Что такое хроматография, какие виды бывают, где используются
Хроматография – это мощный метод разделения и анализа смесей, широко применяемый во множестве научных дисциплин, от химии и биохимии до фармакологии и медицины. Этот метод основан на различной скорости перемещения компонентов смеси через стационарную фазу под воздействием подвижной фазы.
Разнообразие вариантов хроматографического разделения позволяет выбрать оптимальный подход для конкретной задачи, учитывая особенности анализируемого вещества, его концентрацию, природу матрицы и цели исследования.
1. Классификация хроматографии по механизму разделения
В зависимости от механизма разделения компонентов смеси хроматография подразделяется на следующие типы:
1.1. Адсорбционная хроматография
В адсорбционной хроматографии разделение происходит за счет различий в адсорбционных свойствах компонентов смеси на поверхности стационарной фазы. Стационарная фаза обычно представлена полярным сорбентом, например, силикагелем, оксидом алюминия или целлюлозой, а подвижная фаза – неполярным растворителем.
1.1.1. Принципы адсорбционной хроматографии:
- Силы взаимодействия: Взаимодействие между компонентами смеси и стационарной фазой осуществляется за счет межмолекулярных сил, таких как диполь-дипольное взаимодействие, водородные связи, силы Ван-дер-Ваальса.
- Сорбционная способность: Компоненты с более сильным взаимодействием со стационарной фазой (т.е. обладающие более высокой сорбционной способностью) движутся медленнее по колонке, задерживаясь на поверхности сорбента.
- Полярность: Полярные вещества более прочно адсорбируются на полярной поверхности сорбента, чем неполярные вещества.
1.1.2. Применение адсорбционной хроматографии:
Адсорбционная хроматография широко используется для разделения и очистки органических соединений, например, в синтетической органической химии, фармацевтике, пищевой промышленности.
1.2. Раздаточная хроматография
В раздаточной хроматографии разделение основано на различиях в растворимости компонентов смеси в подвижной и стационарной фазах. Стационарная фаза – это полярный материал, например, бумага или силикагель, а подвижная фаза – смесь полярных и неполярных растворителей.
1.2.1. Принципы раздаточной хроматографии:
- Растворимость: Компоненты смеси распределяются между подвижной и стационарной фазами в соответствии с их растворимостью в каждой из фаз.
- Коэффициент распределения: Коэффициент распределения – это отношение концентраций вещества в двух фазах. Вещества с более высоким коэффициентом распределения в стационарной фазе движутся медленнее по колонке.
- Полярность: Полярные вещества более растворимы в полярной стационарной фазе, а неполярные вещества – в неполярной подвижной фазе.
1.2.2. Применение раздаточной хроматографии:
Раздаточная хроматография применяется для разделения и анализа небольших количеств веществ, например, в биохимии, фармакологии, криминалистике.
1.3. Ионообменная хроматография
В ионообменной хроматографии разделение происходит за счет обмена ионов между компонентами смеси и стационарной фазой, которая представляет собой ионообменник. Ионообменники – это полимерные материалы, содержащие функциональные группы, способные к ионному обмену.
1.3.1. Принципы ионообменной хроматографии:
- Ионный обмен: Ионы анализируемого вещества обмениваются на ионы стационарной фазы.
- Сродство: Сродство ионов к ионообменнику зависит от заряда, размера и формы ионов.
- Элюирование: Для удаления сорбированных ионов с ионообменника используют растворы, содержащие ионы с более высоким сродством к ионообменнику.
1.3.2. Применение ионообменной хроматографии:
Ионообменная хроматография широко применяется для разделения и очистки биологических молекул, таких как белки, нуклеиновые кислоты, ферменты, а также для определения концентрации ионов в растворах.
1.4. Аффинная хроматография
Аффинная хроматография – это метод разделения, основанный на специфическом взаимодействии между компонентом смеси и лигандом, иммобилизованным на стационарной фазе.
