ЭЛЕКТРОХИМИЯ, 2004, том 40, № 5, с. 583-587
УДК 541.13
ПРИМЕНЕНИЕ ПРОТИВОТОКА В ДВУНАПРАВЛЕННОМ КАПИЛЛЯРНОМ ИЗОТАХОФОРЕЗЕ
© 2004 г. О. В. Ошуркова, А. И. Горшков, В. П. Нестеров
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия
Поступила в редакцию 06.03.2003 г. После переработки поступила 22.09.2003 г.
Предложена электролитическая ячейка, позволяющая использовать противоток в двунаправленном капиллярном изотахофорезе. С ее помощью определены стационарные концентрации ряда растворов одновременно в катионном и анионном капиллярном изотахофорезе, вычислены и сравнены с литературными значения чисел переноса ионных компонентов.
Ключевые слова: лидерный и терминаторный растворы, число переноса, капилляр, противоток, двунаправленный изотахофорез, стационарная концентрация.
Общеизвестно, что капиллярный изотахофорез послужил основой для для разработки других электромиграционных сепарационных методов в капиллярах [1]. За прошедшие 40 лет благодаря созданию чувствительных датчиков, основанных на поглощении света, и несложности подбора вспомогательных растворов в области малых концентраций, стал широко использоваться капиллярный электрофорез. Однако для изучения растворов электролитов в области средних и высоких концентраций имеет ряд преимуществ капиллярный изотахофорез. Он позволяет наблюдать сам процесс разделения смеси растворов электролитов на чистые растворы, изучать важные электрохимические характеристики компонентов растворов. Наиболее подходящим детектором границ при осуществлении капиллярного изотахофореза, в том числе и двунаправленного, для растворов средних и высоких концентраций является рефракционный детектор, основанный на разнице показателей преломления двух растворов, образующих границу [2]. Этот метод регистрации в последнее время был еще улучшен благодаря тому, что стал понятен механизм формирования "изображения" капилляра с растворами при освещении его пучком параллельных лучей [3]. Настоящая работа посвящена дальнейшему усовершенствованию двунаправленного капиллярного изотахофореза.
Двунаправленный изотахофорез подразумевает одновременное использование в одной ячейке катионной и анионной границ, движущихся, естественно, в противоположных направлениях. Здесь уместно поговорить о терминологии. Двунаправленный изотахофорез может быть двух видов. Один - тот, в котором катионная и анионная границы в процессе пропускания тока сходятся. Такой вариант предложен в работе [4]. При этом в
центре находится лидерный раствор, по сторонам его - терминаторы, католит и анолит. Последние термины означают, что эти растворы имеют контакт с катодом и анодом соответственно. По мере пропускания тока и движения границ объем ли-дерного раствора непрерывно уменьшается и он заменяется терминаторными. По количеству электричества, прошедшего от начала электролиза до момента схлопывания границ можно определить концентрацию этого исследуемого лидерно-го раствора. Отсюда и название - кулонофорети-ческий метод, т.е. кулонометритрование по ионным границам. Второй вид двунаправленного изотахофореза - это такой, когда катионная и анионная границы расходятся. В этом случае в средней части колонки помещен терминаторный раствор, а два лидера, по катионам и анионам, расположены по сторонам от него, являясь като-литом и анолитом. Объем центрального, терми-наторного раствора в процессе пропускания тока увеличивается, и этот вид изотахофореза назван электросинтезом по ионным границам (в отличие от общеизвестного электросинтеза на электродах). Возможность такого электросинтеза указана еще Кольраушем [5].
Из сказанного выше следует, что термин "двунаправленный изотахофорез", применяемый в литературе, в основном зарубежной [6, 7], не является однозначным. Для определенности необходимо дополнительно указать, сходятся или расходятся катионная и анионная границы. Применяемые вместо этого термины "кулонофоретический метод" и "электросинтез по ионным границам" являются однозначными. Отметим особо, что в принципе возможно осуществить в одном опыте различные комбинации обоих вариантов двуна-
6 7
Электролитическая ячейка для осуществления двунаправленного капиллярного изотахофореза со сходящимися границами. 1 - сосуд для лидерного раствора; 2,3 - сосуды для терминаторных растворов - католи-та и анолита соответственно; 4, 5 - капилляры для анионного и катионного изотахофозера; 6-9 - метки, выделяющие известные объемы в капиллярах; 6-7 -исходная зона раствора, имеющего общий анион с лидером и терминатором-анолитом, 8-9 - исходная зона раствора, имеющего общий катион с лидером и тер-минаторм-католитом. Стрелками около капилляров обозначены направления движения границ под действием электрического поля. Двойные стрелки означают возможность перемещения сосудов 2 и 3 по высоте вверх или вниз.
правленного изотахофореза - кулонофоретичес-кого метода и электросинтеза.
