Chromatograficzna analiza barwników roślinnych

Jesień... jesień... lecą liście z drzew...

Jesień

Jesienią dotychczas jednorodnie zielone, kolorystycznie jednolite rośliny, nagle przebarwiają się całą paletą żółci, pomarańczy, czerwieni i brązów, gdy zaś w dodatku pogoda jest słoneczna krajobraz może wyglądać równie zachwycająco jak w pełnym rozkwicie letnich miesięcy. Chemik natomiast, oprócz walorów całkiem estetycznych, dostrzeże wokół barwniki, dotychczas maskowane przez głęboką zieleń chlorofilu, teraz zaś, po jego rozpadzie, ujawniające się w całej okazałości. Wszystkie te ksantofile, luteiny, karotenoidy...

Taki też surowiec roślinny miał stanowić obiekt mojej następnej analizy na zajęciach z chromatografii, zanim jednak opowiem o tym jak mi się to robiło i co w jej wyniku otrzymałem, przejdę przez niezbędną, dłuższą dygresję historyczno-naukową:

Chromatografia to w najogólniejszym ujęciu, metoda rozdzielania mieszanin różnych związków, wykorzystująca różnice w oddziaływaniu tychże z układem dwóch faz. Od tego jakie będą to fazy zależy rodzaj techniki. Również oddziaływania mogą mieć najrozmaitszą postać, począwszy od czynników czysto mechanicznych, przez własności do ad i absorbowania się w pewnych ciałach aż po zdolność do tworzenia mniej lub bardziej trwałych związków chemicznych. Współcześnie jest to jedna z najważniejszych technik analitycznych, mająca zastosowanie w przeważającej części wykonywanych badań. A wszystko zaczęło się pewnego dnia, gdy pewien botanik...

Około roku 1901 rosyjski botanik Michaił Cwiet zatrudniony na rosyjskim wówczas uniwersytecie warszawskim, trudnił się badaniami nad właściwościami wyciągów roślinnych. Wiadomo było, że w liściach zawarte są różne substancje barwne, istniał jednak problem w odpowiednim ich rozdziale. Ponadto zastanawiającą sprawą było to jak różne rozpuszczalniki ekstrahują z roślin poszczególne składniki. Jedne, jak alkohol i eter, dawały ciemnozielone roztwory zawierające głównie chlorofil, płynne węglowodory dawały wyciągi żółtawo zielone natomiast eter naftowy i benzyna zupełnie żółte. Ponieważ w tym czasie struktura chemiczna barwników roślinnych nie była jeszcze znana, tak różna zdolność ekstrakcyjna dobrych rozpuszczalników była trudna do wyjaśnienia.
Cwiet postanowił sprawdzić, czy jest to związane wyłącznie z właściwościami barwników czy też z własnościami tkanki roślinnej. Zastanawiał się:

Jeśli chlorofil jest całkowicie rozpuszczalny w eterze naftowym, jak to się powszechnie uznaje, to dlaczego nie został usunięty ze świeżych i suchych liści w tym rozpuszczalniku? Dlaczego rozpuszcza się tylko żółty składnik?[1]

Za materiał posłużyły mu liście babki i jasnoty. Po ugnieceniu w moździerzu na papkę i zalaniu ich mieszaniną eteru naftowego i alkoholu, dla ekstrakcji wszystkich składników, w otrzymanym roztworze moczył przez pewien czas paski papieru i odparował rozpuszczalniki pod próżnią. Włóknista struktura papieru miała udawać strukturę tkanki roślinnej. Gdy teraz powtarzał eksperymenty z tak zabarwionymi paskami papieru, wszystkie zaobserwowane wcześniej prawidłowości się powtarzały - alkohol wymywał chlorofil a benzyna karoteny. Cwiet uznał zatem, że obserwowane efekty mają związek z siłą adsorpcji barwników do tkanek roślinnych. Alkohol mógł przezwyciężyć powinowactwo dla chlorofilu, natomiast rozpuszczalniki alifatyczne nie, jeśli jednak chlorofil został wyodrębniony przez wygotowanie z części roślinnych, to tak uzyskany pigment łatwo rozpuszczał się w eterze naftowym. Gdy zaś do takiego roztworu dodano bibuły, zielony barwnik został całkowicie pochłonięty (zaadsorbowany) przez papier i oddzielony od żółtawego roztworu.

