Поделиться статьей
Ионная хроматография (ИХ) входит в портфолио аналитического химического оборудования Metrohm с 1987 года, и за эти 36 лет мы представили множество интересных разработок, расширяющих возможности ионной хроматографии. От простых установок для академических лабораторий до сложных методик химического анализа. Я хочу открыть вам историю этого аналитического метода в Metrohm, и рассказать как он изменился за прошедшие десятилетия.
Начало: 1980-e
Ионная хроматография была добавлена в портфолио Metrohm в 1987 году, что расширило спектр наших аналитических методов, которые в то время включали только титрование, вольтамперометрию и Rancimat. ИХ уже несколько лет присутствовала на рынке, и с одной стороны была очень интересна как метод, но с другой казалась очень сложной и дорогой технологией.
Растущая жизнеспособность ИХ подтолкнула Metrohm сосредоточиться на этом методе.
Разработка кондуктометрического детектора
Электропроводность является наиболее распространенным методом обнаружения в ионной хроматографии. Электропроводность — это неотъемлемый суммарный параметр всех ионов в водном растворе. Поскольку ионная хроматография выполняется с использованием водных растворов, таких как элюенты (т. е. подвижная фаза) и образцы, электропроводность является основным методом детектирования.
Вы можете увидеть принцип измерения на видео ниже. Могут использоваться и другие методы детектирования, но обычно они применяются только в особых случаях.
Conductometric Detection
В начале 1980-х годов метод ИХ начал конкурировать с титрованием за долю рынка. Положительный опыт работы с амперометрическим детектором (641 VA Detector, представленный в 1980 году и первоначально продававшийся как детектор для ВЭЖХ) и компетентность Metrohm в измерении электропроводности, привели к идее разработать кондуктометрический детектор. Обязательным условием проекта было наличие разделительных колонок (неподвижная фаза), что позволило достичь пределов обнаружения 1 мг/л (или ниже) стандартных анионов.
В 1984 г. было проведено испытание первоначальной установки, состоящей из однопоршневого насоса для ВЭЖХ, 6-портового инжектора, коммерчески доступных разделительных колонок, кондуктометрического детектора и регистрирующего прибора (586 Labograph). Испытание показало, что предел в 1 мг/л может быть достигнут, и так начался проект по разработке официального кондуктометрического детектора Metrohm.
В то время химическое подавление, предложенное Смоллом, Стивенсом и Бауманом [1], было запатентовано и недоступно. Однако обнаружение проводимости без подавления, описанное Gjerde, Schmuckler и Fritz [2], рассматривалось как жизнеспособная альтернатива. Когда нужно было измерить низкие концентрации ионов в растворе, очень маленькие хроматографические пики плюс фон высокой проводимости от подвижной фазы (элюента) создавали проблему, и необходимо было учитывать особые требования к кондуктометрическому детектору. Наиболее важным из них был температурный коэффициент проводимости, который обычно составляет около 2%/°C. Это требует поддержания чрезвычайно стабильной температуры во время измерения.
На начальном этапе разработки было обнаружено, что платина не является лучшим материалом для электродов в проточной ячейке. Тем не менее нержавеющая сталь работала отлично. Измерительную ячейку по-прежнему необходимо было изолировать, но одной изоляции было недостаточно. Для достижения температурной стабильности лучше 0,01 °C требовалось активное термостатирование. Эта стабильность измерялась термопарой и записывалась на лабографе. Позже с помощью более сложных инструментов стабильность была определена лучше 0,001 °C.
Даже после всей тяжелой работы исходная базовая стабильность системы была недостаточна хороша. Как оказалось, несколько компонентов системы ИХ нуждались в термостабилизации. Кроме того, другой бренд насоса для ВЭЖХ мешал разработке ионного хроматографа Metrohm.
Сначала было решено отложить проект кондуктометрического детектора "в стол" и заняться созданием ионного хроматографа. Так была разработана первая микросхема Metrohm (690 Ion Chromatograph). ИХ модели 690 состоял из пенополимерного корпуса для идеальной теплоизоляции, блока электроники и детектора, а также демпфера пульсации, инжектора проб и разделительной колонки. Все капиллярные соединения в то время состояли из капилляров для ВЭЖХ (из нержавеющей стали). Неподходящий насос был заменен и модернизирован насосом бренда Metrohm, а за Labograph почти сразу последовал интегратор, который завершил систему.
Несмотря на общественное мнение 1980-х годов о том, что ионная хроматография эффективна только при использовании инструментов без металлов, компания Metrohm смогла провести анионные, катионные и ионно-эксклюзионные анализы на системах на базе нержавеющей стали. Даже анализы тяжелых металлов были выполнены без каких-либо проблем.
