3.5: Іонна хроматографія
- Page ID
- 18801
Іонна хроматографія - це метод поділу іонів, заснований на їх чітких швидкостях утримання в даному твердій фазі пакувального матеріалу. Враховуючи різні швидкості утримання для двох аніонів або двох катіонів, час елюції кожного іона буде відрізнятися, дозволяючи виявляти та розділяти один іон перед іншим. Методи виявлення відокремлюються між електрохімічними методами та спектроскопічними методами. У цьому посібнику будуть розглянуті принципи утримання аніонів і катіонів, а також описані різні типи твердотільних пакувальних матеріалів та елюентів, які можуть бути використані.
Принципи іонної хроматографії
Моделі утримання в аніонній хроматографії
Модель утримання для аніонної хроматографії може бути розділена на дві різні моделі, одна для опису елюентів з одним аніоном, а інша для опису елюентів із наявними комплексоутворюючими агентами. З огляду на елюентний аніон або аніон аналіта, спостерігаються дві фази - стаціонарна фаза (позначається S) і рухлива фаза (позначається M). Таким чином, існує рівновага між двома фазами як для елюентних аніонів, так і для аніонів аналітів, яку можна описати за допомогою Equation\ ref {1}.
\[ y*[A^{x-}_{M}]\ +\ x*[E^{y-}_{S}]\ \Leftrightarrow \ y*[A^{x-}_{S}]\ +\ x*[E^{y-}_{M}] \label{1} \]
Це дає константу рівноваги, задану в Equation\ ref {2}.
\[ K_{A,E} = \frac{ [A^{x-}_{S}]^{y} [E^{y-}_{M}]^{x} \gamma ^{y} _{A^{x-}_{S} } \gamma ^{x} _{E^{y-}_{S}} }{ [A^{x-}_{M}] ^{y} [E^{y-}_{S}]^{x} \gamma ^{y} _{A^{x-}_{M}} \gamma ^{x} _{E^{y-}_{S}}} \label{2} \]
Враховуючи активність двох іонів, які неможливо знайти в стаціонарній або рухливій фазах, коефіцієнти активності встановлюються рівними 1. Потім вводяться дві нові величини. Перший - коефіцієнт розподілу, D A, який представляє собою відношення концентрацій аналітів у стаціонарній фазі до рухомої фази, Equation\ ref {3}. Другий - коефіцієнт утримання, k 1 A, який є коефіцієнтом розподілу, що помножує відношення обсягу між двома фазами, Equation\ ref {4}.
\[ D_{A} \ =\ \frac{[A_{S}]}{[A_{M}]} \label{3} \]
\[k_{A}^{1} \ = \ D_{A} * \frac{V_{S}}{V_{M}} \label{4} \]
Підставляючи дві величини з Рівняння\ ref {3} та Equation\ ref {4} на рівняння\ ref {2}, константу рівноваги можна записати як рівняння\ ref {5}
\[ K_{A,E} \ = (k_{A}^{1} \frac{V_{M}}{V_{S}})^{y} * (\frac{[E_{M}^{y-} ]}{[E^{y-}_{S}]})^{x} \label{5} \]
Враховуючи, що зазвичай існує велика різниця в концентраціях між елюентом та аналітом (з величинами 10 більших елюентів), рівняння 4 можна переписати за припущенням, що всі функціональні групи твердофазного пакувального матеріалу приймаються E y-. Таким чином, стаціонарний Е у- можна замінити обмінною ємністю, розділеною на заряд Е у-. Це дає рівняння\ ref {6}
\[ K_{A,E} \ = (k_{A}^{1} \frac{V_{M}}{V_{S}})^{y} * (\frac{Q}{\gamma })^{-x} [E_{M}^{y-}] \label{6} \]
Розроблено рішення для рівняння коефіцієнта утримання\ ref {7}.
\[ z*[A^{x-}_{M}] \ +\ x*[B^{z-}_{S}] \Leftrightarrow z* [A^{x-}_{S}] \ +\ x*[B^{z-}_{M}] \label{7} \]
Рівняння\ ref {8} показує взаємозв'язок між коефіцієнтом утримання та такими параметрами, як концентрація елюенту та обмінна здатність, що дозволяє маніпулювати параметрами іонної хроматографії та визначати коефіцієнти утримання. Рівняння\ ref {9} працює лише для одного присутнього аналіту, але співвідношення селективності між двома аналітами [A] та [B] можна легко визначити.
