Laboratoryjne metody analityczne – od podstawowych technik do zaawansowanych analiz

Powiązane wpisy

Spis treści

Wstęp

Analiza laboratoryjna to zestaw technik służących określeniu składu i własności próbek chemicznych. Podstawowe metody analityczne opierają się na prostych reakcjach chemicznych i obserwacjach fizycznych, natomiast najnowocześniejsze techniki wykorzystują zaawansowaną aparaturę i fizyczne zjawiska (np. spektroskopia rezonansowa czy spektrometria mas). W laboratoriach stosuje się metody od klasycznych miareczkowań i analiz grawimetrycznych, przez spektroskopię UV-VIS i chromatografię, aż po nowoczesne systemy hybrydowe (np. GC-MS, LC-MS) oraz techniki wysokiej rozdzielczości (NMR, XRD). Ciekawe jest to, że wiele metod ma ponadstuletnią historię – przykładowo w 1909 roku duński chemik S. Sørensen zaproponował skalę pH jako miarę kwasowości, a w 1935 r. Karl Fischer opracował miareczkowanie do oznaczania śladowej zawartości wody. W tym artykule przedstawimy laboratoryjne metody analityczne idąc od najprostszych ku coraz bardziej zaawansowanym.

Klasyczne metody analityczne

Klasyczne metody bazują na prostych pomiarach chemicznych i wagowych. Do podstawowych technik należą m.in. miareczkowanie i analiza grawimetryczna:

  • Miareczkowanie chemiczne (titracja) – do próbki dodaje się roztwór odczynnika titrującego (np. kwas lub zasada) aż do osiągnięcia punktu końcowego, sygnalizowanego zmianą barwy wskaźnika lub pomiarem pH. Dzięki temu można precyzyjnie obliczyć ilość oznaczanej substancji. Przykłady zastosowań to oznaczanie twardości wody czy zawartości kwasów. Jak już wcześniej wspomniano, w 1909 roku to właśnie Sørensen wprowadził wygodne wyrażanie kwasowości w postaci skali pH, co znacząco ułatwiło miareczkowania i pomiary kwasowo-zasadowe.
Na zdjęciu widać proces miareczkowania w laboratorium
  • Analiza grawimetryczna – badany składnik przeprowadza się w trudnorozpuszczalny osad (np. siarczan baru do określenia siarczanów). Następnie osad wysusza się do stałej masy i waży. Znając masę osadu oraz jego wzór, obliczamy zawartość pierwiastka lub związku w próbce. Metoda grawimetryczna jest bardzo dokładna, ale czasochłonna.
  • Proste metody wskaźnikowe i elektrochemiczne – do klasycznych metod zalicza się także proste testy barwne oraz pomiar pH elektrodą szklaną czy jonoselektywną. Choć niewymagające zaawansowanej aparatury, pozwalają szybko sprawdzić np. odczyn pH, zawartość wody (test z odczynnikiem), czy obecność określonych jonów.

Chromatografia i inne techniki separacyjne

Chromatografia to zbiór metod rozdzielania składników mieszaniny chemicznej na fazie stacjonarnej (np. stałej) i ruchomej (gaz lub ciecz). Dzięki nim możliwa jest analiza nawet bardzo złożonych próbek. Do najważniejszych technik chromatograficznych należą:

  • Chromatografia cienkowarstwowa (TLC) – szybka, ekonomiczna metoda separacji, w której próbkę nanosi się na cienką warstwę adsorbentu (np. krzemionki) na płytce. Pod wpływem rozpuszczalnika składniki próbki rozdzielają się na płytce, co pozwala je porównać z substancjami wzorcowymi. Stosowana m.in. do wstępnej identyfikacji barwników czy monitorowania przebiegu syntezy.
Na obrazku przedstawione są przybory do chromatografii TLC
  • Chromatografia gazowa (GC) – służy do analizy związków lotnych. Próbkę waporyzuje się i wprowadza do kapilarnej kolumny napełnionej stacjonarną fazą stałą lub polarną. Dzięki różnym oddziaływaniom chemicznym składniki podróżują kolumną w różnym tempie. Technika ta zyskała popularność w latach 50. XX w. gdzie jej twórcy A.T. James i A.J.P. Martin (laureaci Nagrody Nobla) dokonali pionierskich badań nad chromatografią gazową. Obecnie GC często łączy się ze spektrometrią mas (GC-MS) dla jeszcze lepszej identyfikacji analitów.
Na obrazku widać chromatograf gazowy
  • Chromatografia jonowa (IC) – przeznaczona do oznaczania jonów nieorganicznych (anionów i kationów). Stosuje się specjalne kolumny i detektory (np. konduktometryczne). Typowe zastosowania to analiza wód (np. azotanów, chloru), analiz chemii środowiskowej i kontroli jakości żywności.
Chromatograf jonowy

