Einführung in die Chromatographie

Transkript

1 Einführung in die Chromatographie Vorlesung WS 2007/2008 VAK AnC2-1 Johannes Ranke Einführung in die Chromatographie p.1/36

2 Programm Trennmethoden im Überblick und Geschichte der Chromatographie Thermodynamik der Stofftrennung Stofftransport und intermolekulare Wechselwirkungen Präparative Chromatographie und Dünnschichtchromatographie Kenngrößen für die Säulenchromatographie Gaschromatographie: Probenaufgabe und Trennsäulen Gaschromatographie: Detektoren und Quantifizierung Flüssigkeits-Chromatographie: Trennsäulen und Laufmittel Flüssigkeits-Chromatographie: Gradienten und Detektion Charakterisierung von Analyten in der Chromatographie Ionenchromatographie Gelpermeationschromatographie Trenntechniken für die Probenvorbereitung Beispiele aus Akademie und Praxis Einführung in die Chromatographie p.2/36

3 Literatur C. A. Lucy and P. Hatsis Ion chromatography. In: Chromatography, 6th edition Journal of Chromatography Library, Vol 69A Elsevier, Amsterdam (2004). C. Eith, M. Kolb, A. Seubert und K. H. Viehweger Praktikum der Ionenchromatographie, Version 12 Metrohm Monographie (2000). C. F. Poole The Essence of Chromatography Elsevier, Amsterdam (2003). Einführung in die Chromatographie p.3/36

4 Überblick Allgemeines Einführung in die Chromatographie p.4/36

5 Überblick Allgemeines Detektion Einführung in die Chromatographie p.4/36

6 Überblick Allgemeines Detektion Selektivität Einführung in die Chromatographie p.4/36

7 State of the art Abbildung 4.17 aus Hydroxid-Gradient von 0.5 mm bis 40 mm. 1: Isopropylmethylphosphonat, 2: Chinasäure, 3: Fluorid, 4: Acetat, 5: Propionat, 6: Formiat, 7: Methylsulfonat, 8: Pyruvat, 9: Chlorit,..., 13: Chlorid,... 32: Isocitrat, 33: cis-aconitat, 34: trans-aconitat Poole (2003), p. 339 Einführung in die Chromatographie p.5/36

8 Allgemeines zur Ionenchromatographie Einführung in die Chromatographie p.6/36

9 Ionenchromatographie Sammelbegriff für Methoden, in denen Ionen mit speziell dafür ausgelegten Systemen analysiert werden. Charakteristika: Ionenaustauscher mit geringer Kapazität als stationäre Phase Einführung in die Chromatographie p.7/36

10 Ionenchromatographie Sammelbegriff für Methoden, in denen Ionen mit speziell dafür ausgelegten Systemen analysiert werden. Charakteristika: Ionenaustauscher mit geringer Kapazität als stationäre Phase Eluenten enthalten gelöste Ionen Einführung in die Chromatographie p.7/36

11 Ionenchromatographie Sammelbegriff für Methoden, in denen Ionen mit speziell dafür ausgelegten Systemen analysiert werden. Charakteristika: Ionenaustauscher mit geringer Kapazität als stationäre Phase Eluenten enthalten gelöste Ionen Meist isokratische Elution Einführung in die Chromatographie p.7/36

12 Ionenchromatographie Sammelbegriff für Methoden, in denen Ionen mit speziell dafür ausgelegten Systemen analysiert werden. Charakteristika: Ionenaustauscher mit geringer Kapazität als stationäre Phase Eluenten enthalten gelöste Ionen Meist isokratische Elution Metallfreie Fließwege Einführung in die Chromatographie p.7/36

13 Ionenchromatographie Sammelbegriff für Methoden, in denen Ionen mit speziell dafür ausgelegten Systemen analysiert werden. Charakteristika: Ionenaustauscher mit geringer Kapazität als stationäre Phase Eluenten enthalten gelöste Ionen Meist isokratische Elution Metallfreie Fließwege Meist Einsatz einer Suppressortechnik Einführung in die Chromatographie p.7/36

