Szervetlen anionok retenciós viselkedésének tanulmányozása makro-

Az eluensoldatok készítéséhez analitikai tisztaságú NaOH-ot és KOH-ot (Merck, Darmstadt, Germany) használtunk. A mozgófázisok koncentrációja 0,5; 1; 2; 3; 4; 5; 7; 10; 20; 30; 40;

50; 60; 70; 80; 90; 100 mM volt NaOH és 1; 3; 5; 7; 10; 15; 20; 25; 30; 40; 60; 80; 100 mM volt KOH esetében. A mintaoldatokat (3 mg/l Cl^–, 5 mg/l NO₂^–, 10 mg/l NO₃^–, 5 mg/l Br^–, 3 mg/l BrO₃^–) 1000 mg/l koncentrációjú törzsoldatokból készítettük. A mozgófázis és a

mintaolda-37

tok elkészítéséhez használt vegyszerek analitikai tisztaságúak voltak. A nagytisztaságú vizet (18.2 MΩ/cm fajlagos elleneállás) Milli-Q (Millipore, Bedford, MA, USA) víztiszító rendsze-ren, ioncserélt víz felhasználásával állítottuk el˝o. Az eluens oldatokat, melyekb˝ol minden nap újat készítettünk, a mérések során He atmoszféra alatt tároltuk.

A vizsgálatok Dionex DX 500 típusú (Dionex, Sunnyvale, CA, USA) mikrofuratú ionkro-matográfiás készüléken történtek, mely GP40 kvaterner gradiens szivattyút, 25µl térfoga-tú mintabeviteli hurkot, a mozgófázis karbonáttartalmának eltávolítása érdekében Ion-Pac ATC 2 mm típusú ioncsapda oszlopot, önregeneráló szupresszort (Dionex ASRS-Ultra, 2 mm) és vezet˝oképességi detektort (Dionex ED50) tartalmazott. A mozgófázis szupresszálás utáni háttérvezetése 1,2µS volt. Az elválasztásokhoz n-decil-2,2,2-kriptand állófázist (1.7.

ábra, 25. o.) tartalmazó Dionex IonPac Cryptand A1 (150 mm×3 mm) típusú anioncseré-l˝o oszlopot használtunk, melynek maximális ioncsere-kapacitása 73µeq volt. A mozgófázis térfogatárama 0,5 ml/min volt.

A kromatográfiás rendszer irányításához, a mérési adatok rögzítéséhez Dionex PeakNet 5.1 szoftvert használtunk.

2.1.3. Szerves és szervetlen anionok vizsgálata nagykapacitású AS9-HC oszlopon

A méréseket Dionex DX 300 típusú ionkromatográfiás rendszerrel (Dionex, Sunnyvale, CA, USA) végeztük, mely SAGP típusú gradiens pumpát, Dionex ACI interfészt, CHA-6 típusú nagynyomású kromatográfiás modult, CDM-II vezet˝oképességi detektort, 50µl térfogatú mintabeviteli hurokkal ellátott Model 9125 típusú injektáló egységet (Rheodyne, Rohnert Park, CA, USA), AMMS-II (4 mm) típusú mikromembrán szupresszort és Dionex EDM eluens gáztalanító egységet tartalmazott. Az elválasztások során 190µeqiv összkapacitású IonPac AS9-HC (250×4 mm) típusú, közepes hidrofobitású, 9,0µm szemcseátmér˝oj˝u, makropólu-sos alkil/alkanol kvaterner ammónium funkciós csoportokkal ellátott tölteteket tartalmazó anioncserél˝o oszlopot alkalmaztunk.

Az oldatokhoz (eluens, regenerálószer, minták) szükséges ultratisztaságú vizet (veze-t˝oképessége 18,2 MΩ/cm) MilliPak-40 22µm pórusátmér˝oj˝u sz˝ur˝ovel ellátott Milli-Q Plus (Millipore) típusú készüléken állítottuk el˝o. Az eluens oldatok leveg˝omentesítését Bande-lin Sonorex RK 52 típusú ultrahangos fürd˝ovel végeztük. A felhasznált analitikai tisztasá-gú vegyszerek, Na₂CO₃, NaHCO₃az eluens oldatokhoz, NaF, NaCl, NaBr, NaNO₃, Na₂SO₄, HCOONa, KH₂PO₄és Na₂(COO)₂a mintaoldatokhoz és cc. (96 m/m%) H₂SO₄a szupresszor oldat (0.025 N) elkészítéséhez a svájci Fluka Chemie AG, Buchs termékei.

