Erilaisten yhdisteiden ja aineseosten koostumuksen analysointiin ja ominaisuuksien tutkimiseen on monia erilaisia menetelmiä. Yksi tällainen menetelmä on kromatografia. Keksinnössä ja menetelmän soveltamisessa tekijä on venäläinen kasvitieteilijä M. S. Tsvet, joka 1900-luvun alussa suoritti kasvipigmenttien erottelun.
Menetelmän määritelmä ja perusteet
Kromatografia on fysikaalis-kemiallinen menetelmä seosten erottamiseksi ja niiden komponenttien määrittämiseksi, joka perustuu seoksen (näytteen) muodostavien aineiden liikkuvan ja kiinteän faasin väliseen jakautumiseen. Kiinteä faasi on huokoinen kiinteä aine - sorbentti. Se voi olla myös kiinteälle pinnalle kerrostettu nestekalvo. Liikkuvan faasin - eluentin - täytyy liikkua paikallaan pysyvää faasia pitkin tai virrata sen läpi sorbentin suodattamana.
Kromatografian ydin on, että seoksen eri komponenteilla on välttämättä erilaiset ominaisuudet, kuten molekyylipaino, liukoisuus, adsorboituvuus ja niin edelleen. Siksi liikkuvan faasin komponenttien - sorbaattien - vuorovaikutusnopeus paikallaan pysyvien aineiden kanssaei ole sama. Tämä johtaa eroon seoksen molekyylien nopeuksissa suhteessa stationaarifaasiin, minkä seurauksena komponentit erottuvat ja konsentroituvat sorbentin eri vyöhykkeille. Jotkut niistä poistuvat sorbentista yhdessä liikkuvan faasin kanssa - nämä ovat niin sanottuja pidättymättömiä komponentteja.
Kromatografian erityinen etu on, että sen avulla voit nopeasti erottaa monimutkaisia aineseoksia, mukaan lukien ne, joilla on samanlaiset ominaisuudet.
Menetelmät kromatografiatyyppien luokitteluun
Analyysissä käytetyt menetelmät voidaan luokitella eri kriteerien mukaan. Tällaisten kriteerien pääjoukko on seuraava:
- kiinteiden ja liikkuvien vaiheiden kokonaistila;
- sorbentin ja sorbaattien vuorovaikutuksen fysikaalinen ja kemiallinen luonne;
- miten eluentti lisätään ja siirretään;
- stationaarifaasin sijoitusmenetelmä, eli kromatografiatekniikka;
- kromatografiakohteet.
Lisäksi menetelmät voivat perustua sorptioprosessin erilaiseen luonteeseen, kromatografisen erotuksen teknisiin olosuhteisiin (esimerkiksi matala tai korkea paine).
Katsotaanpa lähemmin yllä olevia pääkriteerejä ja niihin liittyviä yleisimmin käytettyjä kromatografiatyyppejä.
Eluentti ja sorbentti aggregaatiotila
Tällä perusteella kromatografia jaetaan nesteeseen ja kaasuun. Menetelmien nimet kuvastavat liikkuvan vaiheen tilaa.
Nestekromatografia on käytetty tekniikkamakromolekyyliyhdisteiden seosten erotusprosesseissa, mukaan lukien biologisesti tärkeät yhdisteet. Sorbentin aggregaatiotilasta riippuen se jaetaan neste-neste- ja neste-kiinteäfaasiin.
Kaasukromatografia on seuraavia tyyppejä:
- Kaasuadsorptio (kaasu-kiinteäfaasi), jossa käytetään kiinteää sorbenttia, kuten hiiltä, silikageeliä, zeoliitteja tai huokoisia polymeerejä. Inertti kaasu (argon, helium), typpi, hiilidioksidi toimii eluenttina - erotettavan seoksen kantajana. Seoksen haihtuvien komponenttien erottaminen tapahtuu niiden adsorptioasteen eron vuoksi.
- Kaasu-neste. Kiinteä faasi koostuu tässä tapauksessa nestekalvosta, joka on kerrostettu kiinteälle inertille pohjalle. Näytteen komponentit erotetaan niiden adsorboituvuuden tai liukoisuuden mukaan.
Kaasukromatografiaa käytetään laaj alti orgaanisten yhdisteiden seosten analysointiin (käyttäen niiden hajoamistuotteita tai johdannaisia kaasumaisessa muodossa).
