Cromatografía de intercambio iónico

Historia

Los métodos iónicos han sido utilizados desde 1850, cuando H. Thompson y J. T. Way, investigadores de Inglaterra, trataron diversas arcillas con sulfato de amonio o carbonato en solución para extraer el amoníaco y liberar calcio. En 1927, la primera columna de zeolita mineral fue utilizada para eliminar iones de calcio y magnesio que interferían en la solución, para determinar el contenido de sulfato de agua. La versión moderna de la IEC se desarrolló durante la época de la guerra del Proyecto Manhattan. Era necesaria una técnica para separar y concentrar los elementos radiactivos necesarios para hacer la bomba atómica. Los investigadores eligieron absorbentes que pudieran cerrarse sobre elementos transuránidos cargados, y que pudieran ser eliminados diferencialmente. Últimamente, una vez desclasificado, estas técnicas pueden utilizar nuevas resinas IE para desarrollar los sistemas que se utilizan a menudo hoy en día para la purificación específica de productos biológicos y de sustancias inorgánicas. A principios de los '70, la cromatografía iónica, fue desarrollada por Hamish Small y sus compañeros de trabajo en Dow Chemical Company como un novedoso método de IEC utilizables en el análisis automatizado. CI utiliza resinas iónicas más débiles para su fase estacionaria y una nueva neutralización de stripper, o supresor de la columna para eliminar los iones quitados que se depositan en el fondo. Es una poderosa técnica para determinar bajas concentraciones de iones y es especialmente útil en estudios sobre el medio ambiente y la calidad del agua, entre otras aplicaciones.

Técnica

La realización de esta técnica se hace utilizando columnas rellenas de un denominado intercambiador ionico (sustancia que contiene grupos cargados con iones móviles de signo contrario). Los intercambiadores pueden ser anionicos (intercambian aniones con el medio) o catiónicos (intercambian cationes con el medio). A través de la columna hacemos pasar una disolución de sustancias ioniadas. A su paso por la columna, las diferentes sustancias quedan unidas al intercambiador ionico merced a fuerzas electrostáticas. Después hacemos pasar por la columna tampones de diferente pH, que provoca cambios en las fuerzas electrostáticas. Por cada tampón utilizado conseguimos la separación de la columna, por elución, de una determinada sustancia ionizada.

Equipo para cromatografía de intercambio iónico.

Instrumentación: Un equipo para análisis mediante cromatografía de intercambio iónico (C.I.I.) está constituido básicamente por los componentes siguientes:

Un inyector Una válvula para la inyección Un compartimiento para la columna Una o varias columnas Una bomba un sistema de detección conductimétrico Un sistema de registro o de integración Un auto muestreador Un microprocesador para automatizar operaciones Un computador para manejar y almacenar información.

El diseño de un equipo con estas características, permite aplicaciones analíticas cualitativas y cuantitativas rápidas, selectivas y simultáneas principalmente de especies iónicas inorgánicas en el rango de microgramos por litro en muestras de aguas, contaminantes ambientales, industria de alimentos, bebidas, productos farmacéuticos, recubrimientos, productos agrícolas, laboratorios clínicos, laboratorios de control de calidad y análisis en general. Las determinaciones de aniones y cationes más frecuentes son: Cloruros, bromuros, fluoruros, nitritos, 23nitratos , sulfatos, fosfatos, boratos, sulfocianuro, silicatos, litio, sodio, potasio, calcio, magnesio, estroncio, bario, zinc, cobalto, manganeso, amonio, ácidos carboxílicos (tartratos, lactato, acetato) y aminas (metil amina, dimetil amina, trimetil amina).

ELEMENTOS BASICOS:

Fase estacionaria ( Fija )

Fase Estacionaria: Insoluble, lleva en la superficie cargas electrostáticas fijas que retienen contraiones móviles que pueden intercambiarse por iones de la fase móvil.

La fase estacionaria es normalmente una resina de intercambio iónico que contiene grupos funcionales cargados que interaccionan con grupos cargados de signo opuesto del compuesto que se quiere retener. Puede ser:

1. Intercambiador de iones cargado positivamente (intercambiador de aniones), que interacciona con aniones

2. Intercambiador de iones cargado negativamente (intercambiador de cationes), que interacciona con cationes

Resinas

I. Resinas de poliestireno entrecruzadas

II. Resinas basadas en Carbohidratos- (Carbohidratos Poliméricos, Agarosa, dextrano, celulosa) Especialmente usados en la separación de biomoleculas.

III. Soportes basados en la Sílice

Tipo de resinas usadas

Fase móvil ( Se desplaza )

Fase Móvil: Disolución acuosa con cantidades moderadas de metanol u otro disolvente orgánico miscible con agua que contiene especies iónicas en forma, generalmente de buffer. Los iones de la fase móvil compiten con los análitos por los sitios activos de la fase estacionaria.

