ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ХРОМАТОГРАФИИ
10.1. Общие сферы Диапазон применения хроматографических методов огромен: от анализа атмосферы планет Солнечной системы до полного анализа содержимого одной живой клетки. Исключительную роль хроматография играет в химической, нефтехимической, газовой, пищевой, целлюлозно-бумажной и многих других отраслях промышленности, прежде всего в технологическом контроле и автоматическом поддержании оптимального режима производства, в контроле исходного сырья и качества готовой продукции, анализе газовых и водных сбросов производства. На каждом из 150 крупных заводов в России в технологическом контроле постоянно функционируют от 100 до 600 газовых хроматографов. Тысячи газовых, жидкостных и ионных хроматографов эксплуатируются в лабораториях Госсанэпиднадзора, экологических центрах, токсикологических лабораториях, в учреждениях Водоканала, в лабораториях Госкомгидромета, в ветеринарных лабораториях, на станциях защиты растений, в лабораториях судебной и судебно-медицинской экспертизы.
10.2 Пищевая сфера
В пищевой промышленности и биотехнологии хроматография является основным процессом выделения анализа технологий получения различных веществ, идентификации вирусов гриппа, энцефалита, бешенства и ящура, очистки вакцин, промышленного производства инсулина, других белков и полипептидов. На промышленную основу поставлено хроматографическое выделение фуллеренов, сапонинов, гистонов, плазмидов, ДНК, антибиотиков и многих других ценнейших природных и синтезируемых веществ. Наиболее распространенным методом определения содержания пестицидов в продуктах питания является газовая хроматография, которая с достаточной точностью позволяет определять широкий спектр пестицидов и инсектицидов в зернопродуктах. Хроматографические методы незаменимы в контроле качества пищевых продуктов. Пищевую ценность продуктов определяют, анализируя аминокислотный состав белков, изомерный состав жирных кислот и глицеридов в жирах, углеводы, органические кислоты и витамины. В последние годы многие из этих анализов выполняются с помощью высокоэффективной жидкостной, или газо- хроматографии. Для оценки безопасности продуктов в них выявляют пищевые добавки (консерванты, антиоксиданты, подслащивающие вещества, красители и др.), определяют свежесть продуктов, устанавливают ранние стадии порчи и допустимые сроки хранения. В пищевых продуктах методами хроматографии можно обнаружить такие загрязняющие вещества, как пестициды, нитрозамины, микотоксины (афлатоксины, охратоксин А, зеараленон и др.), полиядерные ароматические соединения, биогенные амины, нитраты и др. Загрязнение пищевых продуктов возможно и вследствие проникновения вредных веществ из материалов упаковки, в частности, хлористого винила, бензола, пластификаторов и др. В мясных продуктах определяют анаболитические стероиды, гормоны и другие типы фармацевтических препаратов, злоупотребление, которыми характерно для интенсивного животноводства. Отдельная область применения газовой хроматографии - анализ состава аромата пищевых продуктов. Обнаружены тысячи летучих компонентов, из которых лишь несколько десятков определяют характер запаха(см. фильм «Парфюмер»), остальные придают запаху и вкусу продукта индивидуальность. Методом газовой хроматографии в некоторых сырах выявлено много нежелательных физиологически активных биогенных аминов, и эти сорта сыра были запрещены. В Японии в пищевых продуктах используется L-триптофан, полученный с помощью генной инженерии и биотехнологии. И когда у тысяч людей обнаружили неизвестное ранее заболевание и десятки заболевших умерли, хроматографическими методами было установлено, что эти трагические последствия вызваны наличием токсичных загрязнений в триптофане (выявлено 60 примесей). Газохроматографическому анализу подвергаются вина, коньяки и другая спиртосодержащая продукция. В 1997 г. в России вышел ГОСТ по определению методом газовой хроматографии микропримесей в водке и пищевом этиловом спирте. В последние годы возникло новое направление - энантиоселективный анализ компонентов пищи. По соотношению оптических изомеров аминокислот, оксикислот и некоторых иных соединений можно однозначно установить, является ли данный продукт натуральным или содержит синтетические имитаторы и добавки. Энантиомерный анализ показал, что микроволновая обработка пищевых продуктов, в отличие от жесткой термической, не приводит к рацемизации аминокислот. Однако все молочные продукты, подвергнутые процессам брожения, содержат немало (нетоксичных) D-аланина и D-аспарагиновой кислоты - продуктов жизнедеятельности молочнокислых бактерий.
