Postoji mnogo različitih metoda za analizu sastava i proučavanje svojstava raznih spojeva i smjesa tvari. Jedna takva metoda je kromatografija. Autorstvo za izum i primjenu metode pripada ruskom botaničaru M. S. Tsvetu, koji je početkom 20. stoljeća izvršio odvajanje biljnih pigmenata.
Definicija i osnove metode
Kromatografija je fizikalno-kemijska metoda za odvajanje smjesa i određivanje njihovih komponenti, temeljena na raspodjeli između pokretne i stacionarne faze tvari koje čine smjesu (uzorak). Stacionarna faza je porozna čvrsta tvar - sorbent. Također može biti tekući film natopljen na čvrstu površinu. Mobilna faza - eluent - mora se kretati uz stacionarnu fazu ili teći kroz nju, filtrirajući je sorbent.
Suština kromatografije je da različite komponente smjese nužno karakteriziraju različita svojstva, kao što su molekularna težina, topljivost, sposobnost adsorpcije i tako dalje. Stoga je stopa interakcije komponenti mobilne faze - sorbata - sa stacionarnomnije isto. To dovodi do razlike u brzinama molekula smjese u odnosu na stacionarnu fazu, zbog čega se komponente odvajaju i koncentriraju u različitim zonama sorbenta. Neki od njih napuštaju sorbent zajedno s mobilnom fazom - to su takozvane nezadržane komponente.
Posebna prednost kromatografije je ta što vam omogućuje brzo odvajanje složenih mješavina tvari, uključujući one sa sličnim svojstvima.
Metode za razvrstavanje vrsta kromatografije
Metode korištene u analizi mogu se klasificirati prema različitim kriterijima. Glavni skup takvih kriterija je sljedeći:
- agregatno stanje stacionarne i mobilne faze;
- fizička i kemijska priroda interakcije sorbenta i sorbata;
- kako uvesti eluent i premjestiti ga;
- metoda postavljanja stacionarne faze, tj. tehnika kromatografije;
- kromatografski ciljevi.
Osim toga, metode se mogu temeljiti na različitoj prirodi procesa sorpcije, na tehničkim uvjetima kromatografskog odvajanja (na primjer, niski ili visoki tlak).
Pogledajmo pobliže gornje glavne kriterije i najčešće korištene vrste kromatografije povezane s njima.
Eluent i sorbent stanje agregacije
Na osnovu toga, kromatografija se dijeli na tekuću i plinovitu. Nazivi metoda odražavaju stanje mobilne faze.
Tekuća kromatografija je tehnika koja se koristiu procesima odvajanja smjesa makromolekularnih spojeva, uključujući i one biološki važne. Ovisno o stanju agregacije sorbenta dijeli se na tekuće-tekuću i tekuće-krutu fazu.
Plinska kromatografija je sljedećih vrsta:
- Adsorpcija plina (plinska kruta faza), koja koristi čvrsti sorbent, kao što su ugljen, silikagel, zeoliti ili porozni polimeri. Inertni plin (argon, helij), dušik, ugljični dioksid djeluje kao eluens - nosač smjese koja se odvaja. Odvajanje hlapljivih komponenti smjese vrši se zbog različitog stupnja njihove adsorpcije.
- Plin-tekućina. Stacionarna faza se u ovom slučaju sastoji od tekućeg filma nanesenog na čvrstu inertnu podlogu. Komponente uzorka se odvajaju prema njihovoj adsorpciji ili topljivosti.
Plinska kromatografija se široko koristi za analizu smjesa organskih spojeva (koristeći njihove produkte raspadanja ili derivate u plinovitom obliku).
Interakcija između sorbenta i sorbata
Prema ovom kriteriju razlikuju se takve vrste kao:
- Adsorpcijska kromatografija, putem koje se smjese razdvajaju zbog razlika u stupnju adsorpcije tvari nepokretnim sorbentom.
- Distribucija. Uz njegovu pomoć, razdvajanje se provodi na temelju različite topljivosti komponenti smjese. Otapanje se događa ili u mobilnoj i stacionarnoj fazi (u tekućinskoj kromatografiji), ili samo u stacionarnoj fazi (u plinu i tekućinikromatografija).
- Sedimentni. Ova metoda kromatografije temelji se na različitoj topljivosti nastalih precipitata tvari koje se odvajaju.
- Izuzimanje ili gel kromatografija. Temelji se na razlici u veličini molekula, zbog čega varira njihova sposobnost prodiranja u pore sorbenta, tzv. gel matrice.
- Afino. Ova specifična metoda, koja se temelji na posebnom tipu biokemijske interakcije odvojenih nečistoća s ligandom koji tvori kompleksni spoj s inertnim nosačem u stacionarnoj fazi. Ova metoda je učinkovita u odvajanju mješavine proteina-enzima i uobičajena je u biokemiji.
