Gas Chromatography: Historical Milestones of Development, Diagnostic Value, and Applicability in Medical Practice

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Среди множества методов исследований технология хроматографии вызывает научно-практический интерес у специалистов разного профиля в связи с широкими возможностями модификаций и применимости. В медицинской практике хроматографические методы способствуют успешной диагностике заболеваний инфекционной и неинфекционной этиологии, установлению прогностических маркеров развития осложнений, в частности, по оценке метаболических профилей [1; 2].

Суть газовой хроматографии как метода

Газовая хроматография (ГХ) – это фундаментальный аналитический метод, представляющий собой процесс разделения компонентов смеси путем введения газообразной или жидкой пробы в подвижную фазу, обычно называемую газом-носителем, и пропускания газа через неподвижную фазу [1; 3].

Подвижная фаза представляет собой инертный или нереакционноспособный газ, такой как гелий, аргон, азот или водород. Используется два типа неподвижных фаз: твердые адсорбенты (режим газоадсорбционной хроматографии) и высококипящие жидкости, иммобилизованные на твердом носителе (режим газожидкостной хроматографии) [3; 4].

Существует несколько режимов газохроматографического разделения¹.

В режиме элюирования, который более важен для аналитических целей, анализируемая проба впрыскивается в колонку, а затем перемещается по колонке с помощью газа-носителя. В этом режиме хроматограмма состоит из группы пиков. В идеальном случае каждый пик соответствует одному компоненту образца.

В режиме вытеснения в колонку вводится вещество, которое адсорбируется сильнее, чем любой компонент разделяемой смеси. Возможно получение чистых фракций компонентов. Здесь, в отличие от режима элюирования, могут использоваться абсорбенты с высокой емкостью.

Третий режим – это так называемый фронтальный анализ. Анализируемая смесь непрерывно подается в колонку, и наиболее сильно удерживаемый компонент вытесняет остальные. Однако в этом случае в чистом виде может быть получен только наименее удерживаемый компонент [4].

В настоящее время на фоне разработки и применения различных модификаций метода ГХ сохраняется интерес к истокам технологии, усиливаемый сведениями об успешном использовании в диагностике и прогнозировании течения заболеваний [5].

Цель работы – проанализировать данные об истории создания, применении и эффективности ГХ в медицинской практике.

 

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Анализу (по ключевым словам) подлежали российские и зарубежные данные об использовании ГХ, представленные в научных электронных библиотеках eLibrary, Cochrane Library и Pubmed в 2011–2025 гг. Применение рекомендаций PRISMA позволило исключить из результатов поискового запроса ретрагированные статьи и публикации, не имеющие открытого доступа к полному тексту. Из проанализированных 1 151 публикации было отобрано 27 статей. В перечень критериев включения вошли оригинальные исследования по истории и методологии хроматографии, включая медицинские аспекты ее использования. Критериями исключения служили недостаточная детализация условий разделения, формат тезисов, а также отсутствие доступа к полнотекстовым версиям публикаций.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исторические вехи развития хроматографии

В 1903 г. ботаник-биохимик М. С. Цвет установил суть метода хроматографии, но, к сожалению, остался непризнанным «пионером» при жизни. В эксперименте он приготовил экстракт листьев и профильтровал его через узкую стеклянную трубку-колонку с порошкообразным мелом. Когда жидкость экстракта просачивалась через мел, то разделялась на отчетливые полосы зеленых хлорофиллов и желтых, красных, оранжевых каротиноидов. Менее прочно адсорбированные пигменты быстрее мигрировали по колонке и последовательно выходили из нее в виде относительно чистых веществ. Ученый установил, что наблюдаемые явления адсорбции не ограничиваются пигментами хлорофилла; этому процессу можно подвергать все виды цветных и бесцветных химических соединений [5]. В 1906 г. М. С. Цвет предложил термин «хроматография» [6]. Таким образом, он впервые использовал проявительный вариант жидкостно-адсорбционной хроматографии, обосновал применение в качестве адсорбентов более 100 различных веществ [7].

В 1931 г. швейцарский химик П. Каррер, используя хроматографический адсорбционный анализ, определил структуру β-каротина и витамина А, в 1933 г. установил структуру витамина В₂, получив в 1937 г. «за исследования каротиноидов, флавинов и витаминов А и В₂» Нобелевскую премию по химии²,³.

