microbik.ru
1 2 3
Определение фенолкарбоновых кислот по методу ионоэксклюзионной хроматографии.
1. Введение.
Среди новых методов анализа значительное место заняла ионоэксклюзионная хроматография (ИЭХ). Этот метод сравнительно новый, но очень эффективный, в сравнении с ионной хроматографией. К его преимуществам можно отнести возможность достаточного быстрого и высокоселективного определения соединений различных классов, как в природных, так и в технологических объектах исследования. В последнее время всё чаще требуется определять фенолкарбоновые кислоты (ФКК) в природных, пищевых и промышленных объектах. Эти кислоты широко распространены в природе. Они встречаются в коре деревьев, листьях растений, соках фруктовых и овощных культур. Зная состав и концентрацию этих веществ в исследуемых объектах, можно судить о качестве и происхождении последних. Целью данной работы является нахождение оптимальных условий определения ФКК, определение закономерностей порядка выхода замещённых миндальных кислот и применение метода ИЭХ для анализа реальных объектов.
2.Литературный обзор.
Прежде чем перейти к рассмотрению метода ИЭХ, рассмотрим ионную хроматографию (ИХ), которая является родоначальником этого метода.

2.1.Основы ионной хроматографии.

Ионообменная хроматография - это метод разделения веществ по их способности мигрировать по ионообменной колонке или по пластине, покрытой ионообменником. Ионы разделяются в результате ионообменных реакций, характерных для каждого типа ионов.[1] “Высокоэффективное” разделение достигается при использовании колонок сравнительно небольшого диаметра, заполненых однородными мелкими частицами сорбента, введении проб малого объёма, постоянном потоке элюента (подаваемого насосом) и автоматическом детектировании разделённых компонентов пробы. В 1975 году Смолл, Стивенс и Бауман предложили использовать автоматическое кондуктометрическое детектирование.

Существуют два основных метода ионной хроматографии с кондуктометрическим детектированием. Первый из них был предложен Смоллом и сотрудниками и представляет собой двухколоночный метод. Второй, разработанный Гьеде, Фритцем и Шмуклером, является одноколоночным. Тщательный подбор разделяющей колонки и элюентов позволяет исключить компенсационную колонку. В обоих вариантах ионной хроматографии генерируется фоновый сигнал, который необходимо компенсировать электрически.

Для современной ионной хроматографии используются смолы с постоянным размером частиц в пределах 5-50мкм. Ионообменники представляют собой либо органические смолы с частицами сферической формы, либо пористый силикагель, с которым химически связана ионообменная фаза.

Колонки имеют длину 250-1000мм и внутренний диаметр 5-2мм. Для уменьшения размывания пиков в современных системах применяют соединительные трубки малого диаметра (0,3мм). В высокоэффективной хроматографии объём пробы невелик (10-100мкл). Это позволяет получить гораздо более узкие пики и улучшить качество разделения.

Наиболее важным аспектом современной ионообменной хроматографии является применение систем автоматического детектирования, обеспечивающих непрерывную запись сигнала самописцем. В настоящее время датчиками для ионообменной хроматографии являются спектрофотометрические, электрохимические детекторы и детекторы электропроводности.

2.1.1. Детекторы:

Для регистрации ионообменного разделения наиболее распространён кондуктометрический способ детектирования. Кондуктометрические детекторы измеряют проводимость раствора. Проводимость измеряется в обратных омах (Ом-1), и она пропорциональна числу ионов в растворе и их подвижности, причём каждый ион имеет присущую только ему подвижность. Детекторы обеспечивают непрерывную регистрацию концентрации анализируемых ионов в элюате в присутствии ионов элюента. Причём, детектор должен быть согласован как с элюентом, так и с анализируемыми ионами, то есть он должен реагировать на анализируемые ионы, но не на ионы элюента. Кондуктометрические детекторы относятся к универсальным, то есть они реагируют на все ионы, находящиеся в растворе. В основу этих детекторов положены следующие закономерности:

Электропроводность- способность раствора электролита проводить электрический ток между двумя электродами, к которым приложено электрическое напряжение.

Этот процесс подчиняется закону Ома: U=I*R, согласно которому ток пропорционален приложенному напряжению. Электропроводность раствора есть величина, обратная его сопротивлению, и измеряется в обратных омах.(G=1/R)

Удельная проводимость есть: k=(G*l)/A, где A-площадь электродов (см2), а l-расстояние между электродами. Поэтому k имеет размерность (Ом-1*см-1).

