MONOGRAFIA Praktyczna chromatografia jonowa

Praktyczna Chromatografia Jonowa
Praktyczna chromatografia
jonowa
Wstęp
MONOGRAFIA

Praktyczna chromatografia jonowa
Wstę p
Inż. Claudia Eith
Prof. Dr Maximilian Kolb
Prof. Dr Andreas Seubert
Dr Kai Henning Viehweger (Redaktor)
————————————————————————————————————————————
Wszystkie prawa zastrzeżone dla wydawcy, włączając tłumaczenia.
Wydrukowane przez Metrohm, CH-9101 Herisau, Szwajcaria
Praktyczna Chromatografia Jonowa 1

2 Monografia Metrohm’a

Spis treści
1 O autorach .............................................................................................................................................5
2 Wstęp.....................................................................................................................................................6
3 Część teoretyczna..................................................................................................................................7
3.1 Historia i znaczenie chromatografii jonowej ...................................................................................7
3.2 Teoria chromatografii .....................................................................................................................8
3.2.1 Podział chromatografii i terminologia ................................................................................8
3.2.2 Podstawy teoretyczne dla opisu procesu chromatograficznego .....................................12
3.3 Podstawowe zasady chromatografii jonowej (IC).........................................................................17
3.3.1 Terminologia i klasyfikacja w IC .....................................................................................17
3.3.2 Wymiana jonowa ............................................................................................................17
3.3.3 Tworzenie par jonowych .................................................................................................19
3.3.4 Wykluczanie jonów .........................................................................................................19
3.4 Modele retencji w chromatografii jonowej ....................................................................................21
3.4.1 Modele retencji w chromatografii anionów......................................................................21
3.4.2 Modele retencji w chromatografii kationów .....................................................................27
3.5 Systemy detekcji w chromatografii jonowej..................................................................................30
3.5.1 Elektrochemiczne metody detekcji..................................................................................30
3.5.2 Spektroskopowe metody detekcji ...................................................................................35
3.6 Fazy stacjonarne w chromatografii jonowej .................................................................................36
3.6.1 Przegląd podstawowych faz stacjonarnych ....................................................................36
3.6.2 Fazy stacjonarne w chromatografii anionów...................................................................38
3.6.3 Fazy stacjonarne w chromatografii kationów ..................................................................38
3.6.4 Wymieniacze kationowe oparte na żelu krzemionkowym ...............................................39
3.6.5 Wymieniacze kationowe oparte na polimerach organicznych.........................................39
3.6.6 Wymieniacze kationowe błonkowe .................................................................................39
3.6.7 Fazy stacjonarne w chromatografii wykluczania jonowego. ...........................................40
3.6.8 Znaczenie pojemności wymieniaczy jonowych ...............................................................40
3.7 Eluenty w chromatografii jonowej................................................................................................41
3.7.1 Chromatografia anionowa...............................................................................................41
3.7.2 Chromatografia kationowa..............................................................................................44
3.7.2.1 Chromatografia kationowa jonów: metali alkalicznych, metali ziem
alkalicznych oraz jonów amonowych z detekcją konduktometryczną .................44
3.7.2.2 Chromatografia kationowa jonów metali przejściowych oraz jonów metali
alkalicznych z derywatyzacją pokolumnową i detekcją fotometryczną................45
3.7.2.3 Chromatografia wykluczania jonowego .............................................................47
Praktyczna Chromatografia Jonowa 3

4 Część praktyczna.................................................................................................................................48
4.1 Informacje o pracach praktycznych..............................................................................................48
4.2 Doświadczenia z zakresu teorii chromatografii jonowej ...............................................................51
4.2.1 Doświadczenie 1 – Chromatografia jonowa z supresją chemiczną i bez supresji
chemicznej ....................................................................................................................51
4.2.2 Doświadczenie 2 – Pojemność kolumn rozdzielających ................................................55
4.2.3 Doświadczenie 3 – Selektywność kolumn rozdzielających.............................................58
4.2.4 Doświadczenie 4 – Kalibracja, detekcja i granice oznaczalności w chromatografii
jonowej ..........................................................................................................................63
4.2.5 Doświadczenie 5 – Poprawianie selektywności za pomocą eterów koronowych (18
Crown-6) .......................................................................................................................67
4.2.6 Doświadczenie 6 – Poprawianie selektywności przez zastosowanie odczynników
kompleksujących ...........................................................................................................70
4.2.7 Doświadczenie 7 – Technika prekoncentracji (wstępnego zatężenia) ............................76
4.3 Doświadczenia dla oznaczania anionów......................................................................................80
4.3.1 Doświadczenie 8 – Oznaczanie anionów w wodzie do picia...........................................80
4.3.2 Doświadczenie 9 – Aniony w etanolu i napojach alkoholowych......................................84
4.3.3 Doświadczenie 10 – Aniony w sałacie ............................................................................91
4.3.4 Doświadczenie 11 – Kwas fosforowy w napojach typu coca-cola...................................95
4.3.5 Doświadczenie 12 – Kwasy organiczne w winie ...........................................................101
4.3.6 Doświadczenie 13 – Oznaczanie zanieczyszczeń w boranach – chlorki i siarczany
w roztworach boraksu .................................................................................................107
4.3.7 Doświadczenie 14 – Oznaczanie anionów w ściekach .................................................112
4.3.8 Doświadczenie 15 – Fluorki w paście do zębów...........................................................118
4.3.9 Doświadczenie 16 – Aniony w cukrze brązowym i białym ............................................122
4.3.10 Doświadczenie 17 – Zanieczyszczenia w nadtlenku wodoru......................................128
4.4 Doświadczenia dla oznaczania kationów...................................................................................135
4.4.1 Doświadczenie 18 – Metale alkaliczne i metale ziem alkalicznych w wodzie pitnej
i mineralnej..................................................................................................................135
4.4.2 Doświadczenie 19 – Oznaczenia metali przejściowych ................................................139
4.4.3 Doświadczenie 20 – Zanieczyszczenia w żelu krzemionkowym – oznaczenia jonów
wapnia i magnezu .......................................................................................................146
4.4.4 Doświadczenie 21 - Kosmetyki i zabezpieczenia przed korozją: oznaczanie
etanoloaminy i metali alkalicznych ..............................................................................150
4.4.5 Doświadczenie 22 – Metale alkaliczne i metale ziem alkalicznych w winie ..................155
5 Literatura cytowana............................................................................................................................159
4 Monografia Metrohm’a

1 O autorach
Claudia Eith
Studiowała chemię w Fachhochschule w Aalen. Pracowała w dziale analizy wody pitnej oraz ścieków
w Adelajdzie (Australia). Od roku 2000 pracuje w firmie Metrohm w Dziale Badawczo - Rozwojowym.
Maximilian Kolb
Studiował chemię na politechnice w Monachium, specjalizował się w dziedzinie katalizy homogenicznej.
Następnie przez 5 lat kierował działem jakości wody w zarządzie wodociągów w Traunstein. Od roku
1982 jest profesorem w Fachhochschule w Aalen. Zajmuje się technologią środowiska, analizą
środowiskową i chemometrią.
Andreas Seubert
Studiował chemię na Uniwersytecie w Hanowerze. Studia ukończył w roku 1990, przygotował pracę
magisterską „Ultra-śladowa analiza w wysokiej czystości trudno topliwych metalach z separacja matrycy
śladowej za pomocą chromatografii jonowej”. Praca habilitacyjna przygotowana w roku 1995 dotyczyła
„Zastosowań sprzężonej metody HPLC – spektrometrii atomowej w analizie pierwiastków”. W latach
1998 – 2000 profesor chemii analitycznej na Uniwersytecie Kassel, od marca 2000 profesor chemii
analitycznej na Uniwersytecie Philippsa w Marburgu.
Kai Henning Viehweger
Studiował chemię na Uniwersytecie w Hamburgu, uzyskał dyplom w zakresie analizy nieorganicznej.
Prowadził prace badawcze w systemach ekologicznych mórz i estuariów.
Od roku 1996 pracuje w dziale sprzedaży firmy Metrohm – jako kierownik sprzedaży międzynarodowej
w dziale chromatografii jonowej.
O tłumaczu
Dr Wiesława Ewa Krawczyk studiowała chemię na Uniwersytecie Śląskim w Katowicach. W pracy
magisterskiej stosowała techniki chromatografii cienkowarstwowej. Od 1979 specjalizuje się w chemii
wody, kierując Laboratorium Hydrochemii na Wydziale Nauk o Ziemi Uniwersytetu Śląskiego. Od dwóch
lat pracuje na chromatografie jonowym IC 761 Metrohm, wykorzystując go do analizy opadów
atmosferycznych oraz wód lodowcowych z różnych rejonów archipelagu Svalbard.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 5

2 Wstęp
Zawsze wyzwaniem jest badanie rzeczy, które nie odsłaniają się bezpośrednio. Przyczyny tego zmieniają
się od prostej ciekawości do rzeczywistej konieczności przetrwania. Jest wiele różnych dróg dla spojrzenia
poza zasłony. Najprostszym sposobem jest wykorzystanie zmysłów człowieka: słuchu, dotyku, zapachu,
smaku i wzroku. Dawno temu alchemicy lubili posługiwać się tymi pięcioma zmysłami. Dlatego dzisiaj
kwasy smakują kwaśno, a nazwa bromu pochodzi od greckiego „bromos”, czyli cuchnący. Dla
nieuzbrojonego oka chrom wydaje się być barwny, ponieważ „chroma”, z historyczno- lingwistycznego
punktu widzenia jest tym samym, co kolor. Alchemicy wyrażali także swoje uczucia obelgami takimi jak: „ty
koboldzie” na kobalt, którego obecność sprawiała naszym przodkom duże trudności podczas produkcji
żelaza.
Wielu pojedynczych rzeczy nie można zobaczyć bezpośrednio. Są one albo zbyt dokładnie wymieszane,
lub ludzkie zmysły nie mogą ich doświadczyć bezpośrednio. Mówimy o jonach, tych obdarzonych
ładunkiem atomach lub cząsteczkach, które są integralną częścią praktycznie całej żyjącej i martwej
materii. Jony są odpowiedzialne za przesyłanie informacji wzdłuż nerwów, za zabezpieczanie procesów
trawienia, za zapewnianie prawidłowego ciśnienia krwi oraz wystarczającej ilości tlenu we krwi. Jony
przenoszą sole do morza, kontrolują nasze pragnienie, a składniki jonowe są używano jako pożywienie
przez wszystkie żyjące organizmy – od bakterii do istot ludzkich.
Wiedza o rodzaju i ilości jonów znajdujących się w środowisku pomaga nam zrozumieć zależności
biochemiczne i ekologiczne. Jeśli znane są stężenia jonów w produktach żywnościowych, to dostarczają
nam informacji czy żywność ta jest bezpieczna do spożycia.
Istnieje wiele sposobów oznaczenia jakościowego jonów (ich rodzaju) lub ilościowego (ich ilości). Każda
część informacji jest ważna. Jedną z metod stosowanych do uzyskania takich informacji jest
chromatografia jonowa. Chromatografia w zasadzie oznacza „pisanie kolorem”. W analizie tradycyjnej
oznacza to rozdział substancji ze względu na ich barwę oraz ich oznaczanie na podstawie obserwacji
wizualnych. Chociaż nie wszystkie jony są charakteryzowane przez widzialne barwy, to termin ten utrzymał
się. Obecnie stosowane są jednak inne metody oznaczania.
Chromatografia jonowa jest jednym z członków dużej rodziny metod chromatograficznych. Może być ona
stosowana – by określić to bardzo prosto – do oznaczania wszystkich jonów, które niosą jeden lub dwa
ładunki. W przeszłości chromatografia jonowa lub „IC” bywała bardzo kosztowną metodą, obecnie jest o
wiele bardziej dostępna cenowo. To właśnie jest przyczyną, dlaczego rozwinęła się w uniwersalne
i potężne narzędzie analityczne, które jest łatwe do stosowania.
Monografia „Praktyczna chromatografia jonowa” pokaże, że IC jest nie tylko abstrakcyjną formą analityczną
ale może także dostarczyć szybkich odpowiedzi na tak zwyczajne codzienne problemy jak: Czy woda do
picia nadaje się do karmienia niemowląt ? Ile azotanów znajduje się w szpinaku ? Dlaczego wnętrze pralki
pokrywa się kamieniem ? Czy ścieki powodują zanieczyszczenie środowiska ? Ponieważ dokładna
praktyczna praca analityczna jest prawie niemożliwa bez podstaw teoretycznych, to monografia ta zawiera
także szczegółowe informacje w oddzielnej części teoretycznej.
„Praktyczna chromatografia jonowa” zamierza nie tylko zapoznać czytelnika z wiedzą o podstawowych
zasadach IC, lecz także z przeglądem ogólnych zasad chromatograficznych. A chromatografia może zrobić
ogromnie dużo: zaspokaja naukową ciekawość i zapewnia zdrowe przeżycie w zanieczyszczonym
środowisku.
6 Monografia Metrohm’a

3 Część teoretyczna
3.1 Historia i znaczenie chromatografii jonowej
Początki chromatografii jonowej (IC) lub, dokładniej, chromatografii wymiany jonowej sięgają połowy
ubiegłego stulecia. Pomiędzy rokiem 1935 i 1950 wiedza na temat wymieniaczy jonowych i ich zastosowań
uległa znaczącemu poszerzeniu w ramach projektu „Manhattan”. W latach pięćdziesiątych i
sześćdziesiątych dwudziestego wieku opracowano modele teoretyczne pozwalające zrozumieć zjawisko
wymiany jonowej oraz opartej na nim chromatografii jonowej. W latach siedemdziesiątych zastosowano
ciągłą detekcję, co pozwoliło na dokończenie przejścia od chromatografii niskociśnieniowej do
wysokociśnieniowej.
Tabela 1 Historia wymiany jonowej i chromatografii jonowej, technik analitycznych opartych na wymianie
jonowej
ok. 1850 Gleba jako wymieniacz jonowy dla Mg 2+ , Ca 2+ i NH4 + Thomson & Way LC
1935 Sulfonowane i aminowane polimery kondensacyjne
(fenol /formaldehyd)
1942 Sulfonowana żywica PS/DVB 1 jako wymieniacz
kationowy (projekt „Manhattan”)
Adams, Holmes
d’Alelio
1947 Aminowana żywica PS/DBV jako wymieniacz anionowy McBurney
1953 Chromatografia wykluczania jonowego. Wheaton, Baumann
1957 Makroporowe wymieniacze jonowe Corte, Meyer, Kunin i in.
1959 Podstawowe założenia teoretyczne Helfferich
1967-70 Błonkowe wymieniacze jonowe Horvath, Kirkland
1975 Chromatografia wymiany jonowej z detekcją
przewodnictwa z zastosowaniem strippera 2
Small, Stevens, Baumann HPLC
1979 Detekcja przewodnictwa bez strippera Gjerde, Fritz, Schmuckler
1976-80 Chromatografia par jonowych Waters, Bidlingmeier
Horvath i in.
Termin „chromatografia jonowa” został zastosowany w roku 1975 przez Smalla, Stevensa i Baumanna,
którzy wprowadzili detekcję konduktometryczną połączoną z chemicznym obniżeniem przewodnictwa.
Termin ten był następnie używany przez dłuższy czas jako nazwa handlowa dla celów marketingowych. W
międzyczasie skrócony termin „chromatografia jonowa” został ustalony jako nadrzędny termin dla metod
wymiany jonowej, wykluczania jonów i chromatografii par jonowych, zawartych w wysokorozdzielczej
chromatografii cieczowej (HPLC) [1]. Obecnie chromatografia jonowa jest metodą dominującą
w oznaczeniach anionów, ponieważ metody spektrometrii atomowej (zwykle używane do oznaczania
kationów) nie mogą być stosowane dla oznaczania pierwiastków, tworzących elektroujemne aniony
pierwiastków, od piątej do siódmej głównej grupy układu okresowego.
Najważniejszymi zastosowaniami chromatografii jonowej są obecnie rutynowe badania systemów
wodnych; ma to istotne znaczenie w analizie wody do picia [2,3,4]. Chromatografia jonowa jest również
stosowana w analizie form pierwiastków w związkach anionowych lub kompleksowych; głównie w celu
1 PS/DBV to polistyren/diwinylobenzen (przyp. tłumacza)
2 stripper był poprzednikiem supresora (przyp. tłumacza)
Praktyczna Chromatografia Jonowa 7

ozwiązywania problemów istotnych dla środowiska. Trzecim, najbardziej rozległym obszarem
zastosowania chromatografii anionowej jest analiza śladowa w ultra czystych odczynnikach, znajdujących
zastosowanie w przemyśle półprzewodników.
Obecnie wymieniacze jonowe zwykle używane w HPLC składają się z kulistych cząsteczek polimerów o
średnicy od 5 do 15 µm. Stosuje się różne metody w celu przyłączenia tak zwanych grup kotwicowych do
powierzchni polimeru. Grupy te są wykorzystywane jako łączniki pomiędzy podstawowym polimerem, a
rzeczywistymi grupami funkcyjnymi. Te składają się zwykle z czwartorzędowych jonów amonowych, które
są chemicznie przyłączone do grup kotwicowych. Całkowitą ilość grup funkcyjnych określa się jako
pojemność wymieniacza; jest to podstawowa cecha wymieniaczy jonowych.
Handlowe materiały wypełnień dla chromatografii anionowej charakteryzują małe pojemności, zwykle o
pojemnościach wymieniacza pomiędzy 50 i 100 µmoli na kolumnę rozdzielającą. Wynika to z zastosowania
głównie detekcji konduktometrycznej, która jest wszechstronnie stosowana dla jonów, ponieważ
odpowiednio czuła detekcja analizowanych roztworów wymaga, aby zastosowany system wymywania
(elucji) miał możliwie niską wartość własnego przewodnictwa. Dla wymieniaczy jonowych o małej
pojemności wystarczające są bardzo rozcieńczone wodne roztwory NaOH lub bufory węglanowe; ich
własne przewodnictwo może być dodatkowo obniżone przez supresję chemiczną [2,4].
W chromatografii anionowej używa się obecnie głównie grup funkcyjnych typu I (trimetyloamina TMA) oraz
typu II (dimetyloetanoloamina DMEA). Ponieważ rzeczywiste oddziaływanie pomiędzy fazą stacjonarną i
anionami w analizowanym roztworze zachodzi na grupach funkcyjnych oznacza to, że ich struktura ma
decydujący wpływ na selektywność materiału wypełniającego kolumny. Zgodnie z aktualną wiedzą,
szczególnie ważna jest polarność grup funkcyjnych, która może być kontrolowana przez ilość pozostałych
grup hydroksylowych (-CH2CH2OH) przy czwartorzędowym azocie [2, 4].
Termin „chromatografia jonowa” zawiera wszystkie rozdziały substancji jonowych w zakresie HPLC z
jednoczesną detekcją i jest dlatego w większości niezależny od ograniczeń aparaturowych [5].
Chromatografia jonowa rozwinęła się w metodę stosowaną głównie do analizy anionów, ze względu na
istniejący obecnie szeroki wybór kolumn rozdzielających, systemów elucyjnych i detektorów. Przyczyną
tego jest występowanie tylko kilku procesów rozdziału anionów i w praktyce są one trudne do
wykorzystania. Metody grawimetryczne i wolumetryczne (miareczkowe) są ograniczone przez ich czułość
i selektywność. Nawet nadzwyczaj szybki rozwój chromatografii gazowej, od roku 1965 do chwili obecnej,
nie przyniósł żadnych korzyści dla anionów, ponieważ nielotne jony musiały być najpierw przekształcone,
a czułość nie odpowiadała wymaganiom stawianym obecnie analizie śladowej [6]. Dla analizy kationów
istnieją potężne, alternatywne do chromatografii jonowej, metody spektrometrii atomowej, np. ICP-
AES/MS 3 , tak więc wartość chromatografii kationowej jest znacznie mniejsza w porównaniu z
chromatografią anionową. Jednakże chromatografia kationowa uzyskała pewne znaczenie w analizie
metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych oraz w oznaczaniu azotu amonowego (analiza wody pitnej).
Chromatografia jonowa w połączeniu z detektorami czułymi na odpowiednie pierwiastki jest niezbędna
w specjacji związków jonowych. Obszerny przegląd zastosowań chromatografii jonowej w różnych
dziedzinach przedstawiony jest w pracach Haddada i in. [4] oraz Weissa [2].
3.2 Teoria chromatografii
3.2.1. Podział chromatografii i terminologia
Chromatografia jest metodą fizykochemiczną dla rozdziału mieszanin substancji. Efekt separacji jest oparty
na podstawowym rozdziale pomiędzy dwoma fazami; jedna faza jest fazą stacjonarną podczas gdy druga,
ruchoma, przesuwa się w określonym kierunku [7, 8]. Techniki chromatograficzne dzieli się zgodnie ze
stanem fizycznym dwóch uczestniczących w rozdziale faz:
3 Induction Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry/ Mass Spectroscopy czyli Spektrometria emisji atomowej/ spektroskopia masowa z
indukcyjnie sprzężoną plazmą (przyp. tłumacza)
8 Monografia Metrohm’a

faza stacjonarna
ciekła
Praktyczna Chromatografia Jonowa 9
faza
ruchoma
gazowa
stała LSC GSC
ciekła LLC GLC
Rys. 1. Podział metod chromatograficznych ze względu na stany skupienia faz stacjonarnych i ruchomych.
Dalszego zróżnicowania metod chromatograficznych można dokonać ze względu na podstawowe procesy,
które występują podczas rozdziału, takie jak adsorpcja lub podział, lub ze względu na typ przeprowadzonej
procedury (chromatografia kolumnowa lub planarna) [9].
Parametry retencji
Jeśli mieszanina substancji jest poddana rozdziałowi chromatograficznemu, to dla każdego ze składników
tworzy się równowaga podziału pomiędzy fazą stacjonarną i ruchomą. Substancje mogą być pomyślnie
rozdzielone tylko wtedy, gdy współczynniki rozdziału D składników różnią się znacznie jeden od drugiego.
D definiuje się jako stosunek stężeń substancji A w fazie stacjonarnej (dolny indeks S) i ruchomej (dolny
indeks M):
Zgodnie z tym substancje o wyższym współczynniku rozdziału D będą zatrzymywane silniej od tych z
mniejszym D. Procedura rozdziału chromatograficznego jest pokazana w postaci chromatogramu, w którym
sygnał detektora jest zapisany jako funkcja objętości elucji fazy ruchomej lub czasu. Oznacza to, że
odpowiada to stężeniu lub profilowi masy w funkcji czasu. Sygnał detektora powinien być proporcjonalny
do stężenia analitu przy końcu ścieżki migracji [8]. Jak pokazano w równaniu 2, czas przebywania, lub
inaczej całkowity czas retencji tR substancji na fazie stacjonarnej, uzyskuje się przez dodanie czasu retencji
netto tS, który odpowiada aktualnemu czasowi przebywania na ścieżce migracji, do czasu przepływu fazy
ruchomej bez żadnych oddziaływań, czyli czasu martwego tM.
Ze względu na tworzenie się kanalików, procesy dyfuzji lub nieregularności w równowadze uzyskane
pomiędzy fazami stacjonarną i ruchomą, pewne cząsteczki mogą przejść przez fazę stacjonarną wolniej lub
szybciej, niż wynikałoby to z czasu retencji netto tS. Oznacza to, że chromatogram nie składa się ze
skończonej ilości wąskich sygnałów, lecz idealnie z pików Gaussa (Rys. 2).
(1)
(2)

Sygnał
Analit 1
Analit 2
Powierzchnia
Wysokość
Rozdzielczość
Czas lub objętość
Czas martwy
Czas retencji analitu n
Czas retencji netto
Współczynnik retencji
Współczynnik asymetrii
Rozdzielczość
Współczynnik selektywności
Ogonowanie
Rys. 2. Chromatogram elucyjny rozdziału metodą chromatografii jonowej z zaznaczeniem najważniejszych
wartości.
W wyniku procesów dyfuzji, których znaczenie wzrasta ze wzrostem czasu przebywania w fazie
stacjonarnej, wraz ze wzrostem czasu retencji wzrasta szerokość piku substancji. To zjawisko jest
charakterystyczne dla wszystkich metod chromatograficznych.
Jak już wspomniano, w warunkach idealnych pik na chromatogramie pokazuje idealny rozkład Gaussa.
Rys. 3 pokazuje przykład rozkładu Gaussa.
Sygnał
Czas lub
objętość
Rys. 3. Rozkład Gaussa z najważniejszymi
wartościami
.
10 Monografia Metrohm’a

Szerokość w połowie piku znana jest jaki szerokość połówkowa b0.5 i odpowiada 2,354 krotnej wariancji
rozkładu. Szerokość podstawy jest zdefiniowana przez różnicę punktów przecięcia tangensów kata
nachylenia z osią OY, która jest taka sama, jak 4-krotna wariancja funkcji Gaussa. Obydwie wartości są
miarą wydajności kolumny chromatograficznej i w przypadku idealnego kształtu piku mogą być
wykorzystane do obliczeń półek teoretycznych.
Odchylenia od idealnego kształtu piku mogą być opisane przez tak zwany współczynnik asymetrii T. Jest
on zdefiniowany jako stosunek odległości A i B pomiędzy osią pionową i nachyleniem rozdziału na 10% ich
wysokości (Rys. 2 i 3) i może być wyliczony ze stosunku:
Dla pików Gaussa T=1. Zmiana w kierunku większego T jest znana jako „ogonowanie”, w kierunku
mniejszego T jako „czołowanie”. W praktyce dąży się do osiągnięcia współczynnika asymetrii od T=0,9 do
T=1,1.
Współczynnik retencji, selektywność i rozdzielczość
Ponieważ całkowity czas retencji tR zależy głównie od warunków chromatograficznych, więc tylko w
określonych warunkach jest on charakterystyczny dla danej substancji i może być wykorzystany do
identyfikacji ilościowej. Wprowadzono bezwymiarową wielkość, współczynnik retencji k’, który pozwala na
dokonanie porównań między różnymi systemami chromatograficznymi. Dostarcza on informacji o tym, o ile
dłużej substancja pozostaje na ścieżce migracji w stosunku do fazy ruchomej [8]. Współczynnik retencji
jest matematycznie definiowany jako iloczyn współczynnika rozdziału D i stosunku objętości fazy
stacjonarnej do ruchomej, lub jako stosunek czasu retencji netto do czasu martwego. Możliwe jest również
obliczenie wykorzystujące długość migracji „L” i prędkość fazy ruchomej „u” (równanie 4).
Przy małych wartościach k’ substancja wymywa się blisko czasu martwego, lub martwej objętości systemu
chromatograficznego; oznacza to, że rozdział jest słaby. Jeśli k’ jest bardzo wysoki oznacza to, że chociaż
rozdział jest dobry, to czas przebywania na ścieżce migracji jest długi i pik staje się szerszy. Idealnie
współczynnik retencji powinien zawierać się pomiędzy 2 i 5.
Dwie substancje będą odpowiednio rozdzielone tylko wtedy, gdy ich współczynniki retencji wystarczająco
różnią się między sobą. Współczynnik selektywności α, znany także jako względny współczynnik rozdziału,
jest miarą rozdzielczości dwóch substancji i jest zdefiniowany następująco:
Jeśli dwie substancje nie mogą być rozdzielone wtedy α=1 i następuje jednoczesne wymywanie. Im
większa jest wartość α, tym lepszy jest rozdział. Jednakże kiedy rośnie α, to wzrasta także czas potrzebny
do rozdziału, więc w praktyce dąży się do współczynników selektywności α = 1,5 [10].
Współczynnik selektywności nie opisuje jakości procesu rozdziału. Rozdzielczość R bierze pod uwagę nie
tylko względne położenia pików, lecz także ich szerokość połówkową (b0,5) i szerokość podstawy (w), co
widać w równaniu 6:
Praktyczna Chromatografia Jonowa 11
(3)
(4)
(5)

Jeśli różnica między czasami retencji dwóch pików jest duża w stosunku do szerokości ich podstaw lub
szerokości połówkowych, to wtedy rozdzielczość jest dobra. Jeśli założy się idealną symetrię pików, wtedy
dwie substancje o R=0,5 mogą być jeszcze zidentyfikowane. Dla rozdziału jakościowego R powinno
wynosić 1 (rozdział 4σ), dla oznaczeń ilościowych należy dążyć do rozdzielczości od R=1,2 do R=1,5 [25].
Należy unikać rozdzielczości R≥2 (rozdziały 8σ), ze względu na długie czasy analizy.
3.2.2 Podstawy teoretyczne dla opisu procesu chromatograficznego
Teoretyczny model stadiów rozdziału
Teoretyczny model stadiów rozdziału pochodzi od procesu destylacji i jest wykorzystywany do opisu
rozdziałów chromatograficznych [11]. Dzieli on fazę stacjonarną na pojedyncze odcinki, teoretyczne stany
rozdziału lub półki, na których dokładnie i ciągle jest uzyskiwana całkowicie odwracalna i nieskończenie
szybka równowaga między fazą ruchomą i stacjonarną. Wydajność systemu chromatograficznego jest więc
charakteryzowana przez najwyższą z możliwych ilość teoretycznych stadiów rozdziału.
Liczba półek teoretycznych N może być określona bezpośrednio z chromatogramu przy użyciu zarówno
wariancji, jak i szerokości podstawy i szerokości połówkowych. Może zostać wyliczona następująco [12]:
Zamiast liczby półek teoretycznych dla opisu wydajności rozdziału można zastosować wysokość
równoważną półce teoretycznej WRPT 4 .
Z równań 5 - 8 wynika, że faza stacjonarna z bardzo dużą liczbą półek teoretycznych, może nawet
rozdzielić od siebie substancje, których współczynniki selektywności lub rozdzielczości z trudem różnią się
od siebie. Równania te pozwalają także na wyliczenie liczby półek teoretycznych, która jest niezbędna do
rozwiązywania problemów z rozdziałem.
Teoretyczny model stadiów rozdziału może być wykorzystany do wyjaśnienia występowania sygnałów
Gaussa w chromatografii, jeśli założy się, że z powodu przepływu i procesów dyfuzji jest osiągnięta
skończenie szybka i niecałkowita równowaga pomiędzy fazą ruchomą i stacjonarną. Wyraża się to w
procesie poszerzenia piku, ponieważ wąska strefa substancji na początku ścieżki migracji, staje się
wyraźnie szersza ze wzrostem czasu przebywania na fazie stacjonarnej.
W obliczeniach liczby półek teoretycznych zgodnie z równaniem 7 zakłada się, że kształt piku jest idealny;
jednakże rzadko tak się dzieje w rzeczywistości. W przypadku pików asymetrycznych obliczenia należy
przeprowadzić zgodnie z metodą „momental” [13]. Równanie 9 zawiera współczynnik asymetrii i daje
wartości przybliżone, które są sensowne.
4 w języku angielskim HETP (height equivalent to a theoretical plate) (przyp. tłumacza)
12 Monografia Metrohm’a
(6)
(7)
(8)

Liczba półek efektywnych „n”, która przedstawia aktualną skuteczność rozdziału lepiej niż liczba półek
teoretycznych „N”, jest poprawiona przez wprowadzenie współczynnika retencji k’ i uzyskuje się ją z
równania:
Teoria dynamiczna (teoria Van Deemtera)
Istotną słabością teoretycznego modelu stadiów rozdziału jest fakt, że destylacja i chromatografia opierają
się na dwóch fundamentalnie różnych procesach fizykochemicznych. Nie czyni się także żadnych założeń
odnośnie wpływu ważnych parametrów, które można uzyskać eksperymentalnie, i które same nie wpływają
na typ lub jakość fazy stacjonarnej [14, 15]. Są to:
• prędkość przepływu fazy ruchomej,
• średnica cząsteczek w fazie stacjonarnej,
• grubość warstewki powierzchniowej na materiale wypełnienia.
Dodatkowo dla uzyskania rozdziału ważne są takie wielkości jak: współczynniki dyfuzji w fazie ruchomej i
stacjonarnej lub objętość detektora w chromatografii cieczowej.
Teoria dynamiczna rozwinięta przez Van Deemtera jest w zasadzie rozwinięciem teoretycznego modelu
stadiów rozdziału, bierze pod uwagę nie-idealne warunki brzegowe [16]. Przyjęto następujące założenia:
• nie spontaniczne i nie napotykające przeszkód osiąganie równowagi,
• opóźniony transport masy w fazie stacjonarnej i ruchomej,
• brak jednorodnej prędkości przepływu fazy ruchomej przez cały przekrój kolumny,
• występowanie rozproszonej dyfuzji i tworzenie kanalików w fazie stacjonarnej,
• dyfuzja podłużna niezależna od prędkości fazy ruchomej i wprost proporcjonalna do czasu
przebywania na ścieżce migracyjnej.
Zależność pomiędzy wymienionymi powyżej efektami dynamicznymi i wysokością równoważną półce
teoretycznej jest podana w równaniu Van Deemtera.
Trzy stałe A, B i C są zależne w różny sposób od prędkości przepływu „u” fazy ruchomej. Stałe A i B
opisują całkowity transport masy przez fazę stacjonarną; stała C jest określana przez współoddziaływanie
w osiąganiu równowagi pomiędzy fazą ruchomą i fazą stacjonarną.
Stała A opisuje dyfuzję wirową, którą można traktować jako przyczynę poszerzenia piku na skutek efektu
wielu ścieżek przepływu. Termin ten jest także znany jako współczynnik upakowania; jest on niezależny od
prędkości przepływu liniowego w fazie ruchomej, przynajmniej w pierwszym przybliżeniu. Stałą A opisuje
następująca zależność:
Praktyczna Chromatografia Jonowa 13
(9)
(10)
(11)
(12)