В 1935 г. М. М. Дубинин разработал теоретические основы расчета адсорберов при фракционном разделении смеси газов или паров, которые в 1936 г. были проверены экспериментально. Ученый изучил сорбцию спиртовых паров, толуола и их смесей активированным углем, а также распределение удерживаемых компонентов по длине углеродного слоя [8]. В экспериментах использовался сорбент из активированного угля в виде мелкодисперсных частиц с диаметром частиц около 3 мм, что сделало эту систему похожей на газовый хроматограф. Из ряда экспериментов один был особенно примечателен. Ученый разделил несколько слоев (по 1 см каждый) тонкой проволочной сеткой и пропустил через конструкцию паровоздушную смесь до заранее расчетной точки полной адсорбции компонентов и «насыщенности» угольного пласта. Затем удалил эти слои и подверг термодесорбции в инертном газе, сорбат заморозил и определил содержание компонентов в смеси. Таким образом, фактически один из первых в мире анализов газовой смеси был проведен методом ГХ. Позднее М. М. Дубинин продолжил развитие идеи фракционного разделения многокомпонентных смесей паров и описал принцип ГХ фронтального типа [9].

В 1940 г. шведский ученый A. Тиселиус разработал и предложил фронтальный и вытеснительный методы хроматографического анализа. Он доказал, что белок сыворотки крови (глобулин) состоит из трех фракций: альфа-, бета- и гамма-глобулины [7]. В 1948 г. А. Тиселиус стал лауреатом Нобелевской премии по химии «за исследование электрофореза и адсорбционного анализа, особенно за открытие, связанное с комплексной природой белков сыворотки» [6].

Г. Гессе в 1941 г. описал собственные эксперименты по применению ГХ: через трубку с крахмалом пропускали поток азота с парами брома и йода, при этом наблюдались бромсодержащие голубые и йодсодержащие коричневые полосы. Кроме того, было проведено препаративное разделение некоторых эфиров, не поддающихся разделению перегонкой, с использованием силикагеля в качестве неподвижной фазы и углекислого газа – в качестве подвижной.

Ряд исследователей считают, что П. Шуфтан был первым ученым, применившим газоадсорбционную хроматографию. В первой половине 1930-х годов он предложил метод «адсорбционного анализа» многокомпонентной газовой смеси, включающей водород, азот, кислород, окись углерода, метан, этилен, этан и пропилен. Изначально смесь разделяли на несколько фракций посредством низкотемпературной адсорбции на активированном угле, где газы с меньшей температурой кипения и молекулярной массой вытеснялись фракциями, обладающими более высокими значениями этих параметров. Для наблюдения за выходом каждого компонента П. Шуфтан применил интерферометр. Устройство включало в себя несколько сборных емкостей. Анализируемую газовую смесь помещали в трубку, где углеводороды поглощались углем, в то время как водород, азот, оксид углерода и кислород, не задерживаясь, подавались в первую емкость до момента выхода метана. Затем, после подачи потока углекислого газа, в первом сосуде собирали метан вместе с углекислым газом, который нейтрализовался щелочью. Последующие фракции – этилен и этан – поочередно собирались во второй и третий сосуды. Пропионовую и масляную кислоты аккумулировали в четвертом приемном сосуде. В результате в конце анализа получали отдельные четыре фракции [9].

В рамках теории сорбции Н. А. Шиловым была предложена аналитическая зависимость для расчета защитного действия сорбционного слоя. В настоящее время формула Шилова широко применяется не только в средствах индивидуальной защиты для оценки периода полураспада концентрации загрязнителя, но и в газовой хроматографии для детерминации времени удерживания компонентов [10].

В 1943 г. немецкий физико-химик Э. Кремер заинтересовалась адсорбцией газообразных веществ. Для исследования кинетики гидрирования ацетилена ей требовался быстрый и точный метод, и хроматографический подход оказался идеальным решением. В 1947 г. она воссоздала систему, обладавшую всеми признаками газового хроматографа. Пропуская предварительно очищенный газ-носитель через колонку при различных скоростях, она контролировала температуру колонки, а время элюирования и объем компонентов измеряла детектором, основанным на разнице в теплопроводности. В качестве неподвижной фазы использовались активированный уголь, кизельгур или силикагель разной зернистости. Для разделения смеси применялись углекислый газ, ацетилен и этилен [11].

Одним из первых ученых, занимавшихся хроматографическими исследованиями в СССР в 1947–1949 гг., является М. М. Сенявин. Он работал в режиме газовой адсорбции, используя силикагель как неподвижную фазу и азот как газ-носитель. Было проанализировано влияние таких факторов, как температура, длина слоя адсорбента и скорость потока газа-носителя, на разделение смесей бензола и циклогексана в соотношении 50:50 % [12].