A mérések rögzítéséhez, a kromatogramok kiértékeléséhez és a szükséges számításokhoz Dionex AI 450, Peakfit v. 4.12, Mathematica 5.1 (Wolfram Research, Inc.), SigmaPlot 9.0 és

2.2. Ioncsere-kapacitás meghatározása 39

MS Office XP Professional Edition (Microsoft Corp.) szoftvereket használtuk.

2.2. Ioncsere-kapacitás meghatározása

Az ioncserél˝o állófázisok egyik legfontosabb, a retenciót jelent˝os mértékben meghatározó tulajdonsága az ioncsere-kapacitás (Q). Az ionkromatográfiás gyakorlatban többféle kapa-citásadat használatos. Bizonyos kapakapa-citásadatok a meghatározás körülményeit˝ol függetle-nek, ezek az ioncserél˝o anyagot jellemzik, más adatok tükrözik a felhasználás körülményeit.

Az el˝obbi csoportba tartozik az oszlopban található állófázis összes ioncserél˝o kapacitása (Q_tot), mely gyakorlatilag az állófázison található funkciós csoportok számát jelöli. Értékét mequiv vagyµequiv értékben szokás megadni anioncserél˝ok esetén Cl^–, kationcserél˝ok ese-tén H⁺ion formára vonatkozóan. Az ioncserél˝o anyagok jellemzésére leggyakrabban a szá-raz gyanta tömegegységére vonatkozó kapacitást (Q_s, mequiv/g) szokás megadni. Retenciós számításaink során az el˝oz˝oekben említett kapacitások helyett a gyanta térfogategységére vonatkoztatott ioncsere-kapacitást (Q)használtuk, melynek értéke a korábbi id˝okben jelen-t˝osen függhetett a meghatározás körülményeit˝ol, az alkalmazott mozgófázis min˝oségét˝ol, koncentrációjától, pH-jától stb., manapság azonban a duzzadásra kevésbé hajlamos, nagy térhálósságú, pellikuláris ioncserél˝ok elterjedésének köszönhet˝oen csak igen kis mértékben változikQ értéke.

Az állófázis gyantatérfogat-egységére vonatkoztatott ioncsere-kapacitását (Q) az oszlop teljes ioncserekapacitásának (Q_tot) és a gyanta térfogatának (V_S) hányadosaként könnyen kiszámíthatjuk.

Q=Q_tot

V_S (2.1)

Mivel az anioncserél˝o oszlop méretei jól ismertek (általában 4 mm bels˝o átmér˝o, 250 mm hossz, azaz 3,14cm³), az állófázis térfogata (V_S) az oszlop teljes térfogatának (V_col) és holt-térfogatának (V₀) különbségeként számítható.

V_S=V_col−V₀ (2.2)

Az ionkromatográfiás oszlop holttérfogata könnyen meghatározható a rendszer oszlop-pal és oszlop nélkül mért holttérfogatainak különbségéb˝ol, melyek a holtid˝ok (t₀) és az elu-ens térfogatáramának ( ˙V ml/min) ismeretében könnyen kiszámíthatók.

V₀=V₀1−V₀2=(t₀−t₀) ˙V (2.3)

2.3. Retenciós modell egyensúlyi paramétereinek meghatá-rozása iterációs úton

Számos módszer áll rendelkezésre a kromatográfiában mintakomponensek egyensúlyi ál-landójának meghatározására [6]. Ezek közül legfontosabb a frontális analízis, a frontá-lis analízis karakterisztikus ponton, a karakterisztikus ponton történ˝o elúció, az impulzus módszer, az inverz módszer, a nemlineáris frekvencia válasz és a statikus módszer [6]. Azon-ban, ha rendelkezésre áll egy, a mintakomponensek retenciós viselkedésének leírására al-kalmas kromatográfiás modell és egy megfelel˝oen széles eluenskoncentráció-tartományon felvett kísérleti adatbázis, a mintakomponensek egyensúlyi állandói könnyen meghatároz-hatók sokváltozós nemlineáris regressziós analízis segítségével, iterációs úton.

Az egyensúlyi állandók iterációs úton történ˝o meghatározásának feltétele, hogy a reten-ciós adatbázisban található mért értékek és a keresett egyensúlyi állandók között matema-tikailag megfogalmazható függvénykapcsolat legyen. El˝obbieketξ₁, ξ₂, . . . ,ξ_n-nel, utóbbi paramétereket pedig pediga₁,a₂, . . . ,a_m-mel jelölve a függvényszer˝u kapcsolat a következ˝o alakban irható fel:

ξ_i=f (c_i,a₁,a₂, . . . ,a_m)+δ_i (2.4)

aholc_i a független változó, mely munkánk során az eluenskoncentráció volt, ésδ_i az ún.

hibatag, mely azért lép fel, mert a mért mennyiségek értéke bizonyos mértékig a véletlen-t˝ol függ, tehát az elméletileg levezetett összefüggés sohasem teljesül pontosan. Az iteráció során meghatározott paraméterek értéke olyannak adódik, hogy a regresszió jósági foka,χ², minimális legyen. Az iteráció jósági foka az egyes hibatagok négyzetösszege:

χ²= Xn

1

δ²_i (2.5)

Mivel az egyensúlyi állandók iterációs úton történ˝o meghatározása során, helytelenül megválasztott kezdeti paraméter értékek esetén gyakran el˝ofordulhat ún. álkonvergencia, ezért különösen fontos a kezdeti paraméterek gondos megválasztása. Munkánk során az egyensúlyi állandók sokváltozós nemlineáris regressziós analízis útján történ˝o meghatáro-zására Mathematica 5.1 (WolframResearch Inc.) szoftvert használtunk. A számítások során a Levenberg-Marquardt algoritmust alkalmaztuk, mely az iterációk kezdetén gradiens mód-szerként m˝uködik, majd a Gauss-Newton módszerbe fordul az optimális megoldás megta-lálásához. Annak ellenére, hogy a Levenberg-Marquardt algoritmus nagy stabilitást biztosít, a hatékonyága ennek a módszernek is er˝osen függ a paraméterek kezdeti értékét˝ol.

2.4. Kromatográfiás csúcsok momentumainak meghatározása görbeillesztéssel 41

2.4. Kromatográfiás csúcsok momentumainak meghatározá-sa görbeillesztéssel

Egy valószín˝uségi változó momentumai több, a változó eloszlását jellemz˝o számértéket is ta-karnak. Általánosan aξvalószín˝uségi változók-adik momentuma bármelyk pozitív egész szám esetén az M(ξ^k) által felvett értékként határozható meg (feltéve, hogy ez az érték léte-zik), ahol M(ξ) aξvárható értékét jelöli.

Aξvalószín˝uségi változók-adik momentumának jelölését tekintve a szakirodalom nem egységes. Sok esetben - a várható értékt˝ol (m), szórástól (σ), ferdeségt˝ol (S), vagy lapult-ságtól (E) eltér˝oen - nem szoktak külön jelölést bevezetni, hanem kiírják az M¡

ξ^k¢

-t. Ta-lálkozhatunk helyenként aµ_k =M¡

ξ^k¢

jelöléssel, más könyvekben viszont aµ_k a centrális momentumot jelöli.

A valószín˝uségszámításban és a matematikai statisztikában más momentumok is el˝ofor-dulnak, ezek közül a legfontosabbak:

• k-adik momentum, M¡ ξ^k¢

• k-adik abszolút momentum, M¡

|ξ^k|¢

• k-adik centrális momentum, M

³

[ξ−M(ξ)]^k

´

• k-adik abszolút centrális momentum, M

³

|ξ−M(ξ)|^k

´ .

A momentumok fenti definíciójából következ˝oen egyt₁-t˝olt₂-ig terjed˝o id˝ointervallum-ban található kromatográfiás csúcsk-adik momentuma az alábbi összefüggéssel számítha-tó:

aholC(t) a vizsgált komponens koncentrációprofilja az oszlop végén, azaz a kromatográfiás csúcs alakját leíró koncentráció adatsor.

