Separačné metódy (N-bCXX-010/16)

Študenti sa oboznámia s informáciami o postavení separačných metód v systéme vedeckého poznávania sveta;ich nevyhnutnej potrebe pri generovaní analytického signálu. Na výučbu separačných metód využívame zjednocujúci prístup založený na koncepcii transportných a distribučných javov, ktoré sa uplatňujú v mnohých moderných separačných metódach. Separačné metódy sú často krát základom metód chemickej analýzy a tiež kvalitatívneho a kvantitatívneho merania charakteristík chemických látok používaných v rôznorodých ľudských  činnostiach a s tým súvisiacou kontrolou, napríklad  v analýze technologických produktov, v bioanalýze, analýze látok v životnom prostredí, v klinickej analýze a diagnostike a podobne. Študent získa informácie o klasifikácii analytických , preparatínnych a priemyselných separačných procesoch a metódach. Súčasťou predmetu sú tiež výpočty z oblasti vedy o separáciách  a riešenie modelových situácií zo spoločenskej praxe, ktoré sú diskutované v tlači a médiách. Teoretické a výpočtové základy sú vyučované v prednáške a na seminároch. Súčasťou predmetu je inštrumentálna experimentálna práca v laboratóriu.

Sylabus prednášok

  1. Charakteristika separačných metód, ich funkcia a význam v analytických, preparatívnych a priemyslových postupoch; separačné metódy založené na rozdieloch vo fázovej distribúcii zložiek; separačné metódy založené na rozdieloch v rýchlosti migrácie zložiek v silovom poli; separačné metódy založené na rozdieloch v rýchlosti migrácie zložiek  polopriepustnými  membránami.
  2. Všeobecné pojmy a  parametre charakterizujúce rozsah separácie, terminológia; distribučný pomer, distribučná konštanta, Nernstov rozdeľovací zákon, chemická rovnováha v separačnom procese. Interakcie v separačných systémoch. Výpočty, termodynamické a kinetické aspekty separačných metód, vzťah pojmov separácia a rozlíšenie.
  3. Jednostupňové separačné metódy, princíp, technika a využitie; zrážacia separácia, delenie látok spoluzrážaním. Sublimácia, lyofilizácia. Elektroprecipitácia, elektrolytické vylučovanie Extrakčná separácia v systéme tuhá látka - kvapalina, kvapalina-kvapalina. extrakcia pri teplote zákalu -micely. Membránová extrakcia. Vysoľovanie. Jednoduchá destilácia. Zónové tavenie.
  4. Viacstupňové separačné metódy a úvod do chromatografických metód. Viacstupňová extrakcia, princíp kontinuálnej extrakcie. Viacstupňová destilácia. Chromatografické separácie, klasifikácia podľa rôznych kritérií. Teória chromatografického deja, kvalitatívna a kvantitatívna chromatografická analýza – zjednocujúci prístup.
  5. Vysokoúčinná plynová chromatografia (HRGC). Inštrumentácia v GC. Separačné mechanizmy v GC. Optimalizácia separácie v chromatografii. Pokročilé techniky. Reakčná chromatografia, predkolónová derivatizácia, vakantná  GC. GC-MS. Počítačové simulácie a výpočty.
  6. Vysokoúčinná kvapalinová chromatografia (HPLC). Inštrumentácia v HPLC, kolónové vs planárne techniky.Chromatografické systémy v LC (HPLC, TLC). Pokročilé techniky. Počítačové simulácie a výpočty. Separačné mechanizmy v HPLC. Predkolónová a pokolónová derivatizácia (fyzikálna, chemická a biologická). Typické aplikácie chromatografických metód.
  7. Separácia látok využitím silového poľa. Elektroseparačné metódy. Princípy, klasifikácia, parametre charakterizujúce elektroseparáciu. Koncepcia pohyblivosti, separačné mechanizmy, kolónové vs. planárne techniky, technika spájania kolón  a detekcia. Zónová elektroforéza. Separácie v pravom roztoku nosného elektrolytu. Separácie v micelotvorných roztokoch, micelárna elektrokineticka chromatografia (MEKC). Základy, inštrumentácia a praktické využitie počítačovej simulačnej techniky.
  8. Kapilárna izotachoforéza a izoelektrická fokusácia.  Základné princípy ITP, inštrumentácia a počítačová simulačná technika, analytický signál- izotachoforeogram. Základy IEF, inštrumentácia a počítačová simulačná technika, separácia a analýza proteínov.
  9. Elektroseparácie na čipoch. Miniaturizácie separačných  kolón a kanálikov. Inštrumentácia pre nové elektroseparačné prístupy. Pokroky a aplikácie čipových elektroseparácií.
  10. Hmotnostná spektrometria ako separačná metóda (MS-MS). Klasifikácia MS metód z pohľadu separácie iónov vo vákuu. Sedimentačná separácia. Centrifugácia. FFF – frakcionácia látok tokom v silovom poli, princíp a aplikácie.
  11. Membránové separácie. Princípy, klasifikácia. Dialýza a elektrodialýza, princíp, inštrumentácia a využitie. Ultrafiltrácia - využitie v analytických postupoch. Permeácia plynov membránami. Validovanie analytických metód so zameraním na separačné metódy.
  12. Riešenie typových problémov z rôznych oblastí spoločenskej a výrobnej praxe a typické využitie separačných metód v analytických postupoch, preparatívnych a priemyslových postupoch (case studies).Využitie separácií vo FIA, SIA a autoanalyzátoroch (klinická diagnostika.
  13. Budúce trendy vo vývoji separačných metód.

