Что такое хроматографический анализ и как он работает

Хроматография — это метод разделения компонентов смеси. Чтобы запустить данный процесс, смесь растворяют в веществе — подвижной фазе, которая переносит ее через второе вещество — неподвижную фазу.

Разные компоненты смеси проходят через неподвижную фазу с разной скоростью, что способствует их разделению. Особенности подвижных и неподвижных фаз помогают определить, какие вещества перемещаются быстрее или медленнее и как они разделяются. Разное время прохождения называют временем удерживания.

«Цветное письмо»

Хроматография получила свое название от метода, впервые использованного в конце XIX века для разделения пигментов в сложной смеси.

Если лист бумаги или ткани контактирует с контейнером, наполненным водой или спиртом, в котором растворен сложный пигмент, капиллярное воздействие приведет к перемещению смеси по бумаге или ткани, но не все компоненты пигмента будут перемещаться с одинаковой скоростью.

Самые большие молекулы смеси будут двигаться медленнее, в то время как самые маленькие помчатся вперед, заставляя неподвижную фазу создавать дискретные полосы того цвета, который соответствует тому или иному компоненту смеси. Это и дало технике название «хроматография» или «цветное письмо».

От искусства к науке

Первоначально хроматография использовалась художниками, теоретиками цвета и ремесленниками, которые надеялись усовершенствовать промышленные красители для текстиля. Со временем она также способствовала появлению уникальной отрасли химии, а вместе с ней — и методов, используемых сегодня для оценки и очищения смесей.

В современных лабораториях цветовой аспект больше не актуален, но принципы применяются те же. Растворяя необходимую смесь в подвижной фазе и перемещая ее через неподвижную, можно отделить компоненты смеси друг от друга благодаря разной скорости их движения.

С помощью изменения подвижной фазы, неподвижной фазы и/или фактора, определяющего скорость перемещения, было создано большое количество хроматографических методов анализа, каждый из которых предназначен для разных целей и идеально подходит для разных смесей. Вот некоторые из наиболее распространенных форм хроматографии:

  • В газовой хроматографии необходимую смесь испаряют и переносят через неподвижную фазу (обычно металлическую или стеклянную разделительную колонку) с инертным газом — как правило, с азотом или гелием. Более крупным молекулам в смеси требуется больше времени, чтобы пройти через колонку и достичь детектора на дальнем конце. В зависимости от особенностей неподвижной фазы газовую хроматографию делят на газожидкостную и газовую адсорбционную хроматографию.
  • В жидкостной хроматографии необходимую смесь растворяют в жидкости и пропускают через твердую неподвижную фазу, которая обычно сделана из силики. Если неподвижная фаза тоже жидкая, то это жидко-жидкостная хроматография, которую часто называют распределительной хроматографией. Существует также несколько разновидностей жидкостной хроматографии в зависимости от относительной полярности подвижной и неподвижной фаз (нормальная фаза и обратная фаза) и от того, находится ли подвижная фаза под давлением (высокоэффективная жидкостная хроматография).
  • В тонкослойной хроматографии (ТСХ) неподвижная фаза — это тонкий слой твердого материала, обычно на основе силики, а подвижная фаза представляет собой жидкость, в которой растворена необходимая смесь. Тонкослойная хроматография обладает преимуществом хорошего фотографирования, что упрощает оцифровку результатов.
  • Ионообменная хроматография, помимо размера или вместо него, разделяет компоненты смеси в зависимости от их заряда. По сути, положительно (катионы) или отрицательно (анионы) заряженные ионы разделяются с использованием разных неподвижных фаз и подвижных фаз с различным pH.

Также существует осадочная хроматография, когда разделение компонентов смеси основано на разной растворимости осадков в подвижной фазе, и капиллярная хроматография, принцип выполнения которой заключается в разделении в пленке жидкости или слое сорбента на внутренней стенке трубки.

Хроматографию можно применять как аналитический инструмент, подавая ее исходные данные в детектор, который считывает содержимое смеси. Ее также можно использовать как способ очистки, отделяя компоненты смеси для применения в других экспериментах или процедурах. Обычно в аналитической хроматографии необходимо гораздо меньшее количество материала, чем в хроматографии, предназначенной для очистки смеси или извлечения из нее определенных компонентов.

Например, твердофазная экстракция — это разновидность жидкостной хроматографии, в которой разные подвижные фазы используются последовательно для разделения различных компонентов смеси, попавших в твердую фазу. Хроматография как метод очистки играет важную роль в нефтехимических и других лабораториях органической химии, где она может быть одним из наиболее экономически эффективных способов удаления примесей из органических растворов, особенно если компоненты смеси чувствительны к температуре.

Также огромную роль играет хроматография в медицине для диагностики различных заболеваний.

Гибкость

Принципы хроматографии используются и в других лабораторных методах. Гель-электрофорез сортирует нуклеиновые кислоты и белки в зависимости от размера, пропуская их через гель с помощью электрического поля. По сути, этот метод является разновидностью хроматографии. Точно так же дистилляция сортирует компоненты смеси по их точкам кипения и конденсации, а само устройство является своего рода неподвижной фазой.

Хроматография, благодаря очень простому принципу действия, оставляет место для значительного усовершенствования. Это и привело к появлению множества специализированных хроматографических методов исследования, таких как двумерная хроматография для одновременного использования двух разных техник хроматографии, пиролитическая газовая хроматография, применяемая как часть масс-спектрометрии, и хиральная хроматография для разделения стереоизомеров, которые не удается различить с помощью других методов.

Хроматография — это простой и чрезвычайно гибкий принцип. В обозримом будущем он продолжит порождать новые вариации и новые имплементации.