Unter Chromatographie bzw. Chromatografie (griechisch, deutsch Farbenschreiben) werden in der Chemie unterschiedliche physikalische Verfahren zusammengefasst, die die Auftrennung eines Stoffgemisches durch dessen Verteilung zwischen einer stationären und einer mobilen Phase erlaubt. Die Prinzipien wurde erstmals 1903 von dem russischen Botaniker Michail S. Tswett angewendet und dargelegt. Er untersuchte einfarbige Pflanzenfarbstoffe und konnte diese durch Chromatographie in verschiedene Farbstoffe zerlegen. Inzwischen ist die Chromatographie aus der organischen Chemie, der Biochemie und der Mikrobiologie nicht mehr wegzudenken. Auch in der anorganischen Chemie wird die Chromatographie beispielsweise zur Gewinnung von Seltenen Erden benötigt. Bei der Untersuchung von Böden und Wasser greift man auch auf chromatographische Verfahren zurück.
Prinzipien
Das grundlegende Prinzip aller chromatographischen Verfahren ist die oft wiederholte Einstellung eines Gleichgewichtes zwischen einer ruhenden Phase und einer bewegten Phase. Das Gleichgewicht kann sich auf Grund verschiedener physikalisch - chemischen Effekten ausbilden.
- Ionenaustausch - Chromatographie Die bewegte Phase ist hier meist eine Lösung, der zu trennenden Ionen. Die ruhende Phase ist ein fester Ionenaustauscher. Ionenaustauscher bilden zwischen den verschiedenen Ionen der bewegten Phase unterschiedlich stabile Bindungen aus.
- Adsorption - Chromatographie Hier kommt es zu einer Trennung der verschiednen Komponenten auf Grund der unterschiedlich starken adsoptiven Bindungen zur ruhenden Phase. Die bewegte Phase kann ein mehr oder weniger polares Lösungsmittel oder bei gasförmigen Stoffen ein Trägergas sein.
- Verteilungs - Chromatographie Ähnlich dem Extraktionsverfahren wird hier die unterschiedliche Löslichkeit der zu trennenden Komponenten ausgenutzt. Bei der Chromatographie bleibt aber das Lösungsmittel als ruhende Phase auf einem Trägermaterial haften. Die bewegte Phase kann wieder eine Lösung oder ein Trägergas sein.
- Siebwirkung Bei der ruhenden Phase benutzt man Stoffe die Komponenten an Hand ihrer Größe trennen. Im Wesentlichen unterscheidet man hier zwischen drei Verfahren.
- Molekularsieb - Chromotographie
- Gel - Permeations - Chromatographie
- Ausschluss - Chromatographie
Typen
Es gibt mehre Einteilungen der chromatographischen Verfahren. Man unterscheidet dabei nach…
- dem zu Grunde liegenden physikalisch - chemischen Effektes, der zur Ausbildung des Gleichgewichtes führt.
- dem apparativen Aufbau z.B. Säule, Schicht oder Papier
- dem Aggregatzustand der bewegten Phase und der ruhenden Phase. Der Aggregatzustand wird häufig mit s (fest), l (flüssig) und g (gasförmig) abgekürzt, wobei die bewegte Phase zu erst genannt wird.
Durch Kombination dieser Einteilungen kommt man zu so schönen Bezeichnungen wie…
Flüssig-CG
Dünnschicht-CG (TLC)
Thin Layer Chromatography (TLC)
Säulen-Flüssigkeits-CG (LC)
Obwohl nur eine von drei Methoden mit flüssiger mobiler Phase, ist dies mittlerweile die häufigste Flüssig-CG und wird im englischen Sprachraum auch nur Liquid Chromatography bzw. LC genannt.
Der Trennfaktor α gibt die Güte der Trennung zweier Substanzen an. Er beruht auf der Retentionszeiten tR der Komponenten in der Säule. Die Retentionszeit oder Durchlaufzeit ist die Zeit, die die betrachtete Komponente zum durchqueren der Säule braucht.:
mit dem Retentionsfaktor k definiert durch:
t0 nennt man die Totzeit der Säule. Die Totzeit ist die Zeit, die das Lösungsmittel zum durchqueren der Säule braucht.
die Trennstufenhöhe
Zur Erlangung einer niedrigen Trennstufenhöhe sind folgende Vorraussetzungen nötig:
- Es wird eine rasche Gleichgewichtseinstellung der Absorption oder Verteilung erwartet. Daher sollte der Teilchendurchmesser d so klein wie möglich sein.
- konstante Temperatur in der gesamten Säule. Daher wird eine Säulenthermometer benutzt.
- konstante Fließgeschwindigkeit Hierfür wird eine Kolbenpumpe mit bis zu 400 bar verwendet.
- linearer Absorptionsbereich Die stationäre Phase sollte im Verlauf der Chromatografie nicht überladen werden.
- vernachlässigbare Diffusion wäre wünschenswert, ist experimentell aber leider nicht erreichbar. Es werden daher möglichst regelmäßige Packungen mit Teilchen von besonders kleinem Durchmesser verwendet.
Van - Deemter - Gleichung für HPLC
wobei:
- H die Trennstufenhöhe
- ux die lineare Fließgeschwindigkeit ist
- der A-Term berücksichtigt die Eddy-Diffusion die durch unteschiedliche Fließstrecken durch die Packung entsteht. Es gilt: A =2*p*d wobei
- p der Packungsfaktor
- d der Teilchendurchmesser ist
- der B-Term berücksichtigt die longitunale Diffusion. Die longitunale Diffusion ist die Diffusion der Analytenmoleküle in beide Richtungen der Trennstufe. Es gilt: B = 2 * D * L wobei:
- D die Diffusionskonstante in der mobilen Phase und
- L der Labyrinthfaktor ist. Der Labyrinthfaktor berücksichtigt die Porenstruktur der stationären Phase.
