Az ionkromatográfiában használt állófázisok fizikai-kémiai szerkezete

Az ionkromatográfiában elsősorban szerves polimer, pl. sztirol-divinil-benzol alapú állófázisok terjedtek el, de szervetlen alapú tölteteket tartalmazó oszlopok is használatosak [17]. Az anion-kromatográfiában gyakran alkalmaznak latex alapú anioncserélőt, amely szerves polimer alapú és pellikuláris szerkezetű, felépítése az 1.3. ábrán látható.

1.3. ábra. Latex alapú anioncserélő állófázis felépítése

A latex alapú anioncserélő 5-25 µm átmérőjű felületileg szulfonált sztirol-divinil-benzol kopolimerből és az erre felvitt, elektrosztatikusan vagy van der Waals kölcsönhatással rögzített teljesen aminált pórusos anioncserélő gyöngyökből áll, melyek polivinil-kloridból vagy polimetakrilátból készülnek Az utóbbi ún. latex részecskék átmérője kb. 0,1 µm.

Mindezek alapján a latex alapú állófázis három régióra különíthető el:

• egy inert és mechanikailag ellenálló hordozóra

• egy vékony szulfonsav borításra a hordozó felületén

• egy külső aminált latex rétegre, mely az anioncserélő csoportokat hordozza [3]

Egy ilyen ioncserélő pásztázó elektron mikroszkóppal készített felvétele az 1.4. ábrán látható. A latex réteg önmagában véve nagy ioncsere kapacitással rendelkezik, a kisméretű gyöngyök mégis kis ioncsere kapacitású állófázist eredményeznek. A latex alapú állófázisok

kémiailag nagyon stabilak, még 4 mol/l koncentrációjú NaOH sem képes megbontani a szulfonált felület és a latex részecske közti kötést.

1.4. ábra. Latex alapú állófázis pásztázó elektronmikroszkópos felvétele [3]

Ezen anioncserélők pellikuláris struktúrája felelős a nagy kromatográfiás hatásfokért. A latex-agglomerált anioncserélők szelektivitása megváltoztatható a kvaterner ammónium-bázis kémiai természetének változtatásával. Mivel a latex anyagot külön lépésben szintetizálják, lehetővé válik az elválasztó oszlop szelektivitásának optimalizálása speciális analitikai problémára vagy a latex gyöngyökhöz kötött funkciós csoportok, vagy a térhálósság mértékének változtatásával.

1.5.1. A makrociklusos állófázist tartalmazó oszlop működési elve

Anionok elválasztására töltéssel nem rendelkező makrociklikus vegyületek is alkalmasak.

Kifejlesztettek egy kriptand-bázisú anioncserélőt (IonPac Cryptand A1) [16, 18], amelyben a kapacitás, és kisebb mértékben a szelektivitás egyszerűen szabályozható a mozgófázis megválasztásával.

A makrociklusos ligandumos anioncserélő anioncsere képessége a fém kationok komplexképzésének köszönhető a makrocikluson belül. Amint egy fém kation komplexálódik, kialakul egy pozitív töltésű funkciós csoport. A makrociklus kation-megkötő képességének köszönhetően a pozitív töltésű fém-kriptand komplexek anioncserélő helyekként viselkednek. Az 1.5. ábrán látható az n-decil-2,2,2-kriptand molekula, amely az alkilcsoportján keresztül kovalensen köthető a sztirol-divinil-benzol gyantára.

1.5. ábra. Makrociklikus állófázis (n-decil-2.2.2-kriptand molekula)

A makrociklikus vegyületek, mint a koronaéterek, kriptandok, kalixarének, jellemző tulajdonsága, hogy képesek fémionokat szelektíven megkötni. Ionkromatográfiás állófázisként szóba jöhetnek egyrészt kationok elválasztása esetén, ahol a makrociklikus vegyületek említett tulajdonságának köszönhetően az eltérő átmérőjű fémek eltérő mértékben szenvednek visszatartást az oszlopban, így azok ligandcserés mechanizmussal elválaszthatók egymástól, másrészt alkáli hidroxid (LiOH, NaOH, KOH) eluenst használva pozitív töltésű anioncserélő helyek alakulnak ki az oszlopban, mivel a mozgófázis fémionja komplexet képez a makrociklikus vegyülettel, amelyen a mintaionok ioncserés mechanizmussal elválaszthatók egymástól. A koronaéterek felhasználhatók a szelektivitás szabályozásában a kationelválasztások során, azonban csak korlátozottan használhatók anioncserélőként [19]. A kriptandokat, annak köszönhetően, hogy sokkal erősebben képesek bizonyos kationokat képezni, messzemenően alkalmasnak találták az anioncserélő elválasztásokhoz.

