Erinevate ühendite ja ainete segude koostise analüüsimiseks ja omaduste uurimiseks on palju erinevaid meetodeid. Üks selline meetod on kromatograafia. Autorsus meetodi leiutamisel ja rakendamisel kuulub vene botaanikule M. S. Tsvetile, kes 20. sajandi alguses viis läbi taimepigmentide eraldamise.
Meetodi määratlus ja põhialused
Kromatograafia on füüsikalis-keemiline meetod segude eraldamiseks ja nende komponentide määramiseks, mis põhineb segu (proovi) moodustavate ainete liikuva ja statsionaarse faasi jaotumisel. Statsionaarne faas on poorne tahke aine – sorbent. See võib olla ka tahkele pinnale ladestunud vedel kile. Liikuv faas – eluent – peab liikuma mööda statsionaarset faasi või voolama läbi selle, olles filtreeritud sorbendi poolt.
Kromatograafia olemus seisneb selles, et segu erinevaid komponente iseloomustavad tingimata erinevad omadused, nagu molekulmass, lahustuvus, adsorbeeritavus jne. Seetõttu on liikuva faasi komponentide - sorbaatide - koostoime kiirus statsionaarsegaei ole sama. See toob kaasa segu molekulide kiiruste erinevuse statsionaarse faasi suhtes, mille tulemusena komponendid eraldatakse ja kontsentreeritakse sorbendi erinevatesse tsoonidesse. Mõned neist lahkuvad sorbendist koos liikuva faasiga – need on nn kinnijäämata komponendid.
Kromatograafia eriline eelis on see, et see võimaldab kiiresti eraldada keerulisi ainete segusid, sealhulgas sarnaste omadustega aineid.
Meetodid kromatograafiatüüpide klassifitseerimiseks
Analüüsis kasutatud meetodeid saab liigitada erinevate kriteeriumide alusel. Selliste kriteeriumide põhikomplekt on järgmine:
- statsionaarsete ja liikuvate faaside koondseisund;
- sorbendi ja sorbaatide koostoime füüsikaline ja keemiline olemus;
- kuidas eluenti sisestada ja liigutada;
- statsionaarse faasi paigutamise meetod, st kromatograafiatehnika;
- kromatograafia sihtmärgid.
Lisaks võivad meetodid põhineda sorptsiooniprotsessi erineval olemusel, kromatograafilise eraldamise tehnilistel tingimustel (näiteks madal või kõrge rõhk).
Vaatleme lähem alt ül altoodud põhikriteeriume ja nendega seotud kõige laialdasem alt kasutatavaid kromatograafiatüüpe.
Eluendi ja sorbendi agregatsiooni olek
Selle alusel jagatakse kromatograafia vedelikuks ja gaasiks. Meetodite nimed kajastavad liikuva faasi olekut.
Kasutatakse vedelikkromatograafiatmakromolekulaarsete, sealhulgas bioloogiliselt oluliste ühendite segude eraldamise protsessides. Sõltuv alt sorbendi agregatsiooniastmest jagatakse see vedelik-vedel- ja vedel-tahke faasiks.
Gaasikromatograafiat on järgmist tüüpi:
- Gaasi adsorptsioon (gaas-tahkefaas), mis kasutab tahket sorbenti, nagu kivisüsi, silikageeli, tseoliite või poorseid polümeere. Inertgaas (argoon, heelium), lämmastik, süsinikdioksiid toimib eluendina - eraldatava segu kandjana. Segu lenduvate komponentide eraldamine toimub nende erineva adsorptsiooniastme tõttu.
- Gaas-vedelik. Statsionaarne faas koosneb sel juhul vedelast kilest, mis on ladestunud tahkele inertsele alusele. Proovi komponendid eraldatakse vastav alt nende adsorbeeruvusele või lahustuvusele.
Gaasikromatograafiat kasutatakse laialdaselt orgaaniliste ühendite segude analüüsimiseks (kasutades nende lagunemissaadusi või derivaate gaasilises vormis).
Sorbendi ja sorbaatide koostoime
Selle kriteeriumi järgi eristatakse järgmisi tüüpe:
- Adsorptsioonikromatograafia, mille kaudu segud eraldatakse ainete adsorptsiooniastme erinevuste tõttu liikumatu sorbendi poolt.
- Levitamine. Tema abiga toimub eraldamine segu komponentide erineva lahustuvuse alusel. Lahustumine toimub kas liikuvas ja statsionaarses faasis (vedelikkromatograafias) või ainult statsionaarses faasis (gaas-vedelikkromatograafia).
- Sette. See kromatograafiameetod põhineb eraldatavate ainete moodustunud sademete erineval lahustuvusel.
- Väljajätmine ehk geelkromatograafia. See põhineb molekulide suuruse erinevusel, mille tõttu on erinev nende võime tungida sorbendi, nn geelmaatriksi, pooridesse.
- Afiin. See spetsiifiline meetod, mis põhineb eraldatud lisandite biokeemilisel interaktsioonil ligandiga, mis moodustab statsionaarses faasis inertse kandjaga kompleksse ühendi. See meetod on efektiivne valgu-ensüümide segude eraldamisel ja on levinud biokeemias.
- Ioonivahetus. Proovi eraldustegurina kasutab see meetod segu komponentide ioonivahetuse võime erinevust statsionaarse faasiga (ioonivaheti). Protsessi käigus asenduvad statsionaarse faasi ioonid eluendi koostises olevate ainete ioonidega, kusjuures viimaste erinevast afiinsusest ioonivaheti suhtes tekib erinevus nende liikumise kiiruses ja seega segu eraldatakse. Statsionaarse faasi jaoks kasutatakse kõige sagedamini ioonvahetusvaikusid – spetsiaalseid sünteetilisi polümeere.
Ioonivahetuskromatograafial on kaks võimalust – vastav alt anioonne (säilitab negatiivsed ioonid) ja katioonne (säilitab positiivsed ioonid). Seda meetodit kasutatakse äärmiselt laialdaselt: elektrolüütide, haruldaste muldmetallide ja transuraani elementide eraldamisel, vee puhastamisel, ravimite analüüsimisel.
Tehnikameetodite erinevus
Proov liigub statsionaarse faasi suhtes kahel peamisel viisil:
- Kolonkromatograafia teostab eraldusprotsessi spetsiaalses seadmes - kromatograafilises kolonnis - torus, mille siseõõnsusse asetatakse liikumatu sorbent. Täitmismeetodi järgi jaotatakse kolonnid kahte tüüpi: pakitud (nn pakitud) ja kapillaarsed, mille pinnale kantakse tahke sorbendi kiht või statsionaarse faasi vedel kile. sisesein. Pakitud sambad võivad olla erineva kujuga: sirged, U-kujulised, spiraalsed. Kapillaarsambad on spiraalsed.
- Tasapinnaline (tasapinnaline) kromatograafia. Sel juhul saab statsionaarse faasi kandjana kasutada spetsiaalset paberit või plaati (metall, klaas või plast), millele ladestatakse õhuke sorbendi kiht. Sel juhul nimetatakse kromatograafiameetodit vastav alt paber- või õhekihikromatograafiaks.
Erinev alt kolonnmeetodist, kus kromatograafilisi kolonne kasutatakse korduv alt, saab tasapinnalises kromatograafias mis tahes sorbendikihiga kandjat kasutada ainult üks kord. Eraldusprotsess toimub siis, kui plaat või paberileht sukeldatakse eluendiga anumasse.
