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Einführung in die ChromatographieVorlesung WS 2007/2008
VAK 02-03-5-AnC2-1
Johannes Ranke
Einführung in die Chromatographie – p.1/36
Programm
23. 10. 2007 Trennmethoden im Überblick und Geschichte der Chromatographie30. 10. 2007 Thermodynamik der Stofftrennung06. 11. 2007 Stofftransport und intermolekulare Wechselwirkungen13. 11. 2007 Präparative Chromatographie und Dünnschichtchromatographie20. 11. 2007 Kenngrößen für die Säulenchromatographie27. 11. 2007 Gaschromatographie: Probenaufgabe und Trennsäulen04. 12. 2007 Gaschromatographie: Detektoren und Quantifizierung11. 12. 2007 Flüssigkeits-Chromatographie: Trennsäulen und Laufmittel18. 12. 2007 Flüssigkeits-Chromatographie: Gradienten und Detektion08. 01. 2008 Charakterisierung von Analyten in der Chromatographie15. 01. 2008 Ionenchromatographie22. 01. 2008 Gelpermeationschromatographie29. 01. 2008 Trenntechniken für die Probenvorbereitung05. 02. 2008 Beispiele aus Akademie und Praxis
Einführung in die Chromatographie – p.2/36
Literatur
J. Silberring et al.Size-exclusion chromatography. In: Chromatography, 6th editionJournal of Chromatography Library, Vol 69AElsevier, Amsterdam (2004).
Polymer LaboratoriesKursunterlagenVarian (2007).
ViskothekKursunterlagenViskothek (2007).
C. F. PooleThe Essence of ChromatographyElsevier, Amsterdam (2003).
Einführung in die Chromatographie – p.3/36
Überblick
Allgemeines und Theorie
Detektion und Kalibration
Einführung in die Chromatographie – p.4/36
Definition
Die Gel-Permeations-Chromatographie (GPC) oderauch Größenausschluss-Chromatographie (englischSize Exclusion Chromatography, SEC) trennt gelösteMoleküle nach ihrem hydrodynamischen Volumenauf.
Einführung in die Chromatographie – p.6/36
Definition
Die Gel-Permeations-Chromatographie (GPC) oderauch Größenausschluss-Chromatographie (englischSize Exclusion Chromatography, SEC) trennt gelösteMoleküle nach ihrem hydrodynamischen Volumenauf.
Wird mit einem wässrigen Laufmittel gearbeitet, soverwendet man auch häufig den BegriffGelfiltrations-Chromatographie (GFC)
Einführung in die Chromatographie – p.6/36
Definition
Die Gel-Permeations-Chromatographie (GPC) oderauch Größenausschluss-Chromatographie (englischSize Exclusion Chromatography, SEC) trennt gelösteMoleküle nach ihrem hydrodynamischen Volumenauf.
Wird mit einem wässrigen Laufmittel gearbeitet, soverwendet man auch häufig den BegriffGelfiltrations-Chromatographie (GFC)
Die stationäre Phase besteht im Allgemeinen auseinem hochvernetzten Polymer.
Einführung in die Chromatographie – p.6/36
Ziel
Im Unterschied zu den meisten anderenchromatographischen Analysemethoden ist dasHauptziel der GPC zumeist die Charakterisierungder Größenverteilung in einer Mischung anhand derGrößen
Viskosität η
Einführung in die Chromatographie – p.7/36
Ziel
Im Unterschied zu den meisten anderenchromatographischen Analysemethoden ist dasHauptziel der GPC zumeist die Charakterisierungder Größenverteilung in einer Mischung anhand derGrößen
Viskosität η
Radius RG, RH
Einführung in die Chromatographie – p.7/36
Ziel
Im Unterschied zu den meisten anderenchromatographischen Analysemethoden ist dasHauptziel der GPC zumeist die Charakterisierungder Größenverteilung in einer Mischung anhand derGrößen
Viskosität η
Radius RG, RHMittlere Molmasse MN,MW
Einführung in die Chromatographie – p.7/36
Ziel
Im Unterschied zu den meisten anderenchromatographischen Analysemethoden ist dasHauptziel der GPC zumeist die Charakterisierungder Größenverteilung in einer Mischung anhand derGrößen
Viskosität η
Radius RG, RHMittlere Molmasse MN,MW
Aus den Verhältnissen dieser Größen wird aufPolydispersität und Konformation geschlossen.
Einführung in die Chromatographie – p.7/36
Typische Anwendungen
Charakterisierung von Polymeren:
Polysaccharide
Einführung in die Chromatographie – p.9/36
Typische Anwendungen
Charakterisierung von Polymeren:
Polysaccharide
Proteine
Einführung in die Chromatographie – p.9/36
Typische Anwendungen
Charakterisierung von Polymeren:
Polysaccharide
Proteine
Kunststoffe (z.B. PE, PET)
Einführung in die Chromatographie – p.9/36
Typische Anwendungen
Charakterisierung von Polymeren:
Polysaccharide
Proteine
Kunststoffe (z.B. PE, PET)
Weitere Anwendungen umfassen dieProbenvorbereitung, Entsalzung undphysikochemische Studien.
