Kromatografske metode analize: prednosti in slabosti

Danes je kromatografska analiza najbolj razširjena metoda za preučevanje različnih predmetov. To so lahko vzorci, odvzeti v okolju, na delovnem mestu, v laboratoriju itd. To metodo je leta 1903 predlagal ruski znanstvenik M. S. Tsvet. Njegove raziskave so postale osnova za razvoj vseh vrst kromatografije, ki danes obstajajo in se uporabljajo za ločevanje ne le barvnih, temveč tudi neobdelanih spojin v vseh vrstah okolij. Izvedba kromatografske analize je možna na različne načine, pri čemer se v vsakem posameznem primeru uporabljajo lastne tehnike in metode izračuna. Temelji na razlikah v adsorpciji ali kakšnih drugih lastnostih spojin, kar prispeva k njihovi porazdelitvi med trdnim sorbentom in tekočino (ali plinom), ki teče skozi.

Osnovni pojmi

Kromatografska metoda analize se nanaša na takšno metodo ločevanja in določanja snovi, ki temelji na porazdelitvi več komponent vzorca med dvema fazama, od katerih je ena mobilna, druga pa fiksna.

Stacionarna (stacionarna) faza je običajno trdna porozna snov (ponavadi imenovana sorbent) ali film tekočine, ki se odlaga na trdno snov.

Mobilna faza je tekoča ali plinasta snov, ki teče skozi stacionarno fazo, včasih pod pritiskom. Vse komponente analizirane mešanice (imenovane sorbati) skupaj z mobilno fazo premikajo vzdolž stacionarne faze. Praviloma se postavi v stekleno (kovinsko) cevko.

Hitrost premikanja komponent vzdolž kolone je odvisna od stopnje njihove interakcije s površino sorbenta. To vodi do dejstva, da bodo nekatere komponente ostale v zgornjem delu kolone, porazdeljene v prostornini sorbenta, druge v spodnjem delu, druge pa v njej sploh ne bodo ostale in bodo ostale mobilne.

Klasifikacija kromatografskih analiznih metod

Te metode raziskav snovi so tako raznolike, da jih ni. Običajno jih delijo naslednje funkcije:

• agregatno stanje sorbenta in mobilne faze;
• mehanizem vezivnih snovi in ​​sorbenta;
• tehnika analize;
• način gibanja vzorca skozi kolono;
• namen analize.

Glede na agregatno stanje faz

V skladu s to funkcijo se metode kromatografske analize delijo na:

• plinska kromatografija, če je mobilna faza para ali plin;
• tekoča kromatografija, ko je mobilna faza v tekočem stanju.

Prvi se običajno uporablja za ločevanje hlapnih toplotno stabilnih spojin z molekulsko maso do 300. Drugi je primeren za ločevanje organskih in anorganskih komponent, ki imajo molekulsko maso do leta 2000, tudi če so termično nestabilne.

Z naravo interakcije snovi s stacionarno fazo

Glede na mehanizem delovanja sorbenta s snovjo so lahko kromatografske metode analize:

• adsorpcija, če ločevanje temelji na razlikah v afiniteti sestavin vzorca proti površini adsorbenta;
• distributivno, če ločevanje snovi temelji na razlikah v njihovi topnosti v mobilni fazi in sorbentu;
• ionska izmenjava, če ločevanje temelji na razlikah v sposobnosti komponent za opravljanje ionske izmenjave;
• prodiranje, če se ločevanje snovi pojavi zaradi razlik v velikosti in obliki molekul, pa tudi zaradi nabojev.

Tudi kromatografske metode analize so razvrščene po tej metodi v sedimentne, redoksne, kompleksne oblike in druge.

Glede na eksperimentalno tehniko

V skladu z metodo predelave je procesna kromatografija:

• kolono, v kateri se ločevanje izvaja v kolonah, napolnjenih s sorbentom.
• planarno, ki se lahko izvede na papirju ali na ploščah (tankoplastna kromatografija).

Tudi na ta seznam se lahko dodajo metode kromatografske analize, izvedene z uporabo kapilar. Notranji premer teh cevi ni večji od 1 mm. V primerjavi z drugimi vrstami kromatografije, to vam omogoča, da povečate hitrost analize in omogočite preučevanje z dragimi plini ali sorbenti. Prav tako majhna velikost stolpca omogoča združevanje te študije z masno spektrometrijo. Vendar je pomembna pomanjkljivost kromatografske metode analize tega tipa težava vnosa vzorca v kapilaru.

