Chromatografie: Gemische trennen und auswerten

Stell dir vor, Stoffteilchen fahren ein Stück mit und bleiben dann kurz hängen. Dieses wiederholte Wechseln trennt ein Gemisch. Die Teilchen bewegen sich dabei ständig von selbst und verteilen sich so zwischen beiden Phasen. Die mobile Phase bewegt sich und nimmt die Teilchen mit. Die stationäre Phase bleibt am Ort und hält sie unterschiedlich lange zurück.

Eine stärkere Bindung an die stationäre Phase macht einen Stoff langsamer. Entscheidend ist, wie sie sich zwischen beiden Phasen verteilen.

Beim Papierchromatogramm kommt zuerst eine kleine Probe auf die Startstelle. Dann steigt Wasser durch winzige Zwischenräume im Papier. Das nennt man Kapillarwirkung. In einer Säule kann die bewegte Phase schon fließen, wenn die Probe zugegeben wird. Die Bestandteile bleiben unterwegs unterschiedlich lange an der ruhenden Phase hängen. Am Ende erscheinen sie als Flecken oder als Signale in einem Diagramm. Bei einer Trennung zur Stoffgewinnung können austretende Stoffe getrennt gesammelt werden.

Das Ergebnis heißt Chromatogramm. Auf Papier oder einer dünnen Schicht entstehen Flecken. Bei einer Säule sieht man oft Ausschläge, sogenannte Peaks, in einem Diagramm. Farblose Stoffe werden mit einem geeigneten Nachweis oder Messgerät sichtbar gemacht.

Retention bedeutet: Ein Stoff wird zurückgehalten und dadurch verzögert. Bei einer Säule ist die Retentionszeit die Zeit vom Einbringen der Probe bis zum höchsten Punkt ihres Messsignals. Die Durchflusszeit gibt an, wie lange die bewegte Phase oder ein nicht zurückgehaltener Stoff durch die Säule benötigt. Elution heißt: Die bewegte Phase nimmt einen zurückgehaltenen Stoff wieder mit. Die bewegte Phase heißt dann auch Eluent; die Flüssigkeit, die aus der Säule kommt, heißt Eluat.

Verschiedene Flecken oder Signale zeigen eine Trennung. Ein Nachweis zeigt ein Merkmal. Zur Bestimmung des Stoffes brauchst du einen Vergleich mit einer bekannten Vergleichsprobe, einer Referenz, unter denselben Bedingungen. Für seine Menge brauchst du zusätzlich ein geeignetes Messverfahren; unter passenden Bedingungen kann die Fläche unter einem Peak helfen. Gleiche Fleckenlagen lassen sich nur bei gleichem Papier, gleicher bewegter Phase und weiteren gleichen Bedingungen sinnvoll vergleichen. Ein einzelner Fleck beweist keine eindeutige Stoffidentität.

Die Verfahren lassen sich nach der bewegten Phase unterscheiden. Bei der Gaschromatografie trägt ein Gas verdampfbare Stoffe mit. Bei der Flüssigchromatografie übernimmt das eine Flüssigkeit.

Auch das Trennprinzip kann verschieden sein. Bei der Adsorption haften Stoffe verschieden stark an einer Oberfläche. Bei der Verteilung lösen sie sich verschieden gut in beiden Phasen. Ein Ion ist ein elektrisch geladenes Teilchen. In gelöstem Kochsalz gibt es zum Beispiel positiv geladene Natrium-Ionen und negativ geladene Chlorid-Ionen. Beim Ionenaustausch halten spezielle Materialien solche Teilchen unterschiedlich stark fest. Beim Größenausschluss gelangen kleine Teilchen in Poren, also winzige Öffnungen, und werden verzögert; große kommen schneller vorbei. Bei der Affinität bindet die ruhende Phase gezielt nur einen bestimmten Stoff, ähnlich wie ein Schlüssel nur in sein Schloss passt.

HPLC ist ein Verfahren mit einer Flüssigkeit als bewegter Phase. Eine Pumpe drückt sie durch eine dicht gepackte Säule. Das eignet sich auch für komplexe Gemische aus Stoffen, die nicht leicht verdampfen. Der Druck sorgt für den Fluss. Getrennt werden die Stoffe, weil sie verschieden stark an der Säulenfüllung haften oder sich verschieden gut in der Flüssigkeit lösen. Bei einem weiteren Verfahren, der SFC, übernimmt meist Kohlenstoffdioxid bei passender Temperatur und hohem Druck die Rolle der bewegten Phase.

„Polar“ heißt: In den Teilchen ist die elektrische Ladung ungleich verteilt – eine Seite ist etwas positiv, die andere etwas negativ. Bei unpolaren Teilchen ist sie gleichmäßig verteilt. Bei der Normalphase ist die ruhende Phase polar, die bewegte unpolar bis mittelpolar. Bei der Umkehrphase ist es andersherum. Bleibt die Mischung der bewegten Phase gleich, heißt das isokratisch. Wird die Mischung während der Messung verändert, heißt es Gradient. So können verschieden stark zurückgehaltene Stoffe im selben Lauf herauskommen.

Fachleute beschreiben eine Säule mit gedachten Trennstufen. Teilt man ihre Länge durch die Anzahl dieser Stufen, erhält man die Trennstufenhöhe. Bei gleicher Säulenlänge weist eine kleinere Höhe auf eine bessere Trennung hin. Auch die Fließgeschwindigkeit zählt. Bei sehr langsamem Fließen breiten sich die Stoffe längs der Säule stärker aus; bei sehr schnellem Fließen kommt der Wechsel zwischen den Phasen nicht hinterher. Darum kann sowohl zu langsames als auch zu schnelles Fließen die Trennung verschlechtern.