Słowo wstępne
I . PODSTAWY CHROMATOGRAFII JONOWEJ
1. Wprowadzenie
1.1. Podstawowe parametry opisujące procesy chromatograficzne
1.2. Terminy i definicje stosowane w chromatografii jonowej
1.2.1. Chromatografia jonowa (IC)
1.2.2. Chromatografia
Wymieniacze
2.2.1. Organiczne fazy anionowymienne
2.2.2. Polimetakrylanowe i poliwinylowe fazy anionowymienne
2.2.3. Anionowymienne lateksowe fazy stacjonarne
2.2.4. Inne fazy stacjonarne stosowane do rozdzielania anionów
2.3. Wymieniacze kationowe
2.3.1. Kationowymienne fazy stacjonarne
2.3.2. Kationowymienne lateksowe fazy stacjonarne
2.3.3. Inne wymieniacze kationowe
3. Eluenty
3.1. Wprowadzenie
3.2 Elucja izokratyczna i gradientowa oraz automatyczne generatory eluentów
3.3. Eluenty stosowane do rozdzialenia anionów
3.4. Eluenty stosowane do rozdzielania kationów
4. Supresory
5. Detektory
5.1. Wprowadzenie
5.2. Detekcja konduktometryczna
5.3. Detekcja UV/Vis
5.4. Detekcja amperometryczna i potencjometryczna
5.5. Detekcja MS, ICP-MS i ICP-OES
5.6. Inne rodzaje detekcji
II . ZASTOSOWANIA CHROMATOGRAFII JONOWEJ
6. Oznaczanie anionów
6.1. Aniony nieorganiczne
6.2. Kwasy karboksylowe
6.3. Węglowodany
6.4. Cyjanki i tiocyjaniany
6.5. Krzemionka
6.6. Glifosat
7. Oznaczanie kationów
7.1. Oznaczanie kationów nieorganicznych oraz jonów amonowych
7.2. Oznaczanie amin oraz aminokwasów i białek
8. Chromatografia jonowa jako metoda referencyjna oznaczania jonów w wodach i ściekach oraz innych rodzajach próbek
8.1. Inne normy polskie i międzynarodowe przeznaczone do oznaczania jonów w materiałach stałych i biopaliwach metodą chromatografii jonowej