A makrociklikus vegyületek anionkromatográfiás alkalmazásának legfőbb előnye, hogy az alkáli-hidroxid eluens típusának megváltoztatásával befolyásolható az állófázis ioncsere-kapacitása a fémionok eltérő mértékű megkötődésének köszönhetően. Továbbá az elúció közben az eluens típusának váltásával ún. kapacitás gradiens érhető el, mellyel lehetőség nyílik a jelentősen és kevésbé visszatartott komponensek szimultán elválasztására. A mozgófázis ionkoncentrációját állandónak tartva, de kationjának típusát változtatva az oszlop kapacitása változtatható az elúció során. A kapacitás egyenes arányban van a komplexált kation képződési állandójával. Az elválasztást nátrium-hidroxiddal kezdik (mérsékelt kapacitású mód), majd lítium-hidroxid következik (alacsony kapacitású mód). Lítium-hidroxid eluensnél kicsi az anionok retenciója, mivel a lítiumnak nagyon kicsi a kötési állandója, kevesebb, mint 1,0. Amikor nátrium-hidroxid a mozgó fázis, nagyobb kapacitás észlelhető a nátrium nagyobb kötési állandójának köszönhetően (log K = 3,9). Mivel a káliumnak a legnagyobb a relatív kötési állandója (log K = 5,4), az elválasztási idők ennek megfelelően nőnek. A kapacitás-gradiens használatakor nő az elválasztás hatékonysága, az

erősen visszatartott anionok rövidebb idő alatt eluálhatók alacsony eluenskoncentrációkkal, ezáltal a háttérvezetés alacsony marad. Mivel az eluens ionkoncentrációja nem változik, kicsi az alapvonal-torzulás az elúció folyamán. A rendszernek van holttérfogata, így a kapacitás csökkenése csak a holtidő után figyelhető meg. Ezenkívül az oszlopnak is van holttérfogata és az eluensnek időre van szüksége, hogy elérje az oszlop távolabbi részeit. Ezeknek az okoknak köszönhetően minél nagyobb a minták retenciója, annál nagyobb a retenciójuk csökkenése az oszlop kapacitáscsökkenése miatt. Ezidáig a kriptand-bázisú oszlop alkalmazásai szervetlen anionokra korlátozódtak.

A makrociklusos kriptand fázis használata haloecetsavak ionkromatográfiájában számos előnyös tulajdonságot kínál. Két lehetőség van a retenció kontrolljára és szabályozására: az állófázis kapacitása és az eluens erőssége. A makrociklus alapú fázisokon különböző szelektivitások érhetők el, míg a tradicionális fixált ioncserélő helyek és alkanol kvaterner ammónium csoportok használatával a HAA-k elválasztásának szelektivitása ily módon nem változtatható. A kriptand oszlop lehetővé teszi az oszlopkapacitás szelektivitási kontrollját egyszerűen az eluens kationjának változtatásával. A szelektivitás javítására szolgáló megfelelő gradiens használatával az erősen visszatartott polarizálható anionok (tioszulfát, jodid, tiocianát, perklorát) és az egyszerű anionok szimultán elválaszthatók [18]. Ez a technika lehetővé teszi a többértékű anionok elválasztását is, mint pl. az oligoszacharidok, a mozgó fázis viszonylag alacsony koncentrációja mellett. Jó elválasztási profilt figyeltek meg több, mint 25 polifoszfát mintára és komplex mátrixokra is, pl. tömény savakra.

Konvencionális anioncserélő fázisok használatakor a hasonló szelektivitású eredmények elérése időigényes, többszörös gradiens elúciót és költséges eszközöket igénylő folyamat.