- Ionska izmjena. Kao faktor odvajanja uzoraka, ova metoda koristi razliku u sposobnosti komponenti smjese za ionsku izmjenu sa stacionarnom fazom (ionski izmjenjivač). Tijekom procesa ioni stacionarne faze zamjenjuju se ionima tvari u sastavu eluensa, dok zbog različitog afiniteta potonjeg prema ionskom izmjenjivaču nastaje razlika u brzini njihovog kretanja, a time i smjesa se odvoji. Za stacionarnu fazu najčešće se koriste smole za ionsku izmjenu - specijalni sintetički polimeri.
Ion-izmjenjivačka kromatografija ima dvije opcije - anionsku (zadržava negativne ione) i kationsku (zadržava pozitivne ione, redom). Ova metoda se koristi izuzetno široko: u odvajanju elektrolita, rijetkih zemnih i transuranskih elemenata, u pročišćavanju vode, u analizi lijekova.
Razlika u metodama tehnike
Postoje dva glavna načina na koja se uzorak pomiče u odnosu na stacionarnu fazu:
- Kolonska kromatografija provodi proces razdvajanja u posebnom uređaju - kromatografskoj koloni - cijevi, u čiju se unutarnju šupljinu nalazi nepomični sorbent. Prema načinu punjenja kolone se dijele na dvije vrste: nabijene (tzv. "pakirane") i kapilarne, u kojima se na površinu nanosi sloj čvrstog sorbenta ili tekućeg filma stacionarne faze. unutarnji zid. Pakirani stupovi mogu imati različite oblike: ravni, u obliku slova U, spiralni. Kapilarni stupovi su spiralni.
- Planarna (planarna) kromatografija. U tom slučaju se kao nosač za stacionarnu fazu može koristiti poseban papir ili ploča (metalna, staklena ili plastična), na koju se nanosi tanak sloj sorbenta. U ovom slučaju, metoda kromatografije se naziva papirna ili tankoslojna kromatografija.
Za razliku od metode kolone, gdje se kromatografske kolone koriste više puta, u planarnoj kromatografiji, bilo koji nosač sa slojem sorbenta može se koristiti samo jednom. Proces odvajanja događa se kada se ploča ili list papira uroni u posudu s eluentom.
Uvod i prijenos eluensa
Ovaj faktor određuje prirodu kretanja kromatografskih zona duž sloja sorbenta, koje nastaju tijekom odvajanja smjese. Postoje sljedeće metode isporuke eluenta:
- Prednja strana. Ova metoda je najjednostavnijatehnika izvođenja. Mobilna faza je izravno sam uzorak, koji se kontinuirano dovodi u kolonu ispunjenu sorbentom. U ovom slučaju, najmanje zadržana komponenta, adsorbirana lošije od ostalih, kreće se duž sorbenta brže od ostalih. Kao rezultat, samo se ova prva komponenta može izolirati u čistom obliku, a nakon nje slijede zone koje sadrže mješavine komponenti. Distribucija uzorka izgleda ovako: A; A+B; A+B+C i tako dalje. Frontalna kromatografija stoga nije korisna za odvajanje smjesa, ali je učinkovita u različitim procesima pročišćavanja, pod uvjetom da tvar koja se izolira ima nisku retenciju.
- Metoda istiskivanja razlikuje se po tome što se nakon ulaska u smjesu koja se odvaja, u kolonu se uvodi eluent s posebnim displaserom - tvar koju karakterizira veća sposobnost sorbiranja od bilo koje komponente smjese. On istiskuje najzadržaniju komponentu, koja istiskuje sljedeću i tako dalje. Uzorak se kreće duž stupca brzinom istiskivača i tvori susjedne zone koncentracije. Uz ovu vrstu kromatografije, svaka komponenta se može dobiti pojedinačno u tekućem obliku na izlazu iz kolone.
- Metoda eluenta (razvijanja) je najčešća. Za razliku od metode istiskivanja, eluens (nosač) u ovom slučaju ima nižu sposobnost sorbiranja od komponenti uzorka. Kontinuirano se prolazi kroz sloj sorbenta, ispirajući ga. Povremeno, u obrocima (impulsima), smjesa koja se odvaja se uvodi u tok eluensa, nakon čega se čisti eluent ponovno dovodi. Prilikom ispiranja (eluiranja) komponente se odvajaju,štoviše, njihove zone koncentracije su odvojene zonama eluenta.
Eluentna kromatografija omogućuje gotovo potpuno odvajanje analizirane smjese tvari, a smjesa može biti višekomponentna. Također, prednosti ove metode su izolacija komponenti jedna od druge i jednostavnost kvantitativne analize smjese. Nedostaci uključuju visoku potrošnju eluensa i nisku koncentraciju komponenti uzorka u njemu nakon odvajanja na izlazu iz kolone. Metoda eluenta se široko koristi i u plinskoj i u tekućinskoj kromatografiji.
