Kromatograafia

Kromatograafia on üldmõiste mitmesuguste laboratoorsete füüsikalis-keemiliste meetodite kohta, mida kasutatakse uuritavate ainete segu komponentide lahutamiseks paljukordse sorptsiooni ja desorptsiooni tingimustes. Mõiste kromatograafia hõlmab vastavaid meetodeid, protsesse ja teadusharu.

Lihtsustatult: ainete segu süstitakse kromatograafilisse kolonni, edasi kantakse see läbi sorbendi (liikumatu faas) sobiva vedeliku või gaasi vooluga (liikuv faas). Segu komponentide spetsiifilise sorptsiooni ja desorptsiooni tulemusena toimub nende jaotumine liikumatu ja liikuva faasi vahel vastavalt jaotuskoefitsientidele ning nende aktide paljude korduste tagajärjel komponendid liiguvad edasi eri kiirustega. See viib ainete lahutumisele ning moodustuvad kiiremini ja aeglasemalt liikunud komponentide tsoonid. Protsess teostatakse kas kolonnis, kapillaaris, paberil või plaadil. Lahutunud komponendid detekteeritakse füüsikaliste või keemiliste meetoditega.

Eesmärgi põhjal jagunevad kromatograafilised meetodid preparatiivseteks ja analüütilisteks. Preparatiivse kromatograafia korral on eesmärk saada teatud hulk lahutatud komponenti(te) edasiseks kasutamiseks. Seega on tegu kromatograafilise puhastamisega. Analüütilise kromatograafia korral kasutatakse oluliselt väiksemaid ainete koguseid (enamasti mikrogrammides) ja eesmärk on määrata komponentide suhteline sisaldus segus.

Kromatograafia on andnud väga efektiivsed meetodid, mida kasutatakse peaaegu kõigis keemialaborites. Umbes kolmandik kõigist analüüsidest tehakse tänapäeval kromatograafia abil. Välja on arendatud automatiseeritud ja arvuti juhitavad kromatograafilised seadmed spetsiifiliste ülesannete lahendamiseks, sealhulgas gaaside, anorgaaniliste ioonide, mitmesuguste orgaaniliste ühendite ja biokeemiliste segude lahutamiseks.
Kromatograafiat kasutatakse ainete puhtuse kontrolliks, keskkonnareostuse määramisel, keemiliste protsesside kontrolliks jne.

Paljudel juhtudel võimaldavad kromatograafilise analüüsi meetodid ka aineid identifitseerida. Selleks kasutatakse standardühendeid varieeruvates tingimustes või kasutatakse etteantud tingimustes retentsiooni aegade, õigemini retentsiooniindeksite, võrdlust teadaolevate väärtustega. Tandem kromatograaf-spektromeeter seadmed, (näiteks GC-MS) võimaldavad ka lahutatud komponentide struktuuri identifitseerimist.

Meetodi näitlikustamine 
Kromatograafia näitlikustamiseks saab kasutada jõe analoogiat. Jões on liikuv faas vesi ja jõepõhi seisab paigal. Vette visatakse korraga hulk erinevaid osakesi. Vees liikuvad osakesed jäävad aeg-ajalt jõepõhja kinni. Mõned jõeveega kaasa liikuvad asjad jäävad tihedamini põhja kinni kui teised, seetõttu on osakeste liikumiskiirus erinev. Allavoolu asuv vaatleja märkab, et erinevad asjad jõuavad sinna erinevatel aegadel. Samal ajal startinud osakeste hulk on lahutatud.

Pleki eemaldamine rõivalt
Kodus rõivastelt plekkide eemaldamisel märgmeetodil (veega, seebiveega või lahustiga) saate pärast õhus kuivamist ilmselt näotud mustuseringid märgunud ala äärtel. Põhjuseks mitmesuguste mustusekomponentide kromatografeerumine tsentrist äärtele (vt Tsirkulaarkromatograafia). Seda saab lihtsalt vältida, kui mitte lasta märjal alal õhus kuivada, vaid kuivatada seda paljukordselt alt- ja pealtpoolt vettimava paberiga, vajutades nii kuivaks kui võimalik; see lõpetab vedeliku difusiooni keskelt äärtele.

