Hi ha molts mètodes diferents per analitzar la composició i estudiar les propietats de diversos compostos i mescles de substàncies. Un d'aquests mètodes és la cromatografia. L'autoria de la invenció i l'aplicació del mètode pertany al botànic rus M. S. Tsvet, que a principis del segle XX va dur a terme la separació dels pigments vegetals.
Definició i fonaments del mètode
La cromatografia és un mètode fisicoquímic per a la separació de mescles i la determinació dels seus components, a partir de la distribució entre les fases mòbil i estacionària de les substàncies que formen la mescla (mostra). La fase estacionària és una substància sòlida porosa: un sorbent. També pot ser una pel·lícula líquida dipositada sobre una superfície sòlida. La fase mòbil -l'eluent- s'ha de moure al llarg de la fase estacionària o travessar-la, sent filtrada pel sorbent.
L'essència de la cromatografia és que els diferents components d'una mescla es caracteritzen necessàriament per diferents propietats, com ara el pes molecular, la solubilitat, l'adsorbabilitat, etc. Per tant, la velocitat d'interacció dels components de la fase mòbil -sorbats- amb l'estacionàriano és el mateix. Això condueix a una diferència en les velocitats de les molècules de la mescla respecte a la fase estacionària, com a resultat de la qual els components es separen i es concentren en diferents zones del sorbent. Alguns d'ells surten del sorbent juntament amb la fase mòbil; aquests són els anomenats components no retinguts.
Un avantatge especial de la cromatografia és que permet separar ràpidament mescles complexes de substàncies, incloses les que tenen propietats similars.
Mètodes per classificar els tipus de cromatografia
Els mètodes utilitzats en l'anàlisi es poden classificar segons diversos criteris. El conjunt principal d'aquests criteris és el següent:
- estat agregat de les fases estacionàries i mòbils;
- naturalesa física i química de la interacció del sorbent i els sorbats;
- com introduir l'eluent i moure'l;
- mètode de col·locació de la fase estacionària, és a dir, tècnica de cromatografia;
- objectius de cromatografia.
A més, els mètodes es poden basar en la diferent naturalesa del procés d'absorció, en les condicions tècniques de la separació cromatogràfica (per exemple, baixa o alta pressió).
Examinem amb més detall els criteris principals anteriors i els tipus de cromatografia més utilitzats associats a ells.
Estat d'agregació de l'eluent i del sorbent
A partir d'aquesta base, la cromatografia es divideix en líquid i gas. Els noms dels mètodes reflecteixen l'estat de la fase mòbil.
La cromatografia líquida és una tècnica utilitzadaen els processos de separació de mescles de compostos macromoleculars, inclosos els d'importància biològica. Segons l'estat d'agregació del sorbent, es divideix en fase líquid-líquid i líquid-sòlid.
La cromatografia de gasos és dels tipus següents:
- Adsorció de gasos (fase gas-sòlida), que utilitza un sorbent sòlid, com ara carbó, gel de sílice, zeolites o polímers porosos. Un gas inert (argó, heli), nitrogen, diòxid de carboni actua com a eluent, un portador de la mescla a separar. La separació dels components volàtils de la mescla es realitza a causa del diferent grau d'adsorció.
- Gas-líquid. La fase estacionària en aquest cas consisteix en una pel·lícula líquida dipositada sobre una base sòlida inert. Els components de la mostra es separen segons la seva capacitat d'adsorció o solubilitat.
La cromatografia de gasos s'utilitza àmpliament per a l'anàlisi de mescles de compostos orgànics (utilitzant els seus productes de descomposició o derivats en forma gasosa).
Interacció entre sorbent i sorbats
Segons aquest criteri, aquests tipus es distingeixen com:
- Cromatografia d'adsorció, mitjançant la qual es separen les mescles a causa de les diferències en el grau d'adsorció de les substàncies per part d'un sorbent immòbil.
- Distribució. Amb la seva ajuda, la separació es realitza en funció de la diferent solubilitat dels components de la mescla. La dissolució es produeix en les fases mòbil i estacionària (en cromatografia líquida), o només en la fase estacionària (en gas-líquid).cromatografia).
- Sedimentària. Aquest mètode de cromatografia es basa en la diferent solubilitat dels precipitats formats de les substàncies a separar.
- Exclusió o cromatografia en gel. Es basa en la diferència de mida de les molècules, a causa de la qual varia la seva capacitat per penetrar als porus del sorbent, l'anomenada matriu de gel.
- Afí. Aquest mètode específic, que es basa en un tipus especial d'interacció bioquímica d'impureses separades amb un lligand que forma un compost complex amb un portador inert en la fase estacionària. Aquest mètode és eficaç per separar barreges d'enzims proteïnes i és comú en bioquímica.
