Ионообменная хроматография: описание метода

Ионообменная хроматография представляет физико-химический метод разделения веществ, основанный на стехиометрическом обмене ионов анализируемого раствора и сорбента (ионообменника). В результате выполняется концентрирование разделенных элементов, последующее их выделение с возможностью качественного и количественного определения.

Ионообменная хроматография: что это такое

Метод разделения смеси веществ, с использованием перераспределения ионов анализируемого раствора и ионообменника, называется ионообменной хроматографией. В качестве сорбентов используются полимеры – вещества, молекулярная масса которых очень велика за счет множества повторяющихся группировок атомов мономеров. В зависимости от вида заряда ионов сорбента, участвующих в обмене, различают следующие иониты (ионообменники):

  • катиониты, обменивающие свои катионы на катионы растворенного анализируемого вещества (существуют иониты этого вида, содержащие активные -OH, -COOH, -SO3H, -CH2SO3H групп);
  • аниониты, смолы, содержащие активные группы –NH2; =NH; =N+R3 (обменными анионами в этом процессе являются ионы –OH, они образуются на поверхности сорбента в процессе его гидратации).

Практическое применение хроматографического разделения заложено во многих методиках количественного определения веществ.

Ионная хроматография: суть метода

Способность ионов раствора анализируемого вещества и сорбента обмениваться в стехиометрическом количестве представляет сущность ионообменной хроматографии.

В состав молекулы сорбента входят функциональные группы, способные к диссоциации, то есть к ионному обмену. Полимеры такого вида относят к ионообменникам (ионитам).

Хроматограф ионный химическийВ результате разделения и ионного обмена выделяются вещества в виде кислот или гидроокисей (щелочей). В дальнейшем следует их количественное определение различными методами (спектрофотометрией, титриметрией, фотоколориметрией). То есть ионообменная хроматография представляет вспомогательный метод для получения составляющих компонентов анализируемого вещества.

Виды ионообменной хроматографии

Существует несколько видов классификации ионообменной хроматографии. Современная аналитика в большинстве случаев использует принцип взаимодействия двух различных фаз, например, твердой и жидкой или твердой и газообразной. Соединение, находящееся в движении, называют подвижной фазой. Неподвижное, устойчивое вещество, поверхность которого служит основой, считается стационарной фазой.

Используя две указанные системы, химики исследуют состав веществ. Наиболее часто в исследовательских работах и аналитическом контроле продуктов различных производств используют 4 вида хроматографии.

Бумажная хроматография

Бумажная хроматография используется как первоначальный этап разделения вещества на составляющие компоненты. Бумажную полоску с нанесенной на нее каплей анализируемого вещества устанавливают вертикально в емкость с подвижной фазой (водой, спиртом, смесью нескольких растворителей). Составляющие компоненты исследуемой смеси будут распределяться на разной высоте в виде пятен. Хроматограмму рассматривают в ультрафиолете или проявляют пятна в парах йода.

Тонкослойная хроматография

ТСХ – тонкослойная хроматография представляет усовершенствованный вариант бумажной хроматографии. Неподвижную фазу представляет силикагель, нанесенный на стеклянную или алюминиевую пластинку. Исследуемую пробу наносят на поверхность силикагеля на расстоянии 1,5.-2.0 см от ее края. В химический стакан, обложенный изнутри фильтровальной бумагой, заливают подвижную фазу. Это может быть вода или смесь органических растворителей. Объем растворителя не должен превышать 1 см. Это условие необходимо для того, чтобы нанесенное на пластину исследуемое вещество не было смыто растворителем.

Подготовленную пластину с исследуемым веществом помещают в стакан, закрывают стеклом. Растворитель должен пройти до верха пластины с силикагелем. Пластину вынимают, дают испариться растворителю и приступают к качественному и количественному исследованию разделенного вещества.

Газовая хроматография

Методом газовой хроматографии исследуют летучие вещества. В этом виде ионообменной хроматографии используется конструкция для разделения летучих смесей, которая состоит из следующих элементов:

  • инжектора, предназначенного для ввода анализируемой пробы (ее количество составляет несколько микролитров);
  • колонки, изготовленной из металла или стекла, в ней размещена неподвижная фаза (тонкий слой жидкости или полимер) на инертной подложке;
  • детектора;
  • регистрирующей системы.

Этот вид ионообменной хроматографии основан на температурах кипения компонентов смеси. Перемещаясь с потоком газа, на подвижной фазе оседают низкотемпературные элементы, обладающие высокой скоростью.

