มีหลายวิธีในการวิเคราะห์องค์ประกอบและศึกษาคุณสมบัติของสารประกอบและสารผสมต่างๆ วิธีหนึ่งคือโครมาโตกราฟี ผลงานในการประดิษฐ์และการประยุกต์ใช้วิธีการนี้เป็นของนักพฤกษศาสตร์ชาวรัสเซีย M. S. Tsvet ซึ่งในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 ได้ทำการแยกเม็ดสีพืช
คำจำกัดความและพื้นฐานของวิธีการ
โครมาโตกราฟีเป็นวิธีการทางเคมีกายภาพสำหรับการแยกสารผสมและการกำหนดส่วนประกอบ โดยพิจารณาจากการกระจายระหว่างเฟสเคลื่อนที่และระยะนิ่งของสารที่ประกอบเป็นส่วนผสม (ตัวอย่าง) เฟสอยู่กับที่เป็นสารของแข็งที่มีรูพรุน - ตัวดูดซับ นอกจากนี้ยังสามารถเป็นฟิล์มเหลวที่วางอยู่บนพื้นผิวที่เป็นของแข็ง เฟสเคลื่อนที่ - สารชะ - ต้องเคลื่อนที่ไปตามเฟสนิ่งหรือไหลผ่าน โดยถูกกรองโดยตัวดูดซับ
สาระสำคัญของโครมาโตกราฟีคือส่วนประกอบต่างๆ ของสารผสมจำเป็นต้องมีลักษณะเฉพาะด้วยคุณสมบัติที่แตกต่างกัน เช่น น้ำหนักโมเลกุล ความสามารถในการละลาย ความสามารถในการดูดซับ และอื่นๆ ดังนั้นอัตราการโต้ตอบของส่วนประกอบของเฟสเคลื่อนที่ - ซอร์เบต - กับเครื่องเขียนไม่เหมือนกัน. สิ่งนี้นำไปสู่ความแตกต่างในความเร็วของโมเลกุลของของผสมที่สัมพันธ์กับเฟสที่อยู่กับที่ อันเป็นผลมาจากการแยกส่วนประกอบและความเข้มข้นในโซนต่างๆ ของตัวดูดซับ บางตัวปล่อยตัวดูดซับไว้พร้อมกับเฟสเคลื่อนที่ - สิ่งเหล่านี้เรียกว่าส่วนประกอบที่ไม่เก็บกัก
ข้อได้เปรียบพิเศษของโครมาโตกราฟีคือช่วยให้คุณสามารถแยกสารผสมที่ซับซ้อนได้อย่างรวดเร็ว รวมถึงสารที่มีคุณสมบัติคล้ายกัน
วิธีการจำแนกประเภทของโครมาโตกราฟี
วิธีที่ใช้ในการวิเคราะห์สามารถจำแนกได้ตามเกณฑ์ต่างๆ ชุดหลักของเกณฑ์ดังกล่าวมีดังนี้:
- สถานะรวมของเฟสคงที่และเฟสเคลื่อนที่
- ลักษณะทางกายภาพและเคมีของปฏิสัมพันธ์ของตัวดูดซับและซอร์เบต
- วิธีแนะนำตัวชะและเคลื่อนย้าย
- วิธีการจัดวางเฟสอยู่กับที่ เช่น เทคนิคโครมาโตกราฟี
- เป้าหมายโครมาโตกราฟี
นอกจากนี้ วิธีการอาจขึ้นอยู่กับลักษณะที่แตกต่างกันของกระบวนการดูดซับ ตามเงื่อนไขทางเทคนิคของการแยกด้วยโครมาโตกราฟี (เช่น แรงดันต่ำหรือสูง)
เรามาดูเกณฑ์หลักข้างต้นและประเภทของโครมาโตกราฟีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดที่เกี่ยวข้องกัน
สถานะตัวชะและตัวดูดซับของการรวมตัว
บนพื้นฐานนี้ โครมาโตกราฟีแบ่งออกเป็นของเหลวและก๊าซ ชื่อเมธอดแสดงถึงสถานะของเฟสมือถือ
โครมาโตกราฟีของเหลวเป็นเทคนิคที่ใช้ในกระบวนการแยกของผสมของสารประกอบโมเลกุลใหญ่รวมถึงสารที่มีความสำคัญทางชีววิทยา ขึ้นอยู่กับสถานะของการรวมตัวของตัวดูดซับ มันถูกแบ่งออกเป็นเฟสของเหลว-ของเหลวและของเหลว-ของแข็ง
แก๊สโครมาโตกราฟีมีประเภทดังต่อไปนี้:
- การดูดซับแก๊ส (เฟสของแข็งที่เป็นแก๊ส) ซึ่งใช้ตัวดูดซับที่เป็นของแข็ง เช่น ถ่านหิน ซิลิกาเจล ซีโอไลต์ หรือโพลีเมอร์ที่มีรูพรุน ก๊าซเฉื่อย (อาร์กอน ฮีเลียม) ไนโตรเจน คาร์บอนไดออกไซด์ทำหน้าที่เป็นตัวชะ - ตัวพาของส่วนผสมที่จะแยกออก การแยกส่วนประกอบที่ระเหยง่ายของของผสมนั้นเกิดจากระดับการดูดซับที่ต่างกัน
- แก๊ส-ของเหลว. เฟสคงที่ในกรณีนี้ประกอบด้วยฟิล์มเหลวที่วางอยู่บนฐานเฉื่อยที่เป็นของแข็ง ส่วนประกอบตัวอย่างจะถูกแยกตามความสามารถในการดูดซับหรือความสามารถในการละลาย
แก๊สโครมาโตกราฟีใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการวิเคราะห์ของผสมของสารประกอบอินทรีย์ (โดยใช้ผลิตภัณฑ์ที่สลายตัวหรืออนุพันธ์ในรูปก๊าซ)
ปฏิกิริยาระหว่างตัวดูดซับและตัวดูดซับ
ตามเกณฑ์นี้ ประเภทดังกล่าวจะแยกความแตกต่างเป็น:
- Adsorption chromatography ซึ่งสารผสมจะถูกแยกออกจากกันเนื่องจากความแตกต่างในระดับการดูดซับของสารโดยตัวดูดซับที่ไม่สามารถเคลื่อนที่ได้
- จำหน่าย. ด้วยความช่วยเหลือของมัน การแยกจะดำเนินการบนพื้นฐานของความสามารถในการละลายที่แตกต่างกันของส่วนประกอบของส่วนผสม การละลายเกิดขึ้นในเฟสเคลื่อนที่และอยู่กับที่ (ในโครมาโตกราฟีของเหลว) หรือเฉพาะในเฟสที่อยู่กับที่ (ในแก๊ส-ของเหลวโครมาโตกราฟี).
- ตะกอน. วิธีการโครมาโตกราฟีนี้ขึ้นอยู่กับความสามารถในการละลายที่แตกต่างกันของตะกอนที่เกิดขึ้นของสารที่จะแยกออก
- Exclusion หรือ เจลโครมาโตกราฟี มันขึ้นอยู่กับความแตกต่างของขนาดโมเลกุลเนื่องจากความสามารถในการเจาะเข้าไปในรูขุมขนของตัวดูดซับที่เรียกว่าเมทริกซ์เจลจึงแตกต่างกันไป
- ผูกพัน. วิธีการเฉพาะนี้ ซึ่งอิงจากปฏิกิริยาทางชีวเคมีชนิดพิเศษของสิ่งเจือปนที่แยกจากกันกับลิแกนด์ที่สร้างสารประกอบเชิงซ้อนกับตัวพาเฉื่อยในเฟสที่อยู่กับที่ วิธีนี้มีประสิทธิภาพในการแยกส่วนผสมของโปรตีน-เอนไซม์ และพบได้บ่อยในชีวเคมี
- แลกเปลี่ยนไอออน. ในฐานะที่เป็นปัจจัยการแยกตัวอย่าง วิธีนี้ใช้ความแตกต่างในความสามารถของส่วนประกอบของของผสมในการแลกเปลี่ยนไอออนกับเฟสที่อยู่นิ่ง (ตัวแลกเปลี่ยนไอออน) ในระหว่างกระบวนการ ไอออนของเฟสที่อยู่กับที่จะถูกแทนที่ด้วยไอออนของสารในองค์ประกอบของสารชะ ในขณะที่เนื่องจากความสัมพันธ์ที่ต่างกันของตัวหลังกับตัวแลกเปลี่ยนไอออน ความแตกต่างจึงเกิดขึ้นที่ความเร็วของการเคลื่อนที่ ดังนั้น ส่วนผสมจะถูกแยกออกจากกัน สำหรับเฟสที่อยู่นิ่ง มักใช้เรซินแลกเปลี่ยนไอออน - โพลีเมอร์สังเคราะห์พิเศษ
โครมาโตกราฟีแบบแลกเปลี่ยนไอออนมีสองทางเลือก - ประจุลบ (เก็บประจุลบ) และประจุบวก (เก็บประจุบวกตามลำดับ) วิธีนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายมาก: ในการแยกอิเล็กโทรไลต์ ธาตุแรร์เอิร์ธ และทรานส์ยูเรเนียม ในการทำน้ำให้บริสุทธิ์ ในการวิเคราะห์ยา
ความแตกต่างของเทคนิค
มีสองวิธีหลักที่ตัวอย่างเคลื่อนที่สัมพันธ์กับเฟสนิ่ง:
- โครมาโตกราฟีแบบคอลัมน์ดำเนินการกระบวนการแยกในอุปกรณ์พิเศษ - คอลัมน์โครมาโตกราฟี - หลอดในช่องด้านในซึ่งมีตัวดูดซับแบบเคลื่อนที่ไม่ได้ ตามวิธีการบรรจุ คอลัมน์จะแบ่งออกเป็นสองประเภท: บรรจุ (ที่เรียกว่า "บรรจุ") และเส้นเลือดฝอยซึ่งในชั้นของตัวดูดซับที่เป็นของแข็งหรือฟิล์มของเหลวของเฟสนิ่งถูกนำไปใช้กับพื้นผิวของ ผนังด้านใน คอลัมน์ที่บรรจุสามารถมีรูปร่างที่แตกต่างกัน: ตรง, รูปตัวยู, เกลียว คอลัมน์ของเส้นเลือดฝอยเป็นเกลียว
- โครมาโตกราฟีแบบระนาบ (ระนาบ) ในกรณีนี้ กระดาษพิเศษหรือแผ่น (โลหะ แก้ว หรือพลาสติก) สามารถใช้เป็นพาหะสำหรับเฟสอยู่กับที่ ซึ่งจะมีชั้นบาง ๆ ของตัวดูดซับติดอยู่ ในกรณีนี้ วิธีโครมาโตกราฟีจะเรียกว่ากระดาษหรือโครมาโตกราฟีแบบชั้นบางตามลำดับ
ต่างจากวิธีคอลัมน์ที่ใช้คอลัมน์โครมาโตกราฟีซ้ำๆ ในโครมาโตกราฟีแบบระนาบ ตัวพาใดๆ ที่มีชั้นดูดซับสามารถใช้ได้เพียงครั้งเดียว กระบวนการแยกเกิดขึ้นเมื่อแผ่นหรือแผ่นกระดาษแช่อยู่ในภาชนะที่มีสารชะ
บทนำและการโอนตัวชะ
ปัจจัยนี้กำหนดลักษณะของการเคลื่อนที่ของโซนโครมาโตกราฟีตามชั้นตัวดูดซับ ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการแยกสารผสม มีวิธีการจัดส่งตัวชะดังต่อไปนี้:
- ด้านหน้า. วิธีนี้เป็นวิธีที่ง่ายที่สุดเทคนิคการดำเนินการ เฟสเคลื่อนที่คือตัวอย่างโดยตรง ซึ่งป้อนอย่างต่อเนื่องในคอลัมน์ที่เต็มไปด้วยตัวดูดซับ ในกรณีนี้ ส่วนประกอบที่ถูกกักไว้น้อยที่สุดซึ่งดูดซับได้แย่กว่าส่วนประกอบอื่นๆ จะเคลื่อนที่ไปตามตัวดูดซับได้เร็วกว่าส่วนประกอบอื่นๆ เป็นผลให้มีเพียงองค์ประกอบแรกนี้เท่านั้นที่สามารถแยกออกในรูปแบบบริสุทธิ์ ตามด้วยโซนที่มีส่วนผสมของส่วนประกอบ การกระจายตัวอย่างมีลักษณะดังนี้: A; เอ+บี; A+B+C เป็นต้น โครมาโตกราฟีส่วนหน้าจึงไม่มีประโยชน์สำหรับการแยกสารผสม แต่มีประสิทธิภาพในกระบวนการทำให้บริสุทธิ์ต่างๆ โดยมีเงื่อนไขว่าสารที่จะแยกออกมีความคงตัวต่ำ
- วิธีการกระจัดจะแตกต่างตรงที่หลังจากใส่ส่วนผสมที่จะแยกออกแล้ว สารชะที่มีตัวกระจัดกระจายแบบพิเศษจะถูกป้อนเข้าไปในคอลัมน์ ซึ่งเป็นสารที่มีลักษณะพิเศษในการดูดซับได้ดีกว่าส่วนประกอบใดๆ ของส่วนผสม โดยจะแทนที่ส่วนประกอบที่เก็บไว้มากที่สุด ซึ่งจะแทนที่ส่วนประกอบถัดไป และอื่นๆ ตัวอย่างจะเคลื่อนที่ไปตามคอลัมน์ด้วยความเร็วของ displacer และสร้างโซนความเข้มข้นที่อยู่ติดกัน ด้วยโครมาโตกราฟีประเภทนี้ ส่วนประกอบแต่ละอย่างสามารถรับได้ในรูปของเหลวที่ทางออกของคอลัมน์
- วิธีชะล้าง (กำลังพัฒนา) เป็นวิธีที่พบได้บ่อยที่สุด ตรงกันข้ามกับวิธีการแทนที่ สารชะ (ตัวพา) ในกรณีนี้มีความสามารถในการดูดซับที่ต่ำกว่าส่วนประกอบในตัวอย่าง ผ่านการซักอย่างต่อเนื่องผ่านชั้นดูดซับ เป็นระยะ ๆ ในสัดส่วน (พัลส์) ส่วนผสมที่จะแยกออกจะถูกนำเข้าสู่การไหลของสารชะ หลังจากนั้นจึงป้อนสารชะบริสุทธิ์อีกครั้ง เมื่อชะล้าง (ชะล้าง) ส่วนประกอบจะถูกแยกออกยิ่งกว่านั้น โซนความเข้มข้นของพวกมันจะถูกคั่นด้วยโซนชะล้าง
Eluent chromatography ทำให้สามารถแยกส่วนผสมที่วิเคราะห์ของสารออกเกือบหมด และของผสมสามารถเป็นแบบหลายองค์ประกอบได้ นอกจากนี้ ข้อดีของวิธีนี้คือการแยกส่วนประกอบออกจากกันและความเรียบง่ายของการวิเคราะห์เชิงปริมาณของส่วนผสม ข้อเสีย ได้แก่ การใช้สารชะจำนวนมากและส่วนประกอบตัวอย่างที่มีความเข้มข้นต่ำหลังจากแยกที่ทางออกของคอลัมน์ วิธีการชะล้างมีการใช้กันอย่างแพร่หลายทั้งในแก๊สและโครมาโตกราฟีของเหลว
โครมาโตกราฟีขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์
ความแตกต่างในเป้าหมายโครมาโตกราฟีทำให้สามารถแยกแยะวิธีการต่างๆ เช่น การวิเคราะห์ การเตรียมการ และอุตสาหกรรมได้
โดยวิธีโครมาโตกราฟีเชิงวิเคราะห์ จะทำการวิเคราะห์เชิงคุณภาพและเชิงปริมาณของสารผสม เมื่อวิเคราะห์ส่วนประกอบตัวอย่าง เมื่อออกจากคอลัมน์โครมาโตกราฟี พวกมันไปที่เครื่องตรวจจับ ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารในตัวชะ เวลาที่ผ่านไปจากช่วงเวลาที่นำตัวอย่างเข้าไปในคอลัมน์จนกระทั่งความเข้มข้นสูงสุดของสารบนเครื่องตรวจจับเรียกว่าเวลาการกักเก็บ โดยมีเงื่อนไขว่าอุณหภูมิของคอลัมน์และอัตราการชะเป็นค่าคงที่ ค่านี้จะคงที่สำหรับสารแต่ละชนิดและทำหน้าที่เป็นพื้นฐานสำหรับการวิเคราะห์เชิงคุณภาพของส่วนผสม การวิเคราะห์เชิงปริมาณดำเนินการโดยการวัดพื้นที่ของยอดแต่ละยอดในโครมาโตแกรม ตามกฎแล้ว วิธีการชะล้างจะใช้ในโครมาโตกราฟีเชิงวิเคราะห์
โครมาโตกราฟีแบบเตรียมการมีวัตถุประสงค์เพื่อแยกสารบริสุทธิ์ออกจากของผสม คอลัมน์เตรียมการมีขนาดใหญ่กว่ามากเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่าการวิเคราะห์
โครมาโตกราฟีอุตสาหกรรมถูกใช้ในขั้นแรกเพื่อให้ได้สารบริสุทธิ์จำนวนมากที่จำเป็นในการผลิตเฉพาะ ประการที่สอง เป็นส่วนสำคัญของระบบควบคุมและระเบียบที่ทันสมัยสำหรับกระบวนการทางเทคโนโลยี
โครมาโตกราฟีสำหรับอุตสาหกรรมมีระดับความเข้มข้นของส่วนประกอบอย่างใดอย่างหนึ่งและมีการติดตั้งเซ็นเซอร์ ตลอดจนระบบควบคุมและการลงทะเบียน ตัวอย่างจะถูกส่งไปยังโครมาโตกราฟีดังกล่าวโดยอัตโนมัติด้วยความถี่ที่แน่นอน
อุปกรณ์โครมาโตกราฟีมัลติฟังก์ชั่น
โครมาโตกราฟีสมัยใหม่เป็นอุปกรณ์ไฮเทคที่ซับซ้อน ซึ่งสามารถใช้งานได้หลากหลายด้านและเพื่อวัตถุประสงค์ต่างๆ อุปกรณ์เหล่านี้ทำให้สามารถวิเคราะห์สารผสมที่มีหลายองค์ประกอบที่ซับซ้อนได้ มีเครื่องตรวจจับหลากหลายประเภท: การนำความร้อน ออปติคัล อิออไนเซชัน แมสสเปกโตรเมทริกซ์ และอื่นๆ
นอกจากนี้ โครมาโตกราฟีสมัยใหม่ยังใช้ระบบควบคุมอัตโนมัติสำหรับการวิเคราะห์และประมวลผลโครมาโตแกรม สามารถควบคุมได้จากคอมพิวเตอร์หรือจากอุปกรณ์โดยตรง
ตัวอย่างอุปกรณ์ดังกล่าวคือแก๊สโครมาโตกราฟีแบบมัลติฟังก์ชั่น "Crystal 5000" มีชุดเครื่องตรวจจับที่เปลี่ยนได้สี่ชุด เทอร์โมสตัสแบบคอลัมน์ ระบบควบคุมแรงดันและการไหลแบบอิเล็กทรอนิกส์ และตัวควบคุมวาล์วแก๊ส เพื่อแก้ปัญหาต่างๆ ตัวเครื่องมีความสามารถในการติดตั้งทั้งคอลัมน์แบบแพ็กและแบบคาปิลลารี
