CC BY
51
УДК 543.544.5.068.7
Вестник СПбГУ. Сер. 4. 2013. Вып. 2
В. С. Гурский, Е. Ю. Харитонова
ОТКРЫТЫЕ КАПИЛЛЯРНЫЕ КОЛОНКИ
ДЛЯ МИКРОМАСШТАБНОЙ ИОННОЙ ХРОМАТОГРАФИИ
Введение. Микромасштабная ВЭЖХ (микро-ВЭЖХ), особенностью которой является использование миниатюрных разделительных колонок, по сравнению с обычной имеет ряд преимуществ. К ним относятся повышенная эффективность колонок малого диаметра, большая экономичность в результате уменьшения расхода подвижной и неподвижной фаз, более простая реализация оптимальных условий разделения. В подавляющем большинстве случаев микро-ВЭЖХ используется для разделения и анализа сложных смесей органических соединений. Особенности микро-ВЖЭХ детально рассмотрены в монографии основоположника метода Д. Исии [1].
В конце 90-х гг появилась практически первая публикация [2] по разработке варианта микромасштабной ионной хроматографии с кондуктометрическим детектированием и мембранным подавлением фоновой проводимости. В этой работе использовалась насадочная колонка диаметром 0,18 мм, длиной 500 мм, заполненная ионообменным сорбентом. Результаты работ по разделению неорганических анионов показали, что по эффективности и по нижним пределам определения предложенный вариант не уступает методу капиллярного электрофореза. При этом используется достаточно простое аппаратурное обеспечение, и система намного менее чувствительна к примесным компонентам по сравнению с капиллярным электрофорезом. Возросший интерес к микромасштабной ионной хроматографии привёл к появлению новых разработок в этой области [3], и в 2010 г. компания «Дионекс» объявила о начале выпуска серийного микромасштабного ионного хроматографа [4].
Одним из основных элементов микромасштабного хроматографа являются аналитические колонки, обеспечивающие разделение аналитов. Проводимые нами исследования ионообменных материалов на основе трубок из перфторированных катионообменных полимеров [5] позволили предположить возможность использования таких материалов для изготовления аналитических колонок для ионной хроматографии. Капиллярная колонка может быть изготовлена в виде трубки из исходного термопластичного полимера, а роль неподвижной фазы могут выполнять катионообменные группы, образующиеся в результате щелочного гидролиза фторсульфоновых групп исходного полимера:
R—SO2F + 2NaOH ^ R-SO3Na + NaF + H2O (1)
Цель представленной работы — изготовление и определение основных характеристик открытых капиллярных колонок для ионной хроматографии на основе перфтори-рованных сульфополимеров.
Экспериментальная часть. Для подтверждения возможности реализации высказанной идеи из негидролизованной трубки ТФ-4СК (перфторированный фторсульфо-новый полимер, ОАО «Пластполимер», СПб) с внешним диаметром 0,3 мм путём её растяжения при фиксированной нагрузке и повышенной температуре были получены ка-
Владимир Сергеевич Гурский — кандидат химических наук, Научно-исследовательский технологический институт им. А.П.Александрова, г. Сосновый Бор; e-mail: [email protected]
Елена Юрьевна Харитонова — соискатель, Научно-исследовательский технологический институт им. А. П. Александрова, г. Сосновый Бор.
© В. С. Гурский, Е.Ю.Харитонова, 2013
пилляры с внутренним диаметром 60 мкм. Диаметр определялся по уравнению Пуазей-ля на основании измерения скорости течения воды через капилляр фиксированной длины при заданном перепаде давления [6]. Катионообменные свойства внутренней поверхности капилляра придавались в результате гидролиза фторсульфоновых групп полимера. Для этого капилляр опускался в термостат с заданной температурой (60-100 °С) и через него насосом прокачивался раствор NaOH с концентрацией 5 г/л. Изменение условий гидролиза (температуры, времени контакта капилляра со щёлочью) позволило изменять обменную ёмкость капилляра. Обменная ёмкость капилляра определялась титрованием аликвоты раствора HCl, приведённой в равновесие с образцом гидролизо-ванного капилляра в натриевой форме. Ионохроматографические эксперименты проводились с использованием шприцевого насоса хроматографа «МилиХром 04». Проба на колонку наносилась «капиллярным» способом инжекции. Его суть заключается в том, что раствор образца заданного объёма (1-5 мкл) всасывается в капилляр-иглу, которая затем герметично соединяется с колонкой и образец вводится в неё потоком элюента. Для реализации такого способа использовалось стандартное программное обеспечение хроматографов серии «МиллиХром». Для снижения свободных объёмов гидравлической линии (с целью уменьшения внеколоночного размывания пиков) при изготовлении гидравлического тракта применялись полимерные трубки с внутренним диаметром 0,13 мм и соответствующие стандартные хроматографические соединители «нулевого» объёма из полиэфирэфиркетона. Детектирование ионов натрия в экспериментах осуществлялось радиометрически с использованием безносительного препарата натрий-22.
Результаты и их обсуждение. Для исследований были изготовлены образцы капилляров длиной 100 см. На основании измерений протекаемости был определён их внутренний диаметр, который составил 65 ± 5 мкм. Измерение протекаемости показало, что гидравлическое сопротивление колонок длиной 100 см при скорости протекания 10 мкл/мин не превышает 0,2 атм, что позволяет использовать для элюирования насосы низкого давления.
На первом этапе в результате варьирования условий гидролиза были получены образцы капиллярных колонок с общей обменной ёмкостью 40 и 70 мкэкв. Обменные ёмкости изготовленных колонок составляли 30 и 52 % соответственно от максимально достижимой при полном гидролизе фторсульфоновых групп полимера. Эксперименты с применением радиоактивного индикатора натрия-22 показали, что последний может быть вымыт из колонки азотной кислотой с концентрацией 0,1М. Условия элюирования приведены на рис. 1. Как видно, увеличение ёмкости колонки (кривая 2) приводит, чего и следовало ожидать, к увеличению объёма удерживания ионов натрия.
Для принципиальной оценки разделительных характеристик колонки с ёмкостью 40 мкэкв был поставлен эксперимент по определению времени удерживания ионов аммония. Для этого на колонку была нанесена проба, содержащая ионы аммония, и элю-ирование проводилось в условиях, аналогичных элюированию ионов натрия. Детектирование ионов аммония осуществлялось нанесением капель вытекающего из колонки элюата на фильтровальную бумагу, смоченную реактивом Несслера. По визуальному изменению окраски определялись объём удерживания и положение максимума пика аммония. На рис. 2 приведены кривые элюирования ионов натрия и аммония при идентичных условиях элюирования и наблюдается вполне удовлетворительное разделение ионов натрия и аммония.
В вышеописанных экспериментах элюирование катионов осуществлялось азотной кислотой с концентрацией, в несколько раз превышающей обычно используемые в ионной хроматографии. Для снижения концентрации используемого кислотного элюента
С, отн. ед. 300
200
100
20 40 60
80 100 120 140 160 V, мкл
180
Рис. 1. Кривые элюирования ионов натрия из капиллярной колонки:
объём нанесения — 4 мкл; элю-ент — 0,1М НNOз; скорость элюирования — 10 мкл/мин; обменная ёмкость капиллярной колонки — 40 мкэкв (1); 70 мкэкв (2)
С, отн. ед. 300
200 100
20 40 60
80 100 120 140 160 V, мкл
180
Рис. 2. Кривые элюирования ионов натрия и ионов аммония из капиллярной колонки:
объём нанесения — 4 мкл; элю-ент — 0,1М НNOз; скорость элюирования — 20 мкл/мин; общая ёмкость капиллярной колонки — 40 мкэкв
1
Скорость Число ТТ при элюенте
элюирования, 5 мМ азотная 2 мМ азотная
мкл/мин кислота кислота
40 85 -
20 - 320
10 105 -
5 190 600
2 510 2300
Число теоретических тарелок (XX) до приемлемых (2-5 мМоль/л) необходимо в зависимости от условий разделения снизить концентрацию ионообменных групп
в разделительной колонке, что и было сделано в последующем эксперименте. Гидролиз исходного капилляра в более мягких условиях позволил снизить его обменную ёмкость до 1 мкэкв. Как показали эксперименты, снижение обменной ёмкости капиллярной колонки привело к значительному снижению размывания — хроматографиче-ский пик ионов натрия занимает существенно меньший объём. В таблице приведены результаты расчета числа теоретических тарелок (ТТ) [7] исследованной колонки в зависимости от условий элюирования при объёме нанесения 1 мкл.
Обращает на себя внимание факт сильной зависимости эффективности колонки от скорости элюента: оптимальные характеристики (с точки зрения числа ТТ) получены при скорости элюента 2 мкл/мин. Такое влияние, вероятнее всего, связано с конечной скоростью установления равновесия ионного обмена на границе сорбент/элюент. Для скорости элюирования 2 мкл/мин и концентрации элюента 2 мМоль/л значение числа теоретических тарелок (2300) вполне приемлемо для разделения в ионной хроматографии. Следует отметить, что в условиях постановки эксперимента существенный вклад
в хроматографический процесс вносит внеколоночное размывание пиков — диаметр соединительных линий разделительного тракта в 2 раза больше диаметра используемой безнасадочной колонки.
Выводы. Проведённые исследования показали принципиальную возможность использования открытых капиллярных колонок на основе перфторированного сульфо-полимера для ионохроматографического разделения катионов щелочных металлов. Наиболее важные преимущества перед традиционным вариантом ионной хроматографии заключаются в существенном снижении расхода элюента (1-5 мкл/мин вместо 1-2 мл/мин). Следует особо отметить возможность проведения процесса хроматографи-ческого разделения ионов при давлении 1-2 атм вместо традиционных 50-150 атм. Возможность контролируемого изменения обменной ёмкости капиллярных колонок и их диаметра позволяет рассматривать такие колонки в качестве удобного объекта для изучения закономерностей разделения в микромасштабной ВЭЖХ с открытыми колонками.
Литература
1. Введение в микромасштабную высокоэффективную хроматографию / под ред. Д. Исии. М.: Мир., 1991. 240 с.
2. SjugrenA., Boring C. B., Dasgupta P. K., Alexander J. N. Capillary ion chromatography with on-line high pressure electrodialytic NaOH eluent production and gradient generation // Anal. Chem. 1997. Vol. 69. P. 1385-1391.
3. Kuban P., Dasgupta P. K. Capillary ion chromatography. A review //J. Separation Sci. 2004. Vol. 27. P. 1441-1457.
4. ICS-5000 Capillary ion chromatography system. URL: http://dionex.su/analitycal-chemi-stry/chromatography/ion-chromatography/ics-5000.aspx (дата обращения: 01.11.2012).
5. ГодонЛ. А., Гурский В. С., Тимофеев С. В. Генератор гидроксидного элюента для ионохроматографического определения анионов // Заводская лаборатория. 1997. Т. 63, № 12. C. 11-13.
6. Воюцкий С. С. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1976. 171 с.
7. КрейчиМ., Паюрек Я., Комерс Р. Вычисления и величины в сорбционной колоночной хроматографии. М.: Мир, 1993. 208 c.
Статья поступила в редакцию 27 ноября 2012 г.
