2. Kísérleti rész
2.2. A haloecetsavak elválasztása
2.2.1. A haloecetsavak izokratikus elválasztása
A kriptand oszlopban, amikor a kationok megkötődnek a makrociklusok üregeiben, kavitásaiban vagy a makrociklusok protonálódnak, pozitív töltésű funkciós csoportok jönnek létre, amelyek aztán helyet biztosítanak az anioncserének (2.1. ábra).
2.1. ábra. A kriptand oszlopban lejátszódó egyensúlyi reakciók
A mintaanionok elválaszthatók ezeken a helyeken alkálifém-hidroxid eluensek használatával az anioncsere mechanizmusa szerint:
+ +←→ Cry←→ CryM
CryH KH KM /2.1./
ahol KH a protonálódási állandó és KM az alkáli-kriptát komplex (CryM+) stabilitási állandója.
Lényeges ismernünk az alkáli komplexált és a protonált kriptandok megoszlását az eluens
állófázison lévő kriptand molekulák versengő protonált és komplexált formáinak móltörtjei retenciós adatbázis alapján iterációs úton határozható meg [75]. Ahogy a 2.2. ábrán látható, az eluens koncentrációjának változtatásával a kriptand oszlop moláris összetétele egyszerűen módosítható 10-4 és 10-1 M között. Amennyiben az eluens koncentrációja nagyon alacsony (CMOH ≤ 10-5 M), az állófázis összetétele mindhárom alkálifém-hidroxid eluens (LiOH, NaOH, KOH) esetén hasonló, ezáltal a kapacitás is hasonló az izokratikus elválasztások során.
2.2. ábra. Az állófázison lévő kriptand molekulák protonált és komplexált frakciói (a) a LiOH koncentráció; (b) a NaOH koncentráció; és (c) a KOH koncentráció függvényében (számított értékek, ld. [75])
Az oszlop ioncsere kapacitásának változása az alkáli-hidroxid eluens koncentrációjának gyakorlatban alkalmazott tartományában látható a 2.3. ábrán. Az ioncsere kapacitást a kriptand molekulák komplexált és protonált frakciójának összegeként számoltuk, és megszoroztuk az állófázishoz kémiailag köthető kriptand molekulák számával, ami 0,073 mequiv/oszlop [76].
2.3. ábra. Az oszlop ioncsere-kapacitása (µequiv.) (a ΦCry, ΦCryM, ΦCryH összegeként számolva, szorozva 0,073 mequiv-sel) az eluens típusának és koncentrációjának
függvényében
Látható, hogy az oszlop kapacitása LiOH eluens használatakor nagyon alacsony. 10 mM LiOH használatakor a teljes oszlop ioncsere-kapacitása nem több, mint 1,5 µequiv. A 2.2.
ábrán látható, hogy gyengén lúgos pH esetén a kriptand molekulák nagy része protonált formában van jelen, azonban a pH növekedésekor a protonált komplexek mennyisége csökken, majd a Li+ ionokkal képez komplexet a kriptand. A pozitív töltéssel rendelkező kriptand móltörtjének minimuma 10-2 M LiOH koncentrációnál van, ezért itt van az oszlop kapacitásának is minimális értéke. KOH eluens esetén ennek az ellenkezője látható, az állófázis kapacitása közelít a maximális értékéhez (73 µequiv) az eluens koncentráció teljes tartományában. NaOH eluens alkalmazásakor az oszlop kapacitása szignifikánsan nő az eluens koncentrációjának növekedésével. Az ábrából az következik, hogy egy adott haloecetsav retenciója jelentősen eltér a három eluens használatakor. A mintaanionok nátrium- és kálium-kriptát funkciós csoportokhoz való affinitása jelentősen különbözik. A kálium-kriptát erős anioncserélőként viselkedik, míg a nátrium-kriptát komplexek gyenge vagy mérsékelt ioncserélőknek tekinthetők. Ez a két hatás (kavitás és affinitás különbözősége)
együtt eredményezi az adott anion retenciós idejének lényeges különbségét a különböző típusú eluensek használatakor.
