KÉMIAI EGYENSÚLYI ÉS KINETIKAI KÖLCSÖNHATÁSOK

K ÉMIAI EGYENSÚLYI ÉS KINETIKAI KÖLCSÖNHATÁSOK LEÍRÁSA , ALKALMAZÁSA AZ IONCSERE - KROMATOGRÁFIÁBAN

Doktori (PhD) értekezés

Készítette

Horváth Krisztián okleveles környezetmérnök

Témavezet˝o

Dr. Hajós Péter egyetemi docens

Készült a Pannon Egyetem „Anyagtudományok és -technológiák” Doktori Iskolája keretében

Pannon Egyetem Mérnöki Kar Analitikai Kémia Intézeti Tanszék 2007

III

harmadik oldal

Kivonat A szerz˝o a dolgozat els˝o felében retenciós modellt vezetett le szerves és szervetlen anionok latex-agglomerált pellikuláris állófázisokon történ˝o viselkedésének leírására, Langmuir-típusú egyensúlyok alkalmazásával. Az állófázis felépítésére jellemz˝o állandót, w súlytényez˝ot vezetett be, mely az állófázis töltésegyensúlyban lev˝o 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 súlytényez˝o hatását anionok retenciós profiljára. Statisztikai módszerekkel igazolta a levezetett retenciós modell használhatóságát. A dolgozat második felében egyszeresen negatív töltésu ˝ anionok retenciós viselkedését vizsgálta n-decil-2.2.2 kriptand molekulát tartalmazó állófázison, NaOH és KOH eluens alkalmazásával. Retenciós egyenletet vezetett le egynegatív töltésu ˝ anionok vizsgált állófázison történ˝o 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 szerepl˝o egyensúlyi paramétereket. Az ionpár-képz˝odési állandók értékének nagyságrendjét vizsgálva megállapította, hogy a K+ -kriptát funkciós csoportok er˝os, a Na+ -kriptát funkciós csoportok gyenge, a protonált kriptand molekulák nagyon gyenge anioncserél˝onek tekinthet˝ok. 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 történ˝o átlagos tartózkodási ideje egyegy megköt˝odés alkalmával (τs ). Megállapította, hogy az egyes ionok lépésszáma csekély eltéréseket mutat, a retenciós viselkedésükben mutatkozó különbségek f˝oként a megköt˝odve eltöltött id˝ok különbségéb˝ol 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

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 (τs ) 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 τs , 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

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 (τs ) durante un evento di adsorbimento e il numero medio di stadi di adsorbimento (n), sono stati calcolati utilizzando

IX

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.

Tartalomjegyzék Bevezetés

1

1. Irodalmi összefoglaló

3

1.1. Folyadékkromatográfia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

1.1.1. A folyadékkromatográfiás elválasztások folyamata . . . . . . . . . . . . .

3

1.1.2. A folyadékkromatográfia eszközei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.1.3. Kromatográfiás alapfogalmak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

1.1.4. A kromatográfia sztochasztikus elmélete . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1.2. Az ionkromatográfia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.1. Az ionkromatográfia típusai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.2. Az ionkromatográfia eszközei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2.3. Az ionkromatográfia el˝onyei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2.4. Elválasztási és detektálási rendszer választása . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.3. Az ionkromatográfia alkalmazása a környezeti analízisben . . . . . . . . . . . . 17 1.4. Anioncsere-kromatográfia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.4.1. Állófázisok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.4.2. A leggyakrabban használatos anionkromatográfiás eluensek . . . . . . . 25 1.4.3. Anionkromarográfiás retenciót leíró elméletek . . . . . . . . . . . . . . . 28 2. Kísérleti rész

37

2.1. Felhasznált eszközök, anyagok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.1.1. Alifás karbonsavak és szervetlen anionok retenciós tulajdonságainak vizsgálata latex alapú anioncserél˝on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.1.2. Szervetlen anionok retenciós viselkedésének tanulmányozása makrociklikus állófázison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.1.3. Szerves és szervetlen anionok vizsgálata nagykapacitású oszlopon . . . . 38 2.2. Ioncsere-kapacitás meghatározása . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.3. Retenciós modell egyensúlyi paramétereinek meghatározása iterációs úton . . 40 2.4. Kromatográfiás csúcsok momentumainak meghatározása görbeillesztéssel . . 41

XI

TARTALOMJEGYZÉK

XII

3. Eredmények

45

3.1. Anionok elválasztásának mechanizmusa latex-alapú állófázisokon . . . . . . . . 45 3.1.1. Alifás karbonsavak és szervetlen anionok retenciós viselkedése latexalapú állófázisokon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.1.2. Eluens- és mintaionok kémiai egyensúlyai latex-alapú állófázisokon . . 49 3.1.3. Elválasztó oszlop ioncsere-kapacitása . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.1.4. Mintaionok retenciós tényez˝oje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.1.5. Eluens és mintaionok egyensúlyi állandójának meghatározása . . . . . . 53 3.1.6. A w súlytényez˝o hatása anionok retenciós profiljára . . . . . . . . . . . . 55 3.1.7. A retenciós modell statisztikai értékelése . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.2. Makrociklikus egyensúlyok az anionkromatográfiában . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.2.1. Anionok retenciós viselkedése makrociklikus állófázison . . . . . . . . . 60 3.2.2. Elválasztás során lejátszódó komplex- és ioncsere-egyensúlyok . . . . . 63 3.2.3. Egyensúlyi állandók meghatározása . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.2.4. A levezetett retenciós modell statisztikai értékelése . . . . . . . . . . . . . 69 3.3. Anionok retenciós viselkedésének integrált leírása . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.3.1. Sztochasztikus paraméterek meghatározása . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.3.2. A megköt˝odések gyakoriságának és az ioncserekapacitás kihasználtságának meghatározása . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.3.3. A többkomponensu ˝ eluens/minta retenciós modell kapcsolata a sztochasztikus elmélettel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.3.4. A vízanalitikában fontos ionok kromatogramjának becslése a többkomponensu ˝ eluens/minta és a sztochasztikus modell egyesítésével . . . . . 81 4. Összefoglalás

89

Irodalomjegyzék

94

A szerz˝ o tudományos munkássága

i

4.1. Publikációk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

i

4.2. Konferencia el˝oadások . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ii

4.3. Az eredmények hasznosítása . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

v

4.4. Elismerések . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

vi

Tézispontok Theses

vii xi

Bevezetés A XX. század második felében az elválasztási módszerek többsége ugrásszeru ˝ fejl˝odésen ment keresztül. Az elválasztások sebessége, hatékonysága, megbízhatósága és felbontása egyaránt javult. A kromatográfia történetében az els˝o jelent˝os mérföldk˝o a megoszlásos- és papírkromatográfia megjelenése volt az 1940-es években, ezt a különféle gélkromatográfiás módszerek térhódítása követte a hatvanas években. Dönt˝oen fontos lépés volt a szerves vegyületek analízisében a gázkromatográfia megjelenése. A legjelent˝osebb áttörést azonban a – Horváth Csaba nevéhez fuz˝ ˝ od˝o – nagyteljesítményu ˝ 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 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 valószínuleg ˝ több elválasztást végeznek HPLC módszerekkel, mint az összes többi elválasztáson alapuló módszerrel együttvéve. A folyadék fázisú analitikai elválasztások tervezése komplikált feladat, mivel egyidejuleg ˝ több tényez˝o, 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 különböz˝o típusú állófázisokon a nagyhatékonyságú ionkromatográfia területén, valamint az ionkromatográfiás elválasztások integrált leírását adja.

1

1. Irodalmi összefoglaló A dolgozat els˝o részében a kromatográfiás elválasztások elvét, muködését ˝ mutatom be a módszer jobb megértése céljából. Részletesen ismertetem a folyadékkromatográfia a sztochasztikus retenciós elméletét. Emellett rövid áttekint˝o ismertetést adok az ionkromatográfia jelent˝oségér˝ol, felhasználásáról, fontosabb elméleti modelljeir˝ol.

1.1. Folyadékkromatográfia A kromatográfia különböz˝o 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.

1.1.1. A folyadékkromatográfiás elválasztások folyamata A folyadékkromatográfiás elválasztások a különböz˝o típusú mintakomponensek és a kromatográfiás állófázis között fellép˝o kölcsönhatás eltér˝o erején alapulnak [2, 3]. Két különböz˝o kémiai tulajdonságú komponens elválasztása a következ˝oképpen történik: tegyük fel, hogy az egyik komponens (A) hasonló módon köt˝odik meg az állófázison, mint az eluens, míg a másik komponens (B) jóval er˝osebben. Ha a két komponenst tartalmazó elegy kis mennyiségét az oszlopra injektáljuk, akkor az A típusú molekulák, mivel az eluenshez hasonló mértéku ˝ visszatartást szenvednek, ugyanakkora sebességgel haladnak el˝ore az oszlopban, mint az eluens molekulák. A B molekulák ellenben, köszönhet˝oen az állófázissal szemben mutatott er˝osebb kölcsönhatásuknak, több id˝ot töltenek az állófázison, azaz az eluens és az A molekuláknál kisebb sebességgel mozognak el˝ore. Ha megfelel˝oen nagy a két komponens megköt˝odésének er˝ossége közti különbség, akkor a két komponens eltér˝o id˝oben hagyja el az oszlopot, így módunkban áll két különböz˝o komponensként detektálni o˝ ket (1.1. ábra). Elválasztás során általában meglehet˝osen keskeny sávokat injektálunk (5–20 µl), azonban a folyamat lezajlása során a komponensek sávjai kiszélesednek, köszönhet˝oen a lassú

3


Detektor jel

4

Idő

1.1. ábra: Elválasztás mechanizmusa a komatográfiában adszorpciós kinetikának, a longitudinális- és örvénydiffúziónak, valamint egyéb tényez˝oknek [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.

1.1.2. A folyadékkromatográfia eszközei A folyadékkromatográfiás rendszerek állandó tartozékai a szivattyú, a mintabeviteli rendszer, az elválasztó oszlop, a detektor és az adatgyujt˝ ˝ o/feldolgozó egység (1.2. ábra) [2]. A rendszer lelke a kromatográfiás oszlop, ahol a tulajdonképpeni elválasztás zajlik. Mivel az állófázis mikrométer nagyságú részecskékb˝ol áll, nagy nyomású pumpa szükséges a mozgófázis áramoltatására a rendszerben. A kromatográfiás elválasztás folyamata a mintaelegy rendszerbe történ˝o bejuttatásával kezd˝odik. Az elválasztás az id˝o alatt történik meg, amíg a mintakomponensek az oszlopban tartózkodnak. Az oszlopot elhagyva az egyes mintamolekulák, -ionok a detektorba jutnak, ami azok koncentrációjával arányos elektromos

1.1. Folyadékkromatográfia

5

Oszlop

Detektor Interfész Hurok

Injektáló szelep Mozgó fázis

Adatfeldolgozó

Pumpa

1.2. ábra: A folyadékkromatográfia eszközei jelet továbbít az adatgyujt˝ ˝ o egység felé. A detektor által szolgáltatott jelet az id˝o fügvényében ábrázolva kapjuk az ún. kromatogramot (1.1. ábra alsó része), mely minta összetételére vonatkozó min˝oségi és mennyiségi információkat egyaránt tartalmazza.

1.1.3. Kromatográfiás alapfogalmak A dolgozatban többször el˝oforduló, a kromatográfiában általánosságban használt alapfogalmakat igyekszem tisztázni ebben a fejezetben. Retenciós id˝ o, -térfogat, -tényez˝ o Egy komponens visszatartásának mértéke jellemz˝o az adott vegyületre, így annak min˝oségi azonosítására is szolgálhat. A legegyszerubb ˝ módszer a visszatartás (retenció) számszerusí˝ tésére az injektálás kezdete és az adott komponens detektorban történ˝o megjelenése közti id˝o mérése. Utóbbit célszeruen ˝ a detektor maximális válaszjeléhez szokás társítani. Ezt a mér˝oszámot a kromatográfiában retenciós id˝onek (t R ) hívjuk [1]. A retenciós id˝o arányos a komponens visszatartásával és fordítottan arányos az eluens térfogatáramával. A retenciós id˝o és az eluens térfogatáramának szorzata a retenciós térfogat (VR ), ami a retenciós id˝onél egy sokkal inkább általános, retenciót jellemz˝o mér˝oszám, ugyanis nem függ az eluens térfogatáramától, csak a komponens visszatartásától és az elválasztó oszlop geometriai méreteit˝ol, tulajdonságaitól. A retenciós térfogat azt a mozgófázis térfogatot jelenti, amely ahhoz szükséges, hogy az adott komponenst az oszlopról eluáljuk. A retenciós térfogat két részb˝ol tev˝odik össze: 1. Holttérfogat: az az eluens térfogat, amely az id˝o 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 (V0 ), értéke ennélfogva


6

minden mintakomponensre nézve állandó. 2. Korrigált retenciós térfogat: a mozgófázis azon térfogata, mely az id˝o alatt áramlik keresztül az oszlopon, amíg a mintakomponens az állófázison tartózkodik. Értéke a különböz˝o mintamolekulák esetén más és más. A leguniverzálisabb retenciót jellemz˝o mér˝oszám a retenciós tényez˝o (k). A retenciós tényez˝o a komponens álló- és mozgófázisbeli mennyiségének hányadosa [1]:

k=

ns , nm

(1.1)

ahol n s a vizsgált komponens állófázison, n m a mozgófázisban lev˝o móljainak száma. Az 1.1 egyenlet átrendezésével a következ˝o egyenletet írhatjuk fel:

k +1 =

ns nm ns + nm + = . nm nm nm

(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=

nm 1 = . ns + nm 1+k

(1.4)

Ha az A ionok mozgófázisban lev˝o hányada zérus (R = 0), akkor u A is zérus, az ionok nem jutnak el˝ore 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) összefüggésekb˝ol következik, hogy:

uA =

u . 1+k

(1.5)

Az u A , az oszlop L hossza és az elválasztás id˝oszükséglete között kapcsolat teremthet˝o, ha figyelembe vesszük, hogy az id˝o az út és a sebesség hányadosa. Esetünkben az A komponensnek t R id˝ore van szüksége ahhoz, hogy az L hosszúságú oszlopon áthaladjon. Az A


7

sáv áthaladási ideje ezek alapján: tR =

L . uA

(1.6)

Ehhez hasonlóan az oldószer vagy más vissza nem tartott komponens

t0 =

L u

(1.7)

id˝o alatt halad át az oszlopon. Ha az (1.6) és (1.7) összefüggésekb˝ol kiejtjük L-t, akkor a következ˝o egyenlethez jutunk: tR =

u t0 , uA

(1.8)

amib˝ol, az (1.5) egyenletet figyelembe véve adódik, hogy:

t R = t 0 (1 + k) .

(1.9)

Az (1.9) összefüggés átrendezésével a k számítását lehet˝ové tev˝o egyenlethez jutunk:

k=

tR − t0 . t0

(1.10)

Látható, hogy a retenciós tényez˝o a vissza nem tartott és a vizsgált komponens csúcsa közti távolság és az injektálás, valamint a vissza nem tartott komponens csúcsa közötti távolság hányadosával egyenl˝o. Adott oszlop, eluens, elválasztási h˝omérséklet és X komponens esetén, kis mintamennyiséget alkalmazva k állandó, így az adott mintakomponens min˝oségi azonosítását lehet˝ové teszi. Megoszlási hányados Az el˝oz˝o fejezetben láthattuk, hogy az elválasztóoszlopban a komponensek vándorlási sebessége azok álló- és mozgófázis közötti egyensúlyi megoszlásától függ: µ

¶ dx 1 = , dv A D A

(1.11)

ahol dx az állófázis infinitezimálisan kis mennyisége, amelyen a megoszló anyag dv térfogatú fluid fázis bejuttatásának hatására el˝orehalad. D A a megoszlási hányados. Az elvá-


8

lasztandó komponensek oldódnak a mozgófázisban, ill. megköt˝odnek az állófázison. Ezt a folyamatot a megoszlási hányadossal jellemezhetjük [1]:

DA =

(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 egyt˝ol különböz˝o 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 VN nettó retenciós térfogat az alábbiak szerint számítható ki VS térfogatú állófázist tartalmazó oszlop esetén: VN = VS D A .

(1.13)

Állandó D A esetén tehát VN térfogatú fluid fázis szükséges ahhoz, hogy a minta a VS térfogatú állófázist tartalmazó oszlopon áthaladjon. A megoszlási hányados és az el˝oz˝o fejezetben ismertetett retenciós tényez˝o (D A ) között az (1.1) és az (1.12) összefüggések alapján a következ˝o kapcsolat állítható fel:

k=

VS (A) VS = D A. V 0 [ A] V0

(1.14)

Elválasztás hatékonysága Az elválasztás hatékonysága a komponens retenciójától és kromatográfiás csúcsának szélességét˝ol függ. Egy mintakomponens retenciója a molekula és az állófázis közötti kölcsönhatás er˝osségére, valamint az állófázis fajlagos felületére utal. A komponens sávjának szélesedése ellenben alapvet˝oen kinetika által szabályzott, és az állófázis részecskéinek átmér˝ojét˝ol, porozitásától, pórus méretét˝ol és az oszlop mérett˝ol függ. A kromatográfiás oszlop hatékonyságára jellemz˝o, igen fontos mér˝oszám az elméleti tányérszám, mely a kromatográfia tányérelméletéb˝ol eredeztethet˝o [4, 5]. Értéke a következ˝o összefüggés segítségével számítható ki [6]: N =

t R2 σ2

,

(1.15)

ahol t R és σ a komponens retenciós ideje ill. varianciája. Minél nagyobb egy szeparációs rendszer hatékonysága, annál keskenyebb csúcsokat


9

kaphatunk adott retenciós id˝o esetén, azaz annál több komponens kromatográfiás csúcsát tudjuk megkülönböztetni egy adott retenciós id˝o tartományban. Szelektivitás A két különböz˝o komponens szelektivitásán azok retenciós tényez˝oinek vagy korrigált retenciós id˝oinek 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 rendelkez˝o komponens retenciós tényez˝ojét osztjuk a kisebbével.

α=

kB tB = . kA tA

(1.16)

Ez a paraméter független az oszlop hatékonyságától, értéke csak az elválasztott komponensek természetét˝ol, az eluens fajtájától és összetételét˝ol, 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 kielégít˝o mértéku ˝ szétválasztása. E cél eléréséhez a relatív elválasztást, más néven megfelel˝o felbontást kell biztosítanunk. Két szomszédos A és B sáv felbontása definíciószeruen ˝ a két sáv középpontja közti távolság és az átlagos sávszélesség hányadosával egyenl˝o [1]: RS = 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 id˝o 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 mértékuvé ˝ válik, ha a két sáv közül az egyik sokkal kisebb, mint a másik.

