Анализ смеси ионов с применением ионообменной хроматографии

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГОУ СПО

Тольяттинский медколледж

Курсовая работа

Тема: «Анализ смеси ионов с применением ионообменной хроматографии»

Выполнила студентка 316 группы

Буркина Ирина Владимировна

Руководитель

Осянкина Наталья Владимировна

Тольятти 2009 г.

Содержание

Глава I. Введение

Глава II. Литературный обзор

2.1 История открытия и развития хроматографии

2.2 Хроматография

2.2.1 Основные виды хроматографии

2.2.2 Основы хроматографического процесса

2.2.3 Основные величины удерживания и качественный анализ

2.2.4 Эффективность хроматографической колонки

2.2.5 Разделение

2.3 Ионообменная хроматография

2.3.1 Общие понятия

2.3.2 Хроматографический анализ

2.3.3 Способность к ионизации

2.3.4 Применение

Глава III. Практическая часть

Глава IV. Заключение и выводы

Глава V. Список литературы

Глава VI. Приложение

4.1 Аминокислоты в комбикорме

4.2 Анионы в пробе водопроводной воды

4.3 Афлатоксин М1 в пробе молока

4.4 Афлатоксин М1 в пробе сыра

4.5 Бенз(а)пирен в пробе почвы

4.6 Разделение пространственных изомеров пергидрофенантрена

4.7 Скоростной анализ паров взрывчатых веществ

4.8 Хроматограмма смеси рацемических аминокислот

4.9 Разделение смеси мукополисахаридов

Глава I. Введение

Цель работы: изучить метод ионообменной хроматографии.

Задачи:

изучить литературные данные

создать наглядное пособие по теме - презентацию

провести количественное определение цитрата натрия методом ионообменной хроматографии.

Объект исследования: цитрат натрия

Метод анализа: ионообменная хроматография

Методы решения: эксперимент

Актуальность: в настоящее время ионообменная хроматография широко используется. С помощью нее выделяют алкалоиды, антибиотики, ферменты, перерабатывают продукты ядерных превращений. Диапазон применения хроматографических методов огромен: от анализа атмосферы планет Солнечной системы до полного анализа содержимого одной живой клетки. Исключительную роль хроматография играет в химической, нефтехимической, газовой, пищевой, целлюлозно-бумажной и многих других отраслях промышленности. На каждом из 150 крупных заводов в России в технологическом контроле постоянно функционируют от 100 до 600 газовых хроматографов. Тысячи газовых, жидкостных и ионных хроматографов эксплуатируются в лабораториях Госсанэпиднадзора, экологических центрах, токсикологических лабораториях, в учреждениях Водоканала, в лабораториях Госкомгидромета, в ветеринарных лабораториях, на станциях защиты растений, в лабораториях судебной и судебно-медицинской экспертизы.

Глава II. Литературный обзор

2.1 История открытия и развития хроматографии

Первооткрывателем хроматографии был русский ученый, ботаник и физикохимик Михаил Семенович Цвет. Он родился 14 мая 1872 г. в небольшом итальянском городе Асти. Его мать - итальянка, отец - уроженец Чернигова, видный государственный служащий. Цвет окончил Женевский университет, в котором получил степень доктора ботаники (1896). Приехав в Россию, он был вынужден заново защитить сначала магистерскую диссертацию (1902), а затем и докторскую диссертацию (1910).

Значительную часть своей жизни (1903 - 1916) Цвет провел в Варшаве, а последующие годы (1916 - 1918) - в Москве, Нижнем Новгороде, Тарту. Умер он в Воронеже в 1919 г.

Открытие хроматографии относится ко времени завершения Цветом работы над магистерской диссертацией в Петербурге (1900 - 1902) и первому периоду работы в Варшаве (1902 - 1903). Исследуя пигменты растений, Цвет пропустил раствор смеси очень мало различающихся по цвету пигментов через трубку, заполненную адсорбентом - порошкообразным карбонатом кальция, и промыл затем адсорбент чистым растворителем. Отдельные компоненты смеси при этом разделились и образовали цветные полосы. Согласно современной терминологии Цвет открыл проявительный вариант хроматографии. Основные итоги исследований по развитию созданного им варианта хроматографии Цвет изложил в книге “Хромофиллы в растительном и животном мире” (1910), которая является его докторской диссертацией.

Цвет широко использовал хроматографический метод не только для разделения смеси и установления ее многокомпонентности, но и для количественного анализа, с этой целью он разбивал стеклянную колонку и разрезал столбик адсорбента на слои. Цвет разработал аппаратуру для жидкостной хроматографии, впервые осуществил хроматографические процессы при пониженном давлении (откачке) и при некотором избыточном давлении, разработал рекомендации по приготовлению эффективных колонок. Кроме того, он ввел многие основные понятия и термины нового метода, такие как “хроматография”, “проявление”, “вытеснение”, “хроматограмма” и др.

Хроматографию сначала использовали очень редко, ее скрытый период длился около 20 лет, в течение которых появилось лишь очень небольшое число сообщений о различных применениях метода. И только в 1931 г. Р. Куну (Германия), А. Винтерштейну (Германия) и Э. Ледереру (Франция), работавшим в химической лаборатории (руководимой Р. Куном) Института императора Вильгельма по медицинским исследованиям в Гейдельберге, удалось выделить этим методом а- и b-каротин из сырого каротина и тем самым продемонстрировать ценность открытия Цвета.

Важным этапом в развитии хроматографии стало открытие советскими учеными Н.А. Измайловым и М.С. Шрайбер метода хроматографии в тонком слое (1938), позволяющего проводить анализ с микроколичеством вещества.

