Хроматография представляет собой динамический метод анализа, основанный на многократно повторяющихся процессах сорбции и десорбции

Обязательным условием для проведения хроматографии является наличие двух фаз: неподвижной (стационарной) и подвижной. В результате того, что различные вещества (А, Д, Н) перемещаются вдоль стационарной фазы с разной скоростью, происходит их разделение (рис. 10.20). Хроматография — один из немногих методов, сочетающий в себе и разделение, и количественное определение веществ, входящих в состав многокомпонентных проб.

Различная скорость перемещения отдельных компонентов смеси вдоль стационарной фазы связана со сложным характером взаимодействия в системе «вещество — подвижная фаза — неподвижная фаза». По доминирующему механизму различают адсорбционную, распределительную, ионообменную, хемосорбционную и молекулярно-ситовую хроматографию.

Адсорбционная хроматография. Основана на различии в адсорбционных свойствах разделяемых веществ. Компоненты, не адсорбирующиеся стационарной фазой, будут во время анализа находиться только в подвижной фазе, скорость их перемещения вдоль стационарной фазы будет максимально возможной. Наоборот, хорошо адсорбирующиеся компоненты будут медленно передвигаться вдоль стационарной фазы.

Распределительная хроматография основана на различиях в коэффициентах распределений, представляющих собой отношение концентрации вещества в неподвижной фазе — жидкости — к концентрации вещества в подвижной фазе — газе или жидкости.

В ионообменной хроматографии разделение вещества связано с различием термодинамических констант ионного обмена определяемых ионов.

Хемосорбционная хроматография включает в себя несколько вариантов хроматографических процессов, общим для них является различие в термодинамических константах того или иного вида химического равновесия: констант растворимости (осадочная хроматография), констант нестойкости комплексных соединений (адсорбционно-комплексообразовательная хроматография),констант реакций с переносом электрона (редокс-хроматография).

К хемосорбционной хроматографии относится и биоспецифическая (афинная) хроматография, основанная на специфичности взаимодействия, лежащего в основе биологической функции фермента. Стационарная фаза содержит либо фермент, либо субстрат, в результате чего из анализируемой смеси с высокой степенью специфичности будет «вылавливаться» партнер соответствующей фермент-субстратной реакции.

Молекулярно-ситовая хроматография (устаревшее название — гельфильтрация) позволяет анализировать смеси, содержащие вещества со значительно различающимся размером молекул. В качестве стационарной фазы используют пористые тела — молекулярные сита, которые являются проницаемыми для молекул только определенного размера. Крупные молекулы, не попадая в поры, перемещаются вдоль стационарной фазы быстрее, чем мелкие. Молекулярно-ситовая хроматография чрезвычайно широко применяется в биохимии для разделения смесей биополимеров (например, белков) на фракции.

Приведенная классификация хроматографических методов не является единственной. В некоторых случаях хроматографические методы принято классифицировать по агрегатному состоянию применяющихся фаз

Хроматографию широко применяют в медико-биологических исследованиях и в клинической практике.

Анализ крови на присутствие в ней алкоголя, наркотиков, летучих веществ, вызывающих токсикоманию, проводится с помощью хроматографии за считанные минуты. Хроматография является незаменимым методом для допинг-контроля (обнаружение стимулирующих веществ в организме спортсменов). С помощью хроматографии в биологических жидкостях можно выявить микрокомпоненты (не определяемые другими методами), которые появляются при наличии той или иной патологии. Значение хроматографии как важного диагностического метода постоянно возрастает.

 

6.1

Дисперсная система – это ультрамикрогетерогенная система, состоящая из дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Дисперсная фаза – это совокупность мельчайших частиц.

Дисперсная среда – это среда, в которой равномерно распределены мельчайшие частицы.

1) Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию:

Среда/фаза=>	Т	Ж	Г
Т (твердые золи)		Т/Т (металлические сплавы, искусственные драгоценные камни, цветные стекла)	Г/Т (твердые пены, пемза, активированный уголь)
Ж (лиозоли)	Т/Ж (суспензия, холодное молоко, коллоидные растворы металлов)	Ж/Ж (эмульсии: горячее молоко, маргарин, эмульсии масла в воде, бензина в воде)	Г/Ж (пены: противопожарная)
Г (аэрозоли)	Т/Г (табачный дым, пыль цементная, сахарная)	Ж/Г (аэрозоли: туман, облака)	Г/Г (не являются дисперсной системой, т.к. являются гомогенной смесью)

2) Классификация дисперсных систем по степени дисперсности:

- грубодисперсные (микрогетерогенные)

- коллоидно-дисперсные (ультрамикрогетерогенные)

3) Классификация по интенсивности межфазного взаимодействия:

- лиофобные системы – дисперсная фаза слабо взаимодействует с дисперсионной средой (лиозоли металлов)

- лиофильные системы характеризуются интенсивным взаимодействием дисперсной фазы и дисперсионной среды (раствор желатины в воде)

6.2,3

То или иное вещество может быть получено в коллоидном состоянии при следующих условиях:

1) размеры частиц данного вещества должны быть доведены до коллоидных размеров, что осуществимо двумя методами:

- раздробление более или менее крупных тел до частиц коллоидного размера (дисперсионные методы)

- укрупнение молекул, атомов или ионов до частиц коллоидного размера (конденсационные методы)

2) необходимо присутствие стабилизатора (ионов электролитов, которые на поверхности коллоидной частички образуют ионно-гидратную оболочку, препятствующую слипанию частичек при их взаимном столкновении в растворе)

3) коллоидные частицы (дисперсная фаза) должны обладать плохой растворимостью в дисперсионной среде, хотя бы в момент их получения.

Методы получения коллоидных растворов:

1) дисперсионные методы (получения золей основаны на принципе измельчения частиц дисперсной фазы до коллоидного состояния, при этом используют механический, электрический, ультразвуковой и другие приемы.)

2) конденсационные методы (Более распространенными являются получения золей, при которых происходит агрегация молекул или ионов до частиц коллоидных размеров. Различают физическую (конденсация из паров при изменении температуры или давления, замена растворителя) и химическую конденсацию, когда получение коллоидной системы происходит в результате химической реакции, сопровождающейся образованием малорастворимого вещества. Коллоидные растворы могут быть также получены из рыхлых осадков при добавлении к ним пептизаторов (метод пептизации)

Методы очистки коллоидных растворов:

1) Фильтрация основана на способности коллоидных частиц проходить через поры обычных фильтров. При этом более крупные частицы задерживаются. Фильтрацию используют для очистки коллоидных растворов от примесей грубодисперсных частиц.

2) Диализ – это процесс освобождения коллоидных растворов от примесей, способных проникать через полупроницаемые мембраны. При этом используют свойства мембран пропускать молекулы и ионы малого размера и задерживать коллоидные частицы и макромолекулы.

3) Электродиализ – этот метод представляет собой ускоренный процесс диализа с применением электрического тока.

4) Ультрафильтрация применяется для очистки систем, содержащих частицы коллоидных размеров. В основе метода лежит продавливание разделяемой смеси через фильтры с порами, пропускающими только молекулы и ионы низкомолекулярных веществ. В определенной степени ультрафильтрацию можно рассматривать как диализ под давлением. Ультрафильтрацию широко используют для очистки воды, белков, нуклеиновых кислот, ферментов, витаминов, а также в микробиологии при определении размеров вирусов и бактериофагов.

