Sok különböző módszer létezik a különféle vegyületek és anyagkeverékek összetételének elemzésére és tulajdonságainak tanulmányozására. Az egyik ilyen módszer a kromatográfia. A módszer feltalálásában és alkalmazásában a szerző M. S. Tsvet orosz botanikusé, aki a 20. század elején a növényi pigmentek szétválasztását végezte.
A módszer meghatározása és alapjai
A kromatográfia egy fizikai-kémiai módszer a keverékek elválasztására és komponenseik meghatározására, amely a keveréket (mintát) alkotó anyagok mozgó- és állófázisa közötti eloszláson alapul. Az állófázis porózus szilárd anyag - szorbens. Lehet szilárd felületre lerakott folyékony film is. A mozgófázisnak – az eluensnek – az állófázis mentén kell haladnia, vagy azon keresztül kell áramolnia, a szorbens által szűrve.
A kromatográfia lényege, hogy a keverék különböző komponenseit szükségszerűen különböző tulajdonságok jellemzik, mint például molekulatömeg, oldhatóság, adszorbeálhatóság stb. Ezért a mozgófázis komponenseinek - szorbátok - kölcsönhatásának sebessége az állórésszelnem ugyanaz. Ez a keverék molekuláinak sebességének különbségéhez vezet az állófázishoz képest, aminek eredményeként a komponensek elkülönülnek és a szorbens különböző zónáiban koncentrálódnak. Egy részük a mozgófázissal együtt távozik a szorbensből – ezek az úgynevezett nem visszatartott komponensek.
A kromatográfia különleges előnye, hogy lehetővé teszi összetett anyagkeverékek gyors szétválasztását, beleértve a hasonló tulajdonságokkal rendelkezőket is.
A kromatográfia típusainak osztályozási módszerei
Az elemzés során alkalmazott módszerek különféle szempontok szerint osztályozhatók. Az ilyen kritériumok fő készlete a következő:
- stacionárius és mozgófázisok összesített állapota;
- a szorbens és a szorbátok kölcsönhatásának fizikai és kémiai természete;
- hogyan kell bevezetni és mozgatni az eluenst;
- stacionárius fázis elhelyezésének módja, azaz kromatográfiás technika;
- kromatográfiai célok.
Ezenkívül a módszerek a szorpciós folyamat eltérő természetén, a kromatográfiás elválasztás technikai feltételein (például alacsony vagy nagy nyomáson) is alapulhatnak.
Nézzük meg közelebbről a fenti fő kritériumokat és a hozzájuk kapcsolódó legszélesebb körben használt kromatográfiás típusokat.
Eluens és szorbens aggregációs állapot
Ezen az alapon a kromatográfiát folyadékra és gázra osztják. A metódusnevek a mozgófázis állapotát tükrözik.
A folyadékkromatográfia egy alkalmazott technikaa makromolekuláris vegyületek keverékeinek elválasztási folyamataiban, beleértve a biológiailag fontosakat is. A szorbens aggregáltsági állapotától függően folyékony-folyékony és folyékony-szilárd fázisra oszlik.
A gázkromatográfia a következő típusú:
- Gázadszorpció (gáz-szilárd fázis), amely szilárd szorbenst, például szenet, szilikagélt, zeolitokat vagy porózus polimereket használ. Egy inert gáz (argon, hélium), nitrogén, szén-dioxid működik eluensként - a szétválasztandó keverék hordozójaként. A keverék illékony komponenseinek elválasztása adszorpciójuk eltérő mértéke miatt történik.
- Gáz-folyadék. Az állófázis ebben az esetben egy szilárd, inert alapra lerakott folyékony filmből áll. A minta komponenseit adszorbeálhatóságuk vagy oldhatóságuk szerint választják el.
A gázkromatográfiát széles körben használják szerves vegyületek keverékeinek elemzésére (a bomlástermékeik vagy gáznemű származékaik felhasználásával).