1.1.4. 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-


10

tól (adszorpció, megoszlás, ioncsere) függ˝oen meglehet˝osen sok modell áll rendelkezésre a kromatográfiás csúcsok helyének és alakjának becslésére [7]. A kromatográfia sztochasztikus elmélete egy molekuláris szintu ˝ modell, amely valószínuleg ˝ a legegyszerubb ˝ képet festi a kromatográfiás folyamatról. A kromatográfiás csúcs kialakulását a részecskék véletlenszeru ˝ vándorlásával írja le az oszlop mentén, ugyancsak véletlenszeruen ˝ fellép˝o 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 megérthet˝ok (adszorpciós lépések száma, átlagos adszorpciós id˝o stb.), s melyek a sávszélesedésben jelent˝os szerepet játszanak. A szeparációs folyamat alapvet˝o tulajdonságai (momentumok, tányérszám stb.) néhány egyszeru ˝ számítással megkaphatók a modellb˝ol. 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 részletességu ˝ fizikai-kémiai leírásának érdekében. A sztochasztikus elmélet a kromatográfiás folyamatot Poisson-folyamatként szemléli. Amikor egy részecske az elúció során adszorbeálódik, meg˝orzi oszlopon belüli helyzetét egészen addig, míg el nem hagyja az állófázist. Deszorpció után folytatja útját a mozgófázissal, amíg újra meg nem köt˝odik az állófázison. A részecske tartózkodási ideje az állófázison (τ∗s ) és a mozgófázisban (τ∗m ) véletlenszeru, ˝ exponenciális eloszlású értékek, melyeknek várhatóértéke τs és τm . Minden egyes részecske különböz˝o pályán halad, és különböz˝o id˝opontban éri el az oszlop végét. Ez id˝o alatt minden egyes molekula különböz˝o, r számú adszorpciós/deszorpciós lépésen esik át. Utóbbi változó Poisson-eloszlású, várható értéke n. ( P (τ∗s ) = ( P (τ∗m ) = P (r ) =

0 e

−τs /t

0 e

−τm /t

e −n n r , r!

ha t < 0 ha 0 ≤ t ha t < 0 ha 0 ≤ t

(1.18)

(1.19) (1.20)

ahol t az id˝o változó. A véletlenszeru ˝ hatások következtében ugyanabban az id˝opillanatban az oszlopba belép˝o két teljesen azonos kémiai tulajdonságú részecske hamarosan eltér˝o helyen található. Az elúciós profil, azaz kromatográfiás csúcs alakját leíró görbe, az egyes részecskék retenciós


11

id˝oinek valószínuségi ˝ sur ˝ uségfüggvénye: ˝ r P (n, τs , t ) =

n −n− t τs I e 1 t τs

Ãs

4nt , τs

! (1.21)

ahol I 1 (x) az ún. els˝ofajú, els˝orendu ˝ módosított Bessel-függvény. Ha n megfelel˝oen nagy, az (1.21) egyenlet az alábbi Gauss görbével közelíthet˝o: t

2

( τs −n ) 1 P (t ) = p e − 4n . 2τs πn

(1.22)

A sztochasztikus elmélet szerint τm a várható id˝otartam, amit egy részecske vándorlása során a mozgófázisban tölt egy deszorpció és az azt követ˝o adszorpció közt (repülési id˝o, fly-time), míg várhatóan τs adszorpciós id˝ot tölt az állófázis felületén egy-egy megköt˝odés alkalmával. A Frenkel-egyenletnek [11] megfelel˝oen τs közvetlenül kapcsolatba hozható az adszorpciós energiával (E a ) , míg n az anyagátadási egységek számával analóg [6, 12]: Ea

τs = τ0 e RT ,

(1.23)

ahol τ0 konstans, értéke ∼ 1,6 × 10−13 s szobah˝omérsékleten. 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]: µk = k! n τks .

(1.24)

Ennek megfelel˝oen a korrigált retenciós id˝o, ami a részecskék által az állófázison megköt˝odve eltöltött id˝o a t R0 = µ1 = n τs ,

(1.25)


12

a kromatográfiás csúcs varianciája a σ2 = µ2 = 2n τ2s ,

(1.26)

míg ferdesége (skew), ami a csúcs aszimmetriáját jellemzi az

S=

µ3 µ3/2 2

3 =p 2n

(1.27)

összefüggésekkel számítható.

1.2. 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 (SO24 – , NO3– , ClO4– , BrO3– , PO34 – stb.) ˝ (vízoldható) mono-, di- és trikarbonsavak (formiát, 2. szerves anionok: kis molekulatömegu acetát, oxalát, fumarát, citrát, EDTA stb.), szulfonsavak, beleértve a detergenseket is 3. szervetlen kationok: alkáli- és alkáliföldfémek (Li+ , Na+ , Mg2+ stb.) 4. szerves kationok: kis molekulatömegu ˝ (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.)

1.2.1. Az ionkromatográfia típusai Ioncsere-kromatográfia (HPIC: High Performance Ion-Exchange Chromatography) 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 [13]. 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

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 els˝osorban teljesen szulfonált sztirol-divinilbenzol alapú, nagykapacitású kationcserél˝ok jöhetnek szóba. Az ionkizárásoskromatográfia 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. Ionpár-kromatográfia (MPIC: Mobile Phase Ion Chromatography) Az elválasztást leginkább meghatározó mechanizmus az ionpár-kromatográfiában az adszorpció. Az állófázis teljesen semleges, nagy fajlagos felületu, ˝ 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. 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. 1.4.1. alszakasz), valamint a micella-kizárásos-kromatográfiát is.

1.2.2. 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


14

szuk, ˝ 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 az 1.4.1. alszakaszban (22–25. 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, 18. o.). 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-ammónium-hidroxiddal történik, ami biztosítja a reakcióhoz szükséges protonokat, ill. hidroxidionokat. A lejátszódó reakció nátrium-hidroxid eluens esetén az 1.3. ábrán látható.

Na2SO4

Regenerálószer (H2SO4)

aaaaaaaaaaaaaaaaaaaa Membrán H Na aaaaaaaaaaaaaaaaaaaa +

Eluens (NaOH) Minta (NaF, NaCl, Na2SO4) Elválasztó oszlop

Na

+

–

+

H2O

–

OH

+

OH

Na

Na+

OH–

Na

+

H+

OH– OH– H2O

H2O HF, HCl, H2SO4 Detektor

aaaaaaaaaaaaaaaaaaaa Membrán Na H aaaaaaaaaaaaaaaaaaaa +

Na2SO4

+

Regenerálószer (H2SO4)

1.3. ábra: A szupresszor muködésének ˝ vázlata NaOH eluens használata esetén

1.2. Az ionkromatográfia

15

1.2.3. 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 érzékenységu ˝ módszer létezik. A hagyományos nedves analitikai eljárások, a titrálás, fotometria, gravimetria, turbidimetria és kolorimetria, mind eszközés 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.

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 [14]. Azaz a hagyományos nedves analitikai eljárások id˝oszükségletének tört része alatt min˝oségi és mennyiségi információval szolgálhat az ionkromatográfia.

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 [15]. 50µl-es huroktérfogat esetén a legtöbb egyszeru ˝ 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 nagyságrendu ˝ érzékenység érhet˝o el.

16


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. A klasszikus analitikai gyakorlat egyik nagy problémája, hogy az adott módszer szempontjából hasonló kémiai viselkedésu ˝ 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 mennyiségu ˝ 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, 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, különböz˝o oxidációfokú és komplexformájú nehézfémek, ill. szerves savak egymástól való elválasztása ionkromatográfiás módszerrel. 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 [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 lehet˝ové teszi er˝os savak és lúgok eluensként való felhasználását. Mindemellett a szerves polimer alapú oszlopok nem érzékenyek komplex mátrixú mintákra, szennyvizekre, ételmintákra, testfolyadékokra sem. Ilyen esetekben a mintael˝okészítés gyakran csak egyszeru ˝ 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 nagymértéku ˝ fejl˝odésének, ma már egyre több gyártó lép

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 10 − 100 µl , azaz három nagyságrenddel kisebb, mint a klasszikus módszerek esetén.

1.2.4. Elválasztási és detektálási rendszer választása Ahogy azt az 1.2.1. alszakaszban (12 .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. Ilyen esetekben a döntés során figyelembe kell venni a minta mátrixot, a módszer bonyolultságát és az analízis költségeit.

1.3. Az ionkromatográfia alkalmazása a környezeti analízisben 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 [18]. A technikának els˝osorban anionok meghatározásában van kiemelt jelent˝osége. Az ivóvízmin˝osítés területén az ionkromatográfia igen elterjedt, ugyanis lehet˝oséget nyújt az ivóvízben található szervetlen ionok többségének nagy hatékonyságú elválasztására. Ennek köszönhet˝oen több szabványos mérési módszer is rendelkezésre áll a vízmin˝osítés területén. Ilyenek például hazánkban az MSZ EN ISO 10304-1:1998 [19], az MSZ EN ISO 10304-2:1999 [20] és az MSZ EN ISO 10304-3:1999 [21] szabványok. A sorozat negyedik


18

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

Szervetlen ionok – – 2– F , Cl , SO4 , 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


19

tagját, az ISO 10304-4:1997 jelut ˝ [22] hazánk még nem vette át. Az Egyesült Államok Környezetvédelmi Hivatala - EPA - által alkalmazott US-EPA Method 300 jelzésu ˝ szabványsorozat is meglehet˝osen sok ionkromatográfiás módszert ajánl anionok meghatározására (1.1. táblázat). 1.1. 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

F – , Cl – , NO2– , Br – , NO3– , PO34 – , SO24 – BrO3– , ClO3– , ClO2– F – , Cl – , NO2– , Br – , NO3– , PO34 – , SO24 – BrO3– , Br – , ClO3– , ClO2– F – , Cl – , Br – , NO3– , PO34 – , SO24 – Cl – ,NO3– , PO34 – , SO24 – NO2– , NO3– ClO4– CrO24 – CrO24 – 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 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 el˝otti mintael˝okészítést szolgálja b

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 [23]. Bromát ion meghatározását 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 [15]. 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


20

tartalmaz bromidot, klórozott- ill. brómozott-klórozott ecetsavak különböz˝o variációi keletkezhetnek [24]. Ezek a vegyületek er˝osen toxikus hatásúak, feltételezhet˝oen rákkelt˝ok is, bár ez utóbbi hatás egyel˝ore még nem bizonyított [25, 26]. 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 [24, 27]. 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, valószínuleg ˝ 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 [28]. A módszer a hat vegyértéku ˝ 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 muanyagipar ˝ is potenciális forrása. Az ionkromatográfiás elválasztás elektrokémiai detektálással akkor ajánlott, ha a minta tiocianátot [15], vagy egyéb kéntartalmú vegyületet tartalmaz, egyébként mind a szupresszált vezet˝oképességi [29], mind az UV/Vis detektálás alkalmazható kimutatásukra [30]. 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 [31]. Különösen el˝onyös 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 mintael˝okészítésnek jelent˝os szerepe van. Az el˝okészítés általában hígítást jelent, annak érdekében hogy a mér˝omuszer ˝ mérési tartományán tudjunk dolgozni. Az oszlop élettartamának megnövelése érdekében gyakran indokolt a hidrofób szerves anyagok szuréssel ˝ történ˝o eltávolítása [32]. Az ionkromatográfiás analitikai módszereket az ivóvizek és különböz˝o szennyvizek vizsgálata mellett széles körben alkalmazzák természetes eredetu ˝ 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.


21

Az es˝ovizek, és els˝osorban a savas es˝ok ionos összetev˝oinek meghatározása kiemelt fontosságú a savasodás a természetes és muvi ˝ környezetre való hatásainak el˝orejelzésében . Léteznek eljárások a csapadékvízb˝ol, illetve atmoszferikus aeroszolokból kationok és anionok egyideju ˝ elválasztására is gyengén savas kationcserél˝on [33]. Az ionkromatográfia területén napjainkban került el˝otérbe az igen toxikus perklorát felszíni és felszín alatti vizekb˝ol történ˝o meghatározása [34, 35, 36]. A perklorát ion a szilárd rakéta hajtóanyagok kulcsösszetev˝oje, ezért els˝osorban olyan területeken szennyezheti a felszíni és talajvizeket, ahol ilyen anyagokat, l˝oszereket, tuzijátékokat ˝ 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 [37]. 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 [31]. 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 [38]. Az iszapok, csurgalékok és szilárd hulladékok szervetlen iontartalmának meghatározása, alapjában véve nem tér el a talajmintáknál alkalmazott módszerekt˝ol [16]. Bár az ionkromatográfiát általánosan az anionok kimutatására használják ezeknél a mintáknál is, lehet˝oség van a csurgalékvizek illékony zsírsav tartalmának meghatározására, amit fontos információ a hulladéklerakó állapotára nézve [17]. Mivel környezeti minták analízisekor sok különböz˝o minta fordulhat el˝o, számtalan elválasztási módszer jöhet szóba attól függ˝oen, hogy milyen összetételu ˝ a minta, illetve melyek a meghatározni kívánt komponensek. Ezért az elválasztási módszert az adott problémához kell optimalizálni.


22

1.4. Anioncsere-kromatográfia 1.4.1. Állófázisok Ahogy az 1.2.2. alszakaszban már említettem, az ionkromatográfiában els˝osorban szerves polimer alapú állófázisok terjedtek el. Kisebb mértékben azonban, de szervetlen alapú tölteteket tartalmazó oszlopok is használatosak a gyakorlatban.

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-divinil-benzol alapúak a legelterjedtebbek, köszönhet˝oen 0–14-ig terjed˝o pH stabilitási tartományuknak. A sztirol kopolimerizációja divinil-benzollal szükségszeru ˝ a gyanta megfelel˝o mechanikai stabilitásának érdekében. A divinil-benzol, két funkciós csoportjának köszönhet˝oen, összeköt két polisztirén láncot, így az állófázist térhálóssá teszi (1.5. 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 [39]. Ez utóbbi, mely az egységnyi tömegu ˝ vagy térfogatú gyantán található aktív csoportok számát jelzi az anioncserél˝o állófázisok talán legfontosabb tulajdonsága . CH

CH2

CH

CH2

CH

CH2

CH2

CH

CH2

CH

CH2

CH

CH2

CH

CH

CH2

CH

CH2

CH

CH

1.5. ábra: Sztirol-divinilbenzol szerves polimer alapú állófázis sematikus ábrázolása 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 kvaterner-ammónium funkciós csoportokkal rendelkez˝o anioncserél˝ohöz juthatunk [39].

1.4. Anioncsere-kromatográfia

23

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 célszeru ˝ azonban külön tárgyalni o˝ ket. A latex alapú anioncserél˝ok 5-25 µm átmér˝oju ˝ felületileg szulfonált sztirol-divinil-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 [14]: (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 az 1.6 ábrán látható.

1.6. ábra: Latex alapú ioncserél˝o részecske pásztázó elektronmikroszkópos felvétele [40]. A részecske átmér˝oje 9 µm. Habár a latex réteg önmagában véve nagy ioncsere kapacitással rendelkezik, a kisméretu ˝ 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 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 [40, 41]: (1) az inert szubsztrát jelent˝os mechanikai stabilitást és kis nyomásesést biztosít,


24

(2) a latex részecskék kis méretének köszönhet˝oen az állófázis hatékonysága nagy, (3) a felületi szulfonáltságnak köszönhet˝oen elhanyagolható mértéku ˝ 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 (ld. 3.1. szakasz, 45–56. oldal).

Szilikagél alapú anioncserél˝ ok A szerves polimer alapú ioncserél˝okkel párhuzamosan számos szilikagél (SiO2 ) 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 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 szuk, ˝ 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.

Makrociklikus állófázisok Szerves és szervetlen anionok elválasztása nem kizárólag szerves polimerre, vagy szilikagél állófázisra kötött er˝osen bázikus jellegu ˝ funkciós csoportok segítségével lehetséges. A töltéssel nem rendelkez˝o makrociklikus vegyületek is alkalmasak anionok elválasztására [44]. 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˝oju ˝ 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 töltésu ˝ 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 az 1.7. ábrán látható egy példa. Köszönhet˝oen alkilcsoportjának, az n-decil-2,2,2-kriptand molekula kovalens módon köthet˝o sztirol-divinil-


25

benzol hordozóra, meglehet˝osen stabil állófázist kapva ezáltal, ahogy az a Dionex Cryptand A1 oszlop esetében is tapasztalható [45, 46, 47]. Mivel a makrociklus ebben az esetben híd helyzetu ˝ nitrogént is tartalmaz, a mozgófázis pH-jától függ˝oen protonálódni képes, további pozitív töltésu ˝ funkciós csoportokat alakítva ki ezáltal a molekulán. A kriptand molekula protonálódási állandóinak értéke 1010 és 107,5 [48].

O

A–

O

M+

OH– N O O

N O O

1.7. 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 [45]. Köszönhet˝oen többek között ezen el˝onyös tulajdonságának, az Amerikai Egyesült Államok Környezetvédelmi Hivatala (EPA) kriptand állófázist tartalmazó ionkromatográfiás oszlopot javasol perklorát meghatározására ivóvízben [49]. 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 [50]. 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 szuk ˝ pH tartományban használhatók.

1.4.2. A leggyakrabban használatos anionkromatográfiás eluensek A mozgófázis helyes megválasztása dönt˝o fontosságú az analízis szempontjából, ugyanis az eluens összetételének változtatásával az elválasztás szelektivitása változtatható [40, 41]. Az anionkromatográfiában használt eluensek típusát f˝oként a használt detektálási módszer


26

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 egyszerubb. ˝ El˝obbi esetben f˝oként foszforsav alkáli sói, kénsav és perklórsav alkalmaztható sikeresen, köszönhet˝oen nagymértéku ˝ 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 er˝os alkáli-hidroxidok tartoznak, melyek a szupresszoron keresztül haladva kis vezet˝oképességu ˝ oldattá alakulnak. A kémiai szuppresszorok muködése ˝ az 1.2.2. alszakaszban az 1.3. ábrán (14. o.) látható . Változó összetételu ˝ nátrium-karbonát és nátrium-bikarbonát oldatok szélesköruen ˝ alkalmazott mozgófázisok szupresszált vezet˝oképességi 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 lehet˝ové. 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 f˝oként ionos formában vannak jelen, így anion-kromatográfiás mozgófázisként 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 [52, 54]. Aromás aminosavak (pl. tirozin) eluens adalékként is használhatók karbonát/bikarbonát mozgófázisok használatakor [40]. 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.


27

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 nátriumtetraborát mozgófázis szintén használható gradiens elúcióra [40]. Az 1.2. 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.

1.2. táblázat: Kémiai szuppresszálás mellett leggyakrabban használt mozgófázisok Eluens

Eluens ion

Szupresszor termék

Elúciós er˝o

Na2 BO4 NaOH NaHCO3 NaHCO3 /Na2 CO3

BO24 – OH – HCO3– HCO3– /CO23 –

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

RNHCH(R0 )SO3 H/NaOH Na2 CO3

RNHCH(R0 )SO3– CO23 –

RNH2 CH(R0 )SO3– CO2 +H2 O

közepesen er˝os er˝os

+

+

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 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 célszeru ˝ beállítani, ugyanis ezen a pH-n a savak disszociált formában vannak jelen. Az 1.3. táblázatban, egy-egy eluenskoncentráció és pH esetén, az el˝oz˝oleg felsorolt mozgófázisok háttérvezetése látható, mely lényegesen nagyobb, mint a 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.


28

1.3. 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

1.4.3. Anionkromarográfiás retenciót leíró 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 empírikus modell megalkotása általában a kérdéses minták retenciójának két, ismert összetételu ˝ mozgófázissal történ˝o mérésével veszi kezdetét. Ezt a mintakomponens retenciós viselkedésének leírása követi különböz˝o összetételu ˝ mozgófázisokra interpolációs úton, valamilyen el˝ore meghatározott egyenlet (egyenes, polinom stb.) felhasználásával [57]. Számos fontos tényez˝ot kell figyelembe venni az optimalizálási módszer kidolgozása során, beleértve az egyszeru ˝ használatot, nagy teljesítményt, pontosságot, precizitást és sebességet. Az elméleti retenciós modellek túlnyomó többségénél a pontosság és precizitás javítása az egyszeru ˝ kezelhet˝oség romlásával párosul, az empirikus modellek viszont mentesülni látszanak ett˝ol a problémától [58, 59, 60]. Az ismertetésre kerül˝o hét elméleti modell növekv˝o komplexitás szerinti sorrendben kerül bemutatásra, majd ezeket egy szélesköruen ˝ alkalmazott empirikus modell ismertetése követi.


29

Lineáris oldószerer˝ osségi modell A lineáris oldószer er˝osségi modell a legegyszerubb ˝ 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 y− y− x− x− GGGGGGG B + x Er F y Am GGGGGG G y Ar + x Em ,

(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: µ

K A/E

Arx− = x− Am

¶y µ

y− ¶x

Em y− Er

.

(1.29)

Ezen összefüggésekb˝ol néhány alapvet˝o kromatográfiás törvényszeruség ˝ [(1.12) és (1.14) egyenlet] felhasználásával a következ˝o összefüggés vezethet˝o le a mintaionok retenciós tényez˝ojének számítására ioncserél˝o oszlopban:

log k A =

x Q Vs x 1 y− log K A/E + log + log − log Em , y y y Vm y

(1.30)

ahol Q, Vs és Vm az oszlop ioncserél˝o kapacitása, ill. gyanta- és holttérfogata. Mivel K A/E , Q, Vm és Vs értéke adott elválasztó oszlop és eluens alkalmazása esetén állandó, az (1.30) összefüggés log k A = C −

x y− log Em y

(1.31)

alakra egyszerusíthet˝ ˝ o, ahol C konstans. Az (1.31) egyenlet lineáris kapcsolatot jósol a mintakomponens retenciós tényez˝ojének és az eluens moláris koncentrációjának logaritmusa közt. Az egyenes meredeksége a mintaés 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 CO23 – / HCO3– / OH – és a ftálsavas eluensrendszerek. Habár összetett mozgófázisok esetén a lineáris oldószer er˝osségi modell nem alkalmazható, kis átalakítással kiterjeszthet˝o mintaionok retenciós


30

id˝oinek el˝orejelzésére [61]. Uralkodó egyensúly elve A megközelítés alapfeltevése az, hogy kizárólag a mozgó fázis legnagyobb töltéssel rendelkez˝o verseng˝o anionja a felel˝os a mintaionok elúciójáért, még akkor is, ha viszonylag nagy mennyiségu, ˝ kevesebb töltéssel rendelkez˝o ion van jelen az oldatban. Ezért például a szénsav (H2 CO3 ) tartalmú mozgófázisok esetében a három eluens anion közül (CO23 – , HCO3– és OH – ), csak a kétszeresen negatív töltésu ˝ karbonát anion által kifejtett hatást veszi figyelembe a retenció számításánál. Az (1.31) egyenlet ennél fogva nem változik:

log k A = C 1 −

¤ £ x log CO2− 3 , 2

(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 rendelkez˝o verseng˝o anion, a töltésük arányában, együttesen felel˝os a mintaion elúciójáért. A verseng˝o 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 következ˝oképpen módosul:

log k A = C 1 +C 2 log

1 x − log c tot , y eff y eff

(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 következ˝ok szerint számítható a sav K A1 és K A2 disszociációs állandóinak ismeretében:

y eff = α1 + 2α2 , £ ¤ £ ¤ HCO 3− K A1 H + , α1 = = c tot [H + ]2 + K A1 [H + ] + K A1 K A2 £ ¤ CO 32− K A1 K A2 α2 = , = 2 c tot [H + ] + K A1 [H + ] + K A1 K A2

(1.34) (1.35) (1.36)

ahol α1 az egyszeresen, α2 pedig a kétszeresen negatív töltésu ˝ forma móltörtje a mozgófázisban.


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 er˝osségi modellnél komplexebb összefüggést adott [62]. A következ˝okben ismertetésre kerül˝o modellek mindegyike a Hoover modellb˝ol lett levezetve. A modell abban hasonlít a lineáris oldószer er˝osségi modell átalakításával nyert effektív iontöltés elvéhez, hogy minden iontípus befolyását figyelembe veszi a mintaion retenciójára, azonban abban tér el attól, hogy minden eluens ionnak eltér˝o, kísérletileg meghatározott szelektivitási tényez˝oje lehet. A modell karbonát eluens használata esetén a következ˝o, egymástól független ioncsere egyensúlyokkal számol:

y R– HCO3 + A

K A/HCO3 y− G GGGGGGB

−

FGGGGGGG R y – A + y HCO3

−

K OH/HCO3

− GGGGGGG B R– HCO3 + OH F GGGGGG G R y – OH + HCO3

2 R– HCO3 + CO2− 3

K CO3 /HCO3

− GGGGGGG B F GGGGGG G R2 – CO3 + 2 HCO3

(1.37) (1.38) (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 fentiekt˝ol, azok kombinációjával el˝oállíthatók. Egy- és kétnegatív értéku ˝ anionok retenciójának számítása a Hoover modell alapján az alábbi összefüggésekkel történik: £ ¤ £ ¤ − ´ Vs K A/HCO3 HCO3 + K OH/HCO3 OH ³p £ 2− ¤ k1 = 1+x −1 , Vm K CO3 /HCO3 4 CO3 ³£ £ ¤´2 ¤ − − ³ ´ OH HCO + K K OH/HCO A/HCO3 3 x p Vs 3 1+ − 1+x , k2 = ´2 ³ £ 2− ¤2 Vm 2 8 CO3 K CO3 /HCO3 ahol

£ ¤ 8Q K CO3 /HCO3 CO2− 3 x = ³£ £ ¤´2 . ¤ − − HCO3 + K OH/HCO3 OH

(1.40)

(1.41)

(1.42)

Ez a modell három szelektivitási állandót tartalmaz, amiket kísérleti adatbázis alapján kell


32

meghatározni, ezek a K A/HCO3 , K CO3 /HCO3 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. Kett˝ os eluens modell Jenke és Pagenkopf dolgozták ki ezt a modellt, amely a Hoover modell módosítása, 1984ben [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 verseng˝o ion az anionkromatográfiás rendszerekben. A modell a következ˝o egyenletekkel adható meg: x  ³ ´ 2 K a2     8Q K CO3 /HCO3 K a2 1 + H+ Vm K A/HCO3 H [ ]   £ ¤ kA = −1 , 1+ ³ ´x   (1 − αsav ) c tot H+  Vs 4K CO3 /HCO3 K a2  £

¤ + x

ahol

£ αsav =

H+

(1.43)

¤2 m

K a1 K a2 + K a1 [H + ]m + [H + ]2m

.

(1.44)

Ez a modell a kísérletileg meghatározandó paraméterek számának háromról kett˝ore (K A/HCO 3 , KCO 3 /HCO 3 ) csökkentésével leegyszerusíti ˝ 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 tényez˝ok eliminálásával, és elúciós rendszerállandók bevezetésével tovább egyszerusítették ˝ a Hoover egyenletet [64]. A hidroxidionok hatását a minta elúciójára, csakúgy, mint a kett˝os eluens modell esetében, o˝ k is elhanyagolták. A modell az alábbi egyenlettel adható meg: 1 c tot

½ = C1

£ +¤ ½ ¾q ¾p H K a2 2 £ ¤ ¡ £ ¤¢ x k A +C 2 kA . + + K a2 + H K a2 + H

(1.45)

2 Retenciós modellként való alkalmazásához az egyenletet k A -re szükséges megoldani, így

az következ˝oképp alakul: 

x q 1 2 −b ± b + 4a ctot   kA =   , 2a 2

(1.46)


33

ahol µ

¶ K a2 £ ¤ , a = C2 K a2 + H+ µ £ +¤ ¶ H £ ¤ . b = C1 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 f˝oként az er˝osen töltött karbonát ionok okozzák, a hidrogén-karbonát hatása az elúcióra elhanyagolható, C 1 értéke nullának vehet˝o, így C 2 meghatározása lehet˝ové válik. Ha értéke már ismert, a megoldás C 1 -re egyértelmu ˝ 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.

B˝ ovítet kett˝ os eluens modell 1994-ben Jenke kiterjesztette modelljét eltér˝o pH-nál töltésüket megváltoztató mintaionokra, valamint kiegészítette egy 10a (e)+b alakban felírható empirikus korrekciós tényez˝ovel [65], így a modell a következ˝o alakban adható meg: Ã k A = 10[a (e)+b]

£ +¤ H 4K CO3 /HCO3

´ ³ e !e    8Q K CO3 /HCO3 K a2 1 + KHa2+ [ ]  1 + £ ¤ − 1 ,  K a2  c tot H+

(1.49)

ahol e = α1 + 2 α és £ ¤ K a1 H+ α1 = £ ¤ £ ¤2 K a1 K a2 + K a1 H+ + H+ K a1 K a2 α2 = £ ¤ £ ¤2 , K a1 K a2 + K a1 H+ + H+

(1.50) (1.51)

ahol K a1 és K a2 a minta els˝o és második savdisszociációs állandója. Ez a modell Jenke és Pagenkopf eredeti modelljéhez képest nagyobb mennyiségu ˝ ismeretet igényel a kromatográfiás rendszerr˝ol, mivel minden mintaion disszociációs állandójának ismeretére szükség van.


34

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 (H3 A) esetén mind a minta protonálódásával, mind a különböz˝o mértékben protonált mintaionok ioncsere egyensúlyával számol. A minta protonálódása az K1

2− GGGGGGG B A3− + H+ F GGGGGG G HA

(1.52)

K2 − GGGGGGG B HA2− + H+ F GGGGGG G H2 A

(1.53)

K3 GGGGGGG B H2 A− + H+ F GGGGGG G H3 A

(1.54)

ezek ioncsere reakciója pedig a

3−

3 R– HCO3 + A

2−

2 R– HCO3 + HA

R– HCO3 + H2 A

−

K A/HCO3

− GGGGGGG B F GGGGGG G R3 – A + 3 HCO3

K HA/HCO3

− GGGGGGG B F GGGGGG G R2 – HA + 2 HCO3

K H2 A/HCO3

− GGGGGGG B F GGGGGG G R– H2 A + HCO3

(1.55) (1.56) (1.57)

egyensúlyokkal írható fel. A fenti egyensúlyokat (1.38) és (1.39) egyensúlyok intereluens állandóival kombinálva a modell az alábbi formát ölti:

k=

´ Vs ³ 3 z Φ0 K A/HCO3 + z 2 Φ1 K HA/HCO3 + z Φ2 K H2 A/HCO3 , Vm

(1.58)

ahol p

p2 + q − p £ ¤, 4K CO2− /HCO− CO2− 3 3 3 ¤ £ ¤ £ − p = HCO3 + K OH− /HCO−3 OH− , ¤ £ q = 8Q K CO2− /HCO− CO2− 3 z=

3

3

(1.59) (1.60) (1.61)


35

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 Q

Φi =

j =0 n P

£ ¤j K j H+

n Q

k=0 j =0

(1.62) Kj

[H+ ] j

A modellt sikeresen alkalmazták szervetlen halogenid- és oxoanionok [51], kelátkomplexek [66] illetve egy- és kétértéku ˝ szerves savak [67] retenciójának jóslására az anionkromatográfiában karbonát/hidrogénkarbonát eluensrendszer alkalmazása mellett, valamint alkáli, alkáliföldfémek [68] és biogén alifás aminok [69] elúciójának el˝ozetes becslésére hisztidin eluens alkalmazása esetében a kationkromatográfiában. Empirikus végpont modell Jól ismert tény, hogy latex-alapú anioncserél˝ot tartalmazó oszlopon, NaOH euens használata esetén az egyes ionok retenciós viselkedése eltér a Lineáris oldószer er˝osség elmélet alapján jósoltaktól [70]. Habár a lg k vs. lg[OH – ] összefüggés szuk ˝ 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 er˝osségi modellb˝ol vezethet˝o le, de módosították, hogy lehet˝ové 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 következ˝o algoritmussal írható le: ¡ ¢ ¡ ¢ £ ¤ lg k A = f 1 + f 2 c t ot + f 3 + f 4 c t ot lg CO2− 3

(1.63)

A négy kromatográfiás rendszerállandó ( f 1−4 ) értéke ismert összetételu ˝ 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 lehet˝oséget nyújt szerves és szervetlen anionok retenciójának meglehet˝osen pontos becslésére latex agglomerált állófázisok esetén is, nem szolgál magyarázattal az anionok ilyen típusú állófázison történ˝o rendellenes viselkedésének okaira. Ráadásul az el˝oz˝oekben felsorolt elméleti és empirikus modellek egyike sem képes a mintaionok csúcsalakjának becslésére, ami elengedhetetlen az elválasztás optimális körülményeinek el˝ozetes meghatározására.

2. Kísérleti rész 2.1. Felhasznált eszközök, anyagok 2.1.1. Alifás karbonsavak és szervetlen anionok retenciós tulajdonságainak vizsgálata latex alapú anioncserél˝ on A vizsgálatok során Dionex 2010i (Dionex Co. Sunnyvale, USA) típusú ionkromatográfiás rendszert alkalmaztunk, mely szupresszált vezet˝oképességi detektorral volt felszerelve. Az elválasztások során használt Dionex IonPac AS4A-SC típusú kromatográfiás oszlop (250×4 mm) latex agglomerált pellikuláris anioncserél˝o állófázist tartalmazott, melynek ioncsere-kapacitása 20 µequiv./kolonna volt. Az állófázis szemcséinek átmér˝oje 13µm, az anioncserél˝o réteg vastagsága 160 nm volt. A Dionex AMMS-1 típusú mikromembrán-szupresszor regenerálására 0,025 N H2 SO4 -et használtunk. Az oldatokhoz (eluens, regenerálószer, minták) szükséges ultratisztaságú vizet (vezet˝oképessége 18,2 M cm) Millipore típusú víztisztító rendszerrel állítottuk el˝o. 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 (NaNO3 , NaCl, Na2 SO4 , 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.

2.1.2. 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 NO2– , 10 mg/l NO3– , 5 mg/l Br – , 3 mg/l BrO3– ) 1000 mg/l koncentrációjú törzsoldatokból készítettük. A mozgófázis és a mintaolda-

37

2. Kísérleti rész

38

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 el˝o. Az eluens oldatokat, melyekb˝ol 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 vezet˝oképességi 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 anioncserél˝o 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.

2.1.3. 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 vezet˝oképességi 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 szemcseátmér˝oju, ˝ makropólusos alkil/alkanol kvaterner ammónium funkciós csoportokkal ellátott tölteteket tartalmazó anioncserél˝o oszlopot alkalmaztunk. Az oldatokhoz (eluens, regenerálószer, minták) szükséges ultratisztaságú vizet (vezet˝oképessége 18,2 MΩ/cm) MilliPak-40 22 µm pórusátmér˝oju ˝ szur˝ ˝ ovel ellátott Milli-Q Plus (Millipore) típusú készüléken állítottuk el˝o. Az eluens oldatok leveg˝omentesítését Bandelin Sonorex RK 52 típusú ultrahangos fürd˝ovel végeztük. A felhasznált analitikai tisztaságú vegyszerek, Na2 CO3 , NaHCO3 az eluens oldatokhoz, NaF, NaCl, NaBr, NaNO3 , Na2 SO4 , HCOONa, KH2 PO4 és Na2 (COO)2 a mintaoldatokhoz és cc. (96 m/m%) H2 SO4 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

2.2. Ioncsere-kapacitás meghatározása

39

MS Office XP Professional Edition (Microsoft Corp.) szoftvereket használtuk.

2.2. Ioncsere-kapacitás meghatározása Az ioncserél˝o állófázisok egyik legfontosabb, a retenciót jelent˝os mértékben meghatározó tulajdonsága az ioncsere-kapacitás (Q). Az ionkromatográfiás gyakorlatban többféle kapacitásadat használatos. Bizonyos kapacitásadatok a meghatározás körülményeit˝ol függetlenek, ezek az ioncserél˝o anyagot jellemzik, más adatok tükrözik a felhasználás körülményeit. Az el˝obbi csoportba tartozik az oszlopban található állófázis összes ioncserél˝o kapacitása (Q tot ), mely gyakorlatilag az állófázison található funkciós csoportok számát jelöli. Értékét mequiv vagy µequiv értékben szokás megadni anioncserél˝ok esetén Cl – , kationcserél˝ok esetén H+ ion formára vonatkozóan. Az ioncserél˝o anyagok jellemzésére leggyakrabban a száraz gyanta tömegegységére vonatkozó kapacitást (Q s , mequiv/g) szokás megadni. Retenciós számításaink során az el˝oz˝oekben említett kapacitások helyett a gyanta térfogategységére vonatkoztatott ioncsere-kapacitást (Q)használtuk, melynek értéke a korábbi id˝okben jelent˝osen függhetett a meghatározás körülményeit˝ol, az alkalmazott mozgófázis min˝oségét˝ol, koncentrációjától, pH-jától stb., manapság azonban a duzzadásra kevésbé hajlamos, nagy térhálósságú, pellikuláris ioncserél˝ok elterjedésének köszönhet˝oen 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 (VS ) hányadosaként könnyen kiszámíthatjuk. Q=

Q tot VS

(2.1)

Mivel az anioncserél˝o oszlop méretei jól ismertek (általában 4 mm bels˝o átmér˝o, 250 mm hossz, azaz 3,14 cm 3 ), az állófázis térfogata (VS ) az oszlop teljes térfogatának (Vcol ) és holttérfogatának (V0 ) különbségeként számítható. VS = Vcol − V0

(2.2)

Az ionkromatográfiás oszlop holttérfogata könnyen meghatározható a rendszer oszloppal és oszlop nélkül mért holttérfogatainak különbségéb˝ol, melyek a holtid˝ok (t 0 ) és az elu˙ ml/min) ismeretében könnyen kiszámíthatók. ens térfogatáramának (V V0 = V0 1 − V0 2 = (t 0 − t 0 ) V˙

(2.3)


40

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 történ˝o 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 megfelel˝oen széles eluenskoncentráció-tartományon felvett kísérleti adatbázis, a mintakomponensek egyensúlyi állandói könnyen meghatározhatók sokváltozós nemlineáris regressziós analízis segítségével, iterációs úton. Az egyensúlyi állandók iterációs úton történ˝o meghatározásának feltétele, hogy a retenciós adatbázisban található mért értékek és a keresett egyensúlyi állandók között matematikailag megfogalmazható függvénykapcsolat legyen. El˝obbieket ξ1 , ξ2 , . . . , ξn -nel, utóbbi paramétereket pedig pedig a 1 , a 2 , . . . , a m -mel jelölve a függvényszeru ˝ kapcsolat a következ˝o alakban irható fel: ξi = f (c i , a 1 , a 2 , . . . , a m ) + δi

(2.4)

ahol c i a független változó, mely munkánk során az eluenskoncentráció volt, és δi az ún. hibatag, mely azért lép fel, mert a mért mennyiségek értéke bizonyos mértékig a véletlent˝ol függ, tehát az elméletileg levezetett összefüggés sohasem teljesül pontosan. Az iteráció során meghatározott paraméterek értéke olyannak adódik, hogy a regresszió jósági foka, χ2 , minimális legyen. Az iteráció jósági foka az egyes hibatagok négyzetösszege:

χ2 =

n X 1

δ2i

(2.5)

Mivel az egyensúlyi állandók iterációs úton történ˝o meghatározása során, helytelenül megválasztott kezdeti paraméter értékek esetén gyakran el˝ofordulhat ún. álkonvergencia, ezért különösen fontos a kezdeti paraméterek gondos megválasztása. Munkánk során az egyensúlyi állandók sokváltozós nemlineáris regressziós analízis útján történ˝o meghatározására Mathematica 5.1 (WolframResearch Inc.) szoftvert használtunk. A számítások során a Levenberg-Marquardt algoritmust alkalmaztuk, mely az iterációk kezdetén gradiens módszerként muködik, ˝ 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 er˝osen függ a paraméterek kezdeti értékét˝ol.

