Chromatografické metody analýzy: výhody a nevýhody

Chromatografická analýza dnes je nejrozšířenější metodou pro studium různých objektů. Mohou to být vzorky odebrané v prostředí, v práci, v laboratoři a tak dále. Tato metoda byla navržena v roce 1903 ruským vědcem M. S. Tsvet. Jeho výzkum se stal základem pro vývoj všech typů chromatografie, které dnes existují a používají se k oddělování nejen barevných, ale i nešpinivých látek ve všech prostředích. Provádění chromatografické analýzy je možné různými způsoby, přičemž v každém konkrétním případě se používají vlastní metody a metody výpočtu. Je založen na rozdílech v adsorpci nebo jiných vlastnostech sloučenin, což přispívá k jejich rozdělení mezi pevný sorbent a kapalina (nebo plyn) procházející skrze něj.

Základní pojmy

Chromatografická metoda analýzy se týká takové metody separace a stanovení látek, která je založena na distribuci několika složek vzorku mezi dvěma fázemi, z nichž jedna je mobilní a druhá je fixní.

Stacionární (stacionární) fáze je obvykle pevná porézní látka (obvykle označovaná jako sorbent) nebo film kapaliny, který je uložen na pevné látce.

Mobilní fáze je kapalná nebo plynná látka, protékající stacionární fází, někdy pod tlakem. Všechny složky analyzované směsi (tzv. Sorbáty) spolu s mobilní fází se pohybují po stacionární fázi. Je zpravidla umístěn ve skleněné (kovové) trubce - sloupku.

Rychlost pohybu složek podél sloupce závisí na stupni jejich vzájemného působení s povrchem sorbentu. To vede k tomu, že některé komponenty zůstanou v horní části sloupce, distribuované v objemu sorbentu, jiné v dolní části a některé zůstanou vůbec v něm a nechají s mobilní fází.

Klasifikace chromatografických metod analýzy

Tyto metody výzkumu látek jsou tak rozmanité, že neexistuje jednotná klasifikace těchto látek. Obvykle jsou rozděleny následujícími funkcemi:

• agregátní stav sorbentu a mobilní fáze;
• mechanismus vazebných látek a sorbentu;
• analytická technika;
• způsob pohybu vzorku skrze sloupec;
• účely analýzy.

Podle souhrnného stavu fází

Podle této vlastnosti se metody chromatografické analýzy dělí na:

• plynová chromatografie, jestliže mobilní fáze je pára nebo plyn;
• kapalinová chromatografie, když je mobilní fáze v kapalném stavu.

První se obvykle používá k oddělení těkavých tepelně stabilních sloučenin s molekulovou hmotností až 300. Druhý je vhodný pro oddělení organických a anorganických složek, které mají molekulovou hmotnost až 2000, i když jsou tepelně nestálé.

Povaha interakce látky se stacionární fází

Podle mechanismu působení sorbentu s látkou mohou být chromatografické metody analýzy:

• adsorpce, pokud je oddělení založeno na rozdílech v afinitě složek vzorku k povrchu adsorbentu;
• distribuční, jestliže je oddělení látek založeno na rozdílech v jejich rozpustnosti v mobilní fázi a sorbentu;
• iontová výměna, pokud je oddělení založeno na rozdílech v schopnostech komponentů provádět iontovou výměnu;
• pokud dojde k separaci látek kvůli rozdílu velikosti a tvaru molekul, stejně jako poplatkům.

Chromatografické metody analýzy jsou klasifikovány podle této metody do sedimentárních, redoxních, komplexních a dalších.

Podle experimentální techniky

Podle způsobu zpracování je procesní chromatografie:

• v němž se separace provádí v kolonách naplněných sorbentem.
• planární, kterou lze provádět na papíře nebo na deskách (tenkovrstvá chromatografie).

Do tohoto seznamu lze také přidat metody chromatografické analýzy prováděné pomocí kapilár. Vnitřní průměr těchto trubek není větší než 1 mm. Ve srovnání s jinými typy chromatografie to umožňuje zvýšit rychlost analýzy a umožňuje studovat drahé plyny nebo sorbenty. Také malá velikost sloupce umožňuje kombinovat tuto studii s hmotnostní spektrometrií. Významnou nevýhodou chromatografické metody analýzy tohoto typu je však obtížnost zavádění vzorku do kapiláry.