10.3 Хроматография в медицине
Хроматография активно используется для диагностики заболеваний. Хроматографический контроль биохимических маркеров и метаболитов применяется для скрининга населения и выявления опасных заболеваний, подтверждения специфических заболеваний, мониторинга эффективности терапии или появления противопоказаний, предсказания прогноза лечения, определения рецидивов заболевания. В одних случаях для надежной диагностики заболевания достаточно оценить уровень нескольких биохимических маркеров, в других - определяется метаболический профиль многих компонентов. Биологическими маркерами являются сравнительно небольшие молекулы: катехоламины, аминокислоты (например, гомоцистеин), индолы, нуклеозиды, порфирины, сахара, стероиды, гормоны, витамины, птерины и липиды. В роли маркеров могут выступать и большие молекулы: отдельные ферменты, белки и нуклеиновые кислоты. Профиль физиологических жидкостей у пациентов с различными заболеваниями значительно отличается от профиля здоровых людей. Профильные анализы проводятся у больных с наследственными метаболическими нарушениями, при онкологических, сердечно-сосудистых, психических и неврологических заболеваниях, а также при диабете и порфириазе. Недавно было установлено, что у больных СПИДом в профиле появляются измененные нуклеозиды. В медицинских центрах различных стран по результатам анализа биохимических маркеров диагностируется более 200 метаболических болезней. Недостаточная летучесть и нестабильность при повышенной температуре многих биологически активных соединений исключают использование газовой хроматографии при анализе биологических жидкостей, и тогда на помощь приходит высокоэффективная жидкостная хроматография. Концентрация многих маркеров в биологических жидкостях крайне низкая (10-9-10-12 г/л), поэтому нужны высокочувствительные и селективные детекторы, например амперометрический и флуоресцентный. Во многих случаях хирурги должны получать данные хроматографического анализа в крайне сжатые сроки - от 5 до 20 минут. Анализ биологических жидкостей необходим также для исследования кинетики и селективности распределения лекарственных препаратов между различными тканями и органами, установления терапевтического уровня лекарств и скорости их выведения из организма, изучения процессов метаболизма. Вообще фармацевтические фирмы стали главным потребителем современной хроматографической аппаратуры. Поиск и создание новых лекарств, особенно с привлечением методов комбинаторной химии, теперь уже просто немыслимы без хроматографии.
10.4 Хроматография и радиационная безопасность
Важнейшей мерой по повышению радиационной безопасности населения является контроль содержания радионуклидов цезия-137, 134 и стронция-90 в пищевой продукции в соответствии с допустимыми уровнями удельной активности (ДР -97). Он осуществляется спектрометрами, предназначенными для измерения удельной активности гамма-бета-излучающих нуклидов в продуктах питания, биопробах, почве, пробах окружающей среды.
10.5 Хроматография в безопасности жизнедеятельности человека
Аналитический контроль важен при расследовании таких частых преступлений, как употребление наркотиков и спиртных напитков, неумышленные и умышленные отравления, злоупотребления лекарствами, а также при убийствах, пожарах, кражах, взрывах, авариях. По статистике, объектами хроматографического анализа чаще всего становятся наркотики (морфин и его производные, кокаин, каннабиноиды, ЛСД и др.), амфетамины, барбитураты, бензодиазепины, различные лекарства и яды, этанол, метанол, ацетон, изопроанол, толуол, хлороформ, дихлорэтан, этилацетат и другие растворители. Составлены обширные базы данных газохроматографических индексов удерживания и масс-спектров токсикологически значимых веществ, лекарств, ядов, пестицидов, загрязнителей и их метаболитов. В судебной экспертизе методом хроматографии анализируют нефтепродукты и горюче-смазочные материалы, использованные в случае поджогов, выявляют факты подделок и фальсификаций горюче-смазочных материалов. Анализируют также лакокрасочные материалы и покрытия, в том числе частицы окраски автомобилей, красящие компоненты чернил для идентификации письменных материалов или определения давности документов, древесину, взрывчатые вещества, продукты взрывов и выстрела. Сотни работ опубликованы по хроматографическим анализам биологических объектов для судебной экспертизы, в частности, крови, сыворотки, мочи, слюны, пота, выдыхаемого воздуха, волос человека, образцов ткани и др.
