1. Irodalmi összefoglaló
1.3. Ionkromatográfia
2 RA RB
S
wA wB
t t
R t t
= −
− /1.7./
ahol tRA és tRB az A és B sáv tR értéke, twA és twB pedig a sávok alaplapi szélessége ugyanabban az időegységben, mint a tR értékek. Ha RS = 1, akkor a két sáv jól elválik egymástól, maximum 2 %-ban fednek át. Nagyobb felbontás érték jobb, kisebb kevésbé hatékony elválasztást jelent.
1.1. ábra. Az elválasztás mechanizmusa a kromatográfiában
1.3. Ionkromatográfia
Az ionkromatográfiát (IC) mint új módszert 1975-ben vezette be Small, Stevens és Baumann. Az ionkromatográfia a folyadékkromatográfia egy kiemelt részterülete. E módszernek három típusát ismerjük:
- Ioncsere-kromatográfia (HPIC: High Performance Ion-Exchange Chromatography): Ez az elválasztási eljárás az állófázison kötött ionos csoportok és a mozgófázis közti ioncsere-folyamaton alapul. Az állófázis polisztirol-gyanta, amelyet divinil-benzollal kopolimerizáltak.
Az ioncsere-kromatográfia felhasználható szervetlen és szerves anionok és kationok elválasztására. Az anion-kromatográfiában a funkciós csoport többnyire kvaterner ammóniumion, a kation-kromatográfiában pedig szulfonátcsoport. Az ioncsere-kromatográfiát nevezik a gyakorlatban ionkromatográfiának [3]. Az atomenergia-ipar kifejlődésében fontos része volt az ioncserés kromatográfiának a hasadási termékek és a ritkaföldfémek elválasztása révén. Ioncsere kromatográfiával határozzák meg a fehérjék összetételét is. Az aminosavszekvencia-analízis az 50-es évek végén szelektív HPIC elválasztásokkal vált lehetővé.
- Ionkizárásos kromatográfia (HPICE: High Performance Ion Chromatography Exclusion):
Az elválasztás mechanizmusát a Donnan-kizárás, a sztérikus kizárás és az adszorpció határozza meg. Az elválasztáshoz nagy kapacitású teljesen szulfonált kationcserélőt használnak polisztirol-divinil-benzol bázison. Az ionkizárásos kromatográfia elsősorban gyenge szerves savak teljesen disszociált erős ásványi savaktól való elválasztására alkalmas, valamint aminosavak, karbonát és borát meghatározására. Ezt a módszert alkalmazzák az élelmiszeriparban, borászatban és tartósítóiparban, valamint ily módon végzik a vér analízisét is. Az ionkizárásos kromatográfia elsősorban alifás és aromás savak (ecetsav, citromsav, ftálsav, laktát, piruvát) elválasztására alkalmas. Segítségével a di- vagy trikarboxilsavak is elemezhetők. Lényeges szempont az elválasztandó anyagok kiválasztásánál, hogy a pK jól megkülönböztethető legyen az erős ásványi savak pK-jától.
- Ionpár-kromatográfia (MPIC: Mobile Phase Ion Chromatography): A domináló mechanizmus az adszorpció. Az MPIC segítségével elválaszthatók a fémkomplexek, valamint a felületaktív anionok és kationok. Az eluenshez a szervetlen és szerves moderátorok mellett ionpár-reagenst is kell adni. Az állófázis semleges makropórusú polisztirol / divinil-benzol gyanta, amely apoláris. Ionpár-kromatográfiával neutrális és ionos komponensek egyidejűleg elválaszthatók egymástól ionpárképzés révén. A pH és a párképző típusa nagymértékben befolyásolja a párképzést.
Az ionkromatográfia kitűnik a korábbi analitikai módszerek közül szelektivitása és a detektálás érzékenysége révén. A módszer sokoldalúságát felhasználási lehetőségeinek nagy száma igazolja: vízvizsgálatok, félvezetőipar, galvánelemek gyártása, gyógyászat, mezőgazdaság, erőművek kémiája, gyógyszerészet, papíripar, bányászat és fémfeldolgozás, élelmiszeripar, környezetvédelem [4]. Különös jelentőségre tett szert az ionkromatográfia a
vízben található anionok mennyiségi analízisének területén [5]. A különféle ionok rövid időn belül, szimultán meghatározhatók.
Az ionkromatográfia céljaira intenzív, reprodukálható ioncserélő gyantát fejlesztettek ki.
Az injektálási térfogatot 10-100 µl-re csökkentették. A legjelentősebb újítás a szuppresszált elektrokémiai detektálás volt, amely lehetővé tette a kromatográfiás jelek érzékeny feldolgozását. A vezetőképességen alapuló detektálás bevezetésével egyre nagyobb alkalmazási teret nyert az ionkromatográfia.
1.3.1. Az ioncsere-kromatográfia elve
Elúciós oszlopkromatográfiás elválasztás esetén kis mennyiségű mintát juttatunk az elválasztó oszlopra, amelyben az ioncserélő tulajdonságú állófázis található. Az oszlop irányába áramoltatjuk a mozgófázist, amely az ellenionokat tartalmazza. Az ioncserélő gyantán töltéssel rendelkező funkciós csoportok találhatók, amelyek kívülről elektromosan semlegesek az ellenionok miatt. Az elúció folyamán a funkciós csoport ellenionja kicserélődik a mintaionra, ezáltal a gyanta visszatartja az illető iont. A minta komponensei az állófázishoz való különböző affinitásuk alapján választhatók el egymástól.
