طرق الفصل الكروماتوجرافي

• ذات صلة
• طرق الفصل الكيميائي
• طريقة حساب مساحة الدائرة

الفصل الكروماتوجرافي

مصطلح الكروماتوجرافيا هو تعريب للفظ كروماتوغرافيت المكون من شقيّن "كروماتو وغرافيت" ويعني حرفيًا "الكتابة الملونة"، استخدم لأول مرة من قبل العالم الروسي ميخائيل تسفيت في عام 1900 لوصف الطريقة المستخدمة لفصل مزيج من الأصباغ وفصلها عن بعضها البعض بواسطة مذيب، وكانت الكروماتوجرافي تقنية تستخدم لفصل الألوان أما الآن فهي عملية لفصل المكونات الممتزجة بغض النظر عن نوعها، وتتضمن عملية الفصل الكروماتوجرافي مرحلتين، المرحلة المتنقلة والمرحلة الثابتة.^[١]

إن الفصل الكروماتوجرافي يُعنى بفصل المواد "الأصباغ" عن بعضها البعض باستخدام سائل ما "مُذيب"، ويمكنك تقريب مفهوم الكروماتوجرافي باستخدام أدوات بسيطة من مطبخك، فمثلًا صبغة الطعام الخضراء التجارية لا تحتوي على أي مكونات خضراء اللون بشكل فعلي، وإنما هي في الواقع خليط من الأصباغ الزرقاء والصفراء. وإذا كنت من هواة التجارب العملية؛ ضع قطرة من صبغة الطعام الخضراء في منتصف منديل ورقي ثم قطّر الماء فوقها مباشرة، سوف تتسع قطرة الماء فور وصولها للمنديل وتبلله، مع تمدد الماء سوف تنتشر الصبغة وتتمدد هي الأخرى، وإذا تركت الصبغة تتمدد لفترة كافية، سترى أن الحواف بدأت تُصبغ باللون الأزرق، هذه هي بداية فصل المكونات في الصبغة الخضراء لألوانها الأساسية "الأزرق والأصفر"، باستخدام أدوات بسيطة: المنديل الورقي كحامل والماء كمذيب، ويمكن تحقيق فصل كامل لصبغة الطعام الخضراء باستخدام تقنية الكروماتوجرافي الورقية، وذلك بوضعك لمقدار قليل من الصبغة الخضراء على الحافة السفلية لورقة ما ولف الورقة ليصبح شكلها أسطوانيًا، ثبتها جيّدًا ثم ضع الورقة الأسطوانية بشكل عمودي داخل وعاء فيه كمية صغيرة من المذيب، وأحكم الإغلاق؛ فالخاصية الشعرية تسمح للماء بالتسرب للورقة، الأمر الذي يساعد في تحقيق الفصل الكامل للمكونات الزرقاء والصفراء للصبغة الخضراء.^[٢]

طرق الفصل الكروماتوجرافي

من الممكن تصنيف طرق الفصل الكروماتوجرافي تبعًا لعدة معايير مرتبطة بالنظام الهندسي لطريقة الفصل، أو النظام التشغيلي أثناء العملية، أو آلية حفظ المكونات المراد فصلها، أو المراحل والأطوار التي تمر بها المكونات أثناء العملية، ولتتمكن من الاطلاع على أكبر قدر ممكن من طرق الفصل الكروماتوجرافي سنستعرض بعضها سواء كان تصنيفها اعتمادًا على الشكل الهندسي لنظام الفصل، آلية حفظها وعملها، أو حتى مراحل الأطوار فيها:^[٣]

