Применение кремнезема с привитыми группами оксипролина для одновременного ионохроматографического определения натрия, хлорида и анионов дикарбоновых кислот

УДК 543.544

ПРИМЕНЕНИЕ КРЕМНЕЗЕМА С ПРИВИТЫМИ ГРУППАМИ ОКСИПРОЛИНА ДЛЯ ОДНОВРЕМЕННОГО ИОНОХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАТРИЯ, ХЛОРИДА И АНИОНОВ ДИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ

А. В. Иванов, П. Н. Нестеренко, А. Б. Тессман

Предложено использовать сорбент на основе кремнезема с привитыми биполярными группами оксипролина (Нурго-8Ю2) для одновременного ионохроматографического определения ионов сильных электролитов (Ка+, С1-) и анионов дикарбоновых кислот при кондуктометри-ческом детектировании. Подобные задачи могут возникать при расчете коэффициентов кати-онного обмена К(Н+,Ка+) на сорбированных дикарбоновых кислотах. Достигнуто разделение 4—5 дикарбоновых кислот, хлорида и натрия при использовании в качестве элюента 0,8 мМ фталевой кислоты.

Аминокислоты, привитые к поверхности химически модифицированных кремнеземов, как амфолиты в зависимости от рН могут обладать катионообменными или анионобменными свойствами (либо и теми, и другими вместе [1-4]). Так, сорбенты на основе кремнезема с привитыми циклическими аминокислотами - пролином (Pro-SiO2) и оксипролином (Hypro-SiO2) успешно применяли для одновременного ионохроматографического определения катионов щелочных и щелочноземельных металлов (Na+, K+, Mg2+, Ca2) и неорганических анионов (NO3-, Cl-, SO42-) [2, 3, 5]. Продемонстрировано селективное разделение 9-10 неорганических ионов в течение 10 мин на сорбенте Hypro-SiO2 [1, 2]. Однако селективность таких сорбентов по отношению к органическим анионам - например, анионам дикарбоновых кислот -ранее не изучали. Возможность одновременного определения органических и неорганических анионов и катионов щелочных металлов на биполярных сорбентах до сих пор даже не оценивали. Между тем подобная задача возникает, например, при определении коэффициентов обмена протонов на натрий ^(H,Na) на сорбированных ди-карбоновых кислотах в присутствии сильного электролита (NaCl) - параметров, необходимых при компьютерном расчете внутренних градиентов рН в хроматофокусирова-нии [6-8]. В этом случае после сорбции дикарбоновой кислоты на анионообменнике в статических условиях в одной пробе необходимо ионохроматографически определять концентрации натрия, однозарядных анионов ди-карбоновых кислот и неогранического аниона (хлорида) [9].

В данной статье рассматривается применимость сорбентов с привитыми группами пролина и оксипролина для селективного разделения анионов дикарбоновых кислот и одновременного определения в присутствии ионов сильного электролита.

Экспериментальная часть

Аппаратура и реагенты. В работе использовали хроматографическую систему, состоящую из насоса высокого давления «Beckman 114M» (США), инжектора «Rheodyne 7125» с петлей объемом 100 мкл, стальной хроматографической колонки для ВЭЖХ (250x4,6 мм), заполненной сорбентом на основе кремнезема с привитыми группами оксипролина (Hypro-SiO2) или про-лина (Pro-SiO2), кондуктометрического детектора «Conductolyzer 5300» (LKB-Bromma, Швеция). Сигнал детектора регистрировали на самописце «LKB» (Швеция). Пробы растворов отбирали с помощью микрошприца «Hamilton» (США) объемом 25 мкл.

В качестве элюента использовали растворы бензойной или фталевой кислот переменной концентрации (0,85 мМ). Для регулирования рН в элюент добавляли рассчитанное по программе «Acid-Base Calculator» [10] количество 1М раствора LiOH («Реахим», Россия). Скорость подачи элюента во всех случаях составила 1 мл/мин.

Кислотность растворов контролировали с помощью универсального рН-метра «рН-340» (ЗИП, Россия) со стеклянным индикаторным электродом и хлорид-серебряным электродом сравнения.

Растворы щавелевой, малоновой, янтарной, фталевой и малеиновой кислот готовили растворением точных навесок препаратов в бидистилляте. Все реагенты имели

квалификацию «ч.д.а.» Раствор хлорида натрия готовили из фиксанала (VEB-Feinchemie, Германия).

Методика эксперимента. Хроматографическую колонку, заполненную сорбентом Иурго-8Ю2 или Рго-8Ю2, уравновешивали элюентом в течение 50-60 мин, вводили в инжектор с помощью микрошприца раствор индивиду -ального вещества или модельную смесь и регистрировали хроматограмму по электропроводности эффлюента.

Обсуждение результатов

Выбор условий разделения. Сорбенты с привитыми группами пролина и оксипролина проявляют одновременно и анионо-, и катионообменные свойства в области рН от 3,5-4 до 6, что объясняется переходом привитых аминокислот в структуры, подобные внутренним солям [2, 4, 5]. При увеличении рН элюента до 5-6 удерживание анионов уменьшается, и селективность их разделения снижается, как было показано ранее на примере неорганических анионов; для катионов удерживание, наоборот, возрастает, и селективность разделения улучшается. Поскольку перед нами стояла задача селективного разделения ряда анионов дикарбоновых кислот и только одного катиона - мы выбрали для работы область рН 3,53,6 (табл. 1). В качестве элюентов выбрали растворы бензойной (р^1 = 4,20) и фталевой (р^1 = 2,95, рК2 = 5,41) кислот, часто используемых для разделения органических анионов методами ионной хроматографии на анионооб-менных сорбентах [5, 11-15] и ион-эксклюзионной хроматографии [11, 14, 15]. Растворы этих кислот обладают низкой электропроводностью, что необходимо при одновременном кондуктометрическом детектировании катионов и анионов; кроме того, неорганические и органические анионы можно косвенно детектировать фотометрически в УФ-области спектра благодаря заметному светопоглоще-нию бензольного кольца в молекулах бензойной и фтале-вой кислот.

Бензойная кислота как одноосновная более слабый элюент, чем двухосновная фталевая кислота, и, хотя при использовании ее 1 мМ раствора получили селективное разделение хлорида и ряда органических ионов (малона-та, сукцината, малеата) на сорбенте Рго-8Ю2, оксалат и фумарат в этих условиях элюировать за приемлемое время не удалось (табл. 1). Повышение концентрации бензойной кислоты до 4-5 мМ приводит к тому, что хлорид и большинство изученных анионов элюируются в диапазоне времени 3-6 мин, причем системный пик мешает определению хлорида и малоната. Поэтому в дальнейшем мы использовали в качестве элюента растворы фталевой кислоты.

При использовании 1 мМ раствора фталевой кислоты (рН 3,5) удерживание С1- и анионов дикарбоновых кислот на сорбенте Рго-8Ю2 уменьшилось (в течение 1213 мин удалось элюировать наиболее удерживаемый окса-лат), хроматографические пики хлорида, малеата и фума-рата в этих условиях заметно перекрываются (табл. 1). Уменьшение концентрации элюента до 0,8 мМ привело к незначительному увеличению времен удерживания, однако селективного разделения хлорида, малеата и фумарата осуществить не удалось (более того, пик оксалата в данных условиях частично перекрывается с системным пиком).

Ранее было показано, что двухзарядные неорганические анионы существенно лучше удерживаются на сорбенте

Нурго-БЮ2, чем на Рго-БЮ2 [5], что, вероятно, связано с присутствием ОН-группы в молекуле оксипролина. Резонно предположить, что анионы дикарбоновых кислот будут прочнее удерживаться на Нурго-БЮ2 вследствие образования водородных связей между карбоксильной группой аниона и ОН-группой оксипролина. Заметим, что такие взаимодействия возможны даже при рН среды ~3,5, когда одна карбоксильная группа дикарбоновой кислоты протонирована. Вместе с тем можно ожидать более селективного разделения изучаемых ионов на сорбенте Нурго-БЮ2.

При использовании 1 мМ раствора фталевой кислоты катион натрия элюируется практически сразу после ин-жекционного пика; сукцинат удерживается значительно слабее остальных анионов; наиболее сильно удерживаемые анионы (фумарат и оксалат) элюируются в течение 15-20 мин (табл. 1). Как и на сорбенте Рго-БЮ2 в аналогичных условиях, наблюдали значительное перекрывание пиков хлорида, малеата и малоната. Интересно отметить, что пики малоната и фумарата меняют направление и становятся «отрицательными». Отметим также (рис. 1), что хроматографические пики в системе «Нурго-БЮ2 -1 мМ фталевая кислота» более симметричные и узкие, чем в системе «Рго-БЮ2 - 1 мМ фталевая кислота»; чувствительность определения в этом случае также выше.

