Bevor Du beginnst, erinnere Dich einmal an die schönen Herbstzeiten, in denen die Blätter in allen Farben strahlen. Die Untersuchung dieser Blattfarbstoffe ist einer der bekanntesten Versuche, die in der Schule durchgeführt werden.
Bei dieser Art der Analyse handelt es sich konkret um eine Dünnschicht-Chromatographie. Sie ist eine der Trennmethoden, die zur Chromatographie zählen und die Du nun kennenlernst.
Die Funktionsweise einer Chromatographie
Ursprünglich wurde die Chromatographie für den Nachweis von Farbstoffen verwendet. Daher stammt auch der Name. Sie ist somit ebenfalls eine Trennmethode, die auf den unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der zu trennenden Stoffe beruht. Hierbei handelt es sich vorrangig um die Löslichkeit und die Adsorption.
Adsorption beschreibt das Haftungsverhalten eines Stoffes an einer Oberfläche. Ein Beispiel dafür ist Parfüm, dessen Duftpartikel an der Haut haften, sich aber langsam auch wieder lösen.
Allgemein unterscheidet man bei einer Chromatographie eine stationäre und eine mobile Phase. Die stationäre Phase ist dabei der Untergrund, auf dem die Probe hängenbleibt und haftet.
In diesem Beispiel wurde als stationäre Phase ein Filterpapier verwendet. Als mobile Phase hingegen wirkt Wasser. Dieses Wasser trägt lösliche Stoffe aus der Probe mit sich, während es durch das Papier wandert. Die unterschiedlichen Stoffe bleiben allerdings unterschiedlich schnell auf dem Filterpapier kleben. Dieses adsorbiert die entsprechenden Teilchen.
In diesem Fall wurde als Probe Filzschreiber verwendet. Die unterschiedlichen Farbbestandteile wandern mit dem Wasser über das Papier und bleiben an unterschiedlichen Stellen haften. Hintergrund dafür sind unter anderem die unterschiedlichen Adhäsions-Kräfte. Dadurch lassen sich die Bestandteile erkennen, die dazu geführt haben, dass die schlussendliche Farbe des Filzstiftes erreicht wird.
Je schneller die Wanderung der mobilen Phase erfolgt, desto weniger kommt es zu einer Diffusion der Ergebnisse. Auch die Auswahl von stationärer und mobiler Phase beeinflusst die Wanderung des Gemischs und ist daher entscheidend für die Genauigkeit der Ergebnisse.
Chromatographie – Arten
Mithilfe einer Chromatographie können fast alle Arten von Gemischen optisch getrennt werden. Dafür werden verschiedene Methoden angewandt, die auf die jeweiligen Gemische angepasst sind. Einen Großteil davon lernst Du nun kennen.
Zur Gaschromatographie wirst Du hier keine weiteren Informationen finden. Da es sich dabei um eine besondere Form der Chromatographie handelt, lernst Du mehr darüber in einem gesonderte Artikel.
Papier-Chromatographie (PC)
Die Papier-Chromatographie kennst Du inzwischen aufgrund der grundlegenden Funktionsweise einer Chromatographie. Wie oben bereits erklärt wird hierfür ein Filterpapier als stationäre Phase verwendet. Die mobile Phase ist von der Probe abhängig, da so viel wie möglich gelöst werden soll. Wie Du sicherlich weißt, löst sich Polares nur in einem polaren Medium, wie das in dem Beispiel oben der Fall war. Für eine unpolare Probe muss entsprechend ein unpolares Medium als mobile Phase fungieren, um eine optimale Löslichkeit zu erreichen.
Dünnschicht-Chromatographie (DC)
Die Dünnschicht-Chromatographie erfolgt nach dem gleichen Prinzip wie die Papier-Chromatographie. Nur die Materialien für die Phasen werden ausgetauscht. So wird für die stationäre Phase in diesem Fall ein fein pulverisiertes Material verwendet. Das kann unter anderem ein Kieselgel, Cellulose oder Aluminium-Oxid sein, das auf Plexiglas aufgetragen wird.
Auch die mobile Phase erhält eine Verbesserung durch Zugabe von Ammoniak-Lösung und Natriumcitrat. Dadurch liegt der Vorteil dieser Methode deutlich darin, dass sie eine wesentlich höhere Laufgeschwindigkeit besitzt und die Empfindlichkeit gegenüber vielen Stoffen ebenfalls erhöht ist.
Mithilfe dieser Methode ist es sogar möglich, die unterschiedlichen Farbstoffe aus einem Laubblatt herauszutrennen, wie Du in der Abbildung siehst. Besonders im Herbst kann dies sehr interessant sein, um die Zusammenstellung für die bunten Blätter nachzuverfolgen.