Vuorovaikutus sorbentin ja sorbaattien välillä
Tämän kriteerin mukaan erotetaan seuraavat tyypit:
- Adsorptiokromatografia, jonka avulla seokset erotetaan liikkumattoman sorbentin aineiden adsorptioasteen erojen vuoksi.
- Jakelu. Sen avulla erotus suoritetaan seoksen komponenttien erilaisen liukoisuuden perusteella. Liukeneminen tapahtuu joko liikkuvassa ja kiinteässä faasissa (nestekromatografiassa) tai vain kiinteässä faasissa (kaasu-nestekromatografia).
- Sedimentti. Tämä kromatografiamenetelmä perustuu erotettavien aineiden muodostuneiden saostumien erilaiseen liukoisuuteen.
- Poissulkeminen tai geelikromatografia. Se perustuu molekyylien koon eroon, jonka vuoksi niiden kyky tunkeutua sorbentin, niin sanotun geelimatriisin, huokosiin vaihtelee.
- Affine. Tämä spesifinen menetelmä, joka perustuu erottuneiden epäpuhtauksien erityiseen biokemialliseen vuorovaikutukseen ligandin kanssa, joka muodostaa kompleksisen yhdisteen inertin kantajan kanssa stationäärifaasissa. Tämä menetelmä on tehokas proteiini-entsyymien seosten erottamisessa ja on yleinen biokemiassa.
- Ioninvaihto. Tässä menetelmässä näytteen erotustekijänä käytetään eroa seoksen komponenttien kyvyssä ioninvaihtoon stationaarifaasin (ioninvaihdin) kanssa. Prosessin aikana kiinteän faasin ionit korvataan eluentin koostumuksessa olevien aineiden ioneilla, kun taas jälkimmäisten erilaisesta affiniteetista ioninvaihtimeen syntyy ero niiden liikkeen nopeuksissa ja siten seos erotetaan. Stationaarifaasissa käytetään useimmiten ioninvaihtohartseja - erityisiä synteettisiä polymeerejä.
Ioninvaihtokromatografialla on kaksi vaihtoehtoa - anioninen (säilyttää negatiiviset ionit) ja kationinen (säilyttää positiiviset ionit). Tätä menetelmää käytetään erittäin laajasti: elektrolyyttien, harvinaisten maametallien ja transuraanialkuaineiden erottamisessa, veden puhdistuksessa, lääkkeiden analysoinnissa.
Tekniikkamenetelmien ero
Näyte liikkuu kahdella päätavalla suhteessa stationaarivaiheeseen:
- Pylväskromatografia suorittaa erotusprosessin erityisessä laitteessa - kromatografisessa kolonnissa - putkessa, jonka sisäonteloon laitetaan liikkumaton sorbentti. Täyttötavan mukaan pylväät jaetaan kahteen tyyppiin: pakattu (ns. "pakattu") ja kapillaari, jossa kiinteän faasin pinnalle levitetään kerros kiinteää sorbenttia tai nestemäinen kalvo. sisäseinään. Pakatut pylväät voivat olla eri muotoisia: suoria, U-muotoisia, spiraalisia. Kapillaaripylväät ovat kierteisiä.
- Tasokromatografia. Tällöin kiinteän faasin kantajana voidaan käyttää erikoispaperia tai levyä (metallia, lasia tai muovia), jolle kerrostetaan ohut kerros sorbenttia. Tässä tapauksessa kromatografiamenetelmää kutsutaan paperi- tai ohutkerroskromatografiaksi.
Toisin kuin pylväsmenetelmässä, jossa kromatografisia pylväitä käytetään toistuvasti, tasokromatografiassa mitä tahansa kantajaa, jossa on sorbenttikerros, voidaan käyttää vain kerran. Erotusprosessi tapahtuu, kun levy tai paperiarkki upotetaan säiliöön, jossa on eluenttia.