 

 

Sylabus seminárov

  1. Úvod. Základné jednotky SI. Veľkosť atómov a molekúl. Látkové množstvo. Vyjadrovanie množstiev a koncentrácií v chémii. Príprava roztokov.
  2. Stechiometria chemických reakcií. Zákon zachovania hmotnosti. Metóda kalibračnej čiary. Metóda prídavku štandardov. Základné výpočty k analytickému postupu.
  3. Výpočty k chemickým rovnováham I. Úvod do titračných stanovení. Princíp neutralizačných titrácií. Výpočty pH. Titrácia polyfunkčných kyselín a zásad. Využitie neutralizačných titrácií.
  4. Výpočty k chemickým rovnováham II. Tvorba zrazenín a zrážacie titrácie. Gravimetrické metódy chemickej analýzy. Vplyv elektrolytov: aktivita resp. koncentrácia.
  5. Výpočty k chemickým rovnováham III. Vznik komplexov a komplexometrické titrácie.
  6. Základné výpočty k rovnovážnej potenciometrii a k elektroanalytickým metódam. Redoxné titračné stanovenia.
  7. Základné výpočty k optickým a spektrálnym metódam.
  8. Základné výpočty k separačným metódam.
  9. Základné výpočty k chromatografickým metódam.
  10. Základy výpočty k elektroforetickým metódam.
  11. Riešenie príkladov z analytickej praxe.
  12. Opakovanie.
  13. Zápočtová písomka (učivo precvičené na seminároch 1 - 12).

Hodnotenie predmetu

Maximálny počet 100 bodov

  1. Prednáška, max. 40 bodov:

    • povinná záverečná písomná skúška zložená z dvoch častí (písomnej a ústnej).

  2. Cvičenie, max. 40 bodov:

    • priebežné vstupné testy z prípravy na cvičenie (písomné podklady a odporúčenia vyučujúceho)
    • aktivita na cvičení
    • odovzdanie protokolov z každého cvičenia v určených termínoch podľa pokynov vyučujúdeho
    • vyhodnotenie protokolov vyučujúcim
    • záverečný test z cvičení.

  3. Seminár, max. 20 bodov:

    • záverečný test zo seminárov (koniec semestra)
    • aktivita a priebežné testy,
    • neúčať na záverečnom teste seminára je študent povinný ohlásiť aspoň 1 deň dopredu (ak je to možné) resp. sa ospravedlniť najviac 5 pracovných dní po písomke (ak tomu nebránia zvláštne dôvody), inak stráca nárok na náhradný termín písania písomky,
    • záverečný test je vytvorený na základe otázok a príkladov.

Celkové hodnotenie predmetu

92 - 100 bodov A
84 - 91 bodov B
76 - 83 bodov C
68 - 75 bodov D
60 - 67 bodov E
0 - 59 bodov FX

Podmienky pre absolvovanie cvičení a seminárov

  • ak študent príde na cvičenie nepripravený (VP UK č.8/2015, Článok 15, odsek 3, písmeno g a Článok 24, odsek 4) alebo v priebehu cvičenia sa bude chovať neadekvátne (VP UK č.8/2015, Článok 15, odsek 3, písmeno h), poruší bezpečnosť pri práci a ohrozí tým svoje zdravie alebo zdravie svojich kolegov (VP UK č.8/2015, Článok 47), vyučujúci ho môže vylúčiť z cvičenia bez nároku na náhradné odcvičenie úlohy
  • študent musí absolvovať všetky laboratórne cvičenia (VP UK č.8/2015, Článok 21, odsek 9),
  • v prípade neúčasti študenta na cvičeniach, musí študent dokladovať dôvod svojej neúčasti, inak mu vyučujúci nemusí uznať zápočet a študent následne nebude pripustený ku skúške (VP UK č.8/2015, Článok 21, odsek 9 a Článok 24, odsek 4),
  • ak študent vymešká cvičenie a vyučujúci uzná jeho dôvody ako opodstatnené, docvičovanie úloh resp. získanie bodov stratených kvôli neúčasti sa bude riešiť individuálne na základe okolností a písomnej dohody medzi študentom a vyučujúcim (VP UK č.8/2015, Článok 21, odsek 9),
  • študenti majú nárok na jeden náhradný termín (spravidla v 13. týždni semestra), počas ktorého si môžu docvičiť vymeškané úlohy (okrem prípadov menovaných v prvom bode) (VP UK č.8/2015, Článok 21, odsek 9).
  • študent je povinný nahlásiť ešte pred absolvovaním cvičenia každú skutočnosť, ktorá by mohla ohroziť bezpečnosť a zdravie ľudí v laboratóriu alebo spôsobiť materiálne škody (VP UK č.8/2015, Článok 15, odsek 3, písmeno b a Článok 47)
  • ak študent vymešká viac ako jeden seminár bez dôveryhodného dokladovania dôvodu neúčasti, vyučujúci mu nemusí uznať zápočet a študent následne nebude pripustený ku skúške,
  • ak niektorý seminár alebo cvičenie odpadnú v dôsledku sviatkov alebo dekanského/rektorského voľna, body získateľné za tieto aktivity sa odpočítajú z maximálneho počtu bodov a percentuálna úspešnosť študenta sa vypočíta pomocou zníženého maximálneho počtu dosiahnuteľných bodov.