Ajalugu
Sõna "kromatograafia" on tulnud kreeka keelest: |k|r|əʊ|m|ə|ˈ|t|ɒ|g|r|ə|f|i, milles χρῶμα chroma "värvus" ja γράφειν graphein "kirjutama".

Kromatograafia kui nähtus oli teada juba 19. sajandil. Esmane kromatograafiline lahutamine omistatakse Vene-Itaalia päritolu botaanikule Mihhail Tsvetile (1872–1919), kes töötas Varssavis, Tartus ja Voronežis. 20. sajandi algul kasutas M. Tsvet kaltsiumkarbonaadiga täidetud kolonni taimede pigmentide eraldamiseks. 1901. a kirjeldas ta kromatograafilise lahutamise tööpõhimõtet avalikult Looduseuurijate ja Arstide kongressil Peterburis, 1903 avaldas selle kirjalikult ja 1907 tutvustas seda meetodit Saksa Botaanikaseltsis. Aastatel 1910–1930 kromatograafilise lahutamise meetod oli praktiliselt unustatud. Alles 20. sajandi keskel arendati välja rida jaotuskromatograafilisi tehnikaid (A.J.P. Martin ja R.L.M. Synge, said Nobeli auhinna 1952), sealhulgas gaasikromatograafia. Sellele järgnes nende meetodite väga kiire areng.

Eestis alustati gaasikromatograafiaalase uurimistöö ja aparatuuri väljatöötamisega 1960. aastatel TA Keemia Instituudis (Olaf Eiseni juhtimisel). Analüütilisi ja preparatiivseid kromatograafe konstrueeriti ja valmistati TA Spetsiaalses Konstrueerimisbüroos ning Võru Gaasianalüsaatorite Tehases.

