Chromatografija

Referatas

Chromatografija

Vilnius

2003

Chromatografija

Viena iš chemijos ir biochemijos užduočių yra atskirti sudedamąsias

dalis iš įvairių gamtinių mišinių arba jas atskirti po cheminės ar

mikrobiologinės sintezės. Mišinių sudėtis dažnai labai sudėtinga:

sudedamosios dalys būna panašios sandaros, panašių cheminių ir fizikinių

savybių. Tokiems mišiniams suskaidyti į sudedamąsias dalis taikomi įvairūs

cheminiai ir fizikiniai metodai. Nuo šių metodų efektyvumo prilklauso

atskirtųjų medžiagų grynumas. Medžiagų atskyrimas, gryninimas ir valymas

yra nepaprastai svarbūs ir pramonėje, ir laboratorijose. Pavyzdžiui,

cukraus atskyrimas iš cukrinių runkelių ir cukrašvendrių, vaistinių

medžiagų atskyrimas iš augalinių ir ggyvulinių žaliavų, baltymų atskyrimas

iš kraujo ir kt.

Yra žinoma daug atskyrimo metodų. Tai sedimentacija, ekstrahavimas,

dekantavimas, filtravimas, kristalizavimas, distiliavimas. Tačiau dauguma

šių klasikinių metodų yra nepakankamai efektyvūs, ypač kai reikia atskirti

individualias medžiagas (baltymus, amino rūgštis, pigmentus, sacharidus ir

kt.) iš gamtinių junginių mišinių. Todėl, be minėtų metodų, įvairiems

mišiniams atskirti dažnai taikoma chromatografija, elektroforezė ir

centrifugavimas.

Atrankinių analizinių reakcijų yra nedaug. Todėl prieš kokybinę ir

kiekybinę analizę reikia atskirti nustatomuosius junginius (komponentus).

Tarp įvairių metodų, naudojamų medžiagoms atskirti ir analizei, svarbią

vietą užima chromatografiniai metodai. Chromatografija paplito dėl

atrankumo, ppaprastumo, analizės atlikimo spartos. Derinant chromatografiją

su kitais analizės metodais, galima automatizuoti analizinę kontrolę.

Svarbu ir tai, kad chromatografiniai metodai universalūs, t.y. juos galima

taikyti kietiems, skystiems, dujiniams neorganiniams ir organiniams

junginiams atskirti bei jų kiekiui nustatyti, be to, yra labai platus

nustatomųjų medžiagų koncentracijų, intervalas. Chromatografija naudojama

ir junginiams atskirti, ir analizei. Be adsorbcinės chromatografijos

neįmanoma įsivaizduoti gamtinių. junginių chemijos (vitaminų, hormonų

gamybos), be jonų mainų chromatografijos — baltyminių medžiagų atskyrimo.

Dujų ir didelio slėgio skysčių chromatografija — tai vieni svarbiausių

kontrolės metodų chemijos ir biochemijos pramonėje.

Chromatografija pagrįsta sorbciniais vyksmais esant dinaminėms

sąlygoms: per kolonėlę, pripildytą susmulkinto nejudančio sorbento

(nejudančiosios fazės), leidžiamas dujų, garų ar tirpalo srautas

(judančioji fazė). Dėl skirtingų mišinio sudedamųjų dalių savybių

(skirtingos adsorbcijos gebos, pasiskirstymo tarp dviejų nesimaišančių

skysčių ir kt.) mišinys suskaidomas į sudedamąsias dalis, kurios toliau

analizuojamos atskirai. Pagal eksperimento atlikimo metodiką skiriami šie

atskyrimo būdai: eliuavimas, frontalinis ir išstūmimo.

Chromatografiškai atskiriant eliuavimo būdu, per kolonėlę, pripildytą

sorbento, leidžiamos grynos dujos (tirpiklis) E, kurios beveik

nesiadsorbuoja ant pasirinkto sorbento (arba netirpsta nejudančiame

skystyje). Po to, nenutraukus judančiosios fazės E srauto, į viršutinę

kolonėlės dalį per dozavimo įrenginį įleidžiamas nedidelis kiekis

analizuojamojo mišinio (X+Y), kuris išplaunamas nenutrūkstamu judančiosios

fazės E srautu. Iš pradžių iš kolonėlės ištekančio judančiosios fazės E

sraute pasirodo silpniausiai besiadsorbuojantis mišinio komponentas X, po

to — gryna judančioji fazė E, paskui — stipriau besiadsorbuojantis

komponentas Y, vėl judančioJi fazė E ir t.t. Jei ordinačių ašyje atidėsime

kurią nors ištekančio dujų (skysčio) srauto savybę, priklausančią nuo jo

sudėties, o abscisių ašyje — praleisto per kolonėlę srauto tūrį arba

trukmę, tai gausime eliuavimo grafiką, vadinamąją chromatogramą.

