Teil 2: Trennverfahren · Kapitel 8 · Chromatographie-Grundlagen

Chromatographie-Grundlagen

Trennprinzip

Chromatographie trennt Substanzgemische durch unterschiedliche Verteilung zwischen stationärer und mobiler Phase. Die mobile Phase transportiert, die stationäre Phase hält je nach Wechselwirkung zurück. Komponenten mit stärkerer Wechselwirkung mit der stationären Phase eluieren später.

Grundtypen aus den Folien:

Typ	Trennlogik	Beispiel
Adsorptionschromatographie	Bindung an feste stationäre Phase	Normalphase, Kieselgel
Verteilungschromatographie	Verteilung zwischen zwei Phasen	RP-HPLC, GC-Flüssigkeitsfilm
Gelfiltration/SEC	Molekülgröße/Porenzugang	Proteine, Aggregate
Affinitätschromatographie	spezifische Bindung	His-Tag/IMAC, Antikörper
Ionenaustausch	Ladung und Gegenionen	Anionen-/Kationenchromatographie

Selektivität bedeutet: ein Verfahren trennt/erfasst eine Stoffgruppe bevorzugt. Spezifität bedeutet: ein Verfahren identifiziert eine einzelne Verbindung sehr eindeutig. In der Praxis koppelt man oft selektive Trennung mit spezifischer Detektion, z.B. GC-MS oder LC-MS/MS.

Retention

Die wichtigsten Zeiten:

(t_0) oder (t_M): Totzeit, nicht zurückgehaltene Substanz.
(t_R): Retentionszeit des Analyten.
(t’_R=t_R-t_0): reduzierte Retentionszeit.

Retentionsfaktor:

k=\frac{t_R-t_0}{t_0}

Relative Retention/Selektivität:

\alpha=\frac{k_2}{k_1}

Klausurhinweis: (k) zu erhöhen verbessert anfangs die Trennung, kostet aber Analysenzeit. Die Folien nennen (k) etwa 1-10 als praktisch sinnvollen Bereich; k größer 10 verlängert vor allem die Laufzeit und verbreitert Peaks.

Trennstufenmodell

Eine Säule wird modellhaft als Folge theoretischer Böden betrachtet. Je mehr Böden, desto häufiger kann sich das Gleichgewicht zwischen mobiler und stationärer Phase einstellen.

Trennstufenzahl für symmetrische Peaks:

N=16\left(\frac{t_R}{w_b}\right)^2

oder mit Halbwertsbreite:

N=5.54\left(\frac{t_R}{w_h}\right)^2

Bodenhöhe:

H=\frac{L}{N}

Große (N), kleine (H): schmalere Peaks, bessere Trennleistung, bessere Detektion. Aber: sehr lange Säulen erhöhen Druck/Strömungswiderstand und Analysenzeit.

Originalfolie zur Auflösung und Purnell-Gleichung

Auflösung

Für zwei Peaks:

R_s=\frac{2(t_{R2}-t_{R1})}{w_1+w_2}

Für isokratische Elution beschreibt die Purnell-Gleichung die Stellgrößen:

R=\frac{1}{4}\sqrt{N}\cdot(\alpha-1)\cdot\frac{k}{k+1}

Die Folien betonen drei Stellhebel:

Selektivität (\alpha): größter Einfluss, chemisch über mobile/stationäre Phase steuerbar.
Effizienz (N): über Säulenlänge, Packung, Partikelgröße, Strömungsgeschwindigkeit.
Retention (k): über Elutionskraft/Eluentenzusammensetzung.

Praktisch: Eine Verdopplung der Auflösung über (N) braucht etwa vierfache Säulenlänge. Eleganter ist oft die Änderung der Selektivität.

Van-Deemter

Originalfolie zur Van-Deemter-Gleichung

Die dynamische Theorie erklärt Bandenverbreiterung:

H=A+\frac{B}{u}+C u

Term	Bedeutung	Wird kleiner durch
A	Eddy-Diffusion, unterschiedliche Wege	gute Packung, kleine einheitliche Partikel
B/u	Längsdiffusion	höhere Strömungsgeschwindigkeit, kurze Verweilzeit
C u	Stofftransport, langsame Gleichgewichtseinstellung	kleinere Partikel, höhere Temperatur, geringere Porosität

Die Kurve hat ein Minimum bei der optimalen Strömungsgeschwindigkeit. Zu langsam: Diffusion verbreitert. Zu schnell: Stofftransport kann nicht folgen.

Originalfolie zur Partikelgröße in der Van-Deemter-Kurve

Bei GC ist Längsdiffusion stärker, weil Diffusion in Gasen viel schneller ist als in Flüssigkeiten. Deshalb sind optimale Flussgeschwindigkeiten in GC höher.

Peakform

Ideale Peaks sind näherungsweise Gauß-förmig. Asymmetrische Peaks schaden:

geringere berechnete Bodenzahl;
schlechtere Auflösung;
unsicherere Peakflächen;
quantitative Auswertung wird riskanter.

Originalfolie zu Peakdeformation und Tailing

Typische Ursachen:

Tailing: starke Adsorptionsstellen, Silanolgruppen, Chemisorption, Totvolumina, Risse/Alterung/ungleichmäßige Packung.
Fronting/Leading: häufig Überladung der Säule.
Extra-column effects: Volumen in Kapillaren, Injektor, Detektorzelle.

Merksatz für Aufgaben: Erst Ursache aus Molekül und Trennbedingungen ableiten, dann Maßnahme vorschlagen, die die zweite Komponente nicht verschlechtert.

Abruf-Quiz

Frage 1 / 5

tR=6 min, tM=2 min. Wie groß ist k?