chromatografia

chromatografia

[gr. chrṓma ‘barwa’, gráphō ‘piszę’],

metoda rozdzielania jednorodnych mieszanin na składniki, w której wykorzystuje się różnicę sił oddziaływania tych składników z fazą ruchomą i nieruchomą (stacjonarną).

Rozdzielanie składników prowadzi się w celu ich identyfikacji i ilościowego oznaczenia — analiza chromatograficzna, lub wyodrębnienia składnika z mieszaniny — chromatografia preparatywna; chromatografia jest też metodą badań fizykochemicznych, np. adsorbentów i katalizatorów. Fazą ruchomą może być gaz — chromatografia gazowa, ciecz — chromatografia cieczowa, lub substancja (najczęściej ditlenek węgla) w stanie nadkrytycznym — chromatografia nadkrytyczna (o właściwościach chromatografii gazowej i cieczowej, co wynika z fizykochemicznych właściwości nadkrytycznych fazy ruchomej, które są częściowo podobne do właściwości gazów, a częściowo do właściwości cieczy). Ze względu na mechanizm rozdzielania rozróżnia się chromatografię adsorpcyjną — fazę nieruchomą stanowi ciało stałe (np. żel krzemionkowy, węgiel aktywowany), a rozdzielanie następuje dzięki różnym siłom adsorpcji, jakie wykazują składniki mieszaniny do tej fazy; chromatografię podziałową — fazą nieruchomą jest ciecz osadzona na stałym nośniku — w procesie wykorzystuje się różnice w rozpuszczalności składników w tej cieczy (w przypadku, gdy faza ruchoma jest także cieczą, mówi się o chromatografii ekstrakcyjnej); chromatografię jonowymienną — fazę nieruchomą stanowi jonit, z którym poszczególne składniki rozdzielanej mieszaniny z różną szybkością wymieniają jony; w przypadku zastosowania jako fazy nieruchomej sit molekularnych albo żeli o danej wielkości porów, które przepuszczają cząsteczki o określonych rozmiarach i budowie przestrzennej, chromatografia nosi nazwę sitowej albo żelowej. Rozdzielenie substancji A i B jest tym efektywniejsze, im bardziej różnią się (dla danego układu faz) ich wartości stałych podziału (K_D)_A i (K_D)_B. Stała podziału substancji A jest to stosunek stężenia tej substancji c_AS w fazie nieruchomej do jej stężenia c_AM w fazie ruchomej w warunkach równowagi: (K_D)_A = c_AS/c_AM.

Proces chromatograficzny można prowadzić w kolumnie — chromatografia gazowa, chromatografia nadkrytyczna i chromatografia cieczowa kolumnowa, lub na płaszczyźnie — chromatografia cieczowa planarna: bibułowa i cienkowarstwowa. W chromatografii kolumnowej rozdzielenie wprowadzonej do kolumny mieszaniny następuje podczas przepływu fazy ruchomej — odpowiedniego rozpuszczalnika (chromatografia cieczowa) lub gazu nośnego (chromatografia gazowa) przez fazę nieruchomą wypełniającą kolumnę. Wraz z przepływem fazy ruchomej następuje wędrówka składników mieszaniny (wolniej poruszają się te, które wykazują większe powinowactwo do fazy stacjonarnej); prowadzi ona do rozdzielenia składników kolejno opuszczających kolumnę. Rozdzielone składniki oznacza się różnymi technikami analitycznymi po zebraniu ich w tzw. kolektorach frakcji — klasyczna chromatografia cieczowa, lub wykrywa je i oznacza umieszczony u wylotu kolumny detektor — chromatografia gazowa i cieczowa chromatografia wysokociśnieniowa. Chromatografię gazową i cieczową wysokociśnieniową prowadzi się w chromatografie zbudowanym z urządzenia do dozowania próbki, kolumny (termostatowanej) i detektora. Wyniki uzyskuje się w postaci chromatogramu — zapisu wskazań detektora, który zarajestrował stężenia lub masy składników badanej próbki w postaci kolejnych pików (z położenia, wysokości lub pola pików uzyskuje się dane o składzie próbki) albo w postaci danych liczbowych. Podobnych chromatografów używa się w tzw. chromatografii nadkrytycznej, w której stosuje się odpowiednio dobrane, trwałe w warunkach nadkrytycznych fazy stacjonarne; przebiega ona głównie jako chromatografia adsorpcyjna, niekiedy jako chromatografia podziałowa. W chromatografii bibułowej fazę nieruchomą stanowi bibuła, w chromatografii cienkowarstwowej — cienka warstwa adsorbentu naniesiona na płytkę np. szklaną; fazą ruchomą jest rozpuszczalnik wędrujący pod wpływem sił kapilarnych. Mieszaninę nanosi się w postaci plamki w tzw. punkcie startowym i płytkę umieszcza w komorze chromatograficznej, zanurzając jej skraj w rozpuszczalniku. Wraz z wędrówką rozpuszczalnika poruszają się (z różną prędkością) poszczególne składniki tworząc chromatogram w postaci barwnych plam. W celu identyfikacji składnika położenie plamki porównuje się z wzorcami; wykorzystuje się do tego celu współczynnik R_f, tj. stosunek drogi migracji środka plamki a do drogi migracji rozpuszczalnika b: R_f = a/b. Intensywność zabarwienia plamki jest proporcjonalna do ilości oznaczanego składnika. Zdolność rozdzielczą chromatografii można zwiększyć, dobierając temperaturę procesu i szybkość przepływu fazy ruchomej.

Chromatografię wprowadził (i nazwał) 1903 rosyjski botanik M. Cwiet, który przepuszczając ekstrakt z zielonych części roślin przez kolumnę wypełnioną węglanem wapnia rozdzielił zawarte w nim barwniki. Analizę chromatograficzną stosuje się m.in. w przemyśle chemicznym, w biochemii, biologii, medycynie, farmacji, w badaniach zanieczyszczeń środowiska i w geologii. Oprócz chromatografów laboratoryjnych są używane przyrządy przenośne, umożliwiające np. analizę zanieczyszczeń na stanowiskach pracy, i automatyczne, stosowane np. w sondach kosmicznych; mogą one też służyć do analiz substratów i produktów w instalacjach przemysłowych. Chromatografię preparatywną wykorzystuje się w przemyśle farmaceutycznym, spożywczym i kosmetycznym. Rozdzielanie składników mieszanin, w tym izomerów, jest bardzo ważne w produkcji leków, ponieważ niektóre izomery tego samego związku chemicznego działają korzystnie, a inne szkodliwie (np. stosowany w latach 60. XX w. lek o nazwie talidomid był mieszaniną dwóch izomerów, z których jeden powodował uszkodzenia płodów ludzkich).

Bibliografia

Z. WITKIEWICZ Podstawy chromatografii, Warszawa 2000.