W równaniu (12) dp jest średnią średnicą ziaren fazy stacjonarnej, λ5 opisuje statystyczną nieregularność
wypełnienia; powinno ono być tak jednorodne jak to tylko możliwe i składać się z jednakowych cząsteczek.
Stała B opisuje dyfuzję podłużną, w kierunku zgodnym lub przeciwnym do kierunku przepływu fazy
ruchomej. Jest ona szczególnie ważna, kiedy w chromatografii gazowej (GC) są używane kolumny
kapilarne, ponieważ współczynniki dyfuzji w gazach są o 104 do 105 razy wyższe niż w cieczach. Stałą B
wylicza się jako iloczyn współczynnika dyfuzji w fazie ruchomej DM, oraz współczynnika krętości
porowatych kanalików wypełnienia γ, który opisuje porowatość fazy stacjonarnej.
Ponieważ ważność dyfuzji maleje wraz ze wzrostem prędkości przepływu fazy stacjonarnej oznacza to, że
B jest odwrotnie proporcjonalne do „u”.
Stała C jest znana jako stała przenoszenia masy. Opóźnione przeniesienie masy pomiędzy fazę ruchomą i
stacjonarną ma zwykle największy wpływ na rozszerzanie piku. Współoddziaływanie w osiąganiu
równowagi pomiędzy fazami ruchomą i stacjonarną wzrasta ze wzrostem „u”; wyjaśnia to, dlaczego
występuje bezpośrednia proporcjonalność z liniową prędkością przepływu. Opóźnienia w przenoszeniu
masy wynikają z bardzo małych współczynników dyfuzji DS w fazie stacjonarnej, w porównaniu fazą
ruchomą. Dlatego też cząsteczki, które przebywają w porach fazy stacjonarnej pozostają za maksimum
piku wtedy, gdy przesuwa się on wraz z fazą ruchomą. Stała C może być znacząco zmniejszona przez
krótkie ścieżki dyfuzji i szybkie procesy przeniesienia. Może to być głównie osiągnięte przez umieszczenie
porów na powierzchni tak, że tylko niewiele z nich rozwija się do wnętrza fazy stacjonarnej. Stała C
przeniesienia masy jest obliczana następująco:
Graficznym przedstawieniem równania van Deemtera jest hiperbola, z której można wyznaczyć minimalną
wartość prędkości przepływu „u” dla minimalnej wysokości półki (maksymalnej liczby półek) (Rys. 4).
14 Monografia Metrohm’a
(13)
(14)
Rys. 4 Przedstawienie poszczególnych
stałych teorii Van Deemtera z
wynikającą z niej krzywą Van
Deemtera pokazującą optymalną
prędkość przepływu.
Nawet teoria dynamiczna oparta jest na idealnych założeniach. W rzeczywistości trzy stałe A, B i C są
niezależne od siebie tylko przy pierwszym przybliżeniu, przy tym będąc dodatkowym wpływem prędkości
przepływu „u” na dyfuzję wirową (stała A). Stała C może być wyróżniona za pomocą stałych CM i CS, które
opisują przeniesienie masy w fazie ruchomej (CM), oraz do fazy stacjonarnej i z powrotem (CS). Dlatego
właśnie oryginalne równanie Van Deemtera było zmodyfikowane dla licznych zastosować w HPLC, GC
oraz TLC [17, 18].
5 lambda to stała upakowania kolumny
Szybkość przepływu u

Współczesna chromatografia cieczowa (LC)
Chromatografia cieczowa (LC) powinna być uważana za formę ogólną dla licznych, współczesnych metod
rozdziału chromatografii cieczowej. Może być zastosowana dla szerokiego zakresu różnych substancji i
charakteryzuje się doskonałą sprawnością analityczną. LC zawiera także chromatografię jonową (IC), która
jest prawdopodobnie najważniejszą metodą rozdziału stosowaną we współczesnej chemii analitycznej [3].
HPLC jest logiczną kontynuacją klasycznej chromatografii cieczowej (LC). W klasycznej LC, wprowadzonej
przez M. Cwieta w 1906 roku, zastosowano szklane kolumny o średnicy od 1 do 5 cm, oraz o długości do
500 cm; były one wypełnione fazami separacyjnymi o rozmiarach cząstek od 150 do 200 µm. Nawet
rozdziały prostych mieszanin substancji mogły trwać często kilkanaście godzin, ze średnią sprawnością.
W wyniku zrozumienia procesu chromatograficznego, które rozwinęło się później (równanie 11), stało się
jasne, że zwiększenie sprawności mogło być tylko uzyskane przez dramatyczne zmniejszenie średnicy
cząstek w fazie stacjonarnej. Stawiało to jednakże zupełnie nowe wymagania urządzeniom stosowanym
w chromatografii.
Od około roku 1970 stała się dostępna specjalna i potężna technologia aparaturowa, która może pokonać
wysokie ciśnienia wsteczne (od 10 do 50 MPa), które występują, kiedy stosuje się materiały wypełnień o
średnicy cząsteczek od 3 do 10 µm i kolumny rozdzielające o długości od 125 do 250 mm, oraz średnicy
wewnętrznej (ID) równej 4 mm.
W wyniku dramatycznej miniaturyzacji HPLC rozwinęła się w czysto analityczną metodę rozdziału, w
przeciwieństwie do klasycznej LC, która jest obecnie wykorzystywana tylko do celów preparatywnych.
Zalety HPLC w porównaniu do klasycznej LC są następujące:
• doskonała wydajność chromatograficzna,
• ciągły proces pracy,
• natychmiastowa detekcja rozdzielanych substancji,
• wysoka czułość i powtarzalność,
• zastosowanie czasu retencji do jakościowej identyfikacji substancji,
• krótkie czasy analizy.
Niezależnie od swego obszaru zastosowań system HPLC składa się głównie z elementów pokazanych na
Rys. 5: wysokosprawnej pompy ze zbiornikiem fazy ruchomej (eluentu), dozownika (wprowadzanie próby),
kolumny rozdzielającej i systemu detekcji (włączając derywatyzację, uzyskiwanie i obróbkę danych).
Pętla próbki
Kolumna separacyjna
Zawór
Eluent Pompa HPLC Próbka
Rys. 5. System HPLC lub IC z najważniejszymi składnikami.
Post reaktor / Derywatyzacja
Detektor
Przewodności
UV-VIS
Amperometryczny
Spektroskopii
atomowej
Praktyczna Chromatografia Jonowa 15

Oprócz kolumny rozdzielającej sercem każdego systemu HPLC jest pompa. Musi ona dostarczyć eluent
tak jednostajnie i bez pulsacji, jak to tylko możliwe, nawet wbrew wysokim ciśnieniom wstecznym. Oznacza
to także, że należy zastosować specjalny dozownik typu zaworu z pętlą dla wprowadzenia próbki. Zwykle
stosuje się zawór 6 – drożny, który jest zdolny do przyjęcia określonej objętości próbki w pętli, przy
standardowym ciśnieniu, oraz do jej przeniesienia do systemu HPLC pracującego przy wysokich
ciśnieniach. Skład fazy ruchomej oraz typ kolumny rozdzielającej muszą być dostosowane do
rozwiązywanego problemu analitycznego. Stosuje się to także do wyboru systemu detekcji. Obecnie cała
procedura uzyskiwania i obróbki danych jest prowadzona przez komputer. Podstawowe ustawienia
systemu HPLC mogą być praktycznie rozszerzone na życzenie, w celu rozwiązania danego problemu
analitycznego.
Zasady rozdziału w LC
HPLC może być zróżnicowana ze względu na różne oddziaływania fizykochemiczne pomiędzy
substancjami w próbce i w fazie stacjonarnej. Chociaż w rzeczywistości występuje zwykle kilka różnych
mechanizmów odpowiedzialnych za skuteczny rozdział [9], to możliwa jest przybliżona klasyfikacja ze
względu na następujące mechanizmy rozdziału:
• adsorpcja,
• dystrybucja,
• wykluczanie ze względu na wielkość,
• powinowactwo,
• wymiana jonowa,
• tworzenie par jonowych,
• wykluczanie jonów.
Chromatografia adsorpcyjna jest definiowana przez reakcje międzyfazowe, w których substancje ciekłe lub
gazowe są wzbogacane na fazie stałej. Dostępne są różne modele dla uzyskania jakościowego i
ilościowego opisu procesów adsorpcji; tu odsyłamy czytelnika do odpowiedniej literatury z zakresu chemii
fizycznej [19]. Stosuje się dwie różne techniki. W normalnej, fazowej chromatografii fazą stacjonarną jest
zwykle żel krzemionkowy i dlatego jest on znacznie bardziej polarny niż faza ruchoma (węglowodory).
W chromatografii z odwróconymi fazami warunki są dokładnie przeciwne. Dla celów praktycznych, które
głównie dotyczą stosowania eluentu, faktycznie obecnie stosowana jest tylko chromatografia
z odwróconymi fazami (RPC6 ).
W chromatografii podziałowej fazą stacjonarną jest ciecz, która nie miesza się z fazą ruchomą. Rozdział
opiera się na różnym rozpuszczaniu się analitów w tych dwóch fazach. W idealnym przypadku stosuje się
prawo podziału Nernsta. Mechanizm rozdziału odgrywa ważną rolę, szczególnie w chromatografii gazowej,
kiedy jako faza stacjonarna stosowane są kolumny kapilarne, pokryte rozdzielającymi cieczami.
Chromatografia podziałowa może także wystąpić w HPLC, jeśli jako materiał rozdzielający są stosowane
żele krzemionkowe modyfikowane niepolarnymi węglowodorami, np. tak zwane fazy oktadecylowe.
Chromatografia wykluczania ze względu na wielkość7 (SEC) pozwala na rozdział zgodnie z wielkością
cząsteczki, jako wynik efektu sitowego. Jako fazę stacjonarna stosuje się żele krzemionkowe, lub
organiczne żywice polimerowe o określonej strukturze porów. Mniejsze anality mogą wnikać do porów i są
zatrzymywane. Ze wzrostem wielkości cząsteczek jakiekolwiek oddziaływania z porami są utrudnione, po
osiągnięciu określonej wielkości cząsteczki są całkowicie wykluczane i praktycznie wymywają się w
martwej objętości. SEC jest szeroko stosowana w analizie polimerów oraz w bioanalizie.
Chromatografia powinowactwa pozwala na rozdzielenie mieszanin substancji poprzez siły selektywne lub
specyficznego oddziaływania. Wysoce specyficzne oddziaływania mogą być obserwowane zarówno
pomiędzy antyciałami i antygenami (zasada klucza i dziurki do klucza), jak i enzymami, a szczególnie ich
substratami. W praktyce enzymy lub antyciała są chemicznie unieruchomione na fazie stacjonarnej. Jeśli w
próbce występuje odpowiadający substrat lub antygen, to jest on zatrzymany z najwyższą selektywnością.
6 w j. angielskim RPC (reversed phase chromatography)
7 inaczej chromatografia sitowa (sączenie molekularne, chromatografia żelowa)
16 Monografia Metrohm’a

Jest to przyczyną, dla której chromatografia biopowinowactwa jest niezastąpiona w dziale analizy
substancji aktywnych (farmakologia).
Chromatografia jonowymienna (IC) wraz z chromatografią par jonowych i chromatografią wykluczania
jonowego są opisane szczegółowo w następnej części.
3.3 Podstawowe zasady chromatografii jonowej (IC)
3.3.1 Terminologia i klasyfikacja w IC
Chromatografia wymiany jonowej lub chromatografia jonowa (IC) jest częścią HPLC. Według IUPAC8 chromatografia wymiany jonowej jest definiowana następująco [7, 8]:
„W chromatografii wymiany jonowej rozdział oparty jest na różnicach w powinowactwach wymiany jonowej
poszczególnych analitów. Jeśli rozdzielane są jony nieorganiczne i mogą być oznaczone za pomocą
detektorów konduktometrycznych, lub przez pośrednią detekcję UV, wtedy nazywa się ją także
chromatografią jonową”.
Z wielu powodów definicja ta jest mało szczęśliwym wyborem. Technika detekcji powinna być rozważana
oddzielnie od istniejącego mechanizmu rozdziału. Poza tym ograniczenie terminu „chromatografia jonowa”
do jonów nieorganicznych jest trudne do zrozumienia, ponieważ w praktyce, w dowolnym systemie,
zarówno jony nieorganiczne, jak i organiczne, mogą być rozdzielone i zidentyfikowane jednocześnie.
Starsza, bardziej ogólna definicja jest bardziej przydatna dla zdefiniowania chromatografii jonowej [20]:
„Chromatografia jonowa zawiera wszystkie szybkie rozdziały jonów metodą
chromatografii cieczowej, na kolumnach połączonych on-line, z detekcją i oznaczeniem
ilościowym w detektorze przepływowym”.
Definicja ta charakteryzuje chromatografię jonową niezależnie od mechanizmu rozdziału i metody detekcji, i
jednocześnie oddziela ją od klasycznej wymiany jonowej. W chromatografii jonowej znajdują zastosowanie
następujące zasady:
• wymiana jonowa,
• tworzenie par jonowych,
• wykluczanie jonowe.
Metody chromatograficzne są definiowane z uwagi na główne mechanizmy rozdziału. Obecnie
chromatografia wymiany jonowej jest po prostu znana jako chromatografia jonowa (IC), podczas gdy
chromatografia par jonowych (IPC) i chromatografia wykluczania jonowego (IEC) są uważane za techniki
bardziej wyspecjalizowane.
3.3.2 Wymiana jonowa
Chromatografia jonowymienna (IC) opiera się na stechiometrycznej reakcji chemicznej pomiędzy jonami w
roztworze oraz substancją, zwykle stałą, posiadającą grupy funkcyjne, które mogą zatrzymywać jony w
wyniku działania sił elektrostatycznych. W najprostszym przypadku w chromatografii kationowej są to grupy
kwasu sulfonowego, w chromatografii anionowej czwartorzędowe grupy aminowe. W teorii jony o tym
samym ładunku mogą być wymienione całkowicie odwracalnie pomiędzy tymi dwoma fazami. Proces
wymiany jonowej prowadzi do warunków równowagi. Strona, po której leży równowaga, zależy od
podobieństwa uczestniczących w wymianie jonów, do grup funkcyjnych fazy stacjonarnej. Rys. 6 jest
schematycznym diagramem pokazującym procesy wymiany kationów i anionów. Jony analitu są
oznaczone jako A, jony eluentu współzawodniczące z nimi o pozycje wymiany jako E.
8 IUPAC to International Union on Pure and Applied Chemistry - Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej
Praktyczna Chromatografia Jonowa 17

Wymiana kationowa
Faza ruchoma
Przepływ
Faza stacjonarna
Wymiana anionowa
A: jony analitu
E: jony eluentu
Rys. 6. Schematyczny diagram pokazujący proces wymiany jonowej w chromatografii jonowej. Po lewej
stronie: wymiana kationowa, po prawej stronie: wymiana anionowa.
Termodynamiczne aspekty procesu wymiany jonowej
Wymieniacze jonowe zwykle składają się z faz stałych, na których powierzchni umocowane są grupy
jonowe. Ze względu na warunek obojętności elektrycznej, w pobliżu grup funkcyjnych zawsze znajduje się
przeciwnie naładowany jon przeciwny (counter-ion). Zwykle jon ten pochodzi z fazy ruchomej i dlatego też
jest znany jako jon eluentu.
Jeśli dodana jest próbka, która zawiera dwa jony analitu A - i B - , to wtedy szybko zamieniają one jony
eluentu E - i są przytrzymane w określonych miejscach, zanim z kolei zostaną wymienione na jon eluentu.
W przypadku chromatografii anionowej prowadzi to do następujących odwracalnych równowag:
Możliwość rozdziału wynika z różnic podobieństwa jonów A - i B - do grup funkcyjnych. Stała równowagi K
jest także znana jako współczynnik selektywności; i dla anionu A - wyliczana jest następująco:
Można założyć, że stężenie jonów eluentu jest zwykle wyższe od stężenia jonów analitu o kilka rzędów
wielkości, zatem można przyjąć, że [E - ] jest stałe w fazie ruchomej i stacjonarnej. Oznacza to, że można
wyliczyć współczynnik podziału DA (równanie 1) i współczynnik retencji kA ’ (równanie 4). Mówiąc dokładniej,
takie wyliczenia dozwolone są tylko wtedy, gdy stężenia w równaniu 17 odpowiadają aktywnościom;
jednakże zachodzi to jedynie w przypadku nieskończonego rozcieńczenia [19]. Z zasady, aktywności jonów
w fazie stacjonarnej są nieosiągalne [4]. Dla najczęściej stosowanych wymieniaczy jonowych o małej
pojemności, które mogą być używane tylko jako faza ruchoma z bardzo rozcieńczonymi elektrolitami,
wielkości aktywności po prostu się pomija. Takie bardzo zgrubne przybliżenia nie znajdują zastosowania
dla wypełniaczy o dużej pojemności (> 200 mmol/g) i stężonych eluentów; wykazują one wyraźne
odstępstwa od „idealnego” zachowania.
18 Monografia Metrohm’a
(15)
(16)
(17)

3.3.3 Tworzenie par jonowych
Za pomocą chromatografii par jonowych możliwe jest rozdzielenie tych samych analitów, co w
chromatografii wykluczania jonowego, lecz mechanizm rozdziału jest całkowicie odmienny. Stosowane fazy
stacjonarne są całkowicie polarnymi, odwracalnymi materiałami, jakie są używane w chromatografii
podziałowej. Do eluentu dodawany jest tak zwany odczynnik pary jonowej; składa się on ze związków
powierzchniowo-czynnych (anionowych lub kationowych), takich jak sole tetraalkiloamonowe lub kwasy nalkilo-sulfonowe.
Wspólnie z przeciwnie naładowanymi jonami analitu odczynniki pary jonowej tworzą parę
jonową pozbawioną ładunku (obojętną), która może być zatrzymana na fazie stacjonarnej przez
oddziaływania hydrofobowe. Rozdział jest możliwy ze względu na stałe tworzenia par jonowych i ich różne
stopnie adsorpcji. Rys. 7 pokazuje uproszczony, statyczny model wymiany jonowej, w którym zakłada się,
że oddziaływania z analitami występują tylko po adsorpcji odczynnika pary jonowej na fazie stacjonarnej.
Odczynnik pary jonowej
Jon eluentu
Faza ruchoma
Faza stacjonarna
Jon analitu
Przepływ
Rys. 7. Schematyczny diagram przedstawiający statyczny model wymiany jonowej w chromatografii par
jonowych (IPC). Zasada rozdziału stosuje się zarówno do anionów, jak i kationów.
3.3.4 Wykluczanie jonów
Chromatografia wykluczania jonowego (IEC) jest głównie używana dla rozdziału słabych kwasów i zasad
[2,4]. Najważniejszym zastosowaniem IEC jest analiza słabych kwasów, takich jak kwasy karboksylowe,
węglowodany, fenole lub aminokwasy. Rys. 8 pokazuje zasadę rozdziału metodą IEC na przykładzie kwasu
karboksylowego R-COOH.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 19

Rys. 8. Wykluczanie Donnana jako zasada rozdziału w chromatografii wykluczania jonowego (IEC).
W chromatografii wykluczania jonowego, jako materiał wypełnienia stosowany jest często całkowicie
sulfonowany wymieniacz kationowy, którego grupy kwasów sulfonowych są elektrycznie obojętne,
z protonami jako jonami przeciwnymi. W roztworach wodnych eluentów grupy funkcyjne są uwodnione.
Uwodniona powłoka jest ograniczona przez hipotetyczną, ujemnie naładowaną membranę (membranę
Donnana). Mogą przez nią przenikać tylko pozbawione ładunku, nie zdysocjowane cząsteczki, takie jak
woda. Organiczne kwasy karboksylowe mogą być rozdzielone, jeśli jako faza ruchoma zostaną
zastosowane mocne kwasy mineralne, takie jak kwas siarkowy. Ze względu na niskie stałe kwasowe
(wartości pKA) kwasów karboksylowych, są one, w mocno kwaśnych eluentach, obecne w praktycznie
całkowicie niezdysocjowanej postaci. Mogą one przejść przez membranę Donnana i zostać
zaadsorbowane na fazie stacjonarnej, podczas gdy z całkowicie zdysocjowanego kwasu siarkowego
wyłączane są jony siarczanowe.
Rys. 9 pokazuje typową zależność wpływu objętości elucji kwasu na jego wartość pKA dla rozdziału za
pomocą wykluczania jonów. Łatwo mogą być zauważone nakładająca się adsorpcja (długo łańcuchowe
kwasy karboksylowe, H2S) oraz granice praktycznego zakresu pracy. W końcowym przypadku kwasy
karboksylowe są rozdzielone ze względu na ich różne wartości pKA.
Stała równowagi / pKA
Faza
stacjonarna
Objętość elucji
Membrana Donnan’a
Eluent
Faza ruchoma
Analit
Rys. 9. Wpływ objętości elucji na poszczególne
wartości pKA kwasów w chromatografii
wykluczania jonowego.
20 Monografia Metrohm’a
Przepływ

3.4 Modele retencji w chromatografii jonowej
W idealnym przypadku retencja analitu w chromatografii jonowej byłaby jedynie określona przez jego
powinowactwo do grup funkcyjnych wymieniacza jonowego. To powinowactwo może być opisane przez
utworzenie reakcji chemicznej, reakcji wymiany jonowej, i może być wyjaśnione przez zastosowanie prawa
działania mas.
Modele retencji opisane poniżej próbują przewidzieć zachowanie retencyjne uczestniczących w wymianie
analitów, w poszczególnych warunkach chromatograficznych, na podstawie prawa działania mas. Jeśli
uzyskane modele są wystarczające dla wytłumaczenia obserwacji makroskopowych, to z ich pomocą jest
możliwe, na przykład zoptymalizowanie systemu elucji dla danego problemu rozdziału.
3.4.1 Modele retencji w chromatografii anionów
Następujące obserwacje tylko wstępnie stosują elucję przez przemieszczenie izojonowe jako najprostszy
mechanizm elucji w chromatografii jonowej. Podany przykład odnosi się do chromatografii anionowej, lecz
te same rozważania odnoszą się także do chromatografii kationowej. Tylko wtedy, gdy czynniki
kompleksujące są dodane do eluentów, konieczne jest poszerzenie modelu retencji: jest to opisane w
rozdziale: „Model retencji dla elucji w obecności czynników kompleksujących” (rozdział 3.4.2).
Model retencji dla eluentów z jednym anionem
Jeśli założy się elektryczną obojętność, to najprostszym podejściem do modelu retencji dla
przemieszczenie izojonowego jest ten, w którym pojedynczy jon eluentu Ey- współzawodniczy z jednym
anionem analitu Ax- o grupy funkcyjne fazy stacjonarnej [4]. Stężenie anionów eluentu Ey- pozostaje stałe w
czasie (elucja izokratyczna).
Na początku procesu chromatograficznego miejsca wymiany na kolumnie rozdzielającej o pojemności Q są
zajęte przez aniony eluentu Ey- . Jeśli dodana zostanie próbka zawierająca jon analitu Ax- , to ustala się
następująca równowaga pomiędzy fazą stacjonarną (indeks S) a fazą ruchomą (indeks M):
Zgodnie z prawem działania mas równowaga ta może zostać opisana przez stałą równowagi
termodynamicznej. Jeśli weźmiemy pod uwagę aktywności uczestniczących jonów, to uzyskamy
następującą stałą równowagi termodynamicznej:
Ponieważ aktywności uczestniczących jonów nie mogą być oznaczone jednocześnie w fazie stacjonarnej
i w fazie ruchomej, to pomija się aktywność w fazie stacjonarnej, i ustala się, że jest ona równa 1.
Jeśli wprowadzimy teraz dla anionu analitu A x- dwie znane wartości z rozdziału 3.2.1 - współczynnik
rozdziału DA i współczynnik retencji k’A,
Praktyczna Chromatografia Jonowa 21
(18)
(19)
(20)

to włączając te wartości i pomijając aktywności, równanie (19) można przekształcić następująco:
Ponieważ stężenie jonów eluentu E jest zwykle wyższe niż stężenie anionów analitu A x- o kilka rzędów
wartości, to można uzyskać dobre przybliżenie zakładając, że wszystkie grupy funkcyjne są zajęte przez
E y- . Przy tym założeniu nieoznaczalne stężenie E y w fazie stacjonarnej może być zastąpione przez łatwiej
osiągalne parametry pojemności wymiany Q i ładunku anionu eluentu y:
Oznacza to, że równanie 21 może być przekształcone w:
Współczynnik retencji kA ’ anionu analitu A x- można łatwo uzyskać z chromatogramu. Równanie 23 można
zatem rozwiązać ze względu na tą wielkość:
Równanie to jest szczególnie ważne dla chromatografii anionów, ponieważ dostarcza ilościowej zależności
pomiędzy współczynnikiem retencji kA ’ i kilku osiągalnymi doświadczalnie parametrami, takimi jak stężenie
eluentu i pojemność wymiany. W praktyce, ze względu na przejrzystość, stosuje się logarytmiczną wersję
równania 24.
Z równania 25 można wysnuć następujące wnioski:
• Zwiększanie stężenia eluentu [Ey- ] przyspiesza wymywanie
� większe współczynniki retencji wynikają z większych stałych równowagi KA,E, wyższych
pojemności wymiany Q i większego stosunku fazy-objętości Φ.
• Wielowartościowe anality Anx- są zatrzymywane silniej, niż jednowartościowe Ax-
� przynajmniej tak długo jak względnie niskie jest stężenie eluentu [E y- ]. Jest to także znane jako
elektroselektywność.
• Wielowartościowe eluenty E ny- mają większą moc elucji niż jednowartościowe E y-
� na wymywanie wielowartościowych analitów A nx- silniej wpływają zwiększone stężenia
jednowartościowych jonów eluentu E y- , niż stężenia jednowartościowych anionów analitu A x- .
22 Monografia Metrohm’a
(21)
(22)
(23)
(24)
(25)

W pierwszym przybliżeniu można założyć, że współczynniki selektywności są niezależne od Q, przy stałym
Φ; wynika z tego następująca proporcjonalność:
Z równania 26 wynika, że aby uzyskać stałe współczynniki retencji, to ze wzrostem pojemności wymiany Q
musi wzrastać proporcjonalnie stężenie eluentu [E y- ]. Jest to przyczyną, dla której w chromatografii jonowej
zwykle stosuje się fazy rozdzielające o niskiej pojemności, ponieważ wysokie stężenia elektrolitów mogłyby
spowodować, że najważniejsza metoda detekcji stosowana w chromatografii jonowej, detekcja
przewodnictwa, byłaby praktycznie niemożliwa.
W celu optymalizacji problemów separacji często zmienia się stężenie eluentu [E y- ]. Jeśli wszystkie inne
parametry występujące w równaniu 25 pozostaną stałe, to wtedy można je uprościć:
Graficzny wykres równania 27 daje linię prostą o nachyleniu m=-x/y i z przecięciem na osi C, które zawiera
wielkości Q, Φ, i KA,E. Jeśli stosuje się eluent o jednym anionie, wtedy „m” jest także znane jako ładunek
efektywny. Rys. 10 przedstawia wyniki zastosowania równania 27 dla różnorodnych kombinacji różnie
naładowanych anionów eluentu i analitu.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 23
(26)
(27)
Rys. 10. Graficzne przedstawienie równania 27 dla
różnorodnych kombinacji różnie
naładowanych anionów eluentu i analitu [4].
Równanie 27 potwierdzono w wielu publikacjach; jednakże przy założeniu, że zastosowano materiały
rozdzielające o niskiej pojemności i rozcieńczone eluenty.
Jeśli zmienia się pojemność wymiany Q, podczas gdy inne parametry pozostają stałe, to równanie 25
można uprościć:
Graficzne przedstawienie tego równania jest podobne do Rys. 10, lecz z dodatnim nachyleniem. Badania
chromatograficzne zróżnicowania Q były dotychczas prowadzone tylko jeden raz, dla rozdziału kationów
dwuwartościowych. Pokazały one, że w przeciwieństwie do uprzednich założeń, współczynnika retencji i
współczynników selektywności nie można traktować jako niezależne od pojemności wymiany. Dla
optymalizacji problemów separacji jest jasne, że poza stężeniem eluentu [E y- ] również pojemność wymiany
Q jest ważną wielkością.
(28)

Powyższe rozważania odnoszą się tylko dla jednego anionu analitu. Jeśli dwa różne aniony A x- i B z-
zabiegają o grupy funkcyjne, to wtedy dla współczynników selektywności KA,B zachodzi relacja:
Biorąc pod uwagę równanie 20, najpierw uzyskuje się selektywność α
a następnie, po przekształceniu równań 31a i 31b,
które mogą być uproszczone dla analitów o tym samym ładunku (x=z)
lub
Dla selektywności pomiędzy dwoma podobnie naładowanymi anionami analitu oznacza to, że:
• jest to tylko funkcja współczynników selektywności KA,B oraz ładunków z i x,
• przy stałej KA,B selektywność nie zależy ani od stężenia [Ey- ], ani od składu chemicznego anionu
eluentu (!)
Jeśli A i B mają różne ładunki wtedy:
• α zależy od współczynnika retencji jednego z dwóch analitów,
• dwa współczynniki retencji kA ’ i kB ’ nie są niezależne od siebie (!)
W równaniach 31, 32 i 33 szczególnie interesujące jest to, że selektywności dwóch anionów początkowo
nie zależą ani od składu chemicznego, ani od ładunku anionu eluentu, przy założeniu, że stosunek fazyobjętości
i współczynnik selektywności są stałe. Jednakże w praktyce, zmianę α można uzyskać przez
zróżnicowanie [E y- ]; ponieważ dwa anality o tym samym ładunku mogą bez wątpienia mieć różne
właściwości, np. polaryzowalność i hydratację; może to powodować różne powinowactwa do fazy
stacjonarnej. Jednakże oddziaływanie te nie są brane pod uwagę w klasycznym przekształceniu.
24 Monografia Metrohm’a
(29)
(30)
(31)
(32)
(33)

Modele retencji dla eluentów z kilkoma anionami
Poprzednie obserwacje odnosiły się do systemów elucji z jednym tylko anionem eluentu. W praktyce
obecnych jest kilka związków wymywających, np. w buforach węglanowo/wodorowęglanowych lub w
wielozasadowych kwasach (takich jak kwasy fosforowe), których dysocjacja i wynikający z niej rozkład
związków zależy mocno od pH.
Nawet w prostym przypadku, w którym żaden z uczestniczących anionów eluentu nie bierze udziału w
równowadze kwasowo-zasadowej, relacji pomiędzy współczynnikiem retencji k’ i stężeniem eluentu {E- ] nie
można przedstawić w postaci prostej zależności typu log-log, zgodnie z równaniem 28. Byłoby to możliwe
tylko wtedy, jeśli można by pominąć stężenie lub moc elucyjną anionów innego eluentu; wtedy
odpowiadałoby to modelowi retencji dla eluentów jednowartościowych.
W literaturze opisanych jest kilka modeli dotyczących wieloanionowych eluentów; są one pokrótce opisane
poniżej:
• model dominującej równowagi [21]
• model efektywnego ładunku [22-24]
• model wielu związków eluentu [25, 26].
Jeśli rozważany jest eluent oparty na fosforanach, z H2PO4 - , HPO4 - i PO4 3- (lub inaczej H2P - , HP 2- i P 3- ) oraz
jednowartościowy jon analitu A - , to tworzą się następujące równowagi:
Wielkości x1-3 odpowiadają tu udziałom poszczególnych reakcji w retencji i dlatego
Zarówno model dominującej równowagi, jak i model efektywnego ładunku, proponują szczególny ładunek
dla anionu eluentu, nawet jeśli obecnych jest kilka związków; oznacza to, że można wykorzystać model
retencji dla jednoanionowych eluentów uzyskany w rozdziale 3.4.1.
Model dominującej równowagi zakłada, że równowaga w równaniu 36 jest całkowicie po prawej stronie,
ponieważ P3- w wyniku jego wyższego ładunku jest przyłączony do fazy stacjonarnej o wiele mocniej, niż
H2P- i HP2- . Oznacza to, że jon P3- sam decyduje o elucji, tak więc ładunek anionu eluentu wynosi –3.
Jednakże w praktyce model ten osiąga dobrą zgodność tylko z analitami wielowartościowymi [4].
W modelu efektywnego ładunku obliczany jest efektywny ładunek, biorąc pod uwagę wartość pH, z
ułamków molowych możliwych związków H2P - , HP 2- i P 3- [22]. Przez zastosowanie ich wraz z istniejącymi
stężeniami związków eluentu można uzyskać zależność analogiczną do równania 27. Jednakże wymogiem
dla tego typu obliczeń jest, aby selektywności związków eluentu nie różniły się znacząco w stosunku do
jonów analitu A - . Model efektywnego ładunku ma zastosowanie głównie dla analitów jednowartościowych
[4].
Praktyczna Chromatografia Jonowa 25
(34)
(35)
(36)
(37)

W rzeczywistości model wielu związków eluentu jest najbardziej dogodny dla opisu eluentów, których
składniki są chemicznie otrzymywane jeden z drugiego. Następujące obserwacje oparto na modelu
Mongay i in. [27], który jest dalszym rozwinięciem pracy Jenke i Pagenkopfa [25].
Równania 34 do 36 można wykorzystać do wyrażenia ogólnej równowagi na kolumnie
rozdzielającej (równanie 38). Biorąc pod uwagę równanie 37 można zdefiniować stałe równowagi KA,P dla
procesu wymiany, jeśli pominięte zostaną aktywności (równanie 39).
KA,P
Dalsza obróbka matematyczna jest prowadzona tak, jak w przekształceniu modelu retencji dla jedno
anionowych eluentów. Pod uwagę muszą być głównie wzięte następujące problemy:
• (możliwa) dysocjacja anionu analitu A- ,
• całkowite stężenie składników eluentu: cP = [H2P- ] + [HP2- ] + [P3- ],
• zakres oddziaływań pomiędzy związkami eluentu i grupami funkcyjnymi.
Wprowadzenie współczynników retencji kA ’ (równanie 20) i pojemności Q (równanie 22) dostarcza, po
dalszych matematycznym przekształceniu, skomplikowanego wyrażenia dla kA ’ [28]; tu jest ono podane
tylko w formie logarytmicznej, uproszczonej po raz kolejny:
C3 jest stałą, która podobnie jak w równaniu 27 zawiera wielkości takie jak: stosunek faza-objętość,
pojemność i stałą równowagi; cp jest sumą stężeń składników eluentu. Z równania 40 można
wywnioskować, że nachylenie linii prostych na podwójnie logarytmicznym wykresie musi być zawsze
mniejsze od nachylenia zgodnego z prostym modelem retencji dla eluentów jedno anionowych (równanie
27), ponieważ suma w nawiasach jest zawsze mniejsza od jedności. Jest także jasne, że pH ma
decydujący wpływ na zasięg, do którego istnieje wpływ na zależność log-log.
Dla składników eluentu, które nie są chemicznie uzyskiwane jeden z drugiego, Janoš i in. dostarczyli
modelu, który opracowano dla opisu eluentów zawierających bufor fosforanowy i dodatkowy nadchloran
[29]. Model ten uzyskano zgodnie z założeniami podobnymi do opisanych powyżej, lecz dodatkowo musi
być wzięta pod uwagę równowaga wymiany dla kolejnego, jednowartościowego jonu eluentu. Obliczenia
dostarczają bardzo skomplikowanych wyrażeń dla współczynnika retencji; można je znacznie uprościć
w przypadku eluentów obojętnych lub kwaśnych. Jeśli jedynie kolejny jednowartościowy składnik eluentu
jest obecny w dodatku do nadchloranu, to wtedy uzyskuje się równanie 41, w którym x i y stanowią udziały
odpowiednich reakcji równowagowych (x - bufor fosforanowy; y - nadchloran) w retencji. Podobnie jak w
innych modelach, C jest stałą, podczas gdy współczynnik a, który nie jest dokładniej zdefiniowany,
powinien brać pod uwagę to, o ile mocniej jon nadchloranowy jest związany z fazą stacjonarną, w
porównaniu ze związkami fosforanowymi.
26 Monografia Metrohm’a
(38)
(39)
(40)

Ponieważ w równaniu 41 wyrażenia w nawiasach są zawsze mniejsze od jedności, nachylenie wykresu
log-log jest zawsze mniejsze, niż można by przypuszczać z prostego modelu retencji. W obecnych
zastosowaniach, model odznacza się dobrą zgodnością z danymi doświadczalnymi. Jednakże postać
opisana powyżej nie może być zastosowana dla zasadowych systemów elucyjnych.
3.4.2 Modele retencji w chromatografii kationów
Chromatografię kationów należy podzielić na dwie grupy modeli retencji. Jedna grupa jest związana z
kationami metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych jako analitami, i wymaga tylko jednego systemu
elucji opartego na przemieszczeniu izojonowym. W tym przypadku faza stacjonarna posiada grupy
kwasów karboksylowych jako grupy funkcyjne. Podczas rozdziału jonów metali z dwoma lub więcej
ładunkami ważne jest zastosowanie odczynnika kompleksującego; jego wpływ na retencję opisano
poniżej.
Modele retencji dla eluentów z jednym kationem
Objaśnienia przedstawione w części „Modele retencji dla eluentów z jednym anionem” stosują się
analogicznie dla chromatografii kationów z elucją przez przemieszczenie izojonowe. W praktyce jest to
istotne dla oznaczania metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych, jonu amonowego oraz amin o
krótkich łańcuchach. Poza H + stosowane są kationy organiczne, takie jak kwas 2,3-diaminopropionowy
(DAP), w roli kationów eluentu, w połączeniu z rozcieńczonym kwasem solnym. W zależności od
ustalonego pH eluentu DAP jest obecny w formach jonowych (1) i (2) (Rys. 11). Po supresji uzyskuje się
postać zwitterjonową (3), która nie posiada własnego przewodnictwa.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 27
(41)
Rys. 11. Formy jonowe
kwasu diaminopropionowego
Model retencji dla elucji w obecności odczynników kompleksujących
W chromatografii kationów eluenty, które zawierają odczynnik kompleksujący w dodatku do kationu
eluentu E n+ , wykorzystuje się do rozdziału jonów metali alkalicznych, metali przejściowych i metali
ciężkich. Stosowanymi odczynnikami kompleksującymi są głównie kwasy dwukarboksylowe H2L, takie jak:
kwas winowy, kwas szczawiowy, kwas cytrynowy, a także kwas pirydynodwukarboksylowy. Anality tworzą
kompleksy o różnych trwałościach z anionami odczynników kompleksujących HL - i L 2- ; różnią się także ich
stechiometrie. W wyniku procesu kompleksowania obniża się ładunek efektywny, tzn. ładunek analitu
obecny przez średni okres czasu. Ponieważ występuje to w zgodzie z kinetyką tworzenia kompleksu i
stałymi trwałości kompleksów, więc zwiększają się różnice w selektywności oraz staje się możliwy rozdział
nawet podobnych analitów. Oprócz wymiany jonowej o rozdziale jonów metali obdarzonych większymi
ładunkami decyduje tworzenie kompleksów.

