Obstaja veliko različnih metod za analizo sestave in preučevanje lastnosti različnih spojin in mešanic snovi. Ena takih metod je kromatografija. Avtorstvo pri izumu in uporabi metode pripada ruskemu botaniku M. S. Cvetu, ki je v začetku 20. stoletja izvedel ločevanje rastlinskih pigmentov.
Definicija in osnove metode
Kromatografija je fizikalno-kemijska metoda za ločevanje zmesi in določanje njihovih sestavin, ki temelji na porazdelitvi med mobilno in stacionarno fazo snovi, ki sestavljajo zmes (vzorec). Stacionarna faza je porozna trdna snov - sorbent. Lahko je tudi tekoči film, odložen na trdno površino. Mobilna faza - eluent - se mora premikati vzdolž stacionarne faze ali teči skozi njo, pri čemer jo sorbent filtrira.
Bistvo kromatografije je v tem, da so za različne sestavine zmesi nujno značilne različne lastnosti, kot so molekulska masa, topnost, adsorbabilnost itd. Zato je stopnja interakcije komponent mobilne faze - sorbatov - s stacionarnoni isto. To vodi do razlike v hitrostih molekul zmesi glede na stacionarno fazo, zaradi česar se komponente ločijo in koncentrirajo v različnih conah sorbenta. Nekateri med njimi zapustijo sorbent skupaj z mobilno fazo - to so tako imenovane nezadržene komponente.
Posebna prednost kromatografije je, da omogoča hitro ločevanje kompleksnih mešanic snovi, vključno s tistimi s podobnimi lastnostmi.
Metode za razvrščanje vrst kromatografije
Metode, uporabljene v analizi, lahko razvrstimo po različnih kriterijih. Glavni nabor takšnih meril je naslednji:
- agregatno stanje stacionarne in mobilne faze;
- fizikalna in kemična narava interakcije sorbenta in sorbatov;
- kako vnesti eluent in ga premakniti;
- metoda postavitve stacionarne faze, to je tehnika kromatografije;
- kromatografske tarče.
Poleg tega lahko metode temeljijo na različni naravi procesa sorpcije, na tehničnih pogojih kromatografske separacije (na primer nizek ali visok tlak).
Pobližje si oglejmo zgornja glavna merila in z njimi povezane najpogosteje uporabljene vrste kromatografije.
Eluent in sorbentno stanje agregacije
Na tej podlagi se kromatografija deli na tekočo in plinasto. Imena metod odražajo stanje mobilne faze.
Tekočinska kromatografija je uporabljena tehnikav procesih ločevanja mešanic makromolekularnih spojin, vključno z biološko pomembnimi. Glede na agregacijsko stanje sorbenta se deli na tekočo-tekočo in tekočo-trdno fazo.
Plinska kromatografija je naslednjih vrst:
- Adsorpcija plina (plinska trdna faza), ki uporablja trden sorbent, kot so premog, silikagel, zeoliti ali porozni polimeri. Inertni plin (argon, helij), dušik, ogljikov dioksid deluje kot eluent - nosilec zmesi, ki jo je treba ločiti. Ločevanje hlapnih komponent zmesi poteka zaradi različne stopnje njihove adsorpcije.
- Plin-tekočina. Stacionarna faza je v tem primeru sestavljena iz tekočega filma, nanesenega na trdno inertno podlago. Komponente vzorca so ločene glede na njihovo adsorpcijo ali topnost.
Plinska kromatografija se pogosto uporablja za analizo mešanic organskih spojin (z uporabo njihovih razgradnih produktov ali derivatov v plinasti obliki).
Interakcija med sorbentom in sorbati
Po tem kriteriju se razlikujejo takšne vrste:
- Adsorpcijska kromatografija, s katero se zmesi ločujejo zaradi razlik v stopnji adsorpcije snovi z nepremičnim sorbentom.
- Distribucija. Z njeno pomočjo se ločitev izvede na podlagi različne topnosti sestavin zmesi. Raztapljanje poteka bodisi v mobilni in stacionarni fazi (pri tekočinski kromatografiji) bodisi samo v stacionarni fazi (v plinsko-tekočinskikromatografija).
- Sedimentna. Ta metoda kromatografije temelji na različni topnosti nastalih oborin snovi, ki jih je treba ločiti.
- Izključitev ali gelska kromatografija. Temelji na razliki v velikosti molekul, zaradi česar se njihova sposobnost prodiranja v pore sorbenta, tako imenovane gelne matrice, razlikuje.
- Afina. Ta posebna metoda, ki temelji na posebni vrsti biokemične interakcije ločenih nečistoč z ligandom, ki tvori kompleksno spojino z inertnim nosilcem v stacionarni fazi. Ta metoda je učinkovita pri ločevanju mešanic beljakovin in encimov in je pogosta v biokemiji.
