Analiza prostych i złożonych związków jonowych w matrycach środowiskowych za pomocą technik separacyjnych

Transkrypt

1 Uniwersytet Mikołaja Kopernika Wydział Chemii Katedra Chemii Środowiska i Bioanalityki Analiza prostych i złożonych związków jonowych w matrycach środowiskowych za pomocą technik separacyjnych dr Przemysław Kosobucki Autoreferat Toruń 2014

2 1. Imię i nazwisko Przemysław Karol Kosobucki 2. Posiadane dyplomy i stopnie naukowe 1998 magister chemii, specjalność chemia środowiska, tytuł pracy dyplomowej: Unieszkodliwianie odpadów komunalnych - defosforyzacja, promotor: prof. dr hab. Bogusław Buszewski 2003 doktor nauk chemicznych w dziedzinie chemii, tytuł rozprawy doktorskiej: Optymalizacja warunków kompostowania osadów ściekowych, promotor: prof. dr hab. Bogusław Buszewski 3. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu 1 października kwietnia 1999 doktorant w Katedrze Chemii Środowiska i Bioanalityki, 1 maja grudzień 2006 asystent w Katedrze Chemii Środowiska i Bioanalityki, 1 stycznia września 2013 adiunkt w Katedrze Chemii Środowiska i Bioanalityki, od 1 listopada 2013 adiunkt w Katedrze Chemii Środowiska i Bioanalityki. 4. Zainteresowania naukowe Izotachoforeza, chromatografia jonowa, ekoanalityka, chemia środowiska 5. Wskazanie osiągnięcia wynikającego z art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. nr 65, poz. 595 ze zm.) 5.1. Tytuł osiągnięcia Analiza prostych i złożonych związków jonowych w matrycach środowiskowych za pomocą technik separacyjnych 5.2. Autoreferat wraz z omówieniem osiągnięcia naukowego W 1998 roku ukończyłem studia magisterskie na Wydziale Chemii UMK. Praca dyplomowa, wykonana pod kierunkiem prof. dr. hab. Bogusława Buszewskiego, dotyczyła unieszkodliwiania odpadów komunalnych, a w szczególności ścieków. Oczyszczanie ścieków przeprowadzić można na wiele sposobów, najpopularniejsze jest łączenie oczyszczania mechanicznego z chemicznym oraz biologicznym. I właśnie biologiczne metody usuwania ze ścieków pierwiastków biogennych, węgla i azotu, a zwłaszcza fosforu stanowiły główny temat - 2 -

3 zrealizowanej przeze mnie pracy magisterskiej. Wyniki mojej pracy prezentowałem na konferencji ECOPOLE'98 i ukazały się one drukiem w materiałach zjazdowych [1]. W tym samym roku, po zdaniu egzaminów wstępnych, zostałem słuchaczem Studium Doktoranckiego na Wydziale Chemii UMK. Po kilku miesiącach pracy, awansowałem na stanowisko asystenta w Katedrze Chemii Środowiska i Bioanalityki. W tym samym roku, w Toruniu, została ukończona budowa Miejskiej Oczyszczalni Ścieków (MOŚ, obecnie Wydział Oczyszczania Ścieków Toruńskich Wodociągów sp. z o. o., WOŚ TW), która stanowiła najnowocześniejszą oczyszczalnię ścieków w Polsce [2]. Dla mnie okazała się doskonałym miejscem, gdzie mogłem osiągnięcia naukowe w zakresie utylizacji ścieków komunalnych prowadzone w skali laboratoryjnej wdrożyć w praktyce. Powstające produkty ubocznego, biologicznego oczyszczania ścieków - osady ściekowe, które ze względu na swój skład fizykochemiczny (Cu, Cd, Cr, Zn, Ni, Pb, Hg) i mikrobiologiczny (Salomonella, Ascharis), to uciążliwy odpad, który był składowany na wysypisku odpadów i stanowił realne zagrożenie dla środowiska. Jednocześnie osady ściekowe zawierają łatwo przyswajalne pierwiastki biogenne taki jak: C, N, P, K, Ca, Mg i celowym jest powtórne ich włączenie do cyklu biogeochemicznego [3]. Idealną drogą aby osiągnąć ten cel jest więc kompostowanie osadów ściekowych [4]. Brak rozwiązań w tym zakresie spowodował, że zainteresowałem się tą tematyką i od 1999 roku zacząłem systematyczne badania w tym kierunku we współpracy z MOŚ jako studium przypadku. Wynikało to z faktu, że skład fizykochemiczny osadów ściekowych jest charakterystyczny dla wcześniej oczyszczanych ścieków, a więc ich zlewni (miasta Torunia). Szczególnym problemem był obserwowany w osadach ściekowych nadmiar niklu, pochodzący z galwanizerni zlokalizowanych na terenie miasta. Osady ściekowe poddano kompostowaniu pryzmowemu z wykorzystaniem szerokiej gamy środków strukturotwórczych (trociny, słoma, odpady zielone, makulatura, torf itp.). Wyniki badań zostały opublikowane w serii publikacji [3-8] i wykorzystane w praktyce. WOŚ TW do dnia dzisiejszego z powodzeniem wykorzystuje opracowane przy moim współudziale technologie. Podczas badań nad kompostowaniem, do kontroli jego przebiegu oraz do kontroli produktu końcowego kompostu, wykorzystywałem szerokie spektrum technik analitycznych (elektrochemiczne, spektroskopowe, separacyjne i inne). Jedną z nich była izotachoforeza (ITP), która posiada duże możliwości analityczne. Postanowiłem, że stanie się ona moim podstawowym narzędziem analitycznym. Starałem się wykorzystać uniwersalizm izotachoforezy do oznaczania związków azotu, fosforu, wapnia, magnezu, potasu, kwasów organicznych, metali ciężkich, charakteryzowania materii organicznej w kompostach i osadach ściekowych [9, 10]. W 2000 roku odbyłem staż w School of Chemistry, University of the Witwatersrand w Johannesburgu (Republika Południowej Afryki), gdzie współpracowałem z Prof. Ewą Cukrowską - 3 -

4 i jej zespołem badawczym (Environmental Analytical Chemistry Research Group). Badałem tam kwaśne odcieki z hałd pokopalnianych (Acid Mine Drainage), które powodują znaczne obniżenie odczynu oraz wymywanie (i uwalnianie) znacznych ilości anionów (głównie siarczanów(vi)) a także metali ciężkich do środowiska, a zwłaszcza wód podziemnych [11]. Do tych badań również wykorzystywałem izotachoforezę. W listopadzie 2003 roku, odbyłem miesięczny staż w laboratorium technik elektromigracyjnych, gdzie pod kierunkiem Profesora Dusana Kaniansky ego zapoznawałem się z teoretycznymi podstawami działania izotachoforezy. Wspomniane publikacje [4-10] oraz praca przeglądowa [3] złożyły się na przygotowaną pod kierunkiem prof. dr. hab. Bogusława Buszewskiego rozprawę doktorską zatytułowaną Optymalizacja warunków kompostowania osadów ściekowych, którą obroniłem 10 grudnia 2003 roku. W dalszej działalności naukowej postanowiłem zgłębiać zagadnienia związane z analizą związków jonowych w matrycach środowiskowych z wykorzystaniem technik separacyjnych a w szczególności izotachoforezy (ITP) oraz chromatografii jonowej (IC). Od początku XIX wieku wiadomo było, że wodne roztwory niektórych substancji wykazują zdolność do przewodzenia prądu elektrycznego. Substancje te nazwano elektrolitami. Pierwsza teoria objaśniająca mechanizm przepływu prądu przez elektrolity została podana przez R.I. Grotthusa w 1806 r. Zgodnie z nią dipolowe cząsteczki elektrolitów ulegają polaryzacji w przestrzeni międzyelektrodowej, a następnie rozerwaniu (dysocjacji) na jony przez pole elektryczne przyłożone do elektrod. Pogląd ten uznawany był przez ponad pół wieku. Wyniki badań Hittorfa i Kolrauscha (1853), dotyczące przewodnictwa elektrycznego roztworów elektrolitów, stanowiły już podstawę do sformułowania teorii o samorzutnej dysocjacji elektrolitycznej. W roku 1887 Svante Arrhenius przedstawił teorię dysocjacji elektrolitycznej, zgodnie z którą cząsteczki elektrolitu w roztworze wodnym rozpadają się samorzutnie na cząstki o przeciwnych ładunkach (jony), będące nośnikami prądu elektrycznego [12]. Jonem nazywa się więc atom lub grupę atomów połączonych wiązaniami chemicznymi, która ma niedomiar lub nadmiar elektronów w stosunku do protonów. Obojętne elektrycznie atomy i cząsteczki związków chemicznych posiadają równą liczbę elektronów i protonów, jony zaś są elektrycznie naładowane dodatnio lub ujemnie. Jony naładowane dodatnio nazywa się kationami (np. kation sodowy - Na + ), zaś ujemnie anionami (np. anion chlorkowy Cl - ). Jony mogą występować samodzielnie, w stanie wolnym (zwykle w fazie gazowej) lub tworzą tzw. pary jonowe, które mogą być luźno z sobą związane lub odwrotnie tworzyć silne wiązania. Silnie związane pary jonowe tworzą chemiczne wiązania jonowe, obecne w wielu związkach chemicznych. W zależności od stopnia złożoności budowy jonu, wyróżnia się jony proste i złożone. Jony proste zbudowane są z jednego atomu obdarzonego ładunkiem (Na + ), natomiast - 4 -