Величина K, называемая постоянной ячейки, выражается следующим соотношением: K=/A. Из двух предыдущих выражений следует, что k=G*K. (I) Величина , называемая эквивалентной электропроводностью, связывается с концентрацией вещества в растворе и выражается как =(1000*k)/C (II), где C-концентрация в эквивалентах на 1000см3. Комбинация уравнений (I) и (II) даёт выражение, которое связывает эквивалентную электропроводность с измеряемой электропроводностью: G=(*C)/(1000*K) (III).

Детектор электропроводности состоит из ячейки, в которую подаётся анализируемый раствор, индикатора и электрической схемы для измерения проводимости и изменения чувствительности. Индикатор градуируется в Ом-1 или мкОм-1. Удельную электропроводность можно вычислить, если известны параметры ячейки. Однако на практике измеряют проводимость разбавленного раствора с известной удельной электропроводностью и вычисляют постоянную ячейки по уравнению. И, если постоянная ячейки известна. То, измерив G, можно рассчитать удельную электропроводность других растворов. По табличным значениям и уравнению (III) для кондуктометрического детектора с известной постоянной ячейки можно вычислить электропроводность различных растворов с заданной концентрацией.

Принцип работы ячейки:

Если к двум электродам, находящимся в растворе электролита, приложено электрическое напряжение, то анионы в растворе будут двигаться к аноду, а катионы - к катоду. Число ионов и скорость их движения будет определяться электропроводностью раствора. Подвижность ионов зависит от заряда и размера иона, температуры, типа среды и концентрации ионов. Скорость движения ионов зависит от величины приложенного напряжения, которое в свою очередь может быть постоянным, либо переменным синусоидальной или прямоугольной импульсной формы. Поведение ионов может вызвать изменение эффективного приложенного напряжения. Помимо электролитического сопротивления, может появляться емкостное сопротивление двойного слоя, или фарадеев импеданс. Влияние этих электродных процессов можно устранить путём подачи на электроды переменного напряжения. При изменении знака приложенного напряжения меняются характер электролиза, направление перемещения ионов и характер образования емкостного сопротивления. По мере увеличения частоты влияние электролиза снижается или совсем устраняется и ток в растворе определяется емкостным сопротивлением. Верхний предел частот соответствует примерно 1МГц. На электроды ячеек некоторых детекторов подают напряжение синусоидальной формы частотой 10-10000 Гц. Детектор фирмы Wescan, например, работает на частоте 10кГц при напряжении 20 В [1]. В этом устройстве используется фазочувствительное детектирование, то есть измеряется только та составляющая тока, которая находится в фазе с приложенным напряжением. В других детекторах используется метод биполярной импульсной проводимости [1]. Этот метод состоит в последовательной подаче на ячейку двух импульсов напряжения малой длительности. Импульсы имеют противоположную полярность, но одинаковы по амплитуде и длительности. Ток в ячейке измеряют сразу же по окончании второго импульса и определяют сопротивление ячейки, исходя из закона Ома. Этот импульсный способ питания предотвращает электролиз. Так как при биполярном импульсном питании в ячейке измеряют величину мгновенного тока, то емкостное сопротивление не оказывает влияния на измерения, и этот метод позволяет точно определить сопротивление ячейки.

В первых кондуктометрах применялись платиновые электроды, покрытые платиновой чернью. Эти электроды имеют низкое сопротивление поляризации и высокую емкость. Но поток жидкости смывает покрытие с электродов и изменяет их характеристики. В ячейках современных детекторов используют электроды из нержавеющей стали, марки 316. Для “дезактивации” новой ячейки её промывают 50%-ным раствором HNO3. Так как подвижность ионов меняется с температурой, то электропроводность большинства растворов ионов возрастает примерно на 2% при увеличении температуры на 1 С. Поэтому ячейку детектора нужно изолировать, чтобы предотвратить случайные колебания её температуры. Все кондуктометрические детекторы должны включать какие-либо средства компенсации фонового сигнала, который может на три порядка величины превышать сигнал от образца.
2.1.2.Разделение анионов методом одноколоночной ИХ.