10.6Направления развития явления хроматографии
Явление хроматографического разделения компонентов подвижной фазы при ее прохождении через полярную, или даже, неполярную неподвижную фазу, может быть использовано не только в хроматографическом анализе. Оригинальны методы хроматографического анализа в контроле пищевых продуктов, промышленных процессов, мониторинге загрязнений окружающей среды, в медицине и других жизненно важных областях. Ныне явление хроматографии все больше привлекается к поиску путей интенсификации промышленных химических процессов. Заманчив процесс индивидуального разделения компонентов исходных и реакционных сред, основанный на различии их адсорбционных свойств. Существующие методы разделения смешанных веществ- фильтрация,упаривание, ректификация, возгонка, сушка и т.д., в наш век энерго- и ресурсо- расточительности, исчерпали свои возможности. Необходимо искать другие основы разделения веществ и одной из них является различие в энергиях адсорбции индивидуальных компонентов на поверхностях разной энергетической способности. Любая поверхность (неподвижная фаза), включая бытовой стол, обладает избыточной энергией нескомпенсированных химических связей и, следовательно, способна устанавливать связь с молекулами других веществ с разной энергией активации(прочностью связи).Например, при пуске струи воздуха в колонну, заполненную адсобентом (молекулярными ситами-цеолитами), головная часть струи за счет хроматографического эффекта разделяется и начинает обогащаться кислородом, как менее прочно адсорбирующимся на поверхности цеолитов, компонентом. Следом за ним начинает концентрироваться азот. Данный эффект затрагивает только головную часть потока воздуха и, при его длительном продолжении, исчезает. Если же на выходе из колонны поставить управляющее устройство идентификации и переключения потока и собирать головные «пробки» кислорода и азота в разные емкости в течение определенного времени, то можно получить более энергосберегающий, использующий внутренние ресурсы разделяемых веществ (разная адсорбционная способность) способ разделения воздуха, который получил название в патентной литературе «Способ разделения воздуха методом адсорбции со сдвигом давления». Он оперативен, менее энергоемок и экологически чист. Явление хроматографического разделения веществ может быть использовано в разработке принципиально новых типов химических реакторов – дисретных. В таких конструкциях в ходе дисретного катализа реакционная среда не только превращается, но и хроматографически разделяется, устраняя тем самым эффект торможения каталитического процесса образующимися продуктами. На использовании этого эффекта можно создавать малогабаритные, но более производительные реакторы. Другой пример использования явления хроматографии применен к созданию теории образования слоев в горных и других породах. До сих пор геологи объясняют эффект образования слоев в земной поверхности только осадочными механизмами. Однако, почему многие миллионы лет из воды осаждались молекулы только, например, голубой глины, а затем только красной и т.д. В предлагаемом механизме нет движущей силы. Если предположить, что неподвижной фазой является земля, а подвижной – внешние, или подземные воды, перемещающиеся внутри земли в зависимости от погодных условий и барометрического давления, то наблюдаемое разделение слоев вполне можно принять как хроматографическое. Данное явление описано и опубликокано автором в начале 21-го столетия в трудах конференции «Циклы». Вот на это, т.е. на поиск других областей отклика явления хроматографического разделения веществ и его использования, на совершенствование с его помощью существующих технологий, методов анализа и защиты окружающей природной среды, которые, в итоге, получаются более экологически чистыми, менее энерго и ресурсорасточительными и должна быть направлена работа молодых специалистов-выпускников нашего университета. Решение высказанных задач было бы невозможны без массового выпуска современных хроматографов. Хроматографическое приборостроение сконцентрировало в себе последние достижения микроэлектроники, пневматики, теплотехники, оптики, высокоточной механики, автоматики, микропроцессорного управления и компьютерной обработки данных. Высокий спрос на хроматографическую аппаратуру позволил фирмам-производителям вкладывать большие средства в непрерывное