5 jony złożone zbudowane są z kilku atomów (zwykle różnego rodzaju np. SO 2-3 ) także obdarzonych ładunkiem elektrycznym. Wielkości jonów wykazują spore zróżnicowanie. Najmniejsze są kationy litowców i berylowców. Nieznacznie większe są atomy, a największe są aniony (np. anion jodkowy). Ich wielkość waha się w zakresie od około 50 pm do 450 pm. Proste jony są sferyczne, natomiast jony złożone mają bardziej skomplikowany kształt. Procesowi dysocjacji elektrolitycznej ulegają kwasy, zasady i sole. Podczas dysocjacji substancje jonowe rozpadają na poszczególne jony, natomiast w substancjach zbudowanych z cząsteczek rozerwaniu ulegają wiązania najsilniej spolaryzowane [13]. Roztwory elektrolitów różnią się od roztworów nieelektrolitów swoimi właściwościami. Takie roztwory, dzięki obecności jonów, cząstek naładowanych elektrycznie, przewodzą prąd elektryczny. Przewodnictwo elektrolitów zmienia się w szerokim zakresie. Elektrolity słabe, dające niewielką liczbę jonów w roztworze, wykazują słabe przewodnictwo w przeciwieństwie do elektrolitów mocnych, które są całkowicie zdysocjowane i ich przewodnictwo jest wysokie. Inną cechą charakterystyczną dla roztworów elektrolitów jest: - większe obniżenie prężności pary, - większe podwyższenie temperatury wrzenia, - większe obniżenie temperatury krzepnięcia, - zdolność tworzenia struktur krystalicznych o różnorodnych sieciach przestrzennych, gdzie poszczególne jony połączone są silnymi wiązaniami jonowymi, - stopione dobrze przewodzą prąd elektryczny, w stanie stałym są złymi przewodnikami, w porównaniu do czystego rozpuszczalnika, przyczyną tych odmienności jest obecność w roztworze dużej liczby jonów pochodzących z dysocjacji rozpuszczonego związku. Podsumowując, właściwości i budowa jonów mają zasadniczy wpływ na wybór metod analitycznych stosowanych do ich jakościowego i ilościowego oznaczania. Wielkość jonu ma decydujący wpływ na ruchliwość elektroforetyczną (w technikach elektromigracyjnych) bądź retencję (w technikach chromatograficznych) [14]. Wybór metody analizy związków jonowych zależy od celu badania. W zależności od potrzeb możliwa jest do przeprowadzenia analiza jakościowa i ilościowa, bądź można przeprowadzić obydwa rodzaje analiz jednocześnie [15-17]. Ciekawą grupą związków jonowych, które w ostatnich latach zainteresowały badaczy na całym świecie, stanowią ciecze jonowe (ionic liquids, IL). Ciecze jonowe to sole zbudowane najczęściej z dużych i niesymetrycznych kationów (np. alkiloimidazoliowych lub alkilopirydyniowych) oraz mniejszych anionów o charakterze organicznym lub nieorganicznym (np. chlorki, bromki, tetrafluoroborany) [18]. Związki te posiadają względnie niską temperaturę - 5 -

6 topnienia, często poniżej C, a ich niska energia sieciowa sprawia, iż są ciekłe w temperaturze pokojowej (room temperature ionic liquids, RTIL). Ciecze jonowe to związki nielotne, niepalne, charakteryzujące się małą prężnością par w temperaturze pokojowej. Ich gęstość i lepkość jest większa niż wody. Możliwość sterowania właściwościami fizycznymi i chemicznymi cieczy jonowych, pozwala na ich syntezowanie pod kątem konkretnych zastosowań, np. reakcji chemicznych, procesów technologicznych. Z tego względu sole te są coraz powszechniej wykorzystane w syntezie organicznej, zwłaszcza dla potrzeb przemysłu farmaceutycznego i spożywczego, w reakcjach katalitycznych oraz biokatalitycznych [19]. Znalazły one zastosowanie także w elektrochemii, ekstrakcji w układzie ciecz-ciecz, w mikroekstrakcji do fazy ciekłej i stałej, a także w technikach separacyjnych jako fazy stacjonarne lub dodatek do nich (chromatografia gazowa, wysokosprawna chromatografia cieczowa, elektroforeza kapilarna [20-22]). Ciecze jonowe wykorzystane są w technikach spektrometrycznych i spektroskopowych, jak również do produkcji selektywnych ciekłych membran, do balsamowania i utrwalania tkanek, jako środki bakterio- i grzybobójcze, jako środki smarujące, antyelektrostatyczne, plastyfikatory. Ze względu na tak szerokie możliwości zastosowań cieczy jonowych, ich wykorzystanie na skalę przemysłową jest obecnie kwestią najbliższej przyszłości. Możliwość dostrajania" ich właściwości do potrzeb konkretnego procesu technologicznego stwarza perspektywy dla nowych rozwiązań. Użycie cieczy jonowych prowadzi do uzyskania wyższych wydajności, lepszej selektywności, krótszego czasu prowadzenia procesu, a w niektórych przypadkach niższych temperatur reakcji w porównaniu z zastosowaniem tradycyjnych rozpuszczalników organicznych [23]. Mimo swojej toksyczności, są często stosowane w przemyśle spożywczym (brak interferencji ze składnikami żywności), stąd nazywane bywają rozpuszczalnikami zielonej chemii. Wszystkie te zalety wiążą się również ściśle z obniżeniem kosztów prowadzenia procesu technologicznego. Stopniowe wprowadzanie cieczy jonowych do przemysłu stwarza jednak poważne zagrożenie ich szybkiego rozprzestrzeniania się i kumulacji w środowisku wodnym i glebowym [24]. Ze względu na szerokie rozpowszechnienie prostych i złożonych związków jonowych w środowisku oraz koniecznością ich analizy, celowym jest poszukiwanie szybkich, powtarzalnych i tanich metod ich oznaczania. W związku z tym nadrzędnym celem moich badań było opracowanie metodyk analizy prostych i złożonych substancji jonowych w matrycach środowiskowych (głównie w wodzie, ściekach oraz glebie). Do badań wykorzystywałem jako podstawowe narzędzia pomiarowe izotachoforezę (ITP) oraz chromatografię jonową (IC). Postawione przeze mnie szczegółowe cele badawcze można przedstawić w kilku punktach: - 6 -

