Що таке хроматографічний аналіз і як він працює

Хроматографія — це метод розділення компонентів суміші. Щоб запустити цей процес, суміш розчиняють у речовині — рухомій фазі, яка переносить її через другу речовину — нерухому фазу.

Різні компоненти суміші проходять через нерухому фазу з різною швидкістю, що сприяє їхньому розділенню. Особливості рухомих і нерухомих фаз допомагають визначити, які речовини переміщуються швидше або повільніше та як вони розділяються. Різний час проходження називають часом утримування.

«Кольорове письмо»

Хроматографія отримала свою назву від методу, вперше використаного наприкінці XIX століття для розділення пігментів у складній суміші.

Якщо аркуш паперу або тканини контактує з контейнером, наповненим водою або спиртом, у якому розчинений складний пігмент, капілярний вплив призведе до переміщення суміші вздовж паперу або тканини, але не всі компоненти пігменту переміщуватимуться з однаковою швидкістю.

Найбільші молекули суміші рухатимуться повільніше, водночас найменші мчатимуть уперед, змушуючи нерухому фазу створювати дискретні смуги того кольору, який відповідає певному компоненту суміші. Це й дало техніці назву «хроматографія» або «кольорове письмо».

Від мистецтва до науки

Спочатку хроматографія використовувалася художниками, теоретиками кольору та ремісниками, які сподівалися вдосконалити промислові барвники для текстилю. Згодом вона також сприяла появі унікальної галузі хімії, а разом з нею — і методів, що використовуються сьогодні для оцінки та очищення сумішей.

У сучасних лабораторіях колірний аспект більше не актуальний, але принципи застосовуються такі ж. Розчиняючи необхідну суміш у рухомій фазі й переміщуючи її через нерухому, можна відокремити компоненти суміші один від одного завдяки різній швидкості їхнього руху.

За допомогою зміни рухомої фази, нерухомої фази та/або фактора, що визначає швидкість переміщення, була створена значна кількість хроматографічних методів аналізу, кожен з яких призначений для різних цілей та ідеально підходить для різних сумішей. Ось деякі з найпоширеніших форм хроматографії:

  • У газовій хроматографії необхідну суміш випаровують і переносять через нерухому фазу (зазвичай металеву або скляну розділову колонку) з інертним газом — переважно з азотом або гелієм. Більшим молекулам у суміші потрібно більше часу, щоб пройти через колонку й досягти детектора на дальньому кінці. Залежно від особливостей нерухомої фази газову хроматографію поділяють на газорідинну та газову адсорбційну хроматографію.
  • У рідинній хроматографії необхідну суміш розчиняють у рідині та пропускають через тверду нерухому фазу, яка зазвичай зроблена з силіки. Якщо нерухома фаза теж рідка, то це рідинно-рідинна хроматографія, яку часто називають розподільною хроматографією. Існує також кілька різновидів рідинної хроматографії залежно від відносної полярності рухомої та нерухомої фази (нормальна фаза та зворотна фаза) і від того, чи знаходиться рухома фаза під тиском (високоефективна рідинна хроматографія).
  • У тонкошаровій хроматографії (ТШХ) нерухома фаза — це тонкий шар твердого матеріалу, зазвичай на основі силіки, а рухома фаза — це рідина, в якій розчинена необхідна суміш. Тонкошарова хроматографія має перевагу хорошого фотографування, що спрощує оцифрування результатів.
  • Іонообмінна хроматографія, крім розміру або замість нього, розділяє компоненти суміші залежно від їхнього заряду. По суті, позитивно (катіони) або негативно (аніони) заряджені іони розділяються з використанням різних нерухомих фаз і рухливих фаз з різним pH.

Також існує осадова хроматографія, коли розділення компонентів суміші ґрунтується на різній розчинності осадів у рухомій фазі, і капілярна хроматографія, принцип виконання якої полягає в розділенні в плівці рідини або шарі сорбенту на внутрішній стінці трубки.

Хроматографію можна застосовувати як аналітичний інструмент, подаючи її вихідні дані в детектор, який зчитує вміст суміші. Її також можна використовувати як спосіб очищення, відокремлюючи компоненти суміші для застосування в інших експериментах або процедурах. Зазвичай в аналітичній хроматографії необхідна набагато менша кількість матеріалу, ніж у хроматографії, призначеній для очищення суміші або вилучення з неї певних компонентів.

Наприклад, твердофазна екстракція — це різновид рідинної хроматографії, в якій різні рухливі фази використовуються послідовно для поділу різних компонентів суміші, що потрапили у тверду фазу. Хроматографія як метод очищення грає важливу роль у нафтохімічних та інших лабораторіях органічної хімії, де вона може бути одним з найбільш економічно ефективних способів видалення домішок з органічних розчинів, особливо якщо компоненти суміші чутливі до температури.

Також величезну роль відіграє хроматографія в медицині для діагностики різних захворювань.

Гнучкість

Принципи хроматографії використовуються і в інших лабораторних методах. Гель-електрофорез сортує нуклеїнові кислоти та білки залежно від розміру, пропускаючи їх через гель за допомогою електричного поля. По суті, цей метод є різновидом хроматографії. Так само дистиляція сортує компоненти суміші за їхніми точками кипіння та конденсацією, а сам пристрій є своєрідною нерухомою фазою.

Хроматографія, завдяки дуже простому принципу дії, залишає місце для значного удосконалення. Це і призвело до появи безлічі спеціалізованих хроматографічних методів дослідження, зокрема двовимірної хроматографії для одночасного використання двох різних технік хроматографії, піролітичної газової хроматографії, що застосовується як частина мас-спектрометрії, і хіральної хроматографії для розділення стереоізомерів, які не вдається розпізнати за допомогою інших методів.

Хроматографія — це простий і надзвичайно гнучкий принцип. У найближчому майбутньому він продовжить породжувати нові варіації й нові імплементації.