Методы выделения и хроматографического анализа

Липидов

Схема выделения и анализа липидов представлена на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Общая схема выделения и анализа липидов

Процедура выделения липидов из биологического материала включает следующие стадии:

· измельчение биологического материала до гомогенного состояния (гомогенизация);

· перевод липидов в растворенное состояние (экстракция);

· освобождение липидного экстракта от нелипидных примесей;

· разделение водной и органической фаз;

· высушивание липидного экстракта.

Перед выделением липидов из биологических объектов (органов и тканей животных, клеток микроорганизмов и растений) исследуемый материал тщательно измельчают до гомогенного состояния (гомогенизация), т. е. подвергают дезинтеграции вплоть до разрушения клеточной структуры с целью высвобождения клеточного содержимого. Для разрушения клеток применяют ряд физических методов – гомогенизацию с использованием механических гомогенизаторов различных конструкций, ультразвуковую дезинтеграцию, замораживание-оттаивание и др. При выборе метода разрушения клеток следует учитывать структурные особенности животных, растительных и микробных клеток. Наиболее простым методом является гомогенизация путем растирания клеток с окисью алюминия или абразивным порошком в ступке при помощи пестика.

Гомогенизацию биологического материала обычно сочетают с одновременной экстракцией липидов из гомогенатов с целью перевода липидов в растворенное состояние. Для экстракции липидов используют как неполярные (хлороформ, бензин, гексан, диэтиловый эфир), так и полярные (метанол, этанол, изопропанол, ацетон) растворители. При этом принимают во внимание то, что липиды способны не только к гидрофобным взаимодействиям, но и к образованию водородных, электростатических и ковалентных (сложноэфирных, амидных, гликозидных) связей. Относительно неполярные растворители разрушают белок-липидные комплексы, образованные гидрофобными взаимодействиями. Полярные растворители разрушают водородные и электростатические связи. Их применяют в смеси со слабополярными растворителями при экстракции липидов из плазматических мембран, митохондрий, эндоплазматического ретикулума. Липиды, находящиеся в комплексах и связанные ковалентными связями с молекулами других соединений, растворителями не экстрагируются. Их можно выделить только после гидролиза комплекса слабыми растворами кислот или щелочей в органическом растворителе.

При использовании для экстракции липидов смеси растворителей, содержащей спирт, в экстракт помимо липидов переходят нелипидные вещества (сахара, аминокислоты, соли и т. д.). Для удаления нелипидных примесей экстракт липидов промывают водой или слабыми солевыми растворами (не менее 0,2 объема от объема липидного экстракта). При этом образуется двухфазная система, состоящая из органической и водной фаз. В водную фазу переходит большая часть полярных соединений. Органическую фазу, содержащую большую часть экстрагируемых липидов, отделяют от водной декантацией или центрифугированием. Окончательное удаление воды из органической фазы (высушивание) проводят путем добавления порошка безводного сульфата натрия, который является хорошим водоотнимающим средством, образуя с водой кристаллогидраты. Следует иметь в виду, что при удалении нелипидных примесей происходит частичная потеря кислых липидов.

Как указывалось выше, липиды легко подвергаются окислению и гидролитической деградации. Чтобы затормозить эти процессы, экстракцию липидов проводят при комнатной температуре, предварительно удаляя из растворителей кислород. Извлеченные липиды не упаривают досуха и не оставляют в упаренном виде на долгое время, а сразу растворяют. Экстракты липидов следует хранить в стеклянной посуде с пришлифованными стеклянными пробками при −20°С и ниже в присутствии инертных газов. Иногда применяют антиоксиданты, предотвращающие окислительное расщепление ненасыщенных жирных кислот.

Хроматографический анализ липидов. Липиды, выделенные из биологического материала, представляют собой сложную смесь. Наиболее эффективными и широко применяемыми методами качественного и количественного анализа компонентного состава смесей липидов являются методы газожидкостной и тонкослойной хроматографии. Последняя применяется только для качественного анализа липидов.

Хроматография – это метод разделения, а также качественного и количественного анализа смеси веществ, основанный на перемещении дискретной зоны вещества вдоль слоя сорбента (неподвижной фазы) в потоке подвижной фазы с многократным повторением сорбционных и десорбционных актов. Принцип метода описан в подпункте 3.2.4.

