La chromatographie ionique
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Chromatographie Ionique
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Le principe de la chromatographie ionique est basé sur les propriétés des résines échangeuses d'ions qui permettent une fixation sélective des anions ou des cations présents dans une solution. Sur la résine échangeuse d'ions conditionnée sous forme d'une colonne chromatographie circule en permanence un éluant.Quels sont les principes de la chromatographie ?
La chromatographie est une technique séparative analytique et/ou préparative. Elle consiste à faire migrer les constituants à séparer sur une phase stationnaire immobile, à l'aide d'une phase mobile, liquide ou gazeuse, de nature différente.Quel est le principe de la chromatographie HPLC ?
Le principe de la HPLC est, comme pour les autres variantes de chromatographie, d'utiliser les différences de propriétés physico-chimiques de différents composés pour les séparer. Un liquide, l'éluant, constitue la phase mobile, qui va entraîner plus ou moins facilement les molécules du mélange.- La chromatographie échangeuse d'ions est couramment utilisée comme une étape intermédiaire dans une méthode de purification des protéines, mais elle peut donner une résolution élevée pour certaines protéines lorsqu'elle est utilisée plus tôt ou plus tard au cours de la purification.
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Course Outline
1.General informations on chemical analysis
2.Sample preparation
3.Metals analysis
4.Soluble inorganic pollutants analysis
5.Organic pollutants analysis
6.Quality assurance
4. Soluble inorganic pollutants analysis
Theygather:
Pollution by nitrogenouscompounds:
nitrate (nitrate); nitrite (nitrite); ammonium (ammonium)Pollution by phosphorouscompounds:
phosphate (phosphate)Pollution by mineralsalts
Water Soluble compounds
4. Soluble inorganic pollutants analysis
Ubiquitousin differentenvironments: soil, water, air (particles) Sources: Industries, daily life (laundry, dental health ..), breeding / spreading (fertilizer), road traffic ...Environmentalimpact:
Pollution of water and soils:
Major nutrients in the biosphere (nitrate, phosphate) risk of eutrophication Toxicityfor aquaticfauna(nitrate/nitrite) or for human(nitrates, nitrites, fluoride)Atmosphericpollution:
Toxicityof nitrates blocking of hemoglobin prohibiting the transport of oxygen (also true for waters rich in nitrates)Acidrains(Sulphatesand nitrates)
Impact of sulphateparticleson radiative budget
4. Soluble inorganic pollutants analysis
Techniques applicable to aqueous phases:
Ion Exchange Chromatography (Chromatographie ionique)UV/Vis Spectrometry (Spectrométrie UV/Vis )
Ion-Selective Electrodes (Electrodes ioniques spécifiques )4. 1. Ion Chromatography
Aim: Separatethenanalyse the differention species (cations or anions) Principle: Affinity of species between the stationary phase (column) and the mobile phase (eluent)by ion exchangeApplications:
Estimation of regulated species concentrations in drinking water, river, rain ... Estimation of ionic species concentrations in soils, sludge, aerosols ... after extraction in an aqueous phase.4.1. Ion Chromatography: Theory
Ex : Anion exchange
Ion exchange governed by the equilibrium equation which determines the distribution of the species between the mobile phase and the stationary phase.Ion bonding
Phase mobilePumpe(s)Injector
COLUMN
Conductivity
detectorElectrochemical
suppression4.1. Ion Chromatography: Instrumentation
SO3-NR3+
Echangeur A-Échangeur C+
4.1. Ion chromatography:Stationary Phases
Stationaryphase withcharge surface (opposite charge to the sampleions)2 supports:
bondedsilicagel (85% of cases): hard material, stable in almostall organicsolventsbut lowcapacityof adsorption
Polymergels (polystyrene): lowselectivitybut high capacityof adsorption (vs silica)2 types of bonding:
Cation exchange : sulfonate(SO3-) or carboxylate (ʹCOO-)Anion exchange: quaternaryammonium (R-NR3+)
Phase mobilePump(s)Injector
COLUMN
Conductivity
detectorElectrochemical
suppression4.1. Ion Chromatography: Instrumentation
4.1. Ion Chromatography:Mobile phases
The mobile phase is generally a more or less
concentrated aqueous buffer.The retention of the analytes depends on the
concentration and the charge of the dissolved ions in the eluent. Ability to use an elution gradient for complex samples containing variable ionic strength components e.g. Start with a very dilute mobile phase with gradual introduction of a stronger concentration component.4. 1. Ion chromatography:
Retention time?
