Курсовая работа
На тему
«Ионообменнаяхроматография вредных веществ в анализе объектов окружающей среды»
Содержание
Введение
Глава 1. Теоретические основы ионнойхроматографии
1.1.Разделение анионов методомодноколоночной ИХ
Глава 2. Примеры использованияионообменной хроматографии в анализе объектов окружающей среды
Глава 3. Аппаратурное оформление
Литература
ВВЕДЕНИЕ
Аналитическоеприменение ионнобменных процессов чрезвычайно разнообразно. Они используются вкачественном и количественном анализе как вспомогательные операции в самыхразличных целях.
Наиболееобширной областью использования ионообменных процессов следует считатьхроматографическое разделение смеси ионов, а также ионообменныйхроматографический анализ металлов и сплавов.
Важное значениеионообменные процессы имеют при аналитическом определении следов веществ всовременном ультрамикроанализе.
Ионообменныепроцессы позволяют изучать многие свойства ионов в растворе, а также определятьконцентрацию растворов, влажность вещества и другие важные характеристики.
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕОСНОВЫ ИОННОЙ ХРОМАТОГРАФИИ
Ионообменная хроматография — это методразделения веществ по их способности мигрировать по ионообменной колонке или попластине, покрытой ионообменником. Ионы разделяются в результате ионообменных реакций,характерных для каждого типа ионов.[1] “Высокоэффективное” разделениедостигается при использовании колонок сравнительно небольшого диаметра, заполненныходнородными мелкими частицами сорбента, введении проб малого объёма, постоянномпотоке элюента (подаваемого насосом) и автоматическом детектированииразделённых компонентов пробы. В 1975 году Смолл, Стивенс и Бауман предложилииспользовать автоматическое кондуктометрическое детектирование.
Существуют два основных метода ионной хроматографиис кондуктометрическим детектированием. Первый из них был предложен Смоллом исотрудниками и представляет собой двухколоночный метод. Второй, разработанныйГьеде, Фритцем и Шмуклером, является одноколоночным. Тщательный подборразделяющей колонки и элюентов позволяет исключить компенсационную колонку. Вобоих вариантах ионной хроматографии генерируется фоновый сигнал, которыйнеобходимо компенсировать электрически.
Для современной ионной хроматографиииспользуются смолы с постоянным размером частиц в пределах 5-50мкм.Ионообменники представляют собой либо органические смолы с частицамисферической формы, либо пористый силикагель, с которым химически связанаионообменная фаза.
Колонки имеют длину 250-1000мм и внутреннийдиаметр 5-2мм. Для уменьшения размывания пиков в современных системах применяютсоединительные трубки малого диаметра (0,3мм). В высокоэффективной хроматографииобъём пробы невелик (10-100мкл). Это позволяет получить гораздо более узкиепики и улучшить качество разделения.
Наиболее важным аспектом современнойионообменной хроматографии является применение систем автоматическогодетектирования, обеспечивающих непрерывную запись сигнала самописцем. Внастоящее время датчиками для ионообменной хроматографии являютсяспектрофотометрические, электрохимические детекторы и детекторыэлектропроводности.
Детекторы:
Для регистрации ионообменного разделениянаиболее распространён кондуктометрический способ детектирования.Кондуктометрические детекторы измеряют проводимость раствора. Проводимость измеряетсяв обратных омах (Ом-1), и она пропорциональна числу ионов в раствореи их подвижности, причём каждый ион имеет присущую только ему подвижность.Детекторы обеспечивают непрерывную регистрацию концентрации анализируемых ионовв элюате в присутствии ионов элюента. Причём, детектор должен быть согласованкак с элюентом, так и с анализируемыми ионами, то есть он должен реагировать наанализируемые ионы, но не на ионы элюента. Кондуктометрические детекторыотносятся к универсальным, то есть они реагируют на все ионы, находящиеся врастворе. В основу этих детекторов положены следующие закономерности:
Электропроводность- способность раствора электролита проводитьэлектрический ток между двумя электродами, к которым приложено электрическоенапряжение.
Этот процесс подчиняется закону Ома: U=I*R, согласно которому ток пропорционален приложенномунапряжению. Электропроводность раствора есть величина, обратная егосопротивлению, и измеряется в обратных омах.(G=1/R)
Удельная проводимость есть: k=(G*l)/A, гдеA-площадь электродов (см2), а l-расстояние между электродами. Поэтому k имеет размерность (Ом-1*см-1).
Величина K, называемая постоянной ячейки, выражается следующимсоотношением: K=G/A. Издвух предыдущих выражений следует, что k=G*K. (I) Величина G, называемая эквивалентной электропроводностью,связывается с концентрацией вещества в растворе и выражается как G=(1000*k)/C(II), где C-концентрация в эквивалентах на 1000см3. Детекторэлектропроводности состоит из ячейки, в которую подаётся анализируемый раствор,индикатора и электрической схемы для измерения проводимости и изменениячувствительности. Индикатор градуируется в Ом-1 или мкОм-1.Удельную электропроводность можно вычислить, если известны параметры ячейки.Однако на практике измеряют проводимость разбавленного раствора с известнойудельной электропроводностью и вычисляют постоянную ячейки по уравнению. И,если постоянная ячейки известна. То, измерив G, можно рассчитать удельную электропроводность другихрастворов. По табличным значениям электропроводности и уравнению (III) длякондуктометрического детектора с известной постоянной ячейки можно вычислитьэлектропроводность различных растворов с заданной концентрацией.
