CC BY
44
М. Я. Каменцев, Л. Н. Москвин
ВОЗМОЖНОСТИ pH-СТЭКИНГА ионов металлов ПРИ ИХ КАПИЛЛЯРНО-ЭЛЕКТРОФОРЕТИЧЕСКОМ ОПРЕДЕЛЕНИИ В ПРОБАХ СО СЛОЖНОЙ МАТРИЦЕЙ
Введение. Применение капиллярного электрофореза с фотометрическим детектированием для определения ионов металлов сдерживается в основном невысокой чувствительностью метода [1]. Чувствительность определения может быть повышена методами предварительного концентрирования, из которых в данном случае наиболее привлекателен вариант on-line концентрирования аналитов. Однако при анализе таких образцов, как биологические жидкости человека, сложная матрица пробы затрудняет применение наиболее распространённых вариантов on-line концентрирования. Последние основаны на изменении скорости миграции аналитов при пересечении ими границы двух электролитов и сводятся к двум группам [2]. К первой группе, называемой стэкин-гом с усилением поля, относятся методы, основанные на изменении скорости электромиграции за счёт различного падения напряжения на разных участках капилляра.
Большинство вариантов стэкинга с усилением поля пригодны для концентрирования любых ионогенных аналитов, в том числе ионов металлов, но в большой степени подвержены влиянию матрицы пробы, так как эффективность концентрирования зависит от ионной силы пробы, вплоть до антистэкинга при анализе проб с высоким солевым фоном. Кроме того, для получения высоких коэффициентов концентрирования (более 100) обычно необходимо прибегать к электрокинетическому вводу для осуществления концентрирования в процессе ввода пробы, что приводит к нелинейности градуировочных кривых и зависимости количества вводимого в капилляр аналита от его электрофоретической подвижности и от солевого фона пробы [2-4].
Вторая группа, называемая химическим стэкингом, включает методы, основанные на изменении химической формы аналита, вызывающем изменение скорости его электромиграции. Основным вариантом химического стэкинга, применяемым в капиллярном зонном электрофорезе, является рН-стэкинг. В этом варианте метода изменение химической формы аналитов происходит за счёт регулирования рН среды. В случае рН-стэкинга солевой фон пробы оказывает меньшее влияние, а коэффициенты концентрирования обычно превышают 500-1000 без использования электрокинетического ввода. Но области применения метода ограничены концентрированием аналитов, электрофоретическая подвижность которых зависит от рН, таких как амфолиты и слабые кислоты и основания, что не позволяет применять метод при анализе ионов металлов [2, 3].
В качестве методического решения, позволяющего преодолеть эти ограничения, нами предложено осуществлять процесс on-line концентрирования ионов металлов в условиях их перевода в комплексы с органическими лигандами, химическое состояние которых в растворе зависит от рН [5]. В этом случае появляется возможность реализовать процесс рН-стэкинга, но остаётся открытым вопрос о возможности его применения для концентрирования ионов металлов в условиях сложных матриц, таких как матрицы биологических сред.
Целью настоящей работы являлась проверка возможности распространения принципа рН-стэкинга на случай концентрирования ионов металлов, при анализе проб
© М. Я. Каменцев, Л. Н. Москвин, 2010
сложного состава. Проверка выполнена на примере методики определения ионов цинка и кадмия в человеческой моче в условиях их перевода в форму комплексов с ксилено-ловым оранжевым (КО).
Экспериментальная часть исследования. Исследования проводили на приборе «Капель 103 РЕ», оснащённом лампой накаливания. Детектирование проводили при длине волны 590 нм. Длина капилляра до детектора - 29 см, общая длина капилляра - 59 см, внутренний диаметр - 75 мкм. Для разделения и определения цин-ка(П) и кадмия(ІІ) использовали ведущий электролит (ВЭ) состава: 0,01М уротропин, 2 • 10~4М КО, исходное значение рН раствора задавали его нейтрализацией серной кислотой.
