Horváth Krisztián
Ionkromatográfia Oktatási segédanyag a "Korszer˝ u környezetanalitikai módszerek" c. tárgyhoz
c 2013 Horváth Krisztián Copyright V ESZPRÉM , 2013 Az oktatási segédanyag a TÁMOP 4.2.4.A/2-11-1-2012-0001 azonosító számú Nemzeti Kiválóság Program – Hazai hallgatói, illetve kutatói személyi támogatást biztosító rendszer kidolgozása és m˝uködtetése országos program cím˝u kiemelt projekt keretében valósult meg. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. Els˝o kiadás
Tartalomjegyzék
El˝ oszó . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1
Az ionkromatográfia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1
Az ionkromatográfia típusai
7
1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4
Ioncsere-kromatográfia (HPIC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ionkizárásos-kromatográfia (HPICE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ionpár-kromatográfia (MPIC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Alternatív módszerek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7 8 8 8
1.2
Az ionkromatográfia eszközei
8
1.3
Az ionkromatográfia el˝ onyei
10
1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5 1.3.6
Gyors analízis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nagy érzékenység . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kiváló szelektivitás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Szimultán detektálás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kromatográfiás oszlop stabilitása . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kis mintaszükséglet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10 11 11 11 11 12
1.4
Elválasztási és detektálási rendszer választása
12
2
Állófázisok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1
Szerves polimer alapú anioncserél˝ ok
15
2.2
Latex agglomerált anioncserél˝ ok
15
2.3
Szilikagél alapú anioncserél˝ ok
17
2.4
Makrociklikus állófázisok
17
2.5
Alumínium-oxid alapú anioncserél˝ ok
18
3
Mozgófázisok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1
Kémiai szuppresszálás mellett használható mozgófázisok
3.2
Elektromos háttérvezetés kompenzálás esetén használható eluensek 20
4
Ionkromarográfiás elméletek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.1
Lineáris oldószerer˝ osségi modell
23
4.2
Többszörös eluens/minta modell
24
5
Gyakorlati alkalmazások . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5.1
Ivóvízmin˝ osíés
27
5.2
Szennyvízek vizsgálata
30
5.3
Felszíni és felszínalatti vizek vizsgálata
30
19
Ajánlott irodalom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
El˝ oszó
A XX. század második felében az elválasztási módszerek többsége ugrásszer˝u fejl˝odésen ment keresztül. Az elválasztások sebessége, hatékonysága, megbízhatósága és felbontása egyaránt javult. A nagyhatékonyságú folyadékkromatográfia (HPLC) – és ezzel együtt az ion- és az ionpár-kromatográfia – a legjelent˝osebb módszerré n˝otte ki magát az elválasztásos analízisen belül. Mind a vízanalitika, a bioanalitika, a gyógyszergyártás, mind a környezetvédelmi analízis területén kiemelt fontossággal bír. Jelenleg valószín˝uleg több elválasztást végeznek HPLC módszerekkel, mint az összes többi elválasztáson alapuló módszerrel együttvéve. Ez az összefoglaló a Pannon Egyetem környezetmérnöki alapszakos hallgatói számára oktatott "Korszer˝u környezetanalitikai módszerek" c. tárgy segédanyagának készült. Az oktatási segédanyag létrehozásának célja az volt, hogy megkönnyítse a tantárgy keretében oktatott ionkromatográfiás tananyag megértését, feldolgozását. A segédanyag, mint ahogy neve is jelzi nem tankönyv, így az érintett részterületeket nem tárgyalja kimerít˝o részletességgel. Szándékom szerint ezt a segédanyagot az el˝oadásanyag mellékleteként lehet alkalmazni, kiegészít˝o információforrásként, a tanulást segít˝o eszközként. A segédanyag el˝ozetes ismeretként az olvasótól az alapszint˝u, kötelez˝o m˝uszeres analitikai kémia kurzusok anyagának ismeretét feltételezi. Ennek megfelel˝oen nem kerülnek tárgyalásra azon alapvet˝o kromatográfiás fogalmak, amelyek kielégít˝o részletességgel már tárgyalásra kerültek ezeken a korábbi kurzusokon. A segédanyag megírása során nagyban támaszkodtam el˝ozetes kutatási eredményeimre, tapasztalataimra, valamint a doktori (PhD) dolgozatomban összegy˝ujtött irodalmi összefoglalóra. A bemutatott kromatogramok korábbi vizsgálataim eredményei. Az oktatási segédanyag a TÁMOP 4.2.4.A/2-11-1-2012-0001 azonosító számú Nemzeti Kiválóság Program – Hazai hallgatói, illetve kutatói személyi támogatást biztosító rendszer kidolgozása és m˝uködtetése országos program cím˝u kiemelt projekt keretében valósult meg. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.
Az ionkromatográfia típusai Ioncsere-kromatográfia (HPIC) Ionkizárásos-kromatográfia (HPICE) Ionpár-kromatográfia (MPIC) Alternatív módszerek Az ionkromatográfia eszközei Az ionkromatográfia el˝ onyei Gyors analízis Nagy érzékenység Kiváló szelektivitás Szimultán detektálás Kromatográfiás oszlop stabilitása Kis mintaszükséglet Elválasztási és detektálási rendszer választása
1 — Az ionkromatográfia
Ionkromatográfia alatt nem egy konkrét kromatográfiás technikát értünk, hanem több, egymástól teljesen eltér˝o 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 min˝osége különbözteti meg. Ionkromatográfiával az alábbi komponensek határozhatók meg: – – – 1. szervetlen anionok: halogenidek (F– , Cl– stb.), oxoanionok (SO2– 4 , NO3 , ClO4 , BrO3 , 3– PO4 stb.) 2. szerves anionok: kis molekulatömeg˝u (vízoldható) mono-, di- és trikarbonsavak (formiát, acetát, oxalát, fumarát, citrát, EDTA stb.), szulfonsavak, beleértve az ionos detergenseket is 3. szervetlen kationok: alkáli- és alkáliföldfémek (Li+ , Na+ , Mg2+ stb.) 4. szerves kationok: kis molekulatömeg˝u (vízoldható) aminok (metil-, etil-, propilamin, poliaminok stb.) 5. ionos organo-metallo komplexek (fém-kelátok, tributil-ón stb.) 6. aminosavak (glicin, alanin stb.) 7. szénhidrátok (glükóz, fruktóz, szacharóz stb.)
1.1 1.1.1
Az ionkromatográfia típusai Ioncsere-kromatográfia (HPIC) Az elválasztás mechanizmusát a mozgófázis és az állófázison kötött ioncserél˝o csoportok közti ioncsere folyamatok szabályozzák. Az ioncsere az egyik legrégebben bemutatott elválasztási mechanizmus az irodalomban. Polarizálható ionok esetén egyéb, nem ionos adszorpciós folyamatok is szerepet játszhatnak. Az állófázis ioncserél˝o csoportokkal módosított sztirol-divinilbenzol kopolimer. Az ioncsere-kromatográfia egyaránt használható szerves és szervetlen anionok és kationok elválasztására is. Anionok elválasztását kvaterner ammónium csoportokat, kationok elválasztását pedig szulfoncsoportokat tartalmazó
8
Az ionkromatográfia
gyantán lehet kivitelezni. 1.1.2
Ionkizárásos-kromatográfia (HPICE) Ionkizárásos-kromatográfiában az elválasztás mechanizmusát az adszorpció, a Donnanill. a sztérikus kizárás folyamatai szabályozzák. Állófázisként els˝osorban teljesen szulfonált sztirol-divinilbenzol alapú, nagykapacitású kationcserél˝ok jöhetnek szóba. Az ionkizárásos-kromatográfia gyenge szervetlen és szerves savak elválasztására és meghatározására szolgál. Az er˝os savak retenciót nem szenvedve haladnak át az oszlopon, a holtid˝ovel eluálódva. Megfelel˝o detektálási rendszerrel kombinálva a technika aminosavak, aldehidek és alkoholok elválasztására is alkalmas.