 

6.4

Молекулярно-ситовая хроматография (устаревшее название — гельфильтрация ) позволяет анализировать смеси, содержащие вещества со значительно различающимся размером молекул. В качестве стационарной фазы используют пористые тела — молекулярные сита, которые являются проницаемыми для молекул только определенного размера. Крупные молекулы, не попадая в поры, перемещаются вдоль стационарной фазы быстрее, чем мелкие. Молекулярно-ситовая хроматография чрезвычайно широко применяется в биохимии для разделения смесей биополимеров (например, белков) на фракции.

В эксклюзионной (ситовой, гель-проникающей, гель-фильтрационной) хроматографии молекулы веществ разделяются по размеру за счёт их разной способности проникать в поры носителя. При этом первыми выходят из колонки наиболее крупные молекулы (бо́льшей молекулярной массы), способные проникать в минимальное число пор носителя. Последними выходят вещества с малыми размерами молекул, свободно проникающие в поры сорбента.

 

6.5

Искусственная почка (гемодиализатор) — аппарат для временного замещения выделительной функции почек. Искусственную почку используют для освобождения крови от продуктов обмена, коррекции электролитно-водного и кислотно-щелочного балансов при острой и хронической почечной недостаточности, а также для выведения диализирующихся токсических веществ при отравлениях и избытка воды при отёках. Основной задачей аппарата искусственной почки является очищение крови от различных токсичных веществ, в том числе продуктов метаболизма. Как и любой аппарат очищения крови, он должен обеспечивать, как минимум, два канала изменения состава крови с целью нормализации ее показателей, основанных на информационноэнергетическом представлений о ее свойствах. При этом объем крови в пределе организма остается постоянным.

Диализирующий раствор содержит в одинаковых с кровью концентрациях вещества, которые необходимо сохранить в крови. Например, свободный сахар в сыворотке крови определяют компенсационным диализом сыворотки против изотонического солевого раствора, к которому добавляют различные количества сахара. Концентрация сахара в солевом растворе не меняется при диализе лишь в том случае, когда она равна концентрации свободного сахара в крови.

6.6

Броуновское движение — тепловое беспорядочное движение микроскопических, видимых, взвешенных в жидкости (или газе) частиц (броуновские частицы) твёрдого вещества (пылинки, крупинки взвеси, частички пыльцы растения и так далее). Броуновское движение происходит из-за того, что все жидкости и газы состоят из атомов или молекул — мельчайших частиц, которые находятся в постоянном хаотическом тепловом движении, и потому непрерывно толкают броуновскую частицу с разных сторон. Было установлено, что крупные частицы с размерами более 5 мкм в броуновском движении практически не участвуют (они неподвижны или седиментируют), более мелкие частицы (менее 3мкм) двигаются поступательно по весьма сложным траекториям или вращаются. Когда в среду погружено крупное тело, то толчки, происходящие в огромном количестве, усредняются и формируют постоянное давление. Если крупное тело окружено средой со всех сторон, то давление практически уравновешивается, остаётся только подъёмная сила Архимеда — такое тело плавно всплывает или тонет.

Диффузия — процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Самым известным примером диффузии является перемешивание газов или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: если один конец стержня нагреть или электрически зарядить, распространяется тепло (или соответственно электрический ток) от горячей (заряженной) части к холодной (незаряженной) части. В случае металлического стержня тепловая диффузия развивается быстро, а ток протекает почти мгновенно. Если стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно, а диффузия электрически заряженных частиц — очень медленно. Диффузия молекул протекает в общем ещё медленнее. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микрометров только через несколько тысяч лет.

