Існує багато різних методів аналізу складу і вивчення властивостей різних сполук і сумішей речовин. Одним з таких методів є хроматографія. Авторство на винахід та застосування методу належить російській ботаніку М. С. Кольором, який на початку XX століття здійснив поділ рослинних пігментів.
Визначення й основи методу
Хроматографія – це фізико-хімічний метод розділення сумішей і визначення їх компонентів, заснований на розподілі між рухомою і нерухомою фазами речовин, що входять до складу суміші (проби). Нерухома фаза являє собою пористе тверда речовина – сорбент. Також це може бути рідинна плівка, нанесена на тверду поверхню. Рухлива фаза – елюенти – повинна переміщатися вздовж нерухомої фази або протікати через неї, фільтруючись при цьому сорбентом.
Сутність хроматографії полягає в тому, що різні компоненти суміші обов’язково характеризуються різними властивостями, такими як молекулярна маса, розчинність, адсорбируемость і так далі. Тому швидкість взаємодії компонентів рухомої фази – сорбатов – з нерухомою неоднакова. Це призводить до різниці в швидкостях руху молекул суміші відносно нерухомої фази, внаслідок чого компоненти розділяються і концентруються у різних зонах сорбенту. Деякі з них залишають сорбент разом з рухомою фазою – це так звані неудерживаемые компоненти.
Особливим гідністю хроматографії є те, що вона дозволяє досить швидко розділяти складні суміші речовин, у тому числі і близьких за властивостями.
Способи класифікації видів хроматографії
Методи, використовувані в аналізі, можна класифікувати за різними критеріями. Основний набір таких критеріїв наступний:
- агрегатний стан нерухомої і рухомої фаз;
- фізико-хімічна природа взаємодії сорбенту і сорбатов;
- спосіб введення елюентів і його переміщення;
- спосіб розміщення нерухомої фази, тобто техніка проведення хроматографії;
- цілі хроматографирования.
Крім того, методи можуть грунтуватися на різній природі сорбційного процесу, на технічних умовах проведення хроматографічного поділу (наприклад, низький або високий тиск).
Розглянемо детальніше перелічені вище основні критерії та пов’язані з ними найбільш широко використовувані види хроматографії.
Агрегатний стан і елюентів сорбенту
За цією ознакою хроматографія підрозділяється на рідинну і газову. Назви методів відображають стан рухомої фази.
Рідинна хроматографія – це метод, який застосовується в процесах розділення сумішей високомолекулярних сполук, в тому числі біологічно важливих. В залежності від агрегатного стану сорбенту вона ділиться на рідинно-рідинну і рідинно-твердофазную.
Газова хроматографія буває наступних видів:
- Газоадсорбционная (газо-твердофазна), в якій використовується твердий сорбент, наприклад вугілля, силікагель, цеоліти або пористі полімери. У ролі елюентів – переносника поділюваної суміші виступає інертний газ (аргон, гелій), азот, вуглекислий газ. Поділ летких компонентів суміші здійснюється завдяки різній мірі їх адсорбції.
- Газо-рідинна. Нерухома фаза в даному випадку складається з плівки рідини, нанесеної на тверду інертну основу. Компоненти проби поділяються відповідно до їх адсорбованості або розчинності.
Метод газової хроматографії широко застосовується для аналізу сумішей органічних сполук (з використанням продуктів їх розпаду або похідних в газоподібній формі).
Взаємодія сорбенту і сорбатов
За цим критерієм виділяють такі види, як:
- Адсорбційна хроматографія, за допомогою якої здійснюється поділ сумішей за рахунок відмінностей в ступені адсорбції речовин нерухомим сорбентом.
- Розподільна. З її допомогою проводять поділ на основі різної розчинності компонентів суміші. Розчинення відбувається або в рухомій і нерухомій фазах (в рідинної хроматографії), або тільки в нерухомій фазі (в газо-рідинної хроматографії).
- Осадова. В основі цього методу хроматографії лежить різна розчинність утворюються опадів поділюваних речовин.
- Эксклюзионная, або гель-хроматографія. Базується на відмінності в розмірах молекул, завдяки чому змінюється їх здатність проникати в пори сорбенту – так званої гелевої матриці.
- Аффинная. Цей специфічний метод, основою якого служить особливий тип біохімічного взаємодії відокремлюваних домішок з лігандом, утворює комплексне з’єднання з інертним носієм в нерухомій фазі. Даний метод ефективний при поділі сумішей білків-ферментів і поширений в біохімії.
