Einführung in die ChromatographieVorlesung WS 2007/2008

VAK 02-03-5-AnC2-1

Johannes Ranke

Einführung in die Chromatographie – p.1/29

Programm

23. 10. 2007 Trennmethoden im Überblick und Geschichte der C hromatographie30. 10. 2007 Thermodynamik der Stofftrennung und Stofftransport06. 11. 2007 Molekulare Grundlagen von Gleichgewichtsverteilungen13. 11. 2007 Präparative Säulenchromatographie und Dünnschichtchromatographie20. 11. 2007 Kenngrößen für die Säulenchromatographie27. 11. 2007 Gaschromatographie: Probenaufgabe und Trennsäulen04. 12. 2007 Gaschromatographie: Detektoren11. 12. 2007 Flüssigkeits-Chromatographie: Trennsäulen und Laufmittel18. 12. 2007 Flüssigkeits-Chromatographie: Detektoren08. 01. 2008 Ionenchromatographie15. 01. 2008 Gelpermeationschromatographie22. 01. 2008 Elektrophoretische Trennmethoden29. 01. 2008 Trenntechniken für die Probenvorbereitung05. 02. 2008 Beispiele aus Akademie und Praxis

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Trennmethoden im Überblick

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Literatur

B. L. Karger, L. R. Snyder and C. HorvathAn Introduction to Separation ScienceJ. Wiley & Sons, New York (1975).

C. F. PooleThe Essence of ChromatographyElsevier, Amsterdam (2003).

C. GiddingsUnified Separation ScienceJ. Wiley & Sons, New York (1991).

Analytische Chemie IIIEinführung in die Grundlagen der chromatographischen undelektrophoretischen TrennverfahrenVorlesungsskript ETH Zürich (1995).

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Definition einer Trennung

Wir starten mit einer Mischung (Probe)

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Definition einer Trennung

Wir starten mit einer Mischung (Probe)

Es werden mindestens zwei Fraktionen mitunterschiedlicher Zusammensetzung erzeugt

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Definition einer Trennung

Wir starten mit einer Mischung (Probe)

Es werden mindestens zwei Fraktionen mitunterschiedlicher Zusammensetzung erzeugt

Der relative Anteil einer oder mehrererKomponenten soll im Vergleich zum Anteil deranderen Komponenten in einer der Fraktionenerhöht werden

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Grundlagen der Stofftrennung

Verteilung zwischen zwei Phasen

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Grundlagen der Stofftrennung

Verteilung zwischen zwei Phasen

Beweglichkeit

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Grundlagen der Stofftrennung

Verteilung zwischen zwei Phasen

Beweglichkeit

Masse im Gravitationsfeld

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Grundlagen der Stofftrennung

Verteilung zwischen zwei Phasen

Beweglichkeit

Masse im Gravitationsfeld

Ladung im elektrischen Feld

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Grundlagen der Stofftrennung

Verteilung zwischen zwei Phasen

Beweglichkeit

Masse im Gravitationsfeld

Ladung im elektrischen Feld

Magnetische Eigenschaften

Einführung in die Chromatographie – p.6/29

Grundlagen der Stofftrennung

Verteilung zwischen zwei Phasen

Beweglichkeit

Masse im Gravitationsfeld

Ladung im elektrischen Feld

Magnetische Eigenschaften

Reaktivität

Einführung in die Chromatographie – p.6/29

Grundlagen der Stofftrennung

Verteilung zwischen zwei Phasen

Beweglichkeit

Masse im Gravitationsfeld

Ladung im elektrischen Feld

Magnetische Eigenschaften

Reaktivität

Kombinationen der Trennprinzipien

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Historisch wichtige Beispiele

Metallurgie

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Historisch wichtige Beispiele

Metallurgie

Extraktion von Naturstoffen

Einführung in die Chromatographie – p.7/29

Historisch wichtige Beispiele

Metallurgie

Extraktion von Naturstoffen

Fraktionierte Destillation von Erdöl

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Historisch wichtige Beispiele

Metallurgie

Extraktion von Naturstoffen

Fraktionierte Destillation von Erdöl

Trennung von 235U und 238U

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Historisch wichtige Beispiele