Kromatograafiamõisteid
 
adsorptsioon – aine kontsentreerumine tahke aine pinnale, siin tahke adsorbendi pinnale; vastupidine protsess on desorptsioon
analüüt – analüüsiks võetud proovis olev aine (komponent), mille sisaldust määratakse
analüütiline kromatograafia – meetod ainete segus teatud komponentide olemasolu või suhtelise sisalduse määramiseks
detektor – seade (kromatograafi osa), mis reageerib kolonnist väljuvate komponentide kontsentratsioonile
eluent – see on vedel aine või lahus või gaas lahutatavate ainete segu liikumatust faasist (kolonnist) läbivoolutamiseks. Enamasti kasutatakse orgaanilist solventi või solventide segu; teatud meetodite puhul kasutatakse vesilahuseid, mis sisaldavad puhvrit või pindaktiivset ainet jm. Eluendi tähenduses on kasutatud ka terminit "vooluti"
eluaat – see on täidiskolonni läbinud eluent koos elueerunud ainetega
kandegaas – kandegaasi (H2, N2, He, Ar) voolu kasutatakse gaasikromatograafias uuritavate ainete segu kromatograafilisest täidiskolonnist või kapillaarkolonnist läbivoolutamiseks
kolonnkromatograafia – seda mõistet kasutatakse kahes tähenduses: a) üldisemas tähenduses on tegemist kromatografeerimisega kasutades täidiskolonni ehk pakitud kolonni, milles on peeneteraline tahke täidis nagu adsorbent või sobiva vedelikuga immutatud tahke kandja või geel või ioniit; täidiskolonni saab kasutada preparatiivsel eesmärgil või analüütilisel eesmärgil kromatograaflises seadmes: b) kitsamas, meetodi mõistes tähendab kolonnkromatograafia ainete segu (preparatiivset) lahutamist kasutades täidiskolonni
kromatograaf – kompleksne seade, mida kasutatakse ainete segu kromatograafiliseks lahutamiseks koos tulemuste registreerimisega
kromatograafiline kolonn – metallist, klaasist või kvartsist kolonn, milles on liikumatu faas ja milles toimub segu komponentide lahutumine; lahutamise efektiivsust näitab nn teoreetiliste taldrikute arv (analoogselt rektifikatsiooniga)
kromatografeerimine – ainete lahutamise protsess mingi kromatograafilise meetodi abil
kromatogramm – kromatograafi detektori signaali registreerimisseadme väljund graafiliselt paberil või numbrilisel kujul; tavaliselt registreeritakse kolonnist väljumisel komponentide kontsentratsiooni ajalisele muutusele vastavad piigid (dc/dt)
liikumatu faas ehk statsionaarne faas – kromatograafilise kolonni tahke peeneteraline täidis (adsorbent või kõrgeltkeeva vedelikuga immutatud tahke kandja või geel või ioniit jm) või kapillaarkolonni seinale kantud sobiv raskeltlenduv vedelik või immobiliseeritud faas
liikuv faas ehk mobiilne faas – lahutatavate ainete segu kolonnist läbivoolutamiseks kasutatav gaas (nimetatakse kandegaas), vedelik või ülekriitiline fluidum; liikuva faasi alla tuleb lugeda ka lahutatavate ainete segu komponendid, mis kanduvad eluendiga läbi kolonni
preparatiivne kromatograafia – meetod teatud koguse segust eraldatud aine saamiseks
retentsiooniaeg – antud kromatografeerimise tingimustes ainele iseloomulik kolonni läbimise (sisestusest kuni detektorini) aeg
piik – ideaaljuhul vastab kromatogrammil igale lahutunud ainele kolmnurgasarnane piik; praktikas esinevad ka rohkem või vähem liitunud piigid
seotud faas ehk immobiliseeritud faas ehk keemiliselt seotud statsionaarne faas – kolonni seinale või täidisele kovalentsete sidemetega seotud statsionaarne faas
sorptsioon – gaasi või vedeliku neeldumine vedelikus või tahkes aines; sorptsioon on üldine mõiste tähistamaks absorptsiooni, adsorptsiooni või kemosorptsiooni; vastandprotsess on desorptsioon 
tahke kandja – kromatograafias kasutatav tahke peeneteraline materjal (silikageel, tärklis, tselluloos, diatomiit jm), mis on immutatud vee või mõne orgaanilise vedelikuga (statsionaarne faas)
termostaat – reguleeritava temperatuuriga kamber, milles asub kromatograafiline kolonn; kasutatakse isotermilist või programmeeritavat temperatuurirežiimi

Kromatograafilised meetodid
Ainete kromatograafilise lahutamise olemus ehk mehhanism põhineb erinevate ainete osakeste füüsikaliste või keemiliste omaduste erinevustel. Vastavalt sellele valitakse statsionaarne faas. Lahutamise mehhanism ongi üks olulisemaid karakteristikuid, mille alusel võib kromatograafilised meetodid klassifitseerida järgmiselt:
adsorptsioonkromatograafias toimub lahutamisprotsess tahke adsorbendi (silikageel, alumiiniumoksiid, aktiivsüsi, alumosilikaat) pinnal, adsorbendiga täidetud kolonnis või kromatograafilisel plaadil;
jaotuskromatograafias toimub lahutamisprotsess tahkele materjalile (tahkele kandjale või kapillaari seinale) kantud vedelikus, milles korduvad sorptsiooni ja desorptsiooni protsessid; ainete segu lahutumine põhineb komponentide kahe erineva mitteseguneva vedelfaasi (üks liikuv teine statsionaarne faas) vahel jaotumise erinevustel; jaotuskromatograafia tuntumad meetodid on GLC, HPLC, vedelikuga immutatud kandja korral ka kolonn-, paber- ja õhukese kihi kromatograafia;
ioonivahetuskromatograafias toimub ioonide lahutamine tahkel polüelektrolüüdil (ioniidil), toimuvad ioonivahetusreaktsioonid lahustunud proovi ja ioniidi vahel;
eksklusioonkromatograafia ehk suuruseralduskromatograafia (SEC) geelfiltratsioon, geelkromatograafia (GPC), molekulaarsõel kromatograafia) puhul segu läbivoolutamisel poorsest polümeersest materjalist või geelist või molekulaarsõeltest molekulid väljuvad kolonnist sõltuvalt nende suurusest;
afiinsuskromatograafia on meetod bioproovide lahutamiseks spetsiifilise interaktsiooni läbi; siin statsionaarse faasiga seotud ligandid omavad spetsiifilist afiinsust eraldatava (lahutatava) aine suhtes;
sadestuskromatograafia põhineb lahutatavate ainete erinevusel moodustada vähelahustuvaid erinevate lahustumiskoefitsientidega ühendeid.

