Определение кремния и фосфора в виде молибденовых гетерополикислот методом ион-парной обращеннофазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии

УДК 543.544

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРЕМНИЯ И ФОСФОРА В ВИДЕ МОЛИБДЕНОВЫХ ГЕТЕРОПОЛИКИСЛОТ МЕТОДОМ ИОН-ПАРНОЙ ОБРАЩЕННОФАЗОВОЙ

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ ЖИДКОСТНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ

О. В. Крохин, Д. Б. Дубовик, А. В. Иванов, О. А. Шпигун

Изучено хроматографическое удерживание молибденовых гетерополикислот кремния и фосфора в виде ионных ассоциатов с бромидом тетрабутиламмония на обращенной фазе С18 в варианте ион-парной высокоэффективной жидкостной хроматографии (УФ-детектирование при 310 нм). Оптимизированы условия разделения, предложена методика хроматографического определения кремния и фосфора в воде при совместном присутствии. Градуировочные графики линейны в интервале 0,01-0,1 мкг/мл (кремний) и 0,02-0,15 мкг/мл (фосфор). Пределы обнаружения кремния и фосфора составляют (1,4±0,3).10 мкг/мл и (6,7±1,2)-10 мкг/мл соответственно. Методику применили для анализа дистиллированной воды.

Определение низких концентраций кремния, фосфора, мышьяка и германия в промышленных и биологических объектах представляет собой актуальную задачу. Обычно эти элементы определяют в виде гетерополикислот (ГПК), главным образом молибденовых, спектрофото-метрическим, экстракционно-фотометрическим или электрохимическим методами [1, 2]. Однако вследствие схожести физико-химических свойств и условий образования определение элементов в виде ГПК довольно сложно и трудоемко. Повысить селективность определе-

ния кремния, фосфора, германия и мышьяка при совместном присутствии можно с помощью различных вариантов ВЭЖХ, позволяющих одновременно разделять и определять все компоненты пробы, в сочетании со спектро-фотометрическим детектированием. В работах по хроматографическому определению ГПК предложены как нормально-фазовый (НФ), так и обращенно-фазовый (ОФ) механизмы разделения [3-9]. Однако чувствительность большинства предлагаемых методик невысока, поэтому необходима предварительная стадия концентрирования.

Для снижения пределов обнаружения используют в основном экстракционные варианты концентрирования.

В данной статье отражен поиск оптимальных условий хроматографического определения кремния и фосфора в виде ионных ассоциатов ГПК с бромидом тетрабутилам-мония (ТБА) и разработка методики одновременного определения кремния и фосфора.

Экспериментальная часть

Реагенты и растворы. Для получения молибдокрем-ниевой кислоты (МКК) в виде а - и в - форм Н 4[SiMo12O40] и восстановленной формы H6[SiMo12O40] в аналитических условиях применяли: 10%-й раствор (NH4)6Mo7024-4H20; раствор Na2Si039H20 («х.ч»), содержащий 1 г/л кремния (растворы с концентрацией кремния 100 и 10 мкг/мл готовили разбавлением исходного раствора); 10%-й раствор щавелевой кислоты; 1 М раствор H2SO4. Для получения молибдофосфорной кислоты (МФК) использовали раствор КН2Р04, содержащий 1 г/л фосфора. Раствор а-МКК (10~2 М) синтезировали эфиратным методом [10].

Для создания необходимой кислотности использовали 5,4 М H2SO4, для восстановления МКК использовали 5%-й раствор аскорбиновой кислоты.

В качестве ион-парного реагента применяли 0,1 и 5-10"3 М водные растворы ТБА [(C4H9)4N+Br]. Для приготовления элюентов использовали ацетонитрил, СН3С00Н(лед), №^04(безв), СН3С00№(безв). Все растворы готовили в бидистиллированной воде, все реактивы имели квалификацию «ч.д.а».

Аппаратура. Оптическую плотность растворов измеряли на фотоэлектроколориметре КФК-2. Кислотность растворов контролировали на универсальном иономере ЭВ-121.

Хроматографическое определение проводили на хроматографе «Biotronik BT8100» (Германия) со спектро-фотометрическим детектором ВТ 8200 при 310 нм; колонка «Mightysil RP-18» (4,6x150 мм) (Япония) с сорбентом C18-SiO2, размер частиц 5 мкм; сигнал детектора регистрировали на самописце «Jasco RC-150» (Япония).

