6.3. Ионообменная, ионная и ион-парная хроматография

Метод ионообменной хроматографии основан на эквивалентном обмене (замещении) ионов твердой фазы на ионы подвижной фазы.

Ионный обмен наблюдается при погружении в раствор электролита ионообменника, который поглощает из него катионы и анионы, выделяя в раствор эквивалентное число ионов того же знака.

Свойствами ионообменников обладает большое число природных и синтетических соединений. Важнейшими из них являются синтетические полимерные смолы, полученные сополимеризацией

стирола и дивинилбензола. Любой ионообменник представляет собой матрицу, содержащую способные к обмену ионогенные группы.

Катионообменники представляют собой специально синтезированные полимерные вещества, содержащие в своей структуре ионогенные группы кислотного характера: -SO₃H; - PO₃H; -COOH и др.

Анионообменники содержат ионогенные группы основного характера: -N(CH₃)₃; ₌ NH₂ и др.

Химические формулы катионообменников обычно схематически представляют: RSO₃H; RSO₃Na, где R – полимерная матрица.

Таблица 7. Классификация ионообменников

Простейшая методика ионообменного разделения состоит в поглощении компонентов смеси ионитом и последовательном элюировании каждого компонента соответствующим растворителем. Например, разделение ионов Na и K раствором соляной кислоты (0,1 М HCl).

Рисунок 24. Типичные хроматограммы анализа углеводов. А – сыворотки крови поглощение при 481 нм; Б - анализ мочи; С - идентификация сахаров, концентрация каждого 1 мкмоль/л, поглощение при 481 нм.

Использование ионообменной хроматографии высокого давления* позволяет проводить анализ сыворотки крови, анализ мочи на содержание углеводов. Хроматограмма представлена на рис. 24.

В 1975 году Смол, Стивенс и Бауман предложили новый вариант ионообменной хроматографии – ионную хроматографию. В ионной хроматографии используются поверхностно-пористые сорбенты с небольшой емкостью 0,01-0,1 мэкв/г, объемно-пористые полистирольные ионообменники и объемно-пористые кремнеземы с размером частиц 5-10 мкм. Это позволяет использовать сильно разбавленные растворы элюентов.

В этом методе разделение ионов сочетают с кондуктометрическим их определением. Поскольку высокочувствительное кондуктометрическое определение возможно только при невысокой фоновой электропроводности потока жидкости, поступающей в детектор, фоновый электролит подвижной фазы, предварительно удаляют пропусканием его через ионообменные смолы.

Предложены два основных метода ионной хроматографии.

Двухколоночная ионная хроматография, основанная на компенсации (подавлении) электролита, содержащегося в элюенте для разделения смеси ионов на колонке с помощью второй (компенсационной) ионообменной колонки, расположенной между детектором и разделительной колонкой.

Другим вариантом ионной хроматографии является одноколоночная ионная хроматография, основанная на использовании электролита с невысокой электропроводностью. В этом случае компенсационная колонка отсутствует.

Оптимизация условий в ионной хроматографии заключается в поиске наиболее селективного и эффективного разделения ионов в сочетании с минимизацией времени анализа. Большое внимание уделяется чувствительности детектирования. Оптимальными являются условия разделения, при которых время выхода последнего хроматографического пика не превышает 20 мин, а разрешение соседних пиков равно 1,0-1,5.

В настоящее время условия определения выбирают эмпирически, путем подбора подходящего сорбента и подвижной фазы. Выбор детектора зависит от условий разделения, характера задачи и анализируемого образца. Равновесие ионного обмена между определяемым и элюирующим ионами является основой оптимизации условий разделения. При элюировании иона X ионом Е равного заряда концентрации С в системе устанавливается ионообменное равновесие

Оно характеризуется константой ионного обмена, или коэффициентом селективности который равен

(37)

где и — равновесные концентрации определяемого и элюирующего ионов в фазе ионообменника, а [X] и [Е] — равновесные концентрации этих ионов в подвижной фазе.

Отношение  [X] является коэффициентом распределения (D_x)

определяемого иона X и характеризует способность этого иона удерживаться

сорбентом. Тогда

(38)

Если удельная обменная емкость сорбента Q, то при малых заполнениях колонки = Q  Q, а [Е] ≈С_Е .

Заполнение колонки не должно превышать 10%. Иными словами, количество определяемого иона должно быть как минимум в 10 раз меньше обменной удерживания сорбента. В этом случае

(39)

Согласно основному уравнению хроматографии (30) исправленный удерживаемый объем V’_R равен

V’_R = D_х V_s, где V_s — объем сорбента.

Отсюда, учитывая уравнение 1, {выражая D_x }

(40)

В ионной хроматографии удерживание иона на сорбенте чаще характеризуют величиной приведенного времени удерживания { = V’_R/u}, которое равно

, (41)

где u — объемная скорость элюента. Объем сорбента обычно определяют по его пористости () и общему объему колонки V:

V_s = (l - )V. (42)

Тогда уравнение 41 принимает вид:

, (43)

Таким образом, время удерживания иона X при элюировании ионом Е прямо пропорционально коэффициенту селективности , обменной удерживания Q и объему сорбента V. В то же время удерживание иона обратно пропорционально концентрации элюирующего иона и объемной скорости элюента. Уравнения (35) и (37) используют при выборе условий ионохроматографического определения. Эти уравнения позволяют теоретически оценить возможность использования того или иного элюента или сорбента для разделения анализируемой смеси.

Экспериментально установлены ряды селективности ионов по отношению к ионообменникам. Так, на сильнокислотных катионообменниках наблюдается следующий порядок элюирования: Такой же порядок элюирования мы видим и на рис. 6.24. В общем случае время удерживания ионов будет возрастать в таком порядке

Рисунок 25. Хроматограмма анализа катионов с азотнокислым элюентом.

На сильнокислотных анионообменниках анионы располагаются в следующем порядке .

Рисунок 26. Хроматограмма анализа неорганических анионов с карбонатным элюентом.

Хроматограмма неорганических анионов представлена на рис.26.

На элюирующую силу подвижной фазы большое влияние оказывают рН, природа буферного раствора, ионная сила, содержание органического растворителя.

Ион-парная хроматография. Ион-парная хроматография является еще одним вариантом ионообменной хроматографии. Она позволяет проводить определение ионогенных веществ на колонках с химически модифицированным силикагелем (С₈, С₁₈). При этом в подвижную фазу вводят небольшие количества (0,001-0.01М), которое называют ион-парным реагентом. В качестве ион-парных реагентов используются додецилсульфат натрия, фосфат тетрабутиламмония и некоторые другие вещества. Эти вещества сорбируются за счет неспецифического взаимодействия с С₁₈ на сорбенте и придают ему свойства ионообменника. В зависимости от природы ион-парного реагента сорбент приобретает свойства катионообменника или анионообменника. Так, соли тетраалкиламмония (фосфат тетрабутиламмония) при рН 3 - 7 придают сорбенту свойства анионообменника. Алкилсульфаты натрия при рН 2 - 5 придают сорбенту свойства катионообменника.

Существует иная гипотеза, объясняющая разделение ионных соединений методом ион-парной хроматографии. По ней ион-парный реагент образует с анализируемым веществом ионную пару в подвижной фазе. Свойства этой пары и определяют времена удерживания разделяемых компонентов.