Izokratikus elválasztással megvizsgáltuk, hogy az eluens fajtája és koncentrációja hogyan befolyásolja a haloecetsavak retencióját. Tanulmányoztuk, hogy izokratikus módon lehetséges-e a haloecetsavak és az ivóvizekben előforduló szervetlen ionok szimultán elválasztása. A munkát NaOH eluens alkalmazásával kezdtük, a koncentrációja 2,5; 5; 7,5;
10; 20; 75 és 100 mM volt. Az elválasztások eredményeit a 2.1. táblázat, valamint a 2.4. - 2.9.
ábrák foglalják össze.
2.1. táblázat: Haloecetsavak retenciós adatai (NaOH eluens) Retenciós idő [min]
2.4. ábra. A NaOH eluens koncentrációjának hatása a haloecetsavak retenciós idejére
2.5. ábra. Haloecetsavak izokratikus elválasztása. Elválasztó oszlop: Cryptand A1, eluens: 5,0 mM NaOH. Az elválasztott HAA-k a csúcsok sorrendjében: MBA (tR=3,14min), BCA (tR= 6,26min), TCA (tR=25,11min) és TBA (tR>120min).
2.6. ábra. Haloecetsavak izokratikus elválasztása. Elválasztó oszlop: Cryptand A1, eluens:
20,0 mM NaOH. Az elválasztott HAA-k a csúcsok sorrendjében: (1): MBA (tR=3,11min), (2): BCA (tR= 7,07min), (3): TCA (tR=35,21min) és TBA (tR>120min).
2.7. ábra. Haloecetsavak izokratikus elválasztása. Elválasztó oszlop: Cryptand A1, eluens: 5,0 mM NaOH. Az elválasztott HAA-k a csúcsok sorrendjében: (1): MCA (tR=2,88min), (2):
DCA (tR= 5,52min), (3): DBA (tR=8,17min) és (4): MCDBA (tR=46,23min).
2.8. ábra. Haloecetsavak izokratikus elválasztása. Elválasztó oszlop: Cryptand A1, eluens: 7,5 mM NaOH. Az elválasztott HAA-k a csúcsok sorrendjében: MCA (tR=3,02min), DCA (tR= 5,90min), DBA (tR=9,05min) és MCDBA (tR=55,01min).
0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00
0 20 40 60 80 100
NaOH koncentráció [mM]
retenciós idő [min]
klorid bromid nitrát szulfát
2.9. ábra. A NaOH eluens koncentrációjának hatása a szervetlen anionok retenciós idejére Az adatokból jól látható, hogy a haloecetsavak retenciós ideje között szignifikáns eltérések vannak, jó felbontással elválaszthatók egymástól. A kromatogramokból és a retenciós adatokból ugyanakkor az is látható, hogy az izokratikus elválasztás teljesítőképessége limitált. A rendszer szelektivitásának teljes hasznosítása nem nélkülözheti a gradiens kapacitás előnyeinek kihasználását, hiszen ez a makrociklikus elválasztás speciálisan előnyös tulajdonsága (ld. 2.2. és 2.3. ábrák, ill. a 2.2.2. fejezet). A TBA NaOH eluenssel nem választható el 120 min-en belül. A vizsgált szervetlen anionok retenciós idejének változása a NaOH eluens koncentrációjával a haloecetsavakéhoz hasonló. A szulfát kétértékű anion, ezért az eluens koncentrációjának növekedésével meredekebben csökken a retenciós ideje. A haloecetsavak szervetlen ionokkal történő szimultán elválasztása is lehetséges. Egy ion-pár kivétel van, a MBA és a Br- retenciós ideje között nincs lényeges különbség.