Осмотическое давление (π) — давление, приложенное к полупроницаемой мембране, разделяющую два раствора с разной концентрацией растворенных веществ и направленная от более разбавленного к более концентрированному раствору. Осмотическое давление можно представить как давление абсолютно чистой воды на полупроницаемую мембрану, по другую стороны которой находится раствор. Осмотическое давление может быть весьма значительным. В дереве, например, под действием осмотического давления растительный сок (вода с растворёнными в ней минеральными веществами) поднимается от корней до самой верхушки. При этом в дереве движение концентрированного раствора, каким является растительный сок, ничем не ограничено. Если же подобный раствор находится в замкнутом пространстве, например, в клетке крови, то осмотическое давление может привести к разрыву клеточной мембраны. Именно по этой причине лекарства, предназначенные для введения в кровь, растворяют в изотоническом растворе, содержащем столько хлорида натрия (столовой соли), сколько нужно, чтобы уравновесить создаваемое клеточной жидкостью осмотическое давление. Если бы вводимые лекарственные препараты были изготовлены на воде или очень сильно разбавленном (гипотоническом по отношению к цитоплазме) растворе, осмотическое давление, заставляя воду проникать в клетки крови, приводило бы к их разрыву.

 

6.7,8,9

Размеры коллоидных частиц (от 0,1 до 0,001 мк) в известной степени соизмеримы с длиной световых волн (от 0,76 до 0,38 мк), поэтому при попадании луча видимого света на такие частицы можно наблюдать явление дифракции. Луч света, попадая на поверхность частицы, имеющую размеры большие, чем длина световых волн, отражается от нее. Когда размеры частиц будут соизмеримы с половиной длины световой волны, происходит дифракционное рассеяние света.

Дифракционное рассеяние света впервые было замечено Ломоносовым, а позднее – Фарадеем и его учеником Тиндалем при пропускании пучка света через коллоидный раствор золота. В темной комнате при боковом рассматривании прохождения пучка света через стаканчик с коллоидным раствором Тиндаль обнаружил светящийся конус, возникающий в результате рассеивания света коллоидными частицами. Это явление получило название конуса Тиндаля, по которому легко отличать коллоидные растворы от растворов низкомолекулярных веществ.

Рассеяние света частицами было изучено Рэлеем, который вывел закон рассеяния света, согласно которому интенсивность рассеянного света (I) прямо пропорциональна числу частиц (n), квадрату объема частиц (υ²) и обратно пропорциональна четвертой степени длины волны (λ⁴) падающего света: I=I_oK(nυ²/λ⁴)

Где I_o - интенсивность падающего света в направлении, перпендикулярном к лучу падающего света.

К – константа, зависящая от показателей преломления дисперсионной среды и дисперсной фазы.

Закон Рэлея позволяет судить о концентрации взвешенных частиц по интенсивности рассеяния света в коллоидном растворе.

 

6.10

Электрический заряд на границе раздела фаз может возникать или в результате избирательной адсорбции одного из ионов растворенного электролита, или вследствие диссоциации поверхностных молекул вещества дисперсной фазы. В результате этих процессов на границе раздела фаз возникает двойной электрический слой (ДЭС).

Согласно современным представлениям ДЭС состоит из достаточно прочно связанных с поверхностью дисперсной фазы потенциалопределяющих ионов и эквивалентного количества противоположно заряженных ионов – противоионов, находящихся в дисперсионной среде.

Расположение противоионов в дисперсионной среде определяется двумя противоположными факторами: тепловое движение стремится распределить ионы равномерно по всему объему жидкой фазы, а силы электростатического притяжения, наоборот, стремятся удержать их вблизи поверхности раздела фаз. В результате действия этих двух факторов устанавливается диффузионное распределение противоионов с уменьшающейся концентрацией по мере удаления от межфазной поверхности. Необходимо также учитывать возможность адсорбционного взаимодействия противоионов с поверхностью дисперсной фазы.

Разность потенциалов между подвижной (диффузной) и неподвижной (адсорбционной) частью ДЭС называется электрокинетическим потенциалом. Этот потенциал обычно обозначается ς (дзета) и потому называется дзэта-потенциалом (ς - потенциал).

6.11

Закономерности ионной адсорбции были установлены в работах Пескова, Панета, Фаянса: На поверхности ядра адсорбируются преимущественно: 1) родственные ионы, т.е. те ионы, которые входят в состав ядра и достраивают его кристаллическую решетку; 2) изоморфные ионы, т.е. близкие по размерам к ионам ядра.

