khimie.ru

Создателем метода хроматографии является российский ботаник и биохимик Михаил Семенович Цвет. Впервые о своих результатах, полученных в 1901 — 1903 гг. в Петербурге и Варшаве, М. С. Цвет доложил 21 марта 1903 г. на заседании биологического отделения Варшавского общества испытателей природы. Доклад назывался «О новой категории адсорбционных явлений и о применении их к биохимическому анализу». Материалы были в том же году напечатаны на русском языке. В 1906 г. М. С. Цвет опубликовал несколько статей в известном немецком журнале.

У хроматографии была своя предыстория. Адсорбция, которая во многих вариантах хроматографического метода играет существенную роль, была обнаружена Т. Е. Ловицем в конце XVIII в. (сам термин «адсорбция» был введен позднее, в 1835 г.). В исследование адсорбционных явлений немалый вклад внесли в XIX в. Г. Фрейндлих, В. Оствальд и др. Во второй половине XIX в. Ф. Гёппельсрёдер (Базельский университет) разработал так называемым капиллярный анализ. Ученый опускал в анализируемый раствор полоски фильтровальной бумаги. Различные вещества, содержащиеся в растворе, поднимались по бумаге вместе с растворителем и через некоторое время занимали определенное положение на полоске. В результате можно было судить о числе компонентов смеси. Л. Рид разделял неорганические и органические соли на колонке с каолином. Д. Т. Дэй в 1897 г. разделил компоненты нефти, используя фуллерову землю, но неверно интерпретировал механизм разделения. Однако ни в одном из этих случаев нельзя было говорить о разработке хроматографии, как мы сейчас ее понимаем. Это было сделано именно М. С. Цветом. Он, возможно, был знаком с работами предшественников, принимал их во внимание (прежде всего капиллярный анализ Гёппельсрёдера), но это никак не умаляет значения его открытия.

Михаил Семенович Цвет родился в городе Асти, в Италии. Учился ботанике в Женевском университете, получил там докторскую степень в 1896 г. Вскоре приехал в Россию, где встретился с проблемой признания его докторского диплома: фактически он должен был заново подготовить и защитить диссертацию, что через несколько лет и было сделано. С 1897 г. М. С. Цвет работал в Санкт-Петербургской биологической лаборатории П.Ф.Лесгафта (частное исследовательское учреждение, существовавшее с 1894 г.), с 1902 г. — в Варшавском университете, с 1908 г. — в Варшавском политехническом институте. После эвакуации института в Россию во время Первой мировой войны М. С. Цвет недолго работал в Юрьевском университете (бывш. Дерптский, ныне Тартуский), в Нижнем Новгороде и, наконец, в Воронежском университете (с 1918 г.). Умер и похоронен в Воронеже.

В 1917 г. М. С. Цвет был выдвинут на Нобелевскую премию, но рецензенты не смогли должным образом оценить значение его работ.

Заслуга М. С. Цвета состоит в том, что он создал основы многоступенчатого сорбционного разделения сложных смесей, открыл проявительный метод хроматографии, существенно развил фронтальный вариант, установил возможность проведения процессов по вытеснительному способу, связал все разновидности хроматографии единым общим подходом. Интересны представления М. С. Цвета о физической природе адсорбции при хроматографическом разделении, об условиях, обеспечивающих высокую скорость установления адсорбционного равновесия, о расположении веществ в адсорбционные ряды и соответственно о закономерном порядке расположения их по длине колонки или выхода из колонки. Он отметил возможность адсорбции на поверхности, уже насыщенной другим адсорбированным веществом, четко показал сложность взаимодействий в системе сорбат—сорбент—растворитель. Автор хроматографического метода высказал мысль о целесообразности использования окислительно-восстановительных реакций и реакций гидролиза на поверхности адсорбентов и проведения химических реакций с веществами, чтобы облегчить разделение их в виде производных (реакционная хроматография). М. С. Цвет подробно изучил пригодность 126 адсорбентов, провел «модификацию» адсорбентов нагреванием. Он исследовал и сорбционные свойства воды, в какой-то мере наметив этим возникновение распределительной хроматографии. М. С. Цвет понима возможность использования хроматографического метода для количественного анализа, он предусматривал возможность введения в смеси реперных компонентов, чтобы облегчить идентификацию, и применил хроматографию для разделения бесцветных веществ. Он же указал на возможность изменения свойств подвижной фазы в ходе хроматографического процесса (градиентное элюирование).

М. С. Цвет разработал аппаратуру для жидкостной хроматографии (рис.), осуществил хроматографические процессы при откачке и некотором избыточном давлении, предложил методы приготовления эффективных колонок, использовал как микронасадочные, так и препаративные колонки, применил обратный поток подвижной фазы в колонке, обратил внимание на необходимость учета одновременного протекания в колонке адсорбционных явлений и чисто диффузионных процессов. Разделение веществ он осуществлял по методу как частичного, так и полного вымывания из колонки. 