- Intercanvi iònic. Com a factor de separació de la mostra, aquest mètode utilitza la diferència en la capacitat dels components de la mescla d'intercanviar ions amb la fase estacionària (intercanviador d'ions). Durant el procés, els ions de la fase estacionària se substitueixen per ions de substàncies en la composició de l'eluent, mentre que a causa de la diferent afinitat d'aquest amb l'intercanviador d'ions, sorgeix una diferència en la velocitat del seu moviment, i per tant la la mescla es separa. Per a la fase estacionària, les resines d'intercanvi iònic s'utilitzen més sovint: polímers sintètics especials.
La cromatografia d'intercanvi iònic té dues opcions: aniònica (reté els ions negatius) i catiònic (reté els ions positius, respectivament). Aquest mètode s'utilitza molt àmpliament: en la separació d'electròlits, terres rares i elements transurani, en la purificació d'aigua, en l'anàlisi de fàrmacs.
La diferència de mètodes de tècnica
Hi ha dues maneres principals en què la mostra es mou en relació a la fase estacionària:
- La cromatografia en columna porta a terme el procés de separació en un dispositiu especial: una columna cromatogràfica, un tub, a la cavitat interior del qual es col·loca un sorbent immòbil. Segons el mètode d'ompliment, les columnes es divideixen en dos tipus: empaquetades (l'anomenada "empaquetada") i capil·lar, en què s'aplica una capa d'sorbent sòlid o una pel·lícula líquida de la fase estacionària a la superfície de la paret interior. Les columnes empaquetades poden tenir diferents formes: rectes, en forma d'U, en espiral. Les columnes capil·lars són helicoïdals.
- Cromatografia plana (planar). En aquest cas, es pot utilitzar un paper especial o una placa (metall, vidre o plàstic) com a suport per a la fase estacionària, sobre la qual es diposita una fina capa de sorbent. En aquest cas, el mètode de cromatografia s'anomena cromatografia de paper o de capa fina, respectivament.
A diferència del mètode de la columna, on les columnes cromatogràfiques s'utilitzen repetidament, en la cromatografia plana, qualsevol suport amb una capa absorbent només es pot utilitzar una vegada. El procés de separació es produeix quan una placa o un full de paper es submergeix en un recipient amb eluent.
Introducció i transferència d'eluent
Aquest factor determina la naturalesa del moviment de les zones cromatogràfiques al llarg de la capa absorbent, que es formen durant la separació de la mescla. Hi ha els següents mètodes de lliurament d'eluents:
- Front. Aquest mètode és el més senzilltècnica d'execució. La fase mòbil és directament la mostra en si, que s'introdueix contínuament a la columna plena amb el sorbent. En aquest cas, el component menys retingut, adsorbit pitjor que els altres, es mou al llarg del sorbent més ràpid que els altres. Com a resultat, només aquest primer component es pot aïllar en forma pura, seguit de zones que contenen mescles de components. La distribució mostral té aquest aspecte: A; A+B; A+B+C i així successivament. Per tant, la cromatografia frontal no és útil per separar mescles, però és eficaç en diversos processos de purificació, sempre que la substància a aïllar tingui una retenció baixa.
- El mètode de desplaçament es diferencia en què després d'entrar a la mescla que s'ha de separar, s'introdueix a la columna un eluent amb un desplaçador especial, una substància caracteritzada per una capacitat d'absorció més gran que qualsevol dels components de la mescla. Desplaça el component més retingut, que desplaça el següent, etc. La mostra es mou al llarg de la columna a la velocitat del desplaçador i forma zones de concentració adjacents. Amb aquest tipus de cromatografia, cada component es pot obtenir individualment en forma líquida a la sortida de la columna.
- El mètode eluent (de desenvolupament) és el més comú. En contrast amb el mètode de desplaçament, l'eluent (portador) en aquest cas té una capacitat d'absorció menor que els components de la mostra. Es fa passar contínuament a través de la capa absorbent, rentant-la. Periòdicament, en porcions (pulsos), la mescla que s'ha de separar s'introdueix al flux d'eluent, després del qual es torna a alimentar l'eluent pur. Quan es renta (elució), els components es separen,a més, les seves zones de concentració estan separades per zones eluents.
La cromatografia d'eluents permet separar gairebé completament la mescla de substàncies analitzades, i la mescla pot ser multicomponent. A més, els avantatges d'aquest mètode són l'aïllament dels components entre si i la simplicitat de l'anàlisi quantitativa de la mescla. Els desavantatges inclouen un alt consum d'eluent i una baixa concentració de components de la mostra després de la separació a la sortida de la columna. El mètode de l'eluent s'utilitza àmpliament tant en cromatografia de líquids com de gasos.