4. 1. Ion chromatography:
Retention time?
Singlychargedions =
monovalent ionsDivalent ions
Ionicradius
The greaterthe ionicradius, the longer the retentiontimeMobile phasePump(s)Injector
COLUMN
Detector
Electrochemical
suppression4.1. Ion Chromatography: Instrumentation
1.Conductivity detector
2.UV/Vis detector
Theoreticalaspects
The conductivity of an electrolyte solution is a measure of its ability to conduct electricity (Unity = Siemens.cm2)For a solution,
k = (cizi0i) with0 = ion molarconductivity(S.cm2.mol-1) at25CPlus C , plus k
4.1. Ion Chromatography: detectors
Detectionby conductivity
Anions 0 (S.cm2.mol-1) Cations 0 (S.cm2.mol-1)
OH- 198 H+ 350
F- 54 Li+ 39
Cl- 76 Na+ 50
Br- 78 K+ 74
I- 77 NH4+ 73
NO2- 72 ½ Mg2+ 53
NO3- 71 ½ Ca2+ 60
HCO3- 45 ½ Sr2+ 59
H2PO4- 33 ½ Ba2+ 64
SO42- 16 ½ Zn2+ 53
Acétate 41 ½ Hg2+ 53
Propionate 38 ½ Cu2+ 55
Salicylate 30 ½ Pb2+ 71
Someion molarconductivities
Mobile phasePump(s)Injector
COLUMN
Detector
Electrochemical
suppression4.1. Ion Chromatography: Instrumentation
1.Conductivity detector
2.UV/Vis detector
Mobile phasePump(s)Injector
COLUMN
Conductivity
detectorElectrochemical
suppression4.1. Ion Chromatography: Instrumentation
B. IC with chemical suppression
A. Direct IC
4.1. Ion Chromatography: detectors
Total conductivity= electrolyteconductivity-eluentconductivity If high background conductivity(eluantconductivity) problem of sensitivityfor lowand high concentrations Ideally: Eluant witha lowconductivitybut a high affinitywithsolid phase. Conductivity depends on the temperature during the separation and detection the temperature must be kept strictly constant (22 to 55C)Temperature regulated system (T 0.01C)
A. Direct Ion chromatography
Mobile phasePump(s)Injector
COLUMN
Conductivity
detectorElectrochemical
suppression4.1. Ion Chromatography: Instrumentation
B. IC with chemical suppression
Suppressor = device placed between the
column and the detector, and acts to reduce the background conductivity of the eluent and enhance the conductivity of the analytes.A. Direct IC
B) Ion chromatographywithchemicalsuppression
Na+A-Na+HCO3-
H+A- H2CO3 SO42- H+ SO42- H+ detectorHCO3-+ H+-> H2CO3
Na+Na+
H2SO4+
Na2SO4
H2SO4 H2O A-C+exchange
membraneSuppressor with cation
exchange membrane (for anions analysis)4.1. Ion Chromatography: detectors
B. Ion chromatography with chemical suppression
Na++ HCO3-H2CO3
+ H+ -Na+Na++ Cl-HClH++ Cl-+ H+
-Na+ H2CO3(weakacid) partiallydissociatedlowconductivityFor eluent:
For studiedelectrolytes:
HCl(strongacid), completlydissociatedhighlyconductiveacidformto enhanceitsconductiveresponse Signal to mesure is0-(Cl-) on a lowbackground conductivity4.1. Ion Chromatography: detectors
B) Ion chromatographywithchemicalsuppression
Suppressor with cation
exchange membrane (for anions analysis)4.1. Ion Chromatography: detectors
Eluant
M+Cl- H+Cl- M+OH- H2O H2O H+ H2O H2O OH- detectorOH-+ H+--> H2O
Cl- H2O M+A-exchange
membrane (O2)(H2) anodecathode -H2OSuppressor
withanion exchange membrane autorégénérée (for cation analysis)B) Ion chromatography with chemical suppression
4. 1. Ion Chromatography: detectors
Applications:
Estimations of regulated species
4. 1. Ion chromatography: Applications
Qualité de l'eau :
Dosage des
anions/cations dissous par chromatographie des ions en phase liquide (NF-EN ISO10304 et 14911)
Detectedions by IC withconductivitydetector
FluorideMalonate
Formate Chlorate
AcetateNitrate
PropionateMaleate
IodateItaconate
ChlorideTartarate
OrganophosphatesSulfate
HypophosphiteSulfite
ChloroacetateDioxytartarate
BromateAscorbate
ChrorideTrichloroacetate
GlycolateFumarate
PyruvateArsenate
NitriteOxalate
DichloroacetateFluoroborate
PhosphiteSelenate
PhosphateThiosulfate
SeleniteTungstate
SuccinateMolybdate
BromideChromate
IC can also be used to detect
organic species:In particular, carboxylic acids
(R-COOH) under their carboxylate form (acetate,4. Inorganic pollutants analysis
Techniques for aqueous phases :
Ion chromatography
UV/Vis Spectrometry
Ion-Selective Electrodes
Theoretical aspects
4. 2. UV/Vis Spectrometry
UV200Range of measurement
The measurement by UV-Vis spectrometry concerns in particular: Some colored substances that absorb in the visible spectrum colorimetryFor already absorbing species
Either on species that reacted with a reagent to form a chromophore complex derivatisation4. 2. UV/Vis Spectrometry
The measurement by UV-Vis spectrometry concerns in particular: Some colored substances that absorb in the visible spectrum colorimetryFor already absorbing species
Either on species that reacted with a reagent to form a chromophore complex derivatisationSome substances that absorb in the UV spectrum
4. 2. UV/Vis Spectrometry
Functionnal groupsmaxen nm
Amino195
Aldéhyde210
Carboxyle200
Ester205
Ethylène190
Cétone195
Nitro310
Phényle200
Amine primaire
Groupement
nitroGroupement
nitroEthylène
4. 2. UV/Vis Spectrometry
Beer-Lambert law: A = log (I0/I) = ʄL c
UV-vis spectrometry principle:
where -A is the measured absorbance -I0is the initial light intensity -I is the light intensity after it passes through the sample -ʄwavelength-dependent molar absorptivity coefficient (mol-1.L.cm-1) -L is the path length (cm) -c is the analyteconcentration (mol.L-1).4. 2. UV/Vis Spectrometry
Absorption spectrum of nitrite after derivatization by diazotisation formation of a fuschia complex4. 2. UV/Vis Spectrometry
A beam with a varied wavelength
For Vis: Tungstenfilament (300-2500nm: lampe
à incandescence à filament de Tungstène
For UV: deuterium arc lamp (190ʹ400 nm)
For both: Xenonarc lamp(arc à xenon: 160nm to
2000nm )
Photomultiplier tube
Or CCD (solid detector)
Instrumentation:
Monochromator (or prism): To
isolate the absorption wavelength of the compound of interest and obtain a parallel beamCuvette determines the path length
of the light (from 0.5 to 10 cm):ͻFor Vis: glass or plastic
ͻFor UV: quartz
4. 2. UV/Vis Spectrometry
Instrumentation:
4. 2. UV/Vis Spectrometry
Applications:
Ammonium measurements:
Colorimetric measurement at 410 nm by derivatization with Nessler reagent in alkaline medium:NH4++ OH-NH3then
NH3+ 2HgI4-+ 3OH-HOHgNHHgI+7I-+ 2H2O
(not adapted for sea water because Cl-is an interferent)Measurements of gaseous ozone:
Analyzer based on 253.7 nm UV spectrometry measurementYellow-orange complex
Example: Analyzer of ozone
Max of Absorption for
l = 253.7 nmOzone has a UV-visible absorptionspectrum:
4. 2. UV/Vis Spectrometry
Source :
Mercuryvapor
lampDetector:
-photodiodePhotomultipliertube
Measurementchamber
Sample
pumpContinuous measurement of
atmospheric ozone concentrations4. 2. UV/Vis Spectrometry
More advanced techniques:
For continuous measurement Flow analysis (Technicon method (from the manufacturer's name)): Flow Injection Analysis (FIA, Analyse avec injection en flux continu): wherein the sample is injected into a moving fluid and moves continuously, without segmentation.4. 2. Spectrométrie UV-Vis
