- •Хроматография в биологии
- •Михаил семенович цвет
- •Опыты, ставшие классическими
- •Первая хроматограмма, полученная м. С. Цветом.
- •Возрождение метода
- •Применяли ли хроматографию до цвета
- •Развитие, совершенствование и новые варианты метода
- •Хроматография газов
- •Хроматограф и детекторы
- •Как выбирают условия работы хроматографической колонки
- •И тогда
- •Количественный анализ и его точность
- •Препаративная хроматография
- •Начало бурного развития метода
- •Теория газовой хроматографии
- •Капиллярные колонки. Капиллярная хроматография
- •Следующий шаг- выбор неподвижной фазы
- •Нужно выбирать и носитель
- •Комплексные методы
- •Заключение
- •Березкин в. Г., Алишоев в. Р., Немировская и. Б.
Развитие, совершенствование и новые варианты метода
После возрождения хроматографии, в тридцатых годах, наряду с широким использованием того варианта, который был предложен Цветом и признан классическим,— проявителъного варианта жидкостно-адсорбцыонной хроматографии, и его усовершенствованием стали возникать и развиваться новые варианты метода. Прежде всею был устранен существенный недостаток классического варианта. Дело в том, что Цвет получал хроматограмму на слое сорбента, поэтому для выделения разделенных веществ ему приходилось извлекать адсорбент из колонки и экстрагировать вещества. Таким образом, перед каждым анализом колонку нужно было заново заполнять адсорбентом. Японский ученый В. Кошара, в отличие от Цвета, после проявления зон на сорбенте продолжал подачу проявителя до тех пор, пока все разделенные вещества не выходили поочередно из колонки. Так была получена жидкая хроматограмма. или хроматограмма в элюате
(в потоке, выходящем из колонки). Преимущества этого способа очевидны: во-первых, в руках у исследователя оказываются растворы каждого из разделенных веществ в проявителе, во-вторых, после окончания одного анализа в колонку можно сразу (или, если это необходимо, после отдувки растворителя воздухом) вводить следующую пробу.
В 1940г. шведский ученый А. Тизелиус разработал фронтальный и вытеснителъный методы хроматографического анализа. С фронтальным вариантом мы уже познакомились; он отличается чем, что исследуемая смесь подается в колонку непрерывно. Этот метод наиболее близок к природным хроматографическим процессам.
Вытеснительный метод основан на том, что более сильно адсорбирующееся вещество
вытесняет с поверхности адсорбента слабо адсорбирующееся и занимает его место. Поэтому после введения в колонку определенного количества анализируемой пробы начинают подавать вытеснитель- жидкость, адсорбирующуюся сильнее всех компонентов смеси. Тогда зоны компонентов распределяются на слое по степени адсорбируемости и каждое последующее вещество, вытесняя предыдущее, протолкнет его вперед. Такой метод позволяет сконцентрировать компоненты на слое адсорбента и поэтому удобен, в частности, при определении примесей. Однако в общем случае он никак не может конкурировать с проявительным вариантом.
Одновременно хроматография развивалась и в других направлениях. Так, были разработаны бумажная и тонкослойная хроматография. Широкое распространение получила ионообменная хроматография, основанная на обратимой химической реакции— обмене катионами или анионами между анализируемыми веществами и адсорбентом. Способность к такому обмену у различных веществ различна, поэтому-то по мере проявления смеси на колонке и происходит разделение. Здесь, как и в адсорбционной хроматографии, используются фронтальный и проявительный методы.
Специальные ионообменные сорбенты (сульфированный уголь, соответствующим образом обработанная окись алюминия, синтетические ионообменные смолы) применяют с целью опреснения питьевой воды, очистки воды для паровых котлов и ядерных реакторов, а также в различных областях пищевой и химической промышленности.
Ионообменная хроматография широко используется в аналитической и препаративной химии, в частности, для разделения щелочных, редкоземельных и трансурановых элементов. Известно, например, что этот метод использован учеными, занимавшимися во время войны созданием атомной бомбы («Манхэттенский проект»), а также в последующие годы—специалистами, работающими в области синтеза новых элементов и получения ядерной энергии. Поскольку разделяемые и анализируемые вещества радиоактивны, в качестве детектора применяют счетчик радиоактивности. При этом на хроматограмме получаются сигналы даже тогда, когда в смеси содержится всего несколько атомов того или иного элемента. Таким образом, был идентифицирован элемент № 101- менделевий (Мd).
В 1938г. работами советских ученых Н. А. Измайлова и М.С.Шрайбер было положено начало методу тонкослойной хроматографии, который до сих пор широко применяется в химико-фармацевтической промышленности и биологии в этом методе вместо колонки используют стеклянную пластинку, на которую наносят тонкий слой порошкообразного адсорбента, например окиси алюминия. Каплю анализируемой смеси наносят на этот слой, а край пластинки смачивают растворителем, который, проходя через слой адсорбента, транспортирует пробу; при этом, как в колонке, «проявляется» хроматограмма. Этот метод можно использовать и для выделения более или менее значительных количеств веществ, тогда слой адсорбента делают более толстым, такой вариант метода получил название «препаративно-слойная хроматография».
