Михаил Семенович Цвет заинтересовался природой хлорофилла, который делает листья зелеными. Роль этого вещества в природе огромна: с его помощью в живом листе световая энергия Солнца превращается в химическую энергию органических соединений.
Профессор Цвет насыпал в стеклянную трубку тонко измельченный порошок чистого мела, смочил его бензолом, налил сверху немножко раствора хлорофилла, извлеченного из свежего листа (самый верхний слой порошка, конечно, сразу окрасился в зеленый цвет), и стал медленно, по каплям подливать в трубочку с мелом бензол. По мере того как окрашенный слой промывался бензолом, зеленое колечко вслед за растворителем начало передвигаться вниз по трубке. Потом (в этом-то и заключалось замечательное открытие Цвета) оно стало постепенно разделяться. Появилась узкая желтая полоска, она двигалась по трубке наиболее медленно, ее опередила желто-зеленая полоса, перед которой шла широкая зелено-синяя полоса, две желтые и в самом низу двигалась еще одна полоса, тоже желтого цвета. Тщательный анализ показал, что над верхней желтой полоской располагалась еще одна - бесцветная. Своим опытом Цвет доказал, что хлорофилл имеет сложное строение, и эта работа легла в основу новой науки.
Компоненты вещества, подобно световым лучам в спектре, расположились друг за другом в столбе порошка в виде окрашенных полос. Это явление было названо хроматограммой, а сам метод исследования - хроматографией, от греческих слов "хроматос" - окраска, "грамма" - считывание и "графия" - запись.
Что же происходило в "хроматографической колонне" - стеклянной трубочке, набитой порошком мела?
Зеленый раствор вытяжки из листьев обесцвечивается, как только приходит в соприкосновение с порошком мела, а мел становится зеленым. Молекулы всех соединений, входящих в состав хлорофилла, извлеченного из листа, осаждаются на поверхности частиц мела. Поглощение растворенно го вещества, паров или газов поверхностью твердых тел или жидкостью химики называют сорбцией, а вещества-поглотители - сорбентом. На этом явлении и основаны все хроматографические методы разделения смесей, сверхтонкой очистки вещества и анализа.
Захваченные поверхностью твердого тела - сорбента молекулы могут переходить обратно в раствор - элюент, снова поглощаться и вновь растворяться, бесчисленное множество раз меняя свое состояние. Между раствором (бензолом в опытах Цвета) и сорбентом (порошком мела) устанавливается равновесие: на поверхности частиц мела находятся почти все молекулы, а в растворе почти совсем нет. Но в этом-то "почти" и заключается сущность хроматографического эффекта.
Немногие молекулы, находящиеся в растворе, увлекаются вниз по трубке вместе с потоком растворителя. Но по пути они медленно осаждаются вновь на другие частицы мела, а вместо них переходят в раствор новые молекулы. Поток растворителя непрерывно поступает сверху в трубку. В верхней части сорбированного вещества становится все меньше и меньше, в нижней части - все больше и больше. Постепенно цветная прослойка продвигается в виде колечек через сорбент вниз по трубке.
Молекулы с разным составом или строением осаждаются (сорбируются) на твердой поверхности по-разному. Одни - прикрепляются немного прочнее, другие - несколько слабее. Одни - дольше находятся в связанном состоянии и меньше в растворе; другие - чуть дольше задерживаются в растворе и быстрее увлекаются потоком растворителя.
Поэтому окрашенная смесь различных веществ постепенно разделяется на составные части. И каждая такая часть сосредотачивается в своем слое. Двигаясь с разной скоростью вдоль трубки, эти слои расходятся все дальше друг от друга - образуется хроматограмма. Каждое отдельное цветное кольцо соответствует какому-то одному химическому соединению.
Столбик сорбента из трубки можно либо разрезать на слои и получить их отдельно в чистом виде, либо, продолжая промывку бензолом, собирать раствор от каждого цветного слоя отдельно, по мере того как они выходят из колонны с потоком растворителя.
Это напоминает забег на дистанцию спортивных команд в разноцветных костюмах. Те, кто использует для "передышки" на участках дистанции (колонны) меньше времени, окажутся впереди, а кто отдыхал дольше - в середине или позади. Так и растягивается эта цепь "микробегунов" по всей длине колонны. Или другая похожая аналогия: как скорость забега спортсменов зависит от состояния их здоровья и физических возможностей, так и скорость движения компонентов вещества по колонне находится в зависимости от размеров молекул и их химической природы.
Бесцветные вещества обнаруживают, освещая их ультрафиолетом, под действием которого очень многие соединения флюоресцируют, или "проявляют", обработав реактивом, который их окрашивает.
Среди новых методов анализа наиболее часто используется газожидкостная хроматография. Сорбентом в ней служит нелетучая жидкость, которой смочена, например, растертая в порошок керамика (иногда - обыкновенный кирпич), а движущейся средой - любой инертный газ. При помощи этого метода исследуют сложные смеси, содержащие сотни компонетов.
