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 gyvulinių žaliavų, baltymų atskyrimas
iš kraujo ir kt.

Yra žiinoma 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, paprastumo, analizės atlikimo spartos. Derinant chromatografiją
su kitais analizės metodais, ggalima 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. Išš 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 chromatografijoje.
Šiuo būdu galima visiškai atskirti visus mišinio komponentus, nes tarp
kiekvieno išplaunamo komponento susidaro grynų dujų (tirpiklio) zona.
Eliuavimo trūkumas tas, k
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, mišinio 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 st
tūmiklio 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 s

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 chemosorbuoja 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 lėkšta 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 vienos 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.

Leave a Comment