2.4. Kromatográfiás csúcsok momentumainak meghatározása görbeillesztéssel

41

2.4. Kromatográfiás csúcsok momentumainak meghatározása görbeillesztéssel Egy valószínuségi ˝ változó momentumai több, a változó eloszlását jellemz˝o számértéket is takarnak. Általánosan a ξ valószínuségi ˝ változó k-adik momentuma bármely k pozitív egész szám esetén az M(ξk ) által felvett értékként határozható meg (feltéve, hogy ez az érték létezik), ahol M(ξ) a ξ várható értékét jelöli. A ξ valószínuségi ˝ változó k-adik momentumának jelölését tekintve a szakirodalom nem egységes. Sok esetben - a várható értékt˝ol (m), szórástól (σ), ferdeségt˝ol (S), vagy lapult¡ ¢ ságtól (E ) eltér˝oen - nem szoktak külön jelölést bevezetni, hanem kiírják az M ξk -t. Ta¡ ¢ lálkozhatunk helyenként a µk = M ξk jelöléssel, más könyvekben viszont a µk a centrális momentumot jelöli. A valószínuségszámításban ˝ és a matematikai statisztikában más momentumok is el˝ofordulnak, ezek közül a legfontosabbak: ¡ ¢ • k-adik momentum, M ξk ¡ ¢ • k-adik abszolút momentum, M ³|ξk | ´ • k-adik centrális momentum, M [ξ − M(ξ)]k ³ ´ • k-adik abszolút centrális momentum, M |ξ − M(ξ)|k . A momentumok fenti definíciójából következ˝oen egy t 1 -t˝ol t 2 -ig terjed˝o id˝ointervallumban található kromatográfiás csúcs k-adik momentuma az alábbi összefüggéssel számítható: Mk =

t2 X

C (t ) t k ,

(2.6)

t1

ahol C (t ) a vizsgált komponens koncentrációprofilja az oszlop végén, azaz a kromatográfiás csúcs alakját leíró koncentráció adatsor. Mivel, a valószínuségi ˝ eloszlásokkal ellentétben, a kromatográfiás csúcsok területe – a legritkább kivételekt˝ol eltekintve – nem 1 a momentumokat normalizálni kell, azaz el kell osztani a kromatográfiás csúcs területével, a 0-dik momentum értékével. t2 P

µk =

C (t ) t k

Mk t1 = t P2 M0 t1

.

(2.7)

C (t )

A (2.7) összefüggéshez hasonlóan a kromatográfiás csúcs alakját jellemz˝o normalizált-


42

centralizált momentum az alábbiak szerint adható meg: t2 P

µ0k =

t1

¡ ¢k C (t ) t − µ1 t2 P t1

.

(2.8)

C (t )

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 jelent˝os. A kromatográfiás csúcsok momentumainak a fentiekben vázoltaknál pontosabb meghatározása a digitális adatsorként regisztrált kromatogram csúcsaira illesztett matematikai függvényekkel leírható görbék segítségével a legegyszerubb. ˝ Ebben az esetben a kromatográfiás csúcs normalizált és centralizált-normalizált momentumait a csúcsalakra illesztett függvény, C (t ) ismeretében az alábbiak szerint számítjuk: R∞ C (t ) t k dt

µk =

Mk 0 . = ∞ R M0 C (t ) dt

(2.9)

0

¡ ¢k R∞ C (t ) t − µ1 dt µ0k =

0

R∞ C (t ) dt

.

(2.10)

0

A kromatográfiás gyakorlatban csúcsok alakjának leírására elterjedten használják az ún. exponenciálisan módosított Gauss függvényt (továbbiakban EMG görbe), ami egy csökken˝o exponenciális és egy normál eloszlású Gauss sur ˝ uségfüggvény ˝ konvolúciójával adható meg. Használata azért praktikus, mert nem csak nagy pontossággal illeszthet˝o a folyadékkromatográfiás csúcsokra (eltekintve néhány kis retenciós ideju, ˝ nagy aszimmetriájú csúcstól), de talán az egyetlen, mely könnyen belátható fizikai tartalommal is bír [7]. Alkalmazása abból a tényb˝ol ered, hogy az ideális Gauss görbét els˝o rendu ˝ késleltet˝o hatások kísérik, például a mintabeviteli egység holttereiben vagy a detektorban történ˝o 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)

2.4. Kromatográfiás csúcsok momentumainak meghatározása görbeillesztéssel

43

ahol a ⊗ operátor a konvolúciós muveletet ˝ jelöli, g (t ) a Gauss-függvény, ¡ ¢ 1 t −m 2 1 g (t ) = p e− 2 σ , 2π σ

(2.12)

és e (t ) az exponenciális eloszás sur ˝ uségfüggvénye, ˝  t < 0, 0 e (t ) = t ≥ 0, 1 e − τt

(2.13)

τ

továbbá m a Gauss eloszlás várható értéke, σ a szórása, τ pedig az exponenciális függvény id˝oállandója. A (2.12) és (2.13) egyenletek konvolúciója az alábbi kifejezést eredményezi: µ ¶ 2 σ σ A t −m − t −m y(t ) = erfc p − p e 2τ2 τ , 2τ 2τ 2σ ahol 2 erfc(x) = p π az ún. komplementer hibaeloszlás.

Z

∞ x

2

e −t dt

(2.14)

(2.15)

3. Eredmények 3.1. Anionok elválasztásának mechanizmusa latex-alapú állófázisokon Ahogy az 1.4.1. 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 töltésu ˝ kationcserél˝o latex réteg mögött egy negatív töltésu ˝ felület található, indokolt lehet a latex-alapú anioncserél˝ok esetében részletesen vizsgálni azokat a paramétereket, melyek befolyásolhatját az egyes anionok retenciós profilját és szelektivitását [14]. Jól ismert tény, hogy latex-alapú anioncserél˝ot 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. 1.4.3. 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 töltésu ˝ funkcionális csoportok az ellenionokkal ionpárt alkotnak, s emellett az ionpár-képz˝odés és az ioncsere folyamatok szötchiometriai reakciók, melyeknek sztöchiometriáját a folyamatokban résztvev˝o specieszek töltése szabja meg.

3.1.1. 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 kétértéku ˝ anionok (laktát, piruvát, formiát, acetát, propionát, klorid, nitrát, oxalát, malonát, szukcinát, tartarát, fumarát, maleát, szulfát) retenciós tulajdonságait vizsgáltuk latex-alapú állófázist

45

3. Eredmények

46

tartalmazó AS4A-SC oszlopon nátrium-hidroxid eluens alkalmazása esetén. Az elválasztáshoz felhasznált eluens koncentrációját meglehet˝osen 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 els˝o 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 vezet˝oképességi detektálás a vizsgált karbonsavak esetén is el˝onyösnek és célszerunek ˝ bizonyult. Egy, az elválasztások során nyert, mind szerves, mind szervetlen anionokat tartalmazó tipikus kromatogram a 3.1. ábrán látható. Megfigyelhet˝o, hogy a szerves és szervetlen anionok egymástól elválaszthatók, a felbontások (R S , 1.1.3. alszakasz, 9. oldal ) kielégít˝oek.

3.1. ábra: Szerves és szervetlen anionok elválasztása (cNaOH = 25 mM; mintaionok koncentrációja: 0,05–0,1 mM) Az elválasztás során, a retenciós térfogatokból kapott retenciós tényez˝oket (k, 1.1.3. 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 tényez˝ok láthatók az eluens koncentráció függvényében. Az ábrákon mind az abszcissza, mind az ordináta logaritmikus léptékben van ábrázolva. A táblázatok és ábrák vizsgálata alapján a következ˝o megállapításokat tehetjük a mintaionok retenciós viselkedésével kapcsolatban: (1) Az eluens koncentráció változása jelent˝os hatást gyakorol a mintaionok retenciós visel-

3.1. Anionok elválasztásának mechanizmusa latex-alapú állófázisokon

47

Retenciós tényező

10

1

formiát acetát propionát piruvát laktát klorid nitrát

0,1

2,5

1

5

7,5

10

25

15

35

50

Eluens koncentráció [mM]

3.2. ábra: Az eluens koncentráció hatása egyszeres negatív töltésu ˝ anionok retenciójára

Retenciós tényező

100

10

1

oxalát malonát szukcinát tartarát fumarát maleinát szulfát 10

15

25

35

50


3.3. ábra: Az eluens koncentráció hatása kétszeres negatív töltésu ˝ anionok retenciójára

3. Eredmények

48

3.1. táblázat: Egyszeresen negatív töltésu ˝ anionok k értékei Eluens koncentráció (mM)

Formiát Acetát Propionát Piruvát Laktát Klorid Nitrát

1

2,5

5

7,5

10

15

25

35

50

1,19 0,90 0,91 1,44 0,83 2,82 9,61

0,94 0,77 0,73 1,24 0,72 2,44 7,95

0,90 0,70 0,68 1,08 0,63 2,10 7,00

0,67 0,51 0,49 0,80 0,48 – –

0,54 0,43 0,41 0,67 0,38 1,31 4,44

0,42 0,32 0,32 0,51 0,30 – –

0,32 0,23 0,24 0,39 0,23 0,76 2,57

0,25 0,20 0,20 0,30 0,18 0,58 1,99

0,17 0,13 0,14 0,22 0,13 0,43 1,48

3.2. táblázat: Kétszeresen negatív töltésu ˝ anionok k értékei Eluens koncentráció (mM)

Oxalát Malonát Szukcinát Tartarát Fumarát Maleinát Szulfát

10

15

25

35

50

20,34 15,99 16,00 19,97 – – 16,20

11,95 8,73 9,23 10,50 22,05 9,36 –

5,86 4,43 4,67 5,16 10,82 4,71 4,29

3,31 2,63 2,72 2,97 6,22 2,74 2,44

1,77 1,43 1,46 1,59 3,47 1,46 1,28

kedésére. Növekv˝o eluens koncentráció csökken˝o retencióhoz vezet. (2) A szerves és szervetlen anionok retenciós tényez˝oje eltér˝o, egymástól elválaszthatók. (3) A monokarbonsavak a dikarbonsavak el˝ott 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 helyzetét˝ol. 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 er˝osségi modell által jósoltaktól. Mindkét ábrán szaggatott vonal jelzi a retenciós profilok lefutását a linerási oldószer er˝osségi modell alapján számolva. Jól látszik, hogy a mért retenciós profilok jelent˝osen eltérnek a számítottól. Egyértéku ˝ ionok esetében nagy eluens koncentráció esetén nem, míg kétértéku ˝ ionok esetében már ott is jelent˝os az elté-


49

rés a számított és mért retenciós profilok lefutása között. Meg kell jegyezni azonban azt is, hogy a retenciós profilok egy-egy szakasza jól közelíthet˝o egy-egy egyenessel, ami megmagyarázhatja az empirikus végpont modell er˝os predikciós képességét. Az elméleti és a mért retenciós profilok közti eltérés valószínusíthet˝ ˝ oen 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 szerkezetéb˝ol fakadnak.

3.1.2. Eluens- és mintaionok kémiai egyensúlyai latex-alapú állófázisokon Az 1.4.1. alszakaszban (22. o.) a latex-alapú állófázisok ismertetése során láthattuk, hogy ezen típusú anioncserél˝ok két külön részb˝ol állnak: (1) egy mechanikailag stabil, inert, felületileg szulfonált hordozóból, és (2) ezen a felületen elektrosztatikusan megkötött latex rétegb˝ol, ahogy az a 3.4. ábrán is látható. Mivel a pozitív töltésu ˝ kvaterner ammónium funkciós csoportokat tartalmazó latex réteg mögött egy negatív töltésu ˝ szulfon réteg található, az anioncserél˝o 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 megköt˝odése Langmuir-típusú egyensúlyokkal írható le, azaz a funkciós csoport és a minta- ill. eluens ion közötti ionpár-képz˝odéssel és ezek disszociálódásával ((3.1), (3.2) egyenlet), illetve az így kialakult ionpárok anionjának ioncserés lecserél˝odésével ((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

GGGGGGG B P+ + OH− F GGGGGG G POH

(3.1)

KA GGGGGGG B x P+ + A− F GGGGGG G Px A

(3.2)

K A/OH − GGGGGGG B x POH + Ax− F GGGGGG G Px A + x OH

(3.3)

ahol P+ a szulfonréteggel töltésegyensúlyban lev˝o anioncserél˝o funkciós csoportokat jelöli. Mindegyik egyensúly jellemezhet˝o egy-egy egyensúlyi állandóval: ¡ ¢ OH− P ¤ K OH = £ OH− (P+ )

(3.4)

3. Eredmények 50

A– –

OH

R+

Minta anion Eluens anion

OH

–

Töltésegyensúlyban levő funkciós csoport

Töltésegyensúlyban nem levő funkciós csoport +

R

Ion pár képződés/ioncsere Vándorlás

–

OH–

R+

A

R+

+

OH–

R+

R

R+

–

K OH

OH–

OH

R+

Sz tir o

–

+

OH–

–

+

R

OH

OH

R

+

R

OH–

–

OH

A–

–

+

OH–

R

–

–

R

A

OH–

–

A A

OH–

R+

+

–

R

A +

R

OH–

A–

OH

R+

+

A

K

–

R

KA

R+

OH

+

OH

R

l-d i v ini lb

+

OH

+

–

–

OH

–

–

OH–

OH

+

R+ OH–

–

A

R

OH

R

R+

en zo lh o rd ozó

OH

R+

–

OH–

–

–

OH

–

–

–

R

OH

–

–

+

–

–

OH–

A

–

OH

OH

–

–

OH–

–

+

A–

–

A

OH–

OH–

OH–

–

–

OH

OH

OH

–

–

OH

OH

–

A–

OH

A–

–

–

A

OH

–

Po a ró u z n lat ionc s s e x rét erélő eg

R+

– + R OH

R+

OH–

R

OH–

OH

R+

A–

R+

+

OH–

R+

R

A–

OH

– R+ OH

R+

OH–

R

A

OH

+

A–

OH

OH

OH

+

A–

R+

R

–

OH

OH

+

R

OH–

R+

R+

OH–

Sz ul f o ná lt f elü let

3.4. ábra: Az eluens koncentráció hatása kétszeres negatív töltésu ˝ anionok retenciójára

3.1. Anionok elválasztásának mechanizmusa latex-alapú állófázisokon (Ax− )P [Ax− ] (P+ )x £ ¤x (Ax− )P OH− KA K A/OH = ¡ ¢ = − x x− (K OH )x [A ] OH P KA =

51

(3.5) (3.6)

ahol a ( ) és [ ] zárójelek a komponensek álló- és mozgófázisbeli koncentrációját jelölik. Látható, hogy a szelektivitási állandó (1.4.3. alszakasz, 29. o.) a mintaion és az eluension ionpárképz˝odési állandójának mintaion töltésével képzett hatványának hányadosa. Azokon a funkciós csoportokon, melyek már nincsenek töltésegyensúlyban a szulfonréteggel csak ioncsere folyamatok zajlanak le az elektroneutralitás meg˝orzése miatt. K A/OH − GGGGGGG B x R − OH + Ax− F GGGGGG G Rx − A + x OH

(3.7)

ahol R+ olyan ioncserél˝o funkciós csoportot jelöl, mely nem áll a szulfonréteggel töltésegyensúlyban. K A/OH szelektivitási állandó, mely megegyezik a (3.3) ioncsere folyamat egyensúlyi állandójával, a következ˝o módon definiálható: £ ¤x (Ax− )R OH− KA K A/OH = . ¡ ¢x = − (K OH )x [Ax− ] OH R

(3.8)

Fontos megjegyezni, hogy a (3.8) jobb oldali tagja az ioncsere egyensúlyt jellemz˝o szelektivitási állandónak nem pusztán egy matematikailag helyes felírása, hanem valószínusíthe˝ t˝oen a valós, az ioncsere folyamán egymást követ˝o lépésekben lejátszódó folyamatok helyes értelmezése is egyben.

3.1.3. Elválasztó oszlop ioncsere-kapacitása A latex-alapú ioncserél˝o állófázist tartalmazó kromatográfiás oszlopok teljes ioncsere-kapacitása (Q tot , meq/ml) tehát a töltésegyensúlyban lev˝o és nem lev˝o funkciós csoportok összegéb˝ol adódik. Definiálható egy ún. w súlytényez˝o, mely a két különböz˝o állapotban lev˝o 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 súlytényez˝o a latex réteg és a mögötte található szulfon réteg töltéssur ˝ uségét˝ ˝ ol függ, így különböz˝o típusú ioncserél˝ok esetén értéke más és más lehet.

Q tot = Q P + Q R = w Q tot + (1 − w) Q tot .

(3.9)

3. Eredmények

52

A töltésegyensúlyban lév˝o kapacitáson (Q P ) az ioncsere ((3.3) egyenlet) mellett ionpár képz˝odéssel 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 töltésu ˝ funkciós csoport is található. Emiatt Q P az alábbi módon adható meg: ¡ ¢ ¡ ¢ ¡ ¢ Q P = P+ + OH− P + x Ax− P .

(3.10)

Az állófázis töltésegyensúlyban nem lév˝o hányadán (Q R ), az elektroneutralitás meg˝orzése 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 Ax− R .

(3.11)

Az igazi különbség tehát Q P és Q R között nem a szelektivitásukban rejlik, hanem abban, hogy míg az el˝oz˝o tartalmaz szabad funkciós csoportokat, addig az utóbbi, az elektroneutralitás meg˝orzése 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) egyenletb˝ol, azaz ¡ ¢ ¡ ¢ Q P = P+ + OH− P

(3.12)

¡ ¢ Q R = OH− R

(3.13)

és

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: s

s

x

x

¤ £ (Ax− )P − + K OH QP = OH K A [Ax− ]P s £ ¤ (Ax− )R x Q R = K OH OH− K A [Ax− ]R

(Ax− )P K A [Ax− ]P

(3.14) (3.15)


53

3.1.4. Mintaionok retenciós tényez˝ oje A mintaionok megoszlási hányadosa, az (1.12) egyenlet (1.1.3. alszakasz, 8. oldal) értelmében azok álló és mozgófázisbeli koncentrációjának hányadosával egyenl˝o, mely latex-alapú állófázisokon, a fentiek figyelembevételével az alábbiak szerint definiálható:

DA =

(Ax− )P + (Ax− )R = D A,P + D A,R [Ax− ]

(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. µ ¶x ¶x w Q tot QP £ ¤ = KA £ ¤ D A,P = K A 1 + K OH OH− 1 + K OH OH− µ µ ¶x ¶ QR (1 − w)Q tot x £ ¤ = KA £ ¤ D A ,R = K A K OH OH− K OH OH− µ

(3.17) (3.18)

A retenciós modell mintaionok megoszlási hányadosát leíró végs˝o alakja tehát a következ˝oképpen írható fel: ·µ DA = KA

w Q tot £ ¤ 1 + K OH OH−

¶x

µ

(1 − w) Q tot £ ¤ + K OH OH−

¶x ¸ ,

(3.19)

ahol a kapcsos zárójelen belüli els˝o tag a mintaionok retencióját írja le töltésegyensúlyban lev˝o, míg a második tag a töltésegyensúlyban nem lev˝o funkciós csoportokon. Mivel a megoszlási hányadosnál a retenciós tényez˝o (k, 1.1.3. 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 tényez˝ojének számítására: VS kA = K A V0

·µ

w Q tot £ ¤ 1 + K OH OH−

¶x

µ

(1 − w) Q tot £ ¤ + K OH OH−

¶x ¸ .

