არსებობს მრავალი განსხვავებული მეთოდი შემადგენლობის ანალიზისა და სხვადასხვა ნაერთებისა და ნივთიერებების ნარევების თვისებების შესასწავლად. ერთ-ერთი ასეთი მეთოდია ქრომატოგრაფია. მეთოდის გამოგონებასა და გამოყენებაში ავტორი ეკუთვნის რუს ბოტანიკოს მ.ს.ცვეტს, რომელიც მე-20 საუკუნის დასაწყისში ახორციელებდა მცენარეული პიგმენტების გამოყოფას.
მეთოდის განმარტება და საფუძვლები
ქრომატოგრაფია არის ნარევების გამოყოფისა და მათი კომპონენტების განსაზღვრის ფიზიკურ-ქიმიური მეთოდი, რომელიც ეფუძნება ნარევის შემადგენელი ნივთიერებების მოძრავ და სტაციონარულ ფაზებს შორის განაწილებას (ნიმუში). სტაციონარული ფაზა არის ფოროვანი მყარი ნივთიერება - სორბენტი. ის ასევე შეიძლება იყოს მყარ ზედაპირზე დეპონირებული თხევადი ფილმი. მობილური ფაზა - ელუენტი - უნდა მოძრაობდეს სტაციონარული ფაზის გასწვრივ ან გადიოდეს მასში, იფილტრება სორბენტით.
ქრომატოგრაფიის არსი იმაში მდგომარეობს, რომ ნარევის სხვადასხვა კომპონენტს აუცილებლად ახასიათებს განსხვავებული თვისებები, როგორიცაა მოლეკულური წონა, ხსნადობა, ადსორბირებადობა და ა.შ. ამრიგად, მობილური ფაზის კომპონენტების - სორბატების - სტაციონარული ურთიერთქმედების სიჩქარეიგივე არ არის. ეს იწვევს ნარევის მოლეკულების სიჩქარის განსხვავებას სტაციონარულ ფაზასთან შედარებით, რის შედეგადაც კომპონენტები გამოიყოფა და კონცენტრირდება სორბენტის სხვადასხვა ზონაში. ზოგიერთი მათგანი ტოვებს სორბენტს მობილურ ფაზასთან ერთად - ეს არის ეგრეთ წოდებული შეუკავებელი კომპონენტები.
ქრომატოგრაფიის განსაკუთრებული უპირატესობა ის არის, რომ ის საშუალებას გაძლევთ სწრაფად გამოყოთ ნივთიერებების რთული ნარევები, მათ შორის მსგავსი თვისებების მქონე.
ქრომატოგრაფიის ტიპების კლასიფიკაციის მეთოდები
ანალიზში გამოყენებული მეთოდები შეიძლება დაიყოს სხვადასხვა კრიტერიუმების მიხედვით. ასეთი კრიტერიუმების ძირითადი ნაკრები შემდეგია:
- სტაციონარული და მობილური ფაზების საერთო მდგომარეობა;
- სორბენტისა და სორბატების ურთიერთქმედების ფიზიკური და ქიმიური ბუნება;
- როგორ შემოვიტანოთ ელუენტი და გადავიტანოთ იგი;
- სტაციონარული ფაზის განთავსების მეთოდი, ანუ ქრომატოგრაფიის ტექნიკა;
- ქრომატოგრაფიის სამიზნეები.
გარდა ამისა, მეთოდები შეიძლება ეფუძნებოდეს სორბციის პროცესის განსხვავებულ ბუნებას, ქრომატოგრაფიული გამოყოფის ტექნიკურ პირობებს (მაგალითად, დაბალი ან მაღალი წნევა).
მოდით უფრო დეტალურად განვიხილოთ ზემოთ ჩამოთვლილი ძირითადი კრიტერიუმები და მათთან დაკავშირებული ქრომატოგრაფიის ყველაზე ფართოდ გამოყენებული ტიპები.
ელუენტი და სორბენტი აგრეგაციის მდგომარეობა
ამ საფუძველზე ქრომატოგრაფია იყოფა თხევად და გაზად. მეთოდების სახელები ასახავს მობილური ფაზის მდგომარეობას.
თხევადი ქრომატოგრაფია არის გამოყენებული ტექნიკამაკრომოლეკულური ნაერთების, მათ შორის ბიოლოგიურად მნიშვნელოვანი ნაერთების ნარევების გამოყოფის პროცესებში. სორბენტის აგრეგაციის მდგომარეობიდან გამომდინარე იყოფა თხევად-თხევად და თხევად-მყარ ფაზად.
