Cromatografia per Scambio Ionico

Nella cromatografia per scambio ionico, la ritenzione si basa sull’attrazione tra gli ioni del soluto e i siti carichi legati alla fase stazionaria.

La fase stazionaria è costituita da una resina a scambio ionico, ossia un supporto organico al quale sono legati dei gruppi ionici o ionizzabili (ad esempio –SO3

-, -COO-, -NR3+).

I gruppi ionici della resina trattengono per mezzo di interazioni elettrostatiche, controioni di carica opposta che possono essere scambiati con gli ioni presenti nella fase mobile.

Il meccanismo di separazione è basato perciò sulla diversa affinità che i diversi soluti (ionici) presentano nei confronti dei gruppi attivi della resina.

solitamente uno scheletro polistirenico ottenuto per copolimerizzazione dello stirene con il divinilbenzene.

Gli anelli benzenici possono venire modificati per produrre una resina a scambio cationico contente gruppi solfonato (-SO3

-) oppure una resina anionica contenente gruppi ammonici (-NR3

+).Se al posto dello stirene si usa acido metacrilico si ottiene una resina con gruppi attivi carbossilici e scheletro acrilico divinilbenzenico (-COO-).

Lo scambiatore si dice cationico quando contiene delle cariche negative e i cationi sono attratti elettrostaticamente da questi siti di carica opposta.

Lo scambiatore si dice anionico quando contiene dei gruppi carichi positivamente in grado cioè di legare degli ioni di carica negativa.

Su questa matrice sono fissati dei raggruppamenti ionici (quali –SO3-, -COO-, -

NR3+) in grado di interagire con uno ione metallico per semplice scambio ionico

In generale le resine a scambio ionico sono costituite da un reticolo irregolare tridimensionale di catene di natura organica unite tra loro da legami incrociati.

Cationico Anionico

Forte -SO3- H+ -N+(CH3)3 OH-

Debole -COO- H+ -N+H3 OH-

Ridotto intervallo di pH di utilizzo

Ampio intervallo di pH di utilizzo

La comune definizione delle resine ioniche è fatte sulla base della acidità del loro gruppo attivo

L’affinità maggiore per la fase resina è per ioni:

• a carica elevata, • a piccolo raggio di idratazione, • molto polarizzabili

(polarizzabilità è capacità della nuvola elettronica di uno ione a venire deformata da cariche vicine e a formare un dipolo).

In generale le specie che presentano più cariche tenderanno a legarsi più fortemente alla resina

È necessario l’impiego di uno ione competitore perché gli analiti vengano rilasciati: ELUENTE

È la variante ad alta pressione (prestazioni) della cromatografia per scambio ionico

Serve per separare e quantificare ioni, in particolare inorganici, utilizzando resine a scambio ionico

Cromatografia Ionica

Il cromatografo ionico è sostanzialmente un HPLC ed è composto da:

Riserva di eluente

Pompa tipo HPLC

Valvola Iniezione

Colonna

Soppressore

Rivelatore a Conducibilità

Integratore

ColonneSono il cuore dello strumento.

La separazione avviene per una serie di equilibri di scambio tra fase stazionaria e fase mobile (eluente)

Gli ioni con carica netta più elevata (al pH dell’eluente) vengono trattenuti più fortemente

A parità di carica vi è un ordine di selettività che dipende dal tipo di fase stazionaria (dipende dalle costanti di scambio)

Forti Deboli

Se rimane costante durante tutta l’analisi -> Eluizione Isocratica

Se cambia di composizione durante l’analisi -> Gradiente di Eluizione

Forza Ionica

pH Concentrazione dei costituenti

EluenteLa fase eluente deve contenere elettroliti forti, composti ionici completamente dissociati, in grado di competere con gli analiti nello scambio con la resina. Gli analiti vengono eluiti più velocemente quanto più è alta la concentrazione di competitori.

Il gradiente si può comporre:

sotto pressione con una pompa per ogni componente (più riproducibile ma strumentazione più costosa)

non sotto pressione con l’ausilio di un miscelatore posto prima della pompa

Può contenere solventi organici (CH3CN, MeOH, ecc.) per evitare l’adsorbimento per interazione idrofobica su resina o gruppi funzionali di analiti organici

RivelatoreDato che si determinano ioni, il rivelatore universalmente utilizzato è costituito da una piccola cella conduttimetrica.

Applicando una piccola ddp tra i due elettrodi, fluisce una corrente proporzionale alla conducibilità dell’eluente + analita.

Problema: poiché i rivelatori a conducibilità rispondono a tutti gli ioni e l’eluente è costituito da una soluzione elettrolitica concentrata, il suo segnale coprirebbe quello degli analiti.

Come è possibile ovviare al problema?

La conducibilità dell’eluente viene eliminata mediante un SoppressoreL’unità di soppressione può essere costituita da:

Cartucce usa e getta

Micromembrana rigenerata controcorrente

Micromembrana rigenerata elettroliticamente

Il soppressore è uno scambiatore di ioni di segno opposto rispetto agli analiti ed ha lo scopo di diminuire il segnale di fondo dato dagli ioni contenuti nell’eluente.

Integrazione e quantificazione

Il rivelatore produce un segnale elettrico analogico (E) che viene digitalizzato e “contato” tramite un integratore (o un interfaccia A/D e un computer).

L’area dei picchi del cromatogramma è proporzionale alla concentrazione dell’analita rendendo possibile la quantificazione.

Separazione di Anionies. Cl-, NO3- e SO4

2-

Nella colonna gli anioni si separano ed escono a diversi tempi in forma Na+ (Na+Cl-,…) insieme ad un largo eccesso di Na+HCO3

- e Na+

2CO32-

Nel soppressore il catione coordinato (Na+) viene sostituito da H+.

Tutti gli analiti, trasformati in acidi forti, (H+Cl-,…) danno un segnale mentre l’eluente, ora H2CO3 poco dissociato, non viene rivelato

La configurazione dello strumento è: colonna con resine ammonio quaternario in forma HCO3

-; soppressore in forma H+; rivelatore conduttimetrico. Gli analiti in esame sono dissociati a qualsiasi pH quindi scegliamo come eluente una miscela Na2CO3/NaHCO3

es. Na+, K+ e NH4+

Nella colonna i cationi competono con H+ e si separano. Escono coordinati a Cl- (Na+Cl-,…) insieme ad un largo eccesso di H+Cl-

Nel soppressore l’anione coordinato (Cl-) viene sostituito da OH- e l’eccesso di H+ viene neutralizzato ad H2O.

Tutti gli analiti, trasformati in idrossidi dissociati, (Na+OH-,…) danno un segnale

La configurazione dello strumento è: colonna con resine solfoniche in forma H+; soppressore in forma OH-; rivelatore conduttimetrico. In questo caso l’eluente è HCl

Separazione di Cationi