CC BY
11Методы разделения и концентрирования в аналитической химии
УДК 543.2
Разделение и концентрирование в химическом анализе
Ю. А. Золотое
ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ ЗОЛОТОВ — академик РАН, доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой аналитической химии Химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, заведующий лабораторией Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН (ИОНХ РАН). Область научных интересов: общие вопросы аналитической химии, методы разделения и концентрирования, проточный анализ, гибридные методы химического анализа.
119071 Москва, Ленинский просп., 31, ИОНХ РАН, тел. (095)236-53-27, E-mail [email protected]
Введение
Если не считать попыток алхимиков превратить разные металлы в золото и создать «эликсир жизни», то предыстория химии — это в значительной степени история разложения природных веществ и выделения отдельных компонентов. Целенаправленный синтез начал развиваться со значительным отставанием и вышел на приоритетные позиции лишь в XIX веке, на подъеме органической химии. В классическом качественном химическом анализе, особенно систематическом, разделение веществ последовательным осаждением занимало ключевые позиции. Количественный анализ химическими методами не всегда включал обязательное разделение смесей (титриметрия), но тем не менее и в этом случае рассматриваемые операции играли и играют важную роль. С развитием инструментальных методов анализа операции разделения смесей и концентрирования малых количеств в какой-то мере стали приобретать характер вспомогательных, хотя и очень существенных, а часто и просто необходимых. В ходе становления гибридных методов анализа разделение и концентрирование вошли в состав таких методов как имманентная, неотъемлемая часть. Мы видим это в современной хроматографии (разделение плюс детектирование в одном приборе), капиллярном электрофорезе, в вариантах проточно-инжекционного анализа. Да и в таких методах как масс-спектрометрия или спектрометрия ионных подвижное гей разделение смесей (точнее, ионов соответствующих компонентов смесей) присутствует «внутри» метода. Одним словом, для химического анализа рассматриваемые операции, несомненно, очень важны.
Целям аналитического разделения и концентрирования служат многочисленные методы; в научно-методическом плане они сильно отличаются друг от друга, отличаются и масштабами использования. Их арсенал не исчерпан, постоянно появляются все новые и новые методы или по крайней мере их варианты. Объекты приложения этих методов, точнее, объекты, при анализе которых используют методы разделе-
ния и концентрирования, чрезвычайно разнообразны; проще сказать — это практически любые объекты.
Методы разделения, используемые в аналитической химии, применяют и в лабораторной радиохимии, технические приемы — в основном похожие*. Очевидный пример — экстракция; в сообществе специалистов по этому методу много и аналитиков, и радиохимиков. Почти то же можно сказать о соосаж-дении или ионном обмене. Подтверждением сходства является и то, что многие химики занимаются одновременно «аналитическим» и «радиохимическим» разделением, в частности разработкой методов разделения элементов. Из отечественных химиков — это, например, Б.Ф. Мясоедов, Л.Н. Москвин, Б.Я. Спиваков, В.В. Якшин, Ю.А. Золотов. Академик В.Г. Хлопни, классик-радиохимик, многое сделал и как химик-аналитик.
Однако есть и отличия. Если, как уже говорилось, для аналитической химии разделение и концентрирование нередко выступает в роли важной, но по существу вспомогательной операции, то для радиохимии разделение гораздо чаще является самоцелью, например в варианте очистки радионуклида от других радиоэлементов.
Другое отличие касается состава объекта исследования. Хотя в радиохимии есть области, охватывающие разделение органических веществ (получение меченых соединений, экстракция радионуклидов в виде комплексов с органическими лигандами и др.), в основном радиохимики работают с химическими элементами и неорганическими соединениями. В аналитической же химии разделение органических веществ играет огромную роль.
Есть, пожалуй, еще одно отличие. В былые времена на основе чисто аналитических разделительных операций подчас создавались технологические процес-
* Сопоставление с радиохимическими методами делается в связи с тем, что статья публикуется в выпуске журнала, посвященном методам разделения и концентрирования в аналитической химии и радиохимии.
Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2005, т. Х1ЛХ. М 2
сы (выделение и аффинаж платиновых металлов, исторически первые процессы радиохимического производства и др.), но теперь это бывает редко. Исследование же разделений в лабораторной радиохимии в гораздо большей степени нацелено на промышленное производство, теснее с ним связано.
