Yra daug skirtingų metodų, leidžiančių analizuoti įvairių junginių ir medžiagų mišinių sudėtį ir jų savybes. Vienas iš tokių metodų yra chromatografija. Metodo išradimo ir taikymo autorystė priklauso rusų botanikui M. S. Cvet, kuris XX amžiaus pradžioje atliko augalų pigmentų atskyrimą.
Metodo apibrėžimas ir pagrindai
Chromatografija yra fizikinis ir cheminis mišinių atskyrimo ir jų komponentų nustatymo metodas, pagrįstas mišinį (ėminį) sudarančių medžiagų pasiskirstymu tarp judriosios ir stacionarios fazės. Stacionari fazė yra porėta kieta medžiaga – sorbentas. Tai taip pat gali būti skysta plėvelė, nusodinta ant kieto paviršiaus. Judanti fazė – eliuentas – turi judėti stacionaria faze arba tekėti per ją, filtruojama sorbento.
Chromatografijos esmė ta, kad skirtingi mišinio komponentai būtinai pasižymi skirtingomis savybėmis, tokiomis kaip molekulinė masė, tirpumas, adsorbingumas ir pan. Todėl judriosios fazės komponentų – sorbatų – sąveikos su stacionariais greitisnėra tas pats. Tai lemia mišinio molekulių greičių skirtumą, palyginti su stacionaria faze, dėl ko komponentai yra atskiriami ir koncentruojami skirtingose sorbento zonose. Kai kurie iš jų palieka sorbentą kartu su judriąja faze – tai yra vadinamieji nesulaikyti komponentai.
Ypatingas chromatografijos privalumas yra tai, kad ji leidžia greitai atskirti sudėtingus medžiagų mišinius, įskaitant turinčius panašių savybių.
Chromatografijos tipų klasifikavimo metodai
Analizėje naudojami metodai gali būti klasifikuojami pagal įvairius kriterijus. Pagrindinis tokių kriterijų rinkinys yra toks:
- stacionarių ir judrių fazių bendroji būsena;
- fizinis ir cheminis sorbento ir sorbatų sąveikos pobūdis;
- kaip įvesti eliuentą ir jį perkelti;
- stacionarios fazės išdėstymo būdas, ty chromatografijos technika;
- chromatografiniai taikiniai.
Be to, metodai gali būti pagrįsti skirtingu sorbcijos proceso pobūdžiu, techninėmis chromatografinio atskyrimo sąlygomis (pavyzdžiui, žemu arba aukštu slėgiu).
Pažvelkime į aukščiau nurodytus pagrindinius kriterijus ir su jais dažniausiai naudojamas chromatografijos rūšis.
Liuento ir sorbento agregacijos būsena
Šiuo pagrindu chromatografija skirstoma į skystąją ir dujinę. Metodų pavadinimai atspindi judriosios fazės būseną.
Naudojama skysčių chromatografijastambiamolekulinių junginių, tarp jų ir biologiškai svarbių, mišinių atskyrimo procesuose. Priklausomai nuo sorbento agregacijos būsenos, jis skirstomas į skystą-skystį ir skystą-kietą fazę.
Dujų chromatografija yra šių tipų:
- Dujų adsorbcija (dujų kieta fazė), kai naudojamas kietas sorbentas, pvz., anglis, silikagelis, ceolitai arba porėti polimerai. Inertinės dujos (argonas, helis), azotas, anglies dioksidas veikia kaip eliuentas – atskiriamo mišinio nešiklis. Lakiųjų mišinio komponentų atskyrimas atliekamas dėl skirtingo jų adsorbcijos laipsnio.
- Dujos-skystis. Stacionarioji fazė šiuo atveju susideda iš skystos plėvelės, nusodintos ant kieto inertinio pagrindo. Mėginio komponentai atskiriami pagal jų adsorbciją arba tirpumą.
Dujų chromatografija plačiai naudojama organinių junginių mišinių analizei (naudojant jų skilimo produktus arba darinius dujinėje formoje).