1.1.3
Ionpár-kromatográfia (MPIC) Az elválasztást leginkább meghatározó mechanizmus az ionpár-kromatográfiában az adszorpció. Az állófázis teljesen semleges, nagy fajlagos felület˝u, kis polaritású, porózus sztirol-divinilbenzol vagy C8/18-szilikagél. Az elválasztó oszlop szelektivitását f˝oként a mozgó fázis összetétele határozza meg. A mozgófázis szerves módosítót, ún. ionpárképz˝o reagenst tartalmaz, mely az elválasztandó ionokkal ionpárt képez. A technika f˝oként felületaktív anionok és kationok ill. átmenetifém-komplexek elválasztására alkalmas.
1.1.4
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. 2.4. szakasz), a micella-kizárásoskromatográfiát, valamint a hidrofil interakciós kromatográfiát is.
1.2
Az ionkromatográfia eszközei Az ionkromatográfiás rendszer felépítése lényegében megfelel a hagyományos folyadékkromatográfiás rendszernek. Lényeges különbség f˝oként az elválasztás mechanizmusában, azaz az állófázis tulajdonságaiban, és a detektálás módjában található. Ionkromatográfiában, a f˝oként szilikagél alapú állófázisokat használó klasszikus HPLC technikákkal szemben els˝osorban a szerves polimer alapú állófázisok terjedtek el köszönhet˝oen sokkal nagyobb pH stabilitásuknak. Míg a szilikagél alapú állófázisok csak egy igen sz˝uk, 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 ioncserél˝o oszlopok egyik leglényegesebb tulajdonsága az ioncserekapacitás, mely az állófázison található ioncserél˝o funkciós csoportok számát jelenti mequiv/g vagy mequiv/ml egységben. Az anionkromatográfiában használatos állófázisokról b˝ovebben a 2. fejezetben (15–19. o.) lesz szó. Az ionkromatográfiában f˝oként szupresszált vezet˝oképességi 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, 13. o.).
1.2 Az ionkromatográfia eszközei
9
1.1. ábra: Az ionkromatográfia eszközei
Szupresszált vezet˝oképességi detektálás esetén a detektor elé helyezett szupresszornak az a szerepe, hogy az ionok elúciójához használt elektrolit vezet˝oképességét kémiailag csökkentse, és egyúttal a mintaionokét növelje, megnövelve ezáltal a hasznos analitikai jelet, és ezzel összefüggésben a detektor érzékenységét is. A szupresszorban egy ioncserél˝o membrán található. Kationkromatográfia esetén anion-, anionkromatográfia esetén kationcserél˝o membrán. El˝obbi esetben a mozgófázis anionjait hidroxidionokra, utóbbi esetben a mozgófázis kationjait protonokra cseréljük a szupresszorban, miáltal jelent˝osen csökken az eluens vezetése. Az ioncserél˝o membrán regenerálása folyamatos üzemmódban anionkromatográfiában kénsavval, kationkromatográfiában tetrametil-
Az ionkromatográfia
10
ammónium-hidroxiddal történik, ami biztosítja a reakcióhoz szükséges protonokat, ill. hidroxidionokat. A lejátszódó reakció nátrium-hidroxid eluens esetén 1.2. ábrán látható.
Na2SO4
Regenerálószer (H2SO4)
aaaaaaaaaaaaaaaaaaaa Membrán H Na aaaaaaaaaaaaaaaaaaaa +
Eluens (NaOH) Minta (NaF, NaCl, Na2SO4) Elválasztó oszlop
Na+ –
OH Na
+
+
H2O
–
OH Na
+
OH–
Na
+
H+
–
OH – OH H2O
H2O HF, HCl, H2SO4 Detektor
aaaaaaaaaaaaaaaaaaaa Membrán Na H aaaaaaaaaaaaaaaaaaaa +
Na2SO4
+
Regenerálószer (H2SO4)
1.2. ábra: A szupresszor m˝uködésének vázlata NaOH eluens használata esetén
1.3
Az ionkromatográfia el˝ onyei 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 megfelel˝o, nagy érzékenység˝u módszer létezik. A hagyományos nedves analitikai eljárások, a titrálás, fotometria, gravimetria, turbidimetria és kolorimetria, mind eszköz- és id˝oigényes módszerek. Ezzel szemben az ionkromatográfia az alábbi mérési jellemz˝okben kínál jelent˝os el˝onyöket: (1) gyors analízis, (2) nagy érzékenység, (3) kiváló szelektivitás, (4) szimultán detektálás, (5) stabil kromatográfiás oszlop.
1.3.1
Gyors analízis Az analízisid˝o csökkentése egyre inkább fokozódó követelmény, ugyanis a vizsgálandó minták száma jelent˝osen n˝ott az utóbbi id˝oben köszönhet˝oen egyrészt az ipari termékek min˝oségével kapcsolatos megnövekedett igényeknek, másrészt a környezeti és biológiai analitika fejl˝odésének. Az elmúlt id˝oszakban megjelent nagyhatékonyságú elválasztó oszlopokkal ma már mindössze három perc alatt, tökéletes felbontás mellett, meghatározható a legfontosabb hét anion. Azaz a hagyományos nedves analitikai eljárások id˝oszükségletének tört része alatt min˝oségi és mennyiségi információval szolgálhat az ionkromatográfia.
1.3 Az ionkromatográfia el˝ onyei 1.3.2
11
Nagy érzékenység A mikrocsip technológia bevezetésének és az egyre hatékonyabb állófázisok kifejlesztésének köszönhet˝oen a mai ionkromatográfiás gyakorlatban mintael˝okészítés nélkül is rutin feladatnak számít egyes anionok ppb tartományú detektálása. 50 µl-es huroktérfogat esetén a legtöbb egyszer˝u 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 legkedvez˝obb alternatívát, azonban ezekben az esetekben mintael˝okészítés (koncentrálás) is szükséges. Aminosav analízis területén o-ftálaldehiddel (OPA) történ˝o, oszlop utáni származékképzést és fluoreszcenciás detektálást alkalmazva pmol nagyságrend˝u érzékenység érhet˝o el.
