Хроматографический метод и возвращение Цвета
Юбилей выдающегося русского химика, который должен был получить Нобелевскую премию
150 лет назад, 14 мая 1872 года, в итальянском городе Асти родился Михаил Семенович Цвет, русский ботаник, открывший новый метод разделения веществ и заложивший основы науки «цветопись» («хроматография»).
Русский ботаник Михаил Цвет
Фото: wikipedia.org
Русский ботаник Михаил Цвет
Фото: wikipedia.org
В 1903 году в докладе Варшавскому обществу естествоиспытателей Михаил Цвет рассказал, что если петролейно-эфирный раствор хлорофилла профильтровать через столбик адсорбента (для этого использовался углекислый кальций, плотно набитый в узкие стеклянные трубки), то по длине трубки появятся несколько яркоокрашенных слоев: «Пигменты по расположению их в адсорбционном ряду отлагаются отдельными окрашенными зонами по столбику сверху вниз благодаря тому, что пигменты с более сильно выраженной адсорбцией вытесняют книзу слабее удерживаемые».
Рождение хроматографии
Разделение пигментов по цветам Цвет сравнивал с разделением солнечного луча в радуге. Полученный таким образом препарат он назвал хроматограммой, а предлагаемую методику — хроматографической, изящно зашифровав в названии собственную фамилию.
В хроматографической колонке смесь веществ движется в подвижной фазе (жидкой или газовой) через неподвижную фазу (твердую или жидкую). Молекулы подобно спортсменам-велогонщикам одновременно начинают движение от стартовой линии (то есть на входе в хроматографическую колонку). Как трасса разделяет спортсменов в зависимости от их подготовленности, так и колонка разделяет молекулы в зависимости от их умения «пробираться» через заполняющий ее адсорбент. Хроматографическое разделение можно также сравнить с мутным водным потоком, который захватывает и уносит с собой крупные валуны, гальку, обломки деревьев и траву. Валуны оседают первыми, а куски дерева могут доплыть до самого моря.
Доклад, который ознаменовал рождение нового химического метода, прозвучал в 1903 году — за шесть лет до того, как Милликен провел свой опыт по измерению заряда электрона, за восемь лет до опытов Резерфорда с альфа-частицами и за десять лет до того, как Нильс Бор предложил свою модель строения атома. Открытие оказалось настолько всеобъемлющим, что нашло применение во всех областях — от химии и биологии до криминалистики и строительства. По экспертным оценкам, хроматография относится к 20 выдающимся открытиям прошедшего столетия, которые в наибольшей степени преобразовали науку и определили дальнейшее развитие техники, промышленности и цивилизации в целом.
Нобелиат
В 1918 году Михаил Цвет был номинирован на Нобелевскую премию. «Отвечая на Ваше письмо от 17 сентября 1917 года,— писал в Стокгольм профессор Гронингенского университета Корнелиус ван Висселинг,— имею честь поставить Вас в известность, что из исследователей по фитохимии я отдаю предпочтение профессору Михаилу Цвету из Нижнего Новгорода, ранее из Варшавы, как достойному кандидату на присуждение Нобелевской премии по химии за его исследования по хлорофиллу и другим пигментам». Председатель комиссии Нобелевского комитета по химии Олаф Гаммарстен (Olof Hammarsten), который лично готовил заключение по кандидатуре Цвета, обратил внимание на особенную методику, с помощью которой Цвет проводил исследования. Гаммарстен отметил, что самый оригинальный и самый значительный вклад Михаила Цвета в науку — это разработка нового метода, сулящего в будущем большие перспективы. Но Нобелевский комитет не мог ориентироваться на перспективность метода. Предыдущая Нобелевская премия (1915 года) была присуждена Ричарду Мартину Вильштеттеру «за исследования растительных пигментов, особенно хлорофилла». С точки зрения исследования пигментов работа Вильштеттера была сильнее, поэтому Нобелевский комитет не стал присуждать еще одну премию за исследования в той же области.
Нобелевские премии за использование хроматографического метода
Уже через 20 лет (но после смерти Цвета) Нобелевский комитет трижды присудил премию за успешное применение хроматографии в различных областях фундаментальной науки: Паулю Карреру за изучение каротиноидов, флавинов и витаминов А и В2 (1937 год), Рихарду Куну за работы по каротиноидам и витаминам (1938 год), Адольфу Бутенандту за исследование половых гормонов (1939 год). Бутенандт разделил премию 1939 года с Леопольдом Ружичкой, работа которого по изучению полиметиленов и высших терпенов тоже была выполнена с применением хроматографии.
В своей Нобелевской лекции Пауль Каррер отметил важность новых аналитических методов, благодаря которым за несколько лет было открыто почти 40 каротиноидов. Позже, в 1947 году, он написал: «Никакое другое открытие не оказало на исследования в органической химии такого огромного продолжительного влияния, как анализ с помощью адсорбционной хроматографии Цвета».
В 1952 году Нобелевскую премию по химии получили Арчер Мартин и Ричард Синдж за открытие распределительной хроматографии. В 1972 году Нобелевским комитетом за применение хроматографического метода были отмечены еще трое ученых: Кристиан Анфинсен «за исследование рибонуклеазы, взаимосвязи между аминокислотной последовательностью и ее биологически активными конферментами» и коллеги Станфорд Мур и Уильям Штайн за вклад в прояснение связи между химической структурой и каталитическим действием активного центра молекулы рибонуклеазы.