Sorbento ir sorbatų sąveika
Pagal šį kriterijų išskiriami tokie tipai:
- Adsorbcinė chromatografija, kurios metu mišiniai atskiriami dėl medžiagų adsorbcijos laipsnio skirtumų nejudančiu sorbentu.
- Platinimas. Su jo pagalba atskyrimas atliekamas pagal skirtingą mišinio komponentų tirpumą. Tirpsta arba judrioje ir nejudančioje fazėje (skysčių chromatografijoje), arba tik nejudančioje fazėje (dujų-skysčiochromatografija).
- Nusėdos. Šis chromatografijos metodas pagrįstas skirtingu atskirtinų medžiagų susidariusių nuosėdų tirpumu.
- Išskyrimas arba gelio chromatografija. Jis pagrįstas molekulių dydžio skirtumu, dėl kurio skiriasi jų gebėjimas prasiskverbti į sorbento, vadinamosios gelio matricos, poras.
- Affine. Šis specifinis metodas, pagrįstas specialia atskirtų priemaišų biochemine sąveika su ligandu, kuris sudaro kompleksinį junginį su inertiniu nešikliu stacionarioje fazėje. Šis metodas yra veiksmingas atskiriant b altymų ir fermentų mišinius ir yra įprastas biochemijoje.
- Jonų mainai. Kaip mėginio atskyrimo koeficientas, taikant šį metodą naudojamas skirtumas tarp mišinio komponentų gebėjimo keistis jonais su stacionaria faze (jonokitu). Proceso metu nejudančios fazės jonai pakeičiami eliuento sudėties medžiagų jonais, o dėl skirtingo pastarųjų afiniteto jonų keitikliui atsiranda jų judėjimo greičio skirtumas, taigi mišinys atskiriamas. Stacionariai fazei dažniausiai naudojamos jonų mainų dervos – specialūs sintetiniai polimerai.
Jonų mainų chromatografija turi dvi parinktis – anijoninę (išlaiko neigiamus jonus) ir katijoninę (atitinkamai išlaiko teigiamus jonus). Šis metodas taikomas itin plačiai: elektrolitų, retųjų žemių ir transurano elementų atskyrimui, vandens valymui, vaistų analizei.
Technikos metodų skirtumas
Yra du pagrindiniai būdai, kuriais mėginys juda nejudančios fazės atžvilgiu:
- Stulpelinė chromatografija atskyrimo procesą atlieka specialiame įrenginyje – chromatografinėje kolonėlėje – vamzdelyje, kurio vidinėje ertmėje dedamas nejudantis sorbentas. Pagal užpildymo būdą kolonėlės skirstomos į du tipus: supakuotas (vadinamąsias „pakuotas“) ir kapiliarines, kurių paviršiuje uždedamas kieto sorbento sluoksnis arba skysta stacionarios fazės plėvelė. vidinė siena. Supakuotos kolonos gali būti įvairių formų: tiesios, U formos, spiralinės. Kapiliarinės kolonos yra sraigtinės.
- Plokštuminė (plokštuminė) chromatografija. Šiuo atveju kaip stacionarios fazės nešiklis gali būti naudojamas specialus popierius arba plokštelė (metalinė, stiklinė ar plastikinė), ant kurios nusodinamas plonas sorbento sluoksnis. Šiuo atveju chromatografijos metodas atitinkamai vadinamas popieriaus arba plonasluoksne chromatografija.
Skirtingai nuo kolonėlės metodo, kai chromatografinės kolonėlės naudojamos pakartotinai, plokštuminėje chromatografijoje bet koks nešiklis su sorbento sluoksniu gali būti naudojamas tik vieną kartą. Atskyrimo procesas vyksta, kai lėkštė arba popieriaus lapas panardinami į indą su eliuentu.
