(الكروماتوجرافيا وتقنيات الفصل)
مقدمة:
تُعدُّ أجهزة الكروماتوجرافيا من أهمِّ التقنيات التحليلية المستخدمة في مجال سلامة الحرائق؛ إذ تعتمد عليها المختبرات الجنائيَّة في كشف بقايا المواد المسرِّعة للاشتعال، وتحديد طبيعة المركبات المتخلِّفة بعد الحريق؛ ممَّا يساعد في تمييز الحرائق العَرَضيَّة عن المتعمَّدة بدقة عالية. وتأتـي أهميَّة هذه الأجهزة من قدرتها على فصل المُكوِّنات الكيميائية المعقَّدة وتحليلها حتى في التَّراكيز الضئيلة جدًّا، الأمر الذي يجعلها أداةً حيويةً في التحقيق في الحوادث، وتقييم مصادر الاشتعال، وتحسين إجراءات الوقاية والسيطرة على مخاطر الحرائق.
طرق الفصل الكروماتوجرافـي Separation Methods
تعتبر طرق الفصل مهمة جدًّا في الكيمياء التحليلية؛ حيث يمكن بوساطتها حلُّ الكثير من المشاكل التي تعترض المحلِّل الكيميائي, فمثلًا عند تحليل مُكوِّنات عيِّنةٍ ما كمِّـيًّا أو كيفيًّا نحتاج إلى فصل بعض أو كلِّ المُكوِّنات عن بعضها البعض قبل عملية القياس؛ نظرًا لحدوث التَّداخل في تلك العملية، كذلك نلاحظ أنَّه عند دراسة التركيب الكيميائي والخواص الفيزيائية لمادةٍ ما يجب أن نحصل على تلك المادة نقيَّـةً وخاليةً من الشوائب.
وتعتمد طرق الفصل على وجود اختلافٍ في خاصية واحدة أو أكثر من الخواص الفيزيائية الكيميائية للمواد المراد فصلها؛ مثل: درجة الغليان الانحلالية، ودرجة الانصهار، والكثافة، وكلَّما زاد الاختلاف في خاصيَّة من هذه الخواص لمادتين، سَهُلَ فصل هاتين المادتين, وهناك العديد من طرق الفصل؛ مثل: الاستخلاص بالمُذِيبَاتِ، والتَّبادل الأيونـي، وطرق الفصل الكروماتوجرافـي.
طرق الفصل الكروماتوجرافـي وما يتناسب مع نوعيَّة العيِّنات
| طبيعة المواد المراد فصلها | اختيار طريقة التحليل المناسبة |
| مواد متشابهة في الخواص الكيميائية | كروماتوجرافيا التجزئة |
| مواد مختلفة في الخواص الكيميائية | كروماتوجرافيا الامتصاص |
| المواد الطيَّارة | كروماتوجرافيا غازيَّة |
| مواد غير طيَّارة | كروماتوجرافيا سائلة HPLC |
| مواد متأيِّنة وغير عضويَّة | كروماتوجرافيا التبادل الأيونـي أو المستوية |
| مواد متأيِّنة من مواد غير متأيِّنة | كروماتوجرافيا التبادل الأيونـي |
| مُركَّبات ذات وزن جزيئي عال | الكروماتوجرافيا المنخلية GPC |
| مواد بيولوجية | كروماتوجرافيا الألفة |
تقنيات الفصل حسَب الخصائص الفيزيائية والكيميائية
| أساس الفصل | تقنية الفصل |
| الحجم | الترشيح, الديلزة, كروماتوجرافيا الاستبعاد الحجمي |
| الكتلة والكثافة | الطرد المركزي (التثقيل) |
| تشكيل معقدات | الحجب |
| تغيُّر الحالة الفيزيائية | التقطير, إعادة البلورة |
| تغيُّر الحالة الكيميائية | التَّرسيب والتبادل الأيونـي |
| التجزئة بين الطورين | الاستخلاص الكروماتوجرافيا |
تصنيف طرائق الكروماتوجرافيا
يمكن تصنيف طرائق الكروماتوجرافيا إلى ثلاثة أشكال مختلفة:
- التصنيف المعتمد على طبيعة الأطوار المستخدمة:
وهذا التصنيف يعتمد على نوع الطور المتحرك ونوع الطور الثابت المستخدمين في الفصل.