Metallurgie

Extraktion von Naturstoffen

Fraktionierte Destillation von Erdöl

Trennung von 235U und 238U

Ultrazentrifugation, Chromatographie undElektrophorese in der Biochemie

Einführung in die Chromatographie – p.7/29

Historisch wichtige Beispiele

Metallurgie

Extraktion von Naturstoffen

Fraktionierte Destillation von Erdöl

Trennung von 235U und 238U

Ultrazentrifugation, Chromatographie undElektrophorese in der Biochemie

Spurenanalytik für chlorierte Pestizide

Einführung in die Chromatographie – p.7/29

Historisch wichtige Beispiele

Metallurgie

Extraktion von Naturstoffen

Fraktionierte Destillation von Erdöl

Trennung von 235U und 238U

Ultrazentrifugation, Chromatographie undElektrophorese in der Biochemie

Spurenanalytik für chlorierte Pestizide

Emissionsminderung durch "End-of-Pipe"Technologien

Einführung in die Chromatographie – p.7/29

Gleichgewichtsverteilungen

gas-flüssig gas-fest flüssig-flüssig flüssig-fest

Destillationa Sublimationa Extraktion Kristallisationa

Gas-flüssigChromatographie

Adsorption Flüssig-flüssigChromatographie

Adsorption

Molekularsieb Größenausschluss-Chromatographie

Molekularsieb

IonenaustauschKlathratbildungZonenschmelzena

aPhasen gebildet durch zu trennende Komponenten

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Trennung mit Barrieren

Filtration (Mikro-, Ultra-, Nanofiltration)

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Trennung mit Barrieren

Filtration (Mikro-, Ultra-, Nanofiltration)

Dialyse

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Trennung mit Barrieren

Filtration (Mikro-, Ultra-, Nanofiltration)

Dialyse

Elektrodialyse

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Trennung mit Barrieren

Filtration (Mikro-, Ultra-, Nanofiltration)

Dialyse

Elektrodialyse

Umkehrosmose

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Trennung mit Barrieren

Filtration (Mikro-, Ultra-, Nanofiltration)

Dialyse

Elektrodialyse

Umkehrosmose

Pervaporation

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Trennung mit Barrieren

Filtration (Mikro-, Ultra-, Nanofiltration)

Dialyse

Elektrodialyse

Umkehrosmose

Pervaporation

Reaktive Barrieren

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Elektrodialyse

Wikipedia:Dialyse (Chemie)

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Trennungen in Feldern

Elektrophorese

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Trennungen in Feldern

Elektrophorese

Sedimentation, (Ultra-)Zentrifugation

Einführung in die Chromatographie – p.11/29

Trennungen in Feldern

Elektrophorese

Sedimentation, (Ultra-)Zentrifugation

Thermische Diffusion

Einführung in die Chromatographie – p.11/29

Trennungen in Feldern

Elektrophorese

Sedimentation, (Ultra-)Zentrifugation

Thermische Diffusion

Elektrische Abscheidung

Einführung in die Chromatographie – p.11/29

Trennungen in Feldern

Elektrophorese

Sedimentation, (Ultra-)Zentrifugation

Thermische Diffusion

Elektrische Abscheidung

Massenspektrometrie

Einführung in die Chromatographie – p.11/29

Ziele von Stofftrennungen

Isolierung

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Ziele von Stofftrennungen

Isolierung

Reinigung

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Ziele von Stofftrennungen

Isolierung

Reinigung

Identifikation

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Ziele von Stofftrennungen

Isolierung

Reinigung

Identifikation

Quantitative Analyse

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Eindimensionale Trennmethoden

1

1

2

2

Elektrophorese

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Eindimensionale Trennmethoden

1

1

2

2

Elektrophorese

1

1

2

2

Chromatographie

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Eindimensionale Trennmethoden

1

1

2

2

Elektrophorese

1

1

2

2

Chromatographie

1

1

2

2

Membrantechniken

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Geschichte der Chromatographie

