Er zijn veel verschillende methoden om de samenstelling te analyseren en de eigenschappen van verschillende verbindingen en mengsels van stoffen te bestuderen. Een dergelijke methode is chromatografie. Het auteurschap bij de uitvinding en toepassing van de methode behoort toe aan de Russische botanicus M. S. Tsvet, die aan het begin van de 20e eeuw de scheiding van plantenpigmenten uitvoerde.
Definitie en grondbeginselen van de methode
Chromatografie is een fysisch-chemische methode voor het scheiden van mengsels en het bepalen van hun componenten, gebaseerd op de verdeling tussen de mobiele en stationaire fasen van de stoffen waaruit het mengsel (monster) bestaat. De stationaire fase is een poreuze vaste stof - een sorptiemiddel. Het kan ook een vloeibare film zijn die op een vast oppervlak wordt afgezet. De mobiele fase - het eluens - moet langs de stationaire fase bewegen of er doorheen stromen, gefilterd door het sorptiemiddel.
De essentie van chromatografie is dat verschillende componenten van een mengsel noodzakelijkerwijs worden gekenmerkt door verschillende eigenschappen, zoals molecuulgewicht, oplosbaarheid, adsorbeerbaarheid, enzovoort. Daarom is de snelheid van interactie van de componenten van de mobiele fase - sorbaten - met de stationaireis niet hetzelfde. Dit leidt tot een verschil in de snelheden van de moleculen van het mengsel ten opzichte van de stationaire fase, waardoor de componenten worden gescheiden en geconcentreerd in verschillende zones van het sorptiemiddel. Sommigen van hen verlaten het sorptiemiddel samen met de mobiele fase - dit zijn de zogenaamde niet-vastgehouden componenten.
Een bijzonder voordeel van chromatografie is dat je hiermee snel complexe mengsels van stoffen kunt scheiden, ook die met vergelijkbare eigenschappen.
Methoden voor het classificeren van soorten chromatografie
De methoden die in de analyse worden gebruikt, kunnen worden geclassificeerd op basis van verschillende criteria. De belangrijkste set van dergelijke criteria is als volgt:
- geaggregeerde toestand van stationaire en mobiele fasen;
- fysische en chemische aard van de interactie van het sorptiemiddel en sorbaten;
- hoe het eluent te introduceren en te verplaatsen;
- methode voor plaatsing van de stationaire fase, d.w.z. chromatografietechniek;
- chromatografiedoelen.
Bovendien kunnen methoden gebaseerd zijn op de verschillende aard van het sorptieproces, op de technische voorwaarden van de chromatografische scheiding (bijvoorbeeld lage of hoge druk).
Laten we de bovenstaande hoofdcriteria en de meest gebruikte soorten chromatografie die ermee samenhangen eens nader bekijken.
Aggregatietoestand van het eluens en sorptiemiddel
Op basis hiervan wordt chromatografie verdeeld in vloeistof en gas. Namen van methoden geven de status van de mobiele fase weer.
Vloeistofchromatografie is een techniek die wordt gebruiktbij de scheidingsprocessen van mengsels van macromoleculaire verbindingen, inclusief biologisch belangrijke. Afhankelijk van de aggregatietoestand van het sorptiemiddel, wordt het verdeeld in vloeistof-vloeistof en vloeistof-vaste fase.
Gaschromatografie is van de volgende typen:
- Gasadsorptie (gas-vaste fase), waarbij een vast sorptiemiddel wordt gebruikt, zoals steenkool, silicagel, zeolieten of poreuze polymeren. Een inert gas (argon, helium), stikstof, koolstofdioxide fungeert als eluens - een drager van het te scheiden mengsel. De scheiding van de vluchtige componenten van het mengsel wordt uitgevoerd vanwege de verschillende mate van hun adsorptie.
- Gas-vloeistof. De stationaire fase bestaat in dit geval uit een vloeibare film die is afgezet op een vaste inerte basis. Monstercomponenten worden gescheiden volgens hun adsorbeerbaarheid of oplosbaarheid.
