Einführung in die analytische Chemie: Chromatographie

Einführung in die analytische Chemie: Chromatographie

Einführung in die analytische Chemie: Chromatographie


K. P.
Diese Lernkarten bieten eine umfassende Einführung in die analytische Chemie mit Fokus auf Chromatographie, geeignet für Universitätsniveau. Sie decken Prinzipien und Anwendungen der Trennung von Substanzen, Phasen, Säulen und Eluenten ab, sowie spezifische Techniken wie HPLC, Ionenchromatographie und Gaschromatographie. Ideal für Studierende und Forscher in der analytischen Chemie, die ein tiefes Verständnis der chromatographischen Methoden und deren Einsatz in der Analytik erlangen möchten.
Flashcards
26
Students
4
Language
German
Level
University
Created / Updated
18.05.2015 / 31.05.2018

Lernkarten

Prinzip der Chromatographie?

  • Wiederholte Extraktion
    • Unterschiede der Verteilungsgleichgewichte der Komponenten (unterschiedliche Verteilungskoeffizienten K) einer Mischung in einem Zweiphasensystem
    • Relative Bewegung der beiden Phasen zueinander
    • Alle chromatographischen Verfahren basieren auf einer wiederholten Einstellung des Gleichgewichts in mobiler und stationärer Phase (Einsatz von Säulen)

\(K_x = {[x]_s \over[x]_m }\)

Definition Messgrösse und Totzeit?

  • Messgrösse
    • Detektorsignal als Funktion der Bruttoretentionszeit
  • Totzeit
    • Kleinste mögliche Retentionszeit für Substanzen, die keine Wechselwirkung mit der stationäre Phase eingehen (= Zeir der Lösungsmittelfront)

Definition Bruttoretentionstzeit, Nettoretentionszeit und Trennfaktor α (auch Selektivität)?

  • Bruttoretentionszeit
    • Zeit zwischen Aufbringen der Komponenten auf die Säule (injektion) und der Detektion (Peakmaximum)
  • Nettoretentionszeit
    • Differenz aus Bruttoretentionszeit und Totzeit
  • Trennfaktor α (Selektivität)
    • Relative Retention zweier Substanzen
    • Definitionsgemäss α > 1; α = 1 bedeudet beide Substanzen eluieren gleichzeitig (-> keine Trennung).
    •   \(α = {t'_R(C) \over t'_R(B)}\)

Auflösung R (Resolution)

Bezieht die Signalformen zur Beschreibung der Trennung mit ein 

Definition Messgrösse und Elution?

  • Messgrösse
    • Detektorsignal (quantitative Information = Fläche unter dem Peak) als Funktion der Bruttoretentionszeit (qualitative Information)
  • Eluation
    • Transport eines Moleküls durch die Säule aufgrund kontinuierlicher Zugabe von mobiler Phase

Definition Eluent, Chromatogramm und Peak?

  • Eluent
    • mobile Phase
  • Chromatogramm
    • Signal-Verlauf eines Detektors in Abhängigkeit von der Zeit 
  • Peak
    • Anzeige, wenn der Analyt detektiert wird

 

Chromatographische Systeme

Vergl Tabelle

Diffusion in der Säule

  • Streudiffusion/Wirbeldiffusion/Eddy-Diffusion (A-Term)
    • Diffusion durch Verwirbelung in gepackten Säulen durch unterschiedliche Flusswege
    • unabhängig von Strömungsgeschwindigkeit
  • Longitudinaldiffusion (B-Term)
    • Diffusion in Längsrichtung; abhängig von Viskosität und Temperatur
    • abhängig vom Kehrwert der Strömungsgeschwindigkeit
  • Massentransfer (C-Term)
    • Massenübergang zw. stationärer und mobiler Phase
    • direkt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit

Van-Deemter-Gleichung

  • Minimum der Funktion der van-Deemter-Gleichung
    • HETP (high equivalent to a theoretical plate / theoretische BodenhöheI minimal
    • Effizienz der Trennung erreicht maximalen Wert
    • Für Trennung optimale mittlere Geschwindigkeit der mobilen Phase

Gaschromatographie, Überblick

  • Die am weitesten verbreitete analytische Technik
  • Methode der Wahl für die Trennung flüchtiger Verbindungen (org. und anorg.)
    • Molekulargewichtsbereich von 2 bis > 1000
  • Mobile Phase: Wasserstoff oder Helium
  • Säulen:
    • gepackt (selten)
    • Dünnschichtsäulen (5-50ym)
    • Dünnfilmsäulen (0.1-8ym)

HPLC; Hochleistungsflüssigkeitschromatographie vs GC

  • GC-Trennungen oft weniger Komplex als HPLC-Trennungen
  • Stofftransport in flüssiger Phase ist deutlich langsamer (kleinere Diffusionskoeffizienten)
  • Selektivität hängt nicht nur von der stationären Phase ab, sondern auch von der mobilen Phase (laufmittel
  • Bei der GC nur Trennung von Substanzen, sie sich bis ca. 400°C unzersetzt verdampfen lassen

Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC)

  • Typische Parameter für analytische Trennung

  • Säulendurchmesser: 1-4mm
  • Säulenlänge 100-250mm
  • Betriebsdruck: 50-350 bar (UHPLC bis 1'000)
  • Geschwindigkeit der mobilen Phase: ca 1mm/S (ml/min)

HPLC: Trennung von?

  • AS, Proteinen, Nukleinsäuren
  • Kohlenwasserstoffen, Kohlenhydraten
  • Arzneimitteln, Antibiotika, Steroiden
  • Terpenen, Pestiziden
  • Metallorganischen Verbindungen
  • Ionische Verbindungen

Komponenten eines typischen HPLC-Systems?