1.4.1. Принципы аффинной хроматографии:
- Специфичность: Стационарная фаза содержит лиганд, который обладает высоким сродством к целевому компоненту смеси.
- Связывание: Целевой компонент связывается с лигандом, а другие компоненты проходят через колонку.
- Элюирование: Для удаления целевого компонента с лиганда используют раствор, содержащий свободный лиганд или изменяющий рН или ионную силу раствора.
1.4.2. Применение аффинной хроматографии:
Аффинная хроматография широко применяется для очистки белков, ферментов, антител, вирусов и других биологических молекул.
1.5. Эксклюзионная хроматография (гель-проникающая хроматография)
В эксклюзионной хроматографии разделение происходит по размеру молекул. Стационарная фаза представляет собой пористый материал, например, гель, с определенным размером пор.
1.5.1. Принципы эксклюзионной хроматографии:
- Размер молекул: Большие молекулы не проникают в поры геля и проходят через колонку быстрее, чем маленькие молекулы, которые могут проникать в поры геля.
- Объем элюирования: Объем элюирования (объем растворителя, необходимый для выхода вещества из колонки) зависит от размера молекулы.
1.5.2. Применение эксклюзионной хроматографии:
Эксклюзионная хроматография используется для разделения макромолекул, например, белков, полисахаридов, полимеров, а также для определения молекулярной массы веществ.
1.6. Хиральная хроматография
Хиральная хроматография – это специальный тип хроматографии, используемый для разделения энантиомеров (зеркальных изомеров) молекул. Стационарная фаза в хиральной хроматографии содержит хиральные селекторы, которые взаимодействуют с энантиомерами с различной скоростью.
1.6.1. Принципы хиральной хроматографии:
- Хиральные селекторы: Стационарная фаза содержит хиральные селекторы, которые способны распознавать и дифференцировать энантиомеры.
- Энантиомерное разделение: Энантиомеры взаимодействуют с хиральными селекторами с различной скоростью, что приводит к их разделению.
1.6.2. Применение хиральной хроматографии:
Хиральная хроматография широко применяется в фармацевтической промышленности для разделения и анализа энантиомеров лекарственных препаратов, в пищевой промышленности для определения энантиомерного состава продуктов, а также в химической промышленности для получения энантиомерно чистых продуктов.
2. Классификация хроматографии по фазам
Хроматографию можно также классифицировать по типу применяемых фаз:
2.1. Газовая хроматография (ГХ)
В газовой хроматографии подвижная фаза представляет собой газ, а стационарная фаза – твердый сорбент или жидкая пленка, нанесенная на твердый носитель.
2.1.1. Принципы газовой хроматографии:
- Летучесть: Компоненты смеси должны быть достаточно летучими, чтобы их можно было перевести в газовую фазу.
- Сорбция: Газовая фаза проходит через колонку, содержащую стационарную фазу, и компоненты смеси сорбируются на поверхности сорбента с различной скоростью.
- Элюирование: Элюирование осуществляется путем изменения температуры или состава подвижной фазы.
2.1.2. Применение газовой хроматографии:
Газовая хроматография широко применяется для анализа летучих органических соединений, например, в нефтехимии, пищевой промышленности, аналитической химии.
2.2. Жидкостная хроматография (ЖХ)
В жидкостной хроматографии подвижная фаза представляет собой жидкость, а стационарная фаза – твердый сорбент.
2.2.1. Принципы жидкостной хроматографии:
- Растворимость: Компоненты смеси должны быть достаточно растворимы в подвижной фазе.
- Сорбция: Подвижная фаза проходит через колонку, содержащую стационарную фазу, и компоненты смеси сорбируются на поверхности сорбента с различной скоростью.
- Элюирование: Элюирование осуществляется путем изменения состава подвижной фазы или градиента растворителя.
2.2.2. Применение жидкостной хроматографии:
Жидкостная хроматография широко применяется для анализа нелетучих органических соединений, например, в фармацевтике, биохимии, аналитической химии.