كروماتوجرافيا سائل – صلب Liquid – Solid Chromatography.
كروماتوجرافيا سائل – سائل Liquid – Liquid Chromatography.
كروماتوجرافيا غاز – صلب Gas – Solid Chromatography.
كروماتوجرافيا غاز – سائل Gas – Liquid Chromatography.
- التصنيف على آليَّة الفصل:
في هذا التصنيف نعتمد على ميكانيكية توزيع المواد المراد فصلها بين طورين.
كروماتوجرافيا الامتصاصAdsorption .
كروماتوجرافيا التجزئة أو التوزيع Partition .
كروماتوجرافيا التبادل الأيوني Ion-Exchange .
كروماتوجرافيا المنخليةExclusion .
كروماتوجرافيا الألفة Affinity.
الإلكتروفوريس Electrophoresis .
- التصنيف المعتمد على تقنية الفصل:
كروماتوجرافيا الورقة Paper Chromatography.
كروماتوجرافيا الطبقة الرقيقة Thin layer Chromatography.
كروماتوجرافيا الأعمدة Column Chromatography.
الاستخلاص بالمذيبات
Solvents Extraction
يُعدُّ من الطرق العملية المهمَّة المستعملة في فصل المُركَّبات العضوية وتنقيتها، ويستخدم على نطاق واسع في الحصول على المُركَّبات العضوية الموجودة في أجزاء النباتات بشكلها النقيِّ.
ويمكن تعريف (الاستخلاص) بأنه:
«عملية فصل مُركَّب من مزيجٍ بواسطة مذيبٍ مناسبٍ».
وعمليًّا، يستخدم الاستخلاص في فصل مُركَّب عضوي من محلوله المائي، أو فصل مادة معلَّقة في محلولٍ ما، ولنَفْرض أنَّ لدينا محلولًا مائيًّا يحتوي على مذابين A وB، وأضفنا له كميةً من مذيب عضوي لا يمتزج بالماء بعد الرَّجِّ الكافي، وتَرْك المخلوط ليستقرَّ حتى تنفصل الطبقتان تمامًا، سنجد أنه إذا كان أحد المذابين يذوب في المذيب العضوي بشكلٍ أكبر من ذوبانه في الماء، فإنَّ معظم أو كل كميَّة هذا المذاب سوف تنتقل من الطبقة المائية إلى طبقة المذيب العضوي، ونقول: إنَّ هذا المذاب قد استخلص، وإذا كان المذاب الآخر يذوب في الماءٍ بشكل أكبر من ذوبانه في المذيب العضوي، فإنَّه لن يستخلص، وبهذه الطريقة يمكن فصل المُذَابين فيزيائيًّا, علمًا أن المذيب ذا الكثافة الأعلى سيُشكِّل الطبقة السفلى في قَمْع الفصل, ويتَّضح مما سبق أنَّه يجب اختيار المذيب العضوي المناسب لعمليَّة الفصل هذه،
بالتالي هناك شروطٌ يجب أن تتوفَّر عند اختيار المذيب المناسب لعملية الاستخلاص، وهذه الشروط تتلخَّص فـي:
- أن يكون مذيبًا جيدًا للمادة المراد استخلاصها.
- أن ينفصل عن الماء بسرعةٍ، وبشكلٍ كاملٍ عند استقرار المحلول في قُمْع الفصل، وهذا يتطلَّب أن يكون الوزن النوعي للمذيب العضوي أكبر بكثير من الواحد.
- عدم حدوث أي تفاعلٍ كيميائيٍّ بين المادة والمذيب العضوي.
- إمكانيَّة استعادة المادَّة من المذيب دون تخريبها.
- أن يمتلك لُزُوجةً منخفضةً.
- تكلفته منخفضة.
