Применение газовой хроматографии для исследования углеводородных систем

Впервые идею хроматографического метода высказал русский ученый-ботаник Михаил Семенович Цвет в использовании для разделения веществ их различную степень адсорбироваться на адсорбенте (избирательная адсорбция).

В 1903 г. М. С. Цвет опуб­ликовал в трудах Варшавского общества естествоиспытателей статью, в которой сформулировал принцип нового метода и на­глядно показал возможность отделения зеленой части хлорофил­ловых пигментов листьев (хлорофиллинов) от желтой (ксанто-филлинов) и от оранжевой (каротина) с помощью адсорбентов. В более поздних работах М. С. Цвет значительно усовершенст­вовал свой метод и дал ему необходимое теоретическое и экспе­риментальное обоснование. Однако не всем исследователям уда­валось воспроизвести опыты М. С. Цвета при его жизни и вскоре этот метод был предан забвению.

О его методе вспомнили через 27 лет после его открытия немецкие биохимики Кун, Ледерер и Винтерштейн, которые в 1930 г. успешно разделили каротин на отдельные изомеры, предсказанные Цветом. С этого времени хро­матография стала развиваться в самых разнообразных направле­ниях и со временем приобрела характер самостоятельной научно-технической дисциплины, претерпев, таким образом, второе рож­дение.

Хроматографический метод, как показывает его название, пред­назначался для исследования окрашенных веществ. Однако уже на заре развития метода М. С. Цвет высказал предположение, что его метод применим не только к окрашенным, но и к бесцвет­ным веществам. Но первоначально применению хроматографии для разделения бесцветных веществ мешало отсутствие прибо­ров, с помощью которых можно было бы контролировать в ходе опыта процесс разделения, — детекторов.

В настоящее время раз­работаны детекторы, позволяющие анализировать самые разно­образные соединения. В простейшем варианте метода Цвета исследуемый раствор окра­шенных веществ фильтруют под не­большим разрежением, создавае­мым водоструйным насосом, через стеклянную колонку, заполненную бесцветным адсорбентом, затем про­являют хроматограмму чистым рас­творителем. При правильно постав­ленном эксперименте вдоль колонки появляется ряд окрашенных попе­речных полос, содержащих разде­ленные компоненты исследуемой смеси.

Проведение хроматографического опыта в таком простейшем ва­рианте видно из рис. 1.

Современная хроматографическая установка включает раздели­тельную колонку, термостат, детек­тор, блоки управления и другие вспомогательные приспособления.

Рис. 1. Хроматограмма хлорофилловых пигментов по М.С. Цвету

Начиная с 1931 г. число публи­каций, посвященных применению хроматографии, с каждым годом увеличивалось, прежде всего в биохимии. Это можно объяснить тем, что биохимикам чаще приходит­ся исследовать термически неустойчивые биологически активные материалы и хроматография здесь оказалась наиболее эффектив­ным методом исследования их состава.

Кроме того, все работы М. С. Цвета были опубликованы в биологической литературе, вследствие чего химикам его метод долгое время оставался неиз­вестным. Кроме хлорофилловых пигментов этим методом были ус­пешно разделены и выделены в чистом виде другие биологически активные вещества: витамины, ферменты, гормоны, энзимы, амино­кислоты, алкалоиды.

Применение хроматографии в органической, неорганической и аналитической химии началось значительно позднее, чем в био­логии. Первые публикации, посвященные применению метода Цвета в неорганическом анализе, относятся к 1937 г. и принадле­жат Швабу и его сотрудникам. В этих работах приведена методика качественного анализа смесей некоторых катионов и анио­нов на стеклянной колонке с оксидом алюминия, причем техника проведения анализа почти не отличается от той, которую приме­нял Цвет.

Значительные успехи в разделении и анализе неоргани­ческих веществ были достигнуты в 50-х годах, когда в практику хроматографии были введены в качестве адсорбентов ионообмен­ные смолы. Стимулом к этому послужила задача изучения ток­сичности радиоактивных продуктов расщепления урана и плутония при атомном взрыве и в атомном реакторе. Такими продуктами являются соединения редкоземельных элементов с примесью их радиоактивных изотопов. Применение хроматографии на ионо­обменных смолах в качестве адсорбентов позволило выделить почти все эти продукты и подробно изучить биологическую актив­ность и другие физико-химические свойства каждого продукта в отдельности, что сыграло большую роль в развитии атомной и ядерной техники.