W celu uwzględnienia wpływu odczynnika kompleksującego na rozdział chromatografią jonową,
poszerzono model retencji dla przemieszczenia izojonowego (patrz rozdział 3.4). Wprowadzono wartość
αM jako wielkość wywierającą wpływ, która opisuje stopień utworzenia kompleksu analitu. Udział αM
wolnych jonów analitu w fazie ruchomej jest dany przez:
gdzie [Me ] oznacza całkowite stężenie jonów metalu. Wartość αM można obliczyć ze stałych tworzenia
kompleksu, stałej dysocjacji kwasowej kwasu karboksylowego oraz pH eluentu. Jeśli bierze się pod uwagę
tworzenie kompleksu, to uzyskuje się następujące równanie dla współczynnika dystrybucji DM:
Jeśli założy się, że tylko wolne jony analitu Me x+ oddziałują z grupami kwasu karboksylowego lub kwasu
sulfonowego oraz że c(E z+ )>>c(H + ), to dla równania 21 uzyskujemy:
W podobny sposób, jak w równaniu 25, uzyskujemy logarytmiczną postać równania 47 jako:
Jeśli razem występuje kilka postaci kationów metali, np. Me x+ i MeHL (x-1)+ , to wtedy zwykle otrzymuje się
tylko jeden pik na chromatogramie dla występujących analitów. Ilość uzyskanych pików zależy od kinetyki
równowagi kompleksowania i rozpadu kompleksu w fazie ruchomej. Otrzymuje się tylko jeden pik, jeśli
równowagi kompleksu są uzyskane szybciej w fazie ruchomej, w porównaniu z czasem przebywania
kompleksu na fazie stacjonarnej. Z drugiej strony, jeśli proces kompleksowania następuje powoli, to mogą
wystąpić piki asymetryczne lub wielokrotne.
28 Monografia Metrohm’a
(42)
(43)
(44)
(45)
(46)
(47)
(48)

Jeśli założy się, że wszystkie formy metalu obecne w fazie ruchomej mogą oddziaływać z fazą
stacjonarną, to uzyskuje się zależność dla doświadczalnie wyznaczonego współczynnika pojemności k’exp
analitu:
Uwzględnienie zależności współczynnika pojemności od wielkości wywierających wpływ, takich jak Q, [E y+ ]
oraz αM wymaga, aby zależność przedstawiona w równaniu 48 była wykorzystana jako podstawowa,
ponieważ dwuwartościowe anality tworzą z mocnymi odczynnikami kompleksującymi głównie kompleksy
obojętne lub anionowe.
Obliczenia wartości αM
Zgodnie z równaniem 45, wartość αM jest definiowana jako stosunek stężenia wolnych jonów metalu do
całkowitego stężenia jonów metalu. Stężenia form metalu obecnych w fazie ruchomej można obliczyć z
odpowiednich stałych tworzenia kompleksu oraz stałych dysocjacji używanych kwasów karboksylowych.
Jeśli jako odczynnik kompleksujący w eluentach wykorzystuje się kwas winowy, to wtedy głównie tworzą
się obojętne kompleksy MeL 1:1 z metalami ziem alkalicznych, metalami przejściowymi i metalami
ciężkimi, wraz z mniejszą ilością kompleksu wodorowinianowego MeHL+. W przypadku eluentów z kwasu
winowego uzyskuje się następującą zależność dla obliczeń wartości αM:
gdzie cL jest całkowitym stężeniem kwasu winowego, a αHL i αL są ułamkami molowymi anionów kwasu
HL - i L 2- .
Poza kompleksami typu 1:1 niektóre jony metali tworzą także stabilne kompleksy MeL2 2- z kwasem
szczawiowym i/lub z kwasem pirydynodikarboksylowym, tak więc αM może być obliczone następująco:
Obliczenia dysocjacji kwasu
Wartość pH i stężenie odczynnika kompleksującego w fazie ruchomej określają stężenie ligandu, a zatem
zakres, w którym analit jest kompleksowany. Kwas z dwoma protonami dysocjuje dwustopniowo:
ze stałą
ze stałą
Praktyczna Chromatografia Jonowa 29
(49)
(50)
(51)
(52)
(53)

gdzie KS1 i KS2 to stałe dysocjacji kwasów. Ułamki molowe αHL i αL , wykorzystywane do obliczenia
wartości αM, uzyskuje się z prawa działania mas dla oddzielnych stopni deprotonizacji:
3.5 Systemy detekcji w chromatografii jonowej
Dla wykrywania substancji w dziale HPLC stosuje się różne metody. Wybór odpowiedniego detektora
powinien być zawsze dokonany zgodnie z rozwiązywanym problemem analitycznym. Wymagania
stawiane detektorowi można podsumować następująco:
• wysoka czułość pomiaru i krótkie czasy odpowiedzi,
• sygnał pomiarowy proporcjonalny do stężenia analitu (szeroki zakres liniowości),
• małe zmiany linii bazowej,
• niskie szumy tła,
• najmniejsza możliwa objętość, aby zredukować poszerzanie piku.
Główna różnica przebiega między detektorami selektywnymi i nie-selektywnymi. Podczas gdy detektor
selektywny reaguje bezpośrednio na właściwości analitu, to detektory nie-selektywne reagują na zmiany
jednej z właściwości fizycznych całego systemu elucji, powodowanych przez analit. Ponieważ detektory
stosowane w chromatografii jonowej nie różnią się z zasady od tych stosowanych w "konwencjonalnej"
HPLC, więc najważniejsze systemy detekcji zostaną przynajmniej wspomniane w tym rozdziale.
Uniwersalnym i najczęściej używanym detektorem jest detektor przewodnictwa.
3.5.1 Elektrochemiczne metody detekcji
Detekcja przewodnictwa
Detekcja przewodnictwa, znana także jako detekcja konduktometryczna, ma około 55% udział rynkowy w
dziale chromatografii jonowej [4]. Jeśli weźmiemy pod uwagę ilość sprzedanych chromatografów
jonowych, to obecnie ten udział jest prawdopodobnie o wiele większy. Detekcja przewodnictwa działa na
zasadzie nie-selektywnej; w tym przypadku możliwe są zarówno bezpośrednie, jak i pośrednie metody
detekcji. Ponieważ w chromatografii jonowej jako faza ruchoma często stosowane są elektrolity wodne,
więc detektor musi być zdolny odpowiedzieć na relatywnie małe zmiany ogólnego przewodnictwa eluentu,
spowodowane przez jony analitu. Przez zastosowanie tak zwanych technik supresji własne przewodnictwo
eluentów może być znacząco zmniejszone; w przypadku anionów silnych kwasów jest także możliwe
osiągnięcie znaczącego polepszenia czułości.
30 Monografia Metrohm’a
(54)
(55)
(56)

Przewodnictwo κ jest oznaczane technicznie jako odwrotność oporu R, który wytwarza ciecz pomiędzy
dwoma elektrodami o powierzchni A i w odległości L.
Przewodnictwo równoważnikowe Λ roztworu można określić jako:
Przewodnictwo graniczne Λ ∞ oraz zmiany przewodnictwa ze stężeniem można określić stosując równanie
59. Stałe A i B są stałymi doświadczalnymi dla danej substancji.
Przewodnictwo elektrolitu uzyskujemy przez sumowanie przewodnictw jonowych Λanion - oraz Λkation + :
odległość L
powierzchnia A
Rys. 12. Budowa celi konduktometrycznej
Zgodnie z prawem Kohlrauscha przewodnictwo roztworu rozcieńczonego jest proporcjonalne do sumy
przewodnictw wszystkich jonów, pomnożonych przez ich stężenia.
gdzie κ jest przewodnictwem w S cm -1 , Λ jest przewodnictwem granicznym w S cm 2 (z mol) -1 a c
stężeniem w z mol l -1 (z odpowiada ładunkowi jonu). Współczynnik 1000 wynika z faktu, że 1 lir jest równy
1000 cm 3 .
Zmiana przewodnictwa spowodowana przez analit jest proporcjonalna do stężenia w eluacie,
Praktyczna Chromatografia Jonowa 31
(57)
(58)
(59)
(60)
(61)
(62)

gdzie S i E odpowiadają odpowiednio jonowi analitu i eluatu. Ponieważ w detekcji konduktometrycznej
mierzone są zmiany przewodnictwa, więc w chromatografii anionów występują tylko małe zmiany
przewodnictwa przy wysokich wartościach przewodnictwa bazowego. Oznacza to, że korzystne jest
utrzymywanie przewodnictwa bazowego tak niskiego, jak to tylko możliwe.
Przewodnictwo
(wysokie)
Rys.13. Zmiany przewodnictwa
eluatu podczas rozdziału
mieszaniny wieloskładnikowej
metodą chromatografii
jonowej. Wykresy dotyczą
eluentu o wysokim
przewodnictwie (czerwony)
oraz niskim przewodnictwie
(niebieski).
W chromatografii jonowej przewodnictwo eluatu może być oznaczone albo bezpośrednio, lub po przejściu
przez supresor. Wersje te znane są jako techniki pojedynczej kolumny lub supresora. Preferowaną wersję
można wybrać po wykonaniu przybliżonych obliczeń.
Jeśli w chromatografii anionów stosuje się bezpośrednią detekcję, to wtedy czułość κpiku pomiaru zależy
od różnicy przewodnictw równoważnikowych anionów analitu i eluentu; jeśli chlorki są analitem, a węglany
anionem eluentu, to uzyskujemy następujące równania:
Jeśli eluent jest dostosowany do wymagań detekcji bezpośredniej przewodnictwa, to wtedy przez zamianę
eluentu węglanowego na ftalanowy uzyskuje się następującą czułość:
Z drugiej strony, jeśli przewodnictwo eluentu jest chemicznie obniżone (wymiana kationów eluentu na H +),
to czułość zależy od sumy przewodnictw równoważnikowych anionu analitu i jonu H + ; wtedy dla Cl - jako
anionu analitu otrzymujemy:
Z tych przybliżonych obliczeń można wywnioskować, że w przypadku anionów bezpośrednia detekcja
przewodnictwa jest dziesięć razy mniej czuła od detekcji po supresji chemicznej.
32 Monografia Metrohm’a
niskie

W podobny sposób można wykonać przybliżone obliczenia dla chromatografii kationów, z Na + jako
analitem oraz H + jako kationem eluentu. W przypadku bezpośredniej detekcji przewodnictwa (NaCl/HCl),
uzyskuje się następujące równania na czułość κpiku pomiaru:
Z drugiej strony, jeśli przewodnictwo eluentu jest chemicznie obniżone (wymiana anionów eluentu Cl - na
OH - ) zależność jest następująca:
Oznacza to, że czułość jest lepsza w przypadku bezpośredniej detekcji przewodnictwa kationów niż
detekcji przewodnictwa po supresji chemicznej.
Tabela 2. Przewodnictwo równoważnikowe Λ ∞ wybranych jonów
Kationy Λ + (S cm 2 /val) Aniony Λ - (S cm 2 /val)
H + 350 OH - 198
Li + 39 F - 54
Na + 50 Cl - 76
K + 74 Br - 78
NH4 + 73 I - 77
½ Mg 2+ 53 NO2 - 72
½ Ca 2+ 60 NO3 - 71
½ Sr 2+ 59 HCO3 - 45
½ Ba 2+ 64 ½ CO3 2- 72
½ Zn 2+ 52 H2PO4 - 33
½ Hg 2+ 53 ½ HPO4 2- 57
½ Cu 2+ 55 1/3 PO4 3- 69
½ Pb 2+ 71 ½ SO4 2- 80
½ Co 2+ 53 CN - 82
½ Fe 3+ 70 SCN - 66
N(Et) 4+ 33 Octany 41
½ Ftalany 38
Propioniany 36
Benzoesany 32
Salicylany 30
½ Szczawiany 74
Praktyczna Chromatografia Jonowa 33

Supresorami w chromatografii jonowej mogą być nie ciągle pracujące supresory o upakowanym złożu,
pokazane na rys. 14, lub ciągle pracujące supresory membranowe. Supresory o upakowanym złożu,
w wersji obrotowej, stosowane przez firmę Metrohm, mają trzy identyczne jednostki supresora; podczas
gdy pierwsza jednostka działa jako supresor, druga jest regenerowana, a trzecia przepłukiwana wodą. Po
wykonaniu analizy następuje obrót o 120 stopni i kolumna, która właśnie została przepłukana, jest
wykorzystana jako supresor. Umożliwia to prawie ciągłą pracę.
H2SO4
Eluat
woda
Ścieki Ścieki
Detektor
Rys. 14. Schemat budowy supresora o upakowanym
złożu dla prawie ciągłej pracy.
Supresor membranowy pokazany na Rys. 15 pozwala na ciągłą pracę, jednakże w wyniku zastosowania
membran jonowymiennych powierzchnia membrany podlega zajęciu; zmniejsza to pojemność supresji i w
końcu powoduje zaprzestanie jego działania.
Membrana
wymieniacza
jonowego
Detektor
H2SO4
Ścieki
H2SO4 Ścieki
Eluat
Rys. 15. Schemat budowy ciągle
pracującego supresora membranowego
Detekcja amperometryczna
Z zasady detektory woltametryczne mogą być stosowane dla wszystkich związków posiadających grupy
funkcyjne, które są łatwo utleniane lub redukowane. Detektor amperometryczny jest najważniejszą wersją.
W tym detektorze pomiędzy elektrodę roboczą i elektrodę odniesienia przyłożony jest pewien potencjał.
Jeśli elektrochemicznie aktywny analit, którego potencjał półfali jest taki, że przyłożony potencjał powoduje
redukcję lub utlenienie, przepłynie teraz pomiędzy elektrodami, to popłynie prąd; odpowiada to sygnałowi
pomiarowemu. Amperometria jest bardzo czuła; prędkość przekształcenia wynosi tylko 10%. Poza kilkoma
kationami (Fe 3+ , Co 2+ ) to głównie aniony, takie jak: azotany (III), azotany (V), siarczany oraz halogenki i
pseudohalogenki mogą być oznaczone w dziale analizy jonów. Najważniejsze zastosowania znajduje
jednakże w analizie cukrów metodą chromatografii anionów oraz w analizie klinicznej. Ze względu na inne
zasady pracy detektor kulometryczny zapewnia ilościowe zmiany, jednakże bez zwiększenia czułości.
34 Monografia Metrohm’a

Detekcja potencjometryczna
W detekcji potencjometrycznej stosuje się elektrody jonoselektywne, niektóre z nich odznaczają się
wysoką selektywnością. Bez względu na ich niezbędny wysoki stopień miniaturyzacji czujniki te muszą
działać niezawodnie; w praktyce powoduje to stale problemy. Jest to powodem, dla którego detekcja
potencjometryczna w dziale chromatografii jonowej ogranicza się dotychczas do kilku specjalnych
zastosowań.
3.5.2 Spektroskopowe metody detekcji
Detekcja fotometryczna
Ze względu na bardzo szeroki zakres zastosowań detekcja fotometryczna, lub detekcja UV/VIS, jest
najważniejszą metodą detekcji stosowaną w HPLC, ponieważ faktycznie wszystkie cząsteczki organiczne
zawierają grupy chromoforowe, które są zdolne absorbować w zakresie UV lub widzialnym. Wymagane
jest tylko, aby używany eluent nie absorbował w zakresie używanych długości fali. Z bezpośrednią
detekcją, przy maksimum absorpcji analitu, detekcja UV/VIS jest praktycznie selektywna. Substancje,
które albo mają ograniczoną absorpcję, lub w ogóle jej nie mają, mogą być oznaczone pośrednio w danym
zakresie długości fali, przez pomiar maksimum absorpcji systemu elucyjnego. Na polu analizy jonów
nieorganicznych detekcja UV/VIS odgrywa mniejszą rolę. Podczas, gdy spośród prostych anionów
absorbują tylko takie anality jak: azotany, bromki i jodki, to ważne anality takie jak: fluorki, siarczany lub
fosforany, mogą być tylko mierzone pośrednio [4]. Wiele kationów nie absorbuje w ogóle, lecz szczególnie
metale wielowartościowe lub metale przejściowe mogą być przekształcone w derywatyzacji pokolumnowej
i tworzyć barwne kompleksy ze związkami tworzącymi chelaty, takimi jak 4-(2-pirydylazo)-rezorcinol
(PAR) lub Tiron. Anality podlegające reakcjom redoks, takie jak bromiany lub inne jony tlenohalogenków,
mogą być analizowane przez detekcję UV/VIS, po przejściu reakcji pokolumnowej ze wskaźnikiem
aktywnym elektrochemicznie.
Detekcja fluorescencyjna
Detekcja fluorescencyjna jest bardzo czuła i jest zawsze możliwa, kiedy tylko anality mogą być wzbudzone
do fluorescencji; zwykle zachodzi to dla związków organicznych z poszerzonymi systemami πelektronowymi.
Oznacza to, że typowe zastosowania znajdują się na polu analizy klinicznej i organicznej.
W połączeniu z chromatografią jonową detekcja fluorescencyjna stosowana jest w kilku specjalnych
przypadkach, ponieważ tylko szczególne jony, takie jak Ce 3+ są osiągalne bezpośrednio, a jony nie
fluoryzujące mogą być wykryte jedynie po derywatyzacji. Opracowanie systemów elucyjnych dla tej
metody detekcji jest bardzo trudne, ze względu na jej dużą podatność na oddziaływania z
zanieczyszczeniami. Ponadto zakres liniowości metody jest relatywnie mały (zwykle mniej niż 10 2 ), z
powodu efektów własnej absorpcji.
Techniki łączone
Tak zwane techniki łączone przedstawiają połączenie systemu chromatograficznego z niezależną metodą
analityczną, zwykle spektrometrią [3]. W ostatnich latach metody te znacznie zyskały na znaczeniu.
Chociaż połączenie chromatografu gazowego ze spektrometrem masowym (GC-MS) dobrze się już
utrwaliło, to połączenie HPLC z metodami spektrometrycznymi powoduje wiele problemów technicznych.
W klasycznej HPLC, to znaczy w analizie związków organicznych, możliwe są połączenia ze
spektrometrem masowym (LC-MS), spektrometrem w podczerwieni (LC-FTIR) i spektrometrem jądrowego
rezonansu magnetycznego (LC-NMR) [3]. Szczególnym przypadkiem są skuteczne detektory spektrometrii
atomowej stosowane w chromatografii jonowej (IC). Przykładami są emisyjna spektrometria atomowa oraz
spektrometria masowa z indukcyjnie sprzężoną plazmą (IC-ICP-AES, MS); w wyniku ich specyficzności w
stosunku do pierwiastków oraz czułości dostarczają one doskonałych wyników. Jest to przyczyną
dlaczego, mimo ich wysokich kosztów, systemy te są stosowane w analizie gatunków oraz w ultraśladowej
analizie pierwiastków.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 35

Refraktometria
Refraktometria różnicowa jest kolejną metodą detekcji opartą na metodzie optycznej. Detektor ten zwany
jest także detektorem RI (od Refractive Index – współczynnik refrakcji). Metoda ta jest całkowicie
niespecyficzna i wygodna dla zastosowań uniwersalnych, ponieważ wielkością mierzoną jest zmiana
współczynnika refrakcji czystego eluentu, powodowana przez analit. Jednakże duża czułość
temperaturowa współczynnika refrakcji oznacza, że metoda jest wrażliwa na współoddziaływania. Przy
założeniu, że temperatura jest absolutnie stabilna, metodę cechuje liniowość w zakresie 10 3 . Ponieważ
proste jony nieorganiczne mają bardzo niskie współczynniki refrakcji, więc mogą one być oznaczane
pośrednio, przy zastosowaniu eluentów, do których dodano związki o wysokiej refrakcji.
3.6 Fazy stacjonarne w chromatografii jonowej
Efektywna chromatografia jonowa wymaga materiałów wypełnień, które są wytworzone z bardzo małych
cząstek, tak bliskich kształtowi kuli, jak to tylko możliwe, oraz o wąskim zakresie zmian wielkości. Stosuje
się cząsteczki o średnicach od 2 do 10 µm. Dodatkowo materiał wypełnienia powinny cechować szybkości
wymiany jonowej, które są tak szybkie, jak to możliwe. Poza wielkością cząsteczek także to wpływa na
zachowanie wymieniaczy jonowych.
3.6.1 Przegląd podstawowych faz stacjonarnych
W chromatografii jonowej może zostać wykorzystany szeroki zakres różnych materiałów organicznych i
nieorganicznych. Ich wspólną cechą jest to, że ich powierzchnie posiadają grupy funkcyjne, które mogą
wymieniać jony. Mogą być zastosowane następujące rodzaje substancji [4]:
• modyfikowane organiczne żywice polimerowe,
• modyfikowane żele krzemionkowe,
• sole nieorganiczne (np. polifosforany),
• szkła,
• zeolity,
• tlenki metali (np. Al2O3),
• pochodne celulozy.
Oprócz nich możliwe są również systemy o bardzo złożone budowie, takie jak wymieniacze jonowe o
grupach funkcyjnych składających się z jonów metali alkalicznych, powiązanych z fazą stacjonarną
poprzez etery koronowe. W praktyce najważniejsi przedstawiciele opierają się na modyfikowanych,
organicznych żywicach polimerowych i żelach krzemionkowych. Rys. 16 przedstawia przegląd materiałów
separacyjnych stosowanych w IC:
pokryte polimerami
materiały o przystosowanej powierzchni
kopolimery PS/MA
o przystosowanej powierzchni
kopolimery styrenu i diwinylobenzenu
Wymieniacze jonowe
Żele krzemionkowe Żywice polimerowe
makroporowate
Rys. 16. Fazy stacjonarne stosowane w chromatografii jonowej [4].
mikroporowate
materiały w postaci aglomeratów
zwiazane elektrostatycznie z wiazaniem hydrofobowym
połaczone mechanicznie
36 Monografia Metrohm’a

Wszystkie fazy stacjonarne mogą być następnie różnicowane, w zależności od rodzaju zastosowań
(chromatografia kationowa lub anionowa), lub struktury grup funkcyjnych.
Materiały wypełnienia oparte na żelu krzemionkowym były pierwotnie wykorzystywane dla chromatografii
jonowej. Chociaż mają one dobre właściwości separacyjne i są wyjątkowo odporne mechanicznie, to ich
niestabilność chemiczna powoduje, że mogą być stosowane tylko w zakresie pH od 2 do 7.
Od około 1980 roku stały się dostępne wymieniacze jonowe, które były oparte na polimerach organicznych
i mogły znaleźć zastosowanie w chromatografii jonowej; były one wytwarzane przez modyfikowanie
dostępnych w handlu żywic adsorbcyjnych. Obecnie zwykle stosowane materiały wypełnień oparte są na
kopolimerach styrenu i diwinylobenzenu (PS-DVB) lub polimerach metakrylanowych (MMA).
Te dwa podstawowe typy kopolimerów różnią się głównie polarnością. Kopolimery styrenu i
diwinylobenzenu (PS-DVB) są całkowicie niepolarne i reprezentują fazy odwrócone (RP), podczas gdy
polimery metakrylanowe (MMA) są względnie polarne. Taka sytuacja jest zaletą w IC, ponieważ bardziej
polarne fazy rozdzielające mają mniejsze tendencje do oddziaływań wtórnych, takich jak adsorpcja.
Największą zaletą organicznych żywic polimerowych jest ich duża stabilność chemiczna w całym zakresie
pH. Po rozwiązaniu początkowych problemów ich wydajność chromatograficzna jest podobna do
wydajności cechującej żele krzemionkowe. Jednakże fazy MMA mogą mieć ograniczoną wytrzymałość
mechaniczną, może to ograniczyć długość używanej kolumny rozdzielającej, lub maksymalną możliwą
szybkość przepływu eluentu.
W chromatografii jonowej stosuje się dwa rodzaje faz stacjonarnych, które różnią się zasadniczo[WEK7]:
wymieniacze jonowe z przystosowaną powierzchnią oraz błonkowe wymieniacze jonowe. W pierwszym
przypadku grupy funkcyjne są położone bezpośrednio na powierzchni polimeru lub w jego porach;
materiały błonkowe mają bardzo małe cząsteczki (także z funkcjonalizowaną powierzchnią), które są
przyłączone do większych cząsteczek centralnych [4]. Wiązanie może być albo mechaniczne, albo wynikać
z oddziaływań hydrofobowych lub elektrostatycznych. Rys. 17 pokazuje rozmieszczenie dwóch typów
materiałów wypełnień, wykorzystując wymieniacze anionowe jako przykład.
cząsteczka
polimeru
materiał wiążący
aminowana cząsteczka
lateksu
cząsteczka
polimeru
Rys. 17. Struktura wymieniaczy anionowych z przyłączonymi do powierzchni grupami funkcyjnymi (a) oraz
typu błonkowego z wiązaniem mechanicznym (b)
Błonkowe materiały wypełnień mają wyższą wydajność chromatografowania, ponieważ ścieżki dyfuzji są
bardzo krótkie, z powodu większej odległości grup funkcyjnych od materiału podstawowego; daje to w
wyniku doskonały transfer masy. Jednakże chemiczna stabilność tych faz rozdzielających jest znacznie
mniejsza, niż faz z materiałów o funkcjonalizowanych powierzchniach.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 37

3.6.2 Fazy stacjonarne w chromatografii anionów
Grupa funkcyjna stosowana w chromatografii anionów normalnie jest wytwarzana przez zamianę grupy
kotwicowej na odpowiednią aminę. Tworzy to jony amonowe, które są przyczepione do powierzchni
polimeru. Grupy funkcyjne oparte na azocie są faktycznie jedynymi, używanymi do rozdziału anionów
metodą IC. Opiera się to głównie na ich niezwykle dobrej stabilności chemicznej i prawie nieograniczonej
liczbie możliwych podstawników przy atomie azotu.
Rodniki alkilowe przy dodatnio naładowanym azocie mogą się zmieniać w szerokim zakresie. W
najprostszym przypadku R=H i tworzy się pierwszorzędowy (1°) jon amonowy. Jednakże może on zostać
pozbawiony protonu przy wyższych wartościach pH i stracić swój ładunek. W tym typie materiału
wypełnienia pojemność wymiany zależy od pH eluentu i dlatego są one także znane jako słabo zasadowe.
Jeśli atomy wodoru są teraz podstawione kolejno przez grupy alkilowe, to wtedy najpierw tworzą się
drugorzędowe (2°), a następnie trzeciorzędowe (3°) grupy amonowe; one także mogą zostać pozbawione
protonów. Tylko wtedy, gdy wszystkie rodniki R składają się z grup alkilowych, pojemność lub ładunek nie
zależą od pH eluentu i uzyskuje się silnie zasadowy czwartorzędowy (4°) wymieniacz anionowy. W
chromatografii normalnie jest celem pojemność niezależna od pH, więc stosuje się tylko materiały
całkowicie alkilowane. Dla specjalnych zastosowań, takich jak analiza białek lub techniki wstępnego
zatężania, stosuje się także materiały słabo zasadowe.
Dwie najważniejsze grupy funkcyjne w chromatografii anionów uzyskuje się z trimetyloaminy (TMA) i
dimetyloetanoloaminy (2-dimetylamionoetanol, DMEA). Praktycznie wszystkie dostępne w handlu materiały
separacyjne używają jednej z tych grup. Grupy TMA znane są także w literaturze jako grupy Typu I; grupy
DMEA jako Typu II. Inne grupy funkcyjne, ściśle związane z tymi wspomnianymi powyżej, przedstawiono
na Rys. 18:
Rys. 18 Przegląd najważniejszych grup funkcyjnych wymienionych w tej pracy
TMA: trimetyloamina (Typ I) DEMA: dietanolometyloamina
EDMA: etylodimetyloamina TEA: trietanoloamina
DMEA: dimetyloetanoloamina (Typ II)
W materiałach handlowych, które zwykle uzyskuje się z typu I lub II, dokładne położenie grup funkcyjnych
jest dobrze strzeżoną tajemnicą [4].
3.6.3 Fazy stacjonarne w chromatografii kationów
W chromatografii kationów stosuje się zarówno materiały oparte na żelu krzemionkowym, jak i materiały
bazujące na polimerach. W przeciwieństwie do chromatografii anionów, z jej zwykle alkalicznymi eluentami,
warunki dla chromatografii kationów pozwalają także na użycie żeli krzemionkowych.
38 Monografia Metrohm’a

3.6.4 Wymieniacze kationowe oparte na żelu krzemionkowym
Pośród wymieniaczy kationowych opartych na żelu krzemionkowym wyróżnia się materiały z bezpośrednio
dołączonymi grupami funkcyjnymi oraz materiały pokryte polimerem.
Praktycznie jedynymi doniesieniami dotyczącymi materiałów z bezpośrednio dołączonymi grupami
funkcyjnymi, są te o silnie kwaśnych wymieniaczach, z grupą kwasu sulfonowego [a2, a4]. Mają one dobrą
wydajność chromatografowania, lecz są nieodpowiednie dla jednoczesnego oznaczenia metali alkalicznych
i metali ziem alkalicznych, z powodu dużych różnic w powinowactwie.
W żelach krzemionkowych pokrytych polimerami, tak zwanych fazach Schomburga, powierzchnia
krzemianowa jest pokryta „prepolimerem”, który jest następnie unieruchomiony przez usieciowanie.
Poprzez kolejne dołączanie grup funkcyjnych można uzyskać różnorodne typy wymieniacza. W celu
uzyskania słabo kwaśnych wymieniaczy kationowych stosuje się kwas polibutadienomaleinowy (PBDMA),
który następnie jest na miejscu gruntownie usieciowany [30]. Z powodu cienkiej warstewki polimeru, o
grubości od około 1 do 5 nm [31], ścieżki dyfuzji są krótkie i w efekcie uzyskiwany jest wysoki stopień
wydajności chromatografowania.
Istnieje duża ilość zastosowań wymieniaczy jonowych opartych na żelu krzemionkowym. Jednoczesny
rozdział metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych jest jednym z najczęstszych zastosowań; możliwy
jest również rozdział jonów metali przejściowych i metali ciężkich. Jednakże kilka ujemnych ich stron
zapobiega powszechnemu zastosowaniu wymieniaczy jonowych opartych na żelu krzemionkowym:
• Przy pH7 wzrasta znacznie rozpuszczalność żelu krzemionkowego; prowadzi to do zmniejszenia
stabilności mechanicznej wypełnienia, rozpadu cząsteczek i martwej objętości na początku kolumny.
3.6.5 Wymieniacze kationowe oparte na polimerach organicznych
Jako matrycę stosuje się głównie żywice utworzone przez kopolimeryzację styrenu i diwinylobenzenu. Nie
istnieją tu ograniczenia wymienione dla wymieniaczy z żelu krzemionkowego; mogą być one stosowane w
całym zakresie pH (od 0 do 14) i są także nieaktywne w stosunku do fluorków. Chociaż ich odporność na
ciśnienie jest mniejsza, niż żeli krzemionkowych, jest jednak ogólnie nadal wystarczająca, za wyjątkiem
kilku żywic metakrylanowych.
Większość dostępnych w handlu wymieniaczy kationowych wykorzystuje jako grupy funkcyjne grupy
kwasów sulfonowych. Mogą one być przyłączone do układu aromatycznego albo bezpośrednio, lub przez
łącznik o zmiennej długości. Wymieniacze z kwasów sulfonowych z łącznikami mają znacznie lepszą
wydajność chromatografowania; długość łącznika ma drugorzędne znaczenie. Nie nadają się one dla
jednoczesnego oznaczania metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych z powodu dużych różnic w
powinowactwie.
3.6.6 Wymieniacze kationowe błonkowe
Wymieniacze błonkowe są tak samo dostępne, jak bezpośrednio modyfikowane żywice. Mają one układ
dwuwarstwowy, ponieważ nie jest możliwe przedstawienie całkowicie aminowanej cząsteczki substratu.
Dlatego też całkowicie sulfonowana cząsteczka substratu jest najpierw otoczona warstewką aminowanych,
a następnie warstewką sulfonowanych cząsteczek lateksu. Przyłączanie odbywa się poprzez
oddziaływania elektrostatyczne lub van der Waalsa. Względnie duża średnica cząsteczek substratu (10-30
µm) powoduje porównywalnie niskie ciśnienie wsteczne. Mała średnica cząsteczek lateksu (20-250 nm)
pozwala na krótkie ścieżki dyfuzji i odpowiednio szybkie procesy wymiany, co prowadzi do wysokiej
sprawności kolumny rozdzielającej. Niedogodnością materiałów błonkowych jest ich czułość na
rozpuszczalniki organiczne [32] oraz fazy ruchome o wysokiej mocy jonowej, ponieważ w tym przypadku
cząsteczki lateksu są stopniowo przemieszczone.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 39

