Elemente und Moleküle, Schulbuch

137 7.4 MODerne Trenn- UnD analYSenverFahren Chromatografische Verfahren Bei der Erforschung von Naturstoffen steht man vor dem Problem, dass die klassi- schen Methoden der Stofftrennung oft versagen. Einerseits sind sich viele Stoffe in den Eigenschaften so ähnlich, dass Extraktion oder Destillation zu wenig Trenneffekt bewirken, andererseits stehen oft nur minimale Stoffmengen zur Verfügung. Zur Lösung solcher Trennprobleme dient die Chromatografie. Sie wurde zuerst zur Tren- nung von Farbstoffen eingesetzt (griech. chroma = Farbe, graphein = schreiben). Bei der Papierchromatografie (PC) wird ein Substanzgemisch als kleiner Punkt auf die Startlinie eines Papierstreifens aufgetragen (Abb. 137.1.). Der Papierstreifen wird in eine „Entwicklungskammer“, die ein Lösungsmittel enthält, gehängt. Das Lösungs- mittel, auch Laufmittel genannt, saugt sich am Papier kapillar hoch und strömt am Substanzgemisch vorbei. Die Auftrennung erfolgt durch Adsorption an den Fasern des Papiers und durch Verteilung zwischen dem Laufmittel und dem im Papier ent- haltenen Wasser. Nachdem sich das Laufmittel am Papier hochgesaugt hat, wobei die verschiedenen Stoffe des Gemisches unterschiedlich weit mitgezogen wurden, wird das Chromatogramm der Kammer entnommen und die Laufmittelfront mar- kiert. Die Substanzen liegen jetzt als getrennte Flecken vor. Nicht farbige Substanzen werden mit Reagenzien sichtbar gemacht. Der Quotient der Strecke Startlinie – Sub- stanzfleck zu Startlinie – Laufmittelfront heißt R f -Wert . Er ist für die Substanzen charakteristisch und für verschiedene Laufmittel tabelliert. Bei der Dünnschichtchromatografie (DC) verwendet man statt Papier einen ober- flächenreichen Feststoff mit guten Adsorptionseigenschaften. Dieser wird in einer dünnen, gleichmäßigen Schicht auf einer Trägerplatte (Glas, Kunststoff) aufgetra- gen. Probenauftrag und Entwicklung erfolgen analog zur Papierchromatografie. Für die Auftrennung von Substanzen im Grammbereich wurde die Säulenchroma- tografie entwickelt. Das Adsorptionsmittel befindet sich in einem Glasrohr (Säule). Die Lösung des Substanzgemisches lässt man von oben in diese einfließen. Durch Nachtropfen von reinem Laufmittel spült man die Substanzen durch die Säule. Durch unterschiedlich starke Adsorption kommen sie am Ende der Säule getrennt an. Zur Trennung verdampfbarer Substanzen wurde eine sehr empfindliche Methode ent- wickelt, die Gaschromatografie (GC) . Vom Prinzip her funktioniert sie wie die Säulen- chromatografie. Das Substanzgemisch wird im Einspritzblock durch eine Gummimem- bran eingespritzt und verdampft. Nun dient ein Gasstrom (Helium oder Wasserstoff) dazu, das Gemisch durch die Säule zu spülen. Diese ist dünn wie eine Kapillare, meh- rere Meter lang und zu einer Spirale gebogen. An ihrer Innenwand ist ein schwer ver- dampfbarer Stoff adsorbiert, der die Substanzen des Gemisches teilweise löst und so unterschiedlich stark zurückhält. So kommen sie am Ende der Säule getrennt an. Ein Detektor misst die physikalischen Eigenschaften des Gasstroms (Wärmeleitfähigkeit oder elektrische Leitfähigkeit, wenn der Gasstrom in einer Flamme verbrennt) und re- gistriert Veränderungen, wenn nicht das reine Trägergas, sondern auch Substanz an- kommt. Am Chromatogramm zeigt sich dies durch aufeinanderfolgende „Peaks“ (Abb. 137.2.). Für die Auswertung verwendet man anstelle des R f -Wertes die Retentionszeit, dh. die Zeit, die die Substanz in der Säule zurückgehalten wird. Durch Bestimmung der Retentionszeiten von Reinsubstanzen kann der Gaschromatograf für qualitative Ana- lysen verwendet werden. Der große Nachteil der GC ist ihre Beschränkung auf unzersetzt verdampfbare Sub- stanzen. Viele Naturstoffe und biochemisch relevante Substanzen sind aber hitze- empfindlich. Durch die Hochdruck-Flüssigkeitschromatografie (HPLC) (engl. high pressure liquid chromatography), die erst in den sechziger Jahren des letzten Jahr- hunderts entwickelt wurde, können auch Trennprobleme mit solchen Substanzen gelöst werden. Auch die HPLC ist eine Variante der Säulenchromatografie. Die Trenn- säule ist mit winzigen Partikeln zur Adsorption gefüllt. Die große Oberfläche ermög- licht eine außerordentliche Trennleistung. Durch die dichte Packung benötigt man sehr hohen Druck (bis 400 bar), um das Lösungsmittel durchzupressen. Die Detektion beruht meist auf Fluoreszenz. Die Chromatogramme sind denen der GC ähnlich. ■ 137.1: PC von Filzstiften Trag auf einem rechteckigen Stück Filterpa- pier 2 cm vom unteren Rand entfernt mit wasserlöslichen Filzstiften (dunkle Farben) kleine Farbflecken auf! Durchbohr das Papier unter dem oberen Rand mit einem Glasstab und häng es in ein geeignetes Becherglas mit Wasser, in das der untere Rand etwa 1 cm weit eintaucht! Wart, bis sich das Wasser hochgesaugt hat, und betracht das Chroma- togramm! SCHÜLeRVeRSUCH L a b c Ausgangsgemisch Startlinie Laufmittelfront c : R f = L a : R f = L Reinsubstanzen Laufmittel Entwicklungskammer b : R f = L Abb. 137.1: Schema der PC und DC Strömungs- geschwindigkeits- messung Einspritzblock Probe Trennsäule Detektor thermostatisierte Trennkammer Trägergas Anzeige Abb. 137.2: Gaschromatograf Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv