​کروماتوگرافی یونی IC
Dionex Ion Chromatography1100
از کمپانی Thermo Scientific
with
GP50 PUMP
CD25 Detector
Autosampler AS40 
​​​​​​​​​​​​​​
 

​نحوه کار دستگاه کروماتوگرافی یونی:
​​​​​​​نوعی از کروماتوگرافی مایع میباشد که برای اندازه گیری غلظت یونها به کار می رود.برای جداسازی یونها در دستگاه کروماتوگرافی یونیIC از طریق ستون کروماتوگرافی تحت فشار بالا صورت می گیردکه این جداسازی بر اساس سایز، اندازه و غلظت یونها انجام می شود.
​​​​​​​کاربرددستگاه کروماتوگرافی یونی:
-اندازه گیری آلودگیهای آب آشامیدنی
-اندازه گیری مواد شیمیایی در اکوسیستم های آبی
-اندازه گیری میزان نمک و شکر در غذاها  

کروماتوگرافی یونی برای شناسایی و اندازه گیری کمی کاتیونها و آنیونهای معدنی در نمونه های آب بهترین روش جداسازی و اندازه گیری می باشد. جداسازی در یک ستون که با ماده تعویض یونی پر شده است، انجام می گیرد. ماده پرکننده ستون ، فاز ساکن و حلالی که از روی ستون عبور می کند، فاز متحرک نامیده می شود. 
برای کاتیونها و آنیونها به ترتیب از ستون تعویض کاتیونی و آنیونی استفاده می شود. کاتیون و یا آنیون بسته به میزان تماس خود برای فاز ساکن یا متحرک ، بین دو فاز توزیع می گردد. هر اندازه تمایل یون به فاز ساکن بیشتر باشد، خروج یون از ستون در مدت زمان بیشتری صورت می گیرد. بدین ترتیب یونهای مختلف از یکدیگر جدا شده و توسط دتکتور که در دستگاه کروماتوگرافی یونی از نوع هدایت سنج است، هدایت آنها اندازه گیری شده و ثبت می گردد. با استفاده از سیستم موجود در آزمایشگاه ژئوشیمی سازمان آنیونهای  F −,Cl−,NO2−,Br−, NO3−,HPO42−,SO42− وکاتیونهای       Li+, Na+, NH4+,K+, Cs+ در نمونه های آب قابل اندازه گیری می باشند. 

معرفی کروماتوگرافی یونی

در سال 1950 بوکنکام و ریمن  یونهای سدیم و پتاسیم را که بصورت کلریدی بودند با روش کروماتوگرافی در ستونی به ابعاد 59 × 2 سانتی متر حاوی رزین تبادل کاتیونی از هم جدا کردند. شوینده (فاز متحرک) اسید کلریدریک 7/0 مولار بود. 8 میلی لیتر از خروجی ستون جمع آوری و برای حذف اسید کلریدریک، حرارت داده شده و در نهایت توزین شد. نتیجه آنالیز در شکل 1 نشان داده شده است. اگر این جداسازی با کروماتوگرافی مدرنی که در شکل –2 نمایش داده شده مقایسه گردد، ملاحظه می شود که جداسازی کل فلزات قلیائی در زمانی کمتر از 5/3 دقیقه توسط دتکتور هدایت سنج صورت گرفته است. 
مورد فوق مثالی از کروماتوگرافی تبادل یون با کارایی بالاست که عموماً کروماتوگرافی یونی نامیده می شود. دتکتور مورد استفاده از نوع هدایت سنج است ولی امروزه اکثر دتکتورهای مورد استفاده برای HPLC ، در کروماتوگرافی یونی نیز بکار گرفته می شوند. این امر شامل دتکتورهای نوری uv نیز می شود . از آنجائیکه دتکتور هدایت سنج متداولترین دتکتور در تشخیص گونه های یونی است به شرح این نوع دتکتور می پردازیم .

