Rajmund Michalski
Instytut Podstaw Inżynierii Środowiska PAN
strony wersji drukowanej: 24-29


Chromatografia jako metoda rozdzielania znana jest od początku XX wieku, ale jej szybki rozwój nastąpił około 50 lat później. Obecnie metody chromatograficzne ze względu na możliwość szybkiego rozdzielania i oznaczania substancji na poziomie śladów, należą do najbardziej rozpowszechnionych metod instrumentalnych w chemii analitycznej.

koncentrator do zatężaniaNa początku lat 70-tych XX wieku chromatografia gazowa i cieczowa były już technikami dojrzałymi i pozwalały na oznaczanie wielu grup związków, przede wszystkim organicznych. Zastosowanie chromatografii w analizie substancji nieorganicznych było jednak ograniczone pomimo, że klasyczne metody oznaczania jonów często nie były odpowiednio selektywne i czułe. Stosowane metody oznaczania jonów (min. metody wagowe, miareczkowe, spektrometryczne, elektrolityczne) były wprawdzie tanie i łatwo dostępne, jednakże charakteryzowały się wysoką pracochłonnością i koniecznością stosowania dużych ilości drogich i często toksycznych odczynników. Świadomość ogromnych możliwości, jakie niosły ze sobą dobrze znane metody oparte na wymianie jonowej przyczyniała się do intensywnych badań nad ich wykorzystaniem w chromatografii cieczowej. Prowadzone prace doprowadziły do zbudowania pierwszego komercyjnego chromatografu jonowego, który został zaprezentowany w USA w 1975 podczas corocznego zjazdu członków Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego. Chromatografia jonowymienna byłą metodą przede wszystkim preparatywną, a chromatografia jonowa analityczną. Różnice wynikały z pojemności wymiennej stosowanych jonitów, metod przygotowania próbek do analizy, wykorzystywanych detektorów, a także uzyskiwanych granic wykrywalności oraz czasu rozdzielania jonów.

Wśród licznych zastosowań chromatografii jonowej warto wymienić oznaczanie anionów i kationów w wodach do spożycia, wodach morskich, rzecznych i jeziornych, ściekach przemysłowych i komunalnych, a także w badaniach produktów żywnościowych, materiałów biologicznych, oznaczaniu metali ciężkich, analizie substancji gazowych, badaniach substancji organicznych, oznaczaniu ubocznych produktów dezynfekcji wód, badaniach opadów atmosferycznych czy ocenie stopnia czystości odczynników.

Schemat blokowy chromatografu jonowego z detektorem konduktometrycznym przedstawiono na rys 1. Przykładowe chromatogramy rozdzielania anionów i kationów przestawiono na rysunkach 2 i 3, a w tabeli 1 przestawiono najważniejsze etapy w powstaniu i rozwoju chromatografii jonowej.


Rys 1. Schemat ideowy chromatografu jonowego.


Rys 2. Chromatogram rozdzielania nieorganicznych anionów. Warunki analityczne: kolumna analityczna - Metrosup A SUPP 5-150, eluent - 3,2 mM Na2CO3 + 1,0 mM NaHCO3, natężenie przepływu - 0,7 ml/min, detekcja - konduktometryczna.


Rys 3. Chromatogram próbki wzorcowej nieorganicznych kationów grupy Ia, IIa i jonu amonowego.


Tabela 1. Najważniejsze wydarzenia poprzedzające powstanie chromatografii jonowej oraz etapy jej rozwoju i popularyzacji.



Spośród wielu zalet chromatografii jonowej warto wymienić szeroki zakres analityczny, niskie szumy tła oraz możliwości wykorzystania różnych detektorów i pełnej automatyzacji prowadzonych analiz. Wymienione zalety przyczyniły się do tego, że już w latach 80-tych XX wieku opracowano szereg znormalizowanych metod międzynarodowych, w których wykorzystuje się chromatografię jonową do oznaczania anionów i kationów.

Do roku 1993 w rutynowej kontroli jakości wody i ścieków w Polsce obowiązywał stosowanie metod opisanych w Polskich Normach. Obecnie postępowanie takie nie jest obligatoryjne, pomimo, że w związku z przystąpieniem Polski do Unii Europejskiej wiele norm europejskich i światowych (w tym dotyczących chromatografii jonowej) zostało przetłumaczonych i zaadoptowanych do naszych warunków. Aktualnie Polski Komitet Normalizacyjny oferuje kilka polskojęzycznych wersji norm wykorzystujących metodę chromatografii jonowej do oznaczania jonów w wodach i ściekach. Są to:

1. PN-ISO 10304 – 1 : (1998). Jakość wody - Oznaczanie rozpuszczonych jonów fluorkowych, chlorkowych, azotynowych, ortofosforanowych, bromkowych, azotanowych i siarczanowych za pomocą chromatografii jonowej, - Część 1: Metoda dla wód mało zanieczyszczonych.

