Separačné metódy

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.

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

Podmienky pre absolvovanie cvičení a seminárov

• a

  Študijný poriadok Univerzity Komenského v Bratislave, Prírodovedeckej fakulty Článok 4, odsek 9

• ak študent príde na cvičenie nepripravený alebo v priebehu cvičenia sa bude chovať neadekvátne, poruší bezpečnosť pri práci a ohrozí tým svoje zdravie alebo zdravie svojich kolegov, vyučujúci ho môže vylúčiť z cvičenia bez nároku na náhradné odcvičenie úlohy
• študent musí absolvovať všetky laboratórne cvičenia,
• absolvovanie laboratórnych cvičení v sebe zahŕňa nasledujúce: prípravu na cvičenia, vykonanie experimentálnej časti cvičenia a odovzdanie protokolu z každého cvičenia,
• 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
• 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
• 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)
• študent je povinný nahlásiť ešte pred absolvovaním cvičenia každú skutočnosť, ktorá by mohla ohroziť bezpečnosť a zdravie ľudí v laboratóriu alebo spôsobiť materiálne škody 
• 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.

14. Paul Haddad,  Maryam Taraji a Roman Szücs; Prediction of Analyte Retention Time in Liquid Chromatography; Analytical ChemistryVolume 93, Issue 1, Pages 228 – 256; https://doi.org/10.1021/acs.analchem.0c04190