Chromatographie

Chromatographie, allgemeine Sammelbezeichnung für verschiedene Verfahren der chemischen Analyse, mit denen sich beispielsweise reine Substanzen aus Mischungen isolieren lassen. Das Grundprinzip dieser Methoden beruht auf der selektiven, also gezielten Adsorption (die nicht mit der Absorption verwechselt werden darf). Allgemein versteht man unter Adsorption das Anhaften einer Substanz an einer Oberfläche.

Im Jahr 1906 entdeckte der Botaniker Michael Tswett das Grundprinzip der Säulenchromatographie, das allerdings erst seit den dreißiger Jahren allgemein angewandt wird. Mit Hilfe dieser Methode gelang es Tswett den Pflanzenfarbstoff Chlorophyll aus Pflanzenblättern zu isolieren. Dazu stellte er eine dünne Glasröhre senkrecht auf und füllte sie mit Calciumcarbonatpulver. Anschließend leitete er einen Petroletherextrakt aus grünen Blättern durch diese Säule. Die Lösung sickerte nach unten, wobei sich die einzelnen Bestandteile nach folgendem Prinzip voneinander trennten: Die Bestandteile haften unterschiedlich stark am Carbonat, d. h., sie werden unterschiedlich stark adsorbiert. Aufgrund der unterschiedlichen Adsorption fließen die verschiedenen Bestandteile mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durch die Säule. Dadurch konnte Tswett nach einiger Zeit waagerechte farbige Streifen auf der Säule erkennen. Dieses Ergebnis bezeichnet man auch nach dem griechischen Wort chroma für Farbe als Chromatogramm. Jeder Streifen stammt von einem anderen Farbstoff aus dem Blatt.

Heutzutage verwendet man für derartige Säulenchromatogramme je nach den zu untersuchenden Substanzen unterschiedlich adsorbierende Materialien, darunter beispielsweise gereinigtes Siliciumdioxid, gereinigte Tonerde (Aluminiumoxid) und Silicagel (Kieselsäuregel). Diese Stoffe dienen bei der Adsorptionschromatographie als so genannte stationäre Phase („unbewegliche” Phase). Im Gegensatz dazu lässt man bei der Verteilungschromatographie bestimmte Flüssigkeiten von diesen Feststoffen aufsaugen. In diesem Fall dienen genau diese aufgenommenen Flüssigkeiten als stationäre Phase. Als Lösungs- oder Eluierungsmittel verwendet man eine zweite Flüssigkeit, die mit der stationären Phase nicht mischbar sein darf. Das Eluierungsmittel leitet man dann als mobile Phase („bewegliche” Phase) durch die Säule.

Bei der Verteilungschromatographie beruht die Trennwirkung nicht auf Adsorption, sondern auf Verteilungsphänomenen. Dabei halten sich die Analysenbestandteile aufgrund des unterschiedlichen Lösungsvermögens beider Phasen auch in unterschiedlicher Konzentration in der stationären und in der mobilen Phase auf. Ist das Lösungsvermögen für den einen oder anderen Bestandteil hoch, dann ist folglich auch die Konzentration dieser Bestandteile in der betreffenden Phase hoch. Bei der heute weitverbreiteten Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie arbeitet man mit einer Variante dieses Prinzips. Dazu wird die betreffende Flüssigkeit auf extrem kleine und praktisch gleich große Teilchen der stationären Phase adsorbiert. Man erreicht damit eine sehr hohe Empfindlichkeit auch beim Trennen einander sehr ähnlicher Komponenten in der Substanzmischung. Deren Lösung wird mit Hilfe einer Pumpe durch die Säule gedrückt.

Bei der Dünnschichtchromatographie wird das adsorbierende Material auf eine Glas- oder Kunststoffscheibe aufgebracht. Die Analysenlösung (meist in einem leicht flüchtigen Lösungsmittel) wird zunächst mit einer Pipette punkt- oder strichförmig auf eine Startlinie aufgetragen und die so vorbereitete Chromatographierplatte in einen ebenfalls vorbereiteten Behälter gestellt. Dieses Gefäß enthält das Lösungsmittel, wobei letzteres nur den Kammerboden bedeckt. Auf Grund von Adsorptionseffekten beginnt das Lösungsmittel durch das Adsorptionsmaterial nach oben zu wandern. Gelangt das Lösungsmittel an die Startlinie (mit der Analysenmischung), beginnt praktisch die eigentliche Auftrennung.

Im Gegensatz dazu fließt bei der Papierchromatographie das Analysengemisch an einem Papierstreifen nach unten. Aufgrund der unterschiedlich starken Adsorption am Papier befinden sich die einzelnen Bestandteile der Mischung nach einiger Zeit in verschiedenen Höhen.

Eine andere Methode wird bei der Gas-Flüssigkeits-Chromatographie angewandt (und seltener bei der Gas-Feststoff-Chromatographie). Sie ermöglicht die Trennung von gasförmigen Substanzen oder auch verdampfbaren Mischungen. Die gasförmige Mischung wird mit dem Strom eines inerten (nicht reagierenden) Gases durch die Säule transportiert. Die Säule besitzt eine große Länge. Üblicherweise besteht eine Säule für die Gaschromatographie aus einem spiralförmig gebogenen Metallrohr. Im Inneren des Rohres befindet sich, wie bei der Säulenchromatographie, die stationäre Phase. Am Ende des Rohres werden die zu unterschiedlichen Zeitpunkten eintreffenden Bestandteile der Mischung durch einen Detektor nachgewiesen.

Bei der Ionenchromatographie wird das zu untersuchende Gas ionisiert, d. h. in elektrisch geladene Fragmente zerlegt. Dies gelingt z. B. mit Hilfe einer heißen Flamme, durch Röntgenstrahlen oder durch radioaktive Strahlung (Radioaktivität). Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die stationäre Phase bestimmte Ionen mit der zu untersuchenden Mischung austauscht. Schließlich gibt es noch die Gelchromatographie. Sie beruht auf dem Filtrationsvermögen der stationären Phase. Dieses Vermögen ist aufgrund der speziellen, einheitlichen Porengröße der stationären Phase für gewisse Bestandteile in der Analysenmischung besonders stark. Das Verfahren eignet sich vor allem für Verbindungen mit sehr großen Molekülen.

Die Chromatographie ist ein wichtiges Trennverfahren. Es wird beispielsweise bei der Analyse von Nahrungsmitteln, Medikamenten, Blut, Erdölerzeugnissen oder bei der Spurenuntersuchung zur Aufklärung von Verbrechen eingesetzt.

Siehe auch chemische Analyse