KÉMIAI EGYENSÚLYI ÉS KINETIKAI KÖLCSÖNHATÁSOK

Átírás

1 KÉMIAI EGYENSÚLYI ÉS KINETIKAI KÖLCSÖNHATÁSOK LEÍRÁSA, ALKALMAZÁSA AZ IONCSERE-KROMATOGRÁFIÁBAN Doktori (PhD) értekezés Készítette Horváth Krisztián okleveles környezetmérnök Témavezető Dr. Hajós Péter egyetemi docens Készült a Pannon Egyetem Anyagtudományok és -technológiák Doktori Iskolája keretében Pannon Egyetem Mérnöki Kar Analitikai Kémia Intézeti Tanszék 2007

2

3 harmadik oldal III

4

5 Kivonat A szerző a dolgozat első felében retenciós modellt vezetett le szerves és szervetlen anionok latex-agglomerált pellikuláris állófázisokon történő viselkedésének leírására, Langmuir-típusú egyensúlyok alkalmazásával. Az állófázis felépítésére jellemző állandót, w súlytényezőt vezetett be, mely az állófázis töltésegyensúlyban levő funkciós csoportjainak teljes ioncserekapacitáshoz viszonyított arányát mutatja meg. Kísérleti adatbázis alapján, iterációs úton meghatározta a levezetett retenciós modell egyensúlyi és rendszer paramétereit. Vizsgálta a w súlytényező hatását anionok retenciós profiljára. Statisztikai módszerekkel igazolta a levezetett retenciós modell használhatóságát. A dolgozat második felében egyszeresen negatív töltésű anionok retenciós viselkedését vizsgálta n-decil kriptand molekulát tartalmazó állófázison, NaOH és KOH eluens alkalmazásával. Retenciós egyenletet vezetett le egynegatív töltésű anionok vizsgált állófázison történő viselkedésének leírására, figyelembe véve a kriptand molekula protonálódását, alkálifém-kriptát komplex kialakulását, az anionok és az eluens ionok között kialakuló ioncserét. Iterációs úton meghatározta a retenciós modellben szereplő egyensúlyi paramétereket. Az ionpár-képződési állandók értékének nagyságrendjét vizsgálva megállapította, hogy a K + -kriptát funkciós csoportok erős, a Na + -kriptát funkciós csoportok gyenge, a protonált kriptand molekulák nagyon gyenge anioncserélőnek tekinthetők. Vizsgálta az elválasztó oszlop ioncsere-kapacitási viszonyait. A levezetett retenciós modellt statisztikailag értékelte. A dolgozat harmadik felében a kromatográfia sztochasztikus elméletének alkalmazhatóságát vizsgálta az anion-kromatográfiás vízanalitikai elválasztások területén. A sztochasztikus elmélet felhasználásával, a momentumok módszerének segítségével meghatározta az egyes mintaionok olyan molekuláris retenciós sajátságait, mint az adszorpciós-deszorpciós lépések száma (n) és az egyes ion fajták állófázison történő átlagos tartózkodási ideje egyegy megkötődés alkalmával (τ s ). Megállapította, hogy az egyes ionok lépésszáma csekély eltéréseket mutat, a retenciós viselkedésükben mutatkozó különbségek főként a megkötődve eltöltött idők különbségéből ered. Elméleti megfontolások alapján kapcsolatot teremtett az ionkromatográfiában használatos többszörös eluens/minta retenciós modellel, így nem csak a kromatográfiás csúcs helyét, hanem a csúcs alakját is becsülni képes módszert dolgozott ki analitikai elválasztások céljára. V

6

7 Abstract In the first part of the thesis a retention model was developed in order to describe retention behavior of inorganic and organic anions on latex-agglomerated pellicular ion exchangers. The model based on Langmiur-type equilibria. As a new parameter the fractional electrostatic coefficient, w, of the ion exchange capacity was introduced referring to the ratio of the anion-exchange functional groups are in charge balance with the cation-exchange layer behind the latex particles. The system parameters, and the ion-pair formation coefficients for analyte and eluent anions were determined by nonlinear iterative calculation. The effect of w on the retention profile of anions was investigated. The predictive power of the model was verified by statistical methods. In the second part of the work, the retention behavior of inorganic anions was investigated on a cryptand-based anion exchanger using NaOH and KOH-based eluents. Considering the complexation and protonation equilibria a theoretical retention model was developed for describing the retention behavior of monovalent anions. The parameters of the model were iterated. By investigating the magnitude of the ion-pair formation coefficients it was concluded that the K + -cryptate and Na + -cryptate complexes behaved as strong and weak functional groups. The ion-exchange capacity of the column was investigated as a function of eluent concentration. The validity of the derived retention model was confirmed by statistical evaluation. In the third part of the dissertation the applicability of the stochastic theory was investigated in the field of anion chromatography. The stochastic parameters of the eluted anions, such as the residence time of the molecule on the surface of the stationary phase (τ s ) during one adsorption event, and the average number of adsorption steps (n) were calculated on the basis of a retention database of organic and inorganic anions. It was shown that the retention of the analytes, and the selectivity of the separation was primarily due to the variation of τ s, the number of sorption steps did not affect it significantly. The stochastic theory and the multiple species eluent/analyte retention model were integrated on theoretical considerations. By simultaneous application of the two theories full chromatograms (retention time and peak shape) of a sample mixture can be predicted. VII

8

9 Riassunto Nella prima parte della tesi, e stato sviluppato un modello di ritenzione per la descrizione del comportamento cromatografico di anioni inorganici ed organici su scambiatori ionici pellicolari lattice-agglomerati. Il modello e basato su equilibri di tipo Langmuir. Come nuovo parametro e stato introdotto il coefficiente elettrostatico frazionario, w della capacita di scambio ionico, che si riferisce al rapporto dei gruppi funzionali di scambio ionico che sono in bilancio di carica con lo strato di scambio cationico dietro le particelle di lattice. I parametri del sistema, le costanti di formazione di coppia ionica e di selettivita di scambio ionico tra l analita e gli ioni eluente, sono stati determinati, mediante calcolo iterativo non lineare, impiegando un database sperimentale. E stato studiato l effetto di w sul profilo di ritenzione degli anioni e il potere predittivo del modello e stato supportato da metodi statistici. In una seconda parte del lavoro e stato studiato il comportamento cromatografico di anioni inorganici su una colonna di scambio anionico contenente un macrociclo criptando, utilizzando eluenti contenenti NaOH o KOH. Tenendo in considerazione gli equilibri di complessazione e di protonazione coinvolti nel sistema, sono stati sviluppati un modello di ritenzione e un equazione che descrive l effetto simultaneo del tipo e della concentrazione dello ione eluente sul fattore di ritenzione k. Mediante l utilizzo di un database di dati sperimentali, e stato possibile iterare i parametri del modello. Dal confronto dei valori dei coefficienti di formazione delle coppie ioniche, si e potuto concludere che i complessi K + -criptati agiscono come gruppi funzionali di scambio ionico forti, mentre i complessi Na + -criptati e il criptando protonato si comportano, rispettivamente, come gruppi funzionali deboli e debolissimi. La capacita di scambio ionico della colonna e stata valutata sulla base della conoscenza delle costanti di formazione di coppia e di protonazione. La validita del modello di ritenzione sviluppato e stata supportata da una valutazione statistica. Nella terza parte della tesi, e stata studiata l applicabilita della teoria stocastica della cromatografia sui processi di scambio ionico. In particolare, i picchi cromatografici sono stati descritti da funzioni gaussiane esponenziali modificate i cui parametri sono stati determinati mediante fitting del picco. I parametri stocastici degli anioni eluiti, come il tempo di residenza della molecola nella superficie della fase stazionaria (τ s ) durante un evento di adsorbimento e il numero medio di stadi di adsorbimento (n), sono stati calcolati utilizzando IX

10 X un database di dati cromatografici per anioni organici ed inorganici. E stato dimostrato che il meccanismo di ritenzione e la selettivita della separazione sono dovuti principalmente alla variazione di s, mentre il numero di stadi di adsorbimento non li influenza in maniera significativa. La teoria stocastica e il modello di ritenzione per specie multiple eluente/analita sono stati integrati da considerazioni teoriche. Mediante la contemporanea applicazione delle due teorie, possono essere descritti a priori cromatogrammi completi (tempo di ritenzione e forma del picco) di miscele di campioni.

11 Tartalomjegyzék Bevezetés 1 1. Irodalmi összefoglaló Folyadékkromatográfia A folyadékkromatográfiás elválasztások folyamata A folyadékkromatográfia eszközei Kromatográfiás alapfogalmak A kromatográfia sztochasztikus elmélete Az ionkromatográfia Az ionkromatográfia típusai Az ionkromatográfia eszközei Az ionkromatográfia előnyei Elválasztási és detektálási rendszer választása Az ionkromatográfia alkalmazása a környezeti analízisben Anioncsere-kromatográfia Állófázisok A leggyakrabban használatos anionkromatográfiás eluensek Anionkromarográfiás retenciót leíró elméletek Kísérleti rész Felhasznált eszközök, anyagok Alifás karbonsavak és szervetlen anionok retenciós tulajdonságainak vizsgálata latex alapú anioncserélőn Szervetlen anionok retenciós viselkedésének tanulmányozása makrociklikus állófázison Szerves és szervetlen anionok vizsgálata nagykapacitású oszlopon Ioncsere-kapacitás meghatározása Retenciós modell egyensúlyi paramétereinek meghatározása iterációs úton Kromatográfiás csúcsok momentumainak meghatározása görbeillesztéssel.. 41 XI

12 XII TARTALOMJEGYZÉK 3. Eredmények Anionok elválasztásának mechanizmusa latex-alapú állófázisokon Alifás karbonsavak és szervetlen anionok retenciós viselkedése latexalapú állófázisokon Eluens- és mintaionok kémiai egyensúlyai latex-alapú állófázisokon Elválasztó oszlop ioncsere-kapacitása Mintaionok retenciós tényezője Eluens és mintaionok egyensúlyi állandójának meghatározása A w súlytényező hatása anionok retenciós profiljára A retenciós modell statisztikai értékelése Makrociklikus egyensúlyok az anionkromatográfiában Anionok retenciós viselkedése makrociklikus állófázison Elválasztás során lejátszódó komplex- és ioncsere-egyensúlyok Egyensúlyi állandók meghatározása A levezetett retenciós modell statisztikai értékelése Anionok retenciós viselkedésének integrált leírása Sztochasztikus paraméterek meghatározása A megkötődések gyakoriságának és az ioncserekapacitás kihasználtságának meghatározása A többkomponensű eluens/minta retenciós modell kapcsolata a sztochasztikus elmélettel A vízanalitikában fontos ionok kromatogramjának becslése a többkomponensű eluens/minta és a sztochasztikus modell egyesítésével Összefoglalás 89 Irodalomjegyzék 94 A szerző tudományos munkássága i 4.1. Publikációk i 4.2. Konferencia előadások ii 4.3. Az eredmények hasznosítása v 4.4. Elismerések vi Tézispontok Theses vii xi

13 Bevezetés A XX. század második felében az elválasztási módszerek többsége ugrásszerű fejlődésen ment keresztül. Az elválasztások sebessége, hatékonysága, megbízhatósága és felbontása egyaránt javult. A kromatográfia történetében az első jelentős mérföldkő a megoszlásos- és papírkromatográfia megjelenése volt az 1940-es években, ezt a különféle gélkromatográfiás módszerek térhódítása követte a hatvanas években. Döntően fontos lépés volt a szerves vegyületek analízisében a gázkromatográfia megjelenése. A legjelentősebb áttörést azonban a Horváth Csaba nevéhez fűződő nagyteljesítményű folyadékkromatográfia (HPLC: high performance liquid chromatography) kifejlesztése jelentette a hetvenes években. Ezzel sokkal gyorsabban, pontosabban, reprodukálhatóbban és szelektívebben lehetett igen bonyolult elválasztási feladatokat megoldani. A HPLC és ezzel együtt az ion- és az ionpár-kromatográfia a legjelentősebb módszerré nőtte ki magát az elválasztásos analízisen belül. Mind a vízanalitika, a bioanalitika, a gyógyszergyártás, mind a környezetvédelmi analízis területén kiemelt fontossággal bír. Jelenleg valószínűleg több elválasztást végeznek HPLC módszerekkel, mint az összes többi elválasztáson alapuló módszerrel együttvéve. A folyadék fázisú analitikai elválasztások tervezése komplikált feladat, mivel egyidejűleg több tényező, az eluensoldat, az elválasztóoszlop és a mintakomponensek kémiai szerkezetét, fizikai-kémiai tulajdonságait, továbbá a detektálhatóság paramétereit is figyelembe kell venni. Többféle matematikai algoritmus létezik az ionkromatográfiás elválasztási folyamatok leírására. A dolgozatban bemutatott munka retenciós modellek fejlesztését mutatja be különböző típusú állófázisokon a nagyhatékonyságú ionkromatográfia területén, valamint az ionkromatográfiás elválasztások integrált leírását adja. 1

14

15 1. Irodalmi összefoglaló A dolgozat első részében a kromatográfiás elválasztások elvét, működését mutatom be a módszer jobb megértése céljából. Részletesen ismertetem a folyadékkromatográfia a sztochasztikus retenciós elméletét. Emellett rövid áttekintő ismertetést adok az ionkromatográfia jelentőségéről, felhasználásáról, fontosabb elméleti modelljeiről Folyadékkromatográfia A kromatográfia különböző kémiai tulajdonságú komponensek fizikai elválasztásának olyan módszere, melynek során az elválasztandó komponensek megoszlanak két fázis között. Az egyik fázist, mely egyhelyben áll, álló fázisnak, míg a másik fázist, mely egy jól definiált irányban mozog, mozgó fázisnak nevezzük [1]. Ha a mozgó fázis folyadék, folyadékkromatográfiáról (LC) beszélünk A folyadékkromatográfiás elválasztások folyamata A folyadékkromatográfiás elválasztások a különböző típusú mintakomponensek és a kromatográfiás állófázis között fellépő kölcsönhatás eltérő erején alapulnak [2, 3]. Két különböző kémiai tulajdonságú komponens elválasztása a következőképpen történik: tegyük fel, hogy az egyik komponens (A) hasonló módon kötődik meg az állófázison, mint az eluens, míg a másik komponens (B) jóval erősebben. Ha a két komponenst tartalmazó elegy kis mennyiségét az oszlopra injektáljuk, akkor az A típusú molekulák, mivel az eluenshez hasonló mértékű visszatartást szenvednek, ugyanakkora sebességgel haladnak előre az oszlopban, mint az eluens molekulák. A B molekulák ellenben, köszönhetően az állófázissal szemben mutatott erősebb kölcsönhatásuknak, több időt töltenek az állófázison, azaz az eluens és az A molekuláknál kisebb sebességgel mozognak előre. Ha megfelelően nagy a két komponens megkötődésének erőssége közti különbség, akkor a két komponens eltérő időben hagyja el az oszlopot, így módunkban áll két különböző komponensként detektálni őket (1.1. ábra). Elválasztás során általában meglehetősen keskeny sávokat injektálunk (5 20 µl), azonban a folyamat lezajlása során a komponensek sávjai kiszélesednek, köszönhetően a lassú 3

16 4 1. Irodalmi összefoglaló Detektor jel Idő 1.1. ábra: Elválasztás mechanizmusa a komatográfiában adszorpciós kinetikának, a longitudinális- és örvénydiffúziónak, valamint egyéb tényezőknek [2, 3]. Ezek a folyamatok együttesen okozzák a kromatográfiás csúcs sávszélesedését. Általánosságban elmondható, hogy minél nagyobb egy komponens visszatartása az oszlopban, annál szélesebb zónában hagyja el az oszlopot A folyadékkromatográfia eszközei A folyadékkromatográfiás rendszerek állandó tartozékai a szivattyú, a mintabeviteli rendszer, az elválasztó oszlop, a detektor és az adatgyűjtő/feldolgozó egység (1.2. ábra) [2]. A rendszer lelke a kromatográfiás oszlop, ahol a tulajdonképpeni elválasztás zajlik. Mivel az állófázis mikrométer nagyságú részecskékből áll, nagy nyomású pumpa szükséges a mozgófázis áramoltatására a rendszerben. A kromatográfiás elválasztás folyamata a mintaelegy rendszerbe történő bejuttatásával kezdődik. Az elválasztás az idő alatt történik meg, amíg a mintakomponensek az oszlopban tartózkodnak. Az oszlopot elhagyva az egyes mintamolekulák, -ionok a detektorba jutnak, ami azok koncentrációjával arányos elektromos

17 1.1. Folyadékkromatográfia 5 Oszlop Detektor Interfész Hurok Adatfeldolgozó Injektáló szelep Mozgó fázis Pumpa 1.2. ábra: A folyadékkromatográfia eszközei jelet továbbít az adatgyűjtő egység felé. A detektor által szolgáltatott jelet az idő fügvényében ábrázolva kapjuk az ún. kromatogramot (1.1. ábra alsó része), mely minta összetételére vonatkozó minőségi és mennyiségi információkat egyaránt tartalmazza Kromatográfiás alapfogalmak A dolgozatban többször előforduló, a kromatográfiában általánosságban használt alapfogalmakat igyekszem tisztázni ebben a fejezetben. Retenciós idő, -térfogat, -tényező Egy komponens visszatartásának mértéke jellemző az adott vegyületre, így annak minőségi azonosítására is szolgálhat. A legegyszerűbb módszer a visszatartás (retenció) számszerűsítésére az injektálás kezdete és az adott komponens detektorban történő megjelenése közti idő mérése. Utóbbit célszerűen a detektor maximális válaszjeléhez szokás társítani. Ezt a mérőszámot a kromatográfiában retenciós időnek (t R ) hívjuk [1]. A retenciós idő arányos a komponens visszatartásával és fordítottan arányos az eluens térfogatáramával. A retenciós idő és az eluens térfogatáramának szorzata a retenciós térfogat (V R ), ami a retenciós időnél egy sokkal inkább általános, retenciót jellemző mérőszám, ugyanis nem függ az eluens térfogatáramától, csak a komponens visszatartásától és az elválasztó oszlop geometriai méreteitől, tulajdonságaitól. A retenciós térfogat azt a mozgófázis térfogatot jelenti, amely ahhoz szükséges, hogy az adott komponenst az oszlopról eluáljuk. A retenciós térfogat két részből tevődik össze: 1. Holttérfogat: az az eluens térfogat, amely az idő alatt áramlik keresztül az oszlopon, amíg a mintakomponens a mozgófázisban tartózkodik. A holttérfogat megegyezik az elválasztó oszlop térfogatának azon részével, melyet a mozgófázis tölt ki (V 0 ), értéke ennélfogva

18 6 1. Irodalmi összefoglaló minden mintakomponensre nézve állandó. 2. Korrigált retenciós térfogat: a mozgófázis azon térfogata, mely az idő alatt áramlik keresztül az oszlopon, amíg a mintakomponens az állófázison tartózkodik. Értéke a különböző mintamolekulák esetén más és más. A leguniverzálisabb retenciót jellemző mérőszám a retenciós tényező (k). A retenciós tényező a komponens álló- és mozgófázisbeli mennyiségének hányadosa [1]: k = n s n m, (1.1) ahol n s a vizsgált komponens állófázison, n m a mozgófázisban levő móljainak száma. Az 1.1 egyenlet átrendezésével a következő egyenletet írhatjuk fel: k + 1 = n s n m + n m n m = n s + n m n m. (1.2) Legyen a mozgófázis áramlási sebessége az oszlopban u (cm/sec), a vizsgált A minta részecskéinek (molekula, ion stb.) átlagos vándorlási sebessége pedig u A, melynek értéke attól függ, hogy az A ionok mekkora R hányada van a mozgófázisban, és mekkora a mozgófázis u áramlási sebessége, azaz: u A = ur (1.3) és R = n m n s + n m = k. (1.4) Ha az A ionok mozgófázisban levő hányada zérus (R = 0), akkor u A is zérus, az ionok nem jutnak előre az oszlopban. Ha minden A ion az eluensben van (R = 1), akkor u A = u, az ionok ugyanakkora sebességgel áramlanak, mint a mozgófázis, nincs visszatartásuk az oszlopban. Az (1.2) és az (1.4) összefüggésekből következik, hogy: u A = u 1 + k. (1.5) Az u A, az oszlop L hossza és az elválasztás időszükséglete között kapcsolat teremthető, ha figyelembe vesszük, hogy az idő az út és a sebesség hányadosa. Esetünkben az A komponensnek t R időre van szüksége ahhoz, hogy az L hosszúságú oszlopon áthaladjon. Az A

19 1.1. Folyadékkromatográfia 7 sáv áthaladási ideje ezek alapján: t R = L u A. (1.6) Ehhez hasonlóan az oldószer vagy más vissza nem tartott komponens t 0 = L u (1.7) idő alatt halad át az oszlopon. Ha az (1.6) és (1.7) összefüggésekből kiejtjük L-t, akkor a következő egyenlethez jutunk: t R = u t 0 u A, (1.8) amiből, az (1.5) egyenletet figyelembe véve adódik, hogy: t R = t 0 (1 + k). (1.9) Az (1.9) összefüggés átrendezésével a k számítását lehetővé tevő egyenlethez jutunk: k = t R t 0 t 0. (1.10) Látható, hogy a retenciós tényező a vissza nem tartott és a vizsgált komponens csúcsa közti távolság és az injektálás, valamint a vissza nem tartott komponens csúcsa közötti távolság hányadosával egyenlő. Adott oszlop, eluens, elválasztási hőmérséklet és X komponens esetén, kis mintamennyiséget alkalmazva k állandó, így az adott mintakomponens minőségi azonosítását lehetővé teszi. Megoszlási hányados Az előző fejezetben láthattuk, hogy az elválasztóoszlopban a komponensek vándorlási sebessége azok álló- és mozgófázis közötti egyensúlyi megoszlásától függ: ( ) dx dv A = 1 D A, (1.11) ahol dx az állófázis infinitezimálisan kis mennyisége, amelyen a megoszló anyag dv térfogatú fluid fázis bejuttatásának hatására előrehalad. D A a megoszlási hányados. Az elvá-

20 8 1. Irodalmi összefoglaló lasztandó komponensek oldódnak a mozgófázisban, ill. megkötődnek az állófázison. Ezt a folyamatot a megoszlási hányadossal jellemezhetjük [1]: D A = (A) [A], (1.12) ahol (A) a minta állófázisbeli, [A] pedig a mozgófázisbeli koncentrációja. D A értéke a két fázis kémiai tulajdonságaitól függ, így általában egytől különböző értékeket vesz fel. D A nagy, ha nagy a komponens affinitása az állófázishoz, és kicsi, ha az inkább a mozgó fázisban tartózkodik. Ha D A állandó az elúció folyamán, akkor a V N nettó retenciós térfogat az alábbiak szerint számítható ki V S térfogatú állófázist tartalmazó oszlop esetén: V N = V S D A. (1.13) Állandó D A esetén tehát V N térfogatú fluid fázis szükséges ahhoz, hogy a minta a V S térfogatú állófázist tartalmazó oszlopon áthaladjon. A megoszlási hányados és az előző fejezetben ismertetett retenciós tényező (D A ) között az (1.1) és az (1.12) összefüggések alapján a következő kapcsolat állítható fel: k = V S (A) V 0 [A] = V S V 0 D A. (1.14) Elválasztás hatékonysága Az elválasztás hatékonysága a komponens retenciójától és kromatográfiás csúcsának szélességétől függ. Egy mintakomponens retenciója a molekula és az állófázis közötti kölcsönhatás erősségére, valamint az állófázis fajlagos felületére utal. A komponens sávjának szélesedése ellenben alapvetően kinetika által szabályzott, és az állófázis részecskéinek átmérőjétől, porozitásától, pórus méretétől és az oszlop mérettől függ. A kromatográfiás oszlop hatékonyságára jellemző, igen fontos mérőszám az elméleti tányérszám, mely a kromatográfia tányérelméletéből eredeztethető [4, 5]. Értéke a következő összefüggés segítségével számítható ki [6]: N = t 2 R σ 2, (1.15) ahol t R és σ a komponens retenciós ideje ill. varianciája. Minél nagyobb egy szeparációs rendszer hatékonysága, annál keskenyebb csúcsokat

21 1.1. Folyadékkromatográfia 9 kaphatunk adott retenciós idő esetén, azaz annál több komponens kromatográfiás csúcsát tudjuk megkülönböztetni egy adott retenciós idő tartományban. Szelektivitás A két különböző komponens szelektivitásán azok retenciós tényezőinek vagy korrigált retenciós időinek hányadosát értjük [2, 3]. A szelektivitás egy kromatográfiás rendszer elválasztási erejét mutatja meg adott komponensekre vonatkozóan. Értéke nagyobb 1-nél, mivel mindig a nagyobb retencióval rendelkező komponens retenciós tényezőjét osztjuk a kisebbével. α = k B k A = t B t A. (1.16) Ez a paraméter független az oszlop hatékonyságától, értéke csak az elválasztott komponensek természetétől, az eluens fajtájától és összetételétől, valamint az állófázis tulajdonságaitól függ. Ha két komponens szelektivitása 1, akkor az adott kromatográfiás rendszerben nincs mód azok elválasztására, még az oszlop hatékonyságának növelésével sem. Felbontás A folyadékkromatográfiás elválasztások, s így az ionkromatográfiás elválasztások célja általában a minta komponenseinek kielégítő mértékű szétválasztása. E cél eléréséhez a relatív elválasztást, más néven megfelelő felbontást kell biztosítanunk. Két szomszédos A és B sáv felbontása definíciószerűen a két sáv középpontja közti távolság és az átlagos sávszélesség hányadosával egyenlő [1]: R S = 2 t RA t RB (t wa + t wb ), (1.17) ahol t RA és t RB az A és B sáv t R értéke, t wa és t wb pedig a sávok alaplapi szélessége ugyanabban az idő egységben, mint a t R értékek. Ha R S = 1, akkor ez azt jelenti, hogy a két sáv jól elválik egymástól, maximum 2%-ban fednek át. Nagyobb felbontás érték jobb, kisebb pedig kevésbé hatékony elválasztást jelent. Adott R S esetén az átfedés nagyobb mértékűvé válik, ha a két sáv közül az egyik sokkal kisebb, mint a másik A kromatográfia sztochasztikus elmélete A kromatográfia az elválasztási módszerek széles spektrumát öleli fel. A szeparáció során gyakran igen komplex fizikai-kémiai folyamatok játszódnak le. A retenciós mechanizmus-

22 10 1. Irodalmi összefoglaló tól (adszorpció, megoszlás, ioncsere) függően meglehetősen sok modell áll rendelkezésre a kromatográfiás csúcsok helyének és alakjának becslésére [7]. A kromatográfia sztochasztikus elmélete egy molekuláris szintű modell, amely valószínűleg a legegyszerűbb képet festi a kromatográfiás folyamatról. A kromatográfiás csúcs kialakulását a részecskék véletlenszerű vándorlásával írja le az oszlop mentén, ugyancsak véletlenszerűen fellépő adszorpciósdeszorpciós folyamattal kombinálva [8]. A sztochasztikus elméletet Giddings és Eyring alkotta meg 1955-ben [9], majd Giddings fejlesztette tovább [10]. A kromatográfiás folyamatok számos sajátosságát megérthetjük a modell segítségével. Közvetlen betekintést nyújt a szeparációs folyamatba, mivel olyan kifejezéseket használ, melyek könnyen megérthetők (adszorpciós lépések száma, átlagos adszorpciós idő stb.), s melyek a sávszélesedésben jelentős szerepet játszanak. A szeparációs folyamat alapvető tulajdonságai (momentumok, tányérszám stb.) néhány egyszerű számítással megkaphatók a modellből. Mindemellett vonzó alternatívát kínál a hagyományos makroszkopikus modellekkel szemben, amelyek egy-egy, gyakran analitikusan nem megoldható, differenciális tömegmérleget írnak fel minden komponensre a kromatográfiás folyamat kívánt részletességű fizikai-kémiai leírásának érdekében. A sztochasztikus elmélet a kromatográfiás folyamatot Poisson-folyamatként szemléli. Amikor egy részecske az elúció során adszorbeálódik, megőrzi oszlopon belüli helyzetét egészen addig, míg el nem hagyja az állófázist. Deszorpció után folytatja útját a mozgófázissal, amíg újra meg nem kötődik az állófázison. A részecske tartózkodási ideje az állófázison (τ s ) és a mozgófázisban (τ m ) véletlenszerű, exponenciális eloszlású értékek, melyeknek várhatóértéke τ s és τ m. Minden egyes részecske különböző pályán halad, és különböző időpontban éri el az oszlop végét. Ez idő alatt minden egyes molekula különböző, r számú adszorpciós/deszorpciós lépésen esik át. Utóbbi változó Poisson-eloszlású, várható értéke n. P(τ s ) = { 0 ha t < 0 e τ s/t ha 0 t (1.18) P(τ m ) = { 0 ha t < 0 e τ m/t ha 0 t (1.19) P(r ) = e n n r, (1.20) r! ahol t az idő változó. A véletlenszerű hatások következtében ugyanabban az időpillanatban az oszlopba belépő két teljesen azonos kémiai tulajdonságú részecske hamarosan eltérő helyen található. Az elúciós profil, azaz kromatográfiás csúcs alakját leíró görbe, az egyes részecskék retenciós

23 1.1. Folyadékkromatográfia 11 időinek valószínűségi sűrűségfüggvénye: n P(n,τ s, t) = e n tτ s ( t τs I 1 ) 4nt, τ s (1.21) ahol I 1 (x) az ún. elsőfajú, elsőrendű módosított Bessel-függvény. Ha n megfelelően nagy, az (1.21) egyenlet az alábbi Gauss görbével közelíthető: 1 P(t) = e ( t 4n. (1.22) 2τ s πn τs n ) 2 A sztochasztikus elmélet szerint τ m a várható időtartam, amit egy részecske vándorlása során a mozgófázisban tölt egy deszorpció és az azt követő adszorpció közt (repülési idő, fly-time), míg várhatóan τ s adszorpciós időt tölt az állófázis felületén egy-egy megkötődés alkalmával. A Frenkel-egyenletnek [11] megfelelően τ s közvetlenül kapcsolatba hozható az adszorpciós energiával (E a ), míg n az anyagátadási egységek számával analóg [6, 12]: τ s = τ 0 e E a RT, (1.23) ahol τ 0 konstans, értéke 1, s szobahőmérsékleten. A modell hátránya, hogy nem veszi figyelembe az állófázisban található olyan pórusokat, melyekben stagnál a mozgófázis, és ha egyszer egy részecske egy ilyen pórusban csapdába kerül, akkor nagy számú adszorpción és deszorpción megy át, mire kijut a pórusból. Mindemellett az elmélet nem veszi figyelembe a mozgófázis hatásait sem a kialakuló kromatográfiás csúcsra. A sztochasztikus modell alapján a kromatográfiás csúcs normalizált-centralizált momentumai (µ) az alábbi általános kifejezés segítségével számíthatók [8]: µ k = k!n τ k s. (1.24) Ennek megfelelően a korrigált retenciós idő, ami a részecskék által az állófázison megkötődve eltöltött idő a t R = µ 1 = n τ s, (1.25)

24 12 1. Irodalmi összefoglaló a kromatográfiás csúcs varianciája a σ 2 = µ 2 = 2n τ 2 s, (1.26) míg ferdesége (skew), ami a csúcs aszimmetriáját jellemzi az S = µ 3 µ 3/2 = 3 (1.27) 2 2n összefüggésekkel számítható Az ionkromatográfia Ionkromatográfia alatt nem egy konkrét kromatográfiás technikát értünk, hanem több, egymástól teljesen eltérő retenciós mechanizmusú módszert. Az ionkromatográfia magába foglalja az összes, ionos vagy ionizálható komponens analízisére szolgáló folyadékkromatográfiás módszert. Tehát az ionkromatográfiát a többi kromatográfiás technikától nem a retenciós mechanizmus, hanem az elválasztott mintakomponensek minősége különbözteti meg. Ionkromatográfiával az alábbi komponensek határozhatók meg: 1. szervetlen anionok: halogenidek (F, Cl stb.), oxoanionok (SO 2 4, NO 3, ClO 4, BrO 3, PO 3 4 stb.) 2. szerves anionok: kis molekulatömegű (vízoldható) mono-, di- és trikarbonsavak (formiát, acetát, oxalát, fumarát, citrát, EDTA stb.), szulfonsavak, beleértve a detergenseket is 3. szervetlen kationok: alkáli- és alkáliföldfémek (Li +, Na +, Mg 2+ stb.) 4. szerves kationok: kis molekulatömegű (vízoldható) aminok (metil-, etil-, propilamin stb.) 5. ionos organo-metallo komplexek (fém-kelátok, tributil-ón stb.) 6. aminosavak (glicin, alanin stb.) 7. szénhidrátok (glükóz, fruktóz, szacharóz stb.) Az ionkromatográfia típusai Ioncsere-kromatográfia (HPIC: High Performance Ion-Exchange Chromatography) Az elválasztás mechanizmusát a mozgófázis és az állófázison kötött ioncserélő csoportok közti ioncsere folyamatok szabályozzák. Az ioncsere az egyik legrégebben bemutatott elválasztási mechanizmus az irodalomban [13]. Polarizálható ionok esetén egyéb, nem ionos adszorpciós folyamatok is szerepet játszhatnak. Az állófázis ioncserélő csoportokkal módosított sztirol-divinilbenzol kopolimer. Az ioncsere-kromatográfia egyaránt használható

25 1.2. Az ionkromatográfia 13 szerves és szervetlen anionok és kationok elválasztására is. Anionok elválasztását kvaterner ammónium csoportokat, kationok elválasztását pedig szulfoncsoportokat tartalmazó gyantán lehet kivitelezni. Ionkizárásos-kromatográfia (HPICE: High Performance Ion Chromatography Exclusion) Ionkizárásos-kromatográfiában az elválasztás mechanizmusát az adszorpció, a Donnan- ill. a sztérikus kizárás folyamatai szabályozzák. Állófázisként elsősorban teljesen szulfonált sztirol-divinilbenzol alapú, nagykapacitású kationcserélők jöhetnek szóba. Az ionkizárásoskromatográfia gyenge szervetlen és szerves savak elválasztására és meghatározására szolgál. Az erős savak retenciót nem szenvedve haladnak át az oszlopon, a holtidővel eluálódva. Megfelelő detektálási rendszerrel kombinálva a technika aminosavak, aldehidek és alkoholok elválasztására is alkalmas. Ionpár-kromatográfia (MPIC: Mobile Phase Ion Chromatography) Az elválasztást leginkább meghatározó mechanizmus az ionpár-kromatográfiában az adszorpció. Az állófázis teljesen semleges, nagy fajlagos felületű, kis polaritású, porózus sztirol-divinilbenzol vagy C8/18-szilikagél. Az elválasztó oszlop szelektivitását főként a mozgó fázis összetétele határozza meg. A mozgófázis szerves módosítót, ún. ionpárképző reagenst tartalmaz, mely az elválasztandó ionokkal ionpárt képez. A technika főként felületaktív anionok és kationok ill. átmenetifém-komplexek elválasztására alkalmas. Alternatív módszerek A fentikekben felsorolt három módszeren túl a fordított fázisú folyadék-kromatográfiában (RP-HPLC) is egyre gyakrabban választanak el poláros, és ionos komponenseket. Az alternatív módszerek közé szokás sorolni emellett a kationok és anionok elválasztására egyaránt használható kelát-ionkromatográfiát (ld alszakasz), valamint a micella-kizárásos-kromatográfiát is Az ionkromatográfia eszközei Az ionkromatográfiás rendszer felépítése lényegében megfelel a hagyományos folyadékkromatográfiás rendszernek. Lényeges különbség főként az elválasztás mechanizmusában, azaz az állófázis tulajdonságaiban, és a detektálás módjában található. Ionkromatográfiában, a főként szilikagél alapú állófázisokat használó klasszikus HPLC technikákkal szemben, elsősorban a szerves polimer alapú állófázisok terjedtek el köszönhetően sokkal nagyobb ph stabilitásuknak. Míg a szilikagél alapú állófázisok csak egy igen

26 14 1. Irodalmi összefoglaló szűk, 2 8 közötti ph tartományban használhatók, addig a modern, szerves polimer alapú állófázisok ph stabilitása garantált a teljes ph (0 14) tartományra. Mindemellett a szilikagél állófázist tartalmazó oszlopok hatékonysága lényegesen nagyobb a polimer alapúakénál. Az ioncserélő oszlopok egyik leglényegesebb tulajdonsága az ioncserekapacitás, mely az állófázison található ioncserélő funkciós csoportok számát jelenti mequiv/g vagy mequiv/ml egységben. Az anionkromatográfiában használatos állófázisokról bővebben az alszakaszban ( o.) lesz szó. Az ionkromatográfiában főként szupresszált vezetőképességi detektálás használatos, habár az UV/Vis spektrofotometriás, az amperometriás és fluoreszcenciás detektálás is egyre nagyobb szerepet kap egyes komponensek meghatározása esetén (ld. még 1.4. ábra, 18. o.). Szupresszált vezetőképességi detektálás esetén a detektor elé helyezett szupresszornak az a szerepe, hogy az ionok elúciójához használt elektrolit vezetőképességét kémiailag csökkentse, és egyúttal a mintaionokét növelje, megnövelve ezáltal a hasznos analitikai jelet, és ezzel összefüggésben a detektor érzékenységét is. A szupresszorban egy ioncserélő membrán található. Kationkromatográfia esetén anion-, anionkromatográfia esetén kationcserélő membrán. Előbbi esetben a mozgófázis anionjait hidroxidionokra, utóbbi esetben a mozgófázis kationjait protonokra cseréljük a szupresszorban, miáltal jelentősen csökken az eluens vezetése. Az ioncserélő membrán regenerálása folyamatos üzemmódban anionkromatográfiában kénsavval, kationkromatográfiában tetrametil-ammónium-hidroxiddal történik, ami biztosítja a reakcióhoz szükséges protonokat, ill. hidroxidionokat. A lejátszódó reakció nátrium-hidroxid eluens esetén az 1.3. ábrán látható. Na SO 2 4 Regenerálószer (H SO ) 2 4 Eluens (NaOH) Minta (NaF, NaCl, Na 2SO 4) Elválasztó oszlop aaaaaaaaaaaaaaaaaaaa aaaaaaaaaaaaaaaaaaaa Na + H + Membrán Na + OH Na + OH Na + OH Na + H + OH OH H O 2 H O 2 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaa Na + H + Membrán aaaaaaaaaaaaaaaaaaaa Na SO 2 4 H O 2 HF, HCl, H SO 2 4 Detektor Regenerálószer (H SO ) ábra: A szupresszor működésének vázlata NaOH eluens használata esetén

27 1.2. Az ionkromatográfia Az ionkromatográfia előnyei Ionos komponensek meghatározása vizes oldatokban klasszikus analitikai probléma, melynek megoldására sokféle módszer és technika jöhet szóba. Miközben a kation analízis területén egyaránt gyors és érzékeny módszerek állnak rendelkezésre (atomabszorpciós-, atomemissziós spektrometria, indukált csatolású plazma, polarográfia stb.), anionok meghatározására kevés megfelelő, nagy érzékenységű módszer létezik. A hagyományos nedves analitikai eljárások, a titrálás, fotometria, gravimetria, turbidimetria és kolorimetria, mind eszközés időigényes módszerek. Ezzel szemben az ionkromatográfia az alábbi mérési jellemzőkben kínál jelentős előnyöket: (1) gyors analízis, (2) nagy érzékenység, (3) kiváló szelektivitás, (4) szimultán detektálás, (5) stabil kromatográfiás oszlop. Gyors analízis Az analízisidő csökkentése egyre inkább fokozódó követelmény, ugyanis a vizsgálandó minták száma jelentősen nőtt az utóbbi időben köszönhetően egyrészt az ipari termékek minőségével kapcsolatos megnövekedett igényeknek, másrészt a környezeti és biológiai analitika fejlődésének. Az elmúlt időszakban megjelent nagyhatékonyságú elválasztó oszlopokkal ma már mindössze három perc alatt, tökéletes felbontás mellett, meghatározható a legfontosabb hét anion [14]. Azaz a hagyományos nedves analitikai eljárások időszükségletének tört része alatt minőségi és mennyiségi információval szolgálhat az ionkromatográfia. Nagy érzékenység A mikrocsip technológia bevezetésének és az egyre hatékonyabb állófázisok kifejlesztésének köszönhetően a mai ionkromatográfiás gyakorlatban mintaelőkészítés nélkül is rutin feladatnak számít egyes anionok ppb tartományú detektálása [15]. 50µl-es huroktérfogat esetén a legtöbb egyszerű ion esetében a kimutatási határ 10 ppb. A mintaionok teljes injektált mennyisége ezekben az esetekben ng tartományban van. Ultratisztaságú vizek ppt koncentrációtartományú ion-analízisére is az ionkromatográfia kínálja a legkedvezőbb alternatívát, azonban ezekben az esetekben mintaelőkészítés (koncentrálás) is szükséges. Aminosav analízis területén o-ftálaldehiddel (OPA) történő, oszlop utáni származékképzést és fluoreszcenciás detektálást alkalmazva pmol nagyságrendű érzékenység érhető el.

28 16 1. Irodalmi összefoglaló Kiváló szelektivitás Az ionkromatográfia ill. általánosságban véve a kromatográfia egyik legnagyobb előnye a hagyományos és modern analitikai technikákkal szemben, hogy a különböző típusú mintakomponensekre nagyfokú szelektivitást mutat. A klasszikus analitikai gyakorlat egyik nagy problémája, hogy az adott módszer szempontjából hasonló kémiai viselkedésű mintakomponensek egymás jelenlétében történő meghatározása, pusztán az adott technikát alkalmazva, gyakran nem kivitelezhető. Klorid-szelektív elektród például jóval nagyobb szelektivitást mutat az oldatban jelenlevő bromidionra, mint a kloridra, emiatt kis mennyiségű bromid is jelentősen zavarhatja a kloridionok ionszelektív elektróddal történő meghatározását. Közel azonos protonálódási tulajdonságokkal rendelkező gyenge savak sem határozhatók meg egymás jelenlétében klasszikus, sav-bázis titrálás segítségével. Az atomspektroszkópia, annak ellenére, hogy igen érzékeny, önmagában nem használható módosulat analitikára, a módszer nem képes különbséget tenni az adott elem kémiai módosulatai (oxidációfok, komplex forma stb.) között. Helyesen megválasztott ionkromatográfiás rendszerrel (mozgófázis-összetétel, elválasztóoszlop, detektálási mód) azonban a fent említett szelektivitásbeli problémákkal nem kell számolni. Ma már rutin feladatnak számít a halogenid ionok, különböző oxidációfokú és komplexformájú nehézfémek, ill. szerves savak egymástól való elválasztása ionkromatográfiás módszerrel. Szimultán detektálás Az ionkromatográfia egy másik nagy előnye a hagyományos, nedves analitikai technikákkal szemben a különböző komponensek együttes meghatározásának lehetősége, azokat az eseteket kivéve, mikor a különböző minta komponensek koncentrációja extrém módon tér el egymástól adott mintán belül. Ilyen esettel lehet találkozni a legtöbb szennyvíz ill. csurgalékvíz analízisekor [16, 17]. Ezekben az esetekben két külön analízisre van szükség a nagy és a kiskoncentrációjú komponensek kimutatására. Azonban még ekkor is néhány perc alatt megkaphatjuk a minta teljes anion- és kationösszetételét. Kromatográfiás oszlop stabilitása Az ionkromatográfiás oszlopokban alkalmazott töltetek nagy ph stabilitása lehetővé teszi erős savak és lúgok eluensként való felhasználását. Mindemellett a szerves polimer alapú oszlopok nem érzékenyek komplex mátrixú mintákra, szennyvizekre, ételmintákra, testfolyadékokra sem. Ilyen esetekben a mintaelőkészítés gyakran csak egyszerű hígítás. A szerves polimerek hátránya, hogy gyakran korlátozott a stabilitásuk szerves oldószerekkel szemben, így nem használhatók szerves szennyezők eltávolítására. Köszönhetően a polimerkémia utóbbi években tapasztalható nagymértékű fejlődésének, ma már egyre több gyártó lép

29 1.3. Az ionkromatográfia alkalmazása a környezeti analízisben 17 ún. oldószer kompatibilis tölteteket tartalmazó oszlopokkal a piacra. Kis mintaszükséglet A klasszikus analitikai eljárások során gyakran több 10 ml mintamennyiség szükséges az oldat összetételének meghatározásához. A nagy precizitású mintabeviteli rendszerek és az érzékeny detektálás következtében az ionkromatográfiában az egy elemzés során vizsgált mintamennyiség mindössze néhány µl, azaz három nagyságrenddel kisebb, mint a klasszikus módszerek esetén Elválasztási és detektálási rendszer választása Ahogy azt az alszakaszban (12.o.) láthattuk, ionkromatográfia alatt több, mechanizmusában egymástól teljesen eltérő módszert értünk. Ennélfogva megfelelő elválasztási rendszer összeállításánál az állófázis és a megfelelő detektálási módszer megválasztása nagyon lényeges az analízis szempontjából. Az analitikus általában rendelkezik előzetes információkkal a vizsgálandó minta összetételéről (szerves, vagy szervetlen ionokat tartalmaz-e), felületi aktivitásáról, töltéséről, savas ill. bázikus tulajdonságairól. Ezen információk alapján az 1.4. ábra segítségével könnyen kiválasztható az analízis szempontjából legelőnyösebb állófázis és detektálási rendszer. Sok esetben több kombináció is szóba jöhet az adott minta elemzésére. Ilyen esetekben a döntés során figyelembe kell venni a minta mátrixot, a módszer bonyolultságát és az analízis költségeit Az ionkromatográfia alkalmazása a környezeti analízisben A kromatográfiás elválasztási módszereket széles körben alkalmazzák különböző környezeti minták elemzése során. Az ionkromatográfia egyaránt alkalmazható ivóvizek és szennyvizek összetételének meghatározására, talajok, iszapok, csurgalékok, szilárd hulladékok analitikai vizsgálatára is [18]. A technikának elsősorban anionok meghatározásában van kiemelt jelentősége. Az ivóvízminősítés területén az ionkromatográfia igen elterjedt, ugyanis lehetőséget nyújt az ivóvízben található szervetlen ionok többségének nagy hatékonyságú elválasztására. Ennek köszönhetően több szabványos mérési módszer is rendelkezésre áll a vízminősítés területén. Ilyenek például hazánkban az MSZ EN ISO :1998 [19], az MSZ EN ISO :1999 [20] és az MSZ EN ISO :1999 [21] szabványok. A sorozat negyedik

30 18 1. Irodalmi összefoglaló Anionok Nem polarizálható ionok Szervetlen pk < 7 a Szervetlen ionok 2 F, Cl, SO, stb. Kelátok Polifoszfátok Polifoszfonátok 4 HPIC HPIC Vezetőképességi Amperometriás 4 UV/Vis spektrofot. Oszlop utáni származékképzés Szerves ionok C<6 HPIC HPICE Vezetőképességi UV/Vis spektrofot. Fém komplexek HPIC HPICE Vezetőképességi UV/Vis spektrofot. pk > 7 a Elektroaktív- és szerves ionok Tiolok HPIC HPICE Amperometriás detektálás Gyenge szervetlen savak, HS, CN, stb HPIC Vezetőképességi UV, Amperometriás Alkoholok Aldehidek HPICE Pulzáló amperometriás Szénhidrátok HPIC Pulzálü amperometr. Polarizálható ionok Szervetlen pk < 7 a pk > 7 a Szervetlen és szerves ionok Palmitinsav Sztearinsav Felületaktív anionok I, SCN,ClO Szerves ionok Fenolok, stb. 4 HPIC MPIC MPIC Vezetőképességi UV/Vis detektálás Amperometriás UV/Vis detektálás Kationok Nem polarizálható ionok Alkáli-, alkáliföldfém Alkáli-, alkáliföldfém ionok 4 Aminok C<6 HPIC MPIC HPIC Vezetőképességi Vezetőképességi UV/Vis detektálás Atmeneti- és nehézfémek HPIC UV/Vis, Oszlop ut. származékképzés Aminosavak HPIC Fluoreszcens, UV/Vis detektálás Polarizálható ionok Arilaminok Aminok Pirimidin Purin MPIC HPIC Vezetőképességi Pulzáló amperometr. UV/Vis detektálás 1.4. ábra: Elválasztási és detektálási rendszer választásának sémája az ionkromatográfiás analízisben

31 1.3. Az ionkromatográfia alkalmazása a környezeti analízisben 19 tagját, az ISO :1997 jelűt [22] hazánk még nem vette át. Az Egyesült Államok Környezetvédelmi Hivatala - EPA - által alkalmazott US-EPA Method 300 jelzésű szabványsorozat is meglehetősen sok ionkromatográfiás módszert ajánl anionok meghatározására (1.1. táblázat) táblázat: Természetes vizek és szennyvizek meghatározására kidolgozott ionkromatográfiás szabványok az Amerikai Egyesül Államokban EPA a módszer Minta Közeg b 300(A) F, Cl, NO 2, Br, NO 3, PO3 4, SO2 4 rv, iv, fev, szv, fav, ex 300(B) BrO 3, ClO 3, ClO 2 nyersvíz, iv 300.1(A) F, Cl, NO 2, Br, NO 3, PO3 4, SO2 4 rv, iv, fev, fav 300.1(B) BrO 3, Br, ClO 3, ClO 2 rv, iv, fev, fav SW F, Cl, Br, NO 3, PO3 4, SO2 4 égetési maradék Cl,NO 3, PO3 4, SO2 4 nedves csapadékok B-1011 NO 2, NO 3 rv, iv SW c ClO 4 rv, iv, fav CrO 2 4 iv, fav, szv SW CrO 2 4 iv, fav, szv Na +, NH + 4, K+, Mg 2+, Ca 2+ nedves csapadékok d Cd 2+, Co 2+, Cu 2+, Pb 2+, Ni 2+, U 2+, V 2+ sós víz, tv d Cd 2+, Co 2+, Cu 2+, Pb 2+, Ni 2+ sós víz, tv a Environmental Protection Agency Egyesült Államok Környezetvédelmi Hivatala b rv reagens víz, iv ivóvíz, fev felszíni víz, fav felszín alatti víz, szv szennyvíz, ex extraktum, tv tengervíz c tervezet d az ionkromatográfia a spektrometriai vizsgálat előtti mintaelőkészítést szolgálja A víztisztítás során alkalmazott fertőtlenítés anionos melléktermékeinek kimutatására is előnyösen alkalmazható az ionkromatográfia. Ilyen vegyületek például a bromát, klorit és a klorát. A bromát az ózonos fertőtlenítés során képződik a nyersvíz természetes bromidtartalmából, míg a klorit és klorát a klór-dioxidos fertőtlenítés mellékterméke. Ezek az ionok igen súlyos egészségügyi kockázatot hordoznak már néhány µg/dm 3 -s koncentrációnál is. Például a bromát erősen karcinogén hatású, az EPA becslése szerint a potenciális rák kockázata 10 4 már 5 µg/dm 3 koncentráció esetén is, hosszú távú fogyasztás esetén [23]. Bromát ion meghatározását az EPA Method 300.1(B) szabvány szabályozza. Az elválasztást Dionex IonPac AS9-HC típusú oszlopon, 9mmol/dm 3 -s nátrium-karbonát eluens és szupresszált vezetőképességi detektálás alkalmazásával hajtják végre. A módszer során használt nagy kapacitású oszlop növeli a bromátion kloridiontól való elválasztásának hatékonyságát [15]. A klórral való fertőtlenítés során a vízben lévő szerves anyagokból halogénezett szerves szennyezők keletkezhetnek, melyek közül legnagyobb mennyiségben a halogénezett ecetsavak találhatók meg az ivóvizekben. Attól függően, hogy a nyersvíz milyen mennyiségben

32 20 1. Irodalmi összefoglaló tartalmaz bromidot, klórozott- ill. brómozott-klórozott ecetsavak különböző variációi keletkezhetnek [24]. Ezek a vegyületek erősen toxikus hatásúak, feltételezhetően rákkeltők is, bár ez utóbbi hatás egyelőre még nem bizonyított [25, 26]. Ivóvízben, köszönhetően meglehetősen alacsony pka értéküknek, disszociált formában, azaz anionokként vannak jelen. Ionkromatográfiás meghatározásuk nehézségét elsősorban az okozza, hogy a különböző mértékben halogénezett ecetsavak nagyon eltérő módon kötődnek az állófázishoz, így analízisük főként gradiens technika és induktív csatolású plazma tömegspektometria (ICP-MS) detektálás alkalmazásával oldható meg [24, 27]. A króm különböző oxidációfokú formákban fordulhat elő a természetben. Míg a Cr(III) a cukor metabolizmus szempontjából alapvető fontosságú nyomelem, addig a Cr(VI) vegyületei igen toxikusak, valószínűleg karcinogén hatással is rendelkeznek. A kromátion Dionex IonPac AS7 típusú anioncserélőn és 1,5-difenil-karbonohidraziddal történő származékképzés utáni UV/VIS detektálással történő meghatározásának kimutatási határa mindössze 0,018 µg/l [28]. A módszer a hat vegyértékű króm ivóvízből, felszínalatti, vagy ipari szennyvizekből történő kimutatására egyaránt alkalmazható. Hatékony ionkromatográfiás módszerek állnak rendelkezésre az erősen toxikus cianid kimutatására is, amelynek az ipar számos területe, a bányászat, a kohászat, és műanyagipar is potenciális forrása. Az ionkromatográfiás elválasztás elektrokémiai detektálással akkor ajánlott, ha a minta tiocianátot [15], vagy egyéb kéntartalmú vegyületet tartalmaz, egyébként mind a szupresszált vezetőképességi [29], mind az UV/Vis detektálás alkalmazható kimutatásukra [30]. Az ivóvíz-szennyező fémek többsége az átmeneti fémek csoportjába tartozik, amelyek kimutatására spektroszkópiás módszereket alkalmaznak elterjedten. Léteznek azonban szabványosított ionkromatográfiás módszerek kationok, pl. ammónium-, nátrium-, kálium-, kalcium- és magnézumion szimultán elválasztására csapadék és esővizekből, felszíni és felszín alatti vizekből, ivóvízből, vagy kevert kommunális és ipari szennyvizekből [31]. Különösen előnyös a módszer ammónium- és egyéb kationok kimutatására aminok jelenlétében, mivel ezek a vegyületek zavarják a hagyományos kolorimetriás ammónia meghatározást. Gyakran használják az ionkromatográfiát szennyvizek analitikai vizsgálatai során is, bár az ilyen minták esetében a mintaelőkészítésnek jelentős szerepe van. Az előkészítés általában hígítást jelent, annak érdekében hogy a mérőműszer mérési tartományán tudjunk dolgozni. Az oszlop élettartamának megnövelése érdekében gyakran indokolt a hidrofób szerves anyagok szűréssel történő eltávolítása [32]. Az ionkromatográfiás analitikai módszereket az ivóvizek és különböző szennyvizek vizsgálata mellett széles körben alkalmazzák természetes eredetű vízminták, úgymint ásványvizek, mélységi talajvizek, termálvizek, fúrólyukak vízmintái, a talaj pórusainak vize, a felszíni vizek (álló- és folyóvizek), az esővíz, savas eső, hó, vagy jégeső és jégtakarók elemzésére is.

33 1.3. Az ionkromatográfia alkalmazása a környezeti analízisben 21 Az esővizek, és elsősorban a savas esők ionos összetevőinek meghatározása kiemelt fontosságú a savasodás a természetes és művi környezetre való hatásainak előrejelzésében. Léteznek eljárások a csapadékvízből, illetve atmoszferikus aeroszolokból kationok és anionok egyidejű elválasztására is gyengén savas kationcserélőn [33]. Az ionkromatográfia területén napjainkban került előtérbe az igen toxikus perklorát felszíni és felszín alatti vizekből történő meghatározása [34, 35, 36]. A perklorát ion a szilárd rakéta hajtóanyagok kulcsösszetevője, ezért elsősorban olyan területeken szennyezheti a felszíni és talajvizeket, ahol ilyen anyagokat, lőszereket, tűzijátékokat gyártanak, tesztelnek. A felszíni vizek fémvegyületeinek meghatározásában is egyre nagyobb teret hódít az ionkromatográfia. Nagy előnye, hogy mérhetővé teszi a különböző oxidációs állapotok - pl. a Fe(II) és Fe(III) - mennyiségét, a stabil fémkomplexeket fém-cianidok, vagy mind a szerves, mind a szervetlen arzén vegyületeket. Így lehetővé válik a fémvegyületek sorsának, transzportjának, toxicitásának előrejelzése [37]. A talajminták vizsgálata volt az ionkromatográfia egyik első környezetanalitikai alkalmazási területe. Hasonlóan a természetes vizekhez, a talajminták esetén is az a nagy előnye érvényesül, hogy a talaj extraktumokból a fémek különböző oxidációfokú megjelenési formái és a stabil fémkomplexek meghatározhatók ugyanúgy, ahogy a nitrogén, foszfor, kén mennyisége, valamint a hozzájuk tartozó oxoanionok, mint a nitrit-, nitrát-, foszfát-, vagy szulfátionok, amely komponensek igen fontosak a talaj minősége, termőképessége szempontjából [31]. Optimális esetben a mérés során injektált mintának alacsony a szerves anyag, erős sav és sótartalma, bár ez a talajminták extrakciója során hagyományosan alkalmazott módszerekkel nem igazán valósítható meg. Napjainkra már számos ionkromatográfiában jól alkalmazható extrakciós módszert dolgoztak ki, ami alapján a vizsgálandó vegyületekhez a megfelelő extraháló szer és eljárás kiválasztható [38]. Az iszapok, csurgalékok és szilárd hulladékok szervetlen iontartalmának meghatározása, alapjában véve nem tér el a talajmintáknál alkalmazott módszerektől [16]. Bár az ionkromatográfiát általánosan az anionok kimutatására használják ezeknél a mintáknál is, lehetőség van a csurgalékvizek illékony zsírsav tartalmának meghatározására, amit fontos információ a hulladéklerakó állapotára nézve [17]. Mivel környezeti minták analízisekor sok különböző minta fordulhat elő, számtalan elválasztási módszer jöhet szóba attól függően, hogy milyen összetételű a minta, illetve melyek a meghatározni kívánt komponensek. Ezért az elválasztási módszert az adott problémához kell optimalizálni.

