Einführung in die Chromatographie

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1 Einführung in die Chromatographie Vorlesung WS 2007/2008 VAK AnC2-1 Johannes Ranke Einführung in die Chromatographie p.1/34

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.2/34

3 Überblick Kopplungstechniken Einführung in die Chromatographie p.3/34

4 Überblick Kopplungstechniken HPLC-UV/DAD Einführung in die Chromatographie p.3/34

5 Überblick Kopplungstechniken HPLC-UV/DAD GC-IR Einführung in die Chromatographie p.3/34

6 Überblick Kopplungstechniken HPLC-UV/DAD GC-IR Typen von Massenspektrometern Einführung in die Chromatographie p.3/34

7 Überblick Kopplungstechniken HPLC-UV/DAD GC-IR Typen von Massenspektrometern GC-MS Einführung in die Chromatographie p.3/34

8 Überblick Kopplungstechniken HPLC-UV/DAD GC-IR Typen von Massenspektrometern GC-MS HPLC-MS Einführung in die Chromatographie p.3/34

9 Literatur R. Kellner, J.-M. Mermet, M. Otto und H. M. Widmer (Eds.) Analytical Chemistry Wiley-VCH, Weinheim (1998). M. McMaster und C. McMaster GC/MS: A practical user s guide Wiley-VCH, New York (1998). W. M. A. Niessen und J. van der Greef Liquid Chromatography Mass Spectrometry Chromatography Series Volume 58, M. Dekker, New York (1992). Einführung in die Chromatographie p.4/34

10 Kopplungstechniken in der Chromatographie Einführung in die Chromatographie p.5/34

11 Kopplungstechniken Koppeln von Trennmethoden unterschiedlicher Selektivität Einführung in die Chromatographie p.6/34

12 Kopplungstechniken Koppeln von Trennmethoden unterschiedlicher Selektivität zwei chromatographische Methoden (z.b. HPLC-GC) Einführung in die Chromatographie p.6/34

13 Kopplungstechniken Koppeln von Trennmethoden unterschiedlicher Selektivität zwei chromatographische Methoden (z.b. HPLC-GC) zwei spektroskopische Techniken (z.b. MS-MS) Einführung in die Chromatographie p.6/34

14 Kopplungstechniken Koppeln von Trennmethoden unterschiedlicher Selektivität zwei chromatographische Methoden (z.b. HPLC-GC) zwei spektroskopische Techniken (z.b. MS-MS) chromatographische Trennung mit spektroskopischer Detektion (z.b. GC-MS) Einführung in die Chromatographie p.6/34

15 Kopplungstechniken Koppeln von Trennmethoden unterschiedlicher Selektivität zwei chromatographische Methoden (z.b. HPLC-GC) zwei spektroskopische Techniken (z.b. MS-MS) chromatographische Trennung mit spektroskopischer Detektion (z.b. GC-MS) Schnittstelle Einführung in die Chromatographie p.6/34

16 Kopplungstechniken Koppeln von Trennmethoden unterschiedlicher Selektivität zwei chromatographische Methoden (z.b. HPLC-GC) zwei spektroskopische Techniken (z.b. MS-MS) chromatographische Trennung mit spektroskopischer Detektion (z.b. GC-MS) Schnittstelle Computersystem Einführung in die Chromatographie p.6/34

17 Strukturaufklärung Flüssigkeiten und Gase: (Kleine) organische Verbindungen Einführung in die Chromatographie p.7/34

18 Strukturaufklärung Flüssigkeiten und Gase: (Kleine) organische Verbindungen UV/VI Einführung in die Chromatographie p.7/34

19 Strukturaufklärung Flüssigkeiten und Gase: (Kleine) organische Verbindungen UV/VI IR Einführung in die Chromatographie p.7/34

20 Strukturaufklärung Flüssigkeiten und Gase: (Kleine) organische Verbindungen UV/VI IR MS Einführung in die Chromatographie p.7/34

21 Strukturaufklärung Flüssigkeiten und Gase: (Kleine) organische Verbindungen UV/VI IR Strukturinformation MS NMR Einführung in die Chromatographie p.7/34

22 Strukturaufklärung Flüssigkeiten und Gase: (Kleine) organische Verbindungen UV/VI IR Strukturinformation MS NMR Elementaranalyse Einführung in die Chromatographie p.7/34

