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Chromatografie


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Chromatographie bzw. Chromatografie (griechisch deutsch Farbenschreiben ) wird in der Chemie ein Verfahren genannt das die Auftrennung Stoffgemisches durch dessen Verteilung zwischen einer stationären einer mobilen Phase erlaubt. Dieses Prinzip wurde 1903 von dem russischen Botaniker Michail S. Tswett angewendet und Er untersuchte einfarbige Pflanzenfarbstoffe und konnte diese Chromatographie in verschiedene Farbstoffe zerlegen. Praktische Anwendung diese Methode zum einen in der Produktion Reinigung vor Substanzen zum anderen in der Analytik um Stoffgemische aufzutrennen und ihre Inhaltstoffe analysieren. Die Chromatographie ist aus der organischen der Biochemie der Mikrobiologie und auch der Chemie nicht mehr wegzudenken.

Inhaltsverzeichnis

Beschreibung des Chromatographieprozesses

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

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

Definition einiger Begriffe

Stationäre Phase

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

Mobile Phase

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

Retention Retardierung

Zurückhalten von Einzelzubstanzen des Substanzgemisches durch mit der Phase.

Retentionszeit

Zeit die eine Substanz benötigt um gesamte Trennstrecke zu passieren.

Elution

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

Eluat

Mobile Phase die Trennstrecke passiert hat.

Säule

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

Die Chromatographischen Trennmethoden lassen sich nach Gesichtspunkten einteilen:

Einteilung nach dem Trennprinzip

Das grundlegende Prinzip aller chromatographischen Verfahren die oft wiederholte Einstellung eines Gleichgewichtes zwischen ruhenden Phase und einer bewegten Phase. Das kann sich auf Grund verschiedener physikalisch - Effekten ausbilden.
  1. Adsorption - Chromatographie Hier kommt es einer Trennung der verschiednen Komponenten auf Grund unterschiedlich starken adsoptiven Bindungen zur ruhenden Phase. bewegte Phase kann ein mehr oder weniger Lösungsmittel oder bei gasförmigen Stoffen ein Trägergas
  2. Verteilungs - Chromatographie Ähnlich dem Extraktionsverfahren wird hier die unterschiedliche Löslichkeit der trennenden Komponenten ausgenutzt. Bei der Chromatographie bleibt das Lösungsmittel als ruhende Phase auf einem haften. Die bewegte Phase kann wieder eine oder ein Trägergas sein.
  3. Ionenaustausch - Chromatographie Die bewegte Phase hier meist eine Lösung der zu trennenden Die ruhende Phase ist ein fester Ionenaustauscher . Ionenaustauscher bilden zwischen den verschiedenen Ionen bewegten Phase unterschiedlich stabile Bindungen aus.
  4. Siebwirkung Bei der ruhenden Phase benutzt Stoffe die Komponenten an Hand ihrer Größe Im Wesentlichen unterscheidet man hier zwischen drei
Molekularsieb - Chromotographie
Gel - Permeations - Chromatographie
Ausschluss - Chromatographie
  1. Affinitätschromatographie Als stationäre Phase wird ein Analyten spezifische chemische Verbindung eingesetzt die auf nichtkovalenter Kräfte eine Trennung bewirkt. Es handelt hierbei um eine hochselektive Methode.
 : IMAC: Immobilized Metal Ion Affinity wird speziell für Proteine eingesetzt.  
  1. Chirale Chromatographie Zur Trennung von chiralen

Einteilung nach den verwendeten Phase

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

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

Kenngrößen der Chromatographie

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

<math>

 \alpha= \frac{k_1}{k_2}  
</math>

mit dem Retentionsfaktor k definiert durch:

<math>

 k=\frac{t_R-t_0}{t_0}  
</math>

t 0 nennt man die Totzeit der Säule. Totzeit ist die Zeit die das Lösungsmittel durchqueren der Säule braucht.

die Trennstufenhöhe

Zur Erlangung einer niedrigen Trennstufenhöhe sind Vorraussetzungen nötig:
  1. Es wird eine rasche Gleichgewichtseinstellung der oder Verteilung erwartet. Daher sollte der Teilchendurchmesser so klein wie möglich sein.
  2. konstante Temperatur in der gesamten Säule. wird eine Säulenthermometer benutzt.
  3. konstante Fließgeschwindigkeit Hierfür wird eine Kolbenpumpe bis zu 400 bar verwendet.
  4. linearer Absorptionsbereich Die stationäre Phase sollte Verlauf der Chromatografie nicht überladen werden.
  5. vernachlässigbare Diffusion wäre wünschenswert ist experimentell leider nicht erreichbar. Es werden daher möglichst Packungen mit Teilchen von besonders kleinem Durchmesser

Van-Deemter-Gleichung für HPLC

 <math> H = A + {B u_x} + C \cdot u_x </math>  

wobei:

  • H die Trennstufenhöhe
  • u x die lineare Fließgeschwindigkeit ist
  • der A-Term berücksichtigt die Eddy-Diffusion die durch unteschiedliche durch die Packung entsteht. Es gilt: A wobei
    • p der Packungsfaktor
    • d der Teilchendurchmesser ist
  • der B-Term berücksichtigt die longitunale Diffusion. Die longitunale ist die Diffusion der Analytenmoleküle in beide der Trennstufe. Es gilt: B = 2 D * L wobei:
    • D die Diffusionskonstante in der mobilen und
    • L der Labyrinthfaktor ist. Der Labyrinthfaktor die Porenstruktur der stationären Phase.
  • der C-Term berücksichtigt die Peakverbreiterung durch die langsame zwischen der mobilen und der stationären Phase. ist noch die Diffusionskonstante D s entlang der Poren der stationären Phase beachten. Es gilt damit:
 <math> C = {{t_s \over t_m} (1+{t_s \over t_m})^2} \cdot {d^2 \over D_s}  

Praktisches Experiment

Chromatographie kann man mit handelsüblichen Mitteln Hause durchführen. Man benötigt:
  • 1 Kaffeefilter
  • einige Buntstifte

Auf den unteren Rand des Kaffefilters man einen oder mehrere bunte Punkte stellt Papier in eine Schale mit Wasser so sich das Papier mit Wasser vollsaugt.

Da die Farbe der Buntstifte wasserlöslich transportiert das Wasser nun die Farbe nach

Unser sagen wir mal roter Bunstift nun aber eigentlich nicht rot. In Wirklichkeit der aus einem Gemisch unterschiedlicher Farben die zeitweise mit dem Papier eine Wechselwirkung eingehen dadurch vom Wasser nicht weiter transportiert werden.

Daher können wir bald mehrere verschiedenfarbige erkennen.

Wir haben soeben die Buntstiftfarben chromatographisch

Siehe auch

Analytik

Weblinks



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