کروماتوگرافی تبادل یونی، کروماتوگرافی تعویض یونی (Ion-exchange Chromatography) یا کروماتوگرافی یونی (Ion Chromatography) با نام های متداول و اختصاری IC و IEC، یکی از روش های کروماتوگرافی می باشد که جهت تفکیک، جداسازی و اندازه گیری یون ها کاربرد دارد. این تکنیک از انواع تکنیک های کروماتوگرافی مایع محسوب می شود. در واقع شبیه کروماتوگرافی تقسیمی است، اما مکانیسم کار در آن، بر اساس برهم کنش های یونی خواهد بود. در مقالات پیشین نشریه جهان شیمی فیزیک، درباره آنالیز کروماتوگرافی، کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا، گاز کروماتوگرافی، کروماتوگرافی لایه نازک، کروماتوگرافی کاغذی و کروماتوگرافی ستونی مطالبی را مطرح کرده ایم. در این مقاله به معرفی کروماتوگرافی تبادل یونی، انواع و کاربرد های آن در آزمایشگاه پرداخته می شود. در ادامه با ما همراه باشید.
کروماتوگرافی تبادل یونی چیست؟
کروماتوگرافی تبادل یونی از انواع کروماتوگرافی های جذبی می باشد که در آن، معمولا از رزین به جای جاذب استفاده می کنند. تفکیک و جداسازی در واقع در ستونی که با یک ماده تعویض یونی پر شده است (ستون پلیمری که عموما از جنس رزین است)، انجام می شود. ماده پر کننده ستون را فاز ثابت و حلالی که از ستون کروماتوگرافی عبور می کند را فاز متحرک می نامند.
کروماتوگرافی تبادل یونی متداول ترین تکنیک جهت خالص سازی پروتئین ها و سایر بیومولکول های باردار (مانند اسید نوکلئیک ها و اسید های آمینه) می باشد. فرآیند جداسازی این بیو مولکول ها بر اساس نوع بار خالص و بزرگی بار آنها می باشد. علاوه بر آن جهت تفکیک، جداسازی و اندازه گیری یون های معدنی همچون اکتنید ها و لانتانید ها نیز کاربرد دارد.
نحوه عمل کروماتوگرافی تبادل یونی نیز مثل سایر تکنیک های کروماتوگرافی می باشد. بدین صورت که اجزای فاز متحرک که معمولا محلول بوده و شامل نمونه با اجزا قابل یونیزه است، بر روی ستون پر شده که باردار است حرکت می کند. در این روش بین دو فاز ساکن و متحرک به صورت تعادلی و برگشت پذیر، تبادل و تعویض یون انجام می گیرد. همانطور که بیان شد، این روش بر اساس بار يون ها کار می کند. در حقیقت، بار فاز ثابت با بار مخالف خود در فاز متحرك، تعويض مي گردد .
نکته
فازهای ساکن و متحرک هر دو قطبی اند. همانطور که بیان شد، فاز ساکن می تواند از پلیمر های سنتزی و یا رزین هایی که شامل گروه های متصل بارداراند تشکیل شده باشد. این گروه های باردار می توانند گروه های آنیونی یا کاتیونی باشند. اگر این ترکیب کاتیونی باشد، از آن برای انجام کروماتوگرافی تعویض آنیونی استفاده می کنند و در صورتیکه ترکیب فوق آنیونی باشد در کروماتوگرافی تعویض کاتیونی استفاده می شود.
در این کروماتوگرافی، مولکول هایی که بار مشابه با ستون کروماتوگرافی داشته باشند، سریع تر از ستون عبور می کنند. درحالیکه مولکول هایی با بار های مخالف با ستون کروماتوگرافی به دلیل برقراری برهمکنش های الکترواستاتیکی، با سرعت کمتری عبور می نمایند. در این صورت برخی مولکول ها از برخی دیگر جدا می شوند. توجه داشته باشید که هر چه طول ستون کروماتوگرافی بیشتر و بلندتر باشد، دقت کار نیز بیشتر خواهد بود و جداسازی ها بهتر اتفاق می افتد.
