eng
Благодаря современному приборному оформлению хроматография стала основным аналитическим методом в 20 веке. Более 60% химических анализов во всех странах мира выполняются хроматографическими методами. За вклад в развитие жизненно важных областей науки, техники и промышленности хроматографию отнесли к двадцати выдающимся достижениям 20 века. Хроматография сегодня – один из эффективных аналитических методов, область науки и отдельная отрасль приборного производства объемом более 14 млрд. долл. в год при ежегодном приросте 6–7%. Проанализированы этапы разработок газовых, жидкостных, ионных хроматографов и хромато-масс-спектрометров. Отмечены основные достижения и сформулированы общие тенденции развития методов и приборов хроматографии.
Теги: : gas chromatography ion chromatography liquid chromatography mass spectrometry газовая хроматография жидкостная хроматография ионная хроматография масс-спектрометрия
Введение
Хроматография открыта М.С.Цветом в 1903 году. В течение 50 лет она использовалась как метод разделения, выделения разделенных веществ в чистом виде, для доочистки соединений. Техника хроматографирования практически оставалась такой, как предложил М.С.Цвет: на выходе из колонки не было детектирующих систем, принудительной подачи подвижной фазы, она шла самотеком под действием силы тяжести.
В 1955 году выпущены первые серийные газовые хроматографы, которые позволили использовать хроматографический метод для аналитических целей. Это было революционное событие. Разработка хроматографов и расширение их областей применения шло такими быстрыми темпами, что к 1960 году газохроматографический метод стал одним из основных способов анализа сложных многокомпонентных смесей, особенно в нефтехимии. Позднее разработаны первые жидкостные в 1968 году (DuPont), ионные в 1977 году (Dionex), газовые хромато-масс-спектрометры (Hewlett-Packard) [1–3].
Номенклатура хроматографов весьма разнообразна: лабораторные, промышленные автоматические, переносные, портативные, на ЧИПах, для специальных применений, в частности, для космических исследований. По общим оценкам выпущено более 3 млн. хроматографов в мире. Объем продаж хроматографического оборудования и материалов в 2015 году оценивается в 14 млрд. долл. Более 60% всех химических анализов в разных странах мира проводятся сегодня на хроматографах, хотя есть десятки других методов анализа.
Успехи аналитической хроматографии связаны с разработкой совершенной хроматографической аппаратуры. Массовое внедрение в аналитическую практику того или иного метода хроматографии связано с серийным выпуском соответствующих хроматографов. Яркий пример – разработка С.Муром и В.Штейном в 1956 году аминокислотного анализатора, основанного на ионообменной хроматографии, привела к массовому анализу аминокислот.
Аппаратурное оформление хроматографических успехов достигло очень высокого уровня: управление и обработка результатов автоматизированы, используются последние достижения электроники, точной механики, пневматики, планарной технологии, оптики. За 60-летнюю историю хроматографы последовательно были аналоговыми, цифровыми и микропроцессорными.
Отметим, что огромную роль в аналитических возможностях хроматографов играют хроматографические колонки. Только благодаря разработке соответствующих сорбентов и колонок хроматография стала использоваться для разделения и анализа оптических изомеров в хиральной хроматографии. Это исключительно важно для современной фармацевтики, так как более 70% лекарственных препаратов оптически активны. Законодательство многих стран требует изучения воздействия на организм как L-, так и D-изомеров аминокислот.
Хроматография признана основным аналитическим методом двадцатого века и включена в число 20 выдающихся открытий прошлого столетия, которые в наибольшей степени преобразовали жизнь человека. Хроматография, несомненно, способствовала прогрессу во многих направлениях науки, техники и разных отраслях промышленности.
Современное состояние методов и аппаратуры хроматографии рассмотрены в сборниках, выпущенных к столетию хроматографии [4–5], других трудах [6], обширной энциклопедии по хроматографии [7], а также в обзоре по наукометрическому исследованию публикаций по хроматографии в течение 20 лет [8]. В большой книге [5] утверждается, что хроматография обеспечивает связь науки с технологиями, особенно с биотехнологиями. Биотехнологические производства быстро растут в мире (более 5 000 в США и более 5 000 в Европе).
Газовые хроматографы
Первые серийные газовые хроматографы выпустили в США три фирмы – Perkin-Elmer, Burrell Corporation и Podbielniak в 1955 году, а в 1956 году еще пять компаний представили свои разработки. Наиболее совершенная и удачная первая коммерческая модель P-E 154 Vapor Fractometer фирмы Perkin-Elmer в течение семи лет была самой популярной среди потребителей [1, 2].
Далее разработка и выпуск газовых хроматографов (ГХ) развивалась стремительными темпами: в 1955 – три фирмы выпускали ГХ, в 1956 – семь фирм, в 1961 – 16 фирм, 1962 – 23 фирмы, в 2000 – 69 фирмы (29 фирм в США, 10 в СССР и России, девять в Англии, три в Германии, три в Японии, три в Голландии, две в Италии, две в Китае). По одной фирме во Франции, Испании, Дании, Индии, Украине (сведения из LC-GC Europe 2000/2001. V. 13. № 8. Р.586). Первые серийные газовые хроматографы в Японии выпустили в 1956–1957 годах (Shimadzu и Hitachi). В СССР первые серийные газовые хроматографы – ХТ2 и ХТ2М (1958) производил ВНИИКАнефтегаз, затем появились УХ-1 и УХ-2 (1960). В Англии в 1956–1958 годах также разработали газовые хроматографы, самый известный – аргоновый (Pye Unicam, 1958). В 1960 году в Италии компания Carlo Erba выпустила газовый хроматограф Fractovap с капиллярными колонками. В СССР появился первый промышленный хроматограф РХ-1 с пламенно-ионизационным детектором [1, 2].
Быстрому развитию газохроматографического приборостроения способствовали разработки высокочувствительных ионизационных детекторов, режима программирования температуры, режима с капиллярными колонками.
Основные достижения – это введение электронного регулирования и стабилизации скорости потоков и давления газовых потоков, разработки двумерной газовой хроматографии.
Серийные газовые хроматографы работают разными детекторами, это в основном, масс-спектрометрические, пламенно-ионизационные, электронозахватные, пламеннофотометрические, фотоионизационные, термоионные, по теплопроводности. Реже применяются хемилюминесцентные, инфракрасные, атомно-эмиссионные. Среди этих детекторов есть как универсальные (по теплопроводности, атомно-эмиссионные, масс-спектрометрические), так и селективные. Так, пламенно-ионизационный детектор чувствителен только к органическим соединениям, фотоионизационный регистрирует соединения с потенциалом ионизации менее 10–11 эВ, электронозахватный имеет высокую чувствительность к галоидо-органическим соединениям, термоионный селективен к азот- или фосфоросодержащим соединениям, пламенно-фотометрический детектор – к сера- и фосфоросодержащим соединениям, хемилюминесцентный реагирует только на сера- и азотсодержащие соединения. Селективные детекторы имеют большое преимущество при анализе примесей в составе сложных смесей. Можно создать условия, когда примеси определяются, а основные вещества в смеси не регистрируются, например, хлорорганические пестициды в окружающей среде при определении электронозахватным детектором.
Для расширения аналитических возможностей газовые хроматографы комплектуются дополнительно: для концентрирования проб – устройствами твердофазной, микротвердофазной, сверхкритической, газовой экстракции, системами выдувания и улавливания и др., для ввода образцов – автосамплерами, криофокусировкой, газовыми кранами, а также пиролизными приборами, приспособлениями для до- и постколоночной дериватизации (в частности, метанаторы и др.).
В табл.1 и 2 приведен перечень серийных отечественных и зарубежных газовых хроматографов.
Производство хроматографов в Китае налажено преимущественно на двух приборостроительных заводах (Пекин, Шанхай).
Хроматографы выпускали некоторое время в Чехословакии (серия "Хром", фирма "Лабораторные приборы"), в Финляндии – Orion analytics, а также в Польше, Болгарии и ГДР (фирма Willy-Gide).
К 2000 годам был организован выпуск широкого ассортимента газовых хроматографов (ГХ): лабораторных аналитических, ГХ-МС, анализаторов on-line, многомерных ГХ, промышленных автоматических во взрывозащищенном исполнении, портативных, препаративных. Выявились две основные тенденции развития газохроматографического приборостроения: миниатюризация и разработка приборов под конкретную задачу.
Портативные газовые хроматографы. Вопросы миниатюризации подробно рассмотрены в обзоре [9]. В последние годы разработаны новые портативные газовые хроматографы: FROQ-4000 (вес 2,5 кг) для определения летучих соединений, Camary-3 (вес менее 2 кг) для определения среднелетучих органических соединений (Defiant Techn, USA), Micro C2V-200 ("Неохром"), Mars-400 (Китай). Из отечественных портативных ГХ следует выделить ФГХ-1, АХТ-ТИ (компания "Микросенсорные технологии"), ЭХО-В ФИД, ЭХО-EW (Новосибирск). Самое последнее достижение в РФ – разработка проф. И.А.Платонова – газовый микрохроматограф "ПИА" (вес всего 0,8 кг), время анализа 1,5 мин, потребляемая мощность 10 Вт.