A szorbens és a szorbátok közötti kölcsönhatás
E kritérium szerint a következő típusokat különböztetjük meg:
- Adszorpciós kromatográfia, amelyen keresztül a keverékeket szétválasztják az anyagoknak egy mozdulatlan szorbens általi adszorpciós fokának különbségei miatt.
- Terjesztés. Segítségével az elválasztás a keverék komponenseinek eltérő oldhatósága alapján történik. Az oldódás vagy a mozgó és állófázisban (folyadékkromatográfiában), vagy csak az állófázisban (gáz-folyadékban) történikkromatográfia).
- Üdékes. Ez a kromatográfiás módszer az elválasztandó anyagok képződött csapadékának eltérő oldhatóságán alapul.
- Kizárás vagy gélkromatográfia. Ennek alapja a molekulák méretének különbsége, ami miatt változik a szorbens, az úgynevezett gélmátrix pórusaiba való behatolási képességük.
- Affin. Ez a specifikus módszer, amely az elválasztott szennyeződések speciális biokémiai kölcsönhatásán alapul egy ligandummal, amely az állófázisban inert hordozóval komplex vegyületet képez. Ez a módszer hatékony a fehérje-enzim keverékek szétválasztásában, és általános a biokémiában.
- Ioncsere. Ez a módszer mintaelválasztási tényezőként a keverék komponenseinek az állófázissal (ioncserélővel) való ioncserélő képességének különbségét használja fel. A folyamat során az állófázis ionjait az eluens összetételében lévő anyagok ionjai váltják fel, míg az utóbbiak ioncserélőhöz való eltérő affinitása miatt mozgási sebességükben eltérés keletkezik, és így a keveréket elválasztjuk. Az állófázishoz leggyakrabban ioncserélő gyantákat használnak - speciális szintetikus polimereket.
Az ioncserélő kromatográfiának két lehetősége van: anionos (megtartja a negatív ionokat) és kationos (megtartja a pozitív ionokat). Ezt a módszert rendkívül széles körben alkalmazzák: elektrolitok, ritkaföldfémek és transzurán elemek elválasztásában, víztisztításban, gyógyszerek elemzésében.
A technika módszereinek különbsége
Két fő módja van a minta mozgásának az állófázishoz képest:
- Az oszlopkromatográfia az elválasztási folyamatot egy speciális eszközben - kromatográfiás oszlopban - egy csőben végzi, melynek belső üregébe egy mozdíthatatlan szorbenst helyeznek el. A töltés módja szerint az oszlopokat két típusra osztják: töltött (ún. "csomagolt") és kapillárisra, amelyekben szilárd szorbens réteget vagy állófázisú folyékony filmréteget visznek fel az oszlop felületére. a belső fal. A csomagolt oszlopok különböző formájúak lehetnek: egyenesek, U-alakúak, spirálisak. A kapilláris oszlopok spirálisak.
- Planáris (sík) kromatográfia. Ebben az esetben speciális papír vagy lemez (fém, üveg vagy műanyag) használható az állófázis hordozójaként, amelyre vékony réteg szorbens kerül fel. Ebben az esetben a kromatográfiás módszert papír- vagy vékonyréteg-kromatográfiának nevezzük.
Eltérően az oszlopos módszertől, ahol a kromatográfiás oszlopokat ismételten használjuk, a planáris kromatográfiában bármely szorbens réteggel rendelkező hordozó csak egyszer használható. Az elválasztási folyamat akkor megy végbe, amikor egy tányért vagy papírlapot eluenst tartalmazó edénybe merítenek.
