Es gibt viele verschiedene Methoden, um die Zusammensetzung zu analysieren und die Eigenschaften verschiedener Verbindungen und Stoffgemische zu untersuchen. Eine solche Methode ist die Chromatographie. Die Urheberschaft an der Erfindung und Anwendung des Verfahrens gehört dem russischen Botaniker M. S. Tsvet, der Anfang des 20. Jahrhunderts die Trennung von Pflanzenfarbstoffen durchführte.
Definition und Grundlagen der Methode
Chromatographie ist ein physikalisch-chemisches Verfahren zur Trennung von Gemischen und Bestimmung ihrer Bestandteile, basierend auf der Verteilung zwischen mobiler und stationärer Phase der Substanzen, aus denen das Gemisch (Probe) besteht. Die stationäre Phase ist ein poröser Feststoff - ein Sorbens. Es kann sich auch um einen auf einer festen Oberfläche abgeschiedenen Flüssigkeitsfilm handeln. Die mobile Phase – der Eluent – muss sich an der stationären Phase entlangbewegen oder durch diese fließen und dabei vom Sorbens gefiltert werden.
Die Essenz der Chromatographie besteht darin, dass verschiedene Komponenten einer Mischung notwendigerweise durch unterschiedliche Eigenschaften gekennzeichnet sind, wie z. B. Molekulargewicht, Löslichkeit, Adsorbierbarkeit und so weiter. Daher die Wechselwirkungsrate der Komponenten der mobilen Phase - Sorbate - mit der stationärenist nicht das Gleiche. Dies führt zu unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Moleküle des Gemisches relativ zur stationären Phase, wodurch die Komponenten getrennt und in unterschiedlichen Zonen des Sorbens konzentriert werden. Einige von ihnen verlassen das Sorbens zusammen mit der mobilen Phase – dies sind die sogenannten nicht zurückgeh altenen Komponenten.
Ein besonderer Vorteil der Chromatographie ist die schnelle Trennung komplexer Stoffgemische, auch solcher mit ähnlichen Eigenschaften.
Methoden zur Klassifizierung von Chromatographiearten
Die in der Analyse verwendeten Methoden lassen sich nach verschiedenen Kriterien klassifizieren. Der Hauptsatz solcher Kriterien ist wie folgt:
- Aggregatzustand von stationärer und mobiler Phase;
- physikalische und chemische Natur der Wechselwirkung von Sorptionsmittel und Sorbaten;
- Eluent einführen und bewegen;
- Methode zur Platzierung der stationären Phase, also Chromatographietechnik;
- Chromatographieziele.
Außerdem können Methoden auf der unterschiedlichen Art des Sorptionsprozesses beruhen, auf den technischen Bedingungen der chromatographischen Trennung (z. B. Nieder- oder Hochdruck).
Sehen wir uns die oben genannten Hauptkriterien und die damit am häufigsten verwendeten Arten der Chromatographie genauer an.
Aggregatzustand des Eluenten und Sorbens
Auf dieser Grundlage wird die Chromatographie in Flüssigkeit und Gas unterteilt. Methodennamen geben den Zustand der mobilen Phase wieder.
Flüssigchromatographie ist eine Technik, die verwendet wirdin den Prozessen der Trennung von Gemischen makromolekularer Verbindungen, einschließlich biologisch wichtiger Verbindungen. Je nach Aggregatzustand des Sorptionsmittels wird es in flüssig-flüssig und flüssig-fest Phase eingeteilt.
Gaschromatographie ist von der folgenden Art:
- Gasadsorption (Gas-Festphase), bei der ein festes Sorptionsmittel wie Kohle, Kieselgel, Zeolithe oder poröse Polymere verwendet werden. Als Elutionsmittel dient ein Inertgas (Argon, Helium), Stickstoff, Kohlendioxid - ein Träger des zu trennenden Gemisches. Die Trennung der flüchtigen Bestandteile des Gemisches erfolgt aufgrund des unterschiedlichen Adsorptionsgrades.
- Gas-Flüssigkeit. Die stationäre Phase besteht in diesem Fall aus einem auf einer festen inerten Unterlage abgeschiedenen Flüssigkeitsfilm. Probenkomponenten werden nach ihrer Adsorbierbarkeit oder Löslichkeit getrennt.