Специализированные газовые хроматографы. По своей природе хроматографы – универсальные приборы. На одном и том же хроматографе можно выполнить тысячи, десятки тысяч разных анализов, меняя только колонку и детектор. Однако сегодня растет интерес к специализированным газовым хроматографам. Такое оборудование выпускает компания "Интерлаб", это токсикологический анализатор "Маэстро ГХ-МС" для анализа наркотиков и наркотических средств с базой данных масс-спектров; а также микробиологический анализатор "Маэстро ГХ-МС II". Этот прибор разработан в РФ и зарегистрирован в качестве новой медицинской технологии (Разрешение Росздравнадзора ФС 2010/038 от 24.02.2010). Метод и прибор прошли апробацию и эффективно используются во многих медицинских учреждениях. В основе метода лежит точное количественное определение маркеров микроорганизмов – жирных кислот, альдегидов, спиртов в любом клиническом образце с помощью ГХ-МС. Возможно за 35 мин определить 57 микроорганизмов.
За рубежом хроматографы специализируют для изучения метаболизма человека, созданы библиотеки метаболитов (до 40 000) для ранней диагностики многих заболеваний. Газовые хроматографы приспосабливают для анализа маркеров болезней, в частности рака в выдыхаемом воздухе человека (Oralchroma Breath Analysis Device; Breath Metplus и др.). Разработаны хроматографические анализаторы для контроля в производстве, в частности серия газоанализаторов GC866. Газовые хроматографы модифицируют для проведения элементных анализов.
Для автоматической регистрации распределения в нефтях и нефтепродуктах фракций по температурам кипения созданы системы SIMDIS CNS, разгонку производят не только по атомам углерода, а также азота и серы.
Промышленные газовые хроматографы. Особенность промышленных потоковых хроматографов – это полностью автоматический режим и взрывозащищенное исполнение. Сейчас у нас в стране организован выпуск промышленных хроматографов многими фирмами (табл.3). Промышленные газовые хроматографы устанавливаются непосредственно в цехах для контроля и регулирования производственных процессов. Из зарубежных фирм следует выделить Yokogawa (Япония), АВВ (США), Siemens (Германия). Появились и портативные промышленные газовые хроматографы.
Жидкостные хроматографы
Первые серийные жидкостные хроматографы появились в 1968–1970 годах, то есть жидкостно-хроматографическому приборостроению всего около 45 лет. Огромен разрыв по времени между открытием метода жидкостной хроматографии М.С.Цветом в 1903 году и выпуском коммерческих жидкостных хроматографов – 65–67 лет.
К семидесятым годам в связи с развитием биохимии, биотехнологии, фармацевтики, химии биополимеров, синтетических полимеров появилась необходимость анализа высокомолекулярных биологических и синтетических соединений. Газовая хроматография не подходила для этих целей, поскольку позволяла анализировать только летучие соединения, которые в парофазном состоянии не разлагались. Это, в основном, вещества с молекулярными массами 500–700. Методы реакционной, пиролизной, высокотемпературной газовой хроматографии в небольшой степени расширили возможности анализа высокотемпературных соединений [3].
Тогда специалисты обратили свои взоры на жидкостную хроматографию, однако она была очень медленной, разделение длилось несколько часов. Нужно было ускорить внешний и внутренний массообмен между зернами и внутри пор в зернах. Диффузия в жидкой фазе на 4–5 порядков медленнее, чем в газовой фазе. Естественный путь – уменьшение диаметра зерен сорбента.
Однако уменьшение в десятки раз размера зерен (с 100 мкм до 5 мкм) резко увеличило сопротивление колонок, что потребовало создания насосов высокого давления. Так сначала появились жидкостные хроматографы высокого давления. При этом резко увеличилась эффективность колонок, а метод получил название "высокоэффективная жидкостная хроматография" (ВЭЖХ).
Благодаря экспрессному разделению ВЭЖХ стала широко применяться в аналитической практике. Этот период назвали временем возрождения (ренессанса) жидкостной хроматографии. Для создания условий высокоэффективного разделения в жидкостной хроматографии необходимы были насосы высокого давления до 200–400 атм, детекторы с проточными ячейками и механически прочные сорбенты с размером частиц 5–10 мкм.
Впервые жидкостный хроматограф разработала фирма DuPont в 1968 году. Однако через несколько лет она прекратила их выпуск, не выдержав конкуренции с другими компаниями. Темпы развития методического и приборного обеспечения достигали 14% в год. Через 30 лет объем выпуска жидкостных хроматографов в два раза превзошел объем производства газовых хроматографов. Интерес к ВЭЖХ постоянно рос. В этом не было ничего удивительного, так как методом ВЭЖХ можно анализировать соединения с молекулярными массами от 50 до нескольких миллионов, разделяя молекулы, макромолекулы, ионы и микрочастицы. Области применения ВЭЖХ значительно шире, чем ГХ. Сегодня эти методы дополняют друг друга.
Развитие ВЭЖХ шло путем создания новых способов детектирования, разработки новых методов разделения и селективных сорбентов. Современные жидкостные хроматографы оснащаются набором разнообразных детектирующих систем как универсальных, так и селективных. Чаще всего применяются: МС – детекторы, диодноматричные (ДМД). Это 3D-детекторы, так как позволяют идентифицировать неизвестные соединения в смеси. Широко применяются спектрофотометрические детекторы в УФ/Вид областях (190–900 нм), УФ – детекторы (190 – 360, 220, 254, 280 нм), флуориметрические детекторы, электрохимические (амперометрические, кулонометрические, кондуктометрические), рефрактометрические и детекторы по светорассеиванию.
Уникальные детекторы для ВЭЖХ – это амперометрические и кулонометрические, обладающие как высокой чувствительностью (низким пределом детектирования), так и высокой селективностью к полифенолам. При определенных условиях эти детекторы могут селективно определять сахара и аминокислоты с высокой чувствительностью. При регистрации сигналов при разных потенциалах эти детекторы становятся 3D, позволяющие идентифицировать неизвестные соединения. Перечислим последние достижения в области разработки новых детектирующих систем для ВЭЖХ:
•МС-детекторы (тройной квадруполь, времяпролетные, системы "Orbitrap" и др.). пределы детектирования (ПД) фемто-, аттограммы (10–15–10–18 г);
•амперометрические и кулонометрические детекторы. ПД – фемто, аттограмы;
•детекторы по светорассеиванию (лазерные в режиме конденсации ядер);
•детектор на основе заряженных аэрозольных частиц (Charged – Aerosol Detection);
•УФ- и СПФ-детекторы по технологии "Light-pipe" с длиной оптического пути 40–60 мм;
•фотометрический светодиодный детектор в диапазоне 230–2500 нм при одновременной регистрации на семи длинах волн (УФ, Вид, ближняя ИК-область), ячейка по технологии "Light-pipe" (Интерлаб).
Большое достижение – разработка и выпуск жидкостных хроматографов для УльтраВЭЖХ. В этих приборах используются колонки, заполненные микрочастицами менее 2 мкм, что требует использования насосов высокого давления (до 1000–1500 бар). На таких колонках разделение еще быстрее (в 2–3 раза), чем на колонках с частицами 5 мкм, более высокая эффективность и меньшее размывание. Это несомненно высокое методическое и приборное достижение, однако требует более дорогого оборудования. Недавно показано, что альтернативой УВЭЖХ может быть обычная ВЭЖХ на колонках с частицами 3 мкм с поверхностной пористостью [11].
Следующее достижение – создание двумерных систем для ВЭЖХ, микросистем для ВЭЖХ [12] и даже наноВЭЖХ [13, 14], в частности нанопотоковый хроматограф без деления потока Proxeon Easy – HLC.
Большой интерес представляет сочетание ВЭЖХ-ГХ, в этом случае ВЭЖХ становится самой высокоэффективной пробоподготовкой "грязных" проб перед разделением в ГХ.
Перечень серийных отечественных и зарубежных жидкостных хроматографов приведен в табл.4, 5.
Ионные хроматографы
Метод ионно-обменной хроматографии известен с тридцатых годов. Оказалось, что он эффективно использовался в закрытом Манхеттенском проекте (после рассекречивания материалов) для выделения некоторых изотопов в чистом виде. Его аналитическое применение началось после того, как был предложен метод ионной хроматографии (ИХ) – аналитический вариант ионно-обменной хроматографии (ИОХ) в 1975 [15]. Уже в 1976–1977 годах были разработаны ионные хроматографы [15, 16]. Основное отличие ионной хроматографии от ИОХ – это экспрессность разделения и высокая чувствительность. В ионно-обменной хроматографии в качестве элюента используется сильный электролит, который в случае кондуктометрического детектора создает большой фоновый сигнал. А реальная чувствительность в хроматографии – это отношение полезного сигнала к уровню шума.
В работе [15] предложено после основной разделительной колонки использовать последовательно соединенную вторую колонку, которая убирала (подавляла) фоновый сигнал и чувствительность резко повышалась. К настоящему времени создано много разных устройств подавления фона, в том числе и миниатюрных. О приборных и методических достижениях в ионной хроматографии нами опубликован обзор в Международной аналитической энциклопедии [17].
Больших успехов в разработке ионных хроматографов достигли фирмы Dionex (США) и Metrohm (Швейцария).
Кроме кондуктометрического детектора используются УФ- и амперометрические детекторы. Для разделения катионов применяются катионообменные колонки, а для разделения анионов – анионообменные.
В СССР первые ионные хроматографы Цвет-3006 и 3007 (двухканальный), а также портативный ХПИ-1 были созданы в 1981–1983 годах НПО "Химавтоматика" (Дзержинск). Приборы Цвет-3006 и ХПИ-1 проработали у потребителей более 20 лет. В течение 2006–2012 годов выпускался ионный хроматограф ЦветЯуза-02 производства НПО "Химавтоматика" (Москва). Сегодня в РФ выпускаются ионные хроматографы "Стайер А" ("Аквилон"). Эта фирма разработала и выпускает промышленные ионные хроматографы для АЭС для анализа водных сред, наряду с Metrohm.
В нашей стране вышел ГОСТ по определению в питьевых и поверхностных водах фторида, хлорида, нитрата, сульфата и фосфата методом ИХ.
Последние достижения в разработке ионных хроматографов:
•безреагентная хроматографическая система Dionex ICS-5000;
•капиллярные ионные хроматографы Dionex IC 4000;
•изучение климата методом ионной хроматографии (анализ ледового керна);
•портативный ионный хроматограф
(930 Compact IC);
•снижение пределов детектирования, позволяющее определять ионы в особо чистых водах.
Препаративные хроматографы
Препаративные хроматографы используются для выделения многих веществ в чистом виде. Особенно большие успехи достигнуты в разделении и выделении биологически активных соединений, в том числе и оптически активных изомеров. Сегодня до 70% действующих лекарств имеют оптические изомеры. В законодательстве многих стран требуется исследование воздействия на организм человека L- и D-оптических изомеров, а для этого нужно их разделить и выделить в чистом виде.
Основные достижения в производстве препаративных хроматографов:
•flesh – системы для быстрой очистки веществ технической чистоты;
•contichrom – универсальная система непрерывной хроматографии. Метод очистки биофармацевтических субстанций методом мультиколоночной противоточной градиентной хроматографии;
•автоматизированные пилотно-промышленные комплексы "Аксиома" ("БиоХимМак СТ"). Комплекс "Аксиома ВД" позволяет выделять килограммовые количества высокоочищенных субстанций в режиме изократического и/или многоступенчатого бинарного градиентного элюирования, спектрофотометрического детектирования, автоматического ввода пробы и сбора разделенных фракций (отечественная разработка под руководством проф. С.М.Староверова);
•система "Recycling preparative HPLC" для разделения природных продуктов, фуллеренов и гидрофобных соединений (Japan Analytical Industry Co). Полностью автоматизированные препаративные жидкостные хроматографы. Модели LC-9601, LC-9014, LC-9201, LC-9102/9103. Выделение до 20 г в день. Детектор – УФ или рефрактометрический;
•препаративный сверхкритический флюидный хроматограф SFC-MS Prep 15/30/100. Давление до 300 бар, температура до 90°С. Производительность 15/30/100 мг в час.
Достижения в разработке новых методов и приборов хромато-масс-спектрометрии
По данным PITTCON сегодня наибольшее применение находят газовые и жидкостные хромато-масс-спектрометры [10]. Масс-спектрометр оказался идеальным детектором для хроматографии, так как позволяет одновременно проводить как количественный, так и качественный анализ. Идентификацию неизвестных компонентов смеси проводят по масс-спектрам, записанным в стандартных условиях (в основном, при ионизации электронным ударом при 70 эВ). Созданы следующие библиотеки масс-спектров для газовых хроматографов:
•Nist Library более 240 000 масс-спектров и информация линейных индексов удерживания (LRI);
•Wiley Library – более 390 000 масс-спектров;
•Pfleger/ Maurer/ Webel (M.R.W.) Library – около 7 840 масс-спектров лекарственных, наркотических средств, пестицидов и продуктов их метаболизма;
•Pesticide Library масс-спектры 578 пестицидов (электронный удар) и 383 пестицидов (химическая ионизация);
•Metabolomics Library (GC/MS metabolite Mass Spectral Database).
Сочетание масс-спектров с индексами удерживания увеличивает достоверность идентификации. Большой вклад в развитие этого направления внес профессор Санкт-Петербургского университета И.А.Зенкевич. Nist (США) привлек его к созданию библиотеки индексов удерживания.
Первый в мире настольный газовый хроматограф-масс-спектрометр HP 5992А создала фирма Hewlett-Packard в 1976 году. Сегодня выпускаются масс-спектрометры для хроматографов с системами разделения масс: квадрупольные, ионные ловушки, времяпролетные и орбитальные ловушки (obrbitrap). Пять лет назад некоторые фирмы стали производить хромато-масс-спектрометры (как газовые, так и жидкостные) с тройным квадруполем. Из трех последовательно распределенных квадрупольных ячеек первая служит для селективного отбора ионов с нужной массой для фрагментации, во второй ячейке происходит фрагментация ионов методом соударения, третья ячейка выполняет роль анализатора масс продуктов ферментации.
В развитии хромато-масс-спектрометрии большую роль сыграли российские ученые. Так А.А.Макаров разработал орбитальную ловушку ионов с Фурье преобразованием (orbitrap) [Makarov A.A. Mass spectrometers. US Patent 5886346. 1999]. В 2005 фирма Thermo Scientific совместно с А.А.Макаровым создала серийный масс-спектрометр с орбитальной ловушкой, выпускаются соответствующие газовые и жидкостные хроматографы. В 2011 году предложена высокополевая ловушка. Выпущено несколько тысяч подобных приборов [18]. На трибридном MS (Thermo Scientific) Orbitrap Fusion с нанопотоковым хроматографом UltiMate 3000 RLS C nano достигнута рекордная разрешающая способность 450 000. В 2012 году высшая награда – медаль Томпсона – была присуждена А.А.Макарову Международным масс-спектрометрическим обществом за большие достижения в области хромато-масс-спектрометрии.
А.Н.Веренчиков разработал и запатентовал вместе с сотрудниками (Verenchikov A.N. et.al. US Patent 7385187) схему многоотражательного масс-анализатора с планарными бессеточными ионными зеркалами. Патент приобретен фирмой "LECO" и под руководством А.Н.Веренчикова создан масс-спектрометр с многократным отражением на основе зигзагообразного пути дрейфа (технология FFP (Folded flight path). При общем пути 20 м обеспечивается разрешение 25 000, при полном пути в 40 м разрешение на уровне 50 000 – режим сверхвысокого разрешения. Этот времяпролетный масс-спектрометр Pegasus GC-HPT в 2012 году на Питтсбургской конференции награжден Золотой медалью. Ранее А.Н.Веренчиков работал в Институте аналитического приборостроения АН в группе Л.Н.Галь, которая впервые предложила метод электроспрей.
Профессор МГУ И.А.Ревельский разработал метод фотохимической ионизации при атмосферном давлении. Он позволяет определять несколько фемтограмм аналита и находит все большее признание среди специалистов [19].
Наш соотечественник Р.А.Зубарев, работающий в Каролинском университете в Швеции, получил международное признание за достижения в области масс-спектрометрии биомолекул, разработку новых методов активации ионов и масс-спектрометрического оборудования [19, 20].
Отметим ряд достижений других отечественных специалистов в области хромато-масс-спектрометрии:
•развитие систем DART+TCX, в которых аналиты переводятся в ионизированное состояние непосредственно с пластины тонкослойной хроматографии (М.В.Овчаров, Г.А.Калабин);
•использование десорбционного метода ионизации МАЛДИ также непосредственно с пластин ТСХ, в частности, для анализа фармацевтических препаратов (Д.И.Жиляев);
•для быстрого определения фармацевтических препаратов Е.С.Чернецовой развит метод DART;
•А.И.Ревельский предложил оригинальный способ селективного извлечения антиоксидантов – фенилкарбоновых кислот из сыворотки крови с последующим ГХ/МС определением;
•большой вклад внес А.К.Буряк с сотрудниками (ИФХЭ РАН) в области применения масс-спектрометрии МАДИ/ПАЛДИ для изучения металлосодержащих кластерных ионов на различных поверхностях;
•И.А.Ревельский и А.С.Самохин разработали критерии выбора программного обеспечения при проведении поиска по базам данных масс-спектров электронной ионизации;
•А.Ю.Колеснов (МГУ ПП) предложил способы определения регионов выращивания пищевых продуктов и выявление фальсификатов по соотношению стабильных изотопов углерода, азота, кислорода и водорода на уровне их природных концентраций.