Jednoczesne oznaczenie metali alkalicznych i ziem alkalicznych jest możliwe przy zastosowaniu wersji
zmodyfikowanej, w której warstwa aminowana jest związana kowalencyjnie. Jednakże różnice w
selektywności pomiędzy potasem, magnezem i wapniem są zbyt duże, tak więc konieczne są relatywnie
długie czasy analizy. Może to być powiązane ze stosowanymi silnie kwaśnymi grupami kwasu
sulfonowego.
3.6.7 Fazy stacjonarne w chromatografii wykluczania jonowego (IEC)
Wybór faz stacjonarnych dla IEC jest bardzo ograniczony. Tworzenie membrany Donnana przez
zdysocjowane grupy funkcyjne jest ważne dla procesu rozdziału. Ich ilość powinna być względnie duża.
Dodatkowo materiał wypełnienia powinien unikać adsorpcji analitu na fazie stacjonarnej tak, jak to tylko
możliwe. Ponieważ anality pochodzą głównie z grup kwasu karboksylowego lub cukrów, celem jest
możliwie najbardziej polarna powierzchnia. Praktycznie nie stawia się wymagań kinetyce reakcji wymiany
jonowej, ponieważ rozdział opiera się na mechanizmie wykluczania. Słabo usieciowane polimery styrenu
i diwinylobenzenu (PS/DVB) są prawie jedynymi stosowanymi; są one całkowicie sulfonowane.
3.6.8 Znaczenie pojemności wymieniaczy jonowych
Poza gatunkiem matrycy i typem grup funkcjonalnych, najważniejszą wielkością charakteryzującą
wymieniacze jonowe jest pojemność wymiany Q. Dostarcza ona informacji o ilości miejsc dostępnych dla
wymiany jonowej.
Pojemność wymiany jest zwykle podawana w gramach suchego materiału wypełnienia, albo w
mikrogramorównoważnikach (µgeq/g), lub w mikromolach (µmol/g) [2]. Podawane są także inne informacje
[33]. Dla celów analitycznych wymieniacze jonowe można w przybliżeniu podzielić ze względu na ich
pojemność na:
• materiały o małej pojemności: Q < 100 µmol/g
• materiały o średniej pojemności 100 < Q < 200 µmol/g
• materiały o dużej pojemności Q > 200 µmol/g
Fazy separacyjne stosowane w klasycznych wymieniaczach jonowych należą wszystkie do typu o dużej
pojemności, w zakresie od 3 do 5 mmol/g [4].
Powyższa definicja pojemności opiera się na całkowitej równowadze zachodzącej pomiędzy fazą
stacjonarną i ruchomą; dlatego znana jest także jako pojemność statyczna. W przeciwieństwie do tego
pojemność dynamiczna (efektywna) jest rozumiana jako liczba grup funkcyjnych, które są aktualnie
dostępne podczas procesu chromatograficznego. Jest ona zawsze mniejsza od pojemności statycznej
[2,4].
Pojemność wymiany można wyznaczyć różnymi sposobami [33]:
• wolumetrycznie lub miareczkowo,
• przez analizę elementarną,
• przez oznaczanie czasów retencji.
Wszystkie te metody dostarczają różnych wartości dla Q dla tego samego materiału. W praktyce
najczęściej stosowane są metody wolumetryczne. W przypadku wymieniaczy anionowych, pakowana
kolumna rozdzielająca, lub określona ilość żywicy jest napełniana, np. roztworem chlorków. Po wymyciu
pozostałych chlorków kolumna lub żywica może być przepłukana azotanem. Ilość wymytych chlorków,
która odpowiada statycznej pojemności wymiany w warunkach równowagi, może zostać zmiareczkowana
roztworem AgNO3 i oznaczona ilościowo.
Zależność wymieniaczy jonowych od pH można na ogół pominąć. W przypadku wymieniaczy kationowych,
pojemność słabo kwaśnych grup kwasu karboksylowego (R-COOH) jest podawana tylko przy wyższych
wartościach pH (usuwanie protonów), podczas gdy mocno kwaśne grupy kwasu sulfonowego (R-SO3H) są
zawsze całkowicie pozbawione protonów i dostarczają pojemności niezależnej od pH.
40 Monografia Metrohm’a

W połączeniu z modelami retencji (rozdział 3.4) oczywista staje się ważność Q dla wyboru systemu elucji i
detekcji. Uniwersalna detekcja przewodnictwa była praktycznie niemożliwa do zrealizowania z eluentami o
dużej mocy jonowej, bez względu na to, jaką specjalną technikę stosowano. To było przyczyną dlaczego,
od wprowadzenia chromatografii jonowej w roku 1975, stosowano faktycznie tylko kolumny rozdzielające o
niskiej pojemności. Dotychczas wymieniacze jonowe o dużej pojemności opisywano tylko w
zastosowaniach IC w połączeniu z technikami detekcji, które nie są tak mocno ograniczane przez system
elucji, takimi jak detekcja UV-Vis [2,4].
Podczas gdy materiały rozdzielające o małej pojemności są bardzo wygodne dla analizy próbek o małej
mocy jonowej i małym ładunku matrycy, to przy większych mocach jonowych szybko osiągają swoje
granice. Występują efekty przeładowania ze względu na małą liczbę grup funkcyjnych; powoduje to
deformacje pików i dramatyczny spadek wydajności. Występują także problemy jeśli obecne są anality o
bardzo różnych stężeniach; zdarza się to prawie zawsze w analizie ultra-śladów.
3.7 Eluenty w chromatografii jonowej
Podobnie jak we wszystkich rozdziałach metodą chromatografii cieczowej, faza ruchoma jest również w
chromatografii jonowej najłatwiejszym parametrem do zmiany, kiedy chcemy wpłynąć na rozdział. W
przeciwieństwie do tego kolumna rozdzielająca i system detekcji w większości przypadków są z góry
ustalone.
Wyboru odpowiedniego systemu elucji można dokonać stosując szeroki zakres kryteriów. W chromatografii
anionów powinny być brane pod uwagę, między innymi, następujące parametry [4]:
• kompatybilność z metodą detekcji,
• postać chemiczna i stężenie jonu eluentu,
• pH,
• pojemność buforowa,
• zawartość rozpuszczalnika organicznego (modyfikatory).
W związanej z tym problemem literaturze [2,4,5] dyskusja na temat faz ruchomych odbywa się głównie pod
kątem ich przydatności dla tak zwanej techniki pojedynczej kolumny lub dla techniki supresora. Tak będzie
i poniżej, nawet jeśli punktem ogniskowym przedmiotu tej pracy jest pojemność wymiany Q kolumny
rozdzielającej. Najpierw podane jest krótkie objaśnienie terminów „technika pojedynczej kolumny” i
„technika supresora”. Podobnie jak w poprzednim rozdziale, obserwacje są ograniczone głównie do
chromatografii anionów.
3.7.1 Chromatografia anionów
Technika pojedynczej kolumny
W technice pojedynczej kolumny, którą wprowadzili do chromatografii jonowej Gjerde i współpracownicy w
roku 1979 [33], wylot kolumny rozdzielającej jest bezpośrednio przyłączony do detektora; odpowiada to
klasycznemu podłączeniu instrumentu HPLC. W celu odróżnienia jej od drugiej, głównej wersji IC, technika
ta jest także znana jako „chromatografia jonowa bez supresji”. Eluent zawierający anality opuszcza
kolumnę rozdzielającą i nie jest zmieniony chemicznie. Ilość możliwych systemów elucji, o różnych
charakterystykach chemicznych, jest prawie nieograniczona. Poza problemem rozdziału musi być brana
pod uwagę tylko kompatybilność eluentu z detektorem. Na przykład, jeśli zamierza się stosować
bezpośrednią detekcję UV, to eluent nie może absorbować w związanym z nim zakresie widma.
W technice pojedynczej kolumny nie są nałożone ograniczenia na system detekcji, więc z zasady mogą
być stosowane wszystkie zwykłe detektory HPLC.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 41

Dla wymieniaczy anionowych o małej pojemności (< 100 µmol na kolumnę rozdzielającą) dostępny jest dla
techniki pojedynczej kolumny cały szereg eluentów o różnych charakterystykach chemicznych. Stężenie
eluentów jest zwykle w niskim zakresie mol/kg, lub nawet poniżej. Mogą być stosowane między innymi
niżej wymienione klasy substancji [4]:
• aromatyczne kwasy karboksylowe,
• alifatyczne kwasy karboksylowe,
• kwasy sulfonowe,
• wodorotlenki alkaliczne,
• kwasy nieorganiczne, takie jak H2SO4, HCl lub H3PO4.
W szczególnych przypadkach mogą być stosowane odczynniki kompleksujące, takie jak EDTA, lub
kompleksy boran-mannitol.
Najważniejszą grupą związków są aromatyczne kwasy karboksylowe i ich sole. Na rys. 19 pokazano ich
najczęściej stosowanych przedstawicieli.
kwas benzoesowy kwas 4-hydroksybenzoesowy kwas salicylowy kwas ftalowy
Rys. 19 Budowa najważniejszych aromatycznych kwasów karboksylowych stosowanych w technice
pojedynczej kolumny.
Ta klasa substancji jest stosowana tak często, ponieważ roztwory kwasów i ich soli posiadają bardzo
wysoką moc elucji w połączeniu z relatywnie niskim własnym przewodnictwem, mogą więc być stosowane
dla bezpośredniej detekcji przewodnictwa. W przypadku kwasów wielozasadowych ładunek, a zatem także
moc elucji, mogą być kontrolowane poprzez pH. Jednakże powinno to być prowadzone bardzo dokładnie.
Aromatyczne kwasy karboksylowe odznaczają się wysoką absorpcją w zakresie UV widma, mogą więc być
stosowane korzystnie w pośredniej detekcji UV/VIS.
Te same założenia stosują się z zasady dla aromatycznych kwasów sulfonowych, takich jak kwas ptolueno
sulfonowy; są one zawsze obecne w stanie deprotonowanym i dlatego nie posiadają pojemności
buforowej. Ich moc elucji można kontrolować tylko poprzez stężenie.
Alifatyczne kwasy karboksylowe, takie jak kwas szczawiowy i kwas cytrynowy, posiadają wysokie własne
przewodnictwo, lecz są przepuszczalne dla promieniowania UV, mogą więc być stosowane do
bezpośredniej detekcji UV-VIS. Odnosi się to także do alifatycznych kwasów sulfonowych, z których kwas
metanosulfonowy jest jednym z najczęściej używanych. Wyższe homologi obu klas związków, z ich długimi
łańcuchami węglowodorów i niskimi przewodnictwami równoważnikowymi, z którymi to jest związane,
przedstawiają możliwość zastosowania do bezpośredniej detekcji konduktometrycznej [2, 4].
Wodorotlenki alkaliczne mają tylko bardzo ograniczone zastosowanie w technice pojedynczej kolumny,
ponieważ jon OH- posiada najniższe powinowactwo (ze wszystkich możliwych anionów eluentów) do
czwartorzędowych grup amonowych. W wyniku tego wymagane są wysokie stężenia eluentu, nawet przy
niskich pojemnościach, tak więc, w najlepszym przypadku, może być stosowana tylko pośrednia detekcja
konduktometryczna. W przeciwieństwie do tego łatwa jest detekcja UV/VIS, chociaż jon wodorotlenkowy,
całkowicie przepuszczalny dla UV, odznacza się przy wyższych stężeniach wyraźną absorpcją poniżej 220
nm.
42 Monografia Metrohm’a

Jeśli stosuje się kwasy nieorganiczne lub ich sole, wtedy ich faktycznie całkowita dysocjacja i towarzyszące
wysokie przewodnictwo oznaczają, że zastosowane mogą być tylko detektory fotometryczne. Jeśli
zastosuje się kwas fosforowy lub fosforany, to pojemność buforowa i moc elucji mogą być kontrolowane
poprzez pH eluentu.
Większość wspomnianych tu eluentów pozwala także na zastosowanie innych systemów detekcji, takich
jak amperometria, fluorymetria lub techniki łączone. Jeśli chcesz zastosować wspomniane wyżej systemy
elucji z tymi detektorami, odwołaj się proszę do odpowiedniej literatury [2, 4, 5].
Technika supresji
Technika supresji jest techniką detekcji zastosowaną po raz pierwszy, kiedy wprowadzano IC [1]. W
przeciwieństwie do techniki pojedynczej kolumny metoda ta wykorzystuje tylko detekcję
konduktometryczną. W technice supresji tak zwany supresor jest umieszczony pomiędzy kolumną
rozdzielającą a detektorem, dlatego też technika ta jest także znana jako „chromatografia jonowa z
supresją” [2,4]. Zarówno eluent, jak i anality, są modyfikowane chemicznie w supresorze, ma to szczególne
znaczenie ze względu na następującą detekcję konduktometryczną. Supresor ma za zadanie zmniejszenie
własnego przewodnictwa eluentu oraz, jeśli to możliwe, zwiększenie wykrywalności analitów.
Zasada supresji chemicznej jest przedstawiona w równaniach 63 i 64 dla zastosowania w chromatografii
anionów. Zastosowano eluent NaHCO3, analitem jest jon chlorkowy. Supresja jest prowadzona z silnie
kwaśną postacią H + wymieniacza kationowego.
W najprostszym przypadku jednostka supresora składa się z kolumny dołączonej po kolumnie
rozdzielającej, stąd pochodzi starszy termin „technika dwukolumnowa”. Eluent wodorowęglan sodu ulega
zobojętnieniu zgodnie z równaniem 63, ponieważ jony sodu są zastąpione przez protony. To dramatycznie
zmniejsza przewodnictwo własne eluentu. Analit Cl - sam nie jest zmieniony (równanie 64) ale jego jon
przeciwny Na + jest wymieniony na H + , który ma znacząco wyższe przewodnictwo równoważnikowe [19].
Ponieważ detektor zapisuje jako sygnał sumę przewodnictw analitu i jonu przeciwnego, te dwie
zachodzące reakcje powodują wyraźnie lepszą czułość.
Kolumny z wymieniaczami kationowymi w postaci H+, pierwotnie stosowane jako supresory, miały
znaczący wpływ na poszerzenie pików. Dodatkowo nie mogły one pracować ciągle, ponieważ wymieniacz
kationowy musiał być regenerowany. Dlatego też obecnie stosowane są głównie ciągle pracujące
supresory membranowe; w nich to odczynnik regenerujący (zwykle rozcieńczony kwas siarkowy), oraz
eluent są przepuszczane jeden po drugim na zasadzie przeciwprądu [6].
Oprócz swych zalet technika supresora ma także kilka istotnych niedogodności. W praktyce tylko te
eluenty, które są oparte na wodorotlenkach alkalicznych, lub węglanach, mogą ulegać skutecznej supresji
w chromatografii anionów. Aniony słabszych kwasów, np. octany lub fluorki, są prawie całkowicie
protonowane po reakcji supresji, tak więc ich wykrywalność jest znacznie mniejsza w porównaniu z
techniką pojedynczej kolumny. Wielowartościowe kationy muszą być usunięte przed analizą, ponieważ
tworzą nierozpuszczalne wodorotlenki, które wytrącają się w kolumnie rozdzielającej i mogą spowodować
jej zablokowanie.
Jak już zapewne stało się jasne, technika supresora jest synonimem supresji chemicznej eluentu z
zastosowaniem bezpośredniej detekcji przewodnictwa [2,4]. Technika ta jest niezwykle rozpowszechniona
w chromatografii anionów, głównie dlatego, że w wielu przypadkach jest bardziej czuła, niż bezpośrednia
detekcja konduktometryczna stosowana w technice pojedynczej kolumny. Własne przewodnictwo
klasycznych eluentów (np.2 mmol/kg roztwór ftalanu, pH=8) w technice pojedynczej kolumny wynosi około
200 µS/cm. Dla podlegających supresji eluentów jest zwykle niższe, przynajmniej o 10 razy.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 43
(63)
(64)

Supresja chemiczna własnego przewodnictwa jest możliwa tylko dla kilku eluentów. Są to roztwory [4]:
• wodorotlenków alkalicznych,
• węglanów i wodorowęglanów alkalicznych,
• boranów (np. B4O7 2- ),
• aminokwasów.
W praktyce z eluentów wymienionych powyżej tylko wodorotlenki alkaliczne i bufory węglanowe mają
większe znaczenie, co oznacza, że wybór potencjalnej fazy ruchomej jest bardzo ograniczony.
Jon wodorotlenkowy jest niezwykle słabym jonem eluentu, tak więc nawet w przypadku materiałów
separacyjnych o małej pojemności należy prowadzić pracę przy stężeniach powyżej 50 mmol/kg. Jeśli
stosuje się bardzo polarne grupy funkcyjne, to wtedy względna siła retencji jonu OH- może być znacząco
zwiększona przez zastosowanie selektywności wodorotlenku. Z eluentami OH- manipulacje czasami
retencji lub selektywnościami mogą być prowadzone tylko poprzez stężenia.
Zastosowanie węglanów i wodorowęglanów alkalicznych pozwala na znacząco bardziej elastyczne
systemy elucyjne. Obydwa związki HCO3- i CO32- po supresji występują jako kwas węglowy H2CO3, który
jest zdysocjowany tylko w bardzo niewielkim zakresie. Pod względem mocy elucji wodorowęglan jest tylko
nieznacznie silniejszy niż wodorotlenek, podczas gdy węglan jest względnie mocnym eluentem. Oba
aniony są zwykle używane razem; prowadzi to do eluentu z efektem buforowym, którego moc elucji może
być łatwo kontrolowana przez stężenia obydwu składników oraz stosunek ich stężeń. Ze względu na
ładunki na składnikach eluentu można bardzo wybiórczo wpływać na selektywność jednowartościowych i
dwuwartościowych analitów. Stosunek stężeń dwóch jonów eluentu może być także bardzo dokładnie
dopasowany poprzez pH, dlatego też zakres pH stosowany dla eluentów HCO3-/CO32- leży pomiędzy 8 i
11. Tak jak w przypadku eluentów OH-, można przyspieszyć elucję przez zastosowanie faz stacjonarnych z
polarnymi grupami funkcyjnymi.
Obydwa systemy elucji mogą być stosowane z powodzeniem z wymieniaczami jonowymi z
funkcjonalizowanymi powierzchniami wtedy, gdy albo matryca (kopolimery metakrylanowe), lub grupy
funkcyjne posiadają wysoką polarność. Dla kolumn rozdzielających opartych na styrenie i diwinylobenzenie
(PS-DVB) zaobserwowano bardzo słabe symetrie pików oraz długie czasy retencji dla słabych analitów
(azotany, bromki), nawet kiedy stosuje się polarne grupy funkcyjne. W przypadku materiałów błonkowych
efekty te nie są tak zaznaczone, co wyjaśnia ich nadzwyczajnie szerokie wykorzystanie w technice
supresora [2,4].
3.7.2 Chromatografia kationów
3.7.2.1 Chromatografia kationów metali alkalicznych, metali ziem alkalicznych oraz jonów amonowych z
detekcją konduktometryczną
W rozdziale metodą chromatografii jonowej, zarówno metali alkalicznych i jonów amonowych, jak i krótkołańcuchowych
amin alifatycznych na sulfonowanych fazach rozdzielających, jako eluenty stosuje się
głównie kwasy mineralne takie jak HCl lub HNO3 [4]. Stężenie kwasu w eluencie zależy od typu i
pojemności używanego wymieniacza kationowego, i wynosi kilka mmol/l. Dwuwartościowe kationy, takie
jak metale ziem alkalicznych, nie mogą być eluowane przez kwasy mineralne, ponieważ mają one
znacząco wyższe powinowactwo do fazy stacjonarnej i dramatyczny wzrost stężenia kwasu mógłby
spowodować detekcję zbyt mało czułą lub oznaczać, że supresja nie byłaby dłużej gwarantowana. Jako
alternatywę dla rozdziału jonów metali ziem alkalicznych, można także stosować organiczną zasadę, taką
jak etylenodiamina. Przy niskich wartościach pH jest ona protonowana i jest obecna jako dwuwartościowy
kation.
Jednoczesna analiza kationów metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych na mocno kwaśnych
wymieniaczach kationowych jest prowadzona głównie z eluentami, które zawierają kwas solny i kwas 2,3diaminopropionowy
[2]. Przez zmianę pH jest możliwa zmiana stopnia protonowania grup aminowych, a
zatem mocy elucyjnej kwasu 2,3-diaminopropionowego (patrz rozdział 3.4.2).
44 Monografia Metrohm’a

W systemach chromatografii jonowej bez supresji można także stosować jako eluenty słabe kwasy
organiczne, jako dodatek do kwasów mineralnych. Stosowanymi kwasami organicznymi są np.: kwas
szczawiowy, kwas cytrynowy, kwas winowy. W celu selektywnego wpłynięcia na czasy analizy
indywidualnych kationów stosuje się odczynniki kompleksujące, takie jak kwas 2,6-pirydynodikarboksylowy
(PDCA) oraz eter koronowy 18-crown-6.
Istnieją dwa różne typy detekcji konduktometrycznej. Jeśli podstawowe przewodnictwo eluentów jest
wysokie, np. w przypadku rozcieńczonych kwasów mineralnych z powodu wysokiego przewodnictwa jonów
H + , wtedy możliwa jest bezpośrednia detekcja konduktometryczna, z analitami posiadającymi wyraźnie
niższe przewodnictwo niż eluent. Oznacza to, że tworzą się negatywne piki, które jednakże mogą być
przekształcone w normalny chromatogram przez zmianę polarności detektora lub przez prostą inwersję.
Jeśli jakość detektora konduktometrycznego nie pozwala na czułe pomiary przewodnictwa na wysokim
poziomie, wtedy także dla chromatografii kationów stosuje się supresję. Budowa supresorów dla
chromatografii kationów jest o wiele bardziej skomplikowana, niż dla chromatografii anionów
i charakteryzuje je także o wiele krótszy czas pracy.
3.7.2.2 Chromatografia kationów metali przejściowych i metali ziem alkalicznych z derywatyzacją
pokolumnową i detekcją fotometryczną
Jednowartościowe kationy, takie jak H + lub Na + , nie nadają się do zastosowania jako eluenty dla rozdziału
jonów metali przejściowych i metali ciężkich, ponieważ współczynniki selektywności analitów z trudem
różnią się przy tym samym ładunku. Jednakże można uzyskać rozdział poprzez wprowadzenie wtórnej
równowagi. Dokonuje się tego przez zastosowanie jako eluenty kwasów karboksylowych tworzących
kompleksy (patrz Rys. 20), takich jak kwas cytrynowy, kwas szczawiowy i kwas winowy. Wraz z jonami
metali tworzą one kompleksy obojętne lub anionowe (patrz rozdział 3.4).
kwas winowy kwas szczawiowy kwas cytrynowy
Rys. 20. Różne kwasy karboksylowe jako eluenty w chromatografii kationów.
Poprzez kompleksowanie kationów metali zmniejszona jest efektywna gęstość ładunku analitów.
Dodatkowo, różne stałe tworzenia kompleksów indywidualnych jonów metali zwiększają selektywność
rozdziału. Mechanizm elucji jest wynikiem izojonowego przemieszczenia przeciw-jonu (efekt wypychania) i
tworzenia kompleksu (efekt ciągnięcia) przez ligandy tworzące kompleksy [4].
Na rys. 21 pokazano równowagi pomiędzy analitami M 2+ , odczynnikiem kompleksującym L 2- i przeciwjonami
E + , które uczestniczą w procesie elucji.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 45

efekt ciągnięcia czynnika kompleksującego
efekt pchania przeciw-jonu
Rys. 21. Schemat równowag
uczestniczących w
procesie wymiany [4].
Zasięg izojonowego przemieszczenia przez przeciw-jony E + jest określony przez powinowactwo kationu do
fazy stacjonarnej. Z jednowartościowymi przeciw-jonami kation o większym powinowactwie do fazy
stacjonarnej ma silniejszy efekt elucyjny. Wpływ czynnika kompleksującego można zróżnicować,
zmieniając pH i stężenie eluentu. Dodatkowo można wpłynąć na siłę elucji, przez zastosowanie kilkunastu
czynników kompleksujących oraz przez zastosowanie kationu dwuwartościowego jako przeciw-jonu.
Podczas, gdy oba typy detekcji konduktometrycznej są przydatne dla detekcji metali alkalicznych i metali
ziem alkalicznych, to jony metali przejściowych i ciężkich mogą być oznaczone jedynie przez bezpośredni
pomiar przewodnictwa bez supresora. Jeśli miałaby zostać zastosowana technika supresora, to metale te
winny być przekształcone w nierozpuszczalne (w większości) wodorotlenki poprzez reakcję supresora.
Bezpośrednia detekcja konduktometryczna jest możliwa tylko wtedy, kiedy eluenty o niskim przewodnictwie
podstawowym są stosowane razem z wymieniaczami kationowymi o małej pojemności.
Dlatego też derywatyzacja pokolumnowa, z tworzeniem wykrywanych fotometrycznie kompleksów metali,
jest stosowana głównie dla detekcji jonów metali przejściowych i metali ciężkich. Po opuszczeniu kolumny
rozdzielającej eluat miesza się z odczynnikiem metalochromowym w reaktorze; reaguje on z analitami i
tworzy barwne kompleksy metali, które mogą być wykryte fotometrycznie. Jako czynniki barwiące może
być zastosowany szeroki zakres barwników azowych [2,4]; reagują one z dużą ilością kationów metali.
Metale przejściowe i lantanowce reagują z 4-(2-pirydylazo)-rezorcyną (PAR) (Rys. 22) i tworzą barwne
kompleksy. Lantanowce i aktynowce można wykryć stosując kwas 2,7-bis(2-arsenofenylazo)-1,8dihydroksynaftaleno-3,6
disulfonowy (Arsenazo III). Kwas pirokatecholo-3,5-disulfonowy (Tiron) nadaje się
do pokolumnowej derywatyzacji glinu.
Rys. 22. Budowa wskaźnika metali PAR
PAR jest stosowany głównie dla detekcji jonów metali przejściowych i ciężkich. Tworzy barwne kompleksy
z Fe, Co, Ni, Cu, Zn, MN, Pb i Cd; absorbują one przy długościach fali od 490 do 529 nm, ze
współczynnikami absorpcji do 104 L mol -1 cm -1 i można je wykryć fotometrycznie. Czułość metody opiera
się na fakcie, że współczynniki ekstynkcji kompleksu metal-PAR są duże, w porównaniu
ze współczynnikiem absorpcji odczynnika przy stosowanych długościach fali.
46 Monografia Metrohm’a

3.7.2.3 Chromatografia jonowo- wykluczająca
W chromatografii wykluczania jonowego IEC wybór odczynnika do elucji, podobnie jak materiału
wypełnienia, nie jest zbyt ekscytujący. Zakres rozciąga się od czystej wody do rozcieńczonych kwasów
mineralnych. Wybierając najbardziej odpowiedni system, konieczne jest także uwzględnienie systemu
detekcji. Najczęściej stosowanymi systemami detekcji są fotometryczny i konduktometryczny. W przypadku
detekcji fotometrycznej często stosowane są rozcieńczone kwasy: siarkowy lub nadchlorowy, ze względu
na ich absolutną przepuszczalność promieniowania UV. Przy zastosowaniu detekcji konduktometrycznej
jako eluent wybierany jest rozcieńczony kwas siarkowy, ponieważ daje on dobre chromatogramy przy
minimum sprzętu (nie jest wymagany supresor). W połączeniu z supresorem chromatografii kationów jako
eluent może być używany rozcieńczony kwas solny.
Stężenie kwasu w eluencie określa stopień dysocjacji analitów, a zatem także ich retencję. Ogólnie
retencja maleje ze wzrostem stężenia kwasu. Stężenie kwasu wpływa także na kształt piku. Dla kwasów
organicznych czysta woda nie jest odpowiednia ze względu na jej wzrastającą adsorpcję, chociaż
dostarcza ona doskonałych wyników dla węglanów i kwasu borowego.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 47

4 Część praktyczna
Część praktyczna monografii przedstawia doświadczenia, które wprowadzają do świata chromatografii
jonowej. Rozpoczyna się od doświadczeń obejmujących teorię chromatografii jonowej (rozdział 4.2); druga
część (rozdział 4.3) przedstawia oznaczenia anionów, a cześć trzecia i ostatnia (rozdział 4.4) zajmuje się
oznaczeniami kationów organicznych i nieorganicznych.
Doświadczenia mogą być prowadzone w zasadzie na dowolnym chromatografie jonowym. Jednakże
poziom używanego instrumentu powinien spełniać następujące wymagania:
• nisko-pulsacyjna, dwutłokowa pompa, jeśli możliwe pracująca bez zewnętrznej dostawy azotu lub helu,
• kontrola przepływu dostosowana do wymagań kolumny,
• elektryczny zawór wprowadzający,
• możliwość podłączenia różnych pętli dla próbek i kolumn wstępnie zatężających,
• elektroniczna supresja dla anionów i kationów,
• chemiczna supresja dla anionów,
• stabilizowany temperaturowo detektor konduktometryczny, jeśli możliwe z dokładnością ±0,01°C,
• obudowa zabezpieczona elektronicznie i termicznie,
• analiza anionów i kationów,
• zalecana jest kontrola PC.
Wszystkie modularne lub kompaktowe systemy chromatografii jonowej firmy Metrohm spełniają właściwie
powyższe wymagania. Jednakże chromatograf jonowy 792 Basic IC został specjalnie skonstruowany dla
ćwiczeń oraz nauki i dlatego jest zalecany dla prowadzenia opisanych poniżej doświadczeń
Rys. 23. Chromatograf jonowy 792 Basic IC: specjalnie
zaprojektowany dla ćwiczeń i nauki.
4.1 Informacje o działaniach praktycznych
Rozwój bakterii
W celu zapobiegania rozwojowi bakterii eluent oraz roztwory przemywające i regenerujące powinny być
zawsze świeżo przygotowane oraz nie powinny być używane przez zbyt długi okres czasu. Jeśli pomimo to
następuje rozwój glonów lub bakterii można dodać do eluentu 5% metanolu lub acetonu. Jeśli stosuje się
supresory membranowe nie jest to możliwe, gdyż mogą być one uszkodzone przez rozpuszczalniki
organiczne. Jednakże moduł supresora „MSM” firmy Metrohm jest w 100% odporny na rozpuszczalniki.
48 Monografia Metrohm’a

Analiza kationów
W każdej prowadzonej analizie próbka musi być zakwaszona (pH od 2,5 do 3,5) kwasem azotowym (w
przybliżeniu 100 µl 2 M HNO3 na 100 ml próbki) ponieważ inaczej nie uzyska się powtarzalnych wyników
w przypadku kationów dwuwartościowych.
Stopień czystości
Wszystkie używane odczynniki powinny być przynajmniej cz.d.a (p.a) lub spektr. cz. Jakiekolwiek używane
roztwory wzorcowe powinny być przystosowane do chromatografii jonowej: na przykład sole sodu powinny
być rozpuszczone w wodzie, a nie w kwasie.
Źródła zanieczyszczeń
Wszystkie używane roztwory, próbki, roztwory regenerujące, woda i eluenty powinny być wolne od stałych
cząsteczek ponieważ mogą one po pewnym czasie zablokować kolumny rozdzielające (podwyższyć
ciśnienie kolumny). Jest to szczególnie ważne wtedy, kiedy przygotowuje się eluenty, gdyż przepływają
one stale przez kolumnę (od 500 do 1000 ml w ciągu dnia pracy, podczas gdy objętość próbki wynosi w
przybliżeniu 0,5 ml).
Odgazowanie eluentu
W celu zapobiegania tworzeniu się pęcherzyków powietrza zaleca się odgazowanie wody używanej do
przygotowania eluentu przed dodaniem do niej odczynników. Można to wykonać przez zastosowanie przez
około 10 minut podciśnienia z pompki wodnej lub z pompy próżniowej, albo wykorzystując łaźnię
ultradźwiękową.
Ochrona środowiska
Jedną z istotnych zalet chromatografii jonowej jest to, że zwykle używane są roztwory wodne. Jest to
przyczyną, dla której odczynniki stosowane w chromatografii jonowej nie są toksyczne w szerokim zakresie
stężeń i nie zanieczyszczają środowiska. Jednakże jeśli używane są kwasy, zasady, rozpuszczalniki
organiczne lub wzorce metali ciężkich należy zwrócić uwagę na to, aby były one odpowiednio
zabezpieczone po użyciu.
Wyłączanie przyrządu
Jeśli chromatograf jonowy nie będzie używany przez dłuższy czas (dłużej niż jeden tydzień) to należy
odłączyć kolumnę rozdzielającą i przepłukać chromatograf roztworem metanolu i wody (1:4). Należy
zwrócić uwagę aby przepłukać wszystkie trzy kanały supresora.
Informacje o bezpieczeństwie
W czasie prowadzenia doświadczeń należy założyć okulary ochronne, odzież ochronną i jeśli to potrzebne,
rękawice ochronne. Należy także zaznajomić się z informacjami na temat bezpieczeństwa podanymi dla
stosowanych odczynników chemicznych.
Wybór kolumny
Większość opisanych doświadczeń jest prowadzona na korzystnych cenowo kolumnach – Metrosep Anion
Dual 1 dla anionów oraz Metrosep C2 dla kationów. Kolumny te zabezpieczają odpowiedni rozdział we
wszystkich opisanych doświadczeniach. Oczywiście wśród kolumn Metrosep znajdują się kolumny o
znacząco lepszej zdolności rozdziału, są one jednak także odpowiednio droższe.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 49

