شیمی

کروماتوگرافی

کروماتوگرافی مایع - کروماتوگرافی گاز - GC - LC - HPLC

مقدمه ای بر جذب سطحی

در ابتدا برای تعریف کروماتوگرافی و ابزار های آن باید اطلاعاتی در ارتباط با فرایند جذب سطحی در اختیار شما قرار بدهیم.انواع فرایند های جذب عبارت اند از:

۱.جذب عادی Absorption

۲.جذب سطحی Adsorption

جذب عادی یا Absorption نفوذ مولکولهای حل شونده از توده فاز گازبه توده فاز مایع است و جذب سطحی  یا Adsorption نفوذ مولکولها از توده سیال(گاز یا مایع) به سطح جامد جاذب است.

برای مثال در فرایند جذب سطحی میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
۱.جداسازی ترکیبات جزئی از فاز گازی (ارتقاء و تصفیه بیوگاز⸲ شیرین سازی گاز ترش)
۲.جداسازی ترکیبات جزئی از فاز مایع (شیرین سازی نفت ترش)

حال سوالی ممکن است که در ذهن ما ایجاد شود که تفاوت جداسازی به روش جذب سطحی با جذب معمولی⸲ تقطیر و استخراج که فرایند های مهم در صنایع شیمیایی هستند ، چیست؟
فرایند تقطیر بر اساس نیروی محرکه جداسازی صورت میگیرد و در فرایند جذب معمولی برحسب  فراریت مواد شرکت کننده جداسازی انجام خواهد شد.
همچنین برای فرایند استخراج جداسازی بر اساس حلالیت مواد در یک دیگر و در جذب سطحی جداسازی بر اساس سهولت جذب یک ترکیب نسبت به ترکیب دیگر انجام میپذیرد.

تجهیزات فرایند جذب سطحی

۱.ستون کروماتوگرافی مقیاس آزمایشگاهی با قطر چند میلیمتر
۲.برج پرشده با بستر متحرک برای جداسازی حالل از فاز گازی با قطر چند متر
۳.ظرف ساده که فاز مایع با جاذب مخلوط شده اند
۴.بستر متحرک کاملا اتومات با جریان لوله ای

تمام دستگاه های مورد استفاده در فرایند جذب سطحی دارای ویژگی های مشترک زیر میباشند:

• جاذب پس از مدتی از جذب شونده اشباع می شود و باید توسط فرایند احیا دوباره به مسیر واکنش برگشت داده شوند و یا در غیر این صورت تعویض گردند.
• جاذبها گرانقیمت هستند و برای صرفه جویی در هزینه ها باید از فرایند احیا جاذب ها استفاده نمود.

فرایند احیاء جاذب با روش های زیر امکان پذیر است: روش اول حرارت جاذب در فشار اتمسفریک مناسب و روش دوم کاهش فشار در دمای ثابت.
باید به این نکته توجه داشت که روش احیاء بستگی به نوع بستر جاذب⸲ سیال⸲ نوع فرآیند جذب و نحوه برخورد و تماس فاز جامد و سیال دارد.

کروماتوگرافی

از کروماتوگرافی  برای جداسازی و شناسایی مواد اولیه و محصول در محیط های بیوتکنولوژی کهمی تواند یک ماده طبیعی ساده تا پیچیده باشد استفاده میشود.
در کروماتوگرافی خواص شیمی فیزیکی⸲ ترمودینامیکی و سینتیکی بطور سریع و دقیق اندازه گیری می شود و  ترکیبات یک مخلوط هنگامیکه از ستون کروماتوگرافی عبور می کنند از یک دیگر جدا می شوند.ستون کروماتوگرافی شامل یک بستر پرشده با ذرات جامد یا مایع اشباع است. مخلوط از طریق انحلال در یک جریان مایع یا گاز بعنوان فاز متحرک⸲ حامل یا روان از ستون عبور می کند و به دلیل ضرایب متفاوت توزیع مخلوط که منتج به سرعتهای مختلف بین فازهای ساکن و متحرک می شود⸲ جداسازی انجام می شود. روشهای کروماتوگرافی بر اساس طبیعت فازهای متحرک و ساکن استفاده می شود که کروماتوگرافی گازی (GC) و مایع(LC ) به فاز متحرک اشاره دارد.

