Analytické metody - chromatografie II.

První z technik, které se budeme v tomto textu věnovat je papírová chromatografie. Jak bylo uvedeno v minulém článku, objev papírové chromatografie se připisuje Martinovi  a Syngemu, kteří za svůj objev dostali v roce 1952 Nobelovu cenu. Metoda byla vyvinuta v souvislosti s potřebou analýzy aminokyselin. Díky jednoduchosti se tato technika stala naprosto běžnou v každé laboratoři, i když ji po letech nahradila spíše chromatografie na tenké vrstvě. Jako u každé chromatografické techniky i zde závisí kvalita rozdělení směsi na použitých fázích, tj. mobilní a stacionární. Stacionární fází je v tomto případě chromatografický papír, používá se celulózových filtračních papírů s vysokou čistotou. Kladené podmínky na papír jsou zejména jejich vzlínavost, tj. jakou rychlostí dokáže vzlínat mobilní fáze po papíru směrem nahoru. Volba mobilní fáze pak rovněž určuje kvalitu rozdělení směsi látek. Vzhledem k tomu, že výběr mobilní fáze je poměrně komplexní problém a přesahuje rámec textu, nebudeme se o něm zmiňovat. Papírovou chromatografii lze rozdělit na dvě podskupiny - vzestupnou a sestupnou. Podle názvu si každý jistě dokáže představit, že se liší tím, jestli se mobilní fáze přivádí zespodu chromatografického papíru a vzlíná vzhůru anebo je mobilní fáze přiváděna na vrchní část papíru a tím tak "stéká" dolů. Jak bylo uvedeno v úvodu, technika je velmi jednoduchá a postačí k ní např. obyčejná kádinka a hodinové sklíčko (nebo alobal), filtrační papír, vhodná mobilní fáze a analyzovaná směs látek. V předmětu Laboratoř z obecné a anorganické chemie II, který se vyučuje na fakultě chemicko-technologické Univerzity Pardubice, je jedna úloha věnována právě papírové chromatografii. V úloze se analyzuje přítomnost iontů jako je Fe³⁺, Cr³⁺, Cu²⁺, Co²⁺, Cd²⁺ a Ni²⁺. V papírové chromatografii se složky směsi mohou určit na základě tzv. retenčního faktoru. Retenční faktor je poměr vzdáleností, kterou urazí daná látka, a vzdáleností, kterou urazí čistá mobilní fáze. Retenční faktor by měl mít konstantní hodnotu pro jednu a tu samou látku s využitím stejných mobilních a stacionárních fází.

Další z technik, o které se zmíníme, je tenkovrstvá chromatografie. Od papírové chromatografie se liší tím, že stacionární fází je nějaký sorbent, tj. pevná látka, která je ukotvená např. na skleněné destičce. Jako sorbenty se používají často silikagel, alumina, křemičitan hořečnatý nebo polymerní látky jako polyamidy, případně celulóza. Techniku vypracoval a standardizoval E. Stahl kolem roku 1958. Technika bývá často používaná jako kontrola průběhu jiných způsobů dělení látek jako je např. destilace, sloupcová chromatografie nebo rekrystalizace. Pro tenkovrstvou chromatografii platí podobné principy jako pro papírovou chromatografii.

Nejširší uplatnění však nalezly plynová a kapalinová chromatografie. Pro účely tohoto textu budou metody popsány společně. V plynové chromatografii je mobilní fází plyn, stacionární fází může být pevná látka, která je nasypána do kolony případně v nových kapilárních kolonách je nanesena tenká vrstva adsorbentu na stěnách kolony. Mobilní fází mohou být i kapaliny, které tvoří tenký film na povrchu stěn kolony. V kapalinové chromatografii je mobilní fází kapalina, stacionární fáze jsou většinou pevné látky v kolonách, výjimečně se může jednat o kapaliny, které jsou však omezeně mísitelné s analyzovanou směsí látek. Pro plynovou i kapalinovou chromatografii je společné, že se provádějí v přístrojích (chromatografech). Principielně se chromatografy dají rozdělit na několik částí, zdroj nosného média (tj. mobilní fáze), dávkovací zařízení, chromatografická kolona, termostat a analyzátor. Pro obě techniky je společné, že ze zdroje mobilní fáze je přes ventil kontinuálně přiváděna mobilní fáze. Dávkovacím zařízením je přivedena analyzovaná směs látek, která je mobilní fází unášena přes kolonu, kde dojde k dělení podle některého fyzikálně-chemického jevu. Pro účinné rozdělení některých směsí je nutno chromatografickou kolonu zahřívat na určitou teplotu. Toho je docíleno využitím termostatu. Neméně důležitými částmi chromatografů jsou analyzátory. V plynové chromatografii se nejčastěji používají detektory teplotně vodivostní (TCD - z angl. thermal conductivity detector) a plamenový ionizační detektor (FID - z angl. flame ionization detector). V kapalinové chromatografii se častou využívá detektorů, které jsou založeny na využití jiných analytických technik. Mohou být založeny na principu měření indexu lomu, absorpce ultrafialového světla či fluorescence.