- der C-Term berücksichtigt die Peakverbreiterung durch die langsame Gleichgewichtseinstellung zwischen der mobilen und der stationären Phase. Hierbei ist noch die Diffusionskonstante Ds entlang der Poren der stationären Phase zu beachten. Es gilt damit:
HPLC
HPLC steht für High Performance Liquid Chromatography (in den Anfangszeiten dieser Technik auch für "High Pressure Liquid Chromatography"). Es handelt sich um ein chromatographisches Trennverfahren, bei dem die zu untersuchende Substanz zusammen mit einem flüssigen Laufmittel, der "mobilen Phase" (auch "Eluent" genannt) auf eine sog. Trennsäule, die die "stationäre Phase" darstellt, gegeben wird. Wechselwirkt ein Bestandteil der zu untersuchenden Substanz stark mit der stationären Phase, verbleibt er relativ lange in der Säule. Wechselwirkt er hingegen stark mit der mobilen Phase, verläßt er die Säule früher. Je nach Stärke dieser Wechselwirkungen erscheinen die Bestandteile der Substanz zu verschiedenen Zeiten (den "Retentionszeiten") am Ende der Trennsäule, wo sie dann mit einem geeigneten Detektor nachgewiesen werden können. Es werden zwei Methoden unterschieden: Normal Phase (NP) und Reversed Phase (RP). Bei der NP-HPLC wird eine polare stationäre Phase und eine unpolare mobile Phase genutzt. Polare Moleküle werden auf der Säule länger retardiert (zurückgehalten) als unpolare Moleküle und verlassen deshalb später die Säule. Die RP-HPLC ist in der Praxis die gängigste Methode. 70% aller analytischen HPLC-Trennungen sind RP-Trennungen. Hier wird eine unpolare stationäre Phase verwendet und eine mobile Phase. Als mobile Phase werden oftmals Wasser, Acetonitril, Tetrahydrofuran (THF) oder Methanol eingesetzt , sowie Gemische aus diesen bei der Gradiententrennung. Besondere Anwendung findet die RP-HPLC bei der Auftrennung von Proteinen und Peptiden. Dafür wird eine C18-Säule eingesetzt, die Detektion erfolgt zumeist mittels UV- oder Fluoreszenzdetektor.
Siehe auch: Analytik
Detektoren: UV-Detektor
Diodenarraydetektor (DAD) Lichtstreudetektor Fluoreszenzdetektor Brechungsindexdetektor
Gaschromatographie
Die Gaschromatographie ist eine spezielle Methode innerhalb der Chromatographie bei der die mobile Phase aus einem Gas besteht. Dieses Gas wird über eine hohle Säule mit einem bestimmten Innendurchmesser geleitet, die von einem bestimmten Material ausgekleidet ist, der stationären Phase. Das Material der Säulen besteht entweder aus Glas (bei alten Säulen) oder aus Metall (bei den neueren Säulen. Wichtig ist hierbei auch der Säulendurchmesser und die Säulenlänge
Die chromatographische Auftrennung erfolgt durch Wechselwirkung des zu analysierenden Stoffes mit der stationären Phase, die aus verschiedenen Materialien bestehen kann. Die Materialien werden den Erfordernissen der Analyse angepasst.
Das Gas, das für die GC verwendet wird muss inert sein und gute Strömungseigenschaften aufweisen. Eine Grundbedingung für die Gaschromatographie ist auch, dass sich der Stoff, den man untersuchen möchte, unzersetzt in die Gasphase, überleiten lassen kann.
Bestandteil eines Gaschromatographen ist deshalb auch eine Heizvorrichtung, die mittels eines im Idealfall vom Computer gesteuerten Heizprogramms den Stoff erhitzt und verdampft. Man unterscheidet hierbei zwischen einem kontinuierlichen Heizprogramm, bei dem nur eine Temperatur koninuierlich gehalten wird und einem ansteigenden Heizprogramm, bei der ein stufenweiser Temperaturanstieg vorgesehen ist.
Die Gaschromatographie ist eine sehr empfindliche Methode zur Analyse von Stoffgemischen. man kann mit ihr verschiedene Stoffgemische in die einzelnen Komponenten aufteilen. Messkriterium für die GC sind die sogenannten Retentionszeiten, die in Relation zu einem Totpunkt gesetzt werden.
Wenn man eine sehr empfindliche Analyse haben möchte, kann man die Gaschromatographie mit einem Massenspektrometer koppeln
Superfluid-CG
Praktisches Experiment
Chromatographie kann man mit handelsüblichen Mitteln zu Hause durchführen. Man benötigt:
- 1 Kaffeefilter
- einige Buntstifte
Auf den unteren Rand des Kaffefilters malt man einen oder mehrere bunte Punkte, stellt das Papier in eine Schale mit Wasser, so dass sich das Papier mit Wasser vollsaugt.
Da die Farbe der Buntstifte wasserlöslich ist, transportiert das Wasser nun die Farbe nach oben.
Unser, sagen wir mal, roter Bunstift ist nun aber eigentlich nicht rot. In Wirklichkeit besteht der aus einem Gemisch unterschiedlicher Farben, die nun vom Wasser *unterschiedlich schnell* weiter transportiert werden.
Daher können wir bald mehrere, verschiedenfarbige Flecken erkennen.
Wir haben soeben die Buntstiftfarben chromatographisch getrennt.
Praktische Anwendung findet diese Methode zum einen in der Produktion zur Reinigung vor Substanzen, zum anderen in der chemischen Analytik, um Stoffgemische aufzutrennen und ihre Inhaltstoffe zu analysieren.
siehe auch: GC-Detektor, Van-Deemter-Gleichung