BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM Ionos anyagok elválasztása Beszámoló az Elválasztástechnika című tárgy keretein belül kapott feladatról Kónya Brigitta; Nyári Mária 2013.05.01. Membrántechnikák, fémionok elválasztása, ionkromatográfia, tömegspektroszkópiai módszerek
Bevezetés és célkitűzés A párban elvégzendő feladatul ionos anyagok elválasztását kaptuk. A téma meglehetősen fontos és széleskörű, hiszen nem korlátozódik egyetlen technikai megoldásra. Nem korlátozódik, hiszen nem is lenne lehetséges minden esetre univerzális megoldást találni. A kiválasztott technika minden esetben az adott körülmények figyelembe vétele mellett kell, hogy optimális legyen. Ionos anyagok elválasztása gyakran lehet követelmény, és egymástól teljesen különböző területeken merülhet fel ez az igény. Szennyvízkezelés, gyógyszeripar, élelmiszeripar, orvostudomány csak néhány felmerülő lehetőség. A kationok és anionok egymás melletti zavartalan meghatározása alapvető analitikai igény. A beszámoló célja, hogy a rendelkezésre álló módszereket áttekintse, támpontot nyújtson ahhoz, hogy mikor célszerű az egyik és mikor a másik módszert választanunk. Ehhez külföldi irodalomból hozunk példákat különböző módszerekről, majd részletesebben kifejtjük az ionkromatográfia és a kapilláris elektroforézis módszerét. 2
Irodalmi áttekintés Ahogy a bevezetőben is írtuk sokféle ion (szerves és szervetlen) sokféle mátrixból (élelmiszer, elektrolit stb.), különböző mennyiségben (nyomnyi, főtömeg stb.) fordulhat elő, így számos lehetőség kínálkozik a feladat megoldására. Ezt találtuk az irodalomban is, ahol külföldi kutatók munkáit böngészve kerestünk lehetséges megoldásokat. Az irodalmi példák jelentős része foglalkozik alkálifém és alkáliföldfém ionok elválasztásával, különböző technikákkal. Belga kutatók elektrokémiai úton választottak el egymástól egy-és többértékű ionokat elektrodialízissel és nanoszűréssel. Öt szintetikus sóoldatot vizsgáltak (NaCl, Na 2 SO 4, MgCl 2, MgSO 4, NaNO 3 ).Két kombinációban készítették el az anionos és a kationos cserélő membránt. Azt tapasztalták, hogy az elválasztás elektrodialízis esetén főleg a gyanta minőségétől függött. Egyértékű ionok elválasztása gyorsabban történt a többértékűekhez képest, valamint a nitrát elválasztása több időt vett igénybe, mint a kloridé. Nanoszűrésnél az ion töltése és a membrán pórusának mérete volt a meghatározó. Mindkét módszerrel a kationok elválasztása bizonyult eredményesebbnek az anionokhoz képest. Megfigyelték továbbá, hogy a kisebb pórusú membránnal nagyobb szelektivitást érhetnek el, valamint elektrodialízis esetén lényeges az ellenion minősége is.[1] Bipoláris membránnal történő elválasztást vizsgáltak Toshinori és munkatársai egyértékű kationok és anionok esetében reverzozmózissal. Tapasztalataik szerint az egyértékű ionoknál megnő a permszelektivitás. Javaslatot tettek a membrán optimális töltöttségére a mesterséges tengervíz valamint az egyértékű ionokat tartalmazó elektrolitok vizsgálata alapján.[2] Ugyancsak alkáli- és alkáliföldfém ionokat választottak el poliakril illetve polimetakrilát gyantán Ivanovék Moszkvában. Vizsgálták a hőmérséklet hatását az elválasztásra, és megnézték a szulfonsavcsoportot tartalmazó gyanták viselkedését is. Az ioncserélőt két szűrő közé helyezték.[3] Szintén Ivanov és munkatársai vizsgálták alkáli- és alkáliföldfém ionok elválasztási lehetőségeit természetes és mesterséges zeolitok alkalmazásával. A módszer előnyeként említik, hogy nem igényel reagenst. A kísérletsorozatot K 2 SO 4 Na 2 SO 4 illetve CsCl-NaCl keverékeken végezték. Az elválasztás nehézségét az ionok hasonló fizikai és kémiai tulajdonsága okozza. A kettős hőmérsékletű technikákkal zeolitokat alkalmazva sikerült megoldaniuk a problémát.[4] Aktinidák és lantanidák elválasztását valósították meg japán kutatók radioaktív szennyvízből. Háromvegyértékű Am-t PUREX-eljárással szeparálták. A kísérletekben megnézték kelátképző anyag hatását az elválasztásra (diizobutil-karbomoil-foszfin-oxid), ezzel módosították a szilika ioncserélő felületét. A kísérletben Sr-t és Cs-t is szeparáltak.[5] Az irodalomban kromatográfiás módszerekre is bőven találunk példát.[6,7,8,9,10] Gyors ioncserés elválasztást dolgoztak ki szervetlen ionokhoz Sarah Pelletier és Charles A. Lucy. Rövid szilika alapú monolit töltetes oszlopot módosítottak didodecil-dimetil-ammóniumbromiddal. A módszer alkalmas jodát, klorid, nitrát, bromid, nitrit, foszfát, és szulfát ion elválasztására. A kutatók a méréseket különböző ph-n (7,3-7,4; 5,6) vizsgálták.[6] Organikus ionok elválasztására is találunk példát, hiszen ez is gyakori feladat. Alacsony molekulatömegű szerves savak ionjait választották el kétdimenziós kromatográfiás módszerrel Brudinék. Ionkromatográfot és fordított fázisú folyadékkromatográfot kapcsoltak, 3
és huszonnégy alacsony molekulatömegű anyagra optimálták az elválasztást. Közel ortogonális, robosztus módszert fejlesztettek, borra, narancslére és joghurtra. További előnye a módszernek, hogy nem károsítja az RP-oszlopot. [7] 4
Elméleti áttekintés, ioncserés technikák [11] 1. Az ionkizárásos kromatográfia A módszer jellemzője, hogy a vizsgált anyag ionvisszaszorított állapotban tud bejutni az állófázis pórusaiba, ellenkező esetben taszítás lépne fel az egyező töltések miatt az ion és az ioncserélő között. A nagy ioncserélő-kapacitású kation- vagy ritkábban anioncserélők közös jellemzője, hogy az ioncserélő kapacitása független a mozgófázis ph értékétől, és a töltetek kevésbé nyomástűrők. 1.1. Kationcserélők Savas és kromatográfiásan semleges vegyületek elválasztására kationcserélő kolonnát alkalmaznak. Az elválasztás során biztosítani kell, hogy az ioncserélő csoportok H-formában legyenek, erre híg kénsavat célszerű alkalmazni. Az elválasztható vegyületcsoportok a következők: 1. ábra: Savas és kromatográfiásan semleges vegyületek elválasztása kationcserélő kolonnán. Az alifás szerves savak visszatartása növekvő pka függvényében nő. Ha az alkillánc túl hosszú a vízben való oldhatóság lecsökken, a molekula jobban szorbeálódik az állófázison lévő apoláris felületen, így megnő a retenció. Ennek elkerülésére maximum 30 %-ban szerves oldószer alkalmazható, ennél több szerves oldószer adagolása esetén az állófázis megduzzad és csökken nyomástűrő képessége. A retenciót a H-hidas kölcsönhatások is befolyásolják. Az alkoholok és szénhidrátok molekuláris állapota független a ph-tól, ezért akadály nélkül behatolnak az ioncserélő pórusaiba, és hidrofób felületen kötődnek vagy H-kötést alakítanak ki. A savak vízoldékonyabbak, ezért kisebb lesz a retenciójuk. A több OH-csoportot tartalmazó cukrok később eluálódnak, több H-kötés kialakítására képesek. A retenciós sorrend így: cukor, sav, alkohol. Ez a módszer jól alkalmazható fermentációs minták elemzésekor, szeszesital és üdítőital gyártás során. 1.2. Anioncserélők Az anioncserélők funkciós csoportjai kvaterner ammóniumsók és a mozgófázis NaOH. Főképp az élelmiszeriparban, például halhús minősítésére használják. 2. Az ionkromatográfia Főképp szervetlen anionok összetett mátrixban való meghatározására használják, számos jelentős területen alkalmazzák, például ásványvíz vizsgálatára. Három ionkromatográfiás 5