7 1. opracowanie metodyk oznaczania wybranych analitów nieorganicznych i organicznych o charakterze jonowym oraz kationowych i anionowych składników cieczy jonowych za pomocą izotachoforezy i innych technik analitycznych, 2. próbę wykorzystania unikalnych właściwości cieczy jonowych jako składników elektrolitów w izotachoforezie, 3. opracowanie metodyk oznaczania wybranych jonów nieorganicznych oraz kationowych i anionowych składników cieczy jonowych za pomocą chromatografii jonowej, 4. badania nad retencją cieczy jonowych w chromatografii jonowej z wykorzystaniem ilościowych zależności struktura - retencja (QSRR). 5. preparatykę nowej generacji selektywnych faz stacjonarnych do chromatografii jonowej. Wyniki badań i płynące z nich wnioski przedstawiłem w cyklu dziewięciu monotematycznych publikacji (H1-H9), a nowatorskość tych rezultatów zawarłem w trzech patentach UP RP (H10-H12). Realizacja celów: Ad.1. Opracowanie metodyk oznaczania wybranych analitów nieorganicznych i organicznych o charakterze jonowym oraz kationowych i anionowych składników cieczy jonowych za pomocą izotachoforezy i innych technik analitycznych. Izotachoforeza wymaga stosowania dwóch elektrolitów (wiodącego (leading electrolyte, LE) i kończącego (terminating electrolyte, TE)), o ściśle określonym składzie. Głównymi ich składnikami są jony o ruchliwości elektroforetycznej większej i mniejszej niż jony które chcemy poddać analizie [25, 26]. Dlatego też, podczas realizacji tego celu, musiałem dobrać odpowiednie warunki prowadzenia analizy (skład LE, TE; długość kolumny: 90 mm, 160 mm; robocze natężenie prądu; sposób detekcji (konduktometryczna, UV-VIS)). Głównym problemem, który musiałem rozwiązać był wybór jonu elektrolitu kończącego. Powinien się on charakteryzować efektywną ruchliwością elektroforetyczną mniejszą niż oznaczane jony. W przypadku analizy wybranych anionów nieorganicznych (chlorki, azotany(iii), azotany(v), fluorki, ortofosforany(v), siarczany(vi)), problem jego wyboru jest prosty. Ich efektywne ruchliwości elektroforetyczne mieszczą się w przedziale od m 2 V -1 s -1 dla siarczanów(vi) do 76, m 2 V -1 s -1 dla chlorków [27], stąd jako TE można wykorzystać duże jony organiczne, których ruchliwość elektroforetyczna jest dużo mniejsza (np. 28, m 2 V -1 s -1 dla anionu cytrynianowego) [28]. Podobnie wygląda sytuacja w przypadku analizy kationów, gdzie - 7 -

8 niezbędne jest ustalenie szczegółowych warunków prowadzenia analizy. Izotachoforeza w przeciwieństwie do kapilarnej elektroforezy strefowej (CZE) wymaga innych warunków pracy w trybie anionowym i kationowym. W CZE przepływ elektroosmotyczny (electroosmotic flow, EOF) jest na tyle silny, że jest w stanie transportować do katody nie tylko aniony, ale także kationy w tym samym buforze i przy stałym napięciu [29]. W izotachoforezie nie jest to możliwe, stąd konieczność pracy w trybie anionowym i kationowym. W Tabeli 1 przedstawiłem warunki analizy kationów i anionów nieorganicznych [30]. Tab. 1. Izotachoforetyczne warunki rozdzielania jonów nieorganicznych [30]. Aniony Kationy LE TE LE TE Jon Cl - CITR + NH 4 Zn 2+ Stężenie [mmol/dm 3 ] Przeciwjon BALA H + CH 3 COO - H + Przeciwjon wspomagający BTP - PEG - Stężenie 3 [mmol/dm 3 ] - 30 % - ph 3,55-5,40 - Dodatki 0,1 % HEC - 0,1 % HEC - Kolumna [mm] 0,8 90 0,3 160 Natężenie prądu [ A] Detekcja konduktometryczna konduktometryczna gdzie: BALA - -alanina, CITR - anion cytrynianowy, PEG - glikol polietylenowy 600, BTP - 1,3-bis[tris(hydroksymetylo)metyloamino]propan, HEC - hydroksyetyloceluloza. Izotachoforeza w łatwy sposób, z dobrą powtarzalnością pozwala na oznaczanie jonów w próbkach wód mineralnych (butelkowanych) oraz pitnych co zawarłem w publikacji H1 [30] a także w wodach powierzchniowych [31, 32]. Jednocześnie należy podkreślić, że zaproponowany układ elektrolitów można zastosować w analizie nie tylko wód, ale też ekstraktów bądź roztworów po mineralizacji próbek odpadów stałych, osadów, roślin i innych. Zaproponowaną metodę poddałem walidacji, gdzie na przykładzie jonów chlorkowych i klasycznej metody Mohra udowodniłem, iż izotachoforeza doskonale nadaje się do analizy prostych jonów nieorganicznych (różnica między oznaczonym poziomem stężeń nie przekracza 1%) [30]. Metale ciężkie obecne w osadach ściekowych występują w postaci jonowej, w tej formie ulegają reakcjom wiązania (immobilizacji) z adsorbentami (zeolitami) pochodzenia mineralnego (np. klinoptylolitem). W pracy H4 [35] przedstawiłem wyniki badań nad unieruchomieniem wybranych metali ciężkich. Moje wcześniejsze badania [10] potwierdziły możliwości zastosowania izotachoforezy do oznaczania metali ciężkich w kompostach, stąd prawdopodobne jest, że będzie można ją - 8 -

9 wykorzystać do badania "surowych" osadów ściekowych. Izotachoforeza będzie więc cennym uzupełnieniem klasycznych metod analitycznych stosowanych powszechnie do tego celu [35]. Jak wcześniej wspomniałem ciecze jonowe (IL) składają się z dużego kationu oraz małego anionu ([K + ][A - ]). Ponieważ, właściwości fizykochemiczne cieczy jonowych zależą zarówno od kationu jak i od anionu, ważne jest oznaczenie jakościowe i ilościowe obu tych fragmentów cząsteczki IL. W pracach H2 i H3 [33, 34] oraz patencie H11 [36] zastosowałem przedstawiony w publikacji H1 zestaw elektrolitów do pracy w trybie anionowym (Tabela1) do rozdzielania anionów cieczy jonowych. Główną uwagę poświęciłem możliwości identyfikacji anionu tetrafluoroboranowego [BF 4 ] oraz ewentualnych zanieczyszczeń obecnych w postaci jonów chlorkowych. Chlorki mogą zostać zidentyfikowane jako wydłużenie się sygnału elektrolitu wiodącego. LE zawiera chlorki (Tabela 1), chlorki pochodzące z LE i RTIL sumują się i w końcowym efekcie obserwujemy wydłużenie się sygnału LE. Efekt ten, może zostać w praktyce wykorzystany w analizie ilościowej jako metoda wzorca wewnętrznego. Całkowity czas analizy w trybie anionowym wynosi ok. 20 minut [33]. Opracowaną metodę poddałem uwiarygodnieniu. Wyznaczyłem precyzję, odzysk, granicę wykrywalności, granicę oznaczalności i zakres liniowości. Prezentowana metoda oznaczania anionów IL charakteryzuje się szerokim zakresem liniowości (0,1-20,0 g/dm 3 ) a także wysoką precyzją nie przekraczającą 5%. W badaniach wykorzystywałem metodę krzywej wzorcowej. W zoptymalizowanych warunkach pomiaru izotachoforetycznego (skład LE, TE, natężenie prądu) analizowałem anion [BF 4 ] w zakresie stężeń 0,1 12 g/dm 3. Powtarzalność względnej wysokości stopnia (RSH) stanowi słaby punkt analizy izotachoforetycznej. W omawianych warunkach otrzymałem akceptowalną wartość tego parametru na poziomie 2,8%. Granica wykrywalności (LOD) dla badanego związku była na poziomie 10 ng/dm 3. Ten imponujący wynik, sprawia, że technika ta ma istotną przewagę nad stosowaną CZE (10 ppb dla kationów) [20] w porównywalnym czasie. Granica oznaczalności (LOQ) na poziomie 30 ng/dm 3 dla [BF 4 ] jest także satysfakcjonująca i potwierdza, że izotachoforeza może być wykorzystywana jako precyzyjna technika w rutynowych analizach jakościowych i ilościowych [34]. Jednocześnie izotachoforeza po zmianie warunków na tryb kationowy, pozwala na rozdzielanie mieszanin kationów cieczy jonowych [33, 36], co podkreśliłem w pracach H2 i H10. W pracy [33] po raz pierwszy na świecie zaprezentowałem możliwości ITP w analityce tej grupy związków. Dopiero w późniejszym czasie ukazały się prace o podobnej tematyce [37]. W Tabeli 2 przedstawiłem wybrane warunki rozdzielania szeregu alkiloimidazoliowych cieczy jonowych (EIMM kation 1-etyl-3-metylimidazoliowy, PIMM kation 1-n-propyl-3-metylimidazoliowy, - 9 -

