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

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

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

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

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

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

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

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

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

Див. також

• Афінна хроматографія
• Іонообмінні смоли

Джерела

• 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

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