Создание жидкостных хромато-масс-спектрометров произошло значительно позднее, чем газовых хромато-масс-спектрометров. Только в начале 1990 года сделан настоящий прорыв – стыковка хроматографов ВЭЖХ с масс-спектрометром. Позднее широкому развитию ВЭЖХ-МС способствовали новые методы ионизации соединений. Были разработаны два основных метода ионизации веществ в ЖХ/МС – электроспрей и матрично активированная лазерная десорбция/ионизация (МАЛДИ). За разработку этих методов Д.Фенн и К.Танака были удостоены Нобелевской премии в 2002 году. Ради справедливости нужно отметить, что значительно раньше метод электроспрей разработала Л.Н.Галль в Институте аналитического приборостроения АН СССР в 1982 году. Приоритет Л.Н.Галль в этой области признан специалистами.
Объемы продаж хроматографического оборудования
По данным European directory 2000/2001 (LC-GC Europe 2000, V. 13. № 8. Р. 586) в эти годы газовые хроматографы производили 66 фирм, а жидкостные хроматографы 69 кампаний. В табл.5 приведены объемы продаж отдельных видов хроматографического оборудования, взятые из журналов Instrumenta (бывший журнал Analytical Instrument Industry Report).
На протяжении 30 лет продавалось более 30 тыс. штук газовых храмотографов ежегодно. Можно с уверенностью сказать, что за 60 лет произведено около 1,5 млн. газовых хроматографов.
За 45 лет жидкостных хроматографов выпущено не менее 1 млн. штук. С учетом ионных хроматографов, портативных, промышленных и других можно предположить, что общее число произведенных всех типов хроматографов около 3 млн. Самый надежный зарубежный прибор – это модель Hewlett-Packard 5890, которая с небольшой модификацией выпускалась в течение 20 лет, всего более 10 000. После того, как выпуск этой модели прекращен, в Европейских лабораториях еще длительное время эксплуатировалось около шести тысяч таких приборов.
В нашей стране самыми надежными приборами были Цвет-4, Цвет-100 и первые модели Цвет-500, из них Цвет-100 и Цвет-500 в основном проработали в ЦЗЛ заводов более 20–25 лет. Рекорд установил Цвет-4: документально установлено, что на химических заводах в Щелоково и "Акроне" этот прибор проработал 40 лет. В СССР основными потребителями газовых хроматографов были исследовательские институты химического профиля и ЦЗЛ химических предприятий. На многих предприятиях работало более 100 хроматографов. На Кирово-Чепецком химзаводе, по данным З.Л.Баскина, эксплуатировалось более 500 хроматографов. Более 400–500 хроматографов применялись и на химических заводах Башкирии.
В табл.6 приведены продажи хроматографического оборудования, дополнительных устройств, колонок, сервисных услуг в 2013 и 2014 годах.
Следует отметить, что несмотря на кризисные процессы в мире, объем продаж хроматографического оборудования постоянно растет.
Заключение
Хроматографы находят широкое применение во всех жизненноважных областях: контроль загрязнений окружающей среды, пищевых продуктов, в медицине для ранней диагностики заболеваний, в контроле качества лекарств, в судебной медицине, мониторинге многих производственных процессов. Только хроматографические методы позволяют определять супертоксиканты в пищевых продуктах (пестициды, микотоксины, полиароматические углеводороды и др.).
Выпущены сотни гостированных методик по определению методом хроматографии.
Основные достижения хроматографических методов:
•расшифровка генома человека;
•разделение многокомпонентных смесей белков для задач протеомики;
•анализ содержимого одной клетки;
•установление фармакокинетики лекарств;
•ранняя диагностика заболеваний по анализам биохимических маркеров;
•разделение оптических изомеров, анализ энантиомерной чистоты лекарств;
•допинговый контроль на чемпионатах мира и олимпийских играх;
•анализ в судебных и судебно-медицинских экспертизах, анализ наркотиков и наркотических средств;
•контроль загрязнений окружающей среды, включая супертоксиканты (диоксины, полихлорированные бифенилы, полиядерные ароматические соединения на уровне ppt);
•контроль загрязнителей пищевых продуктов и напитков, в том числе самых опасных канцерогенных микотоксинов, нитрозоаминов, пестицидов и др.;
•анализ компонентов запахов и ароматов пищевых продуктов и напитков;
•анализ природного газа, газового конденсата, бензинов, керосинов, нефтепродуктов и сырой нефти, проведение имитированной разгонки нефти;
•разделение и анализ металлов, в т.ч. трансурановых;
•полный анализ состава атмосферы загрязненных городов;
•анализ фреонов стратосферы;
•анализ феромонов насекомых;
•анализ атмосферы и почвы планет (Венера, Марс, лунный грунт);
•анализ изотопозамещенных соединений.
Общие тенденции развития методов и приборов хроматографии [21]:
•повышение селективности разделения;
•повышение эффективности колонок;
•повышение экспрессности разделения;
•миниатюризация аппаратуры;
•совершенствование программного обеспечения как для управления прибором, так и для обработки результатов разделения и анализа.
Литература
1.Яшин Я.И. 40 лет газохроматографического приборостроения (1955–1995 гг.) // Журнал аналитической химии. 1998. Т. 53. № 1. С. 7–19.
2.Яшин Я.И., Яшин А.Я. Состояние хроматографического приборостроения // Зав.Лаб. 2003. Т. 69. № 3. С. 19–31.
3.Яшин Я.И., Яшин Е.Я., Яшин А.Я. Газовая хроматография. – М.: Транслит, 2009. 528 с.
4.100 лет хроматографии / Под ред. Б.А.Руденко. – М.: Наука, 2003. 739 с.
5.Chromatography a century of discovery 1900-2000 the bridge to the sciences/technology. Ed. by C.W.Gehrke, R.L.Wixom and E.Bayer Elsevier. Amsterdam. 2001. 709 р.
6.Хроматография на благо России. К 70-летию проф. В.А.Даванкова / Под ред. А.А.Курганова. – М.: Граница, 2007. 688 с.
7.Encyclopedia of chromatography Ed. J.Cazes. Fourth Edition. CRC Press. 2016. 3600 P.
8.Яшин Я.И., Яшин А.Я. Наукометрическое исследование состояния и тенденций развития методов хроматографии и аппаратуры // В кн.: 100 лет хроматографии Отв. ред. Б.А.Руденко. – М.: Наука, 2003. с. 898–936.
9.Яшин Я.И., Яшин А.Я. Миниатюризация газохроматографической аппаратуры (обзор) // ЖАХ. 2001. Т. 56. № 9. С. 902–914.
10.Яшин Я., Яшин А. Наукометрическое исследование материалов Питтсбургской конференции по аналитической химии и прикладной спектроскопии (PITTCON 2012) // Аналитика. 2012. Т. 3. С. 48–52.
11.Яшин Я.И., Веденин А.Н., Яшин А.Я. ВЭЖХ и УльтраВЭЖХ. Состояние и перспективы // Аналитика. 2015. Т. 2. С. 70–84.
12.Sharma S., Tolley L. T., Tolley H. D., Plistil A., Stearns S. D., Lee M. L. Hand-portable liquid chromatographic instrumentation // Journal of Chromatography A. 2015. T. 1421. C. 38–47.
13.Šesták J., Moravcová D., Kahle V. Instrument platforms for nano liquid chromatography // Journal of Chromatography A. 2015. T. 1421. C. 2–17.
14.Faure K. Liquid chromatography on chip // ELECTROPHORESIS. 2010. T. 31. № 15. C. 2499–2511.
15.Small H., Slevens T.E., Bauman W.C. Novel ion exchange chromatographic method using conductometric detection // Anal.Chem.1975. V. 47. P. 1801.
16.Small H. Ion chromatography. Plenum Press. New York. 1989.
17.Yashin Ya.I., Yashin Ya. A. and Walton H.F. Ion Exchange: Ion Chromatography Instrumentation. In: Reedijk, J. (Ed.) Elsevier Reference Module in Chemistry, Molecular Sciences and Chemical Engineering. Waltham, MA: Elsevier. 23-Jan-15.
18.Макаров А.А. Масс-спектрометрия на основе орбитальной ловушки ионов: достижения и перспективы // Аналитика. 2013. № 5. С. 30–36.
19.Лебедев А.Т. Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы // Аналитика. 2013. № 6. С. 8–14.
20.Лебедев А.Т. Россия может стать ведущей державой в области масс-спектрометрии // Аналитика. 2012. Т. 2. С. 1–5.
21.Яшин Я.И., Яшин А.Я. Основные тенденции развития хроматографии после 110-летия со дня ее открытия М.С.Цветом // Сорбционные и хроматографические процессы. 2014. Т. 14. Вып. 2. С.65 – 75.
Хроматография открыта М.С.Цветом в 1903 году. В течение 50 лет она использовалась как метод разделения, выделения разделенных веществ в чистом виде, для доочистки соединений. Техника хроматографирования практически оставалась такой, как предложил М.С.Цвет: на выходе из колонки не было детектирующих систем, принудительной подачи подвижной фазы, она шла самотеком под действием силы тяжести.
В 1955 году выпущены первые серийные газовые хроматографы, которые позволили использовать хроматографический метод для аналитических целей. Это было революционное событие. Разработка хроматографов и расширение их областей применения шло такими быстрыми темпами, что к 1960 году газохроматографический метод стал одним из основных способов анализа сложных многокомпонентных смесей, особенно в нефтехимии. Позднее разработаны первые жидкостные в 1968 году (DuPont), ионные в 1977 году (Dionex), газовые хромато-масс-спектрометры (Hewlett-Packard) [1–3].
Номенклатура хроматографов весьма разнообразна: лабораторные, промышленные автоматические, переносные, портативные, на ЧИПах, для специальных применений, в частности, для космических исследований. По общим оценкам выпущено более 3 млн. хроматографов в мире. Объем продаж хроматографического оборудования и материалов в 2015 году оценивается в 14 млрд. долл. Более 60% всех химических анализов в разных странах мира проводятся сегодня на хроматографах, хотя есть десятки других методов анализа.
Успехи аналитической хроматографии связаны с разработкой совершенной хроматографической аппаратуры. Массовое внедрение в аналитическую практику того или иного метода хроматографии связано с серийным выпуском соответствующих хроматографов. Яркий пример – разработка С.Муром и В.Штейном в 1956 году аминокислотного анализатора, основанного на ионообменной хроматографии, привела к массовому анализу аминокислот.
Аппаратурное оформление хроматографических успехов достигло очень высокого уровня: управление и обработка результатов автоматизированы, используются последние достижения электроники, точной механики, пневматики, планарной технологии, оптики. За 60-летнюю историю хроматографы последовательно были аналоговыми, цифровыми и микропроцессорными.
Отметим, что огромную роль в аналитических возможностях хроматографов играют хроматографические колонки. Только благодаря разработке соответствующих сорбентов и колонок хроматография стала использоваться для разделения и анализа оптических изомеров в хиральной хроматографии. Это исключительно важно для современной фармацевтики, так как более 70% лекарственных препаратов оптически активны. Законодательство многих стран требует изучения воздействия на организм как L-, так и D-изомеров аминокислот.
Хроматография признана основным аналитическим методом двадцатого века и включена в число 20 выдающихся открытий прошлого столетия, которые в наибольшей степени преобразовали жизнь человека. Хроматография, несомненно, способствовала прогрессу во многих направлениях науки, техники и разных отраслях промышленности.
Современное состояние методов и аппаратуры хроматографии рассмотрены в сборниках, выпущенных к столетию хроматографии [4–5], других трудах [6], обширной энциклопедии по хроматографии [7], а также в обзоре по наукометрическому исследованию публикаций по хроматографии в течение 20 лет [8]. В большой книге [5] утверждается, что хроматография обеспечивает связь науки с технологиями, особенно с биотехнологиями. Биотехнологические производства быстро растут в мире (более 5 000 в США и более 5 000 в Европе).
Газовые хроматографы
Первые серийные газовые хроматографы выпустили в США три фирмы – Perkin-Elmer, Burrell Corporation и Podbielniak в 1955 году, а в 1956 году еще пять компаний представили свои разработки. Наиболее совершенная и удачная первая коммерческая модель P-E 154 Vapor Fractometer фирмы Perkin-Elmer в течение семи лет была самой популярной среди потребителей [1, 2].
Далее разработка и выпуск газовых хроматографов (ГХ) развивалась стремительными темпами: в 1955 – три фирмы выпускали ГХ, в 1956 – семь фирм, в 1961 – 16 фирм, 1962 – 23 фирмы, в 2000 – 69 фирмы (29 фирм в США, 10 в СССР и России, девять в Англии, три в Германии, три в Японии, три в Голландии, две в Италии, две в Китае). По одной фирме во Франции, Испании, Дании, Индии, Украине (сведения из LC-GC Europe 2000/2001. V. 13. № 8. Р.586). Первые серийные газовые хроматографы в Японии выпустили в 1956–1957 годах (Shimadzu и Hitachi). В СССР первые серийные газовые хроматографы – ХТ2 и ХТ2М (1958) производил ВНИИКАнефтегаз, затем появились УХ-1 и УХ-2 (1960). В Англии в 1956–1958 годах также разработали газовые хроматографы, самый известный – аргоновый (Pye Unicam, 1958). В 1960 году в Италии компания Carlo Erba выпустила газовый хроматограф Fractovap с капиллярными колонками. В СССР появился первый промышленный хроматограф РХ-1 с пламенно-ионизационным детектором [1, 2].
Быстрому развитию газохроматографического приборостроения способствовали разработки высокочувствительных ионизационных детекторов, режима программирования температуры, режима с капиллярными колонками.
Основные достижения – это введение электронного регулирования и стабилизации скорости потоков и давления газовых потоков, разработки двумерной газовой хроматографии.
Серийные газовые хроматографы работают разными детекторами, это в основном, масс-спектрометрические, пламенно-ионизационные, электронозахватные, пламеннофотометрические, фотоионизационные, термоионные, по теплопроводности. Реже применяются хемилюминесцентные, инфракрасные, атомно-эмиссионные. Среди этих детекторов есть как универсальные (по теплопроводности, атомно-эмиссионные, масс-спектрометрические), так и селективные. Так, пламенно-ионизационный детектор чувствителен только к органическим соединениям, фотоионизационный регистрирует соединения с потенциалом ионизации менее 10–11 эВ, электронозахватный имеет высокую чувствительность к галоидо-органическим соединениям, термоионный селективен к азот- или фосфоросодержащим соединениям, пламенно-фотометрический детектор – к сера- и фосфоросодержащим соединениям, хемилюминесцентный реагирует только на сера- и азотсодержащие соединения. Селективные детекторы имеют большое преимущество при анализе примесей в составе сложных смесей. Можно создать условия, когда примеси определяются, а основные вещества в смеси не регистрируются, например, хлорорганические пестициды в окружающей среде при определении электронозахватным детектором.
Для расширения аналитических возможностей газовые хроматографы комплектуются дополнительно: для концентрирования проб – устройствами твердофазной, микротвердофазной, сверхкритической, газовой экстракции, системами выдувания и улавливания и др., для ввода образцов – автосамплерами, криофокусировкой, газовыми кранами, а также пиролизными приборами, приспособлениями для до- и постколоночной дериватизации (в частности, метанаторы и др.).
В табл.1 и 2 приведен перечень серийных отечественных и зарубежных газовых хроматографов.
Производство хроматографов в Китае налажено преимущественно на двух приборостроительных заводах (Пекин, Шанхай).
Хроматографы выпускали некоторое время в Чехословакии (серия "Хром", фирма "Лабораторные приборы"), в Финляндии – Orion analytics, а также в Польше, Болгарии и ГДР (фирма Willy-Gide).
К 2000 годам был организован выпуск широкого ассортимента газовых хроматографов (ГХ): лабораторных аналитических, ГХ-МС, анализаторов on-line, многомерных ГХ, промышленных автоматических во взрывозащищенном исполнении, портативных, препаративных. Выявились две основные тенденции развития газохроматографического приборостроения: миниатюризация и разработка приборов под конкретную задачу.
Портативные газовые хроматографы. Вопросы миниатюризации подробно рассмотрены в обзоре [9]. В последние годы разработаны новые портативные газовые хроматографы: FROQ-4000 (вес 2,5 кг) для определения летучих соединений, Camary-3 (вес менее 2 кг) для определения среднелетучих органических соединений (Defiant Techn, USA), Micro C2V-200 ("Неохром"), Mars-400 (Китай). Из отечественных портативных ГХ следует выделить ФГХ-1, АХТ-ТИ (компания "Микросенсорные технологии"), ЭХО-В ФИД, ЭХО-EW (Новосибирск). Самое последнее достижение в РФ – разработка проф. И.А.Платонова – газовый микрохроматограф "ПИА" (вес всего 0,8 кг), время анализа 1,5 мин, потребляемая мощность 10 Вт.