10 BIMM kation 1-butyl-3-metylimidazoliowy, AIMM kation 1-n-amyl-3-metylimidazoliowy, HIMM kation 1-n-heksyl-3-metylimidazoliowy, OIMM kation 1-n-oktyl-3- metylimidazoliowy). Tab. 2. Izotachoforetyczne warunki rozdzielania kationów cieczy jonowych [33]. Kationy LE TE Jon + NH 4 TBA + Stężenie [mmol/dm 3 ] 10 5 Przeciwjon CH 3 COO - - ClO 4 Przeciwjon wspomagający - - Stężenie - - ph 5,20 - Dodatki 0,1 % HEC - Kolumna [mm] 0,3 160 Natężenie prądu [ A] 50 Detekcja konduktometryczna/uv gdzie: TBA + - kation tetrabutyloamoniowy, HEC - hydroksyetyloceluloza. Czas analizy rzędu 25 minut w porównaniu z klasycznymi metodami oznaczania cieczy jonowych np. za pomocą wysokosprawnej chromatografii cieczowej (HPLC) H12 [38], jest dwukrotnie dłuższy, jednakże w porównaniu z np. chromatografią jonową H10 [39] jest zadowalający. Jednocześnie, obliczone parametry walidacyjne wskazują, że opracowana metoda może służyć w badaniach rutynowych. Dodatkowo zaobserwowana podczas badań liniowa zależność (współczynnik determinacji, R 2 =0,9992) pomiędzy parametrem RSH a masą molową alkiloimidazoliowych cieczy jonowych pozwala na wykorzystanie izotachoforezy do jakościowej identyfikacji RTIL [33]. Podczas doboru warunków oznaczenia, poza uniwersalną detekcją konduktometryczną, badałem możliwości detekcji UV. Alikloimidazoliowe ciecze jonowe absorbują promieniowanie UV w zakresie nm [39]. Rysunek 1 przedstawia izotachoforegramy uzyskane z zastosowaniem detekcji konduktometrycznej (A) oraz UV (210 nm) (B)

11 Rys. 1. Izotachoforegramy uzyskane z zastosowaniem detekcji konduktometrycznej (A) oraz UV (210 nm) (B) podczas rozdzielania 1 - PIMM, 2 - BIMM, 3 - AIMM, 4 - HIMM, 5 - OIMM [33]. Jak widać na rysunku 1, sygnał z uniwersalnego detektora konduktometrycznego pozwala na ilościowe i jakościowe oznaczenia całej gamy badanych związków. Selektywna detekcja UV już takich możliwości nie daje. Aby temu zaradzić, konieczne jest zastosowanie dyskretnych substancji rozdzielających (ang. spacers) [40]. Najpopularniejsze z nich to Servalyt i Ampholit, mieszaniny związków jonotwórczych przygotowane ze składników migrujących w przedziale ruchliwości między jonem wiodącym (LE), a jonem kończącym (TE), nie absorbujące promieniowania o danej długości fali (w tym przypadku 210 nm) oraz mieszające się w stężeniach, niewiele większych od koniecznych do wytworzenia własnych stref [25]. Dzięki Ampholit owi, udało mi się wykorzystać detektor UV do zarejestrowania izotachoforegramu (Rysunek 2), którego interpretacja w porównaniu z Rysunkiem 1B jest zdecydowanie prostsza [41]. Rys.2. Izotachoforegram uzyskany z zastosowaniem detekcji UV (210 nm) podczas rozdzielania mieszaniny 1 - PIMM, 2 - BIMM, 3 - AIMM, 4 - HIMM, 5 - OIMM oraz dodatkiem Ampholit u [41]

12 Wstępne wyniki badań pozwalają na stwierdzenie, że wartości LOQ i LOD otrzymane podczas oznaczenia cieczy jonowych z wykorzystaniem detektora UV są kilka rzędów wielkości ( ) niższe w porównaniu z detektorem konduktometrycznym [42], co czyni tę technikę wysoce skuteczną w analizie ilościowej. Ad.2. Próba wykorzystania unikalnych właściwości cieczy jonowych jako składników elektrolitów w izotachoforezie. W publikacji H6 [43] przedstawiłem pierwsze na świecie zastosowanie alikloimidazoliowych cieczy jonowych jako składników elektrolitu kończącego w izotachoforezie. Dotychczas RTIL były stosowane jako fazy stacjonarne lub dodatki do faz ruchomych w takich technikach jak: GC, HPLC, CCC i innych [44-46]. Natomiast brak było doniesień literaturowych na temat ich zastosowań w technikach elektromigracyjnych. W swoich badaniach wykorzystałem kation 1-etylo-3-metylimidazoliowy (EMIM) oraz kation 1-butylo-3-metylimidazoliowy (BMIM). W tym celu przetestowałem 5 różnych zestawów elektrolitów wiodących, w sumie otrzymałem 7 par elektrolitów wiodących i kończących, które poddałem badaniom. Izotachoforeza pracowała w trybie kationowym, jako anality testowe wykorzystałem kationy I i II grupy układu okresowego (K +, Na +, Ca 2+, Mg 2+ ). Jako główne przesłanki do oceny przydatności odpowiedniego zestawu elektrolitów przyjąłem następujące kryteria: stabilność sygnału LE (linii bazowej), najniższe przewodnictwo elektrolityczne LE, typowy kształt sygnału TE oraz najważniejsze, uzyskanie sygnałów od wszystkich testowych analitów (dobra selektywność układu buforów). W wyniku przeprowadzonych badań tylko 5 mm roztwór kationu 1-etylo-3- metylimidazoliowego (EMIM) mógł zostać wykorzystany jako elektrolit kończący. Jako elektrolit wiodący (LE) można wykorzystać niebuforowany układ (tj. 5,0-7,5 mm H 2 SO 4 ) [47]. Detekcję konduktometryczną prowadziłem przy natężeniu prądu I=50 µa. W Tabeli 3 przedstawiłem zestawienie wszystkich uzyskanych wyników analizy jakościowej i ilościowej dla kationów potasu, sodu, magnezu i wapnia. Wartości LOD i LOQ wyznaczyłem zgodnie z standardowymi procedurami [48]. Tab. 3. Oznaczanie kationów metali lekkich z wykorzystaniem EMIMu jako elektrolitu kończącego. kation RSH równanie krzywej R wzorcowej LOD LOQ [mg/dm 3 ] [mg/dm 3 ] K + 0,359 ± 0,031 y = 41,45x + 3,720 0,9889 0,009 0,030 Na + 0,664 ± 0,054 y = 90,382x + 2,804 0,9994 0,002 0,006 Mg 2+ 0,750 ± 0,014 y = 39, ,566 0,9969 0,035 0,110 Ca 2+ 0,866 ± 0,041 y = 49, ,516 0,9997 0,010 0,