اساس کروماتوگرافی تبادل یونی
کروماتوگرافی یونی بر اساس جاذب مناسب (فاز ساکن)، حلال یا مخلوط حلال به عنوان فاز متحرک و آنالیت تقسیم بندی می شود. توجه داشته باشید که قبل از آغاز فرآیند کروماتوگرافی یونی، باید عوامل مهمی از قبیل مقدار آنالیت، جرم مولی یا وزن مولکولی آن و همچنین بار گونه هایی که آنالیت را تشکیل می دهند را در نظر داشت تا بتوان جداسازی و دستیابی به نتایج بهتر را داشته باشید. این عوامل ذکر شده جهت تعیین پارامتر های مختلف کروماتوگرافی نظیر انتخاب فاز ساکن، انتخاب فاز متحرک، اندازه ستون، ابعاد منافذ ماتریس ستون و دیگر موارد ضروری می باشد.
فاز ثابت یا فاز ساکن
در کروماتوگرافی یونی، فاز ساکن در واقع سطح ظريفی از رزين و يا سليكا است که بر روی آن کاتیون یا آنیون، بسته به نوع تبادلگر، قرار داده شده و يا با پيوند شيميايی به فاز ساكن متصل شده اند. این فاز ممکن است مواد معدنی طبیعی مانند زئولیت، سدیم آلومینو سیلیکات یا نوعی خاک رس باشد و یا مواد سنتزی از قبیل زیرکونیوم فسفات و رزین های تبادل یونی سنتزی باشند.
لازم به ذکر است که در دستگاه های امروزی، به جهت خواص مطلوب رزین های تبادل یونی سنتزی (خواصی نظیر پایداری مکانیکی، پایداری شیمیایی و یکنواختی اندازه ذرات)، غالبا از این رزین ها استفاده می شود. در رزین های تبادلگر یونی، بسته به مکان مبادله یون ها بر روی سطح آنها (یون های ثابت روی سطح رزین و یا یون های متحرک متصل به آنها) به دسته های تبادلگر یونی اسیدی قوی، اسیدی ضعیف، بازی قوی و بازی ضعیف، تقسیم می شوند.
فاز متحرک (حلال)
فاز متحرک در کروماتوگرافی تعویض یونی، معمولا محلولی از یک یا چند نمک در آب یا بافر هایی با pH مشخص می باشد. لازم به ذکر است که گزینش پذیری این روش به pH، نوع نمک یا بافر، دما و قدرت یونی فاز متحرک وابسته است.
نکات آنالیزی در کروماتوگرافی تبادل یونی
- نتایج آنالیز کروماتوگرافی به تغییرات pH بسیار وابسته می باشد.
- محدوده غلظتی در این نوع کروماتوگرافی در حد قسمت در میلیون یا ppm می باشد.
- در این نوع کروماتوگرافی تنها برهمکنش های یونی درگیر جداسازی می باشند، پس مزاحمت های ماتریسی نقشی جدی در آنالیز نخواهند داشت.
- آشکارساز های محدودی در این نوع کروماتوگرافی قابل استفاده اند.
- در کروماتوگرافی تبادل یونی، قدرت انتخابگری دارید، بنابراین با تغییر جریان، نوع و یا غلظت فاز متحرک، تغییر ستون کروماتوگرافی و همچنین تغییر آشکارساز می توان آنالیز های متعددی را انجام داد.
مراحل کروماتوگرافی تبادل یونی
در ابتدا نیاز است تا ستون کروماتوگرافی تهیه شود. در کروماتوگرافی تعویض یونی، ستونی که معمولا مورد استفاده قرار می گیرد، ابعادی در حدود ۶/۴ × ۱۵۰ میلی متر دارد. البته ستون هایی با طولی کوتاه تر از ۵۰ میلی متر و یا بلندتر از ۲۵۰ میلی متر نیز کاربرد دارند. این ستون در کروماتوگرافی یونی، با دانه های متخلخل رزین تبادلگر یونی پر می گردد.