Методика эксперимента

Получение в-МКК в растворе. В колбу емкостью 25 мл помещали раствор, содержащий 10 мкг/мл кремния. Добавляли воду (до половины объема колбы), 0,5 мл 1 М серной кислоты, перемешивали и прибавляли 1 мл 10 %-го раствора молибдата аммония (рН раствора 1,51,8). Раствор разбавляли до метки водой и измеряли оптическую плотность через 10 мин при 400 нм. Для приготовления восстановленной формы (СМКК) через 20 мин после добавления молибдата аммония добавляли 2 мл 1 0%-го раствора щавелевой кислоты и 1 мл 5%-го раствора аскорбиновой кислоты. Растворы разбавляли до метки водой.

Получение а-формы МКК. В колбу емкостью 25 мл помещали раствор, содержащий 10 мкг/мл кремния. Добавляли воду (до половины объема колбы) затем 5 мл ацетатного буферного раствора, перемешивали и прибавляли 1 мл 10%-го раствора молибдата аммония (рН

раствора 3,9-4,0), через 15 мин раствор разбавляли до метки водой. Для приготовления восстановленной формы после добавления молибдата аммония вносили 2 мл 10 %-го раствора щавелевой кислоты и 1 мл 5%-го раствора аскорбиновой кислоты.

Получение МФК. В колбу емкостью 25 мл помещали раствор, содержащий 10 мкг/мл фосфора. Добавляли воду (до половины объема колбы) и 2 мл раствора 5 М серной кислоты, перемешивали и прибавляли 1 мл 10 °/чгго раствора молибдата аммония. Раствор разбавляли до метки водой.

Приготовление элюентов. В колбу емкостью 1 л помещали 3,94 г Na2SO4, 250 мл вод^1 и встряхивали до полного растворения, затем добавляли 100 мл ацетатного буферного раствора, приготовленного растворением 1,47 г СН3СОО№(безв) и 4,8 мл СН3СООН(лед) в 95,2 мл бидис-тиллированной воды. Добавляли определенное количество ТБА, воду и ацетонитрил до 0,95 л. Раствор перемешивали на магнитной мешалке до полного растворения выпавшего осадка (0,5-1 ч), затем подкисляли 8 М HCl до рН 3,9-4,0 и разбавляли водой до 1 л.

Результаты и их обсуждение

Оптимизация условий хроматографического определения. Получение концентрата ГПК в виде ионного ассо-циата с ТБА в ацетонитриле при изучении сорбции в статическом режиме [11] повлияло на выбор дальнейшего режима хроматографического определения. В работе [4] предложен состав подвижной фазы для определения ГПК кремния и фосфора методом ОФ ВЭЖХ (ацетонитрил (55%)-вода-ТБА(0,02 М)-0,75 М H2SO4). Однако высокое содержание H2SO4 в подвижной фазе может приводить к коррозии оборудования. Предварительно было установлено, что концентрация серной кислоты не влияет существенно на хроматографическое поведение ГПК. Таким образом, был выбран следующий состав подвижной фазы: 60% ацетонитрил - ацетатный буферный раствор

Рис. 1. Хроматограмма смеси МКК и МФК

Рис. 2. Хроматограммы растворов Р-МКК (а) и Р-СМКК (б) (с^= 1 мкг/мл). Элюент - ацетонитрил:вода (50:50), 0,1 М ацетатный буферный раствор(рН 3,9), 0,2 мМ ТБА

(рН 3,9) - 0,8 мМ ТБА. Хроматограмма, полученная в этих условиях, приведена на рис. 1.

При меньшем содержании ацетонитрила (до 50%) время выхода МКК увеличивается до 20 мин. При увеличении концентрации ацетонитрила более 60% может происходить слияние пиков МКК и изополимолибдата, образующегося при растворении молибдата.

Выбор формы ГПК для хроматографического определения. Молибденовые ГПК фосфора и кремния могут существовать в виде желтой (невосстановленной) и синей (восстановленной) форм. Кроме того, ГПК кремния также могут быть получены в виде а- и Р-изомеров. Поэтому мы изучили хроматографическое поведение каждой из этих форм.

