Det finnes mange ulike metoder for å analysere sammensetningen og studere egenskapene til ulike forbindelser og blandinger av stoffer. En slik metode er kromatografi. Forfatterskapet i oppfinnelsen og anvendelsen av metoden tilhører den russiske botanikeren M. S. Tsvet, som på begynnelsen av 1900-tallet utførte separasjonen av plantepigmenter.
Definisjon og grunnleggende for metoden
Kromatografi er en fysisk-kjemisk metode for å separere blandinger og bestemme deres komponenter, basert på fordelingen mellom den mobile og stasjonære fasen av stoffene som utgjør blandingen (prøve). Den stasjonære fasen er et porøst fast stoff - en sorbent. Det kan også være en flytende film avsatt på en fast overflate. Den mobile fasen - eluenten - må bevege seg langs den stasjonære fasen eller strømme gjennom den, filtrert av sorbenten.
Essensen av kromatografi er at ulike komponenter i en blanding nødvendigvis er preget av ulike egenskaper, som molekylvekt, løselighet, adsorberbarhet, og så videre. Derfor er interaksjonshastigheten mellom komponentene i den mobile fasen - sorbater - med den stasjonæreer ikke det samme. Dette fører til en forskjell i hastighetene til molekylene i blandingen i forhold til den stasjonære fasen, som et resultat av at komponentene separeres og konsentreres i forskjellige soner av sorbenten. Noen av dem forlater sorbenten sammen med den mobile fasen - dette er de såk alte ikke-tilbakeholdte komponentene.
En spesiell fordel med kromatografi er at den lar deg raskt separere komplekse blandinger av stoffer, inkludert de med lignende egenskaper.
Metoder for å klassifisere typer kromatografi
Metodene som brukes i analysen kan klassifiseres etter ulike kriterier. Hovedsettet med slike kriterier er som følger:
- samlet tilstand for stasjonære og mobile faser;
- fysisk og kjemisk karakter av interaksjonen mellom sorbenten og sorbatene;
- hvordan introdusere eluent og flytte den;
- metode for plassering av den stasjonære fasen, dvs. kromatografiteknikk;
- kromatografimål.
I tillegg kan metoder være basert på sorpsjonsprosessens forskjellige natur, på de tekniske betingelsene for den kromatografiske separasjonen (for eksempel lavt eller høyt trykk).
La oss se nærmere på hovedkriteriene ovenfor og de mest brukte typene kromatografi knyttet til dem.
Elueringsmiddel og sorberende aggregeringstilstand
På dette grunnlag er kromatografi delt inn i væske og gass. Metodenavn gjenspeiler tilstanden til mobilfasen.
Væskekromatografi er en teknikk som brukesi prosessene for separasjon av blandinger av makromolekylære forbindelser, inkludert biologisk viktige. Avhengig av aggregeringstilstanden til sorbenten deles den inn i væske-væske og væske-fast fase.
Gasskromatografi er av følgende typer:
- Gassadsorpsjon (gass-fastfase), som bruker en fast sorbent, som kull, silikagel, zeolitter eller porøse polymerer. En inert gass (argon, helium), nitrogen, karbondioksid fungerer som et elueringsmiddel - en bærer av blandingen som skal separeres. Separasjonen av de flyktige komponentene i blandingen utføres på grunn av ulik grad av deres adsorpsjon.
- Gass-væske. Den stasjonære fasen i dette tilfellet består av en flytende film avsatt på en solid inert base. Prøvekomponenter separeres i henhold til deres adsorberbarhet eller løselighet.
Gasskromatografi er mye brukt for analyse av blandinger av organiske forbindelser (ved bruk av deres nedbrytningsprodukter eller derivater i gassform).
Interaksjon mellom sorbent og sorbater
I henhold til dette kriteriet skilles slike typer ut som:
- Adsorpsjonskromatografi, gjennom hvilken blandinger separeres på grunn av forskjeller i graden av adsorpsjon av stoffer av en immobil sorbent.
- Distribusjon. Med dens hjelp utføres separasjon på grunnlag av forskjellig løselighet av komponentene i blandingen. Oppløsning skjer enten i den mobile og stasjonære fasen (i væskekromatografi), eller bare i den stasjonære fasen (i gass-væskekromatografi).
- Sedimentær. Denne kromatografimetoden er basert på den forskjellige løseligheten til de dannede utfellingene av stoffene som skal separeres.
- Eksklusjon, eller gelkromatografi. Den er basert på forskjellen i størrelsen på molekyler, på grunn av hvilken deres evne til å trenge inn i porene til sorbenten, den såk alte gelmatrisen, varierer.
- Affine. Denne spesifikke metoden, som er basert på en spesiell type biokjemisk interaksjon av separerte urenheter med en ligand som danner en kompleks forbindelse med en inert bærer i den stasjonære fasen. Denne metoden er effektiv for å separere blandinger av protein-enzymer og er vanlig i biokjemi.
- Ionebytte. Som prøveseparasjonsfaktor bruker denne metoden forskjellen i evnen til komponentene i blandingen til ionebytte med den stasjonære fasen (ionebytter). Under prosessen erstattes ionene i den stasjonære fasen med ioner av stoffer i sammensetningen av elueringsmidlet, mens på grunn av sistnevntes forskjellige affinitet til ionebytteren, oppstår det en forskjell i hastigheten på deres bevegelse, og dermed blandingen separeres. For den stasjonære fasen brukes oftest ionebytterharpikser - spesielle syntetiske polymerer.
Ionebytterkromatografi har to alternativer - henholdsvis anionisk (beholder negative ioner) og kationisk (beholder positive ioner). Denne metoden brukes ekstremt mye: ved separering av elektrolytter, sjeldne jordarter og transuranelementer, ved vannrensing, ved analyse av medikamenter.
Forskjellen i metoder for teknikk
Det er to hovedmåter prøven beveger seg i forhold til den stasjonære fasen:
- Søylekromatografi utfører separasjonsprosessen i en spesiell enhet - en kromatografisk kolonne - et rør, i det indre hulrommet som en ubevegelig sorbent er plassert. I henhold til fyllingsmetoden er kolonnene delt inn i to typer: pakket (den såk alte "pakket") og kapillær, der et lag av en fast sorbent eller en flytende film av den stasjonære fasen påføres overflaten av den indre veggen. Pakkede søyler kan ha forskjellige former: rett, U-formet, spiral. Kapillærsøylene er spiralformede.
- Plan (plan) kromatografi. I dette tilfellet kan spesialpapir eller en plate (metall, glass eller plast) brukes som bærer for den stasjonære fasen, hvorpå et tynt lag med sorbent er avsatt. I dette tilfellet omtales kromatografimetoden som henholdsvis papir- eller tynnsjiktskromatografi.
I motsetning til kolonnemetoden, hvor kromatografiske kolonner brukes gjentatte ganger, i plankromatografi, kan enhver bærer med et sorbentlag bare brukes én gang. Separasjonsprosessen skjer når en plate eller et papirark senkes ned i en beholder med elueringsmiddel.
Introduksjon og overføring av eluent
Denne faktoren bestemmer arten av bevegelsen av de kromatografiske sonene langs sorbentlaget, som dannes under separasjonen av blandingen. Det finnes følgende eluentleveringsmetoder:
- Front. Denne metoden er den enklesteutførelsesteknikk. Den mobile fasen er direkte selve prøven, som kontinuerlig mates inn i kolonnen fylt med sorbenten. I dette tilfellet beveger den minst beholdte komponenten, adsorbert dårligere enn andre, seg langs sorbenten raskere enn de andre. Som et resultat kan bare denne første komponenten isoleres i ren form, etterfulgt av soner som inneholder blandinger av komponenter. Prøvefordelingen ser slik ut: A; A+B; A+B+C og så videre. Frontalkromatografi er derfor ikke nyttig for å separere blandinger, men den er effektiv i ulike renseprosesser, forutsatt at stoffet som skal isoleres har lav retensjon.
- Fortrengningsmetoden skiller seg ut ved at etter å ha kommet inn i blandingen som skal separeres, tilføres en eluent med en spesiell fortrengningsmiddel inn i kolonnen - et stoff som kjennetegnes ved en større sorberbarhet enn noen av komponentene i blandingen. Den fortrenger den mest beholdte komponenten, som forskyver den neste, og så videre. Prøven beveger seg langs kolonnen med hastigheten til fortrengeren og danner tilstøtende konsentrasjonssoner. Med denne typen kromatografi kan hver komponent oppnås individuelt i flytende form ved utløpet av kolonnen.
- Elueringsmetoden (fremkallende) er den vanligste. I motsetning til fortrengningsmetoden har eluenten (bæreren) i dette tilfellet lavere sorberbarhet enn prøvekomponentene. Det føres kontinuerlig gjennom det sorberende laget og vasker det. Periodisk, i porsjoner (pulser), introduseres blandingen som skal separeres inn i elueringsstrømmen, hvoretter den rene eluenten tilføres igjen. Ved utvasking (eluering) separeres komponentene,dessuten er konsentrasjonssonene deres atskilt av eluentsoner.
Eluentkromatografi gjør det mulig å nesten fullstendig separere den analyserte blandingen av stoffer, og blandingen kan være flerkomponent. Fordelene med denne metoden er også isoleringen av komponentene fra hverandre og enkelheten til den kvantitative analysen av blandingen. Ulempene inkluderer et høyt forbruk av elueringsmiddel og en lav konsentrasjon av prøvekomponenter i den etter separering ved kolonneutløpet. Elueringsmetoden er mye brukt i både gass- og væskekromatografi.