Развитие хроматографии в послевоенные годы
Новый этап развития хроматографии века был непосредственно связан с всемирным интересом к ядерным исследованиям и с возможностями метода по разделению радиоактивных изотопов.
Известный историк науки Е. М. Сенченкова пишет, что с 1942 года в лаборатории Шваба в Германии с помощью метода ионообменной хроматографии проводились работы по созданию атомного оружия.
В ноябре 1946 года физики и химики Нью-Йоркской академии наук провели совместную конференцию, посвященную 40-летию хроматографии. На конференции прозвучали доклады об использовании хроматографических методик для разделения радиоактивных изотопов в проектах по созданию атомной бомбы.
Эти материалы были опубликованы в журнале Американского химического общества в 1947 году. Обычно секретные, в этот раз сведения публиковались открыто — возможно, для того, чтобы подчеркнуть превосходство США в освоении атомного ядра.
Президент АН СССР Сергей Иванович Вавилов придавал ядерным исследованиям большое значение. 7 августа 1945 года (на следующий день после взрыва в Хиросиме) он записал в своем дневнике: «Вчера ночью радио — об урановых бомбах. Начало совсем новой фазы человеческой истории… Возможности необъятны. Перелеты на другие миры. Гораздо дальше Ж. Верна. Но неужели горилла с урановой бомбой? Ум, совесть, добродушие и такт — достаточно ли всего этого у людей? В такой момент я в Академии. Просто страшно… Что делать? Прежде всего — усиление ядерного исследования».
Вавилов понимал важность освоения хроматографического метода, однако в СССР хроматографистов было мало и практически отсутствовала литература, посвященная этому методу. Диссертация Цвета была издана в Варшаве в конце 30-х годов и быстро стала библиографической редкостью. В Москве ее не было ни в одной библиотеке. Невозможно было достать и монографию Цехмейстера и Чолноки «Хроматография. Адсорбционный анализ», где подробно разбиралась методика Цвета. Эта монография была найдена среди уцелевших книг разрушенной библиотеки Кенигсбергского университета — единственная книга на всю огромную страну. Когда по инициативе Вавилова Академия наук СССР начала издавать серию «Классики науки», то первыми в этой серии вышли переведенные с латыни «Лекции по оптике» Исаака Ньютона и основополагающие работы Михаила Цвета по хроматографии.
Ньютона все знают, а многие ли тогда слышали о Цвете?
В 1949 году Академия наук СССР приняла решение о создании в ИФХ АН СССР (ныне ИФХЭ РАН) лаборатории хроматографии. Руководить ею был приглашен доктор наук (впоследствии член-корреспондент АН СССР) Константин Васильевич Чмутов. Лаборатория начинала с двух штатных единиц — заведующего и младшего научного сотрудника, но проделывала огромную работу, научную и организационную, для того чтобы превратить хроматографию в широко распространенный исследовательский и производственный метод.
Хроматография в современном мире
В настоящее время, по разным оценкам, от 60 до 80 процентов химических исследований во всем мире проводится с помощью различных видов хроматографии. Экспериментальные возможности, предоставляемые хроматографической наукой, привели к быстрому развитию различных направлений химии: химии поверхности твердых тел; исследований пористой структуры твердых тел; изучению термодинамики и кинетики процессов сорбции (адсорбции и абсорбции) и др.
В самой тесной связи с хроматографией получили мощный толчок и быстро развились такие самостоятельные разделы аналитической химии, как спектроскопия, масс-спектрометрия, элементный анализ, электрохимия и др. Без аналитической хроматографии стало бы невозможным расшифровать геном человека, определить пространственную структуру феромонов насекомых, обеспечить экспресс-диагностику заболеваний в медицине. Хроматографический метод позволяет проводить скоростной анализ ряда смесей за доли секунды. Абсолютная чувствительность определения компонентов составляет аттомоли. Хроматография позволяет изучать химический состав крайне сложных смесей органических соединений, например нефти, и определять следовые количества загрязняющих веществ в местах экологических катастроф.
Без хроматографических ионообменных подходов к очистке невозможны современная водоподготовка, гидрометаллургия, борьба с промышленными вредными выбросами, создание новых сверхчистых и композитных материалов, производство лекарств, в том числе интерферона и инсулина.
Триумф нанотехнологий в XXI веке — это ренессанс хроматографии, науки, на столетие опередившей свое время.
Михаил Цвет входит в составленный Федерацией европейских химических обществ (ФЕХО — FECS) список «100 выдающихся европейских химиков XVIII-XX веков» вместе с четырьмя другими российскими химиками: Бутлеровым, Ломоносовым, Менделеевым и Семеновым.
Михаил Цвет не успел увидеть торжество своего метода. В Воронеже, куда его семья приехала в эвакуацию даже без личных вещей, он был тяжело болен и не мог сам дойти до университета. С трудом он добился от университетского начальства права пользоваться «корпоративным транспортом» — телегой с лошадью — и только тогда смог приступить к чтению лекций. Возможно, он даже не знал о своем выдвижении на Нобелевскую премию.
Цвет умер в 1919 году в возрасте 47 лет. Место могилы Цвета неизвестно. На территории воронежского Акатова монастыря была установлена памятная стела с надписью «Ему дано открыть хроматографию, разъединяющую молекулы и объединяющую людей».