9.4 IR- og NMR-spektroskopi

Et kappløp som skiller venner fra fremmede

Har du noen gang sett en svart tusjflekk på et vått filterpapir bre seg ut i et vifteslør av farger? Da har du allerede sett kromatografi i aksjon. Den tilsynelatende ensartede svarte fargen var i virkeligheten en blanding, og vannet skilte den i sine enkeltdeler foran øynene dine.

Kromatografi er en samling separasjonsteknikker som alle bygger på samme idé: stoffene i en blanding fordeler seg mellom en stasjonær fase som står stille, og en mobil fase som beveger seg. I dette kapittelet skal vi se hvorfor noen stoffer haster av gårde mens andre henger igjen, bli kjent med de viktigste teknikkene, og lære å lese tallene de gir oss.

Hvorfor noen stoffer henger etter

Hemmeligheten bak all kromatografi er ulik affinitet. Tenk deg et stafettløp gjennom en lang korridor med klissete vegger. Den mobile fasen — en væske eller en gass — er strømmen som skyver alle framover. Den stasjonære fasen — et fast stoff eller en tynn væskefilm — er de klissete veggene som holder igjen.

Et stoff som binder seg sterkt til den stasjonære fasen, klistrer seg ofte til veggene og beveger seg sakte. Et stoff som heller trives i den mobile fasen, suser forbi. Etter en stund har de opprinnelig sammenblandede stoffene spredt seg utover i rekkefølge etter hvor sterkt de holdes tilbake — og dermed er de skilt.

Dette grunnprinsippet dukker opp i mange forkledninger. I tynnsjiktkromatografi (TLC) er den stasjonære fasen et lag silika på en plate og den mobile fasen et løsemiddel som kryper oppover. I HPLC presses løsemiddelet under høyt trykk gjennom en tettpakket kolonne. I ionebytterkromatografi holdes ioner igjen av en harpiks. Og i gasskromatografi (GC) er den mobile fasen en inert bæregass som He eller N₂, mens stoffene må være flyktige nok til å følge med.

TLC og Rf-verdien

La oss følge en tynnsjiktkromatografi fra start til slutt, for den er både enkel og lærerik. Vi setter en liten prøveflekk nær bunnen av en silikabelagt plate, stiller platen i et kammer med litt løsemiddel, og lar løsemiddelet stige oppover av seg selv. Stoffene følger med ulik fart. Når løsemiddelfronten nærmer seg toppen, tar vi ut platen, markerer frontlinjen og synliggjør flekkene.

For å beskrive hvor langt et stoff vandret, bruker vi Rf-verdien:

$$R_f = \frac{\text{avstand stoffet har vandret}}{\text{avstand løsemiddelfronten har vandret}}$$

Rf ligger alltid mellom 0 og 1 og er karakteristisk for et stoff under gitte betingelser. Sier vi at løsemiddelfronten gikk 8,0 cm og en flekk havnet 4,8 cm opp, blir $\displaystyle R_f = \frac{4{,}8}{8{,}0} = 0{,}60$. En slik moderat verdi forteller at stoffet har middels polaritet, og vi kan sammenligne den mot kjente standarder kjørt på samme plate. Husk at Rf bare gir mening når løsemiddel og stasjonær fase er de samme — endrer du betingelsene, endrer du tallet.

GC og HPLC: kromatografi på industriskala

TLC er rask og billig, men gir mest et kvalitativt øyeblikksbilde. Når vi vil måle nøyaktig hvor mye, går vi over til instrumentene.

I gasskromatografi injiseres prøven, fordampes, og føres av en bæregass gjennom en lang kolonne der stoffene skilles etter kokepunkt og polaritet. En detektor registrerer hvert stoff etter hvert som det kommer ut, og resultatet tegnes som et kromatogram: retensjonstiden langs x-aksen og detektorsignalet langs y-aksen. Det fine er at arealet under hver topp er proporsjonalt med mengden stoff — derfor egner GC seg ypperlig til narkotika-, miljø- og matvareanalyse, så lenge stoffene er flyktige.

For stoffer som ikke fordamper, tar HPLC over. Her presser et høyt trykk en flytende mobil fase gjennom kolonnen, og ulike detektorer — UV-Vis, fluorescens eller til og med MS — fanger opp stoffene. Et viktig valg er om vi kjører normalfase (polar stasjonær, upolar mobil — da kommer de upolare stoffene først) eller omvendt fase (upolar stasjonær, polar mobil — da kommer de polare først). Med riktig oppsett blir HPLC et allsidig og presist arbeidshest for kvantitativ analyse.

Oppsummering

Kromatografi skiller en blanding ved å la stoffene konkurrere mellom en stasjonær og en mobil fase — de som binder sterkest til den stasjonære fasen, henger etter, og slik sorteres blandingen. TLC er det enkle, billige verktøyet der vi beskriver vandringen med $\displaystyle R_f = \frac{\text{stoffets avstand}}{\text{frontens avstand}}$, en verdi mellom 0 og 1 som bare gjelder under like betingelser. GC skiller flyktige stoffer i en bæregass og gir et kromatogram der toppareal forteller mengde, mens HPLC bruker høyt trykk og væske til å håndtere også ikke-flyktige stoffer, med valget mellom normalfase og omvendt fase. Felles for alle: retensjon, resolusjon og de tallene kromatogrammet gir oss, gjør kromatografi til en av kjemiens viktigste separasjons- og analysemetoder.