2.3. Тонкослойная хроматография (ТСХ)
В тонкослойной хроматографии стационарная фаза – это тонкий слой сорбента, нанесенный на пластину из стекла, алюминия или пластика.
2.3.1. Принципы тонкослойной хроматографии:
- Капиллярное действие: Подвижная фаза поднимается по пластине за счет капиллярного действия.
- Сорбция: Компоненты смеси сорбируются на поверхности сорбента с различной скоростью.
- Разделение: Компоненты смеси разделяются на пластине в соответствии со своей сорбционной способностью.
2.3.2. Применение тонкослойной хроматографии:
Тонкослойная хроматография применяется для разделения и анализа небольших количеств веществ, например, в аналитической химии, органическом синтезе, фармацевтике.
2.4. Газожидкостная хроматография (ГЖХ)
Газожидкостная хроматография – это тип газовой хроматографии, в которой стационарная фаза представляет собой жидкую пленку, нанесенную на твердый носитель.
2.4.1. Принципы газожидкостной хроматографии:
- Летучесть: Компоненты смеси должны быть достаточно летучими, чтобы их можно было перевести в газовую фазу.
- Растворимость: Компоненты смеси растворяются в жидкой пленке с различной скоростью.
- Элюирование: Элюирование осуществляется путем изменения температуры или состава подвижной фазы.
2.4.2. Применение газожидкостной хроматографии:
Газожидкостная хроматография широко применяется для анализа летучих органических соединений, например, в нефтехимии, пищевой промышленности, аналитической химии.
3. Развитие хроматографии: Новые технологии и приложения
Хроматография постоянно развивается, и появляются новые технологии и приложения.
3.1. Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ)
ВЭЖХ – это высокочувствительный и универсальный метод жидкостной хроматографии, позволяющий разделять и анализировать сложные смеси.
3.1.1. Принципы ВЭЖХ:
- Высокое давление: В ВЭЖХ используется высокое давление, которое обеспечивает более быстрое разделение и повышение разрешения.
- Разнообразные колонки: В ВЭЖХ доступны различные колонки, оптимизированные для разделения различных типов соединений.
- Детекторы: В ВЭЖХ используется широкий набор детекторов, позволяющий определять концентрацию и структуру компонентов смеси.
3.1.2. Применение ВЭЖХ:
ВЭЖХ широко применяется в фармацевтической промышленности, биохимии, аналитической химии, пищевой промышленности для анализа лекарственных препаратов, белков, нуклеиновых кислот, пестицидов, токсинов и других соединений.
3.2. Хромато-масс-спектрометрия (ХМС)
ХМС – это метод, сочетающий хроматографическое разделение с масс-спектрометрическим детектированием.
3.2.1. Принципы ХМС:
- Хроматографическое разделение: Хроматографическое разделение компонентов смеси, позволяющее идентифицировать и количественно определять их.
- Масс-спектрометрия: Масс-спектрометрическое детектирование, позволяющее определить молекулярную массу и структуру компонентов смеси.
3.2.2. Применение ХМС:
ХМС широко применяется в аналитической химии, пищевой промышленности, фармацевтике, экологическом мониторинге для анализа пестицидов, лекарственных препаратов, метаболитов, загрязнителей окружающей среды и других соединений.
3.3. Хроматография с суперкритической флюидной экстракцией (СКФЭ)
СКФЭ – это метод, сочетающий хроматографическое разделение с суперкритической флюидной экстракцией.
3.3.1. Принципы СКФЭ:
- Суперкритический флюид: Суперкритический флюид – это вещество, находящееся в состоянии между жидкой и газообразной фазой. Суперкритический флюид обладает свойствами как жидкости, так и газа, что делает его эффективным растворителем.
- Экстракция: Суперкритический флюид используется для экстракции анализируемых веществ из пробы.
- Хроматографическое разделение: Экстрагированные вещества разделяются хроматографически.
3.3.2. Применение СКФЭ:
СКФЭ широко применяется для анализа органических соединений, например, в пищевой промышленности, фармацевтике, экологическом мониторинге.