Принцип работы ячейки:
Если к двум электродам, находящимся врастворе электролита, приложено электрическое напряжение, то анионы в растворебудут двигаться к аноду, а катионы — к катоду. Число ионов и скорость ихдвижения будет определяться электропроводностью раствора. Подвижность ионовзависит от заряда и размера иона, температуры, типа среды и концентрации ионов.Скорость движения ионов зависит от величины приложенного напряжения, которое всвою очередь может быть постоянным, либо переменным синусоидальной илипрямоугольной импульсной формы. Поведение ионов может вызвать изменение эффективногоприложенного напряжения. Помимо электролитического сопротивления, можетпоявляться емкостное сопротивление двойного слоя, или фарадеев импеданс.Влияние этих электродных процессов можно устранить путём подачи на электродыпеременного напряжения. При изменении знака приложенного напряжения меняются характерэлектролиза, направление перемещения ионов и характер образования емкостногосопротивления. По мере увеличения частоты влияние электролиза снижается илисовсем устраняется и ток в растворе определяется емкостным сопротивлением.Верхний предел частот соответствует примерно 1МГц. На электроды ячеек некоторыхдетекторов подают напряжение синусоидальной формы частотой 10-10000 Гц.Детектор фирмы Wescan, например, работает на частоте 10кГц при напряжении 20 В[1]. В этом устройстве используется фазочувствительное детектирование, то естьизмеряется только та составляющая тока, которая находится в фазе с приложеннымнапряжением. В других детекторах используется метод биполярной импульснойпроводимости [1]. Этот метод состоит в последовательной подаче на ячейку двухимпульсов напряжения малой длительности. Импульсы имеют противоположную полярность,но одинаковы по амплитуде и длительности. Ток в ячейке измеряют сразу же поокончании второго импульса и определяют сопротивление ячейки, исходя из законаОма. Этот импульсный способ питания предотвращает электролиз. Так как прибиполярном импульсном питании в ячейке измеряют величину мгновенного тока, тоемкостное сопротивление не оказывает влияния на измерения, и этот методпозволяет точно определить сопротивление ячейки. [3-7]
В первых кондуктометрах применялисьплатиновые электроды, покрытые платиновой чернью. Эти электроды имеют низкоесопротивление поляризации и высокую емкость. Но поток жидкости смывает покрытиес электродов и изменяет их характеристики. В ячейках современных детекторовиспользуют электроды из нержавеющей стали, марки 316. Для “дезактивации” новойячейки её промывают 50%-ным раствором HNO3. Так как подвижность ионов меняется стемпературой, то электропроводность большинства растворов ионов возрастаетпримерно на 2% при увеличении температуры на 1 С. Поэтому ячейку детекторанужно изолировать, чтобы предотвратить случайные колебания её температуры. Всекондуктометрические детекторы должны включать какие-либо средства компенсациифонового сигнала, который может на три порядка величины превышать сигнал отобразца.
В качестве ионообменников илиионитов обычно используют синтетические полимерные вещества, называемыеионообменными смолами. Они состоят из матрицы (R) и активных групп, содержащихподвижные ионы. В зависимости от знака обмениваемых ионов различают катиониты ианиониты. Катиониты содержат кислотные группы различной силы, такие как сульфогруппы,карбоксильные, оксифенильные. Аниониты имеют в своем составе основные группы,например алифатические или ароматические аминогруппы различной степенизамещенности (вплоть до четвертичных).
Иониты могут находиться вН-форме и ОН — форме, а также в солевой форме. В Н-форме катиониты и ОН- формеаниониты содержат способные к обмену ионы водорода и гидроксила соответственно,в солевых формах ионы водорода заменены катионами металла, анионы гидроксила — анионами кислот.
В зависимости от силы кислотныхи основных групп в ионитах различают сильнокислотные (R-SOзН) и слабокислотные(R-СООН) катиониты; сильноосновные (R-N(СНз)зОН) и слабоосновные (R-NНзОН).
Сильнокислотные исильноосновные иониты способны к ионному обмену в широком диапазоне рН.
Процесс ионного обменапротекает стехиометрично. Например:
R-SO3H+Na+=RSO3Na+H+
R(NНз)зОН+Сl-=R(NНз)зСl+ОН-
Это ионообменное равновесиехарактеризуется константой ионного обмена:
[H+][RSO3Na] [OH-][RN(CH3)3Cl
KH+/Na+=______________;KOH-/Cl-= _________________
[Na+][RSO3H] [Cl-][RN(CN3)3OH]
На основании констант ионногообмена построены ряды сродства ионов к данному иониту, позволяющие предвидетьвозможности ионообменных разделений.
В зависимости от сродства кфиксированным ионам неподвижной фазы разделяемые ионы перемещаются вдольхроматографической колонки с различными скоростями; чем выше сродство, тембольше объем удерживания компонента. При разделении органических кислот иоснований важную роль играет степень их диссоциации.
Например, константы ионногообмена солей железа (III) и кобальта (II) на сильнокислотном катионите маркиКУ-2 составляют 3726 и 286 соответственно.
Важной количественнойхарактеристикой ионитов является их обменная емкость. Полная обменная емкость определяетсяколичеством эквивалентов ионов, обмениваемых одним граммом сухого ионита. Чембольше обменная емкость, тем большую пробу можно ввести в колонку с ионитом.