módszer áll rendelkezésünkre: egykolonnás (non-supressed) vagy kémiai ionelnymásos (supressed), kétkolonnás ionkromatográfia (elavult), háromkolonnás elektrokémiai ionelnyomóval felszerelt ionkromatográfia. Új módszer az elektromosan polarizált ioncserélő. 2. ábra az ionelnyomásos folyadékkromatográfiás rendszer felépítése Jellemzőjük, hogy kis ioncserélő kapacitásúak a töltetek, a vezetőképességi detektor az összes anion egy időben történő méréséhez használható. 2.1. Használatos állófázisok Az anioncserélők jellemzője, hogy az állófázis felületén rögzített pozitív töltésű csoportok, míg kationcserélőknél negatív töltésű csoportok vannak. Továbbá ph függésük alapján lehetnek erős vagy gyenge ioncserélők. Az erős anioncserélők kapacitása független a mozgófázis ph értékétől, például kvaterner ammónium vegyületek. 3. ábra erős anioncserélő gyanta szerkezete Az ioncserélők általában szerves polimer alapúak, melyeket általánosan gyantáknak nevezünk. A gyenge anioncserélők ph függők, mint például az aminok. 4. ábra gyenge ioncserélő csoport protonálódása Az amino csoport pk b értékéhez képest ha a mozgófázis ph-ja 2 értékkel kisebb, elérhető a teljes ioncserélő kapacitás, ha 2 egységgel nagyobb, akkor a kapacitás nullává válik, ha közel megegyeznek, akkor változó, a visszatartás kisebb hatásokra is érzékeny. 6
5. ábra gyenge kationcserélő állófázis szerkezete 6. ábra állófázisok csoportosítása * Ezen fázisok nyomás alatt alkalmazhatóak, kis szemcseátmérőjű töltettel töltött kolonnákban, azaz nagyhatékonysággal üzemeltethetők. A szilikagél alapú állófázisok ph=3-7 közötti oldatban használhatók. Porózus anyagok, az ioncserélő csoportokat a szilikagél módosításával alakítják ki. 7. ábra szilikagél kémiai módosításával készített ioncserélő 7
Előnye, hogy nyomásálló, bármely szerves oldószerrel használható, nagy kinetikai hatékonyságú, így jó elválasztást kapunk. 2.2. További példák: Szerves polimer borítottságú szilikagélt kationcserélőknél poli-(butadién-maleinsav)- kopolimerrel fedik. Vagy nagy szemcseátmérőjű üveggyönygre vékony polimerfilmet szintetizálnak, ezen alakítják ki az ioncserélő csoportot, ezek a héjas töltetű állófázisok. A ma alkalmazott állófázisok többsége szerves polimerek csoportjába tartozik: 8. ábra Az ionkromatográfiában használt szerves polimer alapú töltetek csoportosítása 2.3. Használatos mozgófázisok Általában szerves oldószert tartalmazó puffereket alkalmaznak, melyek megválasztásánál a következő paramétereket kell figyelembe venni: mozgófázis kompatibilitása a detektálási móddal mozgófázis ph értéke, puffer kapacitása eluenserősség komplexképzésre való affinitás a mozgófázis szerves komponensének minősége és koncentrációja az ellenion minősége és koncentrációja Kompatibilitás a detektálási móddal Főképp vezetőképességi detektort használunk, a jó üzemeltetéshez kis ionkoncentrációra van szükség. Ha UV-fény elnyelő anyagokat