Chromatografia jonowa

• Chromatografia jonowa to odmiana techniki wysokosprawnej chromatografii cieczowej
• stosowana do rozdzielania składników próbek występujących w badanych roztworach w postaci jonów
• Wysokociśnieniowa pompa tłoczy umieszczony w zbiorniku eluent przez przedkolumnę do kolumny analitycznej
• W kolumnie analitycznej następuje rozdzielenie składników próbki, wynikające z ich różnego powinowactwa do fazy stacjonarnej.
• W konsekwencji zachodzących procesów fizykochemicznych oznaczane składniki opuszczają kolumnę w różnych czasach retencji, a ich sygnały są rejestrowane. 
• Schemat blokowy chromatografu jonowego

  A)

  B)

  C)

  D)

  E)

  F)

  G)

  H)

  
• Rozdzielenie w chromatografii jonowej obejmuje 3 zasadnicze mechanizmy oddziaływania składników fazy ruchomej z fazą stacjonarną:

  • wymianę jonową (IC)
  • oddziaływanie par jonowych obecnych w fazie ruchomej lub tworzonych w wyniku oddziaływania jonów fazy ruchomej z przeciwjonami fazy stacjonarnej (chromatografia par jonowych IPD)
  • wykluczanie jonowe (chromatografia wykluczania jonowego IEC)
• Chromatografia jonowa z detekcją konduktometryczną, w układzie z tłumieniem lub bez tłumienia przewodnictwa eluentu, jest stosunkowo najczęściej wykorzystywana w badaniach anionowego składu różnorodnych materiałów.
• W odmianie chromatografii z detekcją konduktometryczną i chemiczną supresją eluat trafia do supresora, w którym jest znacząco zmniejszana przewodność elektryczna eluentu.
• Do detektora docierają analizy, których przewodność elektryczna na tle obniżonej przewodności elektrycznej eluentu jest duża. Sygnały z detektora są rejestrowane w postaci pików chromatograficznych
• W odmianie chromatografii bez tłumienia przewodności (detekcja konduktometryczna) stosuje się tak dobrane eluenty, by ich przewodność była odpowiednio mała i nie zakłócała identyfikacji i oznaczania jonów badanej próbki
• Wymieniacze jonowe (jonity, żywice jonowymienne) stosowane w chromatografii jonowej to wielkocząsteczkowe ciała stałe o usieciowanej przestrzennej strukturze, stanowiące rdzeń jonitu, nierozpuszczalne w wodzie i w innych rozpuszczalnikach, na powierzchni których znajdują się grupy funkcyjne o określonym składzie i ładunku zdolne do oddziaływania z jonami badanych roztworów.
• Kopolimery styrenu i diwinylobenzenu (PS/DVB), kopolimery etylenodiwinylobenzenu i diwinylobenzenu, polimery metakrylanowe i winylowe oraz krzemionka są najczęściej stosowanymi nośnikami grup funkcyjnych w kolumnach jonitowych
• Stopień usieciowania jonitu (ilość DVB w kopolimerze) wpływa na porowatość jonitu
• Matryca (rdzeń jonitu) grup funkcyjnych wywiera wpływ na efektywność procesu rozdzielania, większy dla jonów organicznych w porównaniu z nieorganicznymi.
• Kolejność wymywania kationów i anionów

  A)

  B)

  C)

  D)

  E)

  F)

  G)

  H)

  I)

  J)

  K)

  L)

  M)

  N)

  O)

  P)