Для концентрирования микроколичеств обычно используют те же методы, что и для разделения смесей, но не все и не всегда. Так, хроматографию редко применяют для концентрирования, а направленную кристаллизацию и зонную плавку — для разделения смесей. Интерес к тем или иным методам аналитического разделения и концентрирования со временем меняется. В первом приближении пик внимания к самым распространенным методам концентрирования смещался от осаждения (отчасти соосаждения) к ионному обмену и особенно к экстракции, затем к сорбции; при разделении смесей — от осаждения, отчасти
экстракции к хроматографии, причем последняя в настоящее время безраздельно торжествует.
Хроматографичеекие методы
В последние годы наибольший интерес в области хроматографии представляют работы по жидкостной хроматографии (ВЭЖХ), в том числе высокоскоростной, с использованием монолитных колонок, по ми-целлярной электрокинетической хроматографии. Достигнут большой прогресс в создании разнообразных сорбентов, в том числе с размерами частиц до 1 — 3 мкм и сферической формы. Есть примеры разделения многокомпонентных смесей за время порядка нескольких секунд. Жидкостная хроматография в высокоэффективном варианте позволяет разделять оптические изомеры органических соединений.
Так, на кафедре аналитической химии Московского университета им. М.В. Ломоносова разработаны
tR, мин
Рис. 1. Хроматограмма оптических изомеров аминокислот в виде производных с ортоф талевым альдегидом и тиолами, полученная методом ВЭЖХ.
Колонка — Mightysil RP-18 (150x4,6 мм), подвижная фаза — метанол + 0,01 М Na2HPC>4, pH 6,0; градиентное эдюирова-ние, скорость потока 0,5 мл/мин; спектрофотометрическое детектирование при 340 нм.
Пики: I - L-Asp; 2 - D-Asp; 3 - L-Glu; 4 - IM.In: 5 - L-Asn; 6 - D-Asn; 7 - L-Ser; 8 - I. (.In: 9 - D-Ser; 10 - D-Gln; 11 - D-His; 12 - L-Thr; 13 - Gly+L-His; 14 - D-Thr; 15 - D-Arg; 16 - Arg; 17 - ß-Ala; 18 - L-Ala; 19 - L-Tyr+GABA; 20 - D-Ala; 21 - D-Tyr; 22 - L-Met+L-Trp; 23 - L-Val; 24 - L-Phe; 25 - D-Met; 26 - D-Trp; 27 - D-Val; 28 - D-Phe; 29 - L-lle; 30 - L-Ley; 31 - L-Lys; 32 - D-lle; 33 - D-Lys; 34 - D-Leu
приемы разделения энантиомеров аминокислот. Обычно это делается методом обращенно-фазовой ВЭЖХ после предколоночной дериватизации. В работах кафедры для дериватизации аминокислот использован новый хиральный реагент Ы-®-манделил-(8)-цистеин, который обеспечивает более высокое разрешение, чем ранее изученные реагенты; высокая энан-тиоселективность (рис. 1) определяется наличием в структуре реагента дополнительного хирального атома. Предложенный метод разделения и определения аминокислот обладает высокой воспроизводимостью и широким интервалом линейности градуировочного графика, предел детектирования аминокислот флуо-риметрическим детектором составляет 3 • 1СГ4— 4 • 1СГ3 мкг/мл.
В последние годы получило большое распространение сочетание ВЭЖХ с масс-спектрометрическим детектированием. Химическая ионизация при атмосферном давлении или с электрораспылением и другие варианты ионизации позволили анализировать хромато-масс-спектрометрическим методом сложные смеси лабильных соединений с высокой молекулярной массой. Это в значительной степени продвинуло исследования в области молекулярной биологии и биохимии.
Газовая хроматография давно стала массовым методом. Отечественные газовые хроматографы, например серии «Кристалл», отвечают высоким требованиям и производятся большими тиражами. Теперь почти рутинным методом становится даже газовая хромато-масс-спектрометрия. К сожалению, в России почти нет собственного производства хромато-масс-спек-трометров. Один прибор разработан в Конструктор-ско-технологическом институте геофизического и экологического приборостроения (Новосибирск) в основном для решения специальных задач, второй недавно сделан на базе масс-спектрометрического детектора фирмы Finnigan и газового хроматографа «Кри-сталл-5000». На кафедре аналитической химии Химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова разработаны эффективные хромато-масс-спектрометри-ческие методы анализа нефтепродуктов, фармацевтических препаратов, биомедицинских объектов, объектов окружающей среды.
Тонкослойная хроматография теперь существует и в высокоэффективном варианте, она автоматизирована и «объективизирована». В России сложились центры, развивающие метод, разрабатывающие аппаратуру и выпускающие все необходимое для реализации метода (Петербург, Краснодар и др.). Тонкослойная хроматография получила распространение в анализе пищевых, фармацевтических и других объектов, в том числе при исследовании белков.
Из близких к хроматографии методов (но не являющихся хроматографическими) наибольшее значение имеет капиллярный электрофорез и в меньшей степени — разделение в поперечном силовом поле (Field Flow Fractionation, FFF). Капиллярный электрофорез сыграл свою роль при расшифровке генома человека, как и ВЭЖХ. В последнее время его пытаются осуществить в микроварианте — на микрочипах (фирмы Шимадзу, Эджелент). В целом, однако, метод не оправдал возлагавшихся на него надежд, впрочем, явно завышенных.
Разделение в поперечном силовом поле используют относительно редко, хотя как технологический этот метод давно известен. Старатели «моют» золото, применяя именно этот прием: в потоке воды тяжелые золотинки задерживаются на лотке в большей степени, чем песчинки, силовым полем является в этом случае гравитационное поле Земли.
Все большую роль играют мембранные методы, но чаще всего за пределами аналитической химии. Из аналитических приложений следует отметить хрома-томембранный метод, развиваемый в Петербургском университете, или разделение разных форм элементов и частиц в Институте геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН.
Экстракция
Экстракция в системе жидкость—жидкость долгие годы, в 40-х и особенно в 50—60-х годах XX века, была предметом интенсивных исследований. Разработаны многочисленные способы экстракционного выделения и концентрирования химических элементов и органических веществ для последующего определения их самыми разными методами. Большое число созданных методов, например экстракционно-фотометрических, вошло в практику химического анализа. В настоящее время экстракция постепенно уступает место сорбции.
Однако в экстракции есть относительно новые области, которым уделяется немало внимания. Это, например, извлечение сверхкритическими флюидами и ионными жидкостями (ИЖ), экстракция очень малыми объемами органического растворителя, экстракция в проточно-инжекционном анализе, с использованием планетарной центрифуги и др. Кроме того, постоянно появляются новые экстракционные реагенты, например макроцикли-ческие. Перечисленные и другие, новые, направления представляют существенный интерес.
В качестве примера можно привести данные об экстракции ионными жидкостями и сверхкритической экстракции, полученные на кафедре аналитической химии МГУ. Ионные жидкости — высокоэффективные экстракционные растворители, вполне способные заменить традиционные не смешивающиеся с водой разбавители. Уникальная особенность ИЖ — способность к ионообменной экстракции, особенно катионов. Такой метод обычно характеризуется весьма высокой эффективностью. Хотя многие ионизирующиеся органические соединения извлекаются в нейтральной форме, катехол-амины и аминокислоты хорошо извлекаются в виде катионов. Этим обусловлена значительная селективность. Катехоламины можно извлекать из кислых сред в катионной форме на фоне ароматических аминов, для экстракции которых нужны более щелочные среды. Аминокислоты, даже весьма гидрофильный глицин, количественно экстрагируются ионной жидкостью гексафторфосфатом 1-бутил-З-метилимидазолия (в присутствии дициклогексил-18-краун-6) (рис. 2). Возможна количественная реэкстракция щелочными водными растворами. Эта экстракционная система с успехом применена для извлечения аминокислот из нативного раствора микробиологического производства.
Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2005, т. XL IX, M 2
о 2 4 6 8 10 12 pH
Рис. 2. Кривые экстракции аминокислот ионной жидкостью гексафторфосфатом 1-бутил-З-метилимидазолия в присутствии краун-эфира:
♦ — Тгр; Д — Gly; □ — Leu; • — Ala; О— Lys; ◊ — Arg
Разработаны методы прямой сверхкритической флюидной экстракции из воды (и из других матриц), позволяющие в сочетании с газовой хроматографией либо газовой хромато-масс-спектрометрией анализировать весь концентрат, а не малую часть (0,001—0,01) его, как в общепринятых методах.