В 1946 г. британский ученый Ч. Филлипс начал работать над кинетикой превращения газообразных углеводородов. В поисках подходящего аналитического метода ученый обратил свое внимание на технику угольно-адсорбционного разделения газов и разработал стеклянную систему для твердофазного разделения углеводородов методом элюирования. Ч. Филлипс упаривал смесь углеводородов в колонке с адсорбентом, а затем вводил в поток азота гораздо более сильный адсорбент. Детектор был основан на разнице теплопроводностей [13].

В начале 1950-х годов Д. А. Вяхирев разработал объемно-хроматографический метод газового анализа. Суть метода заключалась в том, что колонку с адсорбентом продували током углекислого газа, затем вводили отмеренное количество исследуемой газовой смеси (бинарной смеси этана и пропана) и снова углекислый газ использовали для элюирования колонки. Выходящий из колонки газ подавался в бюретку, наполненную 30%-м раствором гидроксида калия, где полностью поглощался углекислый газ, а вымываемые потоком компоненты разделяемой смеси постепенно накапливались в бюретке. В колонку из той же бюретки вставляли зонд анализируемого газа. Накопление происходило ступенчато, при этом график зависимости объема накопленного в бюретке газа от объема прошедшего через колонку углекислого газа представлял собой ступенчатую кривую [9].

В 1952 г. А. Д. П. Мартин за открытие распределительной хроматографии был награжден Нобелевской премии по химии [6]. Ученым был разработан метод колоночной и капиллярной газожидкостной хроматографии. Прибор состоял из стеклянной колонки, снабженной твердой подложкой, на которую была нанесена жидкая неподвижная фаза. Смесь для отбора проб впрыскивалась в колонку, и газ-носитель (водород или гелий) использовался для переноса компонентов пробы через колонку. Поскольку компоненты взаимодействовали со стационарной фазой, они были разделены на основе их различного сродства и времени удерживания. С помощью прибора были успешно проанализированы смеси алифатических кислот и аминов [9].

В 1957 г. М. Голей совершил концептуальный прорыв в газовой хроматографии, теоретически обосновав и экспериментально подтвердив преимущество использования полых капиллярных колонок вместо насадочных [14]. В русскоязычной литературе данные наработки Голея легли в основу развития высокоэффективной газовой хроматографии.

Исследования Г. В. Илларионовой касаются термодинамических аспектов удерживания и оптимизации условий разделения сложных органических смесей с использованием капиллярных технологий [15].

В 1979 г. С. О. Терри, Д. Р. Джерман и Дж. М. Энджелл опубликовали статью [16], где описали создание полноценного газового хроматографа на кремниевой пластине. Они разработали компактную систему анализа газа, основанную на принципах ГХ. Основные элементы были изготовлены из кремния с применением фотолитографии и химического травления, что позволило значительно уменьшить габариты по сравнению со стандартными лабораторными приборами. Хроматографическая установка включала «клапан» для введения пробы в капиллярную разделительную колонку длиной 1,5 м, выполненную на кремниевой подложке. Детектор теплопроводности производился отдельно партиями и интегрировался в подложку. Разделение смесей углеводородных газов осуществлялось менее чем за 10 с. Система предназначалась для использования в портативных мониторах качества воздуха, имплантированных биологических экспериментах и планетарных зондах.

Применение газовой хроматографии в медицине

Метод ГХ активно используется для исследований фармакокинетики и фармакодинамики лекарственных веществ, в фармацевтическом анализе и судебно-химической экспертизе. ГХ способствует выявлению токсикантов в объектах различной природы, определению чистоты и количества лекарственных веществ, лекарственного растительного сырья. Варианты метода имеют отличные перспективы для изучения путей метаболизма и контроля содержания лекарственных средств в биологических жидкостях и тканях человека и животных⁴.

В 2013 г. А. М. Бермейо с соавторами разработала метод капиллярной газовой хроматографии – масс-спектрометрии (ГХ-МС) для обнаружения антидепрессантов нового поколения (оланзапин, флуоксетин, венлафаксин и др.) в плазме крови. Этап подготовки образцов был выполнен с помощью экстракции жидкость – жидкость [17].

В 2017 г. проведен анализ метаболизма на основе ГХ и ГХ-МС у группы беременных женщин с гестационным сахарным диабетом (ГСД). В исследовании изучались различия в метаболическом профиле сыворотки во время беременности, сначала нецелевым, а затем количественным анализом с использованием метода ГХ-МС. Измерение концентраций предлагаемой панели метаболитов в образце сыворотки натощак может стать полезным клиническим тестом для диагностики ГСД во втором триместре беременности без необходимости проведения орального глюкозотолерантного теста [18].