W dalszych doświadczeniach stwierdził, że zdolność do adsorbowania chlorofilu z roztworów benzynowych i naftowych mają praktycznie wszystkie stałe substancje nierozpuszczalne w tych cieczach. Przetestował pod tym kątem pierwiastki, ich tlenki, chlorki, siarczany, węglany, krzemiany, stałe kwasy organiczne, cukry, białka a nawet ziemię okrzemkową i mączkę kostną - za każdym razem uzyskując taki sam rezultat. Tak więc sprawa rozpuszczalności i powinowactwa barwników w roślinach została wyjaśniona. Cwiet jednak rozwijał temat dalej, zastanawiając się nad możliwością wykorzystania zauważonych prawidłowości w analityce.

Wyekstrahowaną mieszaninę barwników mieszał z absorbentem, którym był węglan wapnia, oddzielając chlorofil i uzyskując roztwór karotenów. Tak uzyskany osad przemywał mieszaniną nafty z alkoholem uzyskując pięknie zielony roztwór z którego metodami ekstrakcyjnymi oddzielał od chlorofilu ksantofile. Zauważył przy tym, że gdy absorbent z pochłoniętym barwnikiem o mniejszym powinowactwie przemywano roztworem barwnika mającym większe powinowactwo, ten słabszy był wypierany. Istniał wyraźny szereg kolejności wypierania jednych substancji przez drugie. Co z tego wynikało?

Gdy Cwiet wlał ekstrakt wszystkich składników na szczyt kolumny, to jest szklanej rurki wypełnionej ubitym węglanem, i przemywał całość rozpuszczalnikiem, substancje ułożyły się w rurce w oddzielne prążki zgodnie z szeregiem adsorpcji/wypierania. Barwnik najsłabiej pochłaniany, wypierany z adsorbenta przez wszystkie inne składniki, tworzył pierwszy prążek, za nim pojawiał się barwnik który go wypierał a sam był wypierany przez pozostałe. Rozdział ten był zupełny i pozwalał chemikowi na oddzielenie jednego składnika od wszystkich innych; wystarczyło po prostu podstawić w odpowiednim momencie zlewkę pod kurek wylotu i odlać roztwór tej konkretnej substancji, bez konieczności tych wszystkich ekstrakcji, wytrząsań i odparowań. Badacz porównał to do tęczy, w której oddzielone zostają od siebie poszczególne kolory. Dlatego też w pierwszej pracy z 1906 roku nazwał tą technikę Chromatografią - co dosłownie znaczy tyle, co "pisanie kolorem". Co ciekawsze jego nazwisko "cwiet" w języku rosyjskim znaczy tyle co "kolor".

W toku dalszych prac odkrył, że chlorofil jest w rzeczywistości mieszaniną dwóch substancji - jasno i ciemnozielonej, które nazwał chlorofilem α i chlorofilem β. W podobny sposób rozróżnił ksantofile i karoteny.

Piękne odkrycie, jednak Cwiet został na długi czas zapomniany. Niestety większość prac na ten temat została opublikowana w języku rosyjskim, tym samym nie były powszechnie znane w świecie naukowym. Jedyni dwaj naukowcy, który próbowali powtórzyć doświadczenie, użyli zbyt agresywnego rozpuszczalnika, który odbarwiał im chlorofil. Po takiej negatywnej weryfikacji pomysły botanika uznano za wymysły. Zmarł w 1930 roku osiągając uznanie jedynie w kwestiach botanicznych.