Газо-жидкостная хроматография – хроматография, в которой подвижная фаза находится в состоянии газа или пара, а неподвижная фаза представляет собой твердый пористый носитель с мономолекулярным слоем вещества, селективно адсорбирующего отдельные компоненты разделяемых смесей. Этот метод применим только для летучих соединений.

Неподвижную фазу помещают в длинную и тонкую хроматографическую колонку, а подвижную пропускают через нее. Пробу анализируемой смеси вводят в колонку при температуре, достаточно высокой для перевода входящих в ее состав компонентов в газообразное состояние. При этом компоненты разделяемой смеси перемещаются по колонке с потоком газа-носителя. По мере движения разделяемая смесь многократно распределяется между газом-носителем (подвижной фазой) и неподвижной фазой, которой заполнена колонка. Принцип разделения основан на неодинаковом сродстве компонентов смеси к летучей подвижной фазе и неподвижной жидкой фазе в колонке. Компоненты смеси селективно задерживаются неподвижной жидкой фазой в соответствии с их относительной способностью адсорбироваться ею, поэтому они передвигаются с разной скоростью и таким образом разделяются. Степень разделения зависит как от полярности, так и от летучести компонентов смеси. Скорости перемещения отдельных веществ определяются значениями коэффициентов распределения веществ (К) между жидкой и газовой фазами. Хорошо сорбируемые вещества (значение К велико) передвигаются вдоль слоя неподвижной фазы по колонке медленнее, чем плохо сорбируемые. Поэтому быстрее всех из колонки выйдет компонент, у которого значение К наименьшее. После выхода из колонки вещества вместе с газом-носителем попадают в детектор. Электрический сигнал детектора, пропорциональный концентрации определяемого компонента в газе-носителе, записывается в виде хроматограммы на ленте самописца или же регистрируется на мониторе компьютера.

Хроматограмма – это кривая элюирования, характеризующая зависимость интенсивности сигнала детектора от времени с момента начала разделения. Она отражает последовательность элюирования компонентов смеси на выходе из колонки. Хроматограмма состоит из базовой линии и пиков. Базовая (нулевая) линия соответствует участку хроматограммы, полученному при регистрации сигнала детектора во время выхода из колонки чистого газа-носителя. Пик – кривая (в идеале приближающаяся к кривой гауссова распределения), которая описывает постепенное возрастание концентрации вещества в газе-носителе до максимальной (фронт) на выходе из колонки и последующее ее уменьшение (тыл). Площадь хроматографического пика прямо пропорциональна количеству вещества, соответствующего этому пику. Время, прошедшее от момента ввода пробы в колонку до момента появления максимума пика исследуемого вещества на хроматограмме, называется временем удерживания. Другими словами, время удерживания – это время, в течение которого данное вещество находится в колонке. При постоянных условиях работы и составе фаз хроматографической системы время удерживания является величиной постоянной для данного вещества.

Газожидкостную хроматографию осуществляют при помощи специальных приборов – газожидкостных хроматографов. В аппаратурном оформлении газожидкостной хроматограф представляет собой совокупность нескольких самостоятельных, параллельно функционирующих систем, включающих систему разделения и систему количественного измерения содержания каждого компонента. В их состав входят:

· источник газа-носителя и блок подготовки газов;

· инжектор для введения пробы в колонку (испаритель);

· хроматографическая колонка;

· термостат колонки;

· детектор;

· система регистрации и обработки данных.

В газожидкостной хроматографии в качестве подвижной фазы применяются инертные газы, сжатые до давления 15 МПа, – аргон, азот, водород, гелий, которые выбирают в зависимости от типа используемого детектора. Легкие газы-носители (водород, гелий) лучше применять для колонок с малым содержанием неподвижной фазы, тяжелые газы-носители (азот, аргон) – для колонок с высоким содержанием неподвижной фазы. Система подготовки газов включает блок регулировки расходов газов, обеспечивающий очистку, подачу и стабилизацию скорости и расхода газа-носителя в колонку, а также других газов, необходимых для работы детектора.

Система дозирования позволяет вводить в поток газа-носителя (вблизи от места входа газа-носителя) определенное количество анализируемой смеси в газообразном или жидком состоянии (в виде раствора в легколетучем растворителе) с помощью микрошприца. Это устройство с самоуплотняющейся резиновой (каучуковой) мембраной или кран-дозатор. Устройство для ввода пробы необходимо термостатировать, поддерживая температуру, при которой жидкая проба испарялась бы полностью. Температура испарителя должна быть равной или превышающей на 20−30°С температуру колонки.

