Podstawy chromatografii

Chromatografia to jedna z najważniejszych i najczęściej stosowanych technik analitycznych we współczesnej nauce. Od medycyny i farmacji, przez ochronę środowiska, aż po przemysł spożywczy – jej zastosowania są niezwykle szerokie. Ale na czym właściwie polega? W tym artykule dowiesz się jak działa i do czego służy chromatografia.

Mówiąc najprościej, chromatografia to technika służąca do rozdzielania mieszanin. Nazwa tej metody pochodzi od greckich słów chrōma (kolor) i gráphein (pisać). Nadał ją rosyjski uczony Michaił Cwiet. Wykorzystywał on szklaną tubę nabitą kredą do rozdzielania barwników roślinnych a nazwa pochodzi od uzyskiwanych kolorowych plam barwników.

Podstawą każdej techniki chromatograficznej jest istnienie dwóch kluczowych elementów:

Rozdział składników mieszaniny jest możliwy dzięki różnicom w oddziaływaniach poszczególnych substancji z fazą stacjonarną i ruchomą. Składniki, które silniej oddziałują z fazą stacjonarną, poruszają się wolniej. Te, które preferują fazę ruchomą, przemieszczają się szybciej. W efekcie, po pewnym czasie, składniki mieszaniny zostają rozdzielone.

Chromatografię można klasyfikować na wiele sposobów, w zależności od przyjętego kryterium. Poniżej przedstawiamy najważniejsze podziały, które pomagają zrozumieć różnorodność tej techniki.

Podział chromatografii ze względu na stan skupienia fazy ruchomej:

• Chromatografia gazowa (GC): Faza ruchoma jest gazem (tzw. gazem nośnym), a faza stacjonarna to zazwyczaj ciecz naniesiona na stały nośnik lub bezpośrednio na ścianki kapilary. Stosowana do analizy substancji lotnych lub takich, które można łatwo odparować.
• Chromatografia cieczowa (LC): Faza ruchoma jest cieczą (rozpuszczalnikiem lub mieszaniną rozpuszczalników). Jest to najpopularniejszy rodzaj chromatografii ze względu na jej wszechstronność. Szczególnym jej rodzajem jest wysokosprawna chromatografia cieczowa (HPLC), która wykorzystuje wysokie ciśnienie do szybszego i wydajniejszego rozdziału.

Podział chromatografii ze względu na mechanizm rozdziału:

Ten podział opiera się na mechanizmie interakcji pomiędzy rozdzielanymi substancjami a fazą stacjonarną.

• Chromatografia adsorpcyjna: Rozdział opiera się na różnicach w adsorpcji (powierzchniowym wiązaniu) składników próbki na powierzchni fazy stacjonarnej.
• Chromatografia podziałowa: Składniki rozdzielane są na podstawie różnic w ich rozpuszczalności między dwiema niemieszającymi się cieczami – fazą ruchomą i fazą stacjonarną (cieczą naniesioną na nośnik).
• Chromatografia jonowymienna: Wykorzystuje fazę stacjonarną z grupami jonowymi, które wymieniają jony z analitami obecnymi w próbce. Jest idealna do rozdzielania cząsteczek naładowanych, takich jak aminokwasy, białka czy jony nieorganiczne.
• Chromatografia sitowa (wykluczania mas): Rozdział następuje na podstawie wielkości cząsteczek. Faza stacjonarna ma pory o określonej wielkości. Małe cząsteczki wnikają do porów i przemieszczają się wolniej, podczas gdy duże cząsteczki są wykluczane i eluowane szybciej.
• Chromatografia powinowactwa: Jest to wysoce specyficzna technika, w której faza stacjonarna zawiera cząsteczki (ligandy) wiążące się selektywnie tylko z jednym, konkretnym składnikiem mieszaniny (np. antygen-przeciwciało).

Ten podział wykorzystuje różnice w budowie systemu chromatograficznego.

Podział chromatografii ze względu na skalę rozdziału

Chromatografia może mieć różne zastosowanie. Może ona służyć do analizy materiału ale również do jego oczyszczania. Z tego powodu chromatografię można podzielić na:

• Chromatografia analityczna: służy jako narzędzie do określenia składu badanej próbki.
• Chromatografia preparatywna: służy jako narzędzie do oczyszczania substancji w niewielkich ilościach np. w laboratorium.
• Chromatografia przemysłowa: służy jako narzędzie do oczyszczania substancji w ilościach przemysłowych.

Wszechstronność chromatografii sprawia, że jest ona niezastąpiona w wielu dziedzinach zarówno nauki jak i przemysłu.

