Chromatografie
Die Chromatografie wurde von dem russischen
Biologen Michael Tswett (1872-1919) im ersten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts
erstmals zur Trennung von Farbstoffen
aus Pflanzen angewandt. Es handelt sich dabei um ein Stofftrennungsverfahren,
bei dem sich die Stoffe aufgrund unterschiedlicher Wechselwirkungen (Löslichkeit
oder Adsorption) ihrer Komponenten mit einer
zugegebenen Phase auftrennen.
Prinzip der Papier-
und Dünnschicht-Chromatografie
Friedlieb Ferdinand Runge (1795-1867)
legte mit seinen einfachen Papier-Chromatogrammen die Grundlagen für
die moderne Chromatografie. Bei der Papier-Chromatografie (PC) (>Schülerübung)
wird z.B. ein Farbstoffgemisch auf einem punktförmigen Startpunkt
eines Filterpapiers aufgetragen. Dann stellt man das Papier in einen Standzylinder
und gibt ein geeignetes Lösungsmittel hinzu, z.B. ein Ethanol-Wasser-Gemisch.
Das Papier saugt sofort von unten her Wasser und dann Ethanol auf. Das
Papier ist das Trägermaterial und stellt zusammen mit dem aufgesaugten
Wasser die stationäre Phase dar. Die gelösten Farbstoffe
steigen mit dem Ethanol auf. Manche Farbstoffe lösen sich besser in
Ethanol, manche schlechter. Die weniger löslichen Farbstoffe werden
vom Ethanol weniger zurückgehalten und steigen schneller auf. So trennt
sich das Farbstoffgemisch in seine Komponenten. Der aufsteigende Ethanol
als Fließmittel wird als mobile Phase bezeichnet.
Bei der Papier-Chromatografie handelt
es sich um eine sogenannte Verteilungs-Chromatografie. Bei dieser
Form ist die stationäre Phase ein dünner Flüssigkeitsfilm
(im Beispiel Wasser), der an der Oberfläche des festen Trägermaterials
haftet (im Beispiel Papier). Bei der Adsorptions-Chromatografie
besteht die stationäre Phase aus einem Feststoff, und die zu trennenden
Stoffkomponenten werden an der Oberfläche adsorbiert. Oft treten bei
einer Chromatografie beide Effekte gleichzeitig auf.
Dünnschicht-Chromatografie
Bei der Dünnschicht-Chromatografie
(DC) (>Schülerübung)
werden anstelle von Papier fein pulverisierte Materialien wie Kieselgel,
Cellulose oder Aluminiumoxid auf dünne Glasplättchen aufgetragen.
Sie beruht auf dem gleichen Prinzip wie die Papier-Chromatografie. Ihre
Vorteile liegen in einer schnellen Laufzeit und in einer hohen Nachweisempfindlichkeit.
Die Trägermaterialien sind im Handel als fertige DC-Folien erhältlich.
Die Methoden der Dünnschichtchromatografie wurden von E. Stahl (1924-1986)
entwickelt.
Säulen-Chromatografie
Bei der von Michael Tswett entwickelten
Säulen-Chromatografie (SC) dient ein Glasrohr, das mit einem
Trägermaterial gefüllt ist, zum Chromatografieren. Tswett verwendete
pulverisiertes Calciumcarbonat, das
er in Petrolether aufschlämmte. Heute verwendet man Kieselgel, Cellulose,
Stärke oder Aluminiumoxid als stationäre Trägermaterialien.
Gibt man auf die Säule einen Petrolether-Extrakt von grünen Blattfarbstoffen,
läuft das mobile Fließmittel nach unten, und die Pflanzenfarbstoffe
trennen sich auf. Die Säulen-Chromatografie eignet sich besonders
zum Auftrennen größerer Stoffmengen.
Prinzip der Säulenchromatografie
Ionenaustausch-Chromatografie
Bei der Ionenaustausch-Chromatografie
kann die gleiche Apparatur wie bei der Säulenchromatografie verwendet
werden. als Trägermaterial für die mobile Phase eignen sich Stoffe,
die Kationen oder Anionen (vgl. >Ionen)
an sich binden können und dabei andere Moleküle im Austausch
abgegeben. Nach diesem Prinzip gewinnt man im Labor mit einem Ionenaustausch-Gerät
"destilliertes" Wasser.