Na pohyb hmoty

Tato vlastnost se také nazývá metodou chromatografie. K dispozici jsou:

• Eluční chromatografie. Nejvhodnější pro řešení analytických problémů. Spočívá ve skutečnosti, že směs látek zavedených do plynule se pohybujícího proudu eluentu je sorbeda lépe než mobilní fáze. Během postupu eluentu podél sloupce s sorbovanými složkami se začnou pohybovat po sorbente při různých rychlostech a sloupec se nechává v oddělených frakcích (zónách). Výhodou vývojové metody je úplnější separace látek, kontinuální regenerace sorbentu a dobrá reprodukovatelnost retenčních parametrů.
• Displaceční chromatografie. Skládá se ze skutečnosti, že do mobilní fáze je zaveden rozdělený vzorek a poté začne procházet hnací látka, která má sorpční kapacitu více než všechny ostatní. Během postupu podél sloupku vytěsňuje dříve sorbované látky ze sorbentu, aby se zvýšila jejich sorpční kapacita.
• Přední chromatografie. Během studie se analyzovaná směs také prochází vrstvou sorbentu. Při plnění sloupku s komponenty postupně vystupují, aby se zvýšila jejich schopnost sorpce.

Podle účelu práce

Klasifikace chromatografických metod analýzy v závislosti na účelu procesu je následující:

• analytická chromatografie - je samostatná metoda zahrnující oddělení vzorku do složek, jakož i jejich kvalitativní a kvantitativní analýzu;
• preparativní chromatografie se používá výhradně pro separaci směsi látek.

Výhody metody

Chromatografická analýza má následující výhody oproti jiným metodám separace a výzkumu látek:

1. Vzhledem k tomu, že tato metoda separace má dynamickou povahu charakterizovanou opakovaným opakováním sorpce a desorpce, je její účinnost výrazně vyšší než účinnost statické sorpce nebo extrakce.
2. Použití různých druhů interakcí sorbátů a sorbentů (fyzikální a chemisorpční) umožňuje rozšířit spektrum látek pro selektivní separaci.
3. Některé techniky poskytují ukládání gravitačních, magnetických a jiných polí na vypouštěné látky, které rozšiřují možnosti chromatografie změnou podmínek separace složek.
4. Tato metoda je hybridní, protože kombinuje oddělení a definici několika komponent najednou.
5. Chromatografie umožňuje vyřešit několik problémů současně. Analytické úkoly tedy zahrnují separaci, identifikaci a stanovení látek a přípravné látky - jejich čištění, izolaci a koncentraci.

Chromatografické funkce

Vysoce výkonná a vysoce selektivní preparativní chromatografie je nezbytná pro separaci komplexních vzorků obsahujících velké množství jednotlivých sloučenin s podobnými fyzikálně-chemickými parametry (olej, všechny druhy léčiv, extrakty z rostlin, biologické tekutiny a další). Pro čištění chemických látek nebo izolaci jednotlivých sloučenin v přípravné chemii se široce používají plynové metody pro chromatografickou analýzu. Pro extrakci iontů je vhodná iontově výměnná chromatografie založená na rozdílech v schopnostech iontů od roztoku k výměnným procesům s iontoměničem.

Moderní chromatografické metody umožňují stanovení plynných, kapalných a pevných látek. Výběr podmínek pro analýzu se zaměřuje na povahu a složení analyzovaného vzorku. Plynová adsorpce a plynově-kapalinová chromatografie umožňují studium těkavých látek odolných vůči teplu. Adsorpční plynová chromatografie se proto široce používá k analýze plynných směsí a uhlovodíků s nízkým bodem varu, které nemají aktivní funkční skupiny. Plynová kapalinová chromatografie je důležitá v petrochemii, analýze pesticidů a hnojiv, léků.

Analýza kapalinové chromatografie transformátorového oleje umožňuje včasné zjištění vad nebo povahu a rozsah poškození transformátoru. Jeho stav se hodnotí porovnáním údajů získaných během analýzy s přípustnými hodnotami, jakož i rychlostí změny obsahu plynu v oleji. Vysoký obsah CO a CO _{2 tedy} obvykle signalizuje porušování celulózové izolace. Přítomnost derivátů furanu však naznačuje stárnutí papírové izolace. Chromatografická analýza plynů přispívá k bezpečnému a dlouhodobému provozu zařízení.