Сорбционное концентрирование
Методы сорбционного концентрирования органических веществ из водных и органических растворов, разработанные на кафедре аналитической химии МГУ, позволяют анализировать весь концентрат из больших объемов проб. Новые возможности по определению примесей в химической и фармацевтической продукции открываются при использовании метода концентрирования, основанного на хромадистилляции в сочетании с сорбционным концентрированием, обеспечивающим концентрирование примесей из растворов с высококи-пящим растворителем (основным компонентом) и последующий анализ всего концентрата.
Вообще большинство задач концентрирования органических и неорганических веществ и отделения их от сопутствующих компонентов решают сейчас с помощью сорбционных методов. Сорбционное концентрирование технологично, легко сочетается с методами последующего определения компонентов, не требуется сложной аппаратуры. Относительная простота автоматизации самой стадии концентрирования и комбинации концентрирования с последующим определением обеспечила разработку и широкое распространение большого числа проточных автоматизированных методов анализа, включающих сорбционное концентрирование. Созданы новые высокоселективные сорбенты, такие как сорбенты с молекулярными отпечатками, иммуносорбенты, сорбенты с ограниченным доступом.
Наблюдается тенденция миниатюризации сорбционных систем концентрирования. Например микроколичества As(III), Bi, Cd, Со, Cr(III) и еще 9 элементов при анализе вод и биологических объектов концен-
трировали в виде гидрофобных комплексов на стенках фторопластовых капилляров, после чего комплексы десорбировали минимальными объемами органических растворителей (20—50 мкл). Элементы определяли методами ААС [1], ЭТААС [2], ИСП-АЭС [3] и ИСП-МС [4].
В качестве миниатюрных систем концентрирования в проточной сорбционно-хроматографической системе применяли короткие (50—60 см) отрезки капиллярных колонок для газовой хроматографии («¡п-ШЬе 8РМП>>) [5—11], что позволило десорбировать соединения малым количеством (30—40 мкл) растворителя. Разнообразие коммерчески доступных неподвижных фаз, используемых в газовой хроматографии, позволяет выбрать наиболее подходящую фазу для концентрирования тех или иных веществ. Предложенные проточные системы применяли для определения органических загрязнителей и лекарственных веществ в водах различных типов и биологических жидкостях [12].
Использование капиллярных сорбционных систем обеспечило снижение продолжительности анализа, расхода реагентов и растворителей, а также достижение низких пределов обнаружения при анализе минимальных количеств пробы.
Гибридные методы и интенсификация процессов
Следует отметить два направления в распространенных ныне методах «аналитического» разделения — их тесное сочетание с методами определения (гибридные методы) и интенсификация процессов.
Понятие о гибридных методах было сформулировано в середине 70-х [13, 14] годов XX века, когда многие методы такого рода уже существовали. Это категория методов, которые включают разделение (концентрирование) и определение. Число таких методов все время увеличивается, они даже вытесняют «обычные» методы разделения. Это видно и из предыдущего изложения, ведь современные хроматографи-ческие методы или капиллярный электрофорез (или электроинжекционный анализ, о котором не упоминалось) — это гибридные методы.
Что касается интенсификации, то она достигается главным образом путем использования физических полей — тепловых, электрических, микроволновых (МВ), ультразвуковых. В книгах под редакцией X. Кингстона собраны сведения о воздействии микроволнового излучения [15, 16]. МВ-излучение применяли для интенсификации процессов экстракции органических примесей [17, 18] и тяжелых металлов [19], при концентрировании ионов металлов на различных твердых сорбентах [20—22], в процессе десорбции, в частности при проточно-инжекционном концентрировании на силикагеле [23].
Материалы о воздействии ультразвука (УЗ) собраны, например, в книге Ф. Чмиленко [24]. В нашей лаборатории изучено воздействие ультразвукового облучения на скорость хемосорбции никеля на ксеро-гелях (высушенных гелях кремниевой кислоты), содержащих 1-(2-пиридил)-азонафтол и хлорид Ы-це-тилпиридиния, и железа(П) на ксерогелях, модифицированных хромазуролом и тем же цетшширидинием. Показано, что УЗ существенно ускоряет взаимодействие; так, УЗ с плотностью 0,32 Вт/мл ускоряет достижение сорбционного равновесия в 3—4 раза.