При подготовке ионитов к работеих переводят в соответствующую форму. Так, для перевода катионита в Н-формучерез колонку с набухшим ионитом пропускают раствор сильной кислоты, избытоккоторой отмывают водой. Затем медленно пропускают раствор смеси ионов. Каждыйкатион задерживается на ионите согласно своей сорбируемости. Далее пропускаютподходящий элюент. Например, катионы щелочных металлов легко элюируются 0,1 М HCl. При этом ионы водорода обмениваются на сорбированные катионы, которые вместе с растворомвыходят из колонки в соответствии с константами ионного обмена. На выходе изколонки фракции собирают в отдельные сосуды и определяют содержание любымподходящим методом.
Иониты применяются длядеионизации (обессоливания) воды, очистки сахарных сиропов от минеральныхсолей; в препаративной химии — для концентрирования растворов; для определенияионов железа (III), меди и свинца в вине; кальция и магния в молоке; различныхметаллов в биологических жидкостях. Кроме того, ионный обмен используют дляперевода ионов в форму, удобную для количественного определения. Например,поваренную соль в рассоле можно определить, пропустив пробу через колонку скатионитом, и выделившуюся в эквивалентном количестве кислоту оттитроватьщелочью:
R-SOзН+NaCI=R-SOзNa+НСl.
Ионообменную хроматографиюприменяют для разделения фенолов, карбоновых кислот, аминосахаров, пуриновых,пиримидиновых и других оснований. Часто иониты используют для предварительногоразделения сложных смесей на менее сложные. На ионном обмене основано получениеионитного молока для детского питания. Ионный обмен используют для очисткинатуральных соков от ионов тяжелых металлов. Ионообменные смолы применяют дляполучения ионообменных мембран.
Ионообменная хроматография. В качестве неподвижной фазы используютионообменные смолы (рис. 4) как в колонках, так и в виде тонкого слоя напластинке или бумаге. Разделение обычно проводят в водных средах, поэтому этотметод используется главным образом в неорганической химии, хотя применяются исмешанные растворители. Движущей силой разделения в этом случае являетсяразличное сродство разделяемых ионов раствора к ионообменным центрампротивоположной полярности в неподвижной фазе.[8-11]
/>
Рис.4. Изображение структуры частицы ионообменнойсмолы: – заряженные функциональные группы, ковалентно связанные снитями решетки; – свободно перемещающиеся противоположнозаряженные протовоионы, электростатически связанные с частицей
1.1 Разделение анионовметодом одноколоночной ИХ
Для большого числа ионов одноколоночнойметод обладает высокой чувствительностью и хорошей разделительной способностью.Анионы можно разделить на хроматографической колонке и регистрировать детекторомэлектропроводности, если воспользоваться анионообменной смолой с малой емкостьюи эффективным элюентом с низкой электропроводностью. Вторую колонку для“компенсации” фоновой проводимости элюента применять не нужно. Несомненнымдостоинством одноколоночной системы является тот факт, что, детекторэлектропроводности подключён непосредственно к анионообменной разделяющейколонке. Это возможно лишь в случае очень низкой концентрации солей в элюенте,а, следовательно, и низкой фоновой проводимости. Однако обычные ионообменныесмолы содержат много обмениваемых групп, и для хроматографического разделенияанализируемых ионов требуется применять элюент с высокой концентрацией солей.Обменную ёмкость смолы можно изменить, если реакцию присоединения функциональныхгрупп проводить в очень мягких условиях и сократить время взаимодействия.Гьерде и Фритц [4] приготовили несколько ионообменных смол с различной низкойёмкостью. И ими было обнаружено, что для каждого из трёх исследуемых сочетанийанионов коэффициент селективности оставался неизменным, хотя ёмкость смолыменялась. Этот факт имеет важные следствия для ионообменной хроматографии. Так,существенное снижение ёмкости смолы позволит значительно снизить концентрациюэлюента, сохранив исправленное время удерживания неизменным.
В конце 1978 года была разработана простаяхроматографическая методика разделения ионов при помощи анионообменной колонки,присоединяющейся непосредственно к детектору электропроводности. Компенсационнаяколонка не требовалась. В этой схеме были применены два новшества:
a) специальные ионообменные смолы очень малойёмкостью
b) элюент, обладающий очень низкойэлектропроводностью
Также, был проведён отбор такого элюента,анион которого сильно удерживается смолой и поэтому даёт малый коэффициентселективности. Данную схему называют “одноколоночной “ ионной” (анионной)хроматографической схемой. На рисунке 1. представлена блок-схема одноколоночногоионного хроматографа./> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Ёмкость для насос ввод колонка детектор самописец
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>элюента пробы
/>
/>слив
Рис. 1. Блок – схема одноколоночного ионнобменногохроматографа
Он включает в себя следующие компоненты:
1) насос для подачи элюента черезпробоотборную петлю, колонку и кондуктометрическую ячейку со скоростью 0.5-2.0 мл/мин;
2) кран для ввода пробы и пробоотборная петля,позволяющую вводить пробу обьёмом 100 мкл;
3) разделяющую колонку в внутренним диаметром2.0-3.0 мм и длиной 500 мм, заполненную однородными мелкими частицами анионообменнойсмолы;
4) проточную кондуктометрическую ячейку,являющуюся частью детектора электропроводности, для непрерывной регистрациипроводимости элюата;
5) самописец для регистрации выходного сигналадетектора электропроводности.
Одноколоночный метод позволяет осуществитьбыстрое разделение анионов, причём отсутствие компенсационной колонки никогдане затрудняет анализа. Перед проведением серии анализов выбранный элюент пропускаютчерез анионообменную колонку, пока в ней не установиться равновесие, прикотором центры обмена смолы преимущественно будут содержать анионы элюента. Привведении образца, в состав которого входят различные анионы, анализируемыеанионы будут удерживаться смолой и на эквивалентное количество анионов элюента.В отсутствие перемешивания зона, соответствующая введённому объёму образца,движется вдоль разделяющей колонки со скоростью, равной скорости потокаэлюента. В этой зоне движутся катионы исходного образца и анионы элюента вконцентрации, эквивалентной концентрации анионов в образце. Еслиэлектропроводность катионов и анионов в этой зоне больше, чемэлектропроводность элюента, то при прохождении через детекторэлектропроводности будет наблюдаться положительный ложный пик. Однако еслиэлектропроводность ионов в зоне ниже проводимости элюента, то появитьсяотрицательный ложный пик. Этот ложный пик не мешает анализу, если элюированиеанализируемых анионов происходит после прохождения этого пика. После того какзона, соответствующая объёму пробы, проходит через детектор, нулевая линиябыстро восстанавливается до уровня, соответствующего чистому элюенту. Однако растворённыеанионы, движимые силами действующих масс элюирующих анионов, смещающихионообменное равновесие, постепенно перемещаются по колонке. Общая концентрациякатионов в растворе определяется концентрацией анионов элюента, посколькуанализируемый анион может перейти в жидкую фазу лишь в результате обмена наэквивалентное количество анионов элюента. Изменение электропроводности припрохождении полосы ионов образца через детектор связано с замещением некоторогоколичества элюирующих анионов анализируемыми анонами, в то время как суммарнаяконцентрация анионов не меняется. Это изменение прямо пропорциональноконцентрации анионов данного типа в образце и разнице в эквивалентнойэлектропроводности элюируемого и элюирующего аниона.
Ионообменные смолынерастворимы. Тонкий порошок такой смолы в хроматографической колонне поглощаетионы тяжелых металлов из раствора, замещая их на кислоту или щелочь. Так, например,готовят воду для питания паровых котлов на больших тепловых электростанциях.Вода очищается от ила и песка и поступает в колонну, наполненную катионитовойсмолой. В ней полностью поглощаются соли кальция и магния, делающие воду«жесткой», вместо них появляются ионы водорода — образуется кислота.Подкисленная вода проходит колонну, в которой анионы образовавшихся кислотнейтрализуются, и получается чистая вода. Ионообменные смолы превращают дажесоленую морскую воду в пресную, пригодную для питья, и извлекают ценные металлыиз промышленных сточных вод.
На ионообменной колонне смоглиразделить смесь изотопов редкоземельных элементов. Радиоактивность каждой каплираствора, вытекающего из колонны, измерялась отдельно. Оказалось, что чем вышепорядковый номер элемента, тем быстрее он выходит из колонны при хроматографическом разделении. И чередование элементов удивительным образом точно соответствуетих взаимному положению в периодической системе элементов: америций (№ 95),кюрий (№ 96), берклий (№ 97) и калифорний (№ 98).[4, 11-16]
ГЛАВА2. ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИОНООБМЕННОЙ ХРОМАТОГРАФИИ В АНАЛИЗЕ ОБЪЕКТОВОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Внеколоночноеобразование ионной пары для разделения смеси карбоновых и оксикислот методомион-парной вэжх[17]
Определениеоптически неактивных окси- и карбоновых кислот как правило осуществляетсяметодом ионной хроматографии с электрохимическим детектором. Проведениеразделения и идентификации данных веществ с использованием УФ-детекторавозможно при добавлении к элюенту «непрозрачных» в области рабочих длин волнреагентов, образовывающих с определяемым веществом ионную пару и реализациейметода ион-парной ВЭЖХ.
Цельюработы было: оптимизация условий образования ассоциата физиологически важныхокси- и карбоновых кислот с ион-парным реагентом, хроматографическогоповедения, разработка основ количественного определения веществ вмногокомпонентных рецептурах.
Исследованияпроводили на хроматографе «Цвет-304» (Россия, г. Дзержинск) в изократическомрежиме элюирования сорбатов с УФ-детектором (λ=254нм). Анализы выполнялина стальной аналитической колонке (100х5,4мм), заполненной суспензионнымспособом сорбентом Силасорб С18 (7,5 мкм). Состав подвижной фазы состоял изфосфатного буферного раствора с добавлением изо-пропилового спирта. В качествеион-парного реагента были взяты – цетилпиридинийхлорид ибром-N,N,N,N,N,N-гексаэтилметантриамин.
Впроцессе оптимизации условий разделения и образования ион-парного ассоциатаустановлено влияние состава и рН элюента, природы и содержания органическогорастворителя в нем. Проведена сравнительная оценка эффективности применениякатионных поверхностно-активных веществ в качестве ион-парных реагентов, атакже возможности вне колоночного образования ионной пары.
Результатыисследования послужили основой для разработки методик количественного контролясодержания оптически неактивных окси- и карбоновых кислот в продуктах пищевой,косметической и животноводческой промышленности.
Определение полифенольных соединенийподвидов подорожника большого[18]
Изучение состава вторичных метаболитоввысших растений представляет интерес как с позиции дифференциации их подвидов,так и с точки зрения ресурсоведения, поскольку полифенольные соединения ифлавоноиды обладают широким спектром полезной биологической активности.
Предложена и отработана схема экстракцииполифенолов из двух подвидов подорожника большого (ssp. major и ssp.pleiosperma) на примере 114 образцов индивидуальных растений. Выполненохроматографирование этилацетатных экстрактов методами ТСХ, БХ, колоночной и ионообменнойхроматографии в различных элюирующих системах. Идентификацию полифенольныхсоединений проводили по стандартным образцам (рутин, кверцетин) методами УФспектроскопии по характерным сдвигам максимумов поглощения соединений последобавления комплексообразующих веществ по стандартной методике или по значениямRf на пластинках “Силуфол” в фиксированных условиях согласно справочным данным.
Достоверно установлено, что дварассмотренных подвида подорожника большого имеют различный полифенольныйсостав, что может служить экспресс-методом для их идентификации. Известно, чторазделение подвидов по их морфологическим признакам трудоемко и возможно толькопосле завершения вегетации растения осенью.
Анализпива методом ионной хроматографии[19]
Диапазонкомпонентов, представляющих интерес для производства пива — от неорганическихионов, органических кислот, и горечи хмеля, определяющего общий вкус и горечьнапитка — до протеинов, карбогидратов, и спиртов, которые определяются, чтобыопределить длительность брожения. Готовое пиво может быть проанализировано наопределение концентрации добавленных консервантов и красителей, длядополнительного гарантирования соблюдения производственной технологии.
Первый шаг впроизводстве пива это процесс замачивания ячменя, или иногда другого зерна, втеплой воде. Присутствующие в ячмене ферменты перерабатывают крахмал в зернах,производя при этом по большей части глюкозу, мальтозу и другие олиго- иполисахариды. Этот процесс называется размягчением и в результате получаетсясладкое сусло. Сладкое сусло затем смешивается с хмелем и получается хмелевоесусло. При добавлении дрожжей сахариды бродят и производят спирт. Из-заразличия концентраций, химического поведения, диапазона молекулярных массразличных компонентов в пиве их выделение и определение очень трудная задача.Ионная хроматография, использующая полимерные смолы, обеспечивает мониторингмногих из этих компонентов во время пивоварения и в готовом продукте.
Эта статьяописывает использование ионообменной и ионо-эксклюзионной хроматографии дляопределения пяти классов компонентов, представляющих интерес для производствапива, включая: карбогидраты, спирты, органические кислоты, неорганическиеанионы и неорганические катионы. Для детектирования используются импульсныйэлектрохимический или кондуктометрический детекторы.
/>
Рисунок 1. Разделение ферментных сахаров всусле методом ионообменной хроматографии с импульсным амперометрическимдетектором.
Проба переддозированием была разбавлена в 10 раз.
/>
Рисунок 2. Разделение моно-, ди- и трисахаридовв Американском пиве с помощью ионообменной хроматографии с импульснымамперометрическим детектором. Перед дозированием пробу разбавили 1:10.
Анализкарбогидратов
Карбогидратыи другие вещества, содержащие гидрооксильные группы, могут быть детектированыизмерением тока при их окислении на золотом электроде. Используетсяпоследовательное повторение приложения трех потенциалов, первый для окислениякарбогидратов, и затем очистки электрода от продуктов реакции окисленияпреложением большого положительного и затем отрицательного потенциалов. Этапоследовательность повторяется каждую секунду для устранения загрязненияэлектрода и тем самым гарантии воспроизводимости сигнала. Без этого высота пикабудет стабильно уменьшаться а поверхность электрода загрязнится. Из-за того чтокарбогидраты имеют pK a между 12 и 14, они могут быть разделены как анионы методомионообменной хроматографии. Для проведения реакции окисления на рбочемэлектроде элюент должен иметь рН 12, при этом смола колонок полимерная истабильна в диапазоне pH 0-14. Используя гидрооксидный градиент, сахара былиразделены на колонке следующей последовательности: моносахариды, дисахариды итрисахариды.
/>
Рисунок 3. Разделение малто-олигосахаридов вАмериканском пиве с помощью ионообменной хроматографии с импульснымамперометрическим детектором. Перед дозированием пробу разбавили 1:10.
Условияразделения показаны для хроматограмм представленных на рисунках 1 и 2 показаныв табл. 2. Карбогидраты наиболее важные в пивном производстве ферментныесахара. В основном сахариды больше чем DP3 не бродят; однако, они вносят вкладв цвет и общий аромат пива и являются главными. На рисунке 1 показаноразделение бродильных сахаров (
Анализспиртов
Обычно толькодва спирта присутствуют в высокой концентрации в пиве — это этанол и глицерол.Глицерол — важный компонент в пиве, он значительно больше чем глюкоза влияет нааромат и сладость. Этанол и глицерол могут быть разделены методомион-эксклюзионной хроматографии с последующим импульсным амперометрическимдетектированием. Рисунок 4 показывает разделение этанола и глицерола в пиве.
/>
Рисунок 4 Разделение глицерола и этанола вамериканском пиве методом ион-экслюзионной хроматографии с импульснымамперометрическим детектированием. Перед дозированием проба была разбавлена1:10.
Анализорганических кислот
Измерениеорганических кислот во всех фазах производства пива может помочь для контроляметаболитов брожения и коррекции вкуса пива. Один из методов разделенияорганических кислот — ион-эксклюзионная хроматография с кондуктометрическимдетектированием. Колонка ICE-AS6 разработана для эффективного разделенияалифатических органических кислот с низким молекулярным весом, а такжеалифатических спиртов и гликолей. Используемый механизм разделения,ионизированных частиц основан на различии их pKa. Сильные неорганическиекислоты не удерживаются на стационарной фазе.
/>
Рисунок 5 Разделение органических кислот вбританском портере. Перед дозированием проба была разбавлена 1:40.
Рисунок 5показывает разделение серии органических кислот в портере. Перед дозированиемпроба была разбавлена 1:40 и дегазирована. Щавелевая и малеиновая кислотыэлюируются на «хвосте» «вотер пика» и маскируются сильнымианионами такими как фторид и хлорид. Пуриват, цитрат, малат, формат, лактат,ацетат и сацинат хорошо разделяются. Присутствие ацетата определяетсяокислением, в то время как пуриват является промежуточным продуктом превращенияглюкозы в спирт. Лактат производится бактериями молочной кислоты что превращаетглюкозу и другие сахара в молочную кислот, его содержание минимально вбольшинстве сортов пива. Несколько не идентифицированных пиков также разделены.
Неорганическианионы
Неорганическиеанионы вносимые в пиво с исходной водой имеют важное влияние на вкус пива.Таким образом, вода может быть контролирована ионной хроматографией длягарантии ее чистоты и состава. Не смотря на надуманное добавление высокихконцентраций некоторых анионов таких как сульфат, чрезмерные количествасульфатов и хлоридов могут ухудшать вкус пива. В добавок, высокие концентрациитаких анионов как нитрат (если он превращается в нитрит) могут повредить дрожжив процессе брожения. Следовательно, мониторинг анионного состава важный шаг впроизводстве пива. Неорганические анионы разделяются на анионообменной колонкеи определяются кондуктометрическим детектором. Для эффективного градиентногоэлюирования используется гидрокись вместо карбоната из-за низкой электропроводностигидроокиси.
Рисунок 6показывает одновременное разделение смеси органических и неорганических кислотв Американском эле. Перед дозированием проба разбавлялась 1:40. Концентрациягидрооксида натрия в элюенте 2 достаточно слаба чтобы разделить фторид ислабоудерживаемые моновалентные органические кислоты. Добавление метанола вэлюент меняет селективность колонки для более гидрофобных анионов, и позволяетувеличить разделение сацината и малата а также тартарата и малеата, которые впротивном случае выходят одним пиком. Таким образом можно разделять не толькоанионы сильных кислот, то также различные органические кислоты. Воспроизводимостьметода 0.5% для времен удерживания и 2% для площадей пиков при хорошейлинейности детектирования (r 2 =0.999) в диапазоне 1.5 порядков. Первыйнеорганический анион фторид, часто добавлен в водопроводную воду, чтобыпредохранить разрушение зубов, он безвреден для пивоварения. Хлорид элюируетсявторым, и на уровнях выше 250 мг/л его присутствии увеличивает сладость пива.Тем не менее, это может также препятствовать дрожжевой флокуляции.
/>
Рисунок 6 Разделение неорганических анионов иорганических кислот в Американском эле.
Переддозированием проба была разбавлена 1:40.
Нитрат раньшерассматривался как проблема для процесса пивоварения, но оказалось что — этонитрит полученный из нитрата, влияет на дрожжевой метаболизм и вызывает слабоеили незаконченное брожение. Сульфат присутствует в природной воде, но наделяетострый, сухой привкус на хорошо хмельное пиво и следовательно поддерживается наминимуме. Наконец, фосфат присутствует в солоде и буферизует месиво в немногокислое pH.
Неорганическиекатионы
Как и вслучае с неорганическими анионами, большинство неорганических катионов попадаетв пиво с исходной водой. Четыре наиболее распространенных катиона в пиве — этонатрий, калий, кальций и магний.
Некоторые изних влияют на рН месива, в то время как другие влияют на вкус пива. Другиеметаллы такие как свинец, медь и цинк также контролируются с целью гарантироватьих отсутствие поскольку они ядовиты даже в незначительных количествах. Этастатья фокусирует внимание на щелочных и щелочно-земельных металлах.Неорганические катионы разделены методом ионообменной хроматографии с кондуктометрическимдетектированием градиент позволяет разделять барий и стронций в дополнение кпяти катионам показанным на рис. 7. Переход на 5 мин от более слабого ксильному элюенту позволяет сузить пики для двух-валентных катионов. Воспроизводимостьметода 0.5% по времени и 2% по площадям пиков.
/>
Рисунок 7 Разделение неорганических катионов,разбавленных 1:40, в американском легком пиве.
Линейностьвеликолепная (два порядка для магния) при коэффициенте детерминации r 2 =0.999, для всех компонентов кроме аммония. Если нет необходимостиконтролировать барий и стронций, то условия можно изменить и анализировать пятькатионов показанных на рис. 7 в изократическом режиме за 10 мин. Рис. 7показывает разделение основных катионов в пиве. Проба была дегазирована иразбавлена перед дозированием 1:40. натрий элюируется первым. При концентрации75-150 мг/л, это дает солоноватость пиву когда связывается с хлоридом. Еслитакже много сульфата, натрий придает неприятную резкость во вкусе. Калийэлюируется следующим, и подобно натрию придает пиву слегка соленый вкус. Онтакже может тормозить действие некоторых ферментов в месиве. Магний — важноепитательное вещество для дрожжей на уровнях около 10-20 mg/L, но наделяетострый, горько-кислый вкус на уровнях значительно выше чем 20 mg/L.
Кальцийнаиболее важный металл, однако его реакция с фосфатом в солоде уменьшает рНмесива и сусла. Он также помогает действию ферментов, но не влияет на вкус.Использование ионообменного разделения при определении мышьяка вприродных объектах методом ИВА[20]
Прямоеопределение мышьяка методом ИВА в объектах природного происхождения ввидусложности их компонентного состава в большинстве случаев невозможно из-замешающего влияния некоторых элементов, таких как медь, железо, ртуть. Из-заблизости потенциалов анодные пики указанных металлов маскируют пик мышьяка,изменяют форму остаточного тока, ухудшают воспроизводимость результатов.Присутствие 500- кратного избытка железа (III) и 50- кратного меди (II) делаетопределение мышьяка невозможным.
Всвязи с этим для устранения мешающего влияния меди (II), железа (III), ртути(II) при определении мышьяка в природных объектах предложен метод ионногообмена. Находясь в растворе в анионной форме или в виде нейтральных молекул,мышьяк проходит в фильтрат, в то время как катионы указанных металловпоглощаются на катионите.
Привыборе оптимальных условий сорбции меди (II), железа (III), ртути (II) измодельных растворов были исследованы катионообменники КУ-2, КБ-2Э, КБС, КБ-2Т;получены их физико-химические характеристики (набухаемость, кислотность, полнаяобменная емкость). Сорбцию Ме 2+ изучали в статических условиях припостоянном перемешивании в зависимости от времени сорбции, навески ионита,температуры, рН и концентрации исходных растворов. Степень сорбции железа (III)и меди (II) контролировали методом ИВА на золотоуглеродистом электроде. Былоустановлено, что при навеске 0,0500 г ионитов КБ-2Э, КБС и КБ-2Т достигаетсяполное извлечение ионов за 30 минут при рН 3-5; на КУ-2 при рН 1-5 и навеске 0,1000 г — за 60 минут.
Полученныеданные указывают на возможность включения в стадию пробоподготовки ионообменноеотделение мешающих определению мышьяка примесей при анализе природных объектов.Методику ионообменного отделения меди (II), железа (III), ртути (II) применилидля определения мышьяка методом ИВА в пробах почв, какао, чая, моллюсков. Методэкспрессен, не требует применения инертного газа. Анализ одной пробы длится 1-2минуты.
Электроды с откликом на некоторыелекарственные препараты[21]
В последнее время все более широкоераспространение в аналитической практике получают электроаналитические методы,основанные на использовании ионоселективных электродов. Объясняется это тем,что по сравнению с традиционными методами анализа указанныеэдектроаналитические методы обладают рядом важных преимуществ, в частностипозволяют проводить исследования биологических объектов как in vivo, так и invitro с целью определения концентрации (активности) физиологически важныхионов, например некоторых лекарственных препаратов. Это в свою очередь облегчаетдиагностирование заболеваний, позволяет выбрать оптимальный курс лечения ивести постоянный контроль за интенсивностью последнего.
В качестве лекарственных средств дляионометрического контроля с использованием ионоселективных электродов быливыбраны широко используемые в медицинской практике препараты: нитроксолин,норсульфазол, стрептоцид. Ионоселективные электроды с твердой мембраной былиизготовлены на основе ионных ассоциатов соответствующих лекарственных препаратовс гетерополикислотами: фосфорномолибденовой, фосфорновольфрамовой.Изготовленные электроды обладают удовлетворительными метрологическимихарактеристиками. Время отклика не превышает 40 сек, электродная функциялинейна до концентраций 10-4 моль/л, крутизна электроднойфункции (при 200С) составляет 40-55 мВ/декаду. Последний параметрнесколько ниже теоретического, однако, в ряде случаев это не препятствуетпрактическому использованию таких электродов для анализа. Оценен диапазон pH, вкотором электроды сохраняют работоспособность и селективность в отношениинекоторых мешающих ионов. Таким образом, основные характеристики изготовленныхэлектродов позволяют предполагать, что они могут найти применение при анализенекоторых биологических объектов, а также контроле технологических процессов,связанных с изготовлением соответствующих лекарственных препаратов.
Особенностираспределения форм тяжелых металлов в поверхностных водах озера Кучак[22]
Методатомно-абсорбционной спектрофотометрии в комбинации с мембранной фильтрацией иионообменной хроматографии применен для изучения распределения Mn, Cu, Zn, Cdсреди сосуществующих форм в воде оз. Кучак.
Несмотряна то, что наблюдение за оз. Кучак ведется с 1954 г. и оно использовалось для рыборазведения и нагула рыб ценных пород, определение содержания ТМне проводилось. Отбор проб и анализ их на содержание ТМ, проведенный нами в2001-2003гг. показал, что в некоторых зонах наблюдается превышение ПДК по Мn (в16-34 раза), Zn (в7-155 раз), Си (в 11-50 раз).
Определениеформ нахождения ТМ проводили в пробах воды, отобранных в наименее биологическиактивный период (февраль-март) с двух горизонтов: поверхностного и придонного.Взвешенные формы ТМ отделяли путем мембранной фильтрации проб воды черезфторопластовые мембраны со средним размером пор 0,45 мкм. Для разделенияхимических форм элементов по знаку заряда пробы воды пропускали через катионитКУ-2 в Nа+-форме. Определения проводили и использованием ААС сэлектротермической атомизацией пробы “Спираль-17”.
