Daar is baie verskillende metodes om die samestelling te ontleed en die eienskappe van verskeie verbindings en mengsels van stowwe te bestudeer. Een so 'n metode is chromatografie. Die outeurskap in die uitvinding en toepassing van die metode behoort aan die Russiese plantkundige M. S. Tsvet, wat aan die begin van die 20ste eeu die skeiding van plantpigmente uitgevoer het.
Definisie en grondbeginsels van die metode
Chromatografie is 'n fisies-chemiese metode om mengsels te skei en hul komponente te bepaal, gebaseer op die verspreiding tussen die mobiele en stilstaande fases van die stowwe waaruit die mengsel (monster) bestaan. Die stilstaande fase is 'n poreuse vaste stof - 'n sorbens. Dit kan ook 'n vloeibare film wees wat op 'n soliede oppervlak neergelê word. Die mobiele fase - die eluent - moet langs die stilstaande fase beweeg of daardeur vloei, gefiltreer deur die sorbent.
Die essensie van chromatografie is dat verskillende komponente van 'n mengsel noodwendig gekenmerk word deur verskillende eienskappe, soos molekulêre gewig, oplosbaarheid, adsorbeerbaarheid, ensovoorts. Daarom is die tempo van interaksie van die komponente van die mobiele fase - sorbate - met die stilstaandeis nie dieselfde nie. Dit lei tot 'n verskil in die snelhede van die molekules van die mengsel relatief tot die stilstaande fase, waardeur die komponente geskei en gekonsentreer word in verskillende sones van die sorbens. Sommige van hulle verlaat die sorbens saam met die mobiele fase - dit is die sogenaamde onbehoue komponente.
'n Spesiale voordeel van chromatografie is dat dit jou toelaat om vinnig komplekse mengsels van stowwe te skei, insluitend dié met soortgelyke eienskappe.
Metodes vir die klassifikasie van tipes chromatografie
Die metodes wat in die ontleding gebruik word, kan volgens verskeie kriteria geklassifiseer word. Die hoofstel van sulke kriteria is soos volg:
- aggregeerde toestand van stilstaande en mobiele fases;
- fisiese en chemiese aard van die interaksie van die sorbent en sorbate;
- hoe om eluent in te voer en dit te skuif;
- metode van plasing van die stilstaande fase, d.w.s. chromatografietegniek;
- chromatografieteikens.
Boonop kan metodes gebaseer word op die verskillende aard van die sorpsieproses, op die tegniese toestande van die chromatografiese skeiding (byvoorbeeld, lae of hoë druk).
Kom ons kyk noukeuriger na bogenoemde hoofkriteria en die mees gebruikte tipes chromatografie wat daarmee geassosieer word.
Eluent- en sorberende toestand van aggregasie
Op hierdie basis word chromatografie in vloeistof en gas verdeel. Metodename weerspieël die toestand van die mobiele fase.
Vloeistofchromatografie is 'n tegniek wat gebruik wordin die prosesse van skeiding van mengsels van makromolekulêre verbindings, insluitend biologies belangrike. Afhangende van die toestand van aggregasie van die sorbent, word dit in vloeistof-vloeistof en vloeistof-vaste fase verdeel.
Gaschromatografie is van die volgende tipes:
- Gasadsorpsie (gas-vaste fase), wat 'n vaste absorpsiemiddel gebruik, soos steenkool, silikagel, seoliete of poreuse polimere. 'n Inerte gas (argon, helium), stikstof, koolstofdioksied dien as 'n eluent - 'n draer van die mengsel wat geskei moet word. Die skeiding van die vlugtige komponente van die mengsel word uitgevoer as gevolg van die verskillende mate van hul adsorpsie.
- Gas-vloeistof. Die stilstaande fase in hierdie geval bestaan uit 'n vloeibare film wat op 'n soliede inerte basis neergelê is. Monsterkomponente word geskei volgens hul adsorbeerbaarheid of oplosbaarheid.