vizsgálunk, akkor a mozgófázis fényabszorpciójának kicsinek kell lennie. Mozgófázis ph értéke K 1, K 2, K 3 a megfelelő protonálódási állandókat adják meg, a 9. ábrán látható egyenletnek megfelelően gyenge savak disszociációja esetén a mozgófázis ph értékének növelésével nő a negatív töltések száma, ez a puffer anion egyre erősödő kölcsönhatását jelenti az állófázis felületén, így az elválasztandó ionok kiszorulnak az ioncserélő helyről. A gyenge bázisok protonálódásánál minél több hidrogént vesz fel a többértékű bázis, annál nagyobb mértékű a 8
kötődése a kationcserélő felületén. A növekvő protonálódás növekvő mértékű eluenserősséget jelent. Pufferkapacitása 9. ábra Anionok meghatározásakor a mozgófázisba tett gyenge savak disszociációja, és kationok meghatározásakor a mozgófázisba tett gyenge bázisok protonálódása Kis ioncserélő kapacitásnál, kis koncentrációban kell a puffert alkalmazni. A mozgófázis pufferkapacitása a puffert alkotó gyenge sav (bázis) pk a értéke körül a legnagyobb. A minták ph értéke eltérő lehet, ez csúcsszélesedést okoz. Eluenserősség Egyrészt függ a puffer komponens ph által megszabott ionizáltságától, másrészt a meghatározandó komponens és a puffer-ion verseng az ioncserélő helyen való kötődésért. Ha növeljük a puffer-ion koncentrációját, ez csökkenti a minta kötődési lehetőséget, így visszatartását. Komplexképzésre való affinitás A többértékű fémionok erősen kötődnek a kationcserélő felületén. A nagy visszatartást csökkenthetjük a mozgófázishoz adott komplexképzővel. Szerves oldószer hatása Vízben oldódó szerves anionok (formiát, acetát), melyeknél a retenciót az állófázis hidrofób részével történő kölcsönhatás befolyásolja, metanolt, etanolt, butanolt, glicerint vagy acetonitrilt kell adni a pufferhez, melyek adszorbeálnak az állófázis felületén, ezzel változtatva a szelektivitást és a visszatartást. Az ellenion minőségének és koncentrációjának hatása Az ioncsere egyensúlyi folyamat, amelyben a meghatározandó komponens verseng a mozgófázisban található ellenionnal, ennek a folyamatnak az eredménye megszabja a visszatartást és a szelektivitást. 9
Mozgófázisok az egykolonnás ionkromatográfiában Használhatók gyenge szerves savak és sóik szervetlen anionok meghatározásakor például: benzoesav, o-ftálsav, citromsav, borkősav. Ionizáltsági fokuk a ph függvénye. A visszatartás a mozgófázis ionjának töltésétől függ. Továbbá alkalmazhatunk lúgot (KOH), vagy poliol vegyületeket (glükóz, fruktóz, borkősav, glükonsav) poliol-borát komplexben. 10. ábra: Az o-ftálsav ionizációjának és eluenserősségének függése a mozgófázis ph értékétől Mozgófázisok az egykolonnás ionkromatográfiában kationok elválasztására Híg ásványi savak (salétromsav) a leggyakrabban használt mozgófázis összetevők. Ezek teljes mértékben disszociálnak, és a hidrogén-ion verseng az ioncserélő helyért a meghatározandó fém-ionnal. Visszatartásukat a ph szabja meg, a 0,01-0,001 mol/dm 3 koncentrációban használt savak pufferkapacitása kicsi. A mozgófázis vezetése nagy, ezért közvetett vezetőképességi detektálást alkalmazunk, vagy a kolonna utáni származékképzéssel színes vegyületeket hozunk létre, és UV-VIS detektálási módot alkalmazunk. Szervetlen sók is felhasználhatók a mozgófázisban kis koncentrációban kationnok elválasztására (réz(ii)- szulfát, cérium(iii)-szulfát).gyenge szerves bázisok is alkalmazhatók mozgófázis összetevőként