Det finns många olika metoder för att analysera sammansättningen och studera egenskaperna hos olika föreningar och blandningar av ämnen. En sådan metod är kromatografi. Författarskapet i uppfinningen och tillämpningen av metoden tillhör den ryske botanikern M. S. Tsvet, som i början av 1900-talet genomförde separationen av växtpigment.
Definition och grunder för metoden
Kromatografi är en fysikalisk-kemisk metod för att separera blandningar och bestämma deras komponenter, baserad på fördelningen mellan den mobila och stationära fasen av de ämnen som utgör blandningen (prov). Den stationära fasen är en porös fast substans - en sorbent. Det kan också vara en flytande film avsatt på en fast yta. Den mobila fasen - eluenten - måste röra sig längs den stationära fasen eller strömma genom den, filtreras av sorbenten.
Kärnan i kromatografi är att olika komponenter i en blandning nödvändigtvis kännetecknas av olika egenskaper, såsom molekylvikt, löslighet, adsorberbarhet, och så vidare. Därför interaktionshastigheten för komponenterna i den mobila fasen - sorbater - med den stationäraär inte samma sak. Detta leder till en skillnad i hastigheten för blandningens molekyler i förhållande till den stationära fasen, vilket resulterar i att komponenterna separeras och koncentreras i olika zoner av sorbenten. En del av dem lämnar sorbenten tillsammans med den mobila fasen - dessa är de så kallade orehållna komponenterna.
En speciell fördel med kromatografi är att den gör att du snabbt kan separera komplexa blandningar av ämnen, inklusive de med liknande egenskaper.
Metoder för att klassificera typer av kromatografi
De metoder som används i analysen kan klassificeras enligt olika kriterier. Huvuduppsättningen av sådana kriterier är följande:
- aggregat tillstånd för stationära och mobila faser;
- fysikalisk och kemisk karaktär av interaktionen mellan sorbenten och sorbater;
- hur man introducerar eluent och flyttar den;
- metod för placering av den stationära fasen, d.v.s. kromatografiteknik;
- kromatografimål.
Dessutom kan metoder baseras på sorptionsprocessens olika karaktär, på de tekniska förhållandena för den kromatografiska separationen (till exempel lågt eller högt tryck).
Låt oss ta en närmare titt på ovanstående huvudkriterier och de mest använda typerna av kromatografi som är förknippade med dem.
Eluent och sorbent aggregationstillstånd
På denna grund delas kromatografi in i vätska och gas. Metodnamn återspeglar tillståndet för den mobila fasen.
Vätskekromatografi är en teknik som användsi processerna för separation av blandningar av makromolekylära föreningar, inklusive biologiskt viktiga. Beroende på absorptionsmedlets aggregationstillstånd delas den in i vätske-vätskefas och vätske-fast fas.
Gaskromatografi är av följande typer:
- Gasadsorption (gas-fast fas), som använder en fast sorbent, såsom kol, silikagel, zeoliter eller porösa polymerer. En inert gas (argon, helium), kväve, koldioxid fungerar som ett elueringsmedel - en bärare av blandningen som ska separeras. Separationen av de flyktiga komponenterna i blandningen utförs på grund av den olika graden av deras adsorption.
- Gas-vätska. Den stationära fasen i detta fall består av en flytande film avsatt på en fast inert bas. Provkomponenter separeras enligt deras adsorberbarhet eller löslighet.
Gaskromatografi används i stor utsträckning för analys av blandningar av organiska föreningar (med deras nedbrytningsprodukter eller derivat i gasform).
Interaktion mellan sorbent och sorbater
Enligt detta kriterium särskiljs sådana typer som:
- Adsorptionskromatografi, genom vilken blandningar separeras på grund av skillnader i graden av adsorption av ämnen av en orörlig sorbent.
- Distribution. Med dess hjälp utförs separation på basis av olika löslighet av komponenterna i blandningen. Upplösning sker antingen i den mobila och stationära fasen (vid vätskekromatografi), eller endast i den stationära fasen (i gas-vätskakromatografi).
- Sedimentär. Denna kromatografimetod är baserad på den olika lösligheten hos de bildade fällningarna av de ämnen som ska separeras.
- Utslutning, eller gelkromatografi. Den är baserad på skillnaden i storlek på molekyler, på grund av vilken deras förmåga att penetrera in i sorbentens porer, den så kallade gelmatrisen, varierar.
- Affine. Denna specifika metod, som bygger på en speciell typ av biokemisk interaktion av separerade föroreningar med en ligand som bildar en komplex förening med en inert bärare i den stationära fasen. Denna metod är effektiv för att separera blandningar av protein-enzymer och är vanlig inom biokemin.