Кроме ионообменной хроматографии, для разделения и ана­лиза катионов и анионов советские ученые Е. Н. Гапон и Т. Б. Гапон в 1948 г. предложили осадочную хроматографию. В этом варианте метода Цвета формирование хроматограмм обусловлено не различием адсорбируемости или коэффициентов распределения, а процессом образования осадков и различием в их растворимости. Это и вызывает разделение тех ионов, которые вошли в состав осадков при реакции с реактивом-осадителем, нанесенным на сор­бент хроматографической колонки или на фильтровальную бумагу.

Хроматографический анализ органических веществ развивался попутно с хроматографией неорганических веществ. В 1935— 1936 гг. появились первые сообщения об успешном применении метода Цвета в анализе синтетических красителей. Из жидкофазных вариантов хроматографии наиболее широкое применение в органической и биологической химии получила бумажная хрома­тография.

Это тонкий микрометод, позволяющий разделять смеси нескольких десятков компонентов на полоске пористой бумаги, которая выполняет роль хроматографической колонки. Хроматограмма получается в виде пятен, окраска которых соответствует природной окраске разделяемых компонентов смеси. При анализе бесцветных веществ пятна проявляют, опрыскивая бумагу реак­тивом, образующим с разделяемыми компонентами окрашенные соединения. Например, при определении аминокислотного состава белков после их гидролиза бумагу опрыскивают раствором нингидрина, в результате чего на поверхности бумаги появляются пятна розового цвета, соответствующие индивидуальным амино­кислотам. Если разделяемые бесцветные вещества обладают способностью к флуоресценции, бумагу облучают уль­трафиолетовыми лучами (кварцевой или ртутной лампой) и тогда хроматограмма становится видимой. Этот случай можно наблю­дать при разделении смеси антрахинонов, пятна которых в ультрафиолетовом свете ртутной лампы окрашены в сине-фиолетовый цвет.

Аналогичная картина разделения веществ (в основном органи­ческого происхождения) получается на стеклянной пластинке, покрытой слоем мелкодисперсного сорбента (оксида алюминия, силикагеля, целлюлозы, крахмала и др.). Это так называемая тонкослойная хроматография, получившая за последние годы широкое применение в химии и особенно в биохимии благо­даря значительно большей скорости выполнения анализа по сравнению с бумажной хроматографией. Кроме того, методом тонкослойной хроматографии можно разделять примерно на поря­док большие количества смесей без существенного ухудшения ка­чества разделения. Это преимущество позволяет применять тонко­слойную хроматографию как препаративный метод выделения индивидуальных продуктов из сложной смеси в чистом виде. Несмотря на широкие возможности применения, жидкофазная хроматография ни в колоночном, ни в бумажном, ни в тонко­слойном варианте не могла удовлетворить требования быстро развивающейся (в отмеченный период) науки и промышленности.

Химическая промышленность синтетических материалов и пласт­масс, использующая в качестве сырья в основном смеси природ­ных газов, требовала эффективных методов анализа. Старые хи­мические методы анализа ни в коей мере не могли решить эту задачу, что и послужило толчком к развитию газовой хромато­графии, получившей широкое применение в контроле производства и научных исследованиях, особенно в нефтехимии. Однако и жидкофазная хроматография, особенно колоночная молекулярная, не потеряла своего значения. За последние годы наблюдается ее возрождение благодаря значительным успехам в области хроматографического приборостроения. Созданы совершенные жидкофазные хроматографы с высокочувствительными детекторами и автоматической записью хроматограммы, аналогично тому, как это происходит при анализе смесей на газовых хроматографах.

В настоящее время высокоэффективная, высокоскоростная жидкостная хроматография широко применяется для анализа малолетучих высокомолекулярных и нетермостабильных соеди­нений. Это возрожденный открытый М. С. Цветом вариант моле­кулярной жидкостной хроматографии, модернизированный путем использования новых высокоэффективных сорбентов, высоких дав­лений на входе в колонку, высоких скоростей элюента и авто­матического детектирования.

Лекция 7