Життя як хроматограма:
сповнене злетів і падінь
На перший погляд здається, що відповідь на ці запитання – роки праці спеціалістів, якщо це взагалі можливо. В реальності ж, для того щоб це зробити достатньо 15–20 хвилин. І ні, я не жартую. Завдяки хроматографії хіміки отримали чарівний спосіб «розкласти» все на складові, щоб роздивитися їх окремо. Потрібно лише трішки знань, дрібка реактивів та обладнання. У лабораторіях Могилянки студенти на курсі «Основи хроматографії» самостійно виконують подібні досліди та спостерігають, як безбарвна рідина розпадається на яскраві смужки – наче хімічна веселка.
Хроматографічний метод розділення речовин є не лише яскравим дослідом, що захоплює увагу дітей та дорослих, а ще й допомагає вченим перевіряти, чи безпечна їжа, знаходити домішки у воді та повітрі, розкривати таємниці старовинних картин, а також ловити злочинців за слідом від парфумів або за залишками чорнил. Лікарі за допомогою хроматографії виявляють хвороби ще до появи симптомів, а космічні агенції досліджують склад атмосфери інших планет. Це як мати суперзірковий детектор, що бачить невидиме й розповідає історії, приховані в краплині, порошинці чи подиху повітря. І найприємніше, що навчитися такому «магічному розслідуванню» можна не десь далеко, а тут, наприклад, у Києві, у стінах Могилянки, де теорія одразу оживає на лабораторному столі.
Понад сто років тому один дослідник-ботанік вирішив розібратися, з чого складається зелений колір листя – хлорофіл. У 1903 році він провів дослід, схожий на трюк з TikTok, коли через фільтр пропускають кольоровий напій. Учений пропустив розчин хлорофілу через скляну трубку з порошком крейди (CaCO3) і побачив, як зелений колір розпався на яскраві шари: жовтий, зелений, червоний… Так народилася хроматографія (від грецьких слів «хромато» – колір і «графо» – писати).
Фішка цього методу (або ж більш науково – принцип дії) в тому, що кожна речовина «застрягає» у фільтрі по-своєму, тож можна розділити навіть безбарвні сполуки. У 1952 році англійські хіміки Мартін і Сіндж отримали Нобелівську премію за розвиток методу розподільчої хроматографії.
То як же працює ця загадкова та всесильна хроматографія?
Якщо більш академічно, то хроматографічний метод розділення полягає у різних здатностях компонентів суміші сорбуватися та утримуватися на поверхні нерухомої фази під час промивання його рухомою фазою. Щоб краще зрозуміти ці заплутані слова пропоную уявити скляну колонку, заповнену подрібненою – це буде наша нерухома фаза, а крейда виступить у ролі сорбенту, який утримуватиме нашу суміш. Рухомою фазою зазвичай є розчинник або газ, який подають зверху нашої колонки. Коли розчинник (рухома фаза) рухається крізь колонку, різні компоненти суміші по-різному взаємодіють із нерухомою фазою: деякі «ковзають» швидше, інші затримуються довше.
У результаті такого проходження через колонку висотою приблизно 15 см, на виході розділені речовини з’являються окремими зонами чи піками, які потім можна зібрати окремо. У навчальних лабораторіях Могилянки студенти бачать цей процес у реальному часі, використовуючи і класичні колонки, і сучасні автоматизовані системи.
Залежно від того, які сорбенти ми обираємо, пропускаємо розчинник або газ, на що саме ми наносимо сорбент, розрізняють різні види хроматографії.
Паперова хроматографія є найпростішим варіантом, де фільтрувальний папір служить нерухомою фазою та його носієм. Рухомою фазою зазвичай є розчинник, який піднімається вгору завдяки капілярним силам. Такий спосіб хроматографування є не лише простим, а і дешевим, не потребує складного обладнання та може бути здійснений за 10 хв «на колінці», маючи все необхідне під рукою. Так, вдома, використовуючи фільтрувальний папір як сорбент та медичний спирт як рухому фазу ви можете самостійно перевірити, які ж пігменти є у складі листя вашого улюбленого дерева чи квітки. Науковці ж найчастіше використовують цей метод як експрес-аналіз вмісту амінокислот та харчових барвників.
Дуже схожий метод до паперової – тонкошарова хроматографія (ТШХ). Вона відрізняється від паперової тим, що нерухомою фазою тут виступає тонкий шар сорбенту (наприклад, силікагелю або алюміній оксиду), який наносять на скло чи металеві пластинки. Такі підготовані пластини для ТШХ є комерційним продуктом, який можна купити у спеціалізованих фірмах та не витрачати дорогоцінний час на їх підготовку. Також, за рахунок промислового виробництва, ці пластинки за однакових умов дають однакові результати розділення, що дозволяє відтворювати результати з високою точністю та дешево і швидко перевіряти чистоту великої кількості зразків, ідентифікувати сполуки, контролювати перебіг реакцій, тощо.
