Chemische Trennprinzipien und Chromatographie


Bei chromatographischen Trennverfahren wird eine Probe zur Analyse in ihre einzelnen Bestandteile aufgetrennt. Erfahren Sie in unserem Blogbeitrag alles über verschiedene chemische Trennprinzipien und lernen Sie, welche Faktoren wichtig für die Genauigkeit sind.

Wenn eine Probe zum Analysieren in ihre einzelnen Bestandteile aufgetrennt werden soll, kommen in der Regel chromatographische Trennverfahren zum Einsatz. Seit dem relativ einfachen Aufbau der ersten Chromatographen zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde die Methode stetig weiterentwickelt. Daher stehen verschiedene spezialisierte chromatographische Verfahren für jeweils unterschiedliche Anwendungen zur Verfügung. Dazu zählen die HPLC-Flüssigkeits- und die Gaschromatographie, die Dünnschichtchromatographie sowie die historisch älteren Methoden der Säulen- und der Papierchromatographie. Inzwischen ist auch Micro-LC als ressourcenschonende Alternative zur HPLC als Miniaturversion verfügbar.

Dabei ist allen chromatographischen Verfahren die Aufteilung in eine stationäre und eine mobile Phase gemeinsam. Jeder in der Probe enthaltene Stoff besitzt zudem einen eigenen Verteilungskoeffizienten. Für die Gaschromatographie werden Proben einem kontinuierlichen Gasstrom ausgesetzt. Da die Bestandteile der Probe selbst bei jeweils unterschiedlichen Bedingungen in den gasförmigen Zustand übergehen, werden sie auf diese Weise voneinander getrennt. Hierfür wird üblicherweise Wasserstoff, Stickstoff oder Helium verwendet. Bei der Säulenchromatographie wiederum wird die Probe mit einem Lösungsmittel durch eine mit der stationären Phase, etwa Kieselgel, befüllte Säule geleitet. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere für die präparative Anwendung, zum Beispiel zur Reinigung von Substanzen für die Weiterverwendung. Dabei gilt grundsätzlich das gleiche Trennprinzip für die Chromatographie wie bei der HPLC. Dieses HPLC-Trennprinzip kann für eine Vielzahl von Anwendungen sowohl in der analytischen Chemie als auch für Reinigungs- und Extraktionsverfahren eingesetzt werden.

Das Trennverfahren Chromatographie macht sich diesen Umstand zunutze: Aufgrund ihrer unterschiedlichen Verteilungsgleichgewichte durchströmen die einzelnen Komponenten der Probe das Zweiphasensystem in unterschiedlicher Geschwindigkeit. Die Ursache dafür liegt in unterschiedlichen Interaktionen der Moleküle mit der stationären Phase. So erreichen sie den angeschlossenen Detektor einzeln zu unterschiedlichen Zeitpunkten.

Mit einem solchen Detektor kann daraufhin die Zusammensetzung der Probe bestimmt werden, indem er die nacheinander eintreffenden Bestandteile erkennt. Besonders häufig kommt bei der Flüssigchromatographie die UV/VIS-Detektion zum Einsatz. Möglich ist aber auch die Detektion über Fluoreszenz oder Chemielumineszenz. Je nach Substanzgruppe kann zudem elektrochemische Detektion genutzt werden. Eine massenspektrometrische Detektion erlaubt wiederum sogar die Identifizierung von einzelnen in der Probe enthaltenen Stoffen. Für das Verfahren der Gaschromatographie kann ebenfalls ein Massenspektrometer als Detektor verwendet werden. Alternativ wird der verwendete Detektor für die Gaschromatographie je nach zu erkennendem Stoff ausgewählt, zum Beispiel ein Wärmeleitfähigkeitsdetektor für Permanentgase oder ein Flammenionisationsdetektor für Kohlenwasserstoffe.

Die Van-Deemter-Gleichung und die Chromatographie

Die tatsächlichen Ereignisse im Inneren des Chromatographen sind sehr vielen verschiedenen Faktoren unterworfen und gestalten sich nicht immer wie im simulierten Idealfall. Das kann zu unsauberen und somit undeutlichen Analyseergebnissen führen. Damit die Trennprinzipien der Chromatographie effizient angewendet werden können, kommt die Van-Deemter-Gleichung zum Einsatz. Diese Gleichung setzt die Bodenhöhe zu den Faktoren Eddy Diffusion (A), Longitudinal Diffusion (B / ux) und Massenübergang (C × ux) ins Verhältnis, wobei ein kleiner Wert für die Bodenhöhe H eine hohe Trennleistung darstellt. Die Van-Deemter-Gleichung lautet:

H = A + B / ux + C × ux.

Doch welche Faktoren sind das im Einzelnen? Die Eddy Diffusion oder Streudiffusion entsteht durch unterschiedliche Wege, auf denen die Moleküle der Probe durch das Trägermaterial fließen. Je homogener das Trägermaterial gestaltet ist, desto geringer fällt diese Form der Diffusion aus. Longitudinal Diffusion beschreibt hingegen die Diffusion der Probe von ihrem konzentrierten Zentrum weg, wobei eine höhere Flussgeschwindigkeit für geringere Diffusion sorgt. Der Massenübergang meint abschließend die Bindung der Teilchen aus der Probe an die stationäre Phase sowie auch ihren Übergang zurück in die mobile Phase. Hierfür ist das Material der stationären Phase von Bedeutung. Werden all diese Faktoren berücksichtigt, entstehen im Detektor markante, konzentrierte Spitzen. Bei einem hohen H-Wert hingegen treffen die einzelnen Analyten stärker verstreut am Detektor an und sind somit undeutlicher zu erkennen.

Die Elutionsreihenfolge bei der Chromatographie

Die Elutionsreihenfolge beschreibt die Reihenfolge, in der die verschiedenen Eluate aus einer Probe die Anlage durchlaufen. Dabei ist zu beachten, dass die stationäre Phase sowohl aus einem festen als auch aus einem flüssigen Stoff bestehen kann. Bei der Verwendung einer festen Phase erfolgt die Trennung der einzelnen Bestandteile der Probe durch unterschiedlich starke Adsorption an die Oberfläche der stationären Phase. Werden hingegen zwei flüssige Phasen verwendet, ist die stationäre Phase hydrophob bzw. apolar und trennt die Moleküle daher in umgekehrter Elutionsreihenfolge. Im ersten Fall erreichen die am wenigsten stark adsorbierenden Bestandteile den Detektor zuerst, während im zweiten Fall in umgekehrter Reihenfolge gerade die stärker polaren Bestandteile zuerst am Detektor angelangen.

Darüber hinaus ist die Auswahl des passenden Lösungsmittels für die mobile Phase der Flüssigchromatographie von großer Bedeutung: Für optimale Ergebnisse muss ein passendes Verhältnis zwischen der Polarität der mobilen und der stationären Phase herrschen, das zudem auf die in der Probe enthaltenen Analyten abgestimmt ist. Ein Hilfsmittel zur Bestimmung des passenden Lösungsmittels stellt die elutrope Reihe dar, in der die Laufmittel nach ihrer Fähigkeit, eine gelöste Probe mitlaufen zu lassen, sortiert werden. So ist es möglich, das jeweils ideale Laufmittel zu wählen. Übliche Mittel sind etwa Wasser, Methanol, Ethanol oder Butanol.

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