Il existe de nombreuses méthodes différentes pour analyser la composition et étudier les propriétés de divers composés et mélanges de substances. L'une de ces méthodes est la chromatographie. La paternité de l'invention et de l'application de la méthode appartient au botaniste russe M. S. Tsvet, qui au début du XXe siècle a procédé à la séparation des pigments végétaux.
Définition et fondamentaux de la méthode
La chromatographie est une méthode physico-chimique de séparation des mélanges et de détermination de leurs composants, basée sur la répartition entre les phases mobile et stationnaire des substances qui composent le mélange (échantillon). La phase stationnaire est une substance solide poreuse - un sorbant. Il peut également s'agir d'un film liquide déposé sur une surface solide. La phase mobile - l'éluant - doit se déplacer le long de la phase stationnaire ou la traverser, étant filtrée par le sorbant.
L'essence de la chromatographie est que les différents composants d'un mélange sont nécessairement caractérisés par des propriétés différentes, telles que le poids moléculaire, la solubilité, l'adsorbabilité, etc. Par conséquent, le taux d'interaction des composants de la phase mobile - sorbates - avec le stationnairece n'est pas la même chose. Ceci conduit à une différence des vitesses des molécules du mélange par rapport à la phase stationnaire, de sorte que les composants sont séparés et concentrés dans différentes zones du sorbant. Certains d'entre eux quittent le sorbant avec la phase mobile - ce sont les composants dits non retenus.
Un avantage particulier de la chromatographie est qu'elle vous permet de séparer rapidement des mélanges complexes de substances, y compris celles ayant des propriétés similaires.
Méthodes de classification des types de chromatographie
Les méthodes utilisées dans l'analyse peuvent être classées selon différents critères. L'ensemble principal de ces critères est le suivant:
- état global des phases stationnaires et mobiles;
- nature physique et chimique de l'interaction du sorbant et des sorbates;
- comment introduire l'éluant et le déplacer;
- méthode de placement de la phase stationnaire, c'est-à-dire la technique de chromatographie;
- cibles de chromatographie.
De plus, les méthodes peuvent être basées sur la nature différente du processus de sorption, sur les conditions techniques de la séparation chromatographique (par exemple, basse ou haute pression).
Regardons de plus près les principaux critères ci-dessus et les types de chromatographie les plus largement utilisés qui leur sont associés.
État d'agrégation de l'éluant et du sorbant
Sur cette base, la chromatographie est divisée en liquide et en gaz. Les noms de méthodes reflètent l'état de la phase mobile.
La chromatographie liquide est une technique utiliséedans les procédés de séparation de mélanges de composés macromoléculaires, y compris biologiquement importants. Selon l'état d'agrégation du sorbant, il est divisé en phase liquide-liquide et liquide-solide.
La chromatographie en phase gazeuse est des types suivants:
- L'adsorption de gaz (phase gaz-solide), qui utilise un sorbant solide, tel que le charbon, le gel de silice, les zéolithes ou les polymères poreux. Un gaz inerte (argon, hélium), de l'azote, du dioxyde de carbone agit comme un éluant - un support du mélange à séparer. La séparation des composants volatils du mélange est effectuée en raison du degré différent de leur adsorption.
- Gaz-liquide. La phase stationnaire consiste dans ce cas en un film liquide déposé sur une base inerte solide. Les composants de l'échantillon sont séparés en fonction de leur adsorbabilité ou de leur solubilité.
La chromatographie en phase gazeuse est largement utilisée pour l'analyse de mélanges de composés organiques (en utilisant leurs produits de décomposition ou leurs dérivés sous forme gazeuse).
Interaction entre le sorbant et les sorbates
Selon ce critère, ces types sont distingués comme:
- Chromatographie d'adsorption, par laquelle les mélanges sont séparés en raison de différences dans le degré d'adsorption de substances par un sorbant immobile.
- Répartition. Avec son aide, la séparation est effectuée sur la base de différentes solubilités des composants du mélange. La dissolution se produit soit dans les phases mobile et stationnaire (en chromatographie liquide), soit uniquement dans la phase stationnaire (en gaz-liquidechromatographie).
- Sédimentaire. Cette méthode de chromatographie est basée sur la solubilité différente des précipités formés des substances à séparer.
- Exclusion, ou chromatographie sur gel. Il est basé sur la différence de taille des molécules, en raison de laquelle leur capacité à pénétrer dans les pores du sorbant, la soi-disant matrice de gel, varie.
- Affine. Cette méthode spécifique, qui est basée sur un type spécial d'interaction biochimique d'impuretés séparées avec un ligand qui forme un composé complexe avec un support inerte dans la phase stationnaire. Cette méthode est efficace pour séparer les mélanges de protéines et d'enzymes et est courante en biochimie.