1.3.3
Kiváló szelektivitás Az ionkromatográfia ill. általánosságban véve a kromatográfia egyik legnagyobb el˝onye a hagyományos és modern analitikai technikákkal szemben, hogy a különböz˝o típusú mintakomponensekre nagyfokú szelektivitást mutat (1.3. ábra). A klasszikus analitikai gyakorlat egyik nagy problémája, hogy az adott módszer szempontjából hasonló kémiai viselkedés˝u mintakomponensek egymás jelenlétében történ˝o meghatározása, pusztán az adott technikát alkalmazva, gyakran nem kivitelezhet˝o. Klorid-szelektív elektród például jóval nagyobb szelektivitást mutat az oldatban jelenlev˝o bromidionra, mint a kloridra, emiatt kis mennyiség˝u bromid is jelent˝osen zavarhatja a kloridionok ionszelektív elektróddal történ˝o meghatározását. Közel azonos protonálódási tulajdonságokkal rendelkez˝o gyenge savak sem határozhatók meg egymás jelenlétében klasszikus, savbázis 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, különböz˝o oxidációfokú és komplexformájú nehézfémek, ill. szerves savak egymástól való elválasztása ionkromatográfiás módszerrel.
1.3.4
Szimultán detektálás Az ionkromatográfia egy másik nagy el˝onye a hagyományos, nedves analitikai technikákkal szemben a különböz˝o komponensek együttes meghatározásának lehet˝osége, azokat az eseteket kivéve, mikor a különböz˝o minta komponensek koncentrációja extrém módon tér el egymástól adott mintán belül. Ilyen esettel lehet találkozni a legtöbb szennyvíz ill. csurgalékvíz analízisekor. 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.
1.3.5
Kromatográfiás oszlop stabilitása Az ionkromatográfiás oszlopokban alkalmazott töltetek nagy pH stabilitása lehet˝ové teszi er˝os savak és lúgok eluensként való felhasználását. Mindemellett a szerves polimer
12
Az ionkromatográfia
1.3. ábra: Szerves és szervetlen anionok szimultán elválasztása Dionex AS4A-SC oszlopon, 25 mM NaOH mozgófázis alkalmazásával alapú oszlopok nem érzékenyek komplex mátrixú mintákra, szennyvizekre, ételmintákra, testfolyadékokra sem. Ilyen esetekben a mintael˝okészítés gyakran csak egyszer˝u hígítás. A szerves polimerek hátránya, hogy gyakran korlátozott a stabilitásuk szerves oldószerekkel szemben, így nem használhatók szerves szennyez˝ok eltávolítására. Köszönhet˝oen a polimerkémia utóbbi években tapasztalható nagymérték˝u fejl˝odésének, ma már egyre több gyártó lép ún. oldószer kompatibilis tölteteket tartalmazó oszlopokkal a piacra. 1.3.6
1.4
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 10 − 100 µl, azaz három nagyságrenddel kisebb, mint a klasszikus módszerek esetén.
Elválasztási és detektálási rendszer választása Ahogy azt az 1.1. szakaszban (7 .o.) láthattuk, ionkromatográfia alatt több, mechanizmusában egymástól teljesen eltér˝o módszert értünk. Ennélfogva megfelel˝o elválasztási rendszer összeállításánál az állófázis és a megfelel˝o detektálási módszer megválasztása nagyon lényeges az analízis szempontjából. Az analitikus általában rendelkezik el˝ozetes információkkal a vizsgálandó minta összetételér˝ol (szerves, vagy szervetlen ionokat tartalmaz-e), felületi aktivitásáról, töltésér˝ol, savas ill. bázikus tulajdonságairól. Ezen információk alapján az 1.4. ábra segítségével könnyen kiválasztható az analízis szempontjából legel˝onyösebb állófázis és detektálási rendszer. Sok esetben több kombináció is szóba jöhet az adott minta elemzésére.
1.4 Elválasztási és detektálási rendszer választása
Anionok
Nem polarizálható ionok Szervetlen
pKa < 7
pKa > 7
pKa < 7
Polarizálható ionok Szervetlen pKa > 7
Kationok
Nem polarizálható ionok Alkáli-, alkáliföldfém
Polarizálható ionok Arilaminok
13
Szervetlen ionok F–, Cl–, SO42–, stb.
HPIC
Vezetőképességi Amperometriás 4
Kelátok Polifoszfátok Polifoszfonátok
HPIC
UV/Vis spektrofot. Oszlop utáni származékképzés
Szerves ionok C<6
HPIC HPICE
Vezetőképességi UV/Vis spektrofot.
Fém komplexek
HPIC HPICE
Vezetőképességi UV/Vis spektrofot.
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.
Szervetlen és szerves ionok Palmitinsav Sztearinsav Felületaktív anionok I-, SCN-,ClO4-
HPIC MPIC
Vezetőképességi UV/Vis detektálás
Szerves ionok Fenolok, stb.
MPIC
Amperometriás UV/Vis detektálás
Alkáli-, alkáliföldfém ionok 4
HPIC
Vezetőképességi
Aminok C<6
MPIC HPIC
Vezetőképességi UV/Vis detektálás
Atmeneti- és nehézfémek
HPIC
UV/Vis, Oszlop ut. származékképzés
Aminosavak
HPIC
Fluoreszcens, UV/Vis detektálás
Aminok Pirimidin Purin
MPIC HPIC
Vezetőképességi Pulzáló amperometr. UV/Vis detektálás
1.4. ábra: Elválasztási és detektálási rendszer választásának sémája az ionkromatográfiás analízisben
Szerves polimer alapú anioncserél˝ ok Latex agglomerált anioncserél˝ ok Szilikagél alapú anioncserél˝ ok Makrociklikus állófázisok Alumínium-oxid alapú anioncserél˝ ok
2 — Állófázisok
Ahogy az 1.2. szakaszban már említetésre került, az ionkromatográfiában els˝osorban szerves polimer alapú állófázisok terjedtek el. Kisebb mértékben azonban, de szervetlen alapú tölteteket tartalmazó oszlopok is használatosak a gyakorlatban.
2.1
Szerves polimer alapú anioncserél˝ ok Sztirol-divinil-benzol, polimetakrilát és polivinil alapú ioncserél˝ok a legfontosabb szerves polimer alapú állófázisok az anionkromatográfiában. Ezek közül is a sztirol-divinilbenzol alapúak a legelterjedtebbek, köszönhet˝oen 0–14-ig terjed˝o pH stabilitási tartományuknak. A sztirol kopolimerizációja divinil-benzollal szükségszer˝u a gyanta megfelel˝o mechanikai stabilitásának érdekében. A divinil-benzol, két funkciós csoportjának köszönhet˝oen, összeköt két polisztirén láncot, így az állófázist térhálóssá teszi (2.1. ábra). Az ioncserél˝ok térhálósságát az el˝oállításukhoz felhasznált divinil-benzol százalékos mennyisége határozza meg. A térhálósság befolyással van többek között a gyanta porozitására, szelektivitására, mechanikai stabilitására, ioncsere-kapacitására is. Ez utóbbi, mely az egységnyi tömeg˝u vagy térfogatú gyantán található aktív csoportok számát jelzi az anioncserél˝o állófázisok talán legfontosabb tulajdonsága . A szerves polimer alapú állófázisokra az ioncserél˝o funkciós csoportokat két lépcs˝oben kötik. Az els˝o lépésben a gyanta aromás csoportjait klórmetilezik, a második lépcs˝oben pedig tercier-amin segítségével a klórmetil csoportot aminálják, így kvaternerammónium funkciós csoportokkal rendelkez˝o anioncserél˝ohöz juthatunk.
