Ci sono molti metodi diversi per analizzare la composizione e studiare le proprietà di vari composti e miscele di sostanze. Uno di questi metodi è la cromatografia. La paternità nell'invenzione e nell'applicazione del metodo appartiene al botanico russo M. S. Tsvet, che all'inizio del XX secolo eseguì la separazione dei pigmenti vegetali.
Definizione e fondamenti del metodo
La cromatografia è un metodo fisico-chimico per separare le miscele e determinarne i componenti, basato sulla distribuzione tra la fase mobile e quella stazionaria delle sostanze che compongono la miscela (campione). La fase stazionaria è una sostanza solida porosa - un assorbente. Può anche essere un film liquido depositato su una superficie solida. La fase mobile - l'eluente - deve muoversi lungo la fase stazionaria o fluire attraverso di essa, essendo filtrata dal sorbente.
L'essenza della cromatografia è che i diversi componenti di una miscela sono necessariamente caratterizzati da proprietà diverse, come peso molecolare, solubilità, adsorbibilità e così via. Pertanto, la velocità di interazione dei componenti della fase mobile - sorbati - con quella stazionarianon è lo stesso. Ciò porta a una differenza nelle velocità delle molecole della miscela rispetto alla fase stazionaria, a seguito della quale i componenti vengono separati e concentrati in diverse zone del sorbente. Alcuni di essi lasciano il sorbente insieme alla fase mobile - questi sono i cosiddetti componenti non trattenuti.
Uno dei vantaggi speciali della cromatografia è che consente di separare rapidamente miscele complesse di sostanze, comprese quelle con proprietà simili.
Metodi per classificare i tipi di cromatografia
I metodi utilizzati nell'analisi possono essere classificati secondo vari criteri. L'insieme principale di tali criteri è il seguente:
- stato aggregato delle fasi stazionarie e mobili;
- natura fisica e chimica dell'interazione tra assorbente e sorbati;
- come introdurre l'eluente e spostarlo;
- metodo di posizionamento della fase stazionaria, ovvero tecnica cromatografica;
- bersagli cromatografici.
Inoltre, i metodi possono essere basati sulla diversa natura del processo di assorbimento, sulle condizioni tecniche della separazione cromatografica (ad esempio, bassa o alta pressione).
Diamo un'occhiata più da vicino ai criteri principali di cui sopra e ai tipi di cromatografia più utilizzati ad essi associati.
Stato di aggregazione eluente e assorbente
Su questa base, la cromatografia è divisa in liquido e gas. I nomi dei metodi riflettono lo stato della fase mobile.
La cromatografia liquida è una tecnica utilizzatanei processi di separazione di miscele di composti macromolecolari, compresi quelli biologicamente importanti. A seconda dello stato di aggregazione del sorbente, si divide in fase liquido-liquido e liquido-solido.
La gascromatografia è dei seguenti tipi:
- Adsorbimento di gas (gas-fase solida), che utilizza un assorbente solido, come carbone, gel di silice, zeoliti o polimeri porosi. Un gas inerte (argon, elio), azoto, anidride carbonica funge da eluente - un vettore della miscela da separare. La separazione dei componenti volatili della miscela avviene per il diverso grado di adsorbimento.
- Gas-liquido. La fase stazionaria in questo caso è costituita da un film liquido depositato su una base solida inerte. I componenti del campione vengono separati in base alla loro adsorbibilità o solubilità.
La gascromatografia è ampiamente utilizzata per l'analisi di miscele di composti organici (usando i loro prodotti di decomposizione o derivati in forma gassosa).
Interazione tra assorbente e sorbati
Secondo questo criterio, tali tipi si distinguono in:
- Cromatografia ad adsorbimento, attraverso la quale le miscele vengono separate a causa delle differenze nel grado di adsorbimento delle sostanze da parte di un assorbente immobile.
- Distribuzione. Con il suo aiuto, la separazione viene effettuata sulla base della diversa solubilità dei componenti della miscela. La dissoluzione avviene o nelle fasi mobile e stazionaria (in cromatografia liquida), o solo nella fase stazionaria (in gas-liquidocromatografia).
- Sedimentale. Questo metodo cromatografico si basa sulla diversa solubilità dei precipitati formatisi delle sostanze da separare.
- Esclusione, o cromatografia su gel. Si basa sulla differenza nella dimensione delle molecole, per cui varia la loro capacità di penetrare nei pori del sorbente, la cosiddetta matrice gel.
- Affine. Questo metodo specifico, che si basa su un tipo speciale di interazione biochimica di impurità separate con un ligando che forma un composto complesso con un vettore inerte nella fase stazionaria. Questo metodo è efficace nel separare miscele di enzimi proteici ed è comune in biochimica.