- وفي بعض الحالات يمكن التحكُّم في عملية الاستخلاص عن طريق التحكُّم في الرقم الهيدروجيني للمحلول المائي.
التبادل الأيونـي
Ion Exchange
(التبادل الأيونـي): «هو عملية تتضمَّن انتقال أيونات عَبْر الحدود بين طورين، أحدهما سائل، والآخر صلب؛ حيث تزيح الأيونات في الطور السائل الأيونات الموجودة على سطح الطور الصلب، وتحلُّ محلها»، ويتمُّ ذلك باستخدام مادة صلبة تُسمَّى: المبادل الأيونـي.
(المبادل الأيونـي): «هو بوليمر عضوي يحتوي في تركيبه على مواقع فعَّالة تسمَّى: مواقع التبادل الأيونـي، وهي عبارة عن مجموعات فعَّالة قد تكون حمضيةً أو قاعديةً، قادرة على التأيُّن».
ويتمُّ اختيار طريقة التبادل الأيونـي عندما يكون المطلوب فصل وتقدير مُكَون موجود بتَرْكيز قليل في حجم محلول كبير؛ حيث يتمُّ إمرار هذا المحلول على مبادل أيونـي مناسب، فيتمُّ حجز المكون على المبادل، وتخرج بقيَّة المحلول من نهاية العمود، وبعدها يتمُّ استرجاع المكون المفصول باستخدام محلولٍ آخر بحجم صغير جدًّا، ويُسْتفاد من هذه الطريقة في التحليل الكمِّيِّ.
التحليل الكروماتوجرافـي
Chromatography Analysis
(التحليل الكروماتوجرافـي): «هو عمليَّة فصل فيزيائية (Physical separation method) لمُكوِّنات العيِّنة (Components) بهدف معرفة نوعها، وكميَّتها، وعدد مكوِّناتها».
وتُعدُّ الكيمياء التحليلية أحد فروع علم الكيمياء الأساسية، وتشمل قسمين رئيسين:
- التحليل الكيفي: الكشف عن هُويَّة كل مُكَون من مكونات المواد المدروسة حسَب صفاته الفيزيائية والكيميائية.
- التحليل الكمِّي: تحديد كميَّة كل مكون من مكوِّنات المادة المدروسة.
تستعمل طرق الفصل الكروماتوجرافـي من أجل فَصْل مزيجٍ، والتعرُّف على هُويَّة مكوناته (تحليل كيفي)، وتحديد محتوى هذه المُركَّبات في المزيج (تحليل كمِّي)، وهذا يُعْرف بالكروماتوجرافيا التحليلية, أو من أجل عزل مكونات مزيجٍ بشكل نقي، أي: الكروماتوجرافيا التحضيرية, ويعتبر التحليل الكروماتوجرافـي من أهمِّ طرق الفصل الحديثة كطريقةٍ سهلةٍ وسريعةٍ تحافظ على كيان المُركَّبات المراد فصلها، وتصلح لفصل مُكَونات أي مخلوط؛ سواء كان في الحالة الصلبة، أو السائلة، أو الغازية.
طرق التحليل الكروماتوجرافـي
Methods Chromatographic Analysis
يعتمد هذا النوع من التحليل على اختلاف المواد بعضها عن بعض فـي مَيْلها للامتزاز Adsorption أو التجزئة Partition، أو التبادلExchange خلال سطح مغلف بمذيب مناسب، أو خلال مادة كيميائية، ومن ثَمَّ يمكن أن تنفصل تلك المواد.
(التحليل الكروماتوجرافـي): يمكن تعريف التحليل الكروماتوجرافـي بأنه: «طريقة لتحليل وفصل المُركَّبات المختلفة»، وتعتمد على حدوث ما يُسمَّى Migration Differential، أي: اختلاف فـي انتقال وهجرة المُركَّبات نتيجة مرور مذيب أو غاز على الوسط المحتوي على المواد المراد تحليلها.
