ХРОМАТОГРАФИЯ
(от греч. chroma,
род. падеж chromatos - цвет, краска и ...графия), физико-хим. метод
разделения и анализа смесей, основанный на распределении их компонентов
между двумя фазами - неподвижной и подвижной (элюент), протекающей через
неподвижную.
Историческая справка. Метод разработан
в 1903 М. Цветом, к-рый показал, что при пропускании смеси растительных
пигментов через слой бесцветного сорбента индивидуальные вещества располагаются
в виде отдельных окрашенных зон. Полученный таким образом послойно окрашенный
столбик сорбента Цвет назвал хроматограммой, а метод - X. Впоследствии
термин "хроматограмма" стали относить к разным способам фиксации результатов
мн. видов X. Однако вплоть до 40-х гг. X. не получила должного развития.
Лишь в 1941 А. Мартин и Р. Синг открыли метод распределительной
X. и показали его широкие возможности для исследования белков и углеводов.
В 50-е гг. Мартин и амер. учёный А. Джеймс разработали метод газо-жидкостной
X.
Основные виды X. В зависимости от природы
взаимодействия, обусловливающего распределение компонентов между элюентом
и неподвижной фазой, различают след. осн. виды X.- адсорбционную, распределительную,
ионообменную, эксклюзионную (молекуляр-но-ситовую) и осадочную. Адсорбционная
X. основана на различии сор-бируемости разделяемых веществ адсорбентом
(твёрдое тело с развитой поверхностью); распределительная X.- на разной
растворимости компонентов смеси в неподвижной фазе (высркоки-пящая жидкость,
нанесённая на твёрдый макропористый носитель) и элюенте (следует иметь
в виду, что при распределительном механизме разделения на перемещение зон
компонентов частичное влияние оказывает и адсорбционное взаимодействие
анализируемых компонентов с твёрдым сорбентом); ионообменная X.- на различии
констант ионообменного равновесия между неподвижной фазой (ионитом) и компонентами
разделяемой смеси; эксклюз ионная (молекуляр-но-ситовая) X.- на разной
проницаемости молекул компонентов в неподвижную фазу (высокопористый неионоген-ный
гель). Эксклюзионная X. подразделяется на гель-проникающую (ГПХ), в к-рой
элюент - неводный растворитель, и гель-фильтрацию, где элюент - вода. Осадочная
X. основана на различной способности разделяемых компонентов выпадать в
осадок на твёрдой неподвижной фазе.
В соответствии с агрегатным состоянием
элюента различают газовую и жидкостную X. В зависимости от агрегатного
состояния неподвижной фазы газовая X. бывает газо-адсорбционной (неподвижная
фаза - твёрдый адсорбент) и газожидкостной (неподвижная фаза - жидкость),
а жидкостная X.- жидкостно-ад-сорбционной (или твёрдо-жидкостной) и жидкостно-жидкостной.
Последняя, как и газо-жидкостная, является распределительной X. К твёрдо-жидкостной
X. относятся тонкослойная и бумажная.
Различают колоночную и плоскостную X. В
колоночной сорбентом заполняют специальные трубки - колонки, а подвижная
фаза движется внутри колонки благодаря перепаду давления. Разновидность
колоночной X.- капиллярная, когда тонкий слой сорбента наносится на внутр.
стенки капиллярной трубки. Плоскостная X. подразделяется на тонкослойную
и бумажную. В тонкослойной X. тонкий слой гранулированного сорбента или
пористая плёнка наносится на стеклянную или металлич. пластинки; в случае
бумажной X. используют специальную хроматографич. бумагу. В плоскостной
X. перемещение подвижной фазы происходит благодаря капиллярным силам.
При хроматографировании возможно изменение
по заданной программе темп-ры, состава элюента, скорости его протекания
и др. параметров.