Einführung in die Chromatographie – p.9/36
Trennsäulen
HochvernetztePolymerkügelchen,Partikelgrößen 5 bis15 µm
Satz von SinglePorosity Säulenoder Mixed BedSäulen
Alternativ: monolithi-sche Trennsäulen
Wikipedia
Einführung in die Chromatographie – p.11/36
Typische Mobile Phasen
Wässrige Systeme, ev. mit Salz- oderSäurezusatz
Einführung in die Chromatographie – p.12/36
Typische Mobile Phasen
Wässrige Systeme, ev. mit Salz- oderSäurezusatz
Toluol (Polystyrol, Polybutadien,Polydimethylsiloxan)
Einführung in die Chromatographie – p.12/36
Typische Mobile Phasen
Wässrige Systeme, ev. mit Salz- oderSäurezusatz
Toluol (Polystyrol, Polybutadien,Polydimethylsiloxan)
Tetrahydrofuran (Celluloseacetat,Polymethacrylat, PVC)
Einführung in die Chromatographie – p.12/36
Typische Mobile Phasen
Wässrige Systeme, ev. mit Salz- oderSäurezusatz
Toluol (Polystyrol, Polybutadien,Polydimethylsiloxan)
Tetrahydrofuran (Celluloseacetat,Polymethacrylat, PVC)
Um die Probe zu lösen, wird teilweise bei erhöhtenTemperaturen gearbeitet.
Einführung in die Chromatographie – p.12/36
Geschichte der GPC
40er Trennungen per Größenausschluss mitKohle und Zeoliten
1955 Größenausschlusschromatographie mitStärke
Lindqvist undStorgård
1958 Einführung dextranbasierter Säulen mitdefinierter Porengröße (Sephadex)
Flodin und Porath
1961 Agar als Säulenmaterial Polson1962 Einführung von vernetztem Polyacrylamid
(Biogel P)Hjertén und Mos-bach
Einführung in die Chromatographie – p.13/36
Mechanismus
Ausschluss
Selektive Permeation
Polymer Laboratories
Einführung in die Chromatographie – p.14/36
Mechanismus
Ausschluss
Selektive Permeation
Volle Permeation
Polymer Laboratories
Einführung in die Chromatographie – p.14/36
Weitere Mechanismen
Ionenausschluss
Dissertation Pascal Pfefferkorn 2004
Einführung in die Chromatographie – p.15/36
Weitere Mechanismen
Ionenausschluss Adsorption
Dissertation Pascal Pfefferkorn 2004
Einführung in die Chromatographie – p.15/36
Weitere Mechanismen
Ionenausschluss Adsorption Größenausschluss
Dissertation Pascal Pfefferkorn 2004
Einführung in die Chromatographie – p.15/36
Weitere Mechanismen
Ionenausschluss Adsorption Größenausschluss Abbau
Dissertation Pascal Pfefferkorn 2004
Einführung in die Chromatographie – p.15/36
Trennung
Große Moleküle könnennicht in die Poren ein-dringen, und eluierenzuerst.
Kleinen Molekülen stehtein größerer Porenraumzur Verfügung, so dasssie später eluieren.
Polymer Laboratories
Einführung in die Chromatographie – p.16/36
Detektion und Kalibration in derGel-Permeations-Chromatographie
Einführung in die Chromatographie – p.17/36
Typische Detektoren
Brechungsindex (RI)
UV
Viskosität
Lichtstreuung
Einführung in die Chromatographie – p.18/36
Einfache Kalibration
KonzentrationsabhängigerDetektor:
RI
UV
Wikipedia
Einführung in die Chromatographie – p.19/36
Kalibration mit mehreren Standards
Mirko Weinhold, UFT Bremen
Einführung in die Chromatographie – p.20/36
Einfache Kalibration
Standards definierter Molekülgröße notwendig
Sigma Aldrich Website
Einführung in die Chromatographie – p.21/36
Einfache Kalibration
Standards definierter Molekülgröße notwendig
Verfälschte Resultate für verzweigte Polymere
Einführung in die Chromatographie – p.21/36
Einfache Kalibration
Standards definierter Molekülgröße notwendig
Verfälschte Resultate für verzweigte Polymere
Kostengünstige Apparatur
Einführung in die Chromatographie – p.21/36
Einfache Kalibration
Standards definierter Molekülgröße notwendig
Verfälschte Resultate für verzweigte Polymere
Kostengünstige Apparatur
Genaue Konzentration ist unkritisch
Einführung in die Chromatographie – p.21/36
Einfache Kalibration
Standards definierter Molekülgröße notwendig
Verfälschte Resultate für verzweigte Polymere
Kostengünstige Apparatur
Genaue Konzentration ist unkritisch
Sehr gute Reproduzierbarkeit
Einführung in die Chromatographie – p.21/36
Das Chromatogramm als Histogramm
Für jede Scheibe i kanndie Molekülgröße Mi
aus der Retentionszeit,und die Anzahl derMoleküle Ni aus derSignalhöhe bestimmtwerden.