Als Blattfarbstoffe sind die Pigmente definiert, die für die Färbung der Blätter sorgen. Es handelt sich dabei um Chlorophyll, verschiedene Xanthine sowie Lutein und Phaeophytin. Die Färbung selbst entsteht jedoch aufgrund des von den Pigmenten reflektierten Lichts. Im Fall von Chlorophyll wird grünes Licht reflektiert. Daher sind die Blätter mit viel Chlorophyll grün.
Der Nachweis von zuerst nicht sichtbaren Stoffen erfolgt nach der Trennung mit UV-Licht oder anderen Fluoreszenz-Farbstoffen. Teilweise werden die DC-Platten dann auch mit einem Reagenz besprüht, das zu einer farblichen Änderung führt. Um die Probe nicht zu verunreinigen, erfolgt dieser Vorgang meist erst nach der Chromatographie selbst.
Ein weiteres Beispiel der Auftrennung mithilfe einer Dünnschicht-Chromatographie ist die Trennung von Lipiden. Grundlage für die Trennung ist die unterschiedliche Polarität der Lipide selbst.
Als mobile Phase werden daher nacheinander zwei Fließmittel aufgetragen, die sich grundsätzlich in ihrer Polarität unterscheiden. Das erste Fließmittel wird beispielsweise nur neutrale Lipide mit sich nehmen. Dazu gehören unter anderem auch die Triglyceride. Anschließend wird das zweite Laufmittel hinzugegeben, dass dann nur noch die polaren Lipide mit sich trägt. Polare Lipide findest Du auch unter der Bezeichnung amphiphil. In diese Gruppe sind auch die Phospholipide der Membranen einzuordnen.
Anhand des Haftungsverhaltens können dann die unterschiedlichen Lipide getrennt werden, sodass die Chromatographie wie bei den Blattfarbstoffen aussieht.
Säulen-Chromatographie (SC)
Die Säulen-Chromatographie gehört zu den Methoden, die die Stoffe aktiv voneinander trennen. Daher wird sie primär verwendet, um größere Stoffportionen oder einen Stoff von Verunreinigung zu trennen. Dabei wird in ein Röhrchen eine stationäre Phase gegeben, die häufig aus ähnlichen Materialien besteht wie bei einer Dünnschicht-Chromatographie.
Die flüssige Phase ist nun wieder mit der Probe verbunden und wird oben in das Röhrchen gekippt. Beides muss jetzt durch das Röhrchen hindurchlaufen.
Die flüssige Phase wird auch als Fließmittel bezeichnet und kann ständig nachgekippt werden, um die Probe permanent in Bewegung zu halten.
Die Röhrchen besitzen meist auch eine Öffnung am unteren Ende. In manchen Fällen ist sie noch mit Watte verstopft. Dennoch kommt nach einiger Weile eine Flüssigkeit durch das Pulver und tropft heraus. Die aufgetrennte Probe wird aufgefangen und dann weiter analysiert.
Die Trennung erfolgt in diesem Fall, während die Probe durch das Pulver fließt. Einige Bestandteile werden adsorbiert und bleiben daher im Pulver. Daher erhält man als erste Fraktion diejenigen Stoffe, die fast gar nicht haften bleiben. Nach einer Weile lösen sich einige Stoffe wieder und werden mit dem Fließmittel weggespült.
So ist es möglich, durch Säulen-Chromatographie ein Gemisch zu fraktionieren, wie es auch bei der Destillation der Fall war.
Ionenaustausch-Chromatographie
Die Ionenaustausch-Chromatographie wird vor allem zur Reinigung von Wasser verwendet. Man bezeichnet dies auch als Demineralisierung. Dabei kommen bestimmte Kationen- und Anionenaustauscher zum Einsatz. Mithilfe von funktionellen Gruppen werden Oxonium-Ionen (H3O+) und Hydroxid-Ionen (OH-) in das Wasser gegeben, während die anderen Ionen an die funktionellen Gruppen binden.
Oxonium-Ionen und Hydroxid-Ionen bilden zusammen dann reines Wasser. Diese Reaktion ist Dir vielleicht schon bei der Autoprotolyse des Wassers begegnet. Dort zerfällt Wasser in diese Ionen, setzt sich aber gleichzeitig immer wieder zusammen. Es herrscht ein Gleichgewicht.
Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass die Ionenaustauscher wieder verwendbar sind. Sie können simpel aus dem Wasser getrennt werden, werden anschließend nach Dichte getrennt und mit neuen Oxonium- und Hydroxid-Ionen befüllt, um ihre Aufgabe erneut zu erfüllen.
