CC BY
15
УДК 543.544:546.9
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОМПЛЕКСОВ МЕТАЛЛОВ С ЦИКЛОГЕКСАНДИАМИНТЕТРАУКСУСНОЙ И ЭТИЛЕНДИАМИНТЕТРАУКСУСНОЙ КИСЛОТАМИ МЕТОДОМ ИОНООБМЕННОЙ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКОЙ ХРОМАТОГРАФИИ
О. В. Крохин, А. В. Адамов, О. В. Кузина, О. А. Шпигун
(кафедра аналитической химии)
Методом ионообменной электрокинетической хроматографии с прямым спектрофотометри-ческим детектированием разделены комплексы Мп(П), РЬ(11), Fe(ПI), N1(11), Со(11), Zn(II) и Си(П) с этилендиаминтетрауксусной и циклогександиаминтетрауксусной кислотами. Изучено влияние состава буферного электролита (концентрации противоиона и катионного полимера) на электрофоретические подвижности анионных комплексов. Показано, что разделение анионов происходит по ионообменному механизму. Для снижения пределов обнаружения использовали введение большого объема пробы в сочетании с образованием комплексов непосредственно в капилляре.
В последнее время метод капиллярного электрофореза (КЭ) находит все большее применение для определения катионов металлов. Переведение в форму хелатов является одним из основных приемов, применяемых для повышения чувствительности их определения [1, 2]. Методы определения хелатов металлов с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) и КЭ можно разделить на две большие группы в зависимости от того, добавляется лиганд в подвижную фазу или нет. Во втором случае возможно определение только кинетически устойчивых комплексов, поскольку вследствие различия скоростей движения зон лиганда и комплекса по колонке неустойчивость последнего приводит к его разрушению. Такой подход, позволяющий достичь максимальной чувствительности определения (поскольку прямое спектрофо-тометрическое детектирование проводят на фоне непогло-щающего элюента), называется методом «кинетического дифференцирования» [3]. Однако возможности этого метода для многокомпонентного определения катионов переходных металлов ограничены, поскольку большинство органических лигандов образуют устойчивые комплексы с ограниченным набором катионов металлов. Так, при использовании 4-(2-пиридилазо)резорцина возможно определение лишь V(V), Co(II), Fe(II) и Ni(II) [4]. Полиамино-карбоновые кислоты образуют устойчивые комплексы с большинством катионов переходных металлов. Однако селективность их разделения методом КЭ достаточно низка, поскольку образующиеся анионные комплексы имеют сходное строение и, как следствие, электрофоретическую подвижность [5].
Возможность высокоэффективного одновременного определения нескольких анионных комплексов металлов с этилендиаминтетрауксусной кислотой была продемонстрирована при использовании нового варианта метода капиллярного электрофореза - ионообменной электрокинетической хроматографии [6]. Добавление катионного полимера в буферный электролит приводит к изменению заряда стенок кварцевого капилляра и, как следствие, к обращению электроосмотического потока. Кроме того, катионный полимер оказывает дифференцирующее воздействие на электрофоретические подвижности анионов: скорость их движения снижается тем сильнее, чем выше сродство к жидкому анионообменнику.
Цель данной работы заключалась в изучении влияния параметров электролита на селективность разделения комплексов Mn(II), Pb(II), Fe(III), Ni(II), Co(II), Zn(II) и Cu(II) с циклогександиаминтетрауксусной (ЦГДТА) и этилендиаминтетрауксусной (ЭДТА) кислотами методом ионообменной капиллярной электрокинетической хроматографии.
Экспериментальная часть
В работе применяли прибор для капиллярного электрофореза «Bio-Rad HPE-100» (Bio-Rad, США), модифи-
цированный для гидростатического ввода пробы и использования сменных кварцевых капилляров с внешним диаметром 375 мкм. Этот прибор позволяет работать с напряжением переменной полярности до 12 кВ. Использовали также кварцевый капилляр (GL Science Inc., Japan), имеющий следующие характеристики: общая длина 40 см, длина капилляра до детектора 32 см, внешний диаметр 375 мкм, внутренний диаметр 50 мкм. Зоны комплексов металл - ЭДТА (ЦГДТА) детектировали непосредственно в капилляре при длине волны 200-220 нм. Для регистрации электрофореграмм использовали программное обеспечение «WinPeak» (Eppendorf-Biotronik, Германия).
