Există multe metode diferite pentru analiza compoziției și studierea proprietăților diferiților compuși și amestecuri de substanțe. O astfel de metodă este cromatografia. Paternitatea inventării și aplicării metodei aparține botanistului rus M. S. Tsvet, care la începutul secolului al XX-lea a efectuat separarea pigmenților vegetali.
Definiția și elementele fundamentale ale metodei
Cromatografia este o metodă fizico-chimică de separare a amestecurilor și de determinare a componentelor acestora, bazată pe distribuția între fazele mobile și staționare a substanțelor care alcătuiesc amestecul (proba). Faza staționară este o substanță solidă poroasă - un sorbant. Poate fi, de asemenea, o peliculă lichidă depusă pe o suprafață solidă. Faza mobilă - eluentul - trebuie să se deplaseze de-a lungul fazei staționare sau să curgă prin aceasta, fiind filtrată de sorbant.
Esența cromatografiei este că diferitele componente ale unui amestec sunt în mod necesar caracterizate de proprietăți diferite, cum ar fi greutatea moleculară, solubilitatea, adsorbabilitatea și așa mai departe. Prin urmare, rata de interacțiune a componentelor fazei mobile - sorbații - cu staționareanu e la fel. Acest lucru duce la o diferență a vitezelor moleculelor amestecului față de faza staționară, ca urmare a căreia componentele sunt separate și concentrate în diferite zone ale sorbantului. Unele dintre ele părăsesc sorbentul împreună cu faza mobilă - acestea sunt așa-numitele componente nereținute.
Un avantaj special al cromatografiei este că vă permite să separați rapid amestecuri complexe de substanțe, inclusiv cele cu proprietăți similare.
Metode pentru clasificarea tipurilor de cromatografie
Metodele utilizate în analiză pot fi clasificate după diverse criterii. Setul principal de astfel de criterii este următorul:
- starea agregată a fazelor staționare și mobile;
- natura fizică și chimică a interacțiunii dintre sorbent și sorbați;
- cum să introduceți eluent și să-l mutați;
- metoda de plasare a fazei staționare, adică tehnica cromatografiei;
- ținte cromatografice.
În plus, metodele se pot baza pe natura diferită a procesului de sorbție, pe condițiile tehnice ale separării cromatografice (de exemplu, presiune joasă sau în altă).
Să aruncăm o privire mai atentă la criteriile principale de mai sus și la cele mai utilizate tipuri de cromatografie asociate cu acestea.
Starea de agregare a eluentului și sorbantului
Pe această bază, cromatografia este împărțită în lichid și gaz. Numele metodelor reflectă starea fazei mobile.
Cromatografia lichidă este o tehnică folosităîn procesele de separare a amestecurilor de compuși macromoleculari, inclusiv a celor importanți din punct de vedere biologic. În funcție de starea de agregare a sorbantului, acesta se împarte în fază lichid-lichid și lichid-solid.
Cromatografia gazoasă este de următoarele tipuri:
- Adsorbție de gaz (gaz-solid-fază), care utilizează un sorbant solid, cum ar fi cărbune, silicagel, zeoliți sau polimeri poroși. Un gaz inert (argon, heliu), azot, dioxid de carbon acționează ca eluant - un purtător al amestecului de separat. Separarea componentelor volatile ale amestecului se realizează datorită gradului diferit de adsorbție a acestora.
- Gaz-lichid. Faza staționară în acest caz constă dintr-un film lichid depus pe o bază solidă inertă. Componentele probei sunt separate în funcție de absorbabilitatea sau solubilitatea lor.
Cromatografia gazoasă este utilizată pe scară largă pentru analiza amestecurilor de compuși organici (folosind produsele sau derivații lor de descompunere în formă gazoasă).
Interacțiunea dintre sorbent și sorbați
În conformitate cu acest criteriu, astfel de tipuri se disting astfel:
- Cromatografie de adsorbție, prin care amestecurile sunt separate din cauza diferențelor de grad de adsorbție a substanțelor de către un sorbent imobil.
- Distribuție. Cu ajutorul său, separarea se realizează pe baza solubilității diferite a componentelor amestecului. Dizolvarea are loc fie în faza mobilă și staționară (în cromatografia lichidă), fie numai în faza staționară (în gaz-lichid).cromatografie).
- Sedimentar. Această metodă de cromatografie se bazează pe solubilitatea diferită a precipitatelor formate ale substanțelor care trebuie separate.
- Excludere sau cromatografie pe gel. Se bazează pe diferența de dimensiune a moleculelor, datorită căreia capacitatea lor de a pătrunde în porii sorbantului, așa-numita matrice de gel, variază.
- Afină. Această metodă specifică, care se bazează pe un tip special de interacțiune biochimică a impurităților separate cu un ligand care formează un compus complex cu un purtător inert în faza staționară. Această metodă este eficientă în separarea amestecurilor de proteine-enzime și este comună în biochimie.