При использовании 0,8 мМ фталевой кислоты времена удерживания анионов дикарбоновых кислот и хлорида различаются наиболее сильно, а удерживание натрия не изменилось, что связано со слабыми катионообменными свойствами привитых молекул оксипролина при рН ниже 4. Оксалат элюируется на 26-27 мин (табл. 1), при этом его пик достаточно размывается. Снижение концентрации фта-левой кислоты в элюенте до 0,6 мМ, хотя и приводит к дальнейшему улучшению разделения хлорида, малоната и малеата, вызывает размывание хроматографического пика фумарата, а оксалат в данных условиях не элюируется в

Рис. 1. Разделение модельной смеси. Хроматографические пики: 1 -натрий, 2 - сукцинат, 3 - системный, 4 - хлорид, 5 - малеат, 6 -фумарат. Условия: колонка Нурго-8Ю2, 250x4,6 мм; элюент - 0,8 мМ фталевая кислота, рН 3,5; 1 мл/мин; детектирование - кондуктометри-ческое. Объем пробы 20 мкл. Концентрации кислот в смеси 1-5 мМ

Т а б л и ц а 1

Времена удерживания натрия, хлорида и анионов дикарбоновых кислот

Рис. 2. Разделение модельной смеси. Хроматографические пики: 1 - натрий, 2 - сукцинат, 3 - системный, 4 - хлорид, 5 - малонат, 6 - малеат, 7 - фумарат. Условия см. в подписи к рис. 1. Объем пробы 25 мкл. Концентрации кислот в смеси 2-5 мМ

Ион Рго-ЗЮ2 Нурго-8Ю2

1 мМ бензойная кислота, рН 3,6 1 мМ фталевая кислота, рН 3,5 1 мМ фталевая кислота, рН 3,5 0,8 мМ фталевая кислота, рН 3,5

Натрий 250"±005" 158"±005" 1 55 '±0 05 " 155"±005"

Хлорид 11'10'±0'10" 8 '45 10 '15' 1220'±0'10" 125510Ю"

Оксалат не элюируется 1100'±030" 20 30 "±0 30 " 26'40 "±030"

Малонат 1200'±0'10" 6 20 10'10" 1230"±0'10" 1330"±0'10"

Сукцинат 450"±005" 3 '15 '±0 105" 420 ' ±0 05 " 4'40"±005"

Фумарат не элюируется 7'45"±020" 15 30 "±0 25 " 20 20 "±0 25"

Малеат 1550±030" 82010'15" 13 00 "±0 20 " 15'40 "±0'20"

Инжекци-онный пик 145'±002' 1'4210 02" 1 '42 '±0 02" 1'42"±002"

Системный пик 6 30 '±0 '15' 1200 '±0 30 ' 730'±0 20" 800 "±030"

течение 40 мин. Поэтому для построения градуировочных графиков остановились на оптимальной системе «Нурго-БЮ2 - 0,8 мМ фталевая кислота, рН 3,5».

Построение градуировочных графиков. Готовили ряд растворов дикарбоновых кислот и хлорида натрия в диапазоне концентраций 0,001-0,005 М, отбирали микрошприцем пробу (2-25 мкл) и вводили в инжектор хроматографа. Строили зависимость высоты хроматографического пика от содержания компонента (мкмоль) во введенном объеме раствора. Для оксалата строили зависимость площади пика от содержания, поскольку пик ок-салата сильно размыт. Уравнения градуировочных графиков и пределы обнаружения натрия, хлорида и анионов дикарбоновых кислот представлены в табл. 2. Почти все графики линейны в диапазоне концентраций 0,01-0,15 мкмоль, для оксалата диапазон линейности ГГ составляет 0,10-0,40 мкмоль. Пределы обнаружения, рассчитанные по 38-критерию, составляют 0,003-0,005 мкмоль для хлорида, малеата, фумарата и малоната; для натрия и сук-

Т а б л и ц а 2

Градуировочные графики и пределы обнаружения Na+, Cl-и анионов дикарбоновых кислот*

Примечания. ГГ - градуировочный график; И - высота хроматогра-фического пика, мм; 5 - площадь пика, мм2; п - содержание иона, мкмоль, во введенном объеме пробы.

*Условия: колонка Иурго-8Ю2, 250x4,6 мм; элюент - 0,8мМ фталевая кислота, рН 3,5; 1 мл/мин; кондуктометрическое детектирование).

цината они несколько ниже (0,001-0,002 мкмоль), что связано с высокой чувствительностью в условиях детектирования, симметричностью хроматографических пиков и меньшим удерживанием этих ионов. Предел обнаружения оксалата на порядок выше, чем для остальных анионов, вследствие сильного удерживания и значительного размывания пика.