2. PN-ISO 10304 – 2 : (1998). Jakość wody - Oznaczanie rozpuszczonych anionów za pomocą chromatografii jonowej. Część 2: Oznaczanie bromków, chlorków, azotanów, azotynów, ortofosforanów i siarczanów w ściekach.

3. PN-ISO 10304 – 3 : (2000).Jakość wody - Oznaczanie rozpuszczonych anionów za pomocą cieczowej chromatografii jonowej - Część 3: Oznaczanie chromianów, jodków, siarczynów, tiocyjanków i tiosiarczanów.

4. PN-ISO 10304 – 4 : (2000). Jakość wody - Oznaczanie rozpuszczonych anionów za po-mocą chromatografii jonowej - Część 4: Oznaczanie chloranów, chlorków i chlorynów w wodach mało zanieczyszczonych.

5. PN-ISO 15061 : (2002).
Jakość wody - Oznaczanie rozpuszczonych bromianów - metodą chromatografii cieczowej.

6. PN-ISO 14911 : (2001).
Jakość wody - Oznaczanie jonów Li+, Na+, NH4+, K+, Mn2+, Ca2+, Mg2+, Sr2+ i Ba2+ techniką chromatografii jonowej - Metoda dla wód i ścieków.

7. PN-EN ISO 10304-1 (2009).
Jakość wody - Oznaczanie rozpuszczonych anionów za pomocą chromatografii jonowej - Część 1: Oznaczanie bromków, chlorków, fluorków, azotanów, azotynów, fosforanów i siarczanów.

Ostatnia z wymienionych norm stanowi kompilację norm 10304-1 z roku 1992 i 10304-2 z roku 1995. Tym samym normy te zostały wycofane z oficjalnego katalogu norm ISO. Jednocześnie w tym samym czasie ISO dokonało weryfikacji i ponownego zatwierdzenia norm 10304-3, 10304-4, 14911 oraz 15061. W roku 2009 Grupa Robocza ISO WG 33 Komitetu Technicznego TC 147 przedstawiła nową normę dotyczącą oznaczania bromianów(V) w wodach do spożycia z zastosowaniem derywatyzacji za kolumną i reakcją z jodkiem potasu. Norma ta o numerze ISO 11206 (Water quality — determination of dissolved bromate — method using liquid chromatography of ions and post column reaction (PCR)) jest od roku oficjalnym dokumentem ISO i powinna przyczynić się do zdecydowanej poprawy jakości oznaczania rakotwórczych bromianów(V) w wodach do spożycia.

Istnieje też kilka polskich wersji metod ISO lub CEN opartych na chromatografii jonowej, a dotyczących innych niż woda i ścieki matryc. Jest to trzyczęściowa norma dotycząca oznaczania chlorowodoru w powietrzu atmosferycznym:

1a. PN-ISO 1911-1 : (2001).
Emisja ze źródeł stacjonarnych. Manualna metoda oznaczania HCl. Część 1: Pobieranie próbek gazów.

1b. PN-ISO 1911-2 : (2001).
Emisja ze źródeł stacjonarnych. Manualna metoda oznaczania HCl. Część 2: Absorpcja związków gazowych.

1c. PN-ISO 1911-3 : (2001).
Emisja ze źródeł stacjonarnych. Manualna metoda oznaczania HCl. Część 3:  Analiza roztworów  absorpcyjnych i obliczanie.

2. Norma PN-EN 15191 z  roku 2006.
Charakteryzowanie odpadów i gleby - oznaczanie chromu(CI) w materiale stałym metodą alkalicznego roztwarzania i chromatografii jonowej z detekcją spektrofotometryczną.

3. PN-EN 15492 z roku 2008.
Etanol jako komponent benzyn. Oznaczanie chlorku nieorganicznego i sulfonianu metodą chromatografii jonowej.

4. PN-EN 13368-1:2004.
Nawozy. Oznaczanie czynników chelatujących metodą chromatografii jonowej. Część 1: EDTA, HEDTA i DTPA.

