Әртүрлі қосылыстар мен заттардың қоспаларының құрамын талдаудың және қасиеттерін зерттеудің көптеген әртүрлі әдістері бар. Осындай әдістердің бірі хроматография болып табылады. Әдісті ойлап табу және қолдану авторы 20 ғасырдың басында өсімдік пигменттерін бөлуді жүзеге асырған ресейлік ботаник М. С. Цветке тиесілі.
Әдістің анықтамасы және негіздері
Хроматография – қоспаны (үлгіні) құрайтын заттардың жылжымалы және стационарлық фазалары арасындағы таралуына негізделген қоспаларды бөлу және олардың компоненттерін анықтаудың физика-химиялық әдісі. Стационарлы фаза кеуекті қатты зат – сорбент. Ол сондай-ақ қатты бетке тұндырылған сұйық пленка болуы мүмкін. Жылжымалы фаза – элюент – стационарлық фаза бойымен қозғалуы керек немесе сорбентпен сүзілетін оның бойымен ағуы керек.
Хроматографияның мәні мынада: қоспаның әр түрлі құрамдас бөліктері міндетті түрде әртүрлі қасиеттермен сипатталады, мысалы, молекулалық массасы, ерігіштігі, адсорбциясы және т.б. Сондықтан жылжымалы фазаның компоненттері – сорбаттардың стационармен әрекеттесу жылдамдығыбірдей емес. Бұл қоспаның молекулаларының қозғалыс жылдамдығының стационарлық фазаға қатысты айырмашылығына әкеледі, соның нәтижесінде компоненттер сорбенттің әртүрлі аймақтарында бөлініп, шоғырланады. Олардың кейбіреулері жылжымалы фазамен бірге сорбентті қалдырады - бұл ұсталмаған компоненттер деп аталады.
Хроматографияның ерекше артықшылығы - ол заттардың күрделі қоспаларын, соның ішінде қасиеттері ұқсас қоспаларды жылдам бөлуге мүмкіндік береді.
Хроматография түрлерін жіктеу әдістері
Талдауда қолданылатын әдістерді әртүрлі критерийлер бойынша жіктеуге болады. Мұндай критерийлердің негізгі жинағы келесідей:
- стационарлық және жылжымалы фазалардың жиынтық күйі;
- сорбент пен сорбаттардың әрекеттесуінің физикалық және химиялық табиғаты;
- элюентті енгізу және оны жылжыту жолы;
- стационарлы фазаны орналастыру әдісі, яғни хроматография техникасы;
- хроматография мақсаттары.
Сонымен қатар әдістер сорбция процесінің әртүрлі сипатына, хроматографиялық бөлудің техникалық шарттарына (мысалы, төмен немесе жоғары қысым) негізделуі мүмкін.
Жоғарыда аталған негізгі критерийлерді және олармен байланысты хроматографияның ең көп қолданылатын түрлерін егжей-тегжейлі қарастырайық.
Агрегацияның элюент және сорбент күйі
Осы негізде хроматография сұйық және газ болып бөлінеді. Әдіс атаулары мобильді кезеңнің күйін көрсетеді.
Сұйық хроматография – қолданылатын әдісмакромолекулалық қосылыстардың, соның ішінде биологиялық маңызды қосылыстардың қоспаларын бөлу процестерінде. Сорбенттің агрегаттық күйіне қарай сұйық-сұйық және сұйық-қатты фаза болып бөлінеді.
Газ хроматографиясы келесі түрлерге жатады:
- Көмір, силикагель, цеолиттер немесе кеуекті полимерлер сияқты қатты сорбентті пайдаланатын газды адсорбциялау (газ-қатты-фаза). Элюент ретінде инертті газ (аргон, гелий), азот, көмірқышқыл газы - бөлінетін қоспаның тасымалдаушысы ретінде әрекет етеді. Қоспаның ұшпа компоненттерін бөлу олардың адсорбциялану дәрежесінің әртүрлі болуына байланысты жүзеге асырылады.
- Газ-сұйықтық. Бұл жағдайда стационарлық фаза қатты инертті негізде тұндырылған сұйық пленкадан тұрады. Үлгі компоненттері адсорбциялық немесе ерігіштігі бойынша бөлінеді.
