Fekete Jenő. Ionkromatográfiaés ioncserés alapfogalmak

Átírás

1 Fekete Jenő Ionkromatográfiaés ioncserés alapfogalmak Irodalmak Dr. Fekete Jenő: A folyadékkromatográfia elmélete és gyakorlata, Műszer és Mérésügyi Közlemények, 37. évfolyam, 67. szám, 2001 FeketeJenő-HeteGabriella-Ritz Ferenc: Ionok meghatározásának korszerű módszerei Ionkromatográf felépítése Az ionelnyomásos (suppressed) (A), és az elektrokémiailag regenerált ionelnyomó(electrically regenerated ion-suppressor, ERIS) elvi felépítése (B). Jelölések: 1-mozgófázist szállító nagynyomású szivattyú, 2-mintaadagoló, 3-ioncserélőkolonna, 4-nagy ioncserélőkapacitásúkolonna, 4A-azonos a 4.-el, 4B-elektrokémiailag regenerált kolonna, 5-vezetőképességi detektor

2 Az ionkromatográfiaazelválasztási módszerek azon ága, amelyben az egyes komponenseket ionos állapotban határozzuk meg A gyakorlatban ionkromatográfiaalatt azon módszereket értjük, amelyekkel szervetlen anionokat, kationokat, hidrofil savakat és bázisokat választunk el. Az ionelnyomásos (suppressedion chromatography) folyadékkromatográfiás rendszer felépítése. Eltérés a hagyományos folyadékkromatográftól:kolonna utáni származékképzés (post column reactor) mozgó fázis nagynyomású szivattyú mintaadagoló kolonna ionelnyomó reaktor detektor Készülék felépítés az egy kolonnás (non suppressed ionchromatography) ion meghatározásnál. Hagyományos folyadékkromatográfiás elrendezés! Eltérés, hogy anioncserélőt és CD-t használunk! mozgó fázis nagynyomású szivattyú mintaadagoló kolonna detektor

3 nem ionelnyomásos ionkromatográfia(nonsuppressed ion chromatography) egykolonnás ionkromatográfia(single Column Ion Chromatography, SCIC) elektromosan ionelnyomott ionkromatográfia (electronically-suppressedion chromatography) Az ionkromatográfiát a hagyományos folyadékkromatográfiától a következők különböztetik meg: kis ioncserélő kapacitású töltetek alkalmazása vezetőképességi detektor alkalmazása az összes anion egy időben történő méréséhez anioncserélők, jellemzőjük, hogy az állófázis felületén rögzített pozitív töltésűcsoportok vannak az elválasztás körülményei között kationcserélők, jellemzőjük, hogy az állófázis felületén rögzített negatív töltések találhatók az elválasztás körülményei között

4 Erős anioncserélő gyanta (állófázis) szerkezete gyanta fázis vagy alapfázis + N - O H ellenion ioncserélı Erős anioncserélők azok, amelyek ioncserélő kapacitása független a mozgófázis (eluens) ph értékétől. Ilyenek a kvaterner-ammónium vegyületek,ezeket használjuk az anionok elválasztására Gyenge ioncserélő csoport protonálódási folyamata gyanta fázis CH3 N + H + H amino proton H + CH3 N H amino csoport

5 A gyenge anioncserélőkapacitásának függése a mozgófázis ph értékétől Io n c s e r é lı k a p a c i t á s m e q / g + N H C H 3 H + N H C H 3 H I. I I. N I I I C H 3 H N C H 3 H p K b p H A szilikagél kémiai módosításával készített ioncserélő reaktív szilanol csoportok CH 3 Si OH CH 3 Si O Si O Si OH + Cl Si O Si OH CH 3 CH 3 szilikagél része szilárd reaktív szilán CH 3 cc. H 2 SO 4 Si O Si SO 3- H + O Si OH CH 3 Gyenge kationcserélő állófázis szerkezete COOH pka COO - + H + gyanta fázis vagy alapfázis kationcserélı csoport

6 Az ioncserélőkapacitás függése a mozgófázis ph értékétől Ioncserélı COO - meq/g COOH COOH COO - III. II. I. pk a ph Szerves polimer alapú(gyanta) ionkromatográfiában használt töltetek csoportosítása Felületén módosított ioncserélők. a) kationcserélő, b) anioncserélő.

