Анионная хроматография и проточно-инжекционный анализ водных и органических растворов некоторых электролитов

К важным направлениям развития современных методов аналитической химии можно отнести теоретическое обоснование и новое применение специфических реагентов в потоковых методах химического анализа водных и органических сред с кондуктометрическим детектированием низких концентраций различных электролитов.

Для решения указанной проблемы наиболее перспективно использование кислотно-основных реакций в системах: «четвертичное аммониевое основание — карбоксилаты» и «аминокислота — протонодонор (протоноакцептор)», которые могут быть реализованы в неизвестном ранее варианте ион-парной высокоэффективной жидкостной хроматографии карбоксилатов и проточно-инжекционном аминокислотном титровании.

Совершенствование потоковых методов анализа позволяет существенно расширить круг определяемых веществ и снизить предел их обнаружения по сравнению с применяемыми в настоящее время кислотно-основными методами химического анализа.

Кроме этого, один из рекомендуемых методов (анионная хроматография с заменой анализируемой органической матрицы на водную) позволяет определять суммарную концентрацию молекулярных и ионных составляющих каждого из электролитов, присутствующих в пробе. Другой — проточно-инжекционное титрование — исключает указанную операцию пробоподготовки и характеризует содержание диссоциированных форм слабых кислот или оснований.

Таким образом, представляется возможным получение наиболее полной и достоверной аналитической информации, включающей сведения не только о концентрациях, но и формах нахождения малых масс лимитируемых электролитов в сложных по составу органических средах — растворителях различных классов, являющихся продуктами промышленного синтеза. Последнее позволяет оптимизировать способы очистки и рекомендовать их целевое использование в современных технологиях. 5.

Вместе с тем, установление корреляционных зависимостей между параметрами, оценивающими солъватирующую способность органических растворителей, и содержанием в них примесей электролитов вносит определенный вклад в развитие химии органических растворов карбоновых кислот (ионогенов) и неорганических солей (ионофоров). Поэтому актуальна как научная проблематика, так и прикладные аспекты поставленных задач диссертационного исследования.

1. Литературный обзор.

7.1. Анионная хроматография в анализе водных и органических сред, содержащих кислоты и соли.

— Основы ионной хроматографии, принципы разделения и общие рекомендации.

Первая публикация, посвященная ионной хроматографии (ИХ), относится к 1975 г. [1]. В предложенном авторами варианте ИХ представляет собой высокоэффективную ионообменную хроматографию с кондуктометрическим детектированием. Первоначальный вариант ИХ постоянно совершенствовался, появились разновидности метода. В 1979 г. Гьерде, Фритц и Шмуклер [2] предложили вариант без подавляющей колонки (одноколоночная ИХ). Вместо кондук-тометрического все чаще используют другие детекторы [3], в том числе ионо-селективные, фотометрические, хемилюминесцентные, пьезоэлектрические кварцевые сенсоры и масс-спектральные.

Ион-парный вариант определения на обращенной фазе относят к ионной хроматографии [4]. Используют и другие принципы разделения: ионоэксклю-зионный и адсорбционный. Поэтому современную ионную хроматографию можно охарактеризовать как метод высокоэффективного хроматографического разделения ионов с последующим определением в проточном детекторе.

Широкое распространение ионной хроматографии обусловлено рядом несомненных достоинств этого метода. Прежде всего, — низким пределом обнаружения (пхЮ" 6 г/л), высокой селективностью определяемых ионов в сложных по составу смесях, экспрессностью (в ряде случаев возможно определение до 10 и более ионов в течение 15−20 мин.), широким диапазоном контролируемых содержаний примесей в различных объектах и, кроме того, малым объемом пробы (до 1−2 мл) наряду с высокой точностью результатов.

Ионной хроматографии посвящено несколько монографий [5−8], в которых представлен обширный методологический и экспериментальный материал, а также обзорные статьи [9−15]. Актуальные вопросы ионной хроматографии обсуждались на многочисленных симпозиумах и конференциях.

Рекомендуемый в литературе [16−20] подход к организации планирования хроматографического эксперимента основывается на расчете достаточно сложных процессов PIX. Считается, что априорный выбор оптимальных условий разделения невозможен без использования фундаментальных физико-химических характеристик ионов, сорбента и элюента (в том числе констант обмена ионов, концентрации элюента, степени его превращения в элюирую-щую форму, числа теоретических тарелок сорбента и др.). Однако такой расчет достаточно трудоемок и требует необходимой базы данных, составление которой осложняется отсутствием в полном объеме соответствующих констант.

В литературе отсутствует системный подход к имеющимся сведениям о применении ИХ для одновременного определения алифатических одноосновных карбоновых кислот и слабоудерживаемых анионов неорганических солей, как в водных, так и в органических матрицах. В этой связи правильный выбор и надлежайшее использование той или иной хроматографической системы для разделения указанных компонентов сложных смесей представляется весьма затруднительным. Необходимость решения поставленных вопросов объясняется примесным составом электролитов в выбранных нами объектах анализа — органических растворителях различных классов и квалификации [21].

Наиболее обширная информация, содержащая прикладные аспекты теоретических основ ионной хроматографии, включая важные рекомендации по оптимальному использованию сорбентов, элюентов, хроматографических колонок и способов детектирования, в том числе слабои сильноудерживаемых анионов, изложены в монографии O.A. Шпигун и Ю. А. Золотова [6].

