Existuje mnoho různých metod pro analýzu složení a studium vlastností různých sloučenin a směsí látek. Jednou z takových metod je chromatografie. Autorství na vynálezu a aplikaci metody patří ruskému botanikovi M. S. Tsvetovi, který na počátku 20. století prováděl separaci rostlinných pigmentů.
Definice a základy metody
Chromatografie je fyzikálně-chemická metoda pro separaci směsí a stanovení jejich složek, založená na rozdělení mezi mobilní a stacionární fázi látek, které tvoří směs (vzorek). Stacionární fáze je porézní pevná látka - sorbent. Může to být i tekutý film nanesený na pevný povrch. Mobilní fáze – eluent – se musí pohybovat podél stacionární fáze nebo přes ni protékat, přičemž je filtrována sorbentem.
Podstatou chromatografie je, že různé složky směsi se nutně vyznačují různými vlastnostmi, jako je molekulová hmotnost, rozpustnost, adsorbovatelnost a tak dále. Proto rychlost interakce složek mobilní fáze - sorbátů - se stacionárníTo není to samé. To vede k rozdílu v rychlostech molekul směsi vůči stacionární fázi, v důsledku čehož dochází k separaci a koncentraci složek v různých zónách sorbentu. Některé z nich opouštějí sorbent spolu s mobilní fází - jedná se o tzv. nezadržené složky.
Zvláštní výhodou chromatografie je, že umožňuje rychle oddělit složité směsi látek, včetně těch s podobnými vlastnostmi.
Metody pro klasifikaci typů chromatografie
Metody použité v analýze lze klasifikovat podle různých kritérií. Hlavní soubor těchto kritérií je následující:
- souhrnný stav stacionární a mobilní fáze;
- fyzikální a chemická povaha interakce sorbentu a sorbátů;
- jak zavést eluent a přesunout jej;
- způsob umístění stacionární fáze, tj. chromatografická technika;
- chromatografické cíle.
Metody mohou být navíc založeny na různé povaze sorpčního procesu, na technických podmínkách chromatografické separace (například nízký nebo vysoký tlak).
Pojďme se blíže podívat na výše uvedená hlavní kritéria as nimi spojené nejpoužívanější typy chromatografie.
Stav agregace eluentu a sorbentu
Na tomto základě se chromatografie dělí na kapalinovou a plynovou. Názvy metod odrážejí stav mobilní fáze.
Použitá technika je kapalinová chromatografiev procesech separace směsí makromolekulárních sloučenin včetně biologicky významných. Podle stavu agregace se sorbent dělí na fáze kapalina-kapalina a kapalina-pevná fáze.
Plynová chromatografie je následujících typů:
- Adsorpce plynu (plyn-pevná fáze), která využívá pevný sorbent, jako je uhlí, silikagel, zeolity nebo porézní polymery. Inertní plyn (argon, helium), dusík, oxid uhličitý působí jako eluent - nosič separované směsi. Separace těkavých složek směsi se provádí z důvodu různého stupně jejich adsorpce.
- Plyn-kapalina. Stacionární fáze je v tomto případě tvořena kapalným filmem naneseným na pevné inertní bázi. Složky vzorku jsou odděleny podle jejich adsorbovatelnosti nebo rozpustnosti.
Plynová chromatografie je široce používána pro analýzu směsí organických sloučenin (s využitím produktů jejich rozkladu nebo derivátů v plynné formě).
Interakce mezi sorbentem a sorbáty
Podle tohoto kritéria se rozlišují tyto typy:
- Adsorpční chromatografie, pomocí které se separují směsi kvůli rozdílům ve stupni adsorpce látek imobilním sorbentem.
- Distribuce. S jeho pomocí se provádí separace na základě různé rozpustnosti složek směsi. K rozpouštění dochází buď v mobilní a stacionární fázi (v kapalinové chromatografii), nebo pouze ve fázi stacionární (v plynokapaliněchromatografie).
- Sedimentární. Tato chromatografická metoda je založena na různé rozpustnosti vytvořených sraženin látek, které mají být separovány.
- Vyloučení nebo gelová chromatografie. Vychází z rozdílu ve velikosti molekul, díky kterému se mění jejich schopnost pronikat do pórů sorbentu, tzv. gelové matrice.
- Afinní. Tato specifická metoda, která je založena na speciálním typu biochemické interakce separovaných nečistot s ligandem, který tvoří komplexní sloučeninu s inertním nosičem ve stacionární fázi. Tato metoda je účinná při separaci směsí protein-enzymů a je běžná v biochemii.