Mivel, a valószín˝uségi eloszlásokkal ellentétben, a kromatográfiás csúcsok területe – a legritkább kivételekt˝ol eltekintve – nem 1 a momentumokat normalizálni kell, azaz el kell osztani a kromatográfiás csúcs területével, a 0-dik momentum értékével.

µ_k=M_k

A (2.7) összefüggéshez hasonlóan a kromatográfiás csúcs alakját jellemz˝o

normalizált-centralizált momentum az alábbiak szerint adható meg:

Mivel a gyakorlatban a kromatogram mindig zajjal terhelt, ezért a (2.7) és (2.8) egyenletek alapján számított momentumok értéke nagymértékben függ attól, hogy a kromatográfiás csúcs határait, azazt₁ ést₂értékét milyennek választjuk meg. A hiba különösen nagyobb fokú momentumok számítása esetén jelent˝os.

A kromatográfiás csúcsok momentumainak a fentiekben vázoltaknál pontosabb meg-határozása a digitális adatsorként regisztrált kromatogram csúcsaira illesztett matematikai függvényekkel leírható görbék segítségével a legegyszer˝ubb. Ebben az esetben a kromato-gráfiás csúcs normalizált és centralizált-normalizált momentumait a csúcsalakra illesztett függvény,C(t) ismeretében az alábbiak szerint számítjuk:

µ_k=M_k

A kromatográfiás gyakorlatban csúcsok alakjának leírására elterjedten használják az ún.

exponenciálisan módosított Gauss függvényt (továbbiakban EMG görbe), ami egy csökke-n˝o exponenciális és egy normál eloszlású Gauss s˝ur˝uségfüggvény konvolúciójával adható meg. Használata azért praktikus, mert nem csak nagy pontossággal illeszthet˝o a folyadék-kromatográfiás csúcsokra (eltekintve néhány kis retenciós idej˝u, nagy aszimmetriájú csúcs-tól), de talán az egyetlen, mely könnyen belátható fizikai tartalommal is bír [7]. Alkalmazása abból a tényb˝ol ered, hogy az ideális Gauss görbét els˝o rend˝u késleltet˝o hatások kísérik, pél-dául a mintabeviteli egység holttereiben vagy a detektorban történ˝o keveredés. A keveredési folyamatok általában exponenciális függvényekkel írhatóak le. Az EMG függvény az alábbi módon adható meg:

y(t)=g(t)⊗e(t) , (2.11)

2.4. Kromatográfiás csúcsok momentumainak meghatározása görbeillesztéssel 43

ahol a⊗operátor a konvolúciós m˝uveletet jelöli,g(t) a Gauss-függvény,

g(t)= 1 p2π σe⁻¹²

¡_t−m

σ

¢₂

, (2.12)

ése(t) az exponenciális eloszás s˝ur˝uségfüggvénye,

e(t)=





t<0, 0 t≥0, ¹_τe^−tτ

(2.13)

továbbám a Gauss eloszlás várható értéke,σa szórása,τpedig az exponenciális függvény id˝oállandója.

A (2.12) és (2.13) egyenletek konvolúciója az alábbi kifejezést eredményezi:

y(t)= A 2τerfc

µ σ

p2τ − t−m p2σ

¶ e ^σ

2

2τ2−^t−m_τ , (2.14)

ahol

erfc(x)= 2 pπ

Z _∞

x

e^−t2dt (2.15)

az ún. komplementer hibaeloszlás.

3. Eredmények

3.1. Anionok elválasztásának mechanizmusa latex-alapú ál-lófázisokon

Ahogy az 1.4.1. alszakaszban láthattuk, az egyik legnagyobb áttörés az ionkromatográfiá-ban a latex-alapú állófázisok kifejlesztése volt. Mivel ezeknél az állófázisoknál a funkciós csoportok és a hordozó elkülönülnek, ráadásul a pozitív töltés˝u kationcserél˝o latex réteg mögött egy negatív töltés˝u felület található, indokolt lehet a latex-alapú anioncserél˝ok ese-tében részletesen vizsgálni azokat a paramétereket, melyek befolyásolhatját az egyes anio-nok retenciós profilját és szelektivitását [14]. Jól ismert tény, hogy latex-alapú anioncserél˝ot tartalmazó oszlopon az egyes ionok retenciós viselkedése eltér a jelenlegi ionkromatográ-fiás elméletek alapján jósoltaktól [57, 70]. Ez vezetett többek között az empirikus végpont modell (ld. 1.4.3. alszakasz, 35. oldal) kidolgozásához is [57].