13 Wartości RSH dla oznaczanych kationów metali alkalicznych znacząco różnią się między sobą, dlatego identyfikacja stref poszczególnych jonów (analiza jakościowa) nawet na izotachoforegramie nie przysparza trudności i jest precyzyjna (niewielkie wartości odchylenia standardowego, do 3%). Równania krzywych wzorcowych charakteryzują się wysokim współczynnikiem determinacji R 2 (Tabela 3), co świadczy o tym, że w zakresie stężeń 0 5 mg/dm 3 odpowiedź detektora konduktometrycznego jest liniowa. Wartość wyrazu wolnego każdego z równań jest stosunkowo mała i wynika z obecności niewielkich ilości badanych jonów w wodzie dejonizowanej, zanieczyszczenia strzykawki lub szumów aparatu (strefy, których długość nie przekracza 1 s przyjęto jako szum aparatu). Najdłuższe strefy uzyskałem w analizie ilościowej kationu sodowego (z tego względu analizę tę wykonałem w zmniejszonym zakresie stężeń 0 4 mg/dm 3 ). Konsekwencją tego faktu są bardzo niskie wartości LOD i LOQ dla tego kationu. Granica oznaczalności wynosi 6 μg/dm 3 i jest jedną z najniższych wartości LOQ, jakie występują w literaturze [49] przy oznaczaniu kationów metali lekkich. Opracowaną metodę wykorzystałem do analizy próbek rzeczywistych tzn. wody kranowej, wody dejonizowanej MiliQ oraz butelkowanej wody mineralnej [43]. Ad.3. Opracowanie metodyk oznaczania wybranych jonów nieorganicznych oraz kationowych i anionowych składników cieczy jonowych za pomocą chromatografii jonowej. Chromatografia jonowa podobnie jak izotachoforeza pozwala na oznaczanie zarówno anionów jak i kationów cieczy jonowych. W pracy H3 [34] oraz patencie H10 [50] przedstawiłem możliwości oznaczania anionów IL. W celu oznaczenia anionów, wykorzystałem mechanizm wymiany jonowej. Elucję prowadziłem w warunkach izokratycznych (znaczne uproszczenie aparatury), w której fazą ruchomą był bufor węglanowy o składzie 4,5 mmol/dm 3 węglanu sodu oraz 1,4 mmol/dm 3 wodorowęglanu sodu. Przepływ fazy ruchomej ustaliłem na 1,2 cm 3 /min. Fazę stacjonarną stanowiły silnie polarne czwartorzędowe sole amoniowe związane z makroporowatym polimerem poliwinylobenzen/diwinylobenzen (kolumna Dionex: IonPac AG mm; IonPac AS mm, d c =6,0 µm). Wykorzystałem detekcję konduktometryczną wraz z tłumieniem elektrochemicznym (ASRS) prądem o natężeniu 31 ma. W tych warunkach rozdzielenie anionów: F -, Cl -, BF - 4 następowało w czasie ok. 12 minut. Anion [BF 4 ] został zidentyfikowany przy czasie retencji t R =10,29 min. Pik ten charakteryzował się wysokim współczynnikiem asymetrii (1,46) i wysoką, jak na chromatografię jonową, sprawnością półkową ok Opracowana metoda charakteryzuje się zakresem liniowości w przedziale 0,

14 12,0 µg/dm 3 oraz wartościami LOD = 2 ng/dm 3 i LOQ = 6 ng/dm 3. Wartości te są wystarczające do rutynowych analiz próbek środowiskowych. Analiza kationów cieczy jonowych za pomocą chromatografii jonowej była przedmiotem zainteresowań tylko Jensena [51]. Stąd, ciekawym wyzwaniem analitycznym było opracowanie metody ich rozdzielania. W publikacji H5 [52] oraz patencie H10 [50] przedstawiłem metodę oznaczania kationów cieczy jonowych za pomocą IC. Udało mi się rozdzielić mieszaninę 11 alkiloimidazoliowych oraz pirydyniowych kationów (1-etylo-3-etyloimidazoliowy, 1-n-propylo-3- metyloimidazoliowy, 1-n-butylo-3-metyloimidazoliowy, 1-n-butylo-3-etyloimidazoliowy, 1-butylometylopirydyniowy, 1-n-amylo-3-metyloimidazoliowy, 1-benzylo-3-metyloimidazoliowy, 1-etylobenzylo-3-metyloimidazoliowy, 1-heksylometylo-pirydyniowy, 1-n-heksylo-3-metyloimidazoliowy, 1-n-oktylo-3-metyloimidazoliowy). W tym celu zastosowałem fazę stacjonarną, w której strukturze znajduje się eter koronowy oraz grupy węglanowe i fosfoniowe, związane z polimerem diwinylobenzen/etylowinylobenzen (kolumna Dionex: IonPac CG mm; IonPac CS mm, d c =8,5 µm). Fazą ruchomą stanowiła mieszanina acetonitrylu (ACN) oraz kwasu metanosulfonowego (MSA) w warunkach izokratycznych. Przepływ fazy ruchomej ustaliłem na 1,0 cm 3 /min. Wykorzystałem detekcję konduktometryczną wraz z tłumieniem chemicznym (CMMS 300) z użyciem roztworu KOH o stężeniu 40 mmol/dm 3. Podczas doboru warunków rozdzielania konieczne było ustalenie składu fazy ruchomej. W tym celu testowałem fazy ruchome o składzie 1,0; 2,5; 5,0; 7,5; 9,0 mm MSA oraz zawartości ACN od 20 do 75% (v/v) [52]. W przypadku stężeń MSA 2,5; 5,0; 7,5; 9,0 mm oraz zawartości ACN do 60% (v/v) zaobserwowałem elucję typową dla układu faz odwróconych (RP) w HPLC [53]. Przy stężeniu kwasu metanosulfonowego równym 1 mm następowała zamiana kolejności elucji kationów. Podczas obniżania ph fazy ruchomej, obserwowana retencja (obliczona jako współczynnik retencji k) cieczy jonowych również ulegał znacznemu zmniejszeniu. Przy zawartości ACN w fazie ruchomej wyższej niż 65 % (v/v) zaobserwować można było elucję typową dla układu faz normalnych (NP) [54]. Zmiany te wyjaśnić można strukturą fazy stacjonarnej (eter koronowy, grupy węglanowe i fosfoniowe). Taki materiał można zaklasyfikować do grupy wymieniaczy jonowych o średniej sile wiązania. W przypadku analizy niepolarnych roztworów, hydrofobowa część ligandów związanych do fazy stacjonarnej wpływa na mechanizm retencji (obserwowany jako układ faz odwróconych). Aby przeciwdziałać temu zjawisku, konieczne jest dodanie do fazy ruchomej modyfikatora organicznego (ACN). Zastosowanie liniowej formy równania