გაზის ქრომატოგრაფია შემდეგი ტიპისაა:
- გაზის ადსორბცია (გაზის მყარი ფაზა), რომელიც იყენებს მყარ სორბენტს, როგორიცაა ქვანახშირი, სილიკა გელი, ცეოლიტები ან ფოროვანი პოლიმერები. ინერტული აირი (არგონი, ჰელიუმი), აზოტი, ნახშირორჟანგი მოქმედებს როგორც გამწმენდი - გამოსაყოფი ნარევის გადამზიდავი. ნარევის აქროლადი კომპონენტების გამოყოფა ხდება მათი ადსორბციის განსხვავებული ხარისხის გამო.
- გაზ-თხევადი. სტაციონარული ფაზა ამ შემთხვევაში შედგება თხევადი ფირისგან, რომელიც დეპონირებულია მყარ ინერტულ ბაზაზე. ნიმუშის კომპონენტები გამოყოფილია მათი შეწოვის ან ხსნადობის მიხედვით.
გაზის ქრომატოგრაფია ფართოდ გამოიყენება ორგანული ნაერთების ნარევების ანალიზისთვის (მათი დაშლის პროდუქტების ან წარმოებულების გამოყენებით აირისებრი ფორმით).
ურთიერთქმედება სორბენტსა და სორბატებს შორის
ამ კრიტერიუმის მიხედვით განასხვავებენ ასეთ ტიპებს:
- ადსორბციული ქრომატოგრაფია, რომლის მეშვეობითაც ხდება ნარევების გამოყოფა უმოძრაო სორბენტის მიერ ნივთიერებების ადსორბციის ხარისხის განსხვავების გამო.
- დისტრიბუცია. მისი დახმარებით, გამოყოფა ხორციელდება ნარევის კომპონენტების განსხვავებული ხსნადობის საფუძველზე. დაშლა ხდება ან მოძრავ და სტაციონალურ ფაზებში (თხევადი ქრომატოგრაფიაში), ან მხოლოდ სტაციონარულ ფაზაში (გაზ-თხევადშიქრომატოგრაფია).
- ნალექი. ქრომატოგრაფიის ეს მეთოდი ეფუძნება გამოსაყოფი ნივთიერებების წარმოქმნილი ნალექების განსხვავებულ ხსნადობას.
- გამორიცხვა, ან გელის ქრომატოგრაფია. იგი ეფუძნება მოლეკულების ზომის განსხვავებას, რის გამოც მათი უნარი შეაღწიონ სორბენტის, ეგრეთ წოდებული გელის მატრიცის ფორებში, იცვლება.
- აფინი. ეს სპეციფიკური მეთოდი, რომელიც ეფუძნება ცალკეული მინარევების ბიოქიმიურ ურთიერთქმედებას ლიგანდთან, რომელიც ქმნის კომპლექსურ ნაერთს ინერტული მატარებლით სტაციონარულ ფაზაში. ეს მეთოდი ეფექტურია პროტეინ-ფერმენტების ნარევების გამოყოფისას და გავრცელებულია ბიოქიმიაში.
- იონის გაცვლა. როგორც ნიმუშის გამოყოფის ფაქტორი, ეს მეთოდი იყენებს განსხვავებას ნარევის კომპონენტების იონური გაცვლის უნარში სტაციონარულ ფაზასთან (იონ გადამცვლელი). პროცესის დროს სტაციონარული ფაზის იონები იცვლება ელუენტის შემადგენლობაში შემავალი ნივთიერებების იონებით, ხოლო იონგამცვლელთან ამ უკანასკნელის განსხვავებული მიახლოების გამო წარმოიქმნება განსხვავება მათი მოძრაობის სიჩქარეში და, შესაბამისად, ნარევი გამოყოფილია. სტაციონარული ფაზისთვის ყველაზე ხშირად გამოიყენება იონგამცვლელი ფისები - სპეციალური სინთეტიკური პოლიმერები.
იონგაცვლის ქრომატოგრაფიას აქვს ორი ვარიანტი - ანიონური (ინარჩუნებს უარყოფით იონებს) და კატიონურ (შესაბამისად, ინარჩუნებს დადებით იონებს). ეს მეთოდი უკიდურესად ფართოდ გამოიყენება: ელექტროლიტების, იშვიათი მიწის და ტრანსურანის ელემენტების გამოყოფისას, წყლის გაწმენდისას, წამლების ანალიზში.