Растворы полимера - поли(диаллилдиметиламмония хлорида) (ПДАДМА, Aldrich, США, 20 об. %) с концентрацией 1 00 мМ по функциональной группе готовили разбавлением исходного продукта. Для приготовления растворов буферных электролитов использовали растворы сульфата и ацетата натрия. Процедура подготовки капилляра к работе включала в себя последовательную промывку водой (5 мин), 0,1 М раствором NaOH (10 мин), водой (10 мин) и буферным раствором электролита (30 мин). Раствор электролита пропускали через фильтр с диаметром пор 0,45 мкм и дегазировали. Между определениями капилляр промывали раствором буферного электролита (1 мин). Образцы комплексов металлов готовили добавлением растворов солей металлов к растворам ЭДТА или ЦГДТА (концентрация 5 мМ, рН 7,0). При проведении экспериментов по обогащению пробы образование комплексов проводили непосредственно в капилляре. Структура полимера, использованного в работе, представлена на рис. 1. Введение пробы осуществляли путем поднятия катодного конца капилляра на 7 см в течение 15 с. Длину зоны вводимой пробы (для данного случая 3 мм) определяли методом «непрерывного введения пробы» [3].
Электрофоретические подвижности анионных комплексов вычисляли по формуле
Мер = (^МИГ - ^ЭОИУ^
где умиг и уэоп - скорости миграции (см/с) определяемого компонента и маркера (ацетон) электроосмотического
Рис. 1. Структура используемого в работе полимера
потока (ЭОП) соответственно; Е - напряженность электрического поля (кВ/см).
Результаты и их обсуждение
ЭДТА и ЦГДТА образуют устойчивые комплексы со многими катионами металлов общей формулы МЬ"-4; где п - положительный заряд центрального атома. В нейтральной области рН большинство катинов металлов образуют двух- и однозарядные анионные комплексы, а степень образования смешанных гидроксокмплексов не велика. Таким образом, для разделения было выбрано значение рН 7,0. Выбор других параметров буферного электролита был осуществлен ранее [6]: 5 мМ сульфат натрия, 10 мМ ацетат натрия, 50 мМ ПДАДМА.
На рис. 2 показано различие в селективности разделения комплексов металлов с ЭДТА и с ЦГДТА. Собственные подвижности двузарядных комплексов Мп(11), РЬ(11), Со(11), N1(11), 2п(П) и Си(11) очень близки. Добавление
Рис. 2. Сравнение селективности разделения комплексов металлов с ЭДТА (а) и ЦГДТА (б). Капилляр: длина 40 см (32 см до детектора)х375 мкм X 50 мкм; буферный электролит: 5 мМ №2804, 10 мМ СН3С00№, 50 мМ ПДАДМА, рН 7,0; условия: напряжение 10 кВ; прямое спектрофотометрическое детектирование 200 нм; ввод пробы гидростатический 7смх15с (3 мм)
Рис. 3. Зависимость электрофоретических подвижностей комплексов металлов с ЦГДТА от концентрации ПДАДМА: 1 - Ре(Ш), 2 - Со(11), 5 - Мп(11), 4 - N1(11), 5 - РЬ(11), 6 - Си(11), 7 - гп(П), 8 - ЭОП. Буферный электролит: 5 мМ №2804, 10 мМ СН3С00№, х мМ ПДАДМА, рН 7,0; остальные условия см. в подписи к рис. 2
большого количества полимера приводит к разделению этих комплексов на две группы: хелаты Мп (II) и РЬ (II) движутся по капилляру быстрее, чем Со (II), N1 (II), 2п (II) и Си (II) для обоих лигандов. Это явление можно объяснить с точки зрения ионообменного механизма взаимодействия разделяемых анионов с молекулами полимера. Сродство к полимеру зависит от размера анионов и от их заряда. Мп (II) и РЬ (II) в этих комплексах имеют максимальное координационное число 7 и могут дополнительно координировать молекулу воды. Это приводит к увеличению размера комплекса и уменьшению сродства к полимеру. Из всех исследуемых хелатов однозарядный БеЬ- имеет наименьшую собственную подвижность. Добавление ПДАДМА существенно уменьшает времена миграции двухзарядных анионов [7] за счет более сильного ионообменного взаимодействия, и порядок миграции меняется.
Комплексы металлов с ЦГДТА (за исключением Бе (III)) имеют большее время миграции, чем их аналоги с ЭДТА. По-видимому, это можно объяснить сильным взаимодействием гидрофобного циклогексанового фрагмента молекулы ЦГДТА с полимером. Интересно отметить, что при переходе от ЭДТА к ЦГДТА меняется порядок выхода в паре №(П) и Со(П) и улучшается разрешение пиков Мп(П) и РЬ(П).
Основной особенностью метода ионообменной электрокинетической хроматографии является возможность непрерывного изменения концентрации жидкого анионо-обменника в разделяющей среде. В целом характер зависимостей подвижностей разделяемых компонентов от концентрации полимера и противоиона (в нашем случае 8042-) совпадает с соответствующими зависимостями
для ионной хроматографии [8]
log к' = (a/b)log Q - (a/b)log C + со^аШ,
(1)
где к' - коэффициент емкости для определяемого иона, Q - емкость ионообменной колонки, С - концентрация элюента. Для случая ионообменной электрокинетической
хроматографии к' соответствует величина, обратная элек-трофоретической подвижности, Q - концентрация полимера, а С - концентрация противоиона. Приведенная на рис. 3 зависимость электрофоретических подвижностей комплексов металлов с ЦГДТА от концентрации полимера в буферном электролите подтверждает наши предположения. Так, с ростом концентрации ПДАДМА подвижности уменьшаются, причем для БеЬ- это происходит быстрее, чем для двухзарядных анионов. Такая разница обусловлена различием в отношении зарядов разделяемых ионов и противоионов а/Ь.