Рис. Хроматографическое оборудование М. С. Цвета

(из его оригинальной статьи)

Ввел основные понятия и термины нового метода, включая название метода «хроматография», «проявление», «вытеснение», «хроматограмма» и др. В какой-то мере предвосхитил и появление хроматографии в тонком слое, отметив аналогию свойств полоски бумаги и слоя карбоната кальция, применяемого для хроматографирования растворов. Таким образом, М. С. Цвет вложил в хроматофию огромное богатство вариантов и способов, что сделало этот метод столь эффективным и пригодным для решения многообразных задач разделения и анализа.

В течение 10-15 лет хроматография не привлекала большого внимания, хотя отдельные работы были опубликованы. Ситуация быстро изменилась, когда этот метод стали активно использовать немецкие и швейцарские ученые, занимавшиеся главным образом химией биологически активных веществ (Р. Кун, А. Винтерштайн, Е. Ледерер, 1931; П. Каррер). В 1933 г. А. Винтерштайн выпустил уже сводку публикаций по хроматографии, которая получила большую известность. При получении Нобелевской премии в 1937 г. известный химик-органик П. Каррер подчеркнул решающую роль, которую сыграл хроматографический метод в его исследованиях каротиноидов, флавинов и витаминов А и В₂.

Первая книга о хроматографии была издана в 1938 г. венгерскими химиками Л. Цехмейстером и Л. Чолноки в Вене. В этой книге однозначно признавался приоритет М. С. Цвета (создатель хроматографии назван в этой книге «гениальным русским ботаником»). Хотя термин «хроматография» впервые появился в статье М. С. Цвета, опубликованной на немецком языке в 1906 г., он получил распространение именно благодаря книге Л. Цехмейстера и Л.Чолноки (этот термин вошел даже в название их книги).

После М. С. Цвета первыми достижениями отечественных специалистов в этой области стали работы М. М. Дубинина о разделении газов (1936), где по существу была реализована адсорбционная газовая хроматография в ее фронтальном варианте. Харьковские исследователи Н. А. Измайлов и М. С. Шрайбер в 1938 г. опубликовали первую статью о тонкослойной хроматографии. Их приоритет общепризнан, как и приоритет М. С. Цвета. Развитию и массовому применению тонкослойной хроматографии способствовали работы Э. Шталя, обобщенные в книге под его редакцией, вышедшей в 1956 г. (русское издание 1965 г.).

Хотя явление ионного обмена было известно давно, ионообменная хроматография стала оформляться в начале 1940-х гг. Ее развитию способствовало осуществлявшееся в рамках американкой Манхэттенского проекта разделение редкоземельных элементов и отчасти продуктов деления урана. Ионообменная хроматография оказалась очень удобным методом для подобных целей, особенно при использовании синтетических полимерных ионообменников. Распространение метода началось после войны и рассекречивания материалов атомного проекта. Однако особенно широкое распространение для решения аналитических задач ионнообменная хроматография получила после создания ионной хроматографии в 1975 г.

В 1952 г. английский биохимик и химик А. Мартин вместе с Р. Синджем получил Нобелевскую премию за разработку метода распределительной хроматографии. Имея опыт работы в области противоточной экстракции, А. Мартин применил этот принцип к колоночной хроматографии (практической целью было разделение смесей аминокислот). Неподвижной фазой служила вода на силикагеле как носителе, подвижной фазой — хлороформ. В ходе исследований А. Мартин и Р. Синдж обнаружили, что помимо силикагеля воду хорошо удерживает целлюлоза. Эта находка привела в 1944 г. к разработке метода бумажной хроматографии: в качестве носителя неподвижной фазы была использована фильтровальная бумага. Этот метод, родственный капиллярному анализу, быстро получил распространение и широко применялся в лабораториях, пока не был вытеснен тонкослойной хроматографией.

Еще более важным достижением А. Мартина было создание (в 1953 г.) совместно с Э.Т.Джеймсом метода газожидкостной хроматографии (ГЖХ). В этом случае подвижной фазой служит инерт­ный газ, например аргон или гелий, а в качестве неподвижной фазы используется инертный носитель, на поверхность которого нанесена нелетучая жидкость (высокомолекулярные спирты и др.). Метод ГЖХ получил широчайшее распространение.

Арчер Джон Портер Мартин — английский химик и биохимик, лауреат Нобелевской премии по химии 1952 г. Окончил в 1932 г. Кембриджский университет, работал до 1938 г. там же, с 1938 г. — в Исследовательской ассоциации шерстяной промышленности в Лидсе, изучал там белки, содержащиеся в шерсти; с 1946 г. в компании «Вооts Рurе Drug» (Ноттингем). В 1948—1952 гг. был сотрудником Государственного медицинского исследовательского совета, следующие 4 года руководил отделом физической химии Национального отдела медицинских исследований в Лондоне, затем в течение 2 лет — консультант по химии в компании «Welkom Fоundation». В 1959—1970 гг. А.Мартин был директором исследовательских лабораторий промышленной фирмы в г. Эбботсбари. В 1964—1974 гг. преподавал в Нидерландах (Эйндховенский технологический институт), а следующие 5 лет — в университет Хьюстона (Техас, США). В 1950 г. был избран членом Королевского общества.