Спочатку рівновага між двома аналітами визначається як Рівняння\ ref {8}
\[ K_{A,B} \ = \frac{[A^{x-}_{S}]^{z} [B^{z-}_{M}]^{x}}{[A^{x-}_{M}]^{z} [B^{z-}_{S}]^{x}} \label{8} \]
Константу рівноваги можна записати як Equation\ ref {9} (ігноруючи активність):
\[ \alpha _{A,B} \ = \frac{[A^{x-}_{S}][B^{z-}_{M}]}{[A^{x-}_{M}][B^{z-}_{S}]} \label{9} \]
Потім селективність може бути визначена рівнянням\ ref {10}
\[ \alpha _{A,B} \ = \frac{[A^{x-}_{S}][B^{z-}_{M}]}{[A^{x-}_{M}][B^{z-}_{S}]} \label{10} \]
Рівняння\ ref {10} потім можна спростити в логарифмічну форму у вигляді наступних двох рівнянь:
\[ \log \alpha _{A,B} = \frac{1}{z} log K_{A,B} \ + \frac{x-z}{z} log \frac{ k_{A}^{1} V_{M}}{V_{S}} \label{11} \]
\[ \log \alpha _{A,B} = \frac{1}{x} log K_{A,B} \ + \frac{x-z}{z} log \frac{ k_{A}^{1} V_{M}}{V_{S}} \label{12} \]
Коли два заряди однакові, видно, що селективність є лише фактором коефіцієнтів селективності та зарядів. Коли два заряди відрізняються, видно, що два фактори утримання залежать один від одного.
У ситуаціях з багатоатомним елюентом три моделі використовуються для обліку множинних аніонів в елюенті. Перша - домінуюча модель рівноваги, в якій один аніон настільки домінує в концентрації; інші елюентні аніони ігноруються. Модель домінуючої рівноваги найкраще працює для мультивалентних аналітів. Друга - ефективна модель заряду, де знайдено ефективний заряд аніонів елюента, і знайдено зв'язок, подібний до еквалайзера, з ефективним зарядом. Ефективні моделі заряду найкраще працюють з одновалентними аналітами. Третя - модель множинного елюентного виду, де Equation\ ref {13} описує коефіцієнт утримання:
\[ \log K_{A}^{1} \ =\ C_{3} - (\frac{X_{1}}{a} + \frac{X_{2}}{b} + \frac{X_{3}}{c}) -\ log C_{P} \label{13} \]
C 3 - це константа, яка включає коефіцієнт фазового об'єму між стаціонарною, постійною рівноваги та рухомою та обмінною ємністю. С р - сумарна концентрація елюентного виду. X 1, X 2, X 3, відповідають часткам конкретного елюентного аніона в утриманні аналіту.
Моделі утримання катіонної хроматографії
Для елюентів з одним катіоном і аналітами, які є лужноземельними металами, важкими металами або перехідними металами, комплексоутворювач використовується для зв'язування з металом під час хроматографії. Це вводить величину A (m) до розрахунків швидкості утримання, де A (m) - відношення вільного іона металу до загальної концентрації металу. За аналогічним виведенням випадку з одним аніонним випадком знайдено Equation\ ref {14}.
\[ K_{A,E} = \ (\frac{ k_{A}^{1}}{ \alpha _{M} \phi } )^{y} * (\frac{Q}{\gamma })^{-x} [E ^{y+} _{M} ]^{x} \label{14} \]
Розв'язування коефіцієнта утримання знайдено рівняння\ ref {15}.
\[ k_{A}^{1} = \alpha _{M} \phi * K_{A,E} ^{\frac{1}{\gamma } } (\frac{Q}{\gamma })^{\frac{x}{y} } ([E_{M}^{y+}]^{- \frac{x}{y} } \label{15} \]
З цього виразу швидкість утримання катіона може бути визначена з концентрації елюента і відношення іонів вільних металів до загальної концентрації металу, що саме по собі залежить від рівноваги іона металу з комплексообразователь.
Твердофазні пакувальні матеріали
Твердофазний пакувальний матеріал, що використовується в колоні хроматографії, важливий для обмінної здатності аніону або катіону. Існує багато типів пакувального матеріалу, але всі вони мають функціональну групу, яка може пов'язувати або аніон, або катіонний комплекс. Функціональна група кріпиться на полімерну поверхню або сферу, дозволяючи велику площу поверхні для взаємодії.
Пакувальний матеріал для аніонної хроматографії
Первинною функціональною групою, яка використовується для аніонної хроматографії, є амонійна група. Амінні групи встановлюються на поверхні полімеру, а рН знижується для отримання амонійних груп. Як така обмінна здатність залежить від рН елюенту. Для зменшення залежності рН протони на амонії послідовно замінюються алкільними групами до тих пір, поки всі протони не будуть замінені, а функціональна група все ще позитивно заряджена, але pH не залежить. Двома пакувальними матеріалами, що використовуються майже у всіх аніонних хроматографії, є триметиламін (NMe 3, рис.\(\PageIndex{1}\)) та диметиланоламін (рис.\(\PageIndex{2}\)).