34 22 1. Irodalmi összefoglaló 1.4. Anioncsere-kromatográfia Állófázisok Ahogy az alszakaszban már említettem, az ionkromatográfiában elsősorban szerves polimer alapú állófázisok terjedtek el. Kisebb mértékben azonban, de szervetlen alapú tölteteket tartalmazó oszlopok is használatosak a gyakorlatban. Szerves polimer alapú anioncserélők Sztirol-divinil-benzol, polimetakrilát és polivinil alapú ioncserélők a legfontosabb szerves polimer alapú állófázisok az anionkromatográfiában. Ezek közül is a sztirol-divinil-benzol alapúak a legelterjedtebbek, köszönhetően 0 14-ig terjedő ph stabilitási tartományuknak. A sztirol kopolimerizációja divinil-benzollal szükségszerű a gyanta megfelelő mechanikai stabilitásának érdekében. A divinil-benzol, két funkciós csoportjának köszönhetően, összeköt két polisztirén láncot, így az állófázist térhálóssá teszi (1.5. ábra). Az ioncserélők térhálósságát az előállításukhoz felhasznált divinil-benzol százalékos mennyisége határozza meg. A térhálósság befolyással van többek között a gyanta porozitására, szelektivitására, mechanikai stabilitására, ioncsere-kapacitására is [39]. Ez utóbbi, mely az egységnyi tömegű vagy térfogatú gyantán található aktív csoportok számát jelzi az anioncserélő állófázisok talán legfontosabb tulajdonsága. CH CH2 CH CH 2 CH CH 2 CH CH 2 CH CH CH CH 2 2 CH CH CH 2 CH CH 2 CH CH CH ábra: Sztirol-divinilbenzol szerves polimer alapú állófázis sematikus ábrázolása A szerves polimer alapú állófázisokra az ioncserélő funkciós csoportokat két lépcsőben kötik. Az első lépésben a gyanta aromás csoportjait klórmetilezik, a második lépcsőben pedig tercier-amin segítségével a klórmetil csoportot aminálják, így kvaterner-ammónium funkciós csoportokkal rendelkező anioncserélőhöz juthatunk [39].

35 1.4. Anioncsere-kromatográfia 23 Latex agglomerált anioncserélők Az anion-kromatográfiában használt állófázisok legfontosabb csoportja a latex agglomerált, vagy latex alapú anioncserélők. Ezek az állófázisok a szerves polimer alapú anioncserélők egy speciális csoportját alkotják, nagymértékú felhasználásuknak köszönhetően célszerű azonban külön tárgyalni őket. A latex alapú anioncserélők 5-25 µm átmérőjű felületileg szulfonált sztirol-divinil-benzol kopolimerből és az erre felvitt, elektrosztatikusan kötött teljesen aminált pórusos anioncserélő gyöngyökből állnak. Az utóbbi ún. latex részecskék átmérője kb. 0,1 nm. Mindezek alapján a latex alapú állófázisok három régióra különíthetők el [14]: (1) egy inert és mechanikailag ellenálló hordozóra, (2) egy vékony szulfonsav borításra a hordozó felületén, (3) egy külső aminált latex rétegre, mely az anioncserélő csoportokat hordozza. Egy ilyen ioncserélő pásztázó elektron mikroszkóppal készített felvétele az 1.6 ábrán látható ábra: Latex alapú ioncserélő részecske pásztázó elektronmikroszkópos felvétele [40]. A részecske átmérője 9µm. Habár a latex réteg önmagában véve nagy ioncsere kapacitással rendelkezik, a kisméretű gyöngyök mégis kis ioncsere kapacitású állófázist eredményeznek. Köszönhetően az állófázis pellikuláris felépítésének a latex alapú anioncserélők meglehetősen nagy kromatográfiás hatékonysággal rendelkeznek. A hordozó felületi szulfonáltságának mértéke és a latex részecskék mérete jelentősen befolyásolja az oszlop hatékonyságát. Egyrészt a gyanta szemcséken található szulfoncsoport réteg megakadályozza az anionok gyanta belsejébe jutását, másrészt, köszönhetően a latex részecskék kis méretének, a mintakomponenseknek csak kis távolságot kell megtenni diffúzióval az elúció során. Mindez a komplex rendszer jónéhány előnyös tulajdonsággal ruházza fel a latex alapú állófázisokat a szilikagél és a szerves polimer alapú fázisokkal szemben [40, 41]: (1) az inert szubsztrát jelentős mechanikai stabilitást és kis nyomásesést biztosít,

36 24 1. Irodalmi összefoglaló (2) a latex részecskék kis méretének köszönhetően az állófázis hatékonysága nagy, (3) a felületi szulfonáltságnak köszönhetően elhanyagolható mértékű az állófázis duzzadása, zsugorodása, (4) kémiailag nagyon stabilak. Még 4 mol/l koncentrációjú NaOH sem képes megbontani a szulfonált felület és a latex részecske közti kötést. A latex alapú állófázisokon, egyedi felépítésüknek köszönhetően, az anionok megkötődése más mechanizmus szerint játszódik le, mint hagyományos, szerves polimer-, vagy szilikagél alapú ioncserélőkön (ld szakasz, oldal). Szilikagél alapú anioncserélők A szerves polimer alapú ioncserélőkkel párhuzamosan számos szilikagél (SiO 2 ) alapú állófázist is fejlesztettek az elmúlt étizedekben [42, 43]. A klasszikus szerves polimerekkel szemben a szilikagél alapú fázisok mechanikai stabilitása és hatékonysága lényegesen jobb. A szilikagél alapú ioncerélők esetén nem kell számolni az állófázis duzzadásával ill. zsugorodásával eluensváltás és szerves módosító használata esetén sem. Legnagyobb hátránya ezeknek a fázisoknak, hogy csak meglehetősen szűk, 2 8 ph tartományban használhatók. Ennek a hátránynak köszönhetően, használatuk nem terjedt el széles körben az ionkromatográfia területén, annak ellenére sem, hogy akár ezres elméleti tányérszám érték is elérhető szilikagél alapú állófázisok használatával. Makrociklikus állófázisok Szerves és szervetlen anionok elválasztása nem kizárólag szerves polimerre, vagy szilikagél állófázisra kötött erősen bázikus jellegű funkciós csoportok segítségével lehetséges. A töltéssel nem rendelkező makrociklikus vegyületek is alkalmasak anionok elválasztására [44]. A makrociklikus vegyületek, úgymint a koronaéterek, kriptandok, kalixarének jellemző tulajdonsága, hogy képesek fémionokat szelektíven megkötni. Ionkromatográfiás állófázisként ezért kationok ligandcserés elválasztására használhatók, ahol a makrociklikus vegyületek említett tulajdonságának köszönhetően az eltérő átmérőjű fémek eltérő mértékben szenvednek visszatartást az oszlopban. Alkáli-hidroxid (LiOH, NaOH, KOH) eluenst használva anionok is elválaszthatók egymástól makrociklikus állófázison ioncserés mechanizmussal, ugyanis miközben a mozgófázis fémionja komplexet képez a makrociklikus vegyülettel, pozitív töltésű anioncserélő funkciós csoportok alakulnak ki az oszlopban, amelyen megtörténik a mintaanionok elválasztása. Anionok elválasztására elsősorban kriptand alapú állófázisok használhatók, melyek szerves polimer hordozón való megkötésére az 1.7. ábrán látható egy példa. Köszönhetően alkilcsoportjának, az n-decil-2,2,2-kriptand molekula kovalens módon köthető sztirol-divinil-

37 1.4. Anioncsere-kromatográfia 25 benzol hordozóra, meglehetősen stabil állófázist kapva ezáltal, ahogy az a Dionex Cryptand A1 oszlop esetében is tapasztalható [45, 46, 47]. Mivel a makrociklus ebben az esetben híd helyzetű nitrogént is tartalmaz, a mozgófázis ph-jától függően protonálódni képes, további pozitív töltésű funkciós csoportokat alakítva ki ezáltal a molekulán. A kriptand molekula protonálódási állandóinak értéke és 10 7,5 [48]. O O A OH N M + O O O O N 1.7. ábra: Anioncserés elválasztás mechanizmusa n-decil-2,2,2-kriptand molekulát tartalmazó állófázison A kriptand molekula anionkromatográfiás alkalmazásának legfőbb előnye, hogy az alkáli-hidroxid eluens típusának megváltoztatásával befolyásolható az állófázis ioncserekapacitása. A kapacitás az alkálifém-kriptát komplex stabilitási állandójával arányos. Mindemellett az elúció során történő eluens típus váltással ún. kapacitás gradiens érhető el, mellyel megfelelő hatékonysággal nyílik lehetőség a jelentősen és a kevésbé visszatartott komponensek szimultán elválasztására is [45]. Köszönhetően többek között ezen előnyös tulajdonságának, az Amerikai Egyesült Államok Környezetvédelmi Hivatala (EPA) kriptand állófázist tartalmazó ionkromatográfiás oszlopot javasol perklorát meghatározására ivóvízben [49]. Alumínium-oxid alapú anioncserélők A szilikagél mellett az alumínium-oxid (Al 2 O 3 ) az egyik legelterjedtebb adszorbens a folyadékkromatográfiában. Csakúgy, mint a legtöbb fém-oxid, az alumínium-oxid is ioncserélő tulajdonságokat mutat [50]. A szilikagél fázisokhoz hasonlóan az Al 2 O 3 fázisok is mechanikailag és termikusan meglehetősen stabilak, nem duzzadnak, nem zsugorodnak. Alkalmazásuk azonban kevésbé elterjedt, mivel ioncserélő-kapacitásuk kicsi, és csak szűk ph tartományban használhatók A leggyakrabban használatos anionkromatográfiás eluensek A mozgófázis helyes megválasztása döntő fontosságú az analízis szempontjából, ugyanis az eluens összetételének változtatásával az elválasztás szelektivitása változtatható [40, 41]. Az anionkromatográfiában használt eluensek típusát főként a használt detektálási módszer

38 26 1. Irodalmi összefoglaló határozza meg. Mivel a leggyakrabban használt detektálási forma szerves és szervetlen ionok meghatározásában a vezetőképességi detektálás, a felhasználható mozgófázisokat két nagy csoportra oszhatjuk: (1) kémiai szuppresszálás mellett használható mozgófázisok, (2) elektromos háttérvezetés kompenzálás esetén használható eluensek. A mozgófázisok fenti módon történő csoportosításának természetesen csak vezetőképességi detektálás esetén van jelentősége. A megfelelő eluens kiválasztása spektrofotometriás, vagy amperometriás detektálás esetén lényegesen egyszerűbb. Előbbi esetben főként foszforsav alkáli sói, kénsav és perklórsav alkalmaztható sikeresen, köszönhetően nagymértékű átlátszóságuknak az UV tartományban. Amperometriás detektálás esetén alkáli fémek klorid, klorát és perklorát sói, valamint alkáli-hidroxidok és karbonátok jöhetnek szóba. Kémiai szuppresszálás mellett használható mozgófázisok Ebbe a csoportba a gyenge szervetlen savak sói, és az erős alkáli-hidroxidok tartoznak, melyek a szupresszoron keresztül haladva kis vezetőképességű oldattá alakulnak. A kémiai szuppresszorok működése az alszakaszban az 1.3. ábrán (14. o.) látható. Változó összetételű nátrium-karbonát és nátrium-bikarbonát oldatok széleskörűen alkalmazott mozgófázisok szupresszált vezetőképességi detektálás esetén, mivel ezen eluensek hajtóereje és szelektivitása könnyen befolyásolható a mozgófázis ph-jával és koncentrációjával [51]. A szupresszálás melléktermékeként kissé disszociált szénsav oldat keletkezik, melynek alacsony vezetése érzékeny detektálást tesz lehetővé. A karbonát/bikarbonát rendszerek alternatívájaként szóba jöhetnek olyan aminosav eluensek is, melyek izoelektromos pontja (pi) semleges ph-n található [52, 53]. Bázikus ph-n az aminosavak főként ionos formában vannak jelen, így anion-kromatográfiás mozgófázisként használhatók, a szupresszálás után pedig, köszönhetően ikerionos formájuknak, kisebb vezetéssel rendelkeznek, mint a karbonát/bikarbonát eluensek. Hasonlóan alacsony háttérvezetés érhető el N-szubsztituált amino-alkilszulfonsavak használatával is [52, 54]. Aromás aminosavak (pl. tirozin) eluens adalékként is használhatók karbonát/bikarbonát mozgófázisok használatakor [40]. A nátrium-hidroxid eluensként való felhasználása esetén érhető el a legalacsonyabb háttérvezetés, így a legnagyobb érzékenység, mivel a szupresszálás eredményeként tiszta víz keletkezik. A viszonylag gyenge hajtóereje miatt meglehetősen nagy koncentrációban kell alkalmazni ( mm), ezért nem tudta teljes mértékben kiszorítani a többi eluens használatát, bár kétségtelen, hogy a karbonát/bikarbonát eluensek mellett a legelterjedtebben használt mozgófázis. A karbonátmentes nátrium-hidroxid gradiens elúció esetén sem okoz alapvonal torzulást.

39 1.4. Anioncsere-kromatográfia 27 A nátrium-tetraborát, a tetraborát anionok állófázishoz való kis affinitása miatt elsősorban fluorid ionok és kis szénláncú karbonsavak analízise esetén használt. Mivel a szupresszálás során keletkező bórsav semleges ph-n csak kismértékben disszociál, a nátriumtetraborát mozgófázis szintén használható gradiens elúcióra [40]. Az 1.2. táblázatban a szupresszált vezetőképességi detektálás mellett leggyakrabban használt mozgófázisok láthatók, amelyek használatával majdnem az összes, vezetőképesség méréssel detektálható anion meghatározása megoldható. Ezeket az eluenseket a nagyszámú, forgalomban lévő állófázissal kombinálva gyakorlatilag bármilyen szelektivitású ionkromatográfiás rendszer öszzeállítható táblázat: Kémiai szuppresszálás mellett leggyakrabban használt mozgófázisok Eluens Eluens ion Szupresszor termék Elúciós erő Na 2 BO 4 BO 2 4 H 3 BO 3 nagyon gyenge NaOH OH H 2 O gyenge NaHCO 3 HCO 3 CO 2 +H 2 O gyenge NaHCO 3 /Na 2 CO 3 HCO 3 /CO2 3 CO 2 +H 2 O közepesen erős H 2 NCH(R)COOH/NaOH H 2 NCH(R)COO H 3 + NCH(R)COO közepesen erős RNHCH(R )SO 3 H/NaOH RNHCH(R )SO 3 R + NH 2 CH(R )SO 3 közepesen erős Na 2 CO 3 CO 2 3 CO 2 +H 2 O erős Elektromos háttérvezetés kompenzálás esetén használható eluensek Az ebbe a csoportba tartozó mozgófázisok eleve kis vezetéssel kell hogy rendelkezzenek az érzékeny detektálás érdekében [55, 56]. Benzoát, ftalát, és o-szulfobenzoát a leggyakrabban használt komponensek, mivel megfelelően erős affinitást mutatnak az állófázis funkciós csoportjai felé, ugyanakkor a vezetőképességük viszonylag kicsi. Használatuk esetén az eluens ph-ját 4 7 értékre célszerű beállítani, ugyanis ezen a ph-n a savak disszociált formában vannak jelen. Az 1.3. táblázatban, egy-egy eluenskoncentráció és ph esetén, az előzőleg felsorolt mozgófázisok háttérvezetése látható, mely lényegesen nagyobb, mint a hasonló elúciós erővel rendelkező karbonát/bikarbonát mozgófázisé (15 25 µs/cm). Ennek megfelelően elektromos háttérvezetés kompenzálás esetén a kimutatási határok, és a detektor lineáris tartománya lényegesen kisebb, mint szupresszált vezetőképességi detektálás alkalmazásakor. Semleges ph-jú eluens használatával ugyanakkor a mozgófázis hidrogénion koncentrációja által okozott háttérvezetés növekedés is kiküszöbölhető.

40 28 1. Irodalmi összefoglaló 1.3. táblázat: Néhány, elektromos háttérvezetés kompenzáció esetén használt eluens háttérvezetése Eluens Koncentráció ph Fajlagos vezetőképesség [mmol/l] [µs/cm] Kálium-benzoát 0,65 4,6 65,9 Kálium-hidrogénftalát 0,50 4,4 74,3 Ammónium-o-szulfobenzoát 0,50 5,8 132, Anionkromarográfiás retenciót leíró elméletek Az aniokromatográfiát leíró retenciós modelleknek alapvetően két típusát különböztethetjük meg. Ezek az elméleti és empirikus modellek. Egy elméleti modell teljes mértékben elméleti összefüggésekből van levezetve, a változóknak fizikai-kémiai jelentésük van, és a minta retenciós tényezőjének számítása előtt ismereteket (vagy becsléseket) igényel a mintaion, az állófázis és a mozgófázis egyes paramétereiről (egyensúlyi állandók, ioncserekapacitás, gyantatérfogat stb.). Ezeket a paramétereket általában előzetes kísérletek alapján becslik, melyek során a kívánt minták retenciós tényezőit ellenőrzött körülmények közt mérik különböző mérési paraméterek (eluenskoncentráció, hőmérséklet stb.) szisztematikus változtatása mellett. Ha a vonatkozó paraméterek ismertek, az elméleti modell lehetővé teszi a retenciós tényezők számítását minden lehetséges mozgó- és állófázis kombináció esetén. Az empirikus modellek ezzel szemben csak arra koncentrálnak, hogy a retenció változásának módját két ismert eluens koncentráció és/vagy ph között megjósolják. Tehát egy empirikus modell inkább egyfajta feketedoboz modellnek mondható, a változások hátterében húzódó elvi magyarázatra nem fordít hangsúlyt. Az empírikus modell megalkotása általában a kérdéses minták retenciójának két, ismert összetételű mozgófázissal történő mérésével veszi kezdetét. Ezt a mintakomponens retenciós viselkedésének leírása követi különböző összetételű mozgófázisokra interpolációs úton, valamilyen előre meghatározott egyenlet (egyenes, polinom stb.) felhasználásával [57]. Számos fontos tényezőt kell figyelembe venni az optimalizálási módszer kidolgozása során, beleértve az egyszerű használatot, nagy teljesítményt, pontosságot, precizitást és sebességet. Az elméleti retenciós modellek túlnyomó többségénél a pontosság és precizitás javítása az egyszerű kezelhetőség romlásával párosul, az empirikus modellek viszont mentesülni látszanak ettől a problémától [58, 59, 60]. Az ismertetésre kerülő hét elméleti modell növekvő komplexitás szerinti sorrendben kerül bemutatásra, majd ezeket egy széleskörűen alkalmazott empirikus modell ismertetése követi.

41 1.4. Anioncsere-kromatográfia 29 Lineáris oldószererősségi modell A lineáris oldószer erősségi modell a legegyszerűbb elméleti modell. Sztöchiometrikus ioncsere egyenleten alapul, amely egy ioncserélő anyag állófázisához kötött és egy kezdetben mozgófázisbeli mintaion lecserélődését és állófázis általi megkötődését egyensúlyi folyamatként írja le. yam x + xey r K A/E FGGGGGG GGGGGGB ya x r + xe y m, (1.28) ahol r index jelöli az allófázison megkötött, m index pedig a mozgófázisban tartózkodó ionokat. K A/E az ioncserefolyamat egyensúlyi állandója, amit az ionkromatográfiás gyakorlatban szelektivitási állandónak hívnak [1], az alábbi módon definiálható: K A/E = ( A x ) y ( y )x r E m Am x E y. (1.29) r Ezen összefüggésekből néhány alapvető kromatográfiás törvényszerűség [(1.12) és (1.14) egyenlet] felhasználásával a következő összefüggés vezethető le a mintaionok retenciós tényezőjének számítására ioncserélő oszlopban: logk A = 1 y logk A/E + x y log Q y + log V s V m x y logey m, (1.30) ahol Q, V s és V m az oszlop ioncserélő kapacitása, ill. gyanta- és holttérfogata. Mivel K A/E, Q, V m és V s értéke adott elválasztó oszlop és eluens alkalmazása esetén állandó, az (1.30) összefüggés logk A = C x y logey m (1.31) alakra egyszerűsíthető, ahol C konstans. Az (1.31) egyenlet lineáris kapcsolatot jósol a mintakomponens retenciós tényezőjének és az eluens moláris koncentrációjának logaritmusa közt. Az egyenes meredeksége a mintaés az eluensionok töltéseinek negatív hányadosával egyezik meg. A lineáris oldószer erősségi modell csak olyan eluens esetén használható, mely egyfajta anionnal rendelkezik (pl. NaOH). Az anionkromatográfiában használatos mozgófázisok többsége azonban több hajtókomponenst is tartalmaz, mint például a CO 2 3 / HCO 3 / OH és a ftálsavas eluensrendszerek. Habár összetett mozgófázisok esetén a lineáris oldószer erősségi modell nem alkalmazható, kis átalakítással kiterjeszthető mintaionok retenciós

42 30 1. Irodalmi összefoglaló időinek előrejelzésére [61]. Uralkodó egyensúly elve A megközelítés alapfeltevése az, hogy kizárólag a mozgó fázis legnagyobb töltéssel rendelkező versengő anionja a felelős a mintaionok elúciójáért, még akkor is, ha viszonylag nagy mennyiségű, kevesebb töltéssel rendelkező ion van jelen az oldatban. Ezért például a szénsav (H 2 CO 3 ) tartalmú mozgófázisok esetében a három eluens anion közül (CO 2 3, HCO 3 és OH ), csak a kétszeresen negatív töltésű karbonát anion által kifejtett hatást veszi figyelembe a retenció számításánál. Az (1.31) egyenlet ennél fogva nem változik: logk A = C 1 x 2 log[ CO 2 ] 3, (1.32) ahol C 1 egy kísérletileg meghatározott állandó, míg a szögletes zárójel a komponens mozgófázisbeli moláris koncentrációját jelöli. Effektív iontöltés elve A megközelítés alapján minden töltéssel rendelkező versengő anion, a töltésük arányában, együttesen felelős a mintaion elúciójáért. A versengő ion töltése (y) az eluens effektív töltésével egyezik (y eff ) meg, ami az eluensionok töltésének móltörtekkel súlyozott összege. Így karbonátra az (1.31) egyenlet a következőképpen módosul: logk A = C 1 +C 2 log 1 y eff x y eff logc tot, (1.33) ahol C 1 és C 2 kísérletileg meghatározandó együtthatók, c tot az eluens összkoncentrációja, az effektív töltést eff alsó index jelöli. Az y eff a következők szerint számítható a sav K A1 és K A2 disszociációs állandóinak ismeretében: y eff = α 1 + 2α 2, (1.34) [ ] [ HCO α 1 = 3 K A1 H + ] = c tot [H + ] 2, (1.35) + K A1 [H + ] + K A1 K [ ] A2 CO 2 α 2 = 3 K A1 K A2 = c tot [H + ] 2, (1.36) + K A1 [H + ] + K A1 K A2 ahol α 1 az egyszeresen, α 2 pedig a kétszeresen negatív töltésű forma móltörtje a mozgófázisban.

43 1.4. Anioncsere-kromatográfia 31 Fontos megjegyezni, hogy ez a modell nem veszi figyelembe a hidroxidionok hatását az elúcióra. Hoover modell Ez volt a legkorábban kidolgozott olyan modell, mely a lineáris oldószer erősségi modellnél komplexebb összefüggést adott [62]. A következőkben ismertetésre kerülő modellek mindegyike a Hoover modellből lett levezetve. A modell abban hasonlít a lineáris oldószer erősségi modell átalakításával nyert effektív iontöltés elvéhez, hogy minden iontípus befolyását figyelembe veszi a mintaion retenciójára, azonban abban tér el attól, hogy minden eluens ionnak eltérő, kísérletileg meghatározott szelektivitási tényezője lehet. A modell karbonát eluens használata esetén a következő, egymástól független ioncsere egyensúlyokkal számol: y R HCO 3 + A y K A/HCO3 GGGGGGB FGGGGGG R y A + y HCO 3 (1.37) R HCO 3 + OH K OH/HCO3 GGGGGGB FGGGGGG R y OH + HCO 3 (1.38) K CO3 2R HCO 3 + CO 2 /HCO 3 GGGGGGB 3 FGGGGGG R 2 CO 3 + 2HCO 3 (1.39) Az elválasztás során lejátszódó további egyensúlyok, mint pl. a a mintaion és a hidroxidion ill. a mintaion és a karbonátion között lejátszódó ioncsere reakciók nem függetlenek a fentiektől, azok kombinációjával előállíthatók. Egy- és kétnegatív értékű anionok retenciójának számítása a Hoover modell alapján az alábbi összefüggésekkel történik: k 1 = V s V m K A/HCO 3 K CO3 /HCO 3 k 2 = V s V m K A/HCO 3 (K CO3 /HCO3 ) 2 [ HCO3 ] + KOH/HCO3 [ OH ] 4 [ CO 2 ] 3 ( [HCO ] [ 3 + KOH/HCO3 OH ]) 2 ( 1 + x 1 ), (1.40) 8 [ CO 2 ] 2 (1 + x x 3 ), (1.41) ahol x = [ ] 8Q K CO3 /HCO 3 CO 2 3 ( [HCO ] [ 3 + KOH/HCO3 OH ]) 2. (1.42) Ez a modell három szelektivitási állandót tartalmaz, amiket kísérleti adatbázis alapján kell

44 32 1. Irodalmi összefoglaló meghatározni, ezek a K A/HCO3, K CO3 /HCO 3 és a K OH/HCO3. A megoldás megkönnyítése érdekében a modell linearizálható a paraméterek meghatározásához. Fontos megjegyezni, hogy a modell a mozgófázis hidroxidionjainak hatását is figyelembe veszi. Kettős eluens modell Jenke és Pagenkopf dolgozták ki ezt a modellt, amely a Hoover modell módosítása, ben [63]. A modell alapfeltevése, hogy a hidroxidionok nem gyakorolnak hatást a mintaionok retenciójára, mivel egyrészt általában igen alacsony a mozgófázisbeli koncentrációjuk, másrészt a hidroxidion igen gyenge versengő ion az anionkromatográfiás rendszerekben. A modell a következő egyenletekkel adható meg: k A = V m K A/HCO3 [ H + ] x V s ( 4K CO3 /HCO 3 K a2 ) x 1 + 8Q K CO3 /HCO 3 K a2 (1 + K a2 [H + ] [ (1 α sav )c ] tot H + ) 2 1 x, (1.43) ahol [ H + ] 2 m α sav = K a1 K a2 + K a1 [H + ] m + [H + ] 2. (1.44) m Ez a modell a kísérletileg meghatározandó paraméterek számának háromról kettőre (K A/HCO3, K CO3 /HCO 3 ) csökkentésével leegyszerűsíti a Hoover modellt, de az állandók értéke továbbra is csak iteratív minimalizációval, numerikus módon adható meg. Kuwamoto modell 1989-ben Kuwamoto és munkatársai a szelektivitási tényezők eliminálásával, és elúciós rendszerállandók bevezetésével tovább egyszerűsítették a Hoover egyenletet [64]. A hidroxidionok hatását a minta elúciójára, csakúgy, mint a kettős eluens modell esetében, ők is elhanyagolták. A modell az alábbi egyenlettel adható meg: { [ 1 H + ] } = C 1 ( c tot Ka2 + [ H +]) ka +C 2 { x K } a2 K a2 + [ H +] k A 2. (1.45) Retenciós modellként való alkalmazásához az egyenletet k A 2 -re szükséges megoldani, így az következőképp alakul: k A = b 2 ± b 2 + 4a 1 c tot 2a x, (1.46)

45 1.4. Anioncsere-kromatográfia 33 ahol ( K a2 a = C 2 K a2 + [ H +] ( [ H + ] b = C 1 K a2 + [ H +] ), (1.47) ). (1.48) A két elúciós rendszerállandó C 1 és C 2 meghatározható matematikailag, mivel magas ph értékek mellett, ahol az elúciót főként az erősen töltött karbonát ionok okozzák, a hidrogén-karbonát hatása az elúcióra elhanyagolható, C 1 értéke nullának vehető, így C 2 meghatározása lehetővé válik. Ha értéke már ismert, a megoldás C 1 -re egyértelmű bármely eluenkoncentráció és ph esetén. A modell hátránya, hogy a retenciós állandók megoldása csak specifikus kísérletsorozat elvégzése után lehetséges, amelynél C 2 értékének meghatározásához alkalmas körülményeket kell biztosítani. Bővítet kettős eluens modell 1994-ben Jenke kiterjesztette modelljét eltérő ph-nál töltésüket megváltoztató mintaionokra, valamint kiegészítette egy 10 a (e)+b alakban felírható empirikus korrekciós tényezővel [65], így a modell a következő alakban adható meg: ( [ H + ] ) e k A = 10 [a (e)+b] 1 + 4K CO3 /HCO 3 K a2 8Q K CO3 /HCO 3 K a2 (1 + K a2 [H + ] [ c ] tot H + ) e 1, (1.49) ahol e = α 1 + 2α és [ K a1 H + ] α 1 = [ K a1 K a2 + K ] a1 H + + [ H +] 2 α 2 = (1.50) K a1 K a2 K a1 K a2 + K a1 [ H + ] + [ H +] 2, (1.51) ahol K a1 és K a2 a minta első és második savdisszociációs állandója. Ez a modell Jenke és Pagenkopf eredeti modelljéhez képest nagyobb mennyiségű ismeretet igényel a kromatográfiás rendszerről, mivel minden mintaion disszociációs állandójának ismeretére szükség van.

