Rajmund Michalski
Instytut Podstaw Inżynierii Środowiska PAN
strony wersji drukowanej: 20-23


Chromatografia jonowa jest obecnie najpopularniejszą instrumentalną metodą oznaczania jonów stosowaną w większości laboratoriów na całym świecie, nie tylko w zakresie oznaczania anionów i kationów w wodach i ściekach, ale także w wielu rodzajach innych próbek, takich jak próbki: kliniczne, żywności, geologiczne, biochemiczne czy próbki powietrza. Tak szeroki zakres zastosowań chromatografii jonowej wynika z jej wielu zalet, spośród których warto wymienić:

1. Możliwość jednoczesnego oznaczania kilkunastu jonów.
O ile początkowo chromatografia jonowa była stosowana przede wszystkim do oznaczania nieorganicznych anionów i kationów w próbkach wód, później rozszerzono ten zakres do praktycznie wszystkich jonów (w tym organicznych), a także substancji niejonowych, tworzących formy jonowe w wyniku odpowiednich reakcji derywatyzacji przed- lub za kolumnowych. Możliwość jednoczesnego oznaczania kilku lub kilkunastu jonów w połączeniu z pełną automatyzacją tego procesu należy do najważniejszych zalet chromatografii jonowej.


Rys 1. Jednoczesne rozdzielanie nieorganicznych i organicznych anionów w próbce wzorcowej. Kolumna analityczna -Dionex Ion Pac AS11, elucja gradientowa - NaOH, Detekcja - konduktometryczna z tłumieniem przewodnictwa.


2. Krótki czas rozdzielania.
W zależności od rodzaju kolumny analitycznej, rodzaju i stężenia eluentu, jego natężenia przepływu, oraz parametrów pracy supresora i detektora całkowity czas rozdzielania głównych nieorganicznych anionów lub kationów w próbce wynosi od kilku do kilkunastu minut.

3. Wykrywalność na poziomie μg/dm3.
Większość metod klasycznych służących do oznaczania jonów charakteryzuje się wykrywalnością na poziomie mg/dm3, co w wielu przypadkach jest niewystarczające w stosunku do aktualnie obowiązujących przepisów. Chromatografia jonowa nawet w układzie z najpopularniejszym detektorem konduktometrycznym pozwala oznaczać wybrane jony na poziomie μg/dm3, a zastosowanie odpowiednich metod przygotowania próbek do analizy, kolumn zatężających lub odpowiednio czułych i selektywnych detektorów pozwala na dalsze obniżenie tych granic wykrywalności.

4. Niewielka ilość próbki potrzebna do analizy.
Objętość pętli nastrzykowych stosowanych w chromatografii jonowej wynosi zazwyczaj od 10 do 500 μl, a objętość próbki potrzebna do analizy od około 0,5 ml do 2 ml (m.in. w zależności od zastosowanego automatycznego podajnika próbek).

5. Powtarzalność uzyskiwanych wyników.
W porównaniu z klasyczną chromatografią jonowymienną, a także wieloma innymi metodami oznaczania jonów - chromatografia jonowa jest metodą wydajniejszą, szybszą, bardziej czułą i dającą bardzo dobrą powtarzalność uzyskiwanych wyników.


Rys 2. Chromatogramy roztworów wzorcowych anionów. Kolumna - Metrohm Metrosep A Supp 5, eluent - 3,2 mM Na2CO3 + 1,0 mM NaHCO3, natężenie przepływu eluentu - 0,7 cm3/min, Detekcja - konduktometryczna z tłumieniem przewodnictwa.


5. Możliwość stosowania różnych detektorów.
Pomiary przewodności elektrycznej właściwej są najczęściej stosowaną metodą detekcji w chromatografii jonowej, ponieważ jest ona wyjątkowo czuła dla wszystkich zdysocjowanych składników, a w zakresie niskich stężeń przewodnictwo to jest liniową funkcją stężenia jonów. Rutynowe stosowanie detektora konduktometrycznego w chromatografii jonowej było pierwszym przypadkiem stosowania tej metody detekcji w chromatografii cieczowej.

Inne detektory stosowane w chromatografii jonowej to detektory: UV/Vis, amperometryczne, potencjometryczne, fluorescencyjne, chemiluminescencyjne, ICP-MS, ICP-AES, MS, a nawet detektory refraktometryczne.

6. Prosty sposób przygotowania próbek do analizy.
Jeżeli przedmiotem badań jest próbka wody powierzchniowej lub podziemnej o nieobciążonej matrycy, zazwyczaj przed podaniem jej do kolumny chromatograficznej wystarczy przesączyć ją przez sączek o średnicy porów poniżej 0,45 μm. Cząstki stałe mogą zatykać pory wypełnień w kolumnach powodując tym zmiany ich charakterystyk, obniżenie czasów retencji i selektywności oraz ich szybsze zużycie. W przypadku analiz próbek o obciążonej matrycy (np. ścieki, próbki stałe, krew) konieczne jest zastosowanie odpowiednich bardziej złożonych metod przygotowania próbek, takich jak: chemiczna modyfikacja z zastosowaniem kolumienek, oczyszczanie z użyciem membran, elektrodializa lub derywatyzacja przedkolumnowa.

