IONCSERÉS KROMATOGRÁFIA Az ioncserélők olyan szerves vagy szervetlen anyagok, amelyek poláris funkciós csoportjaik révén képesek kationjaikat vagy anionjaikat az oldatban lévőkkel kicserélni. Az ioncserélők funkciós csoportjai lehetnek: savak (katex - kationcserélő) vagy bázisok (anex – anioncserélő). Az ioncserélők általában szilárd halmazállapotú anyagok, de lehetnek vízben nem oldódó folyadékok is.

Ioncserélők típusai Ioncserélő gyanta sztirol és 1,4-divinil-benzol (~2%) kopolimere - Stabilak és nyomásállók. - Gömb alakú részecskék (emulziós polimerizáció) Aromás gyűrűre viszik fel kémiai reakcióval a megfelelő ioncserélő sajátságú funkciós csoportokat. Szulfonálás, lsd előzö ábra

Dextránalapú ioncserélők DEAE-Sephadex (dextránra kötött dietil-amino-etil). CM-Sephadex (karboxi-metil csoport). - Stabilak. - Vízben és szerves oldószerekben oldhatatlanok. Szilikagél alapú ioncserélők Módosított szilikagél, (3‹pH‹7). Szerves polimerrel fedett szilikagél (üveggyöngy). Az 1. és 3.b fázisok azok, amelyek nyomás alatt alkalmazhatók, így kis szemcseátmérőjű töltettel töltött kolonnákban használhatók, azaz nagy hatékonysággal üzemeltethetők. glükózegységekből 1,6-α-glükozid kötésekkel felépített lineáris poliszacharid, kevés oldallánccal. → Sephadex O-CH2CH2NH+(C2H5)2 DEAE O-CH2COO-

Módosított szilikagél

4. Aluminium-oxid alapú ioncserélők Amfoter jelleg!!! Az alumínium-oxidnak az izoelektromos pontján mind anion, mind kationcserélő kapacitása van. Izoelektromos pontnak nevezzük azt a pH értéket, ahol a felületen lévő negatív és pozitív töltések száma megegyezik. Ennek az értéke viszont a használt puffertől függ, például citrát pufferben pI=3,5 karbonát pufferben pI=9,2. A hidrált alumínium-oxid anion és kationcserélő formája

Gyantához kötött funkciós csoportok KATEX típusú: R--SO3H erősen savas R--COOH közepesen savas R--OH gyengén savas ANEX típusú: R--NR3OH erősen bázisos R--NH3OH közepesen bázisos R:gyanta (resin) Rgyanta -SO3H szulfonsav Ioncserélő kapacitás: megkötött ellentétes töltésű ion mennyiség egységnyi tömegű tölteten (mmol/g vagy mekv./g).

R--SO3H + Na+  R--SO3Na + H+ Kationion csere: R--SO3H + Na+  R--SO3Na + H+ Az oldatban lévő Na+ ionok a ioncserélő gyantára kötődnek, miközben ekvivalens mennyiségű H+ ionok kerülnek az oldatba. Eluensként híg, erős savakat használnak. Anion csere: R--N(CH3)3OH + Cl-  R-N(CH3)3Cl + OH- Vagyis a gyantára kötött OH- ionok szabadulnak fel. Eluensként bázisos oldatokat használnak.

Anioncserélők - jellemzőjük, hogy az állófázis felületén rögzített pozitív töltések találhatók az elválasztás körülményei között. Erős anioncserélők azok, amelyek ioncserélő kapacitása független az eluens pH értékétől. Ilyenek a kvaterner-ammónium vegyületek (pl. trimetil-ammónium, Type I). Ilyen típusú gyanták regenerálása nagy feleslegű bázist igényel , mivel ilyenkor OH-id formára kell hozni.

Gyenge anioncserélők, Ilyen csoportok a primer, a szekunder és tercier aminok. Ábra szekunder amin csoport protonálódási folyamata Ábra A gyenge anioncserélő kapacitásának függése a mozgó fázis pH értékétől . A teljes ioncserélő kapacitás értéke akkor érhető el, ha a mozgó fázis pH értéke az amino csoport pKb értékénél legalább 2 egységgel kisebb. (I. szakasz). ezeknél a fázisoknál az ioncserélő kapacitás az eluens pH értékének függvénye.