- Jonbyte. Som provseparationsfaktor använder denna metod skillnaden i förmågan hos komponenterna i blandningen att jonbyta med den stationära fasen (jonbytaren). Under processen ersätts jonerna i den stationära fasen av joner av ämnen i sammansättningen av eluenten, medan på grund av den senares olika affinitet till jonbytaren uppstår en skillnad i hastigheten på deras rörelse, och därmed blandningen separeras. För den stationära fasen används oftast jonbytarhartser - speciella syntetiska polymerer.
Jonbyteskromatografi har två alternativ - anjonisk (behåller negativa joner) respektive katjonisk (behåller positiva joner). Denna metod används extremt brett: vid separation av elektrolyter, sällsynta jordartsmetaller och transuranelement, vid vattenrening, vid analys av läkemedel.
Skillnaden i metoder för teknik
Det finns två huvudsakliga sätt på vilka samplet rör sig i förhållande till den stationära fasen:
- Kolonnkromatografi utför separationsprocessen i en speciell anordning - en kromatografikolonn - ett rör, i vars inre hålighet en orörlig sorbent placeras. Enligt fyllningsmetoden är kolonnerna indelade i två typer: packade (den så kallade "packade") och kapillärer, i vilka ett lager av en fast sorbent eller en flytande film av den stationära fasen appliceras på ytan av innerväggen. Packade kolonner kan ha olika former: rak, U-formad, spiral. Kapillärpelare är spiralformade.
- Planar (planar) kromatografi. I detta fall kan specialpapper eller en platta (metall, glas eller plast) användas som bärare för den stationära fasen, på vilken ett tunt skikt av sorbent avsätts. I detta fall kallas kromatografimetoden för pappers- respektive tunnskiktskromatografi.
Till skillnad från kolonnmetoden, där kromatografiska kolonner används upprepade gånger, vid plankromatografi, kan vilken bärare som helst med ett sorbentskikt endast användas en gång. Separationsprocessen sker när en tallrik eller ett pappersark nedsänks i en behållare med elueringsmedel.
Introduktion och överföring av eluent
Denna faktor bestämmer arten av rörelsen av de kromatografiska zonerna längs sorbentskiktet, som bildas under separationen av blandningen. Det finns följande eluentleveransmetoder:
- Front. Denna metod är den enklasteexekveringsteknik. Den mobila fasen är direkt själva provet, som kontinuerligt matas in i kolonnen fylld med sorbenten. I detta fall rör sig den minst kvarhållna komponenten, adsorberad sämre än andra, längs sorbenten snabbare än de andra. Som ett resultat kan endast denna första komponent isoleras i ren form, följt av zoner som innehåller blandningar av komponenter. Provfördelningen ser ut så här: A; A+B; A+B+C och så vidare. Frontalkromatografi är därför inte användbar för att separera blandningar, men den är effektiv i olika reningsprocesser, förutsatt att ämnet som ska isoleras har låg retention.
- Förträngningsmetoden skiljer sig genom att efter att ha kommit in i blandningen som ska separeras, matas ett elueringsmedel med en speciell förträngare in i kolonnen - ett ämne som kännetecknas av en större sorberbarhet än någon av komponenterna i blandningen. Den förskjuter den mest kvarhållna komponenten, som förskjuter nästa osv. Provet rör sig längs kolonnen med förträngarens hastighet och bildar intilliggande koncentrationszoner. Med denna typ av kromatografi kan varje komponent erhållas individuellt i flytande form vid utloppet av kolonnen.
- Eluentmetoden (framkallande) är den vanligaste. I motsats till förträngningsmetoden har eluenten (bäraren) i detta fall en lägre sorberbarhet än provkomponenterna. Det leds kontinuerligt genom det sorberande skiktet och tvättar det. Periodiskt, i portioner (pulser), införs blandningen som ska separeras i eluentflödet, varefter den rena eluenten matas igen. Vid uttvättning (eluering) separeras komponenterna,dessutom är deras koncentrationszoner åtskilda av eluentzoner.
Eluentkromatografi gör det möjligt att nästan helt separera den analyserade blandningen av ämnen, och blandningen kan vara flerkomponent. Fördelarna med denna metod är också isoleringen av komponenterna från varandra och enkelheten i den kvantitativa analysen av blandningen. Nackdelarna inkluderar en hög förbrukning av elueringsmedel och en låg koncentration av provkomponenter i den efter separation vid kolonnens utlopp. Eluentmetoden används ofta i både gas- och vätskekromatografi.
