روش های مختلفی برای تجزیه و تحلیل ترکیبات و مطالعه خواص ترکیبات و مخلوط های مختلف مواد وجود دارد. یکی از این روش ها کروماتوگرافی است. اختراع و استفاده از روش متعلق به گیاه شناس روسی M. S. Tsvet است که در آغاز قرن بیستم اقدام به جداسازی رنگدانه های گیاهی کرد.
تعریف و مبانی روش
کروماتوگرافی یک روش فیزیکوشیمیایی برای جداسازی مخلوط ها و تعیین اجزای آنها بر اساس توزیع بین فاز متحرک و ثابت مواد تشکیل دهنده مخلوط (نمونه) است. فاز ثابت یک ماده جامد متخلخل - یک جاذب است. همچنین می تواند یک فیلم مایع باشد که روی یک سطح جامد قرار گرفته است. فاز متحرک - مایع شوینده - باید در امتداد فاز ساکن حرکت کند یا از آن عبور کند و توسط جاذب فیلتر شود.
ماهیت کروماتوگرافی این است که اجزای مختلف یک مخلوط لزوماً با خواص مختلفی مانند وزن مولکولی، حلالیت، جذب پذیری و غیره مشخص می شوند. بنابراین، میزان برهمکنش اجزای فاز متحرک - سوربات ها - با ثابت استیکسان نیست این منجر به تفاوت در سرعت مولکول های مخلوط نسبت به فاز ساکن می شود که در نتیجه اجزا از هم جدا شده و در مناطق مختلف جاذب متمرکز می شوند. برخی از آنها جاذب را همراه با فاز متحرک ترک می کنند - اینها به اصطلاح اجزای حفظ نشده هستند.
یک مزیت ویژه کروماتوگرافی این است که به شما امکان می دهد مخلوط های پیچیده ای از مواد را به سرعت جدا کنید، از جمله آنهایی که خواص مشابه دارند.
روشهای طبقه بندی انواع کروماتوگرافی
روش های مورد استفاده در تجزیه و تحلیل را می توان بر اساس معیارهای مختلف طبقه بندی کرد. مجموعه اصلی این معیارها به شرح زیر است:
- حالت کل فازهای ثابت و متحرک؛
- ماهیت فیزیکی و شیمیایی برهمکنش جاذب و سوربات ها؛
- چگونه eluent را معرفی و حرکت دهیم؛
- روش قرار دادن فاز ساکن، یعنی تکنیک کروماتوگرافی؛
- هدف های کروماتوگرافی.
علاوه بر این، روش ها را می توان بر اساس ماهیت مختلف فرآیند جذب، بر اساس شرایط فنی جداسازی کروماتوگرافی (به عنوان مثال، فشار کم یا بالا) استوار کرد.
بیایید نگاهی دقیق تر به معیارهای اصلی بالا و پرکاربردترین انواع کروماتوگرافی مرتبط با آنها بیندازیم.
حالت تجمع شوینده و جاذب
بر این اساس، کروماتوگرافی به مایع و گاز تقسیم می شود. نام روش ها وضعیت فاز موبایل را نشان می دهد.
کروماتوگرافی مایع تکنیکی است که استفاده می شوددر فرآیندهای جداسازی مخلوط های ترکیبات ماکرومولکولی، از جمله موارد مهم بیولوژیکی. بسته به حالت تجمع جاذب، به فاز مایع-مایع و مایع-جامد تقسیم می شود.
کروماتوگرافی گازی از انواع زیر است:
- جذب گاز (فاز جامد گاز)، که از یک جاذب جامد مانند زغال سنگ، ژل سیلیکا، زئولیت ها یا پلیمرهای متخلخل استفاده می کند. یک گاز بی اثر (آرگون، هلیوم)، نیتروژن، دی اکسید کربن به عنوان یک شوینده عمل می کند - حامل مخلوطی است که باید جدا شود. جداسازی اجزای فرار مخلوط به دلیل درجه متفاوت جذب آنها انجام می شود.
- گاز-مایع. فاز ثابت در این مورد شامل یک فیلم مایع است که روی یک پایه بی اثر جامد قرار گرفته است. اجزای نمونه بر اساس قابلیت جذب یا حلالیت آنها جدا می شوند.
کروماتوگرافی گازی به طور گسترده ای برای تجزیه و تحلیل مخلوط های ترکیبات آلی (با استفاده از محصولات تجزیه یا مشتقات آنها به صورت گازی) استفاده می شود.