Eluendi sisestamine ja ülekandmine
See tegur määrab kromatograafiliste tsoonide liikumise olemuse piki sorbendikihti, mis moodustuvad segu eraldamisel. Eluendi kohaletoimetamise viisid on järgmised:
- Ees. See meetod on kõige lihtsamteostamise tehnikat. Liikuvaks faasiks on otse proov ise, mis juhitakse pidev alt sorbendiga täidetud kolonni. Sel juhul liigub teistest halvemini adsorbeerunud komponent kõige vähem säilinud komponent mööda sorbenti teistest kiiremini. Selle tulemusena saab puhtal kujul eraldada ainult selle esimese komponendi, millele järgnevad komponentide segusid sisaldavad tsoonid. Näidisjaotus näeb välja selline: A; A+B; A+B+C ja nii edasi. Frontaalkromatograafia ei ole seega kasulik segude eraldamiseks, kuid see on tõhus mitmesugustes puhastusprotsessides, eeldusel, et isoleeritaval ainel on madal retentsioon.
- Väljatõrjumise meetod erineb selle poolest, et pärast eraldatavasse segusse sisenemist juhitakse kolonni spetsiaalse tõrjujaga eluent – aine, mida iseloomustab suurem sorbeeritavus kui segu mis tahes komponendil. See tõrjub välja enim säilinud komponendi, mis tõrjub välja järgmise jne. Proov liigub mööda kolonni nihutaja kiirusega ja moodustab külgnevad kontsentratsioonipiirkonnad. Seda tüüpi kromatograafiaga saab iga komponendi eraldi vedelal kujul saada kolonni väljalaskeava juures.
- Kõige levinum on eluendi (agendamise) meetod. Erinev alt tõrjumismeetodist on eluendil (kandjal) sel juhul väiksem sorbeerivus kui proovi komponentidel. Seda lastakse pidev alt läbi sorbendikihi, pestes seda. Perioodiliselt, portsjonitena (impulsidena), juhitakse eraldatav segu eluendi voolu, misjärel juhitakse puhas eluent uuesti. Väljapesemisel (elueerimisel) komponendid eraldatakse,pealegi on nende kontsentratsioonipiirkonnad eraldatud eluenditsoonidega.
Eluendikromatograafia võimaldab analüüsitud ainete segu peaaegu täielikult eraldada ja segu võib olla mitmekomponentne. Samuti on selle meetodi eelisteks komponentide üksteisest eraldamine ja segu kvantitatiivse analüüsi lihtsus. Puudused hõlmavad suurt eluendi tarbimist ja proovi komponentide väikest kontsentratsiooni selles pärast eraldamist kolonni väljalaskeavas. Eluendimeetodit kasutatakse laialdaselt nii gaasi- kui ka vedelikkromatograafias.
Kromatograafilised protsessid olenev alt eesmärkidest
Kromatograafia eesmärkide erinevus võimaldab eristada selliseid meetodeid nagu analüütiline, preparatiivne ja tööstuslik.
Analüütilise kromatograafia abil viiakse läbi segude kvalitatiivne ja kvantitatiivne analüüs. Proovi komponentide analüüsimisel lähevad need kromatograafi kolonnist väljudes detektorisse - seadmesse, mis on tundlik eluendis oleva aine kontsentratsiooni muutuste suhtes. Aega, mis kulub proovi kolonni viimisest kuni aine maksimaalse tippkontsentratsioonini detektoril, nimetatakse retentsiooniajaks. Eeldusel, et kolonni temperatuur ja eluendi kiirus on konstantsed, on see väärtus iga aine puhul konstantne ja see on segu kvalitatiivse analüüsi aluseks. Kvantitatiivne analüüs viiakse läbi kromatogrammi üksikute piikide pindala mõõtmisega. Analüütilises kromatograafias kasutatakse reeglina eluentmeetodit.
Preparatiivse kromatograafia eesmärk on eraldada segust puhtad ained. Ettevalmistavad veerud on palju suuremadläbimõõt kui analüütiline.
Tööstuslikku kromatograafiat kasutatakse esiteks suures koguses konkreetses tootmises vajalike puhaste ainete saamiseks. Teiseks on see tehnoloogiliste protsesside kaasaegsete juhtimis- ja reguleerimissüsteemide oluline osa.
