+ M 2+ (2) 2- (3) DCTA

Átírás

1 Fém-kelát komplexek analitikai elválasztása és azonosítása folyadék-kromatográfiás módszerrel Analytical separation and identification of metal-chelate complexes using liquid chromatography Tófalvi Renáta, Sepsey Annamária, Hajós Péter* Pannon Egyetem, Analitikai Kémia Intézeti Tanszék 8200 Veszprém, Egyetem u. 10. Summary The trace analysis of metal-complexes has long been an area of interest for analytical chemists and environmental researchers, and with the increasing awareness of the biological and toxic properties of certain metals and ligands. The method for the simultaneous separation of the metal cations and organic and inorganic anions is based on the use of strong chelating anion with high charge. Complexing eluents have been used to improve the selectivity of the chromatographic separation of metal ions. When basic solution contains an excess of a strong complexing anion of high charge such as ethylenediaminetetraacetate () ion, most metal ions will occur as anionic complexes. The metal- complexes are anions and can be separated by anion exchange. Hence this method provides simultaneous metal and anion separation. The ethylenediamine-tetraacetic acid () and the trans-1,2-diamine-cyclohexane-tetraacetic acid (DCTA) are excellent chelating agents, they can form stabile chelate with different metal ions. The chelating agents exhibit strong complexing power because of their carboxylic functions and their nitrogen and oxygen atoms. These aminopolycarboxylic acids can remobilize metals and their release in nature may cause release of metals into ground water and their uptake by plants. Because aminopoly-carboxylic acids are a potential risk to the environment, it is important also to develop an effective analytical technique for their determination. Several factors effect the retention by the separation of the complex anions. There are complex formation reactions, ion-exchange equilibria and protolysis depending on ph in the same time. Retention models have been developed to study the retention of complexes by anion exchange. The aim of this work is the optimization of a simultaneous chromatographic separation and identification of metal ions precomplexed by the ligand or DCTA and non-metallic species by suppressed anion-exchange chromatography. The method was utilized to separate Cu 2-, CuDCTA 2-, Zn 2-, ZnDCTA 2-, Al -, AlDCTA -, Cl -, piruvate and maleate anions. The capacity factors of complex ions were determined for wide ranges of ph values and eluent concentrations. An advantageous condition of the method is that the same basic ph-range is favoruable to the stability of the metal complexes and to the elution. 1. Bevezetés Az átmeneti- és nehézfémek minőségi és mennyiségi kimutatását a környezetben és a biológiai anyagokban való jelenlétük indokolja. [1] Ezek az elemek különböző oxidációs állapotban léteznek, az ezáltal kialakuló különböző fizikai és kémiai tulajdonságok különböző toxicitást eredményeznek. A környezet szennyezésének fő forrásai az ipar, a háztartások, a mezőgazdaság, a nukleáris technikák és más környezeti és globális változások. A szervetlen szennyezők, különösen a fémionok jelenléte a természetben komoly probléma, mivel a fémionok gyakran rákkeltőek. A réz és a cink azon fémek közé tartozik, amelyek az élethez nélkülözhetetlenek, annak ellenére, hogy toxikusak. Az alumínium valószínűleg szerepet játszik az Alzheimer-kór kialakulásában. [2] Az emberi szervezetbe a víz és más élelmiszerek által kerülnek. Emiatt lényeges a különböző oxidációs fokú fémkomplexek monitorizálása. Az atmoszférában is számos toxikus fémion van jelen, amelyek közvetve hatnak az egészségünkre. Az átmeneti fémek