برهم کنش بین جاذب و سوربات ها
براساس این معیار، انواعی از هم متمایز می شوند:
- کروماتوگرافی جذب، که از طریق آن مخلوط ها به دلیل تفاوت در درجه جذب مواد توسط یک جاذب بی حرکت جدا می شوند.
- توزیع. با کمک آن، جداسازی بر اساس حلالیت متفاوت اجزای مخلوط انجام می شود. انحلال یا در فاز متحرک و ساکن (در کروماتوگرافی مایع) یا فقط در فاز ساکن (در گاز-مایع) رخ می دهد.کروماتوگرافی).
- رسوبی. این روش کروماتوگرافی بر اساس حلالیت متفاوت رسوبات تشکیل شده از مواد جداسازی شده است.
- اکسلوژن یا کروماتوگرافی ژل. این بر اساس تفاوت در اندازه مولکول ها است که به دلیل توانایی آنها برای نفوذ به منافذ جاذب، به اصطلاح ماتریس ژل، متفاوت است.
- Affine. این روش خاص، که بر اساس نوع خاصی از برهمکنش بیوشیمیایی ناخالصی های جدا شده با لیگاند است که یک ترکیب پیچیده را با یک حامل بی اثر در فاز ساکن تشکیل می دهد. این روش در جداسازی مخلوط پروتئین-آنزیم ها موثر بوده و در بیوشیمی رایج است.
- تبادل یون. به عنوان فاکتور جداسازی نمونه، این روش از تفاوت توانایی اجزای مخلوط در تبادل یونی با فاز ساکن (مبدل یونی) استفاده می کند. در طی فرآیند، یون‌های فاز ساکن با یون‌های مواد موجود در ترکیب مایع شوینده جایگزین می‌شوند، در حالی که به دلیل میل ترکیبی متفاوت دومی به مبدل یونی، تفاوتی در سرعت حرکت آنها ایجاد می‌شود و بنابراین مخلوط جدا می شود. برای فاز ثابت، اغلب از رزین های تبادل یونی استفاده می شود - پلیمرهای مصنوعی خاص.
کروماتوگرافی تبادل یونی دو گزینه دارد - آنیونی (یون های منفی را حفظ می کند) و کاتیونی (به ترتیب یون های مثبت را حفظ می کند). این روش بسیار گسترده است: در جداسازی الکترولیت ها، عناصر خاکی کمیاب و ترانس اورانیوم، در تصفیه آب، در تجزیه و تحلیل داروها.
تفاوت در روش های تکنیک
دو روش اصلی وجود دارد که در آن نمونه نسبت به فاز ساکن حرکت می کند:
- کروماتوگرافی ستونی فرآیند جداسازی را در دستگاه مخصوص - ستون کروماتوگرافی - لوله ای انجام می دهد که در حفره داخلی آن جاذب غیر متحرک قرار می گیرد. با توجه به روش پر کردن، ستون ها به دو نوع تقسیم می شوند: بسته بندی شده (به اصطلاح "بسته بندی شده") و مویرگی، که در آن لایه ای از جاذب جامد یا یک فیلم مایع از فاز ثابت بر روی سطح قرار می گیرد. دیوار داخلی ستون های بسته بندی شده می توانند اشکال مختلفی داشته باشند: مستقیم، U شکل، مارپیچ. ستون های مویرگی مارپیچ هستند.
- کروماتوگرافی مسطح (مسطح). در این حالت می توان از کاغذ مخصوص یا صفحه ای (فلزی، شیشه ای یا پلاستیکی) به عنوان حامل برای فاز ساکن استفاده کرد که لایه نازکی از جاذب روی آن رسوب می کند. در این مورد، روش کروماتوگرافی به ترتیب به عنوان کروماتوگرافی کاغذی یا لایه نازک شناخته می شود.
برخلاف روش ستونی، که در آن از ستون های کروماتوگرافی مکرر استفاده می شود، در کروماتوگرافی مسطح، هر حاملی با لایه جاذب فقط یک بار قابل استفاده است. فرآیند جداسازی زمانی اتفاق می‌افتد که یک صفحه یا ورق کاغذ در ظرفی با ماده شوینده غوطه‌ور شود.