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Literatur

C. F. PooleThe Essence of ChromatographyElsevier, Amsterdam (2003).

P. Stepnoski, R. Störmann and B. JastorffIntroduction to Chromatographywww.uft.uni-bremen.de/chemie/Chromatography.

A. Braithwaite and F. J. SmithChromatographic Methods (4th Edition)Chapman and Hall, London (1985).

Einführung in die Chromatographie – p.15/29

Geschichte der Chromatographie

1872 Geburt von Mikail Semenowitsch Tswett in Asti (Italien)Ausbildung in der SchweizStudium von Chemie, Physik und Botanik an derUniversität Genf

1896 Promotion in der Botanik: "Ein Beitrag zur Kenntnis überdie Bewegung von Protoplasmamembranen und Chloro-plasten"

1897 Mitarbeiter im Biologischen Laboratorium im BotanischenInstitut in St. Petersburg

1901 Diplomarbeit: "Eine physikalisch-chemisch Untersuchungder Chlorophyllkörner: Experimente und Analyse". Enthälteine rudimentäre Beschreibung der chromatographischenMethode

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Geschichte der Chromatographie

1902 Mitglied der Deutschen Botanischen Gesellschaft, pub-liziert viele seiner Arbeiten in den Berichten der DeutschenBotanischen Gesellschaft

1903 Vortrag auf einem Treffen der biologischen Sektion derWarschauer Gesellschaft der Naturwissenschaftler: "Übereine neue Kategorie von Adsorptionsphänomenen undihre Anwendung auf die biologische Analyse"

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Geschichte der Chromatographie

1905 W. Ramsey publiziert die Trennung von Gasen über Ak-tivkohle

1910 Doktorarbeit von Tswett auf Russisch an der WarschauerUniversität. Einzige deutsche Übersetzung gerät anRichard Martin Willstätter. Die Methode gerät inVergessenheit

1926 Erste Nutzung von natürlichen Zeoliten als Ionenaus-tauscher

1931 Kuhn, Winterstein und Lederer beschreiben die Trennungvon Carotin und Zeaxanthin auf einer Säule aus Calcium-carbonatBeginn einer Renaissance der Chromatographie

Einführung in die Chromatographie – p.18/29

Geschichte der Chromatographie

1934 Standardisierung des Alu-miniumoxids nach Brock-mann

1935 Entdeckung synthetischerHarze als Ionenaustausch-materialien

1938 Beschreibung einer ArtDünschichtchromatographiedurch Izmailov und Shraiber

1940 Diskussion theoretischer As-pekte wie Nichtlinearität derVerteilungsgleichgewichtedurch Wilson

Figure 2 from

J. N. Wilson (1940) J Am Chem Soc 62 1583

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Geschichte der Chromatographie

1940 A. J. P. Martin und R. L. M. Synge trennen Aminosäurenaus Wolle durch Gegenstromextraktion

1941 Übernahme des Begriffes der theoretischen Boden-höhe in die Chromatographie durch Martin und Synge.Sie beschreiben die flüssig-flüssig Verteilungschro-matographie und in der Theorie auch die Gas-Verteilungschromatographie

1944 Einführung der Papierchromatographie als einfache Ver-sion der Verteilungschromatographie

Einführung in die Chromatographie – p.20/29

Geschichte der Chromatographie

1945 Trennung von Aminosäuren über Polystyrolaustauscher-harzeEntwicklung der Gelelektrophorese, später wichtig für dieAnalyse von Biopolymeren

1946 Erstes qualitativ und quantitative auswertbares Chro-matogramm aus der Gas-Adsorptionschromatographiedurch Prior, Universität Innsbruck, Arbeitskreis ErikaCrämerTrennung von CO2, C2H2, CH2=CHCl und C2H4 mitWasserstoff über Kieselgel und Wärmeleitfähigkeitsdetek-tor

Einführung in die Chromatographie – p.21/29

Geschichte der Chromatographie

1948 Nobelpreis für Arne Wilhelm Kaurin Tiselius "für seineForschungen zur Elektrophorese und Adsorption in derAnalytik, insbesondere für seine Entdeckungen über diekomplexe Natur von Blutserum-Proteinen"

1949 Glueckauf beschreibt die theoretische Bodenhöhe (HETP)in Abhängigkeit von Partikelgröße und Diffusion

1952 Erste praktische Beschreibung der Gas-Flüssigkeits-Chromatographie durch James und Martin: Trennung derCarbonsäuren bis C12 bei Temperaturen von 100 bzw.137 ◦C mit Stickstoff über getrocknetem, mit Silikonöl undStearinsäure getränktem Kieselgur