 
کروماتوگرافی یونی با دتکتور هدایت سنج 

برای انجام کروماتوگرافی با تفکیک خوب  ، نیاز به ذرات کوچک  و مسیر کوتاه است. علاوه بر کوچکی ذرات و کوتاه بودن مسیر نیاز به وسیله ای است که بطور پیوسته کار شناسایی را انجام دهد. هدایت سنج الکتریکی مناسب ترین وسیله برای این منظور می باشد اما تا زمانیکه از اسید کلریدریک 7/0 مولار به عنوان فاز متحرک استفاده می شد ، این هدایت سنج کاربردی نداشت زیرا هدایت این اسید بسیار بالا بود بطوریکه یونهای آنالیت قابل شناسایی نبودند، استفاده از فاز متحرک رقیق تر، شناسایی هدایت را انجام پذیرتر از قبل کرد. هدایت زمینه فاز متحرک کمتر شده و تفاوت در هدایت شوینده یونها بیشتر دیده می شود. حال دو امکان وجود دارد: پذیرفتن هدایت زمینه و انتخاب غلظتی از فاز متحرک بطوریکه این تفاوتها تا حد ممکن بزرگتر شوند و یا حذف یا خنثی کردن مازاد فاز متحرک قبل از اندازه گیری هدایت و امکان دوم استفاده از طرحی است که سوپرسور نامیده می شود. در حالیکه تکنیک اول ، یون کروماتوگرافی تک ستون می باشد.
 
فاز متحرک کاتیونی در کروماتوگرافی یونی 
می توان فرض کرد که غلظت یونی کل در هر فاز، متحرک و ثابت ، به هنگام مبادله یونها ثابت باقی می ماند. زمانیکه یک یون از محلول وارد مبادله کننده جامد می شود، یونی دیگر از مبادله کننده وارد محلول شده و جایگزین آن می گردد. غلظت یونها در محلول تغییر نمی کند. در صورتیکه هدایت معادل یونهایی که وارد محلول شده اند متفاوت با هدایت آنها در مبادله کننده باشد، هدایت محلول تغییر خواهد کرد. شکل ( 3) برای فلزات قلیائی معمولاً از اسیدهای رقیق شده نیتریک یا سولفوریک استفاده می شود. برای یونهای قلیائی خاکی که اثر بازداری بیشتری دارند از کاتیونهای اسیدهای قویتر نظیر اتیلن دی آمین C2H4(NH3)22+ استفاده می گردد .
 
فاز متحرک آنیونی در کروماتوگرافی یونی
یون هیدروکسید بدلیل پیوند ضعیفی که با مبادله کننده های آنیونی برقرار می کند، مناسب برای کروماتوگرافی تک ستون نیست . همچنین برای ایجاد هدایت بالا غلظت زیادی از آن مورد نیاز است و معمولاً از آن برای کروماتوگرافی آنیونهای اسیدهای بسیار ضعیف نظیر سیانید ، برات ، سولفید و سیلیکات ، استفاده می شود. در کروماتوگرافی تبادل آنیونی تک ستون ، بیشتر از یونهای بنزوات و فتالات استفاده می شود. این یونها هدایت پائینی دارند لذا یونهای آنالیت پیکهای مثبت ایجاد می کنند و چون آروماتیک هستند پیوندهای قوی با مبادله کننده های آنیونی برقرار می کنند، هردو اسید به میزان کافی قوی می باشند بطوریکه برای نگهداشتن آنها نیازی به افزایش بیشتر PH از 7 تا 8 نمی باشد.  از ویژگیهای کروماتوگرافی تک ستون این است که هدایت را پائین نگه میدارد لذا غلظت شوینده و ظرفیت مبادله کننده یونی باید بسیار کم باشد این از جمله محدودیتهای کروماتوگرافی تک ستون می باشد. 
 