46 34 1. Irodalmi összefoglaló Többszörös eluens/minta modell A modellt Hajós és munkatársai publikálták 1995-ben [51]. Habár matematikailag a Hoover modellhez nagyon hasonló, mégis ez a legösszetettebb az ionkromatográfiás elméleti modellek közül, mivel nemcsak a mozgófázis, de a mintakomponens lehetséges protolízisét is figyelembe veszi a retenció számításánal. Háromszorosan protonált minta (H 3 A) esetén mind a minta protonálódásával, mind a különböző mértékben protonált mintaionok ioncsere egyensúlyával számol. A minta protonálódása az A 3 + H + K 1 GGGGGGB FGGGGGG HA 2 (1.52) HA 2 + H + K 2 GGGGGGB FGGGGGG H 2 A (1.53) H 2 A + H + K 3 GGGGGGB FGGGGGG H 3 A (1.54) ezek ioncsere reakciója pedig a 3R HCO 3 +A 3 K A/HCO3 GGGGGGB FGGGGGG R 3 A + 3HCO 3 (1.55) K HA/HCO3 2R HCO 3 + HA 2 FGGGGGG GGGGGGB R 2 HA + 2HCO 3 (1.56) K H2 R HCO 3 + H 2 A A/HCO 3 FGGGGGG GGGGGGB R H 2 A + HCO 3 (1.57) egyensúlyokkal írható fel. A fenti egyensúlyokat (1.38) és (1.39) egyensúlyok intereluens állandóival kombinálva a modell az alábbi formát ölti: k = V s V m ( z 3 Φ 0 K A/HCO3 + z 2 Φ 1 K HA/HCO3 + z Φ 2 K H2 A/HCO 3 ), (1.58) ahol p 2 + q p z = [ ], (1.59) 4K CO 2 3 /HCO CO p = [ HCO ] [ 3 + KOH /HCO 3 OH ], (1.60) [ ] q = 8Q K CO 2 3 /HCO CO (1.61)

47 1.4. Anioncsere-kromatográfia 35 és Φ 0, Φ 1, Φ 2 a minta különböző mértékben protonált alakjainak mólarányai, melyek az egyes protonálódási állandók és a mozgófázis ph-jának függvényében kiszámíthatók: Φ i = i [ K j H + ] j j =0 n k=0 j =0 (1.62) n K j [H + ] j A modellt sikeresen alkalmazták szervetlen halogenid- és oxoanionok [51], kelátkomplexek [66] illetve egy- és kétértékű szerves savak [67] retenciójának jóslására az anionkromatográfiában karbonát/hidrogénkarbonát eluensrendszer alkalmazása mellett, valamint alkáli-, alkáliföldfémek [68] és biogén alifás aminok [69] elúciójának előzetes becslésére hisztidin eluens alkalmazása esetében a kationkromatográfiában. Empirikus végpont modell Jól ismert tény, hogy latex-alapú anioncserélőt tartalmazó oszlopon, NaOH euens használata esetén az egyes ionok retenciós viselkedése eltér a Lineáris oldószer erősség elmélet alapján jósoltaktól [70]. Habár a lgk vs. lg[oh ] összefüggés szűk eluens koncentráció tartományokban lineáris, a görbék meredeksége nem egyezik meg a mintaion töltésével. Többek között ez vezetett az empirikus végpont model kidolgozásához. Ez a modell a lineáris oldószer erősségi modellből vezethető le, de módosították, hogy lehetővé tegye a lgk A vs. lg[e y ] görbe meredekségének empirikus úton való meghatározását ahelyett, hogy az elméleti értékre hagyatkozna. Az empirikus végpont modell a következő algoritmussal írható le: lgk A = ( f 1 + f 2 c tot ) + ( f3 + f 4 c tot ) lg [ CO 2 3 ] (1.63) A négy kromatográfiás rendszerállandó (f 1 4 ) értéke ismert összetételű eluens tartományban felvett kísérleti adatbázis alapján számítható. Ezt a modellt alkalmazzák az ionkromatográfiás elválasztások optimalizálására készített Virtual Column szoftverben is [57]. Habár az Empirikus végpont modell lehetőséget nyújt szerves és szervetlen anionok retenciójának meglehetősen pontos becslésére latex agglomerált állófázisok esetén is, nem szolgál magyarázattal az anionok ilyen típusú állófázison történő rendellenes viselkedésének okaira. Ráadásul az előzőekben felsorolt elméleti és empirikus modellek egyike sem képes a mintaionok csúcsalakjának becslésére, ami elengedhetetlen az elválasztás optimális körülményeinek előzetes meghatározására.

48

49 2. Kísérleti rész 2.1. Felhasznált eszközök, anyagok Alifás karbonsavak és szervetlen anionok retenciós tulajdonságainak vizsgálata latex alapú anioncserélőn A vizsgálatok során Dionex 2010i (Dionex Co. Sunnyvale, USA) típusú ionkromatográfiás rendszert alkalmaztunk, mely szupresszált vezetőképességi detektorral volt felszerelve. Az elválasztások során használt Dionex IonPac AS4A-SC típusú kromatográfiás oszlop (250 4 mm) latex agglomerált pellikuláris anioncserélő állófázist tartalmazott, melynek ioncsere-kapacitása 20 µequiv./kolonna volt. Az állófázis szemcséinek átmérője 13µm, az anioncserélő réteg vastagsága 160nm volt. A Dionex AMMS-1 típusú mikromembrán-szupresszor regenerálására 0,025 N H 2 SO 4 -et használtunk. Az oldatokhoz (eluens, regenerálószer, minták) szükséges ultratisztaságú vizet (vezetőképessége 18,2 M cm) Millipore típusú víztisztító rendszerrel állítottuk elő. A felhasznált szerves savak nátrium sói (formiát, acetát, propionát, piruvát, laktát, malonát, szukcinát, maleinát, fumarát, tartarát) analitikai tisztaságúak és a SIGMA Chemical Co.-tól (St. Louis, MO 63178, USA) származtak, a szervetlen anyagok (NaNO 3, NaCl, Na 2 SO 4, NaOH) pedig a REANAL Budapest termékei voltak. A mintaoldatok ng mennyiségben tartalmaztak karbonsav anionokat, az injektált minta 50 µl térfogatú, az eluens áramlási sebessége 1,7 ml/min volt. A NaOH eluens koncentrációját 1 50 mm koncentráció tartományban változtattuk Szervetlen anionok retenciós viselkedésének tanulmányozása makrociklikus állófázison 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 NO 2, 10 mg/l NO 3, 5 mg/l Br, 3 mg/l BrO 3 ) 1000 mg/l koncentrációjú törzsoldatokból készítettük. A mozgófázis és a mintaolda- 37

50 38 2. Kísérleti rész tok elkészítéséhez használt vegyszerek analitikai tisztaságúak voltak. A nagytisztaságú vizet (18.2 MΩ/cm fajlagos elleneállás) Milli-Q (Millipore, Bedford, MA, USA) víztiszító rendszeren, ioncserélt víz felhasználásával állítottuk elő. Az eluens oldatokat, melyekből minden nap újat készítettünk, a mérések során He atmoszféra alatt tároltuk. A vizsgálatok Dionex DX 500 típusú (Dionex, Sunnyvale, CA, USA) mikrofuratú ionkromatográfiás készüléken történtek, mely GP40 kvaterner gradiens szivattyút, 25 µl térfogatú mintabeviteli hurkot, a mozgófázis karbonáttartalmának eltávolítása érdekében Ion-Pac ATC 2 mm típusú ioncsapda oszlopot, önregeneráló szupresszort (Dionex ASRS-Ultra, 2 mm) és vezetőképességi detektort (Dionex ED50) tartalmazott. A mozgófázis szupresszálás utáni háttérvezetése 1,2 µs 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 anioncserélő oszlopot használtunk, melynek maximális ioncsere-kapacitása 73 µeq volt. A mozgófázis térfogatárama 0,5 ml/min volt. A kromatográfiás rendszer irányításához, a mérési adatok rögzítéséhez Dionex PeakNet 5.1 szoftvert használtunk 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 vezetőképességi 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, 9,0 µm szemcseátmérőjű, makropólusos alkil/alkanol kvaterner ammónium funkciós csoportokkal ellátott tölteteket tartalmazó anioncserélő oszlopot alkalmaztunk. Az oldatokhoz (eluens, regenerálószer, minták) szükséges ultratisztaságú vizet (vezetőképessége 18,2 MΩ/cm) MilliPak µm pórusátmérőjű szűrővel ellátott Milli-Q Plus (Millipore) típusú készüléken állítottuk elő. Az eluens oldatok levegőmentesítését Bandelin Sonorex RK 52 típusú ultrahangos fürdővel végeztük. A felhasznált analitikai tisztaságú vegyszerek, Na 2 CO 3, NaHCO 3 az eluens oldatokhoz, NaF, NaCl, NaBr, NaNO 3, Na 2 SO 4, HCOONa, KH 2 PO 4 és Na 2 (COO) 2 a mintaoldatokhoz és cc. (96 m/m%) H 2 SO 4 a 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

51 2.2. Ioncsere-kapacitás meghatározása 39 MS Office XP Professional Edition (Microsoft Corp.) szoftvereket használtuk Ioncsere-kapacitás meghatározása Az ioncserélő állófázisok egyik legfontosabb, a retenciót jelentős mértékben meghatározó tulajdonsága az ioncsere-kapacitás (Q). Az ionkromatográfiás gyakorlatban többféle kapacitásadat használatos. Bizonyos kapacitásadatok a meghatározás körülményeitől függetlenek, ezek az ioncserélő anyagot jellemzik, más adatok tükrözik a felhasználás körülményeit. Az előbbi csoportba tartozik az oszlopban található állófázis összes ioncserélő kapacitása (Q tot ), mely gyakorlatilag az állófázison található funkciós csoportok számát jelöli. Értékét mequiv vagy µequiv értékben szokás megadni anioncserélők esetén Cl, kationcserélők esetén H + ion formára vonatkozóan. Az ioncserélő anyagok jellemzésére leggyakrabban a száraz gyanta tömegegységére vonatkozó kapacitást (Q s, mequiv/g) szokás megadni. Retenciós számításaink során az előzőekben említett kapacitások helyett a gyanta térfogategységére vonatkoztatott ioncsere-kapacitást (Q)használtuk, melynek értéke a korábbi időkben jelentősen függhetett a meghatározás körülményeitől, az alkalmazott mozgófázis minőségétől, koncentrációjától, ph-jától stb., manapság azonban a duzzadásra kevésbé hajlamos, nagy térhálósságú, pellikuláris ioncserélők elterjedésének köszönhetően csak igen kis mértékben változik Q 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 anioncserélő oszlop méretei jól ismertek (általában 4 mm belső átmérő, 250 mm hossz, azaz 3,14cm 3 ), az állófázis térfogata (V S ) az oszlop teljes térfogatának (V col ) és holttérfogatának (V 0 ) különbségeként számítható. V S = V col V 0 (2.2) Az ionkromatográfiás oszlop holttérfogata könnyen meghatározható a rendszer oszloppal és oszlop nélkül mért holttérfogatainak különbségéből, melyek a holtidők (t 0 ) és az eluens térfogatáramának ( V ml/min) ismeretében könnyen kiszámíthatók. V 0 = V 0 1 V 0 2 = (t 0 t 0 ) V (2.3)

52 40 2. Kísérleti rész 2.3. Retenciós modell egyensúlyi paramétereinek meghatározása iterációs úton Számos módszer áll rendelkezésre a kromatográfiában mintakomponensek egyensúlyi állandójának meghatározására [6]. Ezek közül legfontosabb a frontális analízis, a frontális analízis karakterisztikus ponton, a karakterisztikus ponton történő elúció, az impulzus módszer, az inverz módszer, a nemlineáris frekvencia válasz és a statikus módszer [6]. Azonban, ha rendelkezésre áll egy, a mintakomponensek retenciós viselkedésének leírására alkalmas kromatográfiás modell és egy megfelelően széles eluenskoncentráció-tartományon felvett kísérleti adatbázis, a mintakomponensek egyensúlyi állandói könnyen meghatározhatók sokváltozós nemlineáris regressziós analízis segítségével, iterációs úton. Az egyensúlyi állandók iterációs úton történő meghatározásának feltétele, hogy a retenciós adatbázisban található mért értékek és a keresett egyensúlyi állandók között matematikailag megfogalmazható függvénykapcsolat legyen. Előbbieket ξ 1, ξ 2,..., ξ n -nel, utóbbi paramétereket pedig pedig a 1, a 2,..., a m -mel jelölve a függvényszerű kapcsolat a következő alakban irható fel: ξ i = f (c i, a 1, a 2,..., a m ) + δ i (2.4) ahol c i a független változó, mely munkánk során az eluenskoncentráció volt, és δ i az ún. hibatag, mely azért lép fel, mert a mért mennyiségek értéke bizonyos mértékig a véletlentől függ, tehát az elméletileg levezetett összefüggés sohasem teljesül pontosan. Az iteráció során meghatározott paraméterek értéke olyannak adódik, hogy a regresszió jósági foka, χ 2, minimális legyen. Az iteráció jósági foka az egyes hibatagok négyzetösszege: χ 2 = n δ 2 i (2.5) 1 Mivel az egyensúlyi állandók iterációs úton történő meghatározása során, helytelenül megválasztott kezdeti paraméter értékek esetén gyakran előfordulhat ún. álkonvergencia, ezért különösen fontos a kezdeti paraméterek gondos megválasztása. Munkánk során az egyensúlyi állandók sokváltozós nemlineáris regressziós analízis útján történő meghatározására Mathematica 5.1 (WolframResearch Inc.) szoftvert használtunk. A számítások során a Levenberg-Marquardt algoritmust alkalmaztuk, mely az iterációk kezdetén gradiens módszerként működik, majd a Gauss-Newton módszerbe fordul az optimális megoldás megtalálásához. Annak ellenére, hogy a Levenberg-Marquardt algoritmus nagy stabilitást biztosít, a hatékonyága ennek a módszernek is erősen függ a paraméterek kezdeti értékétől.

53 2.4. Kromatográfiás csúcsok momentumainak meghatározása görbeillesztéssel Kromatográfiás csúcsok momentumainak meghatározása görbeillesztéssel Egy valószínűségi változó momentumai több, a változó eloszlását jellemző számértéket is takarnak. Általánosan a ξ valószínűségi változó k-adik momentuma bármely k pozitív egész szám esetén az M(ξ k ) által felvett értékként határozható meg (feltéve, hogy ez az érték létezik), ahol M(ξ) a ξ várható értékét jelöli. A ξ valószínűségi változó k-adik momentumának jelölését tekintve a szakirodalom nem egységes. Sok esetben - a várható értéktől (m), szórástól (σ), ferdeségtől (S), vagy lapultságtól (E) eltérően - nem szoktak külön jelölést bevezetni, hanem kiírják az M ( ξ k) -t. Találkozhatunk helyenként a µ k = M ( ξ k) jelöléssel, más könyvekben viszont a µ k a centrális momentumot jelöli. A valószínűségszámításban és a matematikai statisztikában más momentumok is előfordulnak, ezek közül a legfontosabbak: k-adik momentum, M ( ξ k) k-adik abszolút momentum, M ( ξ k ) k-adik centrális momentum, M ([ξ M(ξ)] k) ( k-adik abszolút centrális momentum, M ξ M(ξ) k). A momentumok fenti definíciójából következően egy t 1 -től t 2 -ig terjedő időintervallumban található kromatográfiás csúcs k-adik momentuma az alábbi összefüggéssel számítható: M k = t 2 t 1 C (t) t k, (2.6) ahol C (t) a vizsgált komponens koncentrációprofilja az oszlop végén, azaz a kromatográfiás csúcs alakját leíró koncentráció adatsor. Mivel, a valószínűségi eloszlásokkal ellentétben, a kromatográfiás csúcsok területe a legritkább kivételektől eltekintve nem 1 a momentumokat normalizálni kell, azaz el kell osztani a kromatográfiás csúcs területével, a 0-dik momentum értékével. µ k = M k M 0 = t 2 t 1 C (t) t k t 2 t 1 C (t). (2.7) A (2.7) összefüggéshez hasonlóan a kromatográfiás csúcs alakját jellemző normalizált-

54 42 2. Kísérleti rész centralizált momentum az alábbiak szerint adható meg: µ k = t 2 t 1 C (t) ( t µ 1 ) k t 2 t 1 C (t). (2.8) 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, azaz t 1 és t 2 értékét milyennek választjuk meg. A hiba különösen nagyobb fokú momentumok számítása esetén jelentős. A kromatográfiás csúcsok momentumainak a fentiekben vázoltaknál pontosabb meghatározása a digitális adatsorként regisztrált kromatogram csúcsaira illesztett matematikai függvényekkel leírható görbék segítségével a legegyszerűbb. Ebben az esetben a kromatográfiás csúcs normalizált és centralizált-normalizált momentumait a csúcsalakra illesztett függvény, C (t) ismeretében az alábbiak szerint számítjuk: µ k = M k M 0 = µ k = C (t) t k dt 0 C (t)dt 0 C (t) ( ) k t µ 1 dt 0 C (t)dt 0. (2.9). (2.10) A kromatográfiás gyakorlatban csúcsok alakjának leírására elterjedten használják az ún. exponenciálisan módosított Gauss függvényt (továbbiakban EMG görbe), ami egy csökkenő exponenciális és egy normál eloszlású Gauss sűrűségfüggvény konvolúciójával adható meg. Használata azért praktikus, mert nem csak nagy pontossággal illeszthető a folyadékkromatográfiás csúcsokra (eltekintve néhány kis retenciós idejű, nagy aszimmetriájú csúcstól), de talán az egyetlen, mely könnyen belátható fizikai tartalommal is bír [7]. Alkalmazása abból a tényből ered, hogy az ideális Gauss görbét első rendű késleltető hatások kísérik, például a mintabeviteli egység holttereiben vagy a detektorban történő 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)

55 2.4. Kromatográfiás csúcsok momentumainak meghatározása görbeillesztéssel 43 ahol a operátor a konvolúciós műveletet jelöli, g (t) a Gauss-függvény, g (t) = 1 e 1 ( t m ) 2, 2 σ (2.12) 2π σ és e (t) az exponenciális eloszás sűrűségfüggvénye, t < 0, 0 e (t) = t 0, 1 τ e t τ (2.13) továbbá m a Gauss eloszlás várható értéke, σ a szórása, τ pedig az exponenciális függvény időállandója. A (2.12) és (2.13) egyenletek konvolúciója az alábbi kifejezést eredményezi: y(t) = A ( σ 2τ erfc 2τ t m ) e σ2 2τ 2 t m τ, (2.14) 2σ ahol erfc(x) = 2 e t 2 dt (2.15) π x az ún. komplementer hibaeloszlás.

56

57 3. Eredmények 3.1. Anionok elválasztásának mechanizmusa latex-alapú állófázisokon Ahogy az alszakaszban láthattuk, az egyik legnagyobb áttörés az ionkromatográfiában a latex-alapú állófázisok kifejlesztése volt. Mivel ezeknél az állófázisoknál a funkciós csoportok és a hordozó elkülönülnek, ráadásul a pozitív töltésű kationcserélő latex réteg mögött egy negatív töltésű felület található, indokolt lehet a latex-alapú anioncserélők esetében részletesen vizsgálni azokat a paramétereket, melyek befolyásolhatját az egyes anionok retenciós profilját és szelektivitását [14]. Jól ismert tény, hogy latex-alapú anioncserélőt tartalmazó oszlopon az egyes ionok retenciós viselkedése eltér a jelenlegi ionkromatográfiás elméletek alapján jósoltaktól [57, 70]. Ez vezetett többek között az empirikus végpont modell (ld 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 folyamatok matematikai leírása során az ioncserefolyamatok ún. sztöchiometriai megközelítését alkalmaztuk. Ennek alapján feltételeztük, hogy az állófázison található pozitív töltésű funkcionális csoportok az ellenionokkal ionpárt alkotnak, s emellett az ionpár-képződés és az ioncsere folyamatok szötchiometriai reakciók, melyeknek sztöchiometriáját a folyamatokban résztvevő specieszek töltése szabja meg Alifás karbonsavak és szervetlen anionok retenciós viselkedése latex-alapú állófázisokon A klasszikus anioncsere kromatográfia gyakran használt elválasztási technika hidrofil tulajdonságú karbonsavak meghatározására. Szerves és szervetlen, egy és kétértékű anionok (laktát, piruvát, formiát, acetát, propionát, klorid, nitrát, oxalát, malonát, szukcinát, tartarát, fumarát, maleát, szulfát) retenciós tulajdonságait vizsgáltuk latex-alapú állófázist 45

58 46 3. Eredmények tartalmazó AS4A-SC oszlopon nátrium-hidroxid eluens alkalmazása esetén. Az elválasztáshoz felhasznált eluens koncentrációját meglehetősen 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 tulajdonságú alifás karbonsavak első protonálódási állandójának logaritmusa (lgk 1 ) 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. Mindezek mellett mivel az eluens ph-ja a szupresszió után 7-8 közötti értékre áll be, a szupresszált vezetőképességi detektálás a vizsgált karbonsavak esetén is előnyösnek és célszerűnek bizonyult. Egy, az elválasztások során nyert, mind szerves, mind szervetlen anionokat tartalmazó tipikus kromatogram a 3.1. ábrán látható. Megfigyelhető, hogy a szerves és szervetlen anionok egymástól elválaszthatók, a felbontások (R S, alszakasz, 9. oldal ) kielégítőek ábra: Szerves és szervetlen anionok elválasztása (c NaOH = 25 mm; mintaionok koncentrációja: 0,05 0,1 mm) Az elválasztás során, a retenciós térfogatokból kapott retenciós tényezőket (k, alszakasz, 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 tényezők láthatók az eluens koncentráció függvényében. Az ábrákon mind az abszcissza, mind az ordináta logaritmikus léptékben van ábrázolva. A táblázatok és ábrák vizsgálata alapján a következő megállapításokat tehetjük a mintaionok retenciós viselkedésével kapcsolatban: (1) Az eluens koncentráció változása jelentős hatást gyakorol a mintaionok retenciós visel-

59 3.1. Anionok elválasztásának mechanizmusa latex-alapú állófázisokon Retenciós tényező 0,1 1 formiát acetát propionát piruvát laktát klorid nitrát 1 2,5 5 7, Eluens koncentráció [mm] 3.2. ábra: Az eluens koncentráció hatása egyszeres negatív töltésű anionok retenciójára 100 Retenciós tényező 10 1 oxalát malonát szukcinát tartarát fumarát maleinát szulfát Eluens koncentráció [mm] 3.3. ábra: Az eluens koncentráció hatása kétszeres negatív töltésű anionok retenciójára

60 48 3. Eredmények 3.1. táblázat: Egyszeresen negatív töltésű anionok k értékei Eluens koncentráció (mm) 1 2,5 5 7, 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, táblázat: Kétszeresen negatív töltésű anionok k értékei Eluens koncentráció (mm) 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. Növekvő eluens koncentráció csökkenő retencióhoz vezet. (2) A szerves és szervetlen anionok retenciós tényezője eltérő, egymástól elválaszthatók. (3) A monokarbonsavak a dikarbonsavak előtt 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 helyzetétől. Geometriai izomerek elválaszthatók (pl.: maleinsav és fumársav). (6) A retenció nagyobb, ha π-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 lineáris oldószer erősségi modell által jósoltaktól. Mindkét ábrán szaggatott vonal jelzi a retenciós profilok lefutását a linerási oldószer erősségi modell alapján számolva. Jól látszik, hogy a mért retenciós profilok jelentősen eltérnek a számítottól. Egyértékű ionok esetében nagy eluens koncentráció esetén nem, míg kétértékű ionok esetében már ott is jelentős az elté-

61 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 közelíthető egy-egy egyenessel, ami megmagyarázhatja az empirikus végpont modell erős predikciós képességét. Az elméleti és a mért retenciós profilok közti eltérés valószínűsíthetően 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 szerkezetéből fakadnak Eluens- és mintaionok kémiai egyensúlyai latex-alapú állófázisokon Az alszakaszban (22. o.) a latex-alapú állófázisok ismertetése során láthattuk, hogy ezen típusú anioncserélők két külön részből állnak: (1) egy mechanikailag stabil, inert, felületileg szulfonált hordozóból, és (2) ezen a felületen elektrosztatikusan megkötött latex rétegből, ahogy az a 3.4. ábrán is látható. Mivel a pozitív töltésű kvaterner ammónium funkciós csoportokat tartalmazó latex réteg mögött egy negatív töltésű szulfon réteg található, az anioncserélő funkciós csoportok egy része szabad pozitív töltésként is jelen lehet az állófázison, anélkül, hogy sérülne az elektroneutralitás. Feltételezésünk szerint, ezeken a funkciós csoportokon az anionok megkötődése Langmuir-típusú egyensúlyokkal írható le, azaz a funkciós csoport és a minta- ill. eluens ion közötti ionpár-képződéssel és ezek disszociálódásával ((3.1), (3.2) egyenlet), illetve az így kialakult ionpárok anionjának ioncserés lecserélődésével ((3.3) egyenlet). Az állófázis fennmaradt részén, azaz azon a hányadon, amely nincs töltésegyensúlyban a szulfon réteggel, kizárólag ioncsere egyensúllyal számolhatunk ((3.7) egyenlet). K OH P + + OH FGGGGGG GGGGGGB POH (3.1) K A x P + +A FGGGGGG GGGGGGB P x A (3.2) x POH +A K x A/OH FGGGGGG GGGGGGB P x A + x OH (3.3) ahol P + a szulfonréteggel töltésegyensúlyban levő anioncserélő funkciós csoportokat jelöli. Mindegyik egyensúly jellemezhető egy-egy egyensúlyi állandóval: K OH = ( OH ) P [ OH ] (P + ) (3.4)

62 Eredmények Szulfonált felület Sz ol-d en oz tir ivinilb zol hord ó OH K OH K A OH OH K A OH A OH OH OH OH OH A R + R + R + OH R + R + R + OH R + A OH R + OH OH OH R + A OH OH OH OH A A OH OH OH A OH OH R + OH R + OH A R R + R + R + R A + R + R + OH OH OH R + OH OH OH OH OH R + A OH A R + A A OH R + R + R + R + R R A + R + R OH OH OH OH R + OH R + R + A R + OH OH R + R + R + R + R + R + R + OH Porózus anioncserélő latex réteg OH OH OH A OH OH OH OH OH OH OH A OH OH OH A OH Minta anion Eluens anion R + Töltésegyensúlyban nem levő funkciós csoport R + Töltésegyensúlyban levő funkciós csoport Ion pár képződés/ioncsere A Vándorlás 3.4. ábra: Az eluens koncentráció hatása kétszeres negatív töltésű anionok retenciójára