Einführung in die Chromatographie – p.22/29

GC-Trennung von Carbonsäuren 1952

Figure 7 from

James and Martin (1952) Biochem J 50 679

Einführung in die Chromatographie – p.23/29

Geschichte der Chromatographie

1952 Nobelpreis für Martin und Synge für die Erfindung derVerteilungschromatographie

It is very easy with the chromatographic apparatus tomeasure the free energy of solution of a given volatile sub-stance in the stationary phase. I hope it will be possible tolearn with its aid a great deal about the molecular forcesinvolved in solution.

1956 van Deemter und Mitarbeiter beschreiben die Trennleis-tung in Abhängigkeit der Fliessgeschwindigkeit, Diffusion-skoeffizienten und Partikelgröße (van Deemter-Kurven)

Einführung in die Chromatographie – p.24/29

Geschichte der Chromatographie

1957 Merck produziert aktives Kieselgel, standardisiert nachSpengler, für die DünnschichtchromatographieFixierung der stationären Phase mit einem Binder (Stärke)auf einer Glasplatte.Egon Stahl trennt Inhaltsstoffe pflanzlicher Drüsenhaaremit Hilfe der Dünnschichtchromatographie

1958 Einführung der Größenausschlusschromatographie mitdextranbasierten Säulen mit definierter Porengröße durchFlodin und Porath

1963/64 Einführung der präparativen Dünnschichtchromatographieum1965

J. C. Giddings führt die Feld-Fluss-Fraktionierung ein

1966 Erste industriell hergestellte DC-Fertigplatten bei Merck

Einführung in die Chromatographie – p.25/29

Geschichte der Chromatographie

1967 Einführung der Affinitätschromatographie für die Isolierungbiologischer Polymere

1969 Erste industrielle Herstellung von gebrochenen und an-schließend gesiebten Packungsmaterialien (LiChrosorb:Merck, Darmstadt) für die Flüssigkeitschromatografie mitKorngrößen im 10 µm Bereich

1970 Einführung der Kapillar-Isotachophorese durch Everaertsund Mitarbeiter

1972 Einführung der chemisch modifizierten stationärenPhasen (Reversed Phase, z.B. RP 8, RP 18)Entwicklung sphärischer Kieselgele

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Geschichte der Chromatographie

um1975

Einführung der Ionenchromatographie durch Small undMitarbeiter. Er entwickelte reproduzierbare Ionenaus-tauscherharze mit niedriger Kapazität, wodurch geringereInjektionsvolumina und damit auch eine bessere Auflö-sung möglich wurden

80er Jorgensen und Mitarbeiter entwickeln die Kapillar-zonenelektrophorese (CZE), die rasch an Popularität fürdie Trennung von Ionen und Biopolymeren gewinnt

1984 Einführung der mizellaren elektrokinetischen Chro-matographie (MEKC) durch Terabe

1990 Kommerziell erhältliche chirale stationäre Phasen für dieHPLC

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Weitere wichtige Entwicklungen

Kapillar-Gaschromatographie (1970er Jahre)

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Weitere wichtige Entwicklungen

Kapillar-Gaschromatographie (1970er Jahre)

Diodenarray-Detektor für die HPLC

Einführung in die Chromatographie – p.28/29

Weitere wichtige Entwicklungen

Kapillar-Gaschromatographie (1970er Jahre)

Diodenarray-Detektor für die HPLC

Kopplung der Massenspektrometrie an GC(1980er) und HPLC (1990er)

Einführung in die Chromatographie – p.28/29

Weitere wichtige Entwicklungen

Kapillar-Gaschromatographie (1970er Jahre)

Diodenarray-Detektor für die HPLC

Kopplung der Massenspektrometrie an GC(1980er) und HPLC (1990er)

Theorie der Gradientenelution in der HPLC

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Anwendung in der Analytik

GC: ab 1950DC: ab 1960LC: ab 1970 (Hochauflösung)GC-MS: ca. ab 1980SFC: ab 1986HPLC-MS: ca. ab 1990

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