Электрохимические детекторы

Благодаря высокой чувствительности и селективности, электрохимические детекторы особенно эффективны для анализа некоторых важных для биохимии и медицины соединений, таких как эстрогены и катехоламины, присутствующие обычно в малых концентрациях в тканях, крови и других сложных объектах исследования. Эти детекторы применяют также для анализа веществ при исследовании загрязнений окружающей среды ввиду его высокой чувствительности и селективности к фенолам, бензидинам, нитросоединениям, ароматическим аминам и пестицидам.

Наибольшее применение электрохимические детекторы нашли в обращенно-фазовой и ионообменной ВЭЖХ, в которой используют полярные элюенты. В нормально-фазовой ВЭЖХ также можно применять ЭХД, если после разделительной колонки в неполярную подвижную фазу добавить электролит или подходящий растворитель с высокой диэлектрической проницаемостью.

Работа электрохимических детекторов основана на определении электрохимических свойств соединений в потоке элюента. Различают детекторы, которые реагируют либо на изменение свойств элюата, либо на конкретный компонент элюата. К первому типу относится кондуктометрический детектор, ко второму - амперометрический. Большинство электрохимических детекторов работают в амперометрическом режиме, при котором поддерживается постоянное напряжение между двумя электродами, погруженными в поток элюента, и регистрируется зависимость силы тока от времени.

Преимуществами электрохимических детекторов являются простота конструкций, высокая чувствительность и селективность. Имеется возможность регулирования селективности путем смены режимов работы детекторов, замены или модифицирования электродов. Для них возможно реализовать рабочий объем около 1 нл, меньший по сравнению с другими ВЭЖХ-детекторами. Электрохимический детектор с малым рабочим объемом может быть применен в микроколоночной и капиллярной хроматографии, что особенно актуально в связи с их быстрым развитием. Их достоинством является также малая зависимость показаний от температуры. Недостатками детекторов данного типа являются нестабильность, уменьшение чувствительности со временем в связи с изменением характеристик электродов, значительная зависимость сигнала от расхода и чистоты элюента и ограниченное применение в ВЭЖХ с градиентным элюированием.

Кондуктометрический детектор. Принцип работы его построен на том, что при создании разности потенциалов ионы, находящиеся в растворе, начинают перемещаться по направлению к противоположно заряженным электродам. Проводимость зависит от числа заряженных частиц в растворе - именно эта зависимость и положена в основу количественной оценки в кондуктометрии. Таким образом, для получения количественных результатов должна быть постоянной молярная проводимость. При применении детекторов этого типа следует избегать протекания электрохимических реакций на поверхности электродов, поэтому используют источники переменного тока с частотой от 50 до 1000 Гц и напряжением от 5 до 10 В. Измерения проводятся с применением моста сопротивлений Уитстона. Детекторы данного типа наиболее пригодны для определения заряженных соединений в элюате, предпочтительны при анализе малых концентраций ионов.

1. Фторид
2. Хлорит
3. Нитрит
4. Нитрат
5. Фосфат
6. Сульфат

Хроматограмма стандартной смеси анионов. Колонка: Star-Ion A300 100х4.6 мм, подвижная фаза: 1.7 ммоль/л натрия углекислого кислого (NaHCO₃) + 1.8 ммоль/л натрия углекислого (Na₂CO₃), расход: 1.2 мл/мин, объем пробы: 50 мкл, детектирование: кондуктометрическое с подавлением фоновой электропроводности.

Вольтамперометрический детектор. Вольтамперометрическое детектирование заключается в измерении электрического тока в ячейке, возникающего при окислении (восстановлении) регистрируемого вещества на поверхности рабочего электрода при подаче на него определенного напряжения. Этот детектор обладает очень высокой чувствительностью, сравнимой с чувствительностью детекторов по флуоресценции. Кроме того, он высокоселективен, поскольку не все вещества легко окисляются или восстанавливаются.

Вольтамперометрический детектор используется при анализе веществ, обладающих электрохимической активностью. Большинство неорганических ионов могут быть электрохимически окислены или восстановлены. Среди органических соединений электроактивными являются соединения с кратными связями, окисляемыми или восстанавливаемыми функциональными группами. Для детектирования вещества необходима его способность окисляться или восстанавливаться в водном растворе при потенциале в интервале от +1.2 до -0.8 В (электрод сравнения - хлорсеребрянный). Детектирование при потенциалах более +1В или менее -1В (относительно хлорсеребряного электрода) с использованием угольных или ртутных электродов приводит к уменьшению чувствительности и селективности. Вещества, содержащие фенольную, индольную или альдегидную группу, способны окисляться при низких потенциалах (0.4-0.7 В). В качестве рабочего электрода используются электроды из платины, золота, углеродной пасты, графита. Электрод, на котором протекает электрохимический процесс называют рабочим электродом: катод (реакция восстановления) или анод (реакция окисления).