Kationcserélők - jellemzőjük, hogy az állófázis felületén rögzített negatív töltések találhatók az elválasztás körülményei között. Gyenge kationcserélők: állófázis szerkezete és kapacitás függése a mozgó fázis pH értékétől

Ionok kötödésének erőssége függ: - Ionméret és fajlagos töltés - Eluens jellemzői (víz, só, szerves oldószer elegye): Puffer-oldat ion-koncentrációja, puffer pH-ja, alkalmazott szerves módosítók (metanol, etanol, glicerin, butanol, acetonitril), ellenion, mely a meghatározandó összetevővel verseng és ennek a folyamatnak az eredménye megszabja a visszatartást és a szelektivitást, ezzel befolyásolható az eluens erősség. puffer ion-koncentrációja nő – visszatartás csökkenEluenserősség Az előzőekből látható volt, hogy az eluenserősség egyrészt a mozgó fázisba tett puffer összetevő pH megszabta ionizáltságától függ, másrészt az ioncsere folyamatban a meghatározandó összetevő és puffer-ion verseng az ioncserélő helyen való kötődésért. Ha növeljük a puffer-ion koncentrációját ez csökkenti a minta összetevő megkötődési lehetőséget, így a visszatartását. Komplexképzésre való affinitás (hajlamosság) A mozgó fázis komplexképző sajátossága különösen fontos, ha több értékű fémionok elválasztását akarjuk megoldani. A többértékű fémionok erősen kötődnek a kation-cserélő felületén és ez nagy visszatartást eredményezne. Ezt csökkentjük az eluenshez adott komplexképzővel. Szerves oldószer hatása A visszatartás és a szelektivitás befolyásolására metanolt, etanolt, butanolt, glicerint és acetonitrilt kell adni a pufferhez. Ezek a szerves oldószerek adszorbeálódnak az álló fázis felületén. Mindazon ionok visszatartása és szelektivitása változni fog, amelyeknél a retenciót az álló fázis hidrofób részével történő kölcsönhatás befolyásolja. Például vízben oldódó szerves anionokét, ilyenek a formiát, acetát, propionát stb. Az ellenion minőségének és koncentrációjának hatása Az ioncsere egyensúlyi folyamat, amelyben a meghatározandó összetevő verseng a mozgó fázisban található ellenionnal ennek a folyamatnak az eredménye megszabja a visszatartást és a szelektivitást.

Anionok meghatározásakor többértékű gyenge savakat (pl Anionok meghatározásakor többértékű gyenge savakat (pl. benzoesav, o-ftálsav, citromsav, borkősav) teszünk a mozgó fázisba, ezek ionos formái szolgáltatják az ellenionokat. , eluens erősség Ionizáltsági fok=eluenserősség Visszatartás alacsony pH-n nagy Az o-ftálsav ionizációjának és eluens erősségének függése a mozgó fázis pH értékétől

Kationok elválasztásakor többértékű gyenge bázisokat (pl Kationok elválasztásakor többértékű gyenge bázisokat (pl. etilén-diamin, 2-metil-piridin) teszünk a mozgó fázisba, ezek ionos formái szolgáltatják az ellenionokat. A visszatartást megszabó folyamatok komplexképzőt és szerves bázist tartalmazó mozgó fázis alkalmazásakor

DETEKTÁLÁSI MÓDSZEREK A mozgó fázis vezetőképességének mérése Az egykolonnás ionkromatográfiában ez egy átfolyó mérőteres vezetőképességi cellát jelent. Meghatározások 95%-ában. 5 ppb – 5 ug/L kimutatási határ. UV fényelnyelés Ion folyadékkromatográfiában csak néhány ionnak van UV vagy a látható fénytartományban elnyelése. pl. jodid, nitrit, nitrát, jodát, kromát, permanganát A kationok meghatározásánál használhatunk kolonna utáni (post column reaction) vagy kolonna előtti (precolumn reaction) származékképzést, s így színes komplexeket kapunk.