معرفی و انتقال شوینده
این عامل ماهیت حرکت نواحی کروماتوگرافی در امتداد لایه جاذب را تعیین می کند که در هنگام جداسازی مخلوط ایجاد می شوند. روش های تحویل شوینده زیر وجود دارد:
- جلو. این روش ساده ترین استتکنیک اجرا فاز متحرک مستقیماً خود نمونه است که به طور مداوم به ستون پر از جاذب تغذیه می شود. در این حالت، کمترین جزء باقیمانده، که بدتر از سایرین جذب شده است، سریعتر از سایرین در امتداد جاذب حرکت می کند. در نتیجه، تنها این اولین جزء را می توان به شکل خالص جدا کرد و به دنبال آن مناطق حاوی مخلوطی از اجزاء تشکیل می شود. توزیع نمونه به این صورت است: A; A+B; A+B+C و غیره. بنابراین کروماتوگرافی فرونتال برای جداسازی مخلوط ها مفید نیست، اما در فرآیندهای مختلف تصفیه موثر است، مشروط بر اینکه ماده ای که باید جداسازی شود احتباس کمی داشته باشد.
- روش جابجایی از این جهت متفاوت است که پس از ورود به مخلوطی که قرار است جدا شود، یک شوینده با جابجایی مخصوص به ستون وارد می شود - ماده ای که با قابلیت جذب بیشتر از هر یک از اجزای مخلوط مشخص می شود. مولفه ای که بیشتر حفظ شده را جابجا می کند، که جزء بعدی را جابجا می کند و غیره. نمونه با سرعت جابجایی در طول ستون حرکت می کند و مناطق غلظت مجاور را تشکیل می دهد. با این نوع کروماتوگرافی، هر جزء را می توان به صورت جداگانه به شکل مایع در خروجی ستون به دست آورد.
- روش شوینده (در حال توسعه) رایج ترین روش است. بر خلاف روش جابجایی، شوینده (حامل) در این حالت جذب پذیری کمتری نسبت به اجزای نمونه دارد. به طور مداوم از لایه جاذب عبور می کند و آن را می شویید. به صورت دوره‌ای، در بخش‌هایی (پالس)، مخلوطی که قرار است جدا شود به جریان شوینده وارد می‌شود، پس از آن ماده شوینده خالص دوباره تغذیه می‌شود. هنگام شستشو (شستشو)، اجزاء جدا می شوند،علاوه بر این، مناطق غلظت آنها توسط مناطق شوینده جدا شده است.
کروماتوگرافی Eluent این امکان را فراهم می کند که تقریباً به طور کامل مخلوط تجزیه شده از مواد جدا شود و مخلوط می تواند چند جزئی باشد. همچنین از مزایای این روش می توان به جداسازی اجزا از یکدیگر و سادگی آنالیز کمی مخلوط اشاره کرد. از معایب آن می توان به مصرف زیاد شوینده و غلظت کم اجزای نمونه در آن پس از جداسازی در خروجی ستون اشاره کرد. روش شوینده به طور گسترده در کروماتوگرافی گازی و مایع استفاده می شود.
فرایندهای کروماتوگرافی بسته به اهداف
تفاوت در اهداف کروماتوگرافی تشخیص روش هایی مانند تحلیلی، آماده سازی و صنعتی را ممکن می سازد.
با استفاده از کروماتوگرافی تحلیلی، تجزیه و تحلیل کمی و کیفی مخلوط ها انجام می شود. هنگام تجزیه و تحلیل اجزای نمونه، هنگام خروج از ستون کروماتوگرافی، آنها به آشکارساز می روند - دستگاهی که به تغییرات غلظت یک ماده در شوینده حساس است. زمان سپری شده از لحظه ورود نمونه به ستون تا رسیدن به حداکثر پیک غلظت ماده در آشکارساز، زمان ماند نامیده می شود. به شرط ثابت بودن دمای ستون و نرخ شوینده، این مقدار برای هر ماده ثابت است و به عنوان مبنایی برای تجزیه و تحلیل کیفی مخلوط عمل می کند. تجزیه و تحلیل کمی با اندازه گیری مساحت پیک های منفرد در کروماتوگرام انجام می شود. به عنوان یک قاعده، روش شوینده در کروماتوگرافی تحلیلی استفاده می شود.
هدف کروماتوگرافی آماده سازی جداسازی مواد خالص از مخلوط است. ستون های آماده سازی بسیار بزرگتر استقطر نسبت به تحلیلی.
کروماتوگرافی صنعتی ابتدا برای به دست آوردن مقادیر زیادی از مواد خالص مورد نیاز در یک تولید خاص استفاده می شود. ثانیاً، بخش مهمی از سیستم‌های کنترل و تنظیم مدرن برای فرآیندهای فناوری است.