Eliuavimas dažniausiai naudojamas dujų, dujų-skysčių cchromatografijoje.

Šiuo būdu galima visiškai atskirti visus mišinio komponentus, nes tarp

kiekvieno išplaunamo komponento susidaro grynų dujų (tirpiklio) zona.

Eliuavimo trūkumas tas, kad labai praskiedžiama, nes vartojama daug

judančiosios fazės, ir atskirtų. komponentų koncentracija būna daug kartų

mažesnė už pradinę.

Frontaliniu būdu atskiriama taip: tiriamasis mišinys (X+Y), ištirpintas

nesiadsorbuojančiose dujose (tirpiklyje) E, tolydžiai tiekiamas į viršutinę

kolonėlės, pripildytos sorbento, dalį ir ištekančiame sraute registruojamos

visos komponentų frakcijos. Jei mišinys sudarytas iš keleto komponentų, tai

chromatogramoje gaunama keletas pakopų. Pirmiausia iš kolonėlės ištekės

grynos dujos (tirpiklis) E, nes X ir Y adsorbuosis. Kai sorbentas

prisisotina silpniau besiadsorbuojančio komponento X, tada iš kolonėlės su

dujomis (tirpikliu) E pradeda tekėti komponentas X. Pagaliau, sorbentui

prisisotinus komponento Y, iš kolonėlės su dujomis (tirpikliu) E pradeda

tekėti komponentų mišinys (X+V). Nesant trečio komponento, per sorbento

sluoksnį pradės tekėti mišinys, sudarytas iš pradinių medžiagų.

[pic]

Frontalinis būdas naudojamas rečiau, nes grynas gaunamas tik

silpniausiai adsorbuojamas komponentas. Kiti komponentai neatsiskiria.

Todėl šiuo būdu valomos tos medžiagos, kurių priemaišos adsorbuojasi

stipriau negu valomoji medžiaga.

Norint atskirti išstūmimo būdu, parenkama medžiaga (stūmiklis) S, kuri

adsorbuojasi iš tirpiklio E ant pasirinkto sorbento stipriau už bet kurį

analizuojamojo mišinio komponentą. Kolonėlė, pripildyta sorbento,

pirmiausia praplaunama grynu tirpikliu E. Po to įleidžiamas tam tikras

kiekis tiriamojo miŠimo (X+Y) tirpiklyje E. Skirtingai nuo eliuavimo būdo,

sorbentas praplaunamas ne grynu tirpikliu E, o stūmikliu S. Įleidus

stūmiklio S, mmišinio komponentai priklausomai nuo jų adsorbcijos gebos juda

išilgai sorbento sluoksnio stūmikliu fronto priekyje. Komponentų judėjimo

greitis kolonėlėje lygus stūmiklio S judėjimo greičiui .

Jei bandymo metu stūmiklio koncentracija pastovi, tai pakopos ilgis

chiomatogramoje proporcingas komponento kiekiui mišinyje. Šio būdo

pranašumas yra tas, kad mišinio komponentai nepraskiedžiami, todėl jų

koncentracija chromatografinėje kolonėlėje nemažėja. Tačiau komponentų

zonos neatskirtos gryno tirpiklio, todėl šiek tiek persidengia. Dujų

chromatografijai šis būdas netinka.

Medžiagų adsorbcija ir pasiskirstymas dviejų skirtingų fazių riboje

sudaro daugumos chromatografinių metodų pagrindą. Adsorbcija gali būti

fizikinė (molekulinė), chemosorbcija (atomo, molekulės cheminis

prijungimas) ir jonų mainai. Fizikinės adsorbcijos pagrindą sudaro

tarpmolekulinės van der Valso jėgos ir vandenilinis ryšys: tai adsorbcijos

jėgos, lemiančios trauką tarp adsorbuojamų molekulių ir adsorbento.

