2014-04-18

Хроматографія

3.6666666666667 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 3.67 (3 голосів)

Хроматограма-результат методу хроматографія

Хроматографія стала в наші дні незамінним методом розділення і аналізу складних речовин. За її допомогою вдалося, зокрема, розібратися в складнощах будови і складу білкових сполук, отримати багато трансуранових елементів періодичної системи, розділити і очистити антибіотики, вітаміни, алкалоїди та гормони. Хроматографічні явища становлять основу багатьох природних геохімічних процесів, на кшталт утворення ґрунту і багатьох рудних родовищ.

Михайло Семенович Цвєт (першовідкривач хроматографії) зацікавився природою хлорофілу, який робить листя зеленими. Роль цієї речовини в природі величезна: за його допомогою в живій листку світлова енергія Сонця перетворюється в хімічну енергію органічних сполук.

Професор Цвєт насипав у скляну трубку тонко подрібнений порошок чистої крейди, змочив його бензолом, налив зверху трошки розчину хлорофілу, витягнутого із свіжого листка (верхній шар порошку звичайно відразу позеленів), і став повільно, по краплях підливати в трубочку з крейдою бензол. У міру того як пофарбований шар промивали бензолом, зелене колечко слідом за розчинником почало пересуватися вниз трубкою. Потім (в цьому і полягало чудове відкриття Цвєта) воно стало поступово розділятися. З'явилася вузька жовта смужка, вона рухалася по трубці найповільніше, її випередила жовто-зелена смуга, перед якою йшла широка зелено-синя смуга, дві жовті і в самому низу рухалася ще одна смуга, теж жовтого кольору. Ретельний аналіз показав, що над верхньою жовтою смужкою розташовувалася ще одна - безбарвна. Своїм дослідом Цвєт довів, що хлорофіл має складну будову, і ця робота лягла в основу нової науки.

Компоненти речовини, подібно до світлових променів в спектрі, розташувалися одна за одною в стовпці порошку у вигляді забарвлених смуг. Це явище було названо хроматограмою, а сам метод дослідження - хроматографія, від грецьких слів "хроматос" - забарвлення, "грама" - зчитування і "графія" - запис.

Що ж відбувалося в "хроматографічній колоні" - скляній трубочці, набитій порошком крейди?

Зелений розчин витяжки з листя знебарвлюється, як тільки стикається з порошком крейди, а крейда стає зеленою. Молекули всіх сполук, що входять до складу хлорофілу, витягнутого з листка, осаджуються на поверхні частинок крейди. Поглинання розчиненої речовини, парів або газів поверхнею твердих тіл або рідиною хіміки називають сорбцією, а речовини-поглиначі - сорбентом. На цьому явищі і засновані всі хроматографічні методи розділення сумішей, надтонкого очищення речовини та аналізу.

Захоплені поверхнею твердого тіла - сорбенту молекули можуть переходити назад в розчин - елюенту, знову поглинатися і знову розчинятися, незліченну безліч разів міняючи свій стан. Тим розчином (бензолом в дослідах Цвєта) та сорбентом (порошком крейди) встановлюється рівновага: на поверхні частинок крейди знаходяться майже всі молекули, а в розчині майже зовсім немає. Але в цьому "майже" і полягає суть хроматографічного ефекту.

Небагато молекул, які знаходяться в розчині, захоплюються вниз по трубці разом з потоком розчинника. Але по дорозі вони повільно осідають знову на інші частинки крейди, а замість них переходять у розчин нові молекули. Потік розчинника безперервно надходить зверху в трубку. У верхній частині сорбованих речовини стає все менше і менше, у нижній частині - все більше і більше. Поступово кольоровий прошарок просувається у вигляді кілець через сорбент вниз по трубці.

Молекули з різним складом або будовою осаджуються (сорбуються) на твердій поверхні по-різному. Одні - прикріплюються трохи міцніше, інші - дещо слабше. Одні - довше знаходяться у зв'язаному стані і менше в розчині; інші - трохи довше затримуються в розчині і швидше захоплюються потоком розчинника.

Тому забарвлена суміш різних речовин поступово розділяється на складові частини. І кожна така частина зосереджується в своєму шарі. Рухаючись з різною швидкістю уздовж трубки, ці шари розходяться все далі один від одного - утворюється хроматограма. Кожне окреме кольорове кільце відповідає якійсь одній хімічній сполуці.

Стовпчик сорбенту з трубки можна або розрізати на шари і отримати їх окремо в чистому вигляді, або, продовжуючи промивку бензолом, збирати розчин від кожного кольорового шару окремо, у міру того як вони виходять з колони з потоком розчинника.

Це нагадує забіг на дистанцію спортивних команд у різнобарвних костюмах. Ті, хто використовує для "перепочинку" на ділянках дистанції (колони) менше часу, виявляться попереду, а хто відпочивав довше - в середині або позаду. Так і розтягується цей ланцюг "мікробігунів" по всій довжині колони. Або інша схожа аналогія: як швидкість забігу спортсменів залежить від стану їх здоров'я та фізичних можливостей, так і швидкість руху компонентів речовини по колоні знаходиться в залежності від розмірів молекул та їх хімічної природи.

Безбарвні речовини виявляють, висвітлюючи їх ультрафіолетом, під дією якого дуже багато сполук флуоресцентні, або "виявляють", обробивши реактивом, який їх забарвлює.

