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Geochemische Analytik
HPLC
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Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (eng. high performance
liquid chromatographie (HPLC)) ist ein analytisches Verfahren mit
dem nicht flüchtige Substanzgemische getrennt und mit Hilfe von
Detektoren bestimmt und quantifiziert werden können.
HPLC
A = Lösungsmittelreservoir
B = Mischventil mit
Pumpensystem
C = 6-Wege Ventil
D = Druckkompensations-
schleife
E = Mischkammer
F = Injektionsventil
G = Trennsäule
I = Detektor (z.B. UV/VIS)
J = Computer-Interface
K = PC
L = Drucker
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polarity
Gradient Mixer
Pumpe Autosampler Säule
Injektor
Säulenofen
Chromatogramm
Detektor • Druck: 20-400 bar • Eluentenflussrate: < 1ml/min • Phases for separation:
normal phase/reversed phase • Gradient elution vs. Isocratic • Eluents compatible to column
& MS
HPLC flow chart niedere Polarität höhere Polarität
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HPLC Säulen
Typ der Säule,
Lösungsmittelzusammensetzung
und Flussrate bestimmen den
Druck der Applikation
Typische Partikelgröße bewegt
sich zwischen 1.3 und 5 µm und
einer Länge zwischen 7 und 40
cm bei einem Durchmesser von
2.1 bzw 4.6 mm
Innendurchmesser.
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HPLC Säulen
HPLC (Agilent 1200) UHPLC (Agilent 1290 Infinity)
Ultra HPLCs erlauben einen Betrieb bis
ca. 1200 bar und damit die Verwendung von
Säulen mit kleinerer Partikelgröße und
gleichzeig schnellerem und effizienterem
Betrieb.
Ultra HPLCs erlauben einen Betrieb bis ~400
bar
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HPLC-Modi
• Normalphasenchromatographie (normal-phase chromatography)
Chromatographisches Verfahren bei dem ein polarer Säulentyp (z.B. Silikasäule)
eingesetzt wird und das Stoffgemisch mit einem überwiegend apolaren
Lösungsmittel von der Säule gespült wird. Zusätzlich ist die Beimengung von
polaren Lösungsmittel während des Laufes möglich.
• Reversed- Phasen Chromatographie (reversed-phase chromatography)
Chromatographisches Verfahren bei dem ein apolarer Säulentyp (z.B. C8 oder C18-
Phasen) eingesetzt wird und das Stoffgemisch mit einem überwiegend polaren
Lösungsmittel von der Säule gespült wird. Zusätzlich ist die Beimengung von
apolaren Lösungsmittel während des Laufes möglich.
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HPLC flow chart
• Normalphasenchromatographie (normal-phase chromatography)
polar apolar
Pola
ritä
t
apolare Substanz
polare Substanz
z.B. Silica-Säule
• Reversed- Phasen Chromatographie (reversed-phase chromatography)
polar
Pola
ritä
t
apolar
apolare Substanz
polare Substanz
z.B. C8 oder C18-Säule
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UV/VIS-Detektor:
Nicht-destruktives Messverfahren, das die Absorption der
elektromagnetischen Wellen des ultravioletten (UV) und des sichtbaren Lichts
(VIS) nutzt. Variante des UV/VIS Detektors ist der Photodiodenzeilendetektor
(PDA = photo diode array detector) → Pigmente, Toxine
Fluoreszenz-Detektor:
Sehr sensitive und selektiv für Analyten, die fluoreszieren. Nicht einsetzbar für
andere Substanzen →
Brechungsindex-Detektor (RI-Detektor):
Messgerät zur Ermittlung der veränderlichen Konzentration gelöster Stoffe im
Fluss eines Lösungsmittels. Geringere Nachweisgrenze als UV/VIS oder
Fluoresenzdetektoren → Zucker
Massenspektrometer (MS):
Destruktives Verfahren in dem Moleküle durch einen Elektronenstrahl in Ionen
fragmentiert werden und Informationen hinsichtlich der Struktur organischer
Verbindungen gewonnen werden können → z.B. Lipide, Zucker, Proteine
Detektoren
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Massenspektrometer
Wang et al. (2015) RCS
GC-MS
EI = electron-impact ionization
CI = chemical ionization
HPLC-MS
APCI = Atmopheric pressure chemical ionization
ESI = electrospray ionization
MALDI = matrix-assisted laser desorption/ionization
neutral bis schwach polare Komponenten polare Komponenten
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Sample introduction
Interface to vacuum
Ion source Mass
analyzer Detector
Sample introduction
Interface to vacuum
Ion source Mass
analyzer Detector
high vacuum
high vacuum
Atmospheric Pressure Ionization (API)
GC/MS
HPLC/MS ESI, APCI, APPI
EI, CI
Sector, Quadrupole, TOF
(triple) Quadrupole, ion trap, TOF, sector
MS Detektoren
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MS Detektoreninterfaces
APCI
ESI
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Anwendungen
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Anwendungen
• Pigmente: Chlorophylle, Carotenoide
• Bacteriohopanepolyols (BHPs)
• Glycerol dialkyl glycerol tetraethers (GDGTs)
• Intact Polar Lipids (IPLs)
• Ladderanes
O
OO
O
OH
OH
OH
OHOH
NH2
HPLC erlaubt die Detektion von hochmolekularen und/oder (hoch)polaren
Komponenten, die mit Hilfe von GC-MS nicht zu bestimmen sind.