სხვაობა ტექნიკის მეთოდებში
არსებობს ორი ძირითადი გზა, რომლითაც ნიმუში მოძრაობს სტაციონარულ ფაზასთან შედარებით:
- სვეტის ქრომატოგრაფია ახორციელებს გამოყოფის პროცესს სპეციალურ მოწყობილობაში - ქრომატოგრაფიულ სვეტში - მილში, რომლის შიდა ღრუში მოთავსებულია უძრავი სორბენტი. შევსების მეთოდის მიხედვით, სვეტები იყოფა ორ ტიპად: შეფუთული (ე.წ. "შეფუთული") და კაპილარული, რომლებშიც ზედაპირზე გამოიყენება მყარი სორბენტის ფენა ან სტაციონარული ფაზის თხევადი ფილმი. შიდა კედელი. შეფუთულ სვეტებს შეიძლება ჰქონდეს განსხვავებული ფორმები: სწორი, U- ფორმის, სპირალური. კაპილარული სვეტები ხვეულია.
- პლანური (პლანარი) ქრომატოგრაფია. ამ შემთხვევაში სტაციონარული ფაზის გადამზიდად შეიძლება გამოვიყენოთ სპეციალური ქაღალდი ან ფირფიტა (ლითონი, მინა ან პლასტმასი), რომელზედაც სორბენტის თხელი ფენაა დაფენილი. ამ შემთხვევაში, ქრომატოგრაფიის მეთოდს, შესაბამისად, მოიხსენიებენ, როგორც ქაღალდის ან თხელი ფენის ქრომატოგრაფიას.
სვეტის მეთოდისგან განსხვავებით, სადაც ქრომატოგრაფიული სვეტები არაერთხელ გამოიყენება, პლანურ ქრომატოგრაფიაში, სორბენტის ფენის მქონე ნებისმიერი მატარებლის გამოყენება შესაძლებელია მხოლოდ ერთხელ. გამოყოფის პროცესი ხდება მაშინ, როდესაც ფირფიტა ან ქაღალდის ფურცელი ჩაეფლო კონტეინერში ელუენტით.
ელუენტის შეყვანა და გადაცემა
ეს ფაქტორი განსაზღვრავს ქრომატოგრაფიული ზონების მოძრაობის ბუნებას სორბენტის შრის გასწვრივ, რომლებიც წარმოიქმნება ნარევის გამოყოფის დროს. არსებობს ელუენტის მიწოდების შემდეგი მეთოდები:
- წინა. ეს მეთოდი ყველაზე მარტივიაშესრულების ტექნიკა. მობილური ფაზა უშუალოდ თავად ნიმუშია, რომელიც განუწყვეტლივ იკვებება სორბენტით სავსე სვეტში. ამ შემთხვევაში, ყველაზე ნაკლებად შენარჩუნებული კომპონენტი, რომელიც ადსორბირებულია სხვებზე ცუდად, მოძრაობს სორბენტის გასწვრივ უფრო სწრაფად, ვიდრე სხვები. შედეგად, მხოლოდ ეს პირველი კომპონენტი შეიძლება იზოლირებული იყოს სუფთა სახით, რასაც მოჰყვება კომპონენტების ნარევების შემცველი ზონები. ნიმუშის განაწილება ასე გამოიყურება: A; A+B; A+B+C და ასე შემდეგ. ამიტომ ფრონტალური ქრომატოგრაფია არ არის სასარგებლო ნარევების გამოყოფისთვის, მაგრამ ეფექტურია სხვადასხვა გაწმენდის პროცესში, იმ პირობით, რომ იზოლირებულ ნივთიერებას აქვს დაბალი შეკავება.
- გადაადგილების მეთოდი განსხვავდება იმით, რომ გამოსაყოფ ნარევში შეყვანის შემდეგ, სპეციალური გამაცხელებელი ელუენტი იკვებება სვეტში - ნივთიერება, რომელიც ხასიათდება ნარევის რომელიმე კომპონენტზე მეტი შეწოვის უნარით. ის ანაცვლებს ყველაზე შეკავებულ კომპონენტს, რომელიც ანაცვლებს შემდეგს და ა.შ. ნიმუში მოძრაობს სვეტის გასწვრივ გადაადგილების სიჩქარით და ქმნის მიმდებარე კონცენტრაციის ზონებს. ამ ტიპის ქრომატოგრაფიით, თითოეული კომპონენტი შეიძლება მიღებულ იქნას ინდივიდუალურად თხევადი სახით სვეტის გამოსასვლელში.