- Scambio ionico. Come fattore di separazione del campione, questo metodo utilizza la differenza nella capacità dei componenti della miscela di scambiare ioni con la fase stazionaria (scambiatore di ioni). Durante il processo, gli ioni della fase stazionaria vengono sostituiti da ioni di sostanze presenti nella composizione dell'eluente, mentre per la diversa affinità di quest'ultimo con lo scambiatore di ioni si ha una differenza nella velocità del loro movimento, e quindi il la miscela è separata. Per la fase stazionaria, vengono spesso utilizzate resine a scambio ionico: speciali polimeri sintetici.
La cromatografia a scambio ionico ha due opzioni: anionica (mantiene ioni negativi) e cationica (mantiene ioni positivi, rispettivamente). Questo metodo è ampiamente utilizzato: nella separazione di elettroliti, terre rare e elementi transuranici, nella purificazione dell'acqua, nell'analisi dei farmaci.
La differenza nei metodi di tecnica
Ci sono due modi principali in cui il campione si sposta rispetto alla fase stazionaria:
- La cromatografia a colonna esegue il processo di separazione in un apposito dispositivo - una colonna cromatografica - un tubo, nella cui cavità interna è posto un assorbente immobile. Secondo la modalità di riempimento, le colonne si suddividono in due tipologie: impaccate (le cosiddette "impaccate") e capillari, in cui viene applicato uno strato di un sorbente solido o un film liquido della fase stazionaria sulla superficie di la parete interna. Le colonne impaccate possono avere forme diverse: diritte, a forma di U, a spirale. Le colonne capillari sono elicoidali.
- Cromatografia planare (planare). In questo caso, come supporto per la fase stazionaria, si può utilizzare una carta speciale o una lastra (metallo, vetro o plastica), su cui viene depositato un sottile strato di assorbente. In questo caso, il metodo della cromatografia è indicato rispettivamente come cromatografia su carta o su strato sottile.
A differenza del metodo della colonna, in cui le colonne cromatografiche vengono utilizzate ripetutamente, nella cromatografia planare, qualsiasi supporto con uno strato assorbente può essere utilizzato solo una volta. Il processo di separazione avviene quando una lastra o un foglio di carta viene immerso in un contenitore con eluente.
Introduzione e trasferimento dell'eluente
Questo fattore determina la natura del movimento delle zone cromatografiche lungo lo strato assorbente, che si formano durante la separazione della miscela. Esistono i seguenti metodi di consegna dell'eluente:
- Davanti. Questo metodo è il più semplicetecnica di esecuzione. La fase mobile è direttamente il campione stesso, che viene continuamente alimentato nella colonna riempita con il sorbente. In questo caso, il componente meno trattenuto, adsorbito peggio di altri, si muove lungo l'assorbente più velocemente degli altri. Di conseguenza, solo questo primo componente può essere isolato in forma pura, seguito da zone contenenti miscele di componenti. La distribuzione campionaria si presenta così: A; A+B; A+B+C e così via. La cromatografia frontale non è quindi utile per separare le miscele, ma è efficace in vari processi di purificazione, a condizione che la sostanza da isolare abbia una bassa ritenzione.
- Il metodo di spostamento differisce in quanto dopo essere entrato nella miscela da separare, nella colonna viene immesso un eluente con uno speciale dislocatore, una sostanza caratterizzata da una maggiore sorbibilità rispetto a qualsiasi componente della miscela. Sposta il componente più trattenuto, che sposta quello successivo e così via. Il campione si muove lungo la colonna alla velocità del dislocatore e forma zone di concentrazione adiacenti. Con questo tipo di cromatografia, ogni componente può essere ottenuto singolarmente in forma liquida all'uscita della colonna.
- Il metodo dell'eluente (in via di sviluppo) è il più comune. Contrariamente al metodo dello spostamento, l'eluente (carrier) in questo caso ha una sorbibilità inferiore rispetto ai componenti del campione. Viene continuamente fatto passare attraverso lo strato assorbente, lavandolo. Periodicamente, a porzioni (impulsi), la miscela da separare viene immessa nel flusso dell'eluente, dopodiché si alimenta nuovamente l'eluente puro. Durante il lavaggio (eluizione), i componenti vengono separati,inoltre, le loro zone di concentrazione sono separate da zone di eluente.
La cromatografia dell'eluente consente di separare quasi completamente la miscela di sostanze analizzata e la miscela può essere multicomponente. Inoltre, i vantaggi di questo metodo sono l'isolamento dei componenti l'uno dall' altro e la semplicità dell'analisi quantitativa della miscela. Gli svantaggi includono un elevato consumo di eluente e una bassa concentrazione di componenti del campione al suo interno dopo la separazione all'uscita della colonna. Il metodo dell'eluente è ampiamente utilizzato sia nella cromatografia gassosa che in quella liquida.
Processi cromatografici a seconda degli scopi
La differenza negli obiettivi cromatografici consente di distinguere metodi come analitici, preparativi e industriali.
