Хроматография - это метод разделения смесей, основанный на разной скорости движения их компонентов между двумя фазами: неподвижной и подвижной. Давайте разберемся подробнее, как это работает.
Неподвижная фаза может быть твердым веществом или жидкостью, нанесенной на твердый носитель. Подвижная фаза - это газ или жидкость, которая протекает через неподвижную фазу. Когда мы вводим анализируемую смесь в систему, ее компоненты начинают по-разному взаимодействовать с этими фазами. Одни вещества сильнее "прилипают" к неподвижной фазе (удерживаются неподвижной фазой), другие слабее, поэтому они движутся с разной скоростью и постепенно разделяются.
Важно, чтобы анализируемые вещества были стабильными и имели способность взаимодействовать с обеими фазами системы. Именно это взаимодействие приводит к тому, что разные компоненты смеси распределяются между фазами по-разному, что и позволяет их разделить.
Похожий принцип лежит в основе экстракции, но хроматография особенно эффективна благодаря тому, что процесс распределения между фазами повторяется многократно.
История создания хроматографии берет начало в середине XIX века, когда ученые Ф.Ф. Рунге, Ф. Гоппельсредер и К. Шенбейн проводили эксперименты по анализу красителей с помощью бумажных полосок. Однако систематическая разработка этого метода принадлежит русскому ботанику Михаилу Семёновичу Цвету.
В 1900 году Цвет впервые применил хроматографический метод, используя колонку с карбонатом кальция для разделения растительных пигментов. Своё открытие он представил научному сообществу 30 декабря 1901 года на XI Съезде естествоиспытателей и врачей в Санкт-Петербурге.
Последующие годы стали периодом активного развития метода:
- 1903 - первая публикация в "Трудах Варшавского общества естествоиспытателей"
- 1906 - введение термина "хроматография" в двух статьях немецкого журнала Berichte der Deutschen Botanischen Gesellschaft
- 1907 - демонстрация метода Немецкому Ботаническому обществу
К сожалению, на тот момент метод не получил широкого распространения.
Второе рождение хроматографии пришлось на середину XX века, благодаря работам Р. Куна, А. Мартина и Р. Синга.
Исторически газовая хроматография (ГХ) начала активно развиваться с 1970-х годов и стала очень популярной. Интересно, что достижения в этой области сильно повлияли и на другие виды хроматографии, особенно на высокоэффективную жидкостную хроматографию (ВЭЖХ), которая сейчас широко применяется.
Для успешного хроматографического разделения необходимо соблюдение нескольких условий. Во-первых, анализируемые вещества должны растворяться в подвижной фазе. Во-вторых, у них должно быть определенное, но не слишком сильное сродство к неподвижной фазе. В-третьих, константы равновесия для разных компонентов должны достаточно сильно различаться.
В процессе анализа подвижная фаза (ее называют элюентом) непрерывно движется через неподвижную фазу, постоянно нарушая равновесие. Компоненты смеси переносятся потоком, но с разной скоростью, что и приводит к их разделению. Именно возможность создания системы, где происходит множество последовательных актов распределения, делает хроматографию таким мощным методом.
Неподвижная фаза может работать по разным механизмам. Если это твердое вещество, основную роль играет адсорбция. Если это жидкость, ее наносят на специальный носитель с большой поверхностью, который сам по себе не должен влиять на процесс разделения. Хотя иногда небольшое участие носителя в сорбции может даже улучшить разделение.
В газовой хроматографии, которую мы рассматриваем подробнее, подвижная фаза - это газ. Особенность ГХ в том, что здесь используются сжимаемые газы с высокой диффузионной способностью, малой плотностью и вязкостью. Анализируемые вещества должны быть достаточно летучими - иметь заметное давление паров при температуре анализа. Обычно нижний предел - несколько мм рт. ст. При этом сама неподвижная фаза должна быть практически нелетучей, чтобы условия анализа оставались стабильными.
Результат хроматографического разделения - хроматограмма, график зависимости сигнала детектора от времени. На ней мы видим пики, соответствующие разным компонентам смеси. Каждый пик имеет фронт (начало выхода вещества) и тыл (окончание выхода). В аналитической практике обычно используют дифференциальные хроматограммы, где каждый пик соответствует отдельному компоненту.