Hoe werkt chromatografie?

Beschouw chromatografie als een race en je zult het veel eenvoudiger vinden dan het klinkt. Terwijl je op de startlijn wacht, heb je een mengsel van chemicaliën in een niet-geïdentificeerde vloeistof of gas, net als een hele hoop hardlopers die allemaal door elkaar zijn gegooid en samengepakt. Wanneer een race begint, verspreiden de hardlopers zich snel omdat ze verschillen. Op precies dezelfde manier , chemicaliën in zoiets als een bewegend vloeistofmengsel verspreiden zich omdat ze met verschillende snelheden over een stationaire vaste stof reizen. Het belangrijkste om te onthouden is dat chromatografie een oppervlakte-effect is.

Terwijl de vloeistof langs de vaste stof begint te bewegen, sommige van zijn moleculen (energetische dingen die constant in beweging zijn) worden naar het oppervlak van de vaste stof gezogen en blijven daar tijdelijk hangen voordat ze weer worden teruggetrokken in de vloeistof waar ze vandaan kwamen. Deze uitwisseling van moleculen tussen het oppervlak van de vaste stof en de vloeistof is een soort van adhesief orgeleffect genaamd adsorptie (met ad – verwar het niet met absorptie, met ab, waarbij moleculen van de ene stof permanent in het lichaam van een andere stof vastzitten). Onthoud nu dat onze vloeistof eigenlijk een mengsel is van nogal wat verschillende vloeistoffen. Elk ondergaat op een iets andere manier adsorptie en brengt meer of minder tijd door in de vaste of vloeibare fase. Een van de vloeistoffen zou veel langer in de vaste fase kunnen blijven dan in de vloeistof, dus het zou langzamer over de vaste fase reizen; een ander zou minder tijd in de vaste stof en meer in de vloeistof kunnen doorbrengen, dus het zou iets sneller gaan. Een andere manier om ernaar te kijken is door de vloeistof te zien als een mengsel van lijmachtige vloeistoffen, waarvan sommige meer aan de vaste stof blijven kleven (en langzamer reizen) dan anderen. Dit is wat ervoor zorgt dat de verschillende vloeistoffen in ons originele vloeibare mengsel zich verspreiden op de vaste stof.

Artwork: How chromatography works: here de mobiele fase is een vloeistof (blauw) en de stationaire fase is een vaste stof (grijs). Het groene molecuul brengt de meeste tijd in de vloeistof door, dus beweegt het snelst. Het gele molecuul brengt meer tijd door op het oppervlak van de vaste stof, dus beweegt langzamer. Het rode molecuul brengt zelfs nog meer tijd door op het vaste oppervlak, dus beweegt het langzaamst.

Om chromatografie effectief te laten werken, hebben we uiteraard de componenten van de mobiele fase nodig om zoveel mogelijk te scheiden naarmate ze de stationaire fase passeren . Daarom is de stationaire fase vaak iets met een groot oppervlak, zoals een vel filtreerpapier, een vaste stof gemaakt van fijn verdeelde deeltjes, een vloeistof die is afgezet op het oppervlak van een vaste stof of een ander sterk adsorberend materiaal.

Wat zijn de verschillende soorten chromatografie?

Er zijn veel verschillende manieren om chromatografie te gebruiken. Dit zijn enkele van de bekendste:

Papierchromatografie

Foto: Eenvoudige papierchromatografie. Teken wat klodders inkt op papier (Crayola wasbare kindervingertoppen zijn perfect), rol het papier in een cilinder , en plaats het in een wijnglas met een klein beetje water. Terwijl het water door het papier kruipt, zullen de kleuren zich scheiden in hun componenten. Dat is chromatografie in actie!