63 3.1. Anionok elválasztásának mechanizmusa latex-alapú állófázisokon 51 K A = (Ax ) P [A x ](P + ) x (3.5) K A/OH = (Ax ) 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 ( alszakasz, 29. o.) a mintaion és az eluension ionpárképződési állandójának mintaion töltésével képzett hatványának hányadosa. Azokon a funkciós csoportokon, melyek már nincsenek töltésegyensúlyban a szulfonréteggel csak ioncsere folyamatok zajlanak le az elektroneutralitás megőrzése miatt. x R OH +A K x A/OH FGGGGGG GGGGGGB R x A+ x OH (3.7) ahol R + olyan ioncserélő funkciós csoportot jelöl, mely nem áll a szulfonréteggel töltésegyensúlyban. K A/OH szelektivitási állandó, mely megegyezik a (3.3) ioncsere folyamat egyensúlyi állandójával, a következő módon definiálható: K A/OH = (Ax ) 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 jellemző szelektivitási állandónak nem pusztán egy matematikailag helyes felírása, hanem valószínűsíthetően a valós, az ioncsere folyamán egymást követő lépésekben lejátszódó folyamatok helyes értelmezése is egyben Elválasztó oszlop ioncsere-kapacitása A latex-alapú ioncserélő állófázist tartalmazó kromatográfiás oszlopok teljes ioncsere-kapacitása (Q tot, meq/ml) tehát a töltésegyensúlyban levő és nem levő funkciós csoportok összegéből adódik. Definiálható egy ún. w súlytényező, mely a két különböző állapotban levő 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 súlytényező a latex réteg és a mögötte található szulfon réteg töltéssűrűségétől függ, így különböző típusú ioncserélők esetén értéke más és más lehet. Q tot = Q P + Q R = w Q tot + (1 w) Q tot. (3.9)

64 52 3. Eredmények A töltésegyensúlyban lévő kapacitáson (Q P ) az ioncsere ((3.3) egyenlet) mellett ionpár képződéssel és ezek disszociálódásával ((3.1), (3.2) egyenlet) is számolni kell. Utóbbi folyamat miatt az állófázison nem csak minta és eluens anion, de szabad, pozitív töltésű funkciós csoport is található. Emiatt Q P az alábbi módon adható meg: Q P = ( P +) + ( OH ) P + x ( A x ) P. (3.10) Az állófázis töltésegyensúlyban nem lévő hányadán (Q R ), az elektroneutralitás megőrzése 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 tehát Q P és Q R között nem a szelektivitásukban rejlik, hanem abban, hogy míg az előző tartalmaz szabad funkciós csoportokat, addig az utóbbi, az elektroneutralitás megőrzése 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) egyenletből, azaz Q P = ( P +) + ( OH ) P (3.12) és Q R = ( OH ) R (3.13) alakban írható fel. Q P a (3.4) és (3.6) egyensúlyi állandó felhasználásával, míg Q R a (3.8) szelektivitási állandó segítségével az alábbi módon számítható: (A x ) Q P = x P [ K A [A x + K OH OH ] x (A x ) P ] P K A [A x ] P (3.14) [ Q R = K OH OH ] x (A x ) R K A [A x ] R (3.15)

65 3.1. Anionok elválasztásának mechanizmusa latex-alapú állófázisokon Mintaionok retenciós tényezője A mintaionok megoszlási hányadosa, az (1.12) egyenlet ( alszakasz, 8. oldal) értelmében azok álló és mozgófázisbeli koncentrációjának hányadosával egyenlő, mely latex-alapú állófázisokon, a fentiek figyelembevételével az alábbiak szerint definiálható: D A = (Ax ) 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 oldalán szerepel a mintaionok álló- és mozgófázisbeli koncentrációjának hányadosa, melyekre átrendezve az egyenleteket D A,P és D A,R számítására alkalmas összefüggésekhez juthatunk. ( ) Q x ( ) P D A,P = K A [ 1 + K OH OH ] w Q x tot = K A [ 1 + K OH OH ] (3.17) ( ) Q x ( ) R (1 x D A,R = K A [ K OH OH ] w)qtot = K A [ K OH OH ] (3.18) A retenciós modell mintaionok megoszlási hányadosát leíró végső alakja tehát a következőképpen írható fel: [( ) w Q x tot D A = K A [ 1 + K OH OH ] + ( ) (1 w) x ] Qtot [ K OH OH ], (3.19) ahol a kapcsos zárójelen belüli első tag a mintaionok retencióját írja le töltésegyensúlyban levő, míg a második tag a töltésegyensúlyban nem levő funkciós csoportokon. Mivel a megoszlási hányadosnál a retenciós tényező (k, alszakasz) sokkal inkább használatos mintaionok retenciójának jellemzésére és az (1.14) egyenlet (8. oldal) kapcsolatot teremt D A és k A között a (3.19) összefüggés az alábbi módon írható át anionok retenciós tényezőjének számítására: [( ) V S w Q x tot k A = K A [ V K OH OH ] + ( ) (1 w) x ] Qtot [ K OH OH ]. (3.20) Eluens és mintaionok egyensúlyi állandójának meghatározása A levezetett retenciós modell, (3.20) egyenlet, tartalmaz néhány ismeretlen egyensúlyi és nem egyensúlyi tagot. A (3.20) retenciós modell nem egyensúlyi paramétereit, azaz az oszlop

66 54 3. Eredmények holt- és gyantatérfogatát (V 0, V S ) ill. ioncsere-kapacitását (Q tot ) a 2.2. szakaszban (39. o.) ismertetett módon határoztuk meg. Mindezek alapján a kromatográfiás oszlop jellemzői a következőknek adódtak: V 0 = 1,22ml, V S = 1,92ml, Q tot = 10,42µeq/ml állófázis. Az egyensúlyi állandók mérésére meglehetősen sok módszer áll rendelkezésre a kromatográfiában. Ezek közül legfontosabb a frontális analízis, a frontális analízis karakterisztikus ponton, a karakterisztikus ponton történő elúció, az impulzus módszer, az inverz módszer, a nemlineáris frekvencia válasz és a statikus módszer [6]. Mindazonáltal egy megfelelő retenciós modell birtokában, széles eluens koncentráció tartományban felvett retenciós adatbázis alapján is lehetőség van az egyensúlyi állandók, jelen esetben az ionpár-képződésiés a szelektivitási állandók (K A,K OH,K A/OH ) ill. a w súlytényező meghatározására iterációs módszerrel. A 2.3. szakaszban (40. o.) bővebben ismertetett módszer szerint a 14 mono- és divalens anionra összesen 42 paramétert határoztunk meg nagyszámú, 98 mérési pont alapján. Mivel az eluension ionpár képződési állandója csak az eluens fajtájától és a funkciós csoportok típusától, míg a w súlytényező csak az állófázis kialakításától függ, különböző mintakomponensek esetén meghatározott K OH és w paraméterek értékei nem különbözhetnek egymástól jelentősen. Az iteráció során utóbbi két paraméter átlaga és relatív szórása K OH = 131,5 ± 2,02%-nek és w = 1,01 ± 1,38%-nak adódott. A relatív szórások kis értékéből jól látszik, hogy mind K OH, mind w független a minta ion fajtájától, értékük minden anion esetében, univerzálisan K OH = 131,5-nek és, a súlytényező definíciójából következően (0 w 1), w = 1,00-nak adódik. Ezen értékeket és az előzőekben meghatározott oszlop jellemzőket (Q tot, V S, V 0 ) a (3.20) összefüggésbe behelyettesítve a retenciós modell az alábbi formára egyszerűsödik: k A = K A 1,92ml 1,22 ml ( 10, ) x meq/ml ,5 [ OH ] (3.21) A w súlytényező 1,00-nak adódott értéke azt jelenti, hogy a latex rétegben található összes funkciós csoport töltésegyensúlyban van a mögötte található szulfon réteggel, azaz a szulfon csoportok száma nagyobb vagy egyenlő, mint a kvaterner funkciós csoportok száma. A retenciós mechanizmust tehát Langmuir-típusú egyensúlyok, a funkciós csoport és az eluens ill. mintaion közötti ionpár képződés és disszociálódás, valamint a kialakult ionpárok anionjának ioncseréje szabják meg. Ennek következtésben a (3.21) egyenletből eltűnt a (3.20) összefüggés második tagja, ami a pusztán ioncserés megkötődést írta le. A mintaionok ionpár képződési állandói (3.21) egyenlet segítségével, az előzőleg felvett retenciós adatbázis alapján újra iterálhatók. Az ionpár képződési állandók, és az ezekből számított szelektivitási tényezők ismételt iteráció útján meghatározott értékei a 3.3. táblá-

67 3.1. Anionok elválasztásának mechanizmusa latex-alapú állófázisokon 55 zatban láthatók táblázat: A minaionok és a hidroxid ion iterációval meghatározott ionpár képződési állandói (K A, K OH ) és a w súlytényező, ill. az ezek alapján számított szelektivitási állandók (K A/OH ) átlag ±S D átlag ±S D mintaion K A K A/OH mintaion K A 10 5 K A/OH laktát 58,3 ± 1,0 0,44 ± 0,01 malonát 4,87 ± 0,11 28,18 ± 0,62 propionát 61,9 ± 1,2 0,47 ± 0,01 maleát 4,89 ± 0,05 28,29 ± 0,31 acetát 63,1 ± 1,3 0,48 ± 0,01 szukcinát 4,96 ± 0,05 28,67 ± 0,31 formiát 81,3 ± 1,8 0,62 ± 0,01 szulfát 5,02 ± 0,09 29,05 ± 0,55 piruvát 100,3 ± 1,6 0,76 ± 0,01 tartarát 5,99 ± 0,19 34,67 ± 1,11 klorid 198,0 ± 3,1 1,51 ± 0,02 oxalát 6,32 ± 0,05 36,53 ± 0,28 nitrát 663,1 ± 9,9 5,04 ± 0,07 fumarát 11,45 ± 0,05 66,21 ± 0,31 hidroxid 131,5 ± 2,7 w 1,01 ± 0,014 ahol K A/OH = K A /(K OH ) x A 3.3. táblázat adataiból jól látszik, hogy az egyes ionok ionpár képződési állandójának, és az ebből levezetett szelektivitási tényezőjének értéke, ahogy az várható, a vizsgált anionok retenciós sorrendjét követi, azaz a nagyobb ionpár képződési állandóval rendelkező anionnak nagyobb a retenciója minden esetben. Fontos megjegyezni, hogy az ionpár képződési állandók, értéküket tekintve, jelentősen különböznek egy- és kétértékű anionok esetében. Míg az egyszeresen negatív töltésű mintaionok K A -ja M 1, addig a kétszeresen negatív töltésű anionok ionpár képződési állandója 10 5 M 2 tartományban változnak. Karger és mtsai hasonló képződési állandókat mértek kvaterner-ammónium kation - hidrofil anion ionpárok képződésére nem kromatográfiás rendszerekben [71] A w súlytényező hatása anionok retenciós profiljára A w súlytényező, retenciós adatbázis alapján, iterációval meghatározott értéke rámutatott, hogy az elválasztások során használt AS4A-SC típusú anioncserélő oszlop állófázisán a kvaterner funkciós csoportok teljes hányada töltésegyensúlyban van a latex réteg mögött található szulfoncsoportokkal, azaz a reteniós mechanizmust Langmuir-típusú egyensúlyok szabályozzák. A levezetett retenciós modell, (3.20), lehetőséget biztosít a w súlytényező hatásának vizsgálatára anionok retenciós profiljára. A 3.5 ábrán különböző súlytényező értékek esetén számított retenciós profilok láthatók klorid és oxalát ion esetében. Az ábrán szürke tartomány jelzi a gyakorlatban alkalmazható eluens koncentráció tartományt (c = mm). A súlytényező maximális értéke esetén (w = 1), mely jelen vizsgálat körülményei közt fennállt, a

68 56 3. Eredmények mintaionok retenciós profilja egy platóval kezdődik, mely a Langmuir-típusú adszorpciós mechanizmus esetén a retenciós tényezők (k) maximumát mutatja. w = 0 esetén, (3.20) bal oldali tagja nullával egyenlő, a retenciós mechanizmust kizáróag az ioncsere határozza meg, azaz a modell ekkor gyakorlatilag megfelel a lineáris oldószererősségi modellnek ( alszakasz, 29. o.). Ennek köszönhetően a retenciós tényezők logaritmusa és az eluens koncentráció logaritmusa között lineáris kapcsolat van, az így ábrázolt görbék meredeksége pedig megegyezik a mintaion töltésével. Abban az esetben, ha az állófázis felépítése a két szélsőérték között található, azaz 0 w 1, a retenciós profilok különböző formákat mutathatnak. Fontos megjegyezni azonban, hogy nagy eluens koncentrációk (c > 70 mm esetén a retenciós profilok a tisztán ioncserés mechanizmussal levezetett modell által jósolt profiloknak felelnek meg. Mindez annak köszönhető, hogy az állófázis ekkora eluens koncentráció esetén már gyakorlatilag telített hidroxid ionokra nézve, azaz a képződő ionpárok disszociációjával nem kell számolni A retenciós modell statisztikai értékelése Az előző fejezetben meghatározott paraméterek alapján, (3.21) összefüggés segítségével jósoltuk mind a 14 anion retencióját a vizsgált eluens koncentráció tartományban. A 3.6. és 3.7. ábrán a mért retenciós adatpontok és a modell alapján számított retenciós profilok láthatók. A számított görbék nagyon jól illeszkednek a mért adatpontokra, az eltérés a mért és számított értékek közt meglehetősen alacsony. Mindez mutatja a levezetett retenciós modell predikciós erejét. Ugyanez a következtetés vonható le a mért és számított adatok közti erős korrelációból. A 3.8. és 3.9. ábrán az egy- és kétértékű anionok számított retenciós térfogatai láthatók a mért értékek függvényében. A mért és számított eredmények közti korrelációs együttható értékének négyzete 0,9979 egy-, ill. 0,9974 kétnegatív töltésű anionok esetében. Az ábrákon a korrelációs koefficiens értékei mellett a regressziós egyenesek egyenlete is látható. Abban az esetben, ha a mért és számított értékek tökéletesen megegyeznek, a regressziós egyenes meredeksége 1,00, tengelymetszete 0,00. Student-féle t-próbával eldönthető, hogy a regressziós egyenesek aktuális paraméterei eltérnek-e szignifikánsan 1,00-től és 0,00-tól, vagy sem [72]. Jelen esetben a számított t értékek minden esetben kisebbnek bizonyultak a küszöbértéknél 95%-os megbízhatósági szint esetén. Kijelenthető tehát, hogy a retenciós modell alapján számított eredmények nem különböznek szignifikánsan a mért értékektől. Mindezek alapján elmondható, hogy a latex-alapú állófázisok szerkezetének figyelembevételével levezetett retenciós modell előnyösen használható mintaionok retenciójának becslésére, elválasztások előzetes optimálására, mellyel nem csak pénzt, de rengeteg időt is meg lehet takarítani.

69 3.1. Anionok elválasztásának mechanizmusa latex-alapú állófázisokon 57 a.) w=0 w=0.7 w=0.95 k 10 2 w=. w= w= w= [OH ] koncentráció b.) w=0 w=0.7 w=0.95 w= w=0.999 k w= w= [OH ] koncentráció 3.5. ábra: a.) klorid és b.) oxalát ion (3.21) egyenlet alapján számított retenciós profilja különböző w értékek esetén

70 58 3. Eredmények 10 k V K Q OH 1 S A V0 KOH Retenciós tényező ( k ) 1 0,1 formiát acetát propionát piruvát laktát klorid nitrát 1 2,5 5 7, Eluens koncentráció [mm] 3.6. ábra: Monovalens anionok mért és számított retenciós tényezője (k) az eluenskoncentráció függvényében Retenciós tényező ( k ) oxalát malonát szukcinát tartarát fumarát maleinát szulfát V k V S 0 K 1 2,5 5 7, Eluens koncentráció [mm] A 3.7. ábra: Divalens anionok mért és számított retenciós tényezője (k) az eluenskoncentráció függvényében K OH Q OH 1 2

71 3.1. Anionok elválasztásának mechanizmusa latex-alapú állófázisokon y = 0,9982x + 0,0015 r 2 = 0,9979 Számított retenciós tényező 1 0,1 0,1 Mért retenciós tényező klorid piruvát formiát acetát lactát nitrát propionát ábra: Egyszeresen negatív töltésű anionok számított és mért retenciós értéke közti korreláció Számított retenciós tényező y = 0,9826x + 0,2026 r 2 = 0,9974 oxalát fumarát malonát maleát szukcinát tartarát szulfát Mért retenciós tényező 3.9. ábra: Kétszeresen negatív töltésű anionok számított és mért retenciós értéke közti korreláció

72 60 3. Eredmények 3.2. Makrociklikus polident-komplexképződési egyensúlyok az anionkromatográfiában A alszakaszban (24. o.) láthattuk, hogy a makrociklikus állófázist tartalmazó ionkromatográfiás oszlopban számos egyensúlyt kell figyelembe venni anionok elválasztása során. Habár a kelát-ionkromatográfia meglehetősen széleskörben vizsgált területe a folyadékkromatográfiának, mégsem létezik olyan retenciós modell, mely az összes, alszakaszban felsorolt egyensúlyi folyamatot figyelembe venné. Munkánk célja egyszeresen negatív töltésű anionok retenciós viselkedésének szisztematikus vizsgálata n-decil kriptand (D222) molekulát tartalmazó állófázison (1.7. ábra, 25. o.) NaOH és KOH eluens alkalmazásával, továbbá a vizsgált anionok lehetséges retenciós mechanizmusának leírása, figyelembe véve az eluens kationjának komplexálódását, a kriptand molekula híd helyzetű nitrogén atomjainak protonálódását és az anionok megkötődését az így kialakult funkciós csoportokon Anionok retenciós viselkedése makrociklikus állófázison Eluenskoncentráció hatása szervetlen anionok retenciójára Klorid, bromát, bromid, nitrit és nitrát ionok retenciós tulajdonságait vizsgáltuk szisztematikusan NaOH és KOH eluens használata esetén. A mozgófázis koncentrációját meglehetősen széles tartományon belül változtattuk (NaOH: 0,5 100,0mM, KOH: 1,0 100,0mM). A retenciós idők alapján számított retenciós tényezők értékei a és a ábrán láthatók. Jól látszik, hogy NaOH eluens használata esetén a retenciós tényezőknek maximuma van 3 4 mm eluens koncentrációnál. Mindez azt jelenti, hogy több olyan eluens koncentrációpár létezik, melyek esetén az egyes komponensek retenciója megegyezik. A ábrán bromid és bromát elegy kromatogramja látható 4,0 és 40,0 mm eluens koncentráció esetén. Megfigyelhető, hogy a bromát ionok retenciós ideje mindkét esetben ugyanakkora, ráadásul a csúcsok alakja, szimmetriája is nagyfokú egyezést mutat, azaz a 4,0 és a 40,0mM koncentrációjú NaOH eluensek bromát ion szempontjából egymással ekvivalensnek mondhatók. Fontos megjegyezni azonban azt is, hogy bromid ion esetében ugyanez az eluens koncentrációpár már nem ekvivalens egymással, 4,0mM esetén a bromid ion retenciós ideje idő kisebb, mint 40,0 mm eluens koncentráció használatakor. Mindez azt mutatja, hogy az oszlopban lezajló retenciós folyamatok mintaion függőek és meglehetősen komplexek, összetettek. A ábrán a mintaionok retenciós tényezői láthatók a KOH eluens koncentrációjának függvényében. A retenciós profilokat összehasonlítva a NaOH-os elúció során kapottal (3.10. ábra) látható, hogy KOH használatakor a vizsgált eluenskoncentráció tartományban

73 3.2. Makrociklikus egyensúlyok az anionkromatográfiában 61 3, 0 Retenciós tényező ( k ) 2, 5 2, 0 1, 5 1, 0 Nitrát Bromid Nitrit Bromát Klorid 0, 5 0, NaOH eluens koncentráció [mm] ábra: Szervetlen anionok retenciós tényezője makrociklikus állófázison, NaOH eluens használata esetén 35 Retenciós tényező ( k ) Nitrát Bromid Nitrit Bromát Klorid KOH eluens koncentráció [mm] ábra: Szervetlen anionok retenciós tényezője makrociklikus állófázison, KOH eluens használata esetén

74 62 3. Eredmények 6,00 Bromid 4,00 Bromát 4,0 mm NaOH 2,00 Vezetőképesség [ S] 0,00 0,00 2,00 4,00 6,00 4,00 Bromid Bromát 2,00 40,0 mm NaOH 0,00 0,00 2,00 4,00 6,00 Retenciós idő [min] ábra: Bromát és bromid ion elválasztása, és retenció egyezősége 4 és 40 mm koncentrációjú NaOH eluens használatakor (1 100 mm) sehol nincs a retenciós tényezőknek maximuma. Mindez két dolgot jelenthet. Jelentheti egyrészt azt, hogy KOH-dal történő elúció esetén a retenciós maximum egyáltalán nem létezik, de jelentheti azt is, hogy a retenciós maximum valahol 1 mm eluens koncentráció alatt található. A későbbiekben látni fogjuk, hogy minden valószínűség szerint ez utóbbi feltevés a helytálló. Az ábrákat megfigyelve látható az is, hogy a vizsgált anionok retenciós sorrendje mindkét eluens használatakor ugyanaz (k BrO 3 < k Cl < kno 2 < k Br < k NO 3 ), azaz az eluensváltás nem okozza a mintaionok szelektivitásának változását. Eluens kation hatása a retencióra Mivel a Na + és K + ionok kriptand molekulával képzett komplexének stabilitási állandója több, mint egy nagyságrenddel különbözik egymástól az utóbbi ion javára (ld alszakasz, 24. o.), előre megjósolható, hogy azonos koncentrációjú, azaz elúciós erejű mozgófázis használatakor KOH eluens esetén a vizsgált anionok retenciója nagyobb, mint NaOH használatakor. A retenciós tényezők értékeit összehasonlítva (3.10. és ábra) valóban jól

75 3.2. Makrociklikus egyensúlyok az anionkromatográfiában 63 látszik ez a különbség. Bromát és bromid elegy különböző típusú, de azonos koncentrációjú (3 mm) mozgófázis alkalmazásával nyert kromatogamja látható a ábrán. Drasztikus különbséget tapasztalhatunk a két komponens retenciós idejében a két különböző elúció esetén. KOH eluens alkalmazásakor a bromátion retenciós ideje négyszer nagyobb a NaOH esetében tapasztalhatónál. Bromid ion esetében ugyanez az arány már megközelíti a hatszoros értéket. Mivel a mozgófázis elúciós ereje mindkét esetben azonos, ez a hatás nagy valószínűséggel a Na + és K + ionok eltérő mértékű komplexstabilitási állandójának különbsége miatt létrejövő ioncsere-kapacitás különbségnek köszönhető. 6,00 Bromid 3,48 min 4,00 Bromát 2,58 min Vezetőképesség [ S] 2,00 0,00 2,00 0,00 2,00 4, mm NaOH R S =4,1 Bromát 10,65 min 3.0 mm KOH R S =13,4 Bromid 20,84 min 0,00 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00 22,00 24,00 Retenciós idő [min] ábra: Bromát és bromid ionok retenciójának eltérése egyforma koncentrációjú (3,0 mm) de különböző típusú eluens használata esetén Elválasztás során lejátszódó komplex- és ioncsere-egyensúlyok A kriptand molekulát tartalmazó állófázisok, ahogy azt az előzőekben láthattuk, képesek egyrészt fémionok szelektív megkötésére, másrészt a makrociklus híd helyzetben található két nitrogén atomja révén, a közeg ph-jától függően protonálódásra is. Feltételezésünk szerint a két folyamat egymással kompetitív, tehát a fémion nem képes protonált molekulával komplexbe lépni, ill. a komplexált kriptand molekula nem protonálódik. Alkáli-hidroxid eluens használata esetén az állófázis ioncserélő kapacitását az alábbi egyensúlyok szabják meg: K Cy + M + M FGGGGGG GGGGGGB CyM + (3.22) Cy + H + K 1 GGGGGGB FGGGGGG CyH + (3.23)

76 64 3. Eredmények K CyH + + H + 2 FGGGGGG GGGGGGB CyH 2+ 2, (3.24) melyek egyensúlyi állandója a ( CyM + ) K M = ( )[ ] Cy M + (3.25) ( CyH + ) K 1 = ( )[ ] Cy H + = 1010 (3.26) K 2 = ( ) CyH 2+ ( 2 CyH + )[ H +] = 107,5 (3.27) összefüggésekkel adható meg, ahol Cy az állófázison található kriptand molekulákat, M + az eluens kationját, míg a ( ) és [ ] zárójel a komponensek álló- és mozgófázisbeli koncentrációját jelöli. Minden pozitív töltéssel rendelkező protonált vagy komplex formában levő makrociklus potenciális ioncserélő csoportnak tekinthető. Figyelembe véve azonban a kriptand molekula protonálódási állandóinak értékét (logk 1 = 10, logk 2 = 7,5 [48]), és azt, hogy az elválasztások ph-ja alkáli-hidroxid eluens használatának következtében lúgos tartományba esik, a kriptand molekula második protonálódási lépcsőjével nem kell számolni. Ennek következtében ioncserélő funkciós csoportként csak az egyszeresen protonált kriptand molekulával (CyH + ) és az alkáli-kriptát komplexszel (CyM + ) kell számolni. Az elválasztások során az alábbi ionpárképződési reakciók szabják meg egy egyszeresen negatív töltésű mintaion (A ) retencióját: CyM + + OH K M OH GGGGGGB FGGGGGG CyMOH (3.28) CyM + +A K M A FGGGGGG GGGGGGB CyMA (3.29) CyH + +A K H A FGGGGGG GGGGGGB CyHA, (3.30) melyek ionpárképződési állandója: ( ) CyMOH K M OH = ( CyM + )[ OH ] (3.31) ( ) CyMA K M A = ( CyM + ) [A (3.32) ]

77 3.2. Makrociklikus egyensúlyok az anionkromatográfiában 65 ( CyHA ) K H A = ( CyH + ) [A ]. (3.33) Látszólag a hidroxid ionok és a protonált kriptand molekulák között kialakuló ionpárképződési egyensúly független egyensúlynak tekinthető, azonban ez az egyensúly felírható a víz diszzociációjának és a kripand molekula protonálódásának kombinációjaként. Emiatt ez az egyensúly nem növeli a rendszer szabadsági fokainak számát, így nem is kell vele számolni a modell megalkotása során. CyH + + OH K H OH GGGGGGB FGGGGGG CyHOH Cy + H 2 O (3.34) K H OH = ( Cy ) ( CyH + )[ OH ] = 1 K 1 K w (3.35) Az elválasztó oszlop maximális ioncsere-kapacitása (Q max ) az oszlopon megkötött kriptand molekulák számának (0,073 meq) és az állófázis térfogatának (0,480 ml) hányadosaként számítható, értéke 0,152meq/mL. Az elválasztások során Q max megegyezik a kriptand molekula által megkötött kationok és a szabad kriptand molekulák moláris koncentrációjának összegével. Q max = (Cy) + (CyM + ) + (CyH + ) + (CyMOH) + (CyMA) + (CyHA) (3.36) mely (3.25), (3.26), (3.31), (3.32) és (3.33) öszefüggések felhasználásával az alábbi módon írható fel: Q max = ( Cy ){ 1 + [ H +] K 1 (1 + [A ]K H A ) + [ M +] ( K M 1 + [A ]K M A + [ OH ] )} K M OH (3.37) Egy komponens megoszlási hányadosa (1.12) definíció (1.12. szakasz, 8. o.) értelmében egy mintakomponens álló- és mozgófázisbeli moláris koncentrációjának hányadosa. Mivel makrociklikus állófázist használva az A mintaion mind a protonált, mind a fémionnal komplexet képzett, pozitív funkciós csoportként viselkedő kriptand molekulán megkötődhet, a D A megoszlási hányadost az alábbi összeggel definiálhatjuk: ( ) ( ) D A = (A ) CyMA + CyHA [A ] = [A ] (3.38)