7 A felületi ioncserélők ioncserélő kapacitása kis értékű. Az elválasztás szabályozásához kevés iont kell a mozgófázisba tenni! Elektrosztatikus erővel összetartott kis ioncserélő kapacitású töltet A KIS IONCSERÉLŐKAPACITÁS ALAPVETŐAZ ION ELTÁVOLÍTÁS MIATT!

8 Elektrokémiai ionelnyomó működési elve (SUPPRESSOR) Kation eltávolítási reakció Az elketrokémiai ionelnyomóban a kationcserélő csoportok a membrán pórusaiban vannak. 1. gyanta SZT- DVB SO3 - H + SO3 - H + + K + SO3 - K + + H + hidrogén formában lévõ erõs kationcserélõ A víz vezetése elhanyagolható: K= Szénsav: K=10-6,8, vízben csak részben oldódik Ez a reakciólehetővéteszi a grádienselúcióalkalmazását! Grádienselúciótcsak az ionelnyomásos(suppressed) módszerrel lehet. 2. H + + OH - H 2 O Semlegesítési reakció. (háttérvezetés csökkentése)

9 A szervetlen ionok savként eluálódnak! Gyenge sav anionjainál ez detektálási problémát jelent! 3. H + + A - HA meghatározandó detektorban mért anion komponens A detektálás érzékenységét növelı reakció. Elvárások a mozgófázissal szemben mozgófázis kationjának kvantitatív módon hidrogénionra kell cserélődnie az ionelnyomó reaktorban mozgófázis anionjának gyors reakcióban kis vezetésű vegyületté kell alakulnia mozgófázis anionjának kis affinitásúnak kell lennie az anioncserélőhöz, hogy az anionok visszatartása megfelelő legyen mozgófázis anion koncentrációjának olyan kis mértékűnek kell lenni, amely az ionelnyomóreaktor ioncserélő kapacitását nem haladja meg protonáltanionnak disszociált formában kell lenni, amikor az ionelnyomó reaktorból távozik Anion affinitási sorrend: OH -, F -, Cl -, Br -, NO 2 -, NO 3 -, HPO 4 2-, SO4 2-, I -, ClO 4 -, BrO 3 - Alapelv: elúció definíciójából következik!

10 Kompatibilitás a detektálási móddal! Használt detektorok: CD, minden ion, UV-VIS, jodid,nitrát, nitrit, közvetlen (direkt) ED, jodid,cianid,nitrit CAD, minden ion, de csak a non-suppressed IC ELSD, minden ion, de csak a non-suppressed IC MS, minden ion, de csak a non-suppressed IC RI, indirekt UV, minden ion Detektor kiegészítés Eddig ismeretek: CD, UV-VIS Lehetséges elektrokémiai folyamatok, amelyek detektálásra felhasználhatók Emlékeztető

11 Vékonyréteg cellás elektrokémiai detektor felépítése Mérőelektród: üveges szén,nemes fémek Pt segéd elektród Ag/AgCl viszonyító elektród zárólapok kivágott teflon fólia 10 um mozgófázis a kolonnáról mérõ elektród Kis térfogatú wall-jet cella mérési elve Pt segédelektród Ag/AgCl viszonyító elektród mérõ elektród mozgófázis a kolonnáról Csak suppressed IC ELSD készülék vázlata

12 Korona kisülési aeroszól detektor Fényelhajlás elvén működő RI detektor tükör mérõág kolonnáról lencse rés fényforrás referenciaág fotodiód optikai nullázó Mozgófázisok az ionkromatográfiában