Plynová chromatografie

Jedná se o jednu z nejběžnějších odrůd metody, protože pro ni byly vyvinuty různé techniky s úplným teoretickým odůvodněním a existuje také spolehlivé a poměrně nenákladné instrumentace. Mobilní fáze (nosný plyn) jsou plyny nebo jejich směsi, stejně jako látky, které jsou plyny za podmínek, ve kterých je analýza prováděna. Stacionární fáze jsou tuhé sorbenty (metoda adsorpce plynu) nebo kapalina na povrchu inertního nosiče (metoda plyn-kapalina).

Pro plynovou chromatografii můžete dodatečně pojmenovat řadu výhod:

• vysoká rychlost procesu;
• schopnost analýzy mikroprobů;
• automatické zaznamenávání výsledků s dostupností vhodného vybavení;
• možnost izolovat součásti nejen v laboratoři, ale i v průmyslovém měřítku.

Papírová chromatografie

Jako stacionární fáze se používá filtr nebo speciální chromatografický papír. Posledně jmenovaný je celulózový filtrační papír s vysokou čistotou as některými speciálními vlastnostmi. Absorbuje rozpouštědlo při různých rychlostech kapilárního zvedání v závislosti na hustotě papíru.

Hlavním zařízením jsou speciální komory nebo nádoby, podnosy umístěné na stojanech, pipety, práškové lahve, lampy pro chromatogramy, měřicí přístroje a také planimetry a denzitometry používané pro kvantitativní stanovení.

Tato metoda je nejvhodnější pro analýzu různých organických látek obsahujících různé funkční skupiny od alkoholů po steroidy, od aminů po indoly, od vitamínů po antibiotika.

Iontoměničová chromatografie

Tato metoda je založena na výměně iontů mezi nabitým iontovým výměníkem a mobilní fází. Ion-výměnná separace směsi iontů je charakterizována rozdílem jejich nábojů a iontové síly roztoku. V objemu iontových zrn závisí separační proces také na rychlosti difúze iontů, která je určena hustotou iontového výměníku.

Ionit je vybrán parametrem nazvaným afinita, který je úměrný náboji iontu a nepřímo úměrný poloměru hydratovaného iontu. Volba iontového výměníku se provádí za použití tabulek s danými vlastnostmi typů iontových výměníků. Jejich hlavními vlastnostmi jsou zrnitost a tvar, výměnná kapacita, kyselé vlastnosti, opuch, hustota.

Separace anorganických látek se provádí na anorganických iontoměničů (zeolity, hydroxidy hliníku) nebo pryskyřice (styren s divinylbenzenem). Chromatografická metoda analýzy vody pro přítomnost různých iontů v ní je často používána například k určení její tvrdosti.

Gelová chromatografie

Podstata metody spočívá v tom, že analyzovaný roztok se pomalu filtruje přes kolony naplněné gel. Někdy se nazývá gelová filtrace. Jednotlivé částice gelu jsou složeny z plastických lineárních molekul látek s nejvyšší molekulovou hmotností, spojených křížovými vazbami. Taková síťová struktura přispívá k bobtnání gelu ve vodě a vzhledu pórů různých průměrů. Velikost pórů závisí na povaze polymeru, teplotě média a povaze rozpouštědla.

Oddělení je založeno na schopnosti menších molekul proniknout hlouběji do pórů a zůstat tam po delší dobu. Proto, nejprve větší molekuly opouštějí sloupec, a pak ty, které jsou menší.

Tato metoda provádí dva typy oddělení: skupinu a frakcionaci. První se vyznačuje separací směsi složek podle jejich molekulové hmotnosti. Pro druhou jde o rychlost a intenzitu difúze částic uvnitř gelu. Nejčastěji používaná gelová chromatografie v biochemii, v organické syntéze a chemii polymerů pro stanovení molekulové hmotnosti. Jako příklad je možné chromatografickou analýzu proteinů a peptidů v plazmě. Ve srovnání s metodami hmotnostní spektrometrie je mnohem dostupnější sledování homeostázy protein-peptid v distribuci proteinů a jejich degradačních produktů pomocí gelové chromatografie.