- Schimb de ioni. Ca factor de separare a probei, această metodă utilizează diferența dintre capacitatea componentelor amestecului de a face schimb de ioni cu faza staționară (schimbător de ioni). În timpul procesului, ionii fazei staționare sunt înlocuiți cu ioni de substanțe din compoziția eluentului, în timp ce datorită afinității diferite a acestuia din urmă față de schimbătorul de ioni, apare o diferență în viteza de mișcare a acestora și, astfel, amestecul este separat. Pentru faza staționară, cel mai des sunt utilizate rășini schimbătoare de ioni - polimeri sintetici speciali.
Cromatografia cu schimb de ioni are două opțiuni - anionic (reține ionii negativi) și cationic (reține, respectiv, ionii pozitivi). Această metodă este utilizată extrem de larg: în separarea electroliților, a elementelor de pământuri rare și transuraniu, în purificarea apei, în analiza medicamentelor.
Diferența dintre metodele de tehnică
Există două moduri principale în care eșantionul se mișcă în raport cu faza staționară:
- Cromatografia pe coloană realizează procesul de separare într-un dispozitiv special - o coloană cromatografică - un tub, în cavitatea interioară a căruia este plasat un sorbent imobil. Conform metodei de umplere, coloanele sunt împărțite în două tipuri: împachetate (așa-numitele „ambalate”) și capilare, în care se aplică un strat de sorbant solid sau un film lichid din faza staționară. peretele interior. Coloanele împachetate pot avea diferite forme: drepte, în formă de U, spirală. Coloanele capilare sunt elicoidale.
- Cromatografie plană (planară). În acest caz, hârtie specială sau o placă (metal, sticlă sau plastic) poate fi folosită ca suport pentru faza staționară, pe care se depune un strat subțire de sorbant. În acest caz, metoda cromatografiei este denumită cromatografie pe hârtie sau, respectiv, în strat subțire.
Spre deosebire de metoda coloanei, în care coloanele cromatografice sunt folosite în mod repetat, în cromatografia plană, orice purtător cu un strat sorbant poate fi utilizat o singură dată. Procesul de separare are loc atunci când o farfurie sau o foaie de hârtie este scufundată într-un recipient cu eluent.
Introducerea și transferul eluentului
Acest factor determină natura mișcării zonelor cromatografice de-a lungul stratului absorbant, care se formează în timpul separării amestecului. Există următoarele metode de livrare a eluanților:
- Față. Această metodă este cea mai simplătehnica de executare. Faza mobilă este direct proba în sine, care este alimentată continuu în coloana umplută cu sorbant. În acest caz, componenta cel mai puțin reținută, adsorbită mai rău decât altele, se deplasează de-a lungul sorbentului mai repede decât celel alte. Ca rezultat, numai această primă componentă poate fi izolată în formă pură, urmată de zone care conțin amestecuri de componente. Distribuția eșantionului arată astfel: A; A+B; A+B+C și așa mai departe. Prin urmare, cromatografia frontală nu este utilă pentru separarea amestecurilor, dar este eficientă în diferite procese de purificare, cu condiția ca substanța de izolat să aibă o retenție scăzută.
- Metoda deplasării diferă prin aceea că, după intrarea în amestecul de separat, se introduce în coloană un eluant cu un deplasator special - o substanță caracterizată printr-o absorbabilitate mai mare decât oricare dintre componentele amestecului. Înlocuiește componenta cea mai reținută, care o înlocuiește pe următoarea și așa mai departe. Proba se deplasează de-a lungul coloanei cu viteza deplasorului și formează zone adiacente de concentrare. Cu acest tip de cromatografie, fiecare componentă poate fi obținută individual sub formă lichidă la ieșirea coloanei.
- Metoda de eluent (dezvoltare) este cea mai comună. Spre deosebire de metoda deplasării, eluentul (purtător) în acest caz are o absorbabilitate mai mică decât componentele probei. Se trece continuu prin stratul sorbant, spalandu-l. Periodic, în porțiuni (pulsuri), amestecul de separat este introdus în fluxul de eluent, după care se alimentează din nou eluentul pur. La spălare (eluare), componentele sunt separate,în plus, zonele lor de concentrare sunt separate prin zone de eluent.
Cromatografia cu eluent face posibilă separarea aproape completă a amestecului de substanțe analizat, iar amestecul poate fi multicomponent. De asemenea, avantajele acestei metode sunt izolarea componentelor unele de altele și simplitatea analizei cantitative a amestecului. Dezavantajele includ un consum mare de eluent și o concentrație scăzută de componente ale probei în acesta după separarea la ieșirea coloanei. Metoda eluanților este utilizată pe scară largă atât în cromatografia gazoasă, cât și în cea lichidă.
