Analýza anorganických látek - Iontová chromatografie

9. SEPARAČNÍ TECHNIKY

9.1 Iontová chromatografie

• 9.1.1 Úvod
• 9.1.2 Princip metody
• 9.1.3 Instrumentace
• 9.1.4 Aplikace
• 9.1.5 Závěr

💡 Kompletní obsah naleznete v odborné publikaci Analýza anorganických látek, kterou můžete zakoupit přímo u vydavatele 2 THETA, prostřednictvím LabRulez nebo v mnoha knihkupectvích.

Iontová chromatografie

Úvod

Přestože historie iontové výměny sahá do dávné minulosti [1], objev iontové chromatografie (IC), tak jak ji známe dnes, je připisován práci Smalla, Stevense a Baumana z roku 1975 [2]. Autoři zde poprvé popsali proces iontové výměny na koloně naplněné iontoměničem, který vedl k separaci směsi anorganických aniontů a kationtů detekovaných v průtoku konduktometrickým detektorem. Za posledních 40 let se IC etablovala jako rutinní chromatografická metoda nejen pro analýzu malých anorganických iontů, ale také například organických kyselin, sacharidů, proteinů, nukleotidů aj. Mezi iontovou chromatografii jsou také někdy zařazovány metody iontově párovací chromatografie a iontové vylučovací chromatografie, které však svým charakterem a typem analyzovaných látek spadají spíše do oblasti kapalinové chromatografie a nebude jim zde věnována pozornost.

Princip metody

Principem iontové chromatografie je dělení iontů (aniontů, kationtů) na chromatografické koloně. Obdobně jako u kapalinové chromatografie, dochází k interakci mezi ionty přítomnými v mobilní fázi a částicemi fáze stacionární, v tomto případě ovšem na základě silných elektrostatických interakcí mezi ionizovanými funkčními skupinami stacionární fáze (iontoměniče) a opačně nabitými ionty v mobilní fázi. Při dělení je využíváno různé selektivity sorpce iontů vůči stacionární fázi na separační koloně, přičemž platí, že selektivita iontů eluentu, přítomných v mobilní fázi, je téměř vždy nižší než selektivita dělených iontů. V závislosti na síle interakce/afinitě dochází k rozdílnému zadržování iontů na koloně a následné separaci do chromatografických zón, které jsou detektorem zaznamenány ve formě píků.

Teorie chromatografie byla popsána podrobně v nesčetných monografiích a nebude zde proto uváděna. Z praktického hlediska je důležitý především naměřený chromatogram a jeho kvalita. Na obrázku níže je znázorněn modelový chromatogram dvou látek, A a B, spolu s některými parametry (mrtvý čas, tM, retenční časy (tRA, tRB, šířka píku, wA, wB), které lze z chromatogramu získat.

2 THETA - Modelový chromatogram dělení dvou látek A,B

Rozlišení a účinnost separace lze jednoduše vypočítat z naměřeného iontového chromatogramu a slouží k následné optimalizaci parametrů systému (složení eluentu, průtokové rychlosti, pH, atd...).

Instrumentace

Zařízení pro iontovou chromatografii se skládá z vysokotlaké pumpy, dávkovacího ventilu nebo autosampleru, předkolony, vlastní chromatografické kolony naplněné iontoměničem, detektoru a vyhodnocovacího zařízení/počítače. Na rozdíl od klasické kapalinové chromatografie mohou být však součástí iontového chromatografu ještě další části jako například elektrolytický generátor mobilní fáze/eluentu a supresor (u nejčastěji používané vodivostní detekce). V současné době jsou na trhu s IC zastoupeny 3 větší firmy – Thermo Fischer Scientific (dříve Dionex), Metrohm a Waters. Tyto firmy prodávají celou řadu modulárních systémů od jednoduchých chromatografů s jedinou pumpou a vodivostním detektorem pro isokratické separace iontů, až po gradientové systémy s více pumpami, elektrolytickým generátorem eluentu, supresorem/vodivostní detekcí. K dispozici je také celá řada alternativních detektorů, např. UV-VIS DAD, amperometrický, coulometrický, fluorescenční atd.

Vlastní analýza probíhá tak, že vzorek je pomocí dávkovacího ventilu nanesen na kolonu, kde dochází k rozdělení jeho složek (aniontů nebo kationtů). Na vlastnostech zvoleného eluentu (pH, koncentrace, typ, iontová síla, atd.) a typu kolony pak závisí rychlost analýzy a účinnost separace jednotlivých složek vzorku. Na výstupu z kolony je umístěn detektor (UV, vodivostní), kterým jsou zaznamenány zóny analytů. Při použití vodivostní detekce, eluent a jednotlivé zóny vzorku procházejí ještě před průchodem vodivostním detektorem tzv. supresorem (membránovým, náplňovým), kde dochází ke snížení vodivosti eluentu a tím ke zvýšení citlivosti stanovení.