کروماتوگرافی دو ستون در کروماتوگرافی یونی 
 همانگونه که مطرح شد، اندازه گیری هدایت پائین موجب ایجاد هدایت زمینه بالایی می شود. Small و همکارانش برای ایجاد هدایت زمینه پائین، حذف اضافی فاز متحرک و یا تبدیل آن به شکلی دیگر تا باعث این کاهش شود را انتخاب کردند . برای این منظور از ستون مبادله کننده دیگری که ستون سوپرسور نامیده میشود، استفاده کردند ، که مابین ستون جداکننده و سل هدایت قرار می گرفت . پرکننده این ستون ، رزین مبادله کننده یون با ظرفیت بالا بود که از نظر نوع، مخالف با پرکننده ستون جداکننده بود . به عنوان مثال برای تبادل کاتیون از رزین مبادله کننده آنیونی به شکل هیدروکسید استفاده می شود. فاز متحرک اسید نیتریک در رزین بوسیله هیدروکسید خنثی شده لذا باعث حذف هدایت زمینه می شود . لذا در ترکیبات کاتیونی ، هیدروکسید جایگزین نیترات شده که باعث افزایش هدایت می گردد. 
 

مقایسه کروماتوگرافی یونی تک ستون و دو ستون
دو ستون :                                                                                  تک ستون :
          نسبت سیگنال به نویز بیشتر                                                           خطی تر بودن منحنی های کالیبراسیون
          حد تشخیص پائین تر                                                                    آنالیز آنیونهای اسیدهای بسیار ضعیف
          افزایش عمر ستون                                                                         سادگی دستگاه
          کاهش زمان لازم برای خالص کردن نمونه                        
          محدوده دینامیکی وسیع تر
          امکان استفاده از حجمهای بیشتر نمونه و غلظتهای بیشتر شوینده
          رسیدن سریعتر به زمان تعادل (زمان پاسخ دهی کوتاهتر)
          امکان انجام شویش چند حلاله (gradient)
          حذف تداخل از یونهای مشترک
          حذف پیکهای سیستم

         
          
 
اصول جداسازی و تشخیص در یون کروماتوگرافی
 در کروماتوگرافی یونی ، ستونی که مورد استفاده قرار می گیرد غالباً در ابعاد 6/4 ×150 میلی متر است، اگرچه ستونهایی کوتاهتر از 50 میلی متر و یا بلندتر از 250 میلی متر نیز مورد استفاده قرار می گیرند. ستون به دقت توسط رزین مبادله گر آنیونی با ظرفیت تبادل پائین و ذرات کروی با قطر 5 یا 10 میکرومتر پر می شود. اکثر این رزینها از گروه آمونیوم می باشند.
برای حرکت فاز متحرک در طول سیستم با یک سرعت ثابت مثلاً 1 دقیقه / میلی لیتر از یک پمپ استفاده می گردد. در وضعیت Fill یا load لوپ نمونه که عمدتاً به حجم 10 تا 100 میکرولیتر می باشد ، توسط نمونه پر می شود. در همان زمان فاز متحرک در سیستم پمپ می شود و از injector عبور می کند. در حالت inject ، دریچه باز شده و فاز متحرک نمونه را از لوپ به داخل ستون وارد می کند. بلافاصله بعد از ستون یک دتکتور قرار دارد که متصل به یک ثبات می باشد تا طیفهای مربوطه را نمایش دهد . در کروماتوگرافی یونی، غالباً دتکتور uv –visible یا هدایت سنج استفاده می شود.
 