Gaschromatografie wordt veel gebruikt voor de analyse van mengsels van organische verbindingen (met behulp van hun ontledingsproducten of derivaten in gasvorm).
Interactie tussen sorptiemiddel en sorbaten
Volgens dit criterium worden typen onderscheiden als:
- Adsorptiechromatografie, waarbij mengsels worden gescheiden vanwege verschillen in de mate van adsorptie van stoffen door een immobiel sorptiemiddel.
- Distributie. Met zijn hulp wordt de scheiding uitgevoerd op basis van verschillende oplosbaarheid van de componenten van het mengsel. Oplossen vindt plaats in de mobiele en stationaire fase (in vloeistofchromatografie), of alleen in de stationaire fase (in gas-vloeistofchromatografie).
- Sedimentair. Deze chromatografiemethode is gebaseerd op de verschillende oplosbaarheid van de gevormde precipitaten van de te scheiden stoffen.
- Uitsluiting of gelchromatografie. Het is gebaseerd op het verschil in grootte van moleculen, waardoor hun vermogen om in de poriën van het sorptiemiddel, de zogenaamde gelmatrix, door te dringen, varieert.
- Affine. Deze specifieke methode is gebaseerd op een speciaal soort biochemische interactie van gescheiden onzuiverheden met een ligand die in de stationaire fase een complexe verbinding vormt met een inerte drager. Deze methode is effectief bij het scheiden van mengsels van eiwit-enzymen en is gebruikelijk in de biochemie.
- Ionenuitwisseling. Als monsterscheidingsfactor gebruikt deze methode het verschil in het vermogen van de componenten van het mengsel tot ionenuitwisseling met de stationaire fase (ionenwisselaar). Tijdens het proces worden de ionen van de stationaire fase vervangen door ionen van stoffen in de samenstelling van het eluens, terwijl door de verschillende affiniteit van deze laatste voor de ionenwisselaar een verschil ontstaat in de snelheid van hun beweging, en dus de mengsel wordt gescheiden. Voor de stationaire fase worden meestal ionenuitwisselingsharsen gebruikt - speciale synthetische polymeren.
Ionenuitwisselingschromatografie heeft twee opties: anionisch (behoudt negatieve ionen) en kationisch (behoudt respectievelijk positieve ionen). Deze methode wordt op grote schaal gebruikt: bij de scheiding van elektrolyten, zeldzame aardmetalen en transuraniumelementen, bij waterzuivering, bij de analyse van medicijnen.
Het verschil in methoden van techniek
Er zijn twee belangrijke manieren waarop het monster beweegt ten opzichte van de stationaire fase:
- Kolomchromatografie voert het scheidingsproces uit in een speciaal apparaat - een chromatografische kolom - een buis, in de binnenholte waarvan een onbeweeglijk sorptiemiddel wordt geplaatst. Volgens de vulmethode zijn de kolommen verdeeld in twee typen: gepakt (de zogenaamde "gepakte") en capillair, waarbij een laag van een vast sorptiemiddel of een vloeibare film van de stationaire fase wordt aangebracht op het oppervlak van de binnenmuur. Verpakte kolommen kunnen verschillende vormen hebben: recht, U-vormig, spiraalvormig. Capillaire kolommen zijn spiraalvormig.
- Planaire (vlakke) chromatografie. In dit geval kan speciaal papier of een plaat (metaal, glas of kunststof) worden gebruikt als drager voor de stationaire fase, waarop een dunne laag sorptiemiddel wordt afgezet. In dit geval wordt de chromatografiemethode respectievelijk papier- of dunnelaagchromatografie genoemd.
In tegenstelling tot de kolommethode, waarbij chromatografische kolommen herhaaldelijk worden gebruikt, kan bij vlakke chromatografie elke drager met een sorptielaag slechts één keer worden gebruikt. Het scheidingsproces vindt plaats wanneer een plaat of vel papier wordt ondergedompeld in een container met eluens.
