CROMATOGRAFO DI SCAMBIO IONICO AD ALTE PRESTAZIONI HPIEC (High Performance Ion Exchange Chromatography)

TEORIA DEL CROMATOGRAFO DI SCAMBIO IONICO:
generalità - fase fissa - fase mobile - cromatogramma - analisi qualitative - analisi quantitative

GENERALITA'
La cromatografia è un metodo di analisi che, in generale, sfrutta la diversa affinità delle molecole nei confronti di due fasi diverse, quella fissa e quella mobile. La cromatografia di scambio ionico venne sviluppata a partire dalla metà degli anni '70, quando ci si accorse che si potevano separare miscele cationiche ed anioniche in colonne di HPLC che avessero come fase stazionaria resine di scambio ionico.
Questa tecnica di analisi ci permette di riconoscere e separare gli ioni di un campione attraverso uno scambio ionico che avviene tra la fase mobile che contiene il campione e la fase stazionaria che si trova all'interno della colonna.
La cromatografia di scambio ionico utilizza come fasi fisse solidi impaccati ai quali sono fissati gruppi ionizzati, imbevuti di solvente; la struttura solida a cui possono essere legati questi gruppi è nella maggior parte dei casi un copolimero reticolato (polistirene-divinilbenzene).Questa tecnica può essere sfruttata utilizzando colonne a pressione ordinaria, media o alta pressione. Nelle sue utilizzazioni più diffuse il cromatografo ionico è un HPLC con uno scambiatore ionico come fase stazionaria.
Come risultato di un'analisi di scambio ionico si ha un cromatogramma, cioè un diagramma che ci permette di identificare i componenti di una miscela e le loro quantità; per questo motivo questo tipo di cromatografia è usato sia per analisi qualitative che quantitative.
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FASE FISSA
E' la fase stazionaria che ha il compito di trattenere il solvente che poi permetterà lo scambio ionico con il campione. Esistono due tipi di fasi fisse stazionarie:
1) di tipo polimerico: un esempio sono copolimeri prodotti da reazioni di copolimerizzazione tra stirene con il divinilbenzene (vedi schema); mediante opportune reazioni vengono fissati agli anelli aromatici gli ioni negativi o positivi (siti attivi), a seconda del tipo di colonna, che serviranno nello scambio ionico. I siti più comuni sono: per lo scambio cationico i gruppi solfonici --SO₃^- H⁺, acidi forti e deboli e gruppi carbossilici --COO^-H⁺; per lo scambio anionico i gruppi amminici quaternari --N(CH₃)₃⁺OH^- oppure primari --NH₃OH^-. Il reticolo polimerico ha la funzione di rendere il polimero insolubile ai solventi nella colonna e gli consente, inoltre, di resistere alla pressione esercitata in colonna. La presenza dei divinilbenzene, generalmente all' 8%, conferisce stabilità meccanica al reticolo.

R-SO₃^-H⁺ + K⁺ R-SO₃^-K⁺ + H⁺                   R-NH₄⁺OH^- + Cl^- R-NH₄⁺Cl^- + OH^-

2) silice: questa può essere porosa o pellicolare; nel caso del tipo poroso, si hanno delle sfere di forma irregolare che devono avere dimensioni ridotte per far avvenire uno scambio efficace anche dentro i granuli. La silice di tipo pellicolare la ritroviamo solo sulla superficie esterna, dove avviene lo scambio; infatti è possibile far adsorbire gruppi carichi sulla silice ed ottenere una fase scambiatrice non legata (coated).

La scelta delle resine scambiatrici è effettuata sulla base della capacità di scambio che corrisponde al numero di milliequivalenti di ioni che possono essere scambiati per grammo di resina. Questo valore è molto buono per la silice porosa ma scarsa per la silice pellicolare.
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FASE MOBILE
Per la scelta di una buona fase mobile bisogna considerare alcuni fattori che sono essenziali per ottenere un buono scambio e non compromettere la fase fissa.
- Deve sciogliere il campione e deve interagire con i soluti in modo che il sistema abbia una buona selettività;
- Tampone. La fase mobile deve garantire che l'analita sia nella forma ionica desiderata e per questo deve contenere una sostanza capace di tamponare. Questo vuol dire che quando siamo in presenza di analisi di anioni il pH deve assumere valori elevati e, al contrario, in caso di analisi cationiche deve risultare basso.Bisogna considerare che alcune volte questo può essere un limite perchè bisogna considerare l'intervallo di pH su cui opera la fase fissa.
- Forza Ionica. I tempi di ritenzione (tempi impiegati da ogni sostanza per fare il tragitto iniezione-detector) diminuiscono con il crescere della concentrazione della soluzione tampone. Infatti si ha sempre una competizione dei soluti del tampone con quelli dell'analita. Quindi a parità di pH, la competizione aumenta all'aumentare della concentrazione del tampone.
- Modificatori organici. Se devo separare dei cationi metallici oppure anioni inorganici, la presenza di composti organici nella fase mobile non influisce in nessun modo. Se invece, alla silice sono fissati ioni organici, essi scambiano attraverso interazioni idrofobiche che possono causare adsorbimento. La presenza di un solvente organico inibisce queste interazioni.
Le fasi mobili sono delle soluzioni acquose che possono contenere piccole quantità di metanolo o altri solventi organici solubili in acqua. I loro ioni competono con il campione per l'occupazione dei siti attivi.
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CROMATOGRAMMA
Durante l'analisi si può visualizzare sullo schermo del p.c. il diagramma del segnale dello strumento in funzione del tempo, significativo della separazione che sta avvenendo in colonna; questo diagramma prende il nome di cromatogramma. Dal cromatogramma si possono avere informazioni sia qualitative che quantitative. Ogni sostanza in uscita, se la separazione è buona, si identifica in un "picco" che ha la forma di una gaussiana.
Il tempo di ritenzione, che è il tempo impiegato da ciascuna sostanza ad attraversare la colonna, si individua nel cromatogramma come il tempo al quale corrisponde il massimo della gaussiana. Questo valore ci dà un'informazione qualitativa della sostanza in esame. Se invece calcolo l'area sottostante la curva, attraverso l'altezza del picco e la larghezza a metà altezza, che è proporzionale alla massa della sostanza separata ottengo un'informazione quantitativa.Come si può vedere il cromatogramma ha un'importanza notevole in questo tipo di separazioni.
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ANALISI QUALITATIVE

L’analisi qualitativa degli ioni  individuati mediante questa cromatografia viene effettuata in base al tempo di ritenzione. Come in tutte le altre tecniche cromatografiche la maggiore affinità per la fase stazionaria comporta un tempo di ritenzione maggiore. Ad influenzare il maggiore o minore tempo di permanenza in colonna concorrono, oltre al pH, anche la dimensione degli ioni e la loro carica; tutti questi fattori influenzano infatti l’equilibrio degli analiti tra fase mobile e fase stazionaria. Dopo avere effettuato degli standard ed avere attribuito ad ogni ione un tempo di ritenzione corrispondente alle condizioni dell’analisi, dal confronto dei tempi di ritenzione degli ioni in esame con quelli degli standard è possibile individuare di quale standard si tratta.

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ANALISI QUANTITATIVE

Come nelle altre cromatografie su colonna equipaggiate con un detector le determinazioni quantitative vengono effettuate mediante il calcolo dell’area del picco corrispondente alla sostanza in esame utilizzando la normalizzazione interna o più comunemente il metodo dello standard interno o esterno.

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