Eluentin käyttöönotto ja siirto
Tämä tekijä määrää seoksen erottumisen aikana muodostuvien kromatografisten vyöhykkeiden liikkeen luonteen sorbenttikerrosta pitkin. On olemassa seuraavat eluentin syöttötavat:
- Edessä. Tämä menetelmä on yksinkertaisinsuoritustekniikka. Liikkuva faasi on suoraan itse näyte, jota syötetään jatkuvasti sorbentilla täytettyyn kolonniin. Tässä tapauksessa vähiten pidättyvä komponentti, joka on adsorboitunut huonommin kuin muut, liikkuu sorbenttia pitkin nopeammin kuin muut. Tämän seurauksena vain tämä ensimmäinen komponentti voidaan eristää puhtaassa muodossa, ja sen jälkeen vyöhykkeet, jotka sisältävät komponenttien seoksia. Otosjakauma näyttää tältä: A; A+B; A+B+C ja niin edelleen. Frontaalikromatografia ei siksi ole käyttökelpoinen seosten erottamiseen, mutta se on tehokas erilaisissa puhdistusprosesseissa edellyttäen, että eristettävällä aineella on alhainen retentio.
- Syrjäytysmenetelmä eroaa siinä, että erotettavaan seokseen syöttämisen jälkeen kolonniin syötetään erityisellä syrjäyttäjällä varustettu eluentti - aine, jolle on ominaista suurempi sorboituvuus kuin millään seoksen komponenteilla. Se syrjäyttää eniten säilytetyn komponentin, joka syrjäyttää seuraavan ja niin edelleen. Näyte liikkuu kolonnia pitkin syrjäyttäjän nopeudella ja muodostaa vierekkäisiä pitoisuusvyöhykkeitä. Tämän tyyppisellä kromatografialla jokainen komponentti voidaan saada yksitellen nestemäisessä muodossa kolonnin ulostuloaukosta.
- Eluentti (kehitys)menetelmä on yleisin. Toisin kuin syrjäytysmenetelmässä, eluentilla (kantajalla) on tässä tapauksessa pienempi sorboituvuus kuin näytekomponenteilla. Se kulkeutuu jatkuvasti sorbenttikerroksen läpi ja pesee sen. Ajoittain, annoksina (pulsseina), erotettava seos johdetaan eluenttivirtaukseen, jonka jälkeen puhdas eluentti syötetään uudelleen. Pesussa (eluointi) komponentit erottuvat,lisäksi niiden pitoisuusvyöhykkeet on erotettu eluenttivyöhykkeillä.
Eluenttikromatografia mahdollistaa analysoitavan aineseoksen erottamisen lähes kokonaan, ja seos voi olla monikomponenttinen. Tämän menetelmän etuja ovat myös komponenttien eristäminen toisistaan ja seoksen kvantitatiivisen analyysin yksinkertaisuus. Haittoja ovat suuri eluentin kulutus ja pieni näytekomponenttien konsentraatio siinä kolonnin ulostulossa erotuksen jälkeen. Eluenttimenetelmää käytetään laaj alti sekä kaasu- että nestekromatografiassa.
Kromatografiset prosessit käyttötarkoituksista riippuen
Kromatografiatavoitteiden ero mahdollistaa sellaisten menetelmien erottamisen kuin analyyttiset, preparatiiviset ja teolliset.
Seosten kvalitatiivinen ja kvantitatiivinen analyysi suoritetaan analyyttisen kromatografian avulla. Analysoitaessa näytekomponentteja, kun ne poistuvat kromatografin kolonnista, ne menevät detektoriin - laitteeseen, joka on herkkä eluentissa olevan aineen pitoisuuden muutoksille. Retentioajaksi kutsutaan aikaa, joka kuluu hetkestä, kun näyte on syötetty kolonniin aineen maksimihuippupitoisuuteen detektorissa. Edellyttäen, että kolonnin lämpötila ja eluentin nopeus ovat vakioita, tämä arvo on vakio jokaiselle aineelle ja se toimii perustana seoksen kvalitatiiviselle analyysille. Kvantitatiivinen analyysi suoritetaan mittaamalla yksittäisten piikkien pinta-ala kromatogrammista. Analyyttisessä kromatografiassa käytetään pääsääntöisesti eluenttimenetelmää.
Preparatiivisen kromatografian tavoitteena on eristää puhtaita aineita seoksesta. Valmistelevissa sarakkeissa on paljon suurempihalkaisija kuin analyyttinen.
Teollista kromatografiaa käytetään ensinnäkin suurten määrien saamiseksi tietyssä tuotannossa tarvittavia puhtaita aineita. Toiseksi se on tärkeä osa nykyaikaisia teknisten prosessien ohjaus- ja säätöjärjestelmiä.