В цитируемой обзорной работе указывается, что лучшие характеристики ионохроматографической системы могут быть получены при использовании сорбентов, характеризующихся обменной емкостью на уровне 0,01−0,05 мэкв/г и зернением 10−20 мкм. При содержании анионов менее 1 мкг/мл чаще всего требуется предварительное концентрирование, которое рекомендуется проводить с помощью концентрирующей колонки, установленной вместо петли-дозатора. Последнее объясняется тем, что применение большой петли затрудняет определение слабоудерживаемых анионов (Т СГ, М02″, СН3СОО" и др.), связанное с размыванием хроматографической полосы.

Оптимальный выбор элюента зависит от природы разделяемых анионов. Элюенты, обладающие низкой элюирующей способностью (растворы ИаОН, Ма2В407, НаНСОз и некоторые другие) используются для определения слабо-удерживаемых анионов (Т~, СГ, Н8Ю3″, некоторых алифатических монокарбок-силатов). Следует учитывать, что величина рН раствора элюента должна быть больше значения рК самой слабой из определяемых кислот.

Ионохроматографическое определение алифатических монокарбоксила-тов и других слабоудерживаемых анионов с кондуктометрическим детектированием имеет некоторые особенности.

Несмотря на некоторые преимущества одноколоночного варианта ИХ (в ряде случаев более высокая эффективность разделения за счет уменьшения свободного объема системы, отсутствие необходимости в периодической регенерации подавляющей колонки, широкий выбор элюентов) наличие водного (или инжекционного) пика мешает определению анионов, сорбируемых в меньшей степени, чем хлорид.

Присутствие на хроматограмме водного пика, который может быть как положительным, так и отрицательным (в зависимости от концентрации и объема вводимой пробы) объясняется прохождением через детектор неудерживаю-щейся зоны воды, содержащей элюирующий анион в количестве эквивалентном анионному составу пробы. В этом варианте ИХ устранить водный пик без усложнения хроматографической системы представляется весьма затруднительным. Кроме того, предел обнаружения анионов, как правило, в 10−50 раз выше, чем в двухколоночной ИХ, а диапазон линейности градуировочных графиков меньше. Поэтому целесообразно использовать предварительное концентрирование.

Для сохранения чувствительности анализа на достаточном уровне (которая в 2-х колоночном варианте достигается системой подавления фонового сет-нала) в одноколоночной ИХ необходимо применять элюенты с невысокой электропроводностью (чаще всего, ароматические кислоты) и желательно термоста-тировать кондуктометрическую ячейку. При использовании растворов гидро-ксидов натрия или калия (1−6 мМ) детектирование неорганических анионов или формиата и ацетата можно проводить по отрицательным пикам.

Существенным недостатком 2-х колоночного варианта ИХ с обычно применяемыми элюентами при определении слабых кислот является абсорбция молекулярных форм последних на подавляющей колонке с катионообменни-ком, что влияет на высоту хроматографического пика. С увеличением времени работы подавляющей колонки возрастает высота пиков. Поэтому количественные расчеты рекомендуется проводить, измеряя площадь, а не высоту аналитического сигнала. Воспроизводимость определений в этом случае требует более тщательной проверки. Степень эксклюзионной абсорбции слабых кислот на ка-тионообменнике подавляющей колонки зависит от величин их рК, размера колонки и степени «отработанности» катионообменника. Этот эффект наблюдается для анионов многих органических кислот.

Основным достоинством аминокислотных элюентов [22] является возможность определения ионов на фоне депонированной воды, вследствие сорбции аминокислот на подавляющей колонке (ПрО = 0,001 мкг/мл). С гидро-ксильным элюентом ПрО приблизительно такой же. В обоих случаях отсутствует водяной пик (в отличие от карбонатного элюента), который мешает определению слабоудерживаемых анионов.

Указывается, что в качестве наиболее перспективного метода определения слабоионизирующихся соединений целесообразно применять ионоэксклю-зионную хроматографию (ИЭХ) [5].

ИЭХ — довольно распространенный метод разделения слабых кислот, особенно органических. В основе этого способа хроматографии (рассматриваемого как один из вариантов ИХ) лежит доннановская эксклюзия. Твердая матрица сульфокатионита является полупроницаемой мембраной между жидкостью, находящейся в порах смолы, и подвижной фазой. Слабые кислоты в молекулярной форме (в отличие от анионов сильных кислот) проходят в поры смолы и удерживаются ею. Поскольку в ИЭХ кислоты разделяют в форме не-диссоциированных молекул, то для элюирования чаще всего используют 1−10 мМ растворы Н2504, НС1 и других кислот. Разделение проводят на сильнокислотных катионообменниках большой обменной емкости в Н-форме с размером частиц 5−10 мкм. В этом случае достигается высокая селективность определения сильных и слабых кислот с использованием УФ-детектора (210 нм). Кондуктометр ический детектор обычно применяют со слабопроводящими элюен-тами (бензойной, янтарной кислотами и деионированной водой).

Ион-парная хроматография (ИПХ) по механизму взаимодействия занимает промежуточное положение между ионообменной и другими видами жидкостной хроматографии [23].

Метод ИПХ, основанный на образовании ионных пар между определяемыми ионами и гидрофобным противоионом, имеет преимущества по сравнению с классической ионообменной хроматографией, в которой активные центры фиксированы. Прежде всего, достигается улучшение воспроизводимости результатов и повышение селективности хроматографического разделения. Ион-парную хроматографию используют для разделения образцов, содержащих как ионные, так и молекулярные формы веществ.

В обзорной статье И. Г1. Алимарина с сотр. [24] подробно рассмотрены теоретические основы и практическое применение высокоэффективной жидкостной ион-парной хроматографии в неорганическом анализе. Примеры использования ИПХ, главным образом, в обращенно-фазном варианте для разделения карбоновых кислот обсуждаются в монографии К. Байермана [25].

Наиболее часто применяют обращенно-фазный вариант ИПХ, при котором в качестве подвижной фазы используют водный (буферный) раствор, содержащий органический растворитель (обычно ацетонитрил). Для определения анионов в подвижную фазу добавляют соли тетраметил-, тетрабутилили це-тилтриметиламмония, а сорбентом служит силикагель с химически привитой фазой (С8 или С18). Кроме привитых алкильных групп применяют полимерные сорбенты для распределительной хроматографии, а также алкилнитрильную привитую фазу.

Следует иметь в виду, что в реальных системах разделение часто протекает не по одному, а по нескольким механизмам одновременно. При этом, чем больше различие компонентов анализируемой пробы по степени ионизации, основности или кислотности, по молекулярной массе, поляризуемости и другим физико-химическим свойствам, тем больше вероятность для каких-либо веществ проявления другого (по сравнению с остальными компонентами) механизма разделения.

Выбор оптимальных условий ионохроматографического разделения с учетом возможных механизмов взаимодействия сорбента и определяемых соединений, находящихся в смеси, еще долго будет оставаться основной проблемой при разработке аналитических методик.

С целью сопоставления возможностей однои двухколоночной ИХ, а также использования принципов ионоэксклюзионного и ион-парного разделения каждый из указанных вариантов рассматривается нами отдельно.

— Одноколояочпая ионная хроматография.

Одноколоночный вариант ИХ применяли для определения формиат (9,4), ацетат (9,2) и пропионат (30 мкг/мл) -ионов в присутствии молочной и янтарной кислот (элюент: 10″ М раствор бензойной кислоты) [26]. Указанные анионы разделяли с использованием поверхностно-модифицированного анионооб-менника емкостью 0,023 мэкв/г. В более поздней работе Фритц и др. [27] анализировали смесь муравьиной, уксусной, молочной и гликолевой кислот. Некоторые аналитические характеристики методики определения муравьиной и уксусной кислот в смеси с молочной, янтарной и бензойной кислотами приведены в статье японских исследователей [28]. Кислоты разделяли на колонке Т8К-Ое1 1С-Апюп-8? (50×4,6 мм) в потоке 10~3 М раствора фталевой кислоты (рН 3,4). Пределы обнаружения составляли 5×10° - 2×10″ 2 мкг/мл. Величина 8 Г не превышала 0,07. Рекомендуемая методика была использована для определения указанных органических кислот в фармацевтических препаратах и продукции пищевой промышленности.

Одноколоночный вариант ИХ с кондуктометрическим детектированием, основанный на различии в подвижностях исследуемых анионов и гидр оксидиона, был использован для определения Р, СН3СОО", НБЮз", Н8~ и СГ (время удерживания на анионите ВАРС-П соответственно: 2,55- 2,97- 3,27- 3,61 и 7,95 минэлюент 2×10″ «5 М раствор КОН при скорости потока 1,9 мл/минразмеры колонки: 150×3 мм) [29]. Установлено, что для кислот, образующих при высоких значениях рН двухзарядные анионы, этот вариант не пригоден, так как ОН» -ионы обладают слабой элюирующей силой. Кроме того, в одноколоноч-ном варианте определению слабых кислот мешают анионы сильных кислот, что проявляется на хроматограмме в виде отрицательных пиков, относящихся к формам, указанным здесь последними. В связи с этим для определения сильно-удерживаемых анионов слабых кислот (например, карбоната) применяли двух-колоночный вариант, а в качестве элюента — раствор смеси 5×10″ 4 М МаС1 и 5×10″ 4 М На280.}. Методика основана на переводе элюирующего аниона в силь-нопроводящее соединение, а определяемого — в слабопроводящее. Нижняя граница определяемых содержаний такая же, как и при анализе смеси сильных кислот, методом двухколоночной ИХ.

Для ионохроматографического определения слабои сильноудерживае-мых анионов рекомендуется использовать растворы аминокислот, в частноститирозина. Разделение выполняли на анионите ХИКС-1, предел обнаружения анионов составлял я" 0,01 мкг/мл, относительное стандартное отклонение < 0,02 [30].

Впервые в России предложен простой способ получения центрально-привитых анионитов с заданной обменной емкостью (0,01−0,05 ммоль/мл) для эффективного разделения методом ИХ сложных многокомпонентных смесей, содержащих СГ, Р", М02″ и анионы многоосновных карбоновых кислот [31]. Изложены принципы градиентного элюирования анионов в одноколоночном варианте ИХ с компенсацией электропроводности фонового сигнала [32] и приводится [33] методика разделения смеси 14 неорганических и органических анионов на колонке (750×4,6 мм), заполненной полиметакрилатным анионитом (7 мкм), в потоке боратно-глюконатного раствора с изменяемым содержанием входящих в него компонентов, а также добавками глицерина и ацетонитрила. Предел обнаружения составлял 1 мкг в пробе.

В работе [34] для устранения мешающего влияния больших количеств слабои сильноудерживаемых анионов органических кислот с целью ионохро-матографического определения кислот-консервантов (яблочной, бензойной и некоторых других) использовали прием «сброса». Применяли усовершенствованную схему хроматографа «Вюпех», что позволило удалять мешающие определению анионы и использовать для градиентного элюирования второй элюент (1−1,5 М раствор глутаминовой кислоты с рН 9,5 и 9,7). Основные параметры хроматографической системы: разделительная колонка (250×3 мм) содержала анионит «ХИКС-1», скорость потока элюента — 1,9 мл/мин.

Предложена [35] методика одноколоночного варианта ИХ с использованием кремнезема, модифицированного группамиЩСгНз^СНз, и кон д у кто-метрического детектирования низших карбоновых кислот: муравьиной, уксусной, пропионовой и масляной. Времена удерживания в оптимальных условиях эксперимента (элюент: 4×10″ 4 М раствор фталевой кислоты с рН 3,5, подаваемый со скоростью 1 мл/минразмеры колонки: 250×4 мм) составляют 7.6- 3.5- 4.1 и 6.1 мин соответственно. Рекомендуемый авторами способ испытан при изучении деструкции ионитов на стенде, моделирующем конденсато-питательный тракт АЭС.

Разработана [36] ионохроматографическая методика определения органических кислот (уксусной, молочной, яблочной, малоновой, лимонной, винной) и ионов Р, N02″, СГ, Вг", N03″, а также ЫН4+ и К+ в пищевых продуктах (вино, кофе и др.). Использовали колонку (125×4,6 мм), заполненную смесью аниони-та и катионита в соотношении 1:2 или 2:3- применяли поток (1,2 мл/мин) 1,2 мМ раствора щавелевой кислоты при 40 °C и кондуктометрическое детектирование. ПрО составлял: 0,012 для F" и 0,28 мкг/мл для сукцината. Эти характеристики лучше, чем с использованием колонки, содержащей только анионит.

Предложен [37] автоматический анализ низкомолекулярных органических предельных (муравьиной, уксусной, пропионовой) и непредельных (винилуксусной, метакриловой) кислот в воздухе с предварительным концентрированием и ионохроматографическим окончанием. Пределы детектирования для муравьиной, уксусной и пропионовой кислот равны соответственно: 2,0×10″ 4- 2,9×10″ 4 и 3,2×10″ 4 мкг.

— Двухколоночная иопная хроматография.

Выполнено обширное исследование ионохроматографического поведения 11 одноосновных алифатических карбоновых кислот, оксикислот (молочной и гликолевой), а также фториди хлорид-ионов с использованием анионообмен-ника «Dionex Anion» в двухколоночной системе с различными элюентами и кондуктометрическим детектированием [38]. Установлено, что применение разбавленного карбонатно-щелочного элюента (эквимольной 10″ 4 M смеси 1Ча2С03 и NaOH) позволяет определять низшие карбоновые и оксикислоты в пробах, не содержащих неорганических анионов. Для разделения карбоновых кислот (ci-сб) и оксикислот в присутствии f" и СГионов в качестве элюента использовали растворы 10″ 4 M Na2B407 или 6×10″ 5 M янтарной кислоты. Наилучшее разделение одноосновных карбоновых кислот (СГС7) осуществляется в потоке 10~4 M раствора NaOH (2,3 мл/мин). Определению монокарбоксилатов не мешают 103 и 7×10″ 5-кратные количества f" и СГ-ионов. Предел обнаружения карбоновых кислот, рассчитанный по «6а» критерию составлял (1,5−3)х10″ 3 мкг/мл, что значительно ниже по сравнению с другими методами (например, для ВЭЖХ ПрО: 1−5 мкг/мл).

Предлагается [39] проводить ионохроматографическое определение неорганических и органических кислот с использованием 2-х колонок и кондукто-метрического или УФ (235 нм) детектирования. Изучено влияние рН раствора элюента на время удерживания г, СГ, Br", no2 n03″, SO, 2″, PO, 3″ и большого числа анионов органических кислот.

Для определения анионов слабых кислот (рК>7) в 2-х колоночной ИХ использовали косвенное кондуктометрическое детектирование [29]. В этом варианте элюирование проводили растворами солей сильных кислот с добавлением гидроксида для создания щелочной среды. В подавляющей колонке, заполненной катионитом в Н-форме, элюент переводят в сильную кислоту, а определяемые анионы — в слабую. Детектирование осуществляли по уменьшению фоновой электропроводности при прохождении через детектор зоны определяемого аниона.

Проведено [40] сравнение возможностей разделения ряда органических (формиат-, ацетат-, пируват-, оксалат-) и неорганических (СГ, М02 Ж)3~, Вг~, 8042″) анионов методом 2-х колоночной ИХ с кондуктометрическим детектированием в режиме градиентного элюирования. Компонентами подвижной фазы (1 мл/мин) являлись щелочь, метанол и вода в различных соотношениях. Установлено, что ПрО указанных анионов находится на уровне нанограммовых количеств, а при концентрировании из объема 30 мл составляет 5 пикограмм в мл.

Весьма интересным способом 2-х колоночного варианта ИХ, заслуживающим особого внимания, является послеколоночное превращение (в конверторе) элюируемых кислот с двойным кондуктометрическим детектированием [41]. В качестве элюента использовали раствор щелочи. После подавляющей колонки степень превращения кислот в соответствующие соли зависит от рК кислоты. Рекомендуемый способ ИХ позволил увеличить чувствительность определения сильных кислот в 2 раза, а слабых — на порядок, при этом перекрывания хроматографических пиков не наблюдалось.

В работах [42−43] для одновременного определения слабо- (Г", СГ, Ж)2.

2 3.

НСОО", СН3СОО") и сильноудерживаемых (Вг~, Б04 Р04 «) анионов рекомендуется использовать в качестве элюента свободный от большинства обычно сопутствующих примесей раствор ЫаОН, получаемый методом диализа. В первом из цитируемых исследований применяли катионообменную мембрану и электродиализ с регулируемой силой тока, что позволило изменять концентрацию раствора МаОН и работать в изократическом или градиентном режимах. Предел обнаружения (отношение сигнал/шум=3) изменялся в пределах от 0,08 (8О/») до 0,44 (РО/~) мкмоль/л. Во второй вышеназванной работе в качестве генератора гидроксильного элюента использовали катионообменные капилляры, изготовленные на основе перфторированных сульфополимеров. Концентрация раствора МаОН при этом может варьироваться от 0.5 до 60 ммоль/л.

В другом сообщении [44] представлены данные о том, что разделение НСОО", СНзСОО", Р, СГ, Ш3 НРОД $ 042' на колонке ЕЫап-б в режиме градиентного элюирования с применением генератора гидроксильного элюента и хроматографа «Цвет-3006» с кондуктометрическим детектированием занимает 14 мин. Предел обнаружения при объеме пробы 10 мкл составлял 5−20 мкг.

Для ионохроматографического определения с кондуктометрическим детектированием муравьиной, уксусной кислот, а также хлоридов, нитратов и сульфатов использовали [45] концентрирующую (50×4 мм) и разделительные колонки (100×4 и 250×4 мм), заполненные анионитом «А№ЕК8-М» — подавляющая колонка (200×6 мм) содержала катионит КРС-4П. В качестве элюента прил л меняли раствор: Зх 10° М МаНС03/2,4хЮ° М Ш2С03. Установлено, что в принятых условиях эксперимента достигается удовлетворительное разделение указанных выше компонентов в водных растворах.

Показано [46] применение полиметакрилатного анионита «А№ЕК8-К ЕА-15» и катионита КРС-4П с целью определения муравьиной, уксусной, про-пионовой и масляной кислот в теплоносителе АЭС.

Определению низких содержаний анионов в органических растворителях методом ионной хроматографии посвящен один из докладов на Питсбургской конференции 1998 года [47]. Для прямого определения СГ, Ж)3″, 8042″ и Р043″ в изопропиловом спирте, ацетоне и н-метилпирролидоне на уровне микрограммовых количеств использовали подавляющую микроколонку (2 мм). Применяли карбонатный элюент и кондуктометрический детектор.

— Ионоэксклюзионная хроматография (ИЭХ).

Итон и Шинбори [48] предложили использовать ИЭХ для определения некоторых однои двухосновных кислот в фармацевтических препаратах (ПрО 4×10″ 2 мкг/мл- 8Г=1,3%).

Танака и Фритц [49] изучали условия ионоэксклюзионного разделения 12 алифатических однои двухосновных карбоновых кислот, применяя кондукто-метрический детектор. Предел обнаружения составлял (0,2−50)х10~б М.

Возможности ИХ могут быть существенно расширены за счет сочетания в одном приборе ионообменной и ионоэксклюзионной колонок.

Рич и др. [50] использовали сочетание ионной и ионоэксклюзионной л «7 хроматографии для определения НСОО», СН3СОО", С03С1″, СЮ3″ и Б04 «в некоторых солевых технологических средах, характеризующихся высокой щелочностью. Вначале на ион-эксклюзионной колонке разделяли анионы слабых кислот, элюируя их депонированной водой. Анионы сильных кислот при этом не удерживаются и поступают на анионообменную колонку, где осуществляется их разделение карбонатным элюентом. Анионы слабых и сильных кислот последовательно попадают в кондуктометрический детектор. Время определения 20 мин, величина изменялась от 3 до 11% в зависимости от концентрации анионов.

Эффективность ИЭХ при разделении органических кислот существенно выше, чем ИХ. Однако чувствительность определения в первом случае значительно ниже, чем во втором. Это связано с большим фоновым сигналом, обусловленным обычно применяемыми элюентами — растворами сильных кислот и отсутствием надежных подавляющих колонок.

Предлагается [51] использовать в ИЭХ некоторых карбоновых кислот и неорганических анионов потенциометрическое детектирование (индикаторный Си-электрод), применяя в качестве подвижной фазы 1 мМ раствор камфоро-сульфокислоты (1 мл/мин) и колонку (300×7,8 мм) с катионообменником Атшех НРХ 87-М (9 мкм). Разделяемыми компонентами смесей являлись: уксусная, щавелевая, янтарная, винная, лимонная, яблочная кислоты, а также хлориды и фосфаты. Для органических кислот ПрО изменялся от 2×10″ 11 моль (щавелевая кислота) до 5×10″ 8 моль (уксусная).

Выполнено обширное исследование [52], посвященное изучению закономерностей удерживания монои дикарбоновых кислот, их замещенных аналогов и кислот с двойными связями в режиме одноколоночной ИЭХ с кондукто-метрическим детектированием, используя фирменную колонку «Dionex». Проведена оценка значимости следующих факторов, влияющих на удерживание органических кислот в ионозкскл юз ионной колонке: кислотности применяемых элюентов, длины углеводородного радикала, влияние заместителей, наличие в молекуле кислоты одной или нескольких двойных связей. Метод применен для анализа биологических образцов. В работе использовали колонку размером 220×9 мм, заполненную катионитом большой емкости в Н±форме, представляющем собой сульфированный сополимер стирола и дивинилбензола с малым процентом сшивки. Элюентами (1,1 мл/мин) являлись 0,5 или 2,0 мМ растворы фталевой, бензойной, янтарной, винной, лимонной и салициловой кислот. Объем вводимой пробы составлял 100 мкл, детектирование — кондуктометрическое. ПрО изменялся от 0,6 мг/л для щавелевой и до 66,0 мг/л для валериановой кислоты (без концентрирования). Относительное стандартное отклонение находилось в пределах 0,01−0,05. Определению слабоудерживаемых кислот не мешает 100-кратный избыток неорганических анионов. Метод ИЭХ позволяет анализировать образцы с большим избытком мешающих веществ.

Предлагается использовать ионоэксклюзионную хроматографию для разделения 13 органических кислот, муравьиной, уксусной, проиионовой, масляной, изомасляной, лимонной, фумаровой, молочной, ос-кетоглутаровой, яблочной, пировиноградной, янтарной, мочевой в ферментативных средах [53]. Применяли колонку (30 см), заполненную сульфированной полистирол-дивинилбензольной смолой, и ультрафиолетовый детектор (210 нм). Обсуждался выбор оптимальной температуры хроматографирования и концентрации элюента.

Исследовано влияние различных факторов на время удерживания алифатических монокарбоновых кислот (от муравьиной до валериановой) в режиме одноколоночной ионоэксклюзионной хроматографии с кондуктометрическим детектированием [54]. Для разделения кислот использовали колонку ICE фирмы «Dionex» (220×9 мм), заполненную стирол-дивинилбензольным катионитом большой обменной емкости в Н±форме. Установлено, что наиболее подходящими элюентами являются растворы бензойной и янтарной кислот (1,0 — 1,3 мл/мин).

Введение

органических модификаторов (например, ацетонитрила) в подвижную фазу и увеличение температуры колонки повышают чувствительность определения кислот и уменьшают время хроматографирования. Проведен анализ сточных вод и воздуха производственных помещений, в том числе на содержание уксусной кислоты.

Предлагается [55] методика ионохроматографического анализа, заключающаяся в послеколоночном превращении слабых органических и неорганических кислот в соответствующие натриевые соли, растворы которых характеризуются большей электропроводностью по сравнению с исходными образцами. Отмечается, что при этом высоты хроматографических пиков увеличиваются в 250, а площади — в 1400 раз.

— Ион-парная хроматография (ИПХ).

В работе [56] использовали сорбент с обращенной фазой RP-18 (силика-гель с нанесенным на него бромидом цетилтриметиламмония) для определения анионов СНзСОО", НС03″, СГ, N02″, NOs", Br, J", НРОД HP032 S042 S2032″ и C2042″. В качестве элюента применяли 0,25 мМ раствор бифталата калия (рН 66,5) и УФ-детектор (254 нм).

Изучены [57] возможности ВЭЖХ в сочетании с масс-спектрометрией для определения муравьиной, некоторых оксии дикарбоновых кислот, в том числе гликолевой и щавелевой. Использование масс-спектрометрического детектора увеличивает селективность анализа, однако, при этом значительно повышается ПрО (250−1500 нг).

ВЭЖХ с флуоресцентным послеколоночным детектированием была использована [58] для определения весьма малых количеств некоторых карбоно-вых кислот. ПрО составил: для СН3СООН-5,8хЮ" 12 моль, для C6Hi3COOH и C8Hi7COOH-5xlO" 15 моль. В цитируемой работе спектрофотометрическое детектирование указанных карбоновых кислот проводили после разделения и перевода последних в соответствующие флуоресцирующие эфиры.

В работе [59] применяли неподвижную фазу смешанного типа (один из обращенно-фазных сорбентов: С4, С8 или Ci8 в смеси 1:1 с силикагелем, модифицированным диалкиламинными функциональными группами) для ионохро-матографического разделения некоторых карбоновых кислот и неорганических анионов. Использовали колонку (250×4,6 мм), заполненную сорбентом смешанного типа (7 мкм) и кондуктометрический детектор. Элюентами являлись 4 мМ растворы фталевой кислоты (1 мл/мин) с различными значениями pH (3, 0 — 5,5). Установлено, что эффективность разделения зависит от типа привитых алкильных групп (С4, С8 или Ci8), pH, ионной силы раствора и от концентрации органической добавки (ацетонитрила) в подвижной фазе. Определяемыми кислотами являлись: муравьиная, уксусная, пропионовая, масляная и изомасля-ная, молочная, янтарная. Наряду с указанными кислотами представляется возможным разделение хлоридов, бромидов, нитритов, нитратов, сульфатов, фосфатов. В зависимости от природы и числа компонентов смеси время хромато-графирования изменялось от 15 до 45 мин.

Для экспрессного одновременного определения неорганических анионов (СГ, Br", N02 NO3″, SO42″) и 5 органических кислот (молочной, янтарной, малоновой, яблочной и винной) в пищевых продуктах применяли одноколоночный вариант ИХ с косвенным УФ-детектированием (254 нм) [60]. Разделение проводили на колонке Nova-Pak С18 (150×3,9 мм) с сорбентом (4 мкм), модифицированном хлоридом N-цетилпиридиния, при изократическом элюировании 0,4 мМ раствором фталата калия (pH 4,9- 2 мл/мин). Время хроматографирования 20 мин. Относительная погрешность 8%.

Применению модифицированных полимеров и исследованию механизма разделения неорганических анионов и монокарбоновых кислот посвящена работа [61]. Полимер РИМ для обращенно-фазной хроматографии модифицировали бромидом гексадецилтриметиламмония. В качестве подвижной фазы использовали водные растворы салицилата натрия, применяли УФ-детектирование. Обменная емкость сорбента зависела от концентрации модификатора и содержания ацетонитрила. Карбоновые кислоты удерживаются по механизму ионного обмена и поверхностной адсорбции за счет двойного электрического слоя. Отмечается влияние кислотности подвижной фазы на ее элюирующую способность и на степень модификации сорбента.

Таким образом, универсальный метод анализа растворов электролитов, в том числе кислот и солей, — анионная жидкостная хроматография — чаще всего имеет кондуктометрическую детектирующую систему. Для придания специфичности в ионохроматографическом анализе применяют другие детекторы, например, электрохимические, оптические, масс-спектральные и некоторые другие или используют кондуктометры в сочетании с избирательно поглощающими анионы колонками и оптимальными элюентами. Способ подавления фонового сигнала элюента с применением подавляющей колонки, заполненной ионообменником, сопровождается протеканием побочных процессов, влияющих на селективность разделения. С другой стороны — комбинация ионной и ионоэксклюзионной хроматографии значительно повышает избирательность и снижает предел обнаружения анионов органических и неорганических кислот. Следует отметить, что быстрое и эффективное разделение в изократическом режиме смеси, содержащей слабои среднеудерживаемые анионы, достигается, как правило, только в тех случаях, когда в состав смеси входит не более пяти-шести слабоудерживаемых компонентов, а их сорбционные свойства достаточно различаются. За исключением единичных работ [62−63] вопросы ионохрома-тографического определения лимитируемых нормативными документами электролитных примесей в таких продуктах промышленного органического синтеза как органические растворители различных классов и квалификации в литературе не обсуждались.

Конкретные выводы и рекомендации по теоретическим и прикладным аспектам задач, решаемых методом анионной хроматографии в данном диссертационном исследовании, на основании опубликованных за последние 12−15 лет работах заключаются в следующем.

1. Имеются сведения о ионохроматографическом поведении на различных сорбентах, главным образом, низших монокарбоксилатов (формиат-, ацетат-, пропионати бутират-ионов), а также большого числа слабо (Т", С1″, N03″) — и сильноудерживаемых (С032~, БО/" и др.) анионов неорганических солей. Однако раздельное определение на уровне 10″ 6 — 10*4 г/л карбоновых кислот, включая структуры С-С7, в смеси с другими анионами, отличающимися низкой сорбционной активностью (прежде всего С1″, НСЮ3″, №)3″), по отношению к обычно используемым в изократическом режиме и легкодоступным хроматографическим сорбентам, элюентам и широко применяемой кондуктометрической системе детектирования, в литературе не описано.

2. Предложенные физико-химические модели ионообменной, ионоэксклюзи-онной, обращенно-фазной (с участием ион-парных реагентов) сорбции органических анионов не рассматривают возможности образования и последующих превращений молекулярных ассоциатов в системах: «четвертичное аммониевое основание — монокарбоксилаты — анионо (катионо)обменник». Вместе с тем, использование таких кислотно-основных взаимодействий может послужить основой для улучшения ионохроматографического разделения и снижения предела обнаружения карбоновых кислот в многокомпонентных растворах.

3. Рекомендуемый подход к выбору оптимальных условий разделения чаще всего базируется на фундаментальных физико-химических характеристиках сорбата, сорбента и элюента. По нашему мнению, корреляция времени удерживания сорбатов от молекулярной массы последних с учетом возможных механизмов сорбции на различных сорбентах позволяет прогнозировать целевое использование хроматографической системы для успешного разделения сложных смесей анионов.

Выводы.