На хроматограмме желтой, невосстановленной формы (МКК) присутствует один пик (рис. 2), в то же время синяя, восстановленная, форма (СМКК) проявляется в виде серии пиков. Возможно, это связано с большей основностью СМКК и возможностью образования различных по составу ионных ассоциатов с ТБА, которые разделяются в данных условиях. Поэтому в дальнейшем работу проводили только с невосстановленными формами ГПК. Хрома-тограмма смеси а- и Р-изомеров МКК имеет два пика (рис. 3). Для идентификации пиков получены хромато-граммы смесей при различных соотношениях форм. Как видно из хроматограмм, через 1,5 ч заметен переход Р-изомера в а-изомер. Следовательно, для получения единичного пика МКК необходимо соблюдать условия образования: рН 4 и рН 1,8 для а- и Р-формы соответствено. На основании проведенных исследований были выбраны условия построения градуировочного графика с целью одновременного определения кремния и фосфора в водных растворах.

Построение градуировочного графика. В колбу емкостью 25 мл помещают раствор кремния (12-75 мкг) и раствор фосфора (25-250 мкг), 1 мл 10%-го раствора молибдата аммония, 0,5 мл 1 М раствора серной кислоты, (рН 1,5-1,8). Через 15 мин добавляют 2 мл 5,4 М раствора серной кислоты и доводят объем колбы до метки

водой. Вводят 20 мкл пробы в хроматограф и измеряют высоту хроматографических пиков при длине волны 310 нм. Уравнения градуировочных графиков, пределы обнаружения и области линейности градуировочных графиков для кремния и фосфора приведены в табл. 1.

Хроматографическое определение ГПК с предварительным концентрированием. Для повышения чувствительности определения кремния и фосфора в виде ГПК предложено использовать концентрирование с сорбцион-но-фильтрационным механизмом на стекловате. После концентрирования ГПК находится в пробе в виде ионного ассоциата с ТБА, растворенного в ацетонитриле. При прямом вводе пробы концентрата в хроматограф в выбранных хроматографических условиях вместо единичного пика МКК было получено два пика. Изучение влияния содержания ацетонитрила в пробе на форму хроматогра-фического пика МКК показало, что при содержании аце-тонитрила менее 50% хроматографический пик идентичен пику, полученному при вводе водного раствора.

Таким образом, негативное влияние ацетонитрила на форму хроматографического пика МКК может быть устранено понижением содержания ацетонитрила до 50% при разбавлении концентрата водой. Хроматограмма, полученная в этих условиях, приведена на рис. 4. Из хрома-тограммы видно, что пик изополимолибдата практически отсутствует. Это связано с тем, что при концентрировании ГПК в сильно кислых средах избыточное количество Мо(У1) переходит в катионную форму МоО22+, не взаимодействующую с катионом ТБА. Таким образом, в результате происходит не только концентрирование, но и отделение от избыточного количества молибдата, что значительно упрощает дальнейшее хроматографическое определение, особенно МКК. Кроме того, изменяется хроматографическое поведение МФК - уменьшается время удерживания и ширина пика.

Методика построения градуировочного графика хроматографического определения МКК и МФК после предварительного концентрирования. В колбу емкостью 100 мл вводят 1-10 мкг кремния и 2-15 мкг фосфора, 75 мл воды, 4 мл 10%-ого раствора молибдата аммония и 1,5 мл 2 М Н2804 (рН 1,8), через 10 минут добавляют 11 мл 5,4 М серной кислоты и доводят объем до 100 мл бидистиллированной водой. После добавления 2 мл 10 2 М раствора ТБА смесь пропускают через патрон со стекловатой со скоростью 4 мл/мин. Десорбцию проводят 2,5 мл ацетонитрила. Объем концентрата доводят до 4 мл водой. Полученную пробу хроматографируют при объемной скорости элюента 1 мл/мин, детектирование проводят при 310 нм. Характеристики хроматографичес-кого определения кремния и фосфора приведены в табл. 1 . Видно, что при концентрировании из 1 00 мл раствора предел обнаружения для кремния снизился в 50 раз, а для фосфора более чем в 230 раз (табл. 1).