- Ionska izmenjava. Kot faktor ločevanja vzorcev ta metoda uporablja razliko v sposobnosti komponent zmesi za ionsko izmenjavo s stacionarno fazo (ionski izmenjevalec). Med postopkom se ioni stacionarne faze nadomestijo z ioni snovi v sestavi eluenta, medtem ko zaradi različne afinitete slednjega do ionskega izmenjevalca nastane razlika v hitrosti njihovega gibanja in s tem mešanica se loči. Za stacionarno fazo se najpogosteje uporabljajo ionske izmenjevalne smole - posebni sintetični polimeri.
Ionsko izmenjevalna kromatografija ima dve možnosti - anionsko (zadržuje negativne ione) in kationsko (zadržuje pozitivne ione). Ta metoda se uporablja izjemno široko: pri ločevanju elektrolitov, redkih zemeljskih in transuranskih elementov, pri čiščenju vode, pri analizi zdravil.
Razlika v tehnikah
Obstajata dva glavna načina, na katera se vzorec premika glede na stacionarno fazo:
- Kolonska kromatografija izvaja postopek ločevanja v posebni napravi - kromatografski koloni - cevi, v notranjo votlino katere je nameščen nepremičen sorbent. Glede na način polnjenja so kolone razdeljene na dve vrsti: pakirane (tako imenovane "pakirane") in kapilarne, v katerih se na površino nanese plast trdnega sorbenta ali tekočega filma nepremične faze. notranjo steno. Pakirani stebri imajo lahko različne oblike: ravne, U-oblike, spiralne. Kapilarni stebri so vijačni.
- Planarna (planarna) kromatografija. V tem primeru se lahko kot nosilec za stacionarno fazo uporabi poseben papir ali plošča (kovinska, steklena ali plastična), na katero se nanese tanek sloj sorbenta. V tem primeru se metoda kromatografije imenuje papirna oziroma tankoplastna kromatografija.
Za razliko od kolonske metode, kjer se kromatografske kolone uporabljajo večkrat, je pri ravninski kromatografiji lahko kateri koli nosilec s plastjo sorbenta uporabljen samo enkrat. Postopek ločevanja se zgodi, ko se plošča ali list papirja potopi v posodo z eluentom.
Uvod in prenos eluenta
Ta faktor določa naravo gibanja kromatografskih con vzdolž sloja sorbenta, ki nastanejo med ločevanjem zmesi. Obstajajo naslednji načini dostave eluenta:
- spredaj. Ta metoda je najpreprostejšatehniko izvedbe. Mobilna faza je neposredno sam vzorec, ki se neprekinjeno dovaja v kolono, napolnjeno s sorbentom. V tem primeru se najmanj zadržana komponenta, adsorbirana slabše od drugih, premika vzdolž sorbenta hitreje kot druge. Posledično je mogoče izolirati samo to prvo komponento v čisti obliki, ki ji sledijo cone, ki vsebujejo mešanice komponent. Vzorčna porazdelitev izgleda takole: A; A+B; A+B+C in tako naprej. Frontalna kromatografija torej ni uporabna za ločevanje zmesi, je pa učinkovita pri različnih postopkih čiščenja, pod pogojem, da ima snov, ki jo je treba izolirati, nizko zadrževanje.
- Metoda izpodrivanja se razlikuje po tem, da se po vnosu zmesi, ki jo je treba ločiti, v kolono dovaja eluent s posebnim izpodrivalcem - snov, za katero je značilna večja sposobnost absorbiranja kot katera koli komponenta zmesi. Izpodrine najbolj zadržano komponento, ki izpodrine naslednjo itd. Vzorec se premika vzdolž kolone s hitrostjo izpodriva in tvori sosednja območja koncentracije. S to vrsto kromatografije lahko vsako komponento pridobimo posamezno v tekoči obliki na izhodu iz kolone.
- Metoda eluenta (razvijanja) je najpogostejša. V nasprotju z metodo izpodrivanja ima eluent (nosilec) v tem primeru nižjo sorpljivost kot komponente vzorca. Neprekinjeno se prehaja skozi plast sorbenta in ga izpira. Občasno se v porcijah (impulzi) mešanica, ki jo je treba ločiti, vnese v tok eluenta, nato pa se ponovno dovaja čisto eluent. Pri izpiranju (eluciji) se komponente ločijo,poleg tega so njihove koncentracijske cone ločene z eluentnimi conami.
Eluentna kromatografija omogoča skoraj popolno ločitev analizirane zmesi snovi, zmes pa je lahko večkomponentna. Prednosti te metode so tudi izolacija komponent drug od drugega in preprostost kvantitativne analize mešanice. Pomanjkljivosti vključujejo veliko porabo eluenta in nizko koncentracijo komponent vzorca v njem po ločevanju na izstopu iz kolone. Metoda eluenta se pogosto uporablja v plinski in tekočinski kromatografiji.