Hochdruck-Flüssigkeits-Chromatographie (HPLC)
Die letzte Methode, die Du kennenlernst, nennt sich Hochdruck-Flüssigkeits-Chromatographie. Sie ist eine der effektivsten und genausten Methoden. So kann zum Teil 1 ng aus 1 kg entfernt werden für eine weitere Analyse.
Von der Wirkungsweise ist sie der Gaschromatographie sehr ähnlich. Als stationäre Phase wirken kleine Partikel in Säulen, die einen Strömungswiderstand bilden. Dieser ist so groß, dass die mobile Phase durch die Säule mit der stationären Phase gepresst werden muss.
Die Drücke, die dabei entstehen, befinden sich in einem Bereich um 400 MPa. Das sorgt dafür, dass die mobile Phase mit einer Geschwindigkeit von etwa 5 die stationäre Phase passiert.
Der Vorteil dieser Methode besteht vorrangig darin, dass sie einen riesigen Anwendungsbereich findet. Sie wird vor allem in Medizin, Bio- und Lebensmittelchemie sowie der Umwelt- und Produktüberwachung verwendet. Der geringe zeitliche Aufwand ist besonders von großem Vorteil.
Übungen zur Chromatographie
Zum Abschluss dieses Artikel lernst Du noch die verschiedenen Varianten kennen, wie man eine Chromatographie ablesen kann.
Die erste Möglichkeit besteht darin, dass Du Dir anschaust, welche Stoffe wie löslich sind. Für Filzstifte kann so nachgewiesen werden, welche Farbstoffe darin enthalten sind. In diesem Fall spielt es keine Rolle, welche Farbe wie weit gekommen ist. Hier willst Du nur die verschiedenen Bestandteile selbst erkennen können.
Für Untersuchungen im Labor sind jedoch andere Werte von Bedeutung. Dazu zählt der Rf-Wert. Er berechnet sich aus dem Quotienten der Entfernung der Fließmittelfront zur Entfernung des Analyten. Es ergibt sich die Gleichung:
Dieser Rf-Wert wird auch als Retentionsfaktor bezeichnet und gibt entsprechend an, wie stark die Rückhaltung bzw. Haftbarkeit eines Stoffes ist im Vergleich zur Fließmittelfront. Diese Werte müssen entsprechend zwischen 0 und 1 liegen.
Zum Vergleich wird häufig noch eine Standard-Substanz für die Chromatographie verwendet, um die Bedingungen des Experiments nicht außer Acht zu lassen. Dafür spielt dann der Quotient aus Standard-Substanz und Analyt eine Rolle. Es ergibt sich:
Für weitere Analysen lässt sich noch die Auflösung berechnen. Daraus lassen sich Trennleistung und Selektivität bestimmen. Allerdings beziehen diese Berechnungen vor allem auch auf die Kombination aus Probe und mobiler Phase. Sie werden berechnet mit der Gleichung:
Gesucht wird meist eine Auflösung R, die zwischen 1 und 1,5 liegt. Dann spricht von optimalen Bedingungen für eine Chromatographie. Somit kann also überprüft werden, ob das Experiment aussagekräftig genug ist oder mobile und stationäre Phase angepasst werden müssen.
Chromatographie - Das Wichtigste auf einen Blick
- Eine Chromatographie beruht auf den physikalischen Eigenschaften Löslichkeit und Adsorption. Dabei durchläuft eine mobile Phase mitsamt einer Probe eine stationäre Phase. Partikel der Probe bleiben an der stationären Phase haften. So kann man Aussagen über die jeweiligen Bestandteile treffen.
- Je schneller die Wanderung der mobilen Phase erfolgt, desto weniger findet eine Diffusion statt und die Ergebnisse sind genauer.
- Die Papier-Chromatographie verwendet als stationäre Phase ein Filterpapier. Als mobile Phase wirkt vorwiegend Wasser, abhängig von der Löslichkeit der Probe.
- Die Dünnschicht-Chromatographie verwendet Kieselgel, Cellulose oder ein Aluminium-Oxid als stationäre Phase. Sie wurde ursprünglich für die Analyse von Laubblattfarbstoffen verwendet.
- Die Säulen-Chromatographie dient unter anderem auch der Fraktionierung von Gemischen.
- Die Ionenaustausch-Chromatographie wird zur Demineralisierung von Wasser verwendet.
- Die effektivste Methode ist die Hochdruck-Flüssigkeits-Chromatographie. Dabei wird die mobile Phase mit einem Druck von 400MPa durch die stationäre Phase gepresst.
- Zur Analyse dient primär der R(f)-Wert. Die Auflösung R sollte zwischen 1 und 1,5 liegen.
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