• الفصل الكروماتوجرافي العمودي: وهو مصنف وفقًا للنظام الهندسي لطريقة الفصل، إذ تحدث هذه العملية داخل أنبوب "عمود"، يُطلى الأنبوب من الداخل بمادة جزيئاتها شديدة التمسك بالعمود نفسه ووظيفتها حفظ الجو العام لعملية الفصل؛ فتبقي على ما يُسمى ب "الطور الساكن" وهو أحد أطوار الفصل الكروماتوجرافي، ثم يُمرر الطور الثاني للعملية داخل هذا الأنبوب الفارغ، ويُسمى الطور المار ب "الطور المُتحرك"، الأمر الذي يؤدي أخيرًا لفصل مكونات المادة المراد فصلها. وتعتمد فعالية هذة التقنية على حجم الجسيمات المستخدمة في العمود، فكلما كانت أصغر كانت الفصل أنجح، وذلك بسبب ارتباط حجم هذه الجزيئات مع الفجوة أو الفراغ فيما بينها "مدى تماسكها"، الأمر الآخر الذي يلعب دورَا كبيرًا في الفصل العمودي هو الضغط المستخدم إذ يحتاج الطور المتحرك ضغطًّا عاليًا جدًا ليتحرك خلال الأنبوب.
• كروماتوجرافيا السطح المستوي: وهي طريقة الفصل الثانية تبعًا للشكل الهندسي للنظام عند الفصل، دائمًّا هُناك طوران في الفصل الكروماتوجرافي: الثابت والمتحرك، الطور الثابت في هذه الطريقة من الفصل هي ورقة رقيقة ثنائية الأبعاد تُثبت في موضع واحدٍ، أمّا الطور المتحرك فيُمثّل بورقة أخرى أو شريط رفيع، في أنواع أخرى من الفصل السطحي مثل كروماتوجرافيا الطبقة الرقيقة، فالجسم الثابت هو طبقة رقيقة من الطلاء ذات جسيمات صلبة ترتبط ببعضها البعض فتخلق قوة ميكانيكية مع الجسم المطلي ويكون غالبًا لوحًا زجاجيًا أو صفيحة بلاستيكية، وتُعد كبريتات الكالسيوم من أكثر أنواع الطلاء المستخدم في هذه العملية شيوعًا. تُسَقَّط إحدى حواف "المستوى الثابت سواء كان ورقة أو لوحًا زجاجيًا مطليًا" في خزان من الطور المتحرك، وبفضل الخاصية الشعرية يتحرك الطور الثابت ليعامد الطور المتحرك، هذه الحركة الشعرية سريعة مقارنة بانتشار المذاب في الطور المتحرك، الأمر الذي يترك مخرجًا "معبرًا" واحدًا ضيقًا جدًا للمذاب، فيتحقق الفصل.
• الفصل الكروماتوجرافي التطوّري "التراكمي": وهذا النوع من الفصل الكروماتوجرافي صُنف وفقّا لطريقة تشغيل عملية الفصل نفسها، إذ تعتمد هذه الطريقة على إيقاف تدفق الطور المتحرك قبل أن يُنهي إيصال كافة المواد المذابة إلى نهاية الجزء المستخدم كطور ثابت. الطور المتحرك في هذه العملية يُسمى "المطور"، ويشار إلى تدفق السائل منه باتجاه الطور الثابت "بالتطوير"، وتستلزم هذه الطريقة من الفصل الكروماتوجرافي وجود أعمدة زجاجية بقطر يبلغ حوالي سنتيميتر واحد، وعينات كبيرة نسبة إلى حجم العمود الزجاجي، تبدأ عملية الفصل بعد بثق "حفر" العمود للجسم المستخدم كطور ثابت، نتيجة لهذا تتشوه مناطق وجود المادة المذابة المراد فصلها "المادة المُذابة توضع على الجسم المتحرك" ، تجمع المواد المذابة الفصولة عن طريق استخدام مذيبات معينة في عملية تُدعى "الاستخلاص"، وعلى الرغم من أن ذلك يتم بسهولة باستخدام المواد المذابة الملونة، إلا أن المواد اللاصقة عديمة اللون تتطلب طريقة ما للكشف، مثل امتصاص الأشعة فوق البنفسجية أو استخدام الكواشف التي من الممكن أن تتفاعل مع المذاب عديم اللون، فتصبغه بلونها ويسهُل اكتشافه وبالتالي فصله.