- Іонообмінна. В якості фактора поділу проби цей спосіб використовують розходження в здатності компонентів суміші до іонному обміну з нерухомою фазою (іонообмінників). В ході процесу відбувається заміщення іонів нерухомої фази іонами речовин у складі елюентів, при цьому внаслідок різного спорідненості останніх до іонообмінника виникає різниця в швидкості їх переміщення, і таким чином суміш розділяється. Для нерухомої фази найчастіше вживаються іонообмінні смоли – особливі синтетичні полімери.
Іонообмінна хроматографія має два варіанти – аніонний (затримує негативні іони) і катіонний (затримує відповідно позитивні іони). Застосовується даний метод надзвичайно широко: в поділі електролітів, рідкоземельних і трансуранових елементів, очищення води, в аналізі лікарських препаратів.
Відмінність методів по техніці проведення
Існують два основних способи, за допомогою яких проба переміщується відносно нерухомої фази:
- Колоночная хроматографія здійснює процес поділу в особливому пристрої – хроматографічній колонці – трубці, у внутрішній порожнині якій міститься нерухомий сорбент. За способом заповнення колонки поділяються на два типи: насадкові (так звані «набивні») і капілярні, у яких шар твердого сорбенту або рідинна плівка нерухомої фази наноситься на поверхню внутрішньої стінки. Насадкові колонки можуть мати різну форму: пряму, U-образну, спіральну. Капілярні колонки мають спіральну форму.
- Площинна (планарна) хроматографія. В якості носія для нерухомої фази в даному випадку може застосовуватися спеціальний папір або пластина – металева, скляна, пластикова – на яку нанесений тонкий шар сорбенту. Метод хроматографії при цьому іменується відповідно паперовим або тонкошаровим.
На відміну від колоночного методу, де хроматографічні колонки використовуються багаторазово, площинний хроматографії будь-який носій із шаром сорбенту може бути використаний тільки один раз. Процес поділу відбувається при зануренні пластини або аркуша паперу в ємність з элюентом.
Введення та переміщення елюентів
Від цього фактора залежить характер переміщення по шару сорбенту хроматографічних зон, що утворюються при розділенні суміші. Розрізняють наступні методи подачі елюентів:
- Фронтальний. Цей спосіб найбільш простий за технікою виконання. Рухомий фазою є безпосередньо сама проба, безперервно подається в колонку, заповнену сорбентом. При цьому найменш утримуваний компонент, адсорбируемый гірше інших, переміщається вздовж сорбенту швидше за інших. У підсумку тільки цей перший компонент може бути виділений в чистому вигляді, далі йдуть зони, що містять суміші компонентів. Розподіл проби виглядає таким чином: A; A+B; A+B+C і так далі. Фронтальна хроматографія не застосовується тому для розділення сумішей, але вона ефективна в різних процесах очищення, за умови, що виділяється речовина має низьку утримання.
- Насосний метод відрізняється тим, що після введення поділюваної суміші в колонку подається елюенти зі спеціальним витискувачем – речовиною, що характеризується більшою сорбируемостью, ніж будь-який з компонентів суміші. Воно витісняє найбільш утримуваний компонент, той витісняє наступний і так далі. Проба рухається по колонці зі швидкістю насосу і утворює примикають одна до одної зони концентрації. З допомогою цього виду хроматографії можна отримати на виході з колонки кожен компонент індивідуально в рідкому вигляді.
- Элюентный (проявительный) метод є найбільш поширеним. На відміну від витіснювальний методу, елюенти (носій) в даному випадку має меншу сорбируемость, ніж компоненти проби. Він безупинно пропускається через шар сорбенту, промиваючи його. Періодично порціями (імпульсами) в потік елюентів вводиться колективна суміш, після чого знову подається чистий елюенти. При вимиванні (элюировании) відбувається поділ компонентів, причому зони концентрації їх розділені зонами елюентів.
Элюентная хроматографія дає можливість практично повного розділення аналізованої суміші речовин, причому суміш може бути багатокомпонентною. Також перевагами цього методу є ізоляція компонентів один від одного і простота кількісного аналізу суміші. До недоліків можна віднести велику витрату елюентів і низьку концентрацію в ньому компонентів проби після поділу на виході з колонки. Элюентный метод широко застосовується як в газовій, так і в рідинної хроматографії.