Tampones

Para estos intercambiadores se suelen usar. Histidina (pKa 6,15), imidazol (7,0), trietanolamina (7,77), Tris (8,16), dietanolamina (8,8) y otros. Por la misma razón, para la cr. i. catiónico se debe usar un tampón aniónico, como acético (pKa 4,76), cítrico (4,76), Mes (6,15), fosfato (7,2), Hepes (7,55) y otros.

Elección del tampón y la fuerza iónica.

Aparte del pH de la fase movil, en la purificacion de un soluto/proteina hay que tener en cuenta el tipo de tampón que se usa y la fuerza iónica o concentracion salina en la que tiene lugar la interaccion con el intercambiador.Respecto al tipo de tampon, la forma cargada del mismo no debe interferir con el proceso de intercambio de iones, por lo que no debe actuar como contraion y competir con la proteina por la union a la f. estacionaria, porque ello desvirtuaria su equilibrio (y ademas se crearia un gradiente de pH en la columna). Para ello, el componente iónico del tampón debe de tener la misma carga que la fase estacionaria.

Etapas del proceso cromatografico

1. La proteína que contiene en mayor porcentaje cargas negativas, se ve rodeada por iones positivos. Esta proteína interaccionará con una matriz que posea cargas positivas.

2. Se producen interacciones electroestáticas entre la proteína y la matriz, por lo cual se desplazan los iones positivos y negativos que se encontraban interaccionando tanto con la proteína como con la matriz.

3. Una vez que la proteína es adsorbida en la matriz se lava la columna con un buffer que permita eliminar los contami-nantes que no están adsorbidos.

4. Posteriormente se eluye la proteína adsorbida en forma diferencial mediante cambios:

- de fuerza iónica- pH de la solución eluyente

5. Finalmente se reacondiciona la matriz para iniciar un nuevo ciclo. Dependiendo del material se pueden realizar hasta 100 ciclos.

Ventajas/Desventajas

Ventajas:

Alta capacidad Alta resolución. Paso concentrador: Se puede sembrar un gran volumen para luego eluirlo en un

menor volumen. Con una misma columna se puede utilizar a diferentes pH y obtener diversos

perfiles de elución.

Desventajas:

Las muestras deben estar desalinizadas antes de ser aplicadas a este tipo de cromatografía

Aplicaciones

Como aplicaciones de la cromatografía iónica está el análisis de drogas y sus metabolitos, sueros, conservantes de alimentos, mezclas para vitaminas, azúcares, y preparaciones farmacéuticas.

El intercambio iónico se utiliza ampliamente en las industrias de alimentos y bebidas, hidrometalúrgica, acabado de metales, química y petroquímica, farmacéutica, azúcar y edulcorantes, agua subterránea y potable, nuclear, ablandamiento industrial del agua, semiconductores, energía, y otras muchas industrias.

En bioquímica es ampliamente utilizado para separar moléculas cargadas, tales como proteínas. Un área importante de aplicación es la extracción y purificación de sustancias de origen biológico, tales como proteínas (aminoácidos) y ADN/ARN.

Un ejemplo muy importante es el proceso PUREX (Plutonium-URanium EXtraction process, proceso de extracción de plutonio-uranio) que se utiliza para separar el plutonio y eluranio entre los productos presentes en el combustible gastado de un reactor nuclear, y poder eliminar los productos de desecho. De este modo, el plutonio y el uranio están disponibles para ser empleados como materiales relacionados con la energía nuclear, como nuevo combustible de reactor y armas nucleares.

Se utiliza también para separar otros conjuntos de elementos químicos muy similares, tales como circonio y hafnio, que por cierto son también muy importantes para la industria nuclear. El circonio es prácticamente transparente a los neutrones libres, y se utiliza en la construcción de reactores, pero el hafnio es un absorbente de neutrones muy fuerte, usado en las barras de control del reactor.

Se utilizan en el reprocesamiento del combustible nuclear y el tratamiento de los residuos radiactivos.

Otras aplicaciones

En ciencia del suelo, la capacidad de intercambio catiónico es la capacidad de intercambio iónico de los suelos para los iones de carga positiva. Los suelos pueden ser considerados como intercambiadores naturales de cationes débiles.

En la fabricación de guías de onda planas, el intercambio iónico se utiliza para crear la capa guía de índice de refracción superior.

Desalcalinización, o eliminación de los iones alcalinos de la superficie de un vidrio.

Producción de Vidrio endurecido químicamente, producido por el intercambio de iones Na+ por K+ en las superficies de cristal usando KNO3 fundido.

Extracción y purificación de ácidos nucleicos Purificación de agua Purificación del fibrinógeno de la leche

Determinación de anticonvulsantes en el suero después de la extracción de la fase sólida. Análisis de antibióticos de poli éter.

Determinación de pesticidas.

Identificación de ácidos orgánicos en la fruta y en el jugo.

Detección de derivación-fluorescencia post-columna para análisis para varios tipos de pesticidas agrícolas.

Determinación de metabolitos de Triptófano en el suero umbilical.

Ejemplo