Możliwości wykorzystania mobilnych urządzeń do analiz chromatograficznych

Mobilne zestawy chromatograficzne pozwalają na uzyskanie wyników w pełni porównywalnych ze stacjonarnymi instrumentami laboratoryjnymi. Są przystosowane do przewożenia w samochodach lub przenoszenia przez jedną osobę.

TITLE: Possibilities of using portable devices for chromatographic analyses

STRESZCZENIE: Przenośne systemy chromatograficzne odgrywają kluczową rolę w różnych gałęziach przemysłu, szczególnie w ochronie środowiska oraz kontroli jakości farmaceutycznej. Elastyczność, kompatybilność oraz możliwość transportu sprawiają, że urządzenia te doskonale sprawdzają się w przypadku konieczności wykonania szybkich analiz terenowych oraz testów mobilnych. W niniejszym artykule przytoczono zagadnienia dotyczące mobilnej chromatografii gazowej, cieczowej, a także wspomniano krótko o chromatografii jonowej. Ponadto zostały zaprezentowane wybrane rozwiązania techniczne oraz aparaturowe umożliwiające wykonanie analizy w czasie rzeczywistym.

SŁOWA KLUCZOWE: chromatografia cieczowa, chromatografia gazowa, farmaceutyki, analiza zanieczyszczeń, analiza on-site

SUMMARY: Portable chromatography plays a key role in a variety of industries, particularly in environmental protection and pharmaceutical quality control. Flexibility, compatibility and transportability make these devices excellent for rapid field analysis and mobile testing. In this article, the issues of gas and liquid portable chromatography are mentioned, and portable ion chromatography is briefly outlined. Moreover, selected technical and equipment solutions for real-time analysis are presented.

KEYWORDS: liquid chromatography, gas chromatography, pharmaceuticals, contaminant analysis, on-site analysis

Współczesna chemia analityczna szuka możliwości wykrywania, identyfikowania oraz ilościowego oznaczania analitów w miejscu pobierania próbek lub bezpośredniego narażenia. Częściowym rozwiązaniem tego zagadnienia jest wprowadzenie przenośnych systemów chromatograficznych, które służą do przeprowadzania badań w czasie rzeczywistym, dostarczając przy tym wysokiej jakości rezultatów.

W wielu obszarach chemii analitycznej można odnieść znaczące korzyści z przeprowadzenia analizy w miejscu narażenia bądź będącego przedmiotem zainteresowania. Mobilne rozwiązania mogą zapewnić skuteczną analizę w terenie, umożliwić szybkie podjęcie decyzji czy ograniczyć problemy będące efektem transportu i długotrwałego przechowywania próbek przed badaniem. Pomimo szeregu zalet urządzenia przenośne nie zawsze mają takie możliwości jak stacjonarne instrumenty w laboratoriach. Zwykle w przypadku analiz terenowych użycie konkretnego przyrządu jest dedykowane dla wybranych rozwiązań. Pojawiają się także problemy z wyższymi granicami wykrywalności i niższą czułością. Nie można bagatelizować również wpływu czynników środowiskowych na wydajność instrumentu [1-3].

Przenośne przyrządy znajdują zastosowanie do wstępnej selekcji materiału laboratoryjnego, analizy próbek w sytuacjach wymagających reakcji awaryjnej oraz do monitorowania rutynowych procesów. Jest to także skuteczne rozwiązanie analityczne, kiedy badane substancje wykazują tendencję do szybkiego rozkładu w czasie [3]. Obszar przeznaczenia tych urządzeń obejmuje głównie kontrolę jakości w produkcji farmaceutycznej, badanie stanu środowiska naturalnego oraz monitorowanie bezpieczeństwa żywności. Z powodzeniem mogą być wykorzystane także do badania materiałów wybuchowych, bojowych środków chemicznych czy wykrywania narkotyków [4, 5].

