1 Хроматография Классификация методов Применение Гель-фильтрация

1. Хроматография. Классификация методов. Применение. Гель-фильтрация. Примеры
Решение
Хроматография — это метод разделения и определения веществ, основанный на распределении компонентов между двумя фазами — подвижной и неподвижной. Неподвижной (стационарной) фазой служит твердое пористое вещество (часто его называют сорбентом) или пленка жидкости, нанесенная на твердое вещество. Подвижная фаза представляет собой жидкость или газ, протекающий через неподвижную фазу, иногда под давлением.
Компоненты анализируемой смеси (сорбаты) вместе с подвижной фазой передвигаются вдоль стационарной фазы. Ее обычно помещают в стеклянную или металлическую трубку, называемую колонкой. В зависимости от силы взаимодействия с поверхностью сорбента (за счет адсорбции или по какому-либо другому механизму) компоненты будут перемещаться вдоль колонки с разной скоростью. Одни компоненты останутся в верхнем слое сорбента, другие, в меньшей степени взаимодействующие с сорбентом, окажутся в нижней части колонки, а некоторые и вовсе покинут колонку вместе с подвижной фазой (такие компоненты называются неудерживаемыми, а время их удерживания определяет «мертвое время» колонки). Таким образом происходит быстрое разделение сложных смесей компонентов.
Существуют различные способы классификации хроматографических методов.
По физической природе неподвижной и подвижной фаз:
1. Жидкостная хроматография (если подвижная фаза жидкая).
2. Газовая хроматография (если подвижная фаза газообразная).
В зависимости от природы процесса, обусловливающего распределение сорбатов между подвижной и неподвижной фазами:
1. Адсорбционная хроматография — разделение за счет адсорбции основано на различии адсобируемости компонентов смеси на данном адсорбенте.
2. Распределительная хроматография — разделение основано на различии в растворимости сорбатов в подвижной и неподвижной фазах или на различии в стабильности образующихся комплексов.
3. Ионообменная хроматография — разделение основано на различии констант ионообменного равновесия.
4. Осадочная хроматография — разделение основано на различной растворимости осадков в подвижной фазе.
5. Аффинная хроматография — основана на биоспецифическом взаимодействии компонентов с аффинным лигандом;
6. Эксклюзионная хроматография — разделение основано на различии и проницаемости молекул разделяемых веществ в неподвижную фазу. Компоненты элюируются в порядке уменьшения их молекулярной массы.
В зависимости от механизма сорбции:
Хроматография подразделяется на молекулярную, ситовую, хемосорбционную и ионообменную. В молекулярной хроматографии природой сил взаимодействия между неподвижной фазой (сорбентом) и компонентами разделяемой смеси являются межмолекулярные силы типа сил Ван-дер-Ваальса. К хемосорбционной хроматографии относят осадочную, комплексообразовательную (или лигандообменную), окислительно-восстановительную. Причиной сорбции в хемосорбционной хроматографии являются соответствующие химические реакции.
По технике выполнения (характеру процесса) разделяют хроматографию на:
1. Колоночную (неподвижная фаза находится в колонке).
2. Плоскостную (планарную) — бумажную и тонкослойную (неподвижная фаза — лист бумаги или тонкий слой сорбента на стеклянной или металлической пластинке).
3. Капиллярную (разделение происходит в пленке жидкости или слое сорбента, размещенном на внутренней стенке трубки); хроматографию в полях (электрических, магнитных, центробежных и других сил).
По агрегатному состоянию фаз:
Газовая хроматография
Газо-жидкостная хроматография
Газо-твёрдофазная хроматография
Жидкостная хроматография
Жидкостно-жидкостная хроматография
Жидкостно-твёрдофазная хроматография
Жидкостно-гелевая хроматография
Сверхкритическая флюидная хроматография
Хроматография широко применяется в лабораториях и в промышленности для качественного и количественного анализа многокомпонентных систем, контроля производства, особенно в связи с автоматизацией многих процессов, а также для препаративного (в т. ч. промышленного) выделения индивидуальных веществ (например, благородных металлов), разделения редких и рассеянных элементов.
Гель-фильтрация (гель-хроматография) — метод разделения смеси веществ с различными молекулярными массами путем фильтрации через различные так называемые ячеистые гели. Метод основан на различии скорости их диффузии в гелях. Гель-фильтрация широко используется для определения величин молекулярных масс, обессоливания растворов нативных белков, концентрирования растворов полимеров. В медицине гель-фильтрацию применяют для диагностического разделения белков сыворотки крови, получения очищенных препаратов ферментов и др.
Гель-фильтрацию проводят на хроматографических колонках, заполненных набухшим гранулированным гелем (например, гелем сефадексов, биогелем и т. п.).

2. Объясните, для чего нужно очищать коллоидные растворы? Охарактеризуйте компенсационный диализ и вивидиализ. Приведите схемы. Перечислите возможности этого метода. Значение очищения биологических систем
Решение
Для получения коллоидных растворов с наибольшей устойчивостью и для изучения их свойств необходимо удаление из золей всевозможных примесей и в первую очередь избытка электролитов, которые, как правило, образуются при получении коллоидных растворов. Наиболее распространенными методами очистки коллоидных систем являются диализ, электродиализ и ультрафильтрация, основанные на свойстве некоторых материалов – так называемых полупроницаемых мембран (коллодия, пергамента, целлофана и т. п.) – пропускать ионы и молекулы небольших размеров и задерживать коллоидные частицы.
Прибор для очистки золей методом диализа называется диализатором; простейший диализатор представляет собой сосуд, нижнее отверстие которого затянуто полупроницаемой мембраной. Золь наливают в сосуд и помещают последний в ёмкость с дистиллированной водой (обычно проточной); ионы и молекулы примесей диффундируют через мембрану в растворитель.

Схема диализатора
Для очистки биологических жидкостей, представляющих собой коллоидные системы, применяют компенсационный диализ, в котором вместо чистого растворителя используют физиологические растворы, содержащие в своем составе те же низкомолекулярные вещества (и в том же количестве), что в норме должны присутствовать в дисперсной системе. В результате из крови удаляются только чужеродные «шлаки», т. е. продукты метаболизма, распада тканей.
Компенсационный диализ используется для исследования состава биологических жидкостей, избирательной очистки их от строго определенных низкомолекулярных примесей. В этом случае омываемый раствор содержит только те вещества, которые нужно сохранить в исходной системе.
С помощью компенсационного диализа можно не только определить природу тех или иных примесей в биологической жидкости, но и установить их концентрацию. Разновидностью компенсационного диализа является вивидиализ, в ходе которого очистку биологической жидкости (крови) осуществляют «вживую». При этом в концы перерезанного кровеносного сосуда вставляются стеклянные канюли. Их разветвленные части соединяются между собой трубочками, стенки которых образованы полупроницаемым материалом. Вся система снаружи омывается физиологическим раствором.

Схема аппарата для вивидиализа
Сочетание вивидиализа и ультрафильтрации используется в аппарате «искусственная почка», предназначенном для очистки крови при острой почечной недостаточности. Данное устройство оперативным путем подключают к системе кровообращения больного. Кровь под давлением, создаваемым специальным насосом, протекает в узком зазоре между двумя мембранами, омываемыми снаружи физиологическим раствором. Благодаря большой рабочей поверхности мембран (~15 000 см2) «шлаки» достаточно быстро (в течение нескольких часов) удаляются из крови, а жизненно необходимые низкомолекулярные вещества (неорганические соли, глюкоза, аминокислоты и т. п.) остаются в ней.

3. Объясните, чем обусловлено светорассеяние в дисперсных системах и в истинных растворах? Какие уравнения используются для определения характеристик рассеивания света? С помощью каких параметров можно количественно охарактеризовать рассеивание света в системе?
Решение
При падении света на дисперсную систему наблюдаются следующие явления, в зависимости от природы веществ входящих в систему, размеров частиц и длины электромагнитной волны:
прохождение света через систему;
преломление света частицами дисперсной фазы;
отражение света частицами дисперсной фазы;
рассеяние света;
поглощение (абсорбция) света.
Прохождение света имеет место для истинных растворов и дисперсных систем с размером частиц значительно меньше длины волны падающего света. Для грубодисперсных систем, в которых размеры частиц превышают длину электромагнитной волны характерно преломление и отражение света. Для систем, в которых частицы дисперсной фазы соизмеримы с длиной волны падающего света, как это наблюдается для коллоидных растворов, характерно такое явление как светорассеяние или опалесценция.
Световой луч, проходя через коллоидную систему становится видимым в виде светящейся полосы конической формы. Это явление впервые наблюдал М. Фарадей (1957), а затем подробно описал Дж. Тиндаль (1969) при прохождении пучка света через коллоидный раствор («конус Фарадея–Тиндаля»).
Истинные растворы свойством светорассеяния не обладают и являются оптически пустыми.
Теорию светорассеяния создал Рэлей. При прохождении световой волны переменное во времени электромагнитное поле вызывает поляризацию частиц. Возникающие диполи с переменными электромагнитными моментами являются вторичными источниками излучения света. Таким образом, если в системе есть неоднородности, такие как коллоидные частицы, то диполи излучают во всех направлениях – рассеяный свет. Однако интенсивность рассеяного света в различных направлениях неодинакова. Длина волны рассеяного света в отличие от люминесценции и комбинационного рассеяния, такая же, как и у падающего, и такое рассеяние называется упругим.
Рэлей вывел уравнение зависимости общей интенсивности рассеяного во всех направлениях света I от интенсивности падающего I0:

V – объём одной частицы;
ν – частичная концентрация (число частиц в единице объёма);
λ – длина волны;
n0 – показатель преломления среды;
n1 – показатель преломления вещества частицы.
Уравнение справедливо при следующих условиях:
частицы имеют правильную сферическую форму;
частицы не проводят электрический ток;
частицы не поглощают свет;
частицы оптически изотропны;
расстояние между частицами больше длины волны падающего света.
Величина