15 Soczewińskiego-Snydera (log k = log kw - S ) pozwoliło mi na określenie rodzaju oddziaływań w układzie: analit (IL), faza ruchoma, faza stacjonarna [55]. Stwierdziłem, że wartość współczynnika retencji maleje wraz ze wzrostem zawartości ACN. Dla serii homologów 1,3-dialkiloimidazoliowych cieczy jonowych (EEIM, PMIM, BMIM, BEIM, AMIM, HMIM, OMIM), przy zawartości ACN na poziomie 50% (v/v) największą retencję wykazuje najbardziej hydrofobowy kation OMIM. Dodatek 60% (v/v) ACN zmienia kolejność elucji: OMIM>HMIM>AMIM>BEIM>BMIM>PMIM>EEIM, co jest charakterystyczne dla RP HPLC i wskazuje, że dominujące są oddziaływania pomiędzy hydrofobową częścią cząsteczki cieczy jonowych (łańcuch alkilowy) a zastosowana fazą stacjonarną. Przy zawartości ACN powyżej 65% (v/v) hydrofilowy kation EMIM eluuje dopiero po OMIM. Sugeruje to, że polarne kationy o małej masie cząsteczkowej są silniej zatrzymywane na wypełnieniu fazy stacjonarnej a mechanizm jest analogiczny jak w NP HPLC. Dominujący jest mechanizm wymiany jonowej (na grupach karboksylowych i fosfoniowych). W wyniku tych badań ustaliłem warunki rozdzielania kationów cieczy jonowych na następujące: kolumna IonPac CS15 z przedkolumną IonPac CG15, fazą ruchomą była mieszanina 30% (v/v) acetonitrylu oraz 70% (v/v) 5 mmol/dm 3 kwasu metanosulfonowego o przepływie 1,0 cm 3 /min (objętośc dozowania to 20 μl). Wyniki analizy mieszaniny wzorcowej przedstawia rysunek 3. Rys.3. Chromatogram rozdzielania kationów cieczy jonowych, 0 zanieczyszczenia, 1 EEIM, 2 PMIM, 3 BMIM, 4 BEIM, 5 MBPy, 6 AMIM, 7 BzMIM, 8 EBzMIM, 9 HMPy, 10 HMIM, 11 OMIM [50, 52]. Za główną wadę tej metody można uznać długi czas analizy. Alternatywną techniką, którą można przeprowadzić rozdzielanie kationów cieczy jonowych jest wysokosprawna chromatografia cieczowa H12 [38]

16 Ad.4. Badania nad retencją cieczy jonowych w chromatografii jonowej z wykorzystaniem QSRR. Biorąc pod uwagę wstępne badania związane z retencją cieczy jonowych przeprowadziłem pionierskie badania nad określeniem ilościowych zależności struktura-retencja QSRR (Quantitative Structure Retention Relationship) dla kationów cieczy jonowych analizowanych za pomocą chromatografii jonowej. Wyniki tych badań przedstawiłem w pracy H8 [56]. Głównym celem tych badań było przewidywanie retencji badanych kationów oraz określenie oddziaływań cząsteczkowych odpowiedzialnych za ich retencję. W pierwszym etapie badań analizowałem jedenaście kationów imidazoliowych i pirydyniowych z wykorzystaniem kolumny CS15 (patrz cel 3) w warunkach elucji izokratycznej (faza ruchoma składała się z mieszaniny acetonitrylu i 7,5 mm kwasu metanosulfonowego) jak we wcześniejszych pracach H5 i H10 [50, 52]. Logarytmy ze współczynników retencji log k, uzyskane dla różnego udziału procentowego acetonitrylu w fazie ruchomej, ekstrapolowałem do warunków fazy hipotetycznej (czysto-wodnej) z wykorzystaniem równania Snyder'a- Soczewińskiego [55]. Uzyskałem wartości log k w, które stanowią chromatograficzną miarę hydrofobowości badanych kationów. Jest to alternatywna metoda wyznaczania hydrofobowości tych związków w stosunku do metod stosowanych konwencjonalnie, które zawodzą w przypadku cieczy jonowych [57-59]. Parametr log k w jest miarą nie tylko oddziaływań hydrofobowych, ale także elektrostatycznych, gdyż został on wyznaczony w chromatografii jonowej, w przypadku której wymiana jonów (kationów) odgrywa zasadniczą rolę. W kolejnym etapie badań wyznaczyłem deskryptory strukturalne badanych kationów za pomocą modelowania molekularnego. W tym celu wykorzystałem program HyperChem. Pierwszym deskryptorem był współczynnik podziału n-oktanol/woda (log P), który został skorelowany z wartościami log k w zarówno dla kationów imidazoliowych, jak i pirydyniowych. Uzyskałem niskie wartości współczynnika determinacji (R 2 = 0,5911). Wartości te były znacząco wyższe w przypadku zależności log P vs. log k w tylko dla kationów alkiloimidazoliowych (R 2 = 0,9689). Efekt ten jest związany ze strukturą badanych związków oraz ich oddziaływaniem z fazą stacjonarną (eter koronowy, grupy węglanowe i fosfoniowe). Kolumna CS15 może być jednak z powodzeniem stosowana w oszacowaniu hydrofobowości kationów imidazoliowych różniących się długością łańcucha alkilowego w pierścieniu imidazoliowym. Ostatnim etapem badań, które przeprowadziłem było określenie rodzaju oddziaływań biorących udział w mechanizmie retencji kationów cieczy jonowych na wypełnieniu kolumny CS15. W tym celu wykorzystałem analizę ilościowych zależności QSRR. Aby przeprowadzić tą analizę badany związek musiał zostać opisany poprzez szereg kolejnych deskryptorów strukturalnych,

17 wyznaczonych metodami modelowania molekularnego. Zostały one wyznaczone dla wszystkich kationów imidazoliowych oraz pirydyniowych przy pomocy programu HyperChem. Zastosowałem regresję wieloparametrową, która umożliwiła mi wyznaczenie równań QSRR dla badanych jedenastu kationów. Najbardziej statystycznie istotne były równania regresji, w przypadku których log k w było korelowane z log P, momentem dipolowym ( ), powierzchnią dostępną dla rozpuszczalnika (A SAS ) oraz energią hydratacji (HE). Log P jest miarą oddziaływań hydrofobowych, stanowi miarę oddziaływań dipol-dipol oraz dipol-dipol indukowany między analitem, a fazą stacjonarną i ruchomą. A SAS oraz HE są związane z oddziaływaniami polarnymi. Pierwszy z nich odpowiada powierzchni cząsteczki dostępnej dla cząsteczek wody, jest zatem miarą oddziaływań hydrofilowych. HE to wartość energii uwalnianej podczas całkowitej hydratacji kationów cieczy jonowych przez wodę. Udział tych czterech deskryptorów jest dominujący w opisie oddziaływań między fazą stacjonarną oraz analizowanymi kationami. Wartości R 2 dla równań QSRR są podobne, co może sugerować, iż pomimo różnic w sile oddziaływań mają one podobny wpływ na retencję imidazoliowych i pirydyniowych kationów cieczy jonowych na kolumnie CS15. Ad.5. Preparatyka nowej generacji selektywnych faz stacjonarnych do chromatografii jonowej. Preparatyka selektywnych faz stacjonarnych do chromatografii jonowej (IC) jest kolejnym kierunkiem moich zainteresowań badawczych. Jednym z podstawowych kryteriów jakie stawia się fazom stacjonarnym stosowanym w IC jest stabilność w szerokim zakresie ph (0-14) [60]. W praktyce odchodzi się więc od nośników na bazie żelu krzemionkowego i wykorzystuje się do tego celu głównie nośniki syntetyczne (np. polimery). W pracy H7 [61] jako nośnik do modyfikacji wykorzystałem metakrylan polihydroksyetylu, o średnicy ziaren m, zaś w pracy H9 [62] 1,4-di-(2-hydroksy-3-metakryloyloksypropoksy)fenol (1,4-DMH). Otrzymany on został we współpracy z Profesor Barbarą Gawdzik z Zakładu Chemii Polimerów (UMCS, Lublin). Zaproponowana przeze mnie faza stacjonarna zawiera jako centra aktywne czwartorzędowe grupy amoniowe. Otrzymane fazy stacjonarne zostały w pełni scharakteryzowane pod względem fizykochemicznym oraz chromatograficznym. Mieszanina anionów nieorganicznych oraz próbek wód (różnego pochodzenia) została wykorzystana do testowania kolumn wypełnionych otrzymaną dendrymeryczną fazą stacjonarną. Fizykochemiczną charakterystykę powierzchni niezmodyfikowanych adsorbentów oraz chemicznie związanych faz stacjonarnych przeprowadziłem w oparciu o następujące badania: analizę elementarną (CHN),