Gaschromatografie word wyd gebruik vir die ontleding van mengsels van organiese verbindings (met die gebruik van hul ontbindingsprodukte of afgeleides in gasvorm).
Interaksie tussen sorbent en sorbate
Volgens hierdie maatstaf word sulke tipes onderskei soos:
- Adsorpsie-chromatografie, waardeur mengsels geskei word as gevolg van verskille in die mate van adsorpsie van stowwe deur 'n onbeweeglike sorbens.
- Verspreiding. Met sy hulp word skeiding uitgevoer op grond van verskillende oplosbaarheid van die komponente van die mengsel. Ontbinding vind óf in die mobiele en stilstaande fases (in vloeistofchromatografie) óf slegs in die stilstaande fase (in gas-vloeistof) plaaschromatografie).
- Sedimentêr. Hierdie chromatografiemetode is gebaseer op die verskillende oplosbaarheid van die gevormde neerslae van die stowwe wat geskei moet word.
- Uitsluiting, of gelchromatografie. Dit is gebaseer op die verskil in die grootte van molekules, waardeur hul vermoë om in die porieë van die sorbens, die sogenaamde jelmatriks, binne te dring, verskil.
- Affine. Hierdie spesifieke metode, wat gebaseer is op 'n spesiale tipe biochemiese interaksie van geskeide onsuiwerhede met 'n ligand wat 'n komplekse verbinding met 'n inerte draer in die stilstaande fase vorm. Hierdie metode is effektief om mengsels van proteïen-ensieme te skei en is algemeen in biochemie.
- Ioonuitruiling. As 'n monsterskeidingsfaktor gebruik hierdie metode die verskil in die vermoë van die komponente van die mengsel om te ioonuitruil met die stilstaande fase (ioonruiler). Tydens die proses word die ione van die stilstaande fase vervang deur ione van stowwe in die samestelling van die eluent, terwyl as gevolg van die verskillende affiniteit van laasgenoemde tot die ioonwisselaar, 'n verskil in die spoed van hul beweging ontstaan, en dus die mengsel geskei word. Vir die stilstaande fase word ioonuitruilharse meestal gebruik - spesiale sintetiese polimere.
Ioonuitruilchromatografie het twee opsies - anionies (behou negatiewe ione) en katioon (behou positiewe ione, onderskeidelik). Hierdie metode word uiters wyd gebruik: in die skeiding van elektroliete, seldsame aarde en transuraanelemente, in watersuiwering, in die ontleding van geneesmiddels.
Die verskil in metodes van tegniek
Daar is twee hoof maniere waarop die monster beweeg relatief tot die stilstaande fase:
- Kolomchromatografie voer die skeidingsproses uit in 'n spesiale toestel - 'n chromatografiese kolom - 'n buis, in die binneholte waarvan 'n onbeweegbare sorbens geplaas word. Volgens die vulmetode word die kolomme in twee tipes verdeel: gepak (die sogenaamde "verpakte") en kapillêre, waarin 'n laag van 'n vaste absorpsiemiddel of 'n vloeibare film van die stilstaande fase op die oppervlak van die binnemuur. Gepakte kolomme kan verskillende vorms hê: reguit, U-vormig, spiraal. Kapillêre kolomme is helies.
- Planêre (planêre) chromatografie. In hierdie geval kan spesiale papier of 'n bord (metaal, glas of plastiek) as 'n draer vir die stilstaande fase gebruik word, waarop 'n dun lagie sorbens neergelê word. In hierdie geval word na die chromatografiemetode verwys as onderskeidelik papier- of dunlaagchromatografie.
Anders as die kolommetode, waar chromatografiese kolomme herhaaldelik gebruik word, in planêre chromatografie, kan enige draer met 'n sorberende laag slegs een keer gebruik word. Die skeidingsproses vind plaas wanneer 'n bord of vel papier in 'n houer met eluent gedompel word.