Пакувальний матеріал для катіонної хроматографії
Катіонна хроматографія дозволяє використовувати як пакувальний матеріал на основі органічного полімеру, так і на основі силікагелю. У пакувальному матеріалі на основі силікагелю найпоширенішим пакувальним матеріалом є силікагель з полімерним покриттям. Силікат покритий полімером, який скріплюється зшиванням полімеру. Полібутадієнова малеїнова кислота (рис.\(\PageIndex{3}\)) Потім використовується для створення слабокислого матеріалу, що дозволяє аналіту дифузіроваться через полімер і обмінюватися. Пакувальний матеріал на основі силікагелю обмежений pH залежною розчинністю силікагелю та залежним від рН зв'язуванням силікагелю та функціоналізованого полімеру. Однак пакувальний матеріал на основі силікагелю підходить для поділу лужних металів та лужноземельних металів.
Пакувальний матеріал на основі органічного полімеру не обмежується рН, як силікагель матеріали, але не підходить для поділу лужних металів і лужноземельних металів. Найбільш поширеною функціональною групою є сульфонова кислота група (рис.\(\PageIndex{4}\)), прикріплена розпіркою між полімером і групою сульфонової кислоти.
Методи виявлення
Спектроскопічні методи виявлення
Фотометричне виявлення в УФ-області спектра є поширеним методом виявлення в іонній хроматографії. Фотометричні методи обмежують можливості елюентів, оскільки аналіт повинен мати унікальну довжину хвилі поглинання, яку можна виявити. Катіони, які не мають унікальної довжини хвилі поглинання, тобто елюент та інші забруднюючі речовини мають подібні видимі УФ-спектри, можуть комплексуватися для видимих ультрафіолетових сполук. Це дозволяє виявляти катіон без перешкод з боку елюентів.
Зв'язок хроматографії з різними типами спектроскопії, такими як мас-спектроскопія або ІЧ-спектроскопія, може бути корисним методом виявлення. Індуктивно зв'язана плазмова атомно-емісійна спектроскопія є широко використовуваним методом.
Методи прямої провідності
Методи прямої провідності використовують перевагу зміни провідності, яку аналіт виробляє в елюенті, яку можна змоделювати за допомогою Equation\ ref {16}, де еквівалентна провідність визначається як Equation\ ref {17}.
\[ \Delta K \ =\frac{(\Lambda _{A} \ -\ \Lambda _{g} ) * C_{s}}{1000} \label{16} \]
\[ \Lambda \ =\frac{L}{A*R} * \frac{1}{C} \label{17} \]
З L - це відстань між двома електродами області A та R - це опір, який створює іон. С - концентрація іона. Провідність може бути побудована з часом, а піки, що з'являються, представляють різні іони, що проходять через колонку, як описано Equation\ ref {18}
\[ K_{peak} \ =\ (\Lambda _{A} \ -\ \Lambda _{g})*C_{A} \label{18} \]
Значення Еквівалентної провідності аналіту та загальних іонів елюента можна знайти в табл.\(\PageIndex{1}\)
| Катіони | \(\Lambda ^{+} (S\ cm^{2} eq^{-1} ) \) | Аніони | \(\Lambda ^{-} (S\ cm^{2} eq^{-1} ) \) |
|---|---|---|---|
| \( H^{+} \) | \ (\ Лямбда ^ {+} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">350 | \( OH^{-} \) | \ (\ Лямбда ^ {-} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">198 |
| \( Li ^{+} \) | \ (\ Лямбда ^ {+} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">39 | \( F^{-} \) | \ (\ Лямбда ^ {-} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">54 |
| \( Na^{+} \) | \ (\ Лямбда ^ {+} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">50 | \( Cl^{-} \) | \ (\ Лямбда ^ {-} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">76 |
| \( K^{+} \) | \ (\ Лямбда ^ {+} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">74 | \( Br^{-} \) | \ (\ Лямбда ^ {-} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">78 |
| \( NH^{4+} \) | \ (\ Лямбда ^ {+} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">73 | \( I^{-} \) | \ (\ Лямбда ^ {-} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">77 |
| \( 1/2 Mg^{2+} \) | \ (\ Лямбда ^ {+} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">53 | \( NO^{-}_{2} \) | \ (\ Лямбда ^ {-} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">72 |
| \( 1/2 Ca^{2+} \) | \ (\ Лямбда ^ {+} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">60 | \( NO^{-}_{3} \) | \ (\ Лямбда ^ {-} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">71 |
| \( 1/2Sr^{2+} \) | \ (\ Лямбда ^ {+} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">59 | \( HCO_{3}^{-} \) | \ (\ Лямбда ^ {-} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">45 |
| \( 1/2 Ba^{2+} \) | \ (\ Лямбда ^ {+} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">64 | \( 1/2 CO_{3}^{2-} \) | \ (\ Лямбда ^ {-} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">72 |