Eluálószer bevezetése és átvitele
Ez a tényező határozza meg a kromatográfiás zónák mozgásának jellegét a szorbens réteg mentén, amelyek a keverék elválasztása során keletkeznek. A következő eluens-adagolási módok léteznek:
- Elöl. Ez a módszer a legegyszerűbbvégrehajtási technika. A mozgófázis közvetlenül maga a minta, amelyet folyamatosan a szorbenssel töltött oszlopba táplálunk. Ebben az esetben a legkevésbé visszatartott, másoknál rosszabbul adszorbeált komponens gyorsabban mozog a szorbens mentén, mint a többi. Ennek eredményeként csak ez az első komponens izolálható tiszta formában, ezt követik a komponensek keverékét tartalmazó zónák. A minta eloszlása így néz ki: A; A+B; A+B+C és így tovább. A frontális kromatográfia ezért nem alkalmas keverékek szétválasztására, de hatásos különféle tisztítási eljárásokban, feltéve, hogy az izolálandó anyag visszatartása alacsony.
- A kiszorítási módszer abban különbözik, hogy az elválasztandó keverékbe való belépés után egy speciális kiszorítóval ellátott eluenst táplálunk be az oszlopba - egy olyan anyagot, amelyre a keverék bármely összetevőjénél nagyobb a szorbeálhatóság. Kiszorítja a leginkább megtartott komponenst, amely kiszorítja a következőt, és így tovább. A minta a kiszorító sebességével mozog az oszlop mentén, és szomszédos koncentrációs zónákat képez. Ezzel a típusú kromatográfiával minden komponens külön-külön folyékony formában nyerhető ki az oszlop kimeneténél.
- Az eluens (előhívó) módszer a legelterjedtebb. Ellentétben a kiszorításos módszerrel, az eluens (vivőanyag) ebben az esetben alacsonyabb szorbebilitású, mint a minta komponensei. Folyamatosan átvezetjük a szorbens rétegen, mosva azt. Időnként, részletekben (impulzusokban) az elválasztandó keveréket bevezetjük az eluensáramba, majd a tiszta eluenst újra betápláljuk. Kimosáskor (elúció) a komponensek szétválnak,sőt koncentrációs zónáikat eluens zónák választják el.
Az eluens-kromatográfia lehetővé teszi az elemzett anyagkeverék szinte teljes szétválasztását, és a keverék többkomponensű is lehet. A módszer előnye továbbá az összetevők egymástól való elkülönítése és a keverék mennyiségi elemzésének egyszerűsége. A hátrányok közé tartozik az eluens nagy fogyasztása és a mintakomponensek alacsony koncentrációja az oszlop kimeneténél történő elválasztás után. Az eluens módszert széles körben használják gáz- és folyadékkromatográfiában egyaránt.
Cromatográfiás eljárások a céloktól függően
A kromatográfiás célok különbsége lehetővé teszi az olyan módszerek megkülönböztetését, mint az analitikai, preparatív és ipari.
Analitikai kromatográfiával a keverékek kvalitatív és kvantitatív elemzését végzik el. A minta komponenseinek elemzésekor, amikor elhagyják a kromatográf oszlopát, a detektorhoz mennek - egy olyan eszközhöz, amely érzékeny az eluensben lévő anyag koncentrációjának változásaira. Retenciós időnek nevezzük azt az időt, amely a mintának az oszlopba való bevezetésétől az anyag detektoron a maximális csúcskoncentrációig eltelt. Feltéve, hogy az oszlop hőmérséklete és az eluens sebessége állandó, ez az érték minden anyag esetében állandó, és a keverék kvalitatív elemzésének alapjául szolgál. A kvantitatív elemzést a kromatogram egyes csúcsainak területének mérésével végezzük. Az analitikai kromatográfiában általában az eluens módszert használják.
A preparatív kromatográfia célja a tiszta anyagok izolálása a keverékből. Az előkészítő oszlopok sokkal nagyobbakátmérője, mint az analitikai.
Az ipari kromatográfiát elsősorban egy adott gyártáshoz szükséges nagy mennyiségű tiszta anyag előállítására használják. Másodszor, fontos része a technológiai folyamatok modern vezérlő- és szabályozási rendszereinek.