Gaschromatographie ist weit verbreitet für die Analyse von Gemischen organischer Verbindungen (unter Verwendung ihrer Zersetzungsprodukte oder Derivate in gasförmiger Form).
Wechselwirkung zwischen Sorbens und Sorbaten
Nach diesem Kriterium werden solche Typen unterschieden als:
- Adsorptionschromatographie, bei der Gemische aufgrund von Unterschieden im Adsorptionsgrad von Substanzen durch ein immobiles Sorbens getrennt werden.
- Verteilung. Mit seiner Hilfe erfolgt eine Trennung aufgrund unterschiedlicher Löslichkeit der Komponenten der Mischung. Die Auflösung erfolgt entweder in der mobilen und stationären Phase (in der Flüssigkeitschromatographie) oder nur in der stationären Phase (in Gas-FlüssigkeitChromatographie).
- Sedimentär. Diese Chromatographiemethode beruht auf der unterschiedlichen Löslichkeit der gebildeten Niederschläge der zu trennenden Substanzen.
- Ausschluss oder Gelchromatographie. Sie beruht auf der unterschiedlichen Größe der Moleküle, wodurch ihre Fähigkeit, in die Poren des Sorptionsmittels, die sogenannte Gelmatrix, einzudringen, unterschiedlich ist.
- Affin. Dieses spezielle Verfahren, das auf einer speziellen Art der biochemischen Wechselwirkung von abgetrennten Verunreinigungen mit einem Liganden beruht, bildet mit einem inerten Träger in der stationären Phase eine Komplexverbindung. Diese Methode eignet sich zur Trennung von Protein-Enzym-Mischungen und ist in der Biochemie weit verbreitet.
- Ionenaustausch. Als Probentrennfaktor nutzt diese Methode den Unterschied in der Fähigkeit der Komponenten des Gemisches zum Ionenaustausch mit der stationären Phase (Ionenaustauscher). Während des Prozesses werden die Ionen der stationären Phase durch Ionen von Stoffen in der Zusammensetzung des Elutionsmittels ersetzt, wobei aufgrund der unterschiedlichen Affinität letzterer zum Ionenaustauscher ein Unterschied in ihrer Bewegungsgeschwindigkeit und damit der Gemisch wird getrennt. Für die stationäre Phase werden am häufigsten Ionenaustauscherharze verwendet - spezielle synthetische Polymere.
Ionenaustauschchromatographie hat zwei Optionen - anionisch (hält negative Ionen zurück) und kationisch (hält positive Ionen zurück). Diese Methode wird sehr häufig eingesetzt: bei der Trennung von Elektrolyten, seltenen Erden und Transuranen, bei der Wasserreinigung, bei der Analyse von Arzneimitteln.
Der Unterschied in den Methoden der Technik
Es gibt zwei Möglichkeiten, wie sich die Probe relativ zur stationären Phase bewegt:
- Die Säulenchromatographie führt den Trennprozess in einem speziellen Gerät durch - einer chromatographischen Säule - einem Rohr, in dessen innerem Hohlraum ein unbewegliches Sorbens platziert ist. Je nach Füllmethode werden die Säulen in zwei Typen unterteilt: gepackte (die sogenannten "gepackten") und Kapillarsäulen, bei denen eine Schicht eines festen Sorbens oder ein flüssiger Film der stationären Phase auf die Oberfläche aufgebracht wird die Innenwand. Packungssäulen können verschiedene Formen haben: gerade, U-förmig, spiralförmig. Kapillarsäulen sind spiralförmig.
- Planare (planare) Chromatographie. In diesem Fall kann als Träger für die stationäre Phase Spezialpapier oder eine Platte (Metall, Glas oder Kunststoff) verwendet werden, auf der eine dünne Sorbensschicht abgeschieden wird. In diesem Fall wird das Chromatographie-Verfahren als Papier- bzw. Dünnschichtchromatographie bezeichnet.
Im Gegensatz zur Säulenmethode, bei der Chromatographiesäulen wiederholt verwendet werden, kann bei der Planarchromatographie jeder Träger mit einer Sorbensschicht nur einmal verwendet werden. Der Trennvorgang findet statt, wenn eine Platte oder ein Blatt Papier in einen Behälter mit Eluent getaucht wird.
