Akceptuję
W ramach naszej witryny stosujemy pliki cookies w celu świadczenia państwu usług na najwyższym poziomie, w tym w sposób dostosowany do indywidualnych potrzeb. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień dotyczących cookies oznacza, że będą one zamieszczone w Państwa urządzeniu końcowym. Możecie Państwo dokonać w każdym czasie zmiany ustawień dotyczących cookies. Więcej szczegółów w naszej Polityce Prywatności

Zamknij X
Strona główna Edukacja
W obiektywie TV Laboratoria
LABORATORIUM

CHROMATOGRAFIA JONOWA

Zalety klasycznych metod „mokrych” to przede wszystkim ich dostępność i relatywnie niskie koszty analiz, a wady to negatywny wpływ czynników przeszkadzających, słaba wykrywalność i selektywność, duża pracochłonność, a także w wielu przypadkach konieczność stosowania drogich i toksycznych odczynników chemicznych, oraz brak możliwości pełnej automatyzacji oznaczeń.

Wprowadzenie do praktyki laboratoryjnej metod przepływowych usunęło ostatnią z wymienionych niedogodności, aczkolwiek wciąż możliwe było oznaczanie tylko jednego jonu - pomijając bardziej złożone i kosztowne układy wielokanałowe. Chromatografia jako metoda rozdzielania została opisana w roku 1903, kiedy to rosyjski botanik pracujący na Uniwersytecie Warszawskim - Michał Cwiet rozdzielił barwniki roślinne, wykorzystując zjawiska adsorpcji w kolumnie wypełnionej węglanem wapnia [1]. W celu opisania tej metody greckimi słowami oznaczającymi "barwę" i "zapis" utworzył nowe słowo - "chromatografia".

Początkowo chromatografia nie wzbudzała większego zainteresowania, a jej szybki rozwój nastąpił dopiero po kilkudziesięciu latach od historycznego odkrycia M.Cwieta. Chromatografia gazowa, bibułowa i cienkowarstwowa rozwinęły się szybciej niż chromatografia cieczowa, ponieważ były łatwiejsze do opanowania pod względem technicznym. Postęp w chromatografii cieczowej wynikał między innymi z możliwości stosowania detektorów UV do oznaczania związków organicznych, podczas gdy detektory te są nieużyteczne do wykrywania większości związków nieorganicznych.

Obecnie metody chromatograficzne ze względu na możliwość szybkiego rozdzielania i oznaczania substancji na poziomie stężeń μg L-1, należą do najbardziej rozpowszechnionych metod instrumentalnych w chemii analitycznej.

Chromatografia jonowa, w której stosuje się wysokosprawne kolumny analityczne wypełnione jednorodnymi cząstkami o małych średnicach i najczęściej detekcję konduktometryczną wywodzi się z chromatografii jonowymiennej i liczy sobie oficjalnie 30 lat [2]. W porównaniu z klasyczną chromatografią jonowymienną - chromatografia jonowa jest metodą wydajniejszą, szybszą, bardziej czułą i dającą bardzo dobrą powtarzalność uzyskiwanych wyników.

Do roku 1975, kiedy to w sprzedaży pojawił się pierwszy chromatograf jonowy [3], stosowano określenie chromatografia jonowymienna, a obecnie większość oznaczeń substancji jonowych metodami chromatograficznymi realizowana jest metodą chromatografii jonowej.

W krajach uprzemysłowionych chromatografia jonowa od początku swego istnienia znalazła znaczące miejsce w analityce chemicznej. W Polsce szybki wzrost zainteresowania tą metodą chromatograficzną obserwuje się od kilku lat, czego dowodem może być znacząca liczba laboratoriów badawczych i usługowych, w których wykorzystuje się chromatografię jonową. Na rynku polskim brakowało wydawnictw dotyczących chromatografii jonowej, chociaż w pewnym stopniu luka ta została wypełniona pod koniec 2005 roku, kiedy to nakładem Wydawnictw Naukowo-Technicznych ukazała się książka R.Michalskiego „Chromatografia jonowa. Podstawy i zastosowania” [4]. Wcześniejsze polskojęzyczne publikacje związane z zastosowaniami chromatografii jonowej [5, 6] zawierają wiele nieprecyzyjnych sformułowań, ponieważ niektóre terminy i definicje bezpośrednio tłumaczone z języka angielskiego nie zawsze oddają w pełni ich znaczenie i mogą być niejednoznaczne.