AgNO₃+KI → AgI↓ + KNO₃

Если AgNO₃ взять в избытке, то дисперсная фаза AgI образуется в виде мельчайших зародышей, которые образуют ядро коллоидной частицы (mAgI).На поверхности ядра происходит адсорбция ионов из раствора.

В нашем случае при избытке AgNO₃ на поверхности ядра будут адсорбироваться ионы Ag⁺ (nAg⁺), которые сообщают коллоидной частице положительный заряд. Поэтому ионы Аg⁺ называются потенциалопределяющими ионами. Заряженная частица притягивает к себе слой противоионов (NO₃^- - ионов). Часть противоионов (n-x) NO₃^- вместе с адсорбированными ионами Ag⁺ прочно связана с ядром, образуя адсорбционный слой. Остальные противоионы (х NO₃^-) образуют диффузный слой.

МИЦЕЛЛА: {mAgI*nAg⁺ * (n-x)NO₃^-}^x+ * xNO₃^-

ЯДРО: mAgI

АДСОРБЦИОННЫЙ СЛОЙ: nAg⁺ * (n-x)NO₃^-

ДИФФУЗНЫЙ СЛОЙ: xNO₃^-

ГРАНУЛА: {mAgI*nAg⁺ * (n-x)NO₃^-}^x+

При избытке КI формула мицеллы следующая: {mAgI*nI^- * (n-x)K⁺}^x- * xК⁺

 

6.12

Электрофорезом называют перемещение частиц дисперсной фазы относительно неподвижной дисперсионной среды под действием внешнего электрического поля.

Скорость движения частиц дисперсной фазы в электрическом поле (скорость электрофореза рассчитывают по уравнению Гельмгольца – Смолуховского:

U_эф. = ε*ε_o*∆φ*S/k_φ*π*η*l

Где U_эф. - скорость электрофореза, м/с

ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды

ε_o - электрическая постоянная, равная 8,9*10^-12*А*с/ (B*м)

∆φ - разность потенциалов от внешнего источника тока, В

S - электрокинетический потенциал, В

k_φ - коэффициент, значение которого зависит от формы коллоидной частицы

η - вязкость дисперсионной среды, H*c/м²

l - расстояние между электродами, м

С помощью электрофореза можно определить знак заряда частиц дисперсной фазы и числовое значение электрокинетического потенциала.

Электроосмосом называют перемещение дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы под действием внешнего электрического поля.

Скорость перемещения дисперсионной среды в электрическом поле (скорость электроосмоса) рассчитывают по уравнению: U_эо= ε*ε_o*∆φ*S^S/4*π*η*l

Где U_эо - скорость электроосмоса,

С помощью электроосмоса можно определить числовое значение электрокинетического потенциала и знак заряда частиц дисперсной фазы.

Электрофорез и электроосмос находят широкое применении в медико-биологических исследования. Электрофорез используют в клинических исследованиях для диагностики многих заболеваний, для разделения аминокислот, нуклеиновых кислот, антибиотиков, ферментов.

 

6.13

Под устойчивостью дисперсных систем понимают способность их сохранять свое состояние и свойства неизменными с течением времени.

2 вида устойчивости:

1) Кинетическая (седиметационная) устойчивость характеризует способность частиц дисперсной фазы оставаться во взвешенном состоянии.

При нарушении кинетической устойчивости происходит отделение дисперсной фазы от дисперсионной среды.

2) Агрегативная устойчивость дисперсной системы характеризует способность частиц дисперсной фазы противостоять их агрегации.

При нарушении этой устойчивости частицы дисперсной фазы объединяются в агрегаты, состоящие из первичных частиц, тделенных друг от друга ионными оболочками.

 

6.14,15

Коагуляция - процесс слипания частиц и выделения дисперсной фазы. При этом золь переходит в коагель.