12.1: Огляд аналітичних поділів

У главі 7 ми розглянули кілька методів відокремлення аналіту від потенційних перешкод. Наприклад, при екстракції рідина-рідина аналіт і інтерферент спочатку присутні в одній рідкій фазі. Додаємо другу, незмішувану рідку фазу і ретельно перемішуємо їх струшуванням. Під час цього процесу аналіт і перешкоджає поділу між двома фазами в різній мірі, здійснюючи їх поділ. Дозволивши фазам відокремлюватися, відтягуємо фазу, збагачену аналітом. Незважаючи на потужність рідинно-рідких екстракцій, існують значні обмеження.

Два обмеження рідко-рідких екстракцій

Припустимо, у нас є зразок, який містить аналіт в матриці, несумісній з нашим аналітичним методом. Для визначення концентрації аналіту спочатку відокремлюємо його від матриці за допомогою простого екстракції рідина-рідина. Якщо у нас є кілька аналітів, нам може знадобитися виконати окреме видобуток для кожного аналіту. Для складної суміші аналітів це швидко стає виснажливим процесом. Це одне обмеження для видобутку рідини - рідини.

Більш істотним обмеженням є те, що ступінь поділу залежить від коефіцієнта поширення кожного виду у зразку. Якщо коефіцієнт поширення аналітів схожий на коефіцієнт поширення іншого виду, то їх поділ стає неможливим. Наприклад, припустимо, що аналіт, А і інтерферент, I, мають коефіцієнти розподілу відповідно 5 і 0,5. Якщо ми використовуємо рідку екстракцію рідини з рівними обсягами зразка та екстрагенту, то легко показати, що за один екстракція видаляє приблизно 83% аналіту та 33% інтерференту. Хоча ми можемо видалити 99% аналіту за допомогою трьох екстракцій, ми також видаляємо 70% інтерференту. Насправді не існує практичного поєднання кількості екстракцій або обсягів зразка та екстрагенту, які виробляють прийнятне поділ.

З глави 7 ми знаємо, що коефіцієнт розподілу, D, для розчиненої речовини, S, є

\[D=\frac{[S]_{\mathrm{ext}}}{[S]_{\mathrm{samp}}} \nonumber\]

де [S] _ext - його рівноважна концентрація у фазі екстракції, а [S] _samp - його рівноважна концентрація в зразку. Ми можемо використовувати коефіцієнт розподілу для обчислення частки S, яка залишається у зразку, q _samp, після вилучення

\[q_{\text {samp}}=\frac{V_{\text {samp }}}{D V_{\text {ext }}+V_{\text {samp }}} \nonumber\]

де V _samp - обсяг зразка, а V _ext - обсяг фази екстракції. Наприклад, якщо D = 10, V _samp = 20, а V _ext = 5, частка S, що залишилася в зразку після екстракції, дорівнює

\[q_{\text { sanp }}=\frac{20}{10 \times 5+20}=0.29 \nonumber\]

або 29%. Решта 71% аналіту перебувають у фазі екстракції.

Кращий спосіб розділення сумішей

Проблема з екстракцією рідина-рідина полягає в тому, що поділ відбувається лише в одному напрямку: від зразка до фази екстракції. Розглянемо детальніше екстракцію рідина-рідина аналіту та інтерферент із співвідношеннями розподілу відповідно 5 та 0,5. Рисунок Template:index показує, що одиночне вилучення з використанням рівних обсягів зразка та екстрагенту переносить 83% аналіту та 33% інтерферентної фази екстракції. Якщо початкові концентрації А і I ідентичні, то їх коефіцієнт концентрації у фазі екстракції після однієї екстракції дорівнює

\[\frac{[A]}{[I]}=\frac{0.83}{0.33}=2.5 \nonumber\]

Таким чином, одноразове видобуток збагачує аналіт на коефіцієнт\(2.5 \times\). Після завершення другого вилучення (рис. Template:index) та об'єднання двох фаз екстракції поділ аналіту та інтерферентного, на диво, менш ефективний.

\[\frac{[A]}{[I]}=\frac{0.97}{0.55}=1.8 \nonumber\]

Рисунок Template:index дає зрозуміти, чому друге видобуток призводить до біднішого загального поділу: друге видобуток насправді сприяє втручанню!

