Специальная часть.

Многоцелевые компьютеризированные

ионохроматографические комплексы

Принцип метода

В 1975 году Смолл, Стивенс и Бауман предложили метод, который во многом позволяет решить проблемы определения ионов в растворе. Метод, названный ионной хроматографией, объединяет ионообменную хроматографию, включающую последовательное использование двух колонок, с кондуктометрическим детектированием.

В основу ионной хроматографии положено элюентное ионообменное разделение ионов на первой (разделяющей) колонке с последующим подавлением фонового сигнала элюента на второй (подавляющей) ионообменной колонке.

Линейная зависимость кондуктометрического сигнала от концентрации ионов сохраняется в широком интервале концентраций (0,01 мкг/мл -100 мг/мл), поэтому метод позволяет определять как микро-, так и макрокомпоненты анализируемого образца.

Ионная хроматография получила широкое распространение для определения неорганических и органических ионов в промышленных объектах, объектах окружающей среды, биологических и других объектах.

Распространение ионной хроматографии обусловлено рядом достоинств этого метода. Среди них:

1. Низкий предел обнаружения (~10^-3 мкг/мл). Применение концентрирующей колонки позволяет снизить предел обнаружения еще на 2-3 порядка, т.е. до 10^-5 – 10^-6 мкг/мл.

2. Высокая селективность определения ионов в сложных смесях, а также возможность одновременного определения неорганических и органических ионов.

3. Быстрота определения. В течение 20 мин из одной пробы можно определить до 10 ионов.

4. Широкий интервал определяемых концентраций.

5. Малый объем пробы (0,1 – 0,5 мл).

6. Простота подготовки пробы к анализу.

В своем первоначальном виде, как уже было сказано, метод характеризуется четырьмя основными особенностями: 1) созданием в системе высокого давления; 2) использованием в разделяющей колонке поверхностно модифицированных ионообменных смол низкой емкости; 3) применением подавляющей колонки для снижения фонового сигнала элюента; 4) кондуктометрическим детектированием. В последнее время развиваются и иные варианты: ионная хроматография без подавления фонового сигнала элюента и с различными способами детектирования.

1. Принцип ионной хроматографии

Принцип метода можно продемонстрировать на примере определения катионов щелочных металлов. В разделяющей колонке используют сильнокислотный катионит низкой емкости в Н⁺ -форме, а в подавляющей – сильноосновный анионит высокой емкости в ОН^- -форме. Элюентом является разбавленный раствор HСl (~ 10^-3 М). Разделенные на первой колонке ионы поступают вместе с элюентом во вторую колонку, где происходит обмен хлорид-ионов на ионы гидроксила. Последние, взаимодействуя с водородными ионами HCl, образуют воду. Таким образом, снижается фоновая электропроводность элюента, и в детектор поступают гидроксиды щелочных металлов на фоне деионизированной воды. Процессы, протекающие на колонках, можно определить следующей схемой:

Разделяющая колонка	R- Н +Ме^+→R – Ме + Н^+
Подавляющая колонка	R- ОН + HCl→R – Cl + Н2O R- ОН + МеCl→R – Cl + МеOН

При определении анионов в разделяющей колонке часто используют сильноосновный анионит в НСО₃^- -форме, а в подавляющей колонке – сильнокислый катионит высокой емкости в Н⁺ -форме. Элюентом в этом случае является разбавленный раствор NaHCO₃ (~ 10^-3 М), а разделенные анионы детектируют в виде сильных кислот на фоне малодиссоциированной H₂CO₃ (рК₁=6,35).

Процессы, протекающие на колонках, можно представить следующей схемой:

Разделяющая колонка	R- НСО3+An^-→R –An+ НСО3^-
Подавляющая колонка	R- Н +NaHCO3→R –Na+ Н2CO3 R- Н +NaAn→R –Na+ НAn

Ионная хроматограмма неорганических анионов представлена на рис.1.

Из рис. 1 следует, что при правильном подборе режима разделения можно получить с одного измерения информацию о концентрации 6-ти наиболее распространенных неорганических анионов.

Последовательность выхода ионов из колонки для конкретных условий измерений является постоянной, что позволяет по этому признаку проводить идентификацию определяемых ионов.

К недостаткам метода можно отнести необходимость периодической регенерации смолы подавляющей колонки. Число опытов, которое можно провести между двумя регенерациями, определяется уравнением

V_B C_B 1

N = ( ----- )·( ------ ) · -----

V_A C_A K^x_у

Здесь V_B и V_A – соответственно объем подавляющей и разделяющей колонок;

С_В С_А – удельные емкости смол (мэкв/г) в подавляющей и разделяющей

колонках;

K^x_у - коэффициент селективности иона Х, который в данной

анализируемой смеси имеет наибольшее сродство к смоле,

по сравнению с ионом элюента У.

Отношение объемов V_B /V_A должно быть равным единице, чтобы не нарушить разделения из-за большого мертвого объема. Отношение С_В/С_А должно быть большим для увеличения рабочего времени подавляющей колонки. Поэтому в разделяющей колонке используют смолы емкостью 0,01-0,1 мэкв/г, а в подавляющей – 3-5 мэкв/г. Время работы подавляющей колонки тем больше, чем меньше K^x_у, а значит, сродство замещающего иона выше сродства определяемого иона X.

Следовательно, выбор элюента ограничен следующими основными требованиями: ион элюента должен обладать достаточным сродством к смоле, чтобы вытеснить определяемые ионы, и в то же время не слишком большим, поскольку в противном случае снизится селективность разделения определяемых ионов. Однако основным требованием, предъявляемым к элюенту, является возможность подавления его электропроводности без ухудшения разделения определяемых ионов.

Высокая эффективность разделения обусловлена свойствами ионообменных разделяющих смол. В разделяющих колонках используют смолы, представляющие собою поверхностно модифицированные сополимеры стирола и дивинилбензола, с размером зерен 40-60 мкм. В зависимости от знака заряда определяемых ионов ионогенными являются либо сульфо-, либо аминогруппы.

В анионообменных смолах частицы, содержащие ионогенные аминогруппы, прочно удерживаются поверхностными сульфогруппами за счет электростатических связей и образуют, так называемую, анионную пленку.

Высокая эффективность поверхностно модифицированных смол обусловлена уменьшением вклада продольной и вихревой диффузии в процесс ионного обмена и высокой скоростью массопереноса. Кроме того, важным достоинством этих смол является высокая устойчивость в широком интервале значений рН (0-14) и малое набухание в различных растворителях, что позволяет работать при высоких давлениях.

В подавляющей колонке обычно используют полностью сульфированные или аминированные смолы на основе сополимера стирол-дивинилбензол высокой емкости. К таким смолам относятся Dowex-1, Dowex-50.

Интересна и перспективна новая подавляющая система для ионной хроматографии анионов. В качестве подавителя в этой системе используют полупроницаемую мембранную трубку, стенки которой пропускают только ионы Н⁺ и Na⁺. Трубку помещают в колонку, элюент (NaHCO₃/Na₂CO₃) поступает внутрь трубки, а снаружи противотоком подают регенерирующий 0,02 М раствор H₂SO₄. В процессе движения элюента по трубке происходит обмен между ионами H⁺ и Na⁺, и на выходе из подавляющей колонки элюент превращается в раствор H₂CO₃. Регенерируется такая подавляющая система непрерывно.

Преимуществом новой системы подавления является отсутствие на хроматограмме двух отрицательных пиков (водного и карбонатного). При использовании обычных подавляющих смол эти отрицательные пики оказывают существенное влияние на положение и высоту хроматографических пиков слабо удерживаемых ионов F^-, Cl^-, NO₂^-. Причиной появления водного и карбонатного отрицательных пиков являются эксклюзивные свойства смол, обычно используемых в подавляющих колонках.

Число катионов и анионов, которые можно определять методом ионной хроматографии, весьма велико. Ниже представлены неорганические катионы и анионы, свойства которых (рК сопряженных кислот и оснований, подвижность в растворе) позволяют определять их ионохроматографически.

Кaтионы	Анионы
Аммоний NH4^+ Барий Ba^2+ Калий K^+ Кальций Ca^2+ Литий Li^+ Магний Mg^2+ Натрий Na^+ Стронций Sr^2+ Цезий Cz^+	Азид N3^- Арсенат AsO4^3- Арсенит AsO3^3- Алюминат AlO2^- Бромат BrO3^- Бромид Br^- Ванадат VO3^- Вольфрамат WO4^2- Гипохлорит ClO^- Дитионат S2O6^2- Иодат IO3^- Карбонат CO3^2- Метафосфат P2O10^5- Молибдат MoO4^2- Нитрат NO3^- Нитрит NO2^-	Ортофосфат PO4^3- Перхлорат ClO4^- Пирофосфат P2O7^2- Перренат ReO4^- Роданид SCN^- Селенат SeO4^2- Селенит SeO3^2- Станат SnO3^2- Стабит SbO3^- Сульфат SO4^2- Сульфит SO3^2- Тетрафторборат BF4^- Тиосульфат S2O3^2- Фторид F^- Хлорат ClO3^- Хлорид Cl^- Хромат CrO4^2-