különböző oxidációs fokú állapotokban fordulnak elő az üres d orbitáloknak köszönhetően. A réz jellemző oxidációs állapotai: Cu(I) és CU(II), cink esetében a Zn(I) és Zn(II) a leggyakrabban előforduló forma. Egy elem oxidációs fokának változása lényeges hatással van a biológiai felvehetőség és a toxicitás fokára. A különböző oxidációs állapotú fémeknek eltérő a redoxpotenciáljuk, a komplexképzésük és a hidratációs tulajdonságaik. Ennek következtében elvégezhető a speciációs analízis, lehetővé válik a differenciálás a komplexált vagy kelát, ill. a szabad fémionok között. A fémion teljes koncentrációjának mérése nem nyújt információt az aktuális fizikaikémiai formáiról, amely szükséges többek között a toxicitás, a biotranszformáció megértéséhez, emiatt nem kerülhető el az egyes elemek speciációja. Jól használható a speciációs technikákhoz az

2 ionkromatográfia, amely nagy sebességű, érzékeny módszer és reprodukálható eredményeket nyújt. Az ioncsere-kromatográfiában a fémek és anionok szimultán elválasztására szolgáló módszer nagy töltésű, erős komplexképző anion használatán alapul. [3] Az etiléndiamin-tetraecetsav () és a transz-1,2-diamin-ciklohexán-tetraecetsav (DCTA) kitűnő kelátképző ágens, képes kellően stabil kelátok kialakítására különböző fémionokkal. A nagy töltésű, erős komplexképző anionok reagálnak a legtöbb két- és háromértékű fém kationnal és egyszeresen vagy kétszeresen negatív töltésű komplexeket alakítanak ki, ami lehetővé teszi a fém kationok, szerves és szervetlen anionok szimultán elválasztását. A kelátképző ágensek elősegíthetik a radioaktív izotópok környezetbe jutását, a nukleáris szennyvizek kezelésénél figyelembe kell venni, hogy vízoldható komplexet képeznek a legtöbb nehézfémmel. [4] Az aminopolikarbonsavakat (pl., DCTA) széleskörűen használják az őrlési és papíriparban, detergensekben és a mezőgazdaságban. [5] Használatosak még pl. az élelmiszerekben az enzimatikus barnulás gátlására, a talajban lévő mikrotápanyagok oldatban maradásának biztosítására és detergensekben alternatív detergens építőelemként foszfátok helyettesítésére és a fémkiválás megelőzésére. Az aminopolikarbonsavak képesek mobilizálni a nehézfémeket és ezek természetbe való kikerülése okozhatja a nehézfémek talajvízbe jutását és növények általi felvételüket. A kelátképző ágensek lebomlása vitatott. Az nagyobb koncentrációban fordul elő a folyóvizekben, mint a többi azonosított szerves komponens. A talajtudományban a fém- komplexek iránti érdeklődés Stewart és Leonard felfedezésével kezdődött, amely szerint a Fe(III)- talajban való alkalmazása enyhíti a Floridában növő citrusfélék Fe klorozisét. [6] Míg a nehézfémek túlzott felvétele korlátozza az használhatóságát a mezőgazdaságban, ugyanezt a folyamatot elkezdték kutatni amiatt a lehetőség miatt, hogy a nehézfémtartalmú talajok használhatók növénygyógyításra. A fémfelvétel mechanizmusa még vitatott. Mivel az aminopolikarbonsavak potenciális veszélyt jelentenek a környezetre, fontos, hogy jó analitikai technikát fejlesszünk ki azonosításukra. A pozitív töltésű fémionokból ligandum hozzáadásával negatív töltésű komplex anion keletkezik a következő egyensúlyi reakció szerint: 4- + M 2+ [M] 2- (1) + M 2+ (2) 2- [M] Az konjugált bázisa hatfogú ligandum, amely hat helyen kapcsolódhat a fémionhoz: a 4 karboxil- és a 2 amino-csoporton keresztül. Fémkomplex képződése esetén a ligandum 6 donor atomja (4 oxigén és 2 nitrogén) a központi fémion körül egy oktaéder csúcsain helyezkedik el. Az -fémkomplexek nagy stabilitása annak tulajdonítható, hogy a ligandum a fémiont teljes mértékben körülveszi és az oldószer molekuláitól izolálja. Tekintettel arra, hogy az egyes fémionok csak a protonálatlan vagy részben protonált