Munkánk célja az ionkromatográfiás retenciós mechanizmus finomítása és retenciós modell kidolgozása volt latex-alapú állófázisokat tartalmazó rendszerek leírására, valamint a modell alkalmazhatóságának vizsgálata kísérleti adatbázis alapján. A retenciós folyama-tok matematikai leírása során az ioncserefolyamafolyama-tok ún. sztöchiometriai megközelítését alkalmaztuk. Ennek alapján feltételeztük, hogy az állófázison található pozitív töltés˝u funk-cionális csoportok az ellenionokkal ionpárt alkotnak, s emellett az ionpár-képz˝odés és az ioncsere folyamatok szötchiometriai reakciók, melyeknek sztöchiometriáját a folyamatok-ban résztvev˝o specieszek töltése szabja meg.

3.1.1. Alifás karbonsavak és szervetlen anionok retenciós viselkedése la-tex-alapú állófázisokon

A klasszikus anioncsere kromatográfia gyakran használt elválasztási technika hidrofil tu-lajdonságú karbonsavak meghatározására. Szerves és szervetlen, egy és kétérték˝u anio-nok (laktát, piruvát, formiát, acetát, propionát, klorid, nitrát, oxalát, malonát, szukcinát, tartarát, fumarát, maleát, szulfát) retenciós tulajdonságait vizsgáltuk latex-alapú állófázist

45

tartalmazó AS4A-SC oszlopon nátrium-hidroxid eluens alkalmazása esetén. Az elválasz-táshoz felhasznált eluens koncentrációját meglehet˝osen széles tartományban változtattuk (c_NaOH= 1.0; 2.5; 5.0; 7.5; 10.0; 15.0; 25.0; 35.0; 50.0 mM). Mivel a vizsgált hidrofil tulajdonsá-gú alifás karbonsavak els˝o protonálódási állandójának logaritmusa (lgK₁) minden esetben kisebb volt, mint 4, valamint az eluens pH-ja minden esetben nagyobb volt, mint 10, az összes vizsgált mintakomponens anionos formában volt jelen az elválasztások során. Mind-ezek mellett mivel az eluens pH-ja a szupresszió után 7-8 közötti értékre áll be, a szupresszált vezet˝oképességi detektálás a vizsgált karbonsavak esetén is el˝onyösnek és célszer˝unek bizo-nyult.

Egy, az elválasztások során nyert, mind szerves, mind szervetlen anionokat tartalmazó tipikus kromatogram a 3.1. ábrán látható. Megfigyelhet˝o, hogy a szerves és szervetlen anio-nok egymástól elválaszthatók, a felbontások (R_S, 1.1.3. alszakasz, 9. oldal ) kielégít˝oek.

3.1. ábra:Szerves és szervetlen anionok elválasztása (c_NaOH= 25 mM; mintaionok koncent-rációja: 0,05–0,1 mM)

Az elválasztás során, a retenciós térfogatokból kapott retenciós tényez˝oket (k, 1.1.3. al-szakasz, 7. oldal) változó eluens koncentráció mellett a 3.1. és a 3.2. táblázat tartalmazza.

A 3.2. és 3.3. ábrán pedig a retenciós tényez˝ok láthatók az eluens koncentráció függvényé-ben. Az ábrákon mind az abszcissza, mind az ordináta logaritmikus léptékben van ábrázol-va.

