История
История
Содержание статьи:
Учёные обожают всё разрушать. Они занимаются этим постоянно, анализируя данные, явления природы, чужие и свои теории. Собственно, слово “анализ” по-гречески и означает разложение, разбор на части. Так что неудивительно, что часто перед исследованием какого-то объекта, учёные сначала разбирают его на составляющие.
Один из самых удобных способов разделения сложных смесей в современной науке ‒ хроматография (Хроматографы жидкостные среднего давления | Диаэм (dia-m.ru)). Этому методу уже больше века, считается, что впервые он был применён в самом начале прошлого столетия, в 1900 году. Тогда русский ботаник по фамилии Цвет воспользовался им, чтобы разделить вещества, придающие зелёный цвет растениям. Именно благодаря этому самому первому известному применению, метод и получил своё название, означающее в переводе на русский “цветопись”. Тогда впервые в чистом виде был получен хлорофилл ‒ вещество, благодаря которому жизнь на нашей планете именно такова, как мы её видим.
Пожалуй, если бы в мире молекул существовала демократия, то именно хроматография отражала бы её наилучшим образом. Хроматография ‒ это разделение веществ в соответствии с силой их связывания.
Другой метафорой этого метода может служить спортивная дисциплина из школьного советского прошлого ‒ бег в зигзагообразном лабиринте.
Но вернёмся от сравнений и метафор к физической сути метода. Несмотря на то, что разновидностей хроматографии сегодня существует довольно много, суть у всех их одна. Два вспомогательных вещества движутся друг относительно друга. Одно, оно называется растворитель или элюент, несёт исследуемую смесь. Второе, чаще всего его зовут неподвижной фазой или, если речь идёт об использовании колонок, сорбентом (Колонки, предколонки и сорбенты для жидкостной хроматографии | Диаэм (dia-m.ru)), как-то с компонентами этой смеси взаимодействует. Причём с каждым компонентом смеси сорбент реагирует с разной силой. Чем больше взаимодействий, и чем они сильнее, тем больше отдельный компонент будет замедляться. И наоборот, чем меньше таких взаимодействий, тем стремительнее движется вещество. Разница скоростей оказывается достаточной, чтобы составлявшие изначальную смесь вещества полностью разделились, и стали пригодны, либо для выделения в чистом виде, либо для распознавания. Определение вещества может происходить на основании того, насколько далеко вещество продвинется в твёрдой фазе за определённое время. Ну или через какое время пройдёт колонку насквозь. Если же этот параметр не очень показателен, например, из-за отсутствия стандартов для сравнения, то на выходе из колонки детектор может определять не только факт выхода вещества, но и какие-либо его физические константы, по которым оно и будет опознано. Чтобы очистить вещество есть несколько способов. Его могут собирать на выходе из колонки. Могут просто вырезать вместе с кусочком твёрдой фазы после разделения. Или, если оно самое медленное в исследуемой смеси, после того как остальные компоненты смеси выйдут из колонки, колонку промывают другим растворителем, значительно ускоряющим движение нужного вещества.
Почему мы в прошлом абзаце использовали безликое слово взаимодействия? Можно ведь сразу описать, что именно происходит между компонентами смеси и сорбентом. На самом деле, одним словом, описать этот процесс не получится, потому что в разных видах хроматографии используются разные виды взаимодействия между подвижными и неподвижными молекулами.
Где-то используются гели. Под воздействием электрического тока, крупные заряженные молекулы протискиваются через вязкую структуру геля. И скорость их движения зависит сразу от двух параметров ‒ заряда молекулы, благодаря которому на них сильнее воздействует электрический ток, и размеру, с увеличением которого молекуле становится всё сложнее протискиваться сквозь гель. Сегодня именно так чаще всего в лабораториях, где нет нужды в больших объёмах выходного продукта, разделяют белки и нуклеиновые кислоты (Хроматографы жидкостные низкого давления | Диаэм (dia-m.ru)).