Можно определять и многочисленные органические соединения, образующие катионы и анионы:

Соединения, образующие катионы	Соединения, образующие анионы
Ацетилхолин N-Бутиламин Диизопропаноламин Диметиламин Диэтаноламин Диэтиламин Моноизопропаноламин Монометиламин Моноэтаноламин Моноэтиламин Пропионилхолин Тетраметиламмоний Тетраэтиламмоний Трибутиламин Триизопропаноламин Триметиламин Триэтаноламин Триэтиламин Холин (СН3)3N + CH2CH2OH Циклогексиламин	Акрилат Антранилат Аскорбат Ацетат Бензоат Бифталат Бромбензоат Бутилфосфат Бутират Гидроксициатрат Глюконат Гликолят Дибутилфосфат Дихлорацетат Лактат Малеат Малонат Метакрилат Метилфосфонат Метоксибензоат	Монохлорацетат Нитробензоат Оксалат Пропионат Салицилат Сукционат Сульфобензоат Сульфосалицилат Тартрат Тиогликолят Тиолактат Триформетан сульфонат Трихлорацетат Формиат Фталат Фумарат Феноксиацетат Цитрат Этилметилфосфонат

Состав ионного хроматографа

В состав ионного хроматографа входят следующие элементы: утройство ввода пробы; насос элюента; концентрирующая колонка и аналитическая и подавительная колонки; детекторы.

Рассмотрим функции каждого. Устройство ввода пробы конструктивно выполняется в виде крана-дозатора или шприца. Эти устройства могут управляться компьютером. Насос элюента является самой важной деталью ионного хроматографа и самой дорогой. Дело в том, что малейшие пульсации давления, а следовательно и расхода элюента, воспринимаются детектором как изменения концентрации и прописываются на хроматограмме. При высоком уровне пульсации хроматограмма становится не читаемой. Насос элюента весьма тонкое и точное устройство, в котором должно создаться давление от 25 до 80 кг/см² при расходе элюента мг/мин, с минимальной погрешностью. Концентрирующая колонка применяется в случаях, когда концентрации определяемых ионов на 1-2 порядка ниже предела обнаружения детектора. Аналитическая колонка является основным элементом ионного хроматографа, т.к. на ней происходит разделение определяемых ионов. Функцией подавительной колонки является компенсация носимого фона элюента для более точного измерения концентраций ионов. Детекторы ионной хроматографии преобразуют концентрации ионов в выходной сигнал, поступающий в виде хроматограммы на обработку в компьютер. Основными типами детекторов современной ионной хроматографии являются кондуктометрический и амперметрический.

На качество разделения ионов сильно влияет состав и рН-элюента. Поэтому для каждой партии колонок подбирается эмпирически оптимальный состав элюента, для этого, как минимум, необходимо иметь реактивы, мерную посуду, рН-метр, бидистиллятор. Измерительная система ионного хроматографа, и, особенно, детектор, не стабильна во времени, поэтому ее нужно периодически проверять по стандартным образцам ионов. Следовательно, необходим комплект ГСО, адекватный составу анализируемой пробы. Этот перечень можно считать достаточным для проведения анализа жидких проб, однако при анализе твердых и, тем более, газообразных проб необходимы устройства для количественного перевода этих проб в жидкое состояние.

Таким образом, при расширении номенклатуры объектов контроля прибор – ионный хроматограф неизбежно превращается в многоцелевой химико-аналитический комплекс с развитой периферией устройств пробоотбора, пробопреобразования, концентрирования, разбавления и т.п.

Периферийные устройства

Определим периферийные устройства как некий ареал разнообразных технических средств и методических приемов, окружающих собственно ионный хроматограф и создающих возможность работы с пробами различных агрегатных состояний. Влияние периферийных устройств на качество результатов измерений существенно превышает влияние собственно хроматографа. Профессионалам хорошо известно, что, так называемая, методическая погрешность почти целиком связанная с работой периферийных устройств, многократно превышает инструментальную погрешность прибора. Поэтому предпочтение дорогого прибора с низкой инструментальной погрешностью дешевому с большей погрешностью оправдано только для отдельных случаев аналитических измерений. Для экоаналитических задач этот фактор при соотношении инструментальной 1-2% погрешности и методической 10-25% представляется малосущественным. Описание периферийных устройств начнем с тех, которые непосредственно связывают методику выполнения измерений с объектом контроля.