Заключение
В ближайшие годы среди основных методов разделения смесей для целей химического анализа, несомненно, останутся хроматография, в меньшей степени капиллярный электрофорез и экстракция; возможно, большее применение найдут мембранные методы. Разумеется, дальнейшее развитие получат методы анализа, «внутри» которых присутствует разделение веществ, т.е. масс-спектрометрия, спектрометрия ионных подвижностей и другие аналогичные методы.
Среди методов концентрирования приоритет на обозримый период сохранится, по-видимому, за сорб-ционными методами. Важную роль играют и будут играть методы анализа, в которых стадия концентрирования присутствует имманентно (инверсионная вольтамперометрия).
ЛИТЕРАТУРА
1. Gaspar A., Sogor С., Posta J. Fresenius J. Anal. Chem., 1999, v. 363, p. 480.
2. Benkhedda K., Infante H.G., Ivanova E., Adams F. J. Anal. Atom. Spectrom., 2000, v. 15, p. 429.
3. Wuilloiid R.G., Salonia J.A., Olsina R.A., Martinez L.D. Spec-trochim. Acta B, 2000, v. 55, p. 671.
4. Van X.-P., Hendry M.J., Kerrish R. Anal. Chem., 2000, v. 72, p. 1879.
5. Eisert R,, Pawliszyn J. Ibid., 1997, v. 69, p. 3140.
6. Eisert R., Pawliszyn J. Crit. Rev. Anal. Chem., 1997, v. 27, p. 103.
7. Lord H.L., Pawliszyn J. LC • GC, 1998, v. 16, p. S41.
8. Kataoka II., Narimatsu S., Lord H.L., Pawliszyn J. Anal. Chem., 1999, v. 71, p. 4237.
9. Kataoka II., Lord II, Pawliszyn J. J. Anal. Toxicol., 2000, v. 24, p. 257.
10. Kataoka H., Lord H.L., Yamamoto S. e. a. J. Microcol. Sep., 2000, v. 12, p. 493.
11. Kataoka H., Pawliszyn J. Chromatographia, 1999, v. 50, p. 532.
12. Kataoka H. Anal. Bioanal. Chem., 2002, v. 373, p. 31.
13. Золотое Ю.А. Ж. аналит. химии, 1977, т. 32, с. 2085—2086.
14. Zolotov Yu.A. The Analyst, 1978, v. 103, p. 56-67.
15. Microwave-enhanced chemistry. Fudamentals, sample preparation and applications. Eds H. M. Kingston, S. J. Haswell. Washington: ACS, 1997, 748 p.
16. Пробоподготовка в микроволновых печах. Теория и практика. Под ред. Г.М. Кингстона, Л.Б. Джесси. М.: Мир, 1991, 334 с.
\l.Sparr Eskilsson С., Bjorrkklund Е. J. of Chromatography А, 2000, v. 902, р. 227-250.
IS. Ahmed F.E. Trends in Analyt. Chem., 2001, v. 20, p. 649— 661.
19. Zhang S., Lu A., Shan X.G., Wang Z., Wang S. Anal. Bioanal. Chem., 2002, v. 374, p. 942-947.
20. Ставнивенко Е.Б., Кубракова И.В., Щербинина Н.И. и др. Ж. аналит. химии, 1995, т. 50, с. 1243—1246.
21. Kubrakova I., Kudinova Т., Formanovsky A., Kuz'min N., Tsysin G., Zolotov Yu. The Analyst, 1994, v. 119, p. 2477-2480.
22. Dmitrienko S.G., Goncharova L.V., Zhigulev A.V., Nosov R.E., Kuz'min N., Zolotov Yu. Analyt. Chim. Acta, 1998, v. 373, p. 131-138.
23. Liu P., Pu Q., Ни /.. Su Z. The Analyst, 2000, v. 125, p. 1205-1209.
24. Чмилежо Ф.А., Бакланов A.H. Ультразвук в аналитической химии. Теория и практика. Днепропетровск: Изд. Днеп-ропетр. ун-та, 2001, 264 с.