  • Pumpsystem
  • Injektor
  • Trennsäule
  • Detektor

Isokratische und Gradientenelution

  • Isokratisch
    • Ein ELuent mit konstanter Zusammensetzung
  • Gradientenelution
    • Zwei oder mehr Eluenten mit unterschiedlicher Zusammensetzung, deren Mischungsverhältnis im Laufe des Chromatogramms geändert wird
    • Elutionskraft der mobilen Phase nimmt im Laufe des Chromatogramms zu
    • Beschleunigung von Peaks, die sonst spät oder überhauptnicht eluiert würden
    • Einsatz bei komplexer Trennproblemen

Typische Injektionsvolumina?

1-500yl

Detektoren der HPLC

  • Streuung
    • Brechungsindex (RI) Detektor (Gradientenelution nicht möglich)
    • Lichtstreuung nach Vernebelung 
  • Optische Aktivität
    • UV/VIS und DAF (Diodenarray) Detektor
    • Fluorszenzdetektor (Analyten fluoreszieren oder können derivatisiert werden)
  • Elektrochemisch
    • Elektrochemischer Detektor (elektroaktive Substanzen, die sich oxidieren oder reduzieren lassen)
    • Leitfähigkeitsdetektor (ionenchromatographie)
  • Instrmentelle Analytik
    • MS (org. Analytik)
    • ICP-OES/ICP-MS (Elementanalytik)
    • NMR (Strukturaufklärung) 

Verteilungschromatographie

  • Normalphasenchromatographie
  • Umkehrphasenchromatographie (Reversed-Phase, RP)

  • Normalphasenchromatographie
    • Stationäre Phase: polar
    • Mobile Phase: unpolar 
    • Heutzutage weniger angewante Methode, kommt aber in der pharmazeutischen Analytik noch zum Einsatz
  • Umkehrphasenchromatographie (Reversed-Phase, RP)
    • Stationäre Phase: unpolar
    • Mobile Phase: polar 
    • Heute überwigende HPLC-Anwendung

Stationäre Phase

  • Poröse, sphärische Mikropartikel aus Silicagel (Kieselgel)
  • Polare/unpolare Funktion durch chemisch gebundene Phase

Mobile Phasen

  • Auswahlparameter
  • Prinzip
  • Polaritätsindex P

  • Auswahlparameter
    • Balance der intermolekularen Wechselwirkungen zwischen Analyt und den beiden Trennphasen
    • Polarität der mobilen Phase anhand der elutrope Reihe der Lösungsmittel
  • Prinzip
    • Polaritätsindex P --> numerisches Mass der relativen  Polarität von Lösungsmitteln
  • Polaritätsindex P
    • durch Mischen von geeigneten Lösungsmitteln --> Einstellung beliebiger P

Ionenchromatographie

  • Anwendung:
    • Trennung von Ionen an Ionenaustauscherharzen
    • Detektion: Leitfähigkeitsmessung nach Supression (Unterdrückung) der Grundleitfähigkeit des Eluenten
  • Austauschreaktion:
    • Anionen (quartäre Ammoniumgruppen): Harz-N+R3OH- + Anion- → Harz-N+R3 Anion- + OH-
    • Kationen (Sulfonat-Gruppen): Harz-SO3-H+ + Kation+ → Harz-SO3- Kation+ + H+
  • Elutionsreihenfolge:
    • Generell:
      • polyvalente Ionen werden stärker zurückgehalten
      • „weiche“ Ionen mit grosser Elektronenhülle werden stärker zurückgehalten
    • Kationen: Li+ <H+ <Na+ <NH4+ <K+ <Mg2+ <Ca2+
    • Anionen:  F- < OH- < H3CCOO- < HCOO- < Cl- < Br- < NO2- < NO3- < I- < SO42- < C2O42-

28 

Ionenchromatographie Aufbau

Bild

Grössenausschlusschromatographie

  • Verteilung nach der Molekülgrösse aufgrund eines Siebeffekts
    • Kleine Moleküle dringen in alle Poren ein, ihnen steht das gesamte Volumen der stationären Phase zur Verfügung
    • kleine Moleküle werden daher zuletzt eluiert

Bioaffinitätschromatographie

  • Trennung aufgrund von selektiven oder spezifischen Wechselwirkungskräften
    • zwischen Enzymen und Substraten
    • zwischen Antikörpern und Antigenen
  • Prinzip
    • Kovalente Fixierung von Liganden an Mikropartikel
    • Reversible Bindung der Analyten an den immobilisierten Liganden
    • Selektives Elutionsmittel trennt diese Bindung
  • Beispiel
    • Selektive Trennung des Enzyms Peroxidase aus einem Proteingemisch
    • Spezielles Lectin (pflanzliches Protein) als Ligand fixiert an Kieselgel
    • Spezieller Zucker als selektiver Eluent 

Enantiomerentrennung

  • Verwendung eines chiralen chromatographischen Systems
  • Varianten:
    • Mobile Phase chiral, stationäre Phase achiral (d.h. herkömmlich)
    • Stationäre Phase chiral, mobile Phase achiral
      • gebundene chirale feste Phase (bequem, aber sehr teuer)
      • flüssige stationäre Phase als Film auf einem Trägermaterial
  • Prinzip
    • Bildung von diastereomeren Komplexen zwischen Analyt und mobiler oder stationärer Phase
    • → chromatographische Trennung möglich
  • Beispiel
    • Bindung von Aminosäure-Kupfer-Verbindungen auf Silikagel (Proteinphasen) 

Auswahl Flüssigchromatographie

Bild

Étudier