• الفصل الكروماتوجرافي بالغاز: و هي إحدى طرق الفصل الكروماتوجرافي المُصنف حسب حالة المادة أثناء مراحل الفصل ثم حالة المادة أثناء المراحل التالية له، ويُقسم الكروماتوجرافي الغازي إلى مرحلتين، يُستخدم نوعان من الغازات خلالهما، الأولى تستخدم مائعًا غازيًا كطور متحرك ويسمى الغاز الحامل والثانية تتضمن استخدام غازات صلبة وغازات سائلة، الغازات "الحاملة" المستخدمة تكون خاملة نسبيًّا أي أن التفاعلات ضعيفة للغاية بين جزيئاتها و جزيئات المواد المذابة، مثل: الهليوم والهيدروجين والنيتروجين، ولفلترة حجم جزيئات الغاز المستخدم ضمن مرحلة تُدعى "الاستبعاد" تُستخدم مناخل جزيئية، هذه المناخل يمكنها العمل على تنخيل الغازات ذات الوزن الجزيئي المنخفض فقط، وهي عملية الادمصاص التي بت تعرفها الآن، وتعطي نتائج متذبذة في حال استخدمت لفصل المواد الصلبة أي أن عملية الفصل لا تعطي مقدارًا ثابتًا من المواد المفصولة في كل مرة خلال نفس العملية، في حالة كروماتوجرافيا الغاز السائل فإن عملية الفصل تكون خلال مرحلة ثابتة سائلة تضمن بشكل ما أن تكون النتائج خطية "ثابتة" خلال نفس العملية. وفي حال كان الضغط معياريًا أثناء الكروماتوجرافيا للغاز، فإن المذاب إن كان في حالته السائلة يتصرف كما الغاز النبيل، أمّا في حال كان الضغط غير معياري "أقل أو أكثر من الضغط العالي"، فإن العملية بأساسها تبقى كما هي مع تغييرات بسيطة مثل الغازات المستخدمة، ومن الأمثلة على الغازات التفاعلية المستخدمة في الضغط العالي هي ثاني أكسيد الكربون وأكسيد النيتروز والأمونيا والهيدروكربونات وسادس فلوريد الكبريت والميثان المهلجن.
• الفصل الكروماتوجرافي السائل: تعتمد هذه الطريقة من الكروماتوجرافيا السائلة على ما يسمى ب "المرحلة الانتقالية السائلة"، وهناك أيضًا الكروماتوجرافيا السائلة الصلبة واسم مرحلتها "المرحلة الثابتة الصلبة"، المبدأ الأساسي للعمل بالفصل الكروماتوجرافي السائل هو الامتزاز أو الادمصاص، السليكا والألومينا من أشهر المواد الممكن استخدامها كممتزة خلال هذه المرحلة، وكلاهما يحتفظ بالمركبات القطبية "أي يمتزها"، وإذا استخدم طور متحرك من مادة قطبية، يتم امتزاز المذاب بسرعة من الطور الثابت، وبالتالي، فإن المرحلة الانتقالية السائلة الأفضل للفصل الكروماتوجرافي هي التي تتضمن مواد غير قطبية أو قليلة القطبية، وقد رتب الكيميائي الأمريكي "للويد سنايدر" المواد المُذيبة من حيث قدرتها على الإذابة وفق مقياس قوة اسمه "إيليوبروبك" eluropropic، وتصنف المواد من حيث قدرتها على الإذابة وفق سلوكها الكروماتوجرافي للذوبان استنادًا لقدرتها على تذويب السليكا خلال عملية الفصل الكروماتوجرافي، تتضمن هذه الطريقة طورين أحدهما ثابت وقطبي، والطور الثاني متحرك وغير قطبي أو أقل قطبية من الطور الساكن الثابت.