A táblázatok és ábrák vizsgálata alapján a következ˝o megállapításokat tehetjük a minta-ionok retenciós viselkedésével kapcsolatban:

(1) Az eluens koncentráció változása jelent˝os hatást gyakorol a mintaionok retenciós

visel-3.1. Anionok elválasztásának mechanizmusa latex-alapú állófázisokon 47

Eluens koncentráció [mM]

1 2,5 5 7,5 10 15 25 35 50

0,1 1 10

formiát acetát propionát piruvát laktát klorid nitrát

Retencióstényező

3.2. ábra:Az eluens koncentráció hatása egyszeres negatív töltés˝u anionok retenciójára

Eluens koncentráció [mM]

10 25 35 50

1 10 100

Retencióstényező

oxalát malonát szukcinát tartarát fumarát maleinát szulfát

15

3.3. ábra:Az eluens koncentráció hatása kétszeres negatív töltés˝u anionok retenciójára

3.1. táblázat:Egyszeresen negatív töltés˝u anionokkértékei Eluens koncentráció (mM)

1 2,5 5 7,5 10 15 25 35 50

Formiát 1,19 0,94 0,90 0,67 0,54 0,42 0,32 0,25 0,17 Acetát 0,90 0,77 0,70 0,51 0,43 0,32 0,23 0,20 0,13 Propionát 0,91 0,73 0,68 0,49 0,41 0,32 0,24 0,20 0,14 Piruvát 1,44 1,24 1,08 0,80 0,67 0,51 0,39 0,30 0,22 Laktát 0,83 0,72 0,63 0,48 0,38 0,30 0,23 0,18 0,13 Klorid 2,82 2,44 2,10 – 1,31 – 0,76 0,58 0,43 Nitrát 9,61 7,95 7,00 – 4,44 – 2,57 1,99 1,48

3.2. táblázat:Kétszeresen negatív töltés˝u anionokkértékei Eluens koncentráció (mM)

10 15 25 35 50

Oxalát 20,34 11,95 5,86 3,31 1,77 Malonát 15,99 8,73 4,43 2,63 1,43 Szukcinát 16,00 9,23 4,67 2,72 1,46 Tartarát 19,97 10,50 5,16 2,97 1,59 Fumarát – 22,05 10,82 6,22 3,47 Maleinát – 9,36 4,71 2,74 1,46 Szulfát 16,20 – 4,29 2,44 1,28

kedésére. Növekv˝o eluens koncentráció csökken˝o retencióhoz vezet.

(2) A szerves és szervetlen anionok retenciós tényez˝oje eltér˝o, egymástól elválaszthatók.

(3) A monokarbonsavak a dikarbonsavak el˝ott eluálódnak.

(4) Funkciós csoportok jelenléte a retenciót növeli (pl.: piruvát vs. propionát, ill. tartarát vs.

szukcinát).

(5) Dikarbonsavak retenciós viselkedése függ a karboxil csoportok relatív helyzetét˝ol. Geo-metriai izomerek elválaszthatók (pl.: maleinsav és fumársav).

(6) A retenció nagyobb, haπ-kötés található a molekulán belül.

Mivel a vizsgálatok során használt NaOH eluens koncentrációja széles tartományban változott (1–50 mM), mód nyílik az anionok retenciós profiljának széles tartományban vett vizsgálatára. Az ábrákon jól látszik, hogy a vizsgált anionok retenciós viselkedése eltér a line-áris oldószer er˝osségi modell által jósoltaktól. Mindkét ábrán szaggatott vonal jelzi a reten-ciós profilok lefutását a linerási oldószer er˝osségi modell alapján számolva. Jól látszik, hogy a mért retenciós profilok jelent˝osen eltérnek a számítottól. Egyérték˝u ionok esetében nagy eluens koncentráció esetén nem, míg kétérték˝u ionok esetében már ott is jelent˝os az

elté-3.1. Anionok elválasztásának mechanizmusa latex-alapú állófázisokon 49

rés a számított és mért retenciós profilok lefutása között. Meg kell jegyezni azonban azt is, hogy a retenciós profilok egy-egy szakasza jól közelíthet˝o egy-egy egyenessel, ami megma-gyarázhatja az empirikus végpont modell er˝os predikciós képességét. Az elméleti és a mért retenciós profilok közti eltérés valószín˝usíthet˝oen azt jelzi, hogy latex-alapú állófázisokon az anionok visszatartását nem kizárólag ioncsere folyamatok szabják meg, hanem más, eddig figyelembe nem vett hatásokkal is számolnunk kell. Ez utóbbi hatások minden bizonnyal az állófázis speciális szerkezetéb˝ol fakadnak.

3.1.2. Eluens- és mintaionok kémiai egyensúlyai latex-alapú állófáziso-kon

Az 1.4.1. alszakaszban (22. o.) a latex-alapú állófázisok ismertetése során láthattuk, hogy ezen típusú anioncserél˝ok két külön részb˝ol állnak: (1) egy mechanikailag stabil, inert, fe-lületileg szulfonált hordozóból, és (2) ezen a felületen elektrosztatikusan megkötött latex rétegb˝ol, ahogy az a 3.4. ábrán is látható. Mivel a pozitív töltés˝u kvaterner ammónium funk-ciós csoportokat tartalmazó latex réteg mögött egy negatív töltés˝u szulfon réteg található, az anioncserél˝o funkciós csoportok egy része szabad pozitív töltésként is jelen lehet az álló-fázison, anélkül, hogy sérülne az elektroneutralitás. Feltételezésünk szerint, ezeken a funk-ciós csoportokon az anionok megköt˝odése Langmuir-típusú egyensúlyokkal írható le, azaz a funkciós csoport és a minta- ill. eluens ion közötti ionpár-képz˝odéssel és ezek disszociá-lódásával ((3.1), (3.2) egyenlet), illetve az így kialakult ionpárok anionjának ioncserés lecse-rél˝odésével ((3.3) egyenlet). Az állófázis fennmaradt részén, azaz azon a hányadon, amely nincs töltésegyensúlyban a szulfon réteggel, kizárólag ioncsere egyensúllyal számolhatunk ((3.7) egyenlet).

P⁺+OH⁻ K_OH GGGGGGGB

FGGGGGGG POH (3.1)

xP⁺+A⁻FGGGGGGGGGGGGGGB^KA P_xA (3.2) xPOH+A^x−FGGGGGGGGGGGGGGB^KA/OH PxA+xOH⁻ (3.3)

aholP⁺a szulfonréteggel töltésegyensúlyban lev˝o anioncserél˝o funkciós csoportokat jelöli.

Mindegyik egyensúly jellemezhet˝o egy-egy egyensúlyi állandóval:

K_OH=

¡OH⁻¢

£ P

OH⁻¤

(P⁺) (3.4)

OH–

R +Töltésegyensúlybannemlevőfunkcióscsoport

R +

Ionpárképződés/ioncsere

Vándorlás OH–

Töltésegyensúlybanlevőfunkcióscsoport OH– OH–

OH–OH– OH–OH– OH–

3.1. Anionok elválasztásának mechanizmusa latex-alapú állófázisokon 51

K_A= (A^x−)_P

[A^x−] (P⁺)^x (3.5)

K_A/OH=(A^x−)_P£ OH⁻¤_x [A^x−]¡

OH⁻¢_x

P

= K_A

(K_OH)^x (3.6)

ahol a ( ) és [ ] zárójelek a komponensek álló- és mozgófázisbeli koncentrációját jelölik.

Látható, hogy a szelektivitási állandó (1.4.3. alszakasz, 29. o.) a mintaion és az eluension ionpárképz˝odési állandójának mintaion töltésével képzett hatványának hányadosa.

Azokon a funkciós csoportokon, melyek már nincsenek töltésegyensúlyban a szulfonré-teggel csak ioncsere folyamatok zajlanak le az elektroneutralitás meg˝orzése miatt.

xR−OH+A^x−FGGGGGGGGGGGGGGB^KA/OH R_x−A+xOH⁻ (3.7)

ahol R⁺ olyan ioncserél˝o funkciós csoportot jelöl, mely nem áll a szulfonréteggel töltés-egyensúlyban. K_A/OH szelektivitási állandó, mely megegyezik a (3.3) ioncsere folyamat egyensúlyi állandójával, a következ˝o módon definiálható:

K_A/OH=(A^x−)_R£ OH⁻¤_x [A^x−]¡

OH⁻¢_x

R

= K_A

(K_OH)^x. (3.8)

Fontos megjegyezni, hogy a (3.8) jobb oldali tagja az ioncsere egyensúlyt jellemz˝o szelek-tivitási állandónak nem pusztán egy matematikailag helyes felírása, hanem valószín˝usíthe-t˝oen a valós, az ioncsere folyamán egymást követ˝o lépésekben lejátszódó folyamatok helyes értelmezése is egyben.