Inleiding en oordrag van eluent
Hierdie faktor bepaal die aard van die beweging van die chromatografiese sones langs die sorberende laag, wat tydens die skeiding van die mengsel gevorm word. Daar is die volgende eluent afleweringsmetodes:
- Voor. Hierdie metode is die eenvoudigsteuitvoering tegniek. Die mobiele fase is direk die monster self, wat voortdurend in die kolom gevoer word wat met die sorbens gevul is. In hierdie geval beweeg die komponent wat die minste behou is, slegter geadsorbeer as ander, vinniger langs die sorbent as die ander. Gevolglik kan slegs hierdie eerste komponent in suiwer vorm geïsoleer word, gevolg deur sones wat mengsels van komponente bevat. Die steekproefverspreiding lyk soos volg: A; A+B; A+B+C en so aan. Frontale chromatografie is dus nie bruikbaar om mengsels te skei nie, maar dit is effektief in verskeie suiweringsprosesse, mits die stof wat geïsoleer moet word lae retensie het.
- Die verplasingsmetode verskil in die sin dat nadat dit in die mengsel ingegaan het wat geskei moet word, 'n eluent met 'n spesiale verdringer in die kolom gevoer word - 'n stof wat gekenmerk word deur 'n groter sorbeerbaarheid as enige van die komponente van die mengsel. Dit verplaas die mees behoue komponent, wat die volgende een verplaas, ensovoorts. Die monster beweeg langs die kolom teen die spoed van die verplaser en vorm aangrensende konsentrasiesones. Met hierdie tipe chromatografie kan elke komponent individueel in vloeibare vorm by die uitlaat van die kolom verkry word.
- Die eluent (ontwikkel) metode is die algemeenste. In teenstelling met die verplasingsmetode, het die eluent (draer) in hierdie geval 'n laer sorbeerbaarheid as die monsterkomponente. Dit word voortdurend deur die sorberende laag gevoer en dit gewas. Die mengsel wat geskei moet word, word periodiek in porsies (pulse) in die eluentvloei ingebring, waarna die suiwer eluent weer gevoer word. Wanneer uitwas (eluering), word die komponente geskei,boonop word hul konsentrasiesones geskei deur eluentsones.
Eluentchromatografie maak dit moontlik om die geanaliseerde mengsel van stowwe byna heeltemal te skei, en die mengsel kan multikomponent wees. Die voordele van hierdie metode is ook die isolasie van die komponente van mekaar en die eenvoud van die kwantitatiewe ontleding van die mengsel. Die nadele sluit in 'n hoë verbruik van eluent en 'n lae konsentrasie van monsterkomponente daarin na skeiding by die kolomuitlaat. Die eluentmetode word wyd gebruik in beide gas- en vloeistofchromatografie.
Chromatografiese prosesse afhangende van die doeleindes
Die verskil in chromatografie-doelwitte maak dit moontlik om metodes soos analitiese, preparatiewe en industriële te onderskei.
Deur middel van analitiese chromatografie word kwalitatiewe en kwantitatiewe ontleding van mengsels uitgevoer. Wanneer die monsterkomponente ontleed word, wanneer hulle die kolom van die chromatograaf verlaat, gaan hulle na die detektor - 'n toestel wat sensitief is vir veranderinge in die konsentrasie van 'n stof in die eluent. Die tyd wat verloop het vanaf die oomblik dat die monster in die kolom geplaas word totdat die maksimum piekkonsentrasie van die stof op die detektor die retensietyd genoem word. Met dien verstande dat die kolomtemperatuur en die eluenttempo konstant is, is hierdie waarde konstant vir elke stof en dien dit as basis vir 'n kwalitatiewe ontleding van die mengsel. Kwantitatiewe analise word uitgevoer deur die oppervlakte van individuele pieke in die chromatogram te meet. As 'n reël word die eluentmetode in analitiese chromatografie gebruik.
Preparatiewe chromatografie het ten doel om suiwer stowwe uit 'n mengsel te isoleer. Voorbereidende kolomme het 'n veel groterdeursnee as analities.
Industriële chromatografie word eerstens gebruik om groot hoeveelhede suiwer stowwe te verkry wat nodig is in 'n spesifieke produksie. Tweedens is dit 'n belangrike deel van moderne beheer- en reguleringstelsels vir tegnologiese prosesse.