• Farmacja i medycyna: Kontrola jakości leków, oznaczanie stężenia leków i metabolitów w płynach ustrojowych (krew, mocz), diagnostyka chorób, analiza białek i kwasów nukleinowych. Ponadto chromatografia jest często wykorzystywana do oczyszczania substancji czynnych.
• Ochrona środowiska: Wykrywanie i oznaczanie pestycydów, herbicydów, metali ciężkich i innych zanieczyszczeń w wodzie, glebie i powietrzu.
• Przemysł spożywczy: Kontrola jakości żywności, wykrywanie zafałszowań, oznaczanie zawartości witamin, cukrów, konserwantów i dodatków do żywności. Podobnie jak w przypadku przemysłu farmaceutycznego, również tu wykorzystywana jest chromatografia przemysłowa.
• Kryminalistyka: Analiza materiału dowodowego, np. narkotyków, śladów prochu strzelniczego, toksyn czy substancji przyspieszających palenie. Coraz częściej stosuje się również chromatografię sprzężoną z innymi technikami, takimi jak spektrometria mas.
• Badania naukowe: Możliwości chromatografii są tak duże, że znajduje ona zastosowanie w wielu badaniach naukowych. Może ona być stosowana w badaniach chemicznych, biologicznych, medycznych. Dzięki jej sprzężeniu z innymi technikami, takimi jak spektrometria mas, MALS, jest bardzo potężnym narzędziem.

• Analit: Substancja lub składnik mieszaniny, który jest analizowany (rozdzielany i oznaczany).
• Chromatogram: Graficzny zapis wyniku analizy chromatograficznej, przedstawiający sygnał z detektora w funkcji czasu lub objętości fazy ruchomej.
• Czas retencji (Rt): Czas, jaki upływa od momentu wstrzyknięcia próbki do momentu pojawienia się maksimum piku danego składnika na chromatogramie. Jest to charakterystyczna cecha dla danego związku w określonych warunkach.
• Detektor: Urządzenie umieszczone za kolumną chromatograficzną, które mierzy stężenie analitów w eluacie i przekształca je na sygnał elektryczny.
• Elucja: Proces wymywania składników próbki z kolumny chromatograficznej przez przepływającą fazę ruchomą.
• Eluent: Faza ruchoma używana w procesie elucji.
• Pik: Charakterystyczne, najczęściej w kształcie krzywej Gaussa, maksimum na chromatogramie, odpowiadające jednemu, rozdzielonemu składnikowi.

Podsumowanie

Chromatografia to potężne narzędzie analityczne, które zrewolucjonizowało współczesną naukę. Jej zdolność do precyzyjnego rozdzielania nawet bardzo złożonych mieszanin sprawia, że pozostanie ona kluczową techniką w laboratoriach na całym świecie. Dzięki całemu wachlarzowi technik chromatograficznych, jest ona podstawowym narzędziem pracy naukowców na całym świecie.

---

Źródła

Publikacje naukowe i książki:

1. Skoog, D. A., Holler, F. J., & Crouch, S. R. (2017). Principles of Instrumental Analysis. Cengage Learning.
2. Meyer, V. R. (2010). Practical High-Performance Liquid Chromatography. John Wiley & Sons.
3. Cazes, J. (Ed.). (2009). Encyclopedia of Chromatography. CRC press.
4. Wilson, I. D., Adlard, E. R., Cooke, M., & Poole, C. F. (Eds.). (2000). Encyclopedia of separation science. Academic press.
5. Ettre, L. S. (2008). Chapters in the Evolution of Chromatography. Imperial College Press.

Strony internetowe:

1. https://www.khanacademy.org/science/class-11-chemistry-india/xfbb6cb8de202a969:in-in-organic-chemistry-some-basic-principles-and-techniques/xfbb6cb8de202a969:in-in-purification-of-organic-compounds/a/principles-of-chromatography
2. https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Analytical_Chemistry/Supplemental_Modules_(Analytical_Chemistry)/Instrumental_Analysis/Chromatography
3. https://goldbook.iupac.org/
4. https://www.waters.com/waters/en_US/HPLC—High-Performance-Liquid-Chromatography-Primer/nav.htm?locale=en_US&cid=10048919
5. https://www.agilent.com/en/product/gas-chromatography
6. https://www.sigmaaldrich.com/US/en/technical-documents/technical-articles/analytical-chemistry/chromatography

Ilustracje:

Photo by Julia Koblitz on Unsplash

Photo by National Cancer Institute on Unsplash

By Flo~commonswiki – Own work, CC BY-SA 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=436407