- Échange d'ions. En tant que facteur de séparation d'échantillon, cette méthode utilise la différence de capacité des composants du mélange à échanger des ions avec la phase stationnaire (échangeur d'ions). Au cours du processus, les ions de la phase stationnaire sont remplacés par des ions de substances entrant dans la composition de l'éluant, tandis qu'en raison de l'affinité différente de ce dernier pour l'échangeur d'ions, une différence apparaît dans la vitesse de leur mouvement, et donc la mélange est séparé. Pour la phase stationnaire, on utilise le plus souvent des résines échangeuses d'ions - des polymères synthétiques spéciaux.
La chromatographie par échange d'ions a deux options - anionique (retient les ions négatifs) et cationique (retient les ions positifs, respectivement). Cette méthode est extrêmement largement utilisée: dans la séparation des électrolytes, des terres rares et des éléments transuraniens, dans la purification de l'eau, dans l'analyse des médicaments.
La différence dans les méthodes de technique
Il y a deux façons principales dont l'échantillon se déplace par rapport à la phase stationnaire:
- La chromatographie sur colonne effectue le processus de séparation dans un dispositif spécial - une colonne chromatographique - un tube dans la cavité interne duquel est placé un sorbant immobile. Selon la méthode de remplissage, les colonnes sont divisées en deux types: garnies (appelées "garnies") et capillaires, dans lesquelles une couche d'un sorbant solide ou un film liquide de la phase stationnaire est appliquée à la surface de le mur intérieur. Les colonnes garnies peuvent avoir différentes formes: droites, en forme de U, en spirale. Les colonnes capillaires sont hélicoïdales.
- Chromatographie planaire (planaire). Dans ce cas, un papier spécial ou une plaque (métal, verre ou plastique) peut servir de support à la phase stationnaire, sur laquelle est déposée une fine couche de sorbant. Dans ce cas, la méthode de chromatographie est appelée respectivement chromatographie sur papier ou sur couche mince.
Contrairement à la méthode de la colonne, où les colonnes chromatographiques sont utilisées à plusieurs reprises, en chromatographie planaire, tout support avec une couche de sorbant ne peut être utilisé qu'une seule fois. Le processus de séparation se produit lorsqu'une plaque ou une feuille de papier est immergée dans un récipient contenant de l'éluant.
Introduction et transfert d'éluant
Ce facteur détermine la nature du mouvement des zones chromatographiques le long de la couche de sorbant, qui se forment lors de la séparation du mélange. Il existe les méthodes de livraison d'éluant suivantes:
- Avant. Cette méthode est la plus simpletechniques d'exécution. La phase mobile est directement l'échantillon lui-même, qui est alimenté en continu dans la colonne remplie de sorbant. Dans ce cas, le composant le moins retenu, moins adsorbé que les autres, se déplace le long du sorbant plus vite que les autres. De ce fait, seul ce premier composant peut être isolé sous forme pure, suivi de zones contenant des mélanges de composants. La distribution de l'échantillon ressemble à ceci: A; A+B; A+B+C et ainsi de suite. La chromatographie frontale n'est donc pas utile pour séparer des mélanges, mais elle est efficace dans divers procédés de purification, à condition que la substance à isoler ait une faible rétention.
- La méthode de déplacement diffère en ce qu'après avoir pénétré dans le mélange à séparer, un éluant avec un déplaceur spécial est introduit dans la colonne - une substance caractérisée par une plus grande sorbabilité que n'importe lequel des composants du mélange. Il déplace le composant le plus retenu, qui déplace le suivant, et ainsi de suite. L'échantillon se déplace le long de la colonne à la vitesse du déplaceur et forme des zones de concentration adjacentes. Avec ce type de chromatographie, chaque composant peut être obtenu individuellement sous forme liquide en sortie de colonne.
- La méthode de l'éluant (développement) est la plus courante. Contrairement à la méthode de déplacement, l'éluant (support) a dans ce cas une capacité de sorption inférieure à celle des composants de l'échantillon. Il est continuellement passé à travers la couche de sorbant, la lavant. Périodiquement, par portions (impulsions), le mélange à séparer est introduit dans le flux d'éluant, après quoi l'éluant pur est réintroduit. Lors du lavage (élution), les composants sont séparés,de plus, leurs zones de concentration sont séparées par des zones d'éluant.
La chromatographie d'éluant permet de séparer presque complètement le mélange de substances analysé, et le mélange peut être multicomposant. De plus, les avantages de cette méthode sont l'isolement des composants les uns des autres et la simplicité de l'analyse quantitative du mélange. Les inconvénients comprennent une forte consommation d'éluant et une faible concentration des composants de l'échantillon dans celui-ci après séparation en sortie de colonne. La méthode de l'éluant est largement utilisée en chromatographie gazeuse et liquide.
Procédés chromatographiques en fonction des objectifs
La différence des objectifs de chromatographie permet de distinguer les méthodes telles qu'analytique, préparative et industrielle.