совершенствование хроматографов. Современная хроматография - это и мощная отрасль промышленного производства. Сотни фирм во всем мире выпускают хроматографическую аппаратуру и вспомогательное оборудование на сумму более 5 млрд. долл. ежегодно. В последние десятилетия наметилась тенденция к миниатюризации хроматографической аппаратуры. Портативные хроматографы, сохраняющие аналитические характеристики стационарных приборов, незаменимы в полевых условиях, однако они становятся все более популярными и в лабораториях, так как потребляют меньше электроэнергии, газов-носителей или растворителей, занимают меньше места. Создаются капиллярные и наноколонки для жидкостной хроматографии, которые напрямую сочетаются с масс-спектрометрометрическим детектором. Следующий актуальный для XXI столетия уровень миниатюризации - это приборы на основе кремниевой технологии - на чипах. Микотоксины (в переводе с греческого - грибные яды) отличаются высокой токсичностью. Известно, что пшеницу, ячмень и кукурузу может поражать фузариоз, вызываемый грибом Fusarium. При этой болезни в зерне образуются микотоксины, зеараленон и дезоксиниваленон. Попадая с кормом в организм животных, они могут накапливаться в организме, а, значит, в мясе, молоке. При этом афлатоксин В1 превращается в яд для человека. Ученые указывают на связь микотоксинов с заболеванием почек и раком пищевода. В литературе отмечалось, что афлатоксины угнетают рост, физическое и умственное развитие детей. Известно более 10000 штаммов, продуцирующих около 300 токсических соединений, которые влияют на состав крови человека, снижают иммунитет, нарушают работу нервной системы, вызывают образование опухолей, аномалии развития новорожденных. К микотоксинам, выделяющимся своей распространенностью и токсическим свойствами относятся афлатоксины (В1, В2, L1, L2, М1), дезоксиниваленон, зеараленон, патулин, Т-2 токсин, охратоксин А и ряд других. Учитывая опасность употребления зерна, зараженного микотоксинами, большое значение приобретает его систематическая сертификация. Для обнаружения, идентификации и количественного определения микотоксинов используют высокоэффективную жидкостную хроматографию (ВЭЖХ) с УФ-фотометрическим и флуориметрическим детектированием (для серийных и арбитражных-анализов). Однако высокая стоимость приборов и оборудования для ВЭЖХ делает этот метод малодоступным для рутинных анализов. Тонкослойная хроматография - наиболее дешевый метод качественного и полуколичественного анализа всех видов микотоксинов, выполняемый с помощью специального оборудования на тонких пластинах, покрытых слоем сорбента. Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) относятся к наиболее сильным канцерогенным веществам. Загрязнение пищевых продуктов ПАУ может происходить несколькими путями. Прежде всего, это загрязнение окружающей среды (выбросы металлургических, коксохимических производств, ТЭЦ, автотранспорта). Высокий уровень загрязненности ПАУ наблюдается в зерне, овощах и фруктах, выращенных в экологически неблагополучных районах, а также при некоторых технологических обработках пищевых продуктов. Особое внимание следует уделить контролю за содержанием бензапирена в зерне при его сушке горячими газами. Высокая канцерогенность и мутагенность ПАУ, их химическая стабильность требуют особого внимания в плане контроля за их содержанием. Резюмируя изложенное выше, следует отметить, что для систематического эффективного контроля качества зерна, зернопродуктов и хлебобулочных изделий по показателям безопасности требуются химические лаборатории, оснащенные сложнейшими приборами, и высококвалифицированные специалисты.
11.0 ПАТЕНТНЫЕ СВЕДЕНИЯ
Информацию о хроматографии и области ее применения легко найти в компьютерных поисковых системах с введением в них ключевых слов «Хроматографический анализ, «Хроматография в промышленности (Медицине, сельском хозяйстве и т.д.) В научной литературе описаны различные конструкции хроматографов. Например, Газовый хроматограф инженера А. С. Айрапетяна. Хроматограф с программированием давления газа-носителя. Концентратомер жидких сред. Хроматограф с программированием давления газа-носителя. Газовый хроматограф с линейным программированием давления газа-носителя. Регистратор хроматографа. Способ газохроматографического анализа сложных смесей. Хроматограф с программированием давления газа-носителя.
|
