2. Понятие хроматографии
Впервые хроматографическое разделение сложной растительной смеси на стеклянной колонке, заполненной карбонатом кальция (мелом), осуществил в 1903 году русский ученый-ботаник Михаил Семенович Цвет (1872— 1919 г.г.), изучая водные экстракты растений, которые содержали ряд натуральных красящих веществ (пигментов) 1.
М.С. Цвет фактически создал проявительный вариант хроматографии и заложил основы многоступенчатого сорбционного разделения смесей. Он четко показал сложный характер взаимодействия в системе сор-бат — сорбент — растворитель и выявил способы смещения сорбционного равновесия. Автор так разъяснил суть предлагаемого им метода: «Как лучи света в спектре, в столбике углекислого кальция закономерно распола-1 Цвет М.С. О новой категории адсорбционных явлений и о применении их к биологическому анализу: Труды Варшавского Общества естествоиспытателей. Отделение биологии. Варшава, 1903. Т. 14. С. 20—39.
2 Цвет М.С. Физико-химические исследования хлорофилла. Адсорбции (1906) // Хроматографический адсорбционный анализ. М.: Изд-во Академии наук СССР, 1946. С. 30—40.
3 Даванков В.А., Яшин Я.И. Сто лет хроматографии // Вестник Российской академии наук. М., 2003. Т. 73, №7. С. 637—646.
гаются различные компоненты смеси пигментов, давая возможность своего качественного и количественного определения. Получаемый таким образом препарат я называю хроматограммой, а предлагаемую методику — хроматографической»2.
Термин «хроматография» происходит от греческих слов хрома — цвет, окраска и графио — пишу. Несмотря на то, что название метода, казалось бы, указывает на его применение для разделения и анализа окрашенных веществ, тем не менее, хроматография исследует любые вещества, окрашенные и неокрашенные, о чем говорил сам создатель метода. Хотя ученый и был удостоин академической премии за работу по хромофиллам в растительном и животном мире, а также награжден орденами св.
Станислава III и II степени, орденом св. Анны III степени, юбилейной медалью в честь 300-летия дома Романовых, настоящего признания современников он все же не получил. В 1918 году кандидатура М.С. Цвета рассматривалась в списке ученых, представленных на Нобелевскую премию по химии, но премия ему не была присуждена 3.По многим субъективным и объективным причинам хроматография практически не использовалась почти три десятилетия.
В начале 30-х годов двадцатого столетия немец Рихард Кюн выяснил, что с помощью хроматографии можно выделять составные части различных химических соединений и идентифицировать их. А в 50—60-е годы токсикологи, изучая растительные алкалоиды, овладели новой разновидностью хроматографии— бумажной хроматографией. Тогда же наиболее простым и эффективным методом разделения малолетучих компонентов органических смесей становится хроматография в тонком слое, несмотря на то, что хроматография на бумаге все еще широко использовалась для научных исследований.
В 1952 г. английские ученые Дж. Мартин и А. Джемс, занимаясь анализом жирных кислот, сделали два очень важных наблюдения. Во-первых, они обнаружили, что методом хроматографии можно разделить не только растворенные жидкие вещества, но также газообразные и парообразные продукты. Во-вторых, они показали, что разделение может осуществляться не только благодаря многократному повторению цикла адсорбция-десорбция, но и путем чередования абсорбции и десорбции. Качественный скачок в развитии газовой хроматографии связан с использованием в качестве колонок капилляров, что значительно повысило эффективность разделения. Это дало возможность проводить анализ смесей, включающих десятки и сотни индивидуальных компонентов, таких, например, как горюче-смазочные материалы или запаховые вещества.
Следует отметить, что заслуги М.С. Цвета все же были высоко оценены мировым научным сообществом. К 40-летнему юбилею хроматографии в нашей стране вышел сборник избранных трудов М.С. Цвета в серии «Классики науки»; Американское химическое общество учредило Международную медаль им.