• Kolony

V současné době existuje několik desítek typů iontově chromatografických kolon, které byly vyvinuty buď jako univerzální kolony pro analýzu běžných aniontů a kationtů, nebo pro specifické aplikace. IC kolony jsou plněny stacionární fází na bázi iontoměniče a lze je dělit na několik typů.

• Typy stacionárních fází, anexy, katexy

Stacionární fáze používané v IC lze dělit na základě jejich výměnné funkční skupiny na měniče kationtů (katexy) a měniče aniontů (anexy). K dělění záporně nabitých iontů (aniotů) se používá kolona naplněná anexem, pro kladně nabité ionty je potřeba kolonu naplněnou katexem. Dle funkční skupiny lze dále anexy a katexy dělit na silné, středně silné a slabé. Přehled nejdůležitějších funkčních skupin používaných iotoměničů je shrnut v Tabulce (Tento text je značně redukován)

Iontově výměnné skupiny jsou ukotveny na nosiči, který je tvořen částicemi o průměru 2-15 μm. Na rozdíl od kapalinové chromatografie, ve které se využívají nejčastěji nosiče na bázi křemičitanů/silikagelu, se v iontové chromatografii z velké části využívají polymerní nosiče. Přestože je účinnost polymerních nosičů několikanásobně nižší než u nosičů na bázi silikagelu, jejich použití v IC převažuje. Polymerní materiály jsou stabilní v celé škále pH, zvláště pak v alkalické oblasti, kde již dochází k rozpouštění silikagelové matrice a ztrátě funkčnosti (silikagel je použitelný v rozsahu pH 2-8). Nejrozšířenějším polymerním substrátem je nosič na bázi kopolymeru styren-divinylbenzenu (S-DVB), méně rozšířené jsou pak nosiče na bázi kopolymeru ethylvinylbenzenu-divinylbenzenu, metakrylátové a polyvinylové pryskyřice.

Dle fyzické struktury lze iontoměniče dělit na několik typů:

• Povrchově porézní (mikroporézní/makroporézní)
• S povrchově vázanými latexovými částicemi
• Chemicky vázané – iontoměniče na silikagelu jako matrici
• Výměnná kapacita iontoměniče

Eluenty

Eluenty v iontové chromatografii volíme podle toho, jaký detektor používáme. Vzhledem k tomu, že nejrozšířenější je vodivostní detekce, je běžné eluenty dělit do dvou hlavních skupin – eluenty používané v IC se supresorem a v IC bez supresoru. Dále je nutné rozlišit zda provádíme analýzu aniontů nebo kationtů.

Pro aniontové systémy pro IC se supresorem se využívají eluenty na bázi NaHCO₃/Na₂CO₃ a NaOH. Kromě výše zmíněných je dále pro aniontovou chromatografii možné použít soli slabých kyselin (např. Na₂B₄O₇, aminokyseliny (alfa-aminokarboxylové/aromatické), N-substituované aminoalkylsulfonové kyseliny). Eluenty vhodné pro systémy IC bez supresoru musí mít nízkou vodivost, aby bylo možné detekovat dělené anionty. Mohou to být například soli slabých organických kyselin (benzoát, ftalát, o-sulfonát). Problémem však stále zůstává jejich vodivost, která je mnohem vyšší než u eluentů na bázi NaOH/uhličitanů po průchodu supresorem a s tím je spojená i nížší citlivost stanovení a vyšší meze detekce.

Pro separaci kationtů se v systému se supresorem využívají eluenty na bázi silných minerálních kyselin (HCl, HNO₃, H₂SO₄) a dále např. 2,3-diaminopropionová nebo methansulfonová kyselina. Pro systémy bez supresoru se běžně používají například organické kyseliny (šťavelová, vinná, pyridin-2,6-dikarboxylová (2,6-PDCA)). V případě, že používáme jinou než konduktometrickou detekci (často například při analýze komplexů kovů) jsou vhodné jiné typy eluentů, například dusičnan ceritý [3] s fluorimetrickou detekcí nebo směs organické kyseliny (2,6-PDCA, vinná, šťavelová) a hydroxidu (NaOH, LiOH) s postkolonovou derivatizací 4-(2-pyridylazo) resorcinolem (PAR) a spektrofotometrickou detekcí.

