Isotopic separation of lithium and boron ions by capillary zone electrophoresis

Abstract

Для определения содержания изотопов в пробе, как правило, используются масс-спектрометрические методы анализа. Однако, ввиду их высокой стоимости, актуальным является вопрос о разработке более дешевых альтернативных методов для данных целей. В частности - капиллярного электрофореза (КЭ) с фотометрическим детектированием. В данной работе была показана возможность эффективного разделения изотопов 6Li/7Li и 10B/11B методом капиллярного электрофореза. Наиболее часто используемый способ разделения изотопов в КЭ основан на модификации электроосмотического потока (ЭОП), противонаправленного движению изотопов в капилляре в процессе анализа под действием электрического поля. Путем модификации электроосмотического потока, выполняющего роль замедляющего движение фактора, можно добиться оптимальной для разделения скорости изотопов капилляре. Эксперименты по разделению изотопов лития проводились на системе капиллярного электрофореза «Капель-105» с использованием двух капилляров различной длины (Lэфф/Lобщ: 50/60 см и 27/37 см, внутренний диаметр 75 мкм). Анализируемую пробу готовили из образцов карбоната лития, обогащенного по 6Li (90.38%) и обедненного по 6Li (3,44%). Суммарная концентрация ионов Li в пробе составляла 0,2 мМ. Параметры проведения анализа: U=+20кВ, λ=261нм, Т=30оС, ввод пробы давлением 30 мбар 5 с. Состав ведущего электролита: 4-аминопирин – 5 мМ, щавелевая кислота - 0.875 мМ, CTAB - 0.25 мМ и TWEEN 20 - 0.015-0.055%. Использование катионного ПАВ CTAB было обусловлено необходимостью перезарядки стенок капилляра, а неионогенного TWEEN 20 – регулированием величины заряда стенок капилляра, за счет чего осуществлялось управление обращенным ЭОП. Данный подход позволил оптимизировать скорость ЭОП и достичь разрешения пиков изотопов лития до базовой линии менее чем за 30 минут. Было проведено сопоставление разрешения пиков 6Li/7Li в зависимости от длины капилляра и скорости ЭОП, уравновешивающей подвижность ионов лития. Было показано, что при увеличении длины капилляра существенно возрастает диффузионное размывание пиков, обусловленное снижением напряженности поля. За счет этого оба исследованных варианта геометрии капилляра при прочих равных условиях обеспечивают сопоставимое разрешение, несмотря на значительную разницу во времени анализа. Эксперименты по разделению изотопов бора проводились на системе капиллярного электрофореза «Капель-105» с использованием капилляра с соответствующими параметрами: внутренний диаметр – 50 мкм, Lэфф/Lобщ – 40/50 см. Анализируемую пробу готовили из образцов борной кислоты, со средним природным содержанием 10B (19.8%) и обогащенного по 10B (90%). Суммарная концентрация борной кислоты в пробе составляла 4 мМ. Параметры проведения анализа: U=+25кВ, λ=210нм, Т=20-35оС, ввод пробы давлением 30 мбар 5 с. Состав ведущего электролита: путресцин – 5-8 мМ, фенилаланин – 25-35 мМ. Продемонстрирована возможность разделения изотопов бора до базовой линии. Исследована зависимость разрешения пиков 10B/11B от состава ведущего электролита и температуры.

To determine the content of isotopes in various samples, the methods based on mass spectrometry are usually used. However, due to the high cost, the development of lower-cost alternative for these purposes is very relevant. In particular capillary electrophoresis (CE) with photometric detection. The goal of this work is to demonstrate the possibility of fast isotopic separation of lithium and boron ions by capillary electrophoresis. The most commonly used method of isotope separation in CE is based on a modification of the electroosmotic flow (EOF), oppositely directed movement of the isotopes in the capillary during the analysis under the influence of an electric field. By modifying the electroosmotic flow, which serves as a factor retarding the movement, one can achieve the optimal speed for the separation of isotopes. Electrophoretic experiments of isotopic separation of lithium and boron were performed using a Lumex CE system (Capel 105). Separation of lithium ions was performed using uncoated fused silica capillary of 37/60 cm total length (27/50 cm effective length). Stock solutions of lithium was prepared using lithium carbonate depleted (3.44% mol of 6Li) and enriched (90.38% mol of 6Li) in 6Li. The running conditions were +25 kV at 30°C with indirect photometric detection at 261 nm. The BGE contained 5 mM 4-aminopyridine, 0.875 mM oxalic acid, 0.25 mM CTAB and 0.015-0,055% w/v Tween 20. Isotopic baseline separation of 6Li and 7Li was demonstrated. We carried out a comparison of resolution 6Li/7Li peaks depending on the capillary length and the EOF speed that counterbalancing the mobility of lithium ions. It has been shown when the capillary length increases, the diffusional peak broadening increases too due to decrease of field strength. Therefore, both studied capillaries at other equal conditions provide comparable resolution, in spite of the significant difference in analysis time. Isotopic separation of boron ions was performed using uncoated fused silica capillary of 50 cm total length (40 cm effective length). Stock solutions of boron was prepared using boric acid with a natural content (19.8% mol) of 10B and enriched (90% mol) in 10B. The running conditions were +25 kV at 20-35°C with indirect photometric detection at 210 nm. The BGE contained 25-35 mM phenylalanine and 5-8 mM putrescine. Isotopic baseline separation of 10B and 11B boric acid was demonstrated. The dependence of peak resolution 10B/11B from the BGE composition and temperature was demonstrated.