W międzyczasie inny badacze wpadali na zbliżone pomysły. W 1860 roku Christian Friedrich Schönbein zauważył, że roztwory różnych barwników wsiąkają w papier z różną prędkością. Jeśli więc wsadzić pasek bibuły w roztwór pomieszanych barwników, ten szybszy odrobinę przeganiał wolniejszy i dawało się zauważyć różnicę. Metodą była stosowana głównie do zbadania czystości związków oraz potwierdzania składu mieszanin. Schönbein sądził, że rzecz polega na różnej prędkości przeciskania się cząsteczek barwników przez kapilary między włóknami, dlatego nazwał swą metodę analizą kapilarną. Miało to wówczas całkiem przyzwoite podstawy, wszak prędkość z jaką gazy przedostają się przez przegrody ceramiczne wprost zależy od ich masy cząsteczkowej. Gdyby badacz zamiast rozpuszczać związki w rozpuszczalniku, naniósł je na początek wstęgi papierowej i zanurzył ją w czystym rozpuszczalniku, to byłaby to chromatografia bibułowa. Jednak do tego etapu nie dotarł, zaś jego metoda miała niską przydatność w badaniach analitycznych. Już pod koniec XIX wieku próbowano oddzielać lżejsze i cięższe frakcje ropy naftowej, przepuszczając ją przez rurę wypełnioną ziemią okrzemkową - chciano tu skorzystać z tej samej zasady, bez świadomości na czym na prawdę polega proces.

Trzeba było czekać ponad 20 lat nim ktoś, kto miał ku temu poważny powód, przypomniał sobie i pracach rosyjskiego botanika.

Karotenoidy były dobrze znane już w XIX wieku, gdy wyizolowano je z roślin. W latach 20. minionego wieku zauważono powiązanie pomiędzy nimi a witaminą A, nie było jednak wiadome czy to karoten zamienia się w witaminę, czy odwrotnie. W tym okresie związkiem tym zainteresował się niemiecki chemik Richard Kuhn. Fascynowała go regularna, symetryczna struktura polienów - związków zawierających łańcuchy z naprzemiennych wiązań pojedynczych i podwójnych - dlatego izolował i badał podobne związki, wykazując istotną zależność między budową a żywą barwą. Tymczasem jego konkurent Paul Karrer przedstawił swoją propozycję składu i budowy karotenu. Była to propozycja logiczna, oparta na doświadczeniach, jednak jeden ze współpracowników Kuhna, Edgard Lederer, badając naturalny związek otrzymał odmienne wyniki. Kuhn zinterpretował tą rozbieżność poprawnie - uznał, że skoro struktura teoretyczna jest poprawna, a wyniki badań praktycznych odmienne, to naturalny karoten jest mieszaniną różnych związków o podobnych właściwościach, zaś struktura Karrera należy do jednego z nich. Teraz należało je rozdzielić.

Kuhn musiał się w swojej pracy nad izolowaniem naturalnych związków natknąć na prace Cwieta, dlatego zaproponował współpracownikowi aby spróbował chromatografii. Po wielu próbach dobierania rozpuszczalników i adsorbentów udało mu się oczyścić, oddzielić i skoncentrować dwie odmiany karotenu, określone jako karoten alfa i beta. W późniejszym okresie wykryli jeszcze karoten gamma. Odmiany różniły się postacią krystaliczną i właściwościami optycznymi. Ich praca opisująca ten rozdział - a tym samym i chromatografię - ukazała się w 1931 roku.
Struktura zaproponowana przez Karrera odpowiadała odmianie beta, będącej najczęstszą w roślinach zielonych, natomiast odmiana alfa w dużej ilości występuje w marchwi. Kuhn w dalszych badaniach skupił się na procesach przemiany karotenu w witaminę A, na jej działaniu na zdrowie, przemianach metabolicznych itd. Ostatecznie w 1938 roku za badania nad karotenami i witaminami otrzymał Nagrodę Nobla z chemii. Wspomniany Karrer który zsyntetyzował swój karoten a także wiele innych witamin ( w tym wit. B wraz z Kuhnem) i zbadał ich struktury, otrzymał tę nagrodę rok wcześniej, w 1937.