Klassische Anwendungsbeispiel in den Geowissenschaften sind:
GDGT-0
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Pigmente
Lake Taihu (China)
Lake Erie (USA
Lake Barkenberg (Germany)
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Chlorophyll: Chlorophyll a,
Chlorophyll c1, Chlorophyll c2
Gruppe von Tetrapyrrolen, die
als primäre Pigmente in der
Photosynthese von Bedeutung
sind
Chlorophyll a ubiquitär in Algen,
Landpflanzen und
Cyanobakterien
Photosynthetische Bakterien
enthalten Bakteriochlorophyll
Pigmente
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Carotine: β-Carotin, ε-Carotin
Carotine: sekundäre Pflanzenstoffe mit der Summenformel C40H56, die zu
den Tetraterpenen gerechnet werden. Sie bestehen aus ein bis zwei Ionen-
Ringen, die durch eine Kohlenstoffkette mit neun Doppelbindungen
verbunden sind.
Pigmente - Carotine
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Xanthophylle: Echinenon, Canthaxanthin, Fucoxanthin, Neofucoxanthin,
Diatoxanthin, Diadinoxanthin, Neoxanthin
Xanthophylle: gehören zu den Tetraterpenen, die jedoch sauerstoffhaltige
Gruppen (Hydroxy-, Carbonyl-, Carboxylgruppen) enthalten
Pigmente - Xanthphylle
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Pigmente – Chlorophyll a
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Pigmente – Chlorophyll a
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Pigmente
Cyanobakterien
Grünalgen
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Pigmente
Cyanobacteria
Zeaxanthin (E161h) Canthaxanthin (E161g)
Phycoerythrin
Phycocyanin
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Anwendungen
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Pigmente
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GDGTs
HPLC-APCI-MS
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GDGTs
Archaeen als Quelle von
isoprenoidalen Diethern (Archaeol)
und isoprenoidalen Tetraethern
(glycerol dialkyl glycerol
tetraethern)
GDGT-0
Archaeol
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GDGTs
Intaktes polares Lipid (IPL):
Biologisches Molekül, dass aus einer Kopfgruppe (z.B. Glukose) besteht, das an ein
Core Lipid gebunden ist. Sehr polar durch Kopfgruppe → HPLC-ESI-MS,
(~1,300-1,900 Da)
Core
Dihexose-GDGT
Kopfgruppe
Core Lipid (CL):
Geomolekül, das seine Kopfgruppe verloren hat und über geologische Zeiträume in
sedimentären Sequenzen stabil ist. Neutral bis schwach polar → HPLC-APCI-MS,
(Molekulargewicht in der Regel zwischen 1292-1304 Da) Crenarchaeol
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GDGTs
GTGT-0
GDGT-0
GDGT-1
GDGT-2
GDGT-3
GDGT-4
Crenarchaeol
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GDGTs
GDGT-0
GDGT-1
Crenarchaeol
GC-MS Chappe et al. (1980)
GDGTs zu hohes Molekular-
gewicht für GC-MS Messung!
→ HPLC-MS
Aber Bruchstücke
detektierbar mit Hilfe von
GC-MS!
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Hopmans et al. (2000)
GDGTs
Messung von GDGTs (als core lipide) mit Hilfe eines HPLC-MS Systems erstmals im
Jahr 2000 an dem thermophilen Archaeon Metallosphaera sedula.
GTGT-0
GDGT-0
GDGT-1
GDGT-2
GDGT-3
GDGT-4
Crenarchaeol
GTGT-0
GDGT-0
GDGT-1
GDGT-2
GDGT-3
GDGT-4
Crenarchaeol
M. sedula
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Halley Bay Station (Antarctica) Arabian Sea
Schouten et al. (2002)
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Im folgenden Analyse von GDGTs in globalen marinen Sedimenten und Entdeckung
von unterschiedlichen GDGT-Verteilungsmustern in Abhängigkeit der geographischen
Breite.
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TEX86
Ste
igende A
nzahl
an R
ingen
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(Kim et al. 2010)
Red Sea
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(Kim et al. 2010)
Red Sea
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