Processos cromatogràfics en funció de les finalitats
La diferència en els objectius de la cromatografia permet distingir mètodes com ara els analítics, els preparatius i els industrials.
Mitjançant la cromatografia analítica es realitza l'anàlisi qualitativa i quantitativa de les mescles. Quan s'analitzen els components de la mostra, en sortir de la columna del cromatògraf, van al detector, un dispositiu sensible als canvis en la concentració d'una substància en l'eluent. El temps transcorregut des que s'introdueix la mostra a la columna fins que la concentració màxima màxima de la substància al detector s'anomena temps de retenció. Sempre que la temperatura de la columna i la velocitat de l'eluent siguin constants, aquest valor és constant per a cada substància i serveix de base per a una anàlisi qualitativa de la mescla. L'anàlisi quantitativa es realitza mesurant l'àrea de pics individuals en el cromatograma. Per regla general, el mètode de l'eluent s'utilitza en cromatografia analítica.
La cromatografia preparativa té com a objectiu aïllar substàncies pures d'una mescla. Les columnes preparatives tenen una molt més grandiàmetre que analític.
La cromatografia industrial s'utilitza, en primer lloc, per obtenir grans quantitats de substàncies pures necessàries en una producció determinada. En segon lloc, és una part important dels sistemes moderns de control i regulació dels processos tecnològics.
El cromatògraf industrial té una escala de concentració d'un o altre component i està equipat amb un sensor, així com sistemes de control i registre. Les mostres es lliuren a aquests cromatògrafs automàticament amb una freqüència determinada.
Equip de cromatografia multifunció
Els cromatògrafs moderns són dispositius complexos d' alta tecnologia que es poden utilitzar en una varietat de camps i per a diversos propòsits. Aquests dispositius permeten analitzar mescles complexes multicomponents. Estan equipats amb una àmplia gamma de detectors: conductometria tèrmica, òptica, d'ionització, espectromètrica de masses, etc.
A més, la cromatografia moderna utilitza sistemes de control automàtic per a l'anàlisi i processament de cromatogrames. El control es pot fer des d'un ordinador o directament des del dispositiu.
Un exemple d'aquest dispositiu és el cromatògraf de gasos multifuncional "Crystal 5000". Té un conjunt de quatre detectors reemplaçables, un termòstat de columna, sistemes electrònics de control de pressió i cabal i controls de vàlvules de gas. Per resoldre diversos problemes, el dispositiu téla possibilitat d'instal·lar columnes empaquetades i capil·lars.
El cromatògraf es controla mitjançant un teclat amb totes les funcions i una pantalla de control o (en una altra modificació) des d'un ordinador personal. Aquest dispositiu de nova generació es pot utilitzar amb eficàcia en la producció i en diversos laboratoris d'investigació: mèdic, forense, mediambiental.
Cromatografia d' alta pressió
La realització de cromatografia líquida en columna es caracteritza per una durada força llarga del procés. Per accelerar el moviment de l'eluent líquid, s'utilitza el subministrament de la fase mòbil a la columna sota pressió. Aquest mètode modern i molt prometedor s'anomena mètode de cromatografia líquida d' alt rendiment (HPLC).
El sistema de bombeig del cromatògraf líquid HPLC ofereix eluent a una velocitat constant. La pressió d'entrada desenvolupada pot arribar als 40 MPa. El control per ordinador permet canviar la composició de la fase mòbil segons un programa determinat (aquest mètode d'elució s'anomena gradient).
HPLC es poden utilitzar diversos mètodes basats en la naturalesa de la interacció del sorbent i el sorbat: distribució, adsorció, exclusió de mida, cromatografia d'intercanvi iònic. El tipus més comú d'HPLC és el mètode de fase inversa, basat en la interacció hidròfoba d'una fase mòbil polar (aquosa) i un sorbent no polar, com el gel de sílice.
El mètode s'utilitza àmpliament per a la separació, l'anàlisi,control de qualitat de substàncies no volàtils, tèrmicament inestables que no es poden convertir en estat gasós. Es tracta de productes agroquímics, medicaments, components d'aliments i altres substàncies complexes.
La importància dels estudis de cromatografia
Els diferents tipus de cromatografia s'utilitzen àmpliament en diversos camps:
- química inorgànica;
- petroquímica i mineria;
- bioquímica;
- medicina i productes farmacèutics;
- indústria alimentària;
- ecologia;
- criminologia.
Aquesta llista és incompleta, però reflecteix la cobertura d'indústries que no poden prescindir dels mètodes cromatogràfics d'anàlisi, separació i purificació de substàncies. En totes les àrees d'aplicació de la cromatografia, des dels laboratoris científics fins a la producció industrial, el paper d'aquests mètodes augmenta encara més a mesura que s'introdueixen les tecnologies modernes per al processament de la informació, la gestió i el control de processos complexos.
