529-1041-00 G HS2007 Analytische Chemie · 3 Oct-9-07 AC – BPBS HS07 5 Übersicht Chromatographische Methoden MP Gas Überkritisches Fluid Flüssigkeit SP flüssig Form Adsorbens

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Oct-9-07 AC – BPBS HS07 1

Analytische Chemiefür Biologie Pharmazie Bewegungs-

wissenschaften und Sport

Teil Chromatographische undElektrophoretische Trennverfahren

Theoretische Grundlagen

529-1041-00 G HS2007


Fundmentale KonzepteGleichgewicht / Kinetische Eigenschaften

Mobile Phase: gasförmig, flüssigStationäre Phase: flüssig, fest

Verteilungsgleichgewicht

(flüssige stationäre Phase)

Adsorption/Desorption

Gleichgewicht (feste

stationäre Phase)

Zwischen beiden Phasen:

1

2 m

S

Verteilungsgleichgewicht


Feste stationäre Phase

Mobile Phase

Flüssige stationäre Phase

Mobile Phase

[A]m

[A]s

Verteilung Adsorption/Desorption

Beweglichkeit

2


Trennmethoden auf Unterschiedin Gleichgewicht / Kinetische Eigenschaften

Elektrophorese (Kap. 4) Gas Chromatographie Membrantrenn-

Isoelektrische Fokussierung GC (Kap. 2) verfahren

Isotachophorese Flüssig Chromatographie Dialyse

Kapillarzonenelektrophorese HPLC (Kap. 3) Elektrodialyse

Typen von Trennmethoden: Klassifizierung

Beweblichkeit in Einzelphase

Gleichgewicht &Beweblichkeit

Eindringen-geschwindigkeit

1 21 2+ ++

1

2 m

S

Verteilung



Übersicht TrennmethodenZweite Phase

gasförmig fluid flüssig fest

gasförmig thermische Diffusion

Gas-Flüssigkeits-Chromatographie (GC)

Gas-Adsorptions-Chromatographie

fluid Fluid-Flüssigkeits-Chromatographie

Fluid-Adsorptions-Chromatographie

flüssig Destillation

Flotation

Flüssigkeits-Flüssigkeits-Chromatographie (LC, HPLC)

Dialyse

Flüssig-Flüssig-Extraktion

Ultrafiltration

Flüssigkeits- Adsorptions-Chromatographie

Ionenaustausch

Ausfällen

Kristallisieren

Abscheiden (Zonenelektrophorese)

Erste Phase

fest Sublimation Fluid-Fest-Extraktion

Flüssig-Fest-Extraktion

3


Übersicht Chromatographische Methoden

Gas Überkritisches Fluid FlüssigkeitMP

flüssigSP

Form

Adsorbens

GebundenePhase

SFCGSCGLC

fest

SäuleSäule

molekularsieb

Adsorbens

flüssig fest flüssig fest

SäuleSäule Säule SäuleSäuleSäuleplanar

LLC

Adsorbens GebundenePhase

Harz Gel

planar

TLC LSC BPC SECIEC

GC LC/TLC/HPLC


Übersicht Chromatographische MethodenChemische Trennmethode beruht auf

chemische Eigenschaften von der zu trennenden Substanzen.

Physikalische Trennverfahren basiert ankinetische oder Gleichwichts–eigenschaften von

der zu trennenden Substanzen.

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Illustrationen aus Tswetts erster Publikation

Entwicklung der ersten chromatographischen Technik durch MikhailSemenovich Tswett im Jahr 1903 (Trennung verschiedener Chlorophylleaus Blättern an Calciumcarbonat)

Mikhail Semenovich Tswett

Chromatographie:chroma Farbegraphein schreiben


Geschichte der Chromatographie

1903 Tswett: Arbeiten zur Trennung von Chlorophyll mittelsAdsorptionschromatographie - Namensgebung für die Methode

1938 Iszmailov und Schraiber: Grundlagen der DC

1938 Kuhn: Nobelpreis 1938 für seine Anwendung der Tswett'schenAdsorptionschromatographie an Carotinoiden und Vitaminen

1940 Martin und Synge: Nobelpreis 1952 für Arbeiten zurVerteilungschromatographie, theoretische Grundlagen durchAnalogieerklärungen zur Extraktion, Einführung der HETP alschromatographische Kenngröße

1951 Erster Gaschromatograph von Martin und James

1956 Van-Deemter-Gleichung von der Gruppe Klingenberg (Shell)

1965 Stahl: Einzug der DC in die chemische Analytik

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Bestandteile einer Säulenchromatographie

ElutionsLM

Säule

Glaswolle

Kieselgel

Sand


Trennsäule – Hauptteil

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Theoretische Grundlagen zum Chromatographie• Anschauliches Konzept

– Nernst-Verteilung– Craig-Verteilung

• Einflussfaktoren– Retentionszeit (tM, tR und tR’)– Retentionsfaktor (k) oder Kapazitätsfaktor (k)– Trennfaktor ( )– Phasenverhältnis ( )

• Klassische Theorie: (HETP)• Auflösung (R)

• Kinetische Theorie: Van-Deemter-Gleichung• Optimieren• Quantitative Methoden


Verteilungskoeffizient K

K =A[ ]stationärA[ ]mobil

[A]m

[A]s

Mobile Phase

Stationäre Phase

Nernst-Verteilung

einstufig

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Craig-Veteilung

K = 1

27.3%K = 1

80%K = 9

1.

