Хроматография

Хроматография — это физико-химический метод разделения и анализа смесей веществ, основанный на распределении компонентов между двумя фазами: неподвижной (стационарной) и подвижной (элюентом). Метод позволяет разделять сложные смеси на индивидуальные компоненты, идентифицировать их и определять количественное содержание. Хроматография широко применяется в химии, биохимии, фармацевтике, экологии, криминалистике и других областях.

История

Основы хроматографии были заложены в 1903 году русским ботаником и биохимиком Михаилом Семёновичем Цветом. Он пропускал раствор смеси растительных пигментов (хлорофиллов и каротиноидов) через колонку, заполненную порошкообразным карбонатом кальция. В результате компоненты смеси разделились на окрашенные зоны, что дало название методу (от греч. chroma — цвет и grapho — пишу). Цвет опубликовал описание метода в 1906 году, но его работа не получила широкого признания до 1930-х годов.

В 1931 году немецкие химики Рихард Кун и Эдгар Ледерер воспроизвели эксперименты Цвета и подтвердили эффективность метода. В 1941 году британские учёные Арчер Мартин и Ричард Синг разработали распределительную хроматографию, за что в 1952 году получили Нобелевскую премию по химии. В 1950-х годах появились газовая хроматография (ГХ) и высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ), которые стали основными аналитическими инструментами.

Принцип метода

Разделение в хроматографии основано на различной скорости движения компонентов смеси вдоль неподвижной фазы под действием подвижной фазы. Каждый компонент характеризуется константой распределения — отношением его концентраций в неподвижной и подвижной фазах. Чем больше константа распределения, тем сильнее компонент удерживается неподвижной фазой и тем медленнее он движется.

Процесс описывается уравнением Ван-Деемтера, которое связывает эффективность разделения с параметрами колонки: диаметром частиц сорбента, скоростью потока, вязкостью и диффузией. Результатом хроматографического анализа является хроматограмма — график зависимости сигнала детектора от времени или объёма элюента.

Классификация

По агрегатному состоянию фаз

• Газовая хроматография (ГХ) — подвижная фаза — газ (обычно гелий, азот или водород). Неподвижная фаза — твёрдый сорбент (газоадсорбционная) или жидкость на твёрдом носителе (газожидкостная). Применяется для анализа летучих и термостабильных соединений.
• Жидкостная хроматография (ЖХ) — подвижная фаза — жидкость. Неподвижная фаза — твёрдый сорбент или жидкость на носителе. Включает высокоэффективную жидкостную хроматографию (ВЭЖХ), тонкослойную хроматографию (ТСХ) и бумажную хроматографию.
• Сверхкритическая флюидная хроматография — подвижная фаза — вещество в сверхкритическом состоянии (например, диоксид углерода). Сочетает свойства газов и жидкостей.

По механизму разделения

• Адсорбционная хроматография — основана на различной адсорбции компонентов на поверхности твёрдого сорбента (силикагель, оксид алюминия).
• Распределительная хроматография — основана на различной растворимости компонентов в неподвижной жидкой фазе, нанесённой на твёрдый носитель.
• Ионообменная хроматография — разделение основано на различном сродстве ионов к ионообменной смоле. Применяется для анализа ионов, аминокислот, белков.
• Эксклюзионная (гель-проникающая) хроматография — разделение по размеру молекул: крупные молекулы не проникают в поры сорбента и элюируются первыми, мелкие задерживаются.
• Аффинная хроматография — основана на специфическом взаимодействии (например, антиген-антитело, фермент-субстрат). Используется для очистки биополимеров.

По форме проведения

• Колоночная хроматография — процесс проходит в колонке, заполненной сорбентом. Подвижная фаза подаётся под давлением (ВЭЖХ) или самотеком.
• Плоскостная хроматография — неподвижная фаза нанесена на плоскую пластину (ТСХ) или лист бумаги. Подвижная фаза движется за счёт капиллярных сил.
• Капиллярная хроматография — используется в газовой хроматографии: разделение происходит в тонком капилляре с нанесённой на стенки неподвижной фазой.