توجه داشته باشید که قبل از بارگذاری و یا تزریق نمونه مورد نظر به ستون کروماتوگرافی، ستون حاوی تبادلگر آنیونی یا کاتیونی بایستی حتما با یک بافر به تعادل برسد. به عنوان مثال برای رزین آنیونی این مرحله شامل پروتونه کردن آن جهت اطمینان از بار مثبت رزین می باشد. نمونه مورد نظر به کمک بافر (فاز متحرک) در ستون بارگذاری می شود. توجه کنید که بافر مورد استفاده بایستی هدایت پایینی داشته باشد. زیرا وجود هر نوع گونه بارداری می تواند در برهمکنش رزین با نمونه رقابت کند. گونه ها با بار مخالف با رزین برهمکنش یونی دارند. از طرفی دیگر، گونه های هم بار یا خنثی با ستون کروماتوگرافی برهمکنشی ندارند.
در مرحله بعد، ستون کروماتوگرافی را با بافر می شویند تا گونه هایی که هیچ برهمکنشی با ستون ندارند از ستون کروماتوگرافی شسته و خارج شوند. در مرحله آخر، آنالیت های پیوند شده به ستون باید شسته شوند. این مرحله با گرادیان نمکی (غلظت نمک در آن به تدریج زیاد می شود) و یا یک بافر با غلظت بالای نمک انجام می گیرد. لازم به ذکر است که گونه هایی که پیوند ضعیف تری با ستون کروماتوگرافی دارند در ابتدا شسته می شوند، در حالیکه گونه هایی که پیوند قوی تری با رزین ایجاد کرده اند، با غلظت های بالاتر نمک شسته خواهند شد.
بهتر است بدانید که
همانطور که پیش تر بیان شد، این تکنیک از انواع روش های کروماتوگرافی مایع محسوب می شود. پس از نظر دستگاهوری، اجزا و آشکارساز مشابه روش HPLC خواهد بود. از این رو، متداول ترین نوع دتکتور در کروماتوگرافی تبادل یونی آشکارساز هدایت سنجی می باشد. لازم به ذکر است که آشکارساز ماورا بنفش (Uv/Vis) و همچنین آشکارساز فلورسانس (در صورتیکه آنالیت مورد آنالیز خاصیت فلورسانسی داشته باشد) نیز استفاده می شوند.
کاربرد های کروماتوگرافی یونی
کروماتوگرافی تبادل یونی معمولا در شیمی معدنی و زیست شیمی برای جداسازی یون ها و ملکول های یونی شونده استفاده می شود. یون های فلزی را می توان با توجه به نسبت بار به شعاع یون های آب پوشیده جدا کرد. در شرایطی یکسان، یون های چند ظرفیتی نسبت به یون های تک ظرفیتی بیشتر در ستون کروماتوگرافی باقی می مانند. درباره مخلوط یون های هم بار نیز قدرت انتخاب گری وجود دارد. در واقع جداسازی و آنالیز گونه های باردار معدنی مثل یون فلزات اکتنید ها، لانتانید ها و محصولات شکافت راکتورهای اتمی به وسیله کرماتوگرافی تعویض یونی امکان پذیر است.
علاوه بر آن، کروماتوگرافی تبادل یونی برای تجزیه مقادیر بسیار کم آنیون ها و یا کاتیون ها در نمونه های مختلفی نظیر آب های زیرزمینی و یا مایعات بدن کاربرد دارد. از جمله کاتیون ها و آنیون های قابل اندازه گیری با تکنیک یونی می توان به کاتیون های Li+, Na+, NH۴+, K+, Cs+, Mg۲+, Ca۲+, Sr۲+, Ba۲+ و آنیون های F−, Cl−, NO۲−, Br–, NO۳−, HPO۴۲−, SO۴۲−, S۲−, I−, S۲O۴۲−, SCN− اشاره کرد. لازم به ذکر است که هیچ روشی نمی تواند با روش کروماتوگرافی یونی در تجزیه مقادیر کم آنیون ها، رقابت کند. اما در تجزیه کاتیون ها، روش های طیف بینی جذب اتمی و یا روش نشر شعله ای ترجیح داده می‌شود.