W literaturze światowej pojawiły się określenia: chromatografia jonowa z supresją, nazywana również dwukolumnową chromatografią jonową lub chromatografią jonową z tłumieniem przewodnictwa (ang. Dual-Column Ion Chromatography lub Suppresed Ion Chromatography) oraz chromatografia jonowa jednokolumnowa lub chromatografia jonowa bez tłumienia przewodnictwa (ang. Single Column Ion Chromatography lub Non-Suppressed Ion Chromatography). Nie są to precyzyjne określenia, chociaż są powszechnie stosowane w literaturze anglojęzycznej.

Określenie chromatografia jonowa z tłumieniem przewodnictwa dotyczyło początkowo przyrządu do chromatografii jonowej zawierającego dwie kolumny - kolumnę analityczną i kolumnę tłumienia. Od lat 80-tych XX wieku, gdy kolumny tłumienia zaczęto zastępować supresorami (urządzeniami spełniającymi tę samą rolę, co kolumny tłumienia), przyrządy takie składały się z jednej kolumny i supresora, chociaż nadal stosowano nazwę dwukolumnowa chromatografia jonowa (lub chromatografia z tłumieniem przewodnictwa). Ponieważ w celu ochrony kolumny analitycznej przed zanieczyszczeniami zaczęto stosować przedkolumnę, współczesne chromatografy jonowe składają się najczęściej z dwóch kolumn (przedkolumny i kolumny analitycznej) oraz supresora (dawniej kolumny tłumienia). W literaturze anglojęzycznej do tego typu przyrządów stosuje się nazwę dual-column ion chromatography lub suppressed ion chromatography. Tę najczęściej stosowaną odmianę chromatografii jonowej nazywa się chromatografią jonową z tłumieniem przewodnictwa.

Drugą odmianą chromatografii jonowej jest chromatografia jonowa bez tłumienia przewodnictwa. Nazwę tą wprowadzono do literatury anglojęzycznej w roku 1980, kiedy to Gjerde i wsp. [7] opracowali i opisali odmianę chromatografii jonowej opartą na wykorzystaniu eluentów o niskim przewodnictwie elektrycznym, co spowodowało, że nie było już konieczne stosowanie kolumny tłumienia lub supresora. W rzeczywistości w skład współczesnych chromatografów jonowych wchodzą dwie kolumny (przedkolumna i kolumna analityczna), lecz nie zawierają one kolumny tłumienia (lub supresora). Ten rodzaj chromatografii jonowej nazywa się chromatografią jonową bez tłumienia przewodnictwa.

Określenia te są zgodne z najnowszymi wytycznymi zawartymi w słowniku chromatografii i elektroforezy, wydanego przez PWN w roku 2004 [8].

Chromatografia jonowa należy do najważniejszych instrumentalnych metod oznaczania anionów i kationów w wodach, jak również w innych rodzajach próbek (powietrze, żywność, próbki biologiczne) [9, 10]. Oficjalnie ta nowoczesna metoda rozdzielania istnieje od 30 lat, niemniej w Polsce zwiększone zainteresowanie chromatografią jonową obserwuje się dopiero o kilku lat.

Najważniejsze zalety chromatografii jonowej to: możliwość jednoczesnego oznaczania kilku jonów w czasie kilkunastu minut; granice wykrywalności i oznaczalności na poziomie μg L-1; niewielka ilość próbki potrzebna do analizy; możliwość stosowania różnych detektorów; prosty sposób przygotowania próbek; możliwość jednoczesnego oznaczania kationów i anionów, lub jonów organicznych i nieorganicznych oraz możliwość oznaczania jonów tego samego pierwiastka na różnych stopniach utlenienia (analityka specjacyjna) [11]. Jej dodatkową zaletą jest możliwość uzyskania pełnej informacji na temat składu jonowego próbki (aniony i kationy) z zastosowaniem tylko jednej metody analitycznej.

Zalety te przyczyniły się do tego, że wiele organizacji międzynarodowych wprowadziło szereg norm dotyczących wykorzystania chromatografii jonowej w analizie wody i ścieków [12-15].