- ელუენტის (განვითარების) მეთოდი ყველაზე გავრცელებულია. გადაადგილების მეთოდისგან განსხვავებით, ელუენტს (გადამზიდს) ამ შემთხვევაში უფრო დაბალი სორბუნარიანობა აქვს, ვიდრე ნიმუშის კომპონენტებს. იგი განუწყვეტლივ გადის სორბენტის ფენაში, ირეცხება. პერიოდულად, ნაწილებად (პულსებით), გამოსაყოფი ნარევი შეჰყავთ სარეცხის ნაკადში, რის შემდეგაც სუფთა ელუენტი კვლავ იკვებება. გამორეცხვისას (ელუცია), კომპონენტები გამოიყოფა,უფრო მეტიც, მათი კონცენტრაციის ზონები გამოყოფილია ელუენტური ზონებით.
ელუენტური ქრომატოგრაფია შესაძლებელს ხდის გაანალიზებული ნივთიერებების ნარევის თითქმის მთლიანად გამოყოფას და ნარევი შეიძლება იყოს მრავალკომპონენტიანი. ასევე, ამ მეთოდის უპირატესობაა კომპონენტების ერთმანეთისგან იზოლირება და ნარევის რაოდენობრივი ანალიზის სიმარტივე. ნაკლოვანებები მოიცავს ელუენტის მაღალ მოხმარებას და მასში ნიმუშის კომპონენტების დაბალ კონცენტრაციას სვეტის გასასვლელში გამოყოფის შემდეგ. ელუენტის მეთოდი ფართოდ გამოიყენება როგორც აირის, ისე თხევადი ქრომატოგრაფიაში.
ქრომატოგრაფიული პროცესები მიზნებიდან გამომდინარე
სხვაობა ქრომატოგრაფიის მიზნებში შესაძლებელს ხდის განვასხვავოთ ისეთი მეთოდები, როგორიცაა ანალიტიკური, მოსამზადებელი და ინდუსტრიული.
ანალიტიკური ქრომატოგრაფიის საშუალებით ტარდება ნარევების ხარისხობრივი და რაოდენობრივი ანალიზი. ნიმუშის კომპონენტების გაანალიზებისას, ქრომატოგრაფის სვეტიდან გასვლისას ისინი მიდიან დეტექტორთან - მოწყობილობასთან, რომელიც მგრძნობიარეა ელუენტში ნივთიერების კონცენტრაციის ცვლილების მიმართ. დრო, რომელიც გავიდა ნიმუშის სვეტში შეყვანის მომენტიდან დეტექტორზე ნივთიერების მაქსიმალურ პიკურ კონცენტრაციამდე, ეწოდება შეკავების დრო. იმ პირობით, რომ სვეტის ტემპერატურა და გამწმენდის სიჩქარე მუდმივია, ეს მნიშვნელობა მუდმივია თითოეული ნივთიერებისთვის და ემსახურება ნარევის თვისებრივი ანალიზის საფუძველს. რაოდენობრივი ანალიზი ტარდება ქრომატოგრამაში ცალკეული მწვერვალების ფართობის გაზომვით. როგორც წესი, ელუენტის მეთოდი გამოიყენება ანალიტიკურ ქრომატოგრაფიაში.
მოსამზადებელი ქრომატოგრაფია მიზნად ისახავს სუფთა ნივთიერებების გამოყოფას ნარევიდან. მოსამზადებელი სვეტები გაცილებით დიდიადიამეტრი ვიდრე ანალიტიკური.
სამრეწველო ქრომატოგრაფია გამოიყენება, პირველ რიგში, კონკრეტული წარმოებისთვის საჭირო დიდი რაოდენობით სუფთა ნივთიერებების მისაღებად. მეორეც, ეს არის ტექნოლოგიური პროცესების თანამედროვე კონტროლისა და რეგულირების სისტემების მნიშვნელოვანი ნაწილი.
სამრეწველო ქრომატოგრაფს აქვს ამა თუ იმ კომპონენტის კონცენტრაციის მასშტაბი და აღჭურვილია სენსორით, ასევე კონტროლისა და რეგისტრაციის სისტემებით. ნიმუშები გადაეცემა ასეთ ქრომატოგრაფებს ავტომატურად გარკვეული სიხშირით.
მრავალფუნქციური ქრომატოგრაფიის მოწყობილობა
თანამედროვე ქრომატოგრაფები არის რთული მაღალტექნოლოგიური მოწყობილობები, რომლებსაც შეუძლიათ გამოიყენონ სხვადასხვა სფეროში და სხვადასხვა მიზნებისთვის. ეს მოწყობილობები შესაძლებელს ხდის რთული მრავალკომპონენტიანი ნარევების ანალიზს. ისინი აღჭურვილია დეტექტორების ფართო სპექტრით: თბოგამტარი, ოპტიკური, იონიზაციის, მასის სპექტრომეტრიული და ასე შემდეგ.
