Chromatographie - 1. Trennmethoden in Theorie und Praxis

Eine wirksame Trennung von Substanzgemischen in die einzelnen Komponenten erfolgt heute mit Hilfe der Chromatographie. Besonders anschaulich lässt sich dies am Beispiel von Farbstoffen demonstrieren.

Daher stammt auch der Name Chromatographie. Die Frage, welche einzelnen

Komponenten zum Beispiel ein Faserschreiber enthält, lässt sich innerhalb weniger Minuten mit modernen chromatographischen Verfahren

beantworten. Wie dieses Ergebnis zustande

kommt, hängt wesentlich ab von der Wechselwirkung zweier Partner, nämlich der stationären und der mobilen Phase. Stationäre und mobile Phase Die Säule ist mit Kieselgel gefüllt. Auf diesen verschiedenen Platten aus Aluminium, Kunststoff und Glas ist Kieselgel als dünne Schicht aufgetragen. Kieselgel stellt hier die sogenannte stationäre Phase dar. Die Trennung erfolgt mit Hilfe eines Flüssigkeitsgemisches. Dies ist die sog.

mobile Phase. Die Testsubstanz rechts außen ist ein Gemisch aus

den drei reinen Farbstoffen weiter links. In der Säulen-Chromatographie wird

dieses Gemisch auf den obersten Teil des Füllmaterials gegeben. Mit

Hilfe einer Glaskapillare tragen wir dasselbe Gemisch auf die Dünnschichtplatte auf. Der Kontakt der stationären

Phase mit der mobilen Phase erfolgt hier einfach durch Eintauchen der Platte in das Lösungsmittelgemisch beim Einsetzen in die Trennkammer. Sofort beginnt das Lösungsmittel infolge

der Kapillarkräfte in der Kieselgelschicht aufzusteigen und erreicht mit seiner Front bald die Farbstoffnecken. Hier eine Wiederholung des Vorgangs mit einer anderen Platte in 150facher Zeitraffung. Allmählich werden die verschiedenen Farbstoffe räumlich voneinander getrennt. Das gleiche geschieht hier nach Aufgabe des Lösungsmittels in der Säule. Das Lösungsmittel nimmt die Farbstoffkomponenten unterschiedlich rasch mit. Infolge der unterschiedlichen Verteilung der einzelnen Substanzen

zwischen der stationären und der mobilen Phase erfolgt eine Auftrennung in die einzelnen Farbstoffkomponenten. In beiden Fällen beobachten wir, wie

die mobile Phase durch die stationäre Phase wandert. Trennmechanismen Von den elementaren Trennmechanismen, die eine

Auftrennung eines Gemisches in die einzelnen Komponenten bewirken, beobachten wir zunächst die Adsorption eines Farbstoffes, hier von Dextranblau, an Aluminiumoxid.

Beim Schütteln wird der Farbstoff fast vollständig adsorbiert und damit aus der Lösung entfernt. Eine ähnliche Beobachtung machen wir, wenn beide Phasen flüssig sind. Ein Farbstoff wird zu einer Flüssigkeit in einen Schütteltrichter gegeben. Dazu eine zweite, mit der ersten nicht mischbare Flüssigkeit. Durch Schütteln stellt sich ein Verteilungsgleichgewicht ein. Nach Ausbilden der Grenzfläche erkennen wir, dass sich der Farbstoff fast vollständig in der einen Phase gelöst hat. Adsorption und Verteilungskoeffizient, zwei stoffspezifische Größen, bilden

die Grundlage chromatographischer Trennungen. Dazu gehört auch der Ionenaustausch. Er lässt sich experimentell makroskopisch wesentlich

schwieriger beobachten. Hier hilft die Erläuterung des Vorgangs auf molekularer

Ebene im Trick. Die Wasserstoffionen befinden sich an den Gegenionen, die an der Festkörperoberfläche des Ionenaustauschers verankert sind. Sie werden

gegen Alkaliionen ausgetauscht, die fester gebunden werden. Die Wasserstoffionen verlassen schließlich die Säule. Bei der

Gelchromatographie spielt die unterschiedliche Größe der zu trennenden Moleküle eine Rolle. Sie können in derart porösen Materialien wie den Gelen unterschiedlich weit ins Poreninnere eindringen und werden nach Maßgabe der unterschiedlichen Molekülgröße getrennt. Als Beispiel

für eine Gelchromatographie sollen die kleinen Ionen des gelben Chromats von den großen sperrigen Molekülen

des Dextranblaus getrennt werden. Als mobile Phase dient eine wässrige Natriumchloridlösung. In der Glassäule befindet sich ein poröses Gel. Mit Hilfe der peristaltischen Pumpe wird die mobile Phase durch diese spezielle Trennsäule gefördert. Die größeren Moleküle des Dextranblaus wandern vor den kleineren des gelben Chromats, die in die Poren eindringen können. Die kleineren Moleküle werden

leichter in den Poren zurückgehalten.