O gibanju snovi

Ta lastnost se imenuje tudi metoda kromatografije. Obstajajo:

• Eluentna kromatografija. Najbolj primeren za reševanje analitičnih problemov. Sestavljen je iz dejstva, da je mešanica snovi, ki se vnaša v neprekinjeno gibajoči se tok eluenta, sorbirana bolje kot mobilna faza. Med napredovanjem eluenta vzdolž kolone s sorbiranimi komponentami se začnejo gibati vzdolž sorbenta z različnimi hitrostmi in zapustijo kolono v ločenih frakcijah (conah). Prednosti razvojne metode so popolnejše ločevanje snovi, neprekinjeno regeneriranje sorbenta in dobra ponovljivost parametrov zadrževanja.
• Izmenična kromatografija. Sestoji iz dejstva, da se v mobilno fazo vstavi razdeljen vzorec, nato pa se začne potovati potisno sredstvo, ki ima sorpcijsko zmogljivost več kot vse druge. Med napredovanjem vzdolž kolone premakne iz sorbenta predhodno sorbirane snovi, da se poveča njihova sorpcijska zmogljivost.
• Frontalna kromatografija. Med študijo analizirano mešanico spuščamo tudi skozi plast sorbenta. Med polnjenjem kolone s komponentami pa postopoma pridejo ven, da povečajo sposobnost sorpcije.

Po namenu dela

Razvrstitev kromatografskih analiznih metod, odvisno od namena postopka, je naslednja:

• analitska kromatografija - je ločena metoda, vključno z ločevanjem vzorca na komponente, kakor tudi njihovo kvalitativno in kvantitativno analizo;
• Pripravljalna kromatografija se uporablja izključno za ločevanje mešanice snovi.

Prednosti metode

Kromatografska analiza ima naslednje prednosti pred drugimi metodami ločevanja in raziskovanja snovi:

1. Ker ima ta metoda ločevanja dinamično naravo, za katero je značilno ponavljajoče se sorpcijsko-desorpcijsko, je njegova učinkovitost bistveno večja kot pri statični sorpciji ali ekstrakciji.
2. Uporaba različnih vrst interakcij sorbatov in sorbentov (fizikalne in kemisorpcije) omogoča razširitev nabora snovi za selektivno ločevanje.
3. Nekatere tehnike predvidevajo nalaganje gravitacijskih, magnetnih in drugih polj na izpuščene snovi, ki razširjajo možnosti kromatografije s spreminjanjem pogojev ločevanja komponent.
4. Ta metoda je hibridna, ker združuje ločevanje in definicijo več komponent hkrati.
5. Kromatografija omogoča reševanje več problemov hkrati. Tako analitične naloge vključujejo ločevanje, identifikacijo in določanje snovi in ​​pripravljalne snovi - njihovo prečiščevanje, izolacijo in koncentracijo.

Kromatografske značilnosti

Visoko zmogljiva in visoko selektivna preparativna kromatografija je nujna za ločevanje kompleksnih vzorcev, ki vsebujejo veliko število posameznih spojin s podobnimi fizikalno-kemijskimi parametri (olje, vse vrste zdravil, ekstrakti iz rastlin, biološke tekočine in drugo). Tako se plinske metode za kromatografsko analizo široko uporabljajo za čiščenje kemičnih snovi ali izolacijo posameznih spojin v preparativni kemiji. Za ionsko ekstrakcijo je primerna ionsko izmenjevalna kromatografija, ki temelji na razlikah v sposobnosti ionov iz raztopine za izmenjavo procesov z ionskim izmenjevalcem.

Sodobne kromatografske metode omogočajo določanje plinastih, tekočih in trdnih snovi. Izbira pogojev za analizo se osredotoča na naravo in sestavo analiziranega vzorca. Absorpcija plina in plinsko-tekočinska kromatografija omogočata študijo hlapnih snovi, odpornih na vročino. Tako se adsorpcijska plinska kromatografija pogosto uporablja za analizo plinskih mešanic in nizko vrelih ogljikovodikov, ki nimajo aktivnih funkcionalnih skupin. Plinsko-tekočinska kromatografija je pomembna v petrokemiji, analizi pesticidov in gnojil, drog.

Tekočinska kromatografska analiza transformatorskega olja omogoča pravočasno zaznavanje napak ali narave in obsega poškodb transformatorja. Njegovo stanje ocenjujemo s primerjavo podatkov, dobljenih med analizo, z dovoljenimi vrednostmi in hitrostjo spremembe vsebnosti plina v olju. Tako visoka vsebnost CO in CO ₂ običajno nakazuje kršitve v celulozni izolaciji. Vendar prisotnost derivatov furana kaže na staranje papirne izolacije. Tako kromatografska analiza plinov prispeva k varni in dolgoročni uporabi opreme.