2.2
Latex agglomerált anioncserél˝ ok Az anion-kromatográfiában használt állófázisok legfontosabb csoportja a latex agglomerált, vagy latex alapú anioncserél˝ok. Ezek az állófázisok a szerves polimer alapú anioncserél˝ok egy speciális csoportját alkotják, nagymértékú felhasználásuknak köszönhet˝oen célszer˝u azonban külön tárgyalni o˝ ket. A latex alapú anioncserél˝ok 5-25 µm átmér˝oj˝u felületileg szulfonált sztirol-divinil-
Állófázisok
16 CH
CH2
CH
C H2
CH
CH2
CH2
CH
CH2
CH
CH2
CH
CH2
CH
CH
CH2
CH
CH2
CH
CH
2.1. ábra: Sztirol-divinilbenzol szerves polimer alapú állófázis sematikus ábrázolása benzol kopolimerb˝ol és az erre felvitt, elektrosztatikusan kötött teljesen aminált pórusos anioncserél˝o gyöngyökb˝ol állnak. Az utóbbi ún. latex részecskék átmér˝oje kb. 0,1 nm. Mindezek alapján a latex alapú állófázisok három régióra különíthet˝ok el: (1) egy inert és mechanikailag ellenálló hordozóra, (2) egy vékony szulfonsav borításra a hordozó felületén, (3) egy küls˝o aminált latex rétegre, mely az anioncserél˝o csoportokat hordozza. Egy ilyen ioncserél˝o pásztázó elektron mikroszkóppal készített felvétele 2.2 ábrán látható.
2.2. ábra: Latex alapú ioncserél˝o részecske pásztázó elektronmikroszkópos felvétele. A részecske átmér˝oje 9 µm. Habár a latex réteg önmagában véve nagy ioncsere kapacitással rendelkezik, a kisméret˝u gyöngyök mégis kis ioncsere kapacitású állófázist eredményeznek. Köszönhet˝oen az állófázis pellikuláris felépítésének a latex alapú anioncserél˝ok meglehet˝osen nagy kromatográfiás hatékonysággal rendelkeznek. A hordozó felületi szulfonáltságának mértéke és a latex részecskék mérete jelent˝osen befolyásolja az oszlop hatékonyságát. Egyrészt a gyanta szemcséken található szulfoncsoport réteg megakadályozza az anionok gyanta belsejébe jutását, másrészt, köszönhet˝oen a latex részecskék kis méretének, a
2.3 Szilikagél alapú anioncserél˝ ok
17
mintakomponenseknek csak kis távolságot kell megtenni diffúzióval az elúció során. Mindez a komplex rendszer jónéhány el˝onyös tulajdonsággal ruházza fel a latex alapú állófázisokat a szilikagél és a szerves polimer alapú fázisokkal szemben: (1) az inert szubsztrát jelent˝os mechanikai stabilitást és kis nyomásesést biztosít, (2) a latex részecskék kis méretének köszönhet˝oen az állófázis hatékonysága nagy, (3) a felületi szulfonáltságnak köszönhet˝oen elhanyagolható mérték˝u 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 köszönhet˝oen, az anionok megköt˝odése más mechanizmus szerint játszódik le, mint hagyományos, szerves polimer-, vagy szilikagél alapú ioncserél˝okön.
2.3
Szilikagél alapú anioncserél˝ ok A szerves polimer alapú ioncserél˝okkel párhuzamosan számos szilikagél (SiO2 ) alapú állófázist is fejlesztettek az elmúlt étizedekben. A klasszikus szerves polimerekkel szemben a szilikagél alapú fázisok mechanikai stabilitása és hatékonysága lényegesen jobb. A szilikagél alapú ioncerél˝ok esetén nem kell számolni az állófázis duzzadásával ill. zsugorodásával eluensváltás és szerves módosító használata esetén sem. Legnagyobb hátránya ezeknek a fázisoknak, hogy csak meglehet˝osen sz˝uk, 2–8 pH tartományban használhatók. Ennek a hátránynak köszönhet˝oen, használatuk nem terjedt el széles körben az ionkromatográfia területén, annak ellenére sem, hogy akár 15–20 ezres elméleti tányérszám érték is elérhet˝o szilikagél alapú állófázisok használatával.
2.4
Makrociklikus állófázisok Szerves és szervetlen anionok elválasztása nem kizárólag szerves polimerre, vagy szilikagél állófázisra kötött er˝osen bázikus jelleg˝u funkciós csoportok segítségével lehetséges. A töltéssel nem rendelkez˝o makrociklikus vegyületek is alkalmasak anionok elválasztására. A makrociklikus vegyületek, úgymint a koronaéterek, kriptandok, kalixarének jellemz˝o tulajdonsága, hogy képesek fémionokat szelektíven megkötni. Ionkromatográfiás állófázisként ezért kationok ligandcserés elválasztására használhatók, ahol a makrociklikus vegyületek említett tulajdonságának köszönhet˝oen az eltér˝o átmér˝oj˝u fémek eltér˝o 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 töltés˝u anioncserél˝o funkciós csoportok alakulnak ki az oszlopban, amelyen megtörténik a mintaanionok elválasztása. Anionok elválasztására els˝osorban kriptand alapú állófázisok használhatók, melyek szerves polimer hordozón való megkötésére 2.3. ábrán látható egy példa. Köszönhet˝oen alkilcsoportjának, az n-decil-2,2,2-kriptand molekula kovalens módon köthet˝o sztiroldivinil-benzol hordozóra, meglehet˝osen stabil állófázist kapva ezáltal, ahogy az a Dionex Cryptand A1 oszlop esetében is tapasztalható. Mivel a makrociklus ebben az esetben híd helyzet˝u nitrogént is tartalmaz, a mozgófázis pH-jától függ˝oen protonálódni képes,
Állófázisok
18
további pozitív töltés˝u funkciós csoportokat alakítva ki ezáltal a molekulán. A kriptand molekula protonálódási állandóinak értéke 1010 és 107,5 .
O
A
–
OH
–
O +
N
M
N O O
O O
2.3. ábra: Anioncserés elválasztás mechanizmusa n-decil-2,2,2-kriptand molekulát tartalmazó állófázison A kriptand molekula anionkromatográfiás alkalmazásának legf˝obb el˝onye, hogy az alkáli-hidroxid eluens típusának megváltoztatásával befolyásolható az állófázis ioncserekapacitása. A kapacitás az alkálifém-kriptát komplex stabilitási állandójával arányos. Mindemellett az elúció során történ˝o eluens típus váltással ún. kapacitás gradiens érhet˝o el, mellyel megfelel˝o hatékonysággal nyílik lehet˝oség a jelent˝osen és a kevésbé visszatartott komponensek szimultán elválasztására is. Köszönhet˝oen többek között ezen el˝onyös tulajdonságának, az Amerikai Egyesült Államok Környezetvédelmi Hivatala (EPA) kriptand állófázist tartalmazó ionkromatográfiás oszlopot javasol perklorát meghatározására ivóvízben.