18 analizę termograwimetryczną (TG), pomiary kalorymetryczne, porozymetrię, spektroskopię magnetycznego rezonansu jądrowego dla ciała stałego ( 13 C i 29 Si), spektroskopię w zakresie podczerwieni z transformacją Fouriera (FT IR). Otrzymywanie dendrymerycznej fazy stacjonarnej polega na wieloetapowej reakcji polimeryzacji na wcześniej aktywowanym nośniku. W wyniku kontrolowanej, pomiędzy eterem 1,4-butanodiolodiglicydylowym (BDDE) a metyloaminą (MA), syntezy uzyskuje się wypełnienia posiadające 3-, 7-, 11- i 15 warstw, a tym samym różne właściwości powierzchniowe takie jak np. liczba grup funkcyjnych czyli zdolność wymiany jonowej. Na rysunku 4 przedstawiłem schemat otrzymywania faz oraz zaproponowane struktury fazy stacjonarnej otrzymane na Spheronie 300 [60], potwierdzone przez szczegółowe badania spektroskopowe, mikroskopowe, porozymetryczne, analizę elementarną oraz chromatograficzną. Rys.4. Schemat otrzymywania polimerowych, dendrymerycznych faz stacjonarnych [61, 62]. W celu kontroli udziału pierwiastkowego (C, H, N) oraz liczby warstw związanych z nośnikiem jako główny parametr wybrałem zawartość procentową azotu. Atomy azotu obecne są w czwartorzędowych, trzeciorzędowych oraz drugorzędowych grupach aminowych. Czwartorzędowe grupy amoniowe są głównym miejscem, gdzie zachodzą oddziaływania pomiędzy fazą stacjonarną a analitem. Zależność pomiędzy liczbą warstw związanych do powierzchni nośnika a zawartością azotu przedstawiona jest na rysunku

19 Zawartość azotu [%] Załącznik 3A 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Liczba warstw Rys.5. Zawartość azotu w badanej dendrymerycznej fazie stacjonarnej zsyntezowanej na Spheronie 300. Na podstawie danych uzyskanych z analizy elementarnej wynika, że wraz ze wzrostem liczby cykli reakcji syntezy wzrasta również zawartość procentowa azotu. Zależność ta powinna zmieniać się wykładniczo. Jednak ze względu na efekt steryczny przyłączonych ligandów, wzrost ten nie jest obserwowany. Sugeruje to tworzenie się struktury dendrymerycznej. Korelacja pomiędzy zawartością procentową azotu a liczbą uformowanych w wyniku syntezy cykli reakcji może być użyteczna w celu kontroli liczby centrów aktywnych (czwartorzędowych grup amoniowych). Centra te odpowiedzialne są nie tylko za wymianę jonową, ale decydują o tzw. pojemności jonowymiennej kolumn a w konsekwencji o selektywności. Przeprowadzone pozostałe badania fizykochemiczne potwierdziły strukturę dendrymeryczną, natomiast badania chromatograficzne pozwoliły na określenie satysfakcjonujących zdolności separacyjnych. Chciałbym w tym miejscu podkreślić, że rozdzielanie zachodzi w warunkach izokratycznych (10mM NaHCO 3 (ph=8,91), przepływ 0,5 ml/min). Przykładowy chromatogram rozdzielania złożonej mieszaniny anionów, wraz ze współczynnikami retencji (log k) oraz współczynnikiem asymetrii pików (f AS ) przedstawiony jest na rysunku

20 Rys.6. Charakterystyka chromatograficzna badanej dendrymerycznej fazy stacjonarnej otrzymanej na 1,4-DMH [62]. Otrzymane fazy stacjonarne zastosowałem do ilościowej analizy anionów w wodach konsumpcyjnych (mineralnych i miejskich tzw. woda kranowa), możliwe to było po uprzedniej walidacji metody. Przeprowadzone badania oraz rezultaty uzyskane w prezentowanym cyklu prac pozwalają na następujące podsumowanie mojego osiągnięcia naukowego: 1. opracowałem procedury oznaczania jonów nieorganicznych oraz cieczy jonowych (kationów i anionów) za pomocą izotachoforezy (ITP) z detekcją konduktometryczną. Zastosowanie do detekcji selektywnego detektora UV wymaga wykorzystania dodatkowych, dyskretnych substancji rozdzielających (spacers). Zaproponowane metody spełniają w pełni parametry walidacyjne, takie jak: liniowość, granica wykrywalności, granica oznaczalności, odzysk a także precyzję. Parametry te potwierdzają jednoznacznie stosowanie opracowanych metodyk w rutynowych analizach. 2. wykazałem, że wybrane ciecze jonowe, a w szczególności roztwór kationu 1-etylo-3- metylimidazoliowego (EMIM) może z powodzeniem pełnić rolę elektrolitu kończącego (TE) w izotachoforezie. Opracowałem nowy zestaw elektrolitów do analizy kationów alkalicznych (K +, Na +, Ca 2+, Mg 2+ ). W wyniku przeprowadzonych badań stwierdziłem, że najlepsze warunki rozdzielania uzyskałem dla zestawu: 5 mm roztwór kwasu siarkowego(vi) jako elektrolit wiodący i 5 mm roztwór EMIM jako elektrolit kończący, przy uzyskanej granicy oznaczalności np. dla kationu sodowego równej 6 ppb oraz 110 ppb dla kationu magnezowego. 3. główną zaletą izotachoforezy jest to, że pozwala ona na jednoczesne oznaczanie wielu makro- i mikroskładników próbek w krótkim czasie (do 25 minut, w porównaniu z metodami np. spektrofotometrycznymi lub miareczkowymi) z próbki o objętości 30 l. Nie wymaga ona

21 skomplikowanego przygotowania próbki przed analizą (wystarczy sączenie przez bibułę filtracyjną lub rozcieńczenie) i doskonale nadaje się do rutynowych analiz. 4. w wyniku kompleksowych badań, opracowałem warunki rozdzielania jonów nieorganicznych oraz cieczy jonowych (kationów i anionów) za pomocą chromatografii jonowej (IC) z detekcją konduktometryczną. Wykazałem, że dominujący wpływ na rozdzielanie ma dodatek do fazy ruchomej modyfikatora organicznego (acetonitrylu), czego skutkiem są odmienne oddziaływania pomiędzy kationami cieczy jonowych a fazą stacjonarną o mechanizmie w układzie normalnych faz (NP) lub faz odwróconych (RP) w wysokosprawnej chromatografii cieczowej). 5. udokumentowałem komplementarność izotachoforezy i chromatografii jonowej w oznaczaniu cieczy jonowych. Obie techniki pozwalają na jakościowe i ilościowe oznaczanie zarówno części kationowej jaki i anionowej cząsteczki cieczy jonowej z wykorzystaniem prostego i uniwersalnego detektora konduktometrycznego. 6. wykorzystanie QSRR w badaniach nad cieczami jonowymi w chromatografii jonowej pozwoliło mi na wyznaczenie wartości log k w za pomocą odpowiednich deskryptorów. Uzyskałem wysokie wartości współczynnika korelacji dla eksperymentalnie wyznaczonych log k w oraz wartości obliczonych za pomocą równań QSRR. Daje to możliwość przewidywania retencji badanych związków w IC. 7. w wyniku chemicznej modyfikacji nośników polimerowych przy użyciu monomerów (metyloaminy oraz eteru 1,4-butanodiolodiglicydylowego) otrzymałem nowego typu fazy stacjonarne o strukturze dendrymerycznej, zawierające jako grupy funkcyjne czwartorzędowe grupy amoniowe, wyniki analizy elementarnej potwierdziły wzrost zawartości procentowej azotu w strukturze fazy stacjonarnej wraz ze wzrostem liczby cykli reakcji podczas reakcji polimeryzacji. W wyniku badań stwierdziłem, że powtórzenie tylko 3 cykli reakcji polimeryzacji pozwala na otrzymanie wypełnienia do chromatografii jonowej, które pozwala na rozdzielanie złożonych mieszanin anionów, w warunkach izokratycznych w czasie około 20 minut. Otrzymane na bazie nośników polimerowych nowej generacji wymieniacze jonowe o strukturze dendrymerycznej mogą zostać wykorzystane do oznaczania anionów nieorganicznych w próbkach środowiskowych