Przenośne chromatografy gazowe

Mobilne urządzenia do chromatografii gazowej z reguły nie wykazują takiej uniwersalności jak ich laboratoryjne odpowiedniki. Nierzadko dedykowane są do analizy wyłącznie określonej grupy związków chemicznych, np. węglowodorów [3]. W przypadku mobilnych urządzeń do GC, dominują układy sprzężone ze spektrometrami mas (GC-MS). Kompletne systemy chromatograficzne osiągają wagę do kilkudziesięciu kilogramów. Niewielkie rozmiary poszczególnych komponentów pozwalają na zamknięcie całego systemu w walizce transportowej. Przykład takiego urządzenia został zaprezentowany na rys. 1.

Mogą to być pojedyncze instrumenty lub dodatkowo wyposażone np. w systemy automatycznego przygotowywania próbek. Mobilne chromatografy gazowe najczęściej zasilane są bateriami. Te transportowane wyłącznie samochodami mogą czerpać energię również bezpośrednio z pojazdu [2, 4, 6]

Stworzenie mobilnego systemu GC wiąże się z wprowadzeniem szeregu rozwiązań technicznych, charakterystycznych dla zminiaturyzowanych urządzeń i spełniających wymagania szybkiej chromatografii gazowej. Poza kluczowymi elementami wyposażenie obejmuje pompkę do poboru próbek oraz system automatycznego dozowania. W przyrządzie mogą znajdować się jeden lub dwa dozowniki. Gaz nośny dostarczany jest z butli o rozmiarach znacznie mniejszych niż standardowe – około 100 cm³. Jednak jednym z podstawowych zagadnień w przenośnej chromatografii gazowej jest zmniejszenie wymiarów kolumny, z zachowaniem jej podstawowych parametrów pracy, a więc przede wszystkim zadowalającego rozdziału chromatograficznego. Zwykle stosowane są kolumny o długości od 5 do 15 m i od 0,1 do 0,4 mm średnicy wewnętrznej. Zapewnienie właściwych warunków rozdziału chromatograficznego umożliwiają systemy szybkiego ogrzewania. Jedną ze stosowanych technologii jest LTM (ang. low thermal mass). Pozwala osiągnąć szybkość grzania i chłodzenia kolumny wynoszącą nawet 1200°C/min. Skuteczna wydajność takich systemów jest szczególnie ważna podczas oznaczania substancji lotnych, gdy wymagane jest utrzymywanie kolumn kapilarnych w określonej temperaturze, co sprawia, że analiza tych związków jest bardziej problematyczna w terenie. Konwencjonalne ogrzewanie w piecu z łaźnią powietrzną nie jest skuteczne w przenośnych urządzeniach, dlatego wykorzystuje się grzanie bezpośrednie kolumn za pomocą grzejników dostosowanych do kształtu kolumny lub ogrzewanie jej metalowej obudowy [2-4, 6].

Równie kluczowym elementem co kolumna jest detektor. Przenośny układ GC może być wyposażony w różne detektory, m.in.: jonizacji płomieniowej, fotojonizacji, przewodnictwa cieplnego lub wychwytu elektronów. Najczęściej wybieranym rozwiązaniem jest sprzężenie ze spektrometrem mas. Taki układ charakteryzuje się szeregiem zalet. Zapewnia dużą szybkość i skuteczność działania, uniwersalność oraz niezawodność. W urządzeniach dostępnych na rynku jako analizatory mas wykorzystuje się między innymi miniaturowe, toroidalne pułapki jonowe. Dostępne są także zminiaturyzowane filtry kwadrupolowe oraz mobilne przyrządy z cylindryczną pułapką jonową. Kłopotliwą kwestią jest stosowanie systemów próżniowych w MS podczas analiz terenowych. Rozwiązaniem tego zagadnienia jest wyposażenie układu w dwie pompy mogące wytworzyć próżnię 1*10^-3 tora w ciągu dwóch minut, przy przepływie helu przez kolumnę równym 0,5 ml/min. Możliwe jest także zastosowanie pomp chemicznych [2, 3, 7].