Kromatografiske prosesser avhengig av formålene
Forskjellen i kromatografimål gjør det mulig å skille metoder som analytiske, preparative og industrielle.
Ved hjelp av analytisk kromatografi gjennomføres kvalitativ og kvantitativ analyse av blandinger. Når de analyserer prøvekomponentene, når de forlater kolonnen til kromatografen, går de til detektoren - en enhet som er følsom for endringer i konsentrasjonen av et stoff i elueringsmidlet. Tiden som har gått fra det øyeblikket prøven er introdusert i kolonnen til den maksimale toppkonsentrasjonen av stoffet på detektoren kalles retensjonstiden. Forutsatt at kolonnetemperaturen og elueringshastigheten er konstant, er denne verdien konstant for hvert stoff og tjener som grunnlag for en kvalitativ analyse av blandingen. Kvantitativ analyse utføres ved å måle arealet av individuelle topper i kromatogrammet. Som regel brukes elueringsmetoden i analytisk kromatografi.
Preparativ kromatografi har som mål å isolere rene stoffer fra en blanding. Preparative kolonner har en mye størrediameter enn analytisk.
Industriell kromatografi brukes for det første for å oppnå store mengder rene stoffer som trengs i en bestemt produksjon. For det andre er det en viktig del av moderne kontroll- og reguleringssystemer for teknologiske prosesser.
Industriskromatograf har en konsentrasjonsskala av en eller annen komponent og er utstyrt med sensor, samt kontroll- og registreringssystemer. Prøver leveres til slike kromatografer automatisk med en viss frekvens.
Multifunksjonskromatografiutstyr
Moderne kromatografer er komplekse høyteknologiske enheter som kan brukes på en rekke felt og til ulike formål. Disse enhetene gjør det mulig å analysere komplekse flerkomponentblandinger. De er utstyrt med et bredt utvalg av detektorer: termisk konduktometriske, optiske, ionisering, massespektrometriske og så videre.
I tillegg bruker moderne kromatografi automatiske kontrollsystemer for analyse og prosessering av kromatogrammer. Kontroll kan utføres fra en datamaskin eller direkte fra enheten.
Et eksempel på en slik enhet er den multifunksjonelle gasskromatografen "Crystal 5000". Den har et sett med fire utskiftbare detektorer, en kolonnetermostat, elektroniske trykk- og strømningskontrollsystemer og gassventilkontroller. For å løse ulike problemer har enhetenmuligheten til å installere både pakkede og kapillære kolonner.
Kromatografen styres ved hjelp av et fullverdig tastatur og kontrollskjerm eller (i en annen modifikasjon) fra en personlig datamaskin. Denne nye generasjons enheten kan effektivt brukes i produksjon og i ulike forskningslaboratorier: medisinsk, rettsmedisinsk, miljømessig.
Høytrykkkromatografi
Væskekolonnekromatografi kjennetegnes av en ganske lang varighet av prosessen. For å akselerere bevegelsen av den flytende eluenten, brukes tilførselen av den mobile fasen til kolonnen under trykk. Denne moderne og meget lovende metoden kalles high performance liquid chromatography (HPLC)-metoden.
HPLC-væskekromatografens pumpesystem leverer eluent med konstant hastighet. Det utviklede innløpstrykket kan nå 40 MPa. Datastyring gjør det mulig å endre sammensetningen av mobilfasen i henhold til et gitt program (denne elueringsmetoden kalles gradient).
HPLC kan brukes forskjellige metoder basert på arten av interaksjonen mellom sorbenten og sorbatet: distribusjon, adsorpsjon, størrelseseksklusjon, ionebytterkromatografi. Den vanligste typen HPLC er revers-fase-metoden, basert på den hydrofobe interaksjonen mellom en polar (vandig) mobil fase og en ikke-polar sorbent, slik som silikagel.
Metoden er mye brukt for separasjon, analyse,kvalitetskontroll av ikke-flyktige, termisk ustabile stoffer som ikke kan omdannes til gassform. Dette er landbrukskjemikalier, medisiner, matkomponenter og andre komplekse stoffer.
Betydningen av kromatografistudier
Ulike typer kromatografi er mye brukt på forskjellige felt:
- uorganisk kjemi;
- petrokjemikalier og gruvedrift;
- biokjemi;
- medisin og legemidler;
- matindustri;
- økologi;
- kriminologi.
Denne listen er ufullstendig, men reflekterer dekningen av bransjer som ikke kan klare seg uten kromatografiske metoder for analyse, separering og rensing av stoffer. På alle anvendelsesområder for kromatografi, fra vitenskapelige laboratorier til industriell produksjon, øker rollen til disse metodene enda mer ettersom moderne teknologier for informasjonsbehandling, styring og kontroll av komplekse prosesser introduseres.