عمليات الفصل الكروماتوجرافي

ما حدث معك بالتجربة السابقة هو أن الماء ساعد بفصل المكونين الرئيسين للون اللأخضر بالصبغة عن طريق ادمصاصها – أي تجمع جزيئاتها- على سطح المنديل الأمر الذي وسع المسافات بين كل مكوّن وآخر، فالفصل الكروماتوجرافي قد يحدث خلال إحدى العمليتين التاليتين:^[٤]

• عملية الامتزاز "adsorb": وهي عملية قائمة على فكرة تمسك الأيونات أو الجزيئات الخاصة بالمادة المراد فصلها على سطح جسم ما، ثم تعريض هذا السطح لقوة جريان ضمن ظروف معيارية خاصة بهذه العملية، ما سيحدث هو أن جزيئات إحدى المكونات ستبقى على السطح فيما باقي المواد ستجري مع المذيب، وبالتالي يتحقق الفصل.
• عملية الامتصاص "absorb": وتعتمد هذه العملية على قوة جذب الجزيئات بين المادتين، ويمكنك ملاحظة عملية امتصاص المنديل الورقي للماء خلال تجربتك مثلًا، السِّيليلوز الموجود في المنديل الورقي قادر على سحب وامتصاص جزيئات الهيدروجين في الماء، بشكل أبسط يمكنك القول أن المنديل امتص الماء، نتيجة تكوين روابط جزيئية بينهما.

أطوار الفصل الكروماتوجرافي

صرت تعرف الآن أن الفصل الكروماتوجرافي ما هو إلا تقنية تحليلية نستخدمها لفصل خليط من المواد الكيميائية إلى مكوناته الفردية، بهدف تحليلها، وتعرف أيضًا بأن الكروماتوجرافيا تختلف في تقنياتها وأنواعها، فهناك على سبيل المثال، كروماتوغرافيا السوائل، وكروماتوغرافيا الغاز، وكروماتوجرافيا التبادل الأيوني، وكروماتوغرافيا التقارب، ولكن كل هذه التقنيات تسير بمبدأ واحد.

الأطوار الرئيسة الموجودة في الفصل الكروماتوجرافي عامة هما: "الطور الثابت الساكن و الطور المتحرك"، وهذان الطوران هما المسؤولان عن كيفية الفصل الكروماتوجرافي وتصنيفه، فيُصَنّف الفصل حسب الطور الساكِن أوّلًا ثم على حسب طبيعة الطور المُتحرك، من الممكن أن يكون الطور الساكن مادة صلبة أو سائلة، أي أنه لا يوجد نوع ثابت لحالة المادة المُشكلة للطور الثابت، وكذلك الطور المُتحرك قد يكون مادة في حالتِها السائِلة وقد يكون مادة في حالتها الغازية، فمثلًا في حال كان الطور الساكن مادة بجزيئات صلبة -مثلًا ألَومينا- ووُجد بنظام كروماتوجرافي له طور متحرك مكوّن من مادة سائلة، فإنّ مكونات المادة السائلة "الطور المتحرك" يعتمد معدل جريانها على مقدار احتكاكها مع سطح الطور الساكن "مادة ألومينا في المثال السابق"، بعض المواد تستطيع التحرر والانفلات خلال مدة قصيرة فيما تحتاج مواد أخرى لمدة أطول لتقاوم الاحتكاك مع سطح الطور المقابل وتتحرك.

أمّا في حال كان الطور الساكن من مادة سائلة فإن الاحتكاك أو مقاومة السطح لا تمثل عائقًا أمام تحركه، فحينها يعتمد معدّل حركة المكونات من أجل انفصالها على ذائبيتها في السطح نفسه، يمكنك القول بأن ما يحدث غالبًا في الفصل الكروماتوجرافي هو ادمصاص للجُزيئات؛ تحدث عملية الادمصاص عند تعرّض خليط مُذاب بطور مُتحرك على سطح الطور الساكِن، بمعنى أبسط يكون المركب المُراد فصله موجودًا على سطح الطور المتحرك، فيمدصه المركب الآخر على سطح الطور الساكن "نفس المادة المكونة للسطح"، ويعتمد وقت فصل المركّب على قوة ربط الجُزيئات بينه وبين السطح، فكلما زادت القوة الرابطة بين جزيئات المركب المراد فصله زاد الوقت اللازم لفكّه وفصله، ويعتمد أيضًا على مدى تفاعُل المادة المراد فصلها مع مادة الطورالمُتحرك.^[٥]