Специализированные газовые хроматографы. По своей природе хроматографы – универсальные приборы. На одном и том же хроматографе можно выполнить тысячи, десятки тысяч разных анализов, меняя только колонку и детектор. Однако сегодня растет интерес к специализированным газовым хроматографам. Такое оборудование выпускает компания "Интерлаб", это токсикологический анализатор "Маэстро ГХ-МС" для анализа наркотиков и наркотических средств с базой данных масс-спектров; а также микробиологический анализатор "Маэстро ГХ-МС II". Этот прибор разработан в РФ и зарегистрирован в качестве новой медицинской технологии (Разрешение Росздравнадзора ФС 2010/038 от 24.02.2010). Метод и прибор прошли апробацию и эффективно используются во многих медицинских учреждениях. В основе метода лежит точное количественное определение маркеров микроорганизмов – жирных кислот, альдегидов, спиртов в любом клиническом образце с помощью ГХ-МС. Возможно за 35 мин определить 57 микроорганизмов.
За рубежом хроматографы специализируют для изучения метаболизма человека, созданы библиотеки метаболитов (до 40 000) для ранней диагностики многих заболеваний. Газовые хроматографы приспосабливают для анализа маркеров болезней, в частности рака в выдыхаемом воздухе человека (Oralchroma Breath Analysis Device; Breath Metplus и др.). Разработаны хроматографические анализаторы для контроля в производстве, в частности серия газоанализаторов GC866. Газовые хроматографы модифицируют для проведения элементных анализов.
Для автоматической регистрации распределения в нефтях и нефтепродуктах фракций по температурам кипения созданы системы SIMDIS CNS, разгонку производят не только по атомам углерода, а также азота и серы.
Промышленные газовые хроматографы. Особенность промышленных потоковых хроматографов – это полностью автоматический режим и взрывозащищенное исполнение. Сейчас у нас в стране организован выпуск промышленных хроматографов многими фирмами (табл.3). Промышленные газовые хроматографы устанавливаются непосредственно в цехах для контроля и регулирования производственных процессов. Из зарубежных фирм следует выделить Yokogawa (Япония), АВВ (США), Siemens (Германия). Появились и портативные промышленные газовые хроматографы.
Жидкостные хроматографы
Первые серийные жидкостные хроматографы появились в 1968–1970 годах, то есть жидкостно-хроматографическому приборостроению всего около 45 лет. Огромен разрыв по времени между открытием метода жидкостной хроматографии М.С.Цветом в 1903 году и выпуском коммерческих жидкостных хроматографов – 65–67 лет.
К семидесятым годам в связи с развитием биохимии, биотехнологии, фармацевтики, химии биополимеров, синтетических полимеров появилась необходимость анализа высокомолекулярных биологических и синтетических соединений. Газовая хроматография не подходила для этих целей, поскольку позволяла анализировать только летучие соединения, которые в парофазном состоянии не разлагались. Это, в основном, вещества с молекулярными массами 500–700. Методы реакционной, пиролизной, высокотемпературной газовой хроматографии в небольшой степени расширили возможности анализа высокотемпературных соединений [3].
Тогда специалисты обратили свои взоры на жидкостную хроматографию, однако она была очень медленной, разделение длилось несколько часов. Нужно было ускорить внешний и внутренний массообмен между зернами и внутри пор в зернах. Диффузия в жидкой фазе на 4–5 порядков медленнее, чем в газовой фазе. Естественный путь – уменьшение диаметра зерен сорбента.
Однако уменьшение в десятки раз размера зерен (с 100 мкм до 5 мкм) резко увеличило сопротивление колонок, что потребовало создания насосов высокого давления. Так сначала появились жидкостные хроматографы высокого давления. При этом резко увеличилась эффективность колонок, а метод получил название "высокоэффективная жидкостная хроматография" (ВЭЖХ).
Благодаря экспрессному разделению ВЭЖХ стала широко применяться в аналитической практике. Этот период назвали временем возрождения (ренессанса) жидкостной хроматографии. Для создания условий высокоэффективного разделения в жидкостной хроматографии необходимы были насосы высокого давления до 200–400 атм, детекторы с проточными ячейками и механически прочные сорбенты с размером частиц 5–10 мкм.
Впервые жидкостный хроматограф разработала фирма DuPont в 1968 году. Однако через несколько лет она прекратила их выпуск, не выдержав конкуренции с другими компаниями. Темпы развития методического и приборного обеспечения достигали 14% в год. Через 30 лет объем выпуска жидкостных хроматографов в два раза превзошел объем производства газовых хроматографов. Интерес к ВЭЖХ постоянно рос. В этом не было ничего удивительного, так как методом ВЭЖХ можно анализировать соединения с молекулярными массами от 50 до нескольких миллионов, разделяя молекулы, макромолекулы, ионы и микрочастицы. Области применения ВЭЖХ значительно шире, чем ГХ. Сегодня эти методы дополняют друг друга.
Развитие ВЭЖХ шло путем создания новых способов детектирования, разработки новых методов разделения и селективных сорбентов. Современные жидкостные хроматографы оснащаются набором разнообразных детектирующих систем как универсальных, так и селективных. Чаще всего применяются: МС – детекторы, диодноматричные (ДМД). Это 3D-детекторы, так как позволяют идентифицировать неизвестные соединения в смеси. Широко применяются спектрофотометрические детекторы в УФ/Вид областях (190–900 нм), УФ – детекторы (190 – 360, 220, 254, 280 нм), флуориметрические детекторы, электрохимические (амперометрические, кулонометрические, кондуктометрические), рефрактометрические и детекторы по светорассеиванию.
Уникальные детекторы для ВЭЖХ – это амперометрические и кулонометрические, обладающие как высокой чувствительностью (низким пределом детектирования), так и высокой селективностью к полифенолам. При определенных условиях эти детекторы могут селективно определять сахара и аминокислоты с высокой чувствительностью. При регистрации сигналов при разных потенциалах эти детекторы становятся 3D, позволяющие идентифицировать неизвестные соединения. Перечислим последние достижения в области разработки новых детектирующих систем для ВЭЖХ:
•МС-детекторы (тройной квадруполь, времяпролетные, системы "Orbitrap" и др.). пределы детектирования (ПД) фемто-, аттограммы (10–15–10–18 г);
•амперометрические и кулонометрические детекторы. ПД – фемто, аттограмы;
•детекторы по светорассеиванию (лазерные в режиме конденсации ядер);
•детектор на основе заряженных аэрозольных частиц (Charged – Aerosol Detection);
•УФ- и СПФ-детекторы по технологии "Light-pipe" с длиной оптического пути 40–60 мм;
•фотометрический светодиодный детектор в диапазоне 230–2500 нм при одновременной регистрации на семи длинах волн (УФ, Вид, ближняя ИК-область), ячейка по технологии "Light-pipe" (Интерлаб).
Большое достижение – разработка и выпуск жидкостных хроматографов для УльтраВЭЖХ. В этих приборах используются колонки, заполненные микрочастицами менее 2 мкм, что требует использования насосов высокого давления (до 1000–1500 бар). На таких колонках разделение еще быстрее (в 2–3 раза), чем на колонках с частицами 5 мкм, более высокая эффективность и меньшее размывание. Это несомненно высокое методическое и приборное достижение, однако требует более дорогого оборудования. Недавно показано, что альтернативой УВЭЖХ может быть обычная ВЭЖХ на колонках с частицами 3 мкм с поверхностной пористостью [11].
Следующее достижение – создание двумерных систем для ВЭЖХ, микросистем для ВЭЖХ [12] и даже наноВЭЖХ [13, 14], в частности нанопотоковый хроматограф без деления потока Proxeon Easy – HLC.
Большой интерес представляет сочетание ВЭЖХ-ГХ, в этом случае ВЭЖХ становится самой высокоэффективной пробоподготовкой "грязных" проб перед разделением в ГХ.
Перечень серийных отечественных и зарубежных жидкостных хроматографов приведен в табл.4, 5.
Ионные хроматографы
Метод ионно-обменной хроматографии известен с тридцатых годов. Оказалось, что он эффективно использовался в закрытом Манхеттенском проекте (после рассекречивания материалов) для выделения некоторых изотопов в чистом виде. Его аналитическое применение началось после того, как был предложен метод ионной хроматографии (ИХ) – аналитический вариант ионно-обменной хроматографии (ИОХ) в 1975 [15]. Уже в 1976–1977 годах были разработаны ионные хроматографы [15, 16]. Основное отличие ионной хроматографии от ИОХ – это экспрессность разделения и высокая чувствительность. В ионно-обменной хроматографии в качестве элюента используется сильный электролит, который в случае кондуктометрического детектора создает большой фоновый сигнал. А реальная чувствительность в хроматографии – это отношение полезного сигнала к уровню шума.