Неподвижная жидкая фаза определяет селективные взаимодействия между компонентами смеси и твердым носителем, т. е. определяет последовательность выхода из колонки и отношение времен удерживания компонентов смеси. При выборе неподвижной фазы пользуются правилом «подобное растворяется в подобном». Она должна быть нелетучей при рабочей температуре колонки, с высокой температурой кипения, термостойкой и химически инертной по отношению к хроматографируемым соединениям. Неподвижная жидкая фаза должна фиксироваться на носителе таким образом, чтобы газ-носитель легко вступал с ней в контакт.

Хроматографическая колонка представляет собой трубку с фиксированной неподвижной фазой, через которую протекает подвижная фаза. В зависимости от расположения неподвижной фазы колонки делят на насадочные (набивные) и капиллярные. Насадочные колонки заполнены адсорбентом или инертным твердым носителем с нанесенной неподвижной фазой. В капиллярных колонках неподвижная фаза находится в виде мономолекулярного слоя на внутренней поверхности стенки капилляра. Поток газа двигается по такой колонке с большой линейной скоростью, не встречая значительного сопротивления, поэтому капиллярные колонки имеют большую длину. Отличительной особенностью капиллярных колонок является очень высокая эффективность. Современные газовые хроматографы позволяют применять одновременно две и более колонок.

Температура колонки должна быть регулируемой и поддерживаться с точностью до 0,1−0,2°С. Для этого колонку помещают в термостат. Наиболее распространено воздушное термостатирование с принудительной циркуляцией воздуха и без нее.

Хроматографический процесс может проводиться при разных температурных режимах. Изотермический метод предполагает, что температура колонки на протяжении всего процесса разделения поддерживается постоянной. Градиентный метод (с программированием температуры) обеспечивает постепенное повышение температуры колонки на протяжении всего процесса разделения. Он используется для разделения смеси веществ, кипящих в широком диапазоне температур.

Детектор – устройство, предназначенное для обнаружения в потоке газа-носителя анализируемых веществ по какому-либо физико-химическому параметру. Величина электрического сигнала детектора зависит как от природы компонента, так и содержания его в анализируемой смеси.

Система регистрации и обработки данных регистрирует электрический сигнал детектора в виде хроматограммы. Современные хроматографы имеют встроенные электронные интеграторы (измеряют время удерживания и определяют площади пиков) или компьютеры с банком данных, которые позволяют вести управление экспериментом и обработку результатов (качественную и количественную расшифровку хроматограмм) в диалоговом режиме.

Качественный анализ. Идентификацию компонентов смеси проводят по времени удерживания, которое для данного соединения является постоянной величиной при стандартных условиях хроматографирования. При этом время удерживания анализируемого соединения сравнивают со временем удерживания стандартного вещества, подвергнутого хроматографированию в тех же условиях. Совпадение значений времени удерживания свидетельствует об идентичности анализируемого и стандартного соединений, за исключением тех случаев, когда разные по природе вещества обладают одинаковыми значениями времени удерживания. Этот метод можно модифицировать путем добавления в исследуемую смесь при повторном хроматографировании стандартного компонента, наличие которого в этой смеси предполагается. Если добавляемое вещество идентично анализируемому, число пиков на хроматограмме остается неизменным, однако интенсивность одного из них увеличивается по сравнению с интенсивностью этого пика на хроматограмме, полученной до введения стандартного вещества.

Количественный анализ. Количество каждого компонента смеси определяют по площади соответствующего пика, которая рассчитывается в автоматическом режиме с помощью электронного интегратора. При обработке хроматограмм вручную площадь пика находят умножением высоты пика на его ширину, измеренную на половине высоты пика. Ширину пика измеряют как расстояние между точками контура пика на половине его высоты, а высоту пика считают как перпендикуляр, опущенный из максимума пика на нулевую линию, либо как перпендикуляр, опущенный на нулевую линию из точки пересечения касательных к кривой в точках перегиба.

При количественном анализе компонентов смеси используют метод абсолютной калибровки, метод внутреннего стандарта или метод стандартной добавки.

Метод абсолютной калибровки основан на построении калибровочного графика зависимости площади пика от количества соответствующего вещества в смеси. Эту зависимость определяют экспериментально, разделяя искусственные смеси веществ, взятых в строго определенных количествах. Можно исследовать одинаковые количества смесей разного состава или неодинаковые количества одной и той же смеси. Одним из основных условий получения точных результатов является воспроизводимость объема пробы. При хроматографировании анализируемой смеси по калибровочному графику по площади пиков определяют количество каждого компонента. Зная количество введенной смеси, рассчитывают процентное содержание данного компонента в смеси. Этот метод обладает высокой точностью и используется при определении одного или нескольких компонентов смеси.