Результаты исследования и их обсуждение. При введении в состав ВЭ органического лиганда, образующего с ионом металла отрицательно заряженный комплекс, для каждого металла имеется значение рН, при котором выполняется условие: ^ аіюі = 0, где а* - доля формы металла, V - скорость электромиграции данной формы металла с учётом её знака заряда. При этом поток металла в катионных формах в сторону катода равен его потоку за то же время в анионных формах в сторону анода, в результате зона, содержащая ионы металла, имеет нулевую скорость миграции. Это значение рН можно назвать «кажущейся», или «условной», изоэлектрической точкой (УИЭТ). Если УИЭТ металла лежит в пределах скачка рН на границе двух электролитов (например, пробы и ВЭ), причём электролит с более высоким рН находится со стороны анода, то ионы металла концентрируются на этой границе. В зоне с высоким рН ионы металла преимущественно связаны в анионный комплекс и мигрируют в сторону анода, но при пересечении границы попадают в зону более низкого рН, где комплекс диссоциирует, после чего аквакатионы металла мигрируют к катоду, пока снова не окажутся в зоне с высоким рН. В случае плавного изменения рН границей, вблизи которой происходит концентрирование, является область с рН, равным УИЭТ. В области рН, больших УИЭТ, зона, содержащая ионы металла, мигрирует к аноду, а в области рН, меньших УИЭТ, - к катоду. Если определение проводится при положительной полярности, то концентрирование происходит на анодной границе зоны пробы. Зона пробы и сконцентрированные вблизи своих УИЭТ зоны металлов на её анодной границе выносятся к детектору за счёт ЭОП, таким образом, разделение и концентрирование происходят за счёт различий в УИЭТ аналитов. Предложенный метод позволяет достичь крайне высокой эффективности электрофоретического разделения в диапазоне (1 + 5) • 106 тт, так как процесс концентрирования аналитов не прекращается в течение всего времени их миграции к детектору, что сводит к минимуму диффузионное размывание зон аналитов. Ближайшим аналогом предлагаемого метода является изоэлектрическая фокусировка (ИЭФ) с электроосмотической мобилизацией, используемая исключительно для концентрирования и разделения амфолитов [2]. В предложенном варианте рН-стэкинга ионов металлов градиент возникает на границе двух электролитов за счёт буферных свойств ВЭ, без использования смеси амфолитов, поэтому возможности управления градиентом рН по сравнению с ИЭФ ограничены, но солевой фон пробы в отличие от ИЭФ не приводит к сужению градиента рН и не мешает определению вплоть до уровней, когда возникают проблемы с увеличением тока в капилляре.
Изложенные принципы реализованы в методике определения цинка и кадмия в человеческой моче. В качестве лиганда использовали КО, что позволило проводить детектирование по собственной окраске комплекса «металл-КО» при 590 нм. Для улучшения разрешения пиков в условиях значительно больших концентраций цинка(ІІ)
Электрофореграмма образца мочи:
состав ведущего электролита — 0,01М уротропин, 2 • 10-4М КО, рН = 3,6; ввод — проба 30 мбар
(180 с), ведущий электролит 30 мбар (20 с), вспомогательный электролит 30 мбар (5 с); напряжение 12 кВ, длина капилляра до детектора 29 см
предложена схема эксперимента, предусматривающая последовательный ввод в капилляр нескольких порций растворов: сначала ввод пробы с высоким рН, затем ввод определённой порции ведущего электролита и затем ввод порции вспомогательного электролита, образующего вторую зону с высоким рН. Объёмы пробы и порций дополнительных растворов, а также их рН выбираются такими, чтобы рН в промежуточной зоне ведущего электролита установился в диапазоне значений между УИЭТ цинка(П) и кадмия(П), от 3,6 до 4,9. При этом кадмий(П) концентрируется на границе зоны анализируемой пробы и промежуточного электролита, а цинк(П) в форме анионного комплекса с КО мигрирует через зоны ведущего и вспомогательного электролита и концентрируется на задней границе зоны последнего и основного потока ведущего электролита. Экспериментально установлено, что таким условиям отвечает ввод «промежуточной» порции ведущего электролита 30 мбар (20 с), вспомогательного электролита - 30 мбар (10 с) при объёмах ввода анализируемой пробы от 10 с и более, при рН ведущего электролита 3,6, концентрации уротропина в пробе и вспомогательном электролите - 0,2М. Такая схема позволяет исключить перекрывание пиков цинка(П) и кадмия(П) в условиях высокой концентрации цинка(П) в моче (рисунок). Детектирование в видимой области спектра исключает мешающее влияние органической матрицы, характерное для традиционного УФ детектирования и снижает рассеивание на взвешенных частицах. В выбранных условиях определению не мешает высокий солевой фон и органическая матрица мочи. Высокая эффективность концентрирования позволила достичь пределов обнаружения 3 мкг/л кадмия(П) и 5 мкг/л цинка(П).
Литература
1. Coufal P., Pacakova V., Tulik K. An evaluation of the experimental approaches to detection
of small ions in CE // Electrophoresis. 2007. Vol. 28. Iss. 19. P. 3379-3389.
2. Breadmore M. C., Thabano J. R. E, Dawod M. et al. Recent advances in enhancing the sensitivity of electrophoresis and electrochromatography in capillaries and microchips
(2006-2008) // Electrophoresis. 2009. Vol. 30. Iss. 1. P. 230-248.
3. Mala Z, Lampova A., Gebauer P., Boek P. Contemporary sample stacking in CE // Electrophoresis. 2009. Vol. 30. Iss. 1. P. 215-229.
4. Breadmore M. C. Recent advances in enhancing the sensitivity of electrophoresis and
electrochromatography in capillaries and microchips // Electrophoresis. 2007. Vol. 28. Iss. 1-2. P. 254-281.
5. Каменцев М. Я., Каменцев Я. С., Москвин Л. Н., Якимова Н. М. Совершенствование методов on-line концентрирования при капиллярно-электрофоретическом определении ионов металлов // Журн. аналит. химии. 2010. Т. 65. № 7. С. 707-710.
Статья поступила в редакцию 28 июня 2010 г.