Жидкостная хроматография

Хроматография для разделения веществ, находящихся в растворе, представляет жидкостной вариант. Второе название этого метода – высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ). Неподвижную фазу представляет сорбент, помещенный в металлическую иди пластиковую колонку. Подвижная фаза, элюент, прокачивается через колонку под определенным давлением.

Ионы растворенного вещества и сорбента обмениваются в колонке в стехиометрическом соотношении, выводятся из колонки в определенной последовательности.

Достоинства и недостатки ионообменной хроматографии

Исследование состава веществ, основанное на ионной хроматографии, используется во многих областях деятельности человека. Метод разделения с последующим анализом вещества отличается многими достоинствами и применяется в разных отраслях промышленности:

  • Чувствительность методов определения компонентов, входящих в состав продуктов, имеет высокие параметры. Методики, разработанные на основе ионообменной хроматографии, позволяют определять ничтожно малые количества соединений без предварительной их концентрации.
  • Методы позволяют одновременно определять огромное количество органических и неорганических ионов.
  • Для анализа требуется небольшое количество вещества.
  • Все методики, основанные на ионообменной хроматографии, относятся к экспресс-методам и обладают высокой чувствительностью и селективностью.

Лаборатория с хроматографомКак любой метод, ионообменная хроматография имеет некоторые недостатки, которые можно отнести к ее недоработке:

  • сложность процессов синтеза ионитов, высокомолекулярных соединений (этот фактор значительно влияет на развитие ионообменной хроматографии в целом);
  • эффективность разделения невысокая;
  • хроматографическая система должна иметь высокую стойкость к коррозии (особенно этот фактор имеет место при определении катионов).

Несмотря на имеющиеся недостатки, ионообменная хроматография остается незаменимой в областях производств, связанных с действием на здоровье людей.

Применение ионообменной хроматографии

Ионообменная хроматография постоянно развивалась и совершенствовалась. Многие научные исследования в этой области помогли расширить область ее применения, за что ученым были присуждены нобелевские премии.

Трудно найти исследовательскую лабораторию, в которой не используются современные приборы, созданные на основе ионообменной хроматографии. Они занимают ведущее место в:

  • криминалистических лабораториях;
  • исследовании опасных для жизни людей и окружающей природы объектов;
  • контроле качества продукции, выпускаемой пищевой, медицинской промышленностью;
  • определении испорченных продуктов в магазинах;
  • установке содержания алкоголя в крови;
  • исследовании веществ на наличие в них наркотических соединений;
  • подтверждении радиоактивной чистоты объектов.

Сегодня ионообменная хроматография и приборы на ее основе используются для диагностирования многих заболеваний, в расшифровках ДНК.

Применение ионообменной хроматографии в медицине

Хроматографические методики, приборы, применяемые в медицине,  совершенствуются,  и область их применения расширяется. Газовые и жидкостные хроматографы востребованы для обнаружения и исследования факторов сердечно-сосудистого риска. С помощью хроматографов исследуется состав крови, лимфы, мочи, воздуха, выдыхаемого человеком. Приборы на основе ионообменной хроматографии позволяют с высокой точностью получить результаты состояния биологической среды человека, обнаружить вирусы, бактерии, следы ядов, лекарственных препаратов, наркотиков.

Хроматографические анализы позволяют вести контроль за состоянием больного в ходе проводимого лечения, держать под наблюдением реакцию организма пациента на лекарственные препараты

Оценка качества воды методом ионной хроматографии

Ионная хроматография представляет современный метод оценки качества воды.  С помощью приборов, действующих по принципу стехиометрического разделения  ионов анализируемого раствора и ионообменника, определяют:

  • катионы и анионы органического и неорганического происхождения;
  • катионы щелочных и щелочноземельных металлов;
  • катионы переходных металлов;
  • амины;
  • органические кислоты.

Газовые и жидкостные хроматографы в лабораториях по оценке качества воды востребованы и считаются идеальными устройствами. Это объясняется тем, что проба не требует специальной подготовки, на получение результата затрачивается минимальное время.

Ионообменная хроматография книги

  1. М.С.Цвет, Е.М. Синченков. «Избранные труды» Издательство «Наука», 1973
  2. М.С. Цвет «Хроматографический адсорбционный анализ» Изд-во АН СССР. 1946.
  3. Измайлов Н.А. Шрайбер М.С. «Капельно-хроматографический метод анализа и его применение в фармации; 1938, №3.
  4. Р.Х. Хамизов, В.Ф. Селеменев. «Кто открыл газовую хроматографию?». 2018. Т. 18. № 2.

Материал взят с сайта Alto Lab