В работе [15] предложено после основной разделительной колонки использовать последовательно соединенную вторую колонку, которая убирала (подавляла) фоновый сигнал и чувствительность резко повышалась. К настоящему времени создано много разных устройств подавления фона, в том числе и миниатюрных. О приборных и методических достижениях в ионной хроматографии нами опубликован обзор в Международной аналитической энциклопедии [17].
Больших успехов в разработке ионных хроматографов достигли фирмы Dionex (США) и Metrohm (Швейцария).
Кроме кондуктометрического детектора используются УФ- и амперометрические детекторы. Для разделения катионов применяются катионообменные колонки, а для разделения анионов – анионообменные.
В СССР первые ионные хроматографы Цвет-3006 и 3007 (двухканальный), а также портативный ХПИ-1 были созданы в 1981–1983 годах НПО "Химавтоматика" (Дзержинск). Приборы Цвет-3006 и ХПИ-1 проработали у потребителей более 20 лет. В течение 2006–2012 годов выпускался ионный хроматограф ЦветЯуза-02 производства НПО "Химавтоматика" (Москва). Сегодня в РФ выпускаются ионные хроматографы "Стайер А" ("Аквилон"). Эта фирма разработала и выпускает промышленные ионные хроматографы для АЭС для анализа водных сред, наряду с Metrohm.
В нашей стране вышел ГОСТ по определению в питьевых и поверхностных водах фторида, хлорида, нитрата, сульфата и фосфата методом ИХ.
Последние достижения в разработке ионных хроматографов:
•безреагентная хроматографическая система Dionex ICS-5000;
•капиллярные ионные хроматографы Dionex IC 4000;
•изучение климата методом ионной хроматографии (анализ ледового керна);
•портативный ионный хроматограф
(930 Compact IC);
•снижение пределов детектирования, позволяющее определять ионы в особо чистых водах.
Препаративные хроматографы
Препаративные хроматографы используются для выделения многих веществ в чистом виде. Особенно большие успехи достигнуты в разделении и выделении биологически активных соединений, в том числе и оптически активных изомеров. Сегодня до 70% действующих лекарств имеют оптические изомеры. В законодательстве многих стран требуется исследование воздействия на организм человека L- и D-оптических изомеров, а для этого нужно их разделить и выделить в чистом виде.
Основные достижения в производстве препаративных хроматографов:
•flesh – системы для быстрой очистки веществ технической чистоты;
•contichrom – универсальная система непрерывной хроматографии. Метод очистки биофармацевтических субстанций методом мультиколоночной противоточной градиентной хроматографии;
•автоматизированные пилотно-промышленные комплексы "Аксиома" ("БиоХимМак СТ"). Комплекс "Аксиома ВД" позволяет выделять килограммовые количества высокоочищенных субстанций в режиме изократического и/или многоступенчатого бинарного градиентного элюирования, спектрофотометрического детектирования, автоматического ввода пробы и сбора разделенных фракций (отечественная разработка под руководством проф. С.М.Староверова);
•система "Recycling preparative HPLC" для разделения природных продуктов, фуллеренов и гидрофобных соединений (Japan Analytical Industry Co). Полностью автоматизированные препаративные жидкостные хроматографы. Модели LC-9601, LC-9014, LC-9201, LC-9102/9103. Выделение до 20 г в день. Детектор – УФ или рефрактометрический;
•препаративный сверхкритический флюидный хроматограф SFC-MS Prep 15/30/100. Давление до 300 бар, температура до 90°С. Производительность 15/30/100 мг в час.
Достижения в разработке новых методов и приборов хромато-масс-спектрометрии
По данным PITTCON сегодня наибольшее применение находят газовые и жидкостные хромато-масс-спектрометры [10]. Масс-спектрометр оказался идеальным детектором для хроматографии, так как позволяет одновременно проводить как количественный, так и качественный анализ. Идентификацию неизвестных компонентов смеси проводят по масс-спектрам, записанным в стандартных условиях (в основном, при ионизации электронным ударом при 70 эВ). Созданы следующие библиотеки масс-спектров для газовых хроматографов:
•Nist Library более 240 000 масс-спектров и информация линейных индексов удерживания (LRI);
•Wiley Library – более 390 000 масс-спектров;
•Pfleger/ Maurer/ Webel (M.R.W.) Library – около 7 840 масс-спектров лекарственных, наркотических средств, пестицидов и продуктов их метаболизма;
•Pesticide Library масс-спектры 578 пестицидов (электронный удар) и 383 пестицидов (химическая ионизация);
•Metabolomics Library (GC/MS metabolite Mass Spectral Database).
Сочетание масс-спектров с индексами удерживания увеличивает достоверность идентификации. Большой вклад в развитие этого направления внес профессор Санкт-Петербургского университета И.А.Зенкевич. Nist (США) привлек его к созданию библиотеки индексов удерживания.
Первый в мире настольный газовый хроматограф-масс-спектрометр HP 5992А создала фирма Hewlett-Packard в 1976 году. Сегодня выпускаются масс-спектрометры для хроматографов с системами разделения масс: квадрупольные, ионные ловушки, времяпролетные и орбитальные ловушки (obrbitrap). Пять лет назад некоторые фирмы стали производить хромато-масс-спектрометры (как газовые, так и жидкостные) с тройным квадруполем. Из трех последовательно распределенных квадрупольных ячеек первая служит для селективного отбора ионов с нужной массой для фрагментации, во второй ячейке происходит фрагментация ионов методом соударения, третья ячейка выполняет роль анализатора масс продуктов ферментации.
В развитии хромато-масс-спектрометрии большую роль сыграли российские ученые. Так А.А.Макаров разработал орбитальную ловушку ионов с Фурье преобразованием (orbitrap) [Makarov A.A. Mass spectrometers. US Patent 5886346. 1999]. В 2005 фирма Thermo Scientific совместно с А.А.Макаровым создала серийный масс-спектрометр с орбитальной ловушкой, выпускаются соответствующие газовые и жидкостные хроматографы. В 2011 году предложена высокополевая ловушка. Выпущено несколько тысяч подобных приборов [18]. На трибридном MS (Thermo Scientific) Orbitrap Fusion с нанопотоковым хроматографом UltiMate 3000 RLS C nano достигнута рекордная разрешающая способность 450 000. В 2012 году высшая награда – медаль Томпсона – была присуждена А.А.Макарову Международным масс-спектрометрическим обществом за большие достижения в области хромато-масс-спектрометрии.
А.Н.Веренчиков разработал и запатентовал вместе с сотрудниками (Verenchikov A.N. et.al. US Patent 7385187) схему многоотражательного масс-анализатора с планарными бессеточными ионными зеркалами. Патент приобретен фирмой "LECO" и под руководством А.Н.Веренчикова создан масс-спектрометр с многократным отражением на основе зигзагообразного пути дрейфа (технология FFP (Folded flight path). При общем пути 20 м обеспечивается разрешение 25 000, при полном пути в 40 м разрешение на уровне 50 000 – режим сверхвысокого разрешения. Этот времяпролетный масс-спектрометр Pegasus GC-HPT в 2012 году на Питтсбургской конференции награжден Золотой медалью. Ранее А.Н.Веренчиков работал в Институте аналитического приборостроения АН в группе Л.Н.Галь, которая впервые предложила метод электроспрей.
Профессор МГУ И.А.Ревельский разработал метод фотохимической ионизации при атмосферном давлении. Он позволяет определять несколько фемтограмм аналита и находит все большее признание среди специалистов [19].
Наш соотечественник Р.А.Зубарев, работающий в Каролинском университете в Швеции, получил международное признание за достижения в области масс-спектрометрии биомолекул, разработку новых методов активации ионов и масс-спектрометрического оборудования [19, 20].
Отметим ряд достижений других отечественных специалистов в области хромато-масс-спектрометрии:
•развитие систем DART+TCX, в которых аналиты переводятся в ионизированное состояние непосредственно с пластины тонкослойной хроматографии (М.В.Овчаров, Г.А.Калабин);
•использование десорбционного метода ионизации МАЛДИ также непосредственно с пластин ТСХ, в частности, для анализа фармацевтических препаратов (Д.И.Жиляев);
•для быстрого определения фармацевтических препаратов Е.С.Чернецовой развит метод DART;
•А.И.Ревельский предложил оригинальный способ селективного извлечения антиоксидантов – фенилкарбоновых кислот из сыворотки крови с последующим ГХ/МС определением;
•большой вклад внес А.К.Буряк с сотрудниками (ИФХЭ РАН) в области применения масс-спектрометрии МАДИ/ПАЛДИ для изучения металлосодержащих кластерных ионов на различных поверхностях;
•И.А.Ревельский и А.С.Самохин разработали критерии выбора программного обеспечения при проведении поиска по базам данных масс-спектров электронной ионизации;
•А.Ю.Колеснов (МГУ ПП) предложил способы определения регионов выращивания пищевых продуктов и выявление фальсификатов по соотношению стабильных изотопов углерода, азота, кислорода и водорода на уровне их природных концентраций.