Durch weitere Förderung der mobilen Phase lassen sich die beiden Farbstoffe auch getrennt eluieren. Hier

noch ein spezieller Trennmechanismus, der

eine Umkehrung der Adsorption darstellt.

Das Kieselgel kann nämlich an seiner polaren Oberfläche über die

Hydroxylgruppen organische Stoffe binden, hier symbolisch dargestellt. Werden diese Bindungen dadurch unwirksam, dass sie durch chemisch gebundene Alkylketten in unpolare

Gruppen umgewandelt werden, so gehen

die vorherigen adsorbierenden Eigenschaften des Kieselgels verloren. Ein Farbstoff verhält

sich an der Umkehrphase anders

als am polaren Kieselgel. Die Umkehrphase besteht aus unpolarem Kieselgel, das durch die vorher gezeigten Alkylgruppen modifiziert ist. Die Trennmaterialien befinden sich hier in Plastiksäulen. Diese werden auf den Saugtopf

aufgesetzt. Der polare Farbstoff wird am Kieselgel rechts adsorbiert. Von der Umkehrphase links wird er dagegen nicht zurückgehalten. Die Farbstofflösung wird mit Hilfe einer Wasserstrahlpumpe durch beide Säulen gesaugt. Je

nach Wahl der Bedingungen in der stationären Phase führen eine oder auch mehrere dieser Mechanismen zur gewünschten Trennung. Modellvorstellungen Die

kinetische Theorie ordnet den individuellen

Molekülen, hier Kreise, Dreiecke und Quadrate, eine spezifische Affinität zur stationären Phase zu, deren Form und Oberfläche durch die gezackte Struktur symbolisiert wird. Die Strömung der mobilen Phase fördert das Vorankommen der Moleküle. An Haftstellen der stationären Phase werden sie, in Abhängigkeit von der Struktur, zurückgehalten. Die verschiedenen Teilchen werden

daher das Ende der Trennstrecke zu unterschiedlichen Zeiten, nämlich den Gesamtretentionszeiten erreichen. Diese setzen sich aus der Verweilzeit in der Strömung und den Nettoretentionszeiten an der stationären Phase zusammen. Die Trennleistung hängt ab von Parametern, die sich u.a. aus diesem Modell ableiten lassen. Die ersten adsorptions-chromatographischen Trennungen in Säulen, die Auftrennung der Blattfarbstoffe, führte der russische Botaniker TSWETT in einer derartigen einfachen Apparatur durch. Das Trennstufenmodell zerlegt die Trennstrecke in einzelne Abschnitte. Hier als Kästen symbolisiert. Die einzelnen Stoffe, hier gelbe und rote Kugeln, verteilen sich auf zwei Phasen, zum Beispiel Flüssigkeiten. Jeder Gleichgewichtszustand, das

Verteilungsgleichgewicht - in Zahlen ausgedrückt - charakterisiert bei diesem Modell einer stufenweisen Verteilung eine theoretische Trennstufe. Jede Trennstufe besteht aus je zwei übereinanderstehenden Kästen. Nach schubweiser Weiterführung der unteren Phase stellt sich jeweils eine neue Verteilung der Moleküle zwischen beiden Phasen ein. Dadurch wird eine weitgehende Trennung der Stoffe erreicht, die sich hier bereits abzeichnet. Schließlich ist auch die Phase 2 am Ende der Trennstrecke angelangt. Die Moleküle aus beiden Phasen eins und zwei werden aufsummiert. Die Verteilung der Moleküle über die Trennstrecke entspricht im Idealfall zwei Gaußkurven. Aus der Lage der Maxima lassen sich bei einer kontinuierlich durchgeführten Verteilung die Gesamtretentionszeiten für die einzelnen Stoffe entnehmen. Die ständig neue Einstellung von Verteilungsgleichgewichten wird in der Craig-Apparatur zur präparativen Trennung von organischen Stoffgemischen genutzt. Van-Deemter-Gleichung Die bisher vorgestellten Modelle zeigen lediglich, auf welche Weise Trennungen prinzipiell zustande kommen. Die Trennleistung wird durch einige bestimmte Faktoren beeinflusst. Die Glassäulen enthalten Trennmaterialien mit relativ großen Partikeldurchmessern. Das Trennergebnis für ein Farbstoffgemisch an

