Cromatografía de intercambio iónico - Definición, principio, partes, pasos, usos

Cromatografía es la separación de una mezcla de compuestos en sus componentes individuales basándose en sus interacciones relativas con una matriz inerte.

¿Qué es la cromatografía de intercambio iónico?

La cromatografía de intercambio iónico (o cromatografía iónica) es un proceso que permite la separación de iones y moléculas polares en función de su afinidad a los intercambiadores iónicos.

El principio de la separación es, pues, el intercambio reversible de iones entre los iones objetivo presentes en la solución de la muestra y los iones presentes en los intercambiadores de iones.

En este proceso se pueden utilizar dos tipos de intercambiadores, es decir, intercambiadores catiónicos y aniónicos.

1. Intercambiadores catiónicos poseen un grupo cargado negativamente, y estos atraerán cationes cargados positivamente. Estos intercambiadores también se denominan materiales de "intercambio iónico ácido", porque sus cargas negativas son el resultado de la ionización del grupo ácido.
2. Intercambiadores aniónicos tienen grupos cargados positivamente que atraerán aniones cargados negativamente. También se denominan materiales de "intercambio iónico básico".

• La cromatografía de intercambio iónico se realiza con mayor frecuencia en forma de cromatografía en columna. Sin embargo, también existen métodos cromatográficos en capa fina que funcionan básicamente según el principio de intercambio iónico.

Fuente de la imagen: Tecnología en la Ciencia

Principio de funcionamiento de la cromatografía de intercambio iónico

Esta forma de cromatografía se basa en la atracción entre la fase estacionaria de carga opuesta, conocida como intercambiador de iones, y el analito.

• Los intercambiadores de iones contienen básicamente grupos cargados unidos covalentemente a la superficie de una matriz insoluble.
• Los grupos cargados de la matriz pueden tener carga positiva o negativa.
• Cuando se suspende en una solución acuosa, los grupos cargados de la matriz estarán rodeados de iones de carga opuesta.
• En esta "nube de iones", los iones pueden intercambiarse de forma reversible sin cambiar la naturaleza y las propiedades de la matriz.

Instrumentación de la cromatografía de intercambio iónico

La instrumentación típica de la CI incluye: bomba, inyector, columna, supresor, detector y registrador o sistema de datos.

1. Bomba

La bomba de CI se considera uno de los componentes más importantes del sistema, que debe proporcionar un flujo constante y continuo del eluyente a través del inyector de CI, la columna y el detector.

2. Inyector

La introducción de la muestra puede realizarse de varias maneras. El método más sencillo es utilizar una válvula de inyección. Las muestras líquidas pueden inyectarse directamente y las muestras sólidas sólo tienen que disolverse en un disolvente adecuado. Los inyectores deben ofrecer la posibilidad de inyectar la muestra líquida dentro del rango de 0,1 a 100 ml de volumen con una alta reproducibilidad y a alta presión (hasta los 4000 psi).

3. Columnas

Dependiendo de su uso final y del área de aplicación, el material de la columna puede ser acero inoxidable, titanio, vidrio o un plástico inerte como el PEEK. El diámetro de la columna puede variar de unos 2 mm a 5 cm y su longitud de 3 cm a 50 cm, según se vaya a utilizar para fines analíticos normales, para microanálisis, para análisis de alta velocidad o para trabajos preparatorios.

La columna de protección se coloca antes de la columna de separación. Sirve como factor de protección que prolonga la vida y la utilidad de la columna de separación. Son columnas fiables diseñadas para filtrar o eliminar las partículas que obstruyen la columna de separación

4. Supresor

El supresor reduce la conductividad de fondo de los productos químicos utilizados para eluir las muestras de la columna de intercambio iónico, lo que mejora la medición de la conductividad de los iones analizados. Los supresores de CI son dispositivos basados en membranas que están diseñados para convertir el eluyente iónico en agua como medio para mejorar la sensibilidad.

5. Detectores

El detector de conductividad eléctrica es de uso común.

6. Sistema de datos

En los análisis rutinarios, en los que no se necesita automatización, puede ser suficiente un integrador informático preprogramado. Para niveles de control superiores, es necesario un dispositivo más inteligente, como una estación de datos o un miniordenador.

Procedimiento de cromatografía de intercambio iónico

• Las separaciones por intercambio iónico se realizan principalmente en columnas empaquetadas con un intercambiador de iones.
• Estos intercambiadores iónicos están disponibles en el mercado. Se componen de estireno y divinilbenceno. Ejemplo. La celulosa DEAE es un intercambiador aniónico, la celulosa CM es un intercambiador catiónico.
• La elección del intercambiador depende de la carga de la partícula a separar. Para separar aniones se utiliza el "intercambiador aniónico", para separar cationes se utiliza el "intercambiador catiónico".
• Primero se llena la columna con el intercambiador de iones y luego se aplica la muestra, seguida del tampón. Se utilizan ampliamente el tampón tris, el tampón piridina, el tampón acetato, el tampón citrato y el tampón fosfato.
• Las partículas que tienen una gran afinidad por el intercambiador de iones bajarán por la columna junto con los tampones.
• En el siguiente paso, el uso del tampón correspondiente separa las partículas fuertemente unidas.
• A continuación, estas partículas se analizan espectroscópicamente.

Aplicaciones de la cromatografía de intercambio iónico

• Un uso importante de la cromatografía de intercambio iónico es el análisis rutinario de aminoácidos mezclas.
• Los 20 aminoácidos principales del suero sanguíneo o de la hidrólisis de las proteínas se separan y se utilizan en el diagnóstico clínico.
• Este es el método más eficaz para la purificación del agua. La desionización completa del agua (o) de una solución no electrolítica se realiza intercambiando los cationes del soluto por iones de hidrógeno y los aniones del soluto por iones de hidroxilo. Esto se suele conseguir por el método que se utiliza para ablandar el agua potable.
• En el análisis de los productos de la hidrólisis de los ácidos nucleicos. De este modo, se obtiene información sobre la estructura de estas moléculas y su relación con su función biológica como portadoras de información hereditaria.
• Las resinas quelantes se utilizan para recoger los metales traza del agua de mar.
• Para analizar rocas lunares y oligoelementos raros en la Tierra.

Ventajas de la cromatografía de intercambio iónico

1. Es uno de los métodos más eficaces para la separación de partículas cargadas.
2. Puede utilizarse para casi cualquier tipo de molécula cargada, incluidas las grandes proteínas, los pequeños nucleótidos y los aminoácidos.
3. El intercambio iónico se utiliza tanto con fines analíticos como preparatorios en el laboratorio, siendo los usos analíticos los más comunes.
4. Los iones inorgánicos también pueden separarse mediante el cromatógrafo de intercambio iónico.

Limitaciones de la cromatografía de intercambio iónico

• Sólo se pueden separar las moléculas cargadas.
• Necesidad de tampón

Referencias

1. Wilson, K., Walker, J. (2018). Principios y Técnicas de Bioquímica y Biología Molecular (8 eds.). Cambridge University Press: Nueva York.
2. https://www.biochemden.com/ion-exchange-chromatography/
3. https://www.britannica.com/science/ion-exchange-reaction/Applications-of-ion-exchange
4. http://elte.prompt.hu/sites/default/files/tananyagok/IntroductionToPracticalBiochemistry/ch06s02.html
5. http://cdn.intechopen.com/pdfs/43603/InTech-Ion_exchange_chromatography_an_overview.pdf