2.5
Alumínium-oxid alapú anioncserél˝ ok A szilikagél mellett az alumínium-oxid (Al2 O3 ) az egyik legelterjedtebb adszorbens a folyadékkromatográfiában. Csakúgy, mint a legtöbb fém-oxid, az alumínium-oxid is ioncserél˝o tulajdonságokat mutat. A szilikagél fázisokhoz hasonlóan az Al2 O3 fázisok is mechanikailag és termikusan meglehet˝osen stabilak, nem duzzadnak, nem zsugorodnak. Alkalmazásuk azonban kevésbé elterjedt, mivel ioncserél˝o-kapacitásuk kicsi, és csak sz˝uk pH tartományban használhatók.
Kémiai szuppresszálás mellett használható mozgófázisok Elektromos háttérvezetés kompenzálás esetén használható eluensek
3 — Mozgófázisok
A mozgófázis helyes megválasztása dönt˝o fontosságú az analízis szempontjából, ugyanis az eluens összetételének változtatásával az elválasztás szelektivitása változtatható. Az anionkromatográfiában használt eluensek típusát f˝oként a használt detektálási módszer határozza meg. Mivel a leggyakrabban használt detektálási forma szerves és szervetlen ionok meghatározásában a vezet˝oképességi 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 történ˝o csoportosításának természetesen csak vezet˝oképességi detektálás esetén van jelent˝osége. A megfelel˝o eluens kiválasztása spektrofotometriás, vagy amperometriás detektálás esetén lényegesen egyszer˝ubb. El˝obbi esetben f˝oként foszforsav alkáli sói, kénsav és perklórsav alkalmaztható sikeresen, köszönhet˝oen nagymérték˝u átlátszóságuknak az UV tartományban. Amperometriás detektálás esetén alkáli fémek klorid, klorát és perklorát sói, valamint alkáli-hidroxidok és karbonátok jöhetnek szóba.
3.1
Kémiai szuppresszálás mellett használható mozgófázisok Ebbe a csoportba a gyenge szervetlen savak sói, és az er˝os alkáli-hidroxidok tartoznak, melyek a szupresszoron keresztül haladva kis vezet˝oképesség˝u oldattá alakulnak. A kémiai szuppresszorok m˝uködése az 1.2. szakaszban az 1.2. ábrán (10. o.) látható. Változó összetétel˝u nátrium-karbonát és nátrium-bikarbonát oldatok széleskör˝uen alkalmazott mozgófázisok szupresszált vezet˝oképességi detektálás esetén, mivel ezen eluensek hajtóereje és szelektivitása könnyen befolyásolható a mozgófázis pH-jával és koncentrációjával. A szupresszálás melléktermékeként kissé disszociált szénsav oldat keletkezik, melynek alacsony vezetése érzékeny detektálást tesz lehet˝ové. A karbonát/bikarbonát rendszerek alternatívájaként szóba jöhetnek olyan aminosav eluensek is, melyek izoelektromos pontja (pI) semleges pH-n található. Bázikus pH-n az aminosavak f˝oként ionos formában vannak jelen, így anion-kromatográfiás mozgófá-
Mozgófázisok
20
zisként használhatók, a szupresszálás után pedig, köszönhet˝oen ikerionos formájuknak, kisebb vezetéssel rendelkeznek, mint a karbonát/bikarbonát eluensek. Hasonlóan alacsony háttérvezetés érhet˝o el N-szubsztituált amino-alkilszulfonsavak használatával is. Aromás aminosavak (pl. tirozin) eluens adalékként is használhatók karbonát/bikarbonát mozgófázisok használatakor. A nátrium-hidroxid eluensként való felhasználása esetén érhet˝o el a legalacsonyabb háttérvezetés, így a legnagyobb érzékenység, mivel a szupresszálás eredményeként tiszta víz keletkezik. A viszonylag gyenge hajtóereje miatt meglehet˝osen nagy koncentrációban kell alkalmazni (10–100 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. A nátrium-tetraborát, a tetraborát anionok állófázishoz való kis affinitása miatt els˝osorban fluorid ionok és kis szénláncú karbonsavak analízise esetén használt. Mivel a szupresszálás során keletkez˝o bórsav semleges pH-n csak kismértékben disszociál, a nátrium-tetraborát mozgófázis szintén használható gradiens elúcióra. A 3.1. táblázatban a szupresszált vezet˝oképességi detektálás mellett leggyakrabban használt mozgófázisok láthatók, amelyek használatával majdnem az összes, vezet˝oképesség méréssel detektálható anion meghatározása megoldható. Ezeket az eluenseket a nagyszámú, forgalomban lév˝o állófázissal kombinálva gyakorlatilag bármilyen szelektivitású ionkromatográfiás rendszer öszzeállítható. 3.1. táblázat: Kémiai szuppresszálás mellett leggyakrabban használt mozgófázisok Eluens
Eluens ion
Szupresszor termék
Elúciós er˝o
Na2 BO4 NaOH NaHCO3 NaHCO3 /Na2 CO3
BO2– 4 OH– HCO–3 HCO–3 /CO2– 3
H3 BO3 H2 O CO2 +H2 O CO2 +H2 O
nagyon gyenge gyenge gyenge közepesen er˝os
H2 NCH(R)COOH/NaOH
H2 NCH(R)COO–
H3 NCH(R)COO–
közepesen er˝os
RNH2 CH(R0 )SO–3 CO2 +H2 O
közepesen er˝os er˝os
RNHCH(R0 )SO3 H/NaOH RNHCH(R0 )SO–3 Na2 CO3 CO2– 3
3.2
+
+
Elektromos háttérvezetés kompenzálás esetén használható eluensek Az ebbe a csoportba tartozó mozgófázisok eleve kis vezetéssel kell hogy rendelkezzenek az érzékeny detektálás érdekében. Benzoát, ftalát, és o-szulfobenzoát a leggyakrabban használt komponensek, mivel megfelel˝oen er˝os affinitást mutatnak az állófázis funkciós csoportjai felé, ugyanakkor a vezet˝oképességük viszonylag kicsi. Használatuk esetén az eluens pH-ját 4–7 értékre célszer˝u beállítani, ugyanis ezen a pH-n a savak disszociált formában vannak jelen. A 3.2. táblázatban, egy-egy eluenskoncentráció és pH esetén, az el˝oz˝oleg felsorolt mozgófázisok háttérvezetése látható, mely lényegesen nagyobb, mint a
3.2 Elektromos háttérvezetés kompenzálás esetén használható eluensek 21 hasonló elúciós er˝ovel rendelkez˝o karbonát/bikarbonát mozgófázisé (15–25 µS/cm). Ennek megfelel˝oen elektromos háttérvezetés kompenzálás esetén a kimutatási határok, és a detektor lineáris tartománya lényegesen kisebb, mint szupresszált vezet˝oképességi detektálás alkalmazásakor. Semleges pH-jú eluens használatával ugyanakkor a mozgófázis hidrogénion koncentrációja által okozott háttérvezetés növekedés is kiküszöbölhet˝o. 3.2. táblázat: Néhány, elektromos háttérvezetés kompenzáció esetén használt eluens háttérvezetése Eluens Kálium-benzoát Kálium-hidrogénftalát Ammónium-o-szulfobenzoát
Koncentráció [mmol/l]
pH
Fajlagos vezet˝oképesség [µS/cm]
0,65 0,50 0,50
4,6 4,4 5,8
65,9 74,3 132,0
Lineáris oldószerer˝ osségi modell Többszörös eluens/minta modell
4 — Ionkromarográfiás elméletek
Az aniokromatográfiát leíró retenciós modelleknek alapvet˝oen két típusát különböztethetjük meg. Ezek az elméleti és empirikus modellek. Egy elméleti modell teljes mértékben elméleti összefüggésekb˝ol van levezetve, a változóknak fizikai-kémiai jelentésük van, és a minta retenciós tényez˝ojének számítása el˝ott ismereteket (vagy becsléseket) igényel a mintaion, az állófázis és a mozgófázis egyes paramétereir˝ol (egyensúlyi állandók, ioncserekapacitás, gyantatérfogat stb.). Ezeket a paramétereket általában el˝ozetes kísérletek alapján becslik, melyek során a kívánt minták retenciós tényez˝oit ellen˝orzött körülmények közt mérik különböz˝o mérési paraméterek (eluenskoncentráció, h˝omérséklet stb.) szisztematikus változtatása mellett. Ha a vonatkozó paraméterek ismertek, az elméleti modell lehet˝ové teszi a retenciós tényez˝ok 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 alábbiakban két széleskörben alkalmazott elméleti modellt mutatok be.