Eingabe und Transfer des Eluenten
Dieser Faktor bestimmt die Art der Bewegung der chromatographischen Zonen entlang der Sorbensschicht, die während der Trennung des Gemisches gebildet werden. Es gibt folgende Eluentenabgabemethoden:
- Vorne. Diese Methode ist die einfachsteAusführungstechnik. Die mobile Phase ist direkt die Probe selbst, die kontinuierlich in die mit dem Sorbens gefüllte Säule geleitet wird. In diesem Fall bewegt sich die am wenigsten zurückgeh altene Komponente, die schlechter als andere adsorbiert wird, schneller als die anderen entlang des Sorptionsmittels. Dadurch kann nur diese erste Komponente in reiner Form isoliert werden, gefolgt von Zonen mit Mischungen von Komponenten. Die Musterverteilung sieht folgendermaßen aus: A; A+B; A+B+C und so weiter. Die Frontalchromatographie eignet sich daher nicht zur Trennung von Gemischen, ist aber bei verschiedenen Reinigungsprozessen effektiv, sofern die zu isolierende Substanz eine geringe Retention aufweist.
- Die Verdrängungsmethode unterscheidet sich dadurch, dass nach Eintritt in das zu trennende Gemisch ein Eluent mit einem speziellen Verdrängungsmittel in die Säule geleitet wird – eine Substanz, die sich durch eine größere Sorbierbarkeit als alle Komponenten des Gemischs auszeichnet. Es verdrängt die am meisten zurückgeh altene Komponente, die die nächste verdrängt, und so weiter. Die Probe bewegt sich mit der Geschwindigkeit des Verdrängers entlang der Säule und bildet benachbarte Konzentrationszonen. Bei dieser Art der Chromatographie kann jede Komponente einzeln in flüssiger Form am Ausgang der Säule gewonnen werden.
- Die Eluent-(Entwicklungs-)Methode ist die gebräuchlichste. Im Gegensatz zur Verdrängungsmethode hat hier der Eluent (Träger) eine geringere Sorbabilität als die Probenbestandteile. Es wird kontinuierlich durch die Sorbensschicht geleitet und dabei gewaschen. Periodisch wird portionsweise (Pulse) das zu trennende Gemisch in den Eluentenstrom eingebracht, wonach das reine Eluens wieder zugeführt wird. Beim Auswaschen (Elution) werden die Komponenten getrennt,außerdem sind ihre Konzentrationszonen durch Eluentenzonen getrennt.
Eluentenchromatographie ermöglicht eine nahezu vollständige Trennung des analysierten Stoffgemisches, wobei das Gemisch mehrkomponentig sein kann. Auch die Vorteile dieser Methode sind die Isolierung der Komponenten voneinander und die Einfachheit der quantitativen Analyse des Gemisches. Zu den Nachteilen zählen ein hoher Verbrauch an Eluent und eine geringe Konzentration an darin enth altenen Probenbestandteilen nach der Trennung am Säulenausgang. Die Eluentenmethode ist sowohl in der Gas- als auch in der Flüssigkeitschromatographie weit verbreitet.
Chromatographische Verfahren je nach Verwendungszweck
Der Unterschied in den Zielen der Chromatographie ermöglicht es, Methoden wie analytisch, präparativ und industriell zu unterscheiden.
Mittels analytischer Chromatographie werden qualitative und quantitative Analysen von Mischungen durchgeführt. Bei der Analyse der Probenbestandteile gelangen sie beim Verlassen der Säule des Chromatographen zum Detektor - einem Gerät, das empfindlich auf Änderungen der Konzentration einer Substanz im Eluenten reagiert. Die Zeit, die vom Einbringen der Probe in die Säule bis zur maximalen Spitzenkonzentration der Substanz auf dem Detektor vergeht, wird als Retentionszeit bezeichnet. Bei konstanter Säulentemperatur und Eluentenrate ist dieser Wert für jede Substanz konstant und dient als Grundlage für eine qualitative Analyse der Mischung. Die quantitative Analyse erfolgt durch Messung der Fläche einzelner Peaks im Chromatogramm. In der analytischen Chromatographie wird in der Regel die Eluent-Methode verwendet.
Die präparative Chromatographie zielt darauf ab, reine Substanzen aus einem Gemisch zu isolieren. Präparative Säulen haben eine viel größereDurchmesser als analytisch.
Industrielle Chromatographie wird zum einen verwendet, um große Mengen reiner Substanzen zu gewinnen, die in einer bestimmten Produktion benötigt werden. Zweitens ist es ein wichtiger Bestandteil moderner Steuer- und Regelsysteme für technologische Prozesse.