Przechowywanie kolumn rozdzielających
• Kolumna anionowa IC Metrosep Anion Dual 1 (6.1006.020)
Przy przechowywaniu przez krótki czas (kilka dni) kaseta kolumny powinna być przechowywana
w zamkniętej obudowie. Przy przechowywaniu przez czas dłuższy (kilka tygodni) kolumna powinna być
umieszczona bez dostępu światła, w pojemniku do przechowywania, w roztworze acetonu i wody (1:9).
Rys. 24 Kolumna IC Metrosep Anion Dual 1
(6.1006.020) z obudową
• Kolumna anionowa IC Metrosep A Supp 5 (6.1006.530)
Kolumnę przechowuje się w eluencie.
• Kolumna kationowa IC Metrosep C2 (6.1010.210)
Kolumnę przechowuje się w eluencie w lodówce (4°C). Ważne jest, aby nie dopuścić do wyschnięcia
kolumny.
Rys. 25 Kolumna kationowa IC Metrosep C2
(6.1010.210)
• Kolumna kationowa IC Nucleosil 5S.A. (6.1007.000)
Przez krótki czas (kilka dni) kolumna jest przechowywana w eluencie, przez dłuższy czas (kilka
tygodni) w roztworze metanolu i wody (1:4).
• Kolumna dla kwasów organicznych Metrosep (6.1005.200)
Przez krótki czas (kilka dni) kolumna jest przechowywana w eluencie, przez dłuższy czas (kilka
tygodni) w wodzie dejonizowanej.
• Kolumny rozdzielcze innych producentów
Proszę stosować się do instrukcji producentów.
50 Monografia Metrohm’a

Jakość wody
W chromatografii jonowej najczęściej stosowane są roztwory wodne. Dlatego też jakość wody jest
zasadniczym czynnikiem dla uzyskania dobrych wyników chromatografii. Jeśli jakość wody jest
niewystarczająca to pewne jest, że wyniki też nie będą zadawalające. Dodatkowo istnieje
niebezpieczeństwo uszkodzenia przyrządu i kolumny rozdzielającej. Używana woda dejonizowana („aq.
demin.”) powinna więc mieć oporność wyższą niż 18 MΩ i być pozbawiona stałych cząsteczek. Zaleca się
przefiltrowanie wody przez filtr 0,45 µm.
4.2 Doświadczenia obejmujące teorię chromatografii jonowej
4.2.1 Doświadczenie 1 – Chromatografia jonowa z supresją chemiczną oraz bez supresji chemicznej
Przewodnictwo równoważnikowe Λ ∞ jest zawsze uzyskiwane przez sumowanie przewodnictw
równoważnikowych wszystkich anionów
−
Λ ∞ oraz kationów
1) Czyli przewodnictwo elektryczne właściwe niższe niż 0,06 S/cm
Λ
∞
= Λ
+
∞
+ Λ
+
Λ ∞ obecnych w roztworze:
Z zasady przewodnictwo wzrasta ze wzrostem stężenia elektrolitu lub jonów. Liniowa zależność istnieje
tylko dla roztworów rozcieńczonych ponieważ Λ zależy od stężenia (prawo Kohlrauscha). Wartości
znajdowane w tablicach (patrz rozdział „Detekcja konduktometryczna”) stosują się do Λ ∞ - przewodnictwa
równoważnikowego w roztworach nieskończenie rozcieńczonych.
Wielkość przewodnictwa równoważnikowego zależy w dużym stopniu od temperatury (±2%/°C). W
pomiarach bez supresji chemicznej (tzn. przeważnie w stosunku do wysokiego tła) szczególnie widoczne
są błędy spowodowane przez zmiany temperatury. Jest to przyczyną, dla której zmiany temperatury w
detektorze nie powinny być większe niż 0,01°C.
W chromatografii jonowej bez supresji chemicznej, w której przewodnictwo tła jest obniżone elektronicznie,
eluent powinien mieć przewodnictwo tak niskie, jak to tylko możliwe. Maja tu zastosowanie sole słabych
kwasów takich jak: kwas ftalowy, kwas salicylowy i kwas benzoesowy. Wartość mierzona bez supresji
chemicznej zależy od różnicy w przewodnictwach równoważnikowych jonu próbki i jonu eluentu.
∆Λ ≈
( Λ P − Λ E
)
Piki ujemne występują zawsze wtedy, kiedy przewodnictwo jonu próbki jest niższe od przewodnictwa jonu
eluentu. Przykładem tego jest anion fosforanowy. Przy pH=5 jest on głównie obecny jako H2PO4 - .
Ponieważ przewodnictwo równoważnikowe ∞ Λ jonu H2PO4 - wynoszące 33 S*cm2 /mol jest niższe niż
przewodnictwo równoważnikowe ∞ Λ jonu ftalanowego, wynoszące 38 S*cm2 /mol, uzyskujemy mały pik
ujemny. Można temu zaradzić wybierając wyższe pH, przy którym jon fosforanowy jest obecny jako HPO4 2-
o przewodnictwie równoważnikowym ∞ Λ równym 57 S*cm2 /mol.
Chromatografia jonowa z supresją chemiczną oznacza, że przewodnictwo tła jest obniżone chemicznie.
Eluent o wysokim przewodnictwie jest zamieniony w reakcji zachodzącej poza kolumną, w tzw. reakcji
supresji, na eluent o niskim przewodnictwie.
W analizie anionów przeprowadza się to stosując w eluencie sole słabych kwasów, np. HCO3 - , CO3 2- i
BO3 3- . Wszystkie kationy w eluencie i w próbce są zamienione na H + w supresorze. Z eluentu tworzą się
słabo zdysocjowane kwasy zgodnie z następującą reakcją:
Praktyczna Chromatografia Jonowa 51
−
∞

Powstający kwas węglowy jest obecny głównie jako CO2 + H2O. W wyniku tego końcowe przewodnictwo
jest bardzo niskie. Ponieważ przeciw-jony oznaczanych anionów są także wymienione w supresorze na H +
można przedstawić następującą reakcję:
Zamiast Na + i Cl- , które były początkowo obecne w próbce, mierzone jest teraz znacznie wyższe
przewodnictwo równoważnikowe jonów H + i Cl- , i to także w stosunku do przewodnictwa tła. Teoretycznie
można by się spodziewać sygnału, który jest większy o rząd wielkości w stosunku do pomiaru bez supresji
chemicznej. Jednakże w praktyce uzyskuje się wzrost czułości od dwóch do czterech razy.
W przeciwieństwie do liniowej funkcji kalibracji uzyskanej podczas pracy bez supresji chemicznej, kiedy
stosuje się supresję chemiczną uzyskuje się kwadratową funkcję kalibracji; oznacza to, że należy
koniecznie prowadzić kalibrację wielopunktową dla obliczenia tej funkcji. Zakres stężeń liniowych jest
znacznie mniejszy (w przybliżeniu o 1/20 do 1/50) niż kiedy pracuje się bez supresji chemicznej.
Cel doświadczenia
• Podstawy zestawienia systemu IC
• Różnice pomiędzy pracą z supresją chemiczną i bez supresji chemicznej
• Określenie różnych czułości tych dwóch metod
Doświadczenie 1a – Pomiar bez supresji chemicznej
Tabela 3 Parametry dla Doświadczenia 1a.
Kolumna 6.1006.020 Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm)
Eluent kwas ftalowy 8 mmol/l, 2% acetonitryl; pH=4,1 (TRIS)
przewodnictwo około 400 µS/cm
Próbka wzorzec (fluorki, chlorki, azotyny 9 , bromki, azotany, fosforany, siarczany)
Metoda exp_01_n.mtw
System anonsupp.smt
Przepływ 0,5 ml/min
Ciśnienie 3 MPa
Czas analizy 20 minut
Pętla 100 µl
Polarność +
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić 1,33 g kwasu ftalowego w 20 ml acetonitrylu i niewielkiej objętości wody, następnie uzupełnić w
kolbie do 1l. Doprowadzić pH do 4,1 dodając około 1 g stałego TRIS. Przed dodaniem odczynników
odgazować używaną wodę za pomocą podciśnienia pompki wodnej przez 10 minut lub w łaźni
ultradźwiękowej.
9 według nowej terminologii azotyny to azotany III, azotany to azotany V
52 Monografia Metrohm’a

Chromatogram 1 Roztwór wzorcowy
Tabela 4 Składniki - Doświadczenie 1a
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Fluorki 3,6 5 2310 51
2 Chlorki 4,9 5 3680 71
3 Azotyny 5,7 5 3670 36
4 Bromki 6,7 10 3960 63
5 Azotany 7,8 10 3890 74
6 Siarczany 10,9 10 3430 88
7 Pik systemowy 17
Doświadczenie 1b – Pomiar z supresją chemiczną
Tabela 5 Parametry dla Doświadczenia 1b
Kolumna 6.1006.020 Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm)
Eluent NaHCO3 2,4 mmol/l/ Na2CO3 2,5 mmol/l + 2% acetonu
przewodnictwo po supresji chemicznej wynosi około 16 µS/cm
Próbka Wzorzec (fluorki, chlorki, azotyny, bromki, azotany, fosforany, siarczany)
Metoda exp_01_s.mtw
System asupp.smt
Przepływ 0,5 ml/min
Ciśnienie 3 MPa
Czas analizy 16 minut
Praktyczna Chromatografia Jonowa 53

Pętla 20 µl
Supresor Roztwory regenerujące: H2SO4 50 mmol/l, ultra czysta woda
Autostep z Fill
Polarność +
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić 265 mg bezwodnego węglanu sodu oraz 201,5 mg wodorowęglanu sodu w 980 ml ultra czystej
wody. Następnie dodać 20 ml acetonu.
Chromatogram 2 Roztwór wzorcowy
Tabela 6 Składniki - Doświadczenie 1b
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Fluorki 3,8 2 2780 48
2 Chlorki 5,7 5 4100 81
Pik systemowy 6,8
3 Azotyny 7,3 5 3900 46
4 Bromki 8,6 10 4510 69
5 Azotany 10,4 10 4480 87
6 Fosforany 11,7 10 3220 43
7 Siarczany 14,4 10 3660 113
Pik systemowy jest tutaj znacząco mniejszy niż w Doświadczeniu 1a (chromatogram 1), dlatego też może
być ledwo dostrzegalny przy wysoce czułych ustawieniach skali przewodnictwa.
54 Monografia Metrohm’a

4.2.2 Doświadczenie 2 – Pojemność kolumn rozdzielających
Ucięte piki, piki w kształcie zęba rekina, zmienione czasy retencji dla tych samych jonów, piki z rozmytym
„ogonem” lub „czołem” – wszystkie one mogą mieć wspólną przyczynę: przekroczenie pojemności
kolumny.
Każda kolumna ma skończoną liczbę miejsc dla wymiany jonowej. Przed wprowadzeniem próbki są one
całkowicie zajęte przez jony eluentu. Kiedy próbka zostanie wprowadzona rozpoczyna się wymiana
jonowa. Jony eluentu są wymienione na jony próbki, a jony próbki na jony eluentu. Ponieważ jony różnią
się swoimi stałymi wiązania, więc są one wymywane z kolumny z różnymi szybkościami. Oczekiwanym
wynikiem jest rozdział mieszaniny substancji i powstający chromatogram.
Proces ten zachodzi doskonale tylko wtedy, gdy ilość miejsc do związania w kolumnie jest znacznie
większa od liczby miejsc do związania wymaganych przez próbkę. Na przykład kolumna o pojemności 1
miligramorównoważnika (1mwal) może przyłączyć maksymalnie 1 mmol jonów jednowartościowych.
Drugim czynnikiem, który ma negatywny wpływ na rozdział jest fakt, że w zasadzie każdy jon może działać
jako jon eluentu. Jeśli kolumna jest przeładowana to wiele jonów eluentu jest zamienionych przez jony
próbki. Prowadzi to do nieobliczalnych zmian w równowadze kolumny i rozdział staje się gorszy.
Pojemność kolumny można określić zajmując ją całkowicie jonami chlorkowymi. Po przemyciu kolumny
wodą dejonizowaną jony chlorkowe są wymywane przez eluent węglanowy, a następnie oznaczane
ilościowo metodą chromatografii jonowej lub miareczkowania argentometrycznego.
W kolejnym doświadczeniu zwiększa się stężenie chlorków, aż kolumna zostanie przeładowana. Pewne
skutki związane z przeładowaniem kolumny są opisane poniżej:
� czasy retencji kolejnych jonów stają się krótsze,
� pik dominującego jonu jest obcięty,
� pik dominującego jonu ma „ogon”,
� liczba półek teoretycznych (TP) staje się mniejsza,
� stosunek powierzchni piku do wysokości staje się gorszy (przy stałej powierzchni maleje wysokość
piku),
� słabsza staje się symetria piku.
Symetria piku staje się gorsza również wtedy, gdy zablokowane są spieki kolumny, zwiększyły się martwe
objętości lub w wyniku procesów absorpcji na materiale kolumny.
Cel doświadczenia
• Wyjaśnienie następujących parametrów chromatograficznych: czasu retencji, rozdzielczości,
powierzchni, liczby półek, symetrii i stosunku powierzchni do wysokości.
• Wpływ dominującego głównego składnika na składniki o wiele niższym stężeniu: zmiany wyżej
wymienionych parametrów.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 55

Tabela 7 Parametry dla Doświadczenia 2.
Kolumna 6.1006.020 Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm)
Eluent NaHCO3 2,4 mmol/l / Na2CO3 2,5 mmol/l + 2% acetonu
Przewodnictwo po supresji chemicznej wynosi około 16 µS/cm
Próbka wzorzec (fluorki, chlorki, azotyny, bromki, azotany, fosforany, siarczany)
+ NaCl (około 1 g doważony)
Metoda exp_02_s.mtw
System asupp.smt
Przepływ 0,5 ml/min
Ciśnienie 3 MPa
Czas analizy 16 minut
Pętla 20 µl
Supresor Roztwory regenerujące: H2SO4 50 mmol/l, ultra czysta woda
Autostep z Fill
Polarność +
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić 265 mg bezwodnego węglanu sodu oraz 201,5 mg wodorowęglanu sodu w 980 ml ultra czystej
wody, następnie dodać 20 ml acetonu.
Chlorki
Chromatogram 3a Roztwór wzorcowy o bardzo wysokim stężeniu chlorków.
56 Monografia Metrohm’a

Chlorki
Chromatogram 3b Roztwór wzorcowy o bardzo wysokim stężeniem chlorków; powiększony
fragment chromatogramu 3a.
Uwagi
Chlorek sodu jest doważany. Zarówno czasy retencji pików, jak i wartości dla liczby półek i powierzchni
mogą się różnić w zależności od ilości doważonego NaCl.
Olbrzymi pik chlorków przeszkadza w obróbce następnych pików. Prawidłowa identyfikacja indywidualnych
pików jest możliwa tylko po dodaniu do roztworu próbki odpowiednich anionów.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 57

4.2.3 Doświadczenie 3 – Selektywność kolumn rozdzielających
Jeśli wykreśli się moc eluentu w relacji do logarytmu czasów retencji jonów jedno- i dwuwartościowych, to
uzyska się linię prostą. Nachylenie tej linii jest większe dla jonów dwuwartościowych, niż dla
jednowartościowych. Wzrost mocy wymywania eluentu ma zatem większy wpływ na czas retencji jonów
dwuwartościowych, niż na czas retencji jonów jednowartościowych.
Ten wpływ można obserwować na jonie siarczanowym. Kiedy wzrasta stężenie eluentu, wymywanie
siarczanów jest szybsze niż jonów jednowartościowych.
Na ogół jony dwuwartościowe są silniejszymi eluentami niż jednowartościowe, ponieważ mogą one
utworzyć dwa wiązania z fazą stacjonarną, a zatem wejść w silniejsze z nią oddziaływania.
Przy tej samej molarności wodorotlenek sodu ma wyższe pH niż układ węglan/wodorowęglan. Siła
wymywania jonu OH- jest niższa w porównaniu do wodorowęglanu, ponieważ jon wodorotlenowy nie
oddziałuje tak silnie z fazą stacjonarną.
Czas retencji jonu fosforanowego zależy silnie od wartości pH. Przy wysokich wartościach pH równowaga
jest przesunięta od HPO4 2- w kierunku PO4 3- . Jeśli dodamy wodorotlenek sodu do eluentu z węglanu sodu,
to spowoduje to wzrost czasu retencji fosforanu, podczas gdy czasy retencji innych jonów ulegną
skróceniu.
Cel doświadczenia
• Porównanie eluentów o jonach jednowartościowych i dwuwartościowych
• Porównanie eluentu z wodorotlenku sodu z eluentem z węglanu/wodorowęglanu sodu
• Wpływ pH eluentu na retencję fosforanów
Tabela 8 Parametry dla Doświadczeń 3a - 3d.
Kolumna 6.1006.020 Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm)
Eluenty a) Na2CO3 2,5 mmol/l / NaHCO3 2,4 mmol/l
b) Na2CO3 4 mmol/l / NaHCO3 1 mmol/l
c) Na2CO3 4 mmol/l / NaOH 1 mmol/l
d) Na2CO3 1 mmol/l / NaOH 4 mmol/l
Przewodnictwo po supresji chemicznej wynosi około 17 µS/cm
Próbka wzorzec (fluorki, chlorki, azotyny, bromki, azotany, fosforany, siarczany)
Metoda exp_03_s.mtw
System asupp.smt
Przepływ 0,5 ml/min
Ciśnienie 3 MPa
Czas analizy a) 14 minut
b) 11 minut
c) 11 minut
d) 24 minuty
Pętla 20 µl
Supresor Roztwory regenerujące: H2SO4 50 mmol/l, ultra czysta woda
Autostep z Fill
Polarność +
58 Monografia Metrohm’a

Doświadczenie 3a – Na2CO3 2,5 mmol/l / NaHCO3 2,4 mmol/l
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić 265 mg bezwodnego węglanu sodu oraz 201,5 mg wodorowęglanu sodu w 1 litrze ultra czystej
wody.
Chromatogram 4 Roztwór wzorcowy - Na2CO3 2,5 mmol/l / NaHCO3 2,4 mmol/l
Tabela 9 Składniki – Doświadczenie 3a
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Fluorki 3,5 2 2733 47
2 Chlorki 5,1 5 4003 81
3 Azotyny 6,6 5 3344 48
4 Bromki 7,6 10 4156 69
5 Azotany 9,1 10 4199 91
6 Fosforany 9,8 10 2902 47
7 Siarczany 11,8 10 3442 118
Praktyczna Chromatografia Jonowa 59

Doświadczenie 3b – Na2CO3 4 mmol/l / NaHCO3 1 mmol/l
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić 424 mg bezwodnego węglanu sodu oraz 84 mg wodorowęglanu sodu w 1 l ultra czystej wody.
Chromatogram 5 Roztwór wzorcowy - Na2CO3 4 mmol/l / NaHCO3 1 mmol/l
Tabela 10 Składniki – Doświadczenie 3b
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Fluorki 3,3 2 2422 50
2 Chlorki 4,6 5 3696 83
3 Azotyny 5,8 5 2797 47
4 Bromki 6,8 10 3970 69
5 Fosforany 7,7 10 4456 37
6 Azotany 8,0 10 3500 102
7 Siarczany 8,7 10 3120 123
60 Monografia Metrohm’a

Doświadczenie 3c – Na2CO3 4 mmol/l / NaOH 1 mmol/l
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić 424 mg bezwodnego węglanu sodu oraz 40 mg wodorotlenku sodu w 1 litrze ultra czystej wody.
Chromatogram 6 Roztwór wzorcowy - Na2CO3 4 mmol/l / NaOH 1 mmol/l
Tabela 11 Składniki – Doświadczenie 3c
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Fluorki 3,2 2 2386 51
2 Chlorki 4,4 5 3699 84
3 Azotyny 5,5 5 3624 47
4 Bromki 6,3 10 3997 70
5 Azotany 7,5 10 3597 91
6 Fosforany +
Siarczany
8,0 10/10 1772 175
Praktyczna Chromatografia Jonowa 61

Doświadczenie 3d – Na2CO3 1 mmol/l / NaOH 4 mmol/l
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić 106 mg bezwodnego węglanu sodu oraz 160 mg NaOH w 1 litrze ultra czystej wody.
Chromatogram 7 Roztwór wzorcowy - Na2CO3 1 mmol/l / NaOH 4 mmol/l
Tabela 12 Składniki – Doświadczenie 3d
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Fluorki 3,6 2 2935 56
2 Chlorki 5,0 5 4131 91
3 Azotyny 6,1 5 4096 53
4 Bromki 6,9 10 4490 74
5 Azotany 8,0 10 4417 100
6 Pik systemowy 9,4
7 Siarczany 12,5 10 3671 126
8 Fosforany 21,2 10 2836 47
62 Monografia Metrohm’a

4.2.4 Doświadczenie 4 – Kalibracja, wykrywalność i granice oznaczalności w chromatografii jonowej
Dla metod oznaczeń analitycznych ważnymi parametrami są: zakres liniowości, granica wykrywalności i
granica oznaczalności. Metody matematyczne dla ich obliczenia są przedstawione w normach (np. w DIN
32645).
Jeśli chromatogramy są rejestrowane z zastosowaniem detektora konduktometrycznego, wtedy do obliczeń
wykorzystywana jest zazwyczaj powierzchnia piku. Powierzchnia piku jest proporcjonalna do ilości
substancji. Jeśli powierzchnię piku przedstawi się w funkcji stężenia, to uzyska się funkcję kalibracji. Jest
ona liniowa dla pomiarów bez supresji chemicznej. Dla pomiarów z supresją chemiczną w pierwszym
przybliżeniu jest funkcją kwadratową. Programy obróbki danych automatycznie wyliczają funkcje
kalibracyjne.
Oznaczanie przy użyciu wysokości piku jest stosowane przede wszystkim dla pików z wyraźnym „ogonem”,
lub dla pików niewystarczająco rozdzielonych, z silnie różniącymi się stosunkami powierzchni do wysokości
(ponieważ ocena opierająca się na powierzchni prowadzi w tych przypadkach do dużych błędów).
Granica wykrywalności jest najniższym stężeniem analitu, które może zostać wykryte ze znaną
statystyczną pewnością. Teoretycznie wyliczane jest najniższe stężenie, które może być odróżnione od
ślepej próby.
Istnieją dwie metody wyliczania granicy wykrywalności:
Metoda ślepej próby:
Ślepa próba powinna być próbką, która nie zawiera oznaczanego jonu lecz daje sygnał w tym samym
miejscu, co jon próbki. Powtórny pomiar ślepej próby daje dla stężenia (wartość X) mierzalne
wartości (wartości Y), których wartość modalna (średnia maksymalna częstość) jest znana jako ślepa
wartość. Przy zastosowaniu krzywej kalibracji maksymalna wartość Y jest przypisana wartości stężenia na
osi X; i jest to granica wykrywalności.
Metoda krzywej kalibracyjnej:
Metoda ta jest stosowana wtedy, kiedy nie jest możliwe określenie ślepej wartości, ponieważ badany jon
nie może być oznaczony w próbce. W metodzie krzywej kalibracyjnej przeprowadza się wielokrotne
pomiary dla różnych stężeń jonu. Następnie z odchylenia standardowego uzyskiwany jest przedział
ufności. W ten sposób stężenie odpowiada poszczególnemu zakresowi Y. Funkcję kalibracji
wykorzystuje się do przypisania zakresu Y do zakresu stężeń, którego wartością maksymalną jest granica
wykrywalności.
Często do określenia granicy wykrywalności stosuje się stosunek sygnału do szumu. Na przykład granica
wykrywalności jest zdefiniowana jako stężenie analitu, przy którym sygnał mierzony jest 3 razy, 5 razy lub 7
razy większy niż szum linii bazowej.
Granicę oznaczalności osiąga się wtedy, gdy błąd pomiaru obniża poszczególną wartość w porównaniu z
wartością analityczną, np. o 1/3. Tylko wtedy wartość numeryczna może zostać podana w raporcie analizy,
gdyż w innym przypadku błąd pomiaru jest uważany za zbyt duży w stosunku do wartości analitycznej. W
przybliżeniu można powiedzieć, że granica oznaczalności jest trzy razy wyższa od granicy wykrywalności.
Cel doświadczenia
• Co oznacza kalibracja ?
• Porównanie kalibracji jednopunktowej i wielopunktowej – określanie błędów
• Określanie szumu systemowego
• Szacowanie granicy wykrywalności
Praktyczna Chromatografia Jonowa 63

Doświadczenie 4a – Oznaczanie anionów z supresją chemiczną
Tabela 13 Parametry dla Doświadczenia 4a.
Kolumna 6.1006.020 Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm)
Eluent NaHCO3 2,4 mmol/l / Na2CO3 2,5 mmol/l + 2% acetonu
Przewodnictwo po supresji chemicznej wynosi około 16 µS/cm
Próbka wzorzec (fluorki, chlorki, azotyny, bromki, azotany, fosforany, siarczany)
Metoda exp_04_s.mtw
System asupp.smt
Przepływ 0,5 ml/min
Ciśnienie 3 MPa
Czas analizy 16 minut
Pętla 20 µl
Supresor Roztwór regenerujący: H2SO4 50 mmol/l, ultra czysta woda
Autostep z Fill
Polarność +
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić 265 mg bezwodnego węglanu sodu oraz 201,5 mg wodorowęglanu sodu w 980 ml ultra czystej
wody, a następnie dodać 20 ml acetonu.
Chromatogram 8 Połączenie chromatogramów– Roztwory standardowe o różnych stężeniach
64 Monografia Metrohm’a

Tabela 14 Składniki – Doświadczenie 4a
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l]
Poziom 1 Poziom 2 Poziom 3 Poziom 4
1 Fluorki 3,9 1 5 25 50
2 Chlorki 5,6 1 5 25 50
3 Pik systemowy 6,8
4 Azotyny 7,5 1 5 25 50
5 Bromki 8,6 1 5 25 50
6 Azotany 10,3 1 5 25 50
7 Fosforany 11,7 1 5 25 50
8 Siarczany 14,3 1 5 25 50
Doświadczenie 4b – Oznaczanie anionów bez supresji chemicznej
Tabela 15 Parametry dla Doświadczenia 4b.
Kolumna 6.1006.020 Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm)
Eluent kwas ftalowy 8 mmol/l, 2% acetonitrylu; pH=4,1
Przewodnictwo wynosi około 400 µS/cm
Próbka wzorzec (fluorki, chlorki, azotyny 10 , bromki, azotany, fosforany, siarczany)
Metoda exp_04_s.mtw
System anonsupp.smt
Przepływ 0,5 ml/min
Ciśnienie 3 MPa
Czas analizy 20 minut
Pętla 100 µl
Polarność +
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić 1,33 g kwasu ftalowego w 20 ml acetonitrylu i małej ilości wody a następnie uzupełnić do 1 litra.
Doprowadzić pH do 4,1 dodając stały TRIS.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 65

Chromatogram 9 Połączenie chromatogramów– Roztwory wzorcowe o różnych stężeniach
Tabela 15 Składniki – Doświadczenie 4b
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l]
Poziom 1 Poziom 2 Poziom 3 Poziom 4
1 Fluorki 3,6 1 5 25 50
2 Chlorki 4,9 1 5 25 50
3 Azotyny 5,7 1 5 25 50
4 Bromki 6,6 1 5 25 50
5 Azotany 7,7 1 5 25 50
6 Siarczany 11,0 1 5 25 50
7 Pik systemowy 17,0
66 Monografia Metrohm’a

4.2.5 Doświadczenie 5 – Zmiana selektywności przy pomocy eterów koronowych (18 Crown-6)
Czasy retencji kationów mogą zostać zmienione przez dodanie do eluentów odczynników
kompleksujących. Odczynnik kompleksujący działa jak ligand, kation analitu jest otoczony podobnie jak
centralny jon metalu. Im bardziej ligand jest selektywny w stosunku do centralnego jonu metalu, tym
silniejszy jest wpływ na czas retencji. W idealnym przypadku czasy retencji innych kationów tylko
nieznacznie się zmienią.
Odczynniki kompleksujące stosuje się w celu uzyskania lepszego rozdziału jonów metali alkalicznych.
Dodatek eteru koronowego „18 Crown-6” do eluentu prowadzi do lepszego rozdziału jonów Na + , NH4 + i K + .
Na przykład można dodać eter koronowy do eluentu w celu polepszenia rozdziału pomiędzy Na + i NH4 + ,
kiedy trzeba oznaczyć ślady NH4 + w wodach powierzchniowych. Wzrost czasu retencji K + jest szczególnie
wyraźny. Można to wytłumaczyć tworzeniem się kompleksu między K + i dibenzo-18-crown-6-eterem (18
Crown-6). Jon K + dokładnie mieści się w „klatce” eteru. Jest on kompleksowany poprzez pary elektronowe
atomów tlenu. Po kompleksowaniu oddziela się znacznie większa cząsteczka o tym samym ładunku.
Oznacza to, że zwiększa się czas retencji potasu w wyniku przeszkody przestrzennej.
Nazwa 18 Crown-6 oznacza, że układ pierścieni składa się z 18
atomów, z których 6 jest atomami tlenu. Etery koronowe nie tylko
odgrywają ważną rolę w chromatografii jonów, ale także
wykorzystywane są jako faza jonoselektywna w elektrodach
potasowych.
Cel doświadczenia
Rys. 26 Potas – 18 Crown-6
Tabela 17 Parametry dla Doświadczeń 5a i 5b.
Kolumna 6.1010.210 Metrosep C2 (4 x 100 mm)
• Wpływ bardzo selektywnego odczynnika kompleksującego na
czasy retencji
• Wyjaśnienie efektu w porównaniu z Doświadczeniem 6.
Eluent a) kwas winowy 4 mmol/l / kwas dipikolinowy 0,75 mmol/l
b) kwas winowy 4 mmol/l / kwas dipikolinowy 0,75 mmol/l + eter koronowy 0,25
mmol/l
Przewodnictwo wynosi około 590 µS/cm
Próbka wzorzec (jony litu, sodu, amonu, potasu, wapnia, magnezu + 2 mmol/l HNO3)
Metoda exp_05_c.mtw
System cation.smt
Przepływ 1 ml/min
Ciśnienie 8 MPa
Czas analizy a) 12 minut
b) 17 minut
Pętla 10 µl
Polarność -
Praktyczna Chromatografia Jonowa 67

Doświadczenie 5a – Eluent bez eteru koronowego
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić na gorąco 600 mg kwasu winowego oraz 125 mg kwasu dipikolinowego w 100 ml ultra czystej
wody, a następnie uzupełnić do 1 litra ultra czystą wodą.
Chromatogram 10 – Roztwór wzorcowy – Eluent bez eteru koronowego
Tabela 18 Składniki – Doświadczenie 5a
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia µS/cm*s]
1 lit 2,7 1 4270 14
2 sód 3,6 5 4640 18
3 jon amonowy 4,2 5 3640 19
4 potas 6,1 10 2890 17
5 wapń 8,1 10 2950 33
6 magnez 9,9 10 2310 65
68 Monografia Metrohm’a

Doświadczenie 5b – Eluent z eterem koronowym
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić na gorąco 600 mg kwasu winowego oraz 125 mg kwasu dipikolinowego w 100 ml ultra czystej
wody, dodać 132 mg eteru koronowego i uzupełnić do 1 litra ultra czystą wodą.
Chromatogram 11 – Roztwór wzorcowy – Eluent z eterem koronowym
Tabela 19 Składniki – Doświadczenie 5b
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 lit 2,8 1 4250 14
2 sód 4,1 5 4550 18
3 amon 5,1 5 3260 19
4 wapń 9,3 10 2170 33
5 magnez 10,6 10 2200 66
6 potas 14,9 10 1910 17
Praktyczna Chromatografia Jonowa 69

4.2.6 Doświadczenie 6 – Zmiana selektywności przy użyciu odczynników kompleksujących
W analizie jonów magnezu, sodu i potasu w obecności jonów cynku i wapnia wykorzystuje się zdolność
jonów cynku i wapnia do tworzenia kompleksów z kwasem dipikolionowym (DPA, kwas 2,6pirydynokarboksylowy).
Stała wynikająca z utworzenia kompleksu
Me 2+ + DPA ↔ [MeDPA] 2+
Rys. 27 Kompleks dipikolinowy z Me 2+
jest inna dla każdego kompleksu.
W zależności od pH mogą się utworzyć następujące kompleksy (wzrastające usuwanie H + ze wzrostem
pH):
środowisko kwaśne środowisko słabo kwaśne środowisko zasadowe
Oznacza to, że w zależności od pH, utworzony kompleks ma albo podwójny dodatni ładunek, albo
pojedynczy dodatni ładunek, lub też jest elektrycznie obojętny.
Pierwszorzędowym kryterium rozdziału na kolumnie z wymieniaczem kationowym jest ładunek jonów
poddawanych rozdziałowi. Kompleksy pozbawione ładunku nie są zatrzymywane, podczas gdy kompleksy
z potrójnym ładunkiem dodatnim są bardzo silnie przyłączane. W wyniku stałej tworzenia kompleksu i
ustalonego pH, kompleks posiada średni ładunek równowagowy. Ten ładunek równowagowy określa czas
retencji. To jest przyczyną dlaczego dwuwartościowe jony metali mogą być przyspieszone na skutek
dodania kwasu dipikolinowego w określonym zakresie pH.
Nie ma to wpływu na czasy retencji jonów jednowartościowych, które nie tworzą kompleksu z kwasem
dipikolinowym.
Cel doświadczenia
• Wpływ stałej tworzenia kompleksów na czas retencji – porównanie cynku i wapnia
• Zachowanie innych jonów metali przejściowych
• Wpływ wartości pH na całkowity ładunek elektryczny kompleksu
• Wyjaśnienie wyników w porównaniu z Doświadczeniem 5.
70 Monografia Metrohm’a

Tabela 20 Parametry dla Doświadczeń 6a i 6b
Kolumna 6.1010.210 Metrosep C2 (4 x 100 mm)
Eluent a) kwas winowy 4 mmol/l
przewodnictwo około 500 µS/cm
b) kwas winowy 4 mmol/l + kwas dipikolinowy 0,1 mmol/l
przewodnictwo około 500 µS/cm
c) kwas winowy 4 mmol/l + kwas dipikolinowy 0,25 mmol/l
przewodnictwo około 520 µS/cm
d) kwas winowy 4 mmol/l + kwas dipikolinowy 0,75 mmol/l
przewodnictwo około 590 µS/cm
Próbka wzorzec (jony sodu, cynku, potasu, wapnia, magnezu + 2 mmol/l HNO3)
Metoda exp_06_c.mtw
System cation.smt
Przepływ 1 ml/min
Ciśnienie 7 MPa
Czas analizy a) 23 minuty
b) 20 minut
c) 16 minut
d) 13 minut
Pętla 10 µl
Polarność -
Praktyczna Chromatografia Jonowa 71