- Iontová výměna. Jako separační faktor vzorku využívá tato metoda rozdíl ve schopnosti složek směsi k iontové výměně se stacionární fází (iontoměničem). Během procesu jsou ionty stacionární fáze nahrazovány ionty látek ve složení eluentu, přičemž v důsledku rozdílné afinity druhé k iontoměniči vzniká rozdíl v rychlosti jejich pohybu, a tím i směs se oddělí. Pro stacionární fázi se nejčastěji používají iontoměničové pryskyřice - speciální syntetické polymery.
Iontově výměnná chromatografie má dvě možnosti – aniontovou (zadržuje záporné ionty) a kationtovou (zadržuje kladné ionty). Tato metoda se používá extrémně široce: při separaci elektrolytů, prvků vzácných zemin a transuranu, při čištění vody, při analýze léčiv.
Rozdíl v metodách techniky
Existují dva hlavní způsoby, kterými se vzorek pohybuje vzhledem ke stacionární fázi:
- Sloupcová chromatografie provádí separační proces ve speciálním zařízení - chromatografická kolona - trubice, v jejíž vnitřní dutině je umístěn nepohyblivý sorbent. Podle způsobu plnění se kolony dělí na dva typy: náplně (tzv. "balené") a kapilární, u kterých je na povrch nanesena vrstva pevného sorbentu nebo kapalný film stacionární fáze. vnitřní stěna. Balené sloupy mohou mít různé tvary: rovné, ve tvaru U, spirály. Kapilární sloupce jsou spirálovité.
- Planární (planární) chromatografie. V tomto případě lze jako nosič stacionární fáze použít speciální papír nebo desku (kov, sklo nebo plast), na kterou je nanesena tenká vrstva sorbentu. V tomto případě se chromatografická metoda označuje jako papírová nebo tenkovrstvá chromatografie.
Na rozdíl od kolonové metody, kde se chromatografické kolony používají opakovaně, u planární chromatografie lze jakýkoli nosič s vrstvou sorbentu použít pouze jednou. K separačnímu procesu dochází, když je talíř nebo list papíru ponořen do nádoby s eluentem.
Zavedení a přenos eluentu
Tento faktor určuje charakter pohybu chromatografických zón po vrstvě sorbentu, které vznikají při separaci směsi. Existují následující způsoby dodání eluentu:
- Přední. Tato metoda je nejjednoduššítechnika provedení. Mobilní fází je přímo vlastní vzorek, který je kontinuálně přiváděn do kolony naplněné sorbentem. V tomto případě se nejméně zadržovaná složka, adsorbovaná hůře než ostatní, pohybuje po sorbentu rychleji než ostatní. Výsledkem je, že pouze tato první složka může být izolována v čisté formě, po níž následují zóny obsahující směsi složek. Distribuce vzorku vypadá takto: A; A+B; A+B+C a tak dále. Frontální chromatografie proto není užitečná pro separaci směsí, ale je účinná v různých procesech čištění za předpokladu, že látka, která má být izolována, má nízkou retenci.
- Metoda vytěsňování se liší tím, že po vstupu do separované směsi je do kolony přiváděn eluent se speciálním vytěsňovačem - látka vyznačující se větší sorbovatelností než kterákoli ze složek směsi. Přemístí nejvíce zadrženou součást, která přemístí další a tak dále. Vzorek se pohybuje po koloně rychlostí vytěsňovače a tvoří sousední zóny koncentrace. Při tomto typu chromatografie lze každou složku získat jednotlivě v kapalné formě na výstupu z kolony.
- Metoda eluentu (vyvíjecí) je nejběžnější. Na rozdíl od vytěsňovací metody má eluent (nosič) v tomto případě nižší sorbovatelnost než složky vzorku. Průběžně prochází vrstvou sorbentu a promývá ji. Periodicky, po částech (impulzích) se směs určená k separaci zavádí do proudu eluentu, načež se znovu přivádí čistý eluent. Při vymývání (eluci) se složky oddělí,navíc jsou jejich koncentrační zóny odděleny zónami eluentu.
Eluentní chromatografie umožňuje téměř úplně oddělit analyzovanou směs látek a směs může být vícesložková. Výhodou této metody je také vzájemná izolace složek a jednoduchost kvantitativní analýzy směsi. Mezi nevýhody patří vysoká spotřeba eluentu a nízká koncentrace složek vzorku v něm po separaci na výstupu z kolony. Metoda eluentu je široce používána v plynové i kapalinové chromatografii.