78 66 3. Eredmények melyből (3.25), (3.26), (3.31), (3.33) és (3.37) összefüggések felhasználásával az alábbi egyenletet kaphatjuk: [ M + ] K M K M A + [ H +] K 1 K H A D A = Q max 1 + [ M +] ( K M 1 + [A ]K M A + [ OH ] ) [ K ] M OH + H + K 1 (1 + [A ]K H A ) (3.39) Mivel analitikai kromatográfiában a mintaionok koncentrációja olyan kicsi, hogy izotermájuk lineáris, azaz állófázisbeli koncentrációjuk egyenesen arányos mozgófázisbeli koncentrációjukkal, a [A ]K M A és [A ]K H A tagok a (3.39) egyenletből elhanyagolhatók. D A = Q max [ M + ] K M K M A + [ H +] K 1 K H A 1 + [ M +] K M ( 1 + [ OH ] K M OH ) + [ H + ] K 1 (3.40) A megoszlási hányados helyett a gyakorlatban sokkal inkább alkalmazott retenciós tényezőre (k) áttérve, a mintaionok retenciója az alábbi módon számítható: k A = Q max V s V m [ M + ] K M K M A + [ H +] K 1 K H A 1 + [ M +] K M ( 1 + [ OH ] K M OH ) + [ H + ] K 1 (3.41) Egyensúlyi állandók meghatározása A kísérleti úton felvett retenciós adatbázis alapján, a 2.3. szakaszban a (40. o.) leírt módon, a (3.41) összefüggés egyensúlyi paraméterei iterációs úton meghatározhatók. Ahogy fentebb már említettük, a kriptand molekula protonálódásának második lépcsőjét nem vettük figyelembe a modellalkotásnál. Az iterációk során nyert egyensúlyi paraméterek a 3.4. táblázatban láthatók táblázat: A (3.41) összefüggés iteráció útján meghatározott egyensúlyi paraméterei BrO 3 Cl NO 2 Br NO 3 K 1 1, (RSD=2,4 %) K Na 755 (RSD=4,8 %) K K K Na A 12,5 12,9 16,1 20,6 25,3 K K A K H A 3,6 2,2 1,9 2,6 5,2 K Na OH 45,0 47,0 30,2 21,6 15,1 K K OH A 3.4.táblázat adatait megfigyelve jól látszik, hogy a vizsgált heterogén (álló- és mozgó-

79 3.2. Makrociklikus egyensúlyok az anionkromatográfiában 67 fázist tartalmazó) ionkromatográfiás rendszerben a kriptand molekula első protonálódási állandója gyakorlatilag megegyezik a homogén vizes rendszerekben meghatározott irodalmi értékkel, nel [48]. A Na + - és K + -kriptát komplexek stabilitási állandójának értékére azonban ugyanez az egyezés már nem mondható el, ugyanis egy nagyságrendnyi eltérés tapasztalható az irodalmi (K Na = 10 3,9, K K = 10 5, [48]) és a jelen munka körülményei közt meghatározott (K Na = 755,1 = 10 2,88, K K = = 10 4,38 ) komplexstabilitási állandók értékeiben. A protonálódási- és komplexstabilitási-állandók ismeretében kiszámítható az állófázis protonált (CyH + ), komplexált (CyM + ) és szabad (Cy) formáinak mólaránya (Φ) az alábbi összefüggések segítségével: [ OH ] Φ Cy = K [ 14 OH ] + 10 [ 14 OH ] (3.42) 2 KM Φ CyH + = Φ CyM + = K 1 K [ OH ] [ OH ] 2 KM (3.43) [ OH ] 2 KM K [ OH ] [ OH ] 2 KM (3.44) 1,0 0,8 Protonált forma Mólarány 0,6 0,4 0,2 Komplex forma Szabad forma Koncentráció [M] ábra: Kriptand állófázis protonált, komplexált és szabad formában levő mólaránya NaOH eluens használata esetén A és ábrán a kriptand állófázis protonált, komplexált ill. szabad formában levő mólarányai láthatók az eluens NaOH és KOH koncentrációjának függvényében. Jól látható, hogy nagyobb eluenskoncentráció esetén a kriptand molekulák csaknem teljes mértékben Na + - ill. K + -kriptát formában vannak jelen, míg kis eluenskoncentráció esetén ( 10 4 M) a protonált forma kerül túlsúlyba. A mintaionok az állófázis azon hányadán tudnak megkötődni, amely pozitív töltésű

80 68 3. Eredmények 1,0 Protonált forma 0,8 Komplex forma Mólarány 0,6 0,4 0,2 Szabad forma Koncentráció [M] ábra: Kriptand állófázis protonált, komplexált és szabad formában levő mólaránya KOH eluens esetén funkciós csoportként viselkedik, azaz vagy protonált vagy komplexált formában van jelen. A ábrán az állófázis pozitív töltéssel borított hányada (Φ CyH ++Φ CyM +) látható az eluenskoncentráció függvényében. Az ábrát megfigyelve megállapítható, hogy mind NaOH, mind KOH eluens esetén a görbének minimuma van. Előbbi esetben 3, M, utóbbi esetben 6, M eluenskoncentrációnál. Jól látszik az is, hogy KOH eluens használata esetén az oszlopon található funkciós csoportok száma minden esetben nagyobb, mint NaOH esetén. Ez a különbség 4, M eluenskoncentráció értéknél a legnagyobb, ekkor az oszlop ioncsere-kapacitása KOH esetén 2,5-szerese a NaOH esetén tapasztalhatóénál. A különbség egyre inkább elhanyagolhatóvá válik 10 4 M-nél kisebb és 10 2 M-nél nagyobb koncentrációjú eluens használatakor. Ennek oka az előbbi esetben az, hogy az eluens koncentrációja már olyan kicsi, hogy a kriptand molekulák protonálódását az oldatban jelenlévő kationok, függetlenül attól, hogy Na + vagy K + ionról van-e szó, már nem befolyásolják jelentősen, míg utóbbi esetben az, hogy a kationok koncentrációja már akkora, hogy a kriptand molekulák közel teljes hányada komplexet alkot, megintcsak függetlenül a kation típusától. Mindebből következik, hogy azonos koncentrációjú KOH és NaOH eluens használatakor előbbi esetben az egyes anionok retenciója nagyobb, köszönhetően az állófázis nagyobb ioncsere kapacitásának. Mindezt, ahogy az a és ábrán is látszik, a megfigyelések is alátámasztják. A 3.4. táblázat adatait tovább vizsgálva megállapítható, hogy a vizsgált anionok a pozitív töltésű Na + - ill. K + -kriptát komplexszel alkotott ionpárképződési egyensúlyi állandójának (K Na A, K K A ) értéke azok retenciós sorrendjét követi. Az egyes állandók értékeit összehasonlítva kitűnik, hogy a vizsgált anionok ionpárképződési állandója egy nagyságrenddel nagyobb K + -kriptát funkciós csoport esetében, mint Na + -kriptát funkciós csoport esetén, míg utóbbiak értéke ugyancsak egy nagyságrenddel nagyobb a protonált kriptand mole-

81 3.2. Makrociklikus egyensúlyok az anionkromatográfiában 69 1,0 3,0 0,8 2,5 K + Na + Mólarány 0,6 2,0 Hányados 0,4 0,2 R 1, Koncentráció [M] ábra: A kriptand molekulák pozitív töltésű funkciós csoportoként viselkedő hányada, és ezek aránya (R) NaOH és KOH mozgófázis használatakor kulák esetén meghatározott állandóknál (K H A ). Két tényező is közrejátszik tehát abban, hogy KOH-os elúció esetén az anionok retenciója nagyobb, min NaOH használatakor. Azon túl, hogy adott eluens koncentráció esetén KOH-os elúciót akalmazva az oszlop ioncserekapacitása nagyobb, az egyes anionok K-kriptát funkciós csoportokkal szemben mutatott szelektivitási állandója is a retenciót növelő hatást erősíti. Az ionpárképződési állandók értékének nagyságrendje, összehasonlítva a 3.3. táblázatban (3.3. szakasz, 55. o.) található, latex alapú, kvaterner ammónium funkciós csoportokat tartalmazó állófázis esetén meghatározott állandók értékével, azt jelzi, hogy a K + -kriptát funkciós csoportok erős anioncserélőnek, míg a Na + -kriptát funkciós csoportok gyenge, a protonált kriptand molekulák pedig nagyon gyenge anioncserélőnek tekinthetők A levezetett retenciós modell statisztikai értékelése A (3.41) összefüggéssel, a 3.4. táblázat paramétereinek felhasználásával a vizsgált egyértékű anionok retenciója becsülhető. A és ábrán a mért és a levezetett modell alapján számított retenciós idők láthatók. A számított görbék nagyon jól illeszkednek a mért adatpontokra, az eltérés a mért és számított értékek közt meglehetősen alacsony. Mindez mutatja a levezetett retenciós modell alkalmazhatóságát szervetlen anionok retenciójának előzetes becslésére. Ugyanez a következtetés vonható le a mért és számított adatok közti korreláció vizsgálatából. A és ábrán a vizsgált anionok számított retenciós ideje látható a mért értékek függvényében, mind NaOH, mind KOH eluens használata esetén. A mért és számított eredmények közti r 2 értékek (0,9907 ill. 0,9985) és a regressziós egyenesek meredekségé-

82 70 3. Eredmények 4,5 4,0 Retenciós idő [min] 3,5 3,0 2,5 2,0 1, Eluens koncentráció [mm] ábra: Monovalens anionok mért és számított retenciós tényezője (k) az eluenskoncentráció függvényében Adatsor1 Adatsor2 Adatsor3 Adatsor4 Adatsor5 Retenciós idő [min] Eluens koncentráció [mm] ábra: Divalens anionok mért és számított retenciós tényezője (k) az eluenskoncentráció függvényében

83 3.2. Makrociklikus egyensúlyok az anionkromatográfiában 71 nek (0,9955, 1,0112) 1-hez, valamint a regressziós egyenesek tengelymetszetének ( 0,0091, 0,1877) nullához közeli értéke egyaránt azt erősíti, hogy a retenciós modell alapján számított eredmények nem különböznek szignifikánsan a mért értékektől. Mindezek alapján elmondható, hogy a kriptand alapú állófázisokon lejátszódó komplexképződési-, protonálódási- valamint ioncsere-egyensúlyok figyelembevételével levezetett retenciós modell előnyösen használható anionok retenciójának becslésére, elválasztások előzetes optimálására.

84 72 3. Eredmények 4,5 4,0 y = 0,9955x - 0, r = Számított retenciós idő [min] 3,5 3,0 2,5 2,0 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Mért retenciós idő [min] ábra: Egyszeresen negatív töltésű anionok számított és mért retenciós értéke közti korreláció 40 y = 1,0112x - 0, r = Számított retenciós idő [min] Mért retenciós idő [min] ábra: Kétszeresen negatív töltésű anionok számított és mért retenciós értéke közti korreláció

85 3.3. Anionok retenciós viselkedésének integrált leírása Anionok retenciós viselkedésének integrált leírása A kromatográfia analitikai alkalmazása során legtöbbször lineáris körülmények uralkodnak az elválasztási rendszerben, azaz a mintakomponensek koncentrációjának alacsony értéke miatt azok izotermája lineáris, álló- és mozgófázisbeli koncentrációjuk egymással egyenesen arányos. Lineáris körülmények esetén a termodinamikai egyensúlyok csak a csúcs maximumának helyét, azaz a komponens retencióját határozzák meg, míg csúcsalakra gyakorolt hatásuk elhanyagolható, azt elsősorban kinetikai folyamatok szabják meg [6]. Az előző, 3.1 és 3.2. szakaszban, egyensúlyi megfontolások alapján levezetett retenciós modellek leírása során lineáris viszonyokat feltételeztünk (ld. 52. o., (3.12) és (3.13) egyenletek), a modellek csak a mintaionok retencióját képesek megjósolni. Az alszakaszban láthattuk, hogy a kromatográfia sztochasztikus elmélete, mely egy kinetikai modell, mintaionok retenciós csúcsának leírására alkalmas. Munkánk célja az ionkromatográfiás folyamatok olyan leírása a többszörös eluens/minta retenciós modell és a kromatográfia sztochasztikus elméletének kombinálásával, melynek alapján nem csak a kromatoráfiás csúcs helye, de alakja is jósolhatóvá válik, lehetőséget teremtve ezáltal az ionkromatográfiás elválasztások optimálásra, megfelelő elválasztási körülmények kiválasztására Sztochasztikus paraméterek meghatározása Tizenhat különböző összetételű eluens használatával, a alszakaszban bemutatott módszer szerint (38. o.) vizsgáltuk formiát, klorid, bromid, nitrát, foszfát, szulfát és oxalát ionok retenciós viselkedését AS9-HC típusú kromatográfiás oszlopon. Vizsgáltuk a retenciós idők és az ebből számolt retenciós tényezők változását a mozgófázis tulajdonságainak változtatásával. Az I. sz. minta esetében a retenciós sorrend a következő volt: fluorid, klorid, bromid, nitrát, szulfát; a II. sz. minta esetén: formiát, foszfát, oxalát. A retenciós sorrendből is látható, hogy a retenciós idők, vagyis az állófázison megkötődve eltöltött idő kétszeresen negatív ionok esetén nagyobb. Itt szükséges megjegyezni, hogy a foszfátion a kísérleti ph viszonyok mellett (9,5-11) túlnyomó részben kétszeres negatív töltésű hidrogén-foszfát (HPO 2 4 ) formájában van jelen. A ábrán egy, az elválasztások során nyert tipikus kromatogram látható, melynek vizsgálata alapján megállapítható, hogy az egyes komponensek megfelelő felbontással elválaszthatók egymástól. Mindegyik komponens csúcsalakja alapvetően szimmetrikusnak mondható. A kromatogramok alkalmasak a sztochasztikus modell paramétereinek meghatározására. Mivel a kromatográfia sztochasztikus modellje csak az állófázison lejátszódó folyamatokat veszi figyelembe, a mozgófázisbeli diszperziót és az oszlopon kívüli csúcsszélesítő hatásokat el kell távolítani a kromatogramból. A sztochasztikus elmélet egyik alapfeltevése,

86 74 3. Eredmények Klorid 8 Vezetőképesség [ S] Bromid Nitrát Szulfát Retenciós idő [min] ábra: Szervetlen anionok elválasztása nagykapacitású AS9-HC anioncserélő oszlopon. Mozgófázis: CO 2 3 /HCO 3, ph 10, 13mmol/dm3 hogy a különböző minationok és -molekulák ugyanannyi időt töltenek a mozgófázisban, és az oszlopon kívüli hatások is ugyanolyan módon hatnak rájuk, ezért csúcsalakjukat a mozgófázisbeli és oszlopon kívüli folyamatok hasonló módon befolyásolják. A retenciót nem szenvedő komponens csúcsalakját, mivel az nem lép köcsönhatásba az állófázissal, csak ez utóbbi folyamatok szabják meg. Ha egy ilyen komponens csúcsát dekonvolváljuk a kromatogramból, akkor olyan kromatogramot kapunk, amely csak az allófázison zajló folyamatok hatásait hordozza magán, azaz meghatározhatók belőle a kromatográfiás folyamat sztochasztikus paraméterei (τ m,τ s,n) [8]. Számos lehetőség áll rendelkezésre kromatográfiás csúcsok dekonvolúciójára. Ezek közül az egyik legegyszerűbb matematikai módszer a kromatográfiás csúcsokra illesztett exponenciálisan módosított Gauss-függvények (EMG) dekonvolúciója. A dekonvolvált csúcs paraméterei egyszerűen megkaphatók az EMG görbék azonos paramétereinek különbségeként [73]. Az EMG görbe, mely egy exponenciális és egy normális eloszlás sűrűségfüggvényének konvolváltja, a következőképpen definiálható [7]: y(t) = A 2τ erfc ( σ 2τ t m 2σ ) e σ2 2τ 2 t m τ, (3.45)

87 3.3. Anionok retenciós viselkedésének integrált leírása 75 ahol m és σ a Gauss-görbe várható értéke és varianciája, τ az exponenciális eloszlás időállandója, és erfc(x) az ún. kiegészítő hibafüggvény: erfc(x) = 2 e t2 dt (3.46) π x Az EMG görbe illesztésére láthatunk példát nitrát ion kromatográfiás csúcsára a ábrán. Látható, hogy az EMG görbe meglehetősen jól írja le a kromatográfiás csúcsot, az eltérés a mért pontok és az illesztett görbe közt kicsi. Vezetőképesség [ S] 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,003 0,001-0,001-0,003-0, Retenciós idő [min] ábra: Nitrát-ion kromatográfiás csúcsára illesztett EMG görbe (fent), és az eltérés a mért pontok és az illesztett görbe között (lent). Eluents 9 mm Na 2 CO 3, ph=11,0 A retenciót nem szenvedő komponens csúcsára illesztett EMG görbék egyes paramétereinek kivonása a mintaion csúcsára illesztett EMG görbe azonos paramétereiből olyan kromatográfiás csúcsot eredményez, mely csak az állófázion zajló folyamatok hatásait hordozza magán. Ennek a csúcsnak a megfelelő EMG paraméterei a következők: m = m m 0 = m t 0, (3.47) σ 2 = σ 2 σ 2 0, (3.48) τ = τ τ 0, (3.49) ahol m, σ és τ a mintaion csúcsára, m 0, σ 0 és τ 0 pedig a retenciót nem szenvedett komponens csúcsára illesztett EMG görbe paraméterei, t 0 pedig a rendszer holtideje.

88 76 3. Eredmények A kromatográfiás csúcs momentumait leíró (1.24) egyenlet (11. o.) átrendezésével a kromatográfiás folyamat sztochasztikus paraméterei könnyen meghatározhatók az alábbi összefüggések segítségével: τ s = σ 2 + τ 2 2 (m + τ ), (3.50) ( m + τ ) 2 n = 2 σ 2, (3.51) + τ 2 σ 2 + τ 2 τ m = t 0 2 (m + τ ) 2. (3.52) Mivel a vízmolekulák töltéssel nem rendelkeznek, az állófázis felületén lejátszódó ioncserés folyamatokban nem vesznek részt, így a kromtogramok elején található vízcsúcs ideális lenne a mozgófázis okozta sávszélesítő hatások dekonvolválására, azonban a vízcsúcs a szupresszorban extra nagy szélesedést szenved, köszönhetően a szupresszor membrán ájárhatóságának a semleges vízmolekulákkal szemben, emiatt a vízcsúcsot nem használhatjuk dekonvolúcióra. Az anionok közül a fluorid ionok lépnek legkevésbé kölcsönhatásba az ioncserélő állófázissal [41], ráadásul negatív töltésüknek köszönhetően, nem szenvednek a vízhez hasonlóan nagy szélesedést a szupresszorban, így nem vétünk jelentős hibát, ha a visszatartást nem szenvedő molekula kromatográfiás csúcsát leíró EMG görbe paramétereit a vízcsúcs (m 0 ) és a fluoridion (σ 0,τ 0 ) csúcsának paramétereiből kombináljuk össze: m 0 = t 0 = 2,395; σ 0 = σ F = 0,04; τ 0 = τ F = 0,11. A sztochasztikus paraméterek (3.50) és (3.51) összefüggések alapján meghatározott várható értéke (τ s,n) a 3.5 és 3.6 táblázatban láthatók. Mivel a repülési idők (τ m ) az adszorpciós lépések számától függnek (τ m = t 0 /n), nincsenek külön táblázatba foglalva. Az adszorpciós lépések várható értékére (n) nem függött jelentősen sem a mintaionok retenciójától, sem az eluens koncentrációjától, így azok adott ph-n meghatározott értékeinek átlaga került be a 3.5 táblázatba. Az előző megállapítás jól egyezik a fordított fázisú folyadékkromatográfiás (RP-HPLC) tapasztalatokkal [6, 8]. Mindazonáltal a ph jelentősen befolyásolja a megkötődések számának értéket. Minél nagyobb a ph, annál kisebb n. Az alszakaszban (11. o.) láthattuk, hogy a megkötődések és az anyagátadási egységek száma egymásnak megfeleltethető fogalmak [12]. Mindebből az következik, hogy az állófázis anyagátadással szembeni ellenállása megnő a ph növekedésének hatására. Összehasonlítva a 3.5. táblázat eredményeit az RP-HPLC-ben meghatározott adszorpciós lépésszámokkal [6] az tapasztalhatjuk, hogy a megkötődések számának várható értéke jóval nagyobb RP-HPLC-ben, mint a vizsgált anionkromatográfiás rendszerben. Előbbi rendszerben megkötődés, mígutóbbi esetben adszorpció játszódik le az oszlop egy mm-ére vonatkoztatva, azaz az állófázis anyagátadással szembeni ellenállása nagyobb

89 3.3. Anionok retenciós viselkedésének integrált leírása táblázat: Az adszorpciós lépések (n) számának várható értéke az elúció során ph 9,5 10,0 10,5 11,0 formiát klorid bromid nitrát szulfát oxalát foszfát a vizsgált IC rendszerben, mint az RP-HPLC-ben. Mindez az állófázisok hordozói, a sztiroldivinilbenzol polimer és a szilikagél közti, anyagátadással szembeni eltérő ellenállásából fakad [74]. A 3.6. táblázatban a mintaionok egy adszorpciós lépése során történő állófázisbeli tartózkodási idejének várható értéke látható. Az értékek msec tartományon belül mozognak, azaz az anionok egy megkötődés alkalmával meglehetősen kevés időt töltenek az állófázison. A táblázat adataiból jól látható, hogy a τ s -sek értékei mind az eluens ph, mind az eluens koncentráció hatására csökkennek, azaz az anionok retenciós ideje és az egy megkötődés során az allófázison eltöltött idő erősen korrelál egymással. A 3.5. és 3.6. táblázat adataiból az a fontos következtetés is levonható, hogy az egyes ionok közti szelektivitás elsősorban azok tartózkodási idejének (τ s ) különbözőségéből, és nem a megkötődéseik számából (n) adódik. Fordított fázisú kromatográfiában a jellemző tartózkodási idők (τ s ) 8,4msec (k = 1,75) és 47 m sec (k = 12,7) között találhatók [6]. A tartózkodási idők összehasonlításából kitűnik, hogy a vizsgált ionkromatográfiás rendszerben egy minta komponens, azonos retenció esetén, jóval nagyobb (több, mint duplája) időt tölt egy megkötődés alkalmával az állófázison mint RP-HPLC-ben: 17,6 msec (k = 1,73, klorid, eluens: 13mM,10,5pH) és 105.9msec (k = 12,08, oxalát, eluens: 11 mm, 10,5pH). Mindez a Frenkel összefüggés ((1.23) egyenlet, 11. o.) alapján azt jelenti, hogy a mintakomponensek megkötődésének erőssége, azaz az adszorpció entalpiaváltozása sokkal nagyobb az ionkromatográfiában, mint RP-HPLC-ben A megkötődések gyakoriságának és az ioncserekapacitás kihasználtságának meghatározása Mivel a sztochasztikus modell közvetlen betekintést nyújt a szeparációs folyamatba, a kromatográfiás folyamatok számos sajátosságát, úgy, mint átlagos megkötődések számát egyegy ioncserélő szemcsén, ill. az oszlop ioncsere-kapacitásának kihasználtságát, megérthet-

90 78 3. Eredmények 3.6. táblázat: A vizsgált anionok tartózkodási idejének (τ s, 10 3 s) várható értéke az állófázison, egy adszorpciós lépés során c (mm) formiát klorid bromid nitrát szulfát oxalát foszfát 9,5 ph 7 11,6 33,4 71,6 90,2 322,6 440,1 224,1 9 10,1 28,6 61,1 76,5 239,6 328,9 167,0 11 9,0 25,1 53,3 67,2 188,0 256,0 131, ,7 50,9 64,1 171,4 10,0 ph 7 27,8 51,8 65,4 196,8 9 7,7 23,5 44,2 55,1 138,9 185,8 105,3 11 7,2 22,2 44,4 53,8 121,5 157,3 86,1 13 6,7 20,2 38,5 48,7 99,3 131,6 71,7 10,5 ph 7 8,1 24,1 43,5 57,1 141,7 171,8 113,9 9 14,1 20,6 39,2 50,7 106,7 130,3 82,1 11 6,5 19,1 36,1 46,7 87,8 105,9 65,7 13 6,0 17,6 33,5 43,2 74,0 89,8 54,6 11,0 ph 7 12,0 25,4 48,2 60,2 131,2 161,9 134,7 9 10,5 22,4 42,3 52,9 100,6 122,8 99,6 11 9,6 20,5 39,1 48,7 81,0 100,4 80,0 13 9,1 19,0 35,9 44,8 68,8 85,5 65,3 jük segítségével. Az előző fejezetben meghatározott valószínűségi paraméterek alapján kiszámíható egy mintaion megkötődések gyakorisága az oszlop ioncserélő töltetein. Mivel az anioncserélő oszlop hossza 250 mm és a benne található töltet átmérője 9µm, könnyen kiszámítható, hogy kb részecske található annak a mintaionnak az útjában, mely a lehető legrövidebb úton halad végig az oszlopban. Ezzel elosztva a lépésszámot, megkaphatjuk egy-egy mintaionra nézve a megkötődések gyakoriságát. Ezen megfontolások felhasználásával az alábbi összefüggés vezethető le a megkötődési gyakoriság számítására: ξ = n d p L c, (3.53) ahol ξ a megkötődések gyakorisága (adszorpció/ioncserélő gyöngy), d p az ioncserélő gyöngy átmérője, L c az oszlop hossza, n a mintaion megkötődéseinek várható értéke az

91 3.3. Anionok retenciós viselkedésének integrált leírása 79 egész elválasztási folyamatot figyelembe véve. A számított megkötődési gyakoriságok a a 3.7. táblázatban láthatók táblázat: Mintaionok megkötődésének gyakorisága (megkötődések száma/részecske) ph formiát klorid bromid nitrát szulfát oxalát foszfát 9,5 0,91 0,62 0,61 0,59 0,63 0,66 0,50 10,0 0,86 0,55 0,59 0,58 0,56 0,61 0,43 10,5 0,77 0,53 0,58 0,55 0,50 0,59 0,41 11,0 0,47 0,44 0,48 0,47 0,43 0,50 0,35 A 3.7. táblázatból jól nyomon követhető a ph hatása az egyes mintakomponensek megkötődési gyakoriságára. Látható, hogy összhangban az n lépésszámokkal, a megkötődések gyakorisága igen kis eltérést mutat a különböző ionok esetében, átlagosan minden második harmadik tölteten kötődik meg egy-egy ion az oszlop hossza mentén való vándorlása során. Fontos észrevenni azonban azt is, hogy a ph 9,5-ről 11,0-ra emelésével a megkötődési gyakoriság jelentősen csökken, némely ionnál akár a felére is visszaesik. Hasznos információval szolgálhat az is, hogy egy mintaion az oszlop ioncserélő helyeinek mekkora hányadát használja fel megkötődésekre, amíg végighalad az oszlopon. Az oszlop ioncsere kapacitásának kihasználtsága a megkötődések számának és a teljes ioncsere kapacitásnak a hányadosa. Ez utóbbi értéke (Q c ) 190µeq, azaz η = n Q c, (3.54) ahol η az oszlop ioncserekapacitásának kihasználtsága, Q c az oszlop teljes ioncserekapacitása és n a mintaion megkötődéseinek várható értéke az egész elválasztási folyamatot figyelembe véve. Az oszlop ioncserélő kapacitásának kihasználtsága a 3.8. táblázatban látható. A számításokból kitűnik, hogy az egyes mintaionok az oszlop kapacitásának egy igen kis töredékét használják csak ki vándorlásuk során. Egy mintaion mindössze ioncserélő helyenként kötődik meg. Ez azonban félrevezető lehet, ha nem vesszük figyelembe az injektált mintaionok mennyiségét. Mivel az egyes mintákból a kísérleti körülmények között injektált ionok mennyisége 0,7 5, tartományba esik belátható, hogy a mintaionok a teljes kapacitás jelentős hányadán megkötődnek (20-60%).