Doświadczenie 6a – kwas winowy 4 mmol/l
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić 600 mg kwasu winowego w 1 litrze ultra czystej wody.
Chromatogram 12 – Roztwór wzorcowy – Eluent kwas winowy 4 mmol/l
Tabela 21 Składniki – Doświadczenie 6a
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Sód 4,3 5 4450 17
2 Potas 7,8 10 2330 16
3 Cynk 11,2 5 2330 11
4 Magnez 14,4 10 2010 63
5 Wapń 19,5 10 2640 34
72 Monografia Metrohm’a

Doświadczenie 6b – kwas winowy 4 mmol/l + kwas dipikolinowy 0,1 mmol/l
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić ogrzewając 600 mg kwasu winowego oraz 17 mg kwasu dipikolinowego w 100 ml ultra czystej
wody i dopełnić do objętości 1 litra.
Chromatogram 13 – Roztwór wzorcowy – Eluent kwas winowy 4 mmol/l + kwas dipikolinowy 0,1 mmol/l
Tabela 22 Składniki – Doświadczenie 6b
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Cynk 1,9 5 554 6,7
2 Sód 4,4 5 4390 17
3 Potas 7,6 10 2750 16
4 Magnez 14,8 10 2100 64
5 Wapń 17,9 10 2720 33
Praktyczna Chromatografia Jonowa 73

Doświadczenie 6c – kwas winowy 4 mmol/l + kwas dipikolinowy 0,25 mmol/l
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić ogrzewając 600 mg kwasu winowego oraz 42 mg kwasu dipikolinowego w 100 ml ultra czystej
wody i dopełnić do objętości 1 litra.
Chromatogram 14 – Roztwór wzorcowy – Eluent kwas winowy 4 mmol/l + kwas dipikolinowy 0,25 mmol/l
Tabela 23 Składniki – Doświadczenie 6c
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
Cynk ~1,1 5
1 Sód 4,3 5 4450 18
2 Potas 7,8 10 2330 17
3 Wapń +
Magnez
14,4 10+10 2010 98
74 Monografia Metrohm’a

Doświadczenie 6d – kwas winowy 4 mmol/l + kwas dipikolinowy 0,75 mmol/l
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić ogrzewając 600 mg kwasu winowego oraz 125 mg kwasu dipikolinowego w 100 ml ultra czystej
wody i dopełnić do objętości 1 litra.
Chromatogram 15 – Roztwór wzorcowy – Eluent kwas winowy 4 mmol/l + kwas dipikolinowy 0,75 mmol/l
Tabela 24 Składniki – Doświadczenie 6d
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
Cynk ~1,1 5
1 Sód 3,8 5 4540 17
2 Potas 6,4 10 2900 17
3 Wapń 8,5 10 2630 33
4 Magnez 10,5 10 2190 67
Uwagi
Wszystkie roztwory należy przechowywać w pojemnikach plastikowych. W celu prawidłowego oznaczenia
sodu należy unikać kontaktu ze szkłem. pH wzorca i roztworów próbek powinno zawierać się pomiędzy 2,5
i 3,5.
Po zmianie eluentu należy pozwolić systemowi działać do ustalenia linii bazowej.
Chromatogramy 14 i 15: cynk jest kompleksowany przez kwas dipikolinowy i wymywa się w piku czołowym.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 75

4.2.7 Doświadczenie 7 – Technika wstępnego zatężania próbki
W chromatografii jonowej wprowadzanie próbki dokonywane jest za pomocą pętli połączonej z zaworem
iniekcyjnym. W warunkach standardowych objętość pętli próbki wynosi 20 µl dla anionów i 10 µl dla
kationów. W prostym systemie IC pętle próbki tej wielkości obejmują bez żadnych problemów zakresy
wykrywalności 100 µg/l lub 100 ppb.
Przez zwiększanie pętli próbki, do np. do 100 µl, granice wykrywalności mogą być obniżone w przybliżeniu
o dziesięć razy. Jednakże większe objętości próbek produkują odpowiednio większy pik wodny, który
wpływa na oznaczenie pików, które wymywają się wcześniej. Dodatkowo pogarsza się kształt pików
asymetrycznych.
Prostą metodą obniżania granicy wykrywalności o kilka rzędów wielkości jest wstępne zatężanie próbki.
Kolumna do wstępnego zatężania jest zamontowana w miejsce pętli próbki. Większa objętość próbki (w
naszym przypadku 5 ml) jest przepuszczona przez tą kolumnę. Z zasady kolumna ta jest wypełniona tym
samym materiałem, co kolumna rozdzielająca. Powoduje to, że wszystkie aniony lub kationy są zatrzymane
na niej całkowicie tak długo, aż nie pojawią się jony wymywające. Jeśli jednakże próbka zawiera te same
aniony, co eluent i w tym samym zakresie stężeń, wtedy jony analitu nie zgromadzą się na kolumnie
wstępnie zatężającej.
Pojemność kolumny zatężającej jest znacznie mniejsza, niż kolumny rozdzielającej. Aby wymyć
wzbogacone jony objętością najmniejszą z możliwych, ekstrakcja eluentem jest prowadzona w
przeciwprądzie. Oznacza to, że podczas wstępnego zatężania przepływ jest przeciwny, niż przepływ
podczas wymywania. Zwykle stosowany jest eluent zasadowy w połączeniu z supresją chemiczną.
Przygotowanie próbki Chromatografia Jonowa
Próbka wody
Ścieki
Eluent
Kolumna
zatężania
Kolumna
separacyjna
Ścieki
Przygotowanie próbki Chromatografia Jonowa
Próbka wody
Rys. 27. Technika wstępnego zatężania próbki: po lewej pozycja „fill” (napełnij), po prawej pozycja „inject”
(wprowadź).
Technika wstępnego zatężania próbki pozwala na oznaczenie stężeń w dolnym zakresie ppb nawet w
prostym systemie chromatograficznym.
76 Monografia Metrohm’a
Ścieki
Eluent
Kolumna
zatężania
Kolumna
separacyjna
Ścieki

Cel doświadczenia
• Co to jest przygotowanie próbki ?
• Gdzie znajduje się obszar wzajemnego oddziaływania pomiędzy chromatografią jonową
a przygotowaniem próbki ?
• Jakie są zalety wstępnego zatężania próbki ?
• Jakie są ograniczenia metody ?
• Jak jest przyczyna stosowania zasadowych eluentów z supresją ?
• Jaki jest wpływ układu CO2/węglan w próbce?
Tabela 25 Parametry dla Doświadczenia 7
Kolumna 6.1006.020 Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm)
Eluent NaHCO3 2,4 mmol/l / Na2CO3 2,5 mmol/l + 2% acetonu
Przewodnictwo po supresji chemicznej wynosi około 16 µS/cm
Próbka Ultra czysta woda
Metoda exp_07_s.mtw
System asupp.smt
Przepływ 0,5 ml/min
Ciśnienie 4 MPa
Czas analizy 16 minut
Kolumna
wstępnego
zatężania
Objętość
próbki
6.1006.300 Metrosep Anion
5 ml na kolumnie wstępnego zatężania
Supresor Roztwór regenerujący: H2SO4 50 mmol/l, ultra czysta woda
Autostep z Fill
Polarność +
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić 265 mg bezwodnego węglanu sodu oraz 201,5 mg wodorowęglanu sodu w 980 ml ultra czystej
wody i dodać 20 ml acetonu.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 77

Chromatogram 16 Roztwór wzorców
Tabela 26 Składniki – Doświadczenie 7a
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Fluorki + octany 3,8 1+1 1620 5,4
2 Chlorki 5,7 1 3090 5,2
3 Pik systemowy 6,8
4 Azotyny 7,4 1 3270 2,3
5 Bromki 8,6 1 3970 1,3
6 Azotany 10,3 1 3600 1,9
7 Fosforany 11,6 1 3290 0,7
8 Siarczany 14,1 1 2980 1,1
78 Monografia Metrohm’a

Chromatogram 17 Ultra czysta woda
Tabela 27 Składniki – Doświadczenie 7b
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Chlorki 5,7 0,030 2240 0,17
2 Pik systemowy 6,8
Uwagi
Dokładnie kilka razy przepłukać naczynia, strzykawki i cały system; używać plastikowych pojemników.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 79

4.3 Doświadczenia z oznaczaniem anionów
4.3.1 Doświadczenie 8 – Oznaczanie anionów w wodzie do picia
Woda pitna jest naszym najważniejszym środkiem spożywczym. Jest otrzymywana głównie z wód
podziemnych i powierzchniowych. Wody powierzchniowe zawierają wody z jezior i zbiorników, wody
infiltracji brzegowej, wody podziemne wzbogacone w wody powierzchniowe oraz wody rzeczne.
Zgodnie z normą DIN 2000 woda do picia musi spełniać następujące wymagania:
Powinna być bezbarwna, przeźroczysta, zimna i wolna od obcych zapachów i smaków.
Jeśli to możliwe powinna być naturalnie wolna od bakterii chorobotwórczych i substancji, które są
niebezpieczne dla zdrowia.
Nie powinna zawierać zbyt wiele soli, szczególnie składników twardości, żelaza, manganu oraz substancji
organicznych (substancje bagienne i humusowe).
Nie powinna powodować korozji.
Dostępna ilość powinna być wystarczająca do zabezpieczenia wszystkich potrzeb zaopatrywanych w nią
mieszkańców.
W zależności od stopnia zanieczyszczenia stosuje się różne metody uzdatniania wody do picia.
Przesiewanie - usuwa grubszą glebę i większe cząstki.
Filtr piaskowy - dla filtracji; w piasku występują także procesy biodegradacji i pomagają w oczyszczeniu.
Filtr z węgla aktywnego adsorbuje rozpuszczone substancje organiczne, np. pestycydy.
Usuwanie żelaza i manganu przez utlenianie Fe (II) i Mn (II); inaczej proces ten wystąpiłby w przewodach
wodociągowych powodując powstanie w wodzie do picia brązowego zmętnienia lub kłaczków.
Woda
surowa
Napowietrzanie:
Zbiornik
Filtr żwirowy
1. Wzbogacanie w tlen
2. Usuwanie CO2
3. Zamiana
rozpuszczalnych
soli żelaza i
manganu w sole
nierozpuszczalne w
wodzie
Zakład uzdatniania wody do picia
Napowietrzanie
Woda płucząca
Powietrze
Filtr z węgla aktywnego
Pompa Odpływ wody płuczącej
Rys. 28 Uzdatnianie wody do picia – diagram wg Thomas Seilnacht, Tuttling
Opis kolorów
zielony: woda nieuzdatniona
żółty: powietrze
czerwony: woda płucząca
niebieski: woda pitna
Chlorowanie
Zbiornik
Woda pitna
80 Monografia Metrohm’a

Dezynfekcja jest zawsze niezbędna wtedy, kiedy woda nie jest wolna od bakterii chorobotwórczych.
Stosowane są: chlor, ozon, ditlenek chloru i promieniowanie ultrafioletowe (UV).
Zapobiegawcze chlorowanie przed wpuszczeniem wody do przewodów wodociągowych w celu
zapobiegania wzrostowi mikroorganizmów na drodze do konsumenta.
Cel doświadczenia
• Badanie środka spożywczego nr 1
• Sprawdzanie informacji podanych na butelkach z wodą mineralną.
Tabela 28 Dopuszczalne stężenia w wodzie do picia (w Republice Federalnej Niemiec) 11
Fluorki 1,5 mg/l jako F -
Azotany 50 mg/l jako NO3 -
Azotyny 0,1 mg/l jako NO2 -
Chlorki 250 mg/l
Siarczany 250 mg/l
Tabela 29 Parametry dla Doświadczenia 8
Kolumna 6.1006.020 Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm)
Eluent NaHCO3 2,4 mmol/l / Na2CO3 2,5 mmol/l + 2% acetonu
Przewodnictwo po supresji chemicznej wynosi około 16 µS/cm
Próbka Woda do picia
Metoda exp_08_s.mtw
System asupp.smt
Przepływ 0,5 ml/min
Ciśnienie 3 MPa
Czas analizy 16 minut
Pętla 20 µl
Supresor Roztwór regenerujący: H2SO4 50 mmol/l, ultra czysta woda
Autostep z Fill
Polarność +
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić 265 mg bezwodnego węglanu sodu oraz 201,5 mg wodorowęglanu sodu w 980 ml ultra czystej
wody i dodać 20 ml acetonu.
11 Polskie normatywy są identyczne – Dz.U. Nr 82, poz.937, 2000 (przyp. tłumacza)
Praktyczna Chromatografia Jonowa 81

Chromatogram 18 Woda do picia z Herisau (Szwajcaria)
Tabela 30 Składniki – Woda do picia z Herisau (Szwajcaria)
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Fluorki 3,7 0,05 2680 1,2
2 Chlorki 5,8 6,5 2500 104
3 Pik systemowy 6,8
4 Azotany 10,3 8,4 4560 74
5 Siarczany 14,4 14,4 3670 68
82 Monografia Metrohm’a

Chromatogram 19 Woda mineralna bez dwutlenku węgla
Tabela 31 Składniki – Woda mineralna bez dwutlenku węgla
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Fluorki 3,7 1,5 2560 35
2 Chlorki 5,7 14,1 2980 226
3 Pik systemowy 6,8
4 Bromki 8,5 0,075 4810 0,5
5 Azotany 10,3 1,4 4400 12
6 Siarczany 14,3 300 3830 3400
Uwagi
Woda mineralna zawierająca dwutlenek węgla powinna być odgazowana przed pomiarem – dlaczego ?
83 Monografia Metrohm’a

4.3.2 Doświadczenie 9 – Aniony w etanolu i napojach alkoholowych
Oznaczenie anionów w rozpuszczalnikach organicznych jest możliwe, chociaż na początku chromatogramu
często występują wyraźne piki systemowe. Jako przykład pokazano analizy dżinu, whisky i etanolu.
W celu uzyskania niższych granic wykrywalności można zastosować technikę wstępnego zatężania (patrz
rozdział 4.2.8). Jednakże w pewnych przypadkach matryca (np. etanol) może w dużym stopniu
przeszkadzać w oznaczeniu, prowadząc do źle wykształconych pików, których nie można oznaczyć (patrz
chromatogram 25). Konieczne jest więc usunięcie matrycy, przez przepłukiwanie kolumny wstępnego
zatężania ultra czystą wodą (eliminacja matrycy). W ten sposób uzyskuje się dobre chromatogramy (patrz
chromatogram 24).
Technika eliminacji matrycy może być wykorzystywana do analizy polarnych, a nawet nie polarnych
rozpuszczalników.
Alternatywną metodą usunięcia substancji organicznych z roztworów wodnych jest zastosowanie kolumny
RP (reversed phase – o odwróconych fazach) w celu przygotowania próbki.
Cel doświadczenia
• Analiza żywności
• Wpływ matrycy w chromatografii
• Przygotowanie próbki
• Wstępne zatężanie próbki i eliminacja matrycy
Tabela 32 Parametry dla Doświadczenia 9a - 9c
Kolumna 6.1006.020 Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm)
Eluent NaHCO3 2,4 mmol/l/ Na2CO3 2,5 mmol/l + 2% acetonu
Przewodnictwo po supresji chemicznej wynosi około 16 µS/cm
Próbka a) Dżin
b) Whisky
c) Etanol
Metoda exp_09_s.mtw
System asupp.smt
Przepływ 0,5 ml/min
Ciśnienie 5 MPa
Czas analizy a) 17 minut
b) 33 minuty
c) 17 minut
Pętla a) 100 µl
b) 100 µl
c) 500 µl na kolumnie wstępnego zatężania 6.1006.300 Metrosep Anion; dla
eliminacji matrycy przepłukać 2 ml ultra czystej wody
Supresor Roztwór regenerujący: H2SO4 50 mmol/l, ultra czysta woda
Autostep z Fill
Polarność +
84 Monografia Metrohm’a

Przygotowanie eluentu
Rozpuścić 265 mg bezwodnego węglanu sodu oraz 201,5 mg wodorowęglanu sodu w 980 ml ultra czystej
wody. Następnie dodać 20 ml acetonu.
Doświadczenie 9a – Oznaczanie anionów w dżinie
Chromatogram 20 Roztwór wzorcowy dla analizy dżinu
Tabela 33 Składniki – Doświadczenie 9a – Wzorzec
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Chlorki 5,5 0,1 4240 7,8
2 Pik systemowy 7,0
3 Azotany 9,6 0,02 2980 0,9
4 Siarczany 13,0 0,4 3320 22
5 Szczawiany 14,9 0,02 3710 0,7
Praktyczna Chromatografia Jonowa 85

Chromatogram 21 Analiza dżinu
Tabela 34 Składniki – Doświadczenie 9a – Dżin
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Chlorki 5,6 0,11 2230 8,8
2 Azotany 9,7 0,014 3360 0,6
3 Siarczany 13,0 0,43 3260 23,5
4 Szczawiany 14,9 0,013 3920 0,5
86 Monografia Metrohm’a

Doświadczenie 9b – Oznaczanie anionów w whisky
Chromatogram 22 Roztwór wzorcowy dla analizy whisky
Tabela 35 Składniki – Doświadczenie 9b – Wzorzec
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Chlorki 5,5 1 4700 84
2 Pik systemowy 7,0
3 Azotany 9,6 0,5 3640 20
4 Fosforany 10,8 0,5 2960 11
5 Jabłczany 12,1 0,5 3730 306
6 Siarczany 13,0 1 3350 56
7 Szczawiany 14,9 1 3250 41
Praktyczna Chromatografia Jonowa 87

Chromatogram 23 Analiza whisky
Tabela 36 Składniki – Doświadczenie 9b – Whisky
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Chlorki 5,6 1,3 3300 167
2 Pik systemowy 7,3
5 Azotany 9,8 0,22 4000 8,7
6 Fosforany 10,9 0,43 3510 9,6
7 Jabłczany 12,4 0,81 4580 5,8
8 Siarczany 13,1 0,88 3040 49
9 Szczawiany 15,1 1,91 3540 79
Uwagi
Piki 3, 4 i 10 nie były oznaczane.
88 Monografia Metrohm’a

Doświadczenie 9c – Oznaczanie anionów w etanolu ze wstępnym zatężaniem i eliminacją
matrycy
Chromatogram 24 Oznaczanie anionów w etanolu z eliminacją matrycy
Tabela 37 Składniki – Doświadczenie 9c – z eliminacją matrycy
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Chlorki 5,3 0,021 3570 9,5
2 Pik systemowy 6,8
3 Azotany 9,3 0,013 3940 2,8
6 Siarczany 12,3 0,046 2130 14
7 Szczawiany 14,1 0,018 3250 3,8
Praktyczna Chromatografia Jonowa 89

Chromatogram 25 Oznaczanie anionów w etanolu bez eliminacji matrycy
Tabela 38 Składniki – Doświadczenie 9c – bez eliminacji matrycy
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
Uwagi
Brak pików
Dokładnie przepłukiwać kilka razy wszystkie pojemniki, strzykawki i system; używać plastikowych
pojemników
90 Monografia Metrohm’a

4.3.3 Doświadczenie 10 – Aniony w sałacie
Azotany dostają się do ludzkiego ciała poprzez wodę do picia lecz także przez jedzenie warzyw, sałaty itp.
Światowa Organizacja Zdrowia (World Health Organization WHO) zaleca, żeby dzienne spożycie azotanów
nie przekraczało 220 mg na osobę. W Niemczech średnie dzienne spożycie wynosi 130 mg na osobę
dziennie. Około 5% pochodzi z mięsa i wędlin; pozostałe są podzielone w stosunku 50:50 pomiędzy wodę
do picia oraz warzywa, sałatę itp.
Azotany mogą mieć niekorzystny wpływ na zdrowie człowieka na kilka różnych sposobów. Azotany są
względnie nietoksyczne. Tylko w przypadku jeśli zostaną spożyte duże ilości, może to prowadzić do
zapalenia przewodu pokarmowego. Jednakże w pewnych warunkach, szczególnie w obecności bakterii,
które są obecne w jamie ustnej człowieka, azotany są redukowane przez enzym reduktazy azotanów do
azotynów:
Azotany mogą przekształcić czerwony barwnik krwi, hemoglobinę w methemoglobinę (Fe2+ jest utlenione
do Fe3+). W przeciwieństwie do hemoglobiny, methemoglobina nie może przenosić tlenu we krwi. U
dorosłych ludzi taką usterkę mogą naprawić reakcje metaboliczne. Jednakże procesy metaboliczne u
niemowląt do 5 miesiąca życia nie są w stanie tego dokonać. Powoduje to brak tlenu we krwi niemowlęcia i
jego skóra przybiera błękitne zabarwienie. Taka sinica lub methemoglobinemia może czasami doprowadzić
do śmierci.
W kwaśnym środowisku żołądka azotyny mogą reagować z różnymi drugorzędowymi aminami (dwa atomy
H w cząsteczce amonowej są zastąpione przez reszty alkilowe), które dostają się do ciała człowieka z
lekarstwami i żywnością, i tworzyć nitrozoaminy.
Nitrozoaminy należą do najbardziej rakotwórczych substancji. Są one wytwarzane w organizmie ze
związków, które same nie są rakotwórcze.
Cel doświadczenia
Jeśli R = CH3: dimetylonitrozoamina
• Analiza środków żywnościowych
• Sprawdzanie obecności azotynów i azotanów w środkach żywnościowych
Praktyczna Chromatografia Jonowa 91

Tabela 39 Parametry dla Doświadczenia 10
Kolumna 6.1006.020 Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm)
Eluent NaHCO3 2,4 mmol/l / Na2CO3 2,5 mmol/l + 2% acetonu
Przewodnictwo po supresji chemicznej wynosi około 16 µS/cm
Próbka Sałata
Metoda exp_10_s.mtw
System asupp.smt
Przepływ 0,5 ml/min
Ciśnienie 5 MPa
Czas analizy 20 minut
Pętla 20 µl
Supresor Roztwór regenerujący: H2SO4 50 mmol/l, ultra czysta woda
Autostep z Fill
Polarność +
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić 265 mg bezwodnego węglanu sodu oraz 201,5 mg wodorowęglanu sodu w 980 ml ultra czystej
wody. Następnie dodać 20 ml acetonu.
Przygotowanie próbki
Poszatkować sałatę, rozdrobnić, dodać ultra czystą wodę w stosunku 1:100 i przesączyć.
92 Monografia Metrohm’a

Chromatogram 26 Roztwór wzorcowy do analizy sałaty
Tabela 40 Składniki – Doświadczenie 10 – Roztwór wzorcowy
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Chlorki 5,3 5 4480 80
2 Pik systemowy 6,7
3 Azotany 9,3 5 4320 42
4 Fosforany 10,4 5 2990 24
5 Jabłczany 11,8 10 3140 26
6 Siarczany 12,7 2 3330 22
7 Szczawiany 14,6 0,1 3500 0,9
Praktyczna Chromatografia Jonowa 93

Chromatogram 27 Analiza sałaty (rozcieńczenie 1:100)
Tabela 41 Składniki – Doświadczenie 10 – Sałata
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Chlorki 5,3 540 4260 86
2 Pik systemowy 6,6
4 Azotany 9,4 410 4240 34
5 Fosforany 10,4 540 2960 25
6 Jabłczany 11,8 1160 2180 30
7 Siarczany 12,6 206 2800 23
8 Szczawiany 14,5 10 2300 1
Uwagi
Piki 3, 9 i 10 nie były oznaczane.
94 Monografia Metrohm’a

4.3.4 Doświadczenie 11 – Kwas fosforowy w napojach typu „cola”
Coca-Cola jest bezalkoholowym napojem, który zawiera ditlenek węgla i kofeinę. Po raz pierwszy została
przygotowana w roku 1885 przez amerykańskiego aptekarza Pembertona. Wśród jej składników znajdują
się ekstrakty z orzechów cola, gorzkie pomarańcze, strąki chleba świętojańskiego, esencja imbirowa, 12%
cukru, 0,28% kwasu fosforowego (pH 2,7), barwnik karmelowy oraz ditlenek węgla. Zawartość kofeiny
wynosi 16 mg/100 ml.
Oznaczenie zawartości kwasu fosforowego w napojach cola ma szczególne znaczenie, ponieważ lokalne
rozlewnie uzyskują koncentrat i butelkowanie jest kontrolowane poprzez zawartość fosforanów, wymagając
bardzo dokładnego oznaczenia.
Na rynku dostępnych jest wiele napojów typu cola (Pepsi Cola, Club Cola, River Cola, Afri Cola, itp.); ich
skład może się różnić od składu Coca-Coli.
Kwas fosforowy jest kwasem trójzasadowym (pKA1=2,161; pKA2=7,207; pKA3=12,325). Ilości
poszczególnych odmian różnią się w zależności od pH i można je zobaczyć na następującym diagramie:
pH = 4.5 pH = 9.5
Efekt buforowania
Rys. 29 Efekt buforujący kwasu fosforowego w zakresie pH 6 – 8.
Mieszanina pierwszorzędowego i drugorzędowego fosforanu jest często stosowana jako roztwór buforowy,
który buforuje w zakresie pH od 6 do 9 (od 90% H2PO4 - + 10% HPO4 2- do 10% H2PO4 - + 90% HPO4 2- ).
Spójrz także na równanie Hendersona-Hasselbalcha (równanie buforowe)
Praktyczna Chromatografia Jonowa 95

Cel doświadczenia
• Analiza środków żywnościowych
• Chemia kwasu fosforowego
• Wpływ pH na rozdział chromatograficzny
• Statystyka: powtarzalność
Tabela 42 Parametry dla Doświadczenia 11
Kolumna 6.1006.020 Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm)
Eluent NaHCO3 2,4 mmol/l/ Na2CO3 2,5 mmol/l + 2% acetonu
Przewodnictwo po supresji chemicznej wynosi około 16 µS/cm
Próbka Coca-Cola
Metoda exp_11_s.mtw
System asupp.smt
Przepływ 0,5 ml/min
Ciśnienie 3 MPa
Czas analizy 18 minut dla Coca-Coli, 30 minut dla niskokalorycznej Coca-Coli
Pętla 20 µl
Supresor Roztwór regenerujący: H2SO4 50 mmol/l, ultra czysta woda
Autostep z Fill
Polarność +
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić 265 mg bezwodnego węglanu sodu oraz 201,5 mg wodorowęglanu sodu w 980 ml ultra czystej
wody. Następnie dodać 20 ml acetonu.
96 Monografia Metrohm’a

Chromatogram 28 Roztwór wzorcowy dla analizy coli.
Tabela 43 Składniki – Doświadczenie 11 – Roztwór wzorcowy
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Chlorki 5,3 1 4140 15
2 Pik systemowy 6,7
3 Azotany 9,4 1 4220 8,0
4 Fosforany 10,5 50 3250 261
5 Siarczany 12,7 1 2950 13
Praktyczna Chromatografia Jonowa 97

Doświadczenie 11a – Analiza coli (rozcieńczenie 1:10)
Chromatogram 29 Analiza coli (rozcieńczenie 1:10)
Tabela 44 Składniki – Doświadczenie 11a
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Chlorki 5,3 5,9 3100 8,9
2 Pik systemowy 6,8
3 Azotany 9,5 5,9 5000 4,7
4 Fosforany 10,5 510 3370 266
5 Siarczany 12,8 11,0 3520 14
98 Monografia Metrohm’a

Doświadczenie 11b – Analiza niskokalorycznej coli (rozcieńczenie 1:10)
Chromatogram 29 Analiza niskokalorycznej coli (rozcieńczenie 1:10)
Tabela 45 Składniki – Doświadczenie 11b
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Chlorki 5,3 6,0 2990 9,2
2 Pik systemowy 6,7
3 Azotany 9,4 7,3 4290 5,8
4 Fosforany 10,5 663 1850 346
5 Siarczany 12,8 14,4 1630 19
Uwagi
Piki 6, 7 i 8 nie były oznaczane.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 99

Doświadczenie 11c – Powtarzalność pomiarów fosforanów w coli
Chromatogram 31 Połączenie wyników 8 pomiarów (próbki nie rozcieńczone)
Tabela 46 Powtarzalność pomiarów
Chromatogram Powierzchnia piku fosforanu
Stężenie fosforanu
[µS/cm*s]
[mg/l]
1 3627 519
2 3629 520
3 3626 519
4 3626 519
5 3636 521
6 3638 521
7 2639 521
8 3638 521
Odchylenie standardowe: poniżej 0,2%
Uwagi
Cola musi być odgazowana. W niskokalorycznej coli środek słodzący (cyklamate) leży pod pikiem
fosforanu.
100 Monografia Metrohm’a

4.3.5 Doświadczenie 12 – Kwasy organiczne w winie
Zgodnie z niemieckim prawem wino jest produktem, który jest uzyskiwany jedynie przez całkowitą lub
częściową fermentację alkoholową świeżych lub rozgniecionych winogron albo soku winogronowego. Sok
winogronowy zawiera około 12 - 25% węglowodanów (glukoza, fruktoza) oraz 0,9 - 1,5% kwasów;
najważniejszymi są kwas L-(+) winowy (2R, 3R) i kwas jabłkowy, lecz obecne mogą być także kwas
cytrynowy, kwas ketoglutarowy, kwas bursztynowy i kwas mlekowy.
Ważnym kryterium oceny soku winogronowego jest stopień Oechsle (Oe°); im jest on wyższy, tym więcej
cukru zawiera sok. Określa on ilość gramów, o które 1 litr soku w temperaturze 20 °C jest cięższy od 1 litra
wody destylowanej. Na przykład sok o gęstości 1,115 kg/l (115 g więcej niż 1 litr wody) ma 115 °Oechsle.
Proste obliczenia pozwalają na określenie zawartości cukru i alkoholu ze stopni Oechsle. 1,7 g cukru
wytwarza 1 ml (0,794 g) etanolu. Przy frakcji objętościowej alkoholu równej 12 - 15% fermentacja ulega
zatrzymaniu, ponieważ drożdże są zabijane przez wytworzony przez siebie alkohol.
Aromat wina jest wytworzony przez 600 do 800 składników: węglowodorów, alkoholi, aldehydów, ketonów,
kwasów, estrów, laktonów, eterów, fenoli i wielu innych.
Z analitycznego punktu widzenia interesujące są: kwas 2R, 3R winowy, kwas jabłkowy, kwas cytrynowy,
kwas mlekowy i kwas bursztynowy. Całkowita zawartość kwasów (w przeliczeniu na kwas winowy) wynosi
zwykle pomiędzy 5,5 i 8,5 g/l. Kwas octowy, kwas propionowy, wyższe kwasy tłuszczowe i nienormalne
ilości kwasu mlekowego występują w „popsutym” winie i są głównie wytwarzane przez mikroorganizmy.
L-(+)- kwas winowy, postać (2R, 3R)
Fermentacja alkoholowa przebiega zgodnie z następującym równaniem:
Rys. 30. Skróty: ADP = adenozynodwufosforan, ATP = adenozynotrójfosforan, P = fosforan.
Słabe kwasy organiczne oznacza się metodą chromatografii wykluczania jonowego (patrz rozdziały 3.3.4,
3.6.7 i 3.7.2.3).
Praktyczna Chromatografia Jonowa 101

Tabela 47 Zawartość kwasów (mg/l) w winach
niemieckich (wartości średnie z 4 lub 2 pojedynczych analiz, zachowano niemieckie oryginalne nazwy)
Műller-Thurgau
Riesling
Beerenauslese
Auslese
Spatlese
Silvaner
Kabinett
Beernauslese,
Eiswein
Portugalskie
wino
czerwone
Auslese
Spätlese
Kabinett
Typowe
wino
wysokiej
jakości
Kwasy
19,5
15,4
40,9
16,7
21,7
16,0
45,8
11,0
13,1
15,7
szczawiowy
269,2
264,9
215,1
243,8
149,2
230,2
282,1
205,8
260,1
194,0
bursztynowy
40,6
27,0
51,8
20,9
36,0
20,8
28,3
24,6
31,9
44,2
fumarowy
6,2
1,9
2,2
2,6
7,0
2,3
2,6
4,5
1,9
3,7
glutarowy
4,5
1,6
2,5
1,4
6,4
4,9
5,5
+
1,9
2,1
akonitowy c- lub t-
5,8
1,7
3,4
3,7
6,9
1,4
+
+
1,3
1,8
glikolowy
2096,0
208,1
221,0
793
2141
151,0
159,8
319,8
2364
1789
mlekowy D-+L-
49,9
68,8
87,0
49,6
53,0
59,0
39,5
50,1
62,6
43,5
anglicerynowy
+/-
+/-
+/-
+/-
+/-
+/-
+/-
+/-
+/-
+/-
triglicerynowy
+/-
+/-
+/-
+/-
+/-
+/-
+/-
+/-
+/-
+/-
3-M-2,3-DHBS
102 Monografia Metrohm’a
2897
3410
3163
2893
2251
4235
3871
3850
5080
3971
jabłkowy
887
805
1014
1280
1251
817
1431
1428
994
1586
winowy
41,0
24,2
33,8
31,3
48,2
46,8
18,6
63,0
53,7
94,5
cytrynowo-jabłkowy
22,2
26,9
15,3
18,8
20,6
28,4
24,5
18,2
27,5
24,9
hydroksyglutarowy
335,1
240,2
221,7
200,7
287,3
298,8
3,1
1,1
1,8
2,9
6,1
4,0
222,8
+/-
241,1
+/-
150,2
1,0
136,9
+
cytrynowy
glioksylowy
33,0
18,6
22,7
17,6
8,6
16,8
12,4
17,8
29,8
20,6
pirogronowy
27,5
40,3
33,7
41,0
35,6
55,7
36,8
38,6
45,7
41,1
-ketoglutarowy
540,0
373,9
131,1
53,9
337,2
452,1
95,9
54,5
11,2
4,5
+
-
20,4
4,1
-
-
357,2
+
59,0
glukonowy
-
śluzowy
10,2
7,6
6,0
1,7
14,5
7,9
5,8
3,8
3,4
2,1
glukuronowy
34,3
23,2
17,3
10,0
43,4
22,0
19,7
14,1
11,7
11,1
galakturonowy
8,5
9,7
10,4
12,0
9,6
9,8
10,1
13,7
9,0
12,9
L-askorbinowy
7333
5565
5284
5685
6744
6474
6302
6349
9491
7977
Suma kwasów
Uwagi
nie oznaczany
+/- obecny w ilościach śladowych (około 5 mg/l),
- nie wykryto
3-M-2,3-DHBS to kwas 3-metylo-2,3-dihydroksymasłowy
+ ślady

