Хроматографическая адсорбция.

Хроматография - это не наука, а - искусство! Народная мудрость. Хроматография [гр. сhrömatos − цвет + graphö − пишу] — метод разделения, анализа и физико-химических исследований веществ, основанный на перемещении зоны вещества вдоль слоя сорбента в потоке подвижной фазы с многократным повторением сорбционных и десорбционных актов. При этом разделяемые вещества распределяются между двумя несмешивающимися фазами (в зависимости от их относительной растворимости в каждой фазе): подвижной и неподвижной.

Русский ботаник М. С. Цвет установил (1903), что многие твердые материалы, весьма различные по химическому характеру, обнаруживают способность избирательного и последовательного поглощения из растворов тех или других растворенных веществ, что дает возможность достигать с их помощью разделения на составные части таких сложных естественных продуктов, как хлорофилл и др. Этот метод получил название хроматографического адсорбционного анализа, так как при разделении окрашенных веществ путем пропускания раствора их через колонку с адсорбентом различные зоны последнего приобретают разную окраску. Однако под тем же названием этот метод применяется для разделения и неокрашенных продуктов.

История и определение хроматографического метода

Цвет М.С. (1872-1919 г.г.)

Введение

Впервые термин "хроматография" был использован российским биологом - ботаником Михаилом Семеновичем Цветом для описания разработанного им метода разделения компонентов хлорофила на бумаге. Это произошло 21 марта 1903 г , когда Михаил Семенович Цвет, в то время работавший в должности ассистента (официально - в должности внештатного лаборанта) кафедры анатомии и физиологии растений Варшавского университета, прочитал свой знаменательный доклад "О новой категории адсорбционных явлений и о применении их к биологическому анализу" Эксперименты в области адсорбции, приведшие в итоге к открытию хроматографии, ученый начал двумя годами раньше - в возрасте 28 лет. Подробное изложение принципов и возможностей своего хроматографического метода он дал в 1906 г . в двух статьях на немецком языке и в книге 1910 г . "Хромофиллы в растительном и животном мире".

По экспертным оценкам, хроматография относится к 20 выдающимся открытиям прошедшего столетия, которые в наибольшей степени преобразовали науку, а через нее определили уровень развития техники и промышленности, цивилизации в целом. Хотя по образованию и роду занятий Цвет был ботаником, результаты его открытия столь значимы для всех естественных наук, что Федерация европейских химических обществ, например, приводит имя Цвета, наряду с четырьмя другими русскими именами - Ломоносова, Менделеева, Бутлерова и Семенова, - в числе ста выдающихся химиков прошлого.

В конце своего 100-летия хроматография представляет собой:

- самый распространенный и совершенный метод разделения смесей атомов, изотопов, молекул, всех типов изомерных молекул, включая и оптические изомеры, макромолекул (синтетических полимеров и биополимеров), ионов, устойчивых свободных радикалов, комплексов, ассоциатов, микрочастиц;

- уникальный метод качественного и количественного анализа сложных многокомпонентных смесей:

- самостоятельное научное направление и важный физико-химический метод исследования и измерения;

- препаративный и промышленный метод выделения веществ в чистом виде;

- мощную отрасль научного приборостроения.

Ни один аналитический метод не может конкурировать с хроматографией по универсальности применения и эффективности разделения самых сложных многокомпонентных смесей. На современных газохроматографических капиллярных колонках в одном эксперименте могут быть разделены, количественно и качественно определены более 1000 индивидуальных компонентов, например, в бензиновых фракциях нефти; двумерный электрофорез позволяет увидеть до 2000 белков в биологических объектах или пептидов в гидролизатах белков. Только благодаря сочетанию разнообразных методов хроматографии и капиллярного электрофореза стала возможной расшифровка нуклеотидной последовательности ДНК и завершение работ по программе "Геном человека". Используя хроматографию, можно определить содержание супертоксикантов, в частности, полихлорированных диоксинов в объектах окружающей среды при крайне низких концентрациях этих веществ (10-10%).

В настоящее время выработаны новые приемы и методы хроматографического анализа.

В качестве адсорбентов (поглотителей) применяют активную окись алюминия, силикагель, активные угли, а в последнее время стали применять богатый ассортимент ионитов как природных (цеолиты), так и синтетических (ионообменные смолы). Кроме того, все шире начали применяться в определенных процессах и жидкие поглотители (распределительная хроматография), которые вводят в соответствующий твердый носитель (например, в ионообменные смолы в процессе набухания их в жидком поглотителе). Иногда в состав поглотителей вводят вещества, образующие соединения с некоторыми из компонентов разделяемой системы; это часто оказывается эффективным средством усиления разделяющей способности поглотителей.

Наряду с выделением и разделением компонентов жидких систем (растворов) хроматографический анализ нашел успешное применение для разделения и выделения компонентов газовых смесей. Все это привело к сильному расширению областей применения хроматографии. Хроматографические методы стали использовать не только в аналитических целя: (что долгое время являлось основной областью их применения), но и в препаративных целях — для выделения очень ценных составных частей сложных смесей и для тщательной очистки ценных материалов от небольших количеств содержащихся в них нежелательных примесей.

Характерным для всех разновидностей методов хроматографии является то, что исследуемая смесь пропускается через колонку (или колонки) с адсорбентом (поглотителем), содержащимся в ней в виде зерненого твердого материала.