Газ хроматографиясы органикалық қосылыстардың қоспаларын (олардың ыдырау өнімдерін немесе газ тәрізді туындыларын пайдалана отырып) талдау үшін кеңінен қолданылады.
Сорбент пен сорбаттардың өзара әрекеттесуі
Осы критерийге сәйкес мұндай түрлер бөлінеді:
- Адсорбциялық хроматография, ол арқылы қоспалар қозғалмайтын сорбентпен заттардың адсорбциялану дәрежесінің айырмашылығына байланысты бөлінеді.
- Тарату. Оның көмегімен бөлу қоспаның құрамдас бөліктерінің әртүрлі ерігіштігі негізінде жүзеге асырылады. Еріту не жылжымалы және стационарлы фазада (сұйық хроматографияда), не тек стационар фазада (газ-сұйықтықта) жүреді.хроматография).
- Шөгінді. Бұл хроматография әдісі бөлінетін заттардың түзілген тұнбаларының әртүрлі ерігіштігіне негізделген.
- Ерекше немесе гель хроматографиясы. Ол молекулалардың өлшемдеріндегі айырмашылыққа негізделген, соған байланысты олардың гель матрицасы деп аталатын сорбенттің тесіктеріне ену қабілеті өзгереді.
- Афин. Бөлінген қоспалардың стационарлық фазада инертті тасымалдаушысы бар күрделі қосылыс түзетін лигандпен биохимиялық әрекеттесуінің ерекше түріне негізделген бұл ерекше әдіс. Бұл әдіс ақуыз-фермент қоспаларын бөлуде тиімді және биохимияда кең таралған.
- Ион алмасу. Үлгіні бөлу коэффициенті ретінде бұл әдіс қоспаның құрамдас бөліктерінің стационарлық фазамен (ионалмастырғыш) ион алмасу қабілетінің айырмашылығын пайдаланады. Процесс барысында стационарлық фазаның иондары элюент құрамындағы заттардың иондарымен ауыстырылады, ал соңғысының ион алмастырғышқа әр түрлі жақындығына байланысты олардың қозғалу жылдамдығында айырмашылық туындайды, осылайша қоспасы бөлінеді. Стационарлық фаза үшін көбінесе ион алмастырғыш шайырлар қолданылады - арнайы синтетикалық полимерлер.
Ионалмасу хроматографиясының екі нұсқасы бар - аниондық (теріс иондарды сақтайды) және катиондық (тиісінше оң иондарды ұстайды). Бұл әдіс өте кең қолданылады: электролиттерді, сирек жер және трансуран элементтерін бөлуде, суды тазартуда, дәрілік заттарды талдауда.
Техника әдістерінің айырмашылығы
Үлгі стационарлық фазаға қатысты қозғалудың екі негізгі жолы бар:
- Бағаналық хроматография бөлу процесін арнайы құрылғы – хроматографиялық колонна – түтікте жүргізеді, оның ішкі қуысына қозғалмайтын сорбент орналастырылады. Толтыру әдісі бойынша колонналар екі түрге бөлінеді: қапталған («қапталған» деп аталатын) және капиллярлы, олардың бетіне қатты сорбент қабаты немесе стационарлық фазаның сұйық қабығы қолданылады. ішкі қабырға. Қапталған бағандар әртүрлі пішіндерге ие болуы мүмкін: түзу, U-тәрізді, спираль. Капиллярлық бағандар бұрандалы.
- Жазық (жазық) хроматография. Бұл жағдайда сорбенттің жұқа қабаты тұндырылған стационарлық фазаның тасымалдаушысы ретінде арнайы қағаз немесе пластинаны (металл, шыны немесе пластик) пайдалануға болады. Бұл жағдайда хроматография әдісі сәйкесінше қағаз немесе жұқа қабатты хроматография деп аталады.
Хроматографиялық бағандар бірнеше рет қолданылатын колонна әдісінен айырмашылығы, жазық хроматографияда сорбент қабаты бар кез келген тасымалдаушы тек бір рет қолданылады. Бөлу процесі пластина немесе қағаз парағын элюент қосылған контейнерге батырғанда орын алады.
