Chromatographische Trennverfahren Forschungszentrum caesar SimuLab Stefan Hartmann Reihe Experimentalkurse Kurs 1: HPLC-Messungen

Verteilung zwischen einer ruhenden (stationären) und Was ist Chromatographie? Unter dem Begriff Chromatographie werden physikalische Methoden zusammengefasst, bei denen eine Stofftrennung durch Verteilung zwischen einer ruhenden (stationären) und einer sich bewegenden (mobilen) Phase erfolgt. Phase: ein in sich homogener, d.h. physikalisch gleichartiger Bereich (können auch Gemische sein)

Die Chromatographie ist also eine Trenntechnik. Andere Trenntechniken (z.B.): Filtration Zentrifugation (Trennung durch unterschiedliche Dichte) Elektrophorese „elektrophoretische Mobilität“, viele phys.-chem. Faktoren)

Chromatographische Techniken: Ein erster Überblick Papier-Chromatographie Dünnschicht-Chromatographie Säulen-Chromatographie Gel-Chromatographie (Molekularsieb) Extraktions-Chromatographie Gas-Chromatographie Phasen stationär / mobil Technik fest / flüssig HPLC flüssig / flüssig flüssig / gasförmig

Grundprinzip bei allen Techniken Die einzelnen Bestandteile eines Stoffes verteilen sich auf Grund ihrer unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften, wie z.B. Löslichkeit, Siedetemperatur, Adsorptionsverhalten, Größe, Polarität, … unterschiedlich zwischen stationärer und mobiler Phase. Die mobile Phase bewegt sich an der stationären Phase vorbei und nimmt die Stoffe unterschiedlich schnell mit.

Grundprinzip mobile Phase stationäre Phase © www.med4you.at

Einteilung nach dem Ziel Analytische Chromatographie: Nachweis von Stoffen und deren Konzentrationen Präparative Chromatographie: Isolierung von Stoffen zur weiteren Verwendung

Mechanismen in der Chromatographie Molekularsieb Adsorptionsphänomene Verteilungsphänomene (Löslichkeit) Ionen-Austausch Affinitätsphänomene Häufig wirken bei einer bestimmten Chromatographie mehrere dieser Mechanismen.

Das Molekularsieb stationäre Phase: löchrige, porentragende Oberfläche Anwendung: Gel-Chromatographie mit Agarose Trennung von Proteingemischen nach Größe

Adsorptionsphänomene Adsorption: Reversible Fixierung eines Substrats auf einer Oberfläche durch elektronische Wechselwirkungen Anwendung: in nahezu allen chromatographischen Trennverfahren (auch in der HPLC)

Rund um die Adsorption ! Nicht zu verwechseln mit Absorption: Chemisorption: kovalente oder ionische Bindung zwischen Substrat und Oberfläche Physisorption: schwache elektronische Wechselwirkungen zwischen Substrat und Oberfläche (z.B. WBBen, van-der-Waals-Kräfte) Quarz WBB Nicht zu verwechseln mit Absorption: Aufnahme von Materie durch einen Körper !

Rund um die Adsorption (Forts.) Je größer die Oberfläche des Adsorptionsmittels, desto größer ist auch die Adsorptionskapazität, d.h. je mehr Stoff kann bei gleicher Masse adsorbiert werden. Im Vergleich: In der HPLC ist der Zerteilungsgrad besonders klein! Das Lösemittel läuft nur sehr langsam durch die Säule Sehr hoher Druck (~ 200 bar) notwendig!