مَعْلومَة

يستخدم الفصل الكروماتوجرافي على نطاق واسع في مختلف تطبيقات علوم الحياة، إذ نرى العديد من التطبيقات للفصل الكروماتوغرافي في قطاعات الأغذية والبيولوجيا الجزيئية والطب الشرعي، المعلومات التالية تخص تطبيقات الفصل الكروماتوجرافي في القطاع الغذائي:^[٦]

• كشف التلف: يمكن استخدام الفصل الكروماتوجرافي في فحوصات النكهة للأطعمة واكتشاف التلف في المواد الغذائية، وتحدد جودة الأطعمة غالبًا والبحث عن مؤشرات التلف فيها وقياسها مثل حمض البيروفيك في الحليب، الكروماتوجرافيا العمودية تستخدم لفحص مكونات الحليب وفصلها وبالتالي معرفة قياس البكتيريا في حمض البيروفيك وتحديد جودة الحليب بناء عليه.
• تُستخدم طريقة الفصل نفسها لتقييم إجمالي الحمض العضوي للحليب وقياس اللاكتوز فيه، وتعد من أسرع تقنيات الفحص إذا ما قورنت بتقنيات مثل الطلاء البكتيري، والتي قد تستغرق عدة أيام لتظهر نتائجها. وتكمن أهمية الفحص الكروماتوجرافي بكون نتائجه سريعة الظهور، إذ يعد التحليل السريع أمرًا بالغ الأهمية في صناعة الأغذية لمنع تفشي التلف وتقليل المخاطر الصحية المحتملة.
• الكشف عن المواد المضافة للطعام: تضاف الإضافات إلى الأطعمة لتعزيز نكهاتها أو لإعطائها جاذبية بصرية، بعض هذه الإضافات يمكن معرفتها بسهولة في حين أن بعض المواد قد يكون من الصعب اكتشافها، فمثلًا، من الصعب اكتشاف وجود حمض الماليك المضاف في عصير التفاح لأن عصير التفاح يحتوي بشكل طبيعي على حمض الماليك، إلا أن حمض الماليك الاصطناعي يحتوي على حمض الفوماريك وبالتالي فإن وجود الفوماريك في عينة عصير التفاح هو مؤشر على أن حمض الماليك فيه تجاري، وتستخدم تقنية الفصل الكروماتوجرافي للكشف عن حمض الفوماريك في عصير التفاح وبالتالي تحديد إذا ما كان طبيعيًا أو صناعيًا.
• تحديد الجودة الغذائية: يمكن الاستدلال على جودة مادة غذائية ما بالكشف عن مكوناتها، فمثلًا استنفاد فيتامين سي في الأطعمة يعد مؤشرًا على استنفاد العناصر الغذائية الأخرى، وبالتالي يُراقب محتوى فيتامين سي من الأطعمة والمشروبات خلال جميع مراحل معالجة الطعام باستخدام الفصل الكروماتوجرافي العمودي.

المراجع

1. ↑ By Jingjing Li, Wei Han, Yan Yu (29-5-2013), "Chromatography Method"، intechopen, Retrieved 18-6-2020. Edited.
2. ↑ Lisa Nichols (18-8-2019), "Overview of Chromatography"، libretexts, Retrieved 18-6-2020. Edited.
3. ↑ Roy A. Keller, J. Calvin Giddings, "Chromatography"، britannica, Retrieved 18-6-2020. Edited.
4. ↑ Lisa Nichols (18-8-2019), "General Separation Theory"، libretexts, Retrieved 18-6-2020. Edited.
5. ↑ "Principles of chromatography", khanacademy, Retrieved 18-6-2020. Edited.
6. ↑ Susha Cheriyedath (14-2-2020), "Life Science Applications of Chromatography"، azolifesciences, Retrieved 18-6-2020. Edited.