Метод внутреннего стандарта основан на добавлении определенного количества стандартного вещества к определенному количеству анализируемой смеси. Соотношения анализируемых веществ и стандарта различны. Стандартное вещество не должно входить в состав исследуемой смеси, но по структуре оно должно быть похоже на анализируемое соединение. Поэтому при хроматографировании стандартное вещество двигается вдоль колонки в непосредственной близости от исследуемого соединения, и пик стандарта располагается достаточно близко от пика анализируемого соединения, а также полностью отделяется от пиков других компонентов смеси. После хроматографирования измеряют площади пиков анализируемого соединения и стандарта, рассчитывают их отношение и строят калибровочной график зависимости отношения площадей пиков от отношения масс анализируемого компонента и стандарта. Такие графики строят для каждого компонента анализируемой смеси.

При анализе смеси неизвестного состава к ней добавляют известное количество стандартного вещества и хроматографируют. Затем рассчитывают отношение площадей пиков анализируемого компонента и стандарта и по калибровочному графику определяют отношение их масс. Поскольку количество добавленного стандарта известно, содержание анализируемого компонента рассчитывают из отношения их масс. К достоинствам метода относятся хорошая воспроизводимость и высокая точность. Однако этим методом можно пользоваться только в области линейной зависимости между показаниями детектора и концентрацией анализируемого компонента.

Метод стандартной добавки аналогичен вышеописанному, только добавляемое к исследуемой смеси стандартное вещество является одним из компонентов смеси. При этом на хроматограмме увеличивается площадь соответствующего пика по сравнению с площадью этого пика на хроматограмме, полученной до введения стандартного вещества. Этот метод используют в тех случаях, когда отсутствует возможность выбора стандарта, который регистрировался бы в виде отдельного пика.

ГЖХ-анализ жирнокислотного состава липидов. Сами по себе триацилглицерины являются нелетучими соединениями, и исследовать их напрямую при помощи этого метода нельзя. Поэтому проводят кислотный гидролиз триацилглицеринов с одновременной этерификацией образующихся жирных кислот метиловым спиртом. Метиловые эфиры жирных кислот являются летучими соединениями и могут быть проанализированы методом ГЖХ.

Тонкослойная хроматография (ТСХ) – э то универсальный, высокочувствительный и простой метод анализа, который используется для быстрого разделения веществ, основанного на различии в скорости перемещения компонентов смеси в плоском тонком слое адсорбента при их движении в потоке подвижной фазы (элюента), и требует микроколичеств разделяемых веществ.

В качестве адсорбентов используют мелкозернистые (диаметр частиц 2−40 мкм) силикагель, оксид алюминия, целлюлозу, крахмал, полиамид, иониты. Суспензиями этих адсорбентов покрывают тонким слоем толщиной 0,1−0,3 мм пластинки из стекла, фольги или пластика. Для закрепления слоя применяют крахмал, гипс или другие связующие. Промышленностью выпускаются готовые пластинки с уже закрепленным слоем адсорбента.

Элюентами служат обычно смеси органических растворителей, водных растворов кислот, солей, комплексообразователей и др. При выборе элюента следует учитывать растворимость хроматографируемых соединений в подвижной фазе, полярность растворителя по отношению к разделяемым компонентам, а также его элюирующую силу, при которой значения R_f разделяемых компонентов будут равными 0,2−0,8. Чем больше элюирующая сила растворителя, тем меньше значение коэффициента адсорбции для данного растворенного вещества и адсорбента. При выборе элюента используют элюотропные ряды (табл. 5.3), где растворители расположены в порядке возрастания их элюирующей силы ε^o. Для всех полярных адсорбентов наблюдается одинаковый порядок изменения элюирующей силы растворителей. Подвижная фаза должна быть достаточно летучей, чтобы после ее удаления с адсорбента можно было детектировать разделенные вещества. В зависимости от выбора хроматографической системы (состава подвижной и неподвижной фаз) в разделении веществ основную роль могут играть процессы адсорбции, экстракции, ионного обмена, комплексообразования. На практике обычно реализуются несколько механизмов разделения.

Таблица 5.3