wszystkie inne ulegają ciągłemu doskonaleniu. Najbliższe lata przyniosą zapewne dalsze postępy w zakresie:

• rozwoju technologii nowych, bardziej selektywnych i dedykowanych wypełnień do kolumn chromatograficznych,
• poszukiwania nowych typów specyficznych detektorów,
• miniaturyzacji układów rozdzielania i detekcyjnych,
• dalszego obniżania granic wykrywalności i oznaczalności analitów,
• opracowań nowych metodyk przygotowania próbek,
• automatyzacji i robotyzacji procesu rozdzielania poprzez stosowanie układów wielowymiarowych i technik łączonych.

Szczególną uwagę warto poświęcić przede wszystkim takim zagadnieniom, jak miniaturyzacja oraz kapilarna i wielowymiarowa chromatografia jonowa. Tradycyjne stacjonarne systemy do IC ze względu na ich wymiary i wagę wymagają dużych ilości eluentów i relatywnie dużej ilości energii. W latach 90. XX w. Baram [35] opracował przenośny chromatograf jonowy, ważący około 15 kg, do stosowania w mobilnym laboratorium. Z kolei Boring i wsp. [36] opisali przenośny chromatograf jonowy o masie zaledwie 10 kg, w którym zastosowano kolumny kapilarne i detekcję konduktometryczną. Na początku XXI wieku Kalyakina i Dolgonosov [37] wyprodukowali przenośny IC z detektorem konduktometrycznym o wadze 10 kg, a Kiplagat i wsp. [38] lekki, bo ważący < 2,5 kg, chromatograf jonowy dedykowany do analizy kationów. Innym przykładem jest opisany przez Murraya i wsp. [39] chromatograf jonowy z modułową konstrukcją, która umożliwia jego łatwą modyfikację. Całość ważyła zaledwie 0,6 kg i miała wymiary 25 x 25 cm. Izokratyczne rozdzielanie głównych anionów (F^–, Cl^–, NO₂^–, Br^– i NO₃^–) można było uzyskać w czasie poniżej 15 minut, stosując eluent benzoesan sodu przy natężeniu jego przepływu 3 μl/min. Istnieje niewiele publikacji na temat zastosowań chromatografii jonowej w układach scalonych, co związane jest z trudnościami technicznymi takimi jak: kontrola nanoprzepływu i słaba rozdzielczość na typowych fazach stacjonarnych oraz wynikających z nich ciśnienia. Powoduje to, że chromatografia jonowa w wersji mikrochipowej wymaga bardziej rozwiniętych technologii niż np. elektroforeza kapilarna lub elektrochromatografia kapilarna w wersji chipowej. Pierwsza praca na ten temat była opublikowana przez Murrihy’a i wsp. w roku 2001 [40].

W roku 1983 Rokushika i wsp. [41] opisali podstawy teoretyczne kapilarnej chromatografii jonowej. Niestety ze względu na brak w tamtych latach odpowiednich technologii nie została ona skomercjalizowana. Dopiero dzięki późniejszym rozwiązaniom kapilarna chromatografia jonowa jest komercyjnie dostępna od roku 2010. Szczegóły techniczne i zastosowania tej techniki opisali Kuban i Dasgupta [42], a także Yang i wsp. [43]. Średnice cząstek faz stacjonarnych stosowanych w kolumnach analitycznych do chromatografii jonowej wynoszą zazwyczaj od 3 μm do 50 μm. Klasyczne kolumny analityczne mają średnice od 2 mm do 5 mm, a ich długość wynosi od 25 mm do 250 mm. Wprawdzie fazy stacjonarne w nich stosowane są takie same, ale samo zmniejszenie średnicy kolumn kapilarnych, które wynoszą od 0,2 do 0,6 mm, wymusza niższe natężenia przepływu eluentu na poziomie około 10 µL/min i objętości dozowanej próbki około 0,4 µL. Wprowadzenie kapilarnej chromatografii jonowej do praktyki laboratoryjnej przyniosło wiele korzyści. Najważniejsze z nich to: wyższa wydajność laboratoryjna (szybsze uzyskiwanie stabilności systemu); mniejsze wymagania kalibracyjne; możliwa elucja izokratyczna i gradientowa; wyższa czułość oznaczania przy mniejszej objętości próbki; 100-krotny wzrost absolutnej czułości w porównaniu do systemów 4 mm; wielowymiarowa IC x IC (2D IC) – limity detekcji w zakresie ng/L; niższy koszt użytkowania i co szczególnie istotne w kontekście zielonej chemii analitycznej – niższe zużycie eluentu oraz mniej odpadów [44]. Porównanie wybranych parametrów analitycznej i kapilarnej IC podano w tab. 3.