4.1
Lineáris oldószerer˝ osségi modell A lineáris oldószer er˝osségi modell a legegyszer˝ubb elméleti modell. Sztöchiometrikus ioncsere egyenleten alapul, amely egy ioncserél˝o anyag állófázisához kötött és egy kezdetben mozgófázisbeli mintaion lecserél˝odését és állófázis általi megköt˝odését egyensúlyi folyamatként írja le. KA/E x− y− GGGGGGGGB y− yAm + xEr FGGGGGGGG yAx− r + xEm ,
(4.1)
ahol r index jelöli az allófázison megkötött, m index pedig a mozgófázisban tartózkodó ionokat. KA/E az ioncserefolyamat egyensúlyi állandója, amit az ionkromatográfiás
Ionkromarográfiás elméletek
24
gyakorlatban szelektivitási állandónak hívnak, az alábbi módon definiálható: KA/E =
Ax− r Ax− m
y
Ey− m Ey− r
!x .
(4.2)
Ezen összefüggésekb˝ol a következ˝o összefüggés vezethet˝o le a mintaionok retenciós tényez˝ojének számítására ioncserél˝o oszlopban: log kA =
x Q Vs x 1 log KA/E + log + log − log Ey− m , y y y Vm y
(4.3)
ahol Q, Vs és Vm az oszlop ioncserél˝o kapacitása, ill. gyanta- és holttérfogata. Mivel KA/E , Q, Vm és Vs értéke adott elválasztó oszlop és eluens alkalmazása esetén állandó, (4.3) összefüggés x log kA = C − log Ey− m y
(4.4)
alakra egyszer˝usíthet˝o, ahol C konstans. A (4.4) egyenlet lineáris kapcsolatot jósol a mintakomponens retenciós tényez˝ojének és az eluens moláris koncentrációjának logaritmusa közt. Az egyenes meredeksége a minta- és az eluensionok töltéseinek negatív hányadosával egyezik meg. A lineáris oldószer er˝osségi 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 – – CO2– 3 / HCO3 / OH és a ftálsavas eluensrendszerek. Habár összetett mozgófázisok esetén a lineáris oldószer er˝osségi modell nem alkalmazható, kis átalakítással kiterjeszthet˝o mintaionok retenciós id˝oinek el˝orejelzésére.
4.2
Többszörös eluens/minta modell A modellt Hajós és munkatársai publikálták 1995-ben. 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 (H3 A) esetén mind a minta protonálódásával, mind a különböz˝o mértékben protonált mintaionok ioncsere egyensúlyával számol. A minta protonálódása az K1 2− GGG GG GG GG GG GG GG B A3− + H+ F G HA
(4.5)
K2 − GGG GG GG GG GG GG GG B HA2− + H+ F G H2 A
(4.6)
K3 GGG GG GG GG GG GG GG B H2 A− + H+ F G H3 A
(4.7)
4.2 Többszörös eluens/minta modell
25
ezek ioncsere reakciója pedig a 3 R– HCO3 + A
3−
KA/HCO3 − GGG GG GG GG GG GG GG B F G R3 – A + 3 HCO3
(4.8)
2 R– HCO3 + HA
2−
KHA/HCO3 − GGG GG GG GG GG GG GG B F G R2 – HA + 2 HCO3
(4.9)
KH2 A/HCO3 − GGG GG GG GG GG GG GG B R– HCO3 + H2 A F G R– H2 A + HCO3 −
(4.10)
egyensúlyokkal írható fel. A fenti egyensúlyokat figyelembe véve a modell az alábbi formában írható fel: Vs 3 2 (4.11) z Φ0 KA/HCO3 + z Φ1 KHA/HCO3 + z Φ2 KH2 A/HCO3 , k= Vm ahol p
p2 + q − p , 4KCO2− /HCO− CO2− 3 3 3 − p = HCO− OH , 3 + KOH− /HCO− 2−3 q = 8 Q KCO2− /HCO− CO3 z=
3
3
(4.12) (4.13) (4.14)
és Φ0 , Φ1 , Φ2 a minta különböz˝o mértékben protonált alakjainak mólarányai, melyek az egyes protonálódási állandók és a mozgófázis pH-jának függvényében kiszámíthatók: i
∏ K j [H+ ] Φi =
j=0 n n
∑ ∏ Kj
j
(4.15) [H+ ] j
k=0 j=0
A modellt sikeresen alkalmazták szervetlen halogenid- és oxoanionok, kelátkomplexek illetve egy- és kétérték˝u szerves savak retenciójának jóslására az anionkromatográfiában karbonát/hidrogénkarbonát eluensrendszer alkalmazása mellett, valamint alkáli-, alkáliföldfémek és biogén alifás aminok elúciójának el˝ozetes becslésére hisztidin eluens alkalmazása esetében a kationkromatográfiában.
26
Ionkromarográfiás elméletek
4.1. ábra: Foszfát számított retenciós tényez˝oje a karbonát eluens koncentráció és pH függvényében
Ivóvízmin˝ osíés Szennyvízek vizsgálata Felszíni és felszínalatti vizek vizsgálata
5 — Gyakorlati alkalmazások
A kromatográfiás elválasztási módszereket széles körben alkalmazzák különböz˝o környezeti minták elemzése során. Az ionkromatográfia egyaránt alkalmazható ivóvizek és szennyvizek összetételének meghatározására, talajok, iszapok, csurgalékok, szilárd hulladékok analitikai vizsgálatára is. A technikának els˝osorban anionok meghatározásában van kiemelt jelent˝osége.