Aktualnie Polski Komitet Normalizacyjny oferuje 6 polskojęzycznych wersji norm wykorzystujących metodę chromatografii jonowej do oznaczania jonów w wodach i ściekach:
  1. PN-ISO 10304 – 1 : (1998). Jakość wody - Oznaczanie rozpuszczonych jonów fluorkowych, chlorkowych, azotynowych, ortofosforanowych, bromkowych, azotanowych i siarczanowych za pomocą chromatografii jonowej, Część 1: Metoda dla wód mało zanieczyszczonych.
  2. PN-ISO 10304 – 2 : (1998). Jakość wody - Oznaczanie rozpuszczonych anionów za pomocą chromatografii jonowej. Część 2: Oznaczanie bromków, chlorków, azotanów, azotynów, ortofosforanów i siarczanów w ściekach.
  3. PN-ISO 10304 – 3 : (2000). Jakość wody - Oznaczanie rozpuszczonych anionów za pomocą cieczowej chromatografii jonowej -Część 3: Oznaczanie chromianów, jodków, siarczynów, tiocyjanków i tiosiarczanów.
  4. PN-ISO 10304 – 4 : (2000). Jakość wody - Oznaczanie rozpuszczonych anionów za pomocą chromatografii jonowej - Część 4: Oznaczanie chloranów, chlorków i chlorynów w wodach mało zanieczyszczonych.
  5. PN-ISO 15061 : (2002). Jakość wody - Oznaczanie rozpuszczonych bromianów - metodą chromatografii cieczowej.
  6. PN-ISO 14911 : (2001). Jakość wody - Oznaczanie jonów Li+, Na+, NH4+, K+, Mn2+, Ca2+, Mg2+, Sr2+ i Ba2+ techniką chromatografii jonowej - Metoda dla wód i ścieków.
oraz jedną trzyczęściową normę dotyczącą oznaczania chlorowodoru w powietrzu atmosferycznym:

1a PN-ISO 1911-1 : (2001). Emisja ze źródeł stacjonarnych. Manualna metoda oznaczania HCl. Część 1: Pobieranie próbek gazów.
1b PN-ISO 1911-2 : (2001). Emisja ze źródeł stacjonarnych. Manualna metoda oznaczania HCl. Część 2: Absorpcja związków gazowych.
1c PN-ISO 1911-3 : (2001). Emisja ze źródeł stacjonarnych. Manualna metoda oznaczania HCl. Część 3: Analiza roztworów absorpcyjnych i obliczanie.

Warto w tym miejscu wspomnieć o normie ISO 11632 : (1992). Stationary Source Emission - Determination of Mass Concentration of Sulfur Dioxide - Ion Chromatographic Method, która jednak jak dotąd nie doczekała się polskiej wersji językowej, oraz o dwuczęściowej normie związanej z oznaczaniem czynników chelatujących w nawozach sztucznych: PN-EN 13368-1:2004. Nawozy. Oznaczanie czynników chelatujących metodą chromatografii jonowej. Część 1: EDTA, HEDTA i DTPA oraz PN-EN 13368-2:2004. Nawozy. Oznaczanie czynników chelatujących metodą chromatografii jonowej. Część 2: EDDHA i EDDHMA.

Chromatografia jonowa jest metodą standardową oznaczania głównych nieorganicznych anionów takich, jak: fluorki, chlorki, azotany(III), bromki, azotany(V), fosforany i siarczany(VI), jak również kationów: sodowych, potasowych, amonowych, magnezowych i wapniowych w wodach do picia, wodach powierzchniowych, wodach podziemnych, wodach opadowych, wodach mineralnych, ściekach komunalnych i przemysłowych.

Zakres zastosowań chromatografii jonowej rozszerza się szybko m.in. na oznaczanie jonów w próbkach żywności, w badaniach klinicznych, w przemyśle farmaceutycznym, metalurgicznym, produkcji półprzewodników [16].

Na początku XXI wieku sprzedaż chromatografów jonowych wraz z akcesoriami osiągnęła wartość około 165 mln USD, przy całym rynku światowym HPLC wartym około 3 mld USD. W roku 2005 sprzedano około 3500 chromatografów jonowych, a w minionych 30 latach opisano w literaturze ponad 600 zastosowań chromatografii jonowej.

Do najważniejszych producentów i dystrybutorów aparatury i akcesorii do chromatografii jonowej należy amerykańska firma Dionex oraz szwajcarska firma Metrohm. Rywalizacja firm o tak cenny rynek odbywa się z korzyścią dla klienta, ponieważ możliwości aparaturowe są coraz większe, a ceny przyrządów maleją, czyli rośnie ich dostępność.