Poza powyższymi, najważniejszym rozwinięciem chromatografii jest Wysokosprawna Chromatografia Cieczowa (HPLC).
W HPLC próbka jest pompowana pod wysokim ciśnieniem przez kolumnę wypełnioną bardzo drobnym sorbentem. Dzięki temu uzyskuje się bardzo dobrą rozdzielczość związków organicznych (barwników, leków, metabolitów itp.). HPLC umożliwia oznaczanie substancji nawet w śladowych ilościach i złożonych mieszaninach a sprzężenia z detektorami UV, fluorescencyjnym czy masowym (LC-MS) zwiększają dokładność identyfikacji. Współczesne systemy HPLC mają wiele kanałów i monitorują przebieg analizy w czasie rzeczywistym, co czyni je wszechstronnymi narzędziami w laboratorium.

Na obrazku widoczny jest system HPLC

Spektroskopia i inne metody pomiaru promieniowania

Spektroskopia to analiza interakcji promieniowania elektromagnetycznego z materią. Do najpowszechniejszych technik należą:

  • Spektrofotometria UV-Vis – pomiar absorbancji próbki w zakresie ultrafioletu i światła widzialnego. Umożliwia szybkie ilościowe oznaczanie związków barwnych i ogólnie absorbujących światło (np. barwniki, kwasy nukleinowe). Na podstawie prawa Lamberta-Beera stężenie oznaczanej substancji oblicza się z pomiaru absorbancji.
Spektrofotometria uv
  • Spektroskopia IR (w podczerwieni) – badanie absorpcji promieniowania w paśmie podczerwonym. Pozwala identyfikować grupy funkcyjne w cząsteczkach organicznych. Nowoczesne spektrometry FTIR są szybkie i używane do identyfikacji związków oraz jakościowej analizy mieszanek (polimerów, leków, pestycydów itp.).
  • Spektroskopia Ramana i fluorescencyjna – oparte na zjawiskach rozpraszania i emisji światła. Fluorescencja jest bardzo czułą metodą do wykrywania związków śladowych (emitująca próbka daje silny sygnał). Spektroskopia Ramana komplementarnie ujawnia drgania cząsteczek (używana np. do analizy kryształów, grafitu czy materiałów biologicznych).
  • Spektroskopia absorpcyjna atomowa (AAS, AOC) – analizy pierwiastkowe, zwłaszcza metali. W AAS próbkę atomizuje się w płomieniu (lub piecu grafitowym), a następnie mierzy, ile promieniowania charakterystycznego dla danego pierwiastka zostało wchłonięte. Metoda umożliwia oznaczanie metali w śladowych ilościach. Jej pionierem był Alan Walsh (poł. XX w.), a rozwój doprowadził też do powstania technik z emisją atomową (AOC) czy OES (optycznej spektroskopii emisji plazmowej).
Spektroskopia absorpcyjna atomowa
  • Spektrometria mas (MS) – jedna z najczulszych metod analizy. Próbkę jonizuje się, a generowane jony rozdzielane są według stosunku masy do ładunku. Otrzymany „spektrogram” jonów jest unikalny dla konkretnej cząsteczki, co pozwala na jej identyfikację i oznaczenie składu. Pierwotne urządzenie do pomiarów mas stworzył J. J. Thomson już w 1907 r., a F. W. Aston (noblista z 1922 r.) opracował pierwszy praktyczny spektrometr mas. Obecnie spektrometry mas łączy się najczęściej z chromatografią (LC-MS, GC-MS). Dzięki temu można analizować bardzo złożone mieszaniny.

Metody elektroanalityczne

Oparte na reakcjach elektrochemicznych, te techniki mierzą napięcie lub prąd powstający w komórce elektrochemicznej:

  • Potencjometria – pomiar potencjału elektrody względem elektrody odniesienia. Najpopularniejszym przykładem jest pomiar pH elektrodą szklaną. Istnieją także elektrody selektywne dla różnych jonów, które pozwalają oznaczać te jony nawet w obecności innych substancji.
Na obrazku widać proces potencjometrii
  • Amperometria i woltamperometria – pomiar natężenia prądu przy kontrolowanym potencjale. W amperometrii stosuje się stałe napięcie i rejestruje prąd związany z utlenianiem/redukcją analitu, co daje możliwość analizy gazów lub substancji śladowych (dwutlenku azotu, siarczków). Woltamperometria / polarografia polega na pomiarze prądu w funkcji napięcia (np. w elektrolicie z rtęcią), co pozwala wyróżnić różne składniki próbki.