Dalsza miniaturyzacja kolumn chromatograficznych ma „zielony” charakter tylko wtedy, gdy stosowane są pompy mikro- i nanolitrowe. W chromatografii jonowej stosuje się pompy jednotłokowe, pompy z podwójnymi tłokami równoległymi oraz szeregowe pompy dwutłokowe. Można je podzielić na pompy izokratyczne lub gradientowe, z gradientem po stronie niskiego lub wysokiego ciśnienia. W kapilarnej chromatografii jonowej możliwe jest zastosowanie trzech rodzajów mikropomp o wysokiej wydajności, takich jak: pompy strzykawkowe, elektroosmotyczne lub rozszerzalności cieplnej. Niestety są one drogie i mają wiele ograniczeń. Maksymalne ciśnienie, jakie może występować w dostępnych w handlu przyrządów do chromatografii jonowej, jest obecnie ograniczone do 345 barów. To niewiele w przeciwieństwie do HPLC, a w szczególności do UHPLC, w której może ono być znacznie powyżej 1000 bar [45]. Spośród kluczowych elementów systemu kapilarnej chromatografii jonowej najłatwiej zminiaturyzować jest detektor, szczególnie konduktometryczny. Technologia ta została opracowana najpierw na potrzeby elektroforezy kapilarnej, a następnie zaadoptowana w kapilarnej chromatografii jonowej. Bezkontaktowy detektor konduktometryczny C4D wprowadzony w 1998 roku jest wykorzystywany zarówno w elektroforezie kapilarnej, jak i chromatografii jonowej, przede wszystkim ze względu na swoją solidność, minimalne wymagania konserwacyjne i niski koszt [50].

Podsumowanie

Każdego dnia w laboratoriach analitycznych na całym świecie przeprowadza się miliony analiz różnych próbek ciekłych, stałych i gazowych. Zakres tych badań jest szeroki i obejmuje zarówno związki organiczne, jak i nieorganiczne. Do najczęściej oznaczanych analitów nie tylko w wodach i ściekach należą nieorganiczne aniony (m.in.: F^–, Cl^–, NO₂^–, NO₃^–, PO₄^3-, SO₄^2-) oraz kationy (m.in.: Na⁺, K⁺, NH₄⁺, Mg₂⁺, Ca₂⁺). Do ich oznaczania stosowane są czasami metody klasyczne, ale dominuje w tym zakresie chromatografia jonowa. Koszt chromatografu jonowego jest porównywalny z kosztami zakupu innych urządzeń podobnej klasy (chromatografy gazowe i cieczowe, aparaty do atomowej spektrometrii absorpcyjnej), które obecnie stanowią standardowe wyposażenie laboratoriów. Chromatograf jonowy użytkowany w prawidłowy sposób przez doświadczonego i świadomego jego zalet i ograniczeń analityka, powinien stanowić bardzo ważny i wydajny element systemu analitycznego zarówno w laboratoriach kontrolno-pomiarowych, jak i naukowo-badawczych. Chromatografia jonowa i techniki pokrewne są obecnie na takim etapie rozwoju technologicznego, że nie należy spodziewać się „rewolucji” w tym zakresie. IC liczy sobie już oficjalnie 50 lat, ale z roku na rok pojawiają się nowsze modele przyrządów oraz poszerza się baza akcesoriów chromatograficznych. Jaka będzie przyszłość chromatografii jonowej? [51] Tego nikt nie wie, a biorąc pod uwagę to, co dzieje się w ostatnich latach w tym zakresie, można spodziewać się dalszego doskonalenia sprzętu oraz podnoszenia jego niezawodności [52].