More advanced techniques:
For continuous measurement Flow analysis (Technicon method (from the manufacturer's name)): Continuous Flow Analysis (CFA, Analyse en flux continu) or Segmented Flow Analysis(SFA, analyse en flux segmenté) or Sequencial Flow Analysis(SFA, analyse par injection séquentielle), in which the continuous flow is segmented by air bubbles or other segmentation gas sample differentiation.4. 2. UV/Vis Spectrometry
Les techniques plus perfectionnées:
liquid waveguide capillary cell): permet des chemins optiques allant de 0.5 à 5 m de 230-730 nm.Utilisable pour de petits volumes
(200µL)4. Inorganic pollutants analysis
Techniques for aqueous phases :
Ion chromatography
UV/Vis Spectrometry
Ion-Selective Electrodes
4.3. Ion-selectiveelectrodes(I.S.E)
[AB] = 1M[AB] = 0.01MElectrode sélective à A+
A+Excès de charge A+Excès de charge B-
The value of membrane potential is described by the Nerstequation: A+Principle:
A+ A+ A+ A+A+ B-B-B-B-
B- B-B- B- A+4.3. Ion-selective electrodes (I.S.E)
Principle:
If the membrane separesa sample and an internal reference solution:4.3. Ion-selective electrodes (I.S.E)
Principle:
If the membrane separesa sample and an internal reference solution: If we consider that the activity is fixed (because very concentrated), then4. 3. Ion-selective electrodes (I.S.E)
Ionic Strength Adjustment Buffer (Tampon ionique, ISAB or ISA): a= [c] It is used to adjust the ionic strength of the solution to be analyzed so that a concentration is measured and not an activity. An ionic strength buffer, ISA, is a high ionic strength solution that does not interfere with the sample and equals the ionic strength of the standards and samples. For each electrode, commercial providers give the ISA buffer to use4. 3. Ion-selective electrodes (I.S.E)
In general the two electrodes are combined
The different types of electrodes:
Glass electrodes (Electrode de verre ou électrode pH) -Glass membranes are selective to cations for H+, but alsofor:Li+, K+, Rb+, Cs+, NH4+, Ag+
4. 3. Ion-selective electrodes (I.S.E)
In general the two electrodes are combined
The different types of electrodes:
Glass electrodes (Electrode de verre ou électrode pH) Solid-state ISE (Electrode avec membrane à corps solide)Membrane in a crystalline
material of inorganic salt (s) consisting of the analyteThe most common is the
fluoride electrode (F-) with aLaF3 crystal
4. 3. Ion-selective electrodes (I.S.E)
In general the two electrodes are combined
The different types of electrodes:
Glass electrodes (Electrode de verre ou électrode pH) Solid-state ISE (Electrode avec membrane à corps solide) Liquid-based ISE (Electrode à membrane en polymère synthétique) -Hydrophobic membrane containing an organic liquid that makes the selectivity -organic complex anion or cation exchangerCa2+ -sensitive electrode
4. 3. Ion-selective electrodes (I.S.E)
In general the two electrodes are combined
The different types of electrodes:
Glass electrodes (Electrode de verre ou électrode pH) Solid-state ISE (Electrode avec membrane à corps solide) Liquid-based ISE (Electrode à membrane en polymère synthétique) Gas-sensing electrode (Electrode sensible aux gaz) -Permeable gas membrane, then potential measured by internal ISE which measures the dissolved gas or the reactive species:With pH-senstive glass electrode
4. 3. Ion-selective electrodes (I.S.E)
Specificities of the method:
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