Na rysunkach 1-4 przedstawiono przykładowe chromatogramy rozdzielania nieorganicznych anionów i kationów w wodach i ściekach uzyskane z wykorzystaniem kolumn firm Dionex oraz Metrohm.



Rys. 1 Chromatogram rozdzielania nieorganicznych anionów w próbce wzorcowej.

Kolumna analityczna-Dionex Ion Pac AS 9SC
Eluent-4,0 mM Na2CO3 + 1,5 mM NaHCO3
Natężenie przepływu eluentu -1,4 mL/min
Detekcja -konduktometryczna




Rys. 2 Chromatogram próbki dezynfekowanej wody z basenu kąpielowego

Kolumna analityczna-Metrohm Metrosep A Supp 5
Eluent-1,7 mM Na2CO3 + 1,5 mM NaHCO3
Przepływu eluentu -1,0 mL/min
Detekcja -konduktometryczna




Rys. 3 Chromatogram oznaczania kationów grupy Ia i IIa w ściekach przemysłowych.

Kolumna analityczna-Dionex Ion Pac CS 12
Eluent-20 mM HCl
Natężenie przepływu eluentu -0,8 mL/min
Detekcja -konduktometryczna




Rys. 4 Chromatogram rozdzielania wybranych nieorganicznych kationów.

Kolumna analityczna-Metrosep C2 150
Eluent-4 mM kwas winowy + 0,75 mM kwas 2-pikolinowy
Natężenie przepływu eluentu -0.9 mL/min
Detekcja -konduktometryczna

Dobierając odpowiednie warunki analityczne takie jak: rodzaj kolumny analitycznej (jej wypełnienia); rodzaj, stężenie i natężenie przepływu eluentu, parametry pracy supresora i detektora, a także sposób przygotowania próbki do analizy, można rozdzielać i oznaczać praktycznie wszystkie jony zarówno nieorganiczne jak i organiczne w próbkach o różnych matrycach.

Chromatografia jonowa od początku swojego istnienia była przedmiotem porównań z dotychczas stosowanymi klasycznymi metodami oznaczania anionów i kationów, jak również metodami elektroforezy kapilarnej [17, 18].

W porównaniu do klasycznych metod „mokrych” chromatografia jonowa jest metodą szybszą, bardziej czułą, precyzyjną i powtarzalną. Koszty analiz (szczególnie rutynowych) są niższe, chociaż koszty aparatury są relatywnie wysokie.

Z kolei w porównaniu do metod elektromigracyjnych (szczególnie elektroforezy kapilarnej) chromatografia jonowa charakteryzuje się lepszą powtarzalnością i niezawodnością, co spowodowało, że dotychczas tylko ona doczekała się opracowania metod standardowych w analizie wód i ścieków.

Do roku 1993 w rutynowej kontroli jakości wody do spożycia w Polsce obowiązywało stosowanie metod opisanych w Polskich Normach. Obecnie postępowanie takie nie jest obligatoryjne, pomimo, że w związku z przystąpieniem Polski do Unii Europejskiej wiele norm europejskich i światowych (w tym dotyczących chromatografii jonowej) zostało przetłumaczonych i zaadoptowanych do naszych warunków.

Rozwój i popularyzacja chromatografii jonowej w polskich laboratoriach kontrolno-pomiarowych, jak i naukowo-badawczych związane są min. ze znanymi zaletami tej metody analitycznej, dostępności norm międzynarodowych, jak również coraz liczniejszymi publikacjami polskich autorów dotyczącymi zastosowań chromatografii jonowej w badaniach stanu środowiska, w tym analizie wód i ścieków.