5.1
Ivóvízmin˝ osíés Az ivóvízmin˝osítés területén az ionkromatográfia igen elterjedt, ugyanis lehet˝oséget nyújt az ivóvízben található szervetlen ionok többségének nagy hatékonyságú elválasztására (5.1. ábra). Ennek köszönhet˝oen több szabványos mérési módszer is rendelkezésre áll a vízmin˝osítés területén. Ezek a következ˝ok: • MSZ EN 13368-1:2001 M˝utrágyák. Kelátképz˝ok meghatározása m˝utrágyákban ionkromatográfiával. 1. rész: EDTA, HEDTA és DTPA • MSZ EN 15192:2007 Hulladékok és talajok jellemzése. A króm(VI) meghatározása szilárd anyagokban lúgos feltárással és ionkromatográfiával, majd spektrofotometriás detektálássa • MSZ EN 15492:2009 Etanol mint motorbenzin-kever˝ukomponens. A szervetlen klorid- és szulfáttartalom meghatározása. Ionkromatográfiás módszer • MSZ EN ISO 10304-1:2009 Vízmin˝oség. Az oldott anionok meghatározása ionkromatográfiával. 1. rész: A bromid, a klorid, a fluorid, a nitrát, a nitrit, a foszfát és a szulfát meghatározása (ISO 10304-1:2007) • MSZ EN ISO 10304-3:1999 Vízmin˝oség. Az oldott anionok meghatározása ionkromatográfiával. 3. rész: Kromát-, jodid-, szulfit-, tiocianát- és tioszulfátion meghatározása (ISO 10304-3:1997) • MSZ EN ISO 10304-4:2000 Vízmin˝oség. Oldott anionok meghatározása ionkromatográfiás módszerrel. 4. rész: Klorát, klorid és klorit meghatározása gyengén szennyezett vízben (ISO 10304-4:1997)
Gyakorlati alkalmazások
28
• MSZ EN ISO 14911:2000 Vízmin˝oség. Az oldott Li+ , Na+ , NH+4 , K+ , Mn2+ , Ca2+ , Mg2+ , Sr2+ és Ba2+ meghatározása ionkromatográfiás módszerrel. Víz- és szennyvízvizsgálati módszer (ISO 14911:1998) • MSZ EN ISO 15061:2002 Vízmin˝oség. Az oldott bromát meghatározása. Ionkromatográfiás módszer (ISO 15061:2001)
12 Klorid 10
Vezetőképesség [mS]
8
6
4 Nitrát Szulfát
Bromid
2
0
-2 0
5
10
15
20
25
30
Retenciós idő [min]
5.1. ábra: Szervetlen anionok elválasztása nagykapacitású Dionex AS9-HC anioncserél˝o – oszlopon. Mozgófázis: 13 mM CO2– 3 /HCO3 , pH 10 Az Egyesült Államok Környezetvédelmi Hivatala - EPA - által alkalmazott US-EPA Method 300 jelzés˝u szabványsorozat is meglehet˝osen sok ionkromatográfiás módszert ajánl anionok meghatározására (5.1. táblázat). A víztisztítás során alkalmazott fert˝otlenítés anionos melléktermékeinek kimutatására is el˝onyösen alkalmazható az ionkromatográfia. Ilyen vegyületek például a bromát, klorit és a klorát. A bromát az ózonos fert˝otlenítés során képz˝odik a nyersvíz természetes bromidtartalmából, míg a klorit és klorát a klór-dioxidos fert˝otlenítés mellékterméke. Ezek az ionok igen súlyos egészségügyi kockázatot hordoznak már néhány µg/dm3 -s koncentrációnál is. Például a bromát er˝osen karcinogén hatású, az EPA becslése szerint a potenciális rák kockázata 10−4 már 5 µg/dm3 koncentráció esetén is, hosszú távú fogyasztás esetén. Bromát ion meghatározását az MSZ EN ISO 15061:2002 és az EPA Method 300.1(B) szabvány szabályozza. Az elválasztást Dionex IonPac AS9-HC típusú oszlopon, 9 mmol/dm3 -s nátrium-karbonát eluens és szupresszált vezet˝oképességi detektálás alkalmazásával hajtják végre. A módszer során használt nagy kapacitású oszlop növeli a bromátion kloridiontól való elválasztásának hatékonyságát.
5.1 Ivóvízmin˝ osíés
29
5.1. táblázat: Természetes vizek és szennyvizek meghatározására kidolgozott ionkromatográfiás szabványok az Amerikai Egyesül Államokban EPAa módszer
Minta
Közegb
300(A) 300(B) 300.1(A) 300.1(B) SW-846 9056 300.6 B-1011 SW-846 9058c 218.6 SW-846 7199 300.7 200.10d 200.13d
2– F– , Cl– , NO–2 , Br– , NO–3 , PO3– 4 , SO4 BrO–3 , ClO–3 , ClO–2 2– F– , Cl– , NO–2 , Br– , NO–3 , PO3– 4 , SO4 – – – – BrO3 , Br , ClO3 , ClO2 2– F– , Cl– , Br– , NO–3 , PO3– 4 , SO4 2– Cl– ,NO–3 , PO3– 4 , SO4 – – NO2 , NO3 ClO–4 CrO2– 4 CrO2– 4 Na+ , NH+4 , K+ , Mg2+ , Ca2+ Cd2+ , Co2+ , Cu2+ , Pb2+ , Ni2+ , U2+ , V2+ Cd2+ , Co2+ , Cu2+ , Pb2+ , Ni2+
rv, iv, fev, szv, fav, ex nyersvíz, iv rv, iv, fev, fav rv, iv, fev, fav égetési maradék nedves csapadékok rv, iv rv, iv, fav iv, fav, szv iv, fav, szv nedves csapadékok sós víz, tv sós víz, tv
a Environmental
Protection Agency – Egyesült Államok Környezetvédelmi Hivatala – 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 el˝ otti mintael˝okészítést szolgálja b rv
A klórral való fert˝otlenítés során a vízben lév˝o szerves anyagokból halogénezett szerves szennyez˝ok keletkezhetnek, melyek közül legnagyobb mennyiségben a halogénezett ecetsavak találhatók meg az ivóvizekben. Attól függ˝oen, hogy a nyersvíz milyen mennyiségben tartalmaz bromidot, klórozott- ill. brómozott-klórozott ecetsavak különböz˝o variációi keletkezhetnek. Ezek a vegyületek er˝osen toxikus hatásúak, feltételezhet˝oen rákkelt˝ok is, bár ez utóbbi hatás egyel˝ore még nem bizonyított. Ivóvízben, köszönhet˝oen meglehet˝osen alacsony pKa értéküknek, disszociált formában, azaz anionokként vannak jelen. Ionkromatográfiás meghatározásuk nehézségét els˝osorban az okozza, hogy a különböz˝o mértékben halogénezett ecetsavak nagyon eltér˝o módon köt˝odnek az állófázishoz, így analízisük f˝oként gradiens technika és induktív csatolású plazma tömegspektometria (ICP-MS) detektálás alkalmazásával oldható meg. A króm különböz˝o oxidációfokú formákban fordulhat el˝o a természetben. Míg a Cr(III) a cukor metabolizmus szempontjából alapvet˝o fontosságú nyomelem, addig a Cr(VI) vegyületei igen toxikusak, valószín˝uleg karcinogén hatással is rendelkeznek. A kromátion Dionex IonPac AS7 típusú anioncserél˝on és 1,5-difenil-karbonohidraziddal történ˝o származékképzés utáni UV/VIS detektálással történ˝o meghatározásának kimutatási határa mindössze 0,018 µg/l. A módszer a hat vegyérték˝u króm ivóvízb˝ol, felszínalatti, vagy ipari szennyvizekb˝ol történ˝o kimutatására egyaránt alkalmazható. Hatékony ionkromatográfiás módszerek állnak rendelkezésre az er˝osen toxikus cianid kimutatására is, amelynek az ipar számos területe, a bányászat, a kohászat, és m˝uanyagipar is potenciális forrása. Az ionkromatográfiás elválasztás elektrokémiai detektálással akkor ajánlott, ha a minta tiocianátot, vagy egyéb kéntartalmú vegyületet
Gyakorlati alkalmazások
30 6,00
Bromid 3,48 min Bromát 2,58 min
Vezetőképesség [mS]
4,00
3.0 mM NaOH RS=4,1
2,00
0,00 0,00
2,00
3.0 mM KOH RS=13,4
4,00
2,00
Bromid 20,84 min
Bromát 10,65 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]
5.2. ábra: Bromát és bromid ionok elválasztása makrociklikus anioncserél˝on tartalmaz, egyébként mind a szupresszált vezet˝oképességi, mind az UV/Vis detektálás alkalmazható kimutatásukra. Az ivóvíz-szennyez˝o 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 es˝ovizekb˝ol, felszíni és felszín alatti vizekb˝ol, ivóvízb˝ol, vagy kevert kommunális és ipari szennyvizekb˝ol. Különösen el˝onyös a módszer ammónium- és egyéb kationok kimutatására aminok jelenlétében, mivel ezek a vegyületek zavarják a hagyományos kolorimetriás ammónia meghatározást.