Mobilne przyrządy do chromatografii gazowej znajdują zastosowanie głównie w sektorach ochrony środowiska, reagowania kryzysowego oraz produkcji przemysłowej. Dobrze sprawdzają się w przypadku analizy szerokiej gamy związków chemicznych, w tym lotnych związków organicznych, gazów odlotowych oraz czynników szkodliwych na stanowiskach pracy. Terenowe systemy GC są wykorzystywane także w kryminalistyce lub przez wojsko do oznaczania śladowych ilości narkotyków, materiałów wybuchowych, bojowy ch środków chemicznych i innych [4, 5].

Mobilne systemy chromatografii cieczowej

Na przestrzeni lat liczba dostępnych urządzeń do przenośnej chromatografii cieczowej była stosunkowo niewielka. Zastosowanie pierwotnych systemów było znacząco ograniczone, m.in. ze względu na konieczność stałego dostępu do zasilania oraz sporą niefunkcjonalność – kompletne układy ważyły nawet około 45 kg [8]. Nowsze rozwiązania silnie bazują na procesach miniaturyzacji. Przenośna chromatografia cieczowa okazuje się szczególnie obiecująca w przypadku prostych zadań analitycznych w terenie, ponieważ nie wymaga zapewnienia specyficznych warunków, m.in. wysokiej próżni czy dostarczania gazowej fazy ruchomej [9].

Stworzenie urządzenia, które można transportować poza laboratorium, obliguje do zmodyfikowania szeregu rozwiązań technicznych. Jedną ze składowych jest układ wprowadzania próbek. Jego wysoka wydajność jest kluczowa w celu zagwarantowania precyzyjnej iniekcji niewielkich porcji próbki z jednoczesnym, możliwie minimalnym zakłóceniem przepływu. Funkcjonujące w laboratoriach rozwiązania nie różnią się znacząco od tych stosowanych w przenośnych urządzeniach. Próbki mogą być wstrzykiwane bezpośrednio strzykawką wypełniającą pętle o stałej objętości, np. 5 μl, lub z wykorzystaniem autosamplera [10, 11].

Miniaturyzacja pomp LC odegrała bez wątpienia ważną rolę w przenośnych instrumentach chromatograficznych. Wykorzystywane obecnie na rynku rozwiązania zapewniają prowadzenie oznaczeń w szerokim zakresie natężeń przepływu, w elucji izokratycznej, a także elucji gradientowej, z dużą powtarzalnością. Zwykle dominują układy bazujące na pompach tłokowych (przeważają w nowoczesnych systemach LC), strzykawkowych czy elektrooosmotycznych. System pompujący powinien być lekki, pracować w szerokim zakresie przepływów oraz generować stały przepływ zdolny do elucji gradientowej, o wysokiej powtarzalności. W mobilnych układach zbiorniki rozpuszczalników znajdują się przed pompą lub za nią, a ich położenie ma istotne znaczenie dla powodzenia systemu. W niektórych rozwiązaniach każdy z rozpuszczalników jest dozowany z wykorzystaniem osobnej pompy, za którą umieszczona jest komora mieszania. Istnieją również rozwiązania, w których przepływ fazy ruchomej jest generowany za pomocą ciśnienia gazu wypychającego ciecz ze zbiornika wprost do kolumny [1, 8, 11].

Kluczem do sukcesu mobilnych systemów chromatograficznych było opracowanie alternatyw dla tradycyjnie stosowanych kolumn. Również w tym przypadku ważne jest zmniejszenie jej wymiarów i dostosowanie do warunków rozdziału w terenie. Standardowe kolumny zostały zastąpione mikrokolumnami, a następnie kolumnami kapilarnymi. Ich użycie wymaga znacznie mniejszej ilości stosowanego eluentu. W przenośnych układach wykorzystuje się zarówno kolumny zawierające wypełnienie, jak również monolityczne. Ciekawą perspektywą jest wykorzystanie druku 3D do wytwarzania elementów pomocniczych, służących np. do montowania kolumny w przenośnym aparacie [1, 10, 12].

