Kromatografske metode analize: prednosti i nedostaci

Danas je kromatografska analiza najčešće korištena metoda za proučavanje različitih objekata. To mogu biti uzorci uzeti u okolini, na poslu, u laboratoriju i tako dalje. Ovu metodu je 1903. godine predložio ruski znanstvenik M. S. Tsvet. Njegova istraživanja postala su osnova za razvoj svih tipova kromatografije koji danas postoje i koriste se za odvajanje ne samo obojenih, nego i neobojenih spojeva u svim vrstama okruženja. Provođenje kromatografske analize moguće je na različite načine, koristeći u svakom pojedinom slučaju vlastite tehnike i metode proračuna. Temelji se na razlikama u adsorpciji ili bilo kojim drugim svojstvima spojeva, što doprinosi njihovoj raspodjeli između čvrstog sorbenta i tekućine (ili plina) koja prolazi kroz njega.

Osnovni pojmovi

Kromatografska metoda analize odnosi se na takvu metodu odvajanja i određivanja tvari, koja se temelji na raspodjeli nekoliko komponenti uzorka između dvije faze, od kojih je jedna pokretna, a druga fiksna.

Stacionarna (stacionarna) faza je obično čvrsta porozna tvar (obično se naziva sorbens) ili film tekućine koja se taloži na krutoj tvari.

Mobilna faza je tekuća ili plinovita tvar koja protječe kroz stacionarnu fazu, ponekad i pod tlakom. Sve komponente analizirane smjese (sorbati) zajedno s mobilnom fazom kreću se duž stacionarne faze. U pravilu se stavlja u staklenu (metalnu) cijevnu kolonu.

Brzina kretanja komponenti duž kolone ovisi o stupnju njihove interakcije s površinom sorbenta. To dovodi do činjenice da će neke komponente ostati u gornjem dijelu kolone, raspodijeljene u volumenu sorbenta, druge u donjem dijelu, a neke neće uopće ostati u njoj i ostaviti ih s mobilnom fazom.

Klasifikacija kromatografskih metoda analize

Ove metode istraživanja tvari toliko su raznolike da ih nema. Obično ih dijele sljedeće značajke:

• agregatno stanje sorbenta i mobilne faze;
• mehanizam vezanja tvari i sorbenta;
• tehnika analize;
• način kretanja uzorka kroz kolonu;
• svrha analize.

Prema agregatnom stanju faza

Prema toj značajki, metode kromatografske analize podijeljene su na:

• plinska kromatografija ako je mobilna faza para ili plin;
• tekućinska kromatografija kada je mobilna faza u tekućem stanju.

Prvi se obično koristi za odvajanje hlapljivih toplinski stabilnih spojeva molekulske mase do 300. Drugi je prikladan za odvajanje organskih i anorganskih komponenti koje imaju molekularnu težinu do 2000, čak i ako su termički nestabilne.

Po prirodi interakcije tvari sa stacionarnom fazom

Prema mehanizmu djelovanja sorbenta s tvari, kromatografske metode analize mogu biti:

• adsorpcija, ako se odvajanje temelji na razlikama u afinitetu komponenti uzorka prema površini adsorbenta;
• distributivna, ako se razdvajaju tvari na temelju razlika u njihovoj topljivosti u mobilnoj fazi i sorbentu;
• ionska izmjena ako se razdvajanje temelji na razlikama u sposobnosti komponenti za obavljanje ionske izmjene;
• prodiranje, ako se razdvajanje tvari događa zbog razlika u veličini i obliku molekula, kao i naboja.

Također, kromatografske metode analize klasificiraju se prema ovoj metodi u sedimentne, redoks, kompleksne i druge.

Prema eksperimentalnoj tehnici

Prema metodi obrade procesna kromatografija je:

• kolona, ​​u kojoj se odvajanje vrši u kolonama ispunjenim sorbentom.
• planarna, koja se može izvesti na papiru ili na pločama (tankoslojna kromatografija).

Također se na ovaj popis mogu dodati metode kromatografske analize provedene pomoću kapilara. Unutarnji promjer takvih cijevi nije veći od 1 mm. U usporedbi s drugim vrstama kromatografije, to vam omogućuje da povećate brzinu analize i omogući proučavanje skupim plinovima ili sorbentima. Također, mala veličina stupca omogućuje kombiniranje ove studije s masenom spektrometrijom. Međutim, značajan nedostatak kromatografske metode analize ovog tipa je poteškoća uvođenja uzorka u kapilaru.