2.

3.

9.

K = 0.1 80%

0.4%3.1%10.9%21.9% 0 10 200

10

20

30


Prinzip der Chromatographie

stationäre Phase(flüssig oder fest)

mobile Phase(gas oder flüssig)Probe

tR

Transport durch mobile Phase

Alle chromatographischen Verfahren basieren auf einer wiederholten Einstellungdes Gleichgewichts in mobiler und stationärer Phase und Transport durch MP.

Stoffaustausch HETP (Height Equivalent to a Theoretical Plate)

Wand aus “fusedsilica” mit Polyimid-beschichtung Flüssigkeitsfilm

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Ein Chromatogramm

Mobile Phase

A + B

BA

A B

tM tA tB

BA

Mobile Phase

Stationäre Phase

Stoffgemisch

MKA =

A[ ]SA[ ]M

KM = 0

KA < KB


Retentionszeit

tR Retentionszeitv =

L

tR

;

Durchschnittlich linear

Geschwindigkeit

u =L

tM

tN = j • tR’ (in GC, j Kompressionskorrektorfaktor); tR’ (in LC))

tR’ reduzierte retentionszeit

tM solvent delay or dead time

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Kapazitäts- / Retentionsfaktor k

Kapazitätsfaktor

k =tR tMtM

=tR'

tM

k zwischen 1 – 5, < 1 zu schnell ohne Trennung > 20 unerträglich langsam

v = ucMVM

cMVM + csVs

= u1

1+csVs

cMVM

= u1

1+ KVs

VM

k = KVs

VM

v = u1

1+ k

L

tR=L

tM

1

1+ k

v =L

tR

; u =L

tM

oder Retentionsfaktor k

Siehe R. Kellner,et al., S 526-8

Migrationsrate eines Analytes:


Trennfaktor und Phasenverhältnis

=KB

KA

=kBkA

=tR'( )

B

tR'( )

A

Phasenverhältnis

=VGVS

=dc4d f

GC

=VM

VS

LC

Volumen der Gasphase

Volumen der Stationären Phase

Durchflussvolumen

Innendurchmesser der Kapillarsäule

Filmdicke der stationären Phase

VGVS

VM

dcd f

Trennfaktor

norm

ierte

Sig

nalh

öhe

h

tM

tA

tB

ZeitwA wB

B

A

tA'

tB'

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Klassische Theorie

0.0

1.0

norm

ierte

Sig

nalh

öhe

h

0.607

wb = 4

2

0.500

0.134

0.882

4

wh = 2.354

x

y = y0 ex 2

2 2

Idealer gaussförmiger Peak und daraus ableitbareParameter: wb = Basisbreite, wh = Peakbreite inhalber Peakhöhe, = Standardabweichung.

2 Abweichungsfälle:

• Fronting• Tailing

w = 2w12

= 4

2=w2

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Varianz 2 (ein

Mass für die Breite

des Peaks)

Idealer gaussförmiger PeakPeakbasisbreite undStandardabweichung


Anzahl theoretischen Böden (N)

N =tR2

2 =16tRw

2

Anzahl theoretischen Böden (N) definiert als:

w: die Basispeakbreite

tR: die Retentionszeit

: die Standardabweichung

der Peakbreite

L: die Säulenlänge (m)

H: die Bodenhöhe (mm)

H =L

16

w

tR

2

N = Neff

k +1

k

2

=tR'

2k +1

k

2

Effektive Bodenzahl

HETP (Height Equivalent to a Theoretical Plate)

tR

N =L

H

HETP

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Auflösung R

R =tB tAwB + wA

2

=2(tB tA )

wB + wA

wenn wB wA:

R =tB tAwB

R =tB tAtB

N

4

R =kB kA1+ kB

N

4

R =1

kB1+ kB

N

4

N =16tRw

2

tR = tR'

+ tM

k =tR'

tM

=kBkA

Retentionsfaktor

Trennfaktor

Bodenzahl norm

ierte

Sig

nalh

öhe

h

tM

tA

tB

ZeitwA wB

B

A

tA'

tB'

tR =16R2H

u 1

1+ kB( )

3

kB2


Die chromatographische Auflösung

R =2 t

wB + wA

< 1 keine Trennung

= 1 gute Trennung abermit wenig Überlagerung

= 2 komplette Trennung

?

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Zusammenfassung (1)

K =A[ ]SA[ ]M

v =L

tR

u =L

tM

k = KVs

VM

k =tR tMtM

=tR'

tM

=KB

KA

=kBkA

=(tR' )B(tR' )A

N = Neff

k +1

k

2

=tR'

2k +1

k

2

N =L

H=tR2

2 =16tRw

2

tR'

= tR tM

Trennfaktor

Retentionsfaktor / Kapazitätsfaktor

Retentionszeit / Geschwindigkeit

Verteilungskoeffizient

Auflösung

H =L

16

w

tR

2

Bodenzahl und Bodenhöhe

R =tB tAwB + wA

2

=2(tB tA )

wB + wA

R =1

kB1+ kB

N

4

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