Mobilne urządzenia LC działają w oparciu o różne metody wykrywania. Ważne jest wybranie detektora o wysokiej czułości, ponieważ pożądany składnik może występować w ilościach śladowych, a wstępne zagęszczenie próbki stanowi wyzwanie. W praktyce dominują detektor absorpcji w nadfiolecie, absorpcji promieniowania podczerwonego oraz detektor wychwytu elektronów. Pierwszy z wymienionych jest najpopularniejszy w urządzeniach przenośnych, głównie ze względu na łatwość miniaturyzacji oraz integracji. W ostatnich latach na znaczeniu zyskuje sprzężenie mobilnego chromatografu cieczowego ze spektrometrem mas. Decydująca jest tutaj wysoka czułość i dokładność tego detektora. W przeciwieństwie do detekcji w nadfiolecie spektrometria mas dostarcza wielu danych ilościowych przy niskich granicach wykrywalności. Jednak zintegrowanie MS z przenośnym LC jest poważnym wyzwaniem ze względu na znacznie zwiększone wymagania techniczne. Na rys. 2 przedstawiono przykład przenośnego zestawu HPLC [10-12].

Mobilne systemy chromatografii cieczowej znajdują zastosowanie w różnych sektorach ochrony środowiska i produkcji przemysłowej. Szczególnie przemysł farmaceutyczny wywiera silny wpływ na poszukiwanie nowych rozwiązań w zakresie przenośnych instrumentów do LC. Niektóre z zastosowań obejmują m.in. badania zanieczyszczenia leków, zawartości metabolitów czy stopnia rozpuszczalności. W wielu przypadkach okazuje się, że przenośna aparatura może być preferowanym lub jedynym sposobem przeprowadzenia separacji LC. Inne zastosowania obejmują: kontrolę jakości żywności i napojów, analizę produktów rolnych, badania z zakresu kryminalistyki, diagnostykę w punkcie opieki czy monitorowanie środowiska [10, 13].

Przenośna chromatografia jonowa

Chromatografia gazowa i cieczowa dominują we współczesnej analizie chemicznej, ale duży wachlarz możliwości dostarcza także chromatografia jonowa. Na rynku dostępne są mobilne systemy do IC, które dobrze sprawdzają się w warunkach terenowych. Rys. 3 przedstawia schemat przykładowego urządzenia.

Również w mobilnych systemach IC miniaturyzacja odgrywa decydującą rolę. Ciekawym rozwiązaniem jest wykorzystanie np. pomp drukowanych za pomocą drukarek 3D. Na rys. 3 został pokazany sześciodrożny zawór wtryskowy. Nie zawsze takie rozwiązanie jest stosowane. W niektórych, znacznie mniejszych układach, wprowadzenie próbki następuje zgodnie z zasadą hydrodynamicznego wstrzyknięcia, znaną z kapilarnej elektroforezy. Mobilne systemy IC wykorzystują kolumny kapilarne. Czasami w urządzenia wbudowane są także moduły termostatujące kolumnę. W przypadku braku takich modułów można zastosować czujniki temperatury umożliwiające korektę dryfu linii bazowej. Detekcja analitów najczęściej odbywa się z wykorzystaniem detektora przewodnościowego. Całe układy osiągają wagę zwykle od kilku do kilkunastu kilogramów. Zasilane bateriami pozwalają na nieprzerwaną, kilkunastogodzinną pracę. Przenośne układy chromatografii jonowej dobrze sprawdzają się w przypadku analizy jonów w próbkach środowiskowych lub kontroli jakości produktów żywnościowych [11, 14-16].

Podsumowanie

Współczesna chemia analityczna mierzy się z wieloma wyzwaniami. Coraz częściej pobieranie próbek oraz ich analiza są możliwe jedynie w miejscach potrzeby wykrycia substancji chemicznych. Jednym z obszarów rozwoju jest wykorzystanie przenośnych urządzeń do pracy w terenie. Obecnie mobilne zestawy chromatograficzne pozwalają na uzyskanie wyników w pełni porównywalnych ze stacjonarnymi instrumentami laboratoryjnymi. Są przystosowane do przewożenia w samochodach lub przenoszenia przez jedną osobę. Obserwuje się szczególnie wysokie zainteresowanie układami, w których skład wchodzi chromatograf gazowy lub cieczowy. Na rynku dostępne są także np. w pełni zautomatyzowane, przenośne systemy chromatografii jonowej. Aby umożliwić ich wykorzystanie w terenie, konieczne jest zmodyfikowanie rozmiarów poszczególnych elementów, a także przystosowanie ich do pracy w warunkach odmiennych do tych laboratoryjnych. Dobrze funkcjonujący przenośny układ chromatograficzny powinien nie tylko dostarczać wartościowych danych analitycznych, ale również wykazywać wysoką wytrzymałość oraz odporność na różnorodne obciążenia podczas pracy – w tym mechaniczne, wstrząsy oraz kurz. Należy pamiętać, że wdrożenie rozwiązań terenowych nie jest łatwym zagadnieniem, ale warto dążyć do ich maksymalnego usprawnienia ze względu na rosnące zainteresowanie tego typu rozwiązaniami.