14 Ionenchromatographie Sammelbegriff für Methoden, in denen Ionen mit speziell dafür ausgelegten Systemen analysiert werden. Charakteristika: Ionenaustauscher mit geringer Kapazität als stationäre Phase Eluenten enthalten gelöste Ionen Meist isokratische Elution Metallfreie Fließwege Meist Einsatz einer Suppressortechnik Detektion über die Leitfähigkeit Einführung in die Chromatographie p.7/36

15 Geschichte der Ionenchromatographie 1935 Sulfonierte und aminierte Kondensationspolymere Thomson & Way (Phenol/Formaldehyd) 1942 Sulfonierte PS/DVB-Harze als Kationenaustauscher (Manhattan-Projekt) d Alelio 1947 Aminierte PS/DVB-Harze als Anionenaustauscher McBurney 1953 Ionenausschlusschromatographie Wheaton, Baumann 1959 Theoretische Grundlagen Helfferich 1970 Pellikulare Ionenaustauscher Horvath, Kirkland 1975 Leitfähigkeitsdetektion mittels "Stripper" Small, Stevens, Baumann 1979 Leitfähigkeitsdetektion ohne "Stripper" Gjerde u.a Ionenpaarchromatographie Waters, Bidlingmeier, Horvath Einführung in die Chromatographie p.8/36

16 Anbieter von Kompaktanlagen Schnelle Entwicklung der Gerätetechnik seit der Pionierarbeit von Small, Stevens und Baumann [1]. Wichtige Anbieter: Dionex [1] Anal Chem (1975) Einführung in die Chromatographie p.9/36

17 Anbieter von Kompaktanlagen Schnelle Entwicklung der Gerätetechnik seit der Pionierarbeit von Small, Stevens und Baumann [1]. Wichtige Anbieter: Dionex Metrohm [1] Anal Chem (1975) Einführung in die Chromatographie p.9/36

18 Anbieter von Kompaktanlagen Schnelle Entwicklung der Gerätetechnik seit der Pionierarbeit von Small, Stevens und Baumann [1]. Wichtige Anbieter: Dionex Metrohm Alltech [1] Anal Chem (1975) Einführung in die Chromatographie p.9/36

19 Trennmechanismen in der LC Adsorption Einführung in die Chromatographie p.10/36

20 Trennmechanismen in der LC Adsorption Verteilung Einführung in die Chromatographie p.10/36

21 Trennmechanismen in der LC Adsorption Verteilung Größenausschluss Einführung in die Chromatographie p.10/36

22 Trennmechanismen in der LC Adsorption Verteilung Größenausschluss Affinität Einführung in die Chromatographie p.10/36

23 Trennmechanismen in der LC Adsorption Verteilung Größenausschluss Affinität Ionenaustausch Einführung in die Chromatographie p.10/36

24 Trennmechanismen in der LC Adsorption Verteilung Größenausschluss Affinität Ionenaustausch Ionenpaarbildung Einführung in die Chromatographie p.10/36

25 Trennmechanismen in der LC Adsorption Verteilung Größenausschluss Affinität Ionenaustausch Ionenpaarbildung Ionenausschluss Einführung in die Chromatographie p.10/36

26 Trennmechanismen in der LC Adsorption Verteilung Größenausschluss Affinität Ionenaustausch Ionenpaarbildung Ionenausschluss Oft sind mehrere Mechanismen erklärungsrelevant. Einführung in die Chromatographie p.10/36

27 Hauptanwendungen Direkte Analyse im ppm- bis ppb-bereich von F,Cl,NO 2,Br,NO 3,HPO2 4,SO2 4 Einführung in die Chromatographie p.11/36

28 Hauptanwendungen Direkte Analyse im ppm- bis ppb-bereich von F,Cl,NO 2,Br,NO 3,HPO2 4,SO2 4 Li +,Na +,NH + 4,K+,Mg 2+,Ca 2+, kurzkettige Amine Einführung in die Chromatographie p.11/36