5.2
Szennyvízek vizsgálata Gyakran használják az ionkromatográfiát szennyvizek analitikai vizsgálatai során is, bár az ilyen minták esetében a mintael˝okészítésnek jelent˝os szerepe van. Az el˝okészítés általában hígítást jelent, annak érdekében hogy a mér˝om˝uszer mérési tartományán tudjunk dolgozni. Az oszlop élettartamának megnövelése érdekében gyakran indokolt a hidrofób szerves anyagok sz˝uréssel történ˝o eltávolítása.
5.3
Felszíni és felszínalatti vizek vizsgálata Az ionkromatográfiás analitikai módszereket az ivóvizek és különböz˝o szennyvizek vizsgálata mellett széles körben alkalmazzák természetes eredet˝u vízminták, úgymint ásványvizek, mélységi talajvizek, termálvizek, fúrólyukak vízmintái, a talaj pórusainak vize, a felszíni vizek (álló- és folyóvizek), az es˝ovíz, savas es˝o, hó, vagy jéges˝o és jégtakarók elemzésére is. Az es˝ovizek, és els˝osorban a savas es˝ok ionos összetev˝oinek meghatározása kiemelt fontosságú a savasodás a természetes és m˝uvi környezetre való hatásainak el˝orejelzésében . Léteznek eljárások a csapadékvízb˝ol, illetve atmoszferikus aeroszolokból kationok és anionok egyidej˝u elválasztására is gyengén savas kationcserél˝on.
5.3 Felszíni és felszínalatti vizek vizsgálata
31
5.3. ábra: Halogénezett ecetsav származékok és szervetlen anionok elválasztása makrociklikus anioncserél˝on Az ionkromatográfia területén napjainkban került el˝otérbe az igen toxikus perklorát felszíni és felszín alatti vizekb˝ol történ˝o meghatározása. A perklorát ion a szilárd rakéta hajtóanyagok kulcsösszetev˝oje, ezért els˝osorban olyan területeken szennyezheti a felszíni és talajvizeket, ahol ilyen anyagokat, l˝oszereket, t˝uzijátékokat gyártanak, tesztelnek. A felszíni vizek fémvegyületeinek meghatározásában is egyre nagyobb teret hódít az ionkromatográfia. Nagy el˝onye, hogy mérhet˝ové teszi a különböz˝o 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 lehet˝ové válik a fémvegyületek sorsának, transzportjának, toxicitásának el˝orejelzése. A talajminták vizsgálata volt az ionkromatográfia egyik els˝o környezetanalitikai alkalmazási területe. Hasonlóan a természetes vizekhez, a talajminták esetén is az a nagy el˝onye érvényesül, hogy a talaj extraktumokból a fémek különböz˝o 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 min˝osége, term˝oképessége szempontjából. Optimális esetben a mérés során injektált mintának alacsony a szerves anyag, er˝os 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 megfelel˝o extraháló szer és eljárás kiválasztható. Az iszapok, csurgalékok és szilárd hulladékok szervetlen iontartalmának meghatározása, alapjában véve nem tér el a talajmintáknál alkalmazott módszerekt˝ol. Bár az ionkromatográfiát általánosan az anionok kimutatására használják ezeknél a mintáknál is, lehet˝oség van a csurgalékvizek illékony zsírsav tartalmának meghatározására, amit
32
Gyakorlati alkalmazások
5.4. ábra: Alumínium és zink ionok komplexeinek elválasztása nagyhatékonyságú AS9-HC anioncserél˝o oszlopon. 1 - klorid, 2 - EDTA, 3 - DCTA, 4 - [AlEDTA]– , 5 [AlDCTA]– , 6 - [ZnEDTA]– , 7 - [ZnDCTA]– . fontos információ a hulladéklerakó állapotára nézve. Mivel környezeti minták analízisekor sok különböz˝o minta fordulhat el˝o, számtalan elválasztási módszer jöhet szóba attól függ˝oen, hogy milyen összetétel˝u a minta, illetve melyek a meghatározni kívánt komponensek. Ezért az elválasztási módszert az adott problémához kell optimalizálni.
Ajánlott irodalom
1. Kristóf J. Kémiai analízis II. (Nagym˝uszeres analízis), egyetemi jegyzet, Veszprém, 2000. 2. D.C. Harris. Quantitative Chemical Analysis, W.H. Freeman and Company, New York, 2007. 3. Inczédy J. Ioncserel˝ok es alkalmazasaik. (Ed.) M˝uszaki Könyvkiadó, Budapest, 1980. 4. L.R. Snyder, J.J. Kirkland, J.W. Dolan. Introduction to Modern Liquid Chromatography, 3rd ed., Wiley, 2009. 5. P. R. Haddad and P. E. Jackson. Ion Chromatography: Principles and Applications. Amsterdam: Elsevier, 1990. 6. W. Rieman and H. F. Walton. Ion Exchange in Analytical Chemistry. Pergamon Press, 1970. 7. J. Weiss. Hanbook of Ion Chromatography. 3rd ed. Weinnheim: Wiley-VCH, 2005. 8. Horváth K. Kémiai egyensúlyi és kinetikai kölcsönhatások leírása, alkalmazása az ioncsere-kromatográfiában, Doktori (PhD) értekezés, Pannon Egyetem, Anyagtudományok és -technológiák Doktori Iskola, 2007. 9. Tófalvi R. Haloecetsavak és fém-kelát komplexek analitikai elválasztása nagyhatékonyságú ionkromatográfiával, Doktori (PhD) értekezés, Pannon Egyetem, Kémiai és Környezettudományi Doktori Iskola, 2013.