(3.20)

3.1.5. 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

3. Eredmények

54

holt- és gyantatérfogatát (V0 , VS ) ill. ioncsere-kapacitását (Q tot ) a 2.2. szakaszban (39. o.) ismertetett módon határoztuk meg. Mindezek alapján a kromatográfiás oszlop jellemz˝oi a következ˝oknek adódtak: V0 = 1,22 ml, VS = 1,92 ml, Q tot = 10,42 µeq/ml állófázis. Az egyensúlyi állandók mérésére meglehet˝osen sok módszer áll rendelkezésre a kromatográfiában. Ezek közül legfontosabb a frontális analízis, a frontális analízis karakterisztikus ponton, a karakterisztikus ponton történ˝o elúció, az impulzus módszer, az inverz módszer, a nemlineáris frekvencia válasz és a statikus módszer [6]. Mindazonáltal egy megfelel˝o retenciós modell birtokában, széles eluens koncentráció tartományban felvett retenciós adatbázis alapján is lehet˝oség van az egyensúlyi állandók, jelen esetben az ionpár-képz˝odésiés a szelektivitási állandók (K A , K OH , K A/OH ) ill. a w súlytényez˝o meghatározására iterációs módszerrel. A 2.3. szakaszban (40. o.) b˝ovebben ismertetett módszer szerint a 14 mono- és divalens anionra összesen 42 paramétert határoztunk meg nagyszámú, 98 mérési pont alapján. Mivel az eluension ionpár képz˝odési állandója csak az eluens fajtájától és a funkciós csoportok típusától, míg a w súlytényez˝o csak az állófázis kialakításától függ, különböz˝o mintakomponensek esetén meghatározott K OH és w paraméterek értékei nem különbözhetnek egymástól jelent˝osen. 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 értékéb˝ol 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 súlytényez˝o definíciójából következ˝oen (0 ≤ w ≤ 1), w = 1,00-nak adódik. Ezen értékeket és az el˝oz˝oekben meghatározott oszlop jellemz˝oket (Q tot , VS , V0 ) a (3.20) összefüggésbe behelyettesítve a retenciós modell az alábbi formára egyszerusödik: ˝ µ ¶x 1,92 ml 10,42 · 10−3 meq/ml £ ¤ kA = K A 1,22 ml 1 + 131,5 OH−

(3.21)

A w súlytényez˝o 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 egyenl˝o, mint a kvaterner funkciós csoportok száma. A retenciós mechanizmust tehát Langmuir-típusú egyensúlyok, a funkciós csoport és az eluens ill. mintaion közötti ionpár képz˝odés és disszociálódás, valamint a kialakult ionpárok anionjának ioncseréje szabják meg. Ennek következtésben a (3.21) egyenletb˝ol eltunt ˝ a (3.20) összefüggés második tagja, ami a pusztán ioncserés megköt˝odést írta le. A mintaionok ionpár képz˝odési állandói (3.21) egyenlet segítségével, az el˝oz˝oleg felvett retenciós adatbázis alapján újra iterálhatók. Az ionpár képz˝odési állandók, és az ezekb˝ol számított szelektivitási tényez˝ok ismételt iteráció útján meghatározott értékei a 3.3. táblá-


55

zatban láthatók. 3.3. táblázat: A minaionok és a hidroxid ion iterációval meghatározott ionpár képz˝odési állandói (K A , K OH ) és a w súlytényez˝o, ill. az ezek alapján számított szelektivitási állandók (K A/OH ) átlag ±S D

átlag ±S D

mintaion

KA

K A/OH

mintaion

K A × 105

K A/OH

laktát propionát acetát formiát piruvát klorid nitrát

58,3 ± 1,0 61,9 ± 1,2 63,1 ± 1,3 81,3 ± 1,8 100,3 ± 1,6 198,0 ± 3,1 663,1 ± 9,9

0,44 ± 0,01 0,47 ± 0,01 0,48 ± 0,01 0,62 ± 0,01 0,76 ± 0,01 1,51 ± 0,02 5,04 ± 0,07

malonát maleát szukcinát szulfát tartarát oxalát fumarát

4,87 ± 0,11 4,89 ± 0,05 4,96 ± 0,05 5,02 ± 0,09 5,99 ± 0,19 6,32 ± 0,05 11,45 ± 0,05

28,18 ± 0,62 28,29 ± 0,31 28,67 ± 0,31 29,05 ± 0,55 34,67 ± 1,11 36,53 ± 0,28 66,21 ± 0,31

hidroxid

131,5 ± 2,7

w ahol K A/OH = K A / (K OH )

1,01 ± 0,014 x

A 3.3. táblázat adataiból jól látszik, hogy az egyes ionok ionpár képz˝odési állandójának, és az ebb˝ol levezetett szelektivitási tényez˝ojének értéke, ahogy az várható, a vizsgált anionok retenciós sorrendjét követi, azaz a nagyobb ionpár képz˝odési állandóval rendelkez˝o anionnak nagyobb a retenciója minden esetben. Fontos megjegyezni, hogy az ionpár képz˝odési állandók, értéküket tekintve, jelent˝osen különböznek egy- és kétértéku ˝ anionok esetében. Míg az egyszeresen negatív töltésu ˝ mintaionok K A -ja 50–600 M−1 , addig a kétszeresen negatív töltésu ˝ anionok ionpár képz˝odési állandója 105 M−2 tartományban változnak. Karger és mtsai hasonló képz˝odési állandókat mértek kvaterner-ammónium kation - hidrofil anion ionpárok képz˝odésére nem kromatográfiás rendszerekben [71].

3.1.6. A w súlytényez˝ o hatása anionok retenciós profiljára A w súlytényez˝o, retenciós adatbázis alapján, iterációval meghatározott értéke rámutatott, hogy az elválasztások során használt AS4A-SC típusú anioncserél˝o 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), lehet˝oséget biztosít a w súlytényez˝o hatásának vizsgálatára anionok retenciós profiljára. A 3.5 ábrán különböz˝o súlytényez˝o értékek esetén számított retenciós profilok láthatók klorid és oxalát ion esetében. Az ábrán szürke tartomány jelzi a gyakorlatban alkalmazható eluens koncentráció tartományt (c = 1–100 mM). A súlytényez˝o maximális értéke esetén (w = 1), mely jelen vizsgálat körülményei közt fennállt, a

3. Eredmények

56

mintaionok retenciós profilja egy platóval kezd˝odik, mely a Langmuir-típusú adszorpciós mechanizmus esetén a retenciós tényez˝ok (k) maximumát mutatja. w = 0 esetén, (3.20) bal oldali tagja nullával egyenl˝o, a retenciós mechanizmust kizáróag az ioncsere határozza meg, azaz a modell ekkor gyakorlatilag megfelel a lineáris oldószerer˝osségi modellnek (1.4.3. alszakasz, 29. o.). Ennek köszönhet˝oen a retenciós tényez˝ok 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 széls˝oérték között található, azaz 0 ≤ w ≤ 1, a retenciós profilok különböz˝o 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 köszönhet˝o, hogy az állófázis ekkora eluens koncentráció esetén már gyakorlatilag telített hidroxid ionokra nézve, azaz a képz˝od˝o ionpárok disszociációjával nem kell számolni.

3.1.7. A retenciós modell statisztikai értékelése Az el˝oz˝o 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 meglehet˝osen alacsony. Mindez mutatja a levezetett retenciós modell predikciós erejét. Ugyanez a következtetés vonható le a mért és számított adatok közti er˝os korrelációból. A 3.8. és 3.9. ábrán az egy- és kétértéku ˝ 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 töltésu ˝ 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 eldönthet˝o, hogy a regressziós egyenesek aktuális paraméterei eltérnek-e szignifikánsan 1,00-t˝ol és 0,00-tól, vagy sem [72]. Jelen esetben a számított t értékek minden esetben kisebbnek bizonyultak a küszöbértéknél 95%-os megbízhatósági szint esetén. Kijelenthet˝o tehát, hogy a retenciós modell alapján számított eredmények nem különböznek szignifikánsan a mért értékekt˝ol. Mindezek alapján elmondható, hogy a latex-alapú állófázisok szerkezetének figyelembevételével levezetett retenciós modell el˝onyösen használható mintaionok retenciójának becslésére, elválasztások el˝ozetes optimálására, mellyel nem csak pénzt, de rengeteg id˝ot is meg lehet takarítani.


6

10

a.)

5

10

4

10 10

k

57

w= w= 0 0.7 w= 0 w= .95 0.9 9 w= 0.9 99 w=0 .9999 w=1

3

2

10 10 1

-1

10

-2

10

10

-7

10

-6

10

-5

10

-4

10

-3

10

-2

10

-1

1

–

[OH ] koncentráció

b.)

10 10 10 10

k

10

6

5

w= 0. 99 9

4

w= 0.

99

w= 0. 95

w w= 0. =0 7

w= 0.9 99 9 w=1

3

2

10 1 10 10

-1

-2

10

-7

10

-6

10

-5

10

-4

10

-3

10

-2

10

-1

1

–

[OH ] koncentráció

3.5. ábra: a.) klorid és b.) oxalát ion (3.21) egyenlet alapján számított retenciós profilja különböz˝o w értékek esetén

3. Eredmények

58

10

Retenciós tényező (k)

k =

VS Q KA V0 K OH OH – + 1

[

]

1 formiát acetát propionát piruvát laktát klorid nitrát

0,1

2,5

1

15 5 7,5 10 Eluens koncentráció [mM]

25

35

50

3.6. ábra: Monovalens anionok mért és számított retenciós tényez˝oje (k) az eluenskoncentráció függvényében


1000 k =

VS Q KA V0 K OH OH – + 1

[

2

]

100

oxalát malonát szukcinát tartarát fumarát maleinát szulfát

10

1 1

2,5

15 5 7,5 10 Eluens koncentráció [mM]

25

35

50

3.7. ábra: Divalens anionok mért és számított retenciós tényez˝oje (k) az eluenskoncentráció függvényében


59

10

Számított retenciós tényező

y = 0,9982x + 0,0015 2 r = 0,9979

1

klorid piruvát formiát acetát lactát nitrát propionát 0,1 10

1

0,1

Mért retenciós tényező

3.8. ábra: Egyszeresen negatív töltésu ˝ anionok számított és mért retenciós értéke közti korreláció 25

y = 0,9826x + 0,2026

r2 = 0,9974 Számított retenciós tényező

20

15

10

oxalát fumarát malonát maleát szukcinát tartarát szulfát

5

0 0

5

10

15

20

25

Mért retenciós tényező

3.9. ábra: Kétszeresen negatív töltésu ˝ anionok számított és mért retenciós értéke közti korreláció

3. Eredmények

60

3.2. Makrociklikus polident-komplexképz˝ odési egyensúlyok az anionkromatográfiában A 1.4.1. alszakaszban (24. o.) láthattuk, hogy a makrociklikus állófázist tartalmazó ionkromatográfiás oszlopban számos egyensúlyt kell figyelembe venni anionok elválasztása során. Habár a kelát-ionkromatográfia meglehet˝osen széleskörben vizsgált területe a folyadékkromatográfiának, mégsem létezik olyan retenciós modell, mely az összes, 1.4.1. alszakaszban felsorolt egyensúlyi folyamatot figyelembe venné. Munkánk célja egyszeresen negatív töltésu ˝ anionok retenciós viselkedésének szisztematikus vizsgálata n-decil-2.2.2 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 helyzetu ˝ nitrogén atomjainak protonálódását és az anionok megköt˝odését az így kialakult funkciós csoportokon.

3.2.1. 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 meglehet˝osen széles tartományon belül változtattuk (NaOH: 0,5 − 100,0 mM, KOH: 1,0 − 100,0 mM). A retenciós id˝ok alapján számított retenciós tényez˝ok értékei a 3.10. és a 3.11. ábrán láthatók. Jól látszik, hogy NaOH eluens használata esetén a retenciós tényez˝oknek maximuma van 3 − 4 mM eluens koncentrációnál. Mindez azt jelenti, hogy több olyan eluens koncentrációpár létezik, melyek esetén az egyes komponensek retenciója megegyezik. A 3.12. ábrán bromid és bromát elegy kromatogramja látható 4,0 és 40,0 mM eluens koncentráció esetén. Megfigyelhet˝o, hogy a bromát ionok retenciós ideje mindkét esetben ugyanakkora, ráadásul a csúcsok alakja, szimmetriája is nagyfokú egyezést mutat, azaz a 4,0 és a 40,0 mM 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, 4,0 mM esetén a bromid ion retenciós ideje id˝o kisebb, mint 40,0 mM eluens koncentráció használatakor. Mindez azt mutatja, hogy az oszlopban lezajló retenciós folyamatok mintaion függ˝oek és meglehet˝osen komplexek, összetettek. A 3.11. ábrán a mintaionok retenciós tényez˝oi 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

3.2. Makrociklikus egyensúlyok az anionkromatográfiában

61

3,0

Nitrát Bromid Nitrit Bromát Klorid


2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0 0

20

40

60

80

100

NaOH eluens koncentráció [mM]

3.10. ábra: Szervetlen anionok retenciós tényez˝oje makrociklikus állófázison, NaOH eluens használata esetén

35

Nitrát Bromid Nitrit Bromát Klorid


30

25

20

15

10

5

0 0

20

40

60

80

100

KOH eluens koncentráció [mM]

3.11. ábra: Szervetlen anionok retenciós tényez˝oje makrociklikus állófázison, KOH eluens használata esetén

3. Eredmények

62

6,00

Bromid 4,00

Bromát

4,0 mM NaOH

Vezetőképesség [mS]

2,00

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]

3.12. ábra: Bromát és bromid ion elválasztása, és retenció egyez˝osége 4 és 40 mM koncentrációjú NaOH eluens használatakor

(1 − 100 mM) sehol nincs a retenciós tényez˝oknek maximuma. Mindez két dolgot jelenthet. Jelentheti egyrészt azt, hogy KOH-dal történ˝o elúció esetén a retenciós maximum egyáltalán nem létezik, de jelentheti azt is, hogy a retenciós maximum valahol 1 mM eluens koncentráció alatt található. A kés˝obbiekben látni fogjuk, hogy minden valószínuség ˝ 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− < k NO−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. 1.4.1. alszakasz, 24. o.), el˝ore megjósolható, hogy azonos koncentrációjú, azaz elúciós ereju ˝ mozgófázis használatakor KOH eluens esetén a vizsgált anionok retenciója nagyobb, mint NaOH használatakor. A retenciós tényez˝ok értékeit összehasonlítva (3.10. és 3.11. ábra) valóban jól


63

látszik ez a különbség. Bromát és bromid elegy különböz˝o típusú, de azonos koncentrációjú (3 mM) mozgófázis alkalmazásával nyert kromatogamja látható a 3.13. ábrán. Drasztikus különbséget tapasztalhatunk a két komponens retenciós idejében a két különböz˝o 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 valószínuséggel ˝ a Na+ és K+ ionok eltér˝o mértéku ˝ komplexstabilitási állandójának különbsége miatt létrejöv˝o ioncsere-kapacitás különbségnek köszönhet˝o. 6,00

Bromid 3,48 min Bromát 2,58 min


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

24,00

22,00


3.13. ábra: Bromát és bromid ionok retenciójának eltérése egyforma koncentrációjú (3,0 mM) de különböz˝o típusú eluens használata esetén

3.2.2. Elválasztás során lejátszódó komplex- és ioncsere-egyensúlyok A kriptand molekulát tartalmazó állófázisok, ahogy azt az el˝oz˝oekben láthattuk, képesek egyrészt fémionok szelektív megkötésére, másrészt a makrociklus híd helyzetben található két nitrogén atomja révén, a közeg pH-jától függ˝oen 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 ioncserél˝o kapacitását az alábbi egyensúlyok szabják meg: KM + GGGGGGG B Cy + M+ F GGGGGG G CyM

(3.22)

K1 + GGGGGGG B Cy + H+ F GGGGGG G CyH

(3.23)

3. Eredmények

64

K2 2+ GGGGGGG B CyH+ + H+ F GGGGGG G CyH2 ,

(3.24)

melyek egyensúlyi állandója a ¡

¢ CyM+ KM = ¡ ¢ £ +¤ Cy M ¡ ¢ CyH+ K 1 = ¡ ¢ £ + ¤ = 1010 Cy H ¢ ¡ CyH2+ ¢2£ ¤ = 107,5 K2 = ¡ CyH+ H+

(3.25) (3.26) (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 rendelkez˝o protonált vagy komplex formában lev˝o makrociklus potenciális ioncserél˝o csoportnak tekinthet˝o. Figyelembe véve azonban a kriptand molekula protonálódási állandóinak értékét (logK 1 = 10, log K 2 = 7,5 [48]), és azt, hogy az elválasztások pH-ja alkáli-hidroxid eluens használatának következtében lúgos tartományba esik, a kriptand molekula második protonálódási lépcs˝ojével nem kell számolni. Ennek következtében ioncserél˝o funkciós csoportként csak az egyszeresen protonált kriptand molekulával (CyH+ ) és az alkáli-kriptát komplexszel (CyM+ ) kell számolni. Az elválasztások során az alábbi ionpárképz˝odési reakciók szabják meg egy egyszeresen negatív töltésu ˝ mintaion (A− ) retencióját: K M−OH GGGGGGG B CyM+ + OH− F GGGGGG G CyMOH

(3.28)

K M−A GGGGGGG B CyM+ + A− F GGGGGG G CyMA

(3.29)

K H−A GGGGGGG B CyH+ + A− F GGGGGG G CyHA,

(3.30)

melyek ionpárképz˝odési állandója: ¡ ¢ CyMOH ¢£ ¤ K M−OH = ¡ CyM+ OH− ¡ ¢ CyMA ¢ K M−A = ¡ CyM+ [A− ]

(3.31) (3.32)

3.2. Makrociklikus egyensúlyok az anionkromatográfiában ¡ ¢ CyHA ¢ . K H−A = ¡ CyH+ [A− ]

65

(3.33)

Látszólag a hidroxid ionok és a protonált kriptand molekulák között kialakuló ionpárképz˝odési egyensúly független egyensúlynak tekinthet˝o, 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. K H−OH GGGGGGG B CyH+ + OH− F GGGGGG G CyHOH ⇒ Cy + H2 O

(3.34)

¡ ¢ Cy 1 ¢ £ ¤ K H−OH = ¡ = K1K w CyH+ OH−

(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: ¢ª £ ¤ ¤ ¡ £ ¡ ¢© £ ¤ 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 viselked˝o kriptand molekulán megköt˝odhet, a D A megoszlási hányadost az alábbi összeggel definiálhatjuk: ¡ ¢ ¡ ¢ CyMA + CyHA (A− ) DA = − = [A ] [A− ]

(3.38)

3. Eredmények

66

melyb˝ol (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) egyenletb˝ol elhanyagolhatók. £ +¤ £ ¤ M K M K M−A + H+ K 1 K H−A ¡ £ ¤ ¢ £ ¤ ¤ £ D A = Q max 1 + M+ K M 1 + OH− K M−OH + H+ K 1

(3.40)

A megoszlási hányados helyett a gyakorlatban sokkal inkább alkalmazott retenciós tényez˝ore (k) áttérve, a mintaionok retenciója az alábbi módon számítható: £ +¤ £ ¤ M K M K M−A + H+ K 1 K H−A Vs £ ¤ ¡ £ ¤ ¢ £ ¤ k A = Q max Vm 1 + M+ K M 1 + OH− K M−OH + H+ K 1

(3.41)

3.2.3. 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 lépcs˝ojét nem vettük figyelembe a modellalkotásnál. Az iterációk során nyert egyensúlyi paraméterek a 3.4. táblázatban láthatók. 3.4. táblázat: A (3.41) összefüggés iteráció útján meghatározott egyensúlyi paraméterei BrO3– K1 K Na KK K Na−A K K−A K H−A K Na−OH K K−OH

Cl –

NO2–

Br –

NO3–

1,08 × 1010 (RSD=2,4 %) 755 (RSD=4,8 %) 23860 12,5 12,9 16,1 20,6 25,3 137 142 173 219 274 3,6 2,2 1,9 2,6 5,2 45,0 47,0 30,2 21,6 15,1 362 400 265 201 132

A 3.4.táblázat adatait megfigyelve jól látszik, hogy a vizsgált heterogén (álló- és mozgó-


67

fázist tartalmazó) ionkromatográfiás rendszerben a kriptand molekula els˝o protonálódási állandója gyakorlatilag megegyezik a homogén vizes rendszerekben meghatározott irodalmi értékkel, 1010 -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 = 103,9 , K K = 105 , [48]) és a jelen munka körülményei közt meghatározott (K Na = 755,1 = 102,88 , K K = 23860 = 104,38 ) 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: £ ¤ 1014 OH− ΦCy = £ ¤ £ ¤2 K 1 + 1014 OH− + 1014 OH− K M K1 ΦCyH+ = £ ¤ £ ¤2 − K 1 + 1014 OH + 1014 OH− K M £ ¤2 1014 OH− K M ΦCyM+ = £ ¤ £ ¤2 K 1 + 1014 OH− + 1014 OH− K M