Сравнивая полученные уравнения градуировочных графиков для водного раствора и концентрата, можно сделать вывод, что градуировочные графики концентратов МКК и МФК имеют существенно больший тангенс угла наклона, чем аналогичные зависимости для водных

Рис. 3. Хроматограммы смеси растворов а- и Р-форм МКК. Соотношение а: в: а - 1:1; б - 2:1; в - 1:2; г - 1:1 через 1,5 ч после приготовления раствора в-формы. Элюент: ацетонитрил:вода (50:50), 0,1 М ацетатный

буферный раствор( рН 3,9), 0,2 мМ ТБА

растворов. Вероятно, такое увеличение чувствительности связано с подавлением диссоциации гетерополикомплекса при переходе из водного раствора в органическую фазу. Это явление хорошо известно в жидкостной экстракции гетерополисоединений. В некоторых случаях при определении МФК в водном растворе методом ВЭЖХ в анализируемый раствор предварительно добавляют ацетонит-рил или другой смешивающийся с водой растворитель для увеличения степени образования ГПК [4]. Разница в полноте образования ГПК в водных и органических растворах особенно существенна для менее устойчивых комплексов. Градуировочные графики для водного

Рис. 4. Хроматограмма концентрата МКК и МФК

Т а б л и ц а 1

Характеристики хроматографического определения кремния и фосфора

Характеристика Без концентрирования С сорбционным концентрированием

кремний фосфор кремний фосфор

Уравнение ГГ H = 47,6с + 2,1

Диапазон линейности, мкг/мл 0,05 3 1 10 0,01 0,1 0,02 0,15

Предел обнаружения, мкг/мл 0,070±0,008 1,56±0,15 (1,4±0,3)10 3 (6,7±1,2) -10 3

Коэффициент чувствительности 47,6 2,1 2300 490

Т а б л и ц а 2

Результаты хроматографического определения кремния и фосфора в дистиллированной воде

Кремний, мкг Фосфор, мкг

Введено Найдено sr Введено Найдено sr

0 0,87±0,08 0,091 0 0

1 1,65±0,15 0,097 6 6,72±0,71 0,011

раствора и концентрата различаются сильнее в случае менее устойчивой МФК.

Методика определения кремния и фосфора в воде. На основании проведенного исследования предложена методика определения кремния и фосфора в воде для анализа дистиллированной воды. Правильность предлагаемой методики оцениваю т методом введено-найдено. В колбу емкостью 100 мл вводя т 75 мл образца воды. Затем проводят те же операции, что и при построении градуировочного графика. Объем вводимой в хроматограф пробы составляет 20 мкл. Результаты определения представлены в табл. 2.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Федоров А.А., Черняховская В.Ф., Вернидуб А. С. и др. Анали-

тическая химия фосфора. М., 1974.

2. Мышляева Л.В., Краснощеков В.В. Аналитическая химия крем-

ния. М, 1972.

3. Sakurai N., Kadohata K., Ichinose N. // Fresenius J. Anal. Chem.

1983. 314. P. 634.

4. Koshishi I., Imanari T. // Analyt. Sciences. 1985. 1. P. 253.

5. Басова Е.М., Дорохова Е.Н., Цигулев О.Н. //ЖАХ. 1997. 52.

C. 1077.

6. Басова Е.М., Кондик Е.Ю, Дорохова Е.Н. // ЖАХ. 1998. 53.

C. 152.

Полученные результаты свидетельствуют о перспективности сочетания сорбционного концентрирования ГПС кремния и фосфора в виде ионных ассоциатов с четвертичными аммониевыми основаниями с последующим хроматографическим определением. При этом происходит не только абсолютное концентрирование, но и улучшаются метрологические характеристики последующего хрома-тографического определения.

Другой возможный способ повышения чувствительности - использование препаративной противоточной хроматографии [12] для концентрирования ГПС с последующим ВЭЖХ-определением.

7. Басова Е.М., Дорохова Е.Н. //ЖАХ. 1998. 53. C. 491.

8. Басова Е.М., Цигулев О.Н., Дорохова Е.Н. // Вестн. Моск. ун-

та. Сер. 2. Химия. 1996. 37. С. 361.

9. Braungart M., Russel H. //Chromatographia. 1984. 19. Р. 185.

10. Карякин Ю.В., Ангелов И.И. Чистые химические реактивы. М., 1955.

11. Тихомирова Т.И., Крохин О.В., Дубовик Д.Б. и др. // ЖАХ. 2002. 57. C. 24.

12. Countercurrent chromatography. Editors: J.M. Menet, D. Thiebaut. NY.-Basel, 1999.

Поступила в редакцию 02.09.01