В некотором отношении этот метод имеет много общего с рассмотренными нами ранее методами разделения смесей путем ректификации и экстракции (см. § 109 и 117). Как и в тех случаях, метод основан в сущности на изменении различия в содержании данного компонента в двух взаимодействующих фазах — от минимального (при первоначальном равновесии между этими фазами) до значительного (на выходе фаз из аппарата). Это достигается благодаря соответствующей форме проведения процесса, когда за одну операцию при постепенном изменении условий (в данном случае концентрации компонента) равновесие сдвигается и происходит перераспределение компонента. Однако названные методы обладают и существзнным различием. В то время как методы ректификации и экстракции обычно применяются в форме непрерывных методов со встречным перемещением взаимодействующих потоков материалов, при хроматографическом методе поглотитель не перемещается в колонке, т. е. вместо принципа противотока здесь применяется принцип фильтрации через покоящийся слой поглотителя, и в соответствии с этим процесс требует периодической загрузки и выгрузки поглотителя, т. е. является не непрерывным, а периодическим.

Таким образом, хроматографическим методом (хроматографией) теперь можно назвать метод разделения, при котором разделяемые компоненты распределяются между двумя фазами — неподвижным слоем твердого поглотителя, обладающего сильно развитой поверхностью, и потоком жидкого раствора или газовой смеси, как бы фильтрующимся через неподвижный слой. (Впрочем разрабатываются и непрерывные методы.)

По агрегатным состояниям разделяемой смеси и поглотителя различные хро-матографические методы можно разделить на следующие четыре вида:

Процессы хроматографического анализа существенно различаются и по форме осуществления. Рассмотрим их применительно только к случаям жид-костно-адсорбционной хроматографии. (Однако в тех или других вариантах они могут относиться и к другим видам ее.)

Основными методами жидкостно-адсорбционной хроматографии являются три метода, называемые проявителъным, вытеснительным и фронтальным (применяются и другие термины). Разберем их на простейшем примере, в котором разделяемая смесь состоит лишь из двух компонентов А и В, причем вещество В адсорбируется сильнее, чем вещество А.

Проявительный метод (элюентный, метод промыванием) состоит в том, что в верхнюю часть колонки с адсорбентом вводят некоторое (небольшое) количество анализируемой жидкой смеси, которая адсорбируется. Затем через колонку пропускают жидкость (проявитель Е), адсорбирующуюся слабее обоих компонентов смеси А и В. Проходя через слой, содержащий адсорбированные компоненты А и В, жидкость будет постепенно вымывать из него оба компонента, но преимущественно слабее адсорбируемый компонент А. В результате будет достигнуто распределение компонентов А и В по различным зонам адсорбента (рис. 204а). При дальнейшем вымывании проявителем эти зоны перемещаются к нижней части колонки и, наконец, компоненты А и В выводятся промывающей жидкостью из колонки, выходя в разных порциях ее, разделенных одна от другой чистым проявителем.

Вытеснительный метод (вытеснительное проявление) отличается от предыдущего тем, что в качестве промывающей жидкости применяется вещество (вытеснитель О), которое адсорбируется сильнее, чем компоненты А и В. Поэтому промывающая жидкость вытесняет с адсорбента оба компонента А и В, причем компонент А вытесняется сильнее. Через некоторое время в колонке достигается распределение компонентов, показанное на рис. 2046. В этом случае наряду с зонами, содержащими компоненты А и В в отдельности, в промежуточной зоне они содержатся оба, причем относительное содержание компонента А убывает от зоны компонента А к зоне компонента В. При дальнейшем вытеснении их из колонки некоторая часть каждого из компонентов может быть получена в чистом виде, но некоторая остается в смеси.

Фронтальный метод основан на пропускании исходной смеси через колонку. Вследствие меньшей адсорбции компонента А через некоторое время в колонке достигается распределение компонентов, представленное на рис. 2040. При дальнейшем пропускании смеси из колонки будет выходить компонент А в чистом виде до тех пор, пока не начнется «проскок» компонента В. Такой метод дает возможность получить в чистом состоянии некоторое количество слабо адсорбируемого компонента А. Поэтому он применяется и в препаративных целях для выделения некоторых ценных веществ (редкоземельных элементов, белков и т. п.) в небольших количествах.

Характер взаимодействия, лежащего в основе хроматографических методов, неодинаков для разных процессов. В этом отношении из различных процессов можно выделить следующие четыре основных вида:

Адсорбционный хроматографический метод, описанный в рассмотренныхвыше примерах. В качестве адсорбентов применяют твердые поглотители, например активные угли, силикагель, активную окись алюминия.

Распределительный хроматографический метод, основанный на применении жидкого поглотителя (на твердом носителе) и благоприятном распределениивыделяемого вещества между исходной смесью и жидким поглотителем.

Ионообменный хроматографический метод, основанный на процессе ионного обмена с использованием в качестве ионообменных материалов природных

или синтетических неорганических или органических веществ. Процесс разделения обусловливается различием констант обмена разделяемых компонентов.

4. Осадочный, хроматографический метод основан на использовании в качестве поглотителей (на носителе) тех или других веществ, образующих с некоторыми компонентами исходной смеси труднорастворимые осадки. Разделение большей частью основывается па различной растворимости получающихся соединений.

Хроматографическнй метод получил широкое распространение для разделения небольших количеств сложных смесей на компоненты для выделения нужных составных частей из весьма разбавленных растворов и т. д.

В особенности же ценные результаты хроматографический анализ дает в отношении разделения сложных органических смесей (например, протеинов, углеводородов нефтяных фракций) и разделения близких по свойствам ионов (например, редкоземельных металлов).