Der industrielle Chromatograph hat eine Konzentrationsskala der einen oder anderen Komponente und ist mit einem Sensor sowie Kontroll- und Registrierungssystemen ausgestattet. Proben werden solchen Chromatographen automatisch mit einer bestimmten Häufigkeit zugeführt.
Multifunktions-Chromatographiegeräte
Moderne Chromatographen sind komplexe Hightech-Geräte, die in einer Vielzahl von Bereichen und für verschiedene Zwecke eingesetzt werden können. Diese Geräte ermöglichen die Analyse komplexer Mehrkomponentengemische. Sie sind mit einer breiten Palette von Detektoren ausgestattet: thermisch konduktometrisch, optisch, ionisierend, massenspektrometrisch und so weiter.
Darüber hinaus verwendet die moderne Chromatographie automatische Kontrollsysteme für die Analyse und Verarbeitung von Chromatogrammen. Die Steuerung kann von einem Computer oder direkt vom Gerät aus erfolgen.
Ein Beispiel für ein solches Gerät ist der multifunktionale Gaschromatograph "Crystal 5000". Es verfügt über einen Satz von vier austauschbaren Detektoren, einen Säulenthermostat, elektronische Druck- und Durchflussregelsysteme sowie Gasventilsteuerungen. Zur Lösung verschiedener Probleme hat das Gerätdie Möglichkeit, sowohl gepackte als auch Kapillarsäulen zu installieren.
Der Chromatograph wird unter Verwendung einer voll ausgestatteten Tastatur und eines Steuerdisplays oder (in einer anderen Modifikation) von einem Personalcomputer aus gesteuert. Dieses Gerät der neuen Generation kann effektiv in der Produktion und in verschiedenen Forschungslabors eingesetzt werden: Medizin, Forensik, Umwelt.
Hochdruckchromatographie
Die Durchführung der Flüssigsäulenchromatographie zeichnet sich durch eine recht lange Prozessdauer aus. Um die Bewegung des flüssigen Elutionsmittels zu beschleunigen, wird die Zufuhr der mobilen Phase zur Säule unter Druck verwendet. Diese moderne und vielversprechende Methode wird als Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (HPLC)-Methode bezeichnet.
Das Pumpsystem des HPLC-Flüssigkeitschromatographen liefert Eluent mit konstanter Geschwindigkeit. Der entwickelte Einlassdruck kann 40 MPa erreichen. Die Computersteuerung ermöglicht es, die Zusammensetzung der mobilen Phase gemäß einem vorgegebenen Programm zu ändern (diese Elutionsmethode wird als Gradient bezeichnet).
HPLC können verschiedene Methoden verwendet werden, basierend auf der Art der Wechselwirkung von Sorbens und Sorbat: Verteilung, Adsorption, Größenausschluss, Ionenaustauschchromatographie. Die gebräuchlichste HPLC-Art ist die Umkehrphasenmethode, die auf der hydrophoben Wechselwirkung einer polaren (wässrigen) mobilen Phase und einem unpolaren Sorbens wie Kieselgel basiert.
Die Methode wird häufig zur Trennung, Analyse,Qualitätskontrolle von nichtflüchtigen, thermisch instabilen Stoffen, die nicht in einen gasförmigen Zustand überführt werden können. Dies sind Agrochemikalien, Medikamente, Lebensmittelbestandteile und andere komplexe Substanzen.
Die Bedeutung von Chromatographiestudien
Verschiedene Arten der Chromatographie sind in verschiedenen Bereichen weit verbreitet:
- anorganische Chemie;
- Petrochemie und Bergbau;
- Biochemie;
- Medizin und Pharmazie;
- Lebensmittelindustrie;
- Ökologie;
- Kriminologie.
Diese Liste ist unvollständig, spiegelt aber die Abdeckung von Branchen wider, die auf chromatographische Methoden zur Analyse, Trennung und Reinigung von Stoffen nicht verzichten können. In allen Anwendungsbereichen der Chromatographie, vom wissenschaftlichen Labor bis zur industriellen Produktion, nimmt die Rolle dieser Methoden mit der Einführung moderner Technologien zur Informationsverarbeitung, Verw altung und Steuerung komplexer Prozesse noch weiter zu.