В зависимости от способа перемещения разделяемой
смеси вдоль слоя сорбента различают след, варианты X.: фронтальный, проявительный
и вытеснительный. При фронтальном варианте в слой сорбента непрерывно вводится
разделяемая смесь, состоящая из газа-носителя и разделяемых компонентов,
напр. 1, 2, 3, 4, к-рая сама является подвижной фазой. Через нек-рое время
после начала процесса наименее сорбируемый компонент (напр., 1) опережает
остальные и выходит в виде зоны чистого вещества раньше всех, а за ним
в порядке сорбируемости последовательно располагаются зоны смесей компонентов:
1+2, 1 + 2 + 3, 1 + 2 + 3+4 (рис., а).
Основные варианты проведения хроматографич.
процесса: а - фронтальный, б - проявительный, в - вытеснительный;
1, 2, 3, 4 - разделяемые вещества: С -несорбирующаяся подвижная
фаза; D -вытеснитель.
При проявительном варианте через слой сорбента
непрерывно проходит поток элюента и периодически в слой сорбента вводится
разделяемая смесь веществ. Через определённое время происходит деление
исходной смеси на чистые вещества, располагающиеся отд. зонами на сорбенте,
между к-рыми находятся зоны элюента (рис., 6). При в ы т е с-нительном
варианте в сорбент вводится разделяемая смесь, а затем поток газаносителя,
содержащего вытеснитель (элюент), при движении к-рого смесь через нек-рый
период времени разделится на зоны чистых веществ, между к-рыми окажутся
зоны их смеси (рис., в). Ряд видов X. осуществляется с помощью приборов,
наз. хроматографами, в большинстве из к-рых реализуется проявительный
вариант X. Хроматографы используют для анализа и для препаративного (в
т. ч. пром.) разделения смесей веществ. При анализе разделённые в колонке
хроматографа вещества вместе с элюентом попадают через различные промежутки
времени в установленное на выходе из хроматографич. колонки детектирующее
устройство, регистрирующее их концентрации во времени. Полученную в результате
этого выходную кривую наз. хроматограммой. Для качеств, хроматографич.
анализа определяют время от момента ввода пробы до выхода каждого компонента
из колонки при данной темп-ре и при использовании определённого элюента.
Для количеств, анализа определяют высоты или площади хроматографич. пиков
с учётом коэффициентов чувствительности используемого детектирующего устройства
к анализируемым веществам.
Для анализа и разделения веществ, переходящих
без разложения в парообразное состояние, наибольшее применение получила
газовая X., где в качестве элюента (газа-носителя) используются гелий,
азот, аргон и др. газы. Для газо-ад-сорбционного варианта X. в качестве
сорбента (частицы диаметром 0,1-0,5 мм) используют силикагели,
алюмогели,
молекулярные
сита, пористые полимеры и др. сорбенты с удельной поверхностью 5-500
л2/г. Для газо-жидкостной X. сорбент готовят нанесением жидкости
в виде плёнки (высококипящие углеводороды, сложные эфиры, силоксаны и др.)
толщиной неск. мкм на твёрдый носитель с удельной поверхностью 0,5-5
л2/г и более. Рабочие температурные пределы для газоадсорбционного
варианта X. от -70 до 600 °С, для газо-жидкостного от -20 до 400 °С. Газовой
X. можно разделить неск. см3 газа или мг жидких
(твёрдых) веществ; время анализа от неск. сек до нескольких часов.
В жидкостной колоночной X. в качестве элюента
применяют легколетучие растворители (напр., углеводороды, эфиры, спирты),
а в качестве неподвижной фазы - силикагели (в т. ч. силикагели с химически
привитыми к поверхности различными функциональными группами -эфирными,
спиртовыми и др.), алюмогели, пористые стёкла; размер частиц всех этих
сорбентов неск. мкм. Подавая элюент под давлением до 50 Мн/м2
(500
кгс/сл2), удаётся сократить время анализа от 2-3 ч до
неск. мин. Для повышения эффективности разделения сложных смесей
используют программируемое во времени изменение свойств элюента путём смешения
растворителей разной полярности (градиентное элюи-рование).