Хроматография высокого давления обеспечивает высокую чувствительность и специфичность по сравнению с электрофорезом для диагностики гемоглобинопатий и талассемий. Катионообменная хроматография является методом выбора, который может разделить около 45 различных вариантов гемоглобина и точно определить количественный уровень нормального гемоглобина. Он также используется для скрининга новорожденных на серповидно-клеточную анемию [19].

Ранее были представлены результаты применения ГХ и ГХ-МС для оценки эффективности терапии пациентов с сахарным диабетом 2 типа и нефропатией по изменению концентрации метаболитов мочи. Показано, что антагонист рецепторов эндотелина А – атразентан и ингибитор натрий-глюкозного котранспортера-2 – дапаглифлозин могут предотвращать прогрессирование митохондриальной дисфункции, способствуя снижению альбуминурии [20–22].

В другом исследовании у больных с легочной гипертензией установлено, что метаболический профиль плазмы крови (сдвиг в сторону гликолиза до пирувата и лактата, патологическое накопление гипоксией-индуцируемого фактора 1α, пониженное окисление жирных кислот, повышение глутамата и спермидина) отражает тяжесть сердечной недостаточности и эндотелиальной дисфункции. Увеличение метаболитов пурина указывало на одноуглеродный метаболизм как механизм поддержки пролиферативной ангиопатии [2].

Особое диагностическое значение метод ГХ-МС приобретает в дифференциальной диагностике воспалительных заболеваний кишечника (ВЗК) и онкопатологий. Как показано в исследовании В. И. Пилипенко, анализ паттернов летучих соединений в кале позволяет верифицировать ВЗК с точностью до 85 %, что сопоставимо по информативности с инвазивными методами при значительно более высокой комплаентности пациентов. Автором подчеркивается, что идентификация специфических молекулярных «отпечатков» открывает перспективы для создания систем раннего скрининга и мониторинга эффективности терапии заболеваний органов пищеварения [23].

 

ОБСУЖДЕНИЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящее исследование демонстрирует трансформацию газовой хроматографии из вспомогательного лабораторного метода в высокотехнологичный диагностический инструмент, которая обусловлена ее уникальной способностью к разделению сложных многокомпонентных смесей биологического происхождения. Если на ранних этапах развития (1950–1970-е гг.) ГХ применялась преимущественно для идентификации отдельных классов соединений, то сегодня метод является фундаментом клинической метаболомики. Метаболомный профиль, полученный методом ГХ, выступает в качестве высокочувствительного биомаркера, способного заменить инвазивные или трудоемкие тесты и объективно оценивать прогрессирование заболеваний. Перспективы метода связаны с дальнейшей автоматизацией этапов подготовки образцов и интеграцией ГХ-данных в системы поддержки принятия врачебных решений, что позволит осуществлять раннюю стратификацию патологических рисков на основе динамического мониторинга метаболомных паттернов пациента.

 

¹ Илларионова Е.А., Сыроватский И.П. Газовая хроматография. Теоретические основы метода : учеб. пособие. Иркутск : ИГМУ; 2018. 52 с. URL: https://e.lanbook.com/book/158754 (дата обращения: 22.02.2026).

² Платонов И.А., Новикова Е.А., Платонов В.И. Хроматографические методы анализа : учеб. пособие. Самара : Самарский национальный исследовательский университет им. акад. С.П. Королева; 2021. 96 с. https://www.elibrary.ru/jxkowu

³ Paul Karrer – Facts: NobelPrize.org [электронный ресурс]. URL: https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1937/karrer/facts/ (дата обращения: 22.02.2026).

⁴ Илларионова Е. А., Сыроватский И. П. Газовая хроматография. Теоретические основы метода : учеб. пособие.

 

About the authors

Olga A. Kilovataya

National Research Mordovia State University

Author for correspondence.
Email: olya.kilovataya@list.ru
ORCID iD: 0009-0007-0907-4734
SPIN-code: 6589-2801

Senior Lecturer, Department of Hospital Therapy

Russian Federation, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005, Russian Federation

Larisa M. Mosina

National Research Mordovia State University

Email: larisamosina97@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-6831-3116
SPIN-code: 2390-1111

Dr. Sci. (Med.), Professor, Head of the Department of Inpatient Therapy

68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005, Russian Federation

Irina E. Trokhina

National Research Mordovia State University

Email: trohina-07@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-7493-3853

Cand.Sci. (Med.), Associate Professor, Department of Inpatient Therapy

Russian Federation, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005, Russian Federation

Alexander S. Kislyaev

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: thegreatsteamgolem@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0009-0416-8197

Undergraduate Student

23 L. Tolstoy St., Samara 443010, Russian Federation

References

Supplementary files