Следующим важным шагом явилось открытие А. Мартином и Р. Сингом (Англия) варианта жидкостной распределительной хроматографии на примере разделения ацетильных производных аминокислот на колонке, заполненной силикагелем, насыщенным водой, с использованием хлороформа в качестве растворителя (1940). Тогда же было отмечено, что в качестве подвижной фазы может быть использована не только жидкость, но и газ. Несколькими годами позднее эти ученые предложили осуществлять разделение производных аминокислот на смоченной водой бумаге с бутанолом в качестве подвижной фазы. Они же осуществили первую двумерную систему разделения. За открытие распределительного варианта хроматографии Мартин и Синг получили Нобелевскую премию по химии. (1952). Далее Мартин и А. Джеймс осуществили вариант газовой распределительной хроматографии, разделив смеси на смешанном сорбенте из силикона ДС-550 и стеариновой кислоты (1952 - 1953). С этого времени наиболее интенсивное развитие получил метод газовой хроматографии.

Современный этап в развитии ионообменной хроматографии начался в 1975 г. после работы Г. Смолла, Т. Стивенса и У. Баумана (США), в которой они предложили новый аналитический метод, названный ионной хроматографией (вариант высокоэффективной ионообменной хроматографии с кондуктометрическим детектированием).

Исключительное значение имело создание сотрудником фирмы "Перкин-Эльмер" М. Голеем (США) капиллярного варианта хроматографии (1956), при котором сорбент наносится на внутренние стенки капиллярной трубки, что позволяет анализировать микроколичества многокомпонентных смесей.

В конце 60-х гг. резко возрос интерес к жидкостной хроматографии. Появилась высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ). Этому способствовало создание высокочувствительных детекторов, новых селективных полимерных сорбентов, новой аппаратуры, позволяющей работать при высоких давлениях.

В настоящее время ВЭЖХ занимает ведущие позиции среди других методов хроматографии и реализована в различных вариантах:

обращенно-фазная

нормально-фазная

ионная

ион-парная

ионообменная

эксклюзивная

гель-фильтрационная

лигандообменная

хиральная

аффинная

иммунная

мицеллярная

гидрофобная

серебряная

обращенно-фазная

жидко-жидкостная

экстракционная

донорно-акцепторная

комплексообразующая

инверсионная эксклюзивная

нелинейная

капиллярная

микронасадочная

многомерная

перфузионная

вытеснительная

сверхбыстрая

турбулентная

непрерывная

противоточная

центрифужная

с движущимся слоем

высокотемпературная

мембранная

2.2 Хроматография

ХРОМАТОГРАФИЯ - метод разделения, анализа и физико-химического исследования веществ. Основана на распределении исследуемого вещества между двумя фазами - неподвижной и подвижной (элюент). Неподвижная фаза, главным образом, представляет собой сорбент с развитой поверхностью, а подвижная - поток газа или жидкости. Поток подвижной фазы фильтруется через слой сорбента или перемещается вдоль слоя сорбента.

2.2.1 Основные виды хроматографии

В зависимости от агрегатного состояния подвижной фазы различают газовую, флюидную и жидкостную хроматографию. В качестве неподвижной фазы используют твердые (или твердообразные) тела и жидкости.

ГАЗОВАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ - вид хроматографии, в которой подвижной фазой служит газ (пар). В зависимости от агрегатного состояния неподвижной фазы различают газоадсорбционную хроматографию (неподвижная фаза - твердое тело) и газо-жидкостную хроматографию (неподвижная фаза - жидкость, нанесенная тонким слоем на твердый носитель).

ЖИДКОСТНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ - вид хроматографии, в которой подвижной фазой (элюентом) служит жидкость. Неподвижной фазой может быть твердый сорбент, твердый носитель с нанесенной на его поверхность жидкостью или гель.

2.2.2 Основы хроматографического процесса

Для проведения хроматографического разделения веществ или определения их физико-химических характеристик обычно используют специальные приборы - хроматографы. Основные узлы хроматографа - хроматографическая колонка, детектор, а также устройство для ввода пробы. Колонка, содержащая сорбент, выполняет функцию разделения анализируемой смеси на составные компоненты, а детектор - функцию их количественного определения. Детектор, расположенный на выходе из колонки, автоматически непрерывно определяет концентрацию разделяемых соединений в потоке подвижной фазы.

После ввода анализируемой смеси с потоком подвижной фазы в колонку зоны всех веществ, расположенных в начале хроматографической колонки (рис. 1). Под действием потока подвижной фазы компоненты смеси начинают перемещаться вдоль колонки с различными скоростями, величины которых обратно пропорциональны коэффициентам распределения К (или константам распределения) хроматографируемых компонентов. Хорошо сорбируемые вещества, значения констант распределения для которых велики, передвигаются вдоль слоя сорбента по колонке медленнее, чем плохо сорбируемые. Поэтому быстрее всех из колонки выходит компонент А, затем компонент Б и последним покидает колонку компонент В (КА<КБ<КВ). Сигнал детектора, величина которого пропорциональна концентрации определяемого вещества в потоке элюента, автоматически непрерывно записывается и регистрируется (например, на диаграммной ленте). Полученная хроматограмма отражает расположение хроматографических зон на слое сорбента или в потоке подвижной фазы во времени.



Рис. 1. Разделение смеси из трех компонентов (А, Б и В) на хроматографической колонке К с детектором Д: а - положение хроматографических зон разделяемых компонентов в колонке через определенные интервалы времени; б - хроматограмма (С - сигнал, t - время).

2.2.3 Основные величины удерживания и качественный анализ

Хроматограмма - первичный результат хроматографического разделения. Используя хроматограмму, можно определять основные характеристики хроматографического процесса: параметры удерживания, размывания и разделения хроматографируемых соединений. Основная характеристика вещества при колоночной хроматографии (если температура колонки, состав подвижной фазы и ее скорость постоянны) - объем удерживания, который для i-го компонента зависит от его константы распределения Ki.

Если неподвижная фаза - твердое тело, на поверхность которого нанесена в форме тонкого слоя неподвижная жидкая фаза (НЖФ), удерживание определяется как абсорбцией

(АБСОРБЦИЯ газов - объемное поглощение газов и паров жидкостью (абсорбентом) с образованием раствора. Применение абсорбции в технике для разделения и очистки газов, выделения паров из паро-газовых смесей основано на различной растворимости газов и паров в жидкостях) разделяемых соединений слоем НЖФ, так и их адсорбцией

(АДСОРБЦИЯ газов - изменение (обычно повышение) концентрации вещества вблизи поверхности раздела фаз. В общем случае причина адсорбции - некомпенсированность межмолекулярных сил вблизи этой поверхности, т.е. наличие адсорбции силового поля) поверхностями раздела: подвижная фаза - НЖФ и НЖФ - твердое тело. Для качественной характеристики хроматографируемых соединений преимущественно применяют относительные величины удерживания, поскольку эти величины в меньшей мере, чем абсолютные величины, зависят от условий эксперимента.

Для характеристики относительного времени удерживания в хроматографии используют системы с двумя стандартами, в качестве которых в наиболее распространенной системе индексов удерживания Ковача Ii применяют соединения одного гомологического ряда. Эти стандарты выбирают таким образом, чтобы определяемое соединение выходило из колонки позже стандарта (например, алкана), молекула которого содержит z атомов углерода, и раньше стандарта, молекула которого содержит (z + 1) атомов углерода. Ii определяют по формуле (рис. 2):



где- время удерживания алкана;исправленные времена удерживания соответствия для алканов Сz и Сz+1 и i-го компонента; tm - время удерживания несорбирующегося компонента.

Рис. 2. Определение индекса удерживания Ii с использованием н-алканов с числом атомов z и (z + 1); пояснения в тексте.

Идентификацию пиков неизвестных компонентов анализируемой смеси проводят путем сравнения относительных величин, определяемых непосредственно из хроматограммы, с соответствующими табличными данными для известных соединений. При идентификации в хроматографии достоверен только отрицательный ответ; например, пик i не является веществом А, если времена удерживания пика i и вещества А не совпадают. Совпадение времен удерживания пика i и вещества А - необходимое, но недостаточное условие для заключения, что пик i - это вещество А.

2.2.4 Эффективность хроматографической колонки

При продвижении зон разделяемых соединений под действием потока подвижной фазы вдоль слоя сорбента происходит одновременно два противоположных процесса: возрастает расстояние между максимумами концентрации хроматографических зон (что улучшает разделение) и увеличивается ширина хроматографичеких зон (что ухудшает разделение).

Качественно эффективность колонки тем выше, чем уже, острее зоны хроматографируемых соединений. Количественной характеристикой эффективности колонки служит число теоретических тарелок. Эффективность колонки тем выше, чем больше характерное для нее число теоретических тарелок N. Число N для i-го компонента вычисляют по уравнению:

где и- соответствующее время удерживания i-го компонента и ширина пика, измеренная на половине его высоты (рис. 3). Число N пропорционально квадрату числа пиков, которые можно разместить на хроматограмме на отрезке, соответствующем времени удерживания данного соединения.

2.2.5 Разделение

Разделение смеси соединений - основная цель аналитической и препаративной хроматографии. Для характеристики разделения трудноразделимых пар соединений используют особую величину - степень разделения (рис. 3):

где- время удерживания j-гo компонента; - исправленное время удерживания j-гo компонента; и- ширина хроматографических зон, измеренная у основания пиков на хроматограмме,

Рис. 3. Определение степени разделения Rij; пояснения в тексте.

Количественно зависимость степени разделения от параметров хроматографических разделения отражает уравнение Пернелла:

где aij - селективность разделения i-го и j-гo компонентов; kj - коэффициент емкости (или коэффициент извлечения) компонента j, причем. Как следует из этого уравнения, степень разделения увеличивается с ростом эффективности колонки селективности (?ij - 1) и емкости колонки kj/(kj + 1). Селективность разделения характеризуется величиной относительного удерживания rij:

где VRj и VRi - исправленный объем удерживания для j-гoи i-го компонентов; Ki и Kj - коэффициент распределения в системе неподвижная фаза - подвижная фаза для i-го и j-гo компонента. Величины rij достаточно инвариантны; они не зависят от таких условий эксперимента, как скорость газа-носителя, количество сорбента, длина колонки.

2.3 Ионообменная хроматография

2.3.1 Общие понятия

Ионообменная хроматография представляет собой разделение смесей газов, паров, жидкостей или растворенных веществ сорбционными методами в динамических условиях. В простейшем виде эти условия осуществляются при прохождении потока смеси через колонну, содержащую слой зерненного сорбента.

Достоинства ионной хроматографии: низкие пределы обнаружения ионов (до 10?3 мкг/мл, а с применением специальной колонки для предварительного концентрирования - до 10?5-10?6 мкг/мл), высокая селективность, возможность одновременного определения неорганических и органических ионов, экспрессность (за 20 мин можно определить до 20 ионов); широкий интервал определяемых концентраций (0,01 мкг/мл - 100 мг/мл); малый расход пробы (0,1-0,5 мл), простота подготовки пробы к анализу.

Элюентом служит раствор кислоты и раствор щелочи. Разделение ионов регулируют подбором оптимальных значений рН элюента. Сильнокислотные сульфокатиониты и высокоосновные аниониты могут использоваться при любых значениях рН, слабокислотные карбоксильные катиониты - только при рН > 6; слабоосновные аниониты находятся в ионизованном состоянии при рН < 8.

Варьируя рН элюента, можно резко изменять степень ионизации компонентов разделяемой смеси (сорбатов) и, следовательно, время их удерживания, добиваясь необходимой селективности разделения. Многозарядные ионы удерживаются ионитом сильнее однозарядных. При равных величинах зарядов удерживание падает с ростом радиуса гидратированного иона. Поэтому при ионообменной хроматографии в разбавленных растворах на сульфокатионитах время удерживания катионов падает в ряду: Ва2+ > РЬ2+ > Sr2+ > Са2+ > Ni2+ > Cd2+ > Сu2+ > Со2+ > Zn2+ > Mg2+ > UO2+ > Тl+ > Ag+ > Cs+ > Rb+ > K+ > NH4+ > Na+ > H+ > Li+.

2.3.2 Хроматографический анализ

Хроматографический анализ является динамическим методом, в котором многократно повторяются последовательные акты сорбции и десорбции, ионного обмена, осаждения или распределения между фазами различного состава. При этом небольшие количества компонентов разделяемой смеси веществ последовательно контактируют с новыми свежими порциями сорбента или носителя.

Техника осуществления хроматографического процесса очень проста. Процесс хроматографического разделения смеси веществ состоит в пространственно различимом распределении каждого компонента данной смеси между двумя несмешивающимися фазами и последующем полном разделении этой смеси на отдельные компоненты вымыванием или вытеснением выделяемого вещества. Причиной такого разделения могут явиться различия во взаимодействии каждого из компонентов данной смеси веществ, находящейся в первой фазе (растворитель), со второй фазой, называемой сорбентом (твердым или жидким).

Хроматографические сорбционные методы различаются по следующим признакам: по средам, в которых производится разделение, по механизмам разделения, по форме проведения процесса. Схематично это можно представить таким образом.

На практике довольно широко распространена газовая и ионообменная хроматография.

Ионообменная хроматография основана на применении в качестве адсорбентов ионообменников. Ионообменники - это нерастворимые соединения, способные набухать в водных растворах. В качестве ионообменников или ионитов обычно используют синтетические полимерные вещества, называемые ионообменными смолами. Они состоят из матрицы (R) и активных групп, содержащих подвижные ионы. В зависимости от знака обмениваемых ионов различают катиониты и аниониты. Катиониты содержат кислотные группы различной силы, такие как сульфогруппы, карбоксильные, оксифенильные. Аниониты имеют в своем составе основные группы, например алифатические или ароматические аминогруппы различной степени замещенности (вплоть до четвертичных). По своей природе они бывают неорганического и органического характера. Неорганические иониты, как правило, имеют кристаллическую или полумикрокристаллическую структуру: ионы способные к обмену, находятся в их решетках. Неорганические иониты неустойчивы к кислотам, щелочам, обмен на них значительно проще. Область распространения их ограничена.

Иониты могут находиться в Н-форме и ОН-форме, а также в солевой форме. В Н-форме катиониты и ОН-форме аниониты содержат способные к обмену ионы водорода и гидроксила соответственно, в солевых формах ионы водорода заменены катионами металла, анионы гидроксила - анионами кислот.

Органические иониты (крахмал, целлюлоза и др.) несколько больше распространены на практике. Но особенно широко используются синтетические иониты (ионообменные смолы). Ионообменные смолы, по сравнению с неорганическими, отличаются большой механической прочностью, химической стойкостью, высокой емкостью и производительностью. Они очень разнообразны по свойствам и значению.

Синтетические иониты представляют собой высокомолекулярные соединения с поперечно-связанной матрицей, в которой закреплены ионизованные функциональные группы, способные к реакциям обмена.

Такую матрицу - каркас ионита получают поликонденсацией или полимеризацией. Изготовление ионита проводят в три стадии:

Образование линейных полимеров;

образование сетчатой структуры с помощью мостикообразователей;

введение функциональных групп, содержащих подвижные ионы, участвующие в реакциях обмена.

Если ионообменник высвобождает и обменивает катионы, то его называют катионообменником или катионитом. Анионообменники, или аниониты, участвуют в обмене анионов.

В настоящее время в основном применяются стиролдивинилбензольные иониты, изготовляемые из сополимеров стирола, этилвинилбензола и дивинилбензола.

В качестве функциональных групп в катионитах выступают: -SO3Н сульфогруппа, -СООН карбоксильная, -ОН фенольная, -Р(ОН)2 фосфиновая, РО(ОН)2 фосфоновая.

В анионитах: первичный, вторичный, третичный азот, -N(СН3)3ОН четвертичное аммониевое основание. Амфотерные иониты содержат в своей матрице и катионные, и анионные обмениваемые группы.

По химическим свойствам катиониты можно рассматривать как многоосновные кислоты, аниониты - как многоатомные основания; амфотерные иониты, как амфолиты.

Обмен на них можно представить таким образом:

Катионный обмен

Анионный обмен

Амфотерный обмен

Эти иониты способны образовывать внутренние соли, которые диссоциируют в контакте с электролитами и связывают оба их компонента. Эти иониты легко регенерируются промыванием водой.



где R - органическая полимерная матрица. Ионы одинакового заряда, находящиеся в составе функциональной группы и в растворе, между которыми и происходи обмен называются противоионами (в катионите H+ и Na+ в растворе: в анионите ОН- и Сl- в растворе). Сопутствующие им противоположно заряженные ионы называются коионами (при катионном обмене Сl-, при анионном Nа+).

Детектирование в ионообменной хроматографии осуществляют с помощью любого детектора, применяемого в жидкостной хроматографии. Наиболее универсален для ионных соединений кондуктометр, на применении которого основан вариант ионообменной хроматографии - ионная хроматография. Ионообменная хроматография применяется для разделения катионов металлов, например, смесей лантаноидов и актиноидов, Zr и Hf, Мо и W, Nb и Та; последние разделяют на анионитах в виде анионных хлоридных комплексов в растворах соляной HCl и плавиковой кислот HF. Щелочные металлы разделяют на катионитах в водных и водно-органических средах, щелочно-земельные и редкоземельные металлы на катионитах в присутствии комплексонов. Большое значение имеет автоматический анализ смесей природных аминокислот на тонкодисперсном сульфокатионите в цитратном буфере при повышенной температуре. Аминокислоты детектируют фотометрически после их реакции с нингидрином или флюориметрически после дериватизации фталевым альдегидом.

Анализ осуществляется в автоматизированном приборе - ионном хроматографе. В наиболее распространенном варианте хроматографии используют две последовательно размещенные хроматографические колонки. В первой ионы разделяют на поверхностно-модифицированые ионообменной смоле низкой емкости (0,01-0,1 мг-экв/г). Вторая колонка с ионитом высокой емкости обеспечивает резкое снижение фоновой электропроводности элюента вследствие его химической модификации. Так, при разделении смеси анионов в первой колонке используют анионит, во второй - катионит в Н+-форме, а элюентом служит раствор Na2CO3. Модификация элюента заключается в том, что Na2CO3 переводится в слабую кислоту Н2СО3, которая вносит малый вклад в электропроводность раствора. При разделении смеси катионов первая колонка содержит катионит, вторая - анионит в ОН?-форме; элюент НСl превращается в Н2О. Таким образом, в кондуктометрический проточный детектор попадает раствор, электропроводность которого обусловлена главным образом определяемыми ионами. Сигнал детектора линейно зависит от концентрации ионов. Качественный анализ осуществляется по времени удерживания ионов, количественный - по площади хроматографических пиков. Для повышения эффективности разделения процесс осуществляют под давлением. Использование очень разбавленных растров элюента позволяет в ряде случаев обходиться и без второй колонки. При этом чувствительность анализа обычно ниже.

Количественное разделение различных ионов (веществ) в конечном итоге зависит от свойств ионита: набухаемости природы функциональных групп, обменной способности (ёмкости). При погружении в воду иониты обычно набухают, то есть поглощают более или менее значительное количество воды. Чем больше ионообменных групп содержит матрица ионита, тем сильнее его тенденция к набуханию. Вода проникает в смолу, гидратируя ионы смолы, за счет чего внутри смолы образуется очень концентрированный раствор. Содержание воды в смоле увеличивается за счет осмотического давления. При набухании зерен смолы валентные связи между атомами углерода углеводородных цепей и поперечные связи растягиваются, стремясь вместить поступающую воду. За счет упругости валентных связей возникает давление, противодействующее поглощению воды. Количество воды, поглощенной при равновесии в конечном итоге зависит от степени сшитости и природы обмениваемого иона.

ОБЩЕЕ ПРАВИЛО: набухание уменьшается с увеличением числа поперечных связей и уменьшением размера радиуса гидратированного обмениваемого иона. Если степень поперечной связанности велика, то набухание относительно мало. С уменьшением степени поперечной связанности набухание возрастает и может достигать очень больших величин: при полном отсутствии поперечных связей получается растворимый полиэлектролит. Набухаемость обычно выражают количеством воды (или другой жидкости) в граммах, сорбированное 1 г или 1 мг/экв сухой смолы. А не увеличением объема смолы.

Как правило, набухание ионита протекает обратимо и характеризуется равенством между осмотическим давлением внутреннего раствора, с одной стороны, и натяжением эластичной сетки полимера, с другой. Осмотическое давление почти полностью обусловлено противоионами, поэтому обмен противоионов оказывает существенное влияние на процесс набухания. При этом решающее значение имеет число осмотически активных ионов на единицу веса ионита. Следовательно, однозарядные противоионы должны вызывать боле сильное набухание, чем многозарядные. Ионы с большим зарядом притягиваются функциональной группой сильно и поэтому менее благоприятствуют набуханию.

2.3.3 Способность к ионизации

Природа функциональных групп ионита определяет его способность к ионизации, следовательно, способность к ионному обмену в зависимости от рН. Катиониты, имеющие в своем составе сульфогруппу, являются сильнокислотными. Они применяются в широком интервале рН. Слабокислотные катиониты, содержащие карбоксильную (-СООН) или гидроксильную (-ОН) группу, способны к ионному обмену только в щелочной среде. В килой и нейтральной среде их ионообменная способность невелика.

Сильноосновные аниониты обменивают свои анионы на ионы раствора как в кислой, так и в щелочной среде. Слабоосновные аниониты обменивают анионы только в кислой среде.

Ионообменная способность полифункциональных ионитов, то есть ионитов, содержащих различные ионогенные группы, например, катеонитов, содержащих -SO3H и -ОН, или -SO3H и -СООН анионитов, содержащих различные типы аминогрупп [-N(CH3)3]+ и [-NH(CH3)2]+ или [-NH2CH3]+ и [-NH3] зависит от рН раствора, с которым они находятся в контакте.

О способности функциональных групп ионитов к ионизации судят по кривым потенциометрического титрования. Кривая титрования сильнокислотного катионита сходна с кривой титрования растворимой сильной кислоты (рис.1, кривая 1) с тем отличием, что начальное значение рН водного раствора при титровании ионита выше, чем при титровании растворимой кислоты потому, что вначале ионы водорода находятся в связанной форме в ионите.

Кривая титрования монофункционального слабокислотного катионита сходна с кривой титрования растворимой слабой кислоты (рис.1, кривая 2). При титровании полифункционального катионита кривая титрования имеет ступенчатую форму. Вначале она имеет вид кривой титрования монофункционального сильнокислотного ионита, а вторая часть её напоминает кривую титрования слабокислотного катионита (рис. 1, кривая 3).

Кривые титрования подобных анионитов имеют аналогичный характер. К наиболее важным характеристикам ионита относится его обменная емкость, которая выражается числом эквивалентов обменивающегося иона, приходящегося на 1 г воздушно-сухого ионита, и определяется в статических и динамических условиях. Различают полную обменную емкость ПОЕ, статическую обменную емкость СОЕ, динамическую обменную емкость ДОЕ и полную динамическую обменную емкость ПДОЕ. ПОЕ соответствует числу ионогенных групп ионита, выраженному в миллиграмм-эквивалентах на грамм (или см3) воздушно-сухого ионита. СОЕ -- определяется в статических условиях до установления равновесия. Она также выражается в мг-экв/г или мг-экв/см3. СОЕ может отличаться от ПОЕ, так как она зависит от условий эксперимента: рН раствора, соотношение между жидкой и твердой фазами. ДОЕ - количество миллиграмм-эквивалентов иона, поглощенного до "проскока" в раствор на выходе из колонки граммом ионита. ДОЕ может зависеть, как от параметров эксперимента в динамических условиях (размер колонки, зернение ионита, скорость пропускания раствора через колонку), так и от чувствительности реакции, которой устанавливают появление иона в фильтрате.

ПДОЕ - количество миллиграмм-эквивалентов иона на грамм ионита, поглощенное до полного прекращения извлечения его ионитом из раствора.

Важнейшие методы испытания свойств ионитов определены государственным стандартом (ГОСТом) РФ.

2.3.4 Применение

Ионообменная хроматография особенно удобна для определения неорганических ионов (Сl?, Br?, NO3?, SO42?, SeO42?, РО43?, AsO43?) и карбоновых кислот. Можно также определять катионы щелочных и щелочноземельных металлов и некоторые амины.

Иониты применяются для обессоливания воды, очистки сахарных сиропов от минеральных солей; в препаративной химии - для концентрирования растворов; для определения ионов Fe+3, Cu+2 и Pb+2 в вине; Ca+2 и Mg+2 в молоке; различных металлов в биологических жидкостях. Кроме того, ионный обмен используют для перевода ионов в форму, удобную для количественного определения. Например, поваренную соль в рассоле можно определить, пропустив пробу через колонку с катионитом, и выделившуюся в эквивалентном количестве кислоту оттитровать щелочью:

R-SOзН+NaCI=R-SOзNa+НСl

В качестве сорбентов для ионообменной хроматографии могут использоваться нейтральные носители, пропитанные жидкими ионитами, т.е. несмешивающимися с водой органическими основаниями или кислотами, например, триоктиламином, триоктилметиламмонием, алкиловыми зфирами алкилфосфорной кислоты. Разбавленные растворы ионогенных ПАВ в сочетании с нейтральными гидрофобными носителями находят применение в ион-парной хроматографии, которая отличается высокой эффективностью и большим числом варьируемых параметров для подбора оптимальной селективности разделения.

Высокоэффективная ионообменная хроматография смесей нуклеотидов, нуклеозидов, пуриновых и пиримидиновых оснований и их метаболитов в биологических жидкостях (плазма крови, моча, лимфа) используется для диагностики заболеваний.

Фракционирование и очистка белков. В зависимости от заряда разделяемых белков используют подходящую ионообменную смолу, с функциональными группами которой обменивается и задерживается на колонке часть белков, в то время как другие белки беспрепятственно элюируются с колонки. «Осажденные» на колонке белки снимают с колонки, применяя более концентрированные солевые растворы или изменяя рН элюента.

Аффинная хроматография (хроматография по сродству). Основана аффинная хроматография на принципе избирательного взаимодействия белков (или других макромолекул) с закрепленными на носителе специфическими веществами - лигандами, которыми могут быть субстраты или коферменты (когда выделяют какой-либо фермент), антигены (или антитела), гормоны или рецепторы. Благодаря высокой специфичности белков к иммобилизованному лиганду, связанному с носителем (которым заполняют хроматографическую колонку), присоединяется только один какой-либо белок из смеси. Снятие с колонки этого белка осуществляют элюированием буферными смесями с измененным рН или измененной ионной силой, а также введением в состав элюента детергентов, ослабляющих связи между белками и лигандами. Несомненным достоинством метода является возможность одноэтапно выделить заданный белок или другой биополимер высокой степени чистоты. При помощи аффинной хроматографии, например, удалось сравнительно легко выделить очищенные препараты аминоацил-тРНК-синтетаз на полиакрилгидразидагаровом геле, к которому в качестве лигандов были присоединены определенные тРНК (транспортные РНК).

Ионную хроматографию применяют при анализе природных и сточных вод, почв, пищевых продуктов, лекарственных средств. Возможности метода расширяются благодаря использованию различных детекторов - атомно-абсорбционных, фотометрических, люминесцентных, кулонометрических, потенциометрических.

Для практических целей ионообменную хроматографию наиболее широко используют для анализа аминокислот. Особенно широкую популярность ионообменная хроматография аминокислот получила с появлением аминокислотных анализаторов, позволяющих автоматизировать почти все стадии анализа за исключением подготовки пробы.

Автоматический аминокислотный анализатор позволяет проводить анализ смеси аминокислот белковых гидролизатов. Структурная схема аминокислотного анализатора представлена на рис. 4.9.

Подача буферных растворов (1-6) на ионообменную колонку (10) осуществляется с помощью соленоидных клапанов и насоса через автоматическое устройство ввода образца (7-9). Колонку заполняют специальной ионообменной смолой, которая должна обладать высокой разрешающей способностью и устойчивостью к давлению.

Нингидрин (или флуорескамин, или офталевый диаль-дегид) подается специальным насосом (14) из резервуара (13) и смешивается с элюатом (11), вытекающим из колонки, в специальном блоке (15). Затем полученная смесь подается в реакционный сосуд (16) для получения производных с последующим детектированием с помощью фотометра или флуо-риметра (17) по поглощению или флуорисценции и регистрацией на самописце (18). Контроль над процессами осуществляется с помощью программирующего устройства (12). В блоке обработки информации (19) происходит анализ полученных результатов, а также сравнение интенсивности сигналов отдельных аминокислот со стандартной смесью и определение абсолютного количества каждой аминокислоты в исследуемом гидролизате. Идентификацию каждой аминокислоты проводят по соответствующему времени удерживания. После анализа автоматически осуществляется регенерация сорбента в колонке.

Хроматограмма ионов переходных металлов, полученная на колонке Диасорб-130-ИДК, 4x250 мм.

Аналитическую хроматографию применяют в научных исследованиях, химических и фармацевтической промышленности, медицине, для контроля практически всех объектов окружающей среды, в газовой и нефтеперерабатывающей промышленности.

Препаративную хроматографию используют для получения узких фракций смесей и чистых веществ в производстве химических реактивов, а также в фармацевтической, парфюмерной промышленности, при разделении изотопов, в биохимии. Разделяют смеси массой 1-1000 г, диаметр колонок 2-100 см.

Хроматографию применяют для определения физико-химических характеристик веществ: коэффициент распределения, энтальпии растворения, адсорбции, констант устойчивости комплексных соединений, коэффициент диффузии в газовой и жидкой фазах, а также как метод исследования кинетики гетерогенных и гомогенных реакций.

Глава III. Практическая часть

Методика №1.

Количественное определение цитрата натрия методом ионообменной хроматографии.

В стакан заливают 50 мл дистиллированной воды, 10 г катионита КУ-1 или КУ-2 и оставляют на 30 мин для набухания. Затем катионит переносят в стеклянную колонку диаметром 8-9 мм (бюретка), медленно промывают 200 мл 2 н. раствора HCl, после чего промывают дистиллированной водой до нейтральной реакции промывных вод по метиловому оранжевому (пожелтение раствора).

Около 1 г цитрата натрия (точная навеска) растворяют в свежепрокипяченной и охлажденной дистиллированной воде в мерной колбе на 100 мл. Переносят 10 мл полученного раствора на колонку с катионитом и пропускают через колонку со скоростью 20-25 капель в минуту. Затем колонку промывают свежепрокипяченной и охлажденной дистиллированной водой до нейтральной реакции по метиловому оранжевому (проба проводится в отдельной пробирке). Фильтрат и промывные воды объединяют и титруют 0,1 н. раствором едкого натра по фенолфталеину.

Vср(NaOH) = 15,6 мл

Элим.к-ты=M/3 = 64 г/моль

Сэ[NaOH] = 0,1 моль/л

C1*V1 = C2*V2

Сэ[лим.к-ты] = Сэ[NaOH]*V(NaOH)/V(цитрата Na) = 0,1560 моль/л

Тлим.к-ты = Сэ[лим.к-ты]* Элим.к-ты/1000 = 0,009984 г/моль

m(цитрата Na) = V*Тлим.к-ты = 0,9984 г

w = m(цитрата Na)/m(навеска) = 99,84%

хроматография сорбционный цитрат натрий ионообменный

Глава IV. Заключение и выводы

Выводы:

изучила литературные данные по теме: «Ионообменная хроматография»

создала наглядное пособие по теме - презентацию

провела эксперимент - количественное определение цитрата натрия методом ионообменной хроматографии.

Заключение: 1 г точной цитрата натрия растворила в свежепрокипяченной и охлажденной дистиллированной воде в мерной колбе на 100 мл; перенесла 10 мл полученного раствора на колонку с катионитом и пропустила через колонку со скоростью 20 капель в минуту; фильтрат (лимонная кислота) перенесла в колбу для титрования на 250 мл, добавила к нему 2 капли индикатора - метилоранж; заполнила бюретку раствором едкого натра и провела титрование. Окраска из первоначально розовой перешла в желтую.

Глава V. Список литературы

1. http://www.xumuk.ru/

2. http://ru.wikipedia

3. http://www.chem.isu.ru/

4. http://www.alhimik.ru/

5. Сакодынский К.И., Бражников В.В., Волков С.А., Зельвенский В.Ю., Ганкина Э.С., Шац В.Д. Аналитическая хроматография. М., Химия, 1993

6. Волков В.А., Вонский Е.В., Кузнецова Г.И. Выдающиеся химики мира. М., Высшая школа, 1991

Глава VI. Приложение

Хроматограммы

4.1 Аминокислоты в комбикорме

Компоненты:

1. Метионин

2. Триптофан

3. Лизин

Колонка: Synergi Fusion-RP 250х4.6 мм 4 мкм

Защитная колонка: SecurityGuard Fusion-RP 4х3.0 мм

Режим разделения: Градиентный

Подвижная фаза:

А: 25 мМ раствор трехводного ацетата натрия в воде

B: ацетонитрил

Градиент: A/B (71:29) - 0 мин, A/B (68:32) - за 6 мин, A/B (68:32) - 9 мин, A/B (60:40) - за 7 мин, A/B (60:40) - 13 мин, A/B (5:95) - за 1 мин, A/B (5:95) - 4 мин, A/B (71:29) - за 1 мин, A/B (71:29) - 4 мин

Расход: 1.0 мл/мин

Температура колонки: 55°С

Объем пробы: 20 мкл

Детектор: Спектрофотометрический

Параметры детектирования: длина волны 436 нм

Объект исследования: Комбикорма и сырье

Группы веществ: Аминокислоты

Образец: комбикорм (дериватизация DABS-Cl)

Методическое обеспечение: Методика выполнения измерений массовой доли лизина, триптофана, метионина, суммы цистина и цистеина в комбикормах, премиксах и комбикормовом сырье методом высокоэффективной жидкостной хроматографии.

4.2 Анионы в пробе водопроводной воды

Компоненты:

1. Хлорид

2. Нитрат

3. Сульфат

Колонка: Star-Ion A300 100х4.6 мм

Защитная колонка: Star-Ion 10x4.6 мм

Режим разделения: Изократический

Подвижная фаза: 1.7 ммоль/л натрия углекислого кислого (NaHCO3) + 1.8 ммоль/л натрия углекислого (Na2CO3)

Расход: 1.2 мл/мин

Температура колонки: 20 °С

Объем пробы: 50 мкл

Детектор: Кондуктометрический

Параметры детектирования: с подавлением фоновой электропроводности

Объект исследования: Вода водопроводная

Группы веществ: Анионы

Методическое обеспечение: Методика выполнения измерений массовой концентрации фторид-, хлорид-, нитрат-, фосфат- и сульфат-ионов в пробах питьевой, минеральной, столовой, лечебно-столовой, природной и сточной воды методом ионной хроматографии

4.3 Афлатоксин М1 в пробе молока

Компоненты:

1. Афлатоксин M1

Колонка: Synergi Polar-RP 250х4.6 мм 4 мкм

Защитная колонка: SecurityGuard Polar-RP 4х3.0 мм

Режим разделения: Изократический

Подвижная фаза: ацетонитрил/вода (2:3)

Расход: 0.8 мл/мин

Температура колонки: 20°С

Объем пробы: 20 мкл

Детектор: Флуориметрический

Параметры детектирования: RFU 0.005, Ex-365 нм, Em- 400-460нм

Объект исследования: Молочная и маслосыродельная продукция

Группы веществ: Микотоксины

Образец: проба молока с добавкой стандартного раствора афлатоксина М1

Методическое обеспечение: Методика выполнения измерений массовой концентрации афлатоксина М1 в молоке, молочных продуктах и масле коровьем методом высокоэффективной жидкостной хроматографии.

4.4 Афлатоксин М1 в пробе сыра

Компоненты:

1. Афлатоксин M1

Колонка: Synergi Polar-RP 250х4.6 мм 4 мкм

Защитная колонка: SecurityGuard Polar-RP 4х3.0 мм

Режим разделения: Изократический

Подвижная фаза: ацетонитрил/вода (2:3)

Расход: 0.8 мл/мин

Температура колонки: 20°С

Объем пробы: 20 мкл

Детектор: Флуориметрический

Параметры детектирования: RFU 0.005

Объект исследования: Молочная и маслосыродельная продукция

Группы веществ: Микотоксины

Образец: проба сыра с добавкой стандартного раствора афлатоксина М1

Методическое обеспечение: Методика выполнения измерений массовой концентрации афлатоксина М1 в молоке, молочных продуктах и масле коровьем методом высокоэффективной жидкостной хроматографии.

4.5 Бенз(а)пирен в пробе почвы

Компоненты:

1. Бенз(а)пирен

Колонка: Luna C18(2) 150х3.0 мм 3 мкм

Защитная колонка: SecurityGuard C18 4х3.0 мм

Режим разделения: Изократический

Подвижная фаза: ацетонитрил/вода (80:20)

Расход: 0.3 мл/мин

Температура колонки: 20°С

Объем пробы: 10 мкл

Детектор: Флуориметрический

Параметры детектирования: RFU 0.01, Ex-365нм, Em-400-460нм

Объект исследования: Почва (грунт)

Группы веществ: Полиароматические углеводороды (ПАУ

Методическое обеспечение: Методика выполнения измерений массовой доли бенз(а)пирена в почвах, грунтах и осадках сточных вод методом высокоэффективной жидкостной хроматографии.

4.6 Разделение пространственных изомеров пергидрофенантрена

Хроматограмма разделения пространственных изомеров пергидрофенантрена на капиллярной набивной колонке.

При температуре 260°С в газохроматографической колонке дольше удерживаются те пространственные изомеры пергидрофенантрена, которые имеют больше точек соприкосновения с плоской поверхностью сорбента - графитированной термической сажей.

4.7 Скоростной анализ паров взрывчатых веществ

Скоростной анализ паров взрывчатых веществ на поликапиллярной колонке при температуре 170°С

Поликапиллярная колонка длиной всего 22 см позволяет за 2.5 минуты обнаружить и идентифицировать следовые количества паров взрывчатых веществ: 1 - 2,6-динитротолуол, 2 - 2.4-динитротолуол. 3 - 2,4,6-тринитротолуол, 4 - 3,4,5-трининитротолуол, 5 - 2.3,4-тринитротолуол, 6 - гексоген. 7 - тетрил.

4.8 Хроматограмма смеси рацемических аминокислот

Хроматограмма смеси рацемических аминокислот.

Простой адсорбцией гидрофобного хирального селектора (N-гексадецил-L-оксипролина) стандартная хроматографическая колонка (LiChrosorb RP 18) длиной 10 см превращается в высокоэффективную лигандообменную колонку, количественно разделяющую каждую из шести рацемических аминокислот пробы на пары оптических изомеров.

4.9 Разделение смеси мукополисахаридов

Смеси мукополисахаридов разделяют на компоненты ионообменной хроматографией или фракционным осаждением из водных растворов катионными ПАВ (например, N-цетилпиридинийхлоридом, цетилтриметиламмонийхло-ридом).

Размещено на Allbest.ru