Колонкова хроматографія є сучасним варіантом виконання розділення сумішей, за принципом того, як виник цей метод ще у 1903 році. Суміш речовин пропускають через вертикальну колонку, заповнену сорбентом. Різні компоненти суміші рухаються з різною швидкістю, і на виході ми можемо збирати ці розділені речовини у різні колби. І саме це є основною перевагою цього методу порівняно з паперовою і тонкошаровою хроматографією, є обсяг сумішей, які ми можемо розділяти. Паперова і ТШХ частіше використовуються як аналітичні методи, для визначення якісного складу сумішей. За допомогою колонкового варіанту ми можемо здійснювати препаративне – кількісне розділення, що і визначає основні напрямки застосування цього методу, а саме очищення синтезованих сполук, підготовка чистих зразків для подальших досліджень, очищення ліків від домішок, тощо. Однак, за часом розділення цей метод програє попереднім, а також потрібні більші витрати сорбенту та розчинників, що мотивувало хіміків вдосконалювати цей метод. Так, на основі цього принципу було розроблено велику кількість варіацій, що вже набули назв власних методів розділення.
Одним із таких «модифікованих» методів колонкової хроматографії є високоефективна рідинна хроматографія (скорочено ВЕРХ або HPLC). Це сучасний високоточний метод розділення, який здійснюють із використанням спеціальних приладів – хроматографів, які в автоматичному режимі здійснюють всі вже описані процеси та складаються із значної кількості додаткових елементів, таких як: насоси для створення тиску в системі та руху розчинника, сенсори, що на основі різних фізико-хімічних параметрів ідентифікують сполуки, комп’ютерна програма, що аналізує та реєструє все, що відбувається. Поєднання потужних насосів, що прокачують рідкий розчинник через колонку з дрібнодисперсним сорбентом, забезпечують ефективне розділення навіть дуже схожих за хімічною будовою молекул. Так, таке обладнання є дороговартісним, однак, за допомогою нього аналізують та контролюють якість ліків, продуктів харчування, розділяють складні суміші білків, вітамінів навіть у дуже малих концентраціях.
Іншим варіантом методу є іонообмінна хроматографія, за допомогою якої хіміки навчилися розділяти іони. Для цього як сорбент використовують спеціальні іонообмінні смоли, які притягують протилежно заряджені частинки у досліджуваній суміші. Цей метод був спеціально розроблений для очищення білків, розділення амінокислот та аналізу складу води.
Біохіміки, для яких важливо виділяти та очищувати антитіла, ферменти, гормони та інші біологічно активні речовини, пішли ще далі та розробили метод афінної хроматографії. Він базується на зміні сорбенту в колонковій хроматографії на специфічні молекули (або модифікування того ж силікагелю спеціальними групами), які вибірково «зчеплюються» з потрібними дослідникам молекулами. Наприклад, фермент взаємодіє з його субстратом або антитіла з антигеном. Такий метод є дуже специфічним та застосовується для обмеженого переліку біологічно активних речовин у біотехнології та медичній діагностиці.
Зовсім інше апаратурне забезпечення мають пристрої для газової хроматографії (ГХ). Цей метод отримав свою назву за рахунок використання інертних газів (гелій, азот) як рухомої фази замість розчинників. Сорбенти для цього методу теж незвичні, тому що носієм виступає не скляна колонка, а довга (декілька метрів довжиною) тоненька гумова трубка, на стінки якої нанесено сорбент. Продування інертного газу через таку трубку працює аналогічно до пропускання розчинника через колонку, дозволяючи розділити сполуки. Такий метод є дуже чутливим до найменшої кількості домішок у суміші та дозволяє аналізувати навіть розведені розчини. Найбільше своє застосування цей метод має для аналізу легких сполук: ароматів, розчинників, забруднювачів повітря, компонентів палива, харчових ароматизаторів, тощо.
Хроматографія – це не просто метод розділення речовин із підручника хімії, а багатофункціональний інструмент, що відкриває доступ до прихованої хімічної природи нашого світу. Вона показує, що кожна крапля, кожен аромат і кожен зразок містять цілий світ молекул, які можна дослідити, зрозуміти і використати на благо людей.
Від лабораторій, де студенти Могилянки роблять свої перші аналітичні відкриття, до високотехнологічних центрів, де тестують ліки або аналізують екологічні ризики, цей метод залишається незамінним. Він поєднує точність, гнучкість і надійність, що робить його справжнім рушієм сучасних інновацій: від розробки нових молекул до встановлення істини у складних криміналістичних розслідуваннях. Можливо, саме хтось із вас – майбутніх дослідників – за допомогою хроматографії створить нові ліки, очистить океан від забруднень або розкриє загадковий хімічний злочин. Тож, якщо вам цікаво, як працює світ – хімія вже чекає на вас. І почати знайомство з нею можна вже сьогодні.
Аліна Сікач, Національний університет «Києво-Могилянська Академія»
Засновник та видавець