Anioncsere esetén a következő reakció játszódik le a gyantán:
– rendelkező funkciós csoportja. Az anioncserélő kromatográfiában a vizsgált Ay−-ion verseng a mozgófázisban levő Ex−-ionnal az ioncserélő gyantán levő R kationos csoportért.
Kationcserés kromatográfia esetén a minta Ky+-kationjai versengenek az eluens Ex+ -ionjaival az ioncserélő gyanta Ranionos csoportjaiért. Az elválasztásnak az az alapja, hogy az így kialakuló ionpár-kölcsönhatások különböző erősségűek. A gyantával gyenge kölcsönhatásba lépő ionoknak kicsi a retenciója, ezért ezek az ionok a kromatogram elején jelennek meg. A gyantával erős kölcsönhatásba lépő ionok retenciója nagyobb, ezért csak később eluálódnak (1.1. ábra). Az ioncserélő gyantán néhány mikron vastagságban vannak az aktív csoportok. A réteg vastagságának növekedésével nő az oszlop kapacitása, és ezáltal a retenció.
1.3.2. Az ionkromatográfiában használt eluensek és mintakomponensek Az eluens kiválasztása döntően az elvégzendő elemzés fajtájától függ. Az eluens állófázishoz való affinitása hasonló kell legyen a mintaion affinitásához. A minta molekuláinak retenciója erősen függ a mozgófázisban levő ion típusától, mert a különböző ellenionok különböző mértékben lépnek kölcsönhatásba a gyantafázissal. Az eluens koncentrációja a legfontosabb retenciót meghatározó paraméterek közé tartozik, növelése gyorsítja a retenciót. A mozgófázis növekvő sókoncentrációjával csökken a komponensek retenciója, mivel a minta ionjai így kevésbé tudnak versenyre kelni az ioncserélő funkciós csoportjaiért. A szelektivitás pH-függő, de ennek mértékét nehéz előre megállapítani. Az eluens összetételének változtatásával az elválasztás szelektivitása is változtatható [2]. Az eluens átfolyási sebessége és a retenciós idő között fordított arányosság van.
Ha az eluensnek nagy a vezetőképessége, akkor részt kell vennie a szuppresszorban egy reakcióban, amely során csekély vezetőképességű anyag keletkezik. Erre a reakcióra nincs szükség, ha az eluensnek olyan kicsi a vezetőképessége, hogy az amúgy is érzékeny vezetőképességi detektálást tesz lehetővé [3].
Ioncsere-kromatográfiával savak és bázisok egyaránt elválaszthatók. A HA gyenge sav disszociál:
A–
H
HA↔ ++ /1.10./
A disszociációfok az oldat pH-jának változtatásával befolyásolható. A legtöbb ioncserés elválasztást vizes közegben végzik, mert a víz oldó és ionizáló képessége nagyon jó.
Az 1.1. táblázat bemutatja, hogy adott mintaion csoportokat milyen kísérleti körülmények mellett célszerű elválasztani, detektálni.
1.1. táblázat: Főbb ionkromatográfiás módszerek
Minta / Irodalom Eluens Detektor Elválasztó
oszlop
1.3.3. Az ionkromatográfia eszközei
A mozgófázist az egész kromatográfiás rendszerben egy kettősdugattyús pumpa mozgatja, amely állandó áramlási sebességet biztosít. A mintát mikrofecskendővel visszük a rendszerbe.
A kromatográfiás készülékben található mintabemérő hurok (loop) állandó térfogatának köszönhetően igen kis térfogatú minták is reprodukálhatóan injektálhatók, miközben igen kis sávszélesedéssel kell számolni. A mintabemérő hurok használata egyszerű, kényelmes, olcsó.
A kromatográf legfontosabb része az elválasztó oszlop. A megfelelő állófázis és a megfelelő kromatográfiás feltételek kiválasztása meghatározza az analízis minőségét. Az előkolonna (guard) azt a célt szolgálja, hogy megvédje a szennyeződésektől az analitikai oszlopot, amelyben a töltéssel rendelkező funkciós csoportokat tartalmazó ioncserélő gyanta található.
A detektor a vizsgált minta minőségi és mennyiségi kimutatására szolgál. Az ionkromatográfiában leggyakrabban elektromos vezetőképességi detektorokat használnak. A vezetőképességet váltóáramú ellenállásmérésre vezetjük vissza. A detektorban annál nagyobb a jel, minél nagyobb különbség van a minta és az eluens vezetőképessége között, azaz minél nagyobb a jel-zaj viszony. A detektor elé helyezett szuppresszornak az a szerepe, hogy az ionok elúciójához használt elektrolit vezetőképességét kémiailag csökkentse. Tehát a szuppresszor elnyomja az eluens vezetőképességét, ezáltal növeli a jel-zaj viszonyt és ezzel összefüggésben a detektor érzékenységét is. Lúg eluens (pl. NaOH) esetén szükséges a szuppresszálás, mivel a lúgnak nagy a vezetése. Ekkor a szuppresszorban ioncserélt víz keletkezik, amely gyakorlatilag nem vezet, így a detektálás nagyon érzékeny lesz.
R-H+ + NaOH → R-Na+ + H2O /1.11./
Ebben az esetben a szuppresszor kationcserélő kapilláris cső, amelyben az eluens Na+ -ionjai H+-ionokra cserélődnek a reakció során. Az ioncserélő membrán regenerálása elektrokémiai úton vagy kénsavval történik, amelynek protonjai biztosítják, hogy H+ -ionok legyenek a membrán felületén.
A kromatográfiás jeleket számítógép rögzíti. Minőségi eredményeket kapunk a csúcs helye alapján és mennyiségi eredményeket a csúcsterület kiértékelésével. Ehhez a digitális integrátorok nyújtanak segítséget.