Kromatografski procesi ovisno o namjeni
Razlika u ciljevima kromatografije omogućuje razlikovanje metoda kao što su analitičke, preparativne i industrijske.
Pomoću analitičke kromatografije provodi se kvalitativna i kvantitativna analiza smjesa. Prilikom analize komponenti uzorka, pri izlasku iz stupca kromatografa, one idu do detektora – uređaja koji je osjetljiv na promjene koncentracije tvari u eluensu. Vrijeme proteklo od trenutka kada je uzorak uveden u kolonu do maksimalne vršne koncentracije tvari na detektoru naziva se retencijskim vremenom. Pod uvjetom da su temperatura kolone i brzina eluensa konstantni, ova vrijednost je konstantna za svaku tvar i služi kao osnova za kvalitativnu analizu smjese. Kvantitativna analiza se provodi mjerenjem površine pojedinačnih pikova u kromatogramu. U pravilu se u analitičkoj kromatografiji koristi eluentna metoda.
Preparativna kromatografija ima za cilj izolirati čiste tvari iz smjese. Pripremni stupovi imaju mnogo većipromjer od analitičkog.
Industrijska kromatografija koristi se, prije svega, za dobivanje velikih količina čistih tvari potrebnih u određenoj proizvodnji. Drugo, važan je dio modernih sustava upravljanja i regulacije tehnoloških procesa.
Industrijski kromatograf ima skalu koncentracije jedne ili druge komponente i opremljen je senzorom, kao i sustavima kontrole i registracije. Uzorci se na takve kromatografe dostavljaju automatski s određenom učestalošću.
Multifunkcionalna kromatografska oprema
Moderni kromatografi su složeni uređaji visoke tehnologije koji se mogu koristiti u raznim poljima iu različite svrhe. Ovi uređaji omogućuju analizu složenih višekomponentnih smjesa. Opremljeni su širokim rasponom detektora: toplinski konduktometrijski, optički, ionizacijski, maseni spektrometrijski i tako dalje.
Osim toga, moderna kromatografija koristi sustave automatskog upravljanja za analizu i obradu kromatograma. Upravljanje se može izvršiti s računala ili izravno s uređaja.
Primjer takvog uređaja je multifunkcionalni plinski kromatograf "Crystal 5000". Ima set od četiri zamjenjiva detektora, termostat u stupcu, elektroničke sustave za kontrolu tlaka i protoka te kontrole plinskih ventila. Za rješavanje raznih problema uređaj imamogućnost ugradnje pakiranih i kapilarnih stupaca.
Kromatografom se upravlja pomoću tipkovnice s punim značajkama i upravljačkog zaslona ili (u drugoj izmjeni) s osobnog računala. Ovaj uređaj nove generacije može se učinkovito koristiti u proizvodnji iu raznim istraživačkim laboratorijima: medicinskim, forenzičkim, ekološkim.
visokotlačna kromatografija
Provođenje kromatografije na stupcu tekućine karakterizira prilično dugo trajanje procesa. Da bi se ubrzalo kretanje tekućeg eluensa, koristi se dovod mobilne faze u kolonu pod tlakom. Ova moderna i vrlo obećavajuća metoda naziva se metoda tekućinske kromatografije visoke učinkovitosti (HPLC).
Sustav pumpanja HPLC tekućeg kromatografa isporučuje eluent konstantnom brzinom. Razvijeni ulazni tlak može doseći 40 MPa. Računalno upravljanje omogućuje promjenu sastava mobilne faze prema zadanom programu (ova metoda eluiranja naziva se gradijent).
HPLC mogu se koristiti različite metode temeljene na prirodi interakcije sorbenta i sorbata: distribucija, adsorpcija, isključenje veličine, kromatografija ionske izmjene. Najčešći tip HPLC-a je metoda obrnute faze, koja se temelji na hidrofobnoj interakciji polarne (vodene) mobilne faze i nepolarnog sorbenta, kao što je silikagel.
Metoda se široko koristi za odvajanje, analizu,kontrola kvalitete nehlapljivih, toplinski nestabilnih tvari koje se ne mogu prevesti u plinovito stanje. To su agrokemikalije, lijekovi, sastojci hrane i druge složene tvari.
Važnost studija kromatografije
Različite vrste kromatografije naširoko se koriste u raznim poljima:
- anorganska kemija;
- petrokemija i rudarstvo;
- biokemija;
- lijekovi i farmaceutski proizvodi;
- prehrambena industrija;
- ekologija;
- kriminologija.
Ovaj popis nije potpun, ali odražava pokrivenost industrija koje ne mogu bez kromatografskih metoda analize, odvajanja i pročišćavanja tvari. U svim područjima primjene kromatografije, od znanstvenih laboratorija do industrijske proizvodnje, uloga ovih metoda sve je veća što se uvode suvremene tehnologije za obradu informacija, upravljanje i kontrolu složenih procesa.