โครมาโตกราฟีถูกควบคุมโดยใช้คีย์บอร์ดและหน้าจอควบคุมที่มีคุณสมบัติครบถ้วน หรือ (ในการดัดแปลงอื่น) จากคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล อุปกรณ์รุ่นใหม่นี้สามารถใช้อย่างมีประสิทธิภาพในการผลิตและในห้องปฏิบัติการวิจัยต่างๆ: ทางการแพทย์ นิติเวช สิ่งแวดล้อม
โครมาโตกราฟีความดันสูง
การทำโครมาโตกราฟีแบบคอลัมน์ของเหลวนั้นมีลักษณะเฉพาะด้วยกระบวนการที่ค่อนข้างยาว เพื่อเร่งการเคลื่อนที่ของตัวชะของเหลว ใช้การจ่ายเฟสเคลื่อนที่ไปยังคอลัมน์ภายใต้แรงดัน วิธีการที่ทันสมัยและมีแนวโน้มสูงนี้เรียกว่าวิธีโครมาโตกราฟีของเหลวประสิทธิภาพสูง (HPLC)
ระบบสูบน้ำของโครมาโตกราฟีของเหลว HPLC ให้สารชะในอัตราคงที่ แรงดันขาเข้าที่พัฒนาแล้วสามารถเข้าถึง 40 MPa การควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ทำให้สามารถเปลี่ยนองค์ประกอบของเฟสเคลื่อนที่ได้ตามโปรแกรมที่กำหนด (วิธีการชะนี้เรียกว่าการไล่ระดับสี)
HPLC สามารถใช้วิธีการต่างๆ ได้หลากหลายตามลักษณะอันตรกิริยาของตัวดูดซับและซอร์เบต: การกระจาย การดูดซับ การยกเว้นขนาด โครมาโตกราฟีการแลกเปลี่ยนไอออน HPLC ชนิดที่พบบ่อยที่สุดคือวิธีรีเวิร์สเฟส โดยอิงจากปฏิกิริยาแบบไม่ชอบน้ำของเฟสเคลื่อนที่แบบมีขั้ว (น้ำ) และตัวดูดซับที่ไม่มีขั้ว เช่น ซิลิกาเจล
วิธีนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการแยกวิเคราะห์การควบคุมคุณภาพของสารที่ไม่ระเหยและไม่เสถียรทางความร้อนที่ไม่สามารถเปลี่ยนเป็นสถานะก๊าซได้ ได้แก่เคมีเกษตร ยา ส่วนประกอบอาหารและสารที่ซับซ้อนอื่นๆ
ความสำคัญของการศึกษาโครมาโตกราฟี
โครมาโตกราฟีประเภทต่างๆ ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านต่างๆ:
- เคมีอนินทรีย์;
- ปิโตรเคมีและเหมืองแร่
- ชีวเคมี;
- ยาและเวชภัณฑ์;
- อุตสาหกรรมอาหาร;
- นิเวศวิทยา;
- อาชญวิทยา
รายการนี้ยังไม่สมบูรณ์ แต่สะท้อนถึงความครอบคลุมของอุตสาหกรรมที่ไม่สามารถทำได้โดยปราศจากวิธีโครมาโตกราฟีในการวิเคราะห์ การแยก และการทำให้สารบริสุทธิ์ ในทุกด้านของการประยุกต์ใช้โครมาโตกราฟี ตั้งแต่ห้องปฏิบัติการทางวิทยาศาสตร์ไปจนถึงการผลิตเชิงอุตสาหกรรม บทบาทของวิธีการเหล่านี้เพิ่มมากขึ้นเนื่องจากมีการแนะนำเทคโนโลยีที่ทันสมัยสำหรับการประมวลผลข้อมูล การจัดการ และการควบคุมกระบวนการที่ซับซ้อน