Chromatographie

Chromatographie bzw. Chromatografie (griechisch, deutsch Farbenschreiben) wird in der Chemie ein Verfahren genannt das die Auftrennung eines Stoffgemisches durch dessen Verteilung zwischen einer stationären und einer mobilen Phase erlaubt. Dieses Prinzip 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. 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. Die Chromatographie ist aus der organischen Chemie, der Biochemie, der Mikrobiologie und auch der anorganischen Chemie nicht mehr wegzudenken.

Beschreibung des Chromatographieprozesses

Die Chromatographie läßt sich bildhaft folgendermaßen erklären. Eine Gruppe von Booten bricht gleichzeitig auf um eine Flußfahrt zu unternehmen. Am Flußrand sind in unterschiedlichen Abständen Gasthäuser. Je nach dem welche Leute in den Booten sitzen legen die Boote verschieden oft am Flußufer an um in ein Gasthaus einzukehren. Dadurch benötigen die Boote verschieden lange für die Strecke und kommen somit zu verschiedenen Zeiten am Ende des Flußes an.

In der Chromatographie werden Substanzgemische (=Boote) in einer Mobilen Phase (=Fluß) an einer Stationären Phase (=Flußrand mit Gasthäusern) vorbeibewegt. Auf Grund von Wechselwirkungen (Einteilung unter Trennprinzipien) zwischen Substanzen und stationärer Phase halten sich die Substanzen verschieden lange an der stationären Phase auf (=werden retentiert) und können somit nicht von der mobilen Phase weitertransportiert werden. Dadurch erreichen sie zu unterschiedlichen Zeitpunkten das Ende der Trennstrecke.

Definition einiger Begriffe

Stationäre Phase

Phase die mit den einzelnen Substanzen des Substanzgemisches Wechselwirkungen eingeht und sich nicht bewegt.

Mobile Phase

Phase in der das Substanzemisch zu Beginn gelöst ist und die sich bewegt.

Retention, Retardierung

Zurückhalten von Einzelzubstanzen des Substanzgemisches durch Wechselwirkung mit der Phase.

Retentionszeit

Zeit die eine Substanz benötigt um die gesamte Trennstrecke zu passieren.

Elution

Transport einer Substanz durch eine chromatographische Säule durch kontinuierliche Zugabe von mobiler Phase. Eine besondere Bedeutung hat dieser Prozess in der Festphasenextraktion.

Eluat

Mobile Phase die Trennstrecke passiert hat.

Säule

In der Chromatographie versteht man unter einer Säule eine hohle Röhre von einem Durchmesser von wenigen mykrometern bis zu mehreren Zentimern. Diese Röhre ist entweder mit der stationären Phase gefüllt oder innen beschichtet.

Die Chromatographischen Trennmethoden lassen sich nach verschiedenen Gesichtspunkten einteilen:

Einteilung nach dem Trennprinzip

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.

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.
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.
Siebwirkung - Bei der ruhenden Phase benutzt man Stoffe die Komponenten an Hand ihrer Größe trennen. Im Wesentlichen unterscheidet man hier zwischen drei Verfahren.
- Molekularsieb - Chromatographie
- Gel - Permeations - Chromatographie
- Ausschluss - Chromatographie
Affinitätschromatographie - Als stationäre Phase wird ein jeden Analyten spezifische chemische Verbindung eingesetzt die auf Grund nichtkovalenter Kräfte eine Trennung bewirkt. Es handelt sich hierbei um eine hochselektive Methode.
- IMAC --> "Immobilized Metal Ion Affinity Chromatography" wird speziell für Proteine eingesetzt.
Chirale Chromatographie - Zur Trennung von chiralen Molekülen.

Einteilung nach den verwendeten Phase

Auf Grund der mobilen Phasen kann man die Chromatographie in drei Gebiete unterteilen, welche sich nach den Trägern der stationären Phasen oder dem Aggregatzustand der stationären Phasen wieder in unterschiedlich viele Gruppen unterteilen lassen.

Flüssigchromatographie (engl. liquid Chromatography, LC)
- Planare Chromatographie
  - Papierchromatographie Als feste Phase wird Papier verwendet, das entwender liegt oder (meist) senkrecht in einem Glasbehälter steht. Wie auch bei der Dünnschichtchromatographie wird die Mobile Phase auf Grund der Kapillarkräfte bewegt.
  - Dünnschichtchromatographie Als feste Phase wird entweder auf einer Glas oder Kunststoffplatte z.B. Silikapartikel aufgetragen.
- Säulenchromatographie
  - Niederdruckchromatographie Die hier verwendeten Säulen weisen durchmesser von einem bis vielen Zentimetern auf. Diese Form der Flüssigchromatographie wird vor allem für präparative Trenungen eingesetzt.
  - Hochdruckchromatographie (engl. HPLC High performance liquid chromatography) Ist die heute am weitesten verbreiteste in der Analytik eingestzte Trennmethode da. Die mobile Phase wird mit Drücken bis zu 400 bar und Flüssen bis zu maximal 5 ml/ min bewegt.
  - Elektrochromatographie In diesem Fall wird die Mobile Phase durch anlegen einer Spannung bewegt. Diese Methode befindet sich noch im Entwicklungsstadium und wird im Routinebetrieb nicht angewendet.
Gaschromatographie
- Gepackte Säulen Das innere einer Säule (lange Röhre) ist mit einem feinkörnigem Material gefüllte.
- Kapillarsäulen Nur die Säulenwand ist mit einer dünnen Schicht aus Stationärer Phase bedeckt.
  - Flüssige stationäre Phase
  - Feste stationäre Phase
Überkritische Fluidchromatographie (engl. SFC supercritical fluid chromatography) Als mobile Phase wird eine Substanz in ihrer überkritsche Phase (Zustand zwischen Gas und Flüssigkeit eingesetzt). Bei dieser Methode werden nur Säulen als Träger von stationären Phasen eingesetzt.

Kenngrößen der Chromatographie

Der Trennfaktor α gibt die Güte der Trennung zweier Substanzen an. Er beruht auf der Retentionszeiten t_R der Komponenten in der Säule. Die Retentionszeit oder Durchlaufzeit ist die Zeit, die die betrachtete Komponente zum durchqueren der Säule braucht.:

$\alpha ={\frac {k_{1}}{k_{2}}}$

mit dem Retentionsfaktor k definiert durch:

$k={\frac {t_{R}-t_{0}}{t_{0}}}$

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 Voraussetzungen 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

 $H=A+{B \over u_{x}}+C\cdot u_{x}$

wobei:

H die Trennstufenhöhe
u_x 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 D_s entlang der Poren der stationären Phase zu beachten. Es gilt damit:

 $C={{t_{s} \over t_{m}} \over (1+{t_{s} \over t_{m}})^{2}}\cdot {d^{2} \over D_{s}}$

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 zeitweise mit dem Papier eine Wechselwirkung eingehen und dadurch vom Wasser nicht weiter transportiert werden.

Daher können wir bald mehrere, verschiedenfarbige Flecken erkennen.

Wir haben soeben die Buntstiftfarben chromatographisch getrennt.

Siehe auch

Analytik,

Weblinks