Tepelně vodivostní detektor (TCD) je obecně zařízení obsahující odporový drátek, který vyhřívá detektor (komůrku). Nosný plyn, kterým může být helium nebo dusík, tento drátek ochlazuje. Po určité době se v detektoru ustaví určitá rovnovážná teplota. Pokud analyzátorem protéká nosný plyn obsahující některou ze složek analyzované směsi, bude se drátek ochlazovat jinou rychlostí a na jinou teplotu. Je to dáno rozdílnými tepelnými vodivostmi plynů, a proto je kladen důraz na volbu vhodného nosného plynu tak, aby byly tepelné vodivosti nosného plynu a analyzovaných složek směsi pokud možno co nejrozdílnější. Přístroj na tuto změnu v teplotě analyzátoru reaguje tím, že prochází přes odporové vlákno větší proud a tím se více zahřívá. Vzhledem k faktu, že jsou chromatografy spojeny s počítači, software vhodným způsobem tyto změny průtoku elektrického proudu analyzuje a vznikají tak záznamy (chromatogramy), ze kterých lze zjistit množství dané složky. A jelikož jsou v paměti počítače uloženy eluční časy jednotlivých složek směsi, které byly určeny předchozí kalibrací, je možno určit i typ látky, která se do detektoru dostala. Tento typ detektoru lze použít například k analýzám směsí plynů jako je kyslík, oxidy uhličitý a uhelnatý apod.

U plamenového ionizačního detektoru (FID) je princip detekce následující. V detektoru dochází k ionizaci plynu v plameni. Plamen bývá většinou vodíkový. Ionizace plynů je proces, kdy dojde k vytržení elektronu ze sloučeniny, ze které se stane kladně nabitý iont. Směs nosného plynu, elektronů a kladných iontů prochází mezi dvěma elektrodami. Kladně nabité ionty migrují směrem ke katodě, elektrony jsou přitahovány k anodě. Tím vzniká elektrický proud, který je úměrný množství analyzované složky směsi, respektive množství iontů vzniklých ionizací. Elektrický proud je registrován a opět vhodným softwarem zpracován do chromatogramu, ze kterého lze následně určit typ látky i její množství. Tento typ detektoru je vhodný zejména pro organické látky.

Detektory pro kapalinovou chromatografii využívají principielně některou jinou analytickou metodu k určení typu a množství látky. Obecně je však na detektor kladeno několik požadavků. Detektor nesmí zadržovat analyzovanou látku aby tak mohl rychle reagovat na změny koncentrace jednotlivých složek směsí. Vzhledem k faktu, že v budoucnu budou vydány články, ve kterých se budeme těmto analytickým technikám věnovat detailněji, nebudou principy těchto detektorů popsány zde.

V tomto a předešlém článku, které byly věnovány chromatografickým technikám jsme se pokusili představit tyto analytické techniky jako nepostradatelné pro většinu chemických laboratoří. Sloupcová chromatografie nachází uplatnění zejména jako separační technika na niž navazuje papírová nebo tenkovrstvá chromatografie, kdy se určuje kvalita rozdělení složek na sloupci adsorbentu. Gelová chromatografie se uplatňuje v oborech studia polymerů, kdy lze určit stupně polymerizace. Plynová a kapalinová chromatografie pak mohou být důležitými technikami pro určení reakčních složek nebo určování kinetiky reakce.

Použitá literatura:
Mikeš, O. a kolektiv,Laboratorní chromatografické metody, SNTL, Praha 1980, 674 s.
Váňa, J.,Analyzátory plynů a kapalin, SNTL, Praha 1984, 528 s.

Autor: Martin Kout, MKout@seznam.cz