kationok elválasztására. Minél kisebb a mozgófázis ph-ja, annál nagyobb az eluenserősség. Az egyértékű kationok elválasztására olyan szerves bázisok használhatók, amelyek semleges vagy bázikus közegben protonálódnak. A ph-t csökkentve, etiléndiamin/citrát puffert alkalmazva (ph=2,8) alkálifém és alkáli-földfém ionok is meghatározhatók. A mozgófázis ph értékét lítium-hidroxiddal kell beállítani. A lítium-ion affinitása kismértékű, így kevésbé befolyásolja a visszatartást. Az ioncserélőn erősen kötődő és többértékű kationok meghatározásakor komlexképzőket alkalmazunk, melyek stabilitási állandója és koncentrációja befolyásolja a visszatartást. Ilyenkor származékképzéses detektálást alkalmazunk. Mozgófázisok a kémiai ionelnyomásos ionkromatográfiában A 2. ábrán látható ionelnyomó reaktor megszabja az alkalmazható mozgófázis összetételét. Feladata a mozgófázis vezetésének csökkentése. Anion meghatározásánál KOH alkalmazása során (teljesen disszociál) a kálium ionokat kell hidrogén-ionokra cserélnünk, így semlegesítődik, víz keletkezik. Ezt erős kationcserélővel tudjuk megoldani. 10
Az ionelnyomó reaktorban lejátszódó folyamatok: a mozgófázis és a minta kationjainak cserélése hidrogén-ionra semlegesítési reakció, víz keletkezése, háttérvezetés csökkentése az így létrejövő savak vezetése nagy, a detektálás érzékenységét növelő reakció: a meghatározandó anion: H + +A - HA a detektorban mért komponens. Követelmények A kationok hidrogén ionra cserélése, a mozgófázis anionjainak kis vezetésű vegyületté kell alakulniuk, ill. ezek affinitása nagy legyen az anioncserélőhöz, koncentrációjuk az ionelnyomó reaktor ioncserélő kapacitását nem haladhatja meg és a protonált anionnak disszociált formában kell lenni, amikor az ionelnyomó reaktorból távozik. Kationok meghatározásánál az alábbi reakciók játszódnak le: 11. ábra: reakciók kationok meghatározásánál A hidroxid-formában üzemeltetett ionelnyomó reaktor használati lehetőségét megszabja a következő reakció: M + +OH - <=> MOH. Az ionelnyomó reaktorból a fémionok a megfelelő hidroxid formában távoznak. Ahhoz, hogy ezek a komponensek megjelenjenek a detektorban, és mérhetők legyenek, oldódniuk és disszociálódniuk kell a mozgófázisban. A fémek és az átmeneti fémek hidroxid csapadékainak oldódása vízben kismértékű. Ebből következik, hogy hidroxid formában lévő anioncserélő, amelyen az ionelnyomási reakció lejátszódik, elsősorban csak alkáli és alkáli földfém kationok meghatározására alkalmas. A vezetés csökkentésére, amikor fémeket és átmeneti fémeket akarunk meghatározni, vagy csapadékképzést, vagy a komplexképzési reakciót használjuk ki. Például csapadékképzésnél az ionelnyomó reaktorban az ioncserélőt klorid formába hozzuk, és mozgófázis komponensként ezüst-nitrátot használunk. Ekkor az ionelnyomó reaktorban a következő reakció játszódik le: 11
12. ábra: az ionelnyomó reaktorban lejátszódó reakció A háttérvezetés csökkentését elérhetjük úgy is, hogy a mozgófázis kationt komplexbe visszük. Például az ioncserélőt réz-formába visszük, és a mozgófázis komponensként etiléndiamin- N,N -diacetát dikálium sóját használjuk (K 2 EDDA). A réz-kálium ioncsere eredményeként a mozgófázisba került réz-ion gyengén disszociáló komplexet képez az etiléndiamin-n,n - diacetát (CuEDDA). Anionok meghatározásánál az alábbi reakciók játszódnak le: 13. ábra: reakciók anionok meghatározásánál 2.4. Detektálási lehetőségek az ionkromatográfiában A fő detektálási módszer a mozgófázis vezetésének figyelése, mérése. A detektorok ionelnyomó reaktorból és vezetőképességi mérőcellából állnak. 12