  
• Wielkość ładunku i promień jonu analitu wpływa na siłę jego oddziaływania z fazą stacjonarną. 
• Jony o większych ładunkach, większych promieniach jonowych i bardziej spolaryzowane są zatrzymywane dłużej w kolumnie.
• Rodzaj grup funkcyjnych oddziaływających z jonami obecnymi w fazie ruchomej decyduje o podziale jonitów na kationity (zdolne do oddziaływania z kationami) i anionity
• Grupy funkcyjne żywic kationowymiennych mają charakter kwasowy, a ulegając jonizacji, mogą wymieniać uwolniony jon H+ na inne kationy z roztworu
• Najczęściej stosowanymi grupami funkcyjnymi w kationitach są grupy: sulfonowe -SO3H, karboksylowe, aminodioctowe -N(CH2COOH)2, fenolowe -C6H4OH, fosfonowe -PO3H3, i fosfinowe -PO2H. Grupy funkcyjne żywic anionowymiennych mają charakter zasadowy i są to najczęściej 4 rzędowe grupy amoniowe -NR3+, 3 i 2 rzędowe protonowane aminy -NR2H+, -NRH2+ oraz grupy sulfoniowe -SR2+. 
• Chemiczny charakter eluentu powinien być możliwie najbardziej zbliżony do oznaczanych składników badanego roztworu (jony eluentu stanowią przeciwjony aktywnych składników badanego roztworu z którymi rywalizują jony analitów)
• W układach bez supresji chemicznej mogą być stosowane wszystkie metody detekcji dostępne w technice chromatografii cieczowej z uwzględnieniem wymogu niezakłócania pomiaru sygnałów analitów przez składniki eluentu, np. znaczącej absorpcji promieniowania elektromagnetycznego w zakresie charakterystycznej absorpcji anolitów oznaczanych metodami spektrofotometrycznymi. 
• W przypadku detektora konduktometrycznego eluent powinien charakteryzować się małą przewodnością, znacząco różną od przewodności oznaczanych składników próbki. Np. roztwory soli organicznych kwasów np. benzoesowego, ftalowego, sulfanilowego, cytrynowego i salicylowego dla analizy anionowej. W oznaczaniu kationów są stosowane kwasy nieorganiczne np. HNO3 z dodatkiem kwasów organicznych, np. szczawiowego, cytrynowego, winowego.
• Do oznaczania anionów w układach z tłumieniem przewodnictwa (detekcja konduktometryczna) eluentami są na ogół sole słabych kwasów, często węglanu sodu (Na2CO3, duża siła elucji), wodorowęglanu sodu (NaHCO3, mała siła elucji) lub ich mieszaniny, które są przekształcane w procesie supresji w słaby kwas węglowy dysocjujący w wodzie w niewielkim stopniu i wnoszący niewielki wkład do sumarycznego przewodnictwa badanego roztworu.
• Jako eluenty są stosowane także wodorotlenki alkaliczne (NaOH, KOH - mała siła elucji), sól sodowa kwasu borowego (Na2B4O7, słaby eluent) i pochodne związków organicznych i ich mieszaniny z wodorotlenkami alkalicznymi. 
• W analizie kationowej eluentami są zazwyczaj kwasy mineralne, np. HCl i HNO3, przekształcane w procesie supresji w wodę (reakcja z jonami OH- uwalnianymi z wypełnienia supresora w wyniku wymiany z anionami reszt kwasowych).
• Niezależnie od doboru składu eluentu w celu zapewnienia optymalnych warunków rozdzielenia i detekcji analitów parametrem limitującym jakość uzyskiwanych wyników jest stopień czystości wody użytej zarówno do przygotowania roztworu eluentu jak i stosowanych innych roztworów, w tym roztworów wzorców i badanych próbek, a także odpowiedni czystość używanych naczyń
• W oznaczeniach IC używa się wody dejonizowanej o określonej, wymaganej oporności, zwykle powyżej 18,2.
• Supresor stanowi ważny element chromatografu jonowego z detektorem konduktometrycznym, w którym składniki eluentu, np. węglan i wodorowęglan sodu w analizie anionowej, są przekształcane w słabo zdysocjowany kwas węglowy o znacząco mniejszym w porównaniu ze składnikami eluentu przewodnictwie (stąd nazwa supresja), przy jednoczesnym przekształceniu oznaczanych anionów w dobrze zdysocjowane nieorganiczne kwasy.
• Rezultatem supresji jest zróżnicowanie przewodności eluentu i oznaczanych anionów a w konsekwencji zwiększenie czułości detekcji konduktometrycznej.
• Proces supresji (reakcji z jonami H+) przebiega na kolumnie jonitowej (kationicie) pełniącej rolę supresora.
• W przypadku oznaczania kationów rolę supresora pełni kolumna anionitowa (z jonami OH-), w której eluenty (zwykle mocne nieorganiczne kwasy) ulegają zobojętnieniu, a oznaczone kationy przechodzą w dobrze zdysocjowane wodorotlenki
• Supresja w przypadku oznaczania kationów nie prowadzi do znaczącego zwiększenia czułości oznaczania.
• Supresory w analizie

  A)

  B)

  
• Detektory stosowane w technikach chromatograficznych powinny charakteryzować się:

  • dużą czułością (stosunkiem zmiany wielkości rejestrowanego sygnału do zmiany stężenia analitu)
  • wykrywalnością (możliwie największa wartość sygnału w stosowanych warunkach)
  • proporcjonalnością wielkości mierzonego sygnału do stężenia analitu
  • krótkim czasem odpowiedzi
  • niskimi szumami tła.
• Detektory stosowane w technice IC odpowiadają klasycznym detektorom stosowanym w chromatografii cieczowej. 
• Są to detektory: elektrochemiczne (konduktometryczne, amperometryczne, kulometryczne i potencjometryczne), spektroskopowe (cząsteczkowe (UV-Vis, spektrofluorymetryczne, spektrometrii mas) i atomowe (absorpcji atomowej, optycznej emisji atomowej, indukcyjnie sprzężonej plazmy ze spektrometrią mas)
• Detektory konduktometryczne oparte o pomiar przewodnictwa roztworów elektrolitów należą do najczęściej stosowanych w chromatografiach jonowych. W zakresie małych stężeń przewodnictwo właściwe składników jonowych roztworu jest liniową funkcją ich stężenia.
• Nieselektywność detekcji konduktometrycznej wymaga starannego oddzielenia sygnału analitu od innych jonów obecnych w roztworze i wyraźnej odpowiedzi detektora na zmianę przewodnictwa eluatu w stosunku do przewodnictwa eluentu powodowanego obecnością oznaczanego jonu (sygnały analitów są rejestrowane na tle przewodnictwa eluentu (linii bazowej))