Piśmiennictwo

1. www.chromatographyonline.com.
2. Budzyńska E., Grabka M., Witkiewicz Z., Puton J., Jasek K.: Mobilne przyrządy GC-MS. „Apar Badaw i Dydakt”, 2017, 2, 245-250.
3. Gałuszka A., Migaszewski Z.M., Namieśnik J.: Moving your laboratories to the field – Advantages and limitations of the use of field portable instruments in environmental sample analysis. „Environ Res”, 2015, 140, 593-603.
4. Witkiewicz Z., Wardencki W.: Portable and Micro Gas Chromatographs. „Anal Chem. An Indian J”, 2018, 19, 1-12.
5. Alonzo M., Clancy L.: Portable testing techniques for the analysis of drug materials. 2022, 1-18.
6. www.envisence.eu.
7. Dziuban J.A., Mróz J., Szczygielska M. et al.: Portable gas chromatograph with integrated components. „Sensors Actuators, A Phys”, 2004, 115, 318-330.
8. Sharma S., Plistil A., Simpson R.S., Liu K., Farnsworth P.B., Stearns S.D., Lee M.L.: Instrumentation for hand-portable liquid chromatography. „J Chromatogr A”, 2014, 1327, 80-89.
9. Chatzimichail S., Rahimi F., Saifuddin A., Surman A.J., Taylor-Robinson S.D., Salehi-Reyhani A.: Hand-portable HPLC with broadband spectral detection enables analysis of complex polycyclic aromatic hydrocarbon mixtures. „Commun Chem”, 2021, 17.
10. Rahimi F., Chatzimichail S., Saifuddin A., Surman A.J., Taylor-Robinson S.D., Salehi-Reyhani A.: A Review of Portable High-Performance Liquid Chromatography: the Future of the Field? Springer Berlin Heidelberg, 2020, Vol. 83.
11. Sharma S., Tolley L.T., Tolley H.D., Plistil A., Stearns S.D., Lee M.L.: Hand-portable liquid chromatographic instrumentation. „J Chromatogr A”, 2015, 1421, 38-47.
12. Lam S.C., Coates L.J., Hemida M., Gupta V., Haddad P.R., Macka M., Paull B.: Miniature and fully portable gradient capillary liquid chromatograph. „Anal Chim. Acta”, 2020, 1101, 199-210.
13. Coates L.J., Lam S.C., Gooley A.A., Haddad P.R., Paull B., Wirth H.J.: Modular, cost-effective, and portable capillary gradient liquid chromatography system for on-site analysis. „J Chromatogr A”, 2020, 1626, 461374.
14. Murray E., Roche P., Briet M., Moore B., Morrin A., Diamond D., Paull B.: Fully automated, low-cost ion chromatography system for in-situ analysis of nitrite and nitrate in natural waters. „Talanta”, 2020, 216, 120955.
15. Elkin K.R.: Portable, fully autonomous, ion chromatography system for on-site analyses. „J Chromatogr A”, 2014, 1352, 38-45.
16. Kiplagat I.K., Kubáň P., Pelcová P., Kubáň V.: Portable, lightweight, low power, ion chromatographic system with open tubular capillary columns. „J Chromatogr A”, 2010, 1217, 5116-5123.

Paulina Sok

Czytaj także: Miareczkowanie potencjometryczne we współczesnej chemii analitycznej