Cel doświadczenia
• Analiza środków żywnościowych
• Chromatografia wykluczania jonowego
• Jakie jony mogą być oznaczane metodą chromatografii wykluczania jonowego ?
Tabela 48. Parametry dla Doświadczeń 12a i 12b
Kolumna 6.1005.200 Metrosep Organic Acids (7,8 x 250 mm)
Eluent H2SO4 0,5 mmol/l / aceton (85:15)
Próbka Wino
Metoda exp_11_s.mtw
System orgacids.smt
Przepływ 0,5 ml/min
Ciśnienie 3 MPa
Czas analizy 20 minut
Pętla 20 µl
Polarność +
Przygotowanie eluentu
Wymieszać razem 850 ml 0,5 mmol/l H2SO4 i 150 ml acetonu.
Przygotowanie próbki
Rozcieńczyć próbkę w stosunku 1:100, przesączyć wino przez filtr 0,45 µm.
103 Monografia Metrohm’a

Doświadczenie 12a – Oznaczanie kwasów organicznych w białym winie
Chromatogram 32 Wzorzec dla oznaczania kwasów organicznych w winie
Tabela 49 Składniki – Doświadczenie 12a – Roztwór wzorcowy
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Cytryniany 7,2 5 26200 1,1
2 Winiany 7,5 20 7990 31
3 Jabłczany 8,3 5 9210 4,5
4 Bursztyniany 9,9 5 7140 1,2
5 Mleczany 10,8 20 8830 11
6 Octany 13,1 10 11500 1,2
7 Pik systemowy 15,9
104 Monografia Metrohm’a

Chromatogram 33 Oznaczanie kwasów organicznych w białym winie (rozcieńczenie 1:100)
Tabela 50 Składniki – Doświadczenie 12a – Białe wino
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Cytryniany 7,2
2 Winiany 7,5 1210 8430 19
4 Jabłczany 8,2
7 Bursztyniany 9,8 350 5660 0,8
8 Mleczany 10,7 2190 8820 13
9 Octany 13,0 710 5200 0,8
10 Pik systemowy 15,8
Uwagi
Piki 3, 5, 6 nie były oznaczane.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 105

Doświadczenie 12b – Oznaczanie kwasów organicznych w czerwonym winie
Chromatogram 34 Oznaczanie kwasów organicznych w czerwonym winie (rozcieńczenie 1:100)
Tabela 51 Składniki – Doświadczenie 12b – Czerwone wino
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Cytryniany 7,2
2 Winiany 7,5 2230 8300 34
4 Jabłczany 8,2
7 Bursztyniany 9,9 410 10500 1,0
8 Mleczany 10,8 1560 9570 8,9
9 Octany 13,1 1010 7950 1,1
10 Pik systemowy 15,9
Uwagi
Nie zidentyfikowano pików 3, 5, 6; nie można było prawidłowo oznaczyć cytrynianów i jabłczanów.
106 Monografia Metrohm’a

4.3.6 Doświadczenie 13 – Oznaczanie zanieczyszczeń w boranach – chlorki i siarczany w roztworach
boraksu
Boraks (czteroboran disodowy, Na2B4O7*10H2O, Na2[B4O5(OH)4*8H2O) ma następującą budowę:
Rys. 31. „Boraks” (czteroboran disodowy,
Na2B4O7*10H2O, Na2[B4O5(OH)4*8H2O)
Podczas stapiania boraks może rozpuścić wiele tlenków metali z utworzeniem charakterystycznych barw.
Te „perły boraksowe” są dobrze znane w praktycznej chemii nieorganicznej. Boraks jest także stosowany
podczas produkcji szkła, glazury na ceramice, porcelany oraz jako topnik w lutowaniu. W temperaturze
100 °C boraks traci 5 cząsteczek wody i staje się pięciowodnym „boraksem jubilerskim”. Jeśli dodamy do
niego topnik lutowniczy wtedy zanieczyszczenia powierzchniowe – głównie warstewki tlenków – są
zniszczone. Mogą one także wpłynąć na tworzenie stopu pomiędzy lutem (stop srebra, miedzi i cyny) oraz
materiałem podstawowym.
Roztwory czteroboranu sodu (boraksu) są stosowane jako absorbery neutronów w obwodach
wewnętrznego chłodzenia w elektrowniach jądrowych. Czystość materiału jest szczególnie ważna,
ponieważ ślady chlorków i siarczanów powodują korozję rur, której trzeba unikać wszelkimi sposobami.
Kwas borowy, H3BO3 lub B(OH)3 jest bardzo słabym kwasem jednozasadowym, którego wartość pKA=9,25
odpowiada w przybliżeniu tej stałej dla HCN. Kwas borowy nie jest donorem H + (definicja kwasów
Brönsteda) lecz raczej akceptorem OH - (definicja kwasów Lewisa).
Chromatografia jonowa bez supresji chemicznej wykorzystuje kwaśny eluent o pH=4,1 dla oznaczenia
zanieczyszczeń w boranie. Przy tym pH boran jest obecny prawie całkowicie jako kwas borowy. W
przeciwieństwie do ujemnie naładowanych anionów, kwas borowy nie oddziałuje z fazą stacjonarną
kolumny rozdzielającej. Oznacza to, że jest wymywany w martwej objętości.
Jednakże, zamiast tego, z supresją chemiczną stosowany jest słabo zasadowy eluent
węglanowo/wodorowęglanowy. Chociaż obecnie możliwe jest rozdzielenie boranu jako anionu, to nie jest
możliwe jego wykrycie. Przyczynę tego można znaleźć w supresorze, który wymienia wszystkie jony Na +
na jony H + . W wyniku tworzy się słaby kwas borowy.
Duża ilość kwasu borowego zakłóca chromatogram, powodując prawie niemożliwym oznaczanie anionów.
Eliminacja matrycy jest najlepszą spsobem rozwiązania tego problemu.
W elektrowniach często muszą być oznaczone ślady anionów w próbkach wody zawierających od 2 do 4%
kwasu borowego. W tych przypadkach stosuje się technikę eliminacji matrycy ze wstępnym zatężaniem
próby (patrz chromatogram 37).
Cel doświadczenia
• Mocne i słabe kwasy
• Porównanie pomiarów z supresją elektroniczną i chemiczną
• Przygotowanie próbki
• Wstępne zatężanie próbki i eliminacja matrycy
Praktyczna Chromatografia Jonowa 107

Doświadczenie 13a – Pomiar bez supresji chemicznej (z supresją elektroniczną)
Tabela 52. Parametry dla Doświadczenia 13a
Kolumna 6.1006.020 Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm)
Eluent kwas ftalowy 8 mmol/l, 2% acetonitrylu; pH=4,1 (TRIS)
Przewodnictwo wynosi około 400 µS/cm
Próbka 1 g/l boraksu w ultra czystej wodzie z dodatkiem 1 ppm chlorków i 1 ppm
siarczanów
Metoda exp_13_n.mtw
System anonsupp.smt
Przepływ 0,5 ml/min
Ciśnienie 2 MPa
Czas analizy 23 minuty
Pętla 100 µl
Polarność +
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić 1,33 g kwasu ftalowego w 20 ml acetonitrylu i niewielkiej ilości wody, dodać roztwór do
odgazowanej wody i uzupełnić do 1litra. Ustalić pH=4,1 dodając stały TRIS (około 1 g).
Chromatogram 35 Boran z dodatkiem 1 ppm chlorków i 1 ppm siarczanów – bez supresji
chemicznej
108 Monografia Metrohm’a

Tabela 53 Składniki – Doświadczenie 13a
Pik Składnik tR [min] Stężenie Liczba półek Powierzchnia
[mg/l]
[µS/cm*s]
1 Chlorki 4,4 1 2790 12
2 Siarczany 9,0 1 3270 8,4
4 Pik systemowy 19
Doświadczenie 13b – Pomiar z supresją chemiczną
Tabela 54. Parametry dla Doświadczenia 13b
Kolumna 6.1006.020 Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm)
Eluent NaHCO3 2,4 mmol/l / Na2CO3 2,5 mmol/l + 2% acetonu
Przewodnictwo po supresji chemicznej wynosi około 16 µS/cm
Próbka 1 g/l boraksu z dodatkiem 1 ppm chlorków i 1 ppm siarczanów
Metoda exp_13_s.mtw
System asupp.smt
Przepływ 0,5 ml/min
Ciśnienie 2 MPa
Czas analizy 16 minut
Pętla 20 µl
Supresor Roztwór regenerujący: H2SO4 50 mmol/l, ultra czysta woda
Autostep z Fill
Polarność +
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić 265 mg bezwodnego węglanu sodu oraz 201,5 mg wodorowęglanu sodu w 980 ml ultra czystej
wody. Następnie dodać 20 ml acetonu.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 109

Chromatogram 36 Boran z dodatkiem 1 ppm chlorków i 1 ppm siarczanów – z supresją chemiczną
Tabela 55 Składniki – Doświadczenie 13b
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Chlorki 5,4 1 4170 15
2 Siarczany 13,7 1 3290 11
Przykładowy chromatogram – Oznaczanie śladowych anionów w kwasie borowym ze wstępnym
zatężaniem i eliminacją matrycy
Tabela 56. Parametry – Przykładowy chromatogram
Kolumna 6.1006.020 Metrosep Anion Dual 2 (4,6 x 75 mm)
Eluent NaHCO3 0,8 mmol/l/ Na2CO3 5,5 mmol/l
Próbka 4% wodny roztwór kwasu borowego
Przepływ 0,8 ml/min
Ciśnienie 4,6 MPa
Czas analizy 25 minut
Wprowadzanie
próbki
2 ml próbka jest przepuszczona przez kolumnę wstępnie zatężającą, na której
zatrzymane są oznaczane śladowe aniony. Potem kolumna ta jest przepłukana
wodą ultra czystą w celu usunięcia kwasu borowego (eliminacja matrycy) a
następnie przełączona na ścieżkę eluentu (inject). Zatrzymane śladowe aniony są
ponownie eluowane, przeniesione na kolumnę Metrosep Anion Dual 2 i na niej
rozdzielone.
Supresor Roztwór regenerujący: H2SO4 50 mmol/l, ultra czysta woda
Autostep z Fill
Polarność +
110 Monografia Metrohm’a

Przygotowanie eluentu
Rozpuścić 583 mg bezwodnego węglanu sodu i 67,2 mg wodorowęglanu sodu w 1 litrze ultra czystej wody.
Chromatogram 37 Oznaczanie śladowych anionów w 4% kwasie borowym ze wstępnym zatężaniem i
eliminacją matrycy
Tabela 57 Składniki – Przykładowy chromatogram
Pik Składnik tR [min] Stężenie [µg/l]
1 Chlorki 5,7 15,6
3 Azotany 12,6 4,1
4 Fosforany 15,6 15,5
5 Siarczany 20,9 35,8
Praktyczna Chromatografia Jonowa 111

4.3.7 Doświadczenie 14 – Oznaczanie anionów w ściekach
W stacjach biologicznego uzdatniania wody ścieki są zwykle oczyszczane za pomocą bakterii. Substancje
organiczne są w znacznym stopniu utleniane z pochłanianiem tlenu.
bakterie
substancje organiczne + O2 CO2 + H2O + masa komórki
Poza utlenianiem substancji organicznych, w odpowiednio przygotowanych zakładach, jon amonowy
(amon) może być także utleniany do azotanów (nitryfikacja).
bakterie
NH4 + + 2O2 NO3 - + H2O + 2H +
W zbiornikach pozbawionych tlenu bakterie wykorzystują tlen z azotanów dla utleniania substancji
organicznych (denitryfikacja).
bakterie
substancje organiczne + 2 NO3 - 2 CO2 + 2 OH - + 2 H2O + N2↑
Fosforany, które podobnie jak NH4 + i NO3 - są biogenami niezbędnymi dla roślin, mogą zostać wytrącone,
np. przez dodanie roztworów soli Fe3+ . Poza tak zwanymi parametrami sumarycznymi - biochemicznym
zapotrzebowaniem na tlen (BZT), chemicznym zapotrzebowaniem na tlen (ChZT), całkowitą zawartością
węgla (TOC), które są miarą ładunku organicznego w ściekach lub ogólnie w wodach, ważna jest również
analiza NH4 + , NO3 - , PO4 3- . Tylko w szczególnych sytuacjach analizowane są Cl- i SO4 2- .
W komunalnych stacjach oczyszczania wody o więcej niż 100 000 tak zwanych równoważników
populacyjnych (1 równoważnik populacyjny odpowiada zrzutowi ścieków na 1 osobę) ustalono w
Niemczech następujące limity:
BZT 15 mg/l
ChZT 75 mg/l
NH4 + - N 10 mg/l *
Ntot 18 mg/l * (suma NH4 + -N, NO2 -- N, NO3 -- N)
PO4 3- - Ptot
1 mg/l
* stosuje się tylko przy temperaturze ścieków ≥ 12°C, ponieważ nitryfikacja jest w dużym stopniu zależna
od temperatury
Suma NH4 + -N, NO2 - - N, NO3 - - N oznacza, że wszystkie zawartości azotu w jonach są brane pod uwagę; to
samo stosuje się do PO4 3- - P (zawartość P).
Cel doświadczenia
• Analiza środowiskowa
• Techniki przygotowania próbek
• Analiza mieszanin substancji o dużym zróżnicowaniu stężeń - dynamicznym zakresie stężeń
112 Monografia Metrohm’a

Tabela 58 Parametry dla Doświadczenia 14a i 14b
Kolumna 6.1006.020 Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm)
Eluent NaHCO3 2,4 mmol/l / Na2CO3 2,5 mmol/l + 2% acetonu
Przewodnictwo po supresji chemicznej wynosi około 16 µS/cm
Próbka ścieki z Herisau
Metoda exp_14_s.mtw
System asupp.smt
Przepływ 0,5 ml/min
Ciśnienie 2 MPa
Czas analizy 15 minut
Pętla 20 µl
Supresor Roztwór regenerujący: H2SO4 50 mmol/l, ultra czysta woda
Autostep z Fill
Polarność +
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić 265 mg bezwodnego węglanu sodu oraz 201,5 mg wodorowęglanu sodu w 980 ml ultra czystej
wody i dodać 20 ml acetonu.
Przygotowanie próbki
Absolutnie konieczne jest filtrowanie próbek. Można zastosować np. Minisart (Sartorius) lub
jednokierunkowe uchwyty filtrów (Schleicher & Schüll) o wielkości porów 0,45 µm lub mniej. Nawet
roztwory wyglądające na przezroczyste mogą zawierać bardzo drobne cząsteczki, które zniszczą kolumnę.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 113

Doświadczenie 14a – Ścieki dopływające do zakładu oczyszczania
Chromatogram 38 Chromatogram wzorców do analizy ścieków dopływających do zakładu
oczyszczania
Tabela 59 Składniki – Doświadczenie 14a – Roztwór wzorcowy
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Chlorki 5,2 100 3470 2270
2 Azotany 9,1 2 4330 16
3 Fosforany 10,3 5 3040 21
4 Siarczany 12,5 100 3820 1470
114 Monografia Metrohm’a

Chromatogram 39 Analiza ścieków dopływających do zakładu oczyszczania
Tabela 60 Składniki – Doświadczenie 14a - Ścieki dopływające do zakładu oczyszczania
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Chlorki 5,2 128 2980 2910
2 Azotany 9,2 2,1 4620 16
3 Fosforany 10,3 7,0 3040 30
4 Siarczany 12,5 132 3720 1940
Uwagi
Piki 2, 3, 4 i 8 nie oznaczane.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 115

Doświadczenie 14a – Odpływ wody z zakładu oczyszczania
Chromatogram 40 Chromatogram wzorców do analizy odpływu wody z zakładu oczyszczania
Tabela 61 Składniki – Doświadczenie 14b – Roztwór wzorcowy
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Fluorki 3,6 0,1 2900 2,1
2 Chlorki 5,2 5 4140 78
3 Azotany 9,1 10 4210 87
4 Siarczany 12,5 5 3420 53
116 Monografia Metrohm’a

Chromatogram 41 Analiza odpływu wody z zakładu oczyszczania
Tabela 62 Składniki – Doświadczenie 14b - Odpływ wody z zakładu oczyszczania
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Fluorki 3,6 0,05 2900 1,1
2 Chlorki 5,2 7,3 3870 114
3 Azotany 9,2 8,5 4390 73
4 Siarczany 12,5 6,8 3460 71
Uwagi
Pik 3 nie oznaczany.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 117

4.3.8 Doświadczenie 15 – Fluorki w paście do zębów
Pasty do zębów produkuje się z różnych składników. Są to:
• Woda - od 30 do 40%
• Substancje czyszczące - są to nierozpuszczalne związki nieorganiczne, które wzmacniają czyszczące
działanie szczoteczki do zębów. Wielkość ich cząsteczek jest < 15µm. Zwykle stosowanymi
substancjami czyszczącymi są: Al2O3, CaCO3, CaHPO4*2H2O, SiO2*H2O, glinokrzemian sodowy.
• Fluorki - zwiększają odporność emalii zębowej na atak kwasów pochodzących z płytki bakteryjnej.
Fluorki powodują także, że możliwa jest mineralizacja emalii zębowej (nieorganiczna część emalii
zębowej składa się głównie fosforanu wapnia, hydroksyapatytu, węglanu wapnia, fosforanu magnezu,
fluorku wapnia i chlorku wapnia). Oznacza to, że fluorki są istotne w zapobieganiu próchnicy.
Najczęściej stosowanymi związkami fluorowymi są fluorek sodu, jednofluorofosforan sodu oraz
czwartorzędowe fluorki amonu, które zawierają także wolne atomy fluoru. W niektórych krajach fluorki
dodawane są do wody do picia.
monofluorofosforan sodu
• Substancje powierzchniowo czynne (np. siarczan sodowo laurylowy) - obniżają napięcie
powierzchniowe i pomagają równomiernie rozprowadzić pastę do zębów. Zwiększają także efekty
czyszczące, szczególnie w miejscach, które są trudne do osiągnięcia szczoteczką do zębów.
Innymi składnikami past do zębów są np.:
• Nawilżacze (np. gliceryna, sorbit, glikol polietylenowy) - polepszają stabilność w niskich temperaturach
i zapobiegają wysychaniu.
• Substancje wiążące i zagęszczające (np. karboksymetyloceluloza sodowa) - zapobiegają rozdziałowi
na fazę ciekłą i stałą.
• Środki słodzące (np. sacharyna sodowa) - polepszają smak pasty do zębów.
• Środki konserwujące (np. kwas 4-hydroksybenzoesowy) - są stosowane do zabezpieczenia pasty do
zębów przed rozkładem bakteryjnym.
• Substancje aromatyczne - są dodawane zarówno w celu zwiększenia akceptowalności pasty do
zębów, jak i odczucia higieny. Zawierają one olejek mięty pieprzowej, mentol, olejek anyżowy, olejek
eukaliptusowy, olejki aromatyczne, olejek cytrusowy.
Analiza pasty do zębów metodą chromatografii jonowej określa łączną zawartość fluorków pochodzących z
fluorku sodu oraz z monofluorofosforanu sodu.
Uwagi
Cytrynian wymywa się z kolumny Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm) dopiero po ok. 90 min. Aby
sprawdzić, czy cytrynian jest obecny w paście do zębów, w Doświadczeniu 15a korzysta się z zestawu z
przedkolumną Metrosep Anion Dual 1 (6.1006.030) zamiast kolumny rozdzielającej Metrosep Anion Dual 1.
118 Monografia Metrohm’a

Cel doświadczenia
• Kontrola jakości
• Przygotowanie próbki
Doświadczenie 15a – Pasta do zębów (1) bez cytrynianu
Tabela 63 Parametry dla Doświadczenia 15a
Kolumna 6.1006.020 Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm)
Eluent NaHCO3 2,4 mmol/l / Na2CO3 2,5 mmol/l + 2% acetonu
Przewodnictwo po supresji chemicznej wynosi około 16 µS/cm
Próbka pasta do zębów,
roztwór wzorcowy (fluorki, chlorki, fosforany, siarczany, sacharyna)
Metoda exp_15_s.mtw
System asupp.smt
Przepływ 0,5 ml/min
Ciśnienie 3 MPa
Czas analizy 50 minut
Pętla 20 µl
Supresor Roztwór regenerujący: H2SO4 50 mmol/l, ultra czysta woda
Autostep z Fill
Polarność +
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić 265 mg bezwodnego węglanu sodu oraz 201,5 mg wodorowęglanu sodu w 980 ml ultra czystej
wody. Następnie dodać 20 ml acetonu.
Przygotowanie próbki
Rozpuścić 1 g pasty do zębów w 19 ml ultra czystej wody, a następnie przesączyć przez filtr 0,45 µm.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 119

Chromatogram 42 Pasta do zębów (1) bez cytrynianu (rozcieńczenie 1:20)
Tabela 64 Składniki – Doświadczenie 15a
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Fluorki 3,9 1304 1357 1663
2 Mrówczany 4,5 52 1643 19,8
3 Chlorki 5,6 66 4325 55,3
4 Pik systemowy 6,7
5 Monofluorofosforany 10,2 4527 3,1
6 Fosforany 11,5 260 3047 55,4
7 Siarczany 14,1 1346 3831 880
8 Sacharyna 42,6 160 1917 179
Doświadczenie 15b – Pasta do zębów (2) z cytrynianem
Tabela 65 Parametry dla Doświadczenia 15a
Kolumna zestaw z kolumną wstępną 6.1006.030 Metrosep Anion Dual 1
Eluent NaHCO3 2,4 mmol/l / Na2CO3 2,5 mmol/l + 2% acetonu
Przewodnictwo po supresji chemicznej wynosi około 16 µS/cm
Próbka pasta do zębów
Metoda exp_15b_s.mtw
System asupp.smt
120 Monografia Metrohm’a

Przepływ 0,5 ml/min
Ciśnienie 3 MPa
Czas analizy 25 minut
Pętla 20 µl
Supresor Roztwór regenerujący: H2SO4 50 mmol/l, ultra czysta woda
Autostep z Fill
Polarność +
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić 265 mg bezwodnego węglanu sodu oraz 201,5 mg wodorowęglanu sodu w 980 ml ultra czystej
wody. Następnie dodać 20 ml acetonu.
Przygotowanie próbki
Rozpuścić 1 g pasty do zębów w ultra czystej wodzie (rozcieńczenie 1:20), a następnie przesączyć przez
filtr 0,45 µm.
Chromatogram 43 Pasta do zębów (2) z cytrynianem (rozcieńczenie 1:20)
Tabela 66 Składniki – Doświadczenie 15b
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Sacharyna 8,2 160 510 177
2 Cytrynian 16,2 2600 267 360
Praktyczna Chromatografia Jonowa 121

4.3.9 Doświadczenie 16 - Aniony w cukrze białym i brązowym
Cukry są związkami organicznymi z grupą karbonylową tworzącą semiacetal i kilkoma grupami
hydroksylowymi. W powszechnym stosowaniu nazwa „cukier” odpowiada sacharozie dwusacharydowej
(dwucukrowej).
Rys. 32. Dwucukrowa sacharoza
Podczas produkcji cukru z buraków cukrowych najpierw myje się i rozdrabnia buraki; następnie prowadzi
się ich ekstrakcję w tak zwanych dyfuzorach w przeciwprądzie. Rozpuszczeniu ulegają składniki
rozpuszczalne – cukier, sole, kwasy, białka, pektyny. Główna część składników nie cukrowych jest
wytrącana przez dodanie wapna palonego (CaO). Następnie stosuje się ditlenek węgla (CO2) do
wytrącenia nadmiaru wodorotlenku wapnia w postaci CaCO3. Po przefiltrowaniu roztwór cukru jest
zatężany w wielostopniowych wyparkach, aż utworzy się „gruby sok”, który filtruje się ponownie i dalej
zatęża, aż cukier wydzieli się jako „biała cukrzyca”. Cukier oddziela się w wirówkach i po oczyszczeniu
(rekrystalizacji) otrzymuje się śnieżnobiały krystaliczny cukier o czystości 99,95%. Podczas ostatniego
wirowania wypływa brązowy syrop – melasa.
Brązowy cukier jest mniej intensywnie oczyszczany i może być zabarwiony przez dodanie melasy. Poza
zanieczyszczeniami organicznymi zawiera jony metali alkalicznych i jony metali ziem alkalicznych oraz
aniony. Ma także inny smak niż biały cukier krystaliczny.
Zanieczyszczenia organiczne mogą być oddzielone na kolumnie RP przed oznaczaniem anionów.
Cel doświadczenia
• Analiza środków spożywczych
• Kontrola procesów
• Sprawdzanie środków spożywczych zawierających duże ilości cukrów, np. miodu.
122 Monografia Metrohm’a

Tabela 67 Parametry dla Doświadczeń 16a i 16b
Kolumna 6.1006.020 Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm)
Eluent NaHCO3 2,4 mmol/l / Na2CO3 2,5 mmol/l + 2% acetonu
Przewodnictwo po supresji chemicznej wynosi około 16 µS/cm
Próbka a) biały cukier
b) brązowy cukier
Metoda exp_16_s.mtw
System asupp.smt
Przepływ 0,5 ml/min
Ciśnienie 4 MPa
Czas analizy 17 minut
Pętla 100 µl
Supresor Roztwór regenerujący: H2SO4 50 mmol/l, ultra czysta woda
Autostep z Fill
Polarność +
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić 265 mg bezwodnego węglanu sodu oraz 201,5 mg wodorowęglanu sodu w 980 ml ultra czystej
wody. Następnie dodać 20 ml acetonu.
Przygotowanie próbki
Rozpuścić cukier w ultra czystej wodzie (rozcieńczenie 1:10) i przesączyć przez filtr 0,45 µm.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 123

Doświadczenie 16a - Cukier biały
Chromatogram 44 Roztwór wzorcowy do analizy białego cukru
Tabela 68 Składniki – Doświadczenie 16a – Roztwór wzorcowy
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Chlorki 5,5 0,1 4408 8,1
2 Pik systemowy 7,0
3 Azotany 9,6 0,1 3682 4,0
4 Jabłczany 12,0 0,1 3587 1,2
5 Siarczany 12,9 0,1 2995 5,9
6 Szczawiany 14,8 0,1 3260 3,7
124 Monografia Metrohm’a

Chromatogram 45 Analiza białego cukru (rozcieńczenie 1:10)
Tabela 69 Składniki – Doświadczenie 16a – Cukier biały
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Chlorki 5,5 1,3 4183 10,3
2 Pik systemowy 7,2
3 Azotany 9,8 0,8 4157 3,2
4 Jabłczany 12,2 1,5 2833 1,8
5 Siarczany 13,1 0,9 3404 5,2
6 Szczawiany 15,0 1,4 3432 5,3
Praktyczna Chromatografia Jonowa 125

Doświadczenie 16b - Cukier brązowy
Chromatogram 46 Roztwór wzorcowy do analizy brązowego cukru
Tabela 70 Składniki – Doświadczenie 16b – Roztwór wzorcowy
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Chlorki 5,3 20 3640 2200
2 Pik systemowy 6,9
3 Azotany 9,6 0,1 3700 3,9
4 Fosforany 10,7 10 3330 245
5 Jabłczany 12,1 5 3430 62
6 Siarczany 13,0 5 3600 294
7 Szczawiany 14,9 1 3220 40
126 Monografia Metrohm’a

Chromatogram 47 – Analiza brązowego cukru (rozcieńczenie 1:10)
Tabela 71 Składniki – Doświadczenie 16b – Brązowy cukier
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Chlorki 5,4 217 3480 2380
2 Pik systemowy 7,2
3 Azotany 9,7 1,8 2870 7,0
4 Fosforany 10,8 84 3320 205
5 Jabłczany 12,2 55 3840 68
6 Siarczany 13,0 74 3980 435
7 Szczawiany 14,9 6,9 3530 28
Uwagi
Razem z brązowym cukrem mogą się wymywać zanieczyszczenia przy późniejszych czasach retencji;
może to oddziaływać na następne chromatogramy, jeśli czas przebiegu jest za krótki. Dlatego też biały
cukier powinien być analizowany jako pierwszy, a następnie dopiero cukier brązowy.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 127

4.3.10 Doświadczenie 17 – Zanieczyszczenia w nadtlenku wodoru
Czysty nadtlenek wodoru (H2O2) topi się w temperaturze 0,4°C i wrze w 150°C. Czysty nadtlenek wodoru
można uzyskać przez krystalizację frakcjonowaną, ściśle przestrzegając przepisów bezpieczeństwa.
Handlowy H2O2 jest dostępny jako wodny roztwór o stężeniach 35, 50, 60 lub 70%. Roztwory te są
oczyszczane za pomocą wymieniaczy jonowych lub przez destylację. Silnie egzotermiczny rozkład H2O2 na
H2O i O2 nie następuje spontanicznie, metale ciężkie mogą działać jako jego katalizatory.
Jony metali ciężkich są wiązane przez dodanie takich stabilizatorów jak polifosforany, EDTA, cyniany itp.
Opóźnia to rozkład. Charakterystyczną właściwością H2O2 jest jego działanie utleniające. Potencjał
standardowy (Eo) wynosi 1,8 V przy pH=0 i +0,78 V przy pH=14.
Nadtlenek wodoru jest jednym z najważniejszych produktów w dziale odczynników podstawowych, z
roczną produkcją 2,7 miliona ton. Jest wytwarzany przemysłowo przez połączenie antrahydrochinonu z
atmosferycznym O2. Tworzy to odpowiedni antrachinon i H2O2. Antrachinon jest redukowany z powrotem
do antrahydrochinonu przez atomowy wodór i katalizator palladowy i jest zwracany do systemu.
Duże ilości H2O2 są wykorzystywane do wybielania papieru i celulozy. W wielu krajach wybielacze
chlorowe (z Cl2 lub ClO2), po zastosowaniu których nie całkowicie biologicznie degradowalne chlorowane
związki organiczne dopływają do ścieków, zostały całkowicie lub częściowo zastąpione przez inne metody.
Oznacza to, że H2O2 stał się bardzo ważny.
Innymi zastosowaniami są:
Usuwanie żelaza i manganu z wody do picia.
Detoksykacja ścieków zawierających cyjanki (CN- → CNO- ), np. ścieków z kąpieli galwanicznych, za
pomocą H2O2 lub H2O2/H2SO4.
Połączenie H2O2 i UV dostarcza rodników HO (rodników wodorotlenowych), które są niezwykle silnymi
utleniaczami (Eo = +2,8 V). Są one wykorzystywane dla oczyszczania specjalnych typów ścieków.
Bardzo obiecujący jest rozwój metody wytwarzania tlenku propylenu z propenu i H2O2 (katalizatory z
warstwy tytanu) zamiast zanieczyszczającej wody metody chlorohydrynowej.
Pośród drugorzędnych produktów H2O2 najważniejszymi są nadboran sodu i nadwęglan sodu; są one
używane jako wybielacze w proszkach do prania.
H2O2 jest używany w przemyśle elektronicznym dla oczyszczania płytek krzemowych i obwodów
drukowanych.
Oznaczanie zanieczyszczeń w H2O2 jest bardzo ważne, przede wszystkim we wspomnianym ostatnio
przemyśle elektronicznym. Nawet najmniejsze ilości obcych jonów (ng/l lub ppt) znacząco zmniejszają
wydajność płytek ponieważ, na przykład, fosforany i azotany powodują uszkodzenia n-sieci w krysztale
krzemu.
Przy podwyższonych stężeniach nadtlenek wodoru wpływa zarówno na kolumnę rozdzielającą, jak i na
równowagę węglanową eluentu (patrz chromatogram 49). Dlatego w analizie śladów zastosowano
eliminację matrycy (patrz rozdział 4.3.2) osiągając następujące korzyści: po pierwsze stężone roztwory
mogą być analizowane bez rozcieńczenia; po drugie można stosować większe objętości próbek (wstępne
zatężanie).
128 Monografia Metrohm’a

Cel doświadczenia
• Kontrola procesu
• Przygotowanie próbki
• Wstępne zatężanie próbki i eliminacja matrycy
• Selektywność różnych kolumn.
Tabela 72 Parametry dla Doświadczeń 17a i 17b
Kolumna 6.1006.020 Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm)
Eluent NaHCO3 2,4 mmol/l / Na2CO3 2,5 mmol/l + 2% acetonu
Przewodnictwo po supresji chemicznej wynosi około 16 µS/cm
Próbka Nadtlenek wodoru 30%, suprapur
Metoda exp_17_s.mtw
System asupp.smt
Przepływ 0,5 ml/min
Ciśnienie 2 MPa
Czas analizy 17 minut
Kolumna
wstępnego
zatężania
Wprowadzanie
próbki
6.1006.300 Metrosep Anion
1 ml próbki na kolumnę wstępnego zatężania; dla eliminacji matrycy przepłukać 1
ml wody ultra czystej
Supresor Roztwór regenerujący: H2SO4 50 mmol/l, ultra czysta woda
Autostep z Fill
Polarność +
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić 265 mg bezwodnego węglanu sodu oraz 201,5 mg wodorowęglanu sodu w 980 ml ultra czystej
wody. Następnie dodać 20 ml acetonu.
Wprowadzanie próbki
Przepłukać dokładnie system ultra czystą wodą, następnie przepuścić próbkę przez kolumnę wstępnego
zatężania i przepłukać 1 ml wody ultra czystej.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 129

Chromatogram 48 Roztwór wzorcowy do oznaczania anionów w nadtlenku wodoru
Tabela 73 Składniki – Doświadczenie 17 – Roztwór wzorcowy
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Octany 4,2 5 2620 108
2 Mrówczany 4,4 1 2940 222
3 Chlorki 5,3 1 3300 587
4 Pik systemowy 6,9
5 Azotany 9,2 0,1 3730 31
6 Siarczany 12,4 0,5 3160 163
7 Szczawiany 14,2 0,1 3010 21
130 Monografia Metrohm’a

Doświadczenie 17a – Analiza nadtlenku wodoru bez eliminacji matrycy
Chromatogram 49 Analiza nadtlenku wodoru (30%) bez eliminacji matrycy
Praktyczna Chromatografia Jonowa 131

Doświadczenie 17b – Analiza nadtlenku wodoru z eliminacją matrycy
Chromatogram 50 Analiza nadtlenku wodoru (30%) z eliminacją matrycy
Tabela 74 Składniki – Doświadczenie 17b
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
2 Octany 4,2 8,8 1780
3 Mrówczany 4,4 0,83 2170
5 Chlorki 5,3 0,86 2960 507
6 Pik systemowy 7,2
7 Azotany 9,3 0,15 4560 47
8 Siarczany 12,5 0,44 2520 142
10 Szczawiany 14,1 0,05 2480 10
Uwagi
Kilkakrotnie dokładnie przepłukać pojemniki, strzykawki i system; używać pojemników plastikowych.
Koniecznie należy ubrać okulary ochronne (gogle) ! Piki 1, 4 i 9 nie były oznaczone.
132 Monografia Metrohm’a