والأساسُ العلميُّ للطرق المستخدمة في الفصل يعتمد على توزيع المُركَّبات المختلفة بين طورين؛ أحدهما: طور متحرك، وطور ثابت، وتنقسم طرق التحليل الكروماتوجرافـي إلى:
- كروماتوجرافيا الامتصاص Adsorption Chromatography، ويُقْصد به التحليل الكروماتوجرافـي عن طريق الامتصاص على السطح.
- كروماتوجرافيا التبادل الأيونـي Ion-exchange Chromatography،
ويُقْصد به التحليل الكروماتوجرافـي عن طريق تبادل الأيونات بين مادة التقدير، وبين أيونات السطح الذي يحدث عليه التبادل، وهي مادة كيميائية راتنجية. - كروماتوجرافيا التجزئة Partition Chromatography،
ويُقْصد به التحليل الكروماتوجرافـي عن طريق الفصل التجزيئي لمخلوطٍ من عدَّة مواد، وتنقسم هذه الطريقة إلى كروماتوجرافيا العمود بالتجزئة Column partition، ويتمُّ فيها التحليل على عمود مُعبَّأ بمادَّة مُعيَّنة. - كروماتوجرافيا الطبقة الرقيقة Thin layer Chromatography، وفيه يتمُّ التحليل الكروماتوجرافـي بالامتصاص أو التوزيع على ألواح زجاجية تُنْـثَر عليها مادة مساميَّة يجري عليها الفصل والتحليل, وكروماتوجرافيا الطبقة الرقيقة هي أقدم وسائل الفصل والتحليل، وتَحْظى باستعمالٍ واسعٍ في علوم السموم والعلوم الجنائية؛ نظرًا لسهولة تطبيقها، وَرِخَصِ ثمنها وكفاءتها العالية في الفصل، إضافةً إلى حساسيتها العالية.
- كروماتوجرافيا الغاز Gas Chromatography،
يتضمَّن هذا التحليل الكروماتوجرافـي باستخدام غازٍ ناقلٍ يقوم بحمل أبخرة المواد المحلَّلة، فيتمُّ اتِّصال أبخرة هذه المواد تبعًا لدرجات غليانها، أي: تظهر أولًا المواد ذات درجات الغليان المنخفضة، ويتبعها المواد ذات درجات الغليان العالية، وتخرج هذه الأبخرة لتنضمَّ إلى الغاز الناقل، ومن ثَمَّ يمكن فَصْل هذه المواد عن بعضها وتعيينها، ويمكن أيضًا بطريقة كروماتوجرافيا الغاز إجراء التقدير الكمِّي لهذه المواد المنفصلة.
طرق إظهار البقع المفصولة
تكون البقع المفصولة -غالبًا- عديمة اللون، ويجب جَعْلها مُلوَّنةً باستعمال بعض الكواشف الانتقائيَّة التي تُسمَّى بـ (كواشف التظهير), باستخدام الطرائق الفيزيائية؛ كامتصاص الأشعَّة فوق البنفسجية عند أطوال موجية محددة (254 nm)، أو (366 nm)، أو بالطرائق الكيميائية؛ كالتفاعل مع حمض الكبريت، أو اليود، أو الننهيدرين، أو رش الطبقة بنترات الفضة لإظهار الهاليدات.
خاتمة
يُظهر هذا العرض النظري لطرائق الكروماتوجرافيا وتقنيات الفصل مدى الأهمية العلمية لهذه الأساليب في الكيمياء التحليلية، بوصفها أساسًا جوهريًا لفصل المركبات المعقدة وتحليلها بدقة وموثوقية عالية. وتُعدّ هذه التقنيات ركيزة لا غنى عنها لفهم سلوك المواد الكيميائية وتحديد خصائصها النوعية والكمية، الأمر الذي يُمهِّد لتطبيقاتها المتقدمة في مجالات السلامة من الحرائق والتحقيق الجنائي. ومن ثمّ، فإن الإلمام بالمبادئ الأساسية لطرق الفصل الكروماتوجرافي يُمثِّل خطوة أساسية قبل الانتقال إلى التطبيقات العملية المتخصصة التي سيتم تناولها في دراسات لاحقة.