Eluento įvedimas ir perkėlimas
Šis veiksnys lemia chromatografinių zonų judėjimo išilgai sorbento sluoksnio, susidarančių mišinio atskyrimo metu, pobūdį. Yra šie eliuento tiekimo būdai:
- Priekyje. Šis metodas yra pats paprasčiausiasvykdymo technika. Judanti fazė yra tiesiogiai pats mėginys, kuris nuolat tiekiamas į kolonėlę, užpildytą sorbentu. Šiuo atveju mažiausiai išsilaikęs komponentas, adsorbuotas blogiau nei kiti, juda palei sorbentą greičiau nei kiti. Dėl to tik šis pirmasis komponentas gali būti išskirtas gryna forma, o po to - zonos, kuriose yra komponentų mišiniai. Mėginio pasiskirstymas atrodo taip: A; A+B; A+B+C ir pan. Todėl priekinė chromatografija nėra naudinga atskiriant mišinius, tačiau ji yra veiksminga atliekant įvairius gryninimo procesus, jei izoliuojama medžiaga mažai sulaiko.
- Išstūmimo metodas skiriasi tuo, kad patekus į atskirtą mišinį, į kolonėlę tiekiamas eliuentas su specialiu išstūmikliu – medžiaga, kuri pasižymi didesniu sorbumu nei bet kuri iš mišinio komponentų. Jis išstumia labiausiai išlikusį komponentą, kuris išstumia kitą ir pan. Mėginys juda išilgai kolonėlės išstūmimo greičiu ir sudaro gretimas koncentracijos zonas. Naudojant šio tipo chromatografiją, kiekvieną komponentą galima gauti atskirai skystu pavidalu prie kolonėlės išėjimo.
- Eluento (ryškinimo) metodas yra labiausiai paplitęs. Priešingai nei taikant išstūmimo metodą, eliuentas (nešiklis) šiuo atveju turi mažesnį sorbumą nei mėginio komponentai. Jis nuolat praleidžiamas per sorbento sluoksnį, jį nuplaunant. Periodiškai dalimis (impulsais) atskiriamas mišinys įleidžiamas į eliuento srautą, po kurio vėl tiekiamas grynas eliuentas. Išplaunant (eliuuojant), komponentai yra atskiriami,be to, jų koncentracijos zonos yra atskirtos eliuento zonomis.
Liuentų chromatografija leidžia beveik visiškai atskirti analizuojamą medžiagų mišinį, o mišinys gali būti daugiakomponentis. Taip pat šio metodo privalumai yra komponentų išskyrimas vienas nuo kito ir mišinio kiekybinės analizės paprastumas. Trūkumai apima didelį eliuento suvartojimą ir mažą mėginio komponentų koncentraciją jame po atskyrimo prie kolonėlės išėjimo. Eliuento metodas plačiai naudojamas tiek dujų, tiek skysčių chromatografijoje.
Chromatografiniai procesai priklausomai nuo tikslų
Chromatografijos tikslų skirtumai leidžia atskirti tokius metodus kaip analitinis, preparatinis ir pramoninis.
Analitinės chromatografijos būdu atliekama kokybinė ir kiekybinė mišinių analizė. Analizuojant mėginio komponentus, išeidami iš chromatografo kolonėlės, jie patenka į detektorių – prietaisą, jautrų medžiagos koncentracijos pokyčiams eliuente. Laikas, praėjęs nuo mėginio įdėjimo į kolonėlę iki didžiausios medžiagos koncentracijos detektoriuje, vadinamas sulaikymo laiku. Jei kolonėlės temperatūra ir eliuento greitis yra pastovūs, ši vertė yra pastovi kiekvienai medžiagai ir naudojama kaip kokybinės mišinio analizės pagrindas. Kiekybinė analizė atliekama išmatuojant atskirų smailių plotą chromatogramoje. Paprastai analitinėje chromatografijoje naudojamas eliuento metodas.
Parengiamoji chromatografija skirta išskirti grynas medžiagas iš mišinio. Parengiamieji stulpeliai turi daug didesnįskersmuo nei analitinis.
Pramoninė chromatografija naudojama, pirma, norint gauti didelius kiekius grynų medžiagų, reikalingų konkrečiai gamybai. Antra, tai svarbi šiuolaikinių technologinių procesų valdymo ir reguliavimo sistemų dalis.