92 80 3. Eredmények 3.8. táblázat: Az elválasztó oszlop teljes ioncserélő kapacitásának egy mintaion által történő kihasználtsága ( ) ph formiát klorid bromid nitrát szulfát oxalát foszfát 9,5 2,23 1,51 1,48 1,44 1,54 1,61 1,21 10,0 2,09 1,33 1,44 1,40 1,37 1,48 1,05 10,5 1,88 1,29 1,41 1,35 1,21 1,44 1,01 11,0 1,14 1,16 1,16 1,15 1,04 1,22 0, A többkomponensű eluens/minta retenciós modell kapcsolata a sztochasztikus elmélettel Annak ellenére, hogy, amint azt az előző fejezetben láthattuk, a sztochasztikus modellel megmagyarázható néhány, érdekes következtetésre vezető kromatográfiás folyamat, önmagában véve nem alkalmas mintaionok retenciójának előzetes becslésére. Könnyű belátni azonban, hogy: k = t R t 0 t 0 = t r = nτ s = τ s (3.55) t 0 t 0 τ m A (3.55) egyenlet átrendezésével τ s az alábbi módon számítható: τ s = k t 0 n = k τ m (3.56) ahol k a mintaion retenciós tényezője, n a mintaion állófázison való megkötődések számának, τ s pedig idejének várható értéke és t 0 a kromatográfiás rendszer holtideje. Az előző alszakaszban láthattuk, hogy a megkötődések számának várható értéke (n) kismértékben függ csak az eluens koncentrációjának változásától sokkal inkább annak ph-ja befolyásolja azt. Előzetes ismeretek alapján tehát adott ph-n kis hibával megbecsülhető n értéke bármely eluenskoncentráció esetén. Mivel az ionkromatográfiában a retenciós tényező becslésére számos elméleti és empirikus modell áll rendelkezésre (ld alszakasz, o.), s ezek közül karbonát/hidrogénkarbonát eluensrendszer esetén az ún. többkomponensű eluens/minta retenciós modell [51] segítségével nyerhetjük a legpontosabb becslést [59], a (3.56) egyenlet kapcsolatot teremt a sztochasztikus elmélet és a többkomponensű eluens/minta retenciós modell között. Az (1.58) (1.61) összefüggéseket (34. o.) megvizsgálva látható, hogy a többkomponensű eluens/minta retenciós modell használata előtt szükség van néhány egyensúlyi és nem egyensúlyi paraméter meghatározására. Az egyes mintakomponensek különböző elu-

93 3.3. Anionok retenciós viselkedésének integrált leírása 81 ens ph és koncentráció viszonyok mellett meghatározott retenciós adatai alapján a modell egyensúlyi paraméterei meghatározhatók iterációs úton a 2.3. szakaszban (40. o.) ismertetett módszer segítségével. Az iterációhoz azonban szükség van az (1.58) (1.61) egyenletek nem egyensúlyi paramétereire, a gyantatérfogatra (V s ), az oszlop holttérfogatára (V 0 ) és ioncserekapacitására (Q) is. Utóbbiak a 2.2. szakaszban (39. o.) bemutatott módszerrel lettek meghatározva. Ezek alapján V s 0,745ml-nek, V 0 2,395ml-nek, Q pedig 0,255meq/ml-nek adódott. A fentiekben kiszámított nem egyensúlyi paraméterek segítségével iterációs úton meghatározott szelektivitási és intereluens állandók a 3.9. táblázatban láthatók. Amint az várható, az egyes mintakomponensek szelektivitási tényezőinek (K A/HCO3 ) értékei a retenciós sorrendet követik. Az intereluens állandók (K OH/HCO3, K CO3 /HCO 3 ) értékei az egymástól független iterációk ellenére is csak kis mértékben szórnak, ami a modell helyes felírását is igazolja táblázat: Kísérleti adatbázis alapján, iterációs úton meghatározott szelektivitási (K A/HCO3 ) és intereluens állandók (K OH/HCO3, K CO3 /HCO 3 ) K A/HCO3 K OH/HCO3 K CO3 /HCO 3 HCOO 3,305 1,991 20,147 Cl 6,458 1,997 20,137 Br 13,182 2,004 20,132 NO 3 16,566 2,003 20,055 SO ,638 2,002 20,142 COO ,665 2,003 20,155 HPO ,522 1,996 20,150 PO ,249 1,996 20,150 Átlag 1,999 20, A vízanalitikában fontos ionok kromatogramjának becslése a többkomponensű eluens/minta és a sztochasztikus modell egyesítésével A kromatográfiás elválasztások és mennyiségi meghatározások tervezése bonyolult feladat. Különösen igaz ez, ha olyan komplex elválasztások kivitelezésére van szükség, mint amilyenekkel a környezeti minták elemzése során találkozhatunk. Ahogy az 1.3. szakaszban ( oldal) látható, a vízanalitikai meghatározások során gyakran gondot okoz az egyes szennyező komponensek retenciós viselkedésének hasonlósága. A vizsgálatok elvégzéséhez nagy segítséget nyújt, ha az elválasztás körülményeit előre hatékonyan meg tudjuk tervezni, a megfelelő tulajdonságú oszlop, és összetételű eluens kiválasztásával, hisz komplex min-

94 82 3. Eredmények ták esetében empírikus úton a mérés körülményesen optimalizálható. Erre nyújt megoldást a többkomponensű eluens/minta és a sztochasztikus modellek integrálása, mivel lehetővé teszi az álló és a mozgófázis tulajdonságainak ismeretében nem csak a csúcsok helyének, egyidejűleg hanem azok alakjának meghatározását is. Az előző alszakaszban meghatározott paraméterek alapján lehetőség nyílik a mintaionok retenciós tényezőjének (k) kellő pontosságú becslésére a praktikus eluenskoncentráció és -ph tartományon belül. A k, n és a retenciót nem szenvedő komponens csúcsalakjának ismeretében pedig bármely eluenskoncentráción és -ph-n előzetesen megbecsülhetjük ismert összetételű minta kromatogramját. A kromatogram számítás lépései a következők (ld. még ábrát is): (1) m különböző típusú iont tartalmazó elegy kromatogramjának számítása kizárólag az állófázis csúcsszélesítő hatásainak figyelembevételével (3.23. a. ábra): P(t) = m i=1 n 2 i t k i t 0 e n i ( ) 1+ t k i t 0 I 1 4n 2 i t, k i t 0 (3.57) ahol i index a mintaion fajtára utal, k i az i típusú anion retenciós tényezője adott ph és eluenskoncentráció esetén az (1.58) (1.61) összefüggések (34. o.) segítségével 3.9. táblázat adatai alapján számítva, n i pedig az i típusú anion megkötődési számának várható értéke adott ph-n (3.5. táblázat), (2) a retenciót nem szenvedő komponens kromatográfiás csúcsának számítása (3.45) összefüggés segítségével (m 0 = 2,395; σ 0 = 0,04; τ 0 = 0,11) (3.23. b. ábra), (3) a két fenti kromatogram konvolúciója (3.23. c. ábra). A ábrán két különböző összetételű, klorid, bromid, nitrát és szulfát (3.25. a1. és a2. ábra) ill. formiát, foszfát és oxalát (3.25. b1. és b2. ábra) tartalmú elegy számított és mért kromatogramjai láthatók. Az eluens koncentrációja mindkét esetben 13 mm, ph-ja az előbbi elegy esetében 10,0, utóbbiéban 11,0. Az ábra felső részén (a1. és b1.) a mért, míg alsó részén (a2. és b2.) az előzőekben leírt módszer szerint számított kromatogramok találhatók. Habár az integrált modell segítségével a detektor által szolgáltatott jel nagysága nem jósolható meg, a kromatogramok egyszerűbb összehasonlíthatósága érdekében a számított kromatogramokon az egyes csúcsok területének aránya megegyezik a mért kromatogramokon tapasztalhatóéval. Az ábrát megfigyelve szembetűnő a számított és a mért kromatogramok hasonlósága (felbontás, hatékonyság, aszimmetria stb.), mely rámutat a sztochasztikus elmélet és a többszörös minta/eluens retenciós modell együttes használatának előnyeire. Az integrált retenciós modell predikciós ereje a retenciós tényezők (k), a csúcsmagasságok felénél vett sávszélességek (FWHM) ill. a aszimmetria tényezők (AS50) számított és mért értékei eltérésének vizsgálatával támasztható alá. Jól ismert, hogy a több-

95 3.3. Anionok retenciós viselkedésének integrált leírása 83 a.) 14 1 b.) 5 AU Állfázison való tartozkodási idő [min] Retenciós idő [min] c.) AU Retenciós idő [min] ábra: Kromatogram számítása a sztochasztikus elmélet és a többszörös minta/eluens modell együttes használatával. a.) a (3.57) összefüggés segítségével számított, kizárólag az állófázis csúcsszélesítő hatásait hordozó kromatogram, b.) a retenciót nem szenvedő komponens kromatogramja [(3.45), m 0 = 2,395; σ 0 = 0,04; τ 0 = 0,11], c.) a fenti két kromatogram konvolváltja. Komponensek: 1. formiát, 2. klorid, 3. bromid, 4. nitrát, 5. foszfát, 6. szulfát, 7. oxalát. Eluens: 9 mm Na 2 CO 3 /NaHCO 3, ph 10,5. szörös minta/eluens retenciós modell a legpontosabb ionkromatográfiás retenciós modell karbonát/hidrogén-karbonát eluensrendszer esetén [59]. A ábrán a számított retenciós tényezők logaritmusa látható mért retenciós tényezők logaritmusának függvényében. Mind a korrelációs együttható értéke (0,9961), mind a regressziós egyenes meredeksége (1,0469) igen közel áll 1-hez. A regressziós egyenes tengelymetszete -0,041. Mindezek azt mutatják, hogy nincs jelentős különbség a mért és számított retenciós tényezők közt, azaz a többszörös minta/eluens retenciós modell segítségével a vizsgált kromatográfiás rendszerben is megfelelően jól becsülhetők a mintakomponensek retenciós tényezői. A táblázatban a csúcsmagasságok felénél meghatározott sávszélességek mért és számított értékének százalékos eltérése ( FWHM ) látható 9,5-es ph-jú eluensoldatok használata esetén. A táblázat utolsó sorában az eltérések abszolut értékének átlaga található az összes vizsgált eluenskoncentráció és -ph kombinációt figyelembe véve. A FWHM értékeket

96 84 3. Eredmények A többszörös minta/eluens retenciós modell B többszörös minta/eluens retenciós modell + sztochasztikus elmélet ábra: Retenciós idő és csúcsalak becslése a többszörös eluens/minta retenciós modell és a sztochasztikus elmélet integrálásával

97 3.3. Anionok retenciós viselkedésének integrált leírása 85 Conductivity [ S] a b a b2. 7 AU Retenciós idő [min] Retenciós idő [min] ábra: 1. klorid, 2. bromid, 3. nitrát és 4. szulfát (eluens: 13.0 mm Na 2 CO 3 /NaHCO 3, ph = 10,0.) ill. 5. formiát, 6. foszfát és 7. oxalát (eluens: 13.0 mm Na 2 CO 3 /NaHCO 3, ph = 11,0.) elegyek mért (felül) és számított (alul) kromatogramjai y = x r = log k calc Formiát Klorid Bromid Nitrát Szulfát Oxalát Foszfát log k meas ábra: A mért és számított retenciós tényezők logaritmusának kapcsolata

98 86 3. Eredmények táblázat: A csúcsmagasságok felénél meghatározott sávszélességek mért és számított értékének százalékos eltérése ( FWHM ) 9,5 ph-jú eluens oldatok esetén, ill. az eltérések abszolutértékének átlaga az összes vizsgált eluenskoncentráció, -ph kombinációt figyelembe véve (utolsó sor) Formiát Klorid Bromid Nitrát Szulfát Oxalát Foszfát 7 mm 3,6% 3,9% 0,7% 1,2% 5,9% 5,7% 3,7% 9 mm 4,8% 6,2% 3,5% 2,2% 5,4% 7,6% 2,2% 11 mm 0,0% 0,8% 3,7% 2,3% 6,9% 8,0% 3,0% 13 mm 2,0% 3,9% 3,0% 4,6% Átlag 4,2% 8,7% 5,0% 3,5% 3,4% 8,6% 2,0% az alábbi módon számítottuk: FWHM = FWHM számított FWHM mért FWHM mért 100%, (3.58) A táblázat adatait megvizsgálva jól látszik, hogy a százalékos eltérések az esetek jelentős részében 5 % alatt maradnak, azonban a klorid és az oxalát ionok esetén az eltérések átlaga ezt jelentősen meghaladja. Fontos azonban megjegyezni, hogy 9 %-nyi eltérés a számított és a mért sávszélességek között mindössze néhány század percet jelent abszolut értékben. Mindez azt jelenti, hogy a számított és a mért kromatogramokon található csúcsok szélessége nem tér el egymástól jelentősen. A táblázatban a csúcsmagasságok felénél meghatározott aszimmetria tényezők (A50) [7] mért és számított értékének százalékos eltérése ( A50 ) látható 9,5 ph-jú eluens oldatok esetén, ill. a táblázathoz hasonlóan, az utolsó sorban eltérések abszolutértékének átlaga található az összes vizsgált eluenskoncentráció, -ph kombinációt figyelembe véve. Látható, hogy a százalékos eltérések értéke, formiát és klorid kivételével, 5 %-nál kisebb. A klorid és formiát ionok esetében tapasztalható nagyobb mértékű eltérés oka minden bizonnyal a retenciót nem szenvedő csúcs meghatározásának bizonytalanságából fakad. Könnyű belátni, hogy a keskenyebb csúcsokkal rendelkező formiát és klorid ionok esetén a dekonvolúció során kapott csúcsalak kis abszolút értékű eltérése a csak az állófázis csúcsszélesítő hatásait magán hordozó csúcsalaktól százalékosan akár jelentős is lehet. Meg kell jegyezni azonban azt is, hogy klorid és formiát ionok esetén sem haladja meg az eltérés a 8 %-ot, ami mindenképpen alátámasztja a retenciót nem szenvedő komponens csúcsparamétereinek helyes megválasztását. A ábra és a ill táblázatok vizsgálata alapján megállapítható tehát, hogy a két eljárás (sztochasztikus elmélet és többkomponensű eluens/minta retenciós modell) együttes alkalmazásának jelentős előnye, hogy nem csak a kromatográfiás csúcs helyét (mi-

99 3.3. Anionok retenciós viselkedésének integrált leírása táblázat: A csúcsmagasságok felénél meghatározott aszimmetria tényezők mért és számított értékének százalékos eltérése ( A50 ) 9,5 ph-jú eluens oldatok esetén, ill. az eltérések abszolutértékének átlaga az összes vizsgált eluenskoncentráció, -ph kombinációt figyelembe véve (utolsó sor) Formiát Klorid Bromid Nitrát Szulfát Oxalát Foszfát 7 mm 15,2% 10,5% 7,3% 2,4% 4,6% 1,7% 2,2% 9 mm 14,6% 6,4% 4,4% 1,8% 3,7% 4,4% 0,9% 11 mm 9,3% 8,5% 5,0% 0,8% 3,7% 4,5% 0,5% 13 mm 5,9% 3,1% 3,0% 0,5% Átlag 13,2% 8,6% 5,6% 3,2% 2,3% 5,3% 1,3% nőségi információ), hanem a csúcs alakját (kinetikai információ) is becsülni képes analitikai elválasztások céljára. Ezáltal az elválasztás hatékonyan tervezhető, megfelelő felbontás érhető el akár még összetett, nehezen meghatározható környezeti minták esetén is.

100

101 4. Összefoglalás Dolgozatomban az ionkromatográfia retenciós elméletével, annak egyensúlyi és kinetikai (valószínűségi) aspektusaival foglalkoztam. Vizsgáltam szerves és szervetlen anionok (formiát, acetát, propionát, piruvát, laktát, oxalát, maleát, szukcinát, tartarát, fumarát, maleinát, klorid, nitrát és szulfát) retenciós tulajdonságait latex agglomerált pellikuláris anioncserélőn, NaOH eluens és szupresszált vezetőképességi detektálás alkalmazásával ionkromatográfiás rendszerben. Megállapítottam, hogy az állófázis felépítésének köszönhetően a funkciós csoportok egy része töltésegyensúlyban van a latex réteg mögött található negatív töltésű szulfon réteggel, így a vizsgált rendszerben nem érvényes a Lineáris oldószererősségi modell. Retenciós egyenletet vezettem le, melynek érvényességét statisztikai módszerekkel igazoltam. Az állófázis felépítésére jellemző állandót, w súlytényezőt vezettem be, mely az állófázis töltésegyensúlyban levő funkciós csoportjainak teljes ioncsere-kapacitáshoz viszonyított arányát mutatja meg. w hatását vizsgálva anionok retenciós viselkedésére megállapítottam, hogy a súlytényező maximális értéke esetén (w = 1) a mintaionok retenciós profilja egy platóval kezdődik, mely a Langmuir-típusú adszorpciós mechanizmus esetén a retenciós tényezők (k) maximumát mutatja, míg w = 0 esetén, a levezetett modell teljesen egyenrangú a Lineáris oldószererősségi modellel. Vizsgáltam egyszeresen negatív töltésű anionok retenciós viselkedését n-decil kriptand (D222) molekulát tartalmazó állófázison, NaOH és KOH eluens alkalmazásával. Megállapítottam, hogy NaOH és KOH eluens alkalmazása esetén a mintaionok retenciós profilja (k vs. c eluens ) jelentősen eltér. Előbbi esetben a retenciós tényezőknek maximuma van, míg utóbbi esetben jóval nagyobb a mintaionok oszlopon belüli visszatartása. Retenciós egyenletet vezettem le egynegatív töltésű anionok D222 molekulát tartalmazó állófázison történő viselkedésének leírására, figyelembe véve a kriptand molekula protonálódását, pozitív töltésű funkciós csoportként viselkedő alkálifém-kriptát komplex kialakulását, az így kialakult komplexen az anionok és az eluens ionok megkötődését, ill. az ezek között kialakuló ioncserét. Vizsgáltam az elválasztó oszlop ioncsere-kapacitási viszonyait, melynek alapján megállapítottam, hogy mind NaOH, mind KOH eluens esetén az oszlop ioncserekapacitásának minimuma van. Az iterációs úton meghatározott ionpár-képződési állandók értékének nagyságrendjét vizsgálva megállapítottam, hogy a K + -kriptát funkciós csoportok 89

102 90 4. Összefoglalás erős anioncserélőnek, míg a Na + -kriptát funkciós csoportok gyenge, a protonált kriptand molekulák pedig nagyon gyenge anioncserélőnek tekinthetők. A levezetett retenciós modell statisztikai értékelése során megállapítást nyert, hogy a retenciós modell alapján számított eredmények nem különböznek szignifikánsan a mért értékektől. Vizsgáltam ezek mellett a kromatográfia sztochasztikus retenciós elméletének alkalmazhatóságát az anionkromatográfiás vízanalitikai elválasztások területén. Az egyes mintaionok (klorid, bromid, nitrát, szulfát, foszfát, formiát, oxalát) csúcsalakját leíró exponenciálisan módosított Gauss görbék (EMG) paramétereit EMG függvények kromatogramra történő illesztésével határoztam meg, melyek segítségével meghatároztam az egyes mintaionok olyan molekuláris retenciós sajátságait, mint az adszorpciós-deszorpciós lépések száma (n), az egyes ion fajták állófázison történő átlagos tartózkodási ideje egy-egy megkötődés alkalmával (τ s ), illetve a mozgófázisban való átlagos tartózkodási idejük egy deszorpció és az azt követő adszorpció között (τ s ). A kapott eredmények alapján megállapítottam, hogy az egyes ionok lépésszáma csekély eltéréseket mutat, a retenciós viselkedésükben mutatkozó különbségek főként a megkötődve eltöltött idők különbségéből ered. Kiszámoltam az oszlop ioncserélő töltetein bekövetkező megkötődések gyakoriságát. Következtetésként megállapítottam, hogy a molekulák átlagosan 2-3 ioncserélő gyöngyönként kötődnek meg vándorlásuk során. Megállapítottam, hogy az egyes mintaionok az oszlop ioncserélő helyeinek csak igen kis hányadát használják fel megkötődésekre, amíg végighaladnak az oszlopon. Elméleti megfontolások alapján kapcsolatot teremtettem az ionkromatográfiában használatos többszörös eluens/minta retenciós modellel, így nem csak a kromatográfiás csúcs helyét (minőségi információ), hanem a csúcs alakját (kinetikai információ) is becsülni képes módszert dolgoztam ki. Így akár a komplex elválasztást igénylő környezeti minták elemzése is hatékonyan tervezhető, megfelelő felbontás érhető el.

103 Irodalomjegyzék [1] McNaught, A. D. and Wilkinson, A., Eds., Compendium of Chemical Terminology, International Union of Pure and Applied Chemistry, 2nd ed., [2] Snyder, L. R. and Kirkland, J. J., Bevezetés az intenzív folyadékkromatográfiába, Műszaki Könyvkiadó, [3] Snyder, L. R., Elsevier, Amsterdam, 1992; Vol. 51A of Journal of Chromatography Library; chapter 1, pages A2 A65; 1st ed. [4] Martin, A. J. P. and Synge, R. L. M., Biochem J., 1940, 375, [5] Craig, L. C., J. Biol. Chem., 1944, 155, 984. [6] Guiochon, G.; Felinger, A.; Shirazi, S. G. and Katti, A., Fundamentals of Preparative and Nonlinear Chromatography, Academic Press, Amsterdam, 2nd ed., [7] Felinger, A., Data Analysis and Signal Processing in Chromatography, Vol. 21 of Data Handling in Science and Technology, Elsevier, Amsterdam, [8] Felinger, A., LCGC North America, 2004, 22, 642. [9] Giddings, J. C. and Eyring, H., J. Phys. Chem., 1955, 59, 416. [10] Giddings, J., Dynamics of Chromatography, M. Dekker, New York, NY, [11] de Boer, J. H., The Dynamic Character of Adsorption, Oxford Press, London, UK, [12] Felinger, A.; Cavazzini, A. and Dondi, F., J. Chromatogr. A, 2004, 1043, 149. [13] Rieman, W. and Walton, H. F., Ion Exchange in Analytical Chemistry, Pergamon Press, [14] Weiss, J. and Jensen, D., Anal. Bioanal. Chem., 2003, 375, [15] Jackson, L. K.; Joyce, R. J.; Laikhtman, M. and Jackson, P. E., J. Chromatogr. A, 1998, 829,

104 92 IRODALOMJEGYZÉK [16] Gade, B., J. Chromatogr., 1993, 640, [17] Manning, D. A. C. and Bewsher, A., J. Chromatogr. A, 1997, 770, [18] Jackson, P. E., John Wiley & Sons, Chinchester, 2000; pages [19] MSZ EN ISO :1998 Vízminőség. Az oldott fluorid-, klorid-, nitrit-, bromid-, ortofoszfát-, nitrát- és szulfátanionok meghatározása ionkromatográfiával. 1. rész: Kis szennyezettségű víz vizsgálata. [20] MSZ EN ISO :1999 Vízminőség. Az oldott anionok meghatározása ionkromatográfiával. 2. rész: Bromid-, klorid-, nitrát-, nitrit-, ortofoszfát- és szulfátion meghatározása szennyvizekben. [21] MSZ EN ISO :1999 Vízminőség. Az oldott anionok meghatározása ionkromatográfiával. 3. rész: Kromát-, jodid-, szulfit-, tiocianát- és tioszulfátion meghatározása. [22] ISO :1997 Water quality Determination of dissolved anions by liquid chromatography of ions Part 4: Determination of chlorate, chloride and chlorite in water with low contamination. [23] USEPA,, Fed. Reg., 1994., 59(145), FR [24] Paull, B. and Barron, L., J. Chromatogr. A, 2004, 1046, 1 9. [25] Hunter III, E. S.; Rogers, E.; Blanton, M.; Richard, A. and Chernoff, N., Reprod. Toxycol., 2006, 21, [26] Hunter III, E. S.; Blanton, M. R.; Rogers, E. H.; Rogers, E. H.; Mole, M. L. and Chernoff, N., Reprod. Toxycol., 2006, 22, [27] Sarzanini, C.; Bruzzoniti, M. C. and Mentasti, E., J. Chromatogr. A, 1999, 850, [28] Thomas, D. H.; Rohrer, J. S.; Jackson, P. E.; Pak, T. and Scott, J. N., J. Chromatogr. A, 2002, 956, [29] Caliamanis, A.; McCormick, M. J. and Carpenter, P. D., J. Chromatogr. A, 2000, 884, [30] Karmarkar, S. V., J. Chromatogr. A, 2002, 956, [31] Schnell, S.; Ratering, S. and Jansen, K., Environ. Sci. Technol., 1998, 32, [32] Frankenberger, W.; Mehra, H. and Gjerde, D., J. Chromatogr., 1990, 504,

105 IRODALOMJEGYZÉK 93 [33] Tanaka, K.; Ohta, K.; Haddad, P. R.; Fritz, J. S.; Miyanaga, A.; Hu, W. and Hasebe, K., J. Chromatogr. A, 2000, 884, [34] Liu, Y. and Mou, S., J. Chromatogr. A, 2003, 997, [35] Wendelken, S. C.; Vanatta, L. E.; Coleman, D. E. and Munch, D. J., J. Chromatogr. A, 2006, 1118, [36] Lamb, J. D.; Simpson, D.; Jensen, B. D.; Gardner, J. S. and Peterson, Q. P., J. Chromatogr. A, 2006, 1118, [37] Hajós, P.; Révész, G.; Horváth, O. and Peer, J., J. Chrom. Science, 1996, 34, 291. [38] Henderson, I. K. S.-N. R. and Anderson, J. M., J. Chromatogr., 1990, 546, [39] Marton, A., Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1980; chapter 1. Ioncserélők és működésük, pages [40] Weiss, J., Hanbook of Ion Chromatography, Wiley-VCH, Weinnheim, 3rd ed., [41] Haddad, P. R. and Jackson, P. E., Ion Chromatography: Principles and Applications, Elsevier, Amsterdam, [42] Girard, J. E. and Glatz, J. A., Intern. Lab., 1981, 11, 62. [43] Stevenson, R. L. and Harrison, K., Am. Lab., 1981, 13, 76. [44] Lamb, J. D. and Smith, R. G., J. Chromatogr., 1991, 546, [45] Woodruff, A.; Pohl, C. A.; Bordunov, A. and Avdalovič, N., J. Chromatogr. A, 2002, 956, [46] Vanatta, L. E.; Coleman, D. E. and Woodruff, A., J. Chromatogr. A, 2003, 997, [47] Woodruff, A.; Pohl, C. A.; Bordunov, A. and Avdalovič, N., J. Chromatogr. A, 2003, 997, [48] Lamb, J. D.; Smith, R. G.; Anderson, R. C. and Mortensen, M. K., J. Chromatogr., 1994, 671, [49] Wagner, H. P.; Pepich, B. V.; Pohl, C. A.; Later, D.; Joyce, R.; Srinivasan, K.; Thomas, D.; Woodruff, A.; DeBorba, B. and Munch, D., J. Chromatogr. A, 2006, 1118, [50] Clearfield, A., Inorganic Ion Exchange Materials, CRC Press, Boca Raton, FL, [51] Hajós, P.; Horváth, O. and Denke, V., Anal. Chem., 1995, 67, 434.

106 94 IRODALOMJEGYZÉK [52] Irgum, K., Anal. Chem., 1987, 59, 358. [53] Hajós, P., J. Chromatogr. A, 1997, 789, 141. [54] Irgum, K., Anal. Chem., 1987, 59, 363. [55] Gjerde, D. T.; ; Fritz, J. S. and Schmuckler, G., J. Chromatogr., 1979, 186, 509. [56] Gjerde, D. T.; and Fritz, J. S., Anal. Chem., 1981, 53, [57] Madden, J. E. and Haddad, P. R., Anal. Chem., 2002, 74, [58] Madden, J. E. and Haddad, P. R., J. Chromatogr. A, 1998, 829, 65. [59] Madden, J. E. and Haddad, P. R., J. Chromatogr. A, 1999, 850, 29. [60] Madden, J. E. and Haddad, P. R., J. Chromatogr. A, 1999, 837, 65. [61] Gjerde, D. T.; Schmuckler, G. and Fritz, J. S., J. Chromatogr., 1980, 187, 35. [62] Hoover, T. B., Sep. Sci. Technol., 1982, 17, 195. [63] Jenke, D. R. and Pagenkopf, G. K., Anal. Chem., 1984, 56, 88. [64] Maruo, M.; Hirayama, N. and Kuwamoto, T., J. Chromatogr., 1989, 481, 314. [65] Jenke, D. R., Anal. Chem., 1994, 66, [66] Hajós, P.; Révész, G.; Sarznini, C.; Sacchero, G. and Mentasti, E., J. Chromatogr., 1993, 640, [67] Bruzzoniti, M.; Mentasti, E.; Sarzanini, C. and Hajós, P., J. Chromatogr. A, 1997, 770, 13. [68] Hajós, P. and Szikszay, É., J. Chromatogr. A, 2001, 920, 23. [69] Hajós, P.; Horváth, K.; Conca, R. and Sarzanini, C., Chromatographia, 2002, 56, 103. [70] Révész, G.; Hajós, P. and Csiszár, H., J. Chromatogr. A, 1996, 753, [71] Karger, B.; LePage, J. and Tanaka, N., Academic Press, New York, 1980; Vol. 1 of High- Performance Liquid Chromatography; chapter yy, page 41. [72] Inczédy, J., Folyamatos és automatikus analízis, Műszaki Könyvkiadó, [73] Felinger, A., Anal. Chem., 1994, 66, [74] Neue, U. D., HPLC Columns : Theory, Technology, and Practice, Wiley-VCH, vhol, 1997.