به بیان دیگر، کروماتوگرافی تعویض یونی برای آنالیز آب بکار می رود. از طرفی دیگر مناسب ترین و بهترین روش تولید آب یون زدایی شده (تصفیه آب، كنترل كیفیت در تصفیه آب و همچنین یونیزاسیون) استفاده از رزین های تبادلگر یونی می باشد.
جالب است بدانید که
كروماتوگرافی يونی دارای کاربرد های گوناگونی در زمينه تشخيص بيماری نیز می باشد. در واقع جداسازی و آنالیز آمينو اسيد ها، نوكلئوتيد ها، پپتيد ها، پروتئين ها، اليگونوكلئوتيد ها و اسید های نوکلئیک در آزمايشگاه تشخيص طبي بر اساس اين تکنیک کروماتوگرافی انجام می گيرد. جداسازی يون های غير آلی از مخلوط های آبكی نیز يكی ديگر از کاربرد های مهم كروماتوگرافی تبادل يونی می باشد. همچنین اندازه گیری میزان نمک و شکر موجود در مواد غذایی از کاربرد های این نوع کروماتوگرافی محسوب می شود.
به وسیله این روش کروماتوگرافی همچنین می توان انواع مختلف آلاینده های زیست محیطی را در نمونه های مختلف، من جمله هوا، انواع آب ها، دودکش کارخانجات و معادن، خاک ها، گیاهان، محصولات های غذایی و سایر موارد شناسایی و اندازه گیری نمود. این روش همچنین در نرم سازی محلول های مورد استفاده در صنعت نساجی نیز بکار می رود. علاوه بر موارد گفته شده در صنایع دارویی جهت جداسازی و تصفیه داروها، آنزیم ها و همچنین متابولیت های موجود در خون، ادرار و سایر موارد کاربرد دارد.
انواع کروماتوگرافی یونی
کروماتوگرافی تبادل یونی دو نوع مختلف دارد، که شامل نوع کاتیونی و دیگری نوع آنیونی می باشد. اگر یون های متصل شده به بدنه اصلی رزین، آنیون باشند، جهت جداسازی و يا تعويض گروه های كاتيونی مورد استفاده قرار می گیرند. به این یون ها، تبادلگر های تعویض کاتیونی می گویند، زیرا برای تبادل کاتیون کاربرد دارند. در نتیجه این روش را کروماتوگرافی تعویض کاتیونی می گویند. براي نمونه اسيد های قوی مثل يون های سولفونات و اسيد های ضعيف مثل يون های كربوكسيلات، فسفات، كربوكسی متيل، سولفو متيل، سولفواتيل و سولفوپروپيل جز موارد تعويض كاتيونی محسوب می شوند.
از طرف دیگر، اگر یون های متصل شده به بدنه اصلی رزین، کاتیون باشند، جهت جداسازی و يا تعويض گروه های آنيونی مورد استفاده قرار مي گیرند. به این یون ها، تبادلگر های تعویض آنيونی می گویند، زیرا برای تبادل آنیون کاربرد دارند. در نتیجه این روش را کروماتوگرافی تعویض آنيونی می گویند. برای نمونه تری تيلامينواتيل و يا گروه هاي ضعيفی مثل آمينواتيل، گوانيدواتيل، دي اتيل آمينواتيل و اپي كلرودين-تريتانول آمين جز موارد تعويض آنيونی محسوب می شوند.
کروماتوگرافی تعویض غشایی
کروماتوگرافی تعویض غشایی یا کروماتوگرافی غشایی، نوعی از کروماتوگرافی تبادل یونی محسوب می شود که کاربرد بسیار زیادی در خالص سازی پروتئین ها، ویروس ها و سایر مواد دارد. غشا های مورد استفاده اغلب مواد متخلخلی می باشند که به صورت شیمیایی با پلیمر های باردار کاتیونی یا آنیونی اصلاح شده اند. این نوع کروماتوگرافی هیچ محدودیتی در ظرفیت ندارد و همچنین در سرعت جریان های بالا عملکرد بسیار خوبی نشان می دهد. از این رو، نسبت به کروماتوگرافی تبادل یونی کلاسیک، کارایی بهتری نشان می دهد. در واقع بسیار سریع تر بوده و جهت خالص سازی حجم های زیاد نیز کاربرد دارد.