Két kolonnás ionkromatográf felépítése

ANIONOK MÉRÉSE IC Eluens pumpa detektor adagolószelep NaHCO3, Na2CO3 minta IC pumpa Eluens NaHCO3, Na2CO3 Szeparator (elválasztó oszlop): anioncserélő : R − N+ ··· HCO3− Szeparator oszlop Elválasztás : R − N+ ··· HCO3− + Na+ F− Cl− Br− NO3− SO42−… R − N+ ··· F− + Na+ + HCO3− Cl− Br− NO3− SO42−… Szupresszor oszlop Szupresszor (kioltó) oszlop: kationcserélő : R − SO3− ··· H+ R − SO3− ··· H+ + NaHCO3 H2O + CO2 NaCl HCl NaNO3 HNO3 Na2SO4… H2SO4 detektor hulladék Detektor : méri a minta ionjainak (HCl, HNO3,…) vezetőképességét, az eluens vezetőképessége a kémiai kioltást követően nem mérhető 1

Adagolóállás (Inject) Adagolószelep : Töltőállás (Fill) Adagolóállás (Inject) Szupresszor (kioltó) oszlop: kationcserélő regenerálása : H2SO4, H2O Működésének három fázisa: kénsav, 2. deszt.víz, 3. eluens (mérés) Három szupresszor oszlop van beépítve Szeparátor (elválasztó oszlop): anioncserélő regenerálása: NaHCO3, Na2CO3 eluenssel 1

R--SO3-H+ + Na+ → R--SO3- -Na+ + H+ H+ + HCO3- → H2CO3 H+ + Cl- → HCl A kémiai szupresszió lényege: a mozgófázis vezetőképességének csökkentése a detektálás előtt (pl. klorid ion mérése) Az ionelnyomóban (erős kation cserélő oszlop H formában) lejátszódó folyamatok, ha az eluens puffere NaHCO3, vagy Na2CO3: R--SO3-H+ + Na+ → R--SO3- -Na+ + H+ H+ + HCO3- → H2CO3 H+ +  Cl-  → HCl A mozgófázis vezetőképessége csökken (Na+ → H2CO3). Az elválasztott ion vezetőképessége megnő (NaCl → HCl). Az elválasztott ion vezetőképessége a Na ion (50 S*Cm2/equiv.) H ionnal (350 S*cm2/equiv.) történő cseréjével jelentősen megnő. Az ionelnyomó kolonnán a mozgó fázis kationjai akkor is lecserélődtek, ha mérés nem történt. Ennek következtében a kolonna ioncserélő kapacitása kimerült, így az elemzést le kellett állítani, és a kolonnát regenerálni kellett.

Számítás: k~ cminta [Lekv(minta) - Lekv (eluens)] Kémiai szupresszió nélkül mért vezetőképesség: k~ c minta [Lekv(Cl-) - Lekv (CO32-)] = cminta (76-72) = 4 (cminta) k~ cminta [Lekv(Cl-) - Lekv (ftalát)] = cminta (76-38) = 38 (cminta) Kémia szupresszió után mért vezetőképesség: ~ cminta [Lekv(Cl-) + Lekv (H+)] = cminta (76 + 350) = 426 (cminta) Ebből a közelítő számításból érzékelhető, hogy a detektálás érzékenysége kb. két nagyságrenddel javul a kémia szupressziót követően az anion kromatográfiában. Hasonló számítással belátható, hogy a kation kromatográfiában az érzékenység kismértékben csökkenni fog.

1=litium, 2=nátrium, 3=ammónium, 4=kálium, 5=magnézium, 6=kalcium IONCSERÉS ELVÁLASZTÁSOK 1. Kationok elválasztása kationcserélő gyantaoszlopon Λ uS/cm A proprietary ion exchange column, IonPacCS12, was used and the mobile phase consisted of a 20 nM methanesulphonic acid solution in water. A flow rate of 1 ml/min was employed and the sample volume was 25 ml.   1. Lithium 2. Sodium 3. Ammonium 4. Potassium 5. Magnesium 6. Calcium   Figure 57. Determination of Alkali and Alkaline Earth Cations The electrical conductivity detector has a sensitivity (minimum detectable concentration) of about 5 x 10-9 g/ml and a linear dynamic range of about 200 where 0.97 < r < 1.03. It is used in probably over 95% of all analyses involving ion exchange procedures to separate inorganic and organic ions.  Idő, perc 1=litium, 2=nátrium, 3=ammónium, 4=kálium, 5=magnézium, 6=kalcium

2. Anionok elválasztása anioncserélő gyantaoszlopon