Kromatografski postopki glede na namen
Razlika v ciljih kromatografije omogoča razlikovanje metod, kot so analitske, pripravljalne in industrijske.
Z analizno kromatografijo se izvaja kvalitativno in kvantitativno analizo zmesi. Pri analizi komponent vzorca, ko zapustijo kolono kromatografa, gredo v detektor – napravo, ki je občutljiva na spremembe koncentracije snovi v eluentu. Čas, ki poteče od trenutka, ko se vzorec vnese v kolono do največje največje koncentracije snovi na detektorju, se imenuje retencijski čas. Pod pogojem, da sta temperatura kolone in hitrost eluenta konstantni, je ta vrednost konstantna za vsako snov in služi kot osnova za kvalitativno analizo zmesi. Kvantitativna analiza se izvede z merjenjem površine posameznih vrhov v kromatogramu. Praviloma se pri analizni kromatografiji uporablja metoda eluenta.
Preparativna kromatografija je namenjena izolaciji čistih snovi iz zmesi. Pripravljalni stolpci imajo veliko večjepremer od analitičnega.
Industrijska kromatografija se uporablja, prvič, za pridobivanje velikih količin čistih snovi, potrebnih v določeni proizvodnji. Drugič, je pomemben del sodobnih sistemov nadzora in regulacije tehnoloških procesov.
Industrijski kromatograf ima lestvico koncentracije ene ali druge komponente in je opremljen s senzorjem ter sistemi za nadzor in registracijo. Vzorci so dostavljeni na takšne kromatografe samodejno z določeno frekvenco.
večnamenska kromatografska oprema
Sodobni kromatografi so kompleksne visokotehnološke naprave, ki se lahko uporabljajo na različnih področjih in za različne namene. Te naprave omogočajo analizo kompleksnih večkomponentnih mešanic. Opremljeni so s širokim naborom detektorjev: toplotno konduktometrični, optični, ionizacijski, masni spektrometrični in tako naprej.
Poleg tega sodobna kromatografija uporablja avtomatske krmilne sisteme za analizo in obdelavo kromatogramov. Upravljanje se lahko izvaja iz računalnika ali neposredno iz naprave.
Primer takšne naprave je večnamenski plinski kromatograf "Crystal 5000". Ima nabor štirih zamenljivih detektorjev, termostat v koloni, elektronske sisteme za nadzor tlaka in pretoka ter krmilnike plinskih ventilov. Za reševanje različnih težav ima napravazmožnost namestitve tako nabitih kot kapilarnih kolon.
Kromatograf je krmiljen s polno funkcionalno tipkovnico in kontrolnim zaslonom ali (v drugi modifikaciji) z osebnega računalnika. Ta naprava nove generacije se lahko učinkovito uporablja v proizvodnji in v različnih raziskovalnih laboratorijih: medicinskih, forenzičnih, okoljskih.
visokotlačna kromatografija
Za izvedbo tekočinske kolonske kromatografije je značilno precej dolgo trajanje postopka. Za pospešitev gibanja tekočega eluenta se uporablja dovajanje mobilne faze v kolono pod tlakom. Ta sodobna in zelo obetavna metoda se imenuje metoda visokozmogljive tekočinske kromatografije (HPLC).
Črpalni sistem HPLC tekočega kromatografa dovaja eluent s konstantno hitrostjo. Razvit vstopni tlak lahko doseže 40 MPa. Računalniško krmiljenje omogoča spreminjanje sestave mobilne faze v skladu z danim programom (ta metoda eluiranja se imenuje gradient).
HPLC lahko uporabimo različne metode, ki temeljijo na naravi interakcije sorbenta in sorbata: porazdelitev, adsorpcija, izključitev velikosti, ionsko izmenjevalna kromatografija. Najpogostejša vrsta HPLC je metoda z reverzno fazo, ki temelji na hidrofobni interakciji polarne (vodne) mobilne faze in nepolarnega sorbenta, kot je silikagel.
Metoda se pogosto uporablja za ločevanje, analizo,nadzor kakovosti nehlapnih, toplotno nestabilnih snovi, ki jih ni mogoče pretvoriti v plinasto stanje. To so agrokemikalije, zdravila, sestavine hrane in druge kompleksne snovi.
Pomen študij kromatografije
Različne vrste kromatografije se pogosto uporabljajo na različnih področjih:
- anorganska kemija;
- petrokemikalije in rudarstvo;
- biokemija;
- zdravila in farmacevtski izdelki;
- živilska industrija;
- ekologija;
- kriminologija.
Ta seznam je nepopoln, vendar odraža pokritost panog, ki ne morejo brez kromatografskih metod analize, ločevanja in čiščenja snovi. Na vseh področjih uporabe kromatografije, od znanstvenih laboratorijev do industrijske proizvodnje, se vloga teh metod še povečuje z uvajanjem sodobnih tehnologij za obdelavo informacij, upravljanje in nadzor kompleksnih procesov.