Introductie en overdracht van eluens
Deze factor bepa alt de aard van de beweging van de chromatografische zones langs de sorptielaag, die gevormd worden tijdens de scheiding van het mengsel. Er zijn de volgende leveringsmethoden voor eluens:
- Voor. Deze methode is de eenvoudigsteuitvoering techniek. De mobiele fase is direct het monster zelf, dat continu wordt toegevoerd aan de kolom gevuld met het sorptiemiddel. In dit geval beweegt de minst vastgehouden component, die slechter wordt geadsorbeerd dan andere, sneller langs het sorptiemiddel dan de andere. Hierdoor kan alleen deze eerste component in zuivere vorm worden geïsoleerd, gevolgd door zones die mengsels van componenten bevatten. De steekproefverdeling ziet er als volgt uit: A; A+B; A+B+C enzovoort. Frontale chromatografie is daarom niet bruikbaar voor het scheiden van mengsels, maar is wel effectief bij verschillende zuiveringsprocessen, mits de te isoleren stof een lage retentie heeft.
- De verdringingsmethode verschilt doordat na het invoeren van het te scheiden mengsel een eluens met een speciale verdringer in de kolom wordt gevoerd - een stof die wordt gekenmerkt door een grotere sorbeerbaarheid dan een van de componenten van het mengsel. Het verdringt het meest behouden onderdeel, dat het volgende verdringt, enzovoort. Het monster beweegt langs de kolom met de snelheid van de verdringer en vormt aangrenzende concentratiezones. Met dit type chromatografie kan elke component afzonderlijk in vloeibare vorm worden verkregen aan de uitlaat van de kolom.
- De methode van eluens (ontwikkelen) is de meest gebruikelijke. In tegenstelling tot de verdringingsmethode heeft het eluens (drager) in dit geval een lagere sorbeerbaarheid dan de monstercomponenten. Het wordt continu door de sorptielaag geleid en gewassen. Periodiek wordt in porties (pulsen) het te scheiden mengsel in de eluensstroom gebracht, waarna het zuivere eluens weer wordt toegevoerd. Bij het uitwassen (elutie) worden de componenten gescheiden,bovendien zijn hun concentratiezones gescheiden door eluentzones.
Eluentenchromatografie maakt het mogelijk om het geanalyseerde mengsel van stoffen bijna volledig te scheiden, en het mengsel kan uit meerdere componenten bestaan. De voordelen van deze methode zijn ook de isolatie van de componenten van elkaar en de eenvoud van de kwantitatieve analyse van het mengsel. De nadelen zijn onder meer een hoog verbruik van eluens en een lage concentratie van monstercomponenten daarin na scheiding aan de kolomuitlaat. De eluensmethode wordt veel gebruikt in zowel gas- als vloeistofchromatografie.
Chromatografische processen afhankelijk van de doeleinden
Het verschil in chromatografiedoelen maakt het mogelijk om methoden te onderscheiden zoals analytisch, preparatief en industrieel.
Door middel van analytische chromatografie wordt kwalitatieve en kwantitatieve analyse van mengsels uitgevoerd. Bij het analyseren van de monstercomponenten gaan ze bij het verlaten van de kolom van de chromatograaf naar de detector - een apparaat dat gevoelig is voor veranderingen in de concentratie van een stof in het eluent. De tijd die verstrijkt vanaf het moment dat het monster in de kolom wordt gebracht tot de maximale piekconcentratie van de stof op de detector wordt de retentietijd genoemd. Mits de kolomtemperatuur en de elutiesnelheid constant zijn, is deze waarde voor elke stof constant en dient als basis voor een kwalitatieve analyse van het mengsel. Kwantitatieve analyse wordt uitgevoerd door het gebied van individuele pieken in het chromatogram te meten. In de regel wordt de eluensmethode gebruikt bij analytische chromatografie.
Preparatieve chromatografie is gericht op het isoleren van zuivere stoffen uit een mengsel. Preparatieve kolommen hebben een veel groterediameter dan analytisch.