Однако наиболее крупным скачком в развитии хроматографии после основополагающих работ М. С. Цвета считают создание методов распределительной хроматографии английским химиком А. Мартином и его сотрудниками Р. Сингом и А. Джемсом. В 1941г. была опубликована работа Мартина и Синга, в которой описан метод разделения аминокислот на колонке с силикагелем, пропитанным водой; проявителем служили органические растворители. В этом методе основным процессом оказалась не адсорбция, а растворение веществ неподвижной фазой (в данном случае водой), точнее—распределение анализируемого вещества между двумя жидкостями: неподвижной (водой) и подвижной (органическим растворителем). Именно различие в распределении компонентов смеси между жидкостями и определяет разделительную способность метода.
Какие же достоинства имеет распределительный вариант хроматографии перед адсорбционным? Во-первых, используемый адсорбент может химически взаимодействовать с некоторыми из разделяемых веществ (вспомним, возражения биологов против метода Цвета). Неподвижную жидкость можно подбирать так, чтобы полностью устранить эту опасность. Во-вторых, даже если химической реакции нет, адсорбент может настолько сильно поглотить некоторые из компонентов смеси, что проявить или вытеснить их очень трудно. Недаром уже Цвет старался использовать слабые адсорбенты типа мела. Замена адсорбента неподвижной жидкостью позволяет «ослабить» сорбцию и таким образом расширить круг анализируемых веществ. В-третьих, адсорбенты трудно стандартизировать, их свойства могут изменяться от партии к партии, поэтому исследователю бывает нелегко получать одинаковую степень разделения и «узнавать», идентифицировать вещества по положению их зон на хроматограмме. В распределительной хроматографии можно применять чистые индивидуальные жидкости и это позволит добиться так называемой межлабораторной воспроизводимости, то есть близких результатов у разных исследователей. Наконец, в-четвертых, варьируя неподвижными и подвижными жидкостями, можно испытывать самые разнообразные их сочетания и получать систему с такой разделяющей способностью, которая была бы наилучшей для каждой конкретной аналитической задачи.
За разработку распределительной хроматографии и различных ее вариантов Мартин и Синг в 1952г. были удостоены Нобелевской премии.
В 1944г. А. Мартин вместе со своими сотрудниками Р. Консденомп А. Гордоном, также на примере разделения аминокислот, предложил распределительный вариант хроматографии на бумаге (бумага была пропитана водой).
Примерно в это же время развивался и классический жидкостный адсорбционный метод, его успех был связан с использованием, как для анализа, так и для очистки нефтепродуктов
В течение 40 лет, с 1927 по 1967г., в США в Американском нефтяном институте велась работа по детальному исследованию «представительной» нефти (скважина № 6 месторождения Понка-Сити, штат Оклахома). При этом было разработано и усовершенствовано большое число самых разных методов исследования. С 1943г. стали использовать и жидкостно-адсорбционную хроматографию. Хроматографическое разделение бензинов проводили на пяти колонках длиной по 16 м и внутренним диаметром 18мм. В качестве адсорбента использовали силикагель, а подвижной фазы (вытеснителя)—спирт. К 1960г. было выделено и исследовано 175 индивидуальных углеводородов. Вот еще одно яркое опровержение слов Вильштеттера о том, что хроматография якобы не подходит для препаративной работы. Кроме того, эти работы еще раз доказали, что нефть и продукты ее переработки являются прекрасным объектом для хроматографических исследований. Действительно, только с помощью хроматографических методов можно разделить такие сложные смеси, какой является нефть. К тому же исследование сложных объектов стимулирует развитие метода, повышение четкости разделения веществ. Недаром многие теоретики хроматографии были связаны с нефтяной промышленностью и разрабатывали общие теоретические проблемы на примере разделения углеводородов. Интересно, что именно нефтяники впервые применили к хроматографии концепцию теоретических тарелок, позаимствовав
ее из теории ректификации. Как мы увидим в следующей главе, и сейчас эффективность хроматографической колонки определяют числом теоретических тарелок
Оценивая важность работ по исследованию нефти Понка-Сити, мы можем с уверенностью сказать, что их методические разработки, усовершенствованные затем другими исследователями, сохранили свою актуальность и сейчас.
И, наконец, говоря об использовании жидкостной хроматографии в нефтяной промышленности, нельзя не отметить, что многие технологические процессы адсорбционной очистки смазочных масел и топлив, а также выделения ароматических углеводородов могут быть частично или полностью отнесены к числу хроматографических процессов.