1. Проведены систематические исследования и впервые показано новое аналитическое применение кислотно-основных взаимодействий в системах: «аминокислота — протонодонор (протоноакцептор)» и «катион четвертичного аммониевого основания — карбоксилат-анион», являющихся основой про-точно-инжекционного титрования (ПИА) и анионной жидкостной ион-парной хроматографии (ИХ).

2. Выполнена оптимизация аппаратурного обеспечения рекомендуемых способов ПИА и ИХ, реализуемых в единой блочной схеме жидкостного хроматографа «Цвет-3006» с кондуктометрическим детектированием продуктов соответствующих взаимодействий.

3. Предложена и подтверждена экспериментально теоретическая модель неизвестного ранее варианта ион-парной анионной хроматографии некоторых карбоксилатов, образующих ионные ассоциаты с катионом тетрабутиламмония, проявляющих различную сорбционную активность по сравнению с другими сорбатами в предлагаемой ионохроматографической системе.

4. Применение рекомендуемого способа анионной жидкостной хроматографии с использованием отечественных ионитов и типовых колонок позволило выполнить определение КГМО" 4 г/л примесей карбоновых кислот (от муравьиной до каприловой) и неорганических солей (хлоридов, нитратов, карбонатов) в водных и органических средах: спиртах, эфирах, кетонах и других растворителях промышленного синтеза различной квалификации.

5. Изучены и рассчитаны константы равновесия доминирующих реакций цвит-тер-ионов моноаминомонокарбоновых кислот (на примере глицина) как высокочувствительных реагентов по отношению к органическим и неорганическим протолитам различной силы.

6. Получена и теоретически обоснована совокупность данных проточно-инжекционного аминокислотного титрования КГ4-!О" 2 г/л сильных и слабых кислот и оснований (рК<12−14- АрК>1−2) в водных растворах, а также кислотных примесей в органических растворителях различных классов.

7. Проведено сопоставление результатов определений примесей некоторых электролитов в органических растворителях методами проточно-инжекционного анализа и анионной хроматографии, отличающихся информативностью сведений о вкладе ионных и молекулярных составляющих в общую концентрацию электролитов.

8. Представлены обоснования применения потоковых методов анализа, характеризующихся высокой чувствительностью и избирательностью по сравнению с используемыми в настоящее время способами вещественного химического анализа, имеющими известные ограничения.

9. Установлены линейные корреляционные зависимости, позволяющие прогнозировать суммарное содержание кислотных примесей наряду с некоторыми солями в органических растворителях одного класса и гомологического ряда в зависимости от эмпирического параметра полярности (Ег) и диэлектрической проницаемости ©, учитывающих сольватирующую, ионизирующую и диссоциирующую способность растворителей.

Заключение

.

Разработаны и теоретически обоснованы принципы построения, функционирования и прогнозирования возможностей использования высокочувствительных и избирательных потоковых аналитических систем в едином аппаратурном комплексе на базе жидкостного хроматографа «Цвет-3006» для анализа водных и органических растворов электролитов с кондуктометрическим детектированием.

Неизвестный ранее вариант ион-парной анионной хроматографии, осуществляемый за счет различной устойчивости и сорбционной активности ионных ассоциатов некоторых карбоксилатов с катионом тетрабутиламмония, имеет лучшие по сравнению с литературными данными аналитические характеристики для решения комплексной прикладной задачи — одновременного определения карбоновых кислот (от муравьиной до каприловой) и неорганических солей (хлоридов, нитратов, карбонатов) на уровне 10^-Ю" 4 г/л как в водных растворах, так и в органических растворителях. Установлена взаимосвязь между временем удерживания анионов, природой матрицы анионообменника и молярной массой сорбатов, что позволило обосновать предложенную модель взаимодействий и выбрать оптимальный режим хроматографирования.

Впервые проведены систематические исследования кислотно-основных взаимодействий в системах «моноаминомонокарбоновая кислота — протонодо-нор (протоноакцептор)». Рассчитаны константы равновесий доминирующих реакций цвиттер-ионов аминокислот (на примере глицина) как высокочувствительных реагентов по отношению к большому числу органических и неорганических протолитов различной силы.

Проточно-инжекционное кондуктометрическое титрование в средах, содержащих аминокислоты, позволяет определять низкие концентрации (КГМО-2 г/л) слабых протолитов в небольших объемах как водных растворов, так и органических растворителях без дополнительной пробоподготовки в отличие от традиционных способов, имеющих известные ограничения.

Сочетание используемых в диссертационном исследовании методов анализа дает возможность получать информацию о содержании различных форм электролитов (диссоциированных — методом ПИА и совокупности молекулярных и ионных составляющих — методом ИХ с заменой органической матрицы на водную), что является одной из приоритетных задач вещественного химического анализа.

Выполнен анализ и впервые получены сведения о концентрации лимитируемых примесей некоторых карбоновых кислот и неорганических солей в 50 органических растворителях промышленного синтеза (спиртах, эфирах, кето-нах). Проведено сопоставление результатов определений рекомендуемыми методами.

Установлены линейные корреляционные зависимости, позволяющие прогнозировать суммарное содержание кислотных примесей в тех или иных формах с учетом эмпирического параметра полярности (Ер) и диэлектрической проницаемости (е) органических растворителей.