Przyczyny poszukiwania nowych rozwiązań w chromatografii

Od kilkunastu lat chromatografia znalazła się na dobre w „kanonie” metod wykorzystywanych w laboratoriach analitycznych i naukowych. Do najczęściej stosowanych należą chromatografia cieczowa (HPLC) oraz gazowa (GC). Nieustający postęp naukowy prowadzi do powstawania nowych technik lub modyfikacji obecnych. Wiąże się to nierozerwalnie z poszukiwaniem i syntezą materiałów o specyficznych właściwościach, spełniających funkcję faz stacjonarnych. Ich znaczenie jest niebagatelne, gdyż właśnie w kolumnie, na złożu, następuje rozdzielenie składników analizowanych mieszanin. Na przykład opracowanie nowej odmiany chromatografii cieczowej – chromatografii oddziaływań hydrofilowych (HILIC) – pociągnęło za sobą konieczność stworzenia nowych faz stacjonarnych o polarnym charakterze, ponieważ dotychczas stosowane, czyli np. fazy diolowe lub niemodyfikowana krzemionka, nie zapewniają dostatecznej selektywności rozdzielenia.

Poszukiwanie nowych faz stacjonarnych jest jednym z elementów wprowadzania do praktyki laboratoryjnej zasad „zielonej chemii”. W celu ochrony środowiska naturalnego dąży się do ograniczenia lub zaprzestania stosowania rozpuszczalników (szczególnie tych toksycznych) w rutynowych analizach. Pożądaną alternatywą jest stosowanie wody bez dodatku modyfikatorów organicznych, jako faz ruchomych lub innych rozpuszczalników ulegających biodegradacji. Dlatego potrzebne są nowe materiały, zapewniające rozdział chromatograficzny z ww. fazami ruchomymi. Ponadto popularność jednej z faz stacjonarnych – ODS – powoduje, że istniejące rozpuszczalniki, stosowane jako fazy ruchome, są modyfikowane w coraz większym zakresie. Bardzo często używane są dodatki w postaci soli buforujących, kwasów czy środków powierzchniowo czynnych. Korygowana jest także wartość pH do pożądanej. Efektami tego są: skrócenie czasu żywotności kolumny, problemy z odtwarzalnością składu fazy ruchomej, a także powtarzalnością wyników. Fazy stacjonarne o nowych właściwościach mają szansę sprostać tym wyzwaniom. 

Przykłady faz stacjonarnych nowej generacji

Poniżej zostały krótko scharakteryzowane wybrane przykłady materiałów, które zyskują na znaczeniu jako fazy stacjonarne lub są rozpatrywane do tej roli.

Fazy stacjonarne zawierające polarne grupy funkcyjne, wbudowane w łańcuch hydrofobowy

Fazy te charakteryzują się obecnością w swojej strukturze grup hydrofobowych oraz polarnych. Właściwości takich faz stacjonarnych pozwalają na stosowanie ich zarówno w odwróconym układzie faz, jak i chromatografii HILIC. Ich główną zaletą jest równoczesna hydrofobowość i polarność. Integralną częścią jest nośnik (zwykle żel krzemionkowy), na którym zostają przyłączone inne ugrupowania. Przykładem takiego materiału jest faza N,O-dialkilofosforoamidowa. Zawiera ona w swojej budowie łańcuch węglowodorowy – C10 lub C18 (w zależności od warunków syntezy) – oraz grupę fosforanową, wbudowaną w łańcuch i posiadającą właściwości polarne. Ponadto taki materiał zawiera jeszcze grupy aminowe. Są one połączone z grupą fosforanową lub znajdują się w stanie wolnym.

Żel krzemionkowy, modyfikowany grupami imidazoliowymi

Bazą w tej fazie stacjonarnej jest żel krzemionkowy. Na jego powierzchni przyłącza się grupy imidazoliowe, wprowadzone jako odpowiednie bromki i osadzone w tzw. click reaction. Wśród cieczy jonowych to właśnie sole imidiazoliowe zyskały powszechną akceptację, jako modyfikatory, głównie ze względu na ich zadowalającą stabilność. Znalazły one już wcześniej zastosowanie, jako skuteczne środki ekstrakcyjne, zdolne do tworzenia kompleksów z anionami prostymi i złożonymi. Materiał ten może zostać wykorzystany do separacji i oznaczania anionów techniką chromatografii jonowej, np. Cl-, NO2-, NO3-, I- lub SO42-, w próbkach wodnych. Czułość oznaczenia anionu zależy głównie od jego rodzaju.

Asfalteny

Szeroką gamę związków chemicznych, wchodzących w skład surowej ropy naftowej, stanowią asfalteny (z ang. asphaltenes). Znajdują zastosowanie głównie w chromatografii gazowej do oznaczania lotnych związków organicznych. Należą do nich policykliczne węglowodory aromatyczne, wraz z przyłączonymi łańcuchami alifatycznymi. Ponadto, jako związki wyodrębniane z ropy naftowej, w swoich strukturach zawierają takie heteroatomy, jak: siarkę, azot oraz tlen (możliwe jest również występowanie śladowych ilości wybranych metal, np. wanadu). Asfalteny są substancjami polarnymi. Dobrze rozpuszczają się w tetrahydrofuranie, benzenie lub toluenie. Nierozpuszczalne są w n-alkanach, np. n-pentanie, n-heksanie, n-heptanie. Charakteryzują się wysoką stabilnością termiczną, nawet do 380ᵒC. Z racji tego, że asfalteny stanowią mieszaninę związków o różnej budowie, w tym zawierających asymetryczne atomy węgla, potencjalnie mogą zostać wykorzystane do rozdzielania mieszanin związków optycznie czynnych.

CNMS (z ang. Chiral Nematic Mesoporous Silica)

Złoże CNMS, jako chiralna, nematyczna mezoporowata krzemionka, znajduje zastosowanie do analizy substancji optycznie czynnych. Rozwiązanie to jest stosowane na razie tylko w chromatografii gazowej. Do wytworzenia tej fazy niezbędna jest celuloza. CNMS powstają w procesie tworzenia filmu poprzez syntezę nanokrystalicznej celulozy z tetrametoksysilanem. W następnym etapie poddawane są kalcynacji w wysokiej temperaturze. Fazy CNMS charakteryzują się jednolitym rozmiarem porów (w zakresie od 2 do 50 nm), stosunkowo dużą powierzchnią właściwą oraz zadowalającą stabilnością termiczną (nawet do 350ᵒC) i chemiczną.