8.2. Inne metody oznaczania nieorganicznych anionów i kationów w próbkach ciekłych
9. Zastosowania chromatografii jonowej w analizie specjacyjnej
9.1. Oznaczanie nieorganicznych jonów azotu, siarki i fosforu
9.2. Oznaczanie ubocznych nieorganicznych produktów dezynfekcji wód
9.2.1. Bromiany(V)
9.2.2 Nieorganiczne jony chloru
9.3. Chlorany(VII)
9.4. Analizy specjacyjne jonów metali
Jony chromu
Jony arsenu
9.4.3. Jony antymonu
9.4.4. Formy jonowe innych metali
Badania jakości powietrza
11. Badania próbek stałych z wykorzystaniem chromatografii jonowej
12. Zastosowania chromatografii jonowej w analizie żywności
13. Zastosowania chromatografii jonowej w farmacji oraz w badaniach klinicznych
14. Inne analizy wykonywane metodą chromatografii jonowej i technik pokrewnych .
15. Przygotowanie próbek do oznaczania jonów metodą chromatografii jonowej
15.1. Wprowadzenie
15.2. Przygotowanie próbek ciekłych
15.3. Przygotowanie próbek stałych
15.4. Przygotowanie próbek gazowych
16. Wybrane aspekty metodyczne oznaczenia jonów z wykorzystaniem chromatografii jonowej
17. Podsumowanie
Monografie z konferencji naukowych „Chromatografia jonowa i techniki pokrewne”
Wykaz stosowanych akronimów
Słowniczek
Skorowidz
TABELA 1.5. Kolumny analityczne stosowane w chromatografii wykluczania jonów
Parametr
kolumny
Producent
alifatycznych kwasów karboksylowych
alifatycznych kwasów karboksylowych słabych kwasów organicznych, węglowodanów, alkoholi słabych kwasów organicznych
Wymiary kolumny, mm
sulfonowe i karboksylowe
Grupy funkcyjne
Średnica cząstek, μm
alifatycznych hydroksykwasów i alkoholi słabych kwasów nieorganicznych i organicznych
Przykładowe zastosowania do rozdzielania słabych nieorganicznych kwasów i małocząsteczkowych kwasów karboksylowych
W chromatografii wykluczania jonów wybór eluentów jest ograniczony. W najprostszym przypadku można wykorzystać czystą wodę dejonizowaną. Zakwaszenie fazy ruchomej hamuje dysocjację, co poprawia kształt pików. Wśród kwasów mineralnych najczęściej stosowany jest kwas siarkowy, zwłaszcza przy zastosowaniu bezpośredniej detekcji UV. Dobre rozdzielanie uzyskuje się, stosując kwas tridekafluoroheptanowy w zakresie stężeń pomiędzy 0,5 i 10 mmol/L. Kwas oktanosulfonowy wykazuje podobne właściwości elucyjne i nadaje się również do rozdzielania boranów i węglanów. Do wykrywania kwasu borowego przez pomiar konduktometryczny należy stosować mieszaninę kwasu oktanosulfonowego i mannitolu. W przypadku popularnej kolumny analitycznej Dionex IonPac ICE-AS6 jako eluenty zalecane są krótkołańcuchowe perfluorowane kwasy tłuszczowe, takie jak kwas perfluoromasłowy. Do detekcji wykorzystuje się zazwyczaj detektory fotometryczne w zakresie długości fali 250–280 nm dla kwasów aromatycznych i 200–220 nm dla kwasów alifatycznych. Tylko kwasy i zasady o pośrednich wartościach stałych dysocjacji, w zakresie od 10–7 do 10–2, mogą być rozdzielane tą techniką (przy założeniu czystego mechanizmu wykluczania jonów). Większej retencji należy więc oczekiwać dla kwasów charakteryzujących się większymi wartościami pKa, jak to zostało wykazane przez Tanakę i współprac. [66]. Analogiczna zależność dla zasad została opisana przez Haddada i współprac. [67].
Chromatografia wykluczania jonów jest stosowana przede wszystkim do rozdzielania słabych kwasów nieorganicznych, kwasów organicznych, alkoholi, aldehydów, aminokwasów, a także grupowego rozdzielania związków jonowych od niejonowych. Istnieje możliwość efektywnego rozdzielania tą techniką aminokwasów, białek, alkoholi oraz aldehydów w różnych matrycach (wodzie morskiej, wodzie mineralnej, płynach biologicznych, żywności, winie, detergentach, czy w ściekach).
W połączeniu z detekcją amperometryczną można techniką IEC oznaczać siarczany(IV) i arseniany(III). Opisana przez Kima i Kima w roku 1986 metoda [68] jest obecnie standardową metodą oznaczania jonów S2– i AsO2–, zamieszczoną w katalogu norm AOAC (ang. Association Of Analytical Communities). Metoda ta jest selektywna i nie wymaga specjalnego przygotowania próbki do analizy. Jej wadą jest szybka degradacja powierzchni elektrody (do 40 % po około 8 godzinach ciągłej pracy detektora amperometrycznego).
Krótkołańcuchowe alkohole I-, II- i III-rzędowe mogą być oznaczane metodą chromatografii wykluczania jonów z eluentem HClO4. W przeciwieństwie do klasycznej HPLC ten rodzaj chromatografii jonowej pozwala oznaczać nie tylko alkohole I-rzędowe, ale i inne. W przypadku aldehydów są one oznaczane po utlenieniu do kwasów karboksylowych. Najważniejsze zalety IEC to trwałość kolumn (umożliwia to analizę wielu próbek bez konieczności wstępnego ich oczyszczania), łatwość oddzielania związków jonowych od niejonowych oraz możliwość stosowania detekcji konduktometrycznej. Do próbek o złożonej matrycy stosowane mogą być układy dwuwymiarowe: chromatografia wykluczania jonów–chromatografia jonowa (ICE-IC). Schemat takiego układu przedstawiono na rys. 1.6.
1.2. Terminy i definicje stosowane w chromatografii jonowej
Wybór detektora uzależniony jest od rodzaju próbki i stężenia analitu oraz od stosowanych kolumn, eluentów i sposobu przygotowania próbki do analizy. Metody detekcji w chromatografii jonowej możemy podzielić na metody bezpośrednie i pośrednie lub na metody elektrochemiczne (m.in. konduktometryczne i amperometryczne) [157], spektroskopowe (m.in. detekcja UV/Vis, fluorescencyjna i spektrometrii mas), nebulizacyjne takie jak detektory światła rozproszonego przez odparowanie (ELSD – ang. Evaporative Light Scattering Detector) oraz detektor wyładowań koronowych (CAD – ang. Corona Charge Aerosol Detector) [158].
Przegląd metod detekcji stosowanych w chromatografii jonowej zawarto w pracach Haddada [159], Buchbergera i Haddada [160] oraz Buchbergera [161]. Zakres zastosowań detektorów stosowanych w chromatografii jonowej z uwzględnieniem mierzonej wielkości podano w tab. 5.1. Ogólną klasyfikację metod detekcji stosowanych w chromatografii jonowej przedstawiono na rys. 5.1.