Az ipari kromatográfnak van egy koncentrációs skálája az egyik vagy másik komponenshez, és fel van szerelve érzékelővel, valamint vezérlő- és regisztrálórendszerekkel. A minták bizonyos gyakorisággal automatikusan eljutnak az ilyen kromatográfokhoz.
Többfunkciós kromatográfiás berendezés
A modern kromatográfok összetett, csúcstechnológiás eszközök, amelyek számos területen és különféle célokra használhatók. Ezek az eszközök lehetővé teszik összetett többkomponensű keverékek elemzését. Az érzékelők széles választékával vannak felszerelve: hővezetési, optikai, ionizációs, tömegspektrometriás és így tovább.
Ezenkívül a modern kromatográfia automatikus vezérlőrendszereket használ a kromatogramok elemzéséhez és feldolgozásához. A vezérlés végrehajtható számítógépről vagy közvetlenül a készülékről.
Példa erre az eszközre a "Crystal 5000" többfunkciós gázkromatográf. Négy cserélhető érzékelőből álló készlettel, oszloptermosztáttal, elektronikus nyomás- és áramlásszabályozó rendszerekkel, valamint gázszelep-vezérlőkkel rendelkezik. Különféle problémák megoldására a készülék rendelkezikcsomagolt és kapilláris oszlopok telepítésének képessége.
A kromatográf vezérlése teljes funkcionalitású billentyűzettel és vezérlőkijelzővel vagy (egy másik módosításban) személyi számítógépről történik. Ez az új generációs eszköz hatékonyan használható a gyártásban és különböző kutatólaboratóriumokban: orvosi, törvényszéki, környezetvédelmi.
Nagynyomású kromatográfia
A folyadékoszlopos kromatográfia elvégzését a folyamat meglehetősen hosszú időtartama jellemzi. A folyékony eluens mozgásának felgyorsítására a mozgófázis nyomás alatti oszlopba juttatását használjuk. Ezt a modern és nagyon ígéretes módszert nagy teljesítményű folyadékkromatográfiás (HPLC) módszernek nevezik.
A HPLC folyadékkromatográf szivattyúrendszere állandó sebességgel szállítja az eluenst. A kialakult bemeneti nyomás elérheti a 40 MPa-t. A számítógépes vezérlés lehetővé teszi a mozgófázis összetételének adott program szerinti megváltoztatását (ezt az elúciós módszert nevezzük gradiensnek).
A HPLC a szorbens és a szorbát kölcsönhatásának természetétől függően különféle módszereket alkalmazhat: eloszlás, adszorpció, méretkizárás, ioncserélő kromatográfia. A HPLC leggyakoribb típusa a fordított fázisú módszer, amely egy poláris (vizes) mozgófázis és egy nem poláris szorbens, például szilikagél hidrofób kölcsönhatásán alapul.
A módszert széles körben használják szétválasztásra, elemzésre,nem illékony, termikusan instabil, gáz halmazállapotúvá nem alakítható anyagok minőségellenőrzése. Ezek mezőgazdasági vegyszerek, gyógyszerek, élelmiszer-összetevők és egyéb összetett anyagok.
A kromatográfiás vizsgálatok fontossága
Különböző típusú kromatográfiákat széles körben alkalmaznak a különböző területeken:
- szervetlen kémia;
- petrolkémia és bányászat;
- biokémia;
- gyógyászat és gyógyszeripar;
- élelmiszeripar;
- ökológia;
- kriminológia.
Ez a lista nem teljes, de tükrözi azon iparágak lefedettségét, amelyek nem nélkülözhetik az anyagok kromatográfiás módszereit, szétválasztását és tisztítását. A kromatográfia minden alkalmazási területén, a tudományos laboratóriumoktól az ipari termelésig, ezeknek a módszereknek a szerepe még inkább növekszik, ahogy az információfeldolgozás, az összetett folyamatok kezelésének és vezérlésének modern technológiái is megjelennek.