(3.42) (3.43) (3.44)

1,0

Protonált forma

Mólarány

0,8

Komplex forma 0,6

0,4

Szabad forma 0,2

10

-4

10

-3

10

-2

10

-1

Koncentráció [M]

3.14. ábra: Kriptand állófázis protonált, komplexált és szabad formában lev˝o mólaránya NaOH eluens használata esetén A 3.14. és 3.15. ábrán a kriptand állófázis protonált, komplexált ill. szabad formában lev˝o 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 megköt˝odni, amely pozitív töltésu ˝

3. Eredmények

68

1,0

Protonált forma 0,8

Mólarány

Komplex forma 0,6

0,4

0,2

Szabad forma

10

-4

10

-3

10

-2

10

-1

Koncentráció [M]

3.15. ábra: Kriptand állófázis protonált, komplexált és szabad formában lev˝o mólaránya KOH eluens esetén

funkciós csoportként viselkedik, azaz vagy protonált vagy komplexált formában van jelen. A 3.16. ábrán az állófázis pozitív töltéssel borított hányada (ΦCyH+ +ΦCyM+ ) látható az eluenskoncentráció függvényében. Az ábrát megfigyelve megállapítható, hogy mind NaOH, mind KOH eluens esetén a görbének minimuma van. El˝obbi esetben 3,78×10−4 M, utóbbi esetben 6,73×10−5 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 4,31 × 10−4 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 el˝obbi esetben az, hogy az eluens koncentrációja már olyan kicsi, hogy a kriptand molekulák protonálódását az oldatban jelenlév˝o kationok, függetlenül attól, hogy Na+ vagy K+ ionról van-e szó, már nem befolyásolják jelent˝osen, míg utóbbi esetben az, hogy a kationok koncentrációja már akkora, hogy a kriptand molekulák közel teljes hányada komplexet alkot, megintcsak függetlenül a kation típusától. Mindebb˝ol következik, hogy azonos koncentrációjú KOH és NaOH eluens használatakor el˝obbi esetben az egyes anionok retenciója nagyobb, köszönhet˝oen az állófázis nagyobb ioncsere kapacitásának. Mindezt, ahogy az a 3.10. és 3.11. ábrán is látszik, a megfigyelések is alátámasztják. A 3.4. táblázat adatait tovább vizsgálva megállapítható, hogy a vizsgált anionok a pozitív töltésu ˝ Na+ - ill. K+ -kriptát komplexszel alkotott ionpárképz˝odési egyensúlyi állandójának (K Na−A , K K−A ) értéke azok retenciós sorrendjét követi. Az egyes állandók értékeit összehasonlítva kitunik, ˝ hogy a vizsgált anionok ionpárképz˝odési 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-


69

3,0

1,0

0,8 +

2,5

Na

+

0,6 2,0

Hányados

Mólarány

K

0,4 1,5 0,2

R

10

-4

10

-3

10

-2

10

-1

Koncentráció [M]

3.16. ábra: A kriptand molekulák pozitív töltésu ˝ funkciós csoportoként viselked˝o hányada, és ezek aránya (R) NaOH és KOH mozgófázis használatakor kulák esetén meghatározott állandóknál (K H−A ). Két tényez˝o 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 növel˝o hatást er˝osíti. Az ionpárképz˝odési 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 er˝os anioncserél˝onek, míg a Na+ -kriptát funkciós csoportok gyenge, a protonált kriptand molekulák pedig nagyon gyenge anioncserél˝onek tekinthet˝ok.

3.2.4. A levezetett retenciós modell statisztikai értékelése A (3.41) összefüggéssel, a 3.4. táblázat paramétereinek felhasználásával a vizsgált egyértéku ˝ anionok retenciója becsülhet˝o. A 3.17. és 3.18. ábrán a mért és a levezetett modell alapján számított retenciós id˝ok láthatók. A számított görbék nagyon jól illeszkednek a mért adatpontokra, az eltérés a mért és számított értékek közt meglehet˝osen alacsony. Mindez mutatja a levezetett retenciós modell alkalmazhatóságát szervetlen anionok retenciójának el˝ozetes becslésére. Ugyanez a következtetés vonható le a mért és számított adatok közti korreláció vizsgálatából. A 3.19. és 3.20. 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-

3. Eredmények

70

4,5

4,0


3,5

3,0

2,5

2,0

1,5 0

20

40

60

80

100


3.17. ábra: Monovalens anionok mért és számított retenciós tényez˝oje (k) az eluenskoncentráció függvényében

40 Adatsor1 Adatsor2 Adatsor3 Adatsor4 Adatsor5

35


30

25

20

15

10

5

0 0

20

40

60

80

100


3.18. ábra: Divalens anionok mért és számított retenciós tényez˝oje (k) az eluenskoncentráció függvényében


71

nek (0,9955, 1,0112) 1-hez, valamint a regressziós egyenesek tengelymetszetének (−0,0091, −0,1877) nullához közeli értéke egyaránt azt er˝osíti, hogy a retenciós modell alapján számított eredmények nem különböznek szignifikánsan a mért értékekt˝ol. Mindezek alapján elmondható, hogy a kriptand alapú állófázisokon lejátszódó komplexképz˝odési-, protonálódási- valamint ioncsere-egyensúlyok figyelembevételével levezetett retenciós modell el˝onyösen használható anionok retenciójának becslésére, elválasztások el˝ozetes optimálására.

3. Eredmények

72

4,5

Számított retenciós idő [min]

4,0

y = 0,9955x - 0,0091 r2 = 0.9907

3,5

3,0

2,5

2,0

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

Mért retenciós idő [min]

3.19. ábra: Egyszeresen negatív töltésu ˝ anionok számított és mért retenciós értéke közti korreláció 40

Számított retenciós idő [min]

y = 1,0112x - 0,1877 r2 = 0.9985 30

20

10

10

20

30

40

Mért retenciós idő [min]

3.20. ábra: Kétszeresen negatív töltésu ˝ anionok számított és mért retenciós értéke közti korreláció

3.3. Anionok retenciós viselkedésének integrált leírása

73

3.3. 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 els˝osorban kinetikai folyamatok szabják meg [6]. Az el˝oz˝o, 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 1.1.4. 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, lehet˝oséget teremtve ezáltal az ionkromatográfiás elválasztások optimálásra, megfelel˝o elválasztási körülmények kiválasztására.

3.3.1. Sztochasztikus paraméterek meghatározása Tizenhat különböz˝o összetételu ˝ eluens használatával, a 2.1.3. 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 id˝ok és az ebb˝ol számolt retenciós tényez˝ok változását a mozgófázis tulajdonságainak változtatásával. Az I. sz. minta esetében a retenciós sorrend a következ˝o volt: fluorid, klorid, bromid, nitrát, szulfát; a II. sz. minta esetén: formiát, foszfát, oxalát. A retenciós sorrendb˝ol is látható, hogy a retenciós id˝ok, vagyis az állófázison megköt˝odve eltöltött id˝o kétszeresen negatív ionok esetén nagyobb. Itt szükséges megjegyezni, hogy a foszfátion a kísérleti pH viszonyok mellett (9,5-11) túlnyomó részben kétszeres negatív töltésu ˝ hidrogén-foszfát (HPO24 – ) formájában van jelen. A 3.21. ábrán egy, az elválasztások során nyert tipikus kromatogram látható, melynek vizsgálata alapján megállapítható, hogy az egyes komponensek megfelel˝o felbontással elválaszthatók egymástól. Mindegyik komponens csúcsalakja alapvet˝oen 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 csúcsszélesít˝o hatásokat el kell távolítani a kromatogramból. A sztochasztikus elmélet egyik alapfeltevése,

3. Eredmények

74

12 Klorid 10


8

6

4 Nitrát Szulfát

Bromid

2

0

-2 0

5

10

15

20

25

30


3.21. ábra: Szervetlen anionok elválasztása nagykapacitású AS9-HC anioncserél˝o oszlopon. Mozgófázis: CO23 – /HCO3– , pH 10, 13mmol/dm3

hogy a különböz˝o minationok és -molekulák ugyanannyi id˝ot 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 szenved˝o 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 bel˝ole a kromatográfiás folyamat sztochasztikus paraméterei (τm , τs , n) [8]. Számos lehet˝oség áll rendelkezésre kromatográfiás csúcsok dekonvolúciójára. Ezek közül az egyik legegyszerubb ˝ matematikai módszer a kromatográfiás csúcsokra illesztett exponenciálisan módosított Gauss-függvények (EMG) dekonvolúciója. A dekonvolvált csúcs paraméterei egyszeruen ˝ megkaphatók az EMG görbék azonos paramétereinek különbségeként [73]. Az EMG görbe, mely egy exponenciális és egy normális eloszlás sur ˝ uségfüggvényének ˝ konvolváltja, a következ˝oképpen definiálható [7]: µ ¶ 2 σ A σ t −m − t −m , y(t ) = erfc p − p e 2τ2 τ 2τ 2τ 2σ

(3.45)


75

ahol m és σ a Gauss-görbe várható értéke és varianciája, τ az exponenciális eloszlás id˝oállandója, és erfc (x) az ún. kiegészít˝o hibafüggvény: 2 erfc(x) = p π

Z

∞

2

e−t dt

(3.46)

x

Az EMG görbe illesztésére láthatunk példát nitrát ion kromatográfiás csúcsára a 3.22. ábrán. Látható, hogy az EMG görbe meglehet˝osen jól írja le a kromatográfiás csúcsot, az


eltérés a mért pontok és az illesztett görbe közt kicsi.

3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,003 0,001

-0,001 -0,003 -0,005 13

14

15

Retenciós idő [min] 3.22. ábra: Nitrát-ion kromatográfiás csúcsára illesztett EMG görbe (fent), és az eltérés a mért pontok és az illesztett görbe között (lent). Eluents 9 mM Na2 CO3 , pH=11,0 A retenciót nem szenved˝o komponens csúcsára illesztett EMG görbék egyes paramétereinek kivonása a mintaion csúcsára illesztett EMG görbe azonos paramétereib˝ol olyan kromatográfiás csúcsot eredményez, mely csak az állófázion zajló folyamatok hatásait hordozza magán. Ennek a csúcsnak a megfelel˝o EMG paraméterei a következ˝ok: m 0 = m − m0 = m − t0 ,

(3.47)

σ0 2 = σ2 − σ20 ,

(3.48)

τ0 = τ − τ0 ,

(3.49)

ahol m, σ és τ a mintaion csúcsára, m 0 , σ0 és τ0 pedig a retenciót nem szenvedett komponens csúcsára illesztett EMG görbe paraméterei, t 0 pedig a rendszer holtideje.

3. Eredmények

76

A kromatográfiás csúcs momentumait leíró (1.24) egyenlet (11. o.) átrendezésével a kromatográfiás folyamat sztochasztikus paraméterei könnyen meghatározhatók az alábbi összefüggések segítségével: σ0 2 + τ0 2 , 2 (m 0 + τ0 ) ¢2 ¡ 0 m + τ0 , n = 2 02 σ + τ0 2 σ0 2 + τ0 2 τm = t 0 . 2 (m 0 + τ0 ) 2 τs =

(3.50) (3.51) (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 sávszélesít˝o hatások dekonvolválására, azonban a vízcsúcs a szupresszorban extra nagy szélesedést szenved, köszönhet˝oen a szupresszor membrán ájárhatóságának a semleges vízmolekulákkal szemben, emiatt a vízcsúcsot nem használhatjuk dekonvolúcióra. Az anionok közül a fluorid ionok lépnek legkevésbé kölcsönhatásba az ioncserél˝o állófázissal [41], ráadásul negatív töltésüknek köszönhet˝oen, nem szenvednek a vízhez hasonlóan nagy szélesedést a szupresszorban, így nem vétünk jelent˝os hibát, ha a visszatartást nem szenved˝o molekula kromatográfiás csúcsát leíró EMG görbe paramétereit a vízcsúcs (m 0 ) és a fluoridion (σ0 , τ0 ) csúcsának paramétereib˝ol kombináljuk össze: m 0 = t 0 = 2,395; σ0 = σF− = 0,04; τ0 = τF− = 0,11. A sztochasztikus paraméterek (3.50) és (3.51) összefüggések alapján meghatározott várható értéke (τs , n) a 3.5 és 3.6 táblázatban láthatók. Mivel a „repülési id˝ok” (τm ) az adszorpciós lépések számától függnek (τm = t 0 /n), nincsenek külön táblázatba foglalva. Az adszorpciós lépések várható értékére (n) nem függött jelent˝osen sem a mintaionok retenciójától, sem az eluens koncentrációjától, így azok adott pH-n meghatározott értékeinek átlaga került be a 3.5 táblázatba. Az el˝oz˝o megállapítás jól egyezik a fordított fázisú folyadékkromatográfiás (RP-HPLC) tapasztalatokkal [6, 8]. Mindazonáltal a pH jelent˝osen befolyásolja a megköt˝odések számának értéket. Minél nagyobb a pH, annál kisebb n. Az 1.1.4. alszakaszban (11. o.) láthattuk, hogy a megköt˝odések és az anyagátadási egységek száma egymásnak megfeleltethet˝o fogalmak [12]. Mindebb˝ol az következik, hogy az állófázis anyagátadással szembeni ellenállása megn˝o a pH növekedésének hatására. Összehasonlítva a 3.5. táblázat eredményeit az RP-HPLC-ben meghatározott adszorpciós lépésszámokkal [6] az tapasztalhatjuk, hogy a megköt˝odések számának várható értéke jóval nagyobb RP-HPLC-ben, mint a vizsgált anionkromatográfiás rendszerben. El˝obbi rendszerben 90 − 130 megköt˝odés, mígutóbbi esetben 30 − 80 adszorpció játszódik le az oszlop egy mm-ére vonatkoztatva, azaz az állófázis anyagátadással szembeni ellenállása nagyobb


77

3.5. táblázat: Az adszorpciós lépések (n) számának várható értéke az elúció során pH formiát klorid bromid nitrát szulfát oxalát foszfát

9,5

10,0

10,5

11,0

25 400 17 200 16 900 16 400 17 600 18 400 13 800

23 800 15 200 16 400 16 000 15 600 16 800 12 000

21 400 14 700 16 100 15 400 13 800 16 400 11 500

13 000 12 100 13 200 13 100 11 900 13 800 9 700

a vizsgált IC rendszerben, mint az RP-HPLC-ben. Mindez az állófázisok hordozói, a sztiroldivinilbenzol polimer és a szilikagél közti, anyagátadással szembeni eltér˝o ellenállásából fakad [74]. A 3.6. táblázatban a mintaionok egy adszorpciós lépése során történ˝o állófázisbeli tartózkodási idejének várható értéke látható. Az értékek 10 − 200 m sec tartományon belül mozognak, azaz az anionok egy megköt˝odés alkalmával meglehet˝osen kevés id˝ot töltenek az állófázison. A táblázat adataiból jól látható, hogy a τs -sek értékei mind az eluens pH, mind az eluens koncentráció hatására csökkennek, azaz az anionok retenciós ideje és az egy megköt˝odés során az allófázison eltöltött id˝o er˝osen korrelál egymással. A 3.5. és 3.6. táblázat adataiból az a fontos következtetés is levonható, hogy az egyes ionok közti szelektivitás els˝osorban azok tartózkodási idejének (τs ) különböz˝oségéb˝ol, és nem a megköt˝odéseik számából (n) adódik. Fordított fázisú kromatográfiában a jellemz˝o tartózkodási id˝ok (τs ) 8,4 m sec (k = 1,75) és 47 m sec (k = 12,7) között találhatók [6]. A tartózkodási id˝ok összehasonlításából kitu˝ nik, hogy a vizsgált ionkromatográfiás rendszerben egy minta komponens, azonos retenció esetén, jóval nagyobb (több, mint duplája) id˝ot tölt egy megköt˝odés alkalmával az állófázison mint RP-HPLC-ben: 17,6 m sec (k = 1,73, klorid, eluens: 13 mM, 10,5pH) és 105.9 m sec (k = 12,08, oxalát, eluens: 11 mM, 10,5pH). Mindez a Frenkel összefüggés ((1.23) egyenlet, 11. o.) alapján azt jelenti, hogy a mintakomponensek megköt˝odésének er˝ossége, azaz az adszorpció entalpiaváltozása sokkal nagyobb az ionkromatográfiában, mint RP-HPLC-ben.

3.3.2. A megköt˝ odések gyakoriságának és az ioncserekapacitás kihasználtságának meghatározása Mivel a sztochasztikus modell közvetlen betekintést nyújt a szeparációs folyamatba, a kromatográfiás folyamatok számos sajátosságát, úgy, mint átlagos megköt˝odések számát egyegy ioncserél˝o szemcsén, ill. az oszlop ioncsere-kapacitásának kihasználtságát, megérthet-

3. Eredmények

78

3.6. táblázat: A vizsgált anionok tartózkodási idejének (τs , ×10−3 s) várható értéke az állófázison, egy adszorpciós lépés során c (mM)

formiát

klorid

bromid

nitrát

szulfát

oxalát

foszfát

322,6 239,6 188,0 171,4

440,1 328,9 256,0

224,1 167,0 131,3

196,8 138,9 121,5 99,3

185,8 157,3 131,6

105,3 86,1 71,7

141,7 106,7 87,8 74,0

171,8 130,3 105,9 89,8

113,9 82,1 65,7 54,6

131,2 100,6 81,0 68,8

161,9 122,8 100,4 85,5

134,7 99,6 80,0 65,3

9,5 pH 7 9 11 13

11,6 10,1 9,0

33,4 28,6 25,1 23,7

71,6 61,1 53,3 50,9

90,2 76,5 67,2 64,1 10,0 pH

7 9 11 13

7,7 7,2 6,7

27,8 23,5 22,2 20,2

51,8 44,2 44,4 38,5

65,4 55,1 53,8 48,7 10,5 pH

7 9 11 13

8,1 14,1 6,5 6,0

24,1 20,6 19,1 17,6

43,5 39,2 36,1 33,5

57,1 50,7 46,7 43,2 11,0 pH

7 9 11 13

12,0 10,5 9,6 9,1

25,4 22,4 20,5 19,0

48,2 42,3 39,1 35,9

60,2 52,9 48,7 44,8

jük segítségével. Az el˝oz˝o fejezetben meghatározott valószínuségi ˝ paraméterek alapján kiszámíható egy mintaion megköt˝odések gyakorisága az oszlop ioncserél˝o töltetein. Mivel az anioncserél˝o oszlop hossza 250 mm és a benne található töltet átmér˝oje 9µm, könnyen kiszámítható, hogy kb. 27800 részecske található annak a mintaionnak az útjában, mely a lehet˝o legrövidebb úton halad végig az oszlopban. Ezzel elosztva a lépésszámot, megkaphatjuk egy-egy mintaionra nézve a megköt˝odések gyakoriságát. Ezen megfontolások felhasználásával az alábbi összefüggés vezethet˝o le a megköt˝odési gyakoriság számítására:

ξ=n

dp Lc

,

(3.53)

ahol ξ a megköt˝odések gyakorisága (adszorpció/ioncserél˝o gyöngy), d p az ioncserél˝o gyöngy átmér˝oje, L c az oszlop hossza, n a mintaion megköt˝odéseinek várható értéke az


79

egész elválasztási folyamatot figyelembe véve. A számított megköt˝odési gyakoriságok a a 3.7. táblázatban láthatók.