Pramoninis chromatografas turi vieno ar kito komponento koncentracijos skalę ir yra su jutikliu, taip pat valdymo ir registravimo sistemomis. Mėginiai į tokius chromatografus pristatomi automatiškai tam tikru dažniu.
Daugiafunkcinė chromatografijos įranga
Šiuolaikiniai chromatografai yra sudėtingi aukštųjų technologijų įrenginiai, kuriuos galima naudoti įvairiose srityse ir įvairiais tikslais. Šie prietaisai leidžia analizuoti sudėtingus daugiakomponentinius mišinius. Juose sumontuoti įvairūs detektoriai: šilumos laidumo, optiniai, jonizacijos, masių spektrometriniai ir pan.
Be to, šiuolaikinėje chromatografijoje chromatogramoms analizuoti ir apdoroti naudojamos automatinės valdymo sistemos. Valdymas gali būti atliekamas iš kompiuterio arba tiesiai iš įrenginio.
Tokio įrenginio pavyzdys yra daugiafunkcis dujų chromatografas „Crystal 5000“. Jame yra keturių keičiamų detektorių rinkinys, kolonėlės termostatas, elektroninės slėgio ir srauto valdymo sistemos bei dujų vožtuvų valdikliai. Norėdami išspręsti įvairias problemas, įrenginys turigalimybė montuoti ir supakuotas, ir kapiliarines kolonas.
Chromatografas valdomas naudojant visas funkcijas turinčią klaviatūrą ir valdymo ekraną arba (kita modifikacija) iš asmeninio kompiuterio. Šis naujos kartos įrenginys gali būti efektyviai naudojamas gamyboje ir įvairiose tyrimų laboratorijose: medicinos, teismo medicinos, aplinkosaugos.
Aukšto slėgio chromatografija
Skysčių kolonėlės chromatografijos atlikimui būdinga gana ilga proceso trukmė. Siekiant pagreitinti skysto eliuento judėjimą, naudojama judrioji fazė tiekiama į kolonėlę esant slėgiui. Šis modernus ir daug žadantis metodas vadinamas didelio efektyvumo skysčių chromatografijos (HPLC) metodu.
HPLC skysčių chromatografo siurbimo sistema tiekia eliuentą pastoviu greičiu. Sukurtas įėjimo slėgis gali siekti 40 MPa. Kompiuterinis valdymas leidžia keisti judriosios fazės sudėtį pagal tam tikrą programą (šis eliuavimo būdas vadinamas gradientu).
HPLC gali būti naudojami įvairūs metodai, pagrįsti sorbento ir sorbato sąveikos pobūdžiu: pasiskirstymas, adsorbcija, dydžio išskyrimas, jonų mainų chromatografija. Labiausiai paplitęs HPLC tipas yra atvirkštinės fazės metodas, pagrįstas hidrofobine polinės (vandeninės) judriosios fazės ir nepolinio sorbento, pvz., silikagelio, sąveika.
Šis metodas plačiai naudojamas atskyrimui, analizei,nelakių, termiškai nestabilių medžiagų, kurių negalima paversti į dujinę būseną, kokybės kontrolė. Tai agrocheminės medžiagos, vaistai, maisto komponentai ir kitos sudėtingos medžiagos.
Chromatografijos tyrimų svarba
Įvairiose srityse plačiai naudojamos įvairios chromatografijos rūšys:
- neorganinė chemija;
- naftos chemija ir kasyba;
- biochemija;
- medicina ir farmacija;
- maisto pramonė;
- ekologija;
- kriminologija.
Šis sąrašas yra neišsamus, bet atspindi pramonės šakų, kurios neapsieina be chromatografinių medžiagų analizės, atskyrimo ir gryninimo metodų, aprėptį. Visose chromatografijos taikymo srityse, nuo mokslinių laboratorijų iki pramoninės gamybos, šių metodų vaidmuo dar labiau didėja, nes diegiamos modernios informacijos apdorojimo, valdymo ir sudėtingų procesų valdymo technologijos.