М.С. Цвета «За выдающиеся открытия в области хроматографии»; в 1978 году Академией Наук СССР была учреждена отечественная медаль им. М.С. Цвета.Хроматография основана на ряде физико-химических явлений, без знания которых трудно представить сам процесс хроматографического разделения.
Абсорбция газов в жидкостях лежит в основе газожидкостной хроматографии — наиболее распространенного в настоящее время аналитического метода разделения веществ4. Когда над жидким раствором находится газ, то между молекулами газа, которые растворяются в жидкости, и теми, что остаются в газовой фазе, устанавливается динамическое равновесие. Если над жидкостью находится смесь газов, которая перемещается вдоль жидкой фазы, то отдельные компоненты газовой смеси, обладая различной растворимостью в этой жидкости, передвигаются с разными скоростями. В ко-
4 Киселев А.В., Яшин Я.И. Адсорбционная газовая и жидкостная хроматография. М.: Химия, 1979. С. 24—36.
Большинство хроматографических методов основано на том, что анализируемую смесь вместе с подвижной фазой пропускают через хроматографическую колонку. В зависимости от того, является ли неподвижная фаза твердым носителем или жидкостью, компоненты анализируемой смеси адсорбируются на поверхности твердого тела или растворяются в жидкости. В результате, эти компоненты удерживаются неподвижной фазой и продвигаются по колонке медленнее. Если условия хрома-тографирования благоприятны для разделения, то каждый компонент удерживается неподвижной фазой по-разному. Так как скорости продвижения отдельных компонентов вдоль колонки неодинаковы, то каждый компонент образует так называемую зону, которая затем последовательно выходит из колонки.
При наличии двух одновременных процессов — взаимного перемещения фаз и перераспределения компонентов между фазами — принципиально важным становится соотношение их скоростей. Если второй процесс осуществляется много быстрее первого, межфазное распределение компонентов успевает достичь равновесного состояния.
В этом случае имеют дело с равновесной хроматографией, где конечный эффект разделения компонентов определяется термодинамикой системы, то есть коэффициентами межфазного распределения соединений. Если межфазное распределение компонентов за время их переноса подвижной фазой вдоль неподвижной фазы установиться не успевает, то имеют дело с неравновесной хроматографией. После разделения все компоненты идентифицируются и оцениваются количественно.Такова общая схема процесса хроматографирова-ния; она условно представлена в виде блок-схемы (рис. 2).
Резервуар для элюента
Насос
Н
Система \~Z I I "Z
—ь. Колонка —ь. Детектор ввода
Рис. 2. Блок-схема процесса хроматографирования
Механизм разделения смесей в колонке не зависит от того, находятся ли отдельные компоненты в газовой фазе или в растворе, хотя конструктивные особенности хроматографов, предназначенных для работы с газами и жидкостями, несколько различаются. Приборное устройство для анализа смесей в виде газа или пара называется газовым хроматографом, а метод анализа — газовой хроматографией. Жидкие смеси анализируют с помощью жидкостного хроматографа. Этот метод получил название жидкостной хроматографии.
В связи с исключительной многогранностью понятия «хроматография» оно не может быть охвачено одним единственным определением. В научной литературе встречаются различные определения хроматографии, однако любое из них должно обязательно содержать среди отличительных видовых признаков упоминание о переносе веществ (частиц) в системе несме-шивающихся и движущихся друг относительно друга фаз. Наличие как минимум двух фаз и их относительное движение, то есть динамика процесса, — неотъемлемые признаки хроматографии.
Итак, хроматографией называется процесс, основанный на перемещении дискретной зоны вещества вдоль слоя сорбента в потоке подвижной фазы и связанный с многократным повторением сорбционных и десорбцион-ных актов.
Термин «хроматография», широко используемый в специальной литературе, относится как к самому процессу перемещения вещества в потоке подвижной фазы, так и к научной дисциплине, его изучающей, использующей и разрабатывающей аппаратурное оформление процесса хроматографического разделения.