Согласно (1), добавление №2804 приводит к увеличению подвижностей анионов. Повышение концентрации 802- сдвигает ионообменное равновесие, в результате чего возрастает концентрация комплексов не связанных с молекулами полимера и, соответственно, увеличивается их подвижность. На рис. 4 показана зависимость электро-форетических подвижностей анионных комплексов металлов с ЦГДТА от концентрации сульфата. В этом случае также с увеличением концентрации сульфат-аниона времена миграции двухзарядных комплексов уменьшаются быстрее, чем однозарядного комплекса БеЬ-.
Таким образом, метод ионообменной электрокинетической хроматографии обладает большими возможностями для варьирования селективности разделения, чем ионная хроматография. Высокая растворимость ионных полимеров позволяет варьировать емкость ионообменной разделяющей среды, «растягивая» и «сжимая» шкалу селективностей для проведения разделения заданных компонентов.
К основным недостаткам метода капиллярного электрофореза следует отнести его низкую чувствительность. Добиться существенного снижения пределов обнаружения позволяет использование эффектов обогащения пробы при вводе больших объемов проб с низкой электропроводностью. Падение напряжения в непроводящей электричество зоне так велико, что определяемые компоненты концентрируются на границе раздела буферный электролит - проба. Этот вариант концентрирования получил название «электростэкинг».
Рис. 4. Зависимость электрофоретических подвижностей комплексов металлов с ЦГДТА от концентрации сульфат-аниона: 1 - Ре(Ш), 2 - Со(П), 5 - Мп(П), 4 - №(П), 5 -РЬ(П), 6 - Си(П), 7 - гп(П), 8 - ЭОП. Буферный электролит: 10 мМ CH3C00Na, 25 мМ ПДАДМА, х мМ Na2S04, рН 7,0; остальные условия см. в подписи к рис. 2
При проведении обогащения пробы необходимым условием является ее низкая электропроводность, поэтому в работе использовали образование комплексов непосредственно в капилляре. Это позволяют сделать высокие константы устойчивости и скорости образования комплексов [9]. Раствор ЭДТА с концентрацией 5 мМ, рН 7,0 (длина зоны 3 мм) вводили сразу после пробы (длина зоны 3-30 мм). При приложении напряжения анионы Н2Ь2- и катионы металлов начинают двигаться навстречу друг другу за счет собственных электрофоретических подвиж-ностей. Образовавшиеся комплексы МЬ"-4 попадают в зону с низкой электропроводностью и концентрируются на границе раздела буферный электролит - проба. Найдено, что форма пиков и эффективность разделения при таком способе введения пробы не зависят от протяженности зоны образца в диапазоне 3-30 мм. Комплексы металлов с ЭДТА сравнительно слабо поглощают в области 200-220 нм. Увеличение объема пробы позволило снизить пределы обнаружения на один порядок величины для всех исследованных катионов металлов: 0,2, 0,002, 0,003, 0,012, 0,01, 0,025 и 0,015 мМ/л для Мп(П), РЬ(П), Бе (III), Со(II), №(П), гп(П) и Си(П) соответственно.
Данное исследование проводилось при поддержке РФФИ (проект 99-03-32617a)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Saitoh T., Hoshino H., Yotsuyanagi T. // J. Chromatogr. 1989. 469.
P. 175.
2. Timerbaev A.R., Semenova O.P., Jandlk P., Bonn G.K. // J.
Chromatogr. 1995. 671. P. 419.
3. Iki N., Hoshino H, Yotsuyanagi T. // Chem. Lett. 1993. P. 701.
4. Krokhin O. V., Hoshino H., Shpigun O. A., Yotsuyanagi T. // J.
Chromatogr. 1997. 772. P. 339.
5. Baraj B., Martinez M., Sastre A., Aguilar M. // J. Chromatogr.
1995. 695. P. 103.
6. Krokhin O. V., Xu W., Hoshino H., Shpigun O. A., Yotsuyanagi T.
// Chem. Lett. 1996. P. 1095.
7. Stathakis C, Cassidy R. M. // Anal.Chem. 1994. 66. P. 2110.
8. Шпигун О. А., Золотое Ю.А. // Ионная хроматография. М.,
1990. С. 56.
9. Haumann I., Bachmann K. // J. Chromatogr. 1995. 717. P. 385.
Поступила в редакцию 05.10.99