ligandumokkal képeznek komplexet, az egyes fémkomplexek stabilitása az oldat ph-jától jelentős mértékben függ. Hasonló módon képez komplexet a DCTA is fém kationokkal. DCTA (3) A komplex anionok ioncserés elválasztásakor a retenciót több tényező is befolyásolja. Egy időben játszódnak le a komplexképzési reakciók, létrejön az ioncsere egyensúly és a ph-tól függően protolízis is lejátszódhat. A kialakult komplex anion ioncsere egyensúlyának egyenlete: 2R-E + [M] 2- R 2 -M + 2E - (4) ahol R az ioncserélő töltéssel rendelkező funkciós csoportja, E az eluensben lévő ion. Hajós és társai retenciós modellt fejlesztettek ki a komplexek retenciójának tanulmányozására anioncserélő kromatográfiában. [7], [8] A szuppresszált vezetőképességi detektálás karbonát eluenssel és komplexképző ágenssel a mintában több, mint egy nagyságrenddel jobb kimutatási határt biztosít, mint a nem-szuppresszált rendszer eluenssel. Ez a módszer jó érzékenységet és reprodukálhatóságot kínál. A ppb szintű detektálási határok és a pontosság, amely jobb, mint 1 %, hasonlóak voltak ahhoz, ami a szervetlen anionok elválasztására jellemző. A kidolgozott modell [7] a generált ioncsere-egyensúlyon, protolízisen és komplexképződési egyensúlyokon alapul. A minta és az eluens kromatográfiás ioncsere egyensúlyi állandóinak ismeretlen paramétereit a kísérleti retenciós adatokból iterációs minimalizálással

3 határozták meg nem-lineáris regressziós algoritmust használva. A modellt a Cd 2-, Co 2-, Mn 2- és Ni 2- retenciós viselkedésének jóslására használták. A kromatográfiás elválasztás függ a komplexek töltésétől, a komplexek stabilitásától, az ioncsere paraméterektől, valamint az eluens típusától és koncentrációjától. (lásd 1. ábra) 2. Kísérleti rész 2.1. A kromatográfiás rendszer Az elválasztások Dionex model 2010i (Sunnyvale, CA, USA) ionkromatográffal készültek, amely tartalmazott egy AS9-HC polimer bázisú anioncserélő elválasztó oszlopot (250mm 4mm), egy Dionex AMMS-I kation mikromembrán szuppresszort, egy vezetőképességi detektort és egy Dionex-4270 integrátort. Az elválasztó oszlopban 20% térhálósított poliakrilátot tartalmazó MicroBead rétegen találhatók az ioncserélő helyek. Az oszlophoz használható ajánlott eluens phtartomány 2 és 11 közötti. Az injektálási hurok térfogata 50 μl volt. A szuppresszort folyamatosan regeneráltuk 0,025M kénsavoldattal, 3,5ml/min áramlási sebességgel. A rendszer számos ionos specieszt tartalmaz mind az eluensben (CO3 2- -, HCO 3 és OH - ), mind a mintában (a mintaionok különböző komplex formái). Az anionos fémkomplexek kialakulásakor ph-függő mellékreakciók is lejátszódnak. A karbonát eluens három versengő aniont tartalmaz: CO , HCO 3 és OH -. Ezeknek a moláris koncentrációi a mozgó fázis ph-ján a két protonálódási állandóból számolhatók. Az eluens ionok jelenlétében szimultán ioncsere egyensúlyok is lejátszódnak. A komplex anion retenciós tulajdonságainak (log k ) változása az eluens komponenseinek, ill. a ph-jának függvényében látható az 1. ábrán. Az egyes komponensek elúcióban való részvétele a fajlagos ioncsere-tulajdonságok összegeként vezethető le, ill. írható fel. Ezek összege retenciós felületként reprezentálható. Növekvő eluens koncentráció csökkenő retenciót idéz elő, ill. a ph az aktuális Φ móltörtek arányában fejti ki retenciós hatását Reagensek és oldatok A minta- és eluensoldatokat analitikai tisztaságú anyagokból készítettük Milli-Q víztisztító rendszerrel kezelt vizet használva, melynek vezetőképessége 18,2 MΩcm -1. Ezáltal az oldatokban a minta, ill. az eluensionon kívül nem voltak jelen más ionok, amelyek módosíthatták volna a mérési eredményeket. A mintaoldatok a fém kationok kloridsóit és komplexképzőt tartalmaznak. Az eluenseket karbonát- és