O kretanju materije

Ova značajka se također naziva metoda kromatografije. Postoje:

• Kromatografija eluata. Najprikladnije za rješavanje analitičkih problema. On se sastoji u činjenici da se smjesa tvari koja se unosi u kontinuirano pokretnu struju eluenta sorbira bolje nego mobilna faza. Prilikom napredovanja eluenta duž stupca sa sorbiranim komponentama počinju se kretati uz sorbent pri različitim brzinama i napuštaju stupac u odvojenim frakcijama (zonama). Prednosti razvojne metode su potpunije odvajanje tvari, kontinuirana regeneracija sorbenta i dobra reproducibilnost parametara retencije.
• Kromatografija pomaka. Sastoji se od činjenice da se u mobilnu fazu unosi podijeljeni uzorak, a zatim propušta propelant, koji ima kapacitet sorpcije više od svih ostalih. Prilikom njegovog kretanja duž kolone, on sisava prethodno sorbirane tvari iz sorbenta kako bi se povećao njihov kapacitet sorpcije.
• Prednja kromatografija. Tijekom ispitivanja, analizirana smjesa se također propušta kroz sloj sorbenta. I tijekom punjenja kolone komponentama, one postupno izlaze kako bi povećale svoju sposobnost sorpcije.

Po svrsi rada

Klasifikacija kromatografskih metoda analize, ovisno o svrsi procesa, je kako slijedi:

• analitička kromatografija - je zasebna metoda, uključujući razdvajanje uzorka na komponente, kao i njihovu kvalitativnu i kvantitativnu analizu;
• preparativna kromatografija se koristi isključivo za odvajanje smjese tvari.

Prednosti metode

Kromatografska analiza ima sljedeće prednosti u odnosu na druge metode odvajanja i istraživanja tvari:

1. S obzirom na činjenicu da ova metoda odvajanja ima dinamičku prirodu, koju karakterizira ponavljanje ponavljanja sorpcije-desorpcije, njegova učinkovitost je značajno viša od učinkovitosti statičke sorpcije ili ekstrakcije.
2. Upotreba različitih tipova interakcija sorbata i sorbenata (fizikalne i kemisorpcije) omogućuje proširenje raspona tvari za selektivno odvajanje.
3. Neke tehnike omogućuju nametanje gravitacijskih, magnetskih i drugih polja na emitirane tvari, što proširuje mogućnosti kromatografije promjenom uvjeta odvajanja komponenti.
4. Ova metoda je hibridna jer kombinira odvajanje i definiciju nekoliko komponenti odjednom.
5. Kromatografija omogućuje rješavanje nekoliko problema istovremeno. Stoga analitičke zadaće uključuju odvajanje, identifikaciju i određivanje tvari, te preparativne - njihovo pročišćavanje, izolaciju i koncentraciju.

Značajke kromatografije

Visokoučinkovita i visoko selektivna preparativna kromatografija neophodna je za odvajanje složenih uzoraka koji sadrže veliki broj pojedinačnih spojeva sa sličnim fizikalno-kemijskim parametrima (ulje, sve vrste lijekova, ekstrakti iz biljaka, biološke tekućine i dr.). Stoga se metode za kromatografsku analizu u širokoj upotrebi za pročišćavanje kemijskih tvari ili izolaciju pojedinačnih spojeva u preparativnoj kemiji. Za ionsku ekstrakciju pogodna je ionsko-izmjenjivačka kromatografija, temeljena na razlikama u sposobnosti iona iz otopine za izmjenu procesa s ionskim izmjenjivačem.

Moderne kromatografske metode omogućuju određivanje plinovitih, tekućih i krutih tvari. Odabir uvjeta za analizu usredotočuje se na prirodu i sastav analiziranog uzorka. Adsorpcija plina i plinsko-tekućinska kromatografija omogućuju istraživanje hlapljivih tvari otpornih na toplinu. Stoga se za analizu plinovitih smjesa i ugljikovodika niskog vrelišta koji nemaju aktivne funkcionalne skupine naširoko koristi kromatografija adsorpcije plina. Plinsko-tekućinska kromatografija važna je u petrokemiji, analizi pesticida i gnojiva, lijekova.

Tekuća kromatografska analiza transformatorskog ulja omogućuje pravovremeno otkrivanje defekata ili prirode i opsega oštećenja transformatora. Njegovo se stanje procjenjuje usporedbom podataka dobivenih analizom s dopuštenim vrijednostima, kao i brzinom promjene sadržaja plina u ulju. Dakle, visoki sadržaj CO i CO ₂ obično signalizira povrede u izolaciji celuloze. No, prisutnost derivata furana upućuje na starenje papirne izolacije. Na taj način kromatografska analiza plinova doprinosi sigurnom i dugotrajnom radu opreme.