называется также мутностью системы и является важной характеристикой способности системы к рассеянию света.
Если источник света содержит волны разной длины (как например, белый свет), то сильнее будут рассеиваться более короткие световые волны синей части спектра. Волны красной части спектра рассеиваются в меньшей степени. По этой причине неокрашенный золь в отражённом и рассеяном свете имеет голубоватую окраску, а в проходящем свете – красноватую. В случае освещения золя монохроматическим светом его окраска не изменяется.
Интенсивность рассеянного света тем больше, чем больше частичная концентрация ν. Массовая концентрация (с, г/дм3) связана с частичной концентрацией выражением:
c = ν · V · ρ,
где ρ – плотность частицы.
Если подставить в уравнение Рэлея взамен частичной концентрации массовую, получим:

где — константа, зависящая от показателей преломления среды и дисперсной фазы.
Таким образом, интенсивность рассеяного света пропорциональна объёму частицы и, следовательно, кубу её линейного размера.

4. Объясните, в чем суть явления денатурации белков и чем оно объясняется. Приведите примеры
Решение
Денатурация белков — это процесс, при котором нарушается нативная пространственная структура молекулы белка под влиянием разных внешних воздействий, который также сопровождается изменением биологических и химико-физических свойств продукта. Кроме того, при денатурации белков первичная структура молекулы белка, как правило, сохраняется, но вторичная и третичная нарушаются.
Денатурация белков наблюдается в случае нагревания и замораживания пищевых продуктов под вероятным действием кислот, излучений, щелочей, а также резких механических воздействий и ряда прочих факторов.
В процессе денатурации белков замечаются такие изменения, как резкое снижение растворимости белков, утрата их видовой специфичности, биологической активности и способности к гидратации. Помимо этого, заметно улучшение атакуемости протеолитическими ферментами и повышение реакционной способности белков.
Вдобавок, при денатурации белков может происходить агрегирование белковых молекул в более крупные, что внешне (визуально) выглядит, к примеру, как образование «белка» при жарении яиц.
Потеря белками биологической активности как результат термической денатурации становится причиной инактивации ферментов и отмирания микроорганизмов. Однако потеря белками видовой специфичности не снижает пищевую ценность продукта.
Денатурация часто приводит к тому, что в коллоидном растворе белковых молекул происходит процесс агрегации частиц белка в более крупные. Визуально это выглядит, например, как образование «белка» при жарке яиц.
Ренатурация — процесс, обратный денатурации, при котором белки возвращают свою природную структуру. Не все белки способны ренатурировать, — у большинства белков денатурация необратима.

5. Объясните, в чем состоит отличие электрических свойств аэрозолей и лиозолей
Решение
Электрические свойства частиц в системах с газообразной дисперсионной средой значительно отличаются от электрических свойств этих частиц в системах с жидкой средой. Это связано, главным образом, с большим различием диэлектрических свойств и плотностей жидких и газообразных сред. Электрические свойства лиозолей и суспензий в отличие от свойств аэрозолей находятся в равновесии с остальными свойствами системы. Как правило, в лиозолях и суспензиях такое равновесие устанавливается очень быстро, и частицы одной природы приобретают один и тот же равновесный электрический потенциал, характерный для данной межфазной границы, и одинаковое состояние двойных электрических слоев.
Несмотря на то, что электролитическая диссоциация в газовой среде практически отсутствует, частицы в аэрозолях тем не менее имеют электрические заряды. Они приобретают их при столкновении друг с другом или с какой-либо поверхностью, а также в результате адсорбции газовых ионов, образующихся при ионизации газов, например космическими, ультрафиолетовыми, радиоактивными лучами. Так как электрическое равновесие в аэрозолях устанавливается очень медленно, то распределение зарядов между частицами является чисто случайным. Частицы одной природы и одинакового размера могут иметь разные заряды, отличающиеся даже по знаку. В обычных условиях газовых ионов очень мало и частицы аэрозоля сталкиваются с ними редко (одно столкновение за период от нескольких секунд до нескольких минут). При столкновении нейтральная частица может получить заряд, а у заряженной частицы он может увеличиться, уменьшиться или нейтрализоваться. Таким образом, заряд частицы в аэрозолях постоянно изменяется.
При отсутствии специфической адсорбции на поверхности частиц аэрозолей (т. е. при условии одинаковой адсорбируемости положительных и отрицательных ионов) величины их зарядов будут колебаться около среднего нейтрального значения, так как вероятности встречи с положительными и отрицательными ионами одинаковы. Таким образом, электрические свойства частиц аэрозолей отражают тепловое движение ионов, частиц, и их можно характеризовать с помощью статистических законов.
Эксперименты и расчеты показывают, что заряды частиц аэрозолей при отсутствии специфической адсорбции очень малы и обычно превышают элементарный электрический заряд не более чем в 10 раз.
Важным отличием аэрозолей от жидких дисперсных систем является отсутствие электронейтральности системы в целом. Суспензии, эмульсии, лиозоли в макроколичествах не имеют заряда, в них соблюдается закон электронейтральности. Аэрозоль даже в больших количествах может обладать значительным статическим зарядом, а седиментация приводит к его неравномерному распределению в системе, что создает серьезные трудности при рассмотрении закономерностей изменения свойств аэрозолей.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

четыре × пять =

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.

Adblock detector