Жидкостная молекулярно-ситовая X. отличается
использованием сорбентов, имеющих поры строго определённого размера (пористые
стёкла, молекулярные сита, в т. ч. декстрановые и др. гели).
В тонкослойной и бум. X. исследуемую смесь
в жидком виде наносят на стартовую линию (начало пластинки или полоски
бумаги), а затем разделяют на компоненты восходящим или нисходящим потоком
элюента. Последующее обнаружение (проявление) разделённых веществ на хроматограмме
(так в этих случаях наз. пластину с нанесённым на неё сорбентом или хроматографич.
бумагу, на к-рых произошло разделение исследуемой смеси на компоненты)
осуществляют при помощи ультрафиолетовой (УФ) спектроскопии, инфракрасной
(ИК) спектроскопии или обработкой реактивами, образующими с анализируемыми
веществами окрашенные соединения.
Качественно состав смесей с помощью этих
видов X. характеризуют определённой скоростью перемещения пятен веществ
относительно скорости движения растворителя в данных условиях. Количеств,
анализ осуществляют измерением интенсивности окраски вещества на хроматограмме.
X. широко применяется в лабораториях и
в пром-сти для качеств, и количеств, анализа многокомпонентных систем,
контроля произ-ва, особенно в связи с автоматизацией мн. процессов, а также
для препаративного (в т. ч. пром.) выделения индивидуальных веществ (напр.,
благородных металлов), разделения редких и рассеянных элементов.
Газовая X. применяется для газов разделения,
определения
примесей вредных веществ в воздухе, воде, почве, пром. продуктах; определения
состава продуктов основного органич. и нефтехимич. синтеза, выхлопных газов,
лекарственных препаратов, а также в криминалистике и т. д. Разработаны
аппаратура и методики анализа газов в космич. кораблях, анализа атмосферы
Марса, идентификации органич. веществ в лунных породах и т. п.
Газовая X. применяется также для определения
физико-хим. характеристик индивидуальных соединений: теплоты адсорбции
и растворения, энтальпии, энтропии, констант равновесия и комплек-сообразования;
для твёрдых веществ этот метод позволяет измерить удельную поверхность,
пористость, каталитич. активность.
Жидкостная X. используется для анализа,
разделения и очистки синтетич. полимеров, лекарственных препаратов, детергентов,
белков, гормонов и др. биологически важных соединений. Использование высокочувствительных
детекторов позволяет работать с очень малыми кол-вами веществ (10и-
109 г), что исключительно важно в биол. исследованиях. Часто
применяется молекуляр-но-ситовая X. и X. по сродству; последняя основана
на способности молекул биол. веществ избирательно связываться друг с другом.
Тонкослойная и бум. X. используются для
анализа жиров, углеводов, белков и др. природных веществ и неорганич. соединений.
В нек-рых случаях для идентификации веществ
используется X. в сочетании с др. физико-хим. и физ. методами, напр, с
масс-спектрометрией, ИК-, УФ-спектроскопией и др. Для расшифровки хроматограмм
и выбора условий опыта применяют ЭВМ.
Лит.: Ж у х о в и ц к и й А. А.,
Туркельтауб Н. М., Газовая хроматогра-фия, М., 1962; Киселев А. В., Яшин
Я. И., Газо-адсорбционная хромато-графия, М., 1967; Сакодынски и К.И.,
Волков С. А., Препаративная газовая хроматография, М., 1972; ГольбертК.
А., Вигдергауз М. С., Курс газовой хро-матографии, М., 1974; Хроматография
на бумаге, пер. с чеш., М., 1962; Детерман Г., Гель-хроматография, пер.
с нем., М., 1970; Morris С. J. О., Morris P., Separation methods in biochemistry,
L., 1964. К. И. Сакодынский.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я