Элюентті енгізу және тасымалдау
Бұл фактор қоспаны бөлу кезінде пайда болатын хроматографиялық аймақтардың сорбент қабаты бойымен қозғалу сипатын анықтайды. Элюентті жеткізудің келесі әдістері бар:
- Алдыңғы. Бұл әдіс ең қарапайыморындау техникасы. Жылжымалы фаза – сорбентпен толтырылған колоннаға үздіксіз жіберілетін үлгінің өзі. Бұл жағдайда басқаларға қарағанда нашар адсорбцияланған ең аз сақталған компонент сорбент бойымен басқаларына қарағанда жылдамырақ қозғалады. Нәтижесінде тек осы бірінші құрамдас таза күйде оқшаулануы мүмкін, содан кейін компоненттердің қоспалары бар аймақтар. Үлгі тарату келесідей болады: A; A+B; A+B+C және т.б. Сондықтан фронтальды хроматография қоспаларды бөлу үшін пайдалы емес, бірақ оқшауланатын заттың ұсталу деңгейі төмен болған жағдайда ол әртүрлі тазарту процестерінде тиімді.
- Ығыстыру әдісі бөлінетін қоспаға кіргеннен кейін колоннаға арнайы ығыстырғышы бар элюент – қоспаның кез келген құрамдас бөліктеріне қарағанда үлкен сорбциялық қасиетімен сипатталатын зат берілуімен ерекшеленеді. Ол ең көп сақталған құрамдас бөлікті ығыстырады, ол келесісін ауыстырады және т.б. Үлгі баған бойымен ығыстырушы жылдамдығымен қозғалады және іргелес концентрация аймақтарын құрайды. Хроматографияның бұл түрімен әрбір компонентті бағананың шығысында сұйық күйінде жеке алуға болады.
- Элюент (дамыту) әдісі ең кең таралған. Ауыстыру әдісінен айырмашылығы, элюент (тасымалдаушы) бұл жағдайда үлгі компоненттеріне қарағанда сорбциялық қабілеті төмен болады. Ол сорбент қабаты арқылы үздіксіз өткізіліп, оны жуады. Мерзімді түрде порциялармен (импульстар) бөлінетін қоспа элюент ағынына енгізіледі, содан кейін таза элюент қайтадан беріледі. Жуған кезде (элюция) компоненттер бөлінеді,оның үстіне олардың шоғырлану аймақтары элюенттік аймақтармен бөлінген.
Элюенттік хроматография заттардың талданатын қоспасын толығымен дерлік бөлуге мүмкіндік береді және қоспа көп компонентті болуы мүмкін. Сондай-ақ, бұл әдістің артықшылығы компоненттердің бір-бірінен оқшаулануы және қоспаның сандық талдауының қарапайымдылығы болып табылады. Кемшіліктерге элюенттің көп шығыны және колоннаның шығысында бөлінгеннен кейін ондағы үлгі компоненттерінің төмен концентрациясы жатады. Элюент әдісі газ және сұйық хроматографияда кеңінен қолданылады.
Мақсаттарға байланысты хроматографиялық процестер
Хроматография мақсаттарындағы айырмашылық аналитикалық, препараттық және өнеркәсіптік сияқты әдістерді ажыратуға мүмкіндік береді.
Аналитикалық хроматографияның көмегімен қоспалардың сапалық және сандық талдауы жүргізіледі. Үлгі компоненттерін талдау кезінде хроматографтың бағанынан шыққан кезде олар детекторға - элюенттегі зат концентрациясының өзгеруіне сезімтал құрылғыға барады. Үлгіні бағанға енгізген сәттен бастап детектордағы заттың ең жоғары концентрациясына дейін өткен уақытты ұстау уақыты деп атайды. Колонна температурасы мен элюент жылдамдығы тұрақты болған жағдайда бұл мән әрбір зат үшін тұрақты болып табылады және қоспаның сапалық талдауы үшін негіз болады. Сандық талдау хроматограммадағы жеке шыңдардың ауданын өлшеу арқылы жүзеге асырылады. Әдетте, элюент әдісі аналитикалық хроматографияда қолданылады.
Дайындық хроматографиясы қоспадан таза заттарды бөліп алуға бағытталған. Дайындық бағандары әлдеқайда үлкендиаметрі аналитикалықдан.
Өнеркәсіптік хроматография, біріншіден, белгілі бір өндіріске қажетті көп мөлшердегі таза заттарды алу үшін қолданылады. Екіншіден, бұл технологиялық процестерді басқару мен реттеудің заманауи жүйелерінің маңызды бөлігі.