Techniki hybrydowe i zaawansowane analizy

Współczesna analityka korzysta często z bardzo wyspecjalizowanych technik:

  • Chromatografia sprzężona ze spektrometrią mas (GC-MS, LC-MS) – łączy najpierw rozdział próbki (chromatografia), a następnie identyfikację i oznaczenie masowe każdego składowego. Takie połączenia znajdują zastosowanie w toksykologii, kryminalistyce, farmacji czy monitoringu środowiska, bo pozwalają wykrywać zanieczyszczenia na poziomie ppb i niższym. Technologia GC-MS zaczęła gwałtownie rozwijać się w latach 50. (pierwsze udane połączenie dokonano pod koniec dekady). LC-MS stosuje się z kolei do tzw. termolabilnych i polarnych związków (białka, metabolity, leki biologiczne).
  • Spektroskopia rezonansu magnetycznego (NMR) – daje szczegółowe informacje o strukturze cząsteczek organicznych. Próbkę umieszcza się w silnym polu magnetycznym, a następnie pobudza do oscylacji częstotliwości radiowych; odbierane sygnały zależą od lokalnego otoczenia jąder atomowych. NMR znalazł szerokie zastosowanie w chemii organicznej i medycynie. Eksperyment Blocha i Purcella z 1946 roku umożliwił obserwację NMR w ciałach stałych i cieczach, co doprowadziło do komercyjnych spektrometrów NMR na całym świecie.
Spektroskopia rezonansu magnetycznego nmr
  • Dyfrakcja rentgenowska (XRD) – technika rozdzielcza dla materiałów krystalicznych. Na podstawie kątów dyfrakcji promieni X padających na kryształy można wyznaczyć strukturę sieci krystalicznej i zidentyfikować minerały, polimorfy leków czy materiały inżynierskie.
Na obrazku widać urządzenie do wykonywania dyfrakcji rentgenowskiej XRD
  • Spektroskopia rentgenowska (XRF, XPS) – metody pierwiastkowe. XRF (fluorescencja rentgenowska) pozwala oznaczać pierwiastki (od lekkich do ciężkich) w próbce bez jej niszczenia, co jest wykorzystywane np. w analizie archeologicznej i geologicznej. XPS (fotoelektronowa) umożliwia badanie składu chemicznego powierzchni materiałów.
  • Techniki biochemiczne – w laboratoriach biologicznych i medycznych stosuje się m.in. PCR (reakcja łańcuchowa polimerazy) do amplifikacji i detekcji DNA/RNA oraz testy immunochemiczne, takie jak ELISA, do wykrywania białek i antygenów. Te metody analityczne potrafią oznaczać biomolekuły w bardzo niskich stężeniach, co ma kluczowe znaczenie dla diagnostyki medycznej czy biotechnologii.

Podsumowanie

W laboratoriach analitycznych zwykle łączy się różne metody, aby uzyskać pełen obraz badanej próby. Podczas gdy podstawowe techniki (miareczkowanie, grawimetria) nadal służą prostej kontroli jakości i nauczaniu, zaawansowane aparaty (spektrometry mas, NMR, chromatografy wysokociśnieniowe) są stosowane tam, gdzie potrzebna jest wysoka czułość lub szczegółowa identyfikacja. Postęp technologiczny stale zwiększa czułość i automatyzację analiz. Obecnie możliwa jest detekcja jednocyfrowych ppb („części na miliard”), a nawet ppt („części na bilion”), co zrewolucjonizowało analizy środowiskowe, farmaceutyczne czy kryminalistyczne. Historia metod analitycznych pełna jest ciekawych faktów (np. wczesne eksperymenty Tsvetta nad chromatografią czy rozwój pH Sørensena). Świadczą one o tym, że innowacje naukowe i praktyczne potrzeby przemysłu szły zawsze w parze. Dzięki temu laboratoria dysponują dziś szerokim zestawem narzędzi – od najprostszych po ultranowoczesne, pozwalające badać próby we wszystkich dziedzinach nauki i przemysłu.

Źródła

Spis treści

Masz pytania?

 Skontaktuj się z nami lub zostaw swoje dane, a oddzwonimy do Ciebie

Kontakt

Kontakt

Envelope Phone Map-marker-alt Clock
11

Email

biuro@jorlab.pl

Telefon

+48 731 900 109

Biuro

ul. Mazowiecka 52-68 budynek 8, 87-100 Toruń

Godziny pracy

Pn-Pt 8:00 - 16:00