Разделение

Хоть кофейную заварку отцеживай от утреннего напитка, хоть аромат жасмина выделяй из цветков или героин из крови на месте преступления - мало найдется в химии процедур более распространенных, чем отделение одного вещества от другого. Голландское название химии вообще переводится как «искусство разделения».

В любом теледетективе есть эпизод, где команда криминалистов вваливается на место преступления и берет ситуацию в свои руки. Чем они потом заняты, нам неведомо. Мы не знаем, что происходит в лаборатории. Мы видим лишь, как они приезжают, облачаются в эти свои бумажные комбинезоны, а через несколько минут следователь — мистер Мне-всё-ясно — зачитывает результаты. Преступление раскрыто.

Интересно было бы поглядеть, что же на самом деле происходит в отделе криминалистики. Тамошние умельцы уж точно знают толк в химическом разделении. Вообразите: возвращаются они с места какого-нибудь особенно жуткого преступления. Всюду кровища и следы приема наркотиков. Первое, что криминалисты захотят выяснить, — кто именно принимал запрещенные препараты. В их распоряжении образцы крови, но как добыть из них наркотические вещества и установить их состав? Стоящая перед ними задачка — посложнее извлечения канцелярских скрепок из лоханки с рисом. У нас тут два вещества в жидком виде, их вручную не разделить.

Хроматография

Криминалисты справятся с этой задачей при помощи одной из хроматографических методик. По сути, они заставят наркотическое вещество осесть на чем-нибудь — из соображений, что оно  к какому-нибудь «липучему» материалу прицепится, а кровь — нет. Примерно как вытягивать скрепки из тазика с рисом при помощи магнита. В криминалистской терминологии наркотик (скрепка) — аналит, или же анализируемое вещество.

Духи и краски

В принципе, любая современная хроматография похожа на методы экстракции, веками применявшиеся в промышленности, в том числе и в парфюмерии. «Липучий» материал не обязательно должен быть твердым. Парфюмеры, экстрагируя из жасминовых цветков вещества, отвечающие за запах жасмина, применяют жидкие реагенты — например, гексан. Главное, чтобы пахучие вещества имели большую аффинность (сродство) к жидкости, чем к веществам в составе цветка.

Многие знакомы с хроматографией, потому что в школе нам всем выдавали бумажные полоски, и мы разделяли различные цветные чернила или красители — то были наши аналиты. Два разных красителя по-разному взаимодействуют с бумагой и потому образуют на бумаге два отдельных, по-разному окрашенных пятна. Понятие «хроматография» само по себе буквально означает «цветопись». Один из первых ученых, работавших над хроматографическими методами в 1900-х, был ботаником и применял бумагу для разделения растительных пигментов. Но лишь в 1941 году Арчер Мартин и Ричард Синг объединили жидкостной метод экстракции, подобный используемым в парфюмерии, и незадолго до этого изобретенную распределительную хроматографию — применили гель для разделения аминокислот.

Арчер Мартин

Ричард Синг

Движение вверх

В школьном эксперименте с красками есть так называемая неподвижная (стационарная) фаза — бумажка («магнит» или «липучее» вещество) — и подвижная, то есть краска, потому что она движется по бумажному листку. Хотя современные криминалисты более высокотехнологично экипированы, названия у фаз те же. Две самые используемые методики хроматографии — газовая и высокоэффективная жидкостная, где применяют высокое давление. Обе годятся для выделения наркотических и взрывчатых веществ и следов пороха. А еще их можно применять совместно с масс-спектрометрами, эти приборы помогают криминалистам понять, что именно за вещество было выделено из полевых образцов. Например, молекулярный «след» аналита может быть опознан как героин.

Чтобы точно установить личность человека с героином в крови, криминалисты могут применить и капиллярный электрофорез — еще одну популярную методику разделения. При электрофорезе нарезанная на фрагменты молекула ДНК (аналит) под действием электричества протискивается по узеньким канальцам, и происходит специфическое разделение в зависимости от ДНК-профиля носителя. Полученный в результате электрофореза профиль ДНК можно сверить с пробой крови или волос, взятой у подозреваемого. Подлинное мастерство криминалиста — выбрать, какой метод или их сочетание подойдут в том или ином случае лучше прочих. Бывает, задача лишь в том, чтобы определить, героин это или нет, однако иногда, прежде чем даже засечь вещество, приходится преодолеть несколько стадий разделения.

«В Голландии химию и поныне именуют «шеикунде», или «искусство разделения»» Арне Тиселиус (1902-1971), шведский биохимик, профессор, член Нобелевского комитета (1952)

Другие методы разделения

Разумеется, не одни лишь криминалисты применяют химическое разделение, пусть у них профессия и броская. Разделение — стандартный аналитический метод в химии. Стоит упомянуть еще и старую добрую перегонку — разделение смеси жидкостей на основании разницы в их температурах кипения, а также центрифугирование, позволяющее разделять вещества по их плотности. Вы, наверное, уже отметили закономерность: любое разделение в химии пользуется разницей в свойствах веществ. И напоследок вспомним про фильтр для кофе: он физически отделяет твердые кофейные частицы от напитка — такое разделение основано на фазовых свойствах этих двух субстанций. Фильтрование — тоже распространенный метод разделения; химики, чтобы ускорить этот процесс, нередко применяют вакуумные насосы. Есть и другие лабораторные методы, сообщающие химикам о составе смесей и сложных веществ.

Электрофорез

Электрофорез - общее название многих методов разделения молекул (белков и ДНК, например) при помощи электричества. В гель или жидкость добавляют образцы разделяемой смеси, и молекулы разделяются в соответствии со своим поверхностным зарядом: отрицательно заряженные движутся к аноду, положительно заряженные - к катоду. Чем мельче молекула, тем шустрее она перемещается, поскольку среда сопротивляется ее движению меньше, и таким образом можно разделять компоненты смеси и по размеру частиц.

Отделяем пшеницу от муки

Методы разделения широко применяются и в аналитике на пищевых производствах. Есть компании, помогающие производителям продуктов питания отслеживать инородные вещества, затесавшиеся в готовую продукцию, а обнаружить их означает отделить от других ингредиентов. Перво-наперво, речь о примесях в продуктах, про которые объявлено, что они не содержат глютена (клейковины) или лактозы. У людей с непереносимостью этих веществ даже следовые количества их могут вызвать недомогание. Аналитики пищевых продуктов обнаруживают эти примеси хроматографически. К примеру, в исследовании 2015 года немецкие ученые описали новый метод выявления примесей пшеницы в муке из полбы.

Загвоздка в том, что пшеницу и полбу часто скрещивают. Полба проще усваивается, но гибридные сорта содержат гены и той и другой, и многие белки у них одинаковые. И все же исследователи обнаружили белок, свойственный только пшенице, - глиадин. Ученые показали, что при помощи ВЭЖХ можно определить, есть ли в полбе пшеничный компонент: глиадин на хроматограмме будет виден. Тот же метод можно применять для классификации злаков - есть в них глиадин или нет.