Teollisuuskromatografissa on yhden tai toisen komponentin pitoisuusasteikko ja se on varustettu anturilla sekä ohjaus- ja rekisteröintijärjestelmillä. Näytteet toimitetaan tällaisiin kromatografeihin automaattisesti tietyllä taajuudella.
Monitoimiset kromatografialaitteet
Nykyaikaiset kromatografit ovat monimutkaisia korkean teknologian laitteita, joita voidaan käyttää monilla aloilla ja eri tarkoituksiin. Nämä laitteet mahdollistavat monimutkaisten monikomponenttisten seosten analysoinnin. Ne on varustettu laajalla valikoimalla ilmaisimia: lämmönjohtavuus, optinen, ionisaatio, massaspektrometrinen ja niin edelleen.
Lisäksi nykyaikainen kromatografia käyttää automaattisia ohjausjärjestelmiä kromatogrammien analysointiin ja käsittelyyn. Ohjaus voidaan suorittaa tietokoneelta tai suoraan laitteesta.
Esimerkki tällaisesta laitteesta on monitoiminen kaasukromatografi "Crystal 5000". Siinä on neljä vaihdettavaa ilmaisinta, kolonnin termostaatti, elektroniset paineen ja virtauksen ohjausjärjestelmät sekä kaasuventtiiliohjaimet. Erilaisten ongelmien ratkaisemiseksi laitteessa onmahdollisuus asentaa sekä pakatut että kapillaarikolonnit.
Kromatografia ohjataan käyttämällä monipuolista näppäimistöä ja ohjausnäyttöä tai (toisessa versiossa) henkilökohtaisesta tietokoneesta. Tätä uuden sukupolven laitetta voidaan käyttää tehokkaasti tuotannossa ja erilaisissa tutkimuslaboratorioissa: lääketieteessä, oikeuslääketieteessä, ympäristössä.
Korkeapainekromatografia
Nestepylväskromatografian suorittamiselle on ominaista melko pitkä prosessin kesto. Nestemäisen eluentin liikkeen nopeuttamiseksi käytetään liikkuvan faasin syöttöä kolonniin paineen alaisena. Tätä nykyaikaista ja erittäin lupaavaa menetelmää kutsutaan korkean suorituskyvyn nestekromatografiamenetelmäksi (HPLC).
HPLC-nestekromatografin pumppausjärjestelmä toimittaa eluenttia vakionopeudella. Kehitetty tulopaine voi olla 40 MPa. Tietokoneohjauksella on mahdollista muuttaa liikkuvan faasin koostumusta tietyn ohjelman mukaan (tätä eluointimenetelmää kutsutaan gradienttiksi).
HPLC:ssä voidaan käyttää erilaisia menetelmiä sorbentin ja sorbaatin vuorovaikutuksen luonteen perusteella: jakautuminen, adsorptio, kokoekskluusio, ioninvaihtokromatografia. Yleisin HPLC-tyyppi on käänteisfaasimenetelmä, joka perustuu polaarisen (vesipitoisen) liikkuvan faasin ja ei-polaarisen sorbentin, kuten silikageelin, hydrofobiseen vuorovaikutukseen.
Menetelmää käytetään laaj alti erottamiseen, analysointiin,haihtumattomien, termisesti epästabiilien aineiden laadunvalvonta, joita ei voida muuttaa kaasumaiseen tilaan. Nämä ovat maatalouskemikaaleja, lääkkeitä, elintarvikkeiden komponentteja ja muita monimutkaisia aineita.
Kromatografiatutkimusten tärkeys
Eri tyyppisiä kromatografioita käytetään laajasti eri aloilla:
- epäorgaaninen kemia;
- petrokemianteollisuus ja kaivosteollisuus;
- biokemia;
- lääketiede ja lääkkeet;
- elintarviketeollisuus;
- ekologia;
- kriminologia.
Tämä luettelo on epätäydellinen, mutta se heijastaa toimialoja, jotka eivät tule toimeen ilman kromatografisia analyysi-, erotus- ja puhdistusmenetelmiä. Kaikilla kromatografian sovellusalueilla, tieteellisistä laboratorioista teolliseen tuotantoon, näiden menetelmien rooli kasvaa entisestään, kun nykyaikaiset tekniikat tiedonkäsittelyyn, monimutkaisten prosessien hallintaan ja ohjaukseen otetaan käyttöön.