Industriële chromatograaf het 'n konsentrasieskaal van een of ander komponent en is toegerus met 'n sensor, sowel as beheer- en registrasiestelsels. Monsters word outomaties met 'n sekere frekwensie by sulke chromatograwe afgelewer.
Multifunksionele Chromatografie-toerusting
Moderne chromatograwe is komplekse hoëtegnologie-toestelle wat in 'n verskeidenheid velde en vir verskeie doeleindes gebruik kan word. Hierdie toestelle maak dit moontlik om komplekse multikomponentmengsels te ontleed. Hulle is toegerus met 'n wye reeks detektors: termiese konduktometriese, optiese, ionisasie, massaspektrometriese ensovoorts.
Boonop gebruik moderne chromatografie outomatiese beheerstelsels vir die ontleding en verwerking van chromatogramme. Beheer kan vanaf 'n rekenaar of direk vanaf die toestel uitgevoer word.
'n Voorbeeld van so 'n toestel is die multifunksionele gaschromatograaf "Crystal 5000". Dit het 'n stel van vier vervangbare detektors, 'n kolomtermostaat, elektroniese druk- en vloeibeheerstelsels en gasklepkontroles. Om verskeie probleme op te los, het die toesteldie vermoë om beide gepakte en kapillêre kolomme te installeer.
Die chromatograaf word beheer met 'n volledige sleutelbord en beheerskerm of (in 'n ander wysiging) vanaf 'n persoonlike rekenaar. Hierdie nuwe generasie toestel kan effektief in produksie en in verskeie navorsingslaboratoriums gebruik word: medies, forensies, omgewings.
Hoëdrukchromatografie
Die uitvoer van vloeistofkolomchromatografie word gekenmerk deur 'n taamlik lang duur van die proses. Om die beweging van die vloeibare eluent te versnel, word die toevoer van die mobiele fase na die kolom onder druk gebruik. Hierdie moderne en baie belowende metode word die hoëwerkverrigting vloeistofchromatografie (HPLC) metode genoem.
Die HPLC-vloeistofchromatograaf se pompstelsel lewer eluent teen 'n konstante tempo. Die ontwikkelde inlaatdruk kan 40 MPa bereik. Rekenaarbeheer maak dit moontlik om die samestelling van die mobiele fase volgens 'n gegewe program te verander (hierdie metode van eluering word gradiënt genoem).
HPLC kan verskeie metodes gebruik word gebaseer op die aard van die interaksie van die sorbent en sorbaat: verspreiding, adsorpsie, grootte-uitsluiting, ioonuitruilchromatografie. Die mees algemene tipe HPLC is die omgekeerde-fase metode, gebaseer op die hidrofobiese interaksie van 'n polêre (waterige) mobiele fase en 'n nie-polêre absorpsiemiddel, soos silikagel.
Die metode word wyd gebruik vir skeiding, ontleding,geh altebeheer van nie-vlugtige, termies onstabiele stowwe wat nie in 'n gasvormige toestand omgeskakel kan word nie. Dit is landbouchemikalieë, medisyne, voedselkomponente en ander komplekse stowwe.
Die belangrikheid van chromatografiestudies
Verskillende tipes chromatografie word wyd gebruik in verskeie velde:
- anorganiese chemie;
- petrochemikalieë en mynbou;
- biochemie;
- medisyne en farmaseutiese produkte;
- voedselbedryf;
- ekologie;
- kriminologie.
Hierdie lys is onvolledig, maar weerspieël die dekking van nywerhede wat nie sonder chromatografiese metodes van ontleding, skeiding en suiwering van stowwe kan klaarkom nie. In alle areas van toepassing van chromatografie, van wetenskaplike laboratoriums tot industriële produksie, neem die rol van hierdie metodes selfs meer toe namate moderne tegnologieë vir inligtingverwerking, bestuur en beheer van komplekse prosesse bekendgestel word.