Рисунок Template:index. Прогрес традиційної екстракції рідини - рідини з використанням двох однакових екстракцій одного зразка з використанням свіжих порцій екстрагенту. Числа дають частку аналіту та інтерфренту в кожній фазі, припускаючи рівні обсяги зразка та екстрагенту та співвідношення розподілу 5 та 0,5 для аналіту та інтерфренту відповідно. Непрозорість кольорів дорівнює частці аналіту та інтерференту присутніх.

Ми можемо покращити поділ, спочатку витягнувши розчинені речовини зі зразка у фазу екстракції, а потім витягнувши їх назад у свіжу порцію розчинника, яка відповідає матриці зразка (Рисунок Template:index). Оскільки аналіт має більший коефіцієнт розподілу, більша його частина переміщається в екстрагент під час першого вилучення, а менша його частина повертається до фази зразка під час другого екстракції. При цьому коефіцієнт концентрації у фазі екстракції після двох екстракцій значно більше.

\[\frac{[A]}{[I]}=\frac{0.69}{0.11}=6.3 \nonumber\]

Рисунок Template:index. Прогрес екстракції рідини - рідини, в якому ми спочатку витягуємо розчинені речовини у фазу екстракції, а потім витягуємо їх назад у вільну від аналітів частину фази зразка. Числа дають частку аналіту та інтерфренту в кожній фазі, припускаючи рівні обсяги зразка та екстрагенту та співвідношення розподілу 5 та 0,5 для аналіту та інтерфренту відповідно. Непрозорість кольорів дорівнює частці аналіту та інтерференту присутніх.

На малюнку 12.2 не показано, що ми можемо додати свіжу частину фази екстракції до зразка, який залишається після першого вилучення (нижній ряд першого етапу на рис. 12.2, починаючи процес заново. Коли ми збільшуємо кількість вилучень, аналіт і інтерферент кожен розподіляються в просторі на ряд етапів. Оскільки коефіцієнт розподілу інтерферента менший, ніж аналітик, інтерферент відстає від аналіту. При достатній кількості екстракцій - тобто достатній кількості стадій - можливе повне розділення аналіту та інтерференту. Цей процес вилучення розчинених речовин назад і вперед між свіжими порціями двох фаз, які ми називаємо протиточним видобутком, був розроблений Крейгом у 1940-х роках [Craig, L. C. J. Biol. Хім. 1944, 155, 519—534]. Це ж явище лежить в основі сучасної хроматографії.

Дивіться Додаток 16 для більш детального розгляду математики, що стоїть за вилученням протитечії.

Хроматографічні поділи

У хроматографії ми пропускаємо фазу без зразків, яку ми називаємо рухомою фазою, над другою стаціонарною фазою без зразків, яка залишається фіксованою в просторі (Рисунок Template:index). Впорскуємо або поміщаємо зразок в рухливу фазу. У міру переміщення зразка разом з рухомою фазою його складові розділяють між рухомою фазою і стаціонарною фазою. Компонент, коефіцієнт розподілу якого сприяє стаціонарній фазі, вимагає більше часу для проходження через систему. Враховуючи достатній час та достатню стаціонарну та рухливу фазу, ми можемо розділяти розчинені речовини, навіть якщо вони мають подібні коефіцієнти розподілу.

Рисунок Template:index. У хроматографії ми пропускаємо рухливу фазу над стаціонарною фазою. Коли ми вводимо зразок в рухливу фазу, компоненти зразка рухаються разом з рухомою фазою і поділяються в стаціонарну фазу. Розчинена речовина, яка проводить найбільше часу в стаціонарній фазі, займає найдовший час для переміщення по системі.

Існує багато способів, за допомогою яких ми можемо ідентифікувати хроматографічне поділ: описуючи фізичний стан рухомої фази та стаціонарної фази; описуючи, як ми приводимо стаціонарну фазу та рухливу фазу в контакт один з одним; або описуючи хімічні або фізичні взаємодії між розчиненою речовиною і стаціонарною фазою. Давайте коротко розглянемо, як ми могли б використовувати кожну з цих класифікацій.

Ми можемо простежити історію хроматографії до початку століть, коли російський ботанік Михайло Цветт використовував колонку, упаковану карбонатом кальцію і рухомою фазою петролейного ефіру, для відділення кольорових пігментів від рослинних екстрактів. Коли зразок переміщався через колону, пігменти рослини розділялися на окремі кольорові смуги. Після здійснення поділу карбонат кальцію видаляли з колони, секціонували, а пігменти відновлювали. Цветт назвав техніку хроматографії, поєднуючи грецькі слова для «колір» і «писати». Було мало інтересу до техніки Цветта, поки Мартін і Synge піонерська розробка теорії хроматографії (див. Мартін, A.J. P.; Synge, RL M. «Нова форма хроматограми з використанням двох рідких фаз,» Biochem. Ю. 1941, 35, 1358—1366). Мартін і Синге були удостоєні Нобелівської премії з хімії 1952 року за цю роботу.