Verteilungsphänomene (Löslichkeit) Unterschiedliche Löslichkeit von Stoffen in zwei Flüssigkeiten (oder einem Gas und einer Flüssigkeit) Anwendung: kommt in nahezu allen chromatographischen Trennverfahren zum Tragen, vor allem in der Papier- und Dünnschichtchromatographie

Ionen-Austausch Hier Kationen-Austausch-Chromatographie: die in der mobilen Phase befindlichen Kationen (grau) konkurrieren mit den verschiedenen Kationen der Probe um die negativ geladenen Bindungsstellen der stationären Phase Anwendung: auch in der HPLC

Affinitätsphänomene Schlüssel-Schloss-Prinzip Anwendung: Wird im Routinelabor eher selten eingesetzt (höchstens in der präparativen Chromatographie), kann aber z.B. zum Nachweis von Anti- körpern mit Hilfe von Teststreifen dienen (Wechselwirkung Antigen-Antikörper)

Geschichte der Chromatographie Rotweinfleck auf einem Leinentuch Ferdinand Friedlieb Runge, deutscher Chemiker (1794-1867)

Zunächst: rein ästhetische Motivation Auftropfen einer Lösung auf Saugpapier Runge sah sich als „Künstler der anorganischen Moleküle“.

Papierchromatographie Dies war der Beginn der Papierchromatographie Variante der Verteilungschromatographie stationäre Phase: Cellulose mobile Phase (Laufmittel): Lösemittel Fluss durch Kapillarkräfte Adsorption der Farbstoffe an der Cellulosefaser Je besser sich ein Farbstoff in dem Laufmittel löst, desto weiter wird er in der mobilen Phase transportiert. Trennung farbloser Substanzen durch Anfärben, Spektroskopie oder Fluoreszenz.

Wichtig: Wahl des richtigen Laufmittels Auftrennung von Filzschreibefarben in unterschiedlich polaren Laufmitteln deutliche Unterschiede in der Trennleistung!

Entdecker der Chromatographie als wissenschaftliches Trennverfahren Mikhail Semenovich Tswett (russischer Botaniker, 1872-1919) „Adsorptionsanalyse und chromatographische Methoden. Anwendung auf die Chemie des Chlorophylls.“ (1906 veröffentlicht) Tswett filtrierte Extrakt aus Blättern über fein gepulvertes Calciumcarbonat und trennte dadurch die Blattfarbstoffe (Chlorophyll, Carotinoide) verschiedener Pflanzen. Chromatographie: chromatos = Farbe, graphein = schreiben

Säulenchromatographie Dies war die erste wissenschaftliche Säulenchromatographie stationäre Phase: z.B. Kieselgel, Cellulose, Aluminiumoxid, Calciumcarbonat mobile Phase (Laufmittel, Elutionsmittel): Lösemittel, häufig unpolar (z.B. Benzin) das Laufmittel kann während der Trennung kontinuierlich verändert werden (Gradientenelution, z.B. über pH-Wert) Fluss durch Schwerkraft Eluat tritt unten aus der Säule aus und kann detektiert werden High-Tech-Variante: HPLC (große stationäre Oberfläche, hoher Druck nötig)

Säulenchromatographie (Forts.) Retentionszeiten: Durchlaufszeiten der einzelnen Substanzen durch die Säule (vom Startpunkt bis zum Peakmaximum) Die Peakfläche ist proportional zur Stoffmenge der entsprechenden Substanz Nur wenn deutliche Abstände zwischen den Peaks erkennbar sind, wurde das Stoffgemisch wirklich getrennt

Dünnschicht-Chromatographie verdrängte die Papierchromatographie, die heutzutage nur noch für Demonstrationszwecke eingesetzt wird (schnellere und bessere Trennung) erstmals 1938 verwendet stationäre Phase: häufig Kieselgel oder Aluminiumoxid (sehr resistent) effektiv: Trennung von polaren und unpolaren Substanzen Trennung von Alanin, Glycin und Valin in unpolarem Lösungsmittel und Kieselgel (polar) als stationärer Phase

Rf – Wert (retarding-front) Laufstrecke der Substanz Laufstrecke des Lösungsmittels

Weitere Entwicklungen Gaschromatographie Weiterentwicklungen der Säulenchromatographie (HPLC) …

Quellen http://www.chemieunterricht.de http://www.med4you.at