Іонообмінна хроматографія

Іо́нообмі́нна хроматогра́фія (англ. ion-exchange chromatography, IEC) — метод рідинної хроматографії, який базується на різній здатності розділюваних іонів до іонного обміну з нерухомою фазою (іонітом). В залежності від спорідненості до нерухомої фази розділювані іони рухаються із різною швидкістю: чим вища спорідненість, тим більша взаємодія частинок і менша швидкість.

Перші дані про застосування іонообмінної хроматографії датуються 1850 роком. Із введенням у 1970-х роках деяких модифікацій цей метод розвинувся до іонної хроматографії.

Іонообмінний механізм ред.

Іонообмінна хроматографія розроблена для розділення різним чином заряджених чи поляризованих сполук між рухомою та нерухомою фазами. Рухома фаза зазвичай є водним буфером, в якому розчиняються вихідні речовини, а нерухома — органічною матрицею із хімічно закріпленими функціональними іонізованими групами, котрі містять протилежно заряджені замінні іони. До замінних іонів належать протони H⁺, гідроксильні групи OH^-, однозаряджені іони металів, двозаряджені моноатомні іони (Ca²⁺, Mg²⁺), поліатомні неорганічні іони (SO₄^2-, PO₄^3-), а також органічні основи (NR₂H⁺) і кислоти (RCOO^-).

Розділення відбувається на основі зв'язування розділюваних іонів аналіту з протиіонами, що знаходяться на нерухомій фазі:

\mathrm {R{-}X^{-}Cat^{+}+M^{+}\longrightarrow R{-}X^{-}M^{+}+Cat^{+}}

\mathrm {R{-}X^{+}An^{-}+M^{-}\longrightarrow R{-}X^{+}M^{-}+An^{-}}

,

де R — нерухома фаза;

XCat, XAn — закріплені функціональні групи, що дисоціюють із утворенням іонів;

М — розділюваний іон.

Для розділення суміші катіонів використовують відповідно катіоніти, а для суміші аніонів — аніоніти.

Нерухома фаза ред.

Колонка з іонітом

В іонообмінній хроматографії колонки зазвичай наповнені кополімерами стирену і дивінілбензену, із ковалентно приєднаними функціональними групами. Як модифікація були запропоновані сферичні пористі частинки полімерів (розміром 30—40 мкм) або смоли, вкриті шаром пористого силікагелю.

В залежності від типів розділюваних іонів застосовують різні смоли:

Тип	Функціональні групи	pH	Приклади
Сильнокислотні катіонообмінники	сульфонові кислоти	4—13	-SO₃^-, -CH₂CH₂SO₃^-
Слабкокислотні катіонообмінники	карбонові кислоти	6—10	-COO^-, -CH₂COO^-
Сильнолужні аніонообмінники	четвертинні аміни	2—12	-CH₂N(CH₃)₃⁺, -CH₂CH₂N(CH₂CH₃)₃⁺
Слабколужні аніонообмінники	аміни	2—9	-NH₃⁺, -CH₂CH₂NH(CH₂CH₃)₂⁺

Спорідненість аніонів до сильнолужних аніонітів зменшується зі зменшенням їхньої поляризованості:

SO₄^2– > I^– > HSO₄^– > NO₃^– > Br^– > NO₂^– > Cl^– > HCO₃^– > CH₃COO^– > OH^– > F^–

Спорідненість катіонів до типових сильнокислотних катіонообмінних смол знижується зі збільшенням радіусу їхніх гідратів та зменшенням заряду:

Ce⁴⁺ > Al³⁺ > Ba²⁺ > Pb²⁺ > Ca²⁺ > Ni²⁺ > Cd²⁺ > Cu²⁺ > Co²⁺ > Zn²⁺ > Mg²⁺ > Ag⁺ > K⁺ > NH₄⁺ > Na⁺ > H⁺ > Li⁺

У випадку розділювання металів, що близькі за своїми властивостями (наприклад, лантаноїдів), застосовують комплексоутворювачі (наприклад, ЕДТА, лимонну кислоту). В цьому випадку взаємодія комплексу з іонітом визначатиметься ступенем зв'язування металу з лігандами і загальним зарядом комплексу.

Рухома фаза ред.

Рухомою фазою в іонообмінній хроматографії зазвичай є водний буфер, іонний склад та pH якого підбирають, виходячи з бажаного часу утримування. Для розділюваних катіонів рухома фаза (елюент) — це розчини кислот, для аніонів — розчини лугів.