Industriële chromatografie wordt in de eerste plaats gebruikt om grote hoeveelheden zuivere stoffen te verkrijgen die nodig zijn voor een bepaalde productie. Ten tweede is het een belangrijk onderdeel van moderne controle- en regelsystemen voor technologische processen.
Industriële chromatograaf heeft een concentratieschaal van een of ander onderdeel en is uitgerust met een sensor, evenals controle- en registratiesystemen. Monsters worden automatisch met een bepaalde frequentie aan dergelijke chromatografen geleverd.
Multifunctionele chromatografieapparatuur
Moderne chromatografen zijn complexe hightech-apparaten die op verschillende gebieden en voor verschillende doeleinden kunnen worden gebruikt. Deze apparaten maken het mogelijk om complexe mengsels van meerdere componenten te analyseren. Ze zijn uitgerust met een breed scala aan detectoren: thermische conductometrisch, optisch, ionisatie, massaspectrometrische enzovoort.
Bovendien maakt moderne chromatografie gebruik van automatische controlesystemen voor de analyse en verwerking van chromatogrammen. De bediening kan worden uitgevoerd vanaf een computer of rechtstreeks vanaf het apparaat.
Een voorbeeld van zo'n apparaat is de multifunctionele gaschromatograaf "Crystal 5000". Het heeft een set van vier vervangbare detectoren, een kolomthermostaat, elektronische druk- en stroomregelsystemen en gasklepbedieningen. Om verschillende problemen op te lossen, heeft het apparaat:de mogelijkheid om zowel gepakte als capillaire kolommen te installeren.
De chromatograaf wordt bestuurd met behulp van een volledig uitgerust toetsenbord en controledisplay of (in een andere modificatie) vanaf een personal computer. Dit apparaat van de nieuwe generatie kan effectief worden gebruikt in de productie en in verschillende onderzoekslaboratoria: medisch, forensisch, milieu.
Hogedrukchromatografie
Het uitvoeren van vloeistofkolomchromatografie wordt gekenmerkt door een vrij lange duur van het proces. Om de beweging van het vloeibare eluens te versnellen, wordt de toevoer van de mobiele fase naar de kolom onder druk gebruikt. Deze moderne en veelbelovende methode wordt de high performance liquid chromatography (HPLC) methode genoemd.
Het pompsysteem van de HPLC-vloeistofchromatograaf levert het eluens met een constante snelheid. De ontwikkelde inlaatdruk kan 40 MPa bereiken. Computerbesturing maakt het mogelijk om de samenstelling van de mobiele fase te veranderen volgens een bepaald programma (deze elutiemethode wordt gradiënt genoemd).
HPLC kan op verschillende manieren worden gebruikt op basis van de aard van de interactie van het sorptiemiddel en het sorbaat: distributie, adsorptie, grootte-uitsluiting, ionenuitwisselingschromatografie. Het meest voorkomende type HPLC is de omgekeerde-fasemethode, gebaseerd op de hydrofobe interactie van een polaire (waterige) mobiele fase en een niet-polair sorptiemiddel, zoals silicagel.
De methode wordt veel gebruikt voor scheiding, analyse,kwaliteitscontrole van niet-vluchtige, thermisch onstabiele stoffen die niet in gasvormige toestand kunnen worden omgezet. Dit zijn landbouwchemicaliën, medicijnen, voedselcomponenten en andere complexe stoffen.
Het belang van chromatografiestudies
Verschillende soorten chromatografie worden veel gebruikt op verschillende gebieden:
- anorganische chemie;
- petrochemie en mijnbouw;
- biochemie;
- medicijnen en farmaceutica;
- voedingsindustrie;
- ecologie;
- criminologie.
Deze lijst is onvolledig, maar geeft de dekking weer van industrieën die niet zonder chromatografische methoden voor analyse, scheiding en zuivering van stoffen kunnen. In alle toepassingsgebieden van chromatografie, van wetenschappelijke laboratoria tot industriële productie, wordt de rol van deze methoden zelfs nog groter naarmate moderne technologieën voor informatieverwerking, beheer en controle van complexe processen worden geïntroduceerd.