Polymer Laboratories
Einführung in die Chromatographie – p.22/36
Die mittlere Molmasse
Zahlenmittel der Molmasse:
MN =
∑
NiMi∑
Ni
Einführung in die Chromatographie – p.23/36
Die mittlere Molmasse
Zahlenmittel der Molmasse:
MN =
∑
NiMi∑
Ni
Gewichtsmittel der Molmasse:
MW =
∑
NiM2i
∑
NiMi
Einführung in die Chromatographie – p.23/36
Die mittlere Molmasse
Zahlenmittel der Molmasse:
MN =
∑
NiMi∑
Ni
Gewichtsmittel der Molmasse:
MW =
∑
NiM2i
∑
NiMi
Polydispersität d = MwMN
Einführung in die Chromatographie – p.23/36
Beispiele
MW = 200000MN = 200000d = 1
MW = 200000MN = 60000d = 3, 33
Mirko Weinhold
Einführung in die Chromatographie – p.24/36
Intrinsische Viskosität
[η] =ηsp
c
bei unendlicher Verdünnung. Die spezifischeViskosität ηsp der Lösung von Makromolekülen oderPartikeln mit der Konzentration c ist
ηsp =η − η0
η
wobei η0 die Viskosität des Lösungsmittels ist.
Einführung in die Chromatographie – p.27/36
Einsteins Viskositätsgesetz
Nach Einstein (1905) gilt folgende Näherung fürharte, sphärische Partikel
ηsp = 2.5 Φ
Φ ist der Volumenanteil der Makromoleküle in derLösung.
Einführung in die Chromatographie – p.28/36
Einsteins Viskositätsgesetz
Nach Einstein (1905) gilt folgende Näherung fürharte, sphärische Partikel
ηsp = 2.5 Φ
Φ ist der Volumenanteil der Makromoleküle in derLösung. Daraus folgt
[η] =ηsp
c=2.5
ρ
wenn ρ die Dichte der Partikel in Lösung ist.
Einführung in die Chromatographie – p.28/36
Flory-Fox Gleichung
Für zufällig geknäuelte Polymere gilt
M[η] = 63/2Φ0RG
Φ0 ist die Flory-Fox Konstante, und RG derGyrationsradius des Makromoleküls.
Einführung in die Chromatographie – p.29/36
Flory-Fox Gleichung
Für zufällig geknäuelte Polymere gilt
M[η] = 63/2Φ0RG
Φ0 ist die Flory-Fox Konstante, und RG derGyrationsradius des Makromoleküls.
Hier kann die Dichte ρ eingesetzt werden:
[η] = 63/2Φ04π
3
3R3G
4πM=1.67
ρ
Einführung in die Chromatographie – p.29/36
Universelle Kalibration
Bei bekannter Konzentration und Trennung strengnach Größenausschluss:
Kalibration für das Molekulargewicht unabhängigvom chemischen Typ des Polymers
Einführung in die Chromatographie – p.31/36
Universelle Kalibration
Bei bekannter Konzentration und Trennung strengnach Größenausschluss:
Kalibration für das Molekulargewicht unabhängigvom chemischen Typ des Polymers
und unabhängig vom Verzweigungsgrad
Einführung in die Chromatographie – p.31/36
Lichtstreudetektion
Verdampfungslichtstreuung
Kleinwinkelstreuung
Einführung in die Chromatographie – p.32/36
Lichtstreudetektion
Verdampfungslichtstreuung
Kleinwinkelstreuung
Streuung bei 90 °
Einführung in die Chromatographie – p.32/36
Response-Verhalten
RI-Detektor
A = KRIdn
dcc
ViskometerA = KVisc [η] c
Lichtstreuung
A = KLS MW
(
dn
dc
)2
c
Einführung in die Chromatographie – p.35/36
Response-Verhalten
RI-Detektor
A = KRIdn
dcc
ViskometerA = KVisc [η] c
Lichtstreuung
A = KLS MW
(
dn
dc
)2
c
Einführung in die Chromatographie – p.35/36
Response-Verhalten
RI-Detektor
A = KRIdn
dcc
ViskometerA = KVisc [η] c
Lichtstreuung
A = KLS MW
(
dn
dc
)2
c
Einführung in die Chromatographie – p.35/36
Dreifachdetektion
Unter optimalen Bedingungen bekommt man
Absolutes Molekulargewicht
Einführung in die Chromatographie – p.36/36
Dreifachdetektion
Unter optimalen Bedingungen bekommt man
Absolutes Molekulargewicht
Verzweigungsgrad
Einführung in die Chromatographie – p.36/36