Капиллярный анализ — метод разделения веществ¶

Капиллярный анализ — это совокупность методов разделения и анализа смесей веществ, основанных на различии в скорости их миграции внутри тонких капилляров (трубок малого диаметра) или пористых сред, пропитанных жидкостью. Метод относится к группе хроматографических и электрофоретических техник и применяется для идентификации, количественного определения и препаративного выделения компонентов сложных смесей.

¶История

Первые наблюдения, лёгшие в основу капиллярного анализа, относятся к концу XIX века. В 1861 году немецкий химик Фридрих Гоппе-Зейлер описал разделение веществ при их движении по полоскам фильтровальной бумаги. Однако систематическое развитие метод получил в начале XX века. В 1903 году русский ботаник Михаил Цвет разработал основы хроматографии, разделяя растительные пигменты в колонке с адсорбентом. В 1930-х годах шведский учёный Арне Тиселиус создал метод электрофореза, а в 1940-х годах началось активное применение бумажной хроматографии.

Современный этап развития связан с работами Дж. Йоргенсона и К. Лукача, которые в 1981 году продемонстрировали высокоэффективный капиллярный электрофорез. Это привело к созданию целого семейства методов, объединённых общим принципом — использованием капилляров с внутренним диаметром от 10 до 200 мкм.

¶Физико-химические основы

В основе капиллярного анализа лежит несколько явлений:

• Капиллярные силы — подъём жидкости в узких трубках за счёт смачивания стенок, что позволяет создавать непрерывный поток растворителя.
• Адсорбция — различие в удерживании компонентов смеси на поверхности неподвижной фазы.
• Электроосмос — движение жидкости относительно неподвижной поверхности под действием электрического поля, возникающее из-за наличия двойного электрического слоя.
• Электрофорез — миграция заряженных частиц в электрическом поле с разной скоростью, зависящей от их заряда и размера.

Разделение достигается за счёт того, что компоненты смеси движутся с разной скоростью из-за различий в коэффициентах распределения между подвижной и неподвижной фазами либо в электрофоретической подвижности.

¶Классификация методов

Капиллярный анализ объединяет несколько самостоятельных методик:

¶Капиллярная хроматография

Разделение происходит за счёт распределения веществ между подвижной фазой (жидкость или газ) и неподвижной фазой, нанесённой на внутренние стенки капилляра. Разновидности:

• Капиллярная газовая хроматография — подвижная фаза — инертный газ (гелий, азот, водород). Используются кварцевые капилляры длиной до 100 метров.
• Капиллярная жидкостная хроматография — подвижная фаза — жидкость, подаваемая под высоким давлением.

¶Капиллярный электрофорез

Разделение заряженных частиц в растворе электролита под действием электрического поля. Основные варианты:

• Капиллярный зонный электрофорез — простейший режим, разделение в свободном растворе.
• Мицеллярная электрокинетическая хроматография — добавление поверхностно-активных веществ позволяет разделять нейтральные молекулы.
• Капиллярный изоэлектрический фокусировка — разделение белков по их изоэлектрическим точкам.
• Капиллярный гель-электрофорез — капилляр заполнен гелем для разделения биополимеров по размеру.

¶Капиллярный электрохроматография

Гибридный метод, сочетающий хроматографическое удерживание и электроосмотический поток.

¶Устройство и аппаратура

Типичная установка для капиллярного анализа состоит из следующих элементов:

• Капилляр — кварцевая трубка с полиимидным покрытием, внутренний диаметр 25–100 мкм, длина 20–100 см.
• Система ввода пробы — обычно гидродинамический или электрокинетический ввод микролитровых объёмов.
• Источник высокого напряжения (для электрофореза) или насос (для хроматографии).
• Детектор — спектрофотометрический, флуоресцентный, масс-спектрометрический, амперометрический или кондуктометрический. Наиболее распространены спектрофотометрические детекторы с измерением поглощения в УФ-области.
• Система сбора и обработки данных — компьютер с программным обеспечением.

Важной особенностью является отсутствие подвижных частей в разделительной системе, что обеспечивает высокую воспроизводимость результатов.

¶Применение

Капиллярный анализ широко используется в различных областях:

• Фармацевтический анализ — контроль качества лекарственных препаратов, определение активных веществ и примесей.
• Клиническая диагностика — анализ белков сыворотки крови, определение гемоглобинов, диагностика наследственных заболеваний.
• Биохимия и молекулярная биология — секвенирование ДНК, анализ фрагментов нуклеиновых кислот, разделение белков.
• Экологический мониторинг — определение загрязнителей в воде, почве и воздухе.
• Пищевая промышленность — контроль содержания пищевых добавок, витаминов, аминокислот.
• Судебная экспертиза — анализ наркотических веществ, взрывчатых веществ, чернил.
• Химическая промышленность — контроль технологических процессов, анализ органических соединений.

¶Преимущества и ограничения

К преимуществам капиллярного анализа относятся:

• Высокая эффективность разделения (до нескольких сотен тысяч теоретических тарелок).
• Малое потребление образцов (нанолитры) и растворителей (микролитры).
• Быстрота анализа (от нескольких секунд до десятков минут).
• Возможность автоматизации и миниатюризации.
• Относительно низкая стоимость расходных материалов.

Ограничения метода связаны с малой ёмкостью капилляров, что затрудняет препаративное выделение веществ, а также с чувствительностью к изменениям температуры и состава буферных растворов. Для анализа нелетучих и нерастворимых соединений требуются дополнительные стадии пробоподготовки.

¶Литература

• Моррисон Р., Бойд Р. Органическая химия. — М.: Мир, 1974.
• Хенке Х. Капиллярная хроматография. — М.: Мир, 1984.
• Шпак А. В., Сычев С. Н. Капиллярный электрофорез. — М.: Наука, 2006.
• Гинзбург О. Ф. Хроматография в аналитической химии. — Л.: Химия, 1980.