انواع کروماتوگرافی:

  1. GC کروماتوگرافی گازی
  2. LC کروماتوگرافی مایع
  3. TLC کروماتوگرافی لایه نازک
  4. SFC کروماتوگرافی سیال فوق بحرانی

۱.کروماتوگرافی مایع و گاز

فاز متحرک کروماتوگرافی LC مایع است و دارای دانسیته ۳ برابری کروماتوگرافی  GC است.
• فاز متحرک چگالتر⸲ ظرفیت بیشتری برای حل شونده دارد⸲ بنابراین مواد با جرم مولکولی بالاتر⸲بدون نگهداری بیشتر تفکیک می شوند.
• بنابراین LC برای جداسازی مخلوط های مایع و جامد با نقطه جوش بالاتر از GC استفاده می شود.  البته هم پوشانی در جداسازی بعضی مخلوطها با هر دو نوع کروماتوگرافی وجود دارد.
• کروماتوگرافی  LC برای جداسازی مخلوط های حساس به گرما استفاده می شود⸲ چون فرایند در زمان معمولا دمای اتاق استفاده می شود و کنترل دمای دقیق مثل کروماتوگرافی  GC نیاز نیست. اقامت و نگهداری کمتر و در دماهای پایین تر انجام می شود.
• بر خلاف کروماتوگرافی  GC ، کروماتوگرافی   LC نیاز به تبخیر کننده برای تزریق بعنوان فاز متحرک به منظور جداسازی ندارد.

• جداسازی اجزاء حل شونده فاز متحرک بر مبنای میزان و بزرگی اختلاف فراریت اجزاء حل شونده و فاز متحرک ( معمولا آب یا حلال آلی ) به روش تقطیر یا تبخیر انجام می شود.
• حلال باید خیلی خالص و بطور کامل عاری از باقیمانده های غیر فرار به منظور جلوگیری از آلودگی محصول باشد.

۲.کروماتوگرافی لایه نازک TLC

کروماتورگرافی لایه نازک TLC یکی از روش های کروماتوگرافی است.برای جداسازی مخلوط های غیر فرار و همچنین جداسازی انواع دیگر از کروماتوگرافی کاربرد دارد.در کروماتوگرافی یک فاز متحرک (موبایل ) که دارای یک حلال یا مخلوطی از یک حلال است ، وجود دارد.و همچنین یک فاز ثابت که با یک لایه نازک پوشانده شده است وجود دارد.

مواد جاذب معمولا اکسید آلومینیوم یا سیلیکا  ژل  و یا سلولز هستند  و برای اجرای کروماتوگرافی لایه نازک (TLC) روی یک صفحه یک خط با مداد در فاصله ۱.۵ سانتی متری از پایین صفحه  کشیده شده است.همچنین لبه پایینی  صفحه را می توان با استفاده از مداد نقطه گذاری کرد  تا موقعیت اصلی ذرات در فرایند کروماتو گرافی را نشان دهد .از کروماتوگرافی لایه نازک (TLC)  می توان برای شناسایی ترکیبات موجود در یک نمونه مخلوط استفاده کرد.

مقدار کمی از هر مخلوط روی خط  پایینی  صفحه (لایه نازک ) قرار میگیرد و نقاط کوچک مشابه ترکیبات شناخته شده در کنار آن قرار می گیرد.در صورت خشک شدن قطرات مخلوط ، صفحه TLC در محفظه به گونه ای قرار می گیرد تا قطرات خشک شده با سطح مواد شوینده ( حلالی که در کروماتو گرافی باعث جداسازی و جابجایی ترکیبات هم خانواده میشود) در محفظه تماس نداشته باشند و درب محفظه بسته گردد.حلال به آرامی به سمت بالا حرکت میکند و با نقاطی از صفحه  که ذرات مخلوط روی آن قرار گرفته است برخورد میکند و بخشی از ذرات را با خود به سمت بالا میبرد و جداسازی بر اساس تقسیم بندی دیفرانسیلی اجزای نمونه صورت میگیرد.

از بین فاز ساکن و  فاز متحرک جزئی از مخلوط که تمایل کمتری به ماندن در فاز ساکن دارد به علت این تمایل کم که به فاز ساکن دارد از صفحه لایه نازک کروماتوگرافی (TLC) بیشتر عبور میکند.جزئی که تمایل بیشتری به فاز ساکن دارد به علت میل بیشتر به ماندن در فاز ساکن ، کند تر روی صفحه کروماتوگرافی حرکت میکند.این جداسازی می تواند با توجه به ماهیت فاز متحرک غیر قطبی و به نوع صفحه TLC که به طور کلی یک فاز ثابت قطبی است انجام شود.