107 4. A szerző tudományos munkássága 4.1. Publikációk 1. P. Hajós, K. Horváth, R. Conca, C. Sarzanini: Histidine as a Dipolar Eluent in Ion Chromatography of Aliphatic Amines, Chromatographia, 56, 2002, , IF: K. Horváth, P. Hajós: Retention profiles and mechanism of anion separation on latexbased pellicular ion exchanger in ion chromatography, Journal of Chromatography A, 1104, 2006, 75-81, IF: M. C. Bruzzoniti, P. Hajós, K. Horváth, C. Sarzanini: Ion chromatographic retention mechanism of inorganic anions on macrocycle based stationary phase, Acta Chimica Slovenica, 54, 2007, , IF: K. Horváth, M. Olajos, A. Felinger, P. Hajós: Retention Controlling and Peak Shape Simulation in Anion Chromatography Using Multiple Equilibrium Model and Stochastic Theory, Journal of Chromatography A, on-line, doi: /j.chroma , IF: M.C. Bruzzoniti, R.M. De Carlo, K. Horváth, P. Hajós, D. Perrachon, A. Prelle, C. Sarzanini: High performance separation of haloacetic acids on macrocyclic cryptand anion exchanger, Journal of Chromatography A, közlés alatt 6. P. Hajós, K. Horváth, É. Szikszay: Ion-kromatográfia alkalmazása alifás aminok elválasztására és anionos mátrixhatás vizsgálatára, Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság (EMT) kiadványa, 2002, Egyéb közlemény: Z. Bacsik, A. Gyivicsán, K. Horváth, J. Mink: Determination of carbon monoxide concentration and total pressure in gas cavities in silica glass body of light bulbs by FTIR spectrometry, Analytical Chemistry, 78, 2006, , IF: i

108 ii 4. A szerző tudományos munkássága 4.2. Konferencia előadások Nemzetközi konferencia előadások 1. K. Horváth, P. Hajós, L. Nagy R., Conca, M.C. Bruzzoniti, C. Sarzanini:Histidine as Dipolar Eluent in Liquid Chromatography of Alkyl Amines,, Balaton Symposium 01, szeptember 2-4., Siófok 2. K. Horváth, P. Hajós: Influence of Sample Matrix Composition on the Retention of Trace Level Bromate in Ion Chromatography,, 24th International Symposium on Chromatography 2002, szeptember , Lipcse 3. K. Horváth, P. Hajós: High Performance Ion Chromatography of Aliphatic Amines using Zwitterionic Eluents and Isoelectric Conductivity Detection,, 24th International Symposium on Chromatography 2002, szeptember , Lipcse 4. K. Horváth, P. Hajós: Equilibrium Based Approach for Matrix Related Problems in Ion Chromatography,, 5th Balaton Symposium on High Performance Separation Methods, szeptember 3-5., Siófok 5. P. Hajós, K. Horváth, É. Szikszay, M.C. Bruzzoniti, C. Sarzanini: High Performance Ion Chromatography of Aliphatic Carboxylic Acids and Inorganic Anions,, Advances in Chromatography and Electrophoresis - Conferentia Chemometrica, október , Budapest 6. R. Tófalvi, K. Horváth, P. Hajós: Prediction of Conductivity detector Signal of Ions in Anion Chromatography Using Alkane Sulfonate Eluents, 12th International Symposium Advances and Applications of Chromatography in Industry, június 29-július 1., Pozsony, Szlovákia 7. K. Horváth, P. Hajos, M.C. Bruzzoniti, C. Sarzanini: Retention behaviour of common inorganic anions using cryptand based anion exchange chromatography, VIII Conferenza Nazionale di Chimica dell?ambiente e dei Beni Culturali: Governare la Complessitŕ con la Complessitŕ, július 8-11., Siena, Olaszország 8. É. Szikszay, K. Horváth, O Horváth, P. Hajós: Iterative Approach for Determination of Equilibrium Constants in Ion Exchange Chromatography, Symposium on Computer Applications and Chemometrics in Analytical Chemistry, augusztus szeptember 3., Balatonfüred

109 4.2. Konferencia előadások iii 9. L. Nagy, K. Horváth, P. Hajós, G. Nagy: Testing of Amperometric Detector Cell in HPLC - Separation of Sugars and Organic Acids, Symposium on Computer Applications and Chemometrics in Analytical Chemistry, augusztus szeptember 3., Balatonfüred 10. K. Horváth, P. Hajós, M.C. Bruzzoniti, C. Sarzanini: Retention Shift of Bromate Anion in High Ionic Matrix Using Suppressed Ion Chromatography, előadás, 17th International Ion Chromatography Symposium, szeptember , Trier, Németország 11. É. Szikszay, K. Horváth, P. Hajós: High Performance Cation Chromatography Using Histidine Dipolar Eluent, 17th International Ion Chromatography Symposium, szeptember , Trier, Németország 12. K. Horváth, É. Szikszay, P. Hajós: Computer Assisted Graphical Ways for Prediction of Retention Data in Ion Chromatography, 10th International Symposium on Separation Sciences - New Achievements in Chromatography, október , Opatija, Horvátország 13. K. Horváth, P. Hajós, M.C. Bruzzoniti, C. Sarzanini: High Performance Anion Separations Using Macrocycle Based Ion Exchanger, 10th International Symposium on Separation Sciences - New Achievements in Chromatography, október , Opatija, Horvátország 14. L. Nagy, R. Bátai, K. Horváth, P. Hajós, G. Nagy: Amperometric detector cell for HPLC separation of sugars and organic acids, 29th International Symposium on High Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques (HPLC 2005), június , Stockholm, Svédország 15. K. Horváth, M.C. Bruzzoniti, C. Sarzanini, P. Hajós: High performance ion chromatography using macrocycle based anion exchanger, 29th International Symposium on High Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques (HPLC 2005), június , Stockholm, Svédország 16. K. Horváth, P. Hajós: Comparative study of aliphatic carboxylic acid separation performed by ion-exclusion and ion chromatography, 29th International Symposium on High Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques (HPLC 2005), június , Stockholm, Svédország 17. K. Horváth, D. Perrachon, M.C. Bruzzoniti, C. Sarzanini, P. Hajós: Retention behaviour of anions in ion chromatography using macrocycle based anion exchanger, 10th EuCheMS-DCE International Conferences on Chemistry and the Environment, szeptember 4-7., Rimini, Olaszország

110 iv 4. A szerző tudományos munkássága 18. M. C. Bruzzoniti, K. Horváth, P. Hajós, D. Perrachon, C. Sarzanini: Separazione e determinazione di acidi aloacetici con fasi criptande (Separation and determination of haloacetic acids by cryptand phases), National Conference of the Italian Chemical Society, Szeptember , Firenze, Olaszország 19. K. Horváth, P. Hajós: Retention Profiles and Mechanism of Anion Separation on Latexbased Pellicular Ion Exchanger in Ion Chromatography, 19th International Ion Chromatography Symposium, szeptember , Pittsburgh, Pennsylvania, USA 20. K. Horváth, D. Perrachon, R. Tófalvi, C. Sarzanini, P. Hajós: High Performance Separation of Haloacetic Acids on Macrocycle-Based Anion-Exchanger, 19th International Ion Chromatography Symposium, szeptember , Pittsburgh, Pennsylvania, USA 21. K. Horváth, M. Olajos, P. Hajós: Integrated Description of Chromatographic Process of Anions Using Stochastic Theory and Multiple Species Analyte/Eluent Retention Model, 19th International Ion Chromatography Symposium, szeptember , Pittsburgh, Pennsylvania, USA 22. M.C. Bruzzoniti, P. Hajós, K. Horváth, C. Sarzanini: Ion Chromatography: new mechanism and modelling, 12th International Symposium on Separation Sciences, Szeptember , Lipica, Szlovénia 23. R. Tófalvi, R. M. Carlo, K. Horváth, C. Sarzanini, M.C. Bruzzoniti, P. Hajós: Simultaneous Determination of Chelating Ligands, Anions, and Cations by High Performance Anion Chromatography, 31th International Symposium on High Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques (HPLC 2007), június , Gent, Belgium 24. K. Horváth, P. Hajós, I. Varju, T. Pintér, J. Schunk: Trace Anion Chromatography of Nuclear Power Plant Borated Water, 31th International Symposium on High Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques (HPLC 2007), június , Gent, Belgium 25. K. Horváth, M. Olajos, A. Felinger, P. Hajós: Retention Controlling and Peak Shape Simulation in Anion Chromatography Using Combination of Multiple Equilibrium Model and Stochastic Theory, 31th International Symposium on High Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques (HPLC 2007), június , Gent, Belgium 26. K. Horváth, P. Hajós: Peak Shape Analysis of Multiprotic Analytes in Anion Chromatography, 7th Balaton Symposium, szeptember 5 7, Siófok

111 4.3. Az eredmények hasznosítása v 27. R. Tófalvi, R.M. Carlo, K. Horváth, C. Sarzanini, M. Bruzzoniti, P. Hajós: High Performance Anion Chromatography of Metal-Chelate Complexes, Organic and Inorganic Anions 7th Balaton Symposium, szeptember 5 7, Siófok 28. K. Horváth, P. Hajós, J. Balla, I. Bálint, O. Klug: Controlling of Chemical Stability of Electrolytic Capacitors Using RP-HPLC, Ion Chromatography and HS-GC-MS, 7th Balaton Symposium, szeptember 5 7, Siófok Nemzeti (magyar nyelvű) konferencia előadások 29. Horváth K., Hajós P.: Mátrixhatás retenciós viszonyainak számítása az anionkromatográfiában,, Elválasztástudományi Vándorgyűlés 2002, október , Lillafüred 30. Horváth K., Hajós P.: Dipoláris ioncsere-kromatográfia alifás monoaminok és kationok elválasztására,, Elválasztástudományi Vándorgyűlés 2002, október , Lillafüred 31. Hajós P., Horváth K., Szikszay É.: Ion-kromatográfia alkalmazása alifás aminok elválasztására és anionos mátrixhatás vizsgálatára, előadás, VIII. Nemzetközi Vegyészkonferencia, november , Kolozsvár 32. Horváth K., Hajós P.: Makrociklikus polimer anioncserélők alkalmazása nagyhatékonyságú ion kromatográfiában, Tavaszi Kromatográfiás Ankét, február 24., Budapest 33. Horváth K.: Makrociklusos polimer anioncserélők komplex egyensúlyai és alkalmazása haloecetsavak gyors elválasztására, MTA Anyagtudományi Bizottság Ülése - PhD hallgatók anyagtudományi napja VI., november 14-én, Pannon Egyetem, Veszprém 34. Horváth K., D. Perrachon, Tófalvi R., C. Sarzanini, Hajós P.: Haloecetsavak nagyhatékonyságú ionkromatográfiás elválasztása makrociklikus anioncserélőn, MKE Centenáriumi Vegyészkonferencia, május június 1., Sopron 35. Tófalvi R., R. M. di Carlo, Horváth K., Hajós P.:Komplexképző ligandumok, anionok és kationok szimultán analízise nagyhatékonyságú ionkromatográfiával, MKE Centenáriumi Vegyészkonferencia, május június 1., Sopron 4.3. Az eredmények hasznosítása A kutatási eredmények az alábbi projektekben való részvételem során hasznosultak.

112 vi 4. A szerző tudományos munkássága 1. Gyógyszeripari alapanyag-minták analitikai jellemzése és anyagszerkezetének vizsgálata, szeptember 2. Primerköri bórsavas hűtőközeg kloridtartalom meghatározási módszerének felülvizsgálata, statisztikai elemzése, Szekunderköri lúgos vízüzem kationtartalom meghatározási módszerének felülvizsgálata, statisztikai értékelése, Analitikai módszerek kidolgozása és alkalmazása kondenzátor elektrolit-oldatok komponenseinek vizsgálatára, GVOP , Elismerések 1. Best Poster Award: K. Horváth, P. Hajós: Equilibrium Based Approach for Matrix Related Problems in Ion Chromatography, 5th Balaton Symposium on High Performance Separation Methods, szeptember 3-5., Siófok 2. "Chromatographia" folyóirat díja fiatal kutatók részére, szeptember CEEPUS Mobility Grant, június 20., Bratislava 4. Applied Physical Chemistry Award - Halász Foundation, június 25., Stockholm 5. PhD Student Award, 19th Annual International Ion Chromatography Symposium, szeptember , Pittsburgh, Pennsylvania, USA 6. PhD Student Award, 31th International Symposium on High Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques (HPLC 2007), június , Gent, Belgium, 7. Best Poster Award, K. Horváth, P. Hajós, J. Balla, I. Bálint, O. Klug: Controlling of Chemical Stability of Electrolytic Capacitors Using RP-HPLC, Ion Chromatography and HS-GC-MS, 7th Balaton Symposium, szeptember 5 7, Siófok

113 4. Tézispontok Az elmúlt évek során, az ionkromatográfia területén elért eredményeim az alábbiak szerint foglalhatók össze. 1. SZERVES ÉS SZERVETLEN ANIONOK RETENCIÓS VISELKEDÉSÉNEK VIZSGÁLATA LATEX AGG- LOMERÁLT PELLIKULÁRIS ANIONCSERÉLŐN BÁZISOS ELUENS HASZNÁLATÁVAL. (a) Szerves és szervetlen anionok (formiát, acetát, propionát, laktát, piruvát, oxalát, maleát, szukcinát, tartarát, fumarát, maleinát, klorid, nitrát és szulfát) retenciós viselkedésének vizsgálata alapján megállapítottam, hogy: (i) az eluens koncentráció változása jelentős hatást gyakorol a mintaionok retenciós viselkedésére (növekvő eluens koncentráció csökkenő retencióhoz vezet), (ii) a szerves és szervetlen anionok retenciós tulajdonságai eltérőek, a komponensek egymástól elválaszthatók az alábbi szabályoknak megfelelően, (iii) a monokarbonsavak a dikarbonsavak előtt eluálódnak, (iv) funkciós csoportok jelenléte a retenciót növeli (pl.: piruvát vs. propionát, ill. tartarát vs. szukcinát), (v) dikarbonsavak retenciós viselkedése függ a karboxil csoportok relatív helyzetétől, azaz a geometriai izomerek elválaszthatók (pl.: maleinsav és fumársav) és (vi) a retenció nagyobb, ha π-kötés található a molekulán belül. (b) A mintaionok retenciós profiljának (lgk vs. lgc OH ) vizsgálata alapján megállapítottam, hogy a Lineáris oldószererősségi modell nem érvényes latex agglomerált pellikuláris anioncserélők esetén. 2. SZERVES ÉS SZERVETLEN ANIONOK RETENCIÓS VISELKEDÉSÉNEK LEÍRÁSA KÉMIAI EGYEN- SÚLYOKON ALAPULÓ EGYENLETEKKEL LATEX AGGLOMERÁLT PELLIKULÁRIS ANIONCSERÉLŐ ESETÉBEN. RETENCIÓS ADATOK BECSLÉSE, SZÁMÍTÁSA. (a) A latex agglomerált pellikuláris anioncserélő szerkezetéből adódóan az állófázist két részre bontottam. A funkciós csoportok egy része töltésegyensúlyban van a latex réteg mögött található negatív töltésű szulfonált réteggel. Az állófázis felépítésére jellemző állandót, w súlytényezőt vezettem be, mely az állófázis töltésegyensúlyban levő funkciós csoportjainak a teljes ioncsere-kapacitáshoz viszonyított arányát mutatja meg. vii

114 viii 4. Tézispontok (b) A vizsgált anionok retenciós viselkedését leíró egyszerűsített egyenletet vezettem le, amelyben a retenciót meghatározó egyensúlyi folyamatokra jellemző, új paramétereket (K OH, K A, K A/OH ) vezettem be. A modell érvényességét statisztikailag igazoltam a mért és számított adatok összehasonlításával. (c) A w súlytényező hatását vizsgálva anionok retenciós profiljára megállapítottam, hogy a súlytényező maximális értéke (w = 1) esetén a mintaionok retenciós profilja egy platóval kezdődik, mely a Langmuir-típusú adszorpciós mechanizmus esetén a retenciós tényezők (k) maximumát mutatja, míg w = 0 esetén, a modell teljesen egyenrangú a lineáris oldószererősségi modellel. 3. EGYSZERESEN NEGATÍV TÖLTÉSŰ ANIONOK RETENCIÓS VISELKEDÉSÉNEK VIZSGÁLATA N- DECIL KRIPTAND (D222) MOLEKULÁT TARTALMAZÓ ÁLLÓFÁZISON, BÁZISOS ELUENS ALKALMAZÁSÁVAL. (a) Egyszeresen negatív töltésű anionok (bromát, klorid, nitrit, bromid, nitrát) retenciós viselkedését vizsgálva megállapítottam, hogy NaOH eluens használata esetén a vizsgált ionok retenciós tényezőinek maximuma van 3 4 mm eluens koncentrációnál, azaz több olyan NaOH koncentrációpár létezik, melyek esetén az egyes komponensek retenciója megegyezik. Ezek a koncentráció párok azonban az egyes anionok esetén különbözőek. KOH használatakor a vizsgált eluenskoncentráció tartományban (1 100mM) nincs a retenciós tényezőknek maximuma. Mindezekből az következik, hogy az oszlopban lezajló retenciós folyamatok mintaion függőek és meglehetősen komplexek. (b) Megállapítottam, hogy azonos koncentrációjú NaOH eluens használata esetén a vizsgált anionok retenciós tényezője kisebb, mint KOH használatakor. Mindez a Na + és K + ionok kriptand molekulával képzett komplex stabilitási állandójának különbsége folytán kialakuló eltérő ioncsere-kapacitással magyarázható. Ennek köszönhetően, a mintaionok retenciós tulajdonságaitól függően, az eluens típusának és koncentrációjának megválasztásával oszlop ioncsere kapacitása az optimális értékre beállítható. 4. EGYSZERESEN NEGATÍV TÖLTÉSŰ ANIONOK RETENCIÓS VISELKEDÉSÉNEK LEÍRÁSA KÉMIAI EGYENSÚLYOKON ALAPULÓ EGYENLETEKKEL D222 MAKROCIKLIKUS MOLEKULÁT TARTAL- MAZÓ ÁLLÓFÁZIS ESETÉBEN. RETENCIÓS ADATOK SZÁMÍTÁSA. (a) Retenciós egyenletet vezettem le egyszeresen negatív töltésű anionok D222 molekulát tartalmazó állófázison történő viselkedésének leírására, figyelembe véve a kriptand molekula protonálódását, pozitív töltésű funkciós csoportként viselkedő alkálifém-kriptát komplex kialakulását, az így kialakult komplexen az anionok és az

115 ix eluens ionok megkötődését, ill. az ezek között kialakuló ioncserét. Kísérleti adatbázis alapján, iterációs úton meghatároztam a retenciós modellben szereplő egyensúlyi paramétereket. A modell alkalmazhatóságát statisztikai módszerekkel igazoltam a mért és számított adatok összehasonlításával. (b) A meghatározott protonálódási és komplex stabilitási állandók segítségével vizsgáltam az elválasztó oszlop ioncsere-kapacitási viszonyait, melynek alapján megállapítottam, hogy mind NaOH, mind KOH eluens esetén az oszlop ioncsere-kapacitásának minimuma van. Előbbi esetben 3, M, utóbbi esetben 6, M eluenskoncentrációnál figyelhető meg. A KOH eluens használata esetén az oszlopon található funkciós csoportok száma minden esetben nagyobb, mint NaOH esetén. Ez a különbség 4, M eluenskoncentráció értéknél a legnagyobb (2,5-szeres). (c) Az ionpárképződési állandók értékének nagyságrendjét vizsgálva megállapítható, hogy a K + -kriptát funkciós csoportok erős anioncserélőnek, míg a Na + -kriptát funkciós csoportok gyenge, a protonált kriptand molekulák pedig nagyon gyenge anioncserélőnek tekinthetők. Ezek az állófázisok előnyösen alkalmazhatók nagy retenciójú szervetlen anionok és haloecetsavak analitikai elválasztására. 5. A KROMATOGRÁFIA SZTOCHASZTIKUS RETENCIÓS ELMÉLETÉNEK ALKALMAZÁSA ANIONKRO- MATOGRÁFIÁS VÍZANALITIKAI ELVÁLASZTÁSOK TERÜLETÉN. (a) A sztochasztikus elmélet felhasználásával, a momentumok módszerének segítségével meghatároztam az egyes mintaionok olyan molekuláris retenciós sajátságait, mint az adszorpciós-deszorpciós lépések száma (n), az egyes ion fajták állófázison történő átlagos tartózkodási ideje egy-egy megkötődés alkalmával (τ s ), illetve a mozgófázisban való átlagos tartózkodási idejük egy deszorpció és az azt követő adszorpció között (τ s m). Ezen adatok közvetlenül összefüggésbe hozhatók a retenciót megszabó folyamatok kinetikai állandóival, és nagyban meghatározzák az elválasztás hatékonyságát (bázisszélesség, tányérszám). A kapott eredmények alapján megállapítottam, hogy az egyes ionok lépésszáma csekély eltéréseket mutat, a retenciós viselkedésükben mutatkozó különbségek főként a megkötődve eltöltött idők különbségéből erednek. (b) A meghatározott valószínűségi paraméterek alapján kiszámoltam az oszlop ioncserélő töltetein bekövetkező megkötődések gyakoriságát. Következtetésként megállapítottam, hogy az oszlop egy miliméterére vonatkoztatva a molekulák átlagosan alkalommal kötődnek meg az állófázison, és egy-egy megkötődés alkalmával várhatóan msec időt töltenek el ott. A megkötődési gyakoriságuk elsősorban a ph függvénye, az eluenskoncentráció kevésbé befolyásolja. Megállapítottam, hogy az egyes mintaionok az oszlop ioncserélő helyeinek csak igen kis hányadát használják

116 x 4. Tézispontok fel. Az eredményeket összehasonlítva az RP-HPLC-ben jellemző értékekkel megállapítható, hogy a megkötődések számának várható értéke jóval nagyobb (2 3 ), a tartózkodási időké pedig lényegesen kisebb ( 0,5 ) RP-HPLC-ben, mint a vizsgált anionkromatográfiás rendszerben. Mindez az allófázisok hordozói, a sztirol-divinilbenzol polimer és a szilikagél közti anyagátadással szembeni eltérő ellenállásából és a mintakomponensek megkötődési-entalpia változásának különbségéből fakad. (c) Elméleti megfontolások alapján kapcsolatot teremtettem az ionkromatográfiában használatos, Hajós és munkatársai által kidolgozott többszörös eluens/minta retenciós modellel. Így nem csak a kromatográfiás csúcs helyét (minőségi információ), hanem a csúcs alakját (kinetikai információ) is becsülni képes módszert adok meg az analitikai elválasztások céljára. Így akár a komplex elválasztást igénylő környezeti minták elemzése is hatékonyan tervezhető, megfelelő felbontás érhető el.

117 4. Theses The main results of dissertation are summarized in the following thesis points. 1. INVESTIGATION OF RETENTION BEHAVIOR OF ORGANIC AND INORGANIC ANIONS ON LATEX- AGGLOMERATED PELLICULAR STATIONARY PHASE. (a) On the basis of the investigation of the retention of organic and inorganic anions (formic-, acetic-, propionic-, lactic-, pyruvic-, oxalic-, succinic-, tartaric-, fumaric-, maleic acid, chloride, nitrate, and sulphate) it was concluded that: (i) the concentration of the eluent had a significant effect on the retention behavior of the anions (increasing eluent concentration leaded to decreasing retention coefficient), (ii) the retention behavior of the organic and inorganic anions were different, those could be separated, (iii) monocarboxylic acids eluted before dicarboxylic acids, (iv) presence of functional groups increased the retention (pl.: pyruvate vs. propionate, ill. tartarate vs. succinate), (v) retention of dicarboxylic acids depended on the position of the carboxylic groups, the geometric isomers could be separated (pl.: maleic and fumaric acid) and (vi) retention were higher in the presence of π bond in the molecule. (b) Examining the retention profiles (lgk vs. lgc OH ) of the analyte anions it was shown that the Linear solvent strength model were not valid in case of latex-agglomerated pellicular anion exchangers. 2. DESCRIPTION OF THE BEHAVIOUR OF ORGANIC AND INORGANIC ANIONS ON LATEX- AGGLOMERATED ANION EXCHANGERS. ESTIMATION AND CALCULATION OF RETENTION DA- TA. (a) The stationary phase was divided into two parts. Due to the sulfonic layer behind the aminated functional groups a part of the anion exchange capacity was in charge balance partially with the sulfonic groups. As a new parameter the fractional electrostatic coefficient, w, of the ion exchange capacity was introduced referring to the ratio of the anion-exchange functional groups were in charge balance with the sulfonic layer. xi

118 xii 4. Theses (b) A retention model was developed in order to describe retention behavior of inorganic and organic anions on latex-agglomerated pellicular ion exchangers. The predictive power of the model was verified by statistical methods. (c) The effect of w on the retention profile of anions showed that when w was equal to 0 the developed model was equivalent to the Linear solvent stregnth model. At maximum value of fractional coefficient the retention profiles started with a plateau that represented the limiting capacity factor of the analyte with a Langmuirian adsorption behavior. 3. INVESTIGATION OF THE RETENTION BEHAVIOR OF MONOVALENT ANIONS ON MACROCYCLE- BASED ANION EXCHANGER USING NAOH AND KOH ELUENT. (a) By the investigation of the retention behavior of monovalent anions (bromate, chloride, nitrite, bromide, nitrate) on macrocycle-based anion exchanger it was established that their retention factors had a maximum at 3 4mM eluent concentrations. In case of KOH eluent the retention factors followed only a decreasing profile. The results indicated the retention processes were rather complex and sample dependent. (b) By comparing the retention data of inorganic anions it was observed that using KOH the retention factors were much greater than in the case of NaOH at the same eluent concentration. This effect was related to the different ion-exchange capacity of the column owing to the the different binding constants of the eluent cations (Na +, K + ) toward the macrocycle molecule attached to the stationary phase. 4. DESCRIPTION OF ION CHROMATOGRAPHIC RETENTION MECHANISM OF INORGANIC ANIONS ON MACROCYCLE BASED STATIONARY PHASE. PREDICTION OF RETENTION DATA. (a) Considering the complexation and protonation mechanisms a theoretical retention model and a general equation were developed for describing the retention behavior of monovalent anions on macrocycle-based stationary phase. The parameters of the model were iterated on the basis of the experimental database. The validity of the derived retention model was confirmed by statistical evaluation. (b) Using the iterated equilibrium constants the ion-exchange capacity of the column was investigated as a function of eluent concentration. It was concluded that using either NaOH or KOH eluent the ion-exchange capacity had a minimum at 3, M (NaOH) and 6, M (KOH) eluent concentration. In case of KOH eluent the ion-exchange capacity of the column was higher than in case of NaOH eluent. The difference was the highest at 4, M eluent concentration (2.5 ).

119 xiii (c) By investigating the magnitude of the ion-pair formation coefficients it was concluded that the K + -cryptate and Na + -cryptate complexes behaved as strong and weak functional groups, while the protonated cryptand molecules acted as very veak anion excahgers. 5. INVESTIGATION OF THE APPLICABILITY OF THE STOCHASTIC THEORY IN THE FIELD OF AN- ION CHROMATOGRAPHY. (a) The stochastic parameters of the eluted anions, such as the residence time of the molecule on the surface of the stationary phase (τ s ) during one adsorption event, and the average number of adsorption steps (n) were calculated on the basis of a retention database of organic and inorganic anions. These parameters could be related to the kinetic parameters of the retention processes that influenced the efficiency of the separation. It was shown that the retention of the analytes, and the selectivity of the separation was primarily due to the variation of τ s, the number of sorption steps did not affect it significantly. (b) The adsorption frequency of the analyte anions was calculated on the basis of the determined stochastic parameters. It was established that an ion adsorbed times on one millimeter of the column. The adsorption frequency mainly depended on the ph of the stationary phase. It was established that an ion visited only a tiny fraction of the ionexchange capacity of the stationary phase. The comparison of the investigated IC system with RP-HPLC on the basis of the determined stochastic parameters showed that the mass transfer resistance of the stationary phase and the adsorption strength of an ion to the functional groups were higher in IC. (c) The stochastic theory and the multiple species eluent/analyte retention model were integrated on theoretical considerations. By simultaneous application of the two theories full chromatograms (retention time and peak shape) of a sample mixture can be predicted.

120

121 Köszönetnyilvánítás Köszönettel tartozom témavezetőmnek, Dr. Hajós Péter egyetemi docensnek a témába való bevezetésért, támogatásáért, bizalmáért. Dr. Corrado Sarzanininek, Dr. Maria C. Bruzzonitinek (Torinoi Egyetem) szakmai segítségéért, vendéglátásáért. Dr. Felinger Attilának szakmai tanácsaiért. Ebben a témakörben diplomázó és TDK-zó hallgatóknak, Tófalvi Renátának, Miskolczi Józsefnek, Vajda Tibornak, Olajos Marcellnek és Budai Zsoltnak, valamint Varga Erzsébet tanszéki mérnöknek, hogy munkámat segítették. xv

122