Има много различни методи за анализиране на състава и изследване на свойствата на различни съединения и смеси от вещества. Един такъв метод е хроматографията. Авторството на изобретяването и прилагането на метода принадлежи на руския ботаник М. С. Цвет, който в началото на 20 век извършва отделянето на растителни пигменти.
Определение и основи на метода
Хроматографията е физикохимичен метод за разделяне на смеси и определяне на техните компоненти, базиран на разпределението между подвижната и неподвижната фаза на веществата, които съставляват сместа (пробата). Неподвижната фаза е поресто твърдо вещество - сорбент. Може да бъде и течен филм, отложен върху твърда повърхност. Подвижната фаза - елуентът - трябва да се движи по неподвижната фаза или да тече през нея, като се филтрира от сорбента.
Същността на хроматографията е, че различните компоненти на сместа задължително се характеризират с различни свойства, като молекулно тегло, разтворимост, адсорбируемост и т.н. Следователно скоростта на взаимодействие на компонентите на подвижната фаза - сорбати - с неподвижнатане е същото. Това води до разлика в скоростите на молекулите на сместа спрямо неподвижната фаза, в резултат на което компонентите се разделят и концентрират в различни зони на сорбента. Някои от тях напускат сорбента заедно с подвижната фаза - това са така наречените незадържани компоненти.
Специално предимство на хроматографията е, че ви позволява бързо да разделяте сложни смеси от вещества, включително тези със сходни свойства.
Методи за класифициране на видове хроматография
Методите, използвани в анализа, могат да бъдат класифицирани според различни критерии. Основният набор от такива критерии е както следва:
- агрегатно състояние на стационарни и подвижни фази;
- физическа и химична природа на взаимодействието на сорбента и сорбатите;
- как да въведете елуент и да го преместите;
- метод на поставяне на неподвижната фаза, т.е. хроматографска техника;
- хроматографски цели.
В допълнение, методите могат да се основават на различното естество на процеса на сорбция, на техническите условия на хроматографското разделяне (например ниско или високо налягане).
Нека разгледаме по-отблизо горните основни критерии и най-широко използваните видове хроматография, свързани с тях.
Елуент и сорбентно състояние на агрегатиране
На тази основа хроматографията се разделя на течна и газова. Имената на методите отразяват състоянието на мобилната фаза.
Течната хроматография е използвана техникав процесите на разделяне на смеси от високомолекулни съединения, включително биологично важни. В зависимост от агрегатното състояние на сорбента той се разделя на течно-течна и течно-твърда фаза.
Газовата хроматография е от следните видове:
- Газова адсорбция (газова твърда фаза), която използва твърд сорбент, като въглища, силикагел, зеолити или порести полимери. Като елуент действа инертен газ (аргон, хелий), азот, въглероден диоксид - носител на сместа, която трябва да се отдели. Разделянето на летливите компоненти на сместа се извършва поради различната степен на тяхната адсорбция.
- Газ-течност. Неподвижната фаза в този случай се състои от течен филм, отложен върху твърда инертна основа. Компонентите на пробата се разделят според тяхната адсорбируемост или разтворимост.
Газовата хроматография се използва широко за анализ на смеси от органични съединения (използвайки техните продукти на разлагане или производни в газообразна форма).
Взаимодействие между сорбент и сорбати
Според този критерий се разграничават такива типове като:
- Адсорбционна хроматография, чрез която смесите се разделят поради различия в степента на адсорбция на веществата от неподвижен сорбент.
- Разпределение. С негова помощ се извършва разделяне на базата на различна разтворимост на компонентите на сместа. Разтварянето става или в подвижна и неподвижна фаза (при течна хроматография), или само в неподвижна фаза (в газ-течностхроматография).
- Утаечен. Този хроматографски метод се основава на различната разтворимост на образуваните утайки на веществата, които трябва да се отделят.
- Изключване или гел хроматография. Тя се основава на разликата в размера на молекулите, поради което тяхната способност да проникват в порите на сорбента, така наречената гел матрица, варира.
- Афинно. Този специфичен метод, който се основава на специален вид биохимично взаимодействие на отделени примеси с лиганд, който образува комплексно съединение с инертен носител в неподвижната фаза. Този метод е ефективен при разделяне на смеси от протеин-ензими и е често срещан в биохимията.