A konduktometriás vezetés mérésnél problémát jelent az elektródok felületén kialakuló kettős réteg. A zaj kiküszöbölésére az alábbi ábrán látható méréstechnikát vezették be: 14. ábra A bipoláris pulzustechnika alkalmazása és az elektród felületén kialakuló kettősréteg Egymás után két feszültségimpulzust alkalmazunk, abszolút értékben azonosak, előjelük különböző. Az áramerősséget a második pulzus végén mérik. Az ellentétes előjelű pulzosok eredményeképp az elektródok felületén, csak kis vastagságban alakul ki kettősréteg, ami a mérés zaját jelentősen lecsökkenti. Négyelektródás ellenállásmérés tovább csökkenti a mérésnél észlelt zajt. Ionelnyomó reaktorok 15. ábra Négyelektródás ellenállásméréssel működő vezetőképességi mérőcella elvi vázlata Ma már NaOH tartalmú mozgófázis helyett Na 2 CO 3 és NaHCO 3 különböző oldatú arányát használjuk. Ennek megfelelően a semlegesítési reakció a következőképpen módosul: H + +HCO 3 +e - H 2 CO 3. A H 2 CO 3 gyenge sav, disszociációja kis mértékű, így vezetése is alacsony. A mozgófázis a kimerülés elkerülése érdekében szulfonált porózus kapilláris csőben áramlik, az ioncserélő külső részén áramoltatjuk a regeneráló folyadékot, így folytonos működést érhetünk el. A kis átmérő csövek ioncserélő kapacitása kicsi, ezért csak kis ionkoncentrációknál használhatók. A mikromembrán ion-elnyomóknál a felületet úgy sikerült megnövelni, hogy a térfogata kicsi maradt. Működési elvét az alábbi ábrán láthatjuk: 13
16. ábra Mikromembrán ionelnyomó működési elve A regeneráló folyadékot szivattyú áramoltatja. Az iontranszport sebessége jelentősen növelhető, ha ez elektromos térerő hatására történik: Egyéb detektálási lehetőségek 17. ábra Elektrokémiai ionelnyomó működési elve UV-VIS elnyelése ennél a módszernél csak néhány ionnak van, például: jodid, jodát, nitrit, nitrát, kromát. A kationok meghatározásánál használunk kolonna utánivagy előtti származékképzést, így színes komplexeket kapunk. Az UV-t nem abszorbeáló komponenseket közvetett UV-detektálási módszerrel határozzuk meg. Ekkor a mozgófázishoz UV elnyelő komponest adunk és az abszorbancia csükkenéséből kapott jelet mérjük. Néhány ion elektrokémiailag oxidálható, ezeket az ionokat amperometriás és coulombmetriás detektorral közvetlenül lehet mérni. Közvetett elektrokémiai detektálásnál áram csökkenést mérünk. Továbbá jól alkalmazhatók az ionszelektív elektródok is. 3. A kapilláris elektroforézis (CE) Fő területét a nagy molekulatömegű ionos anyagok meghatározása jelenti, mint például fehérjék, polipeptidek, nukleinsavak. Továbbá gyakori alkalmazási területe az optikailag aktív komponensek meghatározása. Könnyen elválaszthatók az enantiomerek, ha a pufferhez optikailag aktív anyagot, például β-ciklodextrin származékot adunk. A CE hasonlóan alkalmazható, mint a HPLC, előnye viszont, hogy az oldószer felhasználása minimális. Módszere a komponensek eltérő sebességű vándorlásán alapul egy 50-100 μm átmérőjű kapillárisban, 10-30 kv feszültségkülönbség hatására. A mintaadagolás úgy történik, hogy a Pt elektródot és a kvarc kapilláris végét egy mechanika mintatartóba helyezi, a minta a kapillárisba nyomáskülönbség vagy nagyfeszültségű impulzus hatására áramlik. Az adagolt mintatérfogat 1-40 nanoliter. A reprodukálható mintaadagoláshoz automata mintaadagolókat 14