Dit is het ‘inktvlekje op papier’-experiment dat je vaak op school doet (ook het effect dat we aan het begin beschreven als je je papier nat maakt). inkt in de buurt van een rand van een of ander filtreerpapier en hang het papier vervolgens verticaal met de onderrand (het dichtst bij de plek) gedoopt in een oplosmiddel zoals alcohol of water. Capillaire werking zorgt ervoor dat het oplosmiddel door het papier stroomt, waar het samenkomt en de inkt oplost. Opgeloste inkt (de mobiele fase) gaat langzaam door het papier (de stationaire fase) en scheidt zich af in verschillende componenten. Soms zijn deze gekleurd; soms moet je ze kleuren door andere stoffen toe te voegen (zogenaamde ontwikkelaars of ontwikkelvloeistoffen) die je helpen bij de identificatie.

Kolomchromatografie

In plaats van papier is de stationaire fase een verticale glazen pot (de kolom) gevuld met een sterk adsorberende vaste stof, zoals kristallen van siliciumdioxide of silicagel, of een vaste stof bedekt met een vloeistof De mobiele fase druipt (of wordt onder hoge druk gepompt) door de kolom en splitst zich in zijn componenten, die vervolgens worden verwijderd en geanalyseerd.

Er zijn nogal wat variaties, waaronder:

• Vloeistof- kolomchromatografie, waarbij het te bestuderen mengsel aan het ene uiteinde van de kolom wordt geplaatst en een geëxtraheerde substantie, een elueermiddel (soms gespeld als eluens) genaamd, wordt ingegoten om het door te laten reizen.
• Dunne-filmchromatografie is een variatie op deze techniek waarbij de ‘kolom’ eigenlijk een film van glas, plastic of metaal is, bedekt met een zeer dunne laag adsorberend materiaal.
• High-performance liquid chromatography (HPLC), waarbij het mengsel door de kolom onder hoge druk (ongeveer 400 keer de atmosferische druk).Dit is sneller, nauwkeuriger en gevoeliger.

Foto: kolomchromatografie: u neemt uw kolom , die de stationaire fase bevat, en laad deze met je monster bovenaan (donkergrijs). Terwijl je elueermiddel (oplosmiddel) aan het monster toevoegt, splitst het zich in zijn componenten (laten we zeggen dat ze rood, geel en blauw gekleurd zijn). Deze reizen met verschillende snelheden en komen een voor een tevoorschijn onderaan, waar je ze kunt verzamelen in verschillende containers.

Gaschromatografie

Tot dusver hebben we de chromatografie van vloeistoffen die langs vaste stoffen reizen overwogen, maar een van de meest gebruikte technieken is een soort kolomchromatografie waarbij gassen als mobiel fase. Gaschromatografie is een grotendeels geautomatiseerde vorm van chemische analyse die u kunt uitvoeren met een geavanceerd stuk laboratoriumapparatuur dat, niet verrassend, een gaschromatograafmachine wordt genoemd.

Foto: gaschromatografie is grotendeels geautomatiseerd, maar er is nog steeds een getrainde operator voor nodig om een van deze machines te bedienen. Foto met dank aan NASA Kennedy Space Center (NASA-KSC).

Eerst wordt een klein monster van het mengsel van stoffen dat wordt bestudeerd in een injectiespuit gedaan en in de machine geïnjecteerd. De componenten van het mengsel worden verwarmd en verdampen onmiddellijk. Vervolgens voegen we een drager (het eluens) toe, wat gewoon een neutraal gas is, zoals waterstof of helium, dat is ontworpen om de gassen in ons monster door de kolom te helpen bewegen. In dit geval is de kolom een dunne glazen of metalen buis, meestal gevuld met een vloeistof die een hoog kookpunt heeft (of soms een gel of een adsorberende vaste stof). Terwijl het mengsel door de kolom reist, wordt het geadsorbeerd en gescheiden in zijn componenten. Elke component komt op zijn beurt uit het uiteinde van de kolom en beweegt langs een elektronische detector (soms een massaspectrometer), die het identificeert en een piek afdrukt op een grafiek. De laatste grafiek heeft een reeks pieken die overeenkomen met alle stoffen in het mengsel. Gaschromatografie wordt soms dampfasechromatografie (VPC) of gas-vloeistofpartitiechromatografie (GLPC) genoemd.