Кондуктометрическое детектирование с «электронным подавлением»
Недостатком ИХ без подавления является относительно высокий собственный фоновый шум из-за высоких уровней проводимости подвижной фазы. Параметры, которые добавляются к этому базовому шуму, включают вызванные температурой флуктуации, шум насоса и электронный шум.
Влияние температуры на фоновый шум было сведено к минимуму благодаря почти идеальной термостабилизации детектора. Качество насоса высокого давления важно для стабилизации базовой линии, однако при стандартных условиях работы он не сильно увеличивает шум базовой линии. Наконец, после оптимизации стало ясно, что электронный шум был наиболее критичным параметром, на котором следовало остановиться. Каждый электронный компонент влияет на колебания температуры, а также добавляет шум.
Блок термостатируемого детектора состоял из алюминиевого блока термостатирования, встроенной измерительной ячейки и электронного предусилителя. Усилитель гарантировал, что измеренный аналоговый сигнал электропроводности нечувствителен к внешним полям при подаче на основную электронику.
Функция Auto Zero измеряла фактическую проводимость при запуске функции и вычитала ее из сигнала на протяжении всей хроматограммы. Это можно назвать компенсацией фона. Термин «электронное подавление» дан из-за электронной установки, дополнительно снижающей электронные помехи.
Идея, лежащая в основе, проста и эффективна. Электроника была настроена на измерение фактического сигнала проводимости, а также измеренной фоновой проводимости по двум параллельным путям с идентичными электронными компонентами. Вычитание двух сигналов производилось непосредственно перед выводом на внешний аналого-цифровой преобразователь. При допущении, что одни и те же компоненты должны добавлять один и тот же шум и демонстрировать одинаковое тепловое поведение, оба сигнала подвергаются одинаковому влиянию. Таким образом, уровень шума был снижен еще больше.
Разработка разделительных колонок
При выходе на рынок в конце 1987 г. компания Metrohm предлагала в общей сложности шесть разделительных колонок: две для анионов, одну для одновалентных катионов, одну для двухвалентных катионов и одну для органических кислот (ион-исключающая). В то время группа профессора доктора Шомбурга (Institut für Kohlenforschung, Mühlheim/Ruhr, DE) изучала приготовление фаз ВЭЖХ путем нанесения полимерных материалов, например, на кремнезем. Одной из используемых фаз была поли(бутадиен/малеиновая кислота) на кремнеземном материале, которая была способна разделять одно- и двухвалентные катионы в одном изократическом цикле. Компания Metrohm купила технологию и начала производство колонок в Херизау, Швейцария.
Так называемая «колонка Шомбурга» или более поздняя «колонка Super-Sep Cation» была самой первой колонкой на рынке, позволяющей одновременно разделять катионы щелочных и щелочноземельных металлов. Даже нынешние колонки Metrosep C 4 и Metrosep C 6 зародились от колонки Шомбурга.
Возможности обработки данных
В первые месяцы на рынке для нового ИХ был доступен только Labograph (самописец). Плохо, тем не менее результаты, полученные при "вырезании" и физическом взвешивании пиков, были вполне корректными. Первый интегратор (Shimadzu C-R5A) представлял собой настольный интегратор с ЖК-дисплеем (в две строки), возможностью хранения (две хроматограммы в приборе и пять хроматограмм на внешней карте) и термопринтером для документации.
В 1991 году было разработано первое программное обеспечение для сбора и обработки данных на базе ПК (714 IC-Metrodata), состоящее из блока сбора данных и программного обеспечения для интеграции на основе DOS. Пять лет спустя, в 1996 году, программное обеспечение 714 IC-Metrodata было обновлено до версии для Windows. Затем в 2000 году было выпущено новое программное обеспечение IC Net software совместно с интерфейсом 762 IC Interface и 771 IC Compact для сбора данных и возможностей дистанционного управления.
Что дальше?
Следующий выпуск этой серии охватывает 1990-е и начало 2000-х годов. За это время компания Metrohm разработала модульную систему ионной хроматографии, модуль подавителя Metrohm Suppressor Module (MSM), а также несколько выдающихся разделительных колонок.
Your knowledge take-aways
References
[1] Small, H.; Stevens, T.S.; W.C. Baumann. Novel ion exchange chromatographic method using conductimetric detection. Anal. Chem. 1975, 47 (11), 1801–1809. https://doi.org/10.1021/ac60361a017
[2] Gjerde, D. T.; Fritz, J. S.; Schmuckler, G. Anion Chromatography with Low-Conductivity Eluents. J. Chromatogr. A 1979, 186, 509–519. https://doi.org/10.1016/S0021-9673(00)95271-3