29 Hauptanwendungen Direkte Analyse im ppm- bis ppb-bereich von F,Cl,NO 2,Br,NO 3,HPO2 4,SO2 4 Li +,Na +,NH + 4,K+,Mg 2+,Ca 2+, kurzkettige Amine Anwendung in Industrie und Landbau, sowie im Nahrungsmittel- und Umweltmonitoring Einführung in die Chromatographie p.11/36

30 Ionenaustauschchromatographie Abbildung 6 aus Eith (2003), p. 15 Einführung in die Chromatographie p.12/36

31 Ionenaustauschchromatographie Abbildung 6 aus Harz SO 3 E+ +A + Harz SO 3 A+ +E + Eith (2003), p. 15 Einführung in die Chromatographie p.12/36

32 Ionenaustauschchromatographie Abbildung 6 aus Harz SO 3 E+ +A + Harz SO 3 A+ +E + Harz N + R 3 E +A Harz N + R 3 A +E Eith (2003), p. 15 Einführung in die Chromatographie p.12/36

33 Einsatz von Komplexbildnern Abbildung 21 aus Eith (2003), p. 40 Einführung in die Chromatographie p.13/36

34 Ionenpaarchromatographie Abbildung 7 aus Eith (2003), p. 17 Einführung in die Chromatographie p.14/36

35 Ionenausschlusschromatographie Abbildung 8 aus Eith (2003), p. 17 Einführung in die Chromatographie p.15/36

36 Ionenausschlusschromatographie Abbildung 8 aus Die Hydrathülle der stationären Phase wird durch eine gedachte, negativ geladene Membran begrenzt. Anionen werden von der Hydrathülle abgestossen. Eith (2003), p. 17 Einführung in die Chromatographie p.15/36

37 Ionenausschlusschromatographie Abbildung 9 aus Eith (2003), p. 18 Einführung in die Chromatographie p.16/36

38 Detektion in der Ionenchromatographie Einführung in die Chromatographie p.17/36

39 Wichtigste Detektoren Leitfähigkeitsdetektor (CD) Einführung in die Chromatographie p.18/36

40 Wichtigste Detektoren Leitfähigkeitsdetektor (CD) Amperometrischer Detektor Einführung in die Chromatographie p.18/36

41 Wichtigste Detektoren Leitfähigkeitsdetektor (CD) Amperometrischer Detektor UV/VIS-Detektor, eventuell mit Nachsäulenderivatisierung Einführung in die Chromatographie p.18/36

42 Wichtigste Detektoren Leitfähigkeitsdetektor (CD) Amperometrischer Detektor UV/VIS-Detektor, eventuell mit Nachsäulenderivatisierung Massenspektrometrischer Detektor (MSD) Einführung in die Chromatographie p.18/36

43 Leitfähigkeitsunterdrückung Suppressor H + +Na + +E Suppressor Na + +HE Hintergrundleitfähigkeit abhängig von HE H + +E Einführung in die Chromatographie p.19/36

44 Leitfähigkeitsunterdrückung Suppressor H + +Na + +E Suppressor Na + +HE Hintergrundleitfähigkeit abhängig von HE H + +E pk S -Wert möglichst größer 7, für hohe Empfindlichkeit und Linearität Einführung in die Chromatographie p.19/36

45 Leitfähigkeitsunterdrückung Suppressor H + +Na + +E Suppressor Na + +HE Hintergrundleitfähigkeit abhängig von HE H + +E pk S -Wert möglichst größer 7, für hohe Empfindlichkeit und Linearität Trend vonhco 3 (pk S vonh 2CO 3 ist 6.35) zu OH (pk S von Wasser ist 14) Einführung in die Chromatographie p.19/36

46 Leitfähigkeitsdetektion Leitfähigkeit κ zwischen zwei Elektroden der Fläche A und des AbstandsL: κ= L AR Einführung in die Chromatographie p.20/36

47 Leitfähigkeitsdetektion Leitfähigkeit κ zwischen zwei Elektroden der Fläche A und des AbstandsL: κ= L AR R ist der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden, die Einheit vonκist Siemens pro m, oder häufigerµs cm -1. Einführung in die Chromatographie p.20/36