| \( 1/2 Zn^{2+} \) | \ (\ Лямбда ^ {+} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">52 | \( H_{2}PO_{4}^{-} \) | \ (\ Лямбда ^ {-} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">33 |
| \( 1/2 Hg^{2+} \) | \ (\ Лямбда ^ {+} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">53 | \( 1/2 HPO_{4}^{-} \) | \ (\ Лямбда ^ {-} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">57 |
| \( 1/2 Cu^{2+} \) | \ (\ Лямбда ^ {+} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">55 | \( 1/3 PO_{4}^{-} \) | \ (\ Лямбда ^ {-} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">69 |
| \( 1/2 Pb ^{2+} \) | \ (\ Лямбда ^ {+} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">71 | \( 1/2 SO_{4}^{2-} \) | \ (\ Лямбда ^ {-} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">80 |
| \( 1/2 Co ^{2+} \) | \ (\ Лямбда ^ {+} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">53 | \( CN^{-} \) | \ (\ Лямбда ^ {-} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">82 |
| \( 1/3 Fe^{3+} \) | \ (\ Лямбда ^ {+} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">70 | \( SCN^{-} \) | \ (\ Лямбда ^ {-} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">66 |
| \( N(Et)^{4+} \) | \ (\ Лямбда ^ {+} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">33 | ацетат | \ (\ Лямбда ^ {-} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">41 |
| \ (\ Лямбда ^ {+} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) "> | 1/2 фталат | \ (\ Лямбда ^ {-} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">38 | |
| \ (\ Лямбда ^ {+} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) "> | пропіонат | \ (\ Лямбда ^ {-} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">36 | |
| \ (\ Лямбда ^ {+} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) "> | Бензоат | \ (\ Лямбда ^ {-} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">32 | |
| \ (\ Лямбда ^ {+} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) "> | Саліцилат | \ (\ Лямбда ^ {-} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">30 | |
| \ (\ Лямбда ^ {+} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) "> | 1/2 оксалату | \ (\ Лямбда ^ {-} (S\ cm^ {2} еква^ {-1})\) ">74 |
Елюенти
Вибір елюента залежить від багатьох факторів, а саме від рН, буферної ємності, концентрації елюенту, характеру реакції елюента з колоною і пакувальним матеріалом.
Елюенти в аніонній хроматографії
У непригніченій аніонній хроматографії, де елюент та аналіт не змінюються між колоною та детектором, існує широкий спектр елюентів, які слід використовувати. У непригніченому випадку єдине питання, яке може виникнути, полягає в тому, якщо елюент порушив здатність виявлення (поглинаючи в подібному місці в УФ-спектрі, наприклад, аналіт). Таким чином, існує ряд часто використовуваних елюентів. Ароматичні карбонові кислоти використовуються при виявленні провідності через їх низьку самопровідність. Аліфатичні карбонові кислоти використовуються для УФ/видимого виявлення, оскільки вони прозорі УФ. Неорганічні кислоти можна використовувати лише при фотометричному виявленні.
У пригніченій аніонної хроматографії, де елюент та аналіт обробляються між колоною та виявленням, можна використовувати менше елюентів. Супресор модифікує елюент і аналіт, зменшуючи самопровідність елюента і, можливо, збільшуючи самопровідність аналіту. В якості елюентів можна використовувати тільки гідроксиди і карбонати лугів, борати, карбонати водню та амінокислоти.
Елюенти в катіонній хроматографії
Первинними елюентами, які використовуються в катіонній хроматографії лужних металів та амонію, є мінеральні кислоти, такі як HNO 3. Коли катіон багатовалентний, органічні основи, такі як етилендіамін (рис.\(\PageIndex{5}\)), служать основними елюентами. Якщо присутні як лужні метали, так і лужноземельні метали, застосовують соляну кислоту або 2,3-діамінопропіонову кислоту (рис.\(\PageIndex{6}\)) в поєднанні з варіацією рН. Якщо хроматографія не пригнічена, пряме вимірювання провідності аналіту буде відображатися як негативний пік через високу провідність H + в елюенті, але проста інверсія даних може бути використана для виправлення цієї невідповідності.
Якщо перехідні метали або Н + є аналітами, про які йдеться, комплексоутворюючі карбонові кислоти використовуються для придушення заряду аналіта та створення фотометрично детектованих комплексів, відмовляючись від необхідності прямої провідності як методу виявлення.