Piśmiennictwo

1. Witkiewicz Z., Kałużna-Czaplińska M., Podstawy chromatografii i technik elektromigracyjnych, WN-T, Warszawa, 2019.
2. Pismo Święte Starego i Nowego Testamentu, Księga Wyjścia, s.83, wers 22–25, Wydawnictwo Pallottinum, Warszawa, 1980.
3. Thompson H.S., On the Absorber Power of Soil, J. R. Agric. Soc. Engl., 11, (1850), 68-75.
4. Folin O., Bell R., The Application of Inorganic Sorbents in Determination of Ammonia in Urea, J. Biol. Chem., 29, (1917), 329-337.
5. Small H., Bowman B., Ion Chromatography: A Historical Perspective, Am. Lab., 10, (1998), 1-8.
6. Michalski R., Zjawisko supresji w chromatografii jonowej, Laboratorium, 6, (2005), 26–31.
7. Small H., Stevens T.S., Bauman W.C., Novel Ion Exchange Chromatographic Method Using Conductometric Detection, Anal. Chem., 47, (1975), 1801-1806.
8. Gjerde D.T., Fritz J.S., Schmuckler G., Anion Chromatography with Low-Conductivity Eluents II, J.Chromatogr. A, 187, (1980), 35-45.
9. Paull, B. & Michalski, R. (2019). Ion Chromatography Principles and Applications, in: Encyclopedia of Analytical Science, Worsfold, P., Poole, C., Townshend, A., Miró, M. (Eds.). Elsevier Health Sciences, London, pp. 178–189.
10. Papadoyannis I.N., Samanidou V.F., Ion-Exclusion Chromatography, [in] Encyclopedia of Chromatography, Ed. J. Cazes, Taylor & Francis, 2007, 872-876.
11. Cecchi T., Ion Pairing Chromatography, Critical Reviews in Analytical Chemistry, 38:161–213, 2008.
12. Michalski R., Pecyna-Utylska P., Kernert J., Ion Chromatography and Related Techniques in the     Carboxylic  Acids  Analysis,  Critical Reviews in Analytical Chemistry, April 15th, 549-564, (2020).
13. Michalski R., Pecyna-Utylska P., Kernert J., Analysis of the ammonium ions and biogenic amines content by ion chromatography. Review, Journal of Chromatography A, , 16 August 2021, vol. 1651, (2021), pp. 462319.
14. Michalski R., Kończyk J., Determination of carbohydrates by using ion chromatography an related methods, Molecules 2024, 29, 3413, https://doi.org/10.3390/, Received: 23 June 2024, Revised: 15 July 2024.
15. Michalski R., Jablonska 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, 41, 2011, 133-150.
16. Michalski R., Ion Chromatography as a Reference Method for the Determination of Inorganic Ions in Water and Wastewater, Critical Reviews in Analytical Chemistry, 36(2), 2006, 107–127.
17. Pogocki D., Wstęp do chromatografii jonowej, AGA Analytical, Warszawa, 1998.
18. Michalski R., Chromatografia jonowa. Podstawy i zastosowania, WN-T, Warszawa, 2005.
19. Michalski R., Chromatografia jonowa, WN-T, Warszawa, 2015.
20. Michalski R., Chromatografia jonowa. PWN, Warszawa, PWN, 2020.
21. Michalski R., Principles and Applications of Ion Chromatography [in] Application of IC-MS and IC-ICP-MS in Environmental Research, Eds. Michalski R., John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersy, (2016), str.1-46.
22. Chromatografia jonowa – nowoczesna metoda oznaczania anionów i kationów w wodach i ściekach, red. Michalski R., Prace i Studia, vol.70, 2007.
23. Zastosowania chromatografii jonowej w analityce środowiskowej, red. Michalski R., Prace i Studia, vol.74, 2008.
24. Chromatografia jonowa – stan obecny i perspektywy rozwojowe, red. Michalski R., Prace i Studia, vol.77, 2009.
25. Wybrane zastosowania chromatografii jonowej, red. Michalski R., ŚWSZ, Katowice, 2010.
26. Chromatografia jonowa 2011, red. Michalski R., ŚWSZ, Katowice, 2011.
27. Chromatografia Jonowa 2012, red. Michalski R., IPIŚ PAN Zabrze, 2012.
28. Chromatografia Jonowa 2013, red. Michalski R., IPIŚ PAN Zabrze, 2013
29. Chromatografia Jonowa 2014, red. Michalski R., IPIŚ PAN Zabrze, 2014.
30. Postępy Chromatografii Jonowej, red. Michalski R., IPIŚ PAN, Zabrze, 2014.