Daugiakomponentėje sistemoje vyksta atrankinė adsorbcija, kurią sąlygoja

atskiriamųjų molekulių ir judančiosios fazės konkurencija dėl paviršiaus.

Konkurencijos rezultatą lemia atskiriamųjų molekulių ir adsorbento

adsorbcįjos jėgų skirtumas.

Dėl van der Valso jėgų atsiranda trijų rūšių tarpusavio sąveika:

dispersinė, orientacinė ir indukcinė, Būdinga, kad visoms šioms trims van

der Valso jėgų dedamosioms tinka vienas ir tas pats traukos energijos E^

pokyčio priklausomybės nuo atstumo r tarp sąveikaujančių molekulių centrų

dėsnis:

[pic]; (1)

Čia C’ — konstanta.

Pagrindinė yra dispersinė sąveika; tai nepolinių molekulių sąveika,

atsirandanti dėl trumpalaikių mikrodipolių susidarymo ir sąlygojanti

dispersinių jėgų atsiradimą. Adsorbuojantis nepoliniams junginiams ant

nepolinių adsorbentų, adsorbcijos energija daugiausia priklauso nuo

dispersinių jėgų. Pavyzdžiui, ant aliuminio oksido adsorbuojantis

angliavandeniliams, dispersinės jėgos sudaro 100% adsorbcijos energijos, o

adsorbuojantis polinėms molekulėms — < 50%. Dispersinės sąveikos energija

apskaičiuojama iš lygties:

[pic]; (2)

čia α1 ir α2 — sąveikaujančių molekulių poliarizuojamumai; I1 ir I2 — šių

molekulių jonizacijos potencialai.

Orientacinė sąveika — tai orientuotų polinių molekulių sąveika. Todėl

orientacinės jėgos atsiranda sąveikaujant dviem molekulėms, turinčioms

nuolatinį dipolinį momentą. Tokios molekulės stengiasi orientuotis

energiškai palankiausiu būdu, t.y. taip, kad neigiamas krūvis būtų arčiau

teigiamo krūvio, Orientacinės sąveikos energija apskaičiuojama iš lygties:

[pic]; (3)

čia μ1 ir μ2 — molekulių dipoliniai momentai;kB — Bolcmano konstanta;

T— temperatūra.

Didėjant temperatūrai, orientacinės jėgos silpnėja, nes padidėja

kinetinė molekulių energija, ir molekulių orientacija suyra. Molekulių,

kurių dipolinis momentas labai didelis, orientacinis efektas apytiksliai

lygus dispersinės sąveikos dedamajai.

Indukcinė sąveika — tai elektrostatinė sąveika, atsirandanti, kai

polinės molekulės indukuoja kitų, nepolinių, molekulių nuolatinį dipolinį

momentą. Todėl indukcinės jėgos atsiranda tarp sąveikaujančių polinių ir

nepolinių molekulių. Šios jėgos gali pasireikšti ir tais atvejais, kai

cheminis ryšys turi nuolatinį elektrinį lauką, pavyzdžiui, ryšiai C-CI, C-

NO2. Elektrinio lauko veikiami gretimo atomo, grupės ar molekulės

elektronai poliarizuojasi taip, kad susidarytų indukuotasis dipolinis

momentas. Indukcinių jėgų įtaka nedidelė: dujų chromatografijoje ji sudaro

tik 5—10% bendros adsorbcijos energijos. Šios jėgos dažniausiai sąlygoja

adsorbciją ant aliuminio oksido. Indukcinės sąveikos energija

apskaičiuojama iš lygties:

[pic]. (4)

Vandenilinis ryšys lemia Junginių, turinčių protonų donorinę grupę,

adsorbciją ant

nukleofilinio polinio paviršiaus. Toks paviršius būdingas

aliuminio oksidui ir silikageliui, kurių paviršiuje išsidėsčiusios

hidroksigrupės. Jos gali sąveikauti su silpnomis elektrofilinėmis grupėmis.

Vandenilinio ryšio energija pakankamai didelė ir Jos vertė kartais nedaug

skiriasi nuo silpno cheminio ryšio energijos.

Chemosorbcija panaudojama kai kurių klasių junginiams atrankiai

sulaikyti. Pavyzdžiui, alkenai sorbuojami ant silikagelio, aminai —

katijonitais. Kartais chemosorbcinės jėgos padeda atskirti junginius, kai

chemosorbcija vyksta ant tų adsorbento paviršiaus aktyviųjų centrų, kurie

nebuvo visiškai dezaktyvuoti. Pavyzdžiui, silikagelio paviršiuje gali būti

rūgštinių centrų, kurie chemosorbuoja bazes, o aliuminio oksido paviršiuje

— bazinių centrų, kurie cchemosorbuoja rūgštis. Dėl chemosorbcijos medžiagos

dažnai blogiau atskiriamos ir chromatogramose atsiranda išplitusių juostų.

Atliekant adsorbcijos tyrimus, sudaromas medžiagos kiekio ant

adsorbento priklausomybės nuo jos koncentracijos tirpale, esant pastoviai

temperatūrai, grafikas. Tai vadinamosios adsorbcijos izotermės. Jos gali

būti įvairios (2 pav.). Nuo adsorbcijos izotermės pobūdžio priklauso

medžiagos pasiskirstymas, judėjimas kolonėlėje bei nustatomojo komponento

smailės forma chromatogramoje. Skirtingus izotermių tipus atitinkančios

smailių formos parodytos 2 pav.

[pic]

Koncentracija c

[pic]

Koncentracija c

[pic]

Koncentracija c

2 pav. Adsorbcijos izotermių formos: A — tiesinė; B — iškilioji; C —

įgaubtoji;a —— adsorbuotos medžiagos kiekis (medžiagos kiekis nejudančiojoje

fazėje); c — medžiagos koncentracija judančiojoje fazėje.

Tiesinę izotermę atitinka simetrinė smailė, rodanti, kad medžiagų

koncentracija kolonėlėje pasiskirsto išilgai zonos simetriškai. Tai

vadinamoji normalioji arba Gauso kreivės formos smailė. Esant iškiliajai

izotermei, gaunama Išplitusi smailė su llėkšta kairiąja puse. Iš izotermės

formos galima padaryti tokią išvadą; didėjant ištirpusios medžiagos bendrai

koncentracijai, jos kiekis judančiojoje fazėje didėja, be to, judančiosios

fazės sluoksniai, kuriuose yra didelė medžiagos koncentracija, juda

didesniu greičiu. Esant įgaubtajai izotermei, gaunama išplitusi smailė su

lėkšta dešiniąja puse. Viena iš priežasčių, dėl kurių gaunamos tokios

formos smailės, yra medžiagų ribotas tirpumas nejudančiojoje fazėje.

Simetrinės smailės dažniausiai susidaro atliekant dujų-skysčių

chromatografiją. Pirmosios smailės chromatogramoje, atitinkančios greitai

judančias ir ištekančias iš kolonėlės medžiagas, visada yra aukštos ir

siauros, o smailės komponentų, judančių kolonėle lėtai, — žemos ir plačios.

Kuo ilgiau bandinys išbūna kolonėlėje, tuo smailė platesnė. Vadinasi,

žinant sorbcijos izotermės formą, galima susidaryti vaizdą apie medžiagų

pasiskirstymą kolonėlėje, taip pat parinkti sudėtingų mišinių

chromatografinio atskyrimo sąlygas.

Bet kuris sorbcijos vyksmas apibūdinamas pasiskirstymo konstanta K:

[pic]; (5)

čia cn — tam tikros vvienos apibrėžtos būsenos medžiagos pusiausviroji

koncentracija nejudančiojoje fazėje; cj — tos pačios būsenos medžiagos

pusiausviroji koncentracija judančiojoje fazėje.

Atliekant chromatografinę analizę, nustatomoji medžiaga gali būti

keleto būsenų. Tuo atveju vartojamas pasiskirstymo koeficientas KD,

apibūdinantis medžiagos X pusiausvirąjį pasiskirstymą:

[pic]; (6)

čia cn,X ir cj,X – medžiagos X visų būsenų bendra koncentracija

atitinkamai nejudančiojoje ir judančiojoje fazėje,

Pasiskirstymo koeficientas KD priklauso nuo nustatomosios medžiagos

kilmės judančiosios ir nejudančiosios fazės kilmės, temperatūros, o skysčių

chromatografįjoje — nuo tirpalo koncentracijos, pH ir joninės jėgos.

Tiriamosios medžiagos zonos judėjimo greitis atvirkščiai proporcingas KD.