Ostatné problémy sa budú riešiť v zmysle Študijného poriadku UK v Bratislave zverejneného na webovej stránke fakulty.

Laboratórne cvičenia

  1. Počítačové simulácie základných separačných procesov v plynovej chromatografii. Simulácia jednotlivých disperzných parametrov. Optimalizácia analýzy plynnej zmesi látok. Van Deemterova rovnica. Kapilárna plynová chromatografia. Kvalitatívna a kvantitatívna analýza. Výpočet jednotlivých separačných parametrov na modelových vzorkách (Separácia zmesi uhľovodíkov). Separácia a stanovenie prchavých organických kontaminantov vo vodách kapilárnou plynovou chromatografiou (Stanovenie BTEX vo vode, headspace koncentrácia, do 5 min).
  2. Počítačové simulácie základných separačných procesov v kvapalinovej chromatografii. Simulácia jednotlivých disperzných parametrov. Optimalizácia kvapalinovochromatografickej analýzy. Van Deemterova rovnica. Gélová chromatografia. Kolónová kvapalinová chromatografia. Kvalitatívna a kvantitatívna analýza. Výpočet jednotlivých separačných parametrov na modelových vzorkách (Separácia fenolov a fenolových kyselín, do 5 min na pokus). Čiastočná validácia kvapalinovo-chromatografických metód. Separácia a stanovenie vybraných liečiv vysoko-účinnou kvapalinovou chromatografiou (Analýza tabliet na obsah paracetamol, guaifenesin, kyselina acetylsalicylová).
  3. Počítačové simulácie základných separačných procesov v kapilárnej elektroforéze. Simulácia jednotlivých disperzných parametrov. Optimalizácia pracovných a separačných parametrov v kapilárnej elektroforéze. Kapilárna elektroforéza. Kvalitatívna a kvantitatívna analýza. Výpočet jednotlivých separačných parametrov v kapilárnej zónovej elektroforéze, izotachoforéze a izoelektrickej fokusácii na modelových vzorkách. Separácia a stanovenie aditív a kontaminantov v potravinách kapilárnou elektroforézou. Odstreďovanie.
  4. Elektroseparácie na čipoch. Základné rozdiely medzi separáciami v makro- a mikro-škále. Analýza telových tekutín čipovou elektroforézou.
  5. Extrakčná separácia v systéme kvapalina-kvapalina, tuhá fáza – kvapalina (SPE), extrakcia využitím micelotvorných systémov. Ultrafiltrácia, dialýza, separácia látok s malými a veľkými molekulami.
  6. Hmotnostná spektrometria ako separačná metóda. FIA mód MS. Experiment, animácia a simulácia.

Študijný materiál a Obsluha prístroja

    Odporúčaná literatúra

    1. J. Garaj a kol.: Analytická chémia, SNTL/Alfa Bratislava 1987.
    2.  D. A. Skoog, F. J. West, F. J. Holler, S. R. Crouch: Analytical Chemistry. An Introduction. Saunders Coll. Publ.2000.
    3.  G. Schwedt:The Essential Guide to Analytical Chemistry, Wiley, New York, 1997.
    4.  P. Klouda, Moderní analytické metody, Nakl. P. Klouda Ostrava, 2.vyd. 2002.
    5. R. Kellner, J-M. Mermet, M. Otto, Analytical Chemistry, John Wiley & Sons Australia, Ltd,  2013.
    6.  J. Lehotay., Separačné metódy v analytickej chémii, STU v Bratislave, 2009.
    7.  E. Plško, Všeobecná analytická chémia, 2 THETA, Český Těšín, 2011.
    8.  J. Sádecká, A. Purdešová, Úprava vzorky v analytickej chémii, Slovenská technická univerzita v Bratislave, 2012.
    9.  J. Labuda a kol., Príručka vybraných pojmov v analytickej chémii, STU v Bratislave, 2012.
    10.  P. Májek (Ed.), e-Analytická chémia, ÚACH FCHPT, STU v Bratislave, 2006.
    11. P. Tarapčík, Elektronická zbierka príkladov a úloh z analytickej chémie, ÚACH FCHPT, STU v Bratislave, 2006.
    12. R. Halko, M. Hutta: Vizualizácia laboratória I (CD-ROM) 1. Vyd., Bratislava OMEGA INFO, 2010.
    13. Cvičenie: návody na www.analytika.sk.