22 Elementy nowości naukowej Przedstawione w cyklu dziewięciu monotematycznych publikacji (H1-H9) oraz uzyskanych trzech patentach UP RP (H10-H12) elementy nowości naukowej, można przedstawić w następujących punktach: 1. Opracowałem nowe, oryginalne procedury oznaczania kationów i anionów cieczy jonowych oraz jonów nieorganicznych za pomocą izotachoforezy - H1, H2, H3, H4, H11, H Wykazałem możliwość zastosowania kationu 1-etylo-3-metylimidazoliowego (EMIM) jako elektrolitu kończącego (TE) w izotachoforezie w analizie kationów nieorganicznych - H6. 3. Opracowałem nowe, oryginalne procedury oznaczania kationów i anionów cieczy jonowych oraz jonów nieorganicznych za pomocą chromatografii jonowej - H3, H4, H5, H10, H Wykazałem, że QSRR może zostać z powodzeniem wykorzystana do badania retencji cieczy jonowych w chromatografii jonowej - H8. 5. Otrzymałem nowej generacji polimerowe fazy stacjonarne do chromatografii jonowej, bazujące na nośnikach syntetycznych lub żelu krzemionkowym - H7, H9. Literatura [1] Kosobucki P., Zoń J., Chmarzyński A., Buszewski B.: Defosfatacja ścieku bytowo gospodarczego z zastosowaniem złóż obrotowych, Chemia i Inżynieria Ekologiczna, 2 3 (1999) [2] Buszewski B., Chmarzyński A., Kosobucki P., Nowacki K., Pawluk H., Rybiński J.: Miejska Oczyszczalnia Ścieków w Toruniu jako przykład przedsiębiorstwa proekologicznego na miarę nowego wieku, Ekologia i technika 4 (2001) [3] Kosobucki P., Chmarzyński A., Buszewski B.: Sewage Sludge Composting, Pol. J. Environm. Studies, 4 (2000) [4] Buszewski B., Kosobucki P., Chmarzyński A.: Otrzymywanie preparatów kompostowych, Ochrona powietrza i problemy odpadów, 2 (2002) [5] Zbytniewski R., Kosobucki P., Kowalkowski T., Buszewski B.: The comparsion of compost to natural organic matter, Environ. Sci. & Pollut. Res. 1 (2002) [6] Chmarzyński A., Kosobucki P., Buszewski B., Górski Ł., Nowacki K., Pawluk H., Використання осадивстичних вод у Торуни, Use of Deposits of Sewage in Torun, PИНОК ИНСТАЛЯЦИЙ, 5 (2003) [7] Chmarzyński A., Kosobucki P., Buszewski B., Górski Ł., Nowacki K., Pawluk H., Використання осадивстичних вод у Торуни, Use of Deposits of Sewage in Torun, PИНОК ИНСТАЛЯЦИЙ, 6 (2003) 39. [8] Kosobucki P., Buszewski B.: Compost Received from Sewage Sludge and Different Structural Materials in Toruń (Poland), Chem. Environ. Res., 1&2 (2003) [9] Kosobucki P., Buszewski B.: Electromigration Techniques as a Modern Tool to Control Work of Sewage Treatment Plant, Tox. Environ. Chem. 19 (2001)

23 [10] Kosobucki P., Buszewski B.: The Application of Isotachophoresis to the Compost Analysis, Chem. Anal. (Warsaw), 48 (2003) [11] Cukrowska E., Viljoen M., Kosobucki P., Naicker K.: The Mobility of Toxic Elements in Gold Polluted Land Column Soil Leaching and Computer Modelling, in: Detecting Environmental Change International Conference, London (UK), pp. 67. [12] Bielański A.: Podstawy chemii nieorganicznej, PWN Warszawa [13] Pigoń K., Ruziewicz Z.: Chemia fizyczna, PWN Warszawa [14] Gileadi E.: Physical Electrochemistry, Wiley VCH Weinheim [15] Minczewski J., Marczenko Z.: Chemia analityczna, T1. Analiza jakościowa, PWN Warszawa [16] Minczewski J., Marczenko Z.: Chemia analityczna, T2. Analiza ilościowa, PWN Warszawa [17] Minczewski J., Marczenko Z.: Chemia analityczna, T3. Analiza instrumentalna, PWN Warszawa [18] Stepnowski P.: Application of chromatographic and electrophoretic methods for the analysis of imidazolium and pyridinium cations as used in ionic liquids. Int. J. Mol. Sci., (2006). [19] Studzińska S., Stepnowski P., Buszewski B.: Chromatographic and chemometric methods for evaluation of properties of ionic liquids. Acta Chim. Slov. 54 (2007) [20] Markuszewski M.J., Stepnowski P., Marszałł M.P.: Capillary electrophoretic separation of cationic constituents of imidazolium ionic liquids, Electrophoresis, 25 (2004) [21] Anderson J.L., Armstrong D.W., Wei G.-T.: Ionic liquids in analytical chemistry, Anal Chem, 78 (2006) [22] Koel M.: Ionic liquids in chemical analysis, Crit. Rev. Anal. Chem., 35 (2005) [23] Vaher M., Koel M., Kaljurand M.: Ionic liquids as electrolytes for nonaqueous capillary electrophoresis, Electrophoresis, 23 (2002) [24] Cabovska B., Stalcup A.: Ionic liquids in chromatography and capillary electrophoresis. J. Liq. Chromatogr. Relat. Technol., 27 (2004) [25] Kosobucki P., Buszewski B.: Chapter 6. Isotachophoresis, in: Electromigration techniques, eds. B. Buszewski, E. Dziubakiewicz, M. Szumski, Series: Springer Series in Chemical Physics, Vol. 105, 2013, pp [26] Kosobucki P., Buszewski B.: Rozdział 6. Izotachoforeza, w: Techniki elektromigracyjne w praktyce, red. B. Buszewski, E. Dziubakiewicz, M. Szumski, Wyd. Malamut Warszawa 2012, pp [27] Bocek P., Deml M., Gebauer P., Dolnik V.: Analytical Isotachophoresis, Wiley VCH Weinheim [28] Hirokawa T., Nishino M., Aoki N., Kiso Y.: I. Simulated qualitative and quantitative indices of 287 anionic substances in the range ph 3-10, J. Chromatogr. 271 (1983) D1 D103. [29] Dziubakiewicz E., Buszewski B.: Chapter 2. Principles of electromigration techniques, in: Electromigration techniques, eds. B. Buszewski, E. Dziubakiewicz, M. Szumski, Series: Springer Series in Chemical Physics, Vol. 105, 2013, pp [30] H1 Kosobucki P., Buszewski B.: Application of Isotachophoresis for Quality Control of Drinking and Mineral Waters, J. Liquid Chromatogr. & Rel Technol, 29 (2006)