3.7. táblázat: Mintaionok megköt˝odésének gyakorisága (megköt˝odések száma/részecske) pH

formiát

klorid

bromid

nitrát

szulfát

oxalát

foszfát

9,5 10,0 10,5 11,0

0,91 0,86 0,77 0,47

0,62 0,55 0,53 0,44

0,61 0,59 0,58 0,48

0,59 0,58 0,55 0,47

0,63 0,56 0,50 0,43

0,66 0,61 0,59 0,50

0,50 0,43 0,41 0,35

A 3.7. táblázatból jól nyomon követhet˝o a pH hatása az egyes mintakomponensek megköt˝odési gyakoriságára. Látható, hogy összhangban az n lépésszámokkal, a megköt˝odések gyakorisága igen kis eltérést mutat a különböz˝o ionok esetében, átlagosan minden második harmadik tölteten köt˝odik meg egy-egy ion az oszlop hossza mentén való vándorlása során. Fontos észrevenni azonban azt is, hogy a pH 9,5-r˝ol 11,0-ra emelésével a megköt˝odési gyakoriság jelent˝osen csökken, némely ionnál akár a felére is visszaesik. Hasznos információval szolgálhat az is, hogy egy mintaion az oszlop ioncserél˝o helyeinek mekkora hányadát használja fel megköt˝odésekre, amíg végighalad az oszlopon. Az oszlop ioncsere kapacitásának kihasználtsága a megköt˝odések számának és a teljes ioncsere kapacitásnak a hányadosa. Ez utóbbi értéke (Q c ) 190 µ eq, azaz 1.14 × 1020 . η=

n , Qc

(3.54)

ahol η az oszlop ioncserekapacitásának kihasználtsága, Q c az oszlop teljes ioncserekapacitása és n a mintaion megköt˝odéseinek várható értéke az egész elválasztási folyamatot figyelembe véve. Az oszlop ioncserél˝o kapacitásának kihasználtsága a 3.8. táblázatban látható. A számításokból kitunik, ˝ hogy az egyes mintaionok az oszlop kapacitásának egy igen kis töredékét használják csak ki vándorlásuk során. Egy mintaion mindössze 1016 ioncserél˝o helyenként köt˝odik meg. Ez azonban félrevezet˝o lehet, ha nem vesszük figyelembe az injektált mintaionok mennyiségét. Mivel az egyes mintákból a kísérleti körülmények között injektált ionok mennyisége 0,7−5,7×1015 tartományba esik belátható, hogy a mintaionok a teljes kapacitás jelent˝os hányadán megköt˝odnek (20-60%).

3. Eredmények

80

3.8. táblázat: Az elválasztó oszlop teljes ioncserél˝o kapacitásának egy mintaion által történ˝o kihasználtsága (×10−16 ) pH

formiát

klorid

bromid

nitrát

szulfát

oxalát

foszfát

9,5 10,0 10,5 11,0

2,23 2,09 1,88 1,14

1,51 1,33 1,29 1,16

1,48 1,44 1,41 1,16

1,44 1,40 1,35 1,15

1,54 1,37 1,21 1,04

1,61 1,48 1,44 1,22

1,21 1,05 1,01 0,85

3.3.3. A többkomponens˝ u eluens/minta retenciós modell kapcsolata a sztochasztikus elmélettel Annak ellenére, hogy, amint azt az el˝oz˝o fejezetben láthattuk, a sztochasztikus modellel megmagyarázható néhány, érdekes következtetésre vezet˝o kromatográfiás folyamat, önmagában véve nem alkalmas mintaionok retenciójának el˝ozetes becslésére. Könnyu ˝ belátni azonban, hogy:

k=

t R − t 0 t r0 nτs τs = = = t0 t0 t0 τm

(3.55)

A (3.55) egyenlet átrendezésével τs az alábbi módon számítható:

τs =

k t0 k = n τm

(3.56)

ahol k a mintaion retenciós tényez˝oje, n a mintaion állófázison való megköt˝odések számának, τs pedig idejének várható értéke és t 0 a kromatográfiás rendszer holtideje. Az el˝oz˝o alszakaszban láthattuk, hogy a megköt˝odések számának várható értéke (n) kismértékben függ csak az eluens koncentrációjának változásától sokkal inkább annak pH-ja befolyásolja azt. El˝ozetes ismeretek alapján tehát adott pH-n kis hibával megbecsülhet˝o n értéke bármely eluenskoncentráció esetén. Mivel az ionkromatográfiában a retenciós tényez˝o becslésére számos elméleti és empirikus modell áll rendelkezésre (ld. 1.4.3. alszakasz, 28–35. o.), s ezek közül karbonát/hidrogénkarbonát eluensrendszer esetén az ún. többkomponensu ˝ eluens/minta retenciós modell [51] segítségével nyerhetjük a legpontosabb becslést [59], a (3.56) egyenlet kapcsolatot teremt a sztochasztikus elmélet és a többkomponensu ˝ eluens/minta retenciós modell között. Az (1.58) – (1.61) összefüggéseket (34. o.) megvizsgálva látható, hogy a többkomponensu ˝ eluens/minta retenciós modell használata el˝ott szükség van néhány egyensúlyi és nem egyensúlyi paraméter meghatározására. Az egyes mintakomponensek különböz˝o elu-


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 (Vs ), az oszlop holttérfogatára (V0 ) és ioncserekapacitására (Q) is. Utóbbiak a 2.2. szakaszban (39. o.) bemutatott módszerrel lettek meghatározva. Ezek alapján Vs 0,745 ml-nek, V0 2,395 ml-nek, Q pedig 0,255 meq/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 tényez˝oinek (K A/HCO3 ) értékei a retenciós sorrendet követik. Az intereluens állandók (K OH/HCO3 , K CO3 /HCO3 ) értékei az egymástól független iterációk ellenére is csak kis mértékben szórnak, ami a modell helyes felírását is igazolja. 3.9. táblázat: Kísérleti adatbázis alapján, iterációs úton meghatározott szelektivitási (K A/HCO3 ) és intereluens állandók (K OH/HCO3 , K CO3 /HCO3 )

HCOO – Cl – Br – NO3– SO24 – COO22 – HPO24 – PO34 – Átlag

K A/HCO3

K OH/HCO3

K CO3 /HCO3

3,305 6,458 13,182 16,566 32,638 48,665 15,522 105,249

1,991 1,997 2,004 2,003 2,002 2,003 1,996 1,996

20,147 20,137 20,132 20,055 20,142 20,155 20,150 20,150

1,999

20,136

3.3.4. A vízanalitikában fontos ionok kromatogramjának becslése a többkomponens˝ u 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 (17 – 21. oldal) látható, a vízanalitikai meghatározások során gyakran gondot okoz az egyes szennyez˝o komponensek retenciós viselkedésének hasonlósága. A vizsgálatok elvégzéséhez nagy segítséget nyújt, ha az elválasztás körülményeit el˝ore hatékonyan meg tudjuk tervezni, a megfelel˝o tulajdonságú oszlop, és összetételu ˝ eluens kiválasztásával, hisz komplex min-

3. Eredmények

82

ták esetében empírikus úton a mérés körülményesen optimalizálható. Erre nyújt megoldást a többkomponensu ˝ eluens/minta és a sztochasztikus modellek integrálása, mivel lehet˝ové teszi az álló és a mozgófázis tulajdonságainak ismeretében nem csak a csúcsok helyének, egyidejuleg ˝ hanem azok alakjának meghatározását is. Az el˝oz˝o alszakaszban meghatározott paraméterek alapján lehet˝oség nyílik a mintaionok retenciós tényez˝ojének (k) kell˝o pontosságú becslésére a praktikus eluenskoncentráció és -pH tartományon belül. A k , n és a retenciót nem szenved˝o komponens csúcsalakjának ismeretében pedig bármely eluenskoncentráción és -pH-n el˝ozetesen megbecsülhetjük ismert összetételu ˝ minta kromatogramját. A kromatogram számítás lépései a következ˝ok (ld. még 3.23. ábrát is): (1) m különböz˝o típusú iont tartalmazó elegy kromatogramjának számítása kizárólag az állófázis csúcsszélesít˝o hatásainak figyelembevételével (3.23. a. ábra): s P (t ) =

m X

n i2

i =1

t ki t0

³

e

−n i 1+ k tt i 0

s

´

I1 

4 n i2 t ki t0

 ,

(3.57)

ahol i index a mintaion fajtára utal, k i az i típusú anion retenciós tényez˝oje 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 megköt˝odési számának várható értéke adott pH-n (3.5. táblázat), (2) a retenciót nem szenved˝o komponens kromatográfiás csúcsának számítása (3.45) összefüggés segítségével (m 0 = 2,395; σ0 = 0,04; τ0 = 0,11) (3.23. b. ábra), (3) a két fenti kromatogram konvolúciója (3.23. c. ábra). A 3.25. ábrán két különböz˝o összetételu, ˝ 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 el˝obbi elegy esetében 10,0, utóbbiéban 11,0. Az ábra fels˝o részén (a1. és b1.) a mért, míg alsó részén (a2. és b2.) az el˝oz˝oekben leírt módszer szerint számított kromatogramok találhatók. Habár az integrált modell segítségével a detektor által szolgáltatott jel nagysága nem jósolható meg, a kromatogramok egyszerubb ˝ összehasonlíthatósága érdekében a számított kromatogramokon az egyes csúcsok területének aránya megegyezik a mért kromatogramokon tapasztalhatóéval. Az ábrát megfigyelve szembetun˝ ˝ o 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 el˝onyeire. Az integrált retenciós modell predikciós ereje a retenciós tényez˝ok (k), a csúcsmagasságok felénél vett sávszélességek (FWHM) ill. a aszimmetria tényez˝ok (AS50) számított és mért értékei eltérésének vizsgálatával támasztható alá. Jól ismert, hogy a több-


a.)

14

1

b.)

12

83

5

4

AU

10 3

8

2 6 4

2

3 4

1

5

2

10

6

7 30

20

1

40

Állfázison való tartozkodási idő [min]

c.)

AU

6

3

2

4

5


1 2

3 4

4 5 6

2

7

10

20

30

40


3.23. ábra: Kromatogram számítása a sztochasztikus elmélet és a többszörös minta/eluens modell együttes használatával. a.) a (3.57) összefüggés segítségével számított, kizárólag az állófázis csúcsszélesít˝o hatásait hordozó kromatogram, b.) a retenciót nem szenved˝o komponens kromatogramja [(3.45), m 0 = 2,395; σ0 = 0,04; τ0 = 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 Na2 CO3 /NaHCO3 , pH 10,5.

szörös minta/eluens retenciós modell a legpontosabb ionkromatográfiás retenciós modell karbonát/hidrogén-karbonát eluensrendszer esetén [59]. A 3.26. ábrán a számított retenciós tényez˝ok logaritmusa látható mért retenciós tényez˝ok 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 jelent˝os különbség a mért és számított retenciós tényez˝ok közt, azaz a többszörös minta/eluens retenciós modell segítségével a vizsgált kromatográfiás rendszerben is megfelel˝oen jól becsülhet˝ok a mintakomponensek retenciós tényez˝oi. A 3.10. 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

3. Eredmények

84

A

többszörös minta/eluens retenciós modell

B többszörös minta/eluens retenciós modell

+ sztochasztikus elmélet

3.24. ábra: Retenciós id˝o és csúcsalak becslése a többszörös eluens/minta retenciós modell és a sztochasztikus elmélet integrálásával


Conductivity [mS]

10

a1.

85

b1.

1

12

7

10

8

6 8

6

6 4

3 4

2

5

4

2

2

5

a2.

10

15

20

25

5

30

25

20

b2.

25

1

15

10

7

15

AU

20

6

15

10

10

5

3

5

4

2

5

10

5

15

20

25

30

5


10

15

20

25


3.25. ábra: 1. klorid, 2. bromid, 3. nitrát és 4. szulfát (eluens: 13.0 mM Na2 CO3 /NaHCO3 , pH = 10,0.) ill. 5. formiát, 6. foszfát és 7. oxalát (eluens: 13.0 mM Na2 CO3 /NaHCO3 , pH = 11,0.) elegyek mért (felül) és számított (alul) kromatogramjai.

2.0

y = 1.0469x - 0.041 r = 0.9961 1.5

Formiát Klorid Bromid Nitrát Szulfát Oxalát Foszfát

log k calc

1.0

0.5

0.0

-0.5 -0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

log kmeas

3.26. ábra: A mért és számított retenciós tényez˝ok logaritmusának kapcsolata

3. Eredmények

86

3.10. 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 9 mM 11 mM 13 mM

3,6 % 4,8 % 0,0 %

−3,9 % −6,2 % −0,8 % −2,0 %

−0,7 % −3,5 % −3,7 % −3,9 %

−1,2 % −2,2 % −2,3 % −3,0 %

5,9 % 5,4 % 6,9 % 4,6 %

5,7 % 7,6 % 8,0 %

3,7 % 2,2 % 3,0 %

Átlag

4,2 %

8,7 %

5,0 %

3,5 %

3,4 %

8,6 %

2,0 %

az alábbi módon számítottuk:

∆FWHM =

FWHMszámított − FWHMmért × 100 %, FWHMmért

(3.58)

A táblázat adatait megvizsgálva jól látszik, hogy a százalékos eltérések az esetek jelent˝os részében 5 % alatt maradnak, azonban a klorid és az oxalát ionok esetén az eltérések átlaga ezt jelent˝osen 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 jelent˝osen. A 3.11. táblázatban a csúcsmagasságok felénél meghatározott aszimmetria tényez˝ok (A50) [7] mért és számított értékének százalékos eltérése (∆A50 ) látható 9,5 pH-jú eluens oldatok esetén, ill. a 3.10. 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 mértéku ˝ eltérés oka minden bizonnyal a retenciót nem szenved˝o csúcs meghatározásának bizonytalanságából fakad. Könnyu ˝ belátni, hogy a keskenyebb csúcsokkal rendelkez˝o formiát és klorid ionok esetén a dekonvolúció során kapott csúcsalak kis abszolút értéku ˝ eltérése a csak az állófázis csúcsszélesít˝o hatásait magán hordozó csúcsalaktól százalékosan akár jelent˝os 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 szenved˝o komponens csúcsparamétereinek helyes megválasztását. A 3.26. ábra és a 3.10. ill. 3.11. táblázatok vizsgálata alapján megállapítható tehát, hogy a két eljárás (sztochasztikus elmélet és többkomponensu ˝ eluens/minta retenciós modell) együttes alkalmazásának jelent˝os el˝onye, hogy nem csak a kromatográfiás csúcs helyét (mi-


87

3.11. táblázat: A csúcsmagasságok felénél meghatározott aszimmetria tényez˝ok 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 9 mM 11 mM 13 mM

15,2 % 14,6 % 9,3 %

10,5 % 6,4 % 8,5 % 5,9 %

7,3 % 4,4 % 5,0 % 3,1 %

2,4 % 1,8 % 0,8 % 3,0 %

4,6 % 3,7 % 3,7 % 0,5 %

1,7 % 4,4 % 4,5 %

2,2 % 0,9 % 0,5 %

Átlag

13,2 %

8,6 %

5,6 %

3,2 %

2,3 %

5,3 %

1,3 %

n˝oségi információ), hanem a csúcs alakját (kinetikai információ) is becsülni képes analitikai elválasztások céljára. Ezáltal az elválasztás hatékonyan tervezhet˝o, megfelel˝o felbontás érhet˝o el akár még összetett, nehezen meghatározható környezeti minták esetén is.

4. Összefoglalás Dolgozatomban az ionkromatográfia retenciós elméletével, annak egyensúlyi és kinetikai (valószínuségi) ˝ 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 anioncserél˝on, NaOH eluens és szupresszált vezet˝oképességi detektálás alkalmazásával ionkromatográfiás rendszerben. Megállapítottam, hogy az állófázis felépítésének köszönhet˝oen a funkciós csoportok egy része töltésegyensúlyban van a latex réteg mögött található negatív töltésu ˝ szulfon réteggel, így a vizsgált rendszerben nem érvényes a Lineáris oldószerer˝osségi modell. Retenciós egyenletet vezettem le, melynek érvényességét statisztikai módszerekkel igazoltam. Az állófázis felépítésére jellemz˝o állandót, w súlytényez˝ot vezettem be, mely az állófázis töltésegyensúlyban lev˝o funkciós csoportjainak teljes ioncsere-kapacitáshoz viszonyított arányát mutatja meg. w hatását vizsgálva anionok retenciós viselkedésére megállapítottam, hogy a súlytényez˝o maximális értéke esetén (w = 1) a mintaionok retenciós profilja egy platóval kezd˝odik, mely a Langmuir-típusú adszorpciós mechanizmus esetén a retenciós tényez˝ok (k) maximumát mutatja, míg w = 0 esetén, a levezetett modell teljesen egyenrangú a Lineáris oldószerer˝osségi modellel. Vizsgáltam egyszeresen negatív töltésu ˝ anionok retenciós viselkedését n-decil-2.2.2 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 ) jelent˝osen eltér. El˝obbi esetben a retenciós tényez˝oknek maximuma van, míg utóbbi esetben jóval nagyobb a mintaionok oszlopon belüli visszatartása. Retenciós egyenletet vezettem le egynegatív töltésu ˝ anionok D222 molekulát tartalmazó állófázison történ˝o viselkedésének leírására, figyelembe véve a kriptand molekula protonálódását, pozitív töltésu ˝ funkciós csoportként viselked˝o alkálifém-kriptát komplex kialakulását, az így kialakult komplexen az anionok és az eluens ionok megköt˝odését, 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-képz˝odési állandók értékének nagyságrendjét vizsgálva megállapítottam, hogy a K+ -kriptát funkciós csoportok

89

4. Összefoglalás

90

er˝os anioncserél˝onek, míg a Na+ -kriptát funkciós csoportok gyenge, a protonált kriptand molekulák pedig nagyon gyenge anioncserél˝onek tekinthet˝ok. A levezetett retenciós modell statisztikai értékelése során megállapítást nyert, hogy a retenciós modell alapján számított eredmények nem különböznek szignifikánsan a mért értékekt˝ol. 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 történ˝o 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 történ˝o átlagos tartózkodási ideje egy-egy megköt˝odés alkalmával (τs ), illetve a mozgófázisban való átlagos tartózkodási idejük egy deszorpció és az azt követ˝o adszorpció között (τs ). A kapott eredmények alapján megállapítottam, hogy az egyes ionok lépésszáma csekély eltéréseket mutat, a retenciós viselkedésükben mutatkozó különbségek f˝oként a megköt˝odve eltöltött id˝ok különbségéb˝ol ered. Kiszámoltam az oszlop ioncserél˝o töltetein bekövetkez˝o megköt˝odések gyakoriságát. Következtetésként megállapítottam, hogy a molekulák átlagosan 2-3 ioncserél˝o gyöngyönként köt˝odnek meg vándorlásuk során. Megállapítottam, hogy az egyes mintaionok az oszlop ioncserél˝o helyeinek csak igen kis hányadát használják fel megköt˝odésekre, amíg végighaladnak az oszlopon. Elméleti megfontolások alapján kapcsolatot teremtettem az ionkromatográfiában használatos többszörös eluens/minta retenciós modellel, így nem csak a kromatográfiás csúcs helyét (min˝oségi információ), hanem a csúcs alakját (kinetikai információ) is becsülni képes módszert dolgoztam ki. Így akár a komplex elválasztást igényl˝o környezeti minták elemzése is hatékonyan tervezhet˝o, megfelel˝o felbontás érhet˝o el.

Irodalomjegyzék [1] McNaught, A. D. and Wilkinson, A., Eds., Compendium of Chemical Terminology, International Union of Pure and Applied Chemistry, 2nd ed., 1997. [2] Snyder, L. R. and Kirkland, J. J., Bevezetés az intenzív folyadékkromatográfiába, Muszaki ˝ Könyvkiadó, 1979. [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, 1359. [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., 2006. [7] Felinger, A., Data Analysis and Signal Processing in Chromatography, Vol. 21 of Data Handling in Science and Technology, Elsevier, Amsterdam, 1998. [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, 1965. [11] de Boer, J. H., The Dynamic Character of Adsorption, Oxford Press, London, UK, 1968. [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, 1970. [14] Weiss, J. and Jensen, D., Anal. Bioanal. Chem., 2003, 375, 81–98. [15] Jackson, L. K.; Joyce, R. J.; Laikhtman, M. and Jackson, P. E., J. Chromatogr. A, 1998, 829, 187–192.

