Der er mange forskellige metoder til at analysere sammensætningen og studere egenskaberne af forskellige forbindelser og blandinger af stoffer. En sådan metode er kromatografi. Forfatterskabet til opfindelsen og anvendelsen af metoden tilhører den russiske botaniker M. S. Tsvet, som i begyndelsen af det 20. århundrede udførte adskillelsen af plantepigmenter.
Definition og grundlæggende principper for metoden
Chromatografi er en fysisk-kemisk metode til at adskille blandinger og bestemme deres komponenter, baseret på fordelingen mellem den mobile og stationære fase af de stoffer, der udgør blandingen (prøve). Den stationære fase er et porøst fast stof - en sorbent. Det kan også være en flydende film aflejret på en fast overflade. Den mobile fase - eluenten - skal bevæge sig langs den stationære fase eller strømme gennem den, idet den filtreres af sorbenten.
Kromatografiens essens er, at forskellige komponenter i en blanding nødvendigvis er karakteriseret ved forskellige egenskaber, såsom molekylvægt, opløselighed, adsorberbarhed og så videre. Derfor er interaktionshastigheden af komponenterne i den mobile fase - sorbater - med den stationæreer ikke det samme. Dette fører til en forskel i hastighederne af blandingens molekyler i forhold til den stationære fase, som et resultat af hvilken komponenterne adskilles og koncentreres i forskellige zoner af sorbenten. Nogle af dem forlader sorbenten sammen med den mobile fase - det er de såkaldte ikke-tilbageholdte komponenter.
En særlig fordel ved kromatografi er, at den giver dig mulighed for hurtigt at adskille komplekse blandinger af stoffer, inklusive dem med lignende egenskaber.
Metoder til klassificering af typer kromatografi
De anvendte metoder i analysen kan klassificeres efter forskellige kriterier. Hovedsættet af sådanne kriterier er som følger:
- samlet tilstand af stationære og mobile faser;
- fysisk og kemisk karakter af interaktionen mellem sorbenten og sorbater;
- hvordan introduceres eluent og flyttes;
- metode til placering af den stationære fase, dvs. kromatografiteknik;
- kromatografimål.
Derudover kan metoder baseres på den forskellige karakter af sorptionsprocessen, på de tekniske betingelser for den kromatografiske adskillelse (f.eks. lavt eller højt tryk).
Lad os se nærmere på ovenstående hovedkriterier og de mest udbredte typer kromatografi forbundet med dem.
Eluent- og sorberende aggregeringstilstand
På dette grundlag er kromatografi opdelt i væske og gas. Metodenavne afspejler tilstanden af den mobile fase.
Væskekromatografi er en anvendt tekniki processerne til adskillelse af blandinger af makromolekylære forbindelser, herunder biologisk vigtige. Afhængigt af absorptionsmidlets aggregeringstilstand opdeles det i væske-væske og væske-fast fase.
Gaschromatografi er af følgende typer:
- Gasadsorption (gas-fastfase), som bruger en fast sorbent, såsom kul, silicagel, zeolitter eller porøse polymerer. En inert gas (argon, helium), nitrogen, kuldioxid fungerer som en eluent - en bærer af blandingen, der skal adskilles. Adskillelsen af de flygtige komponenter i blandingen udføres på grund af den forskellige grad af deres adsorption.
- Gas-væske. Den stationære fase består i dette tilfælde af en flydende film aflejret på en fast inert base. Prøvekomponenter adskilles i henhold til deres adsorberbarhed eller opløselighed.
Gaschromatografi bruges i vid udstrækning til analyse af blandinger af organiske forbindelser (ved anvendelse af deres nedbrydningsprodukter eller derivater i gasform).
Interaktion mellem sorbent og sorbater
I henhold til dette kriterium skelnes sådanne typer som:
- Adsorptionskromatografi, hvorigennem blandinger adskilles på grund af forskelle i graden af adsorption af stoffer med en immobil sorbent.
- Distribution. Med dens hjælp udføres adskillelse på grundlag af forskellig opløselighed af komponenterne i blandingen. Opløsning sker enten i den mobile og stationære fase (i væskekromatografi) eller kun i den stationære fase (i gas-væskekromatografi).
- Sedimentær. Denne kromatografimetode er baseret på den forskellige opløselighed af de dannede bundfald af de stoffer, der skal adskilles.
- Eksklusion eller gelkromatografi. Det er baseret på forskellen i størrelsen af molekyler, på grund af hvilken deres evne til at trænge ind i porerne i sorbenten, den såkaldte gelmatrix, varierer.
- Affine. Denne specifikke metode, som er baseret på en speciel type biokemisk interaktion af separerede urenheder med en ligand, der danner en kompleks forbindelse med en inert bærer i den stationære fase. Denne metode er effektiv til at adskille blandinger af protein-enzymer og er almindelig i biokemi.