5. PN-EN 13368-2:2004.
Nawozy. Oznaczanie czynników chelatujących metodą chromatografii jonowej. Część 2: EDDHA i EDDHMA.

W okresie swojego rozwoju chromatografia jonowa ewoluowała od stosunkowo prostej metody oznaczania nieorganicznych jonów na poziomie stężeń mg/dm3, do wyrafinowanej metody rozdzielania i wykrywania substancji zarówno nieorganicznych, jak i organicznych na poziomie μg/dm3, w tym analiz próbek o złożonej matrycy.

W literaturze opisano wiele przykładów takich zastosowań, a od roku 1978 odbywają się coroczne międzynarodowe konferencje naukowe poświęcone wyłącznie chromatografii jonowej. Materiały z nich są zamieszczane w specjalnych wydaniach czasopisma Journal of Chromatography A. Ponadto wiele informacji wraz z metodykami można znaleźć na stronach domowych firm produkujących aparaturę i akcesoria do chromatografii jonowej (min. firm Dionex, Metrohm, Shimadzu, Waters, Yokogawa). Z praktycznego punktu widzenia (koszty związane z wykonaniem analiz – tj. koszty odczynników, czas analiz, ich dokładność i dostępność) chromatografia jonowa staje się dominującą, rutynową metodą oznaczania anionów i kationów w wodach w wielu laboratoriach. W Polsce od roku 2005 Instytut Podstaw Inżynierii Środowiska PAN w Zabrzu organizuje coroczne konferencje poświęcone teorii i praktyce tej nowoczesnej metody instrumentalnej oznaczania jonów. Najbliższa konferencja odbędzie się w dniach 24-25 kwietnia 2013 roku. Jest to konferencja bezpłatna dla uczestników i już teraz serdecznie zapraszam do Zabrza (http://www.ipis.zabrze.pl/pl/pm-konferencje).

Można zadać sobie pytanie skąd wzięła się tak ogromna popularność chromatografii jonowej, szczególnie w analizie wód i ścieków? Odpowiedź w przypadku anionów wydaje się być prosta. Popularne w oznaczaniu anionów metody kolorymetryczne stosuje się do jednoczesnego oznaczania zaledwie jednego lub dwóch jonów. Dostępne są na rynku elektrody jonoselektywne służą do oznaczania około 50 jonów. Granice wykrywalności dla poszczególnych jonów oznaczanych za ich pomocą mieszczą się w zakresie od 20 μg/dm3 do 400 μg/dm3. Elektrody jonoselektywne z powodu wolnej kinetyki reakcji są mało odporne na interferencje i można przy ich użyciu jednocześnie oznaczać zazwyczaj tylko jeden wybrany jon.

Nieco inaczej przedstawia się sprawa w przypadku oznaczania kationów. Do ich analiz stosowane są przede wszystkim metody spektroskopowe takie jak atomowa spektrometria absorpcyjna (ASA) czy plazma sprzężona indukcyjnie (ICP). Dlatego w początkowym okresie chromatografia jonowa znajdowała zastosowanie głownie do oznaczania anionów. Niemniej chromatografia jonowa charakteryzuje się bardzo dobrą wykrywalnością także kationów, porównywalną z metodami spektroskopowymi, a dla niskich stężeń jest nawet bardziej dokładna. Metody spektroskopowe wykorzystywane są głównie do analiz metali. Często jednak konieczne jest oznaczenie w próbce zarówno anionów jak i kationów, i wtedy chromatografia jonowa umożliwiająca uzyskanie większej liczby informacji jest techniką bardziej użyteczną.

Ponadto tylko chromatografia jonowa pozwala na jednoczesne oznaczanie jonów metali i metaloidów oraz bardzo ważnych, szczególnie w próbkach środowiskowych jonów amonowych.

Biorąc pod uwagę zakres zastosowań w ostatnich latach metodą konkurencyjną wobec chromatografii jonowej wydaje się być elektroforeza kapilarna. O ile istnieje możliwość oznaczania określonych jonów zarówno z wykorzystaniem chromatografii jonowej, jak i elektroforezy kapilarnej, pierwsza z nich zalecana jest do analizy prostych anionów i kationów, podczas gdy druga do analizy większych cząsteczek (szczególnie organicznych). Pamiętając jednak o wzajemnej komplementarności tych metod, należy zauważyć, że dotychczas istniejące normy międzynarodowe oznaczania anionów i kationów dotyczą wyłącznie zastosowań chromatografii jonowej.