Хроматографічні процеси в залежності від цілей
Розходження по цілям хроматографирования дозволяє виділити такі методи, як аналітичний, препаративний і промисловий.
За допомогою аналітичної хроматографії проводиться якісний і кількісний аналіз сумішей. При аналізі компоненти проби при виході з колонки хроматографа надходять на детектор – пристрій, чутливе до зміни концентрації речовини в элюенте. Час, що минув від моменту подачі проби в колонку до максимуму піка концентрації речовини на детекторі, називається часом утримування. За умови сталості температури колонки і швидкості елюентів ця величина постійна для кожної речовини і служить основою для якісного аналізу суміші. Кількісний аналіз проводиться шляхом вимірювання площі окремих піків на хроматограмі. Як правило, в аналітичній хроматографії використовується элюентный метод.
Препаративна хроматографія має метою виділення чистих речовин із суміші. Препаративні колонки мають набагато більший діаметр, ніж аналітичні.
Промислова хроматографія застосовується, по-перше, для одержання великих кількостей чистих речовин, необхідних в тому чи іншому виробництві. По-друге, це важлива частина сучасних систем контролю і регулювання технологічних процесів.
Промисловий хроматограф має шкалу концентрації того чи іншого компонента і забезпечений датчиком, а також системами управління та реєстрації. Надходження проб на такі хроматографи проводиться автоматично з певною періодичністю.
Багатофункціональне обладнання для хроматографії
Сучасні хроматографи являють собою складні високотехнологічні пристрої, здатні до застосування в самих різних областях і з різними цілями. Ці прилади дозволяють аналізувати складні багатокомпонентні суміші. Вони оснащені широким набором детекторів: термокондуктометрическими, оптичними, іонізаційними, мас-спектрометричними і так далі.
Крім того, в сучасній хроматографії використовуються автоматичні системи управління процесом аналізу і обробки хроматограмм. Управління може здійснюватися з комп’ютера або безпосередньо з приладу.
Прикладом такого пристрою є багатофункціональний газовий хроматограф “Кристал 5000”. Він має набір з чотирьох детекторів з можливістю заміни, колоночный термостат, системи електронного регулювання тиску і витрати робочих речовин, а також управління газовими кранами. Для вирішення різноманітних завдань пристрій має можливість установки як насадочных, так і капілярних колонок.
Хроматограф управляється за допомогою повнофункціональної клавіатури і контрольного дисплея або в іншій модифікації) з персонального комп’ютера. Це пристрій нового покоління може ефективно застосовуватися на виробництві та в різних науково-дослідних лабораторіях медичних, криміналістичних, екологічних.
Хроматографія високого тиску
Проведення рідинної колонковою хроматографією характеризується досить великою тривалістю процесу. Для прискорення руху рідкого елюентів застосовують подачу рухомої фази в колонку під тиском. Цей сучасний і досить перспективний спосіб отримав назву методу високоефективної рідинної хроматографії (ВЕРХ).
Насосна система, що входить до складу рідинного хроматографа для ВЕРХ, забезпечує подачу елюентів з постійною швидкістю. Розвивається тиск на вході може досягати 40 Мпа. Комп’ютерне управління дає можливість змінювати склад рухомої фази по заданій програмі (такий метод элюирования називається градієнтним).
ВЕРХ можуть застосовуватися різні методи, засновані на характері взаємодії сорбенту і сорбату: розподільна, адсорбційна, эксклюзионная, іонообмінна хроматографія. Найбільш поширеним різновидом ВЕРХ є обращенно-фазовий метод, заснований на гідрофобному взаємодії полярної (водної) рухомий фази і неполярного сорбенту, наприклад силікагелю.
Метод широко застосовується для поділу, аналізу, контролю якості нелетких, термічно нестійких речовин, які не можуть бути переведені на газове стан. Це агрохімікати, лікарські препарати, компоненти харчових продуктів та інші складні речовини.
Значення хроматографічних досліджень
Різні види хроматографії широко використовуються в самих різних областях:
- неорганічна хімія;
- нафтохімія і гірнича справа;
- біохімія;
- медицина і фармацевтика;
- харчова промисловість;
- екологія;
- криміналістика.
Цей Список неповний, але відображає охоплення галузей, які не можуть обійтися без хроматографічних методів аналізу, розділення і очищення речовин. У всіх областях застосування хроматографії, від наукових лабораторій до промислового виробництва, роль цих методів ще більш зростає по мірі впровадження сучасних технологій обробки інформації, управління і контролю над складними процесами.