Kieselgel ist hier unbefriedigend, wie

die Zeitrafferaufnahme beweist. Die Trennleistung dieser HPLC-Säule, in Bildmitte, erkennt man an der raschen Trennung der Farbstoffe in Echtzeit. Die Säule enthält Kieselgelpartikel von Meiner als 5 µm Durchmesser. Die Trennung ist umso besser, d.h. die Farbstoffbanden sind umso schmaler und umso weiter voneinander getrennt, je kleiner die Teilchen in der stationären Phase sind. Die

Trennleistung einer Säule ergibt sich nach dem Trennstufenmodell, nämlich aus

der Zahl der Trennstufen pro Säulenlänge. Ein Vergleich der Chromatogramme

zeigt den Einfluss von Trennstufenzahl N bzw. Höhe H auf die Trennleistung. N berechnet man nach dieser Formel aus der Gesamtretentionszeit tR und der Bandenbreite W an der Basis der Gaußkurve. Zwei weitere Chromatogramme zeigen den Einfluss der Trennstufenhöhe H

auf die Trennleistung, vor dem auch im Hinblick auf die nötige Trennzeit. Grundsätzlich hängt die Trennleistung und damit die Bandenbreite von der Strömungsgeschwindigkeit U der mobilen Phase ab, hier demonstriert

bei der Trennung von Benzolderivaten. Dabei kann die Trennleistung mit wachsender Strömungsgeschwindigkeit U sowohl zunehmen

oder aber auch wieder abnehmen. Die Werte für H folgen aus der Van-Deemter-Gleichung. In den Konstanten A, B und C ist der Einfluss von Bandenbreite, Säulenlange und Gesamtretentionszeit auf H bei verschiedenen linearen Strömungsgeschwindigkeiten U enthalten. Verbinden wir die einzelnen Messpunkte, so erhalten wir die Van-Deemter-Kurve. Aus dem Minimum der Kurve folgt die lineare Strömungsgeschwindigkeit U für eine optimale chromatographische Trennung. Zur Chromatographie zählen wir sämtliche physikalisch-chemischen Trennmethoden, die diese Erscheinung nutzen. Sie ist heute ein wichtiges Teilgebiet der chemischen Analytik. Analysengeräte Zur modernen chromatographischen Analytik gehört eine Vielzahl leistungsfähiger Geräte, hier für die Dünnschicht-Chromatographie. Sie tragen zu besser reproduzierbaren Analysenergebnissen bei. Präzises Auftragen wird

heute durch Automatisierung der Probennahme

und des Auftragens erreicht. Die Probenvolumina betragen wenige Mikroliter oder

sogar nur Nanoliter. Erst moderne

Trennkammern wie diese, in denen

sich die mobile Phase in

der Dünnschicht horizontal bewegen kann, gewährleisten ein konstantes, reproduzierbares Gleichgewicht.

Die photometrische, quantitative Auswertung geschieht mit Hilfe von Scannern und

angeschlossenen Plottern mit Integratoren, welche die Ergebnisse der chromatographischen Analyse ausdrucken. In der Flüssigkeits-Säulen-Chromatographie treten an die Stelle einer peristaltischen Schlauchpumpe für niedrige Drucke feinmechanische

Präzisions-Hochdruckpumpen, die den Transport der mobilen Phase durch dünne Trennsäulen betreiben. Dieses moderne Gerät zur

Hochdruck-Flüssigkeits-Chromatographie liefert auch mit geringen

Probenmengen gute und rasche Trennungen. Die Trennergebnisse einer anderen Methode, nämlich der Gas-Chromatographie, beruhen darauf, dass als mobile Phase Gas benutzt wird. Hier wird die

mobile Phase aus Druckflaschen zugeführt. Die Verteilung der gasförmigen Stoffe

erfolgt in Wechselwirkung mit einer

festen oder flüssigen stationären Phase, die in dieser beheizten Trennsäule in Form einer Spirale enthalten ist. Noch bessere Trennungen erhält man mit dieser Trennsäule in

Gestalt einer 10 m langen Kapillare von 0,2 - 0,3 mm Durchmesser. Die flüssige Probe

wird jeweils mit einer Spritze durch ein Septum in die Trennsäule eingegeben. Vor der Trennung

wird die flüssige Probe innerhalb eines Ofens verdampft, dessen Temperatur programmgesteuert verändert wird. Kurze Zeit

später erreichen die einzelnen Stoffe nacheinander den Ionisationsdetektor. Die Ausschläge auf dem Bildschirm und dem Plotter ergeben das Chromatogramm mit Ausdruck der quantitativen Ergebnisse. Diese apparativ sehr unterschiedlichen chromatographischen Analysentechniken

sind heute in den Laboratorien für Umweltschutz, in der biochemischen, pharmazeutischen und in der lebensmittelchemischen

Analytik weit verbreitet.