23 Strukturaufklärung Flüssigkeiten und Gase: (Kleine) organische Verbindungen UV/VI IR Strukturinformation MS NMR Elementaranalyse AAS Einführung in die Chromatographie p.7/34

24 Strukturaufklärung Flüssigkeiten und Gase: (Kleine) organische Verbindungen UV/VI IR Strukturinformation MS NMR Elementaranalyse AAS AES Einführung in die Chromatographie p.7/34

25 HPLC mit UV Diodenarray-Detektor Einführung in die Chromatographie p.8/34

26 UV/VIS Spektrographie Gaschromatographischer Fluss ist zu verdünnt Einführung in die Chromatographie p.9/34

27 UV/VIS Spektrographie Gaschromatographischer Fluss ist zu verdünnt Einfache Kopplung der HPLC mit dem DAD Einführung in die Chromatographie p.9/34

28 UV/VIS Spektrographie Gaschromatographischer Fluss ist zu verdünnt Einfache Kopplung der HPLC mit dem DAD Weniger empfindlich als ein durchstimmbarer UV/VIS Detektor (VWD) Einführung in die Chromatographie p.9/34

29 UV/VIS Spektrographie Gaschromatographischer Fluss ist zu verdünnt Einfache Kopplung der HPLC mit dem DAD Weniger empfindlich als ein durchstimmbarer UV/VIS Detektor (VWD) Wenig Strukturinformation Einführung in die Chromatographie p.9/34

30 UV/VIS Spektrographie Gaschromatographischer Fluss ist zu verdünnt Einfache Kopplung der HPLC mit dem DAD Weniger empfindlich als ein durchstimmbarer UV/VIS Detektor (VWD) Wenig Strukturinformation Wenn Standards vorhanden sind, Bestimmung der Peak-Reinheit möglich Einführung in die Chromatographie p.9/34

31 UV/VIS Diodenarraydetektor Abbildung aus G: Brechungsgitter PDA: Photodiodenarray Lough/Wainer 1996, p. 121 Einführung in die Chromatographie p.10/34

32 Multiple Wellenlängen Abbildung aus Lough/Wainer 1996, p. 121 Einführung in die Chromatographie p.11/34

33 3D Chromatogramme Einführung in die Chromatographie p.12/34

34 Peak-Reinheit Einführung in die Chromatographie p.13/34

35 GC mit IR-Detektion Einführung in die Chromatographie p.14/34

36 Infrarot Funktionelle Gruppen ( cm 1 ) Einführung in die Chromatographie p.15/34

37 Infrarot Funktionelle Gruppen ( cm 1 ) Bestimmte Moleküle (unter 1500 cm 1 ) Einführung in die Chromatographie p.15/34

38 Infrarot Funktionelle Gruppen ( cm 1 ) Bestimmte Moleküle (unter 1500 cm 1 ) Zu viel IR-Absorption in der HPLC Einführung in die Chromatographie p.15/34

39 Infrarot Funktionelle Gruppen ( cm 1 ) Bestimmte Moleküle (unter 1500 cm 1 ) Zu viel IR-Absorption in der HPLC GC-FTIR schnelle und empfindliche Aufnahme von Spektren Einführung in die Chromatographie p.15/34

40 Infrarot Funktionelle Gruppen ( cm 1 ) Bestimmte Moleküle (unter 1500 cm 1 ) Zu viel IR-Absorption in der HPLC GC-FTIR schnelle und empfindliche Aufnahme von Spektren GC-IR Schnittstellen Light pipe Cold trap Einführung in die Chromatographie p.15/34

41 GC-FTIR lightpipe interface Abbildung aus Kellner et al. 1998, p. 836 Einführung in die Chromatographie p.16/34

42 GC-FTIR cold trap interface Abbildung aus Kellner et al. 1998, p. 836 Einführung in die Chromatographie p.17/34

43 GC-FTIR Chromatogramm Abbildung aus Kellner et al. 1998, p. 838 Einführung in die Chromatographie p.18/34

44 Typen von Massenspektrometern Einführung in die Chromatographie p.19/34

45 Massenspektrometer Sektorfeld Einführung in die Chromatographie p.20/34

46 Massenspektrometer Sektorfeld Quadrupol Einführung in die Chromatographie p.20/34

47 Massenspektrometer Sektorfeld Quadrupol Ionenfalle Einführung in die Chromatographie p.20/34

48 Massenspektrometer Sektorfeld Quadrupol Ionenfalle Time of Flight (TOF) Einführung in die Chromