Die Chromatographie ist ein Verfahren zur Trennung der Komponenten eines Gemisches. Dazu wird das Gemisch in einer Substanz, der sogenannten mobilen Phase, gelöst und durch eine zweite Substanz, die stationäre Phase, geleitet.
Die verschiedenen Komponenten des Gemisches durchlaufen die stationäre Phase mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, wodurch sie sich voneinander trennen. Die Beschaffenheit der jeweiligen mobilen und stationären Phase bestimmt, welche Substanzen schneller oder langsamer wandern und wie sie getrennt werden. Diese unterschiedlichen Laufzeiten werden als Retentionszeit bezeichnet.
„Writing Color“
Der Name Chromatographie leitet sich von einer Technik ab, die erstmals im späten 19. Jahrhundert verwendet wurde, um Pigmente in einem komplexen Gemisch zu trennen.
Wenn ein Blatt Papier oder ein Stoff mit einem mit Wasser oder Alkohol gefüllten Behälter in Berührung kommt, in dem ein komplexes Pigment gelöst ist, wird das Gemisch durch Kapillarwirkung das Papier oder den Stoff hinaufgetragen, aber die Komponenten des Pigments bewegen sich nicht alle mit der gleichen Geschwindigkeit.
Die größten Moleküle des Gemischs bewegen sich langsamer, während die kleinsten vorauseilen, was dazu führt, dass die stationäre Phase diskrete Farbbänder entwickelt, die den einzelnen Komponenten des Gemischs entsprechen. Dies gibt der Technik den Namen „Chromatographie“ oder „Schreibfarbe“.
Von der Kunst zur Wissenschaft
Die Chromatographie wurde zunächst von Künstlern, Farbtheoretikern und Handwerkern genutzt, die hofften, industrielle Farbstoffe für Textilien zu perfektionieren. Mit der Zeit brachte sie auch einen eigenen Zweig der Chemie hervor, und mit ihm die Techniken, die heute zum Verständnis und zur Reinigung von Mischungen verwendet werden.
In modernen Labors ist der Farbaspekt nicht mehr relevant, aber es gelten die gleichen Prinzipien. Indem man ein interessierendes Gemisch in einer mobilen Phase auflöst und durch eine stationäre Phase transportiert, können die Komponenten des Gemischs aufgrund ihrer unterschiedlichen Laufgeschwindigkeiten voneinander getrennt werden.
Durch die Veränderung der mobilen Phase, der stationären Phase und/oder des Faktors, der die Laufgeschwindigkeit bestimmt, wurde eine große Vielfalt an chromatographischen Methoden geschaffen, die jeweils einem anderen Zweck dienen und für unterschiedliche Gemische ideal sind. Einige der gebräuchlichsten Formen der Chromatographie sind die folgenden.
- Bei der Gaschromatographie wird das interessierende Gemisch verdampft und mit einem Inertgas, meist Stickstoff oder Helium, durch eine stationäre Phase (meist eine Trennsäule aus Metall oder Glas) geleitet. Größere Moleküle in der Mischung brauchen länger, um die Säule zu passieren und den Detektor am anderen Ende zu erreichen.
- Bei der Flüssigkeitschromatographie wird die interessierende Mischung in einer Flüssigkeit gelöst und durch eine feste stationäre Phase geleitet, die oft aus einem Siliziumdioxidmaterial besteht. Es gibt mehrere Varianten der Flüssigkeitschromatographie, abhängig von der relativen Polarität der mobilen und stationären Phase (Normalphase versus Umkehrphase) und davon, ob die mobile Phase unter Druck steht (Hochleistungschromatographie).
- Bei der Dünnschichtchromatographie (TLC) ist die stationäre Phase eine dünne Schicht aus festem Material, normalerweise auf Siliziumdioxidbasis, und die mobile Phase ist eine Flüssigkeit, in der das interessierende Gemisch gelöst ist. Die Dünnschichtchromatographie hat den Vorteil, dass sie gut fotografiert werden kann, so dass ihre Ergebnisse leicht zu digitalisieren sind.
- Die Ionenaustauschchromatographie trennt die Komponenten eines Gemischs basierend auf ihrer Ladung, zusätzlich zu oder anstelle ihrer Größe. Im Wesentlichen werden positiv (Kationen) oder negativ (Anionen) geladene Ionen mit Hilfe verschiedener stationärer Phasen und mobiler Phasen mit unterschiedlichem pH-Wert getrennt.
Die Chromatographie kann als Analysewerkzeug verwendet werden, indem ihre Ausgabe in einen Detektor eingespeist wird, der den Inhalt des Gemischs ausliest. Sie kann auch als Reinigungswerkzeug verwendet werden, um die Komponenten einer Mischung für die Verwendung in anderen Experimenten oder Verfahren zu trennen. Typischerweise verwendet die analytische Chromatographie eine viel geringere Menge an Material als die Chromatographie, die dazu gedacht ist, ein Gemisch zu reinigen oder bestimmte Komponenten daraus zu extrahieren.
Zum Beispiel ist die Festphasenextraktion eine Art der Flüssigchromatographie, bei der verschiedene mobile Phasen nacheinander verwendet werden, um verschiedene Komponenten eines Gemisches, die in einer festen Phase eingeschlossen sind, abzutrennen. Chromatographie als Reinigungstechnik spielt eine wichtige Rolle in petrochemischen und anderen organisch-chemischen Laboratorien, wo sie eine der kostengünstigeren Möglichkeiten sein kann, Verunreinigungen aus organischen Lösungen zu entfernen, besonders wenn die Komponenten der Mischung hitzeempfindlich sind.
Flexibilität
Die Prinzipien der Chromatographie tauchen auch in anderen Labortechniken auf. Die Gelelektrophorese sortiert Nukleinsäuren und Proteine nach ihrer Größe und zieht sie mit Hilfe eines elektrischen Feldes durch das Gel. Diese Technik ist in der Tat eine Art Chromatographie. In ähnlicher Weise sortiert die Destillation die Komponenten eines Gemischs nach ihren Siede- und Kondensationspunkten, wobei die Apparatur selbst eine Art stationäre Phase darstellt.
Da ihr Kernprinzip so einfach ist, lässt die Chromatographie Raum für erhebliche Verfeinerungen. Dies hat zu einer Vielzahl von spezialisierten chromatographischen Techniken geführt, wie z. B. der zweidimensionalen Chromatographie, bei der zwei verschiedene Chromatographie-Methoden gleichzeitig verwendet werden, der Pyrolyse-Gaschromatographie, die als Teil der Massenspektrometrie verwendet wird, und der chiralen Chromatographie, die zur Trennung von Stereoisomeren verwendet wird, die andere Methoden nicht unterscheiden können.
Die Chromatographie ist ein einfaches und äußerst flexibles Prinzip, das auch in absehbarer Zukunft neue Variationen und neue Implementierungen hervorbringen wird.