Пространственное разделение ионных компонентов, отличающихся подвижностями, определяется расстоянием, которое они проходят под действием электрического поля относительно растворителя. В обычном капиллярном изотахо-форезе эффективным средством для уменьшения длины колонки является противоток - гидродинамическое течение всего раствора под действием внешнего перепада давления, направленное против движения ионной границы. Впервые он был предложен в работе [8]. Противоток соответствующей величины позволяет сделать ионную границу неподвижной относительно колонки. Применение противотока позволяет разделять электрическим полем ионные компоненты, имеющие очень малую разницу подвижностей, даже редкоземельные элементы [9] и изотопные формы в колонках малой длины.
Наиболее простой и удобный способ организации противотока состоит в следующем. Измерительная колонка представляет собой П-образно изогнутый капилляр, закрепленный неподвижно, и концы его погружены в электродные сосуды, заполненные католитом и анолитом. Электродные сосуды имеют сечения, гораздо большие, чем капилляр, и могут плавно перемещаться по высоте в пределах 5-6 см относительно концов капилляра.
Рассмотрим теперь возможности применения противотока в двунаправленном капиллярном изо-
тахофорезе. Простой перенос сюда способа создания противотока, используемого в обычном капиллярном изотахофорезе, невозможен, так как катионная и анионная границы в двунаправленном изотахофорезе движутся в противоположных направлениях. Поэтому ячейка должна быть построена иным образом. Катионные и анионные границы должны находиться в своих капиллярах, и противоток в каждом должен задаваться независимо. Схема одной из возможных конструкций такой электролитической ячейки для двунаправленного изотахофореза со сходящимися границами (кулонофоретического метода) представлена на рис. 1. Лидерный раствор и два терминаторных помещены в и-образные трубки объемом около 40 мл. Каждая трубка разделена пористым фильтром на две части. Это увеличивает гидродинамическое сопротивление трубок. В терминаторные растворы погружаются соответствующие электроды. Два П-образно изогнутых капилляра служат электролитическими ключами между лидером и терминаторами. Капилляр, соединяющий лидер с терминатором-анолитом предназначен для растворов, образующих катионные границы, соединяющий лидер с терминатором-католитом -для анионных границ. Сосуды с терминаторами могут перемещаться вручную по высоте с помощью специальных устройств для изменения величины противотока.
Для проверки работоспособности предложенной схемы были поставлены некоторые опыты. В частности, были определены стационарные изо-тахофоретические концентрации ряда растворов электролитов в области средних концентраций. Стационарные концентрации, т.е. концентрации лидера и терминатора, удовлетворяющие регулирующему соотношению [10], являются важными характеристиками растворов в изотахофорезе. Они служат для определения числа переноса необщего ионного компонента одного из равновесных растворов, если известно число переноса соответствующего ионного компонента второго. Кроме того, знание стационарной концентрации терминатора необходимо во всех изотахофорети-ческих экспериментах, когда не предусмотрена подстройка (иногда весьма длительная) и можно сразу использовать терминатор с равновесной концентрацией.
Эксперменты проводились в капиллярах с внешним диаметром 0.2-0.4 мм, диаметром канала 0.1-0.2 мм. Как в обычном изотахофорезе проводились: проверка постоянства сечения колонки по длине, нанесение узких меток, выделяющих известный объем капилляра, придание капиллярам П-образной формы [11]. Предварительный подбор порядка следования растворов в электрическом поле проводился по эквивалентной электропроводности их при одинаковой концентрации [12].
Необходимые растворы приготавливались растворением навески вещества в обезгаженной кипячением дистиллированной воде из реактивов марок "х.ч." и "ч.д.а.". Приготовленные лидерный и терминаторный растворы наливали в средний и электродные сосуды соответственно. Капилляры заполняли растворами следующим образом. Сначала весь капилляр заполняли с помощью водоструйного насоса лидерным раствором. Затем на "электродном" конце капилляра с помощью фильтровальной бумаги образовывали пузырек воздуха с размерами, примерно равыми диаметру канала. Затем конец капилляра с пузырьком опускали в бокс с лидерным раствором, а на "лидерном" конце убирали раствор с помощью фильтровальной бумаги до тех пор, пока пузырек не доходил до первой метки на горизонтальной части капилляра. После этого "электродный" конец капилляра вынимали из лидерного раствора и погружали в бюкс с исследуемым. Снова удаляли лидерный раствор из того же "лидерного" конца капилляра до тех пор, пока пузырек не доходил до второй метки. При этом в капилляр вводился объем исследуемого раствора, равный объем канала капилляра между метками. Далее "электродный" конец капилляра вынимали из исследуемого раствора и погружали в бюкс с терминаторным раствором, который и набирали в капилляр, выводя пузырек из "лидерного" конца с помощью фильтровальной бумаги. Таким образом, капилляр оказывался заполненным необходимыми раство
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.