48 Equivalentleitfähigkeit Die Equivalentleitfähigkeit Λ Λ= κ c ist bei unendlicher Verdünnung von der Konzentration c unabhängig. Einführung in die Chromatographie p.21/36

49 Equivalentleitfähigkeit Die Equivalentleitfähigkeit Λ Λ= κ c ist bei unendlicher Verdünnung von der Konzentration c unabhängig. Nach Kohlrausch: κ= Λ i c i i Einführung in die Chromatographie p.21/36

50 Beweglichkeit von Ionen κ lässt sich auch in Abhängigkeit der Beweglichkeit u i der verschiedenen Ionen ausdrücken κ=e 0 c i z i u i wobeic i die molare Konzentration des Ionsiist und z i der Betrag seiner Ladung. i Einführung in die Chromatographie p.22/36

51 Beweglichkeit von Ionen κ lässt sich auch in Abhängigkeit der Beweglichkeit u i der verschiedenen Ionen ausdrücken κ=e 0 c i z i u i wobeic i die molare Konzentration des Ionsiist und z i der Betrag seiner Ladung. u i ist die Wanderungsgeschwindigkeitw i bezogen auf die elektrische Feldstärke E: i u i = w i E Einführung in die Chromatographie p.22/36

52 Equivalentfähigkeit häufiger Ionen H OH 198 Li + 39 F 54 Na + 50 Cl 76 K + 74 Br 78 NH I Mg2+ 53 NO Ca2+ 60 NO Zn2+ 52 HCO Pb CO Fe3+ 70 Acetat N(Et) Phthalat 38 Eith (2003), p. 29 Einführung in die Chromatographie p.23/36

53 Direkte und indirekte Detektion Abbildung 13 aus Eith (2003), p. 28 Einführung in die Chromatographie p.24/36

54 Packed-bed-Suppressoren Abbildung 14 aus Ionenaustauschsäulen müssen regeneriert werden. Das Modell von Metrohm setzt 3 revolvierende Säulen ein, die jeweils vor dem Lauf geschaltet werden. Eith (2003), p. 30 Einführung in die Chromatographie p.25/36

55 Membransuppressoren Abbildung 15 aus Kontinuierlicher Betrieb, geringes Totvolumen E + wird durchh + ersetzt, Bildung vonha Eith (2003), p. 30 Einführung in die Chromatographie p.26/36

56 Membransuppressoren Abbildung 4.2 a) aus Hoher Schwefelsäurefluss nötig (ca ml/min 100 mmh 2 SO 4 ) Lucy (2004), p. 179 Einführung in die Chromatographie p.27/36

57 Membransuppressoren Abbildung 4.2 b) aus in situ Generation vonh + Lucy (2004), p. 179 Einführung in die Chromatographie p.27/36

58 Selektivität in der Ionenchromatographie Einführung in die Chromatographie p.28/36

59 Selektivitätskoeffizient Gleichgewicht für den Anionenaustausch: Harz N + R 3 E +A Harz N + R 3 A +E Einführung in die Chromatographie p.29/36

60 Selektivitätskoeffizient Gleichgewicht für den Anionenaustausch: Harz N + R 3 E +A Harz N + R 3 A +E SelektivitätskoeffizientK A : K A = [Harz N+ R 3 A ][E ] [Harz N + R 3 E ][A ] =[A ] S [E ] M [E ] S [A ] M Einführung in die Chromatographie p.29/36

61 Selektivitätskoeffizient Gleichgewicht für den Anionenaustausch: Harz N + R 3 E +A Harz N + R 3 A +E SelektivitätskoeffizientK A : K A = [Harz N+ R 3 A ][E ] [Harz N + R 3 E ][A ] =[A ] S [E ] M [E ] S [A ] M Da die Eluentionenkonzentrationen [E ] M und [E ] S näherungsweise konstant sind, ist der Selektivitätskoeffizient zum Verteilungskoeffizienten und damit auch zum Kapazitätsfaktor proportional. Einführung in die Chromatographie p.29/36

62 Eluenten: Betrieb mit Suppression Ein oder mehrere Elektrolyten im millimolaren Konzentrationsbereich in Wasser, eventuell zusätzlich ein organisches, mit Wasser mischbares Lösemittel. Eluentenstärke häufig eingesetzter Anionen: OH <HCO 3 <CO2 3 Einführung in die Chromatographie p.30/36