Chromatografické procesy v závislosti na účelu
Rozdíl v cílech chromatografie umožňuje rozlišit metody, jako jsou analytické, preparativní a průmyslové.
Prostřednictvím analytické chromatografie se provádí kvalitativní a kvantitativní analýza směsí. Při analýze složek vzorku, když opouštějí kolonu chromatografu, jdou do detektoru - zařízení, které je citlivé na změny koncentrace látky v eluentu. Doba, která uplyne od okamžiku zavedení vzorku do kolony do dosažení maximální maximální koncentrace látky na detektoru, se nazývá retenční čas. Za předpokladu, že teplota kolony a rychlost eluentu jsou konstantní, je tato hodnota konstantní pro každou látku a slouží jako základ pro kvalitativní analýzu směsi. Kvantitativní analýza se provádí měřením plochy jednotlivých píků v chromatogramu. V analytické chromatografii se zpravidla používá eluční metoda.
Preparativní chromatografie má za cíl izolovat čisté látky ze směsi. Přípravné kolony mají mnohem většíprůměr než analytický.
Průmyslová chromatografie se používá za prvé k získání velkého množství čistých látek potřebných v konkrétní výrobě. Za druhé je důležitou součástí moderních řídicích a regulačních systémů pro technologické procesy.
Průmyslový chromatograf má stupnici koncentrace jedné nebo druhé složky a je vybaven senzorem a také řídicími a registračními systémy. Vzorky jsou do takových chromatografů dodávány automaticky s určitou frekvencí.
Zařízení pro multifunkční chromatografii
Moderní chromatografy jsou komplexní technologicky vyspělá zařízení, která lze použít v různých oblastech a pro různé účely. Tato zařízení umožňují analyzovat složité vícesložkové směsi. Jsou vybaveny širokou škálou detektorů: tepelně konduktometrické, optické, ionizační, hmotnostně spektrometrické a tak dále.
Kromě toho moderní chromatografie využívá automatické kontrolní systémy pro analýzu a zpracování chromatogramů. Ovládání lze provádět z počítače nebo přímo ze zařízení.
Příkladem takového zařízení je multifunkční plynový chromatograf "Crystal 5000". Má sadu čtyř vyměnitelných detektorů, sloupcový termostat, elektronické systémy regulace tlaku a průtoku a ovládání plynových ventilů. K řešení různých problémů má zařízenímožnost instalovat jak náplňové, tak kapilární kolony.
Chromatograf je ovládán pomocí plnohodnotné klávesnice a ovládacího displeje nebo (v jiné modifikaci) z osobního počítače. Toto zařízení nové generace lze efektivně využít ve výrobě a v různých výzkumných laboratořích: lékařské, forenzní, ekologické.
Vysokotlaká chromatografie
Provádění kapalinové sloupcové chromatografie se vyznačuje poměrně dlouhou dobou trvání procesu. Pro urychlení pohybu kapalného eluentu se využívá přívod mobilní fáze do kolony pod tlakem. Tato moderní a velmi nadějná metoda se nazývá metoda vysokoúčinné kapalinové chromatografie (HPLC).
Perpací systém kapalinového chromatografu HPLC dodává eluent konstantní rychlostí. Vyvinutý vstupní tlak může dosáhnout 40 MPa. Počítačové řízení umožňuje měnit složení mobilní fáze podle daného programu (tato metoda eluce se nazývá gradient).
HPLC lze použít různými metodami založenými na povaze interakce sorbentu a sorbátu: distribuce, adsorpce, vylučování podle velikosti, iontoměničová chromatografie. Nejběžnějším typem HPLC je metoda s reverzní fází, založená na hydrofobní interakci polární (vodné) mobilní fáze a nepolárního sorbentu, jako je silikagel.
Metoda je široce používána pro separaci, analýzu,kontrola kvality netěkavých, tepelně nestabilních látek, které nelze převést do plynného skupenství. Jedná se o agrochemikálie, léky, složky potravin a další složité látky.
Význam chromatografických studií
V různých oblastech se široce používají různé typy chromatografie:
- anorganická chemie;
- petrochemie a těžba;
- biochemie;
- medicína a léčiva;
- potravinářský průmysl;
- ekologie;
- kriminologie.
Tento seznam je neúplný, ale odráží pokrytí průmyslových odvětví, která se neobejdou bez chromatografických metod analýzy, separace a čištění látek. Ve všech oblastech aplikace chromatografie, od vědeckých laboratoří až po průmyslovou výrobu, role těchto metod ještě narůstá, protože se zavádějí moderní technologie pro zpracování informací, řízení a řízení složitých procesů.