91

IRODALOMJEGYZÉK

92

[16] Gade, B., J. Chromatogr., 1993, 640, 227–230. [17] Manning, D. A. C. and Bewsher, A., J. Chromatogr. A, 1997, 770, 202–210. [18] Jackson, P. E., John Wiley & Sons, Chinchester, 2000; pages 2779–2801. [19] MSZ EN ISO 10304-1:1998 – Vízmin˝oség. Az oldott fluorid-, klorid-, nitrit-, bromid-, ortofoszfát-, nitrát- és szulfátanionok meghatározása ionkromatográfiával. 1. rész: Kis szennyezettségu ˝ víz vizsgálata. [20] MSZ EN ISO 10304-2:1999 – Vízmin˝oség. Az oldott anionok meghatározása ionkromatográfiával. 2. rész: Bromid-, klorid-, nitrát-, nitrit-, ortofoszfát- és szulfátion meghatározása szennyvizekben. [21] MSZ EN ISO 10304-3:1999 – Vízmin˝oség. Az oldott anionok meghatározása ionkromatográfiával. 3. rész: Kromát-, jodid-, szulfit-, tiocianát- és tioszulfátion meghatározása. [22] ISO 10304-4:1997 – 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 38709. [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, 260 – 266. [26] Hunter III, E. S.; Blanton, M. R.; Rogers, E. H.; Rogers, E. H.; Mole, M. L. and Chernoff, N., Reprod. Toxycol., 2006, 22, 443 – 448. [27] Sarzanini, C.; Bruzzoniti, M. C. and Mentasti, E., J. Chromatogr. A, 1999, 850, 197–211. [28] Thomas, D. H.; Rohrer, J. S.; Jackson, P. E.; Pak, T. and Scott, J. N., J. Chromatogr. A, 2002, 956, 255–259. [29] Caliamanis, A.; McCormick, M. J. and Carpenter, P. D., J. Chromatogr. A, 2000, 884, 75– 80. [30] Karmarkar, S. V., J. Chromatogr. A, 2002, 956, 229–235. [31] Schnell, S.; Ratering, S. and Jansen, K., Environ. Sci. Technol., 1998, 32, 1530. [32] Frankenberger, W.; Mehra, H. and Gjerde, D., J. Chromatogr., 1990, 504, 211–245.

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, 167–174. [34] Liu, Y. and Mou, S., J. Chromatogr. A, 2003, 997, 225–235. [35] Wendelken, S. C.; Vanatta, L. E.; Coleman, D. E. and Munch, D. J., J. Chromatogr. A, 2006, 1118, 94–99. [36] Lamb, J. D.; Simpson, D.; Jensen, B. D.; Gardner, J. S. and Peterson, Q. P., J. Chromatogr. A, 2006, 1118, 100–105. [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, 61–71. [39] Marton, A., Muszaki ˝ Könyvkiadó, Budapest, 1980; chapter 1. Ioncserél˝ok és muködé˝ sük, pages 9 – 83. [40] Weiss, J., Hanbook of Ion Chromatography, Wiley-VCH, Weinnheim, 3rd ed., 2005. [41] Haddad, P. R. and Jackson, P. E., Ion Chromatography: Principles and Applications, Elsevier, Amsterdam, 1990. [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, 73–88. [45] Woodruff, A.; Pohl, C. A.; Bordunov, A. and Avdaloviˇc, N., J. Chromatogr. A, 2002, 956, 35–41. [46] Vanatta, L. E.; Coleman, D. E. and Woodruff, A., J. Chromatogr. A, 2003, 997, 269–278. [47] Woodruff, A.; Pohl, C. A.; Bordunov, A. and Avdaloviˇc, N., J. Chromatogr. A, 2003, 997, 33–39. [48] Lamb, J. D.; Smith, R. G.; Anderson, R. C. and Mortensen, M. K., J. Chromatogr., 1994, 671, 55–62. [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, 85–93. [50] Clearfield, A., Inorganic Ion Exchange Materials, CRC Press, Boca Raton, FL, 1982. [51] Hajós, P.; Horváth, O. and Denke, V., Anal. Chem., 1995, 67, 434.

IRODALOMJEGYZÉK

94

[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, 2324–2327. [57] Madden, J. E. and Haddad, P. R., Anal. Chem., 2002, 74, 6023. [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, 4466. [66] Hajós, P.; Révész, G.; Sarznini, C.; Sacchero, G. and Mentasti, E., J. Chromatogr., 1993, 640, 15–25. [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, 253–260. [71] Karger, B.; LePage, J. and Tanaka, N., Academic Press, New York, 1980; Vol. 1 of HighPerformance Liquid Chromatography; chapter yy, page 41. [72] Inczédy, J., Folyamatos és automatikus analízis, Muszaki ˝ Könyvkiadó, 1984. [73] Felinger, A., Anal. Chem., 1994, 66, 3066. [74] Neue, U. D., HPLC Columns : Theory, Technology, and Practice, Wiley-VCH, vhol, 1997.

4. A szerz˝ o 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, 103-107, IF: 1.230 2. 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: 3.554 3. 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, 14-19., IF: 0.500 4. 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:10.1016/j.chroma.2007.07.043, IF: 3.554 5. 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 M˝uszaki Tudományos Társaság (EMT) kiadványa, 2002, 104-108. 7. 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, 2382-2387, IF: 5.646

i

4. A szerz˝o tudományos munkássága

ii

4.2. Konferencia el˝ oadások Nemzetközi konferencia el˝ oadások 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, 2001. 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, 2002. szeptember 15-20., 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, 2002. szeptember 15-20., Lipcse 4. K. Horváth, P. Hajós: Equilibrium Based Approach for Matrix Related Problems in Ion Chromatography , , 5th Balaton Symposium on High Performance Separation Methods, 2003. 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, 2003. október 27-29., 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, 2004. 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 Complessit´r con la Complessit´r, 2004. 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, 2004. augusztus 31. - szeptember 3., Balatonfüred

4.2. Konferencia el˝oadások

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, 2004. augusztus 31. - 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, el˝oadás, 17th International Ion Chromatography Symposium, 2004. szeptember 20-23., Trier, Németország 11. É. Szikszay, K. Horváth, P. Hajós: High Performance Cation Chromatography Using Histidine Dipolar Eluent, 17th International Ion Chromatography Symposium, 2004. szeptember 20-23., 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, 2004. október 12-15., 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, 2004. október 12-15., 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), 2005. június 25-30., 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), 2005. június 25-30., 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), 2005. június 25-30., 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, 2005. szeptember 4-7., Rimini, Olaszország


iv

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, 2006. Szeptember 10-15., 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, 2006. szeptember 24-27., 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, 2006. szeptember 24-27., 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, 2006. szeptember 24-27., 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, 2006. Szeptember 27-29., 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), 2007. június 17 - 21., 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), 2007. június 17 - 21., 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), 2007. június 17 - 21., Gent, Belgium 26. K. Horváth, P. Hajós: Peak Shape Analysis of Multiprotic Analytes in Anion Chromatography, 7th Balaton Symposium, 2007. szeptember 5 – 7, Siófok

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, 2007. 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, 2007. szeptember 5 – 7, Siófok

Nemzeti (magyar nyelv˝ u) konferencia el˝ oadások 29. Horváth K., Hajós P.: Mátrixhatás retenciós viszonyainak számítása az anionkromatográfiában, , Elválasztástudományi Vándorgyu ˝ lés 2002, 2002. október 16-18., Lillafüred 30. Horváth K., Hajós P.: Dipoláris ioncsere-kromatográfia alifás monoaminok és kationok elválasztására, , Elválasztástudományi Vándorgy˝ulés 2002, 2002. október 16-18., Lillafüred 31. Hajós P., Horváth K., Szikszay É.: Ion-kromatográfia alkalmazása alifás aminok elválasztására és anionos mátrixhatás vizsgálatára, el˝oadás, VIII. Nemzetközi Vegyészkonferencia, 2002. november 15-17., Kolozsvár 32. Horváth K., Hajós P.: Makrociklikus polimer anioncserél˝ok alkalmazása nagyhatékonyságú ion kromatográfiában, Tavaszi Kromatográfiás Ankét, 2005. február 24., Budapest 33. Horváth K.: Makrociklusos polimer anioncserél˝ok komplex egyensúlyai és alkalmazása haloecetsavak gyors elválasztására, MTA Anyagtudományi Bizottság Ülése - PhD hallgatók anyagtudományi napja VI., 2006. november 14-én, Pannon Egyetem, Veszprém 34. Horváth K., D. Perrachon, Tófalvi R., C. Sarzanini, Hajós P.: Haloecetsavak nagyhatékonyságú ionkromatográfiás elválasztása makrociklikus anioncserél˝on, MKE Centenáriumi Vegyészkonferencia, 2007. május 29. - június 1., Sopron 35. Tófalvi R., R. M. di Carlo, Horváth K., Hajós P.:Komplexképz˝o ligandumok, anionok és kationok szimultán analízise nagyhatékonyságú ionkromatográfiával, MKE Centenáriumi Vegyészkonferencia, 2007. május 29. - június 1., Sopron

4.3. Az eredmények hasznosítása A kutatási eredmények az alábbi projektekben való részvételem során hasznosultak.


vi

1. Gyógyszeripari alapanyag-minták analitikai jellemzése és anyagszerkezetének vizsgálata, 2004. szeptember 2. Primerköri bórsavas hut˝ ˝ oközeg kloridtartalom meghatározási módszerének felülvizsgálata, statisztikai elemzése, 2005.09.09. – 2005.12.21. 3. Szekunderköri lúgos vízüzem kationtartalom meghatározási módszerének felülvizsgálata, statisztikai értékelése, 2006.01.09 – 2006.06.30. 4. Analitikai módszerek kidolgozása és alkalmazása kondenzátor elektrolit-oldatok komponenseinek vizsgálatára, GVOP-3.1.1., 2005.02.01. – 2007.07.31.

4.4. 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, 2003. szeptember 3-5., Siófok 2. "Chromatographia" folyóirat díja fiatal kutatók részére, 2003. szeptember 3. 3. CEEPUS Mobility Grant, 2004. június 20., Bratislava 4. Applied Physical Chemistry Award - Halász Foundation, 2005. június 25., Stockholm 5. PhD Student Award, 19th Annual International Ion Chromatography Symposium, 2006. szeptember 24-27., Pittsburgh, Pennsylvania, USA 6. PhD Student Award, 31th International Symposium on High Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques (HPLC 2007), 2007. június 17 - 21., 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, 2007. szeptember 5 – 7, Siófok

4. Tézispontok Az elmúlt évek során, az ionkromatográfia területén elért eredményeim az alábbiak szerint foglalhatók össze. 1. S ZERVES

ÉS SZERVETLEN ANIONOK RETENCIÓS VISELKEDÉSÉNEK VIZSGÁLATA LATEX AGG -

˝ BÁZISOS ELUENS HASZNÁLATÁVAL . LOMERÁLT PELLIKULÁRIS ANIONCSERÉL ON

(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 jelent˝os hatást gyakorol a mintaionok retenciós viselkedésére (növekv˝o eluens koncentráció csökken˝o retencióhoz vezet), (ii) a szerves és szervetlen anionok retenciós tulajdonságai eltér˝oek, a komponensek egymástól elválaszthatók az alábbi szabályoknak megfelel˝oen, (iii) a monokarbonsavak a dikarbonsavak el˝ott 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 helyzetét˝ol, 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. lg c OH− ) vizsgálata alapján megállapítottam, hogy a „Lineáris oldószerer˝osségi modell” nem érvényes latex agglomerált pellikuláris anioncserél˝ok esetén. 2. S ZERVES

ÉS SZERVETLEN ANIONOK RETENCIÓS VISELKEDÉSÉNEK LEÍRÁSA KÉMIAI EGYEN -

˝ SÚLYOKON ALAPULÓ EGYENLETEKKEL LATEX AGGLOMERÁLT PELLIKULÁRIS ANIONCSERÉL O ESETÉBEN .

R ETENCIÓS ADATOK BECSLÉSE , SZÁMÍTÁSA .

(a) A latex agglomerált pellikuláris anioncserél˝o szerkezetéb˝ol adódóan az állófázist két részre bontottam. A funkciós csoportok egy része töltésegyensúlyban van a latex réteg mögött található negatív töltésu ˝ szulfonált réteggel. Az állófázis felépítésére jellemz˝o állandót, w súlytényez˝ot vezettem be, mely az állófázis töltésegyensúlyban lev˝o funkciós csoportjainak a teljes ioncsere-kapacitáshoz viszonyított arányát mutatja meg.

vii

4. Tézispontok

viii

(b) A vizsgált anionok retenciós viselkedését leíró egyszerusített ˝ egyenletet vezettem le, amelyben a retenciót meghatározó egyensúlyi folyamatokra jellemz˝o, 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 súlytényez˝o hatását vizsgálva anionok retenciós profiljára megállapítottam, hogy a súlytényez˝o maximális értéke (w = 1) esetén a mintaionok retenciós profilja egy platóval kezd˝odik, mely a Langmuir-típusú adszorpciós mechanizmus esetén a retenciós tényez˝ok (k) maximumát mutatja, míg w = 0 esetén, a modell teljesen egyenrangú a lineáris oldószerer˝osségi modellel. 3. E GYSZERESEN

˝ ANIONOK RETENCIÓS VISELKEDÉSÉNEK VIZSGÁLATA N NEGATÍV TÖLTÉS U

DECIL -2.2.2 KRIPTAND

(D222)

MOLEKULÁT TARTALMAZÓ ÁLLÓFÁZISON , BÁZISOS ELUENS

ALKALMAZÁSÁVAL .

(a) Egyszeresen negatív töltésu ˝ anionok (bromát, klorid, nitrit, bromid, nitrát) retenciós viselkedését vizsgálva megállapítottam, hogy NaOH eluens használata esetén a vizsgált ionok retenciós tényez˝oinek 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 különböz˝oek. KOH használatakor a vizsgált eluenskoncentráció tartományban (1 − 100 mM) nincs a retenciós tényez˝oknek maximuma. Mindezekb˝ol az következik, hogy az oszlopban lezajló retenciós folyamatok mintaion függ˝oek és meglehet˝osen komplexek. (b) Megállapítottam, hogy azonos koncentrációjú NaOH eluens használata esetén a vizsgált anionok retenciós tényez˝oje kisebb, mint KOH használatakor. Mindez a Na+ és K+ ionok kriptand molekulával képzett komplex stabilitási állandójának különbsége folytán kialakuló eltér˝o ioncsere-kapacitással magyarázható. Ennek köszönhet˝oen, a mintaionok retenciós tulajdonságaitól függ˝oen, az eluens típusának és koncentrációjának megválasztásával oszlop ioncsere kapacitása az optimális értékre beállítható. 4. E GYSZERESEN

˝ ANIONOK RETENCIÓS VISELKEDÉSÉNEK LEÍRÁSA KÉMIAI NEGATÍV TÖLTÉS U

EGYENSÚLYOKON ALAPULÓ EGYENLETEKKEL MAZÓ ÁLLÓFÁZIS ESETÉBEN .

D222

MAKROCIKLIKUS MOLEKULÁT TARTAL -

R ETENCIÓS ADATOK SZÁMÍTÁSA .

(a) Retenciós egyenletet vezettem le egyszeresen negatív töltésu ˝ anionok D222 molekulát tartalmazó állófázison történ˝o viselkedésének leírására, figyelembe véve a kriptand molekula protonálódását, pozitív töltésu ˝ funkciós csoportként viselked˝o alkálifém-kriptát komplex kialakulását, az így kialakult komplexen az anionok és az

ix

eluens ionok megköt˝odését, ill. az ezek között kialakuló ioncserét. Kísérleti adatbázis alapján, iterációs úton meghatároztam a retenciós modellben szerepl˝o 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. El˝obbi esetben 3,78 × 10−4 M, utóbbi esetben 6,73 × 10−5 M eluenskoncentrációnál figyelhet˝o meg. A KOH eluens használata esetén az oszlopon található funkciós csoportok száma minden esetben nagyobb, mint NaOH esetén. Ez a különbség 4,31 × 10−4 M eluenskoncentráció értéknél a legnagyobb (2,5-szeres). (c) Az ionpárképz˝odési állandók értékének nagyságrendjét vizsgálva megállapítható, hogy a K+ -kriptát funkciós csoportok er˝os anioncserél˝onek, míg a Na+ -kriptát funkciós csoportok gyenge, a protonált kriptand molekulák pedig nagyon gyenge anioncserél˝onek tekinthet˝ok. Ezek az állófázisok el˝onyösen 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 történ˝o átlagos tartózkodási ideje egy-egy megköt˝odés alkalmával (τs ), illetve a mozgófázisban való átlagos tartózkodási idejük egy deszorpció és az azt követ˝o adszorpció között (τs 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 f˝oként a megköt˝odve eltöltött id˝ok különbségéb˝ol erednek. (b) A meghatározott valószínuségi ˝ paraméterek alapján kiszámoltam az oszlop ioncserél˝o töltetein bekövetkez˝o megköt˝odések gyakoriságát. Következtetésként megállapítottam, hogy az oszlop egy miliméterére vonatkoztatva a molekulák átlagosan 30–80 alkalommal köt˝odnek meg az állófázison, és egy-egy megköt˝odés alkalmával várhatóan 10–200 msec id˝ot töltenek el ott. A megköt˝odési gyakoriságuk els˝osorban a pH függvénye, az eluenskoncentráció kevésbé befolyásolja. Megállapítottam, hogy az egyes mintaionok az oszlop ioncserél˝o helyeinek csak igen kis hányadát használják

x

4. Tézispontok

fel. Az eredményeket összehasonlítva az RP-HPLC-ben jellemz˝o értékekkel megállapítható, hogy a megköt˝odések számának várható értéke jóval nagyobb (2 − 3×), a tartózkodási id˝oké 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 eltér˝o ellenállásából és a mintakomponensek megköt˝odési-entalpia változásának különbségéb˝ol 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 (min˝oségi információ), hanem a csúcs alakját (kinetikai információ) is becsülni képes módszert adok meg az analitikai elválasztások céljára. Így akár a komplex elválasztást igényl˝o környezeti minták elemzése is hatékonyan tervezhet˝o, megfelel˝o felbontás érhet˝o el.

4. Theses The main results of dissertation are summarized in the following thesis points. 1. I NVESTIGATION 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. lg c 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. D ESCRIPTION

OF THE BEHAVIOUR OF ORGANIC AND INORGANIC ANIONS ON LATEX -

AGGLOMERATED ANION EXCHANGERS .

E STIMATION 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

4. Theses

xii

(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. I NVESTIGATION OF THE RETENTION BEHAVIOR OF MONOVALENT ANIONS ON MACROCYCLE BASED ANION EXCHANGER USING

N A OH 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 − 4 mM 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. D ESCRIPTION OF ION CHROMATOGRAPHIC RETENTION MECHANISM OF INORGANIC ANIONS ON MACROCYCLE BASED STATIONARY PHASE .

P REDICTION 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 3,78 × 10−4 M (NaOH) and 6,73×10−5 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 4,31 × 10−4 M eluent concentration (2.5×).

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. I NVESTIGATION

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 (τs ) 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 τs , 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 30–80 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.

Köszönetnyilvánítás Köszönettel tartozom témavezet˝omnek, 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

KÉMIAI EGYENSÚLYI ÉS KINETIKAI KÖLCSÖNHATÁSOK

Recommend Documents