Au moyen de la chromatographie analytique, une analyse qualitative et quantitative des mélanges est effectuée. Lors de l'analyse des composants de l'échantillon, lorsqu'ils quittent la colonne du chromatographe, ils se dirigent vers le détecteur - un appareil sensible aux changements de concentration d'une substance dans l'éluant. Le temps écoulé entre le moment où l'échantillon est introduit dans la colonne et le pic maximal de concentration de la substance sur le détecteur est appelé temps de rétention. A condition que la température de la colonne et le débit d'éluant soient constants, cette valeur est constante pour chaque substance et sert de base à une analyse qualitative du mélange. L'analyse quantitative est effectuée en mesurant la surface des pics individuels dans le chromatogramme. En règle générale, la méthode de l'éluant est utilisée en chromatographie analytique.
La chromatographie préparative vise à isoler des substances pures d'un mélange. Les colonnes préparatives ont une plus grandediamètre que analytique.
La chromatographie industrielle est utilisée, premièrement, pour obtenir de grandes quantités de substances pures nécessaires à une production particulière. Deuxièmement, il s'agit d'un élément important des systèmes modernes de contrôle et de régulation des processus technologiques.
Le chromatographe industriel a une échelle de concentration de l'un ou l'autre composant et est équipé d'un capteur, ainsi que de systèmes de contrôle et d'enregistrement. Les échantillons sont livrés à ces chromatographes automatiquement avec une certaine fréquence.
Équipement de chromatographie multifonction
Les chromatographes modernes sont des appareils de haute technologie complexes pouvant être utilisés dans une variété de domaines et à des fins diverses. Ces appareils permettent d'analyser des mélanges multi-composants complexes. Ils sont équipés d'une large gamme de détecteurs: conductimétrie thermique, optique, ionisation, spectrométrie de masse, etc.
De plus, la chromatographie moderne utilise des systèmes de contrôle automatique pour l'analyse et le traitement des chromatogrammes. Le contrôle peut être effectué depuis un ordinateur ou directement depuis l'appareil.
Un exemple d'un tel appareil est le chromatographe en phase gazeuse multifonctionnel "Crystal 5000". Il dispose d'un ensemble de quatre détecteurs remplaçables, d'un thermostat de colonne, de systèmes électroniques de contrôle de la pression et du débit et de commandes de vannes de gaz. Pour résoudre divers problèmes, l'appareil ala possibilité d'installer à la fois des colonnes garnies et des colonnes capillaires.
Le chromatographe est contrôlé à l'aide d'un clavier complet et d'un écran de contrôle ou (dans une autre modification) à partir d'un ordinateur personnel. Cet appareil de nouvelle génération peut être efficacement utilisé en production et dans divers laboratoires de recherche: médical, médico-légal, environnemental.
Chromatographie haute pression
La réalisation de la chromatographie liquide sur colonne se caractérise par une durée assez longue du processus. Pour accélérer le mouvement de l'éluant liquide, on utilise l'alimentation en phase mobile de la colonne sous pression. Cette méthode moderne et très prometteuse s'appelle la méthode de chromatographie liquide à haute performance (HPLC).
Le système de pompage du chromatographe en phase liquide HPLC délivre l'éluant à un débit constant. La pression d'entrée développée peut atteindre 40 MPa. Le contrôle informatique permet de modifier la composition de la phase mobile selon un programme donné (cette méthode d'élution est appelée gradient).
HPLC peut être utilisée différentes méthodes basées sur la nature de l'interaction du sorbant et du sorbate: distribution, adsorption, exclusion de taille, chromatographie échangeuse d'ions. Le type le plus courant de CLHP est la méthode en phase inversée, basée sur l'interaction hydrophobe d'une phase mobile polaire (aqueuse) et d'un sorbant non polaire, tel que le gel de silice.
La méthode est largement utilisée pour la séparation, l'analyse,contrôle de la qualité des substances non volatiles, thermiquement instables qui ne peuvent pas être converties à l'état gazeux. Il s'agit de produits agrochimiques, de médicaments, de composants alimentaires et d'autres substances complexes.
L'importance des études de chromatographie
Différents types de chromatographie sont largement utilisés dans divers domaines:
- chimie inorganique;
- pétrochimie et exploitation minière;
- biochimie;
- médicaments et produits pharmaceutiques;
- industrie alimentaire;
- écologie;
- criminologie.
Cette liste est incomplète, mais reflète la couverture des industries qui ne peuvent pas se passer des méthodes chromatographiques d'analyse, de séparation et de purification des substances. Dans tous les domaines d'application de la chromatographie, des laboratoires scientifiques à la production industrielle, le rôle de ces méthodes est d'autant plus croissant que les technologies modernes de traitement de l'information, de gestion et de contrôle des processus complexes sont introduites.