- Ionbytning. Som prøveseparationsfaktor bruger denne metode forskellen i blandingens komponenters evne til at ionbytte med den stationære fase (ionbytter). Under processen erstattes ionerne i den stationære fase af ioner af stoffer i sammensætningen af eluenten, mens der på grund af sidstnævntes forskellige affinitet til ionbytteren opstår en forskel i hastigheden af deres bevægelse, og dermed blandingen adskilles. Til den stationære fase anvendes oftest ionbytterharpikser - specielle syntetiske polymerer.
Ionbytningskromatografi har to muligheder - henholdsvis anionisk (bevarer negative ioner) og kationisk (bevarer positive ioner). Denne metode bruges ekstremt bredt: ved adskillelse af elektrolytter, sjældne jordarter og transuranelementer, ved vandrensning, ved analyse af lægemidler.
Forskellen i metoder til teknik
Der er to hovedmåder, hvorpå prøven bevæger sig i forhold til den stationære fase:
- Søjlekromatografi udfører separationsprocessen i en speciel anordning - en kromatografisk søjle - et rør, i hvis indre hulrum en fast sorbent er anbragt. Ifølge fyldningsmetoden er kolonnerne opdelt i to typer: pakket (den såkaldte "pakkede") og kapillær, hvor et lag af en fast sorbent eller en flydende film af den stationære fase påføres overfladen af indervæggen. Pakkede søjler kan have forskellige former: lige, U-formet, spiral. Kapillærsøjler er spiralformede.
- Plan (plan) kromatografi. I dette tilfælde kan specialpapir eller en plade (metal, glas eller plast) bruges som bærer til den stationære fase, hvorpå et tyndt lag sorbent er afsat. I dette tilfælde omtales kromatografimetoden som henholdsvis papir- eller tyndtlagskromatografi.
I modsætning til søjlemetoden, hvor kromatografiske søjler bruges gentagne gange, i plankromatografi, kan enhver bærer med et sorbentlag kun bruges én gang. Adskillelsesprocessen sker, når en plade eller et ark papir nedsænkes i en beholder med elueringsmiddel.
Introduktion og overførsel af eluent
Denne faktor bestemmer arten af bevægelsen af de kromatografiske zoner langs det sorberende lag, som dannes under adskillelsen af blandingen. Der er følgende eluentleveringsmetoder:
- Foran. Denne metode er den enklesteudførelsesteknik. Den mobile fase er direkte selve prøven, som kontinuerligt føres ind i kolonnen fyldt med sorbenten. I dette tilfælde bevæger den mindst tilbageholdte komponent, adsorberet dårligere end andre, sig langs sorbenten hurtigere end de andre. Som følge heraf kan kun denne første komponent isoleres i ren form, efterfulgt af zoner, der indeholder blandinger af komponenter. Prøvefordelingen ser således ud: A; A+B; A+B+C og så videre. Frontalkromatografi er derfor ikke nyttig til at adskille blandinger, men den er effektiv i forskellige oprensningsprocesser, forudsat at stoffet, der skal isoleres, har lav retention.
- Fortrængningsmetoden adskiller sig ved, at efter at være kommet ind i blandingen, der skal adskilles, tilføres en eluent med en speciel fortrængningsmiddel ind i kolonnen - et stof, der er karakteriseret ved en større sorberbarhed end nogen af blandingens komponenter. Den fortrænger den mest tilbageholdte komponent, som fortrænger den næste, og så videre. Prøven bevæger sig langs søjlen med fortrængningsanordningens hastighed og danner tilstødende koncentrationszoner. Med denne type kromatografi kan hver komponent opnås individuelt i flydende form ved udgangen af søjlen.
- Elueringsmetoden (fremkaldende) er den mest almindelige. I modsætning til fortrængningsmetoden har eluenten (bæreren) i dette tilfælde en lavere sorberbarhed end prøvekomponenterne. Det ledes kontinuerligt gennem det sorberende lag og vasker det. Periodisk, i portioner (impulser), indføres blandingen, der skal separeres, i eluentstrømmen, hvorefter den rene eluent tilføres igen. Ved udvaskning (eluering) adskilles komponenterne,desuden er deres koncentrationszoner adskilt af eluentzoner.
Eluentkromatografi gør det muligt næsten fuldstændig at adskille den analyserede blanding af stoffer, og blandingen kan være multikomponent. Fordelene ved denne metode er også isoleringen af komponenterne fra hinanden og enkelheden af den kvantitative analyse af blandingen. Ulemperne omfatter et højt forbrug af eluent og en lav koncentration af prøvekomponenter deri efter adskillelse ved kolonneudløbet. Elueringsmetoden er meget udbredt i både gas- og væskekromatografi.