13 Elvárások és beállítandó paraméterek a mozgófázisnak kompatibilisnek kell lennie a detektálási móddal a mozgófázis ph értékét a puffer kapacitását az eluenserősséget a komplexképzésre való affinitást a mozgófázis szerves komponensének minőségét és koncentrációját az ellenion minőségét és koncentrációját Anionok meghatározásakor a mozgófázisba tett gyenge savak disszociációja (ionizációja) ph függı változás (növekedés) töltésszám változás H + H + H + HnA Hn-1A - Hn-2A 2- Hn-3A 3- K1 K2 K3 eluenserısség növekedés Pufferkapacitás A mozgófázis pufferkapacitása a puffert alkotó gyenge sav (bázis) pk a értéke körül a legnagyobb. A minták ph értéke általában nem egyezik meg a mozgófáziséval. Ez a hatás ún. rendszercsúcsot és csúcsszélesedést okoz.

14 Szerves oldószer hatása A visszatartás és a szelektivitás befolyásolására metanolt, etanolt, butanolt, glicerint és acetonitriltkell adni a pufferhez. Ezek a szerves oldószerek adszorbeálódnak az állófázis felületén. Mindazon ionok visszatartása és szelektivitása változni fog, amelyeknél a retenciót az állófázis hidrofób részével történő kölcsönhatás befolyásolja. Az ellenion minőségének és koncentrációjának hatása Az ioncsere egyensúlyi folyamat, amelyben a meghatározandókomponens verseng amozgófázisban találhatóellenionnal ennek a folyamatnak az eredménye megszabja a visszatartást és a szelektivitást. Mozgófázisok a kémiai ionelnyomásos ionkromatográfiában (suppressed ionchromatography) mozgófázis kationjának kvantitatív módon hidrogénionra kell cserélődnie az ionelnyomó reaktorban mozgófázis anionjának gyors reakcióban kis vezetésű vegyületté kell alakulnia mozgófázis anionjának kis affinitásúnak kell lennie az anioncserélőhöz, hogy az anionok visszatartása megfelelő legyen mozgófázis anion koncentrációjának olyan kis mértékűnek kell lenni, amely az ionelnyomóreaktor ioncserélő kapacitását nem haladja meg protonáltanionnak disszociált formában kell lenni, amikor az ionelnyomó reaktorból távozik

15 Legtöbbet használt mozgófázisok: KOH 1,0-2,0 mmol/dm3 Na 2 CO 3 1,0-2,0 mmol/dm3 Elektrokémiai ionelnyomó működési elve Na 2CO 3 NaHCO3 eluens SO3 - H + SO3 - Na + Na + Na + H + H + anód katód

16 Egy kolonnás ionkromatográf Készülék felépítés az egy kolonnás (non suppressed ionchromatography) ion meghatározásnál. Hagyományos folyadékkromatográfiás elrendezés! Eltérés, hogy anioncserélőt és CD-t használunk! mozgó fázis nagynyomású szivattyú mintaadagoló kolonna detektor Állófázisok megegyeznek a suppressed -nél használtakkal! Kis ioncserélő kapacitás alapvető!

17 Mozgófázisok az egykolonnás ionkromatográfiában benzoesav o-ftálsav trimezilsav citromsav borkősav glükonsav Ezek lesznek az ellenionok! Az o-ftálsav ionizációjának és eluenserősségének függése a mozgófázis ph értékétől Vezetés: arányos a töltésszámmal és az ion mozgékonyságával! Stokes törvény!

18 Öt elektródás vezetés mérés Jel kialakulása az egykolonnás ionkromatográfiában λ háttérvezetés anion vezetés jelnagyság I λ E- λ S1- negatív jelnagyság λ S2 - II t Bipoláris pulzus technika + U A U -I m érés t rendezett töltések hagyom ányos m érésnél rendezett töltések kiterjedése bipoláris pulzustechnikával

19 A háttérabszorbancia Cl - SO 4 2- A közvetlen (direkt) II. közvetett (indirekt) I. N O 2 - N O 3 - t t