В 1950-1960-е гг. было предложено еще несколько вариантов хроматографического анализа. Идеи аффинной (биоспецифической) хроматографии предложены в 1951 г. Д. Кемпбелом. В 1956-1957 гг. М. Голеем создан метод капиллярной хроматографии (вариант ГЖХ). Лигандообменную хроматографию предложил в 1961 г. Ф. Хельферих. В 1959 г. Дж. Порат и Р.Флори разработали метод гельпроникающей хроматографии для разделения макромолекул. В тонкослойном варианте этот метод реализовали Б. Г. Беленький и Э. А. Ганкина в 1969 г. Сверхкритическая флюидная хроматография была предложена в 1967 г. В качестве подвижной фазы в этом случае используют соединения, которые в условиях эксперимента (при соответствующих температурах и давлениях) находятся в сверхкритической области. Флюиды как бы обладают свойствами и газа, и жидкости. В этом случае можно использовать колонки и детекторы, предназначенные для газовой хроматографии. Плотность же и растворяющая способность приближается к соответствующим свойствам жидкостей.

К созданию высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) причастны несколько ученых, однако особая роль принадлежит Ш. Хорвату.

Шаба Хорват (1930 — 2004) — родился и учился в Венгрии, окончил Будапештский технический университет, но в 1956 г. покинул свою страну. Работал в течение нескольких лет в Германии, переехал в США, в Йельский университет, где и сделал все свои открытия. Ш.Хорват создал первый высокоэффективный жидкостной хроматограф. Предложил и развил ВЭЖХ с обращенной фазой.

Широчайшее использование хроматографии было бы невозможным без разработки и массового производства хроматографической аппаратуры. Первый серийный газовый хроматограф был выпущен в 1955 г. (фирма «Pеrkin-Е1mеr»), высокоэффективные жидкостные хроматографы появились в 1970-е гг.

Многое для развития аналитической хроматографии было сделано в Советском Союзе в 1970-1980-е гг. Можно выделить ряд достижений.

• Вакантохроматография. хромадистилляция, хроматография без газа-носителя, ступенчатая хроматография, дифференциальная и терационная хроматография (А. А. Жуховицкий, Н. М. Туркельтауб, 1951-1975).

•Блочные полимерные сорбенты, монолитные колонки (Л. Н. Москвин, Б. Г. Беленький, Т. Б.Тенникова совместно с профессором Ф. Швецем « (Чехия)).

Лигандообменная хроматография оптических изомеров (В.А.Даванков, 1968).

Жидкостно-газовая хроматография (Л. Н. Москвин, А. И. Горшков, Ф. Гумеров, О. В. Родинков (1982-1983).

Развитие парофазного анализа в газовой хроматографии (Б. В. Иоффе, А. Г. Витенберг, 1960-1970).

Хроматомембранный метод (Л. Н. Москвин и др., 1989-1994) Несомненными достоинствами обладали и некоторые аппаратуры разработки отечественных хроматографистов. Например, хроматограф «Сигма» для исследований Венеры, приборы серии «Цвет», микрокод ночные жидкостные хроматографы (М. А. Грачев, Г. И. Барам и др.)

Хроматография — прежде всего, конечно, аналитический метод, но она, начиная с работ М. С. Цвета, приобрела, кроме того значение препаративного метода. Хроматография — весьма информативный метод физико-химического исследования. Иногда хроматографию используют лаже как промышленную технологию разделения смесей. Однако аналитическое применение хроматографии существенно превалирует над другими областями ее использования. Решающую роль в таком развитии хроматографии сыграла не только ее уникальная разделяющая способность, но и удобство сочетания в режиме оп-1те с приборами для определе­ния разделенных вешеств — детекторами. Число детекторов для газовой и жидкостной хроматографии во второй половине XX в. быстро увеличивалось, для этой цели были использованы самые разные явления. Распространенными детекторами в газовой хро­матографии стали пламенно-ионизационный (И. Г. Мак-Уильям и Р.А.Дьюар, 1958), фотоионизационный, детектор по теплопроводности (катарометр), электронно-захватный и ряд других, в жидкостной хроматографии — спектрофотометрический, флуоресцентный с лазерным возбуждением, амперометрический.

Близкий к хроматографическим, хотя и не хроматографический метод капиллярного электрофореза сформировался в конце 1970-х − начале 1980-х гг. Его истоки относят к 1960-м гг., но основополагающими считают работы Ф. Эверертса и особенно Дж. Йоргенсона и К.Лукача. Исходная идея состояла в том, чтобы широко распространенный в биохимии метод гельэлектрофореза превратить в экспрессный метод анализа («рабочую лошадь в скакуна»). К началу 1990-х гг. метод капиллярного электрофореза стал очень популярным, на него возлагали большие надежды (оправдавшиеся не полностью). Многие фирмы стали разрабатывать и выпускать приборы для капиллярного электрофореза. Уже к концу столетия бум стал ослабевать, хотя метод широко используется в аналитических лабораториях.