hidrogénkarbonát nátriumsóiból készítettük. Az eluens ph-értékei az összetétel függvényében a következők voltak: ph=9,44 (1,44mM Na 2 CO 3 és 6,56mM NaHCO 3 ), ph=10,27 (4,77mM Na 2 CO 3 és 3,23mM NaHCO 3 ), ph=10,86 (6,82mM Na 2 CO 3 és 1,18mM NaHCO 3 ) és ph=11,027 (9,00mM Na 2 CO 3 ) 1. ábra. A [Zn] 2- mintaionok retenciós tulajdonságainak változása az eluens összetételének függvényében Az alkalmazott eluens ph-ja a retenciós időre hatással van, de nem befolyásolja a fémkomplexek elúciós sorrendjét. (lásd 2. ábra) 3. Eredmények és diszkusszió A fémkomplexek elválasztásához eluensként karbonát/hidrogénkarbonát rendszert használtunk. Az elválasztó oszlopban kialakuló egyensúlyi reakció: R 2 -CO 3 + M 2-2- R 2 -M + CO 3 (5) A szuppresszor-reakcióban szénsav keletkezik: CO H + H 2 CO 3 (6)

4 35 30 retenciós idő [min] ph 4-3- Cu-2- Cu-- Zn-2- Zn-- DCTA4- DCTA3- Cu-DCTA2- Cu-DCTA- Zn-DCTA2- Zn-DCTA- 2. ábra. Az eluens ph-jának hatása a komplexek retenciós időire Az elválasztási módszer előnyös körülménye, hogy a fémkomplexek stabilitása és egyidejűleg az elúció szempontjából is a lúgos ph-tartomány kedvező. Amikor az eluens ph-ja 9,44-re csökkent, a komplexek csúcsszélesedését figyeltük meg. Ez valószínűleg a komplexek stabilitásának csökkenésének köszönhető. A vizsgált phtartományban az (H 4 Y), HY 3- és Y 4- alakban fordul elő. A kétértékű fémionok komplexképződési egyensúlyai: M 2+ +HY 3- MHY - (7) M 2+ + Y 4- MY 2- (8) Ezeken a ph-értékeken a ligandumok nem képeznek csapadékot. Az elválasztási módszer alkalmazásával elválaszthatók egymástól ugyanannak a fémnek különböző ligandumokkal képzett komplexei (3. ábra), valamint különböző fémek komplexei is kimutathatók egymás jelenlétében (4. ábra). A negatív töltésű átmenetifém komplex kationok a negatív karboxilát anionokkal szimultán elválaszthatók anionocserélő kromatográfiában (5. ábra). A kísérletek alapján megállapítható, hogy a karbonát elúciós ereje nagyobb, mint a hidrogénkarbonáté. Az eluens összetételében ez a kedvező elúció tervezésénél fontos szempont. 3. ábra. A réz és DCTA ligandumokkal képzett komplexeinek elválasztása. Eluens: 9,0mM Na 2 CO 3 ; ph = 11,027 [Cu-] 2- : lgβ 2 = 21,8; [Cu-DCTA] 2- : lgβ 2 = 24,4 Conductivity [µs] DCTA Al-Zn--DCTA Cl- [Al-]- [Al-DCTA]- [Zn-]2- [Zn-DCTA] Time of retention [min] 4. ábra. Alumínium- és cink-komplexek, valamint két kelátképző ágens, és DCTA szimultán elválasztása. Eluens: 9,0mM Na 2 CO 3, ph = 11,027. piruvát 15ppm Cl 5, 6 ppm maleinsav 15 ppm Cu 5ppm 5. ábra. Alifás karboxilátok (piruvát és maleát) és réz- fémkomplex szimultán elválasztásának kromatogramja. Eluens: 0,7123mM Na 2 CO 3 + 1,8141mM NaHCO 3 ; ph = 9,66.

5 Kísérleteink igazolják, hogy az anionok és fém kationok szimultán elválasztása komplexképzésen keresztül megvalósítható, és a komponensek koncentrációváltozása detektálható. A komplex fémionok szelektív elválasztása tervezhető és a retenciós egyensúlyok alapján jósolható. Irodalomjegyzék [1] I. Ali, H. Y. Aboul-Enein: Instrumental Methods in Metal Ion Speciation, Chromatographic Science Series; Taylor & Francis Group, 2006, [2] M. C. Bruzzoniti, E. Mentasti, C. Sarzanini, Analytica Chimica Acta 382 (1999) [3] P. Hajos, G. Revesz, O. Horvath, C. Sarzanini, Journal of Chromatographic Science, Volume 34, Issue 6 (1996) [4] A. Dodi, M. Bouscarel, LC/GC Europe October 2006 Volume 19 Number [5] P. Laine, R. Matilainen, Anal Bioanal Chem (2005) 382: [6] R. N. Collins, B. C. Onisko, M. J. McLaughlin, G. Merrington, Environ. Sci. Technol. 2001, 35, [7] P. Hajós, G. Révész, C. Sarzanini, G. Sacchero, E. Mentasti, Journal of Chromatography, 640 (1993) [8] P. Hajós, G. Révész, O. Horváth, Journal of Chromatographic Science, Vol. 34, June 1996