В других методах может использоваться различная скорость растворения твёрдого вещества, или различие в сродстве к разным растворителям, или степень прочности связи молекул с антителами. Но чаще всего хроматография происходит либо за счёт адсорбции веществ неподвижной фазой, ибо благодаря взаимодействию заряженных веществ с ионообменной смолой.
Адсорбция ‒ это взаимодействие молекул, имеющее в основном физическую природу. Чаще всего адсорбция происходит за счёт Ван-дер-Ваальсовых сил. То есть, условно говоря, адсорбционная хроматография работает за счёт того, что молекулы разделяемого вещества физически цепляются за частицы сорбента. Чтобы этот процесс шёл эффективнее, колонки для этого вида хроматографии делают очень длинными, тонкими, и сорбент в них набивают очень плотно. Впрочем, здесь иногда обходятся и без сорбента. Капиллярные колонки фактически сами выполняют роль сорбента просто за счёт своей структуры
Есть два вида адсорбционной хроматографии, которые используются сегодня чаще всего. Высокоэффективная жидкостная хроматография (Жидкостный хроматограф, купить жидкостной хромотограф в Москве (dia-m.ru))и газовая хроматография (Газовый хроматограф от Agilent Technologies (dia-m.ru)). Различаются они тем, какое вещество будет нести опытные образцы.
В случае жидкостной хроматографии всё довольно просто. Исследуемые вещества растворяются в жидкости, и именно эта жидкость потом пропускается через колонку. Высокоэффективной жидкостная хроматография становится, если движение жидкости производится под давлением от пятидесяти до четырёхсот бар.
Когда речь идёт о газовой хроматографии, то исследуемое вещество переносится аргоном или каким-то другим, обычно инертным, газом. Для того чтобы это было возможно, исследуемое вещество должно или само быть газом, или уметь легко испаряться. Есть для исследуемых в газовой хроматографии веществ и другие требования, вроде максимального размера и термостабильности.
В зависимости от того, что будет выступать в роли сорбента, газовую хроматографию можно разделить ещё на два вида. В твёрдофазной газовой хроматографии несущий анализируемое вещество газ будет обдувать сухие крупинки сорбента. В случае газожидкостной, по сорбенту будет тонким слоем распределена жидкость.
Хотя и этот тип можно масштабировать до объёмов большого производства, ионообменная хроматография (Ионообменные смолы | Диаэм (dia-m.ru))технологически может быть гораздо проще адсорбционной. Исследователь может самостоятельно заполнять колонку сорбентом, да и вообще, весь процесс может происходить буквально “на коленке”. И при этом данный метод очень эффективен для разделения заряженных молекул. По сути, между сорбентом и исследуемым объектом устанавливается ионная связь.
Как и в прошлом разделе, этот вид хроматографии бывает двух видов, в зависимости от того, какие именно ионы умеет задерживать данный сорбент. В случае анионной хроматографии, в колонке будут связываться и замедлять своё движение анионы. Для этого на ионной смоле есть положительно заряженные азотсодержащие радикалы. В случае катионной ионообменной хроматографии, к смоле будут прикреплены отрицательно заряженные соединения.
В этом случае элюент уже взаимодействует не только с тем, что в нём растворено, но и с твёрдой фазой, хотя гораздо слабее, чем анализируемое вещество. Благодаря этому значительно превосходящий объём растворителя не позволяет веществу закрепиться в каком-то одном участке колонки и постоянно вымывает его, заставляя двигаться дальше.
Вот такая разная бывает хроматография. И по прошествии более чем века с момента появления она ещё не дошла до финала своего развития. Глядя на тенденции современной технологии, можно предположить, что впереди нас ждут хроматография на дизайнерских материалах с наноструктурой, использование микрочипов с фиксированными антителами, позволяющими анализировать разделяемые вещества уже в процессе разделения, и, вероятно, расширение ассортимента коммерческих хроматографических систем, которые позволят быстро и надёжно обнаруживать определённые вещества в самых разных объектах. И на этом мы заканчиваем рассказ о многогранном методе “цветописи”.
С помощью личного кабинета Вы сможете:
Сравнение