Beta karoten

W latach 30. techniki chromatograficzne z wolna zaczęły przedostawać się do nurtu analityki chemicznej, jednak dopiero rozwój nowych technik uczynił je przydatnymi. W 1938 roku brytyjski chemik Archer Martin zajmujący się dotychczas wyodrębnianiem i oczyszczaniem witaminy E, zaczął wraz z Richardem Synge zajmować się metodami rozdziału aminokwasów ze zhydrolizowanej wełny.
Sam wcześniej specjalizował się w ekstrakcji w przeciwprądzie. Przepuszczał niemieszające się ciecze przez rurę w ten sposób, że jedna przepływała w jedną stronę a druga w drugą, co było najefektywniejszym sposobem. Podobną metodę chciał stosować w tym przypadku, jednak okazała bardzo kłopotliwa - dla dobrzej ekstrakcji należało użyć baterii 45 ekstraktorów które trzeba było pilnować cały dzień. Badacze postanowili więc połączyć chromatografię z ekstrakcją, przy czym aparatura miała być tak skonstruowana aby uzyskać przeciwprąd. Napełnili rurę mieszaniną wełny i bawełny tak, że poszczególne włókna skupiały się w pęczki na końcach kolumny. Bawełna łatwo nasiąkała wodnym roztworem aminokwasów zaś wełna chętniej nasiąkała chloroformem, wystarczyło więc włożyć pęczki z dwóch stron w różne naczynia aby uzyskać przeciwne biegi cieczy. Jednak pierwsze próby pokazały, że rozdział jest jeszcze gorszy . Martin pomyślał wówczas, że jeśli dwie fazy ruchome nie zdają egzaminu, to powinien spróbować z jedną.

Kolumna szklana została wypełniona żelem krzemionkowym, używanym do osuszania substancji. Dobrze wiązał on wodę i był nią dobrze zwilżany, więc po nasączeniu roztworem wodnym był nim nasiąknięty i zatrzymywał go w jednym miejscu. Gdy przez kolumnę przelewano chloroform aminokwasy ekstrahowały do niego, ponieważ zaś współczynnik podziału (to jest stopień przejścia z jednej cieczy do drugiej) był dla nich różny, jedne robiły to bardziej inne zaś mniej. Przy ciągłym przesączaniu chloroformu dawało to w efekcie prążki poszczególnych substancji, co udowodniły próby z oranżem metylowym[2]. Była to zatem chromatografia kolumnowa, taka jak u Cwieta, lecz zasada rozdziału substancji opierała się na zupełnie innym zjawisku, na podziale między dwie niemieszające się ciecze - dlatego nazwano ją Chromatografią podziałową.

Metoda okazała się dobra dla rozdziału wielu innych substancji, dlatego za tych kilka prac na ten temat z 1941 roku, obaj naukowcy dostali Nagrodę Nobla z Chemii w roku 1952. Co ciekawsze już w tych pierwszych pracach opisali możliwość podobnego rozdziału w którym fazą ruchomą jest gaz. I rzeczywiście, już w połowie lat 40. udało się rozdzielić mieszaninę tlenu i tlenku węgla. Inne techniki są bardzo liczne, ale wymienić można chromatografię papierową, wykonywaną na papierowej wstędze i chromatografię cienkowarstwową, wykonywaną na płytkach pokrytych cieniutką warstwą adsorbenta - i taką właśnie analizę wykonywałem na zajęciach.

Wszystkie te metody nie były by jednak wiele warte w analizie, gdyby nie pewna ich specyficzna własność - dla danej temperatury, rodzaju wypełnienia i eluenta, czas po jakim substancja przejdzie przez złoże (czas retencji) jest charakterystyczny tylko dla niej. Jeśli więc na końcu kolumny umieścimy detektor, który pokaże nam, że oto w rozpuszczalniku pojawiła się jakaś substancja, jeśli będziemy znali wszystkie parametry i będziemy wiedzieli jakiego rodzaju mieszaninę wprowadziliśmy na początku, to będziemy mogli poznać jakie substancje zostały wykryte w detektorze, zaś natężenie sygnału powiadomi nas o całkowitej ilości.
Możemy na początku kolumny umieścić ścieki, a po skończonej analizie otrzymamy wykres z pikami odpowiadającymi 20-30 substancjom, jakie były zawarte w mieszaninie, i każdą możemy oznaczyć jakościowo i ilościowo. Właśnie dlatego chemicy analitycy wpadli w zachwyt, gdy techniki chromatograficzne zostały wprowadzone do użytku.