Esant didelėms KD vertėms, didesnė medžiagos dalis yra nejudančiojoje

fazėje ir juda lėtai. Jei k.q vertės mažos, tai medžiaga kolonėle juda

greitai, t.y. kartu su judančiąja faze, Todėl jei turime dvi medžiagas,

kurių KD skirtingas, tai jos kolonėlėje judės skirtingu greičiu, Tai yra

svarbiausias chromatografinio atskyrimo veiksnys.

Fiksuojant detektoriumi ištekančio iš kolonėlės srauto sudėties kitimą,

gaunama chromatograma. Medžiagų mišinio chromatografinio atskyrimo (pvz,

eliuavimo būdu) rezultatų išraiška yra chromatogramos parametrai,

vadinamieji sulaikymo parametrai.

Nejudančiosios fazės sorbcinė geba atskiriamų medžiagų atžvilgiu

apibūdinama sulaikymo trukme tR. Tai laikas nuo medžiagos įleidimo į

sorbento sluoksnį momento iki to momento, kai užfiksuojama medžiagos

didžiausia koncentracija ištekančiame judančiosios fazės sraute. Per šį

laiką perėjęs per sorbento sluoksnį judančiosios fazės tūris vadinamas

sulaikymo tūriu VR:

[pic]; (7)

čia w — tūrinis judančiosios fazės greitis cm3/min.

Nesiribojančio komponento sulaikymo trukmė ir tūris žymimi atitinkamai

t0 ir V0. Šį tūrį sudaro laisvas kolonėlės, dozatoriaus ir jungiamųjų

linijų tūris. Tai nenaudingas tūris. Atstumais nuo nulinės linijos (linija,

lygiagreti su abscisių ašimi) iki smailės viršūnės yra smailės aukštis h,

atitinkantis didžiausią komponento koncentraciją cmax, kurią registruoja

detektorius. Komponento smailės plotis žymimas b, nors kartais vietoj šio

dydžio vartojamas smailės plotis β, išmatuotas, kai smailės aukštis lygus

cmax/e (e — natūrinio logaritmo pagrindas), arba plotis b1/2, kai smailės

aukštis lygus cmax/2.

Ryšį tarp tikrojo sulaikymo tūrio VR, pasiskirstymo koeficiento KD ir

nejudančiosios fazės tūrio Vn kolonėlėje išreiškia pagrindinio

chromatografijos dėsnio lygtis:

[pic]. (8)

Matome, kad VR priklauso tik nuo adsorbcijos charakteristikų, šiuo

atveju — nuo chromatografuojamos medžiagos pasiskirstymo tarp

nejudančiosios ir judančiosios fazių koeficiento.Todėl ši lygtis atitinka

tik adsorbcinį atskiriamų junginių sulaikymo mechanizmą. Sulaikymo tūris, į

kurį įskaičiuotas nesiribojančio komponento tūris V0, vadinamas koreguotoju

sulaikymo tūriu V‘R:

[pic]; (9)

čia t‘R – koreguotoji sulaikymo trukmė.

Įrašę V‘R vertę į (8), gauname:

[pic]. (10)

Tarpfaziniam pasiskirstymui chromatografinėje kolonėlėje apibūdinti

chromatografijoje dažnai vartojamas dydis k‘, vadinamas talpos koeficientu.

Šis pavadinimas yra nelabai tinkamas: k‘, kaip ir pasiskirstymo

koeficientas KD, apibūdina fazių sistemą, kai medžiagų koncentracijos

atitinka tarpfazinio pasiskirstymo izotermės tiesinę dalį, ir jokia

funkcine priklausomybe nėra susijęs su sorbcine nejudančios fazės talpa.

Tinkamesnis šio dydžio pavadinimas būtų sulaikymo koeficientas:

[pic]. (11)

Tuomet (8) lygtis gali būti užrašyta taip:

[pic]. (12)

Chromatografinės analizės metu tiriamosios medžiagos komponentai,

judėdami išilgai sorbento sluoksnio, pasiskirsto tarp judančiosios ir

nejudančiosios fazių. Komponentams skirstantis, medžiagos zona išplinta –

nebūna aiškios ribos. Kuo labiau išplitusios dvi gretimos komponentų zonos,

tuo sunkiau juos atskirti (zonos persikloja). Zonų išplitimą aiškina

chromatografinio atskyrimo teorijos.

Naudota literatūra

1. Mickevičius D., Cheminės analizės metodai. II dalis. Vilnius. 1999.