Өнеркәсіптік хроматограф сол немесе басқа құрамдас бөліктердің концентрация шкаласына ие және сенсормен, сондай-ақ басқару және тіркеу жүйелерімен жабдықталған. Үлгілер мұндай хроматографтарға белгілі бір жиілікпен автоматты түрде жеткізіледі.
Көп функциялы хроматографиялық жабдық
Заманауи хроматографтар әртүрлі салаларда және әртүрлі мақсаттарда қолдануға қабілетті күрделі жоғары технологиялық құрылғылар. Бұл құрылғылар күрделі көп компонентті қоспаларды талдауға мүмкіндік береді. Олар детекторлардың кең спектрімен жабдықталған: жылу өткізгіштік, оптикалық, ионизациялық, масс-спектрометрлік және т.б.
Сонымен қатар, заманауи хроматография хроматограммаларды талдау және өңдеу үшін автоматты басқару жүйелерін пайдаланады. Басқаруды компьютерден немесе тікелей құрылғыдан орындауға болады.
Мұндай құрылғының мысалы ретінде «Кристалл 5000» көп функционалды газ хроматографын келтіруге болады. Оның төрт ауыстырылатын детектор жиынтығы, бағандық термостат, электронды қысым мен ағынды басқару жүйесі және газ клапанының басқару элементтері бар. Түрлі мәселелерді шешу үшін құрылғыда бароралған және капиллярлық бағандарды орнату мүмкіндігі.
Хроматограф толық мүмкіндіктері бар пернетақта мен басқару дисплейі арқылы немесе (басқа модификацияда) жеке компьютерден басқарылады. Бұл жаңа буын құрылғысын өндірісте және әртүрлі зерттеу зертханаларында тиімді пайдалануға болады: медициналық, сот-медициналық, экологиялық.
Жоғары қысымды хроматография
Сұйық колонна хроматографиясын жүргізу процестің біршама ұзақ ұзақтығымен сипатталады. Сұйық элюенттің қозғалысын жеделдету үшін қысыммен колоннаға жылжымалы фазаны беру қолданылады. Бұл заманауи және өте перспективалы әдіс жоғары өнімді сұйықтық хроматографиясы (HPLC) әдісі деп аталады.
HPLC сұйық хроматографының айдау жүйесі элюентті тұрақты жылдамдықпен жеткізеді. Дамыған кіріс қысымы 40 МПа жетуі мүмкін. Компьютерлік басқару берілген бағдарламаға сәйкес жылжымалы фазаның құрамын өзгертуге мүмкіндік береді (элюцияның бұл әдісі градиент деп аталады).
HPLC сорбент пен сорбаттың әрекеттесу сипатына негізделген әртүрлі әдістерді қолдануға болады: таралу, адсорбция, өлшемді алып тастау, ион алмасу хроматографиясы. Ең көп таралған HPLC түрі полярлы (сулы) жылжымалы фаза мен полярлы емес сорбенттің, мысалы, силикагельдің гидрофобты әрекеттесуіне негізделген кері фазалық әдіс болып табылады.
Әдіс бөлу, талдау,газ күйіне айналмайтын ұшқыш емес, термиялық тұрақсыз заттардың сапасын бақылау. Бұл агрохимиялық заттар, дәрі-дәрмектер, тағам компоненттері және басқа да күрделі заттар.
Хроматографиялық зерттеулердің маңыздылығы
Хроматографияның әртүрлі түрлері әртүрлі салаларда кеңінен қолданылады:
- бейорганикалық химия;
- мұнай-химия және тау-кен өнеркәсібі;
- биохимия;
- дәрі және фармацевтика;
- тамақ өнеркәсібі;
- экология;
- криминология.
Бұл тізім толық емес, бірақ заттарды талдаудың, бөлудің және тазартудың хроматографиялық әдістерінсіз жасай алмайтын салалардың қамтылуын көрсетеді. Хроматографияны қолданудың барлық салаларында, ғылыми зертханалардан бастап өнеркәсіптік өндіріске дейін бұл әдістердің рөлі ақпаратты өңдеудің, күрделі процестерді басқарудың және басқарудың заманауи технологиялары енгізілген сайын арта түсуде.