У деяких випадках, зокрема, для іонів з високою спорідненістю, застосовується елюент, іонна сила (або pH) якого збільшується у часі. Це дозволяє досягнути ефективнішого заміщення іонів, що взаємодіють з іонообмінними смолами.

Детектування і модифікації методу ред.

Найпоширенішим детектором іонів на виході з колонки є кондуктометричний, що реєструє електропровідність розчину при проходженні повз нього іонів. Однак при високій іонній силі елюенту детектор втрачає свою чутливість.

Використання пригнічувальної колонки ред.

Порівняння хроматограмм без супресора Na₂CO₃ (вгорі) та з його використанням (внизу).
Сигнали при виході: флуоридів (1), хлоридів (2), нітратів (3), фосфатів (4), сульфатів (5) в залежності від часу утримування (хв)

Модифікацією методу детекції стало розміщення між колонкою та детектором другої, пригнічувальної колонки (супресора), яка селективно видаляє з розчину іони елюенту, залишаючи розділювані іони. Наприклад, при використанні як елюенту хлоридної кислоти, в розчині знаходитимуться іони H⁺ та Cl^-, які видаляються смолою із закріпленими гідроксильними групами:

\mathrm {H^{+}+Cl^{-}+R{-}OH\longrightarrow R{-}Cl+H_{2}O}

Або для елюенту гідрокарбонату натрію:

\mathrm {2Na^{+}+CO_{3}^{-}+2R{-}H\longrightarrow 2R{-}Na+H_{2}CO_{3}}

Недоліком пригнічувальної колонки є те, що після певного часу роботи ємність знижується і її необхідно замінювати. В сучасних приладах використовуються мембранні пригнічувачі, котрі регенеруються безпосередньо під час роботи.

Одноколонкова іонна хроматографія ред.

У випадку, якщо електропровідність рухомої фази є малою, достатнім для детекції є використання лише однієї колонки. У цьому випадку застосовують іонообмінники малої ємності. До елюентів з малою електропровідністю належать розчини слабких органічних кислот: фталевої, бензойної, саліцилової тощо.

Такий метод застосовується при визначенні іоногенних речовин, наприклад, амінокислот. Проте його чутливість є нижчою, ніж у двоколонковому варіанті.

Фотометричне детектування ред.

Необхідність застосування двоколонкового методу також відсутня при визначенні сполук, що поглинають видиме чи ультрафіолетове випромінювання (такими зазвичай є органічні сполуки). Для цього застосовують відповідні фотометри. Також можливе зворотнє застосування фотометру: детектування сполук, які не поглинають випромінювання, із рухомою фазою, що поглинає. В такому випадку при проходженні повз детектор досліджувані іони будуть знижувати поглинання розчину, що вимірюватиметься детектором.

Застосування ред.

Іонообмінна хроматографія широко використовується для розділювання фенолів та карбонових кислот, а також біологічних сполук: аміноцукрів, нуклеотидів, нуклеозидів, пуринових і піримідинових основ тощо.

Див. також ред.

Вікісховище має мультимедійні дані за темою: Іонообмінна хроматографія

Джерела ред.

Lunn, G. Chromatography // Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. — 4th. — New York : John Wiley & Sons, 2004. — Vol. 6. — ISBN 978-0-471-48517-9. — DOI:10.1002/0471238961.0308181512211414.a01. (англ.)
Acikara, Özlem B. Ion-Exchange Chromatography and Its Applications // Column Chromatography / Dean F. Martin, Barbara B. Martin, editor. — InTech, 2013. — 218 p. — ISBN 978-953-51-1074-3. — DOI:10.5772/47823. (англ.)
Harvey, D. Modern analytical chemistry. — The McGraw-Hill, 2000. — P. 590—593. — ISBN 0-07-116953-9. (англ.)
Отто М. Современные методы аналитической химии / Пер. с нем. под ред. А. В. Гармаша. — М. : Техносфера, 2004. — Т. 2. — С. 70—74. — ISBN 5-94836-017-2. (рос.)
Химический энциклопедический словарь / Под ред. И. Л. Кнунянц. — М. : Сов. энциклопедия, 1983. — 792 с. (рос.)

Посилання ред.

ІОНООБМІННА ХРОМАТОГРАФІЯ [Архівовано 3 серпня 2016 у Wayback Machine.] //Фармацевтична енциклопедія