TABELA 5.1. Metody detekcji oraz ich zastosowania w chromatografii jonowej
DetekcjaWielkośćmierzonaPrzykładowezastosowania
Konduktometrycznaprzewodność elektrycznaaniony i kationy o pKa lub pKb < 7
UV/Visabsorbancjajony aktywne w zakresie UV/Vis, metale po reakcjach derywatyzacji
Amperometrycznanatężenie prąduaniony i kationy o pKa lub pKb > 7
Chemiluminescencyjnaemisja promieniowania wskutek reakcji chemicznych
Fluorescencyjnaabsorpcja i emisja promieniowania
Refraktometrycznazmiany współczynnika załamania światła
ICP-OES, ICP-MS, MS
wybrane metale i aniony
aminokwasy po reakcjach derywatyzacji
aniony i kationy w dużych stężeniach
emisja promieniowania, jonizacja metale/półmetale, uboczne produkty dezynfekcji wód
ELSD, CADświatło rozproszone, wyładowania elektryczne węglowodany, substancje powierzchniowo czynne
Metody detekcji
bezpośrednie
pośrednie
elektrochemicznespektroskopowederywatyzacyjne
amperometryczne i kulometryczne
konduktometryczne potencjometryczne cząsteczkowe ELSD, CAD
UV-Visrefraktometryczne yjne
chemiluminescencyjne
MS i ICP-MS
RYS. 5.1. Podział metod detekcji stosowanych w chromatografii jonowej
atomowe
AAS, OES
5.2.
Detekcja konduktometryczna
Detektory konduktometryczne są najczęściej wykorzystywanymi detektorami w chromatografii jonowej, ponieważ w zakresie małych stężeń przewodności właściwa jest liniową funkcją stężenia elektrolitów. Pomiar oparty jest na zdolności przewodzenia prądu elektrycznego przez roztwory elektrolitów umieszczone w polu elektrycznym pomiędzy dwiema elektrodami. Są one wykonywane z metali szlachetnych, co zapobiega ich reakcjom ze składnikami roztworu.
Z wykorzystaniem detektora konduktometrycznego można wykrywać jony różnych pierwiastków, w tym Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ni, Co, Cu, Zn, Ag, Cd, B, Al, C, Si, N, P, As, Sb, O, S, Se, F, Cl, Br i I. Ogólnie można stwierdzić, że detektor konduktometryczny może służyć do analizy substancji, które po rozdzieleniu w kolumnie docierają do niego w postaci jonów. Zaliczamy do nich przede wszystkim jony mocnych kwasów i zasad takie, jak F–, Cl–, NO2–, NO3–, SO42–, PO43–, Br–, I–, ClO4–oraz kationy Li+, Na+, NH4+, K+, Ca2+ i Mg2+ Bardzo niska przewodność związków słabo zdysocjowanych utrudnia lub wręcz uniemożliwia ich detekcję konduktometryczną po rozdzieleniu w kolumnie analitycznej. Jony słabych kwasów i zasad można oznaczać, optymalizując pH eluentu tak, aby maksymalnie zwiększyć ich stopień dysocjacji. W niektórych przypadkach, pomimo podobnej budowy, muszą one być wykrywane w różnych detektorach. Przykładem są
5.2. Detekcja konduktometryczna
W pomiarach istotne znaczenie ma czas pobierania próbek, natężenie przepływu oraz rodzaj użytego roztworu pochłaniającego. Metodę oznaczania SO2 i SO3 oraz NOx w gazach spalinowych pochodzących z elektrowni opalanych węglem opisali Erdman i współprac. [827] oraz Polkowska-Motrenko i współprac. [828], a jednoczesne oznaczanie NO i NO2 przedstawili Nonomura i współprac. [829]. Lindgren [830] opisał automatyczny system do jednoczesnego oznaczania tlenków siarki i azotu oraz chlorowodoru w gazach. Od składu chemicznego powietrza zależy skład różnych opadów atmosferycznych. Badania zawartości głównych nieorganicznych zanieczyszczeń w wodach opadowych prowadzono na terenie Trójmiasta [831] i Dolnego Śląska [832]. W literaturze można znaleźć wiele przykładów zastosowań chromatografii jonowej do badań jakości wód deszczowych z terenu m.in. Hongkongu [833], Wenezueli [834] oraz Morza Północnego [835]. W tego typu zastosowaniach ważną dodatkową zaletą chromatografii jonowej jest możliwość jednoczesnego rozdzielania i oznaczania jonów, których trwałość jest niewielka (jonów NO2– i SO32–).