Procese cromatografice în funcție de scopuri
Diferența dintre obiectivele cromatografiei face posibilă distingerea metodelor precum cele analitice, preparative și industriale.
Prin cromatografie analitică se efectuează analiza calitativă și cantitativă a amestecurilor. La analiza componentelor probei, la părăsirea coloanei cromatografului, acestea merg la detector - un dispozitiv care este sensibil la modificările concentrației unei substanțe din eluent. Timpul scurs din momentul introducerii probei în coloană până la concentrația maximă de vârf a substanței pe detector se numește timp de retenție. Cu condiția ca temperatura coloanei și rata de eluent să fie constante, această valoare este constantă pentru fiecare substanță și servește drept bază pentru o analiză calitativă a amestecului. Analiza cantitativă se efectuează prin măsurarea zonei vârfurilor individuale din cromatogramă. De regulă, metoda eluanților este utilizată în cromatografia analitică.
Cromatografia preparativă are ca scop izolarea substanțelor pure dintr-un amestec. Coloanele pregătitoare au o mult mai marediametru decât cel analitic.
Cromatografia industrială este utilizată, în primul rând, pentru a obține cantități mari de substanțe pure necesare într-o anumită producție. În al doilea rând, este o parte importantă a sistemelor moderne de control și reglare pentru procesele tehnologice.
Cromatograful industrial are o scară de concentrație a uneia sau alteia componente și este echipat cu senzor, precum și cu sisteme de control și înregistrare. Probele sunt livrate la astfel de cromatografe automat cu o anumită frecvență.
Echipament de cromatografie multifuncțional
Cromatografele moderne sunt dispozitive complexe de în altă tehnologie, capabile să fie utilizate într-o varietate de domenii și în diverse scopuri. Aceste dispozitive fac posibilă analiza amestecurilor complexe cu mai multe componente. Sunt echipate cu o gamă largă de detectoare: conductometrice termice, optice, de ionizare, spectrometrice de masă și așa mai departe.
În plus, cromatografia modernă folosește sisteme automate de control pentru analiza și prelucrarea cromatogramelor. Controlul poate fi efectuat de pe un computer sau direct de pe dispozitiv.
Un exemplu de astfel de dispozitiv este cromatograful de gaze multifuncțional „Crystal 5000”. Are un set de patru detectoare înlocuibile, un termostat pe coloană, sisteme electronice de control al presiunii și al debitului și comenzi ale supapelor de gaz. Pentru a rezolva diverse probleme, dispozitivul arecapacitatea de a instala atât coloane compacte, cât și coloane capilare.
Cromatograful este controlat folosind o tastatură cu funcții complete și un afișaj de control sau (într-o altă modificare) de la un computer personal. Acest dispozitiv de nouă generație poate fi utilizat eficient în producție și în diverse laboratoare de cercetare: medical, criminalistic, de mediu.
Cromatografie de în altă presiune
Efectuarea cromatografiei pe coloană lichidă se caracterizează printr-o durată destul de lungă a procesului. Pentru a accelera deplasarea eluentului lichid se folosește alimentarea coloanei sub presiune a fazei mobile. Această metodă modernă și foarte promițătoare se numește metoda cromatografiei lichide de în altă performanță (HPLC).
Sistemul de pompare al cromatografului lichid HPLC furnizează eluent la o rată constantă. Presiunea de intrare dezvoltată poate ajunge la 40 MPa. Controlul computerizat face posibilă modificarea compoziției fazei mobile în funcție de un program dat (această metodă de eluare se numește gradient).
HPLC pot fi utilizate diferite metode bazate pe natura interacțiunii sorbantului și sorbatului: distribuție, adsorbție, excludere prin mărime, cromatografie cu schimb de ioni. Cel mai comun tip de HPLC este metoda cu fază inversă, bazată pe interacțiunea hidrofobă a unei faze mobile polare (apoase) și a unui sorbent nepolar, cum ar fi silicagel.
Metoda este utilizată pe scară largă pentru separare, analiză,controlul calității substanțelor nevolatile, instabile termic, care nu pot fi transformate în stare gazoasă. Acestea sunt produse agrochimice, medicamente, componente alimentare și alte substanțe complexe.
Importanța studiilor cromatografice
Diferitele tipuri de cromatografie sunt utilizate pe scară largă în diverse domenii:
- chimie anorganică;
- petrochimie și minerit;
- biochimie;
- medicină și produse farmaceutice;
- industria alimentară;
- ecologie;
- criminologie.
Această listă este incompletă, dar reflectă acoperirea industriilor care nu se pot descurca fără metode cromatografice de analiză, separare și purificare a substanțelor. În toate domeniile de aplicare a cromatografiei, de la laboratoarele științifice până la producția industrială, rolul acestor metode este cu atât mai mult cu cât sunt introduse tehnologii moderne de prelucrare a informațiilor, management și control al proceselor complexe.