Kromatografiska processer beroende på syftet
Skillnaden i kromatografimål gör det möjligt att särskilja metoder som analytiska, preparativa och industriella.
Med hjälp av analytisk kromatografi genomförs kvalitativ och kvantitativ analys av blandningar. När man analyserar provkomponenterna, när de lämnar kromatografens kolumn, går de till detektorn - en anordning som är känslig för förändringar i koncentrationen av ett ämne i eluenten. Den tid som förflutit från det att provet förs in i kolonnen tills den maximala toppkoncentrationen av ämnet på detektorn kallas retentionstiden. Förutsatt att kolonntemperaturen och elueringshastigheten är konstanta är detta värde konstant för varje ämne och tjänar som grund för en kvalitativ analys av blandningen. Kvantitativ analys utförs genom att mäta arean av individuella toppar i kromatogrammet. Som regel används elueringsmetoden vid analytisk kromatografi.
Preparativ kromatografi syftar till att isolera rena ämnen från en blandning. Preparativa kolumner har en mycket störrediameter än analytisk.
Industriell kromatografi används för det första för att få fram stora mängder rena ämnen som behövs i en viss produktion. För det andra är det en viktig del av moderna styr- och reglersystem för tekniska processer.
Industriell kromatograf har en koncentrationsskala för en eller annan komponent och är utrustad med en sensor samt kontroll- och registreringssystem. Prover levereras till sådana kromatografer automatiskt med en viss frekvens.
Multifunktionskromatografiutrustning
Moderne kromatografer är komplexa högteknologiska enheter som kan användas inom en mängd olika områden och för olika ändamål. Dessa enheter gör det möjligt att analysera komplexa flerkomponentblandningar. De är utrustade med ett brett utbud av detektorer: termiska konduktometriska, optiska, jonisering, masspektrometriska och så vidare.
Dessutom använder modern kromatografi automatiska kontrollsystem för analys och bearbetning av kromatogram. Styrning kan utföras från en dator eller direkt från enheten.
Ett exempel på en sådan anordning är den multifunktionella gaskromatografen "Crystal 5000". Den har en uppsättning av fyra utbytbara detektorer, en kolonntermostat, elektroniska tryck- och flödeskontrollsystem och gasventilkontroller. För att lösa olika problem har enhetenmöjligheten att installera både packade och kapillära kolumner.
Kromatografen styrs med ett fullfjädrat tangentbord och kontrollskärm eller (i annan modifiering) från en persondator. Den här nya generationens enhet kan effektivt användas i produktion och i olika forskningslaboratorier: medicinsk, rättsmedicin, miljö.
Högtryckskromatografi
Utförande av vätskekolonnkromatografi kännetecknas av en ganska lång varaktighet av processen. För att påskynda rörelsen av det flytande elueringsmedlet används tillförseln av den mobila fasen till kolonnen under tryck. Denna moderna och mycket lovande metod kallas högpresterande vätskekromatografi (HPLC)-metoden.
HPLC-vätskekromatografens pumpsystem levererar eluent med konstant hastighet. Det utvecklade inloppstrycket kan nå 40 MPa. Datorstyrning gör det möjligt att ändra sammansättningen av den mobila fasen enligt ett givet program (denna elueringsmetod kallas gradient).
HPLC kan användas olika metoder baserade på naturen av interaktionen mellan sorbenten och sorbatet: distribution, adsorption, storleksuteslutning, jonbyteskromatografi. Den vanligaste typen av HPLC är den omvända fasmetoden, baserad på den hydrofobiska interaktionen mellan en polär (vattenh altig) mobil fas och en opolär sorbent, såsom kiselgel.
Metoden används ofta för separation, analys,kvalitetskontroll av icke-flyktiga, termiskt instabila ämnen som inte kan omvandlas till gasformigt tillstånd. Dessa är jordbrukskemikalier, läkemedel, livsmedelskomponenter och andra komplexa ämnen.
Vikten av kromatografistudier
Olika typer av kromatografi används i stor utsträckning inom olika områden:
- oorganisk kemi;
- petrokemikalier och gruvdrift;
- biokemi;
- medicin och läkemedel;
- livsmedelsindustrin;
- ekologi;
- kriminologi.
Denna lista är ofullständig, men återspeglar täckningen av industrier som inte kan klara sig utan kromatografiska metoder för analys, separation och rening av ämnen. Inom alla tillämpningsområden för kromatografi, från vetenskapliga laboratorier till industriell produktion, ökar rollen för dessa metoder ännu mer i takt med att modern teknologi för informationsbearbetning, hantering och kontroll av komplexa processer introduceras.