کروماتوگرافی صنعتی دارای مقیاس غلظت یک یا آن جزء است و مجهز به حسگر و همچنین سیستم های کنترل و ثبت است. نمونه ها به طور خودکار با فرکانس مشخص به چنین کروماتوگراف هایی تحویل داده می شوند.
تجهیزات کروماتوگرافی چندکاره
کروماتوگراف های مدرن دستگاه های پیچیده ای با فناوری پیشرفته هستند که می توانند در زمینه های مختلف و برای اهداف مختلف مورد استفاده قرار گیرند. این دستگاه ها تجزیه و تحلیل مخلوط های چند جزئی پیچیده را ممکن می سازند. آنها مجهز به طیف گسترده ای از آشکارسازها هستند: هدایت سنجی حرارتی، نوری، یونیزاسیون، طیف سنجی جرمی و غیره.
علاوه بر این، کروماتوگرافی مدرن از سیستم های کنترل خودکار برای تجزیه و تحلیل و پردازش کروماتوگرام ها استفاده می کند. کنترل را می توان از رایانه یا مستقیماً از دستگاه انجام داد.
نمونه ای از چنین دستگاهی کروماتوگرافی گازی چند منظوره "Crystal 5000" است. دارای مجموعه ای از چهار آشکارساز قابل تعویض، یک ترموستات ستونی، سیستم های الکترونیکی کنترل فشار و جریان و کنترل های دریچه گاز است. برای حل مشکلات مختلف دستگاه دارایقابلیت نصب ستون های بسته و مویرگی.
کروماتوگراف با استفاده از صفحه کلید و نمایشگر کنترلی با امکانات کامل یا (در تغییر دیگری) از رایانه شخصی کنترل می شود. این دستگاه نسل جدید می تواند به طور موثر در تولید و در آزمایشگاه های تحقیقاتی مختلف استفاده شود: پزشکی، پزشکی قانونی، محیط زیست.
کروماتوگرافی فشار بالا
انجام کروماتوگرافی ستونی مایع با طول مدت نسبتا طولانی فرآیند مشخص می شود. برای تسریع حرکت مایع شوینده، از تامین فاز متحرک به ستون تحت فشار استفاده می شود. این روش مدرن و بسیار امیدوارکننده، روش کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا (HPLC) نامیده می شود.
سیستم پمپاژ کروماتوگراف مایع HPLC مایع شوینده را با سرعت ثابت ارائه می دهد. فشار ورودی توسعه یافته می تواند به 40 مگاپاسکال برسد. کنترل کامپیوتری تغییر ترکیب فاز متحرک را با توجه به یک برنامه مشخص ممکن می کند (این روش شستشو گرادیان نامیده می شود).
HPLC را می توان بر اساس ماهیت برهمکنش جاذب و جاذب از روش های مختلفی استفاده کرد: توزیع، جذب، حذف اندازه، کروماتوگرافی تبادل یونی. رایج ترین نوع HPLC روش فاز معکوس است که بر اساس برهمکنش آبگریز یک فاز متحرک قطبی (آبی) و یک جاذب غیر قطبی مانند سیلیکاژل است.
این روش به طور گسترده برای جداسازی، تجزیه و تحلیل،کنترل کیفیت مواد غیر فرار و از نظر حرارتی ناپایدار که نمی توانند به حالت گاز تبدیل شوند. اینها مواد شیمیایی کشاورزی، داروها، اجزای غذایی و سایر مواد پیچیده هستند.
اهمیت مطالعات کروماتوگرافی
انواع مختلف کروماتوگرافی به طور گسترده در زمینه های مختلف استفاده می شود:
- شیمی معدنی؛
- پتروشیمی و معدن؛
- بیوشیمی؛
- دارو و دارو;
- صنایع غذایی؛
- اکولوژی;
- جرم شناسی.
این فهرست ناقص است، اما نشان دهنده پوشش صنایعی است که بدون روش های کروماتوگرافی تجزیه، جداسازی و خالص سازی مواد نمی توانند کار کنند. در تمامی زمینه های کاربرد کروماتوگرافی، از آزمایشگاه های علمی گرفته تا تولید صنعتی، با معرفی فناوری های نوین پردازش اطلاعات، مدیریت و کنترل فرآیندهای پیچیده، نقش این روش ها بیش از پیش افزایش می یابد.