7. Możliwość jednoczesnego oznaczania kationów i anionów, lub jonów organicznych i nieorganicznych.
O ile zastosowanie chromatografii jonowej do oznaczania nieorganicznych anionów wynikało z niepodważalnych zalet tej metody analitycznej w porównaniu z dotychczas stosowanymi metodami klasycznymi, zastosowanie chromatografii jonowej do oznaczania kationów było początkowo ograniczone ze względu na stosowane z powodzeniem metody kolorymetryczne, potencjometryczne oraz przede wszystkim spektrometrii absorpcyjnej. Przewagą chromatografii jonowej w tym zakresie jest możliwość jednoczesnego oznaczania zarówno anionów, jak i kationów (w tym jonów nieorganicznych i organicznych), co umożliwia uzyskanie pełniejszej informacji o badanej próbce wykorzystując do tego celu tylko jedną metodę analityczną.

8. Wysoka selektywność rozdzielania.
Maksymalne dopuszczalne stężenia poszczególnych jonów w analizowanej próbce nie powinien przekraczać kilkuset mg/dm3, a suma ich stężeń uzależniona jest od pojemności jonowymiennej zastosowanej kolumny analitycznej. Nowoczesne kolumny jonowymienne stosowane np. do oznaczania śladów bromianów(V) czy jonów amonowych w wodach pozwalają oznaczać je nawet w próbkach, w których stosunek stężeń jonów Cl-/BrO3- lub Na+/NH4+ wynosi 10 000:1.

9. Możliwość oznaczania jonów tego samego pierwiastka na różnych stopniach utlenienia (analityka specjacyjna).
Ta zaleta chromatografii jonowej zaczęła być doceniona szczególnie w ostatnich latach, kiedy to pojawiło się szereg prac z zakresu analityki specjacyjnej. Od wielu lat zdawano sobie sprawę, że w zależności od formy specjacyjnej (w tym stopnia utlenienia) pierwiastek może istotnie różnić się właściwościami toksykologicznymi, takich jak np. jony arsenu, chromu, antymonu, talu czy selenu. Spośród technik łączonych stosowanych w analityce specjacyjnej bardzo ważne miejsce zajmuje chromatografia jonowa sprzężona z detektorami ICP-MS i MS.


Rys. 3. Chromatogram jednoczesnego oznaczania jonów Cr(III) i Cr(VI) w próbce wody.

 
Chromatografia jonowa, tak jak i każda inna metoda analityczna posiada swoje wady, a raczej, co wydaje się bardziej adekwatne – ograniczenia.

Problemy związane z zastosowaniem chromatografii jonowej dotyczą zazwyczaj niewłaściwego rozdzielania jonów analitu, wysokiego tła eluentu, nieregularnej linii podstawowej, skracania się czasów retencji analizowanych jonów i zmian charakterystyki kolumny analitycznej. W związku z powyższym należy pamiętać o takich podstawowych czynnościach jak: odpowiednie przygotowanie próbki do analizy (szczególnie w przypadku próbek o obciążonej matrycy), odgazowanie eluentu za pomocą obojętnego gazu (najlepiej helu), dobór właściwej pod względem pojemności jonowymiennej i selektywności kolumny analitycznej, właściwym doborze eluentu, jego natężenia przepływu, odpowiednich parametrach pracy supresora i detektora, a także o odpowiednim sposobie przechowywania kolumn.

Inne ograniczenia chromatografii jonowej są takie same jak dla większości innych metod chromatograficznych.

Podstawowe trudności w rozdzielaniu i oznaczaniu głównych anionów i kationów dotyczy próbek, w których występuje nadmiar jednego lub kilku jonów. Taka sytuacja ma często miejsce w próbkach rzeczywistych, w których jonami dominującymi są zazwyczaj chlorki, siarczany(VI) oraz bjony sodu. Jeżeli ich stężenia wynoszą powyżej kilkuset mg/dm3 w wielu przypadkach próbka musi być przed analizą rozcieńczona lub jony te należy usunąć z próbki. Inną przeszkodą we właściwym przeprowadzeniu analizy metodą chromatografii jonowej dotyczy obecności w eluencie CO2, który zmienia jego przewodnictwo oraz pH.

W zależności od wyposażenia koszt chromatografu jonowego wynosi od kilkuset do około pół miliona złotych. Na tym poziomie (i wyższym) kształtują się również ceny chromatografów gazowych, cieczowych czy spektrometrów absorpcji atomowej – urządzeń powszechnie stosowanych w laboratoriach badawczych i usługowych. Jeszcze droższe są bardziej wyrafinowane urządzenia takie jak np. GC-MS, ICP-MS czy XRF, które są coraz popularniejsze w naszych laboratoriach. W wielu środowiskach pokutuje wciąż zasada, że skoro można stosować metody proste i sprawdzone nie ma potrzeby wprowadzania metod nowych, wprawdzie nowoczesnych, ale w początkowym okresie droższych. Należy jednak pamiętać, że w pełni zautomatyzowany chromatograf jonowy pozwala oznaczać kilkadziesiąt próbek dziennie w zakresie kilku – kilkunastu jonów, co ma szczególne znaczenie podczas analiz rutynowych. Poza tym bieżące koszty użytkowania chromatografu jonowego są zdecydowanie niższe niż np. chromatografów HPLC lub GC.
Tak czy inaczej chromatografia jonowa jest metodą powszechnie stosowaną w laboratoriach nie tylko wykonujących tysiące rutynowych analiz jonów, ale także w laboratoriach naukowo-badawczych. Jej popularność rośnie wraz z rozwojem nowych wypełnień kolumn analitycznych, metod przygotowania próbek i potrzebami analitycznymi, często niemożliwymi do wykonania innymi metodami oznaczania jonów.


Rys. 4. Chromatograf jonowy firmy Dionex (ICS-5000).