Создание жидкостных хромато-масс-спектрометров произошло значительно позднее, чем газовых хромато-масс-спектрометров. Только в начале 1990 года сделан настоящий прорыв – стыковка хроматографов ВЭЖХ с масс-спектрометром. Позднее широкому развитию ВЭЖХ-МС способствовали новые методы ионизации соединений. Были разработаны два основных метода ионизации веществ в ЖХ/МС – электроспрей и матрично активированная лазерная десорбция/ионизация (МАЛДИ). За разработку этих методов Д.Фенн и К.Танака были удостоены Нобелевской премии в 2002 году. Ради справедливости нужно отметить, что значительно раньше метод электроспрей разработала Л.Н.Галль в Институте аналитического приборостроения АН СССР в 1982 году. Приоритет Л.Н.Галль в этой области признан специалистами.
Объемы продаж хроматографического оборудования
По данным European directory 2000/2001 (LC-GC Europe 2000, V. 13. № 8. Р. 586) в эти годы газовые хроматографы производили 66 фирм, а жидкостные хроматографы 69 кампаний. В табл.5 приведены объемы продаж отдельных видов хроматографического оборудования, взятые из журналов Instrumenta (бывший журнал Analytical Instrument Industry Report).
На протяжении 30 лет продавалось более 30 тыс. штук газовых храмотографов ежегодно. Можно с уверенностью сказать, что за 60 лет произведено около 1,5 млн. газовых хроматографов.
За 45 лет жидкостных хроматографов выпущено не менее 1 млн. штук. С учетом ионных хроматографов, портативных, промышленных и других можно предположить, что общее число произведенных всех типов хроматографов около 3 млн. Самый надежный зарубежный прибор – это модель Hewlett-Packard 5890, которая с небольшой модификацией выпускалась в течение 20 лет, всего более 10 000. После того, как выпуск этой модели прекращен, в Европейских лабораториях еще длительное время эксплуатировалось около шести тысяч таких приборов.
В нашей стране самыми надежными приборами были Цвет-4, Цвет-100 и первые модели Цвет-500, из них Цвет-100 и Цвет-500 в основном проработали в ЦЗЛ заводов более 20–25 лет. Рекорд установил Цвет-4: документально установлено, что на химических заводах в Щелоково и "Акроне" этот прибор проработал 40 лет. В СССР основными потребителями газовых хроматографов были исследовательские институты химического профиля и ЦЗЛ химических предприятий. На многих предприятиях работало более 100 хроматографов. На Кирово-Чепецком химзаводе, по данным З.Л.Баскина, эксплуатировалось более 500 хроматографов. Более 400–500 хроматографов применялись и на химических заводах Башкирии.
В табл.6 приведены продажи хроматографического оборудования, дополнительных устройств, колонок, сервисных услуг в 2013 и 2014 годах.
Следует отметить, что несмотря на кризисные процессы в мире, объем продаж хроматографического оборудования постоянно растет.
Заключение
Хроматографы находят широкое применение во всех жизненноважных областях: контроль загрязнений окружающей среды, пищевых продуктов, в медицине для ранней диагностики заболеваний, в контроле качества лекарств, в судебной медицине, мониторинге многих производственных процессов. Только хроматографические методы позволяют определять супертоксиканты в пищевых продуктах (пестициды, микотоксины, полиароматические углеводороды и др.).
Выпущены сотни гостированных методик по определению методом хроматографии.
Основные достижения хроматографических методов:
•расшифровка генома человека;
•разделение многокомпонентных смесей белков для задач протеомики;
•анализ содержимого одной клетки;
•установление фармакокинетики лекарств;
•ранняя диагностика заболеваний по анализам биохимических маркеров;
•разделение оптических изомеров, анализ энантиомерной чистоты лекарств;
•допинговый контроль на чемпионатах мира и олимпийских играх;
•анализ в судебных и судебно-медицинских экспертизах, анализ наркотиков и наркотических средств;
•контроль загрязнений окружающей среды, включая супертоксиканты (диоксины, полихлорированные бифенилы, полиядерные ароматические соединения на уровне ppt);
•контроль загрязнителей пищевых продуктов и напитков, в том числе самых опасных канцерогенных микотоксинов, нитрозоаминов, пестицидов и др.;
•анализ компонентов запахов и ароматов пищевых продуктов и напитков;
•анализ природного газа, газового конденсата, бензинов, керосинов, нефтепродуктов и сырой нефти, проведение имитированной разгонки нефти;
•разделение и анализ металлов, в т.ч. трансурановых;
•полный анализ состава атмосферы загрязненных городов;
•анализ фреонов стратосферы;
•анализ феромонов насекомых;
•анализ атмосферы и почвы планет (Венера, Марс, лунный грунт);
•анализ изотопозамещенных соединений.
Общие тенденции развития методов и приборов хроматографии [21]:
•повышение селективности разделения;
•повышение эффективности колонок;
•повышение экспрессности разделения;
•миниатюризация аппаратуры;
•совершенствование программного обеспечения как для управления прибором, так и для обработки результатов разделения и анализа.
Литература
1.Яшин Я.И. 40 лет газохроматографического приборостроения (1955–1995 гг.) // Журнал аналитической химии. 1998. Т. 53. № 1. С. 7–19.
2.Яшин Я.И., Яшин А.Я. Состояние хроматографического приборостроения // Зав.Лаб. 2003. Т. 69. № 3. С. 19–31.
3.Яшин Я.И., Яшин Е.Я., Яшин А.Я. Газовая хроматография. – М.: Транслит, 2009. 528 с.
4.100 лет хроматографии / Под ред. Б.А.Руденко. – М.: Наука, 2003. 739 с.
5.Chromatography a century of discovery 1900-2000 the bridge to the sciences/technology. Ed. by C.W.Gehrke, R.L.Wixom and E.Bayer Elsevier. Amsterdam. 2001. 709 р.
6.Хроматография на благо России. К 70-летию проф. В.А.Даванкова / Под ред. А.А.Курганова. – М.: Граница, 2007. 688 с.
7.Encyclopedia of chromatography Ed. J.Cazes. Fourth Edition. CRC Press. 2016. 3600 P.
8.Яшин Я.И., Яшин А.Я. Наукометрическое исследование состояния и тенденций развития методов хроматографии и аппаратуры // В кн.: 100 лет хроматографии Отв. ред. Б.А.Руденко. – М.: Наука, 2003. с. 898–936.
9.Яшин Я.И., Яшин А.Я. Миниатюризация газохроматографической аппаратуры (обзор) // ЖАХ. 2001. Т. 56. № 9. С. 902–914.
10.Яшин Я., Яшин А. Наукометрическое исследование материалов Питтсбургской конференции по аналитической химии и прикладной спектроскопии (PITTCON 2012) // Аналитика. 2012. Т. 3. С. 48–52.
11.Яшин Я.И., Веденин А.Н., Яшин А.Я. ВЭЖХ и УльтраВЭЖХ. Состояние и перспективы // Аналитика. 2015. Т. 2. С. 70–84.
12.Sharma S., Tolley L. T., Tolley H. D., Plistil A., Stearns S. D., Lee M. L. Hand-portable liquid chromatographic instrumentation // Journal of Chromatography A. 2015. T. 1421. C. 38–47.
13.Šesták J., Moravcová D., Kahle V. Instrument platforms for nano liquid chromatography // Journal of Chromatography A. 2015. T. 1421. C. 2–17.
14.Faure K. Liquid chromatography on chip // ELECTROPHORESIS. 2010. T. 31. № 15. C. 2499–2511.
15.Small H., Slevens T.E., Bauman W.C. Novel ion exchange chromatographic method using conductometric detection // Anal.Chem.1975. V. 47. P. 1801.
16.Small H. Ion chromatography. Plenum Press. New York. 1989.
17.Yashin Ya.I., Yashin Ya. A. and Walton H.F. Ion Exchange: Ion Chromatography Instrumentation. In: Reedijk, J. (Ed.) Elsevier Reference Module in Chemistry, Molecular Sciences and Chemical Engineering. Waltham, MA: Elsevier. 23-Jan-15.
18.Макаров А.А. Масс-спектрометрия на основе орбитальной ловушки ионов: достижения и перспективы // Аналитика. 2013. № 5. С. 30–36.
19.Лебедев А.Т. Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы // Аналитика. 2013. № 6. С. 8–14.
20.Лебедев А.Т. Россия может стать ведущей державой в области масс-спектрометрии // Аналитика. 2012. Т. 2. С. 1–5.
21.Яшин Я.И., Яшин А.Я. Основные тенденции развития хроматографии после 110-летия со дня ее открытия М.С.Цветом // Сорбционные и хроматографические процессы. 2014. Т. 14. Вып. 2. С.65 – 75.
Отзывы читателей