Jony SO32– obecne w wodzie deszczowej są szybko utleniane do jonów SO42–, co spowodowane jest katalitycznym działaniem obecnych w próbce jonów Fe3+ i Mn2+. Fakt ten stanowi podstawową trudność w oznaczaniu siarczanów(IV) w opadach. W celu zapobiegania tym niekorzystnym zjawiskom jony SO32– można kompleksować za pomocą trietyloaminy lub H4edta. Takie jony są trwałe przez około tydzień, a ich wykrywalność jest na poziomie kilkudziesięciu μg/L. Należy jednak pamiętać, że zastosowanie czynników kompleksujących może powodować pojawienie się na chromatogramach dodatkowych pików, co może utrudniać analizy. Chromatogram nieorganicznych anionów w próbce deszczu przedstawiono na rys. 10.1. Woda deszczowa pochodziła z terenu Górnego Śląska i była analizowana zaraz po jej pobraniu.
Seymour i Stout [836] opisali zmiany składu chemicznego wody deszczowej w czasie opadu. Przeprowadzili oni oznaczenia zawartości jonów SO42–, NO3–, Na+, K+, Ca2+ i Mg2+ oraz pH i przewodności właściwej analizowanych próbek. W początkowej fazie opadu, w jego pierwszych porcjach stwierdzono szybkie zmniejszanie się stężeń mierzonych analitów, poza jonem H+. Jednoczesne oznaczanie anionów i kationów w opadach atmosferycznych opisali Tanaka i współprac. [837] oraz Dąbek-Złotorzyńska i Dlouhy [838]. Oikawa i współprac. [839] opracowali automatyczny układ umożliwiający ciągłe badanie składu wód deszczowych oraz śniegu w okresie do 2 tygodni, bez konieczności jego stałego nadzoru. Przyrząd składał się z urządzenia do pomiaru pH w określonych odstępach czasu oraz chromatografu jonowego umożliwiającego oznaczanie jonów Cl–, SO42–, NO3–, NH4+, Na+, Ca2+ i Mg2+. W omawianej pracy przedstawiono możliwość szybkiego pomiaru stężeń i pH w czasie rzeczywistym i ich korelacje z warunkami meteorologicznymi. Podobny układ do analizy głównych nieorganicznych jonów we mgle zastosował Achilli i współprac. [840] oraz Nguyen [841]. Oznaczanie jedno- i dwuwartościowych kationów i anionów w próbkach mgły metodą chromatografii jonowej opisali Baltensprenger i Kern [842].
Przewodność, μS
Fluorki
Chlorki
Azotany(V)
Azotany(III)
Siarczany(VI)
Siarczany(IV)
Czas retencji, min
RYS. 10.1. Chromatogram nieorganicznych anionów w wodzie deszczowej; kolumna – Dionex IonPac AS4; eluent – 1,8 mmol/L Na2CO3 + 1,7 mmol/L NaHCO3; detekcja – konduktometryczna z tłumieniem przewodnictwa
Precyzję i dokładność oznaczania jonów Cl–, NO3– i SO42– w pyłach zawieszonych opisali Slanina i współprac. [843]. Porównali oni wyniki oznaczania wykrywanych anionów, uzyskanych z zastosowaniem elektrod jonoselektywnych oraz z wykorzystaniem chromatografii jonowej. Badaniem zawartości fluorków w opadach atmosferycznych trzema metodami (chromatografii jonowej, elektroforezy kapilarnej i potencjometryczną) zajmował się Hoop i współprac. [844]. Porównano wybrane parametry zastosowanych metod, takie jak precyzja, wykrywalność i całkowity czas analizy. Ocena otrzymanych wyników wykazała zgodność danych uzyskanych za pomocą elektrod jonoselektywnych oraz metodą elektroforezy kapilarnej, natomiast stężenia fluorków oznaczane metodą chromatografii jonowej były wyraźnie większe, co uzasadniono większą czułością i precyzją oznaczeń tą metodą.
Metody US EPA, Amerykańskigo Narodowego Instytut Bezpieczeństwa Pracy i Zdrowia (ang. National Institute for Occupational Safety and Health, NIOSH) i Amerykańskigo Urzędu Bezpieczeństwa Pracy i Zdrowia (ang. Occupational Safety & Health Administration, OSHA), w których wykorzystuje się chromatografię jonową do analiz gazów na stanowiskach pracy oraz powietrza atmosferycznego podano w tab. 10.1, a przykłady literaturowe takich zastosowań w tab. 10.2.