Megvizsgáltuk, hogy a LiOH eluens különböző koncentrációinak hatása a retenciós időkre mennyiben különbözik a NaOH eluensétől. A LiOH eluenst 2,5; 5; 7,5; 10 és 20 mM koncentrációban alkalmaztuk. Az elúciók eredményeit a 2.2. táblázat, valamint a 2.10. és 2.11. ábra mutatja be.
2.2. táblázat: Haloecetsavak retenciós adatai (LiOH eluens)
2.10. ábra. A LiOH eluens koncentrációjának hatása a haloecetsavak retenciós idejére Az elválasztások eredményeiből egyértelműen látszik, hogy LiOH eluens alkalmazásával lényegesen rövidebbek a retenciós idők az ugyanolyan koncentrációban alkalmazott NaOH eluensnél tapasztalthoz képest, a TBA is elválasztható az alkalmazott LiOH koncentrációkkal 5 percen belül (2.11. ábra). Ennek az az oka, hogy a lítium sokkal kevésbé kötődik az állófázishoz, mint a nátrium, ezáltal kisebb lesz az oszlop anioncserélő kapacitása, de az eluens hajtóereje nem változik. Azonban ezáltal minimálisra csökken a haloacetátok
retenciós ideje közti különbség, ami nem teszi lehetővé a nyolc haloecetsav szimultán elválasztását.
2.11. ábra. TBA izokratikus elválasztása, Elválasztó oszlop: Cryptand A1, eluens: 5,0 mM LiOH, tR=2,72min.
Mind a NaOH, mind a LiOH eluens esetében elmondható, hogy a növekvő koncentrációval nőnek a retenciós idők, de az NaOH esetében csak egy bizonyos eluens-koncentrációig, utána csökkennek. Ennek a jelenségnek az az oka, hogy az eluens koncentrációjának növekedésével a hajtóereje exponenciálisan csökken, míg az oszlop kapacitása Langmuir-görbe szerint nő. Az eluens koncentrációjának növelésével először a kapacitás növekedése a domináns, majd egy adott koncentrációtól az eluens hajtóerejének növekedése válik meghatározóvá.
A retenciós adatokból az is jól látható, hogy annak ellenére, hogy valamennyi haloacetát egyértékű anion, lényeges különbség van a legkisebb és a legnagyobb retenciós idő között (pl.
100 mM NaOH eluens: MCA: 2,20 min, ill. TBA >120 min). A túl hosszú retenciós idő nem szerencsés a csúcsok torzulása miatt. A TBA nem is határozható meg izokratikusan 2 órán belül, ezért célszerű a haloecetsavak elválasztására kapacitás-gradiens elúciót alkalmazni.
Az izokratikus elúciók kromatográfiás eredményeit foglalja össze a 2.3. táblázat LiOH, NaOH és KOH használatakor.
2.3. táblázat: KOH, NaOH és LiOH eluensekkel történő izokratikus elúciók során kapott
a az adatok a [75] irodalomból származnak
b A megfigyelt retenciós sorrend hasonló a következő oszlopoknál megfigyeltekhez: IonPac AS11 és AS10 [38], AS11-HC és AS16 [77] és IonPac AS9 [38] (pellikuláris anioncserélők)
A táblázatban összefoglalt eredmények alapján azt mondhatjuk, hogy a HAA-k retenciója a KOH-tól a LiOH-ig sorrendben csökkent, a kriptand oszlop kapacitásának és a minták alkáli-kriptát funkciós csoportokhoz való affinitásának megfelelően. KOH eluenssel túl nagy retenciós időket kaptunk (csak két HAA eluálódott), míg LiOH eluenssel nagyon alacsony volt a kapacitás (minden HAA eluálódott, de rossz szelektivitással). Az izokratikus elúciókkal nem kaptunk kielégítően értékelhető elválasztást, de az eredmények azt mutatták, hogy az
eluens típusának és koncentrációjának szisztematikus változtatása fontos paraméterek lehetnek a HAA-k meghatározásában lépcső gradiens program használatakor.