Przykładowy chromatogram wykreślony przez detektor

Moją analizę, jak wspomniałem, przeprowadzałem na płytce, w cienkiej warstwie absorbenta, którym był w tym przypadku wysuszony żel krzemionkowy. Próbka badana ma zatem postać kilku kropel nanoszonych na zaznaczaną linię w pobliżu jednej z krawędzi płytki. Wkłada się ją do zamkniętego szklanego naczynia, na którego dno wlano wcześniej przygotowany eluent. Dobrze jest, gdy takie naczynie pozostanie zamknięte przed rozdziałem przez pewien czas, aby powietrze wewnątrz nasyciło się parami rozpuszczalnika. Często obok próbki badanej nakrapla się roztwór wzorca, zawierający jedną lub kilka znanych substancji. Przez porównywanie chromatogramów tych dwóch mieszanin można z dużą pewnością potwierdzić obecność w próbce substancji zawartych we wzorcu. Następnie płytkę wsadza się do komory, tak aby krawędź tylko lekko zanurzyła się w rozpuszczalniku. Zaczyna on teraz podsiąkać w górę płytki, porywając za sobą naniesione substancje, które zgodnie z powinowactwem do adsorbenta rozdzielają się na prążki. Rozwijania chromatogramu nie przeprowadza się do końca. Gdy czoło rozpuszczalnika mocno zbliży się do drugiego brzegu płytki, wyciągamy ją, zaznaczamy dokąd sięgnął płyn i suszymy.

Jak jednak wspomniany czas przechodzenia przez złoże ma się do położenia plamek? Przecież skoro nawet eluent nie dociera do brzegu płytki, to również rozdzielane substancje nie przejdą przez złoże a my nie zmierzymy czasu ich przechodzenia. No i otóż w przypadku tej techniki stosuje się inną metodę, mianowicie wyznacza się współczynnik Rf (retardation factor). Po prostu całkowitą długość drogi przebytą przez daną substancję dzieli się przez całkowitą długość drogi przebytą przez rozpuszczalnik (dlatego zaznaczamy punkty początku i końca) i uzyskujemy pewną wartość mniejszą od jedności (czasem dla wygody używa się jej stokrotności). Nazywany tą wartość współczynnikiem opóźnienia.

Tak więc najpierw należało zebrać materiał. Wybrałem liście ligustru z którego często tworzy się żywopłoty, są bowiem skórzaste, nieco grubsze i ciemnozielone. Dla urozmaicenia zerwałem też kilka czerwonych liści sumaka, mając nadzieję, że wygląd chromatogramu będzie przez to ciekawszy. Po rozdrobnieniu liście wsypałem do porcelanowego moździerza i utłukłem na miazgę.

W moździerzu

Następnie zalałem heksanem, dla ekstrakcji barwników. Jednak roztwór heksanowy był bardzo słabo zabarwiony - co skądinąd potwierdzało obserwacje Cwieta. Heksan jest głównym składnikiem eteru naftowego. Dolałem więc równoważną ilość metanolu i teraz roztwór stał się intensywnie zielony. Powstałą rzadką papkę należało teraz przesączyć. Gdy to robiłem zwróciłem uwagę na ładny wygląd zazielenionego sączka:

Sączyło się

Otrzymany przesącz rozdzielił mi się na dwie warstwy - metanolowo-wodną o pomarańczowym kolorze i heksanową ciemno zieloną. Woda pochodziła oczywiście z liści. Nie rozdzielałem ich jednak i przy pobieraniu próbek starałem się brać zarówno z warstwy zielonej jak i pomarańczowej.

Warstwy

Teraz należało przygotować komorę. Było to prostopadłościenne naczynie z wewnętrznymi przegródkami, zamykane szkiełkiem. Na dno wlałem kilka centymetrów sześciennych mieszaniny heksanu z acetonem w stosunku 4:1 i całość zamknąłem przykrywką.
Wyciąłem z większego arkusza płytkę tak, aby mieściła się w komorze. Płytka miała postać arkusza folii aluminiowej z naniesioną z jednej strony białą warstwą krzemionki, w dotyku przypominającą mocno nakredowany papier. U dołu, pół centymetra od krawędzi, lekko aby nie zadrapać pokrycia, narysowałem ołówkiem linię i oznaczyłem literami miejsca naniesienia próbek. Przy pomocy kapilarki naniosłem po kilka kropel na każde z trzech miejsc - w jednym tylko mój ekstrakt, w drugim ekstrakt zmieszany ze wzorcem karotenów a na trzecie sam wzorzec:

Naniesione próbki

Wzorzec zawierał karoten. Przy rozwijaniu na tej samej płytce miał dawać żółtą plamkę. Wystarczyło zatem później porównać i już wiedzieć, że "aha, w chromatogramie próbki jest żółta plamka na tej samej wysokości - czyli, że karoten jest".
No dobra - komora przygotowana i nasycona, płytka oznaczona, próbki naniesione. I co teraz?
A no wrzuciłem płytkę do komory, krawędź zanurzyła się lekko w eluencie, ten zaczął podsiąkać w górę a gdy dotarł do plamek, porwał je ze sobą. Jednak wkrótce jednolite plamki zaczęły się rozdzielać i zamieniły się w osobne pasma. Zresztą, co tu dłużej opisywać, zobaczcie animację którą skleiłem z kilkunastu zdjęć komory:



Jako podkład muzyczny wykorzystałem fragment "Wiosny" Vivaldiego, jako że w końcu to roślinne barwniki są tu rozdzielane.

Gdy rozpuszczalnik zbliżył się do drugiego brzegu płytki, wyjąłem ją, zaznaczyłem dokąd dotarł i szybko wysuszyłem. Mieszanina rozdzieliła się na 8-9 barwnych pasm, zgodnie ze wzrastającą niepolarnością (a co za tym idzie spadającym powinowactwem do podłoża). Na podstawie porównywania wyniku z innymi dostępnymi w internecie mogę powiedzieć, że dwa pierwsze pasma to któreś z ksantofili, dwa następne, o kolorze ciepłej i chłodnej zieleni, to chlorofil β i chlorofil α, szare pasmo to feofityna , czyli chlorofil pozbawiony magnezu, na samym zaś końcu łatwo można zidentyfikować karoten.

Drugie rozwijanie mieliśmy przeprowadzać w innym, wybranym przez siebie składzie eluenta, mając więc na uwadze, że większość pasm do końca rozwijania nie przekroczyła połowy, postanowiłem pchnąć je do przodu, zwiększając polarność rozpuszczalnika.

Drugi raz zatem rozdział był dokonany z mieszaniną heksanu i metanolu w stosunku 1:1. I tutaj najlepiej rzecz zobrazuje odpowiednia animacja:




Tym razem uznałem, że najodpowiedniejszym podkładem będzie ten fragment Fantazji Chromatycznej Bacha, nie tylko dlatego, że tytuł mi pasował, ale też dlatego, że to ładny fragment.

Pasma rzeczywiście poszły do przodu, aż za bardzo i w efekcie zaczęły się na siebie nakładać. Zagadką jest dla mnie pojawienie się wyraźnego pasma luteiny - żółtawego barwnika liści. Wcześniej go nie było albo nakładało się na któryś z chlorofili.

Teraz należało poobliczać Rf-y dla poszczególnych plamek, objaśnić co i jak zachodziło i sklecić sprawozdanie, czego bardzo nie lubię. Bo tak, to mógłbym robić, i robić...



Za jakiś czas opowiem nieco więcej o chromatografii i jej technikach. Może uda się też wreszcie pododawać inne filmiki które wykonałem na zajęciach - te ze stapianiem substancji z metalicznym sodem są bardzo efektowne.


-----
[1] M. Tsweet Physical chemical studies on chlorophyll adsorptions ,Berichte der Deutschen botanischen Gesellschaft 24 , 316-23 (1906) - w tłumaczeniu na język angielski przez Henry'ego M. Leicestera, w: Source Book in chemistry 1900-1950 (Cambridge, MA: Harvard, 1968)
[2] http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1952/martin-lecture.pdf

* http://pl.wikipedia.org/wiki/Chromatografia
* http://en.wikipedia.org/wiki/Chromatography
* http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_chromatography
* http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/articles/states/richard-kuhn.html