3.1.3. Elválasztó oszlop ioncsere-kapacitása

A latex-alapú ioncserél˝o állófázist tartalmazó kromatográfiás oszlopok teljes ioncsere-kapa-citása (Q_tot, meq/ml) tehát a töltésegyensúlyban lev˝o és nem lev˝o funkciós csoportok össze-géb˝ol adódik. Definiálható egy ún. w súlytényez˝o, mely a két különböz˝o állapotban lev˝o funkciós csoportok teljes ioncsere-kapacitáshoz viszonyított arányát mutatja meg. Abban az esetben, ha az oszlop ioncsere-kapacitásának teljes hányada töltésegyensúlyban van a latex-részecskék mögött található szulfon réteggel, w = 1. A súlytényez˝o a latex réteg és a mögötte található szulfon réteg töltéss˝ur˝uségét˝ol függ, így különböz˝o típusú ioncserél˝ok esetén értéke más és más lehet.

Q_tot=Q_P+Q_R =w Q_tot+(1−w)Q_tot. (3.9)

A töltésegyensúlyban lév˝o kapacitáson (Q_P) az ioncsere ((3.3) egyenlet) mellett ionpár képz˝odéssel és ezek disszociálódásával ((3.1), (3.2) egyenlet) is számolni kell. Utóbbi folya-mat miatt az állófázison nem csak minta és eluens anion, de szabad, pozitív töltés˝u funkciós csoport is található. EmiattQ_Paz alábbi módon adható meg:

Q_P =¡

P^+¢+¡ OH⁻¢

P+x¡

A^x−¢_P. (3.10)

Az állófázis töltésegyensúlyban nem lév˝o hányadán (Q_R), az elektroneutralitás meg˝or-zése miatt, csak ioncsere zajlik, így az ionpárok disszociálódásával, legalábbis anélkül, hogy a funkciós csoport azonnal nem alkotna ionpárt egy másik anionnal, nem kell számolni.

Q_R =¡ OH⁻¢

R+x¡

A^x−¢_R. (3.11)

Az igazi különbség tehátQ_PésQ_Rközött nem a szelektivitásukban rejlik, hanem abban, hogy míg az el˝oz˝o tartalmaz szabad funkciós csoportokat, addig az utóbbi, az elektroneut-ralitás meg˝orzése miatt, nem.

Mivel analitikai kémiában a mintakomponens koncentrációja általában olyan kicsi, hogy a kromatográfiás viszonyok lineárisak, azok koncentrációja elhanyagolható a (3.10) és (3.11) egyenletb˝ol, azaz

Q_Pa (3.4) és (3.6) egyensúlyi állandó felhasználásával, mígQ_Ra (3.8) szelektivitási állan-dó segítségével az alábbi módon számítható:

Q_P= ^x

3.1. Anionok elválasztásának mechanizmusa latex-alapú állófázisokon 53

3.1.4. Mintaionok retenciós tényez˝oje

A mintaionok megoszlási hányadosa, az (1.12) egyenlet (1.1.3. alszakasz, 8. oldal) értelmé-ben azok álló és mozgófázisbeli koncentrációjának hányadosával egyenl˝o, mely latex-alapú állófázisokon, a fentiek figyelembevételével az alábbiak szerint definiálható:

D_A = (A^x−)_P+(A^x−)_R

[A^x−] =D_A,P+D_A,R (3.16) Az oszlop ioncserekapacitásának számítására szolgáló (3.14) és (3.15) egyenletek jobb

[A^x−] =D_A,P+D_A,R (3.16) Az oszlop ioncserekapacitásának számítására szolgáló (3.14) és (3.15) egyenletek jobb

In document Kémiai egyensúlyi és kinetikai kölcsönhatások leírása, alkalmazása az ioncsere-kromatográfiában (Pldal 49-0)