Tööstuslikul kromatograafil on ühe või teise komponendi kontsentratsiooni skaala ning see on varustatud anduri, samuti juhtimis- ja registreerimissüsteemidega. Proovid edastatakse sellistesse kromatograafidesse automaatselt teatud sagedusega.
Multifunktsionaalsed kromatograafiaseadmed
Kaasaegsed kromatograafid on keerukad kõrgtehnoloogilised seadmed, mida saab kasutada erinevates valdkondades ja erinevatel eesmärkidel. Need seadmed võimaldavad analüüsida keerukaid mitmekomponentseid segusid. Need on varustatud laia valiku detektoritega: soojusjuhtivusmeetrilised, optilised, ionisatsiooni-, massispektromeetrilised ja nii edasi.
Lisaks kasutab kaasaegne kromatograafia kromatogrammide analüüsiks ja töötlemiseks automaatseid juhtimissüsteeme. Juhtimist saab teostada arvutist või otse seadmest.
Sellise seadme näiteks on multifunktsionaalne gaasikromatograaf "Crystal 5000". Sellel on neljast vahetatavast detektorist koosnev komplekt, kolonni termostaat, elektroonilised rõhu- ja voolujuhtimissüsteemid ning gaasiventiili juhtseadmed. Erinevate probleemide lahendamiseks on seadmelvõimalus paigaldada nii pakitud kui ka kapillaarkolonne.
Kromatograafi juhitakse täisfunktsionaalse klaviatuuri ja juhtkuva abil või (teises modifikatsioonis) personaalarvutist. Seda uue põlvkonna seadet saab tõhus alt kasutada tootmises ja erinevates uurimislaborites: meditsiini-, kohtuekspertiisi-, keskkonna-.
Kõrgsurvekromatograafia
Vedelkolonnkromatograafia läbiviimist iseloomustab protsessi üsna pikk kestus. Vedela eluendi liikumise kiirendamiseks kasutatakse liikuva faasi varustamist kolonni rõhu all. Seda kaasaegset ja paljutõotavat meetodit nimetatakse kõrgsurvevedelikkromatograafia (HPLC) meetodiks.
HPLC vedelikkromatograafi pumpamissüsteem väljastab eluenti konstantsel kiirusel. Välja töötatud sisselaskerõhk võib ulatuda 40 MPa-ni. Arvutijuhtimine võimaldab muuta liikuva faasi koostist vastav alt etteantud programmile (seda elueerimismeetodit nimetatakse gradiendiks).
HPLC-d saab kasutada sorbendi ja sorbaadi interaktsiooni olemusest lähtuv alt erinevaid meetodeid: jaotus, adsorptsioon, suuruse välistamine, ioonivahetuskromatograafia. Kõige tavalisem HPLC tüüp on pöördfaasi meetod, mis põhineb polaarse (vesipõhise) liikuva faasi ja mittepolaarse sorbendi (nt silikageeli) hüdrofoobsel vastasmõjul.
Meetodit kasutatakse laialdaselt eraldamiseks, analüüsimiseks,mittelenduvate, termiliselt ebastabiilsete ainete kvaliteedikontroll, mida ei saa muuta gaasiliseks. Need on agrokemikaalid, ravimid, toidukomponendid ja muud komplekssed ained.
Kromatograafiauuringute tähtsus
Erinevates valdkondades kasutatakse laialdaselt erinevaid kromatograafia tüüpe:
- anorgaaniline keemia;
- naftakeemia ja kaevandamine;
- biokeemia;
- meditsiin ja farmaatsia;
- toidutööstus;
- ökoloogia;
- kriminoloogia.
See loetelu on mittetäielik, kuid kajastab tööstusharusid, mis ei saa hakkama ilma kromatograafiliste analüüsi-, eraldamis- ja ainete puhastamismeetoditeta. Kõigis kromatograafia rakendusvaldkondades alates teaduslaboritest kuni tööstusliku tootmiseni suureneb nende meetodite roll veelgi, kuna võetakse kasutusele kaasaegsed tehnoloogiad infotöötluseks, keerukate protsesside haldamiseks ja juhtimiseks.