Per mezzo della cromatografia analitica si effettuano analisi qualitative e quantitative delle miscele. Quando si analizzano i componenti del campione, quando lasciano la colonna del cromatografo, vanno al rivelatore, un dispositivo sensibile ai cambiamenti nella concentrazione di una sostanza nell'eluente. Il tempo trascorso dal momento in cui il campione viene introdotto nella colonna fino al picco massimo di concentrazione della sostanza sul rivelatore è chiamato tempo di ritenzione. A condizione che la temperatura della colonna e la velocità dell'eluente siano costanti, questo valore è costante per ciascuna sostanza e serve come base per un'analisi qualitativa della miscela. L'analisi quantitativa viene eseguita misurando l'area dei singoli picchi nel cromatogramma. Di norma, il metodo dell'eluente viene utilizzato nella cromatografia analitica.
La cromatografia preparatoria mira a isolare le sostanze pure da una miscela. Le colonne preparative hanno una molto più grandediametro rispetto a quello analitico.
La cromatografia industriale viene utilizzata, in primo luogo, per ottenere grandi quantità di sostanze pure necessarie in una particolare produzione. In secondo luogo, è una parte importante dei moderni sistemi di controllo e regolazione dei processi tecnologici.
Il cromatografo industriale ha una scala di concentrazione dell'uno o dell' altro componente ed è dotato di un sensore, nonché di sistemi di controllo e registrazione. I campioni vengono consegnati a tali cromatografi automaticamente con una certa frequenza.
Attrezzature per cromatografia multifunzione
I cromatografi moderni sono dispositivi high-tech complessi in grado di essere utilizzati in una varietà di campi e per vari scopi. Questi dispositivi consentono di analizzare complesse miscele multicomponenti. Sono dotati di un'ampia gamma di rivelatori: termoconduttometrico, ottico, a ionizzazione, spettrometrico di massa e così via.
Inoltre, la moderna cromatografia utilizza sistemi di controllo automatici per l'analisi e l'elaborazione dei cromatogrammi. Il controllo può essere eseguito da un computer o direttamente dal dispositivo.
Un esempio di tale dispositivo è il gascromatografo multifunzionale "Crystal 5000". Dispone di un set di quattro rilevatori sostituibili, un termostato a colonna, sistemi elettronici di controllo della pressione e del flusso e controlli della valvola del gas. Per risolvere vari problemi, il dispositivo hala possibilità di installare sia colonne impaccate che capillari.
Il cromatografo è controllato utilizzando una tastiera completa e un display di controllo o (in un' altra modifica) da un personal computer. Questo dispositivo di nuova generazione può essere efficacemente utilizzato in produzione e in vari laboratori di ricerca: medico, forense, ambientale.
Cromatografia ad alta pressione
L'esecuzione della cromatografia su colonna liquida è caratterizzata da una durata del processo piuttosto lunga. Per accelerare il movimento dell'eluente liquido si utilizza l'alimentazione della fase mobile alla colonna in pressione. Questo metodo moderno e molto promettente è chiamato metodo di cromatografia liquida ad alte prestazioni (HPLC).
Il sistema di pompaggio del cromatografo liquido HPLC eroga l'eluente a una velocità costante. La pressione di ingresso sviluppata può raggiungere i 40 MPa. Il controllo del computer consente di modificare la composizione della fase mobile secondo un determinato programma (questo metodo di eluizione è chiamato gradiente).
HPLC può essere utilizzato con vari metodi in base alla natura dell'interazione del sorbente e del sorbato: distribuzione, adsorbimento, esclusione dimensionale, cromatografia a scambio ionico. Il tipo più comune di HPLC è il metodo a fase inversa, basato sull'interazione idrofobica di una fase mobile polare (acquosa) e un assorbente non polare, come il gel di silice.
Il metodo è ampiamente utilizzato per la separazione, l'analisi,controllo di qualità di sostanze non volatili, termicamente instabili che non possono essere convertite allo stato gassoso. Si tratta di prodotti chimici per l'agricoltura, medicinali, componenti alimentari e altre sostanze complesse.
L'importanza degli studi cromatografici
Diversi tipi di cromatografia sono ampiamente utilizzati in vari campi:
- chimica inorganica;
- petrolchimico e minerario;
- biochimica;
- medicina e prodotti farmaceutici;
- industria alimentare;
- ecologia;
- criminologia.
Questo elenco è incompleto, ma riflette la copertura di industrie che non possono fare a meno dei metodi cromatografici di analisi, separazione e purificazione delle sostanze. In tutti i campi di applicazione della cromatografia, dai laboratori scientifici alla produzione industriale, il ruolo di questi metodi è sempre più crescente con l'introduzione delle moderne tecnologie per l'elaborazione delle informazioni, la gestione e il controllo di processi complessi.