31. Chromatografia Jonowa i Techniki Pokrewne 2016, pod red. R.Michalskiego, IPIŚ PAN Zabrze, 2016
32. Chromatografia Jonowa i Techniki Pokrewne 2018, pod red. R.Michalskiego, IPIŚ PAN Zabrze, 2018, ISBN 978-83-60877-06-7, liczba stron 133.
33. Michalski R., Łyko A., Jabłońska M., Szopa S., Zastosowania chromatografii jonowej w analityce specjacyjnej wybranych pierwiastków, [w] Chromatografia w praktyce, praca zb. pod red. A. Voekela i W.Wasiaka, Wyd. Pol. Poznańskiej, 2011, str.33-42.
34. Michalski R., Łyko A., Przemysłowe zastosowania chromatografii jonowej [w] Nauka i przemysł – metody spektroskopowe w praktyce. Nowe wyzwania i możliwości, Lublin, 2012, str. 84-94.
35. Baram, G.I. (1996). Portable liquid chromatograph for mobile laboratories I. Aims, Journal of Chromatography A, 728, 1-2, pp. 387–399, DOI: 10.1016/0021-9673(95)01271-0.
36. Boring, C.B., Dasgupta, P.K. & Sjögren, A. (1998). Compact, field-portable capillary ion chromatograph, Journal of Chromatography A, 804, 1-2, pp. 45–54.
37. Kalyakina, O.P. & Dolgonosov, A.M. (2003). Ion-chromatographic determination of fluoride ions in atmospheric precipitates and natural waters, Journal of Analytical Chemistry, 58, 10, pp. 951–953.
38. Kiplagat, I.K., Kubáň, P., Pelcová, P. & Kubáň, V. (2010). Portable, lightweight, low power, ion chromatographic system with open tubular capillary columns, Journal of Chromatography A, 1217, 31, pp. 5116–5123, DOI: 10.1016/j.chroma.2010.06.017.
39. Murray, E., Li, Y., Currivan, S.A., Moore, B., Morrin, A., Diamond, D., Macka, M. & Paull, B. (2018). Miniaturized capillary ion chromatograph with UV light‐emitting diode based indirect absorbance detection for anion analysis in potable and environmental waters, Journal of separation science, 41, 16, pp. 3224–3231, DOI: 10.1002/jssc.201800495.
40. Murrihy, J.P., Breadmore, M.C., Tan, A., McEnery, M., Alderman, J., O’Mathuna, C., O’Neill, A.P., O’Brien, P., Avdalovic, N., Haddad, P.R. & Glennon, J.D. (2001). Ion chromatography on-chip, Journal of Chromatography A, 924, 1-2, pp. 233–238, DOI: 10.1016/S0021-9673(01)00855-X.
41. Rokushika, S., Qiu, Z.Y. & Hatano, H. (1983). Micro column ion chromatography with a hollow fibre suppressor, Journal of Chromatography A, 260, pp. 81–87, DOI: 10.1016/0021-9673(83)80009-0.
42. Kuban, P. & Dasgupta, P. K. (2004). Capillary ion chromatography, Journal of separation science, 27, 17‐18, pp. 1441–1457, DOI: 10.1002/jssc.200401824.
43. Yang, B., Zhang, F. & Liang, X. (2012). Recent development in capillary ion chromatography technology, Central European Journal of Chemistry, 10, 3, pp. 472–479, DOI: 10.2478/s11532-011-0148-x.
44. Michalski R., Pecyna-Utylska P.,  Green Aspects of Ion Chromatography Versus Other Methods in the Analysis of Common Inorganic Ions, Separations 2021, 8, 235. https://doi.org/10.3390/separations8120235.
45. De Vos, J., De Pra, M., Desmet, G., Swart, R., Edge, T., Steiner, F. & Eeltink, S. (2015). High-speed isocratic and gradient liquid-chromatography separations at 1500 bar, Journal of Chromatography A, 1409, pp. 138–145, DOI: 10.1016/j.chroma.2015.07.043.
46. Zemann, A.J., Schnell, E., Volgger, D. & Bonn, G.K. (1998). Contactless conductivity detection for capillary electrophoresis, Analytical chemistry, 70, 3, pp. 563–567.

    51. R.P. Haddad, IC: An Eye on The Future, Today’s Chemist at Work, February 2004, 38-44.
    52. Michalski R., Chromatografia jonowa i techniki pokrewne – wczoraj, dziś i jutro, Laboratorium – Przegląd  Ogólnopolski, 2, (2023), 14-21.

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

Czytaj także: Możliwości wykorzystania mobilnych urządzeń do analiz chromatograficznych