CHROMATOGRAFIA JONOWA – NOWOCZESNA METODA OZNACZANIA NIEORGANICZNYCH ANIONÓW I KATIONÓW

Rajmund Michalski
Instytut Podstaw Inżynierii Środowiska PAN
ul. M.Skłodowskiej-Curie 34, 41-819 Zabrze
E-mail: michalski@ipis.zabrze.pl


LITERATURA

[1] Tswett M.S., Physikalisch-Chemische Studien Uber das Chlorophyll. Die Adsorptionen, Ber.Bot.Ges., 24, (1906), 316–332.
[2] Small H., Stevens T.S., Bauman W.C., Novel Ion Exchange Chromatographic Method Using Conductometric Detection, Anal. Chem., 47, (1975), 1801–1886.
[3] [13] Small H., Twenty Years of Ion Chromatography, J.Chromatogr., 546, (1991), 3–15.
[4] Michalski R., Chromatografia jonowa. Podstawy i zastosowania. WN-T, Warszawa, 2005.
[5] Pogocki D., Wstęp do chromatografii jonowej, wyd. AGA Analytical, Warszawa, 1998.
[6] Michalski R., Chromatografia jonowa- podstawy teoretyczne, [w] Zastosowania chromatografii jonowej w analizie wody, Komisja Analizy Wody Komitetu Chemii Analitycznej PAN, UAM, Poznań, 1999.
[7] Gjerde D.T., Fritz J.S., Schmuckler G., Anion Chromatography with Low-Conductivity Eluents, J.Chromatogr.A, 186, (1979), 509–519.
[8] Słownik chromatografii i elektroforezy, pod redakcją Witkiewicza Z., Heptera J., PWN, Warszawa, 2004.
[9] Michalski R., Zastosowania chromatografii jonowej w analizie wody, Laboratorium, wydanie specjalne Woda, 2005, 18–21.
[10] Michalski R., Zastosowanie chromatografii jonowej w analizie wód, Analityka, 2, 2005, 9–12.
[11] Michalski R., Chromatografia jonowa – zalety i ograniczenia, Laboratorium, 3, (2005), 27–31.
[12] Michalski R., Przegląd metod ISO wykorzystujących chromatografię jonową do badania jakości wód i powietrza, Laboratorium, 2, (2005), 24–30.
[13] American Society for Testing and Materials, Annual Book of ASTM Standards, Philadelphia 1990.
[14] United States Environmental Protection Agency, Environmental Monitoring and Systems Laboratory, Cincinnati OH 1990.
[15] Jackson P.E., Ion Chromatography in Environmental Analysis, [w] Encyclopedia of Analytical Chemistry, Wiley&Sons, Chichester 2000.
[17] Michalski R., Zastosowania chromatografii jonowej w badaniach próbek medycznych, przemysłowych i spożywczych, Laboratorium, 5, (2005), 28–32.
[17] Pacakova V., Stulik K., Capillary Electrophoresis of Inorganic Anions and Its Comparison with Ion Chromatography, J.Chromatogr.A, 789, (1997), 169-180.
[18] Haddad P.R., Comparison of Ion Chromatography and Capillary Electrophoresis for the Determination of Inorganic Anions, J.Chromatogr.A, 770, (1997), 281–290.


Drukuj PDF
wstecz Podziel się ze znajomymi

znajdz nas na fcb

Partnerzy

GoldenLine Fundacja Kobiety Nauki Warszawskie Stowarzyszenie Biotechnologiczne (WSB) „Symbioza” EUROCON Obywatele Nauki NeuroSkoki Poznański Park Naukowo-Technologiczny Portal MaterialyInzynierskie.pl Biomantis SELVITA Klaster Lifescience Uni Gdansk MULTITRAIN I MULTITRAIN II Neuronus 2014 II Ogólnopolskie Forum Chemii Nieorganicznej „Horyzonty Chemii” Nauki przyrodnicze Targi farmaceutyczne polimer KOŁO INZYNIERÓW PB BFN OSCHEM ICHF PAN DU PONT BIOINNOVATION 2014 FUNDACJA JWP LIFE SCIENCE 2014 Neuronauka Studia.net Uczelnie.net Nauka w Polsce CITTRU - Centrum Innowacji, Transferu Technologii i Rozwoju Uniwersytetu Akademia PAN Chemia i Biznes Farmacom Świat Chemii Forum Akademickie inzynierka.pl Biotechnologia     Konferencja Biofizyków IV Europejskiego Forum Marketingu Instytucji Naukowych i Badawczych „Pomiędzy naukami – zjazd fizyków i chemików” zjazd PTMN Festiwal Kol Naukowych Polskie Towarzystwo Spektrometrii Mas Łancuch UJ CHROMATOGRAFIA JONOWA  2014 Medyczny Dzień Nauki Medycyna XXI Projektor Jagielloński Instytut Lotnictwa EuroLab Salmed Noc Biologów