Kromatografiske processer afhængigt af formålene
Forskellen i kromatografimål gør det muligt at skelne metoder som analytiske, præparative og industrielle.
Ved hjælp af analytisk kromatografi udføres kvalitativ og kvantitativ analyse af blandinger. Når de analyserer prøvekomponenterne, når de forlader kromatografens søjle, går de til detektoren - en enhed, der er følsom over for ændringer i koncentrationen af et stof i eluenten. Den tid, der er gået fra det øjeblik, prøven indføres i kolonnen, indtil den maksimale spidskoncentration af stoffet på detektoren kaldes retentionstiden. Forudsat at kolonnetemperaturen og elueringshastigheden er konstante, er denne værdi konstant for hvert stof og tjener som grundlag for en kvalitativ analyse af blandingen. Kvantitativ analyse udføres ved at måle arealet af individuelle toppe i kromatogrammet. Som regel anvendes elueringsmetoden i analytisk kromatografi.
Preparativ kromatografi har til formål at isolere rene stoffer fra en blanding. Forberedende kolonner har en meget størrediameter end analytisk.
Industriel kromatografi bruges for det første til at opnå store mængder rene stoffer, der er nødvendige i en bestemt produktion. For det andet er det en vigtig del af moderne kontrol- og reguleringssystemer for teknologiske processer.
Industriel kromatograf har en koncentrationsskala for en eller anden komponent og er udstyret med en sensor samt kontrol- og registreringssystemer. Prøver leveres automatisk til sådanne kromatografer med en bestemt frekvens.
Multifunktionskromatografiudstyr
Moderne kromatografer er komplekse højteknologiske enheder, der kan bruges inden for en række områder og til forskellige formål. Disse enheder gør det muligt at analysere komplekse multikomponentblandinger. De er udstyret med en bred vifte af detektorer: termisk konduktometriske, optiske, ionisering, massespektrometriske og så videre.
Derudover bruger moderne kromatografi automatiske kontrolsystemer til analyse og behandling af kromatogrammer. Kontrol kan udføres fra en computer eller direkte fra enheden.
Et eksempel på en sådan enhed er den multifunktionelle gaskromatograf "Crystal 5000". Den har et sæt af fire udskiftelige detektorer, en kolonnetermostat, elektroniske tryk- og flowkontrolsystemer og gasventilstyringer. For at løse forskellige problemer har enhedenevnen til at installere både pakkede og kapillære kolonner.
Kromatografen styres ved hjælp af et fuldt udstyret tastatur og kontroldisplay eller (i en anden modifikation) fra en personlig computer. Denne nye generations enhed kan effektivt bruges i produktionen og i forskellige forskningslaboratorier: medicinsk, retsmedicinsk, miljømæssig.
Højtrykskromatografi
Udførelse af væskesøjlekromatografi er karakteriseret ved en ret lang varighed af processen. For at accelerere bevægelsen af den flydende eluent anvendes tilførslen af den mobile fase til kolonnen under tryk. Denne moderne og meget lovende metode kaldes high performance liquid chromatography (HPLC) metoden.
HPLC væskekromatografens pumpesystem leverer eluent med en konstant hastighed. Det udviklede indløbstryk kan nå 40 MPa. Computerstyring gør det muligt at ændre sammensætningen af den mobile fase i henhold til et givet program (denne elueringsmetode kaldes gradient).
HPLC kan bruges forskellige metoder baseret på arten af interaktionen mellem sorbenten og sorbatet: fordeling, adsorption, størrelsesudelukkelse, ionbytningskromatografi. Den mest almindelige type HPLC er omvendt fase-metoden, baseret på den hydrofobe interaktion mellem en polær (vandig) mobil fase og en ikke-polær sorbent, såsom silicagel.
Metoden er meget brugt til adskillelse, analyse,kvalitetskontrol af ikke-flygtige, termisk ustabile stoffer, der ikke kan omdannes til gasformig tilstand. Disse er landbrugskemikalier, medicin, fødevarekomponenter og andre komplekse stoffer.
Betydningen af kromatografistudier
Forskellige typer kromatografi er meget udbredt inden for forskellige områder:
- uorganisk kemi;
- petrokemikalier og minedrift;
- biokemi;
- medicin og lægemidler;
- fødevareindustrien;
- økologi;
- kriminologi.
Denne liste er ufuldstændig, men afspejler dækningen af industrier, der ikke kan undvære kromatografiske metoder til analyse, separation og oprensning af stoffer. Inden for alle anvendelsesområder for kromatografi, fra videnskabelige laboratorier til industriel produktion, er disse metoders rolle endnu mere stigende, efterhånden som moderne teknologier til informationsbehandling, styring og kontrol af komplekse processer introduceres.