Разделение модельных смесей. Составляли модельные смеси, содержащие рассчитанное количество дикарбоно-вых кислот и хлорида натрия, отбирали микрошприцем пробу (20-25 мкл) и вводили в инжектор и хроматогра-фировали в оптимальных условиях (колонка - Иурго-БЮ2, 250x4,6 мм, элюент - 0,8 мМ фталевая кислота, рН 3,5, 1 мл/мин). Ионы идентифицировали по временам удерживания и по форме пиков, по градуировочным графикам рассчитывали содержание компонентов в модельной смеси. Во всех случаях относительное стандартное отклонение составило 0,10-0,12, для оксалата - 0,15-0,20.

_I_I_I_

О 10 20 30 tR, мин

Рис. 3. Разделение модельной смеси. Хроматографические пики: 1 - натрий, 2 - сукцинат, 3 - системный, 4 - хлорид, 5 -малеат, 6 - фумарат, 7 - оксалат. Условия см. в подписи к рис. 1. Объем пробы 25 мкл. Концентрации кислот в смеси 2-5 мМ

В указанных условиях достигнуто экспрессное селективное разделение модельных смесей хлорида натрия, янтарной, малеиновой, малоновой и фумаровой кислот в течение 20-22 мин (рис. 1, 2), хлорида натрия, янтарной, малеиновой, фумаровой и щавелевой кислот в течение 30 мин (рис. 3).

Данные хроматографические условия также применили для оценки коэффициентов катионного обмена протонов на натрий на сорбированных дикарбоновых кислотах. После сорбции в статических условиях аниона дикарбоновой кислоты на анионообменном сорбенте в присутствии сильного электролита (NaCl), отбирали пробу раствора и определяли в ней содержание несорбированных ионов натрия и хлорида и десорбиро-вавшегося в результате ионного обмена аниона дикарбоновой кислоты. Таким образом оценили значения Ä(H,Na) на сорбированных оксалате, малонате, сукци-нате, фумарате и малеате [9].

Итак, биполярный сорбент Hypro-Siü2 впервые применен для разделения органических анионов; показана возможность экспрессного и селективного разделения хлорида, натрия и 4-5 анионов дикарбоновых кислот.

Ион Диапазон линейности ГГ, мкмоль Уравнение ГГ Предел обнаружения, мкмоль

Натрий 0,01 0,20 h = 328,57n + 11,447 0,002

Хлорид 0,01 0,15 h = 346,71n + 10,701 0,005

Оксалат 0,10 0,40 S = 168,06n 11,664 0,050

Малонат 0,01 0,15 h = 117,65n + 1,8197 0,005

Сукцинат 0,005 0,120 h = 434, 78n + 4,5754 0,001

Фумарат 0,01 0,15 h = 196,61n + 1,079 0,005

Малеат 0,01 0,15 h = 308,34n + 4,2295 0,003

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Nesterenko P.N. // J. High. Resolut. Chromatogr. 1991. 14. P. 768.

2. Нестеренко П.Н., Шпигун О.А., Золотов Ю.А. // ДАН. 1992.

324. С. 107.

3. Nesterenko P.N. // J. Chromatogr. 1992. 605. P. 199.

4. Нестеренко П.Н., Копылов Р.В., Тарасенко Д.А. и др. // ДАН.

1992. 326. С. 838.

5. Тарасенко Д.А. Ионообменные свойства силикагелей с приви-

тыми циклическими аминокислотами. Дис. ... канд. хим. наук. М., 1996.

6. Гармаш А.В., Тессман А.Б., Иванов А.В., Нестеренко П.Н. //

ЖФХ. 1997. 71. №9. С. 1683.

7. Гармаш А.В., Тессман А.Б., Иванов А.В., Нестеренко П.Н. //

ЖФХ. 1997. 71. №10. С. 1872.

8. Тессман А.Б., Иванов А.В., Нестеренко П.Н., Гармаш А.В. //

ЖФХ. 1999. 73. №8. С. 1476.

9. Иванов А.В., Тессман А.Б., Нестеренко П.Н., Гармаш А.В. /

Всеросс. симп. по химии поверхности, адсорбции и хроматографии. М., 1999. С. 107.

10. Тессман А.Б. / Тез. Межд. конференции «Ломоносов-98». М., 1998. С. 6.

11. Шпигун О.А., Золотов Ю.А. Ионная хроматография и ее применение в анализе вод. М., 1990.

12. Gjerde D.T., Fritz J.S. // Anal. Chem. 1981. 53. P. 2324.

13. Пенчук А.О., Пихл В.О., Ильмоя К.А. // Уч. зап. Тарт. ун-та. 1986. 743. С. 153.

14. Иванов А.А. Определение карбоновых кислот ионной хроматографией. Дис. ... канд. хим. наук. М., 1989.

15. Tanaka K., Fritz J.S. // J. Chromatogr. 1986. 361. P. 151.

Поступила в редакцию 29.06.99