Supresory

Supresor je zařízení, které slouží ke snížení vodivosti eluentu a zároveň ke zvýšení vodivosti zóny analytu. Výsledkem je snížení signálu pozadí a tím celkové zvýšení citlivosti detekce o velikosti 1-2 řádů v porovnání s přímou vodivostní detekcí bez supresoru. Použití supresoru poněkud omezuje výběr eluentu, pro IC aniontů lze například použít pouze eluenty na bázi hydroxidů (KOH, NaOH) a uhličitanů (NaHCO₃/Na₂CO₃). V supresoru jsou kladné ionty eluentu (K⁺, Na⁺) nahrazeny oxoniovými ionty (H₃O⁺) a místo vysoce vodivého hydroxidu/uhličitanu vzniká voda/kyselina uhličitá, jejíž vodivost je minimální. Kladné protionty separovaných aniontů jsou nahrazeny taktéž oxoniovými ionty, za vzniku silných minerálních kyselin (např. HCl, HNO₃, HF atd.) a dojde tudíž k významnému zvýšení rozdílu signálů - eluentu a zóny analytu. V kationtové chromatografii funguje supresor obdobně, tj. eluent je konvertován na vodu a kation je konvertován na odpovídající hydroxid. Výsledkem je vysoká citlivost stanovení. V současnosti jsou používány dva typy supresorů. Supresory náplňové (kolona naplněná ionexem - méně časté, nutnost časté regenerace) a membránové supresory, které využívají iontové výměny přes semipermeabilní ionexovou membránu (regenerace on-line, vyšší cena).

Detektory

V iontové chromatografii je nejčastěji používaná vodivostní detekce. Tato neselektivní, ale citlivá detekční metoda je založena na měření vodivosti roztoku procházejícího detekční celou a obvykle se používá s předřazeným supresorem pro zvýšení citlivosti. Z dalších, méně používaných, ale komerčně dostupných detektorů pro IC (např. firmy Thermo Fischer Scientific, dříve Dionex, Metrohm nebo Waters) je možné jmenovat UV-VIS detekci, amperometrickou detekci, coulometrickou, fluorescenční a v neposlední řadě také systémy s kombinovanými detekčními technikami, například IC-ICP AES, IC-ICP MS, které nachází uplatněni zejména při speciaci a identifikaci separovaných látek.

Aplikace

IC je využívána především v analýze anorganických aniontů, ale lze ji také využít pro analýzu kationtů. Hlavními oblastmi, ve kterých je IC využívána, je environmentální analýza (převážně kapalných nebo zkapalněných vzorků) [4,5] a ultrastopová analýza [6]. Důležité je také využití IC v environmentální atmosférické analytice k analýze aerosolů [7], dále v zemědělství [8] (analýza živných roztoků, hnojiv, analýza půd) a v celé řadě průmyslových odvětví, například v galvanovnách (analýza kovů a aniontů v galvanických lázních) [9], dřevozpracujícím průmyslu [10] a petrochemii [11]. Vzhledem k vysoké citlivosti je IC také vhodná pro stanovení stopových koncentrací iontů, například v polovodičovém průmyslu [12], kde i nepatrné nečistoty mohou způsobit snížení doby životnosti komponent (analýza používané ultračisté vody, analýza povrchu, nečistoty v používaných chemikáliích). Stopová analýza iontových kontaminantů je také velice důležitá v chladicí vodě jaderných elektráren [13], kde je třeba monitorovat i nepatrná množství iontů kvůli možné korozi. Další poměrně široké využití nachází IC v potravinářství [14] (analýza potravin a nápojů – pivo, víno, coca-cola, džusy, mléko, jogurtů, masa, dětské výživy atd.), v analýze čistících prostředků [15] (detergenty, prací prášky, odbarvovače), farmaceutickém průmyslu [16] (přídavné látky v léčivech, protionty, nosní kapky, kapky proti kašli) a také v klinické praxi [17] (tělní tekutiny – krev, sliny, moč, serum – anionty a kationty, organické kyseliny).

• Analýza aniontů

• Analýza kationtů

Pro jednotlivé analýzy aniontů a kationtů jsou specifikovány konkrétní kolony blíže v knize.

Závěr

IC je nepostradatelná technika v analýze anorganických sloučenin, především anorganických aniontů. V omezené míře je možné IC použít také pro stanovení anorganických kationů, ale i organických nízkomolekulárních ionizovaných (a/nebo ionizovatelných) sloučenin. Její hlavní předností jsou citlivost, vysoká opakovatelnost a možnost simultánního stanovení iontů. IC nachází uplatnění především jako rutinní analytická metoda v akreditovaných laboratořích, kde se využívá ke kontrole vody a environmentálních vzorků.