Система их разделения удивительно проста: все происходит в тоненькой металлической или пластмассовой трубочке диаметром 0,2-0,4 мм. Чтобы достичь высокой степени разделения, трубочку приходится делать очень длинной. Скажем, для анализа земляничного аромата (воздуха, окружающего ягоды) потребовалась колонна длиной 120 метров. Свернутую в спираль трубку помещали в термостат, температура в котором постепенно повышалась. Это было необходимо для того, чтобы изучить и те компоненты земляничного запаха, которые ягода выделяет только в жаркий солнечный день. Через колонну пропускали аргон, облученный радиоактивным источником. Радиоактивный газ ионизовал органические вещества, порождая электрический сигнал, который после усиления подавался на записывающее устройство. Чувствительность такого прибора очень велика и сравнима со спектральным и масс-спектрометрическим методами анализа: он обнаруживает одну тысячную часть миллиардной доли грамма вещества (10-12 г). А всего для полного анализа достаточно нескольких миллиграммов смеси.
Запах свежей земляники оказался очень сложным. Чтобы создать аромат ее спелых ягод, в маленькой "лаборатории" растения синтезируется не менее девяноста шести сложнейших органических душистых соединений.
Чтобы изучить состав нефти, потребовалось сконструировать хроматографическую колонну длиной около полукилометра. На ней удалось не только установить число различных компонентов сырой нефти (их оказалось около шестисот), но и расшифровать формулу каждого из них.
Хроматограммы получают и на бумажных полосках. Такую полоску подвешивают вертикально и нижний ее конец погружают в сосудик с растворителем. Впитываясь в бумагу и поднимаясь по ней вверх, растворитель с разной скоростью перемещает отдельные составные части из смеси. На бумажном листе образуется хроматограмма - цветные полосы. По их положению и окраске можно определить, что входит в состав изучаемого вещества. Трудноразделимые смеси часто обрабатывают дважды, разными растворителями и пропускают в двух взаимно перпендикуляр ных направлениях, получая двухмерную хроматограмму.
Очень похожа на бумажную хроматография в тонком слое. На стеклянную или пластмассовую пластинку наносят тонкий равномерный слой хорошо измельченного сорбента. Сам процесс хроматографического разделения идет так же, как и на бумаге. Тонкослойная хроматография обладает существенными преимуществами: разделение протекает значительно быстрее, а главное, легче выбрать наиболее подходящие сорбенты.
Хроматограммы позволили не только понять, из каких составных частей - аминокислот - состоит белок различных живых организмов, но и определить порядок их чередования в молекуле белка. А расшифровав состав табачного дыма, выяснили, что он состоит из сотни различных соединений, в том числе канцерогенных, вызывающих раковые заболевания.
С помощью хроматографии легко устанавливается факт применения спортсменами возбуждающих средств - допингов: достаточно взять на анализ капельку крови, чтобы определить их присутствие.
Еще более перспективен метод ионообменной хроматографии. Он отличается от способа М. С. Цвета тем, что вместо нейтрального сорбента - мела, крахмала, угля - применяются полимерные вещества - ионообменные смолы. Каждая крупинка такого сорбента - как бы гигантская молекула кислоты (смолы-катионита) или основания (смолы-анионита) - вступает в реакцию ионного обмена.
Ионообменные смолы нерастворимы. Тонкий порошок такой смолы в хроматографической колонне поглощает ионы тяжелых металлов из раствора, замещая их на кислоту или щелочь. Так, например, готовят воду для питания паровых котлов на больших тепловых электростанциях. Вода очищается от ила и песка и поступает в колонну, наполненную катионитовой смолой. В ней полностью поглощаются соли кальция и магния, делающие воду "жесткой", вместо них появляются ионы водорода - образуется кислота. Подкисленная вода проходит колонну, в которой анионы образовавшихся кислот нейтрализуются, и получается чистая вода. Ионообменные смолы превращают даже соленую морскую воду в пресную, пригодную для питья, и извлекают ценные металлы из промышленных сточных вод.
На ионообменной колонне смогли разделить смесь изотопов редкоземельных элементов. Радиоактивность каждой капли раствора, вытекающего из колонны, измерялась отдельно. Оказалось, что чем выше порядковый номер элемента, тем быстрее он выходит из колонны при хроматогра фическом разделении. И чередование элементов удивительным образом точно соответствует их взаимному положению в периодической системе элементов: америций (№ 95), кюрий (№ 96), берклий (№ 97) и калифорний (№ 98).
Метод, созданный М. С. Цветом 95 лет назад, сегодня применяют во всех областях науки и техники. Он не устарел, и его возможности далеко не исчерпаны.
Физпрактикум
ХРОМАТОГРАММА НА ПРОМОКАШКЕ
Попробуем самостоятельно получить бумажную хроматограмму, разделив на компоненты жидкость сложного состава. Для этого нам понадобится по нескольку капель разноцветных чернил, краски или туши и лист промокательной или фильтровальной бумаги.
Смешаем чернила, получив темную жидкость неопределенного цвета. Нанесем капельку жидкости в центр бумажного листа. Затем точно в середину цветного пятнышка начнем по каплям приливать чистую воду. Каждую каплю нужно вносить только после того, как впитается предыдущая.
Вода играет роль элюэнта, переносящего исследуемое вещество по сорбенту — пористой бумаге. Вещества, входящие в состав смеси, поглощаются бумагой по-разному: одни хорошо удерживаются ею, а другие впитываются медленнее и продолжают некоторое время растекаться вместе с водой. Вскоре по листу бумаги начнет расползаться настоящая красочная хроматограмма: пятно одного цвета в центре, окруженное разноцветными концентрическими кольцами. Так можно получить самые разнообразные, очень красочные узоры.
