Cromatografia ionica: analisi degli ioni

Quanti ioni cloruro, nitrato o solfato ci sono in un campione d’acqua potabile? Misurare gli ioni inorganici uno per uno sarebbe laborioso, ma esiste una tecnica che li separa e li misura tutti insieme in pochi minuti: la cromatografia ionica, lo strumento di riferimento per l’analisi degli ioni in soluzione.

Vediamo come la cromatografia ionica separa gli ioni, a cosa serve il dispositivo chiamato soppressore e perché questa tecnica è così diffusa nel controllo delle acque.

Separare gli ioni: lo scambio ionico

La cromatografia ionica è una forma di cromatografia liquida specializzata nella separazione degli ioni. La colonna è riempita con un materiale che porta cariche fisse sulla sua superficie, capace di attrarre gli ioni di carica opposta presenti nel campione. Gli ioni del campione si legano più o meno fortemente a queste cariche a seconda della loro natura, e quindi avanzano lungo la colonna a velocità diverse, separandosi. È il principio dello scambio ionico.

Misurare gli ioni: il rivelatore di conducibilità

Una volta separati, gli ioni vanno misurati. Il rivelatore più naturale per gli ioni è quello di conducibilità: poiché gli ioni conducono l’elettricità, la loro presenza fa aumentare la conducibilità del liquido che esce dalla colonna. Ogni picco di conducibilità corrisponde a un ione che esce, e la sua area è proporzionale alla quantità di quell’ione. È un rivelatore semplice e adatto proprio perché gli ioni, per loro natura, conducono.

Il problema del fondo e la soluzione: il soppressore

C’è però un ostacolo: il liquido che trasporta il campione lungo la colonna, chiamato eluente, è esso stesso una soluzione di ioni, e quindi conduce molto. Questa conducibilità di fondo coprirebbe il debole segnale degli ioni del campione. La soluzione è un dispositivo geniale chiamato soppressore, posto fra la colonna e il rivelatore, che trasforma chimicamente l’eluente in una forma poco conduttiva, abbassando il fondo e facendo risaltare i picchi degli ioni del campione.

area del picco  ∝  quantità dello ione   (dopo taratura)

Anioni e cationi

La cromatografia ionica si usa sia per gli anioni (ioni negativi come cloruro, nitrato, solfato, fosfato) sia per i cationi (ioni positivi come sodio, potassio, calcio, magnesio, ammonio). Cambiano il tipo di colonna e l’eluente, ma il principio resta lo stesso. In una sola analisi si possono misurare diversi ioni contemporaneamente, ottenendo un quadro completo della composizione ionica del campione. La separazione fra anioni e cationi in due analisi distinte dipende dal fatto che il materiale della colonna porta cariche di un solo segno: una colonna con cariche positive trattiene e separa gli anioni, una con cariche negative i cationi. Scegliendo la colonna e l’eluente adatti, lo stesso strumento può quindi affrontare entrambe le famiglie di ioni.

Le applicazioni

La cromatografia ionica è lo strumento principe per il controllo delle acque: acqua potabile, acque di scarico, acque industriali. Permette di verificare in pochi minuti le concentrazioni di tutti gli ioni di interesse, molti dei quali soggetti a limiti di legge. È usata anche nell’industria alimentare, farmaceutica e nei processi industriali, ovunque serva conoscere con precisione la composizione ionica di una soluzione. Rispetto ai metodi tradizionali, che spesso richiedevano un’analisi separata e laboriosa per ogni ione, la cromatografia ionica ha rappresentato un grande passo avanti, riunendo in un solo strumento automatico la determinazione di tutti gli ioni di interesse, con tempi di analisi ridotti e una precisione difficile da raggiungere con i metodi chimici tradizionali.

Perché non bastano le altre tecniche

Si potrebbe pensare di misurare gli ioni con altri metodi, e in effetti per singoli ioni esistono alternative, come gli elettrodi selettivi. Ma la cromatografia ionica ha un vantaggio decisivo: misura molti ioni diversi in una sola analisi, separandoli prima di rivelarli. Un elettrodo selettivo misura un solo ione alla volta e può essere disturbato dagli altri presenti; la cromatografia ionica, invece, prima separa fisicamente gli ioni lungo la colonna e poi li misura uno dopo l’altro, mano a mano che escono. Questo permette di ottenere, da un unico campione e in pochi minuti, l’intero profilo ionico: tutti gli anioni o tutti i cationi di interesse, ciascuno con la sua concentrazione. È questa capacità di analisi simultanea, unita alla buona sensibilità e alla possibilità di automazione, ad aver reso la cromatografia ionica lo strumento di riferimento nei laboratori che analizzano grandi numeri di campioni d’acqua.

Domande frequenti

Che cos’è la cromatografia ionica?

È una tecnica di cromatografia liquida specializzata nella separazione degli ioni di un campione, sfruttando la loro diversa affinità per un materiale carico a scambio ionico. È il metodo di riferimento per misurare gli ioni inorganici in soluzione, come quelli presenti nelle acque.

Come separa gli ioni?

La colonna è riempita di un materiale con cariche fisse che attraggono gli ioni di carica opposta. Gli ioni del campione si legano più o meno fortemente a seconda della loro natura e quindi avanzano a velocità diverse, separandosi lungo la colonna. È il principio dello scambio ionico.

A cosa serve il soppressore?

Serve ad abbassare la conducibilità di fondo dovuta all’eluente, che altrimenti coprirebbe il debole segnale degli ioni del campione. Il soppressore trasforma chimicamente l’eluente in una forma poco conduttiva, facendo risaltare i picchi degli ioni da misurare.

Perché si usa un rivelatore di conducibilità?

Perché gli ioni, per loro natura, conducono l’elettricità: la loro presenza aumenta la conducibilità del liquido che esce dalla colonna. Ogni picco di conducibilità corrisponde a uno ione, e la sua area è proporzionale alla quantità di quello ione. È quindi il rivelatore più adatto agli ioni.

Per cosa si usa principalmente?

Soprattutto per il controllo delle acque — potabili, di scarico, industriali — dove permette di misurare in pochi minuti gli ioni soggetti a limiti di legge. È usata anche nell’industria alimentare, farmaceutica e di processo, ovunque serva conoscere con precisione la composizione ionica di una soluzione.