مراحل انجام شده در یک جداسازی در کروماتوگرافی یونی
 برای انجام جداسازی ، ابتدا فاز متحرک به سیستم پمپ شده تا تعادل برقرار گردد یعنی زمانیکه خط زمینه پایداری مشاهده شود. بسته به نوع رزین و فاز متحرک که استفاده می شود این زمان از چند دقیقه تا 1 ساعت و یا بیشتر قابل تغییر است. به محض دستیابی به خط زمینه پایا، نمونه تزریق می گردد. تعادل زیر بین آنیونهای A1−,A2−,….Ai− نمونه و یون مبادله کننده در ستون کرماتوگرافی اتفاق می افتد :                                             A1−+ Res- E−                Res – A1−+ E−
اگر غلظت کل آنیون نمونه دقیقاً برابر با غلظت فاز متحرک پمپ شده در سیستم باشد، غلظت کلی یون در محلول در ابتدای ستون بدون تغییر باقی می ماند. در حالیکه اگر این غلظت بیشتر از غلظت فاز متحرک باشد، به علت واکنش فوق ، غلظت E− در محلول در ابتدای ستون افزایش خواهد یافت غلظت بیشتر E− موجب حرکت موجی محلول به سمت پائین ستون و  دتکتور می گردد. بدین ترتیب اولین پیک کروماتوگرام که پیک تزریق نامیده می شود، ایجاد خواهد شد. همانطور که فاز متحرک حاوی E− به ستون پمپ می شود، آنیونهای نمونه به سمت پائین ستون انتقال می یابند . جداسازی بر اساس تفاوت در تعادل یونهای مبادله شده بین آنیونهای نمونه و فاز متحرک صورت می گیرد. بدین ترتیب اگر یون A1−  از نمونه میل ترکیبی کمتری نسبت به یون A2−  به رزین داشته باشد . A1−سریعتر از A2− در ستون حرکت خواهد کرد .
 لذا ترتیب خروج آنیونها از ستون آنیونی عبارت است از : 
F−< OH−< CH3CO2−< HCO2−< Cl−< NO2−< Br-< CrO42−< NO3−
 و همچنین ترتیب خروج کاتیونها از ستون کاتیونی چنین خواهد بود :
Li+

 
سیستم آنیونی 
با به کار گیری ستون آنیونی PRP-X100 و ستون  محافظ (Guard) مربوطه و استفاده از مخلوط mM PHBA(1) 4 با 5/2% متانل با  5/8 PH =آنالیز نمونه های آب انجام می شود که تا بحال حدود 200 نمونه مورد تجزیه قرار گرفته است و در این نمونه ها همانطور که در شکل 5 نشان داده می شود آنیونهای فلوراید ، کلراید، نیتریت، برماید، نیترات، فسفات و سولفات به ترتیب از ستون خارج شده و اندازه گیری شده اند حد تشخیص D.L برای یونهای F− ,CL−,NO2−برابر با ppm 5/2 و برای سایر آنیونهای ذکرشده ppm 5 می باشد . در سیستم آنیونی با افزایش غلظت PHBA تا mM 6 ، بازداری آنیون کمتر شده و بالعکس چنانچه نیاز به resolution بیشتر و بازداری بیشتر باشد می توان غلظت را تا mM 3 کاهش داد .
 
سیستم کاتیونی 
با استفاده از ستون کاتیونی PRP-X200 و ستون محافظ مربوطه و استفاده از فاز متحرک مخلوط mM 4 اسید نیتریک با %30 متانل آنالیز کاتیونی نمونه های آب انجام می شود با شرایط اعمال شده (شکل 6) کاتیونهای لیتیم، سدیم، آمونیم و پتاسیم و سزیم به ترتیب از ستون خارج شده و اندازه گیری می شوند. حد تشخیص برای ppm :Li+ 5/0 و برای ppm:NH4+ ,Na+ 1 و برای ppm: Cs+ ,k+ 2 می باشد . در سیستم کاتیونی با افزایش غلظت اسید بازداری کاتیونها کمتر شده و resolution کاهش می یابد در حالیکه با افزایش غلظت متانل در فاز متحرک اسید نیتریکی می توان انتخاب پذیری کاتیونهای یک ظرفیتی را تغییر داد .
 
نتیجه 
 همانطور که شرح داده شد تکنیک کروماتوگرافی یونی برای سنجش و شناسایی کاتیونها و آنیونها در نمونه های آب و کاربردهای زیست محیطی روش بسیار مناسبی است . در روش IC قدرت انتخابگری موجود است بطوریکه می توان با تغییر فلو ، نوع و غلظت فاز متحرک ، تغییر ستون و تغییر دتکتور آنالیزهای متعددی انجام داد. از جمله کاتیونها و آنیونهای قابل اندازه گیری با سیستم IC عبارتند از :
 Li+, Na+, NH4+, K+, Cs+, Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+  :  کاتیونی 
 F−, Cl−, NO2−, Br-, NO3−, HPO42−, SO42−, S2−, I−, S2O42−, SCN− : آنیونی