Установлено,что в воде преобладают растворенные формы металлов: доля их для Cd составляет65-77%, для Мп 76-98%, Си 63-89%, Zn 66-86%. Исключение составляет РЬ: для негопреобладающей является взвешенная форма. “Свободные” и связанные в малопрочныекомплексы ионы исследуемых металлов составляют 22-42% для Cd, 82-91% для Мп,17-56% для Си, 27% для РЬ и 6-41% для Zn от общего содержания растворимых форм.Большая часть Cd (58-78%), Zn (59-94%) и Си (44-83%) находится в составе комплексныхсоединений с РОВ, преимущественно анионного характера, среди которых доминируютпродукты метаболизма водных растений и животных и гумусовые вещества.Содержание органического вещества (27,5 мг/дм3) оценено по величинебихроматной окисляемости, а по соотношению перманганатной и бихроматнойокисляемости (44,0%) установлено, что терригенный гумус преобладает посравнению с планктонным гумусом.
ГЛАВА 3. АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ
/>
Ионный хроматограф ICS–90 фирмы DIONEX(США)
Это самый простой и дешевыйприбор в линейке хроматографов ICS от компании Dionex, но в тоже время в немотражены все передовые разработки от лидера в области ионной хроматографии.Система ICS-90 – интегрированная, одноканальная, изократическаяхроматографическая система, позволяющая анализировать анионы и катионы вразличных объектах всего за 10–20 мин. Система ICS-90 предназначена длярутинного анализа, являясь компактной и не дорогой в обслуживании.
/>
Ионный хроматограф ICS-1000 фирмы DIONEX(США)
Комплексная, конфигурированнаясистема, предназначенная для изократического ионнохроматографическогоразделения с кондуктометрическим детектированием. Система включает в себядвухплунжерный насос, термостатируемую кондуктометрическую ячейку,дополнительный термостат для колонок, и on-line вакуумный дегазатор.Хроматограф ICS-1000, снабженный системой подавления фоновой проводимости(AutoSuppression®) сочетает в себе высокую производительность с простотой виспользовании. Автоматически осуществляется полный контроль и сбор данныхпосредством ПК.[23]
ЛИТЕРАТУРА
1. Фритц Дж., Гьертде Д., Поланд К. Ионнаяхроматография. М.: Мир. 221 с.
2. Шпигун О. А, Золотов Д.А. Ионнаяхроматография и её применение в анализе вод. Издательство МГУ, 1990. — 150c.
3. Несмеянов А. И., Несмеянов Н. А. Основыорганической химии. М: Изд. Химия. 1983. Т.2. С.169 — 180.
4. Карпов Ю.А., Савостин А.П. Пробоподготовкав экологическом анализе. М.: Бином, 2003. – 235с.
5. Другов Ю.С. Экологическая аналитическаяхимия. С.-Пб.: Анатолия, 2002. – 468 с.
6. Основыаналитической химии / Под ред. Ю.А. Золотова. В 2-х т. М.: Высш. шк., 2000. –345 с.
7. Основыаналитической химии. Практическое руководство / Под ред. Ю.А. Золотова. М.:Высш. шк., 2001. – 249 с.
8. Кунце У., ШведтГ. Основы качественного и количественного анализа / Пер. с нем. М.: Мир, 1997.– 321 с.
9. Пилипенко А.Т.,Пятницкий И.В. Аналитическая химия. В 2-х т. М.: Химия, 1990. – 450 с.
10. Юинг Г. Инструментальныеметоды химического анализа / Пер. с англ. М.: Мир, 1989. – 427 с.
11. Дерффель К.Статистика в аналитической химии / Пер. с нем. М.: Мир, 1994. – 341 с.
12. Кузьмин Н.М.,Золотов Ю.А. Концентрирование следов элементов. М.: Наука, 1988. – 237 с.
13. Москвин Л.Н.,Царицына Л.Г. Методы разделения и концентрирования в аналитической химии. Л.:Химия, 1991. – 364 с.
14. Тельдеши Ю.Радиоаналитическая химия / Пер. со словац. М.: Энергоатомиздат, 1987. – 267 с.
15. Шараф М.А.,Иллмен Л., Ковальски Б.Р. Хемометрика / Пер. с англ. Л.: Химия, 1989. – 223с.
16. Айвазов Б.В. Введениев хроматографию. М.: Высш. шк., 1983. – 349 с.
17. В.Н. Филимонов,С.И. Сирицо, Л.Н. БалятинскаяВнеколоночное образование ионной пары дляразделения смеси карбоновых и оксикислот методом ион-парной вэжх.
18. Суслова А.Д., Корнилов С.Н., Ившин Н.В.,Ившина Т.Н. Определениеполифенольных соединений подвидов подорожника большого.
19. Анализ объектов окружающей среды /под ред.Р. Сонияси. М.: Мир, 1993.20. АвгустиновичО.В., Наумова Л.Б., Хустенко Л.А., Шелковников В.В.Использованиеионообменного разделения при определении мышьяка в природных объектах методомИВА.
21. Давыдова Н.Н., Заболотная А.А., Сергеева Л.В. Электроды с откликом на некоторыелекарственные препараты.
22. Шуталева Е. А.Особенности распределения форм тяжелых металлов в поверхностных водах озераКучак.
23. http://www.eliks.ru