- Йонен обмен. Като фактор за разделяне на пробата, този метод използва разликата в способността на компонентите на сместа да обменят йони с неподвижната фаза (йонообменник). По време на процеса йоните на неподвижната фаза се заменят с йони на вещества в състава на елуента, докато поради различния афинитет на последния към йонообменника възниква разлика в скоростта на тяхното движение и по този начин сместа се отделя. За стационарната фаза най-често се използват йонообменни смоли - специални синтетични полимери.
Йонообменната хроматография има две възможности - анионна (задържа отрицателни йони) и катионна (задържа съответно положителни йони). Този метод се използва изключително широко: при разделяне на електролити, редкоземни и трансуранови елементи, при пречистване на вода, при анализ на лекарства.
Разликата в методите на техниката
Има два основни начина, по които пробата се движи спрямо стационарната фаза:
- Колонната хроматография извършва процеса на разделяне в специално устройство - хроматографска колона - тръба, във вътрешната кухина на която е поставен неподвижен сорбент. Според метода на пълнене колоните са разделени на два вида: опаковани (т.нар. "опаковани") и капилярни, при които върху повърхността на вътрешната стена. Опакованите колони могат да имат различни форми: прави, U-образни, спираловидни. Капилярните колони са спирални.
- Планарна (планарна) хроматография. В този случай като носител за неподвижната фаза може да се използва специална хартия или плоча (метална, стъклена или пластмасова), върху която се отлага тънък слой сорбент. В този случай хроматографският метод се нарича съответно хартиена или тънкослойна хроматография.
За разлика от колонния метод, при който хроматографските колони се използват многократно, при планарната хроматография всеки носител със слой от сорбент може да се използва само веднъж. Процесът на разделяне се случва, когато чиния или лист хартия се потапят в контейнер с елуент.
Въведение и трансфер на елуент
Този фактор определя естеството на движението на хроматографските зони по сорбентния слой, които се образуват при отделянето на сместа. Има следните методи за доставка на елуент:
- Отпред. Този метод е най-простияттехника на изпълнение. Подвижната фаза е директно самата проба, която непрекъснато се подава в колоната, пълна със сорбента. В този случай най-малко задържаният компонент, адсорбиран по-лошо от другите, се движи по сорбента по-бързо от останалите. В резултат на това само този първи компонент може да бъде изолиран в чиста форма, последван от зони, съдържащи смеси от компоненти. Извадковото разпределение изглежда така: A; A+B; A+B+C и така нататък. Следователно фронталната хроматография не е полезна за разделяне на смеси, но е ефективна при различни процеси на пречистване, при условие че веществото, което трябва да се изолира, има ниско задържане.
- Методът на изместване се различава по това, че след навлизане в сместа, която трябва да се отдели, в колоната се подава елуент със специален изместител - вещество, характеризиращо се с по-голяма сорбируемост от всеки от компонентите на сместа. Той измества най-задържания компонент, който измества следващия и т.н. Пробата се движи по колоната със скоростта на изместващото устройство и образува съседни зони на концентрация. С този тип хроматография всеки компонент може да бъде получен поотделно в течна форма на изхода на колоната.
- Методът на елуента (проявящият) е най-често срещаният. За разлика от метода на изместване, елуентът (носителят) в този случай има по-ниска сорбируемост от компонентите на пробата. Непрекъснато преминава през слоя на сорбента, като го измива. Периодично, на порции (импулси), сместа за отделяне се въвежда в потока на елуента, след което отново се подава чистият елуент. При промиване (елуиране) компонентите се разделят,освен това техните концентрационни зони са разделени от зони за елуент.
Елуентната хроматография дава възможност за почти пълно разделяне на анализираната смес от вещества, като сместа може да бъде многокомпонентна. Също така предимствата на този метод са изолирането на компонентите един от друг и простотата на количествения анализ на сместа. Недостатъците включват висока консумация на елуент и ниска концентрация на компонентите на пробата в него след разделяне на изхода на колоната. Методът на елуент се използва широко както в газовата, така и в течната хроматография.
Хроматографски процеси в зависимост от целите
Разликата в целите на хроматографията прави възможно разграничаването на методи като аналитични, подготвителни и промишлени.
Посредством аналитична хроматография се извършва качествен и количествен анализ на смесите. При анализиране на компонентите на пробата, когато напускат колоната на хроматографа, те отиват към детектора - устройство, което е чувствително към промени в концентрацията на вещество в елуента. Времето, изминало от момента на въвеждане на пробата в колоната до максималната пикова концентрация на веществото върху детектора, се нарича време на задържане. При условие, че температурата на колоната и скоростта на елуента са постоянни, тази стойност е постоянна за всяко вещество и служи като основа за качествен анализ на сместа. Количественият анализ се извършва чрез измерване на площта на отделните пикове в хроматограмата. По правило методът на елуента се използва в аналитичната хроматография.
Препаративната хроматография има за цел да изолира чисти вещества от смес. Подготвителни колони имат много по-голямдиаметър от аналитичния.
Индустриалната хроматография се използва, първо, за получаване на големи количества чисти вещества, необходими за конкретно производство. Второ, тя е важна част от съвременните системи за управление и регулиране на технологичните процеси.
Индустриалният хроматограф има скала за концентрация на един или друг компонент и е оборудван със сензор, както и системи за управление и регистрация. Пробите се доставят на такива хроматографи автоматично с определена честота.
Многофункционално хроматографско оборудване
Съвременните хроматографи са сложни високотехнологични устройства, които могат да се използват в различни области и за различни цели. Тези устройства позволяват да се анализират сложни многокомпонентни смеси. Снабдени са с широка гама от детектори: термокондуктометрични, оптични, йонизационни, масспектрометрични и др.
В допълнение, съвременната хроматография използва автоматични системи за управление за анализ и обработка на хроматограми. Управлението може да се извърши от компютър или директно от устройството.
Пример за такова устройство е многофункционалният газов хроматограф "Crystal 5000". Той има набор от четири сменяеми детектора, колонен термостат, електронни системи за контрол на налягането и потока и управление на газовите клапани. За решаване на различни проблеми устройството имавъзможност за инсталиране както на опаковани, така и на капилярни колони.
Хроматографът се управлява с помощта на пълнофункционална клавиатура и контролен дисплей или (в друга модификация) от персонален компютър. Това устройство от ново поколение може да се използва ефективно в производството и в различни изследователски лаборатории: медицински, криминалистични, екологични.
Хроматография с високо налягане
Извършването на течна колонна хроматография се характеризира с доста дълга продължителност на процеса. За да се ускори движението на течния елуент, се използва подаването на подвижната фаза към колоната под налягане. Този модерен и много обещаващ метод се нарича високоефективна течна хроматография (HPLC).
Помпената система на HPLC течния хроматограф доставя елуент с постоянна скорост. Разработеното входно налягане може да достигне 40 MPa. Компютърното управление дава възможност за промяна на състава на подвижната фаза според дадена програма (този метод на елуиране се нарича градиент).
HPLC могат да се използват различни методи, базирани на естеството на взаимодействието на сорбента и сорбата: разпределение, адсорбция, изключване на размера, йонообменна хроматография. Най-често срещаният тип HPLC е методът с обърната фаза, базиран на хидрофобното взаимодействие на полярна (водна) подвижна фаза и неполярен сорбент, като силикагел.
Методът е широко използван за разделяне, анализ,контрол на качеството на нелетливи, термично нестабилни вещества, които не могат да бъдат превърнати в газообразно състояние. Това са агрохимикали, лекарства, хранителни компоненти и други сложни вещества.
Значението на хроматографските изследвания
Различните видове хроматография са широко използвани в различни области:
- неорганична химия;
- нефтохимикали и добив;
- биохимия;
- медицина и фармацевтични продукти;
- хранителна индустрия;
- екология;
- криминология.
Този списък е непълен, но отразява обхвата на индустрии, които не могат без хроматографски методи за анализ, разделяне и пречистване на вещества. Във всички области на приложение на хроматографията, от научни лаборатории до промишлено производство, ролята на тези методи се увеличава още повече с въвеждането на съвременни технологии за обработка на информация, управление и контрол на сложни процеси.