kell alkalmazni. A kapilláris kvarcüveg vagy teflon. Detektáláshoz a kapillárisról a védő poliimid réteget eltávolítva, jól fókuszált UV fényt használunk. 18. ábra A CE rendszer felépítése 15
4. Ioncserélők, mint HILIC állófázisok A HILIC-ben használhatunk ioncserélőket is állófázisként. Az ioncserelőket töltésük alapján két osztályba soroljuk: erős anioncserélők erős kationcserélők Az ioncserélők tulajdonságainak ismertetését a dolgozat korábbi részeiben megtettük.(ld. 2.1 fejezet) Alkalmazási ph tartomány szerves polimer alapú anioncserélőnél (ph=1-12) Szilikagél alapú anioncserélőnél ph=3-7. A HILIC mérési körülményei között a szerves polimer alapú erős ioncserélő ionizált formában van, az ionos részt hidrátburok veszi körül, ez biztosítja határfelületi vízréteget. A vízbe történő beoldódás mellett a kationcsere is hozzájárulhat a visszatartáshoz. Az erős kationcserélők felületén szerves szulfonsav csoportok vannak, a csoportok vizes közegben disszociálnak, ezért a felület negatív töltésű lesz. A szulfonsav csoport disszociációja függ a közeg szerves oldószer tartartalmától. A szulfonsav disszociációs viszonyainak vizsgálatánál a határfelületi vízréteggel kell számolni. A gyógyszermolekulák a könnyebb felszívódás miatt só formában lehetnek. Az ilyen anyagok meghatározására alkalmas lehet a Zwitter-ion állófázisú HILIC. Kationok és anionok együttes meghatározására alkalmas, továbbá előnyös, mert a reagálatlan szilanol csoportok egy része ionos formában marad. Azaz nagyobb lesz a ph tűrés, mert a felületnek hidrofób védése van. 5. Ionpár kromatográfia (RP-IP-HPLC) Ionos vagy könnyen ionizálható vegyületek visszatartása RP-HPLC-ban kicsi. A visszatartás növelésére és egyúttal a fordított fázisú kromatográfiás rendszer szelektivitásának növelésére a mozgófázisba 1-100 mmol/dm3 koncentráció tartományban ionpár képző hidrofób részt tartalmazó ionos anyagot tesznek. Az ionpár képző reagens hatása kettős; egyrészt megváltoztatja az állófázis felületét, ezáltal a visszatartását, másrészt az ellentétes töltésű ionos vegyületekkel ion-asszociátumot képez a mozgófázisban. Az ion asszociátum úgy viselkedik, mintha apolárisabb karakterű lenne, mint a vizsgálandó vegyület, így már abszorbeálódik az apoláris állófázis felületén. Fontos, hogy valamennyi komponens a folyamat teljes ideje alatt ionos formában legyen. A hidrofób ion töltése ellentétes a meghatározandó ion töltésével. A szelektivitást és a visszatartást befolyásoló tényezők: szerves oldószer minősége, mennyisége ph (puffer típusa, koncentrációja) idegen só koncentrációja ionpár képző koncentrációja, típusa hőmérséklet 16
Optimálás az RP-HPLC-ben: lgp előrejelzése pka előrejelzése lgd-ph függvény 6. Kapcsolt technikák A bonyolultabb szerkezetű ionos anyagok meghatározásánál kiemelt jelentősége van a kapcsolt technikák alkalmazásának. A kromatográfiás technikák kiválóan alkalmasak a komponensek elválasztására, a kapcsolt technikák alkalmazásával (NMR, MS) lehetőség van a komponensek szerkezetének felderítésére. Kromatográfiás technika-nmr Fontos megjegyeznünk, hogy ionpár kromatográfiás technika kivételével valamennyi ionos anyag elválasztására alkalmas kromatográfiás technika (HILIC, IC, stb.) felhasználható NMR-el összekapcsolva. Off-line üzemmódban az NMR nem korlátozza a kromatográfiát. CIC ICP-MS A CIC ICP-MS módszer alkalmas ionok oxidációs állapotának megállapítására. Az ICP-MS használata miatt számos argon vegyület keletkezik a plazmában, de csak egész számú ionokat tud megkülönböztetni egy kis felbonású MS, ezért nagyfelbontású MS alkalmazása szükséges. 