Для большого числа ионов одноколоночный метод обладает высокой чувствительностью и хорошей разделительной способностью. Анионы можно разделить на хроматографической колонке и регистрировать детектором электропроводности, если воспользоваться анионообменной смолой с малой емкостью и эффективным элюентом с низкой электропроводностью. Вторую колонку для “компенсации” фоновой проводимости элюента применять не нужно. Несомненным достоинством одноколоночной системы является тот факт, что, детектор электропроводности подключён непосредственно к анионообменной разделяющей колонке. Это возможно лишь в случае очень низкой концентрации солей в элюенте, а, следовательно, и низкой фоновой проводимости. Однако обычные ионообменные смолы содержат много обмениваемых групп, и для хроматографического разделения анализируемых ионов требуется применять элюент с высокой концентрацией солей. Обменную ёмкость смолы можно изменить, если реакцию присоединения функциональных групп проводить в очень мягких условиях и сократить время взаимодействия. Гьерде и Фритц [4] приготовили несколько ионообменных смол с различной низкой ёмкостью. И ими было обнаружено, что для каждого из трёх исследуемых сочетаний анионов коэффициент селективности оставался неизменным, хотя ёмкость смолы менялась. Этот факт имеет важные следствия для ионообменной хроматографии. Так, существенное снижение ёмкости смолы позволит значительно снизить концентрацию элюента, сохранив исправленное время удерживания неизменным.

В конце 1978 года была разработана простая хроматографическая методика разделения ионов при помощи анионообменной колонки, присоединяющейся непосредственно к детектору электропроводности. Компенсационная колонка не требовалась. В этой схеме были применены два новшества:

  1. специальные ионообменные смолы очень малой ёмкостью

  2. элюент, обладающий очень низкой электропроводностью

Также, был проведён отбор такого элюента, анион которого сильно удерживается смолой и поэтому даёт малый коэффициент селективности. Данную схему называют “одноколоночной “ ионной” (анионной) хроматографической схемой. На рисунке 1. представлена блок-схема одноколоночного ионного хроматографа.

Рис.1.




Ёмкость для насос ввод колонка детектор самописец

элюента пробы






слив

Он включает в себя следующие компоненты:

  1. насос для подачи элюента через пробоотборную петлю, колонку и кондуктометрическую ячейку со скоростью 0.5-2.0 мл/мин;

  2. кран для ввода пробы и пробоотборную петля, позволяющую вводить пробу обьёмом 100 мкл;

  3. разделяющую колонку в внутренним диаметром 2.0-3.0 мм и длиной 500 мм, заполненную однородными мелкими частицами анионообменной смолы;

  4. проточную кондуктометрическую ячейку, являющуюся частью детектора электропроводности, для непрерывной регистрации проводимости элюата;

  5. самописец для регистрации выходного сигнала детектора электропроводности.


Одноколоночный метод позволяет осуществить быстрое разделение анионов, причём отсутствие компенсационной колонки никогда не затрудняет анализа. Перед проведением серии анализов выбранный элюент пропускают через анионообменную колонку, пока в ней не установиться равновесие, при котором центры обмена смолы преимущественно будут содержать анионы элюента. При введении образца, в состав которого входят различные анионы, анализируемые анионы будут удерживаться смолой и на эквивалентное количество анионов элюента. В отсутствие перемешивания зона, соответствующая введённому объёму образца, движется вдоль разделяющей колонки со скоростью, равной скорости потока элюента. В этой зоне движутся катионы исходного образца и анионы элюента в концентрации, эквивалентной концентрации анионов в образце. Если электропроводность катионов и анионов в этой зоне больше, чем электропроводность элюента, то при прохождении через детектор электропроводности будет наблюдаться положительный ложный пик. Однако если электропроводность ионов в зоне ниже проводимости элюента, то появиться отрицательный ложный пик. Этот ложный пик не мешает анализу, если элюирование анализируемых анионов происходит после прохождения этого пика. После того как зона, соответствующая объёму пробы, проходит через детектор, нулевая линия быстро восстанавливается до уровня, соответствующего чистому элюенту. Однако растворённые анионы, движимые силами действующих масс элюирующих анионов, смещающих ионообменное равновесие, постепенно перемещаются по колонке. Общая концентрация катионов в растворе определяется концентрацией анионов элюента, поскольку анализируемый анион может перейти в жидкую фазу лишь в результате обмена на эквивалентное количество анионов элюента. Изменение электропроводности при прохождении полосы ионов образца через детектор связано с замещением некоторого количества элюирующих анионов анализируемыми анонами, в то время как суммарная концентрация анионов не меняется. Это изменение прямо пропорционально концентрации анионов данного типа в образце и разнице в эквивалентной электропроводности элюируемого и элюирующего аниона.

2.2.Ионоэксклюзионная хроматография.
2.2.1.Принцип метода.


следующая страница >>