Электрохимические детекторы работают только с проводящей водной ПФ, поэтому они наиболее подходят для ОФХ или ионообменной хроматографии. Для увеличения проводимости ПФ в водный элюент добавляют нитрат калия, перхлорат натрия, а в органический - перхлорат тетраэтиламмония. Между насосом и дозирующим устройством в линию подачи растворителя часто помещают скруббер - ячейку большей емкости. Потенциал ячейки устанавливают таким, чтобы все мешающие детектированию соединения либо окислялись, либо восстанавливались до момента ввода пробы. Для каждого класса соединений характерно свое напряжение разложения, следовательно, меняя напряжение, можно сделать детектор высокоселективным.

На практике легче осуществляется окисление, так как не надо удалять предварительно растворенный кислород. Измеряя зависимость силы тока от приложенного напряжения для электроактивного соединения в статических условиях, получают вольтамперограмму. Характерная особенность вольтамперограммы - наличие участка, на котором сила тока после резкого увеличения практически не меняется с изменением приложенного напряжения. Этот ток называется предельным. В величину предельного тока входит вклад электролита подвижной фазы (остаточный, или фоновый, ток). Следует отметить, что фоновые токи в электрохимических детекторах для ВЭЖХ могут в 1000 и более раз превосходить диффузионные (диффузионный ток представляет собой разность между предельным и фоновым токами).

В ячейке детектора создается такая разность потенциалов, при которой достигается предельный ток для определенного класса исследуемых веществ. Регистрируемые соединения в вольтамперометрических детекторах претерпевают минимальные электрохимические превращения. Степень превращения составляет от 1 до 3% (если степень превращения приближается к 100%, то детектор работает как кулонометрический).

Из-за адсорбции подвижной фазы и продуктов окислительно-восстановительной реакции на поверхности электродов возможна их пассивация, что, в свою очередь, ведет к снижению чувствительности и в конечном итоге может привести к определенным затруднениям в количественном анализе. В связи с этим рекомендовано применять внутренние стандарты. Пассивирование электродов вызывает и постепенный дрейф нулевой линии, поэтому необходима тщательная очистка поверхности электрода от посторонних веществ.

В настоящее время разработаны многоканальные электрохимические детекторы, аналогичные УФ детектору с диодной матрицей. В электрохимическом детекторе потенциал электрода может быстро и периодически изменяться, при этом регистрируется зависимость электрохимического тока от напряжения - так называемая вольтамперометрия с быстрым сканированием, что аналогично записи оптического поглощения в зависимости от длины волны.

 

Хроматограмма определения фенола в сточной воде. Колонка: Synergi Polar-RP 250х4.6 мм 4 мкм, подвижная фаза: ацетонитрил – 1% р-р фосфорной кислоты в воде (35:65), расход: 0,9 мл/мин, объем пробы: 20 мл, детектор: амперометрический, параметры детектирования: постояннотоковый, потенциал рабочего электрода +1.3 В.

Кулонометрический детектор. Кулонометрический детектор назван так в связи с тем, что анализируемые вещества в нем электризуются полностью в отличие от вольтамперометрического. В этом детекторе применяют рабочие электроды с большой поверхностью. Для определения соединений с высокими окислительно-восстановительными потенциалами применен принцип двух последовательно расположенных рабочих электродов, один из которых (вышестоящий по ходу потока) является кулонометрической ячейкой для полного окисления примесных веществ с более низкими потенциалами, чем анализируемые соединения. Детектирование последних осуществляется вольтамперометрической ячейкой. Система вольамперометрический-кулонометрический детектор позволяет провести селективное детектирование неразделенных пиков.

Полярографический детектор измеряет силу тока между поляризуемым и неполяризуемым электродами при заданной постоянной разнице потенциалов. В результате приложенного напряжения сорбат, попавший в ячейку детектора окисляется или восстанавливается. Детектор применим для определения нитроанилинов, нитрофенолов, нитрозаминов, стероидов, альдегидов, ионов металлов и неорганических ионов.

Не получили пока широкого применения емкостные детекторы (по диэлектрической проницаемости). Детектор по диэлектрической проницаемости является универсальным, он более чувствителен, чем рефрактометрический, причем чувствительность не зависит от скорости потока, однако детектор данного типа чувствителен к флуктуациям температуры.