در این روش  مواد موجود در واکنش را بر اساس میل آنها برای یک سطح ثابت قطبی مانند سیلیکا ژل جدا می کند هرچه مواد موجود در فرایند (آنالیت ها ) قطبی تر باشند ، در فاز ساکن بیشتر حفظ می شوند .آنالیت ها هرچه آب گریزتر (غیر قطبی ) باشند فاز مترک را بیشتر ترجیح میدهند و باعث میشود همراه با ماده شست و شو به سمت بالا صفحه حرکت کنند .حلال بازهم افزایش می یابد تا زمانی که تقریباً به بالای صفحه کروماتوگرافی  برسد تا بتواند حداکثر تفکیک اجزا را ایجاد کند.کروماتوگرافی باید قبل از اینکه حلال به بالای صفحه ی فاز ثابت برسد از محفظه خارج شود واین بخش از قبل علامت گذازی شده است ، در نهایت صفحه کروماتوگرافی  را می توان در هوای محیط یا زیر هوای گرم توسط خشک کن ، خشک کرد.صفحه تحت لامپ UV یا با استفاده از معرفهای شیمیایی خاص قرار میگیرد و در صورت بی رنگ بودن مواد موجود روی برگه کروماتوگرافی ، برخی از صفحات از قبل با فسفر پوشانده شده اند .به این ترتیب بسیاری از ترکیبات با استفاده از نور ماورا بنفش یا ترکیب شدن  نمونه با واکنش فلورسنت قابل مشاهده هستند.

قبل از اجرا شدن صفحه ی فرایند کروماتورافی لایه نازک TLC ، به محض خاموش شدن منابع   UV مجدداً نقاط رنگی به وجو آمده روی صفحه  ناپدید می شود ، بنابراین باید بخش های رنگی  با کشیدن خط دایره ای در اطراف آنها مشخص شود.

فاکتور احتباس  (میزان ماندگاری) هر جز از ماده مورد آزمایش که هرکدام نقطه ای در صفحه کروماتوگرافی به وجو آوردند تعیین می شود . در روش استفاده از معرف های شیمیایی عوامل مختلف با لکه های رنگی  روی برگه کروماتوگرافی که قابل مشاهده نیستند واکنش  می دهند تا نتایج قابل مشاهده ای ایجاد کنند و برای ما قابل دیدن باشد. این ترکیبات عبارت اند از آیودین ، نینهیدرین ، پتاسیم پر منگنات ، وانیلین .صفحه را می توان در این مواد شیمیایی غوطه ور کرد یا برای یکبار اسپری کرد.

مقدار (ار- اف)  یا فاکتور ماندگاری هر نقطه را می توان با تقسیم مسافت کلی موجود در برگه (فاصله بین دو خط افقی در برگه کروماتوگرافی ) بر مسافتی که نقطه حلال در برگه طی کرده است به دست آورد.با استفاده  از مقادیر به دست آمده توسط فاکتور ماندگاری نقاطی از ماده که (ار – اف) پایین تری دارند ، عملکرد قطبی بیشتری نسبت به یک ترکیب با (ار – اف) بالا خواهند داشت.بر اساس مقادیر (ار – اف) ترکیب a قطبی ترین و ترکیب C کمترین ترکیب از لحاظ قطبی بودن  میباشد .فاکتور احتباس نقطه ها در مخلوط تعیین می شود.در مقایسه با ترکیبات شناخته شده در این نمونه حضور ترکیب a و ترکیب C را پیدا می کنیم.

۳.کروماتوگرافی سیال فوق بحرانی SFC

کروماتوگرافی سیال فوق بحرانی حد واسطی بین کروماتوگرافی مایع و گاز است. سیال فوق بحرانی معمولا فاز متحرک است و معمولا دی اکسید کربن در دماهای نزدیک محیط به منظور سیال فوق بحرانی استفاده خواهد شد. SFC همانند LC برای جداسازی مواد با وزن مولکولی بالا مناسب تر از GC است و نیز همانند LC دمای عملیاتی پایین برای مواد حساس به گرما مزیت است همچنین جداسازی با  SFC  سه مرتبه سریعتر از LC انجام می شود چون مواد در یک سیال فوق بحرانی نفوذ بالاتری نسبت به حالت مایع دارند.

 

حال که با کروماتوگرافی و انواع آن آشنا شدیم ، دریافتیم که میتوان ترکیب های متفاوت بر اساس ضریب توزیع را جداسازی کرد.

نویسنده

مریم السادات شاهچراغی - کارشناس مهندسی شیمی

 

محصولات پیشنهادی رهام صنعت

مطالب مرتبط