7. Bioanyagok elválasztása RP-HPLC, RP-UHPLC technikákat aminósav analízishez, peptidtérkép, szennyezők és fehérjebomlástermékek meghatározásához használhatjuk. A SEC alkalmas peptid fragmentumok, míg az IEX aminósav analízisre. A HIC és a HILIC az egyes biopolimerek építőköveinek, jellegének meghatározására alkalmazható. 17
Összefoglalás Munkánkban megmutattuk, hogy mennyire sokszínű feladatokkal és megoldásokkal találkozhat az ember, ha ionos anyagokkal dolgozik, azokat analizálja. Természetesen ebben a terjedelemben nem tértünk ki minden felmerülő megoldás részletére, de összefoglaltuk a két leglényegesebb módszert, az ionkromatográfiát és az elektroforézist. Külföldi irodalomból igyekeztünk példákkal színesíteni a beszámolót. Ezekből kiderül, hogy az évek során a feladat nem veszített jelentőségéből, a kétezres évekből ugyanúgy találunk publikációt, mint korábbról. Részletesebben, bár korántsem minden esetleges felmerülő igényt kielégítően írtunk az ionkromatográfiás módszer alkalmazásáról, kitértünk a fontos paraméterekre, a detektálási lehetőségekre, mozgó- és állófázisok megválasztásának szempontjaira. Igyekeztünk felhívni a figyelmet az esetleges buktatókra, amelyekre ha egyszer ionkromatográfiával fogunk foglalkozni, mi magunk is odafigyelünk majd. Hasonló szándékkal foglaltuk össze az elektroforézis módszerének lényegét is, mint az ionkromatográfia melletti gyakori analitikai megoldást. 18
Irodalomjegyzék [1] B. van der Bruggen, A. Koninckx, C. Vandecasteele; Water Research 38 (2004) 1347 1353 [2] T. Tsuru, S. Nakao, S. Kimura; Journal of Membrane Science 108 (1995) 269-278 [3] V.A. IVANOV, V.D. TIMOFEEVSKAYA and V.I. GORSHKOV; Reactive Polymers, 17 (1992) 101-107 [4] V.A. Ivanov, V.D. Timofeevskaja, O.T. Gavlina, V.I. Gorshkov; Microporous and Mesoporous Materials 65 (2003) 257 265 [5] T. KIKUCHI, I. GOTO and K. SUZUKI; Progress in Nuclear Energy; Vol. 47, No. 1-4, pp. 397-405, 2005 [6] S. Pelletier, C. A. Lucy; Journal of Chromatography A, 1118 (2006) 12 18 [7] S. S. Brudin, R. A. Shellie,P R. Haddadb, P.J. Schoenmakersa; Journal of Chromatography A, 1217 (2010) 6742 6746 [8] M. Amin, L. W. Lim, T. Takeuchi; Talanta 71 (2007) 1470 1475 [9] Tetsuo Okada; Journal of Chromatography A, 804 (1998) 17 28 [10] P. Jones, P. N. Nesterenko; Journal of Chromatography A, 789 (1997) 413 435 [11] Fekete Jenő, Folyadékkromatográfia elmélete és gyakorlata, (2006) 231-258 19
Tartalomjegyzék Bevezetés és célkitűzés... 2 Irodalmi áttekintés... 3 Elméleti áttekintés, ioncserés technikák [11]... 5 1. Az ionkizárásos kromatográfia... 5 1.1. Kationcserélők... 5 1.2. Anioncserélők... 5 2. Az ionkromatográfia... 5 2.1. Használatos állófázisok... 6 2.2. További példák:... 8 2.3. Használatos mozgófázisok... 8 2.4. Detektálási lehetőségek az ionkromatográfiában... 12 3. A kapilláris elektroforézis (CE)... 14 4. Ioncserélők, mint HILIC állófázisok... 16 5. Ionpár kromatográfia (RP-IP-HPLC)... 16 6. Kapcsolt technikák... 17 7. Bioanyagok elválasztása... 17 Összefoglalás... 18 Irodalomjegyzék... 19 20