Plinska kromatografija

Je ena izmed najpogostejših sort metode, saj so za to razvili različne tehnike s popolno teoretično utemeljitvijo, obstaja pa tudi zanesljiva in relativno poceni instrumentacija. Mobilna faza (plinski nosilec) so plini ali njihove mešanice, pa tudi snovi, ki so plini pod pogoji, v katerih se opravlja analiza. Stacionarna faza so trdni sorbenti (metoda adsorpcije plina) ali tekočina na površini inertnega nosilca (plin-tekoča metoda).

Za plinsko kromatografijo lahko dodatno navedete številne prednosti:

• visoka hitrost postopka;
• sposobnost analize mikroprobe;
• samodejno beleženje rezultatov z razpoložljivostjo ustrezne opreme;
• možnost izolacije komponent ne samo v laboratoriju, ampak tudi v industrijskem merilu.

Papirna kromatografija

Kot stacionarno fazo uporabljamo filter ali poseben kromatografski papir. Slednji je celulozni filtrirni papir visoke čistosti z nekaterimi posebnimi lastnostmi. Absorbira topilo pri različnih hitrostih kapilarnega dviganja, odvisno od gostote papirja.

Glavna oprema so posebne komore ali posode, pladnji na stojalih, pipete, pulzerji, svetilke za kromatograme, merilne naprave ter planimetri in denzitometri, ki se uporabljajo za kvantitativno določanje.

Ta metoda je najprimernejša za analizo različnih organskih snovi, ki vsebujejo različne funkcionalne skupine, od alkoholov do steroidov, od aminov do indolov, od vitaminov do antibiotikov.

Ionska izmenjalna kromatografija

Ta metoda temelji na izmenjavi ionov med oteklim ionskim izmenjevalcem in mobilno fazo. Za ionsko izmenjavo mešanice ionov je značilna razlika v njihovih nabojih in ionska jakost raztopine. V volumnu ionskih zrn je proces ločevanja odvisen tudi od hitrosti difuzije ionov, ki jo določa gostota ionskega izmenjevalca.

Ionit izberemo s parametrom, ki se imenuje afiniteta, ki je sorazmerna z nabojem iona in obratno sorazmerna polmeru hidriranega iona. Izbira ionskega izmenjevalca se izvede z uporabo tabel z danimi značilnostmi proizvedenih tipov ionskih izmenjevalcev. Njihove glavne značilnosti so velikost in oblika zrn, sposobnost izmenjave, kislinsko-bazične lastnosti, nabrekanje, gostota.

Ločevanje anorganskih snovi poteka na anorganskih ionskih izmenjevalcih (zeoliti, aluminijevi hidroksidi) ali smolah (stiren z divinilbenzenom). Tako se pogosto uporablja kromatografska metoda analize vode za prisotnost različnih ionov v njem, na primer za določanje njene trdote.

Gel kromatografija

Bistvo metode je, da analizirano raztopino počasi filtriramo skozi kolone, napolnjene z gelom. Včasih se imenuje gelska filtracija. Posamezni delci gela so sestavljeni iz plastičnih linearnih molekul snovi z najvišjo molekulsko maso, ki so povezane z navzkrižnimi povezavami. Takšna mrežna struktura prispeva k otekanju gela v vodi in pojavi por različnih premerov. Velikost por je odvisna od narave polimera, temperature medija in narave topila.

Ločevanje temelji na sposobnosti manjših molekul, da prodrejo globlje v pore in tam ostanejo dlje časa. Zato najprej iz kolone zapustijo večje molekule, nato pa manjše.

Ta metoda izvaja dve vrsti ločevanja: skupino in frakcioniranje. Prvi je označen z ločevanjem zmesi komponent glede na njihovo molekulsko maso. Za drugo, v smislu hitrosti in intenzivnosti difuzije delcev znotraj gela. Najpogosteje uporabljana gel kromatografija v biokemiji, v organski sintezi in kemiji polimerov za določanje molekulskih mas. Kot primer je možna kromatografska analiza proteinov in peptidov v plazmi. V primerjavi z masno spektrometričnimi metodami je sledenje proteinostno peptidni homeostazi pri porazdelitvi proteinov in njihovih razgradnih produktov z gelno kromatografijo veliko bolj dostopno.