Вибіркова адсорбція і її біологічне значення

Якщо адсорбція будь-якої речовини значно переважає адсорбцію інших, то можна говорити про її вибіркову адсорбцію цим адсорбентом. Ця обставина має велике практичне значення. Підбираючи потрібні адсорбенти, можна відділити із складних сумішей чітко визначену речовину.

Прикладом вибіркової адсорбції є йонна. Згідно з правилом Панета-Фаянса, на твердому адсорбенті переважно адсорбуються йони, які входять до складу адсорбенту, або містять спільну з адсорбентом групу.

Так, на частках AgCl, що утворюються у реакції AgNO₃+KCl, адсорбуються або йони Cl^–, або Ag⁺, але не K⁺ чи NO^–₃.

Багатовалентні йони адсорбуються сильніше, ніж одновалентні. Йони однакової валентності також адсорбуються неоднаково у зв’язку з відмінностями їх ступеня гідратації. За їх здатністю до адсорбції вони розташовуються у так звані ліотропні ряди:

Cs⁺>Rb⁺>K⁺>Na⁺>Li⁺;

CNS^–>J^–>NO^–₃>Br^–>Cl^–

Ці особливості йонної адсорбції мають велике значення для процесів стабілізації і коагуляції колоїдів.

В організмі людей і тварин часто спостерігається явище вибіркової адсорбції токсинів та інших речовин різними тканинами і клітинами. Так, наприклад, токсини збудників дизентерії вражають перш за все вегетативну нервову систему, а токсини збудників ботулізму – центральну нервову систему; сипний тиф вражає стінки судин шкіри, мозку, серця.

Імунні білки (антитіла) володіють високою вибірковістю у сполученні тільки з чітко визначеним для кожного антитіла чужорідним білком (антигеном). За допомогою електронної мікроскопії було встановлено, що антитіла адсорбуються на поверхні бактерій черевного тифу не рівномірно, а ділянками, ніби “активними центрами”.

Навіть невеликі кількості введених в організм токсинів, що володіють високою адсорбційною здатністю на активних центрах окремих ферментів і інших біологічно активних сполук, призводять до їх блокади. Зокрема, введення в організм ціанистих сполук викликає миттєву смерть через блокаду ферментів цитохромної системи дихального ланцюга.

Явище адсорбції використовується у так званій адсорбційній терапії, яка полягає у введенні хворому адсорбентів для поглинання шкідливих речовин. Активоване вугілля (карболен), аеросил (аморфний SiO₂) використовують для зв’язування ядів, токсинів, які потрапили у шлунково-кишковий тракт, та для адсорбції кишкових газів.

Хроматографія

Рис.15

Адсорбційна хроматографія (за Цвітом):

1 – розчинник,

2 – адсорбент з шарами адсорбованих речовин,

3 – вата,

4 – відведення до вакуумної установки.

Хроматогафічний (від грецьк. chromatos – фарба і chrapho – пишу) аналіз – це фізико-хімічний метод розділення речовин за допомогою сорбційних процесів при напрямленому русі однієї з фаз. В його основу покладені різні за механізмом та неодноразові повторення явищ сорбції та десорбції.

Рис.16

Розділювальна хроматографія амінокислот на папері.

Метод розробив М.Цвіт (1903). Ним був сконструйований прилад, що складався з лійки і колби (рис. 15). Скляна лійка заповнювалася безбарвним адсорбентом і через неї пропускалася водяна суміш пігментів, одержаних механічним подрібненням зелених листків. Проходячи крізь шар адсорбенту, різні речовини розміщувалися у вигляді окремих забарвлених зон. Найбільші частки адсорбтиву затримувалися верхніми шарами адсорбенту, а менші – середніми, найдрібніші виявлялися в нижніх шарах. Адсорбент і адсорбтиви висушувалися і розділялися на окремі зони. Для одержання в чистому вигляді окремих речовин вони вимивалися (елюювалися) відповідними розчинниками. Так були одержані хлорофіли а, в і с та ізомери ксантофілу. Забарвлений стовпчик адсорбенту і адсорбтиву було названо хроматограмою, а метод – хроматографією. У 1941 році А.Мартін і Р.Стінг розробили метод розподільної хроматографії на папері і використали його для одержання у чистому вигляді білків, амінокислот, вуглеводів та інших речовин.

Рис. 17 Газовий хроматограф Agilent 6850.

За механізмом процесу розділення хроматографія поділяється на такі види: адсорбційна, розподільна, екстракційна, йонообмінна, ексклюзивна (гельпроникна). Адсорбційна хроматографія грунтується на різній адсорбції тієї чи іншої речовини адсорбентом. Прикладом розподільної хроматографії є хроматографічний аналіз амінокислотного складу на папері (рис. 16). Волокна целюлози паперу адсорбують воду, і розділення речовин на ньому проходить між незмішуваним з водою розчинником і водним шаром волокон паперу. Цей вид хроматографії застосовується для розділення білків, вуглеводів, стероїдів, пуринів, фенолів, вітамінів, антибіотиків та ін. В основі йонообмінної хроматографії лежать різниці констант йонообмінної рівноваги між нерухомою фазою (йонітом) і компонентами суміші, що розділяється. Ексклюзивна хроматографія базується на різній проникності молекул компонентів суміші у нерухому фазу – високопористий гель. Прикладом може бути гель-фільтрація, коли суміш білка та інших речовин пропускають через гель сефадексу. Білок має високу молекулярну масу і тому швидше проходить через колонку, а молекули інших речовин розподіляються в порах сорбента заповнених розчинником. Екстракційна хроматографія здійснюється на основі неоднакової здатності компонентів рухомої фази (суміш, що розділяється) випадати в осад на твердій нерухомій фазі.

Залежно від середовища, де відбувається розділення суміші, розрізняють газову і рідинну хроматографію. Газова хроматографія проводиться шляхом перенесення газом-носієм, під відповідним тиском, через колонку суміші компонентів. Відповідні фізичні прилади (рис. 17) фіксують величину сигналу, яка пропорційна концентрації речовини і відображається у вигляді відповідних хроматограм.

За агрегатним станом нерухомої фази газова хроматографія буває газоадсорбційною (нерухома фаза – твердий адсорбент) і газорідинна (нерухома фаза – рідина). Рідинна хроматографія поділяється на рідинно-адсорбційну (твердорідинну) і рідинно-рідинну. За методом проведення розрізняють колонкову, тонкошарову, паперову і капілярну. У першому випадку використовуються спеціальні хроматографічні колонки, які заповнюються адсорбентом і крізь них пропускається рухома фаза, яка рухається внаслідок перепаду тиску. Різновидом колонкової хроматографії є капілярна, при якій твердий адсорбент наноситься твердим шаром на стінку капілярної трубочки. Тонкошарова хроматографія проводиться на площині відповідного сорбенту, що нанесений на металеву або скляну пластинку. У паперовій хроматографії як сорбент використовується спеціальний хроматографічний папір.

Хроматографія широко застосовується у промисловості, біології, медицині, ветеринарній медицині. Метод є простий і при цьому досліджувані речовини не зазнають хімічних змін, тому що явище адсорбції базується на силах міжмолекулярних взаємодій. Хроматографічний метод дослідження використовується для встановлення амінокислотного складу гідролізатів і первинної структури білків, у вивченні амінокислотного складу плазми та інших біологічних середовищ, при кількісному визначенні вітамінів, гормонів і інших біологічно активних речовин. Черезу високу чутливість хроматографія використовується для виділення різних речовин у чистому вигляді та їх ідентифікації.