63 Eluenten: Betrieb mit Suppression Ein oder mehrere Elektrolyten im millimolaren Konzentrationsbereich in Wasser, eventuell zusätzlich ein organisches, mit Wasser mischbares Lösemittel. Eluentenstärke häufig eingesetzter Anionen: OH <HCO 3 <CO2 3 Anionen schwacher Säuren können vor der Detektion unterdrückt werden Einführung in die Chromatographie p.30/36

64 Eluenten: Betrieb mit Suppression Ein oder mehrere Elektrolyten im millimolaren Konzentrationsbereich in Wasser, eventuell zusätzlich ein organisches, mit Wasser mischbares Lösemittel. Eluentenstärke häufig eingesetzter Anionen: OH <HCO 3 <CO2 3 Anionen schwacher Säuren können vor der Detektion unterdrückt werden Für Kationen wirdh + verwendet, häufig aus Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure oder Methansulfonsäure Einführung in die Chromatographie p.30/36

65 Eluenten: Betrieb ohne Suppression Anionen aromatischer Carbonsäuren (z.b. o-phthalat) mit geringer Äquivalentleitfähigkeit Einführung in die Chromatographie p.31/36

66 Eluenten: Betrieb ohne Suppression Anionen aromatischer Carbonsäuren (z.b. o-phthalat) mit geringer Äquivalentleitfähigkeit Kationen:H + aus der Dissoziation schwacher organischer Säuren wie Oxalsäure, Citronensäure und Weinsäure, die auch als Chelatbildner für mehrwertige Metall-Kationen dienen Einführung in die Chromatographie p.31/36

67 Stationäre Phasen in der IC Abbildung 16 aus Eith (2003), p. 32 Einführung in die Chromatographie p.32/36

68 Stationäre Phasen in der IC Abbildung 16 aus Oberflächenfunktionalisierung (links): hohe chemische Stabilität Pellikulare Phasen: hohe chromatographische Effizienz Eith (2003), p. 32 Einführung in die Chromatographie p.33/36

69 Anionenaustauscher R N + R N + R N + OH R N + OH OH R N + OH OH OH TMA EDMA DMEA DEMA TEA Eine höhere Polarität ist günstig für die Elution mitoh, da dieses eine geringe Elutionskraft hat. Einführung in die Chromatographie p.34/36

70 Anionenaustauscher R N + R N + R N + OH R N + OH OH R N + OH OH OH TMA EDMA DMEA DEMA TEA Eine höhere Polarität ist günstig für die Elution mitoh, da dieses eine geringe Elutionskraft hat. Einflüsse auf die Retention: Coulomb-Distanz zwischen Anion und positiver Ladung durch sterische Hinderung Bindung der Hydrathülle durch polare Gruppen Einführung in die Chromatographie p.34/36

71 Kapazität von Ionenaustauschern Für analytische Anwendungen gilt in etwa: Niederkapazitive Materialien: Q < 100 µmol/g Q ist die Austauschkapazität des Packungsmaterials. Einführung in die Chromatographie p.35/36

72 Kapazität von Ionenaustauschern Für analytische Anwendungen gilt in etwa: Niederkapazitive Materialien: Q < 100 µmol/g Mittelkapazitive Materialien: 100 µmol/g < Q < 200 µmol/g Q ist die Austauschkapazität des Packungsmaterials. Einführung in die Chromatographie p.35/36

73 Kapazität von Ionenaustauschern Für analytische Anwendungen gilt in etwa: Niederkapazitive Materialien: Q < 100 µmol/g Mittelkapazitive Materialien: 100 µmol/g < Q < 200 µmol/g Hochkapazitive Materialien: Q > 100 µmol/g Q ist die Austauschkapazität des Packungsmaterials. Einführung in die Chromatographie p.35/36

74 Anionen mit/ohne Suppressor Figure 4.4 aus Lucy (2004), p. 183 Einführung in die Chromatographie p.36/36