Statsionaarse faasi vormi, see on lahutamise protsessi tehnilise lahenduse alusel jagunevad meetodid järgmiselt: 
tasapinnalised ehk planaarkromatograafia meetodid: paberkromatograafia, mis teostatakse spetsiaalsel paberil, ja kiht- ehk õhukese kihi kromatograafia (TLC); viimasel juhul (ad)sorbent paikneb õhukese (0,2–2 mm) kihina plaadil;
kolonnkromatograafia – kasutatakse liikumatu faasiga (adsorbendiga või vedelikuga immutatud tahke kandjaga või ioniidiga või geeliga) täidetud kolonni – preparatiivset või analüütilist täidiskolonni (pakitud kolonn); 
kapillaarkromatograafia – kasutatakse ilma täidiseta pikka kapillaarkolonni (metall, klaas või kvarts läbimõõduga 0,2–0,6 mm), mille sisepinnale on kantud õhuke vedeliku kiht ja selles toimub ainete lahutumine;
mikrosüsteemid – kasutatakse mikrosüsteem-plaati, milles on miniatuurne kanalite süsteem.

Proovi läbi statsionaarse faasi voolutamiseks saab liikuva faasina (mobiilse faasina) kasutada gaase, vedelikke või fluidumeid. Vastavalt sellele on liigitus järgmine:
gaasikromatograafia (GC): ainete segu kantakse läbi liikumatu faasi inertse kandegaasi (H2, N2, He, Ar) vooluga; 
vedelikukromatograafia (LC): ainete segu kantakse läbi liikumatu faasi eluendi (solvendi) vooluga, näiteks kolonnkromatograafia, TLC või HPLC;
ülekriitilise fluidumi kromatograafia (SFC): enamasti kasutatakse ülekriitilises olekus süsinikdioksiidi, s.t kõrge rõhu all.

Keemiliste ainete kromatograafilise lahutamise protsess on vältimatult seotud läbiviimise vormi, statsionaarse ja mobiilse faasi valikuga. Nende kolme kombinatsioon annab konkreetse meetodi. Spetsiifiliste ülesannete tarvis on välja töötatud hulgaliselt modifitseeritud meetodeid.

Praktikas kasutatakse tihti kromatograafiliste meetodite klassifikatsiooni, mis põhineb aparatuurse lahenduse viisil, olenemata lahutusprotsessi mehhanismist. Siin võiks nimetada järgmisi väga efektiivseid ja levinumaid tehnikaid:

gaasikromatograafilised meetodid – need on gaasikromatograafia (GC) ja gaasi-vedelikukromatograafia (GLC või ka lihtsalt GC) meetodid pika täidis- või kapillaarkolonniga; 
levinuim meetod on gaasi-vedelikukromatograafia lenduvate ühendite lahutamiseks, kus ainete eraldamine toimub pikas klaasist või kvartsist kapillaarkolonnis, mille sisepind on kaetud sobiva vedeliku (statsionaarne faas) õhukese kihiga;
kõrgsurve vedelikukromatograafia meetodid – nüüdisajal kasutatakse väga peeneteralisi täidiseid ja süsteemis suhteliselt kõrget rõhku; siia kuuluvad vedelik-vedelikukromatograafia (HPLC), ioonivahetus-, eksklusioon- (HPSEC)-, afiinsus- ja muud kromatograafiameetodid;
levinuim meetod on vedelik-vedelikukromatograafia, nimetatakse kõrgefektiivne ehk kõrgsurve vedelikukromatograafia, mille puhul eristatakse mitmeid modifikatsioone nagu normaalfaasi vedelikukromatograafia (NPLC, kus statsionaarne faas on polaarne ja liikuv faas on mittepolaarne); pööratud faasi kromatograafia (RPLC või RP-HPLC, see on vedelikukromatograafia protseduur, milles liikuv faas on oluliselt polaarsem kui liikumatu faas); ultrakõrgsurve (ka ultraefektiivne) vedelikukromatograafia (UPLC või UHPLC), kus kasutatakse ekstra peeneteralist täidist); mitsellaarne vedelikukromatograafia (MLC, kus liikuv faas on pindaktiivset ainet sisaldav vesilahus); kiraalne kromatograafia (see on meetod enantiomeeride lahutamiseks kasutades kiraalset liikuvat või kiraalset liikumatut faasi);
planaarkromatograafia meetodid – need on paber- ja õhukese kihi kromatograafia (TLC) meetodid, mis valdavalt realiseeruvad jaotuskromatograafiana, kuna kandjal on tavaliselt adsorbeerunud vesi;
kolonnkromatograafia on meetod, kus preparatiivsel eesmärgil kasutatakse ainete lahutamiseks täidiskolonni – ainete segu voolutatakse sobiva eluendi vooluga läbi (klaas)torus oleva tahke täidise.

Proovi kromatograafi sisestamise tehnikate valik võimaldab tõsta analüüsi efektiivsust. Klassikalise sissesüstimise kõrval kasutatakse mitmesuguseid eritehnikaid, tihti arvutiga juhitavaid:
klassikaline proovi sisestamine ühekordse kolonni sissesüstimise teel;
korrelatsioonikromatograafia (CC) – arvutiga juhitavad-analüüsitavad protsessid, kus proov sisestatakse kromatograafi palju kordi (sadu kordi) lühikese ajavahemiku jooksul;
proov sisestatakse kolonni pideva voona.

Kombineeritud meetodid (hübriid- ja tandemtehnikad):
 
kahedimensionaalne kromatograafia – esimese lahutamise käigus saadud fraktsioonid suunatakse edasi teistsuguse mehhanismiga lahutamisele;
elektrokromatograafia (elektromigratsioon pluss kromatograafia) – kasutatakse kromatograafiale iseloomulikke statsionaarseid faase, liikuv faas on elektrit juhtiv keskkond ja selle liikumapanevaks jõuks on elektriväli; näiteks kapillaarne elektrokromatograafia (CEC) ühendab kapillaarelektroforeesi ja HPLC iseloomu; 
pürolüüsikromatograafia – enne gaasikromatograafi kolonni sisenemist kuumutatakse proov kiiresti, nii et suured molekulid lagunevad andes väiksemad lenduvad fragmendid, mis edasi lahutatakse kolonnis ja on karakteersed olenevalt algmaterjalist;
gaasikromatograafia-massispektromeetria (GC-MS) meetodite ühendamine võimaldab kohe lahutamise järgselt proovis leidunud komponentide struktuuri määrata (ühendeid identifitseerida);
vedelikukromatograafia-massispektromeetria (LC/MS);
nüüdisajal kasutatakse pürolüüs-gaasikromatograafi-massispektromeeteri ühendsüsteeme.

Kromatograafiline analüüs

Kromatograafiline analüüs on laboratoorne ainete lahutamise ja koostise uurimise meetod, kusjuures kasutatakse kromatograafilisi protseduure ainete (analüütide) esinemise ja nende suhtelise sisalduse määramiseks uuritavas proovis.

Preparatiivne kromatograafia

Preparatiivne kromatograafia on ainete lahutamise meetod, mis võimaldab saada teatud hulga lahutatud komponenti(te) edasiseks kasutamiseks.

Vaata ka
Kvantitatiivne kromatograafiline analüüs 
Adsorptsioon
Kromatograaf
Analüütiline keemia
Lahutusmeetodid keemias

Viited

Välislingid

 Tartu Ülikooli teaduskool