Plinska kromatografija

To je jedna od najčešćih vrsta metode, zbog činjenice da su za nju razvijene različite tehnike s punim teoretskim opravdanjem, a postoji i pouzdana i relativno jeftina instrumentacija. Mobilna faza (plin nositelj) su plinovi ili njihove smjese, kao i tvari koje su plinovi pod uvjetima u kojima se vrši analiza. Stacionarna faza su čvrsti sorbenti (metoda adsorpcije plina) ili tekućina na površini inertnog nosača (plin-tekuća metoda).

Za plinsku kromatografiju možete dodatno navesti niz prednosti:

• velika brzina procesa;
• sposobnost analize mikroprobe;
• automatsko bilježenje rezultata uz dostupnost odgovarajuće opreme;
• mogućnost izolacije komponenti ne samo u laboratoriju, već iu industrijskim razmjerima.

Papirna kromatografija

Kao stacionarna faza koristi se filtar ili posebni kromatografski papir. Potonji je papirni papir visoke čistoće i sa nekim posebnim svojstvima. Ona apsorbira otapalo pri različitim brzinama kapilarnog dizanja, ovisno o gustoći papira.

Glavna oprema su posebne komore ili posude, pladnjevi postavljeni na policama, pipete, pulverizatori, svjetiljke za kromatograme, mjerni uređaji, te planimetri i denzitometri koji se koriste za kvantitativna određivanja.

Ova metoda je najprikladnija za analizu različitih organskih tvari koje sadrže različite funkcionalne skupine od alkohola do steroida, od amina do indola, od vitamina do antibiotika.

Kromatografija ionske izmjene

Ova metoda se temelji na izmjeni iona između natečenog ionskog izmjenjivača i mobilne faze. Ionsko-izmjenjivačko odvajanje smjese iona karakteriziraju razlike u njihovim nabojima i ionskoj snazi ​​otopine. U volumenu ionskih zrna, proces odvajanja također ovisi o brzini difuzije iona, koja je određena gustoćom ionskog izmjenjivača.

Ionit se bira parametrom koji se zove afinitet, koji je proporcionalan naboj ionu i obrnuto proporcionalan radijusu hidriranog iona. Izbor ionskog izmjenjivača provodi se pomoću tablica s danim karakteristikama tipova proizvedenih ionskih izmjenjivača. Njihove glavne karakteristike su veličina i oblik zrna, kapacitet izmjene, kiselinsko-bazna svojstva, bubrenje, gustoća.

Odvajanje anorganskih tvari provodi se na anorganskim ionskim izmjenjivačima (zeolitima, aluminijevim hidroksidima) ili smolama (stiren s divinilbenzenom). Tako se često koristi kromatografska metoda analize vode za prisutnost različitih iona u njoj, na primjer, za određivanje njegove tvrdoće.

Gel kromatografija

Bit metode je da se analizirana otopina polako filtrira kroz kolone napunjene gelom. Ponekad se naziva gel filtracijom. Pojedine čestice gela sastoje se od linearnih plastičnih molekula tvari s najvećom molekularnom težinom, koje su povezane križnim vezama. Takva mrežasta struktura doprinosi oticanju gela u vodi i pojavi pora različitih promjera u njemu. Veličina pora ovisi o prirodi polimera, temperaturi medija i prirodi otapala.

Razdvajanje se temelji na sposobnosti manjih molekula da prodiru dublje u pore i tamo ostaju duže vrijeme. Stoga u početku kolone napuštaju veće molekule, a zatim one koje su manje.

Ova metoda provodi dvije vrste separacije: skupinu i frakcioniranje. Prvi je karakteriziran odvajanjem smjese komponenti prema njihovoj molekularnoj težini. Za drugi, u smislu brzine i intenziteta difuzije čestica unutar gela. Najčešće korištena gel kromatografija u biokemiji, u organskoj sintezi i kemiji polimera za određivanje molekularnih masa. Kao primjer, moguća je kromatografska analiza proteina i peptida u plazmi. U usporedbi s masenim spektrometrijskim metodama, praćenje protein-peptidne homeostaze u distribuciji proteina i njihovih produkata razgradnje gel kromatografijom je mnogo pristupačnije.