Типи рухомих фаз і стаціонарних фаз

Рухлива фаза - рідина або газ, а стаціонарна - тверда або рідка плівка, нанесена на тверду підкладку. Ми часто називаємо хроматографічні методи, перераховуючи тип рухомої фази, а потім тип стаціонарної фази. Наприклад, у газо-рідинної хроматографії рухома фаза - це газ, а стаціонарна фаза - рідка плівка, покрита твердою підкладкою. Якщо назва техніки включає лише одну фазу, як у газовій хроматографії, це рухлива фаза.

Контакт між рухомою фазою та стаціонарною фазою

Існує два поширених методу приведення рухомої фази і стаціонарної фази в контакт. У колонковій хроматографії ми упаковуємо стаціонарну фазу у вузьку колону і пропускаємо рухливу фазу через колону за допомогою сили тяжіння або шляхом застосування тиску. Стаціонарна фаза являє собою тверду частинку або тонку рідку плівку, покриту або на твердому пакувальному матеріалі твердих частинок, або на стінках колони.

При плоскій хроматографії стаціонарна фаза покривається на плоскій поверхні - як правило, скляній, металевій або пластиковій пластині. Один кінець пластини поміщений в резервуар, який містить рухливу фазу, яка рухається по стаціонарній фазі капілярним дією. У паперовій хроматографії, наприклад, папір є стаціонарною фазою.

Взаємодія між розчиненою речовиною та стаціонарною фазою

Взаємодія між розчиненою речовиною та стаціонарною фазою забезпечує третій метод опису поділу (Рисунок Template:index). При адсорбційній хроматографії розчинені речовини розділяються на основі їх здатності адсорбуватися до твердої нерухомої фази. У перегородкової хроматографії стаціонарна фаза являє собою тонку плівку рідини на твердій опорі. Поділ відбувається тому, що існує різниця в рівноважному розподілі розчинених речовин між стаціонарною фазою і рухомою фазою. Стаціонарна фаза, яка складається з твердої опори з ковалентно прикріпленими аніонними (наприклад,\(-\text{SO}_3^-\)) або катіонними (наприклад,\(-\text{N(CH}_3)_3^+\)) функціональними групами, є основою для іонообмінної хроматографії, в якій іонні розчинні речовини притягуються до стаціонарної фази електростатичними силами. У хроматографії з виключенням розмірів стаціонарна фаза являє собою пористу частинку або гель, з поділом на основі розміру розчинених речовин. Більші розчинені речовини не здатні проникнути так глибоко в пористу стаціонарну фазу і швидше проходять через колону.

Рисунок Template:index. Чотири приклади взаємодії між розчиненою речовиною та стаціонарною фазою: (а) адсорбція на твердій поверхні, (б) поділ на рідку фазу, (c) іонообмін та (d) виключення розміру. Для кожного прикладу, менший, зелений розчинений речовина сильніше утримується, ніж більший, червоний розчинений.

Є й інші взаємодії, які можуть служити основою поділу. В афінній хроматографії взаємодія між антигеном і антитілом, між ферментом і субстратом або між рецептором і лігандом становить основу поділу. Див. Додаткові ресурси цієї глави для деяких запропонованих читань.

Електрофоретичні виділення

У хроматографії поділ відбувається через те, що існує різниця в рівноважному розподілі розчинених речовин між рухомою фазою та стаціонарною фазою. Рівноважне поділ, однак, не є єдиною основою для здійснення поділу. При електрофоретичному поділі, наприклад, заряджені розчинені речовини мігрують під впливом прикладеного потенціалу. Поділ відбувається через відмінності зарядів і розмірів розчинених речовин (рис. Template:index).

Рисунок Template:index. Рух заряджених розчинених речовин під впливом прикладного потенціалу. Довжини стрілок вказують на відносну швидкість розчинених речовин. Загалом, більша розчинена речовина рухається повільніше, ніж менша розчинена речовина рівного заряду, а розчинена речовина з більшим зарядом рухається швидше, ніж розчинена речовина з меншим зарядом.