Doświadczenie 17c – Analiza nadtlenku wodoru z eliminacją matrycy na kolumnie o wysokiej
rozdzielczości
Tabela 75 Parametry dla Doświadczenia 17c
Kolumna 6.1006.530 Metrosep A Supp 5 (4 x 250 mm)
Eluent NaHCO3 1 mmol/l / Na2CO3 3,2 mmol/l
Przewodnictwo po supresji chemicznej wynosi około 15 µS/cm
Próbka Nadtlenek wodoru 30%, suprapur
Metoda exp_17c_s.mtw
System asupp5.smt
Przepływ 1,0 ml/min
Ciśnienie 11 Mpa
Czas analizy 30 minut
Kolumna
wstępnego
zatężania
Wprowadzanie
próbki
6.1006.300 Metrosep Anion
1 ml próbki na kolumnę wstępnego zatężania; dla eliminacji matrycy przepłukać 1
ml wody ultra czystej
Supresor Roztwór regenerujący: H2SO4 50 mmol/l, ultra czysta woda
Autostep z Fill
Polarność +
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić 339 mg bezwodnego węglanu sodu oraz 84 mg wodorowęglanu sodu w 1 litrze ultra czystej
wody.
Wprowadzanie próbki
Przepłukać dokładnie system ultra czystą wodą, następnie przepuścić próbkę przez kolumnę wstępnego
zatężania i przepłukać 1 ml wody ultra czystej.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 133

Chromatogram 51 Analiza nadtlenku wodoru (30%) z eliminacją matrycy na kolumnie
Metrosep A Supp 5
Tabela 76 Składniki – Doświadczenie 17c
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
3 Octany 6,3 6,8 2850 219
4 Mrówczany 6,7 0,77 8740 123
6 Chlorki 8,9 0,78 17810 380
7 Pik systemowy 13,0
8 Azotany 16,4 0,15 19100 37
10 Siarczany 23,3 0,35 16640 86
13 Szczawiany 27,0 0,04 12100 7,7
Uwagi
Piki 1, 2, 5, 9, 10, 11 i 12 nie były oznaczane.
134 Monografia Metrohm’a

4.4 Doświadczenia z oznaczaniem kationów
4.4.1 Doświadczenie 18 – Metale alkaliczne i metale ziem alkalicznych w wodzie do picia i wodzie
mineralnej
Oprócz rozpuszczonych gazów (O2, N2 i CO2) woda naturalna zawiera także sole, które są wymywane
głównie z gleby i skał i następnie dostają się do wód podziemnych. Innymi składnikami wód naturalnych są
polarne związki organiczne, pochodzące na przykład z warstwy humusowej gleby. Zanieczyszczenie
ściekami jest również możliwym źródłem różnych soli i związków organicznych. Najważniejszymi solami są
chlorki, siarczany oraz wodorowęglany sodu, wapnia i magnezu.
Ważnym parametrem wody do picia, zarówno dla jej użycia jako środek spożywczy, jak i zastosowania do
prania lub procesów przemysłowych jest tak zwana twardość wody.
Twardość ogólną rozumiemy jako sumę molowych stężeń (mmol/l) jonów wapnia i magnezu. Część
twardości, którą możemy usunąć przez gotowanie jest znana jako twardość węglanowa (uprzednio
twardość przemijająca). Pozostała twardość jest powodowana przez jony siarczanowe i chlorkowe, których
sole z Ca i Mg nie mogą być wytrącone przez gotowanie 12 .
Z klasycznymi mydłami (solami sodowymi kwasów tłuszczowych) jony wapnia i magnezu tworzą
nierozpuszczalne związki wapnia i magnezu. Nie uczestniczą one w procesie prania i osadzają się na
tkaninach jako „szary szron”. Współczesne środki piorące zawierają siarczany alkilowe, które nie tworzą
nierozpuszczalnych związków wapnia i magnezu. Zeolity, które także dodaje się do tych środków
piorących, działają jak wymieniacze jonowe i wiążą jony Ca 2+ i Mg 2+ . Zabezpiecza to skutecznie przed
strącaniem nierozpuszczalnego CaCO3 i zasadowego węglanu magnezu podczas ogrzewania.
Normatywy wody do picia, które są wprowadzeniem w życie odpowiedniej dyrektywy Unii Europejskiej
(80/778/EEC), zawierają następujące wartości dla kationów:
NH4 + 0,5 mg/l
Na + 150 mg/l
K + 12 mg/l
Mg 2+ 50 mg/l
Ca 2+ 400 mg/l
Zwiększone pobieranie jonów sodu przez organizm ludzki powoduje między innymi podwyższenie ciśnienia
krwi. Dzienne zapotrzebowanie na Na + wynoszące 1 g jest obecnie znacznie przekroczone (3 do 7 g).
We wszystkich prowadzonych analizach próbki muszą być zakwaszone przez dodanie kwasu azotowego
(pH od 2,5 do 3,5) ponieważ w przeciwnym przypadku nie otrzyma się powtarzalnych wyników dla
kationów dwuwartościowych.
Jeśli zawartość sodu w próbce jest znacząco wyższa od tej w roztworze wzorcowym, to wtedy należy
dopasować zawartość sodu w roztworze wzorcowym do stężenia Na + w próbce.
Cel doświadczenia
• Sprawdzanie środka spożywczego „Numer 1”
• Sprawdzanie informacji podanych na butelkach wody mineralnej
• Dlaczego konieczne jest zakwaszenie próbek ?
Praktyczna Chromatografia Jonowa 135

Tabela 77 Parametry dla Doświadczenia 18
Kolumna 6.1010.210 Metrosep C2 (4 x 100 mm)
Eluent kwas winowy 4 mmol/l / kwas dipikolinowy 0,75 mmol/l
Przewodnictwo około 590 µS/cm
Próbka Wzorzec (sód, amon, potas, wapń, magnez + HNO3 2 mmol/l)
- Woda z kranu (+ około 100 µl HNO3 2 mmol/l do 100 ml próbki) do pH = 2,5 –
3,5
- Woda mineralna (+ około 100 µl HNO3 2 mmol/l do 100 ml próbki) do pH = 2,5
- 3,5
Metoda exp_18_c.mtw
System cation.smt
Przepływ 1 ml/min
Ciśnienie 7 MPa
Czas analizy 12 minut
Pętla 10 µl
Polarność -
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić ogrzewając 600 mg kwasu winowego oraz 125 mg kwasu dipikolinowego w 100 ml ultra czystej
wody i dopełnić do objętości 1 litra ultra czystą wodą.
Chromatogram 52 Roztwór wzorcowy
1 jest to twardość trwała (przyp. tłumacza)
136 Monografia Metrohm’a

Tabela 78 Składniki – Doświadczenie 18 – Roztwór wzorcowy
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Sód 3,8 0,5 4200 1,5
2 Potas 6,5 0,2 3090 0,9
3 Wapń 8,4 20 1960 66
4 Magnez 11,0 5 2700 34
Chromatogram 53 Woda z kranu (Herisau, Szwajcaria; rozcieńczenie 1:10)
Tabela 79 Składniki – Doświadczenie 18 – Woda z kranu w Herisau
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Sód 3,8 5 4840 1,4
2 Wapń 8,7 85 2640 29
3 Magnez 11,2 19 3520 13
Praktyczna Chromatografia Jonowa 137

Chromatogram 54 Woda mineralna (rozcieńczenie 1:10)
Tabela 80 Składniki – Doświadczenie 18 – Woda mineralna
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Sód 3,7 4,3 4190 1,3
2 Potas 6,4 0,8 6350 0,3
3 Wapń 8,3 344 1520 113
4 Magnez 10,9 62 2550 43
Uwagi
Wszystkie roztwory muszą być przechowywane w plastikowych pojemnikach. Należy unikać wszelkiego
kontaktu ze szkłem aby umożliwić prawidłowe oznaczenie sodu. Wartość pH wzorca i próbki powinna być
pomiędzy 2,5 i 3,5.
138 Monografia Metrohm’a

4.4.2 Doświadczenie 19 – Oznaczenie metali przejściowych
Do fazy ruchomej dodaje się odczynniki kompleksujące w celu rozdzielenia jonów metali przejściowych.
Zmniejszają one gęstość ładunków i poprawiają selektywność rozdziału, która jest względnie niska dla
jonów metali przejściowych o tych samych ładunkach. Poza równowagą pomiędzy żywicą wymieniacza i
jonami analitu, po dodaniu odczynników kompleksujących pojawia się następna równowaga, mianowicie
pomiędzy jonami metalu i odczynnikiem kompleksującym. Na tę równowagę wpływa także pH roztworu,
wtedy kiedy możliwe są różne stopnie dysocjacji odczynnika kompleksującego, lub jeśli jony metalu tworzą
hydroksykompleksy.
Jako odczynniki kompleksujące stosuje się słabe kwasy organiczne, np. kwas winowy, kwas cytrynowy,
kwas szczawiowy, kwas pirydyno-2,6-dwukarboksylowy (kwas dipikolinowy – patrz rozdział 4.2.7 –
Doświadczenie 6 – Poprawa selektywności przez zastosowanie odczynników kompleksujących). Ilość
ligandów L otaczających centralny jon metalu (Me) może się różnić, np. MeL, MeL2, MeL3. Powstający
ładunek również może się różnić. W zależności od ładunku jonu metalu, ligandów i ich liczby, mogą być
obecne kompleksy kationowe, obojętne lub anionowe. Oznacza to, że w zależności od ich ładunku
kompleksy mogą być rozdzielane na wymieniaczach kationowych lub wymieniaczach anionowych.
Zastosowanie wymieniaczy zawierających zarówno kationowe jak i anionowe grupy wymieniaczy jest
teoretycznie możliwe.
Na rozdział mogą mieć wpływ i mogą go optymalizować zmiany wartości pH oraz odczynniki
kompleksujące – do fazy ruchomej można dodać dwa lub więcej odczynników kompleksujących.
Częściowo wpływy są przeciwstawne i trudne do przewidzenia. Pewne ogólne informacje są podane
poniżej:
• Różne stabilności (stałe tworzenia kompleksu) wpływają na rozdział.
• Dodatek rozpuszczalnika organicznego, np. acetonu, do eluentu także wpływa na rozdział. Po dodaniu
szybciej wymywają się jony lipofilowe.
• W chromatografii wymiany kationowej jako środek wymywający sprawdziła się etylenodiamina. W
normalnych warunkach jest obecna jako kation posiadający dwa protony.
• Wzrost pH powoduje zmniejszenie czasu retencji poprzez zmniejszenie całkowitego ładunku.
• Wzrost stężenia ligandu w fazie ruchomej, poza przesunięciem równowagi kompleksowania, zwiększa
także stężenie przeciw-jonów H + lub Na + i przyspiesza usunięcie kompleksu z ujemnie naładowanych
miejsc wymiany, co oznacza, że zmniejszone są wyniki rozdziału.
• Wzrost stężenia ligandu powoduje wzrost czasu retencji ze wzrostem liczby koordynacyjnej kompleksu,
lecz wolne ligandy anionowe także sprzyjają wymywaniu anionowych kompleksów metali, tak więc
istnieją dwa przeciwstawne efekty odnośnie czasu retencji.
Detekcję kompleksów można prowadzić albo za pomocą przewodnictwa lub fotometrycznie (derywatyzacja
pokolumnowa).
W przypadku detekcji konduktometrycznej można stosować tylko detekcję bez supresji chemicznej,
ponieważ w reakcjach supresora utworzą się nierozpuszczalne wodorotlenki i jedynymi dostępnymi
anionami eluentu są węglany lub wodorotlenki.
Detekcja fotometryczna wymaga derywatyzacji pokolumnowej, w której dodatkowy, chromoforowy
odczynnik kompleksujący zamienia ten początkowo obecny (np. kwas winowy, kwas szczawiowy).
Wykrywany jest nowo utworzony kompleks, absorbujący promieniowanie nadfioletowe (UV) lub widzialne,
jednakże maksimum absorbcji wolnych ligandów nie może znajdować się w zakresie maksimum
kompleksu. Granice wykrywalności poszczególnych metali różnią się znacznie, ponieważ dla większości
kompleksujących barwników, maksima poszczególnych kompleksów metali przejściowych leżą w różnych
zakresach długości fali.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 139

Cel doświadczenia
• Wpływ eluentu na selektywność
• Kompleksowanie jonów metali przejściowych
• Odczynniki kompleksujące dla detekcji fotometrycznej
• Fotometria
Tabela 81 Parametry dla Doświadczeń 19a i 19b
Kolumna 6.1007.000 Nucleosil 5S.A. (4 x 125 mm)
a) Eluent a) kwas winowy 4 mmol/l, kwas cytrynowy 0,5 mmol/l,
etylenodiamina 3 mmol/l, aceton 5%
przewodnictwo wynosi około 500 µS/cm
b) kwas szczawiowy 3,5 mmol/l
aceton 5%
pH = 4 (około 120 µl etylenodiaminy)
przewodnictwo wynosi około 350 µS/cm
Próbka Wzorzec
Woda z kranu
Metoda Exp_19_c.mtw
System Nucleosil.smt
Przepływ 1,5 ml/min
Ciśnienie 13 MPa
Czas analizy a) 12 minut
b) 13 minut
Pętla 100 µl
Polarność -
140 Monografia Metrohm’a

Doświadczenie 19a – Oznaczenie metali przejściowych z eluentem zawierającym kwas winowy,
kwas cytrynowy, etylenodiaminę i aceton
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić 600 mg kwasu winowego oraz 105 mg kwasu cytrynowego w ultra czystej wodzie. Dodać 200 µl
etylenodiaminy oraz 50 ml acetonu i dopełnić do objętości 1 litra.
Chromatogram 55 Roztwór wzorcowy 1 dla oznaczania metali przejściowych (eluent a)
Tabela 82 Składniki – Doświadczenie 19a – Roztwór wzorcowy 1
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia[µS/cm*s]
1 Nikiel 3,4 5 1020 40
2 Cynk 4,4 5 5640 36
3 Kobalt 5,6 5 4370 34
4 Żelazo (II) 8,1 10 6150 30
5 Wapń 9,8 5 6340 29
6 Magnez 10,8 5 6390 39
Praktyczna Chromatografia Jonowa 141

Chromatogram 56 Roztwór wzorcowy 2 dla oznaczania metali przejściowych (eluent a)
Tabela 83 Składniki – Doświadczenie 19a – Roztwór wzorcowy 2
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Ołów 2,9 5 2680 8,6
2 Nikiel 3,4 5 930 43
3 Cynk 4,3 5 5510 37
4 Kobalt 5,6 5 4310 34
5 Kadm 8,6 5 6600 15
6 Mangan 9,9 10 6270 45
142 Monografia Metrohm’a

Chromatogram 57 Analiza wody z kranu (eluent a – rozcieńczenie 1:10)
Tabela 84 Składniki – Doświadczenie 19a – Woda z kranu
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Cynk 4,2 0,12 6360 0,9
2 Wapń 9,8 9,0 5750 53
3 Magnez 10,6 1,9 7460 17
Praktyczna Chromatografia Jonowa 143

Doświadczenie 19b – Oznaczenie metali przejściowych z eluentem zawierającym kwas
szczawiowy, etylenodiaminę, aceton
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić 315 mg kwasu szczawiowego w ultra czystej wodzie, dodać 50 ml acetonu i uzupełnić do 1 l
ultra czystą wodą. Doprowadzić odczyn do pH=4 dodając etylenodiaminę (około 120 µl).
Chromatogram 58 Roztwór wzorcowy dla oznaczania metali przejściowych (eluent b)
Tabela 85 Składniki – Doświadczenie 19b – Roztwór wzorcowy
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Żelazo 2,2 10 2110 50
2 Mangan 4,0 10 1830 110
3 Magnez 7,5 5 3110 98
4 Wapń 12,3 5 6000 45
144 Monografia Metrohm’a

Chromatogram 59 Analiza wody z kranu (eluent b, rozcieńczenie 1:10)
Tabela 86 Składniki – Doświadczenie 19b – Woda z kranu
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Magnez 7,3 41 4690 2,1
2 Wapń 12,4 83 4780 9,1
Uwagi
Wapń i mangan wymywają się jednocześnie jeśli zastosuje się eluent a. Przy eluencie b wapń i mangan są
rozdzielone; nikiel, cynk i kobalt tworzą mocny kompleks i wymywają się w piku wodnym.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 145

4.4.3 Doświadczenie 20 – Zanieczyszczenia w żelu krzemionkowym – oznaczanie jonów wapnia i
magnezu
Żel krzemionkowy produkuje się, na przykład, przez hydrolizę krzemianu sodu i prawie całkowite usunięcie
wody; ma on następującą strukturę:
Poza jego wykorzystaniem jako środek techniczny adsorpcji, żel krzemionkowy jest stosowany zarówno w
chromatografii gazowej, jak i w wysokociśnieniowej chromatografii cieczowej.
W chromatografii gazowej początkowo stosowano tylko wypełniane kolumny – i ciągle w niewielkim
zakresie są stosowane one obecnie. Faza ciekła, np. olej silikonowy jest nanoszona na jednorodny nośnik,
taki jak żel krzemionkowy. Liczba półek teoretycznych dla takich kolumn jest niska, w porównaniu z tą
liczbą w kolumnach kapilarnych, które obecnie są głównie stosowane.
W wysokociśnieniowej chromatografii cieczowej (HPLC) żel krzemionkowy jest używany jako faza
stacjonarna lub materiał nośnikowy dla chromatografii adsorpcyjnej, odwróconych faz (RP), normalnych faz
i jonowej. Dla niektórych z tych zastosowań powierzchnie żelu krzemionkowego muszą być zmodyfikowane
grupami funkcyjnymi (np. C18 lub grupami wymieniacza jonowego).
W chromatografii adsorpcyjnej żel krzemionkowy jest stosowany także jako faza stacjonarna lub jako
dodatek do Al2O3. Rozdział chromatograficzny opiera się na dipolowo indukowanym wiązaniu dipolowym,
wiązaniu dipolowo-dipolowym, wiązaniu mostka wodorowego i wiązaniu π-kompleksu. Chromatografia
adsorpcyjna jest stosowana dla rozdziału substancji nie polarnych, które trudno rozpuszczają się w wodzie.
W chromatografii odwróconych faz (RP) wolne grupy silanolowe żelu krzemionkowego są przekształcone w
hydrofobowe, przez chemiczne przyłączenie dłuższych łańcuchów alkilowych (np. grup oktylowych lub
oktadecylowych):
Rys. 33. Reakcja żelu krzemionkowego z
chlorosilanem (R = C8H17 do C18H37)
W tym przekształceniu pozostają wolne resztkowe grupy silanolowe; mogą one absorbować związki
polarne i powodować powstanie „ogonów” u pików. Te resztkowe grupy silanolowe mogą być
dezaktywowane przez trimetylchlorosilan – tak zwany „end capping”.
W chromatografii normalnych faz polarne resztki są chemicznie przyłączone do grup silanolowych, np. –
(CH2)n-C≡N lub –(CH2)n-NH2
Dla uzyskania rozdziału chromatograficznego mniej polarna lub niepolarna faza ruchoma stosowana jest z
tą polarną fazą stacjonarną. W chromatografii RP, która jest stosowana w około 75% wszystkich aplikacji
HPLC, polarności są odwrócone i używana jest niepolarna faza stacjonarna z polarną fazą ruchomą.
Oznacza to, że nazwa odwróconych faz (RP) ma podstawy historyczne, ponieważ ta metoda rozwinęła się
później.
146 Monografia Metrohm’a

W chromatografii jonowej żel krzemionkowy z przyłączonymi grupami sulfonowymi jest stosowany jako
wymieniacz kationowy do analizy jonów (metali) alkalicznych.
Zanieczyszczenie żelu krzemionkowego jonami metali jest ważne w chromatografii ponieważ mogą one
spowodować nie specyficzne oddziaływania lub ślepe wartości. Do analizy tych zanieczyszczeń stosowany
jest mocno kwasowy wymieniacz kationowy; kationy jednowartościowe wymywane są w martwej objętości i
rozdzielone są tylko kationy dwuwartościowe. Przed analizą Fe(III) musi być zredukowane kwasem
askorbinowym do Fe(II).
Cel doświadczenia
• Kontrola jakości
• Dodatkowe doświadczenie: dodawanie do ekstraktu Fe(III); oznaczanie z dodatkiem i bez dodatku
kwasu askorbinowego (witaminy C)
• Kolumna rozdzielcza HPLC oparta na żelu krzemionkowym
Tabela 87 Parametry dla Doświadczenia 20
Kolumna 6.1007.000 Nucleosil 5SA (4 x 125 mm)
b) Eluent Kwas winowy 4 mmol/l, kwas cytrynowy 0,5 mmol/l,
Etylenodiamina 3 mmol/l, aceton 5%
Przewodnictwo wynosi około 500 µS/cm
Próbka żel krzemionkowy (roztwór 5%)
Metoda exp_20_c.mtw
System nucleosil.smt
Przepływ 1,5 ml/min
Ciśnienie 13 MPa
Czas analizy 12 minut
Pętla 100 µl
Polarność -
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić 600 mg kwasu winowego oraz 105 mg kwasu cytrynowego w ultra czystej wodzie. Dodać 200 µl
etylenodiaminy oraz 50 ml acetonu i dopełnić do 1 litra ultra czystą wodą.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 147

Chromatogram 60 Roztwór wzorcowy dla oznaczania kationów w żelu krzemionkowym
Tabela 88 Składniki – Doświadczenie 20 – Roztwór wzorcowy
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Wapń 9,6 0,5 6990 3,1
2 Magnez 10,5 0,1 7260 0,7
148 Monografia Metrohm’a

Chromatogram 61 Oznaczanie kationów w żelu krzemionkowym
Tabela 89 Składniki – Doświadczenie 20 – Żel krzemionkowy
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
Żelazo 8,1 n.o. - -
1 Wapń 9,7 9,4 6850 2,9
2 Magnez 10,6 1,4 10100 0,4
Praktyczna Chromatografia Jonowa 149

4.4.4 Doświadczenie 21 – Kosmetyki i ochrona przed korozją: oznaczanie etanolaminy i metali
alkalicznych
Następujące trzy etanolaminy, których nazwy systematyczne to aminoetanol, iminodietanol i nitrylotrietanol,
wytwarza się w reakcji amoniaku i tlenku etylenu.
H2N CH2 CH2 OH
Aminoetanol Iminodietanol
HO CH2 CH2 N
H N
CH2 CH2 OH
CH2
CH2 OH
CH2 CH2 OH
Nitrylotrietanol
Wszystkie te trzy substancje są używane do usuwania CO2 i H2S z mieszanin gazów, np. do usuwania
ditlenku węgla z gazu syntezowego oraz w syntezie amoniaku, a także do usuwania siarkowodoru z gazów
rafineryjnych.
W wyższej temperaturze CO2 jest ponownie uwolniony i etanolamina NR3 jest zawrócona do procesu
absorpcji.
Ponownie uwolniony H2S jest utleniony w wyższej temperaturze do ciekłej siarki w „jednostkach Clausa”;
następnie jest przekształcony w kwas siarkowy poprzez SO2 i SO3.
Monoetanoloamina (MAK = maksymalne dopuszczalne stężenie w miejscu pracy =3 ppm) jest stosowana
w środkach powierzchniowo czynnych (surfaktantach) jako ester kwasu tłuszczowego. Dietanolamina jest
używana w produktach do czyszczenia mebli i podłóg, pastach do butów i smarach.
Trietanolamina tworzy mydła trietanolaminowe z kwasami tłuszczowymi, np. z kwasem stearynowym
C18H35COOH. Są one łatwo rozpuszczalne w wodzie oraz w olejach mineralnych i dlatego są stosowane
jako emulgatory. Mogą także znajdować się w preparatach kosmetycznych (np. piance do golenia).
Monoetanolamina jest używana jako inhibitor korozji w elektrowniach, ponieważ pomaga utrzymać słabo
zasadowe pH i zmiata nadmiar jonów H + .
150 Monografia Metrohm’a
CH2
CH2 OH

W celu ich oznaczenia metodą chromatografii jonowej etanolaminy protonuje się dodatkiem kwasu i wtedy
mogą być oznaczone jako ich pochodne amonowe.
Cel doświadczenia
• Oznaczanie kationów nieorganicznych i organicznych
• Zmiana selektywności przez dodanie środków kompleksujących
• Oznaczanie amin chromatografią jonową
Tabela 90 Parametry dla Doświadczeń 21a do 21c
Kolumna 6.1010.210 Metrosep C2 (4 x 100 mm)
Eluent a) kwas winowy 4 mmol/l / kwas dipikolinowy 0,75 mmol/l
przewodnictwo około 600 µS/cm
b) kwas winowy 4 mmol/l / kwas dipikolinowy 0,5 mmol/l
przewodnictwo około 570 µS/cm
Próbka Etanolamina, trietanolamina + wzorcowe kationy
Metoda Exp_21_c.mt
System Cation.smt
Przepływ 1 ml/min
Ciśnienie 6 MPa
Czas analizy a) 10 minut
b) 13 minut
c) 14 minut
Pętla 10 µl
Polarność -
Przygotowanie eluentu
a) Rozpuścić ogrzewając 600 mg kwasu winowego oraz 125 mg kwasu dipikolinowego w 100 ml ultra
czystej wody, następnie dopełnić do 1 litra ultra czystą wodą.
b) Rozpuścić 600 mg kwasu winowego oraz 84 mg kwasu dipikolinowego w 100 ml ultra czystej wody,
następnie dopełnić do 1 litra ultra czystą wodą.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 151

Chromatogram 62 Wzorzec 1 – Eluent a
Tabela 91 Składniki – Doświadczenie 21a – Wzorzec 1 (eluent a)
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Sód 3,8 2 4520 6,8
2 Amon 4,3 2 4340 6,8
3 Monoetanoloamina 4,9 7 4120 10,8
4 Potas 6,4 5 3070 7,9
5 Trietanoloamina 9,0 20 2230 6,9
152 Monografia Metrohm’a

Chromatogram 63 Wzorzec 2 – Eluent a
Tabela 92 Składniki – Doświadczenie 21 – Wzorzec 2 (eluent a)
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Sód 3,7 2 4500 7,2
2 Amon 4,3 2 4190 7,0
3 Monoetanoloamina 4,9 7 4380 9,8
4 Potas 6,4 5 2930 8,6
5 Wapń
+Trietanoloamina
8,7 5+20 2070 24
6 Magnez 11,0 5 2970 32
Praktyczna Chromatografia Jonowa 153

Chromatogram 64 Wzorzec 2 – Eluent b
Tabela 93 Składniki – Doświadczenie 21 – Wzorzec 2
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Sód 3,9 2 4700 7,2
2 Amon 4,5 2 4110 7,0
3 Monoetanoloamina 5,1 7 4400 9,6
4 Potas 6,6 5 2920 8,4
5 Trietanoloamina 9,3 20 2400 7,3
6 Wapń 10,8 5 3240 16
7 Magnez 12,2 5 2820 32
Uwagi
Kiedy stosowany jest eluent a, to wapń i monoetanoloamina wymywają się jednocześnie.
Wszystkie roztwory muszą być przechowywane w plastikowych pojemnikach. Należy unikać kontaktu ze
szkłem w celu prawidłowego oznaczenia sodu.
154 Monografia Metrohm’a

4.4.5 Doświadczenie 22 – Metale alkaliczne i metale ziem alkalicznych w winie
Substancjami mineralnymi w soku winogronowym są głównie fosforany wapnia, magnezu i potasu.
Stężenia tych związków wynoszą 3 – 5 g/l. Zawartość mineralna wina, znana także jako „popiół”, jest
niższa niż soku, ponieważ część minerałów jest wykorzystana w procesach metabolicznych drożdży.
Zawartość minerałów jest także zmniejszona po oddzieleniu winianów. Oznacza to, że wino zawiera tylko
około 1,8-2,5 g/l „popiołu”. Ważne składniki kationowe podawane są jako tlenki; są to K2O (około 40%),
MgO (około 6%), CaO (około 4%) i Na2O (około 2%).
(patrz Doświadczenie 12)
Cel doświadczenia
• Analiza środków spożywczych
• Analiza procesu – sprawdzanie wytrącania winianu
Tabela 94 Parametry dla Doświadczenia 22
Kolumna 6.1010.210 Metrosep C2 (4 x 100 mm)
Eluent c) kwas winowy 4 mmol/l / kwas dipikolinowy 0,75 mmol/l
przewodnictwo około 600 µS/cm
Próbka Wzorzec (sód, potas, wapń, magnez + HNO3 2 mmol/l)
Wino czerwone (Pinot Noir, Szwajcaria), Wino białe (Fechy, Szwajcaria)
Metoda exp_22_c.mt
System cation.smt
Przepływ 1 ml/min
Ciśnienie 6 Mpa
Czas analizy 20 minut
Pętla 10 µl
Polarność -
Przygotowanie eluentu
Rozpuścić ogrzewając 600 mg kwasu winowego oraz 125 mg kwasu dipikolinowego w 100 ml ultra czystej
wody, następnie dopełnić do 1 litra ultra czystą wodą.
Przygotowanie próbki
Przefiltrować i rozcieńczyć próbkę (1:10).
Praktyczna Chromatografia Jonowa 155

Chromatogram 65 Roztwór wzorcowy do oznaczania kationów w winie
Tabela 95 Składniki – Doświadczenie 22 – Roztwór wzorcowy
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Sód 3,7 1 4360 3,5
2 Potas 5,9 100 1480 180
3 Wapń 8,6 5 2950 16
4 Magnez 10,8 10 2150 66
Uwagi
Wszystkie roztwory należy przechowywać w plastikowych pojemnikach. Należy unikać kontaktu ze szkłem
dla uzyskanie prawidłowego oznaczenia sodu. Odczyn wzorca i roztworów próbki winien mieć pH
pomiędzy 2,5 a 3,5.
156 Monografia Metrohm’a

Chromatogram 66 Oznaczanie kationów w winie białym (rozcieńczenie 1:10)
Tabela 96 Składniki – Doświadczenie 22 – Wino białe
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia [µS/cm*s]
1 Sód 3,7 24 4220 8,4
5 Potas 6,0 590 1860 106
6 Wapń 8,6 72 2920 23
8 Magnez 11,0 59 2880 39
Uwagi
Piki 2, 3, 4 i 7 nie były oznaczone.
Praktyczna Chromatografia Jonowa 157

Chromatogram 67 Oznaczanie kationów w winie czerwonym (rozcieńczenie 1:10)
Tabela 97 Składniki – Doświadczenie 22 – Wino czerwone
Pik Składnik tR [min] Stężenie [mg/l] Liczba półek Powierzchnia[µS/cm*s]
1 Sód 3,7 10 2000 3,6
6 Potas 5,8 1380 1300 248
8 Wapń 8,6 50 3030 16
10 Magnez 10,8 80 2520 53
Uwagi
Piki 2, 3, 4, 7 i 9 nie były oznaczone.
158 Monografia Metrohm’a

5 Cytowana literatura
[1] H. Small, T.S. Stevens, W.C. Bauman, Anal. Chem. 47 (1975) 1801
[2] J Weiß «Ionenchromatographie», 2.Aufl. (1991), Verlag Chemie, Weinheim
[3] J.M. Mermet, M. Otto, H.M. Widmer «Analytical Chemistry», 1st ed. (1998), Wiley-VCH
Verlag,Weinheim-New York
[4] P.R. Haddad, P.E. Jackson, «Ion Chromatography: Principles and Applications», 1st ed. (1990), J.
Chromatogr. Library Vol. 46, Elsevier Verlag, Amsterdam
[5] J.S. Fritz, D.T. Gjerde, «Ion Chromatography», 3st ed., Wiley-VCH, Weinheim, 2000
[6] G. Schwedt, «Chromatographische Methoden in der Anorganischen Analytic», 1.Aufl. (1980), Dr.
Alfred Hüthig Verlag, Heidelberg
[7] International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), Pure & Appl. Chem. 65 (1993), 819
[8] H. Engelhardt, L. Rohrschneider «Deutsche chromatograpische Grundbegriffe zur IUPAC-
Nomenklatur», (1998), Universität Saarbrücken
[9] G. Schwedt «Chromatographische Trennmethoden», 3.Aufl. (1994), Thieme Verlag, Stuttgart
[10] V.R. Meyer «Praxis der Hochleistungsflüssigchromatographie», 5.Aufl. 1988, Diesterweg Verlag,
Frankfurt/Main
[11] A.J.P. Martin, R.L.M. Synge, Biochem. J. 35 (1941) 1358
[12] B.A. Bindlingmeyer, F.V. Warren, Anal. Chem. 56 (1984) 1583
[13] J.P. Foley, J.G. Dorsey, Anal. Chem. 55 (1983) 730
[14] E. Grushka, L.R. Snyder, J.H. Knox, J Chrom.Sci. 13 (1975) 25
[15] E. Katz, K.L. Ogan, R.P.W. Scott, J. Chromatogr. A 270 (1983) 51
[16] J.J. Van Deemter, F.J. Zuiderweg, A.J. Klinkenberg, Chem. Eng. Sci. 5 (1956) 271
[17] J.H. Knox, H.P. Scott, J. Chromatogr. A 282 (1983) 297
[18] A. Berthold, F. Chartier, J.L.Rocca, J. Chromatogr. A 469 (1989) 53
[19] G. Wedler «Lehrbuch der physikalischen Chemie», 3. Aufl. (1987), Verlag Chemie, Weinheim
[20] G. Schwedt, Fresenius Z. Anal. Chem. 320 (1985) 423
[21] M.J. van Os, J. Slania, C.L. de Ligny, W.E. Hammers, J. Agterdendos, Anal. Chim. Acta 144 (1982)
73
[22] P.R. Haddad, C.E. Cowie, J. Chromatogr. A 303 (1984) 321
[23] A. Diop, A. Jardy, M. Caude, R. Roset, Analusis 14 (1986) 67
[24] A. Jardy, M. Caude, A. Diop, C. Curvale, R. Roset, J. Chromatogr. A 439 (1988) 137
[25] D.R. Jenke, G.K. Pagenkopf, Anal. Chem. 56 (1984) 85 und 88
[26] T.B. Hoover, Sep. Sci. Tech. 17 (1982) 295
[27] P.R. Haddad, P.E.Jackson, A.L. Heckenberg, J. Chromatogr. A 346 (1985) 139
[28] P. Janoš, J Chromatogr. A 789 (1/2) (1997) 3
Praktyczna Chromatografia Jonowa 159

[29] P. Janoš, P.Aczel, J Chromatogr. A 749 (1996) 115
[30] P.Kolla, J. Köhler, G. Schomburg, Chromatographia 23 465 (1987)
[31] C.A. Pohl, J.R.Stillian, P.E.Jackson, J.Chrom. A 789 29 (1997)
[32] K. Dorfner, (Hrsg.), «Ion Exchangers», 4st ed. (1991), Walter de Gruyter Verlag, Berlin
[33] D.T. Gjerde, J.S. Fritz, G. Schmuckler, J. Chromatogr. A 186 (1979) 509
160 Monografia Metrohm’a