Серед нових методів аналізу найбільш часто використовується газорідинна хроматографія. Сорбентом в ній служить нелетка рідина, якою змочена, наприклад, розтерта в порошок кераміка (іноді - звичайна цегла), а рухоме середовище - будь-який інертний газ. За допомогою цього методу досліджують складні суміші, що містять сотні компонентів.

Система їхнього поділу дивно проста: все відбувається у тоненькій металевій або пластмасовій трубочці діаметром 0,2-0,4 мм. Щоб досягти високого ступеня поділу, трубочку доводиться робити дуже довгою. Скажімо, для аналізу суничного аромату (повітря, що оточує ягоди) потрібна була колонка довжиною 120 метрів. Згорнуту в спіраль трубку поміщали в термостат, температура в якому поступово підвищувалася. Це було необхідно для того, щоб вивчити і ті компоненти суничного запаху, які ягода виділяє тільки в спекотний сонячний день. Через колону пропускали аргон, опромінений радіоактивним джерелом. Радіоактивний газ іонізував органічні речовини, породжуючи електричний сигнал, який після підсилення подавався на записуючий пристрій. Чутливість такого приладу дуже велика і її можна порівняти зі спектральним та мас-спектрометричним методами аналізу: він виявляє одну тисячну частину мільярдної частки грама речовини (10-12 г). А всього для повного аналізу достатньо декількох міліграмів суміші.

Запах свіжої суниці виявився дуже складним. Щоб створити аромат її стиглих ягід, в маленькій "лабораторії" рослини синтезується не менш ніж дев'яносто шість найскладніших органічних ароматичних сполук.

Щоб вивчити склад нафти, потрібно було сконструювати хроматографічну колонку довжиною близько півкілометра. На ній вдалося не тільки встановити кількість різних компонентів сирої нафти (їх виявилося близько шестисот), а й розшифрувати формулу кожного з них.

Хроматограму отримують і на паперових смужках. Таку смужку підвішують вертикально і нижній її кінець занурюють у посудину з розчинником. Всмоктуючись в папір і піднімаючись по ньому вгору, розчинник з різною швидкістю переміщує окремі складові частини із суміші. На паперовому аркуші утворюється хроматограма - кольорові смуги. За їх положенням і забарвленням можна визначити, що входить до складу досліджуваної речовини. Важкорозділювані суміші часто обробляють двічі, різними розчинниками і пропускають у двох взаємно перпендикулярних напрямках, отримуючи двовимірну хроматограму.

Дуже схожа на паперову хроматографія в тонкому шарі. На скляну або пластмасову пластинку наносять тонкий рівномірний шар добре подрібненого сорбенту. Сам процес хроматографічного розділення йде так само, як і на папері. Тонкошарова хроматографія володіє істотними перевагами: поділ протікає значно швидше, а головне, легше вибрати найбільш підходящі сорбенти.

Хроматограми дозволили не тільки зрозуміти, з яких складових частин - амінокислот - складається білок різних живих організмів, а й визначити порядок їх чергування в молекулі білка. А розшифрувавши склад тютюнового диму, з'ясували, що він складається із сотні різних сполук, в тому числі канцерогенних, що викликають ракові захворювання.

За допомогою хроматографії легко встановлюється факт застосування спортсменами збуджуючих засобів - допінгів: достатньо взяти на аналіз крапельку крові, щоб визначити їх присутність.

Ще більш перспективний метод іонообмінної хроматографії. Він відрізняється від способу М. С. Цвєта тим, що замість нейтрального сорбенту - крейди, крохмалю, вугілля - застосовуються полімерні речовини - іонообмінні смоли. Кожна крупинка такого сорбенту - ніби гігантська молекула кислоти (смоли-катіоніту) або основи (смоли-аніоніти) - вступає в реакцію іонного обміну.

Іонообмінні смоли нерозчинні. Тонкий порошок такої смоли в хроматографічній колоні поглинає іони важких металів з розчину, заміщаючи їх на кислоту чи луг. Так, наприклад, готують воду для живлення парових котлів на великих теплових електростанціях. Вода очищається від мулу і піску та надходить у колону, наповнену катіонітовою смолою. У ній повністю поглинаються солі кальцію та магнію, що роблять воду "жорсткою", замість них з'являються іони водню - утворюється кислота. Підкислена вода проходить колону, в якій аніони утворених кислот нейтралізуються, і виходить чиста вода. Іонообмінні смоли перетворюють навіть солону морську воду в прісну, придатну для пиття, і витягають цінні метали з промислових стічних вод.

На іонообмінній колоні змогли розділити суміш ізотопів рідкоземельних елементів. Радіоактивність кожної краплі розчину, що випливає з колони, вимірювалася окремо. Виявилося, що чим вищий порядковий номер елемента, тим швидше він виходить з колони при хроматографічному поділі. І чергування елементів дивним чином точно відповідає їх взаємному положенню в періодичній системі елементів: америцій (№ 95), кюрій (№ 96), берклій (№ 97) та каліфорній (№ 98).

Метод, створений М. С. Цвєтом 95 років тому, сьогодні застосовують у всіх галузях науки і техніки. Він не застарів, і його можливості далеко не вичерпані.

За матеріалами nkj.ru.

Коментарі:

blog comments powered by Disqus