გარდა ამისა, თანამედროვე ქრომატოგრაფია იყენებს ავტომატური კონტროლის სისტემებს ქრომატოგრამების ანალიზისა და დამუშავებისთვის. კონტროლი შეიძლება შესრულდეს კომპიუტერიდან ან პირდაპირ მოწყობილობიდან.
ასეთი მოწყობილობის მაგალითია მრავალფუნქციური გაზის ქრომატოგრაფი "კრისტალი 5000". მას აქვს ოთხი შესაცვლელი დეტექტორის ნაკრები, სვეტის თერმოსტატი, წნევის და დინების კონტროლის ელექტრონული სისტემები და გაზის სარქვლის კონტროლი. სხვადასხვა პრობლემის გადასაჭრელად მოწყობილობას აქვსშეფუთული და კაპილარული სვეტების დაყენების შესაძლებლობა.
ქრომატოგრაფი კონტროლდება სრულფასოვანი კლავიატურის და საკონტროლო ეკრანის გამოყენებით ან (სხვა მოდიფიკაციაში) პერსონალური კომპიუტერიდან. ეს ახალი თაობის მოწყობილობა შეიძლება ეფექტურად იქნას გამოყენებული წარმოებაში და სხვადასხვა კვლევით ლაბორატორიებში: სამედიცინო, სასამართლო, გარემოსდაცვითი.
მაღალი წნევის ქრომატოგრაფია
თხევადი სვეტის ქრომატოგრაფიის ჩატარება ხასიათდება პროცესის საკმაოდ ხანგრძლივი ხანგრძლივობით. თხევადი ელუენტის მოძრაობის დასაჩქარებლად გამოიყენება მობილური ფაზის მიწოდება სვეტში წნევის ქვეშ. ამ თანამედროვე და ძალიან პერსპექტიულ მეთოდს უწოდებენ მაღალი ხარისხის თხევადი ქრომატოგრაფიის მეთოდს (HPLC).
HPLC თხევადი ქრომატოგრაფის სატუმბი სისტემა აწვდის ელუენტს მუდმივი სიჩქარით. განვითარებული შესასვლელი წნევა შეიძლება მიაღწიოს 40 მპა-ს. კომპიუტერული კონტროლი შესაძლებელს ხდის მობილური ფაზის შემადგენლობის შეცვლას მოცემული პროგრამის მიხედვით (გამორეცხვის ამ მეთოდს გრადიენტი ეწოდება).
HPLC შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვადასხვა მეთოდით, რომლებიც დაფუძნებულია სორბენტისა და სორბატის ურთიერთქმედების ბუნებაზე: განაწილება, ადსორბცია, ზომის გამორიცხვა, იონგაცვლის ქრომატოგრაფია. HPLC-ის ყველაზე გავრცელებული ტიპია შებრუნებული ფაზის მეთოდი, რომელიც დაფუძნებულია პოლარული (წყლიანი) მოძრავი ფაზის და არაპოლარული სორბენტის ჰიდროფობიურ ურთიერთქმედებებზე, როგორიცაა სილიკა გელი.
მეთოდი ფართოდ გამოიყენება გამოყოფის, ანალიზისთვის,არასტაბილური, თერმულად არასტაბილური ნივთიერებების ხარისხის კონტროლი, რომლებიც არ შეიძლება გარდაიქმნას აირისებრ მდგომარეობაში. ეს არის აგროქიმიკატები, მედიკამენტები, საკვები კომპონენტები და სხვა რთული ნივთიერებები.
ქრომატოგრაფიული კვლევების მნიშვნელობა
სხვადასხვა ტიპის ქრომატოგრაფი ფართოდ გამოიყენება სხვადასხვა სფეროში:
- არაორგანული ქიმია;
- პეტროქიმიკა და სამთო;
- ბიოქიმია;
- მედიკამენტები და ფარმაცევტული საშუალებები;
- კვების მრეწველობა;
- ეკოლოგია;
- კრიმინოლოგია.
ეს სია არასრულია, მაგრამ ასახავს იმ ინდუსტრიების გაშუქებას, რომლებსაც არ შეუძლიათ ანალიზის, გამოყოფისა და ნივთიერებების გაწმენდის ქრომატოგრაფიული მეთოდების გარეშე. ქრომატოგრაფიის გამოყენების ყველა სფეროში, სამეცნიერო ლაბორატორიებიდან დაწყებული სამრეწველო წარმოებამდე, ამ მეთოდების როლი კიდევ უფრო იზრდება, რამდენადაც დანერგილია თანამედროვე ტექნოლოგიები ინფორმაციის დამუშავების, რთული პროცესების მართვისა და კონტროლისთვის.