Polystyrolsulfonsäure-Harz
in H+-Form als Kationen-Austauscher
Kationen-Austauscher enthalten chemisch
gebundene Sulfonsäure-Gruppen (-SO3H) oder Carboxy-Gruppen
(-COOH), die als Protonenspender fungieren. Zunächst reagieren die
H+-Ionen der Kationen-Austauscher mit Wasser-Molekülen
zu H3O+-Ionen. Diese
können im Austausch gegen positiv geladene Kationen (aus der Lösung)
wieder abgegeben werden. Bei den Anionen-Austauschern werden Hydroxid-Ionen
(OH-) gegen Anionen aus der Lösung
ausgetauscht. Die Ionenaustausch-Chromatografie dient im Labor besonders
zur Trennung von Aminosäuren. Bei der technischen Wasserreinigung,
z.B. zur Trinkwassergewinnung, kann
man mit Hilfe des Verfahrens Schwermetall-Ionen aus dem Wasser abtrennen.
Gas-Chromatografie
Nach dem Zweiten Weltkrieg wurden Verfahren
entwickelt, bei denen Gase als mobile Phase bei der Chromatografie dienten.
Bei der Gas-Chromatografie (GC) lassen sich Gemische aus Gasen oder
verdampfbaren (in der Regel organischen) Stoffen trennen. Als mobile Trägergase
dienen Helium, Argon,
Stickstoff oder einfach Luft wie
in unserem Beispiel. Statt einer Säule werden spiralförmige Rohre
mit geringem Durchmesser (wenige Millimeter) verwendet, durch die der Gasstrom
geleitet wird. Die Säulen werden mit einem Trägermaterial (z.B.
Kieselgel mit Siliconöl) als stationäre Phase befüllt. Das
zu anlaysierende Stoffgemisch wird mit Hilfe einer Mikrospritze vor der
Trennsäule am Probeneinlass in den Gasstrom injiziert.
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Die zu trennenden Stoffe laufen aufgrund
ihres unterschiedlichen Lösungs- oder Adsorptionsverhaltens unterschiedlich
schnell durch die stationäre Phase in der Säule. Am Ende der
Säule misst ein sehr empfindlicher Wärmeleitfähigkeits-Detektor
(WDL) auftretende Temperaturschwankungen.
Kleine Moleküle unterscheiden sich stark von der Wärmeleitfähigkeit
größerer Moleküle. Sobald eine aufgetrennte Komponente
des ursprünglichen Stoffgemischs aus der Säule austritt, findet
eine Temperaturerhöhung statt. Der Detektor misst die Änderung
und stellt sie über eine elektronische Steuerungseinheit als Peak
dar. Einfache Gaschromatografen zeigen den Peak nur als Ausschlag bei einem
Messgerät. Schreibgeräte, durch die eine Papierbahn läuft,
zeigen ein grafisch dargestelltes Zeit-Ausschlags-Diagramm.
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An der Reihenfolge und der Höhe der
Peaks können die Stoffkomponenten bestimmt werden. Die Zeitmessung
beginnt nach dem Auftreten des Trägergas-Peaks, in unserem Fall beim
Luft-Peak, t=0). Die Zeitspanne bis zum Auftreten
der weiteren Peaks wird als Retentionszeit bezeichnet (Propan
t1, Butan t2).
Die Flächenmaße des Peaks geben auch Aufschluss über die
Konzentrationen der vorliegenden Komponenten. Im Beispiel war im Gasgemisch
mehr Butan als Propan enthalten.
Moderne Gas-Chromatografen besitzen computergesteuerte
Auswertungsprogramme. Sie weisen noch Stoffe in Konzentrationen von weniger
als 1 Millionstel ppm nach. Zur Einstellung einer konstanten Temperatur
liegt die Trennsäule bei Gas-Chromatografen oft in einem Wasserbad,
das durch einen Thermostat gesteuert wird.