Устройство и оборудование

Газовая хроматография

Основные компоненты газового хроматографа:

• Газ-носитель — источник подвижной фазы с регулятором давления и расхода.
• Инжектор — устройство для ввода пробы (жидкой или газовой) в поток газа-носителя.
• Колонка — капиллярная (длиной 10–100 м) или насадочная (длиной 1–3 м), помещённая в термостат.
• Детектор — устройство, регистрирующее изменение состава элюата. Типы: пламенно-ионизационный (ПИД), детектор по теплопроводности (ДТП), масс-спектрометрический (МС), электронозахватный (ЭЗД).
• Система обработки данных — компьютер с программным обеспечением для записи и анализа хроматограмм.

Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ)

Основные компоненты ВЭЖХ-системы:

• Насос — обеспечивает подачу подвижной фазы под высоким давлением (до 400 атм).
• Инжектор — автоматический или ручной ввод пробы.
• Колонка — стальная трубка длиной 10–30 см, заполненная сорбентом с частицами 3–5 мкм.
• Детектор — спектрофотометрический (УФ-видимый), флуоресцентный, рефрактометрический, масс-спектрометрический.
• Термостат — для поддержания постоянной температуры колонки.

Применение

Химическая промышленность

• Контроль качества сырья и готовой продукции (нефтепродукты, полимеры, органические растворители).
• Анализ состава реакционных смесей в процессе синтеза.

Фармацевтика

• Определение чистоты лекарственных веществ (в соответствии с требованиями фармакопей).
• Контроль стабильности препаратов и выявление продуктов разложения.
• Биоанализ — определение концентрации лекарств в плазме крови.

Экология

• Мониторинг загрязнения воздуха (летучие органические соединения, полициклические ароматические углеводороды).
• Анализ воды (пестициды, фенолы, нефтепродукты).
• Определение загрязнителей в почве и донных отложениях.

Биохимия и молекулярная биология

• Разделение и очистка белков, нуклеиновых кислот, аминокислот.
• Изучение метаболомов и протеомов.
• Секвенирование ДНК (капиллярный электрофорез, родственный хроматографии метод).

Криминалистика

• Анализ наркотических средств и психотропных веществ.
• Идентификация взрывчатых веществ, токсинов, ядов.
• Исследование подозрительных документов (чернила, бумага).

Пищевая промышленность

• Контроль содержания витаминов, консервантов, красителей, ароматизаторов.
• Определение жирнокислотного состава масел и жиров.
• Выявление фальсификации алкогольных напитков.

Интересные факты

• Михаил Цвет открыл хроматографию в 1903 году, но в течение 30 лет метод оставался практически неизвестным. Только в 1930-х годах его работы были переоткрыты.
• Арчер Мартин и Ричард Синг получили Нобелевскую премию за разработку распределительной хроматографии в 1952 году. Мартин также участвовал в создании газовой хроматографии.
• В 1960-х годах была разработана высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ), которая стала одним из самых распространённых аналитических методов в мире.
• Современные хроматографы могут анализировать пробы объёмом до нанолитров и обнаруживать вещества в концентрациях до пикограммов на миллилитр.
• Хроматография используется в космических исследованиях: например, на марсоходе «Кьюриосити» установлен газовый хроматограф для анализа органических соединений в марсианской почве.

Источники

• Основы хроматографии. Учебное пособие / Под ред. О. А. Шпигуна. — М.: Издательство МГУ, 2018.
• Сычев С. Н., Сычев К. С. Высокоэффективная жидкостная хроматография. — М.: Техносфера, 2019.
• Березкин В. Г. Газовая хроматография. — М.: Наука, 2007.
• Руководство по хроматографическим методам анализа / Под ред. Ю. А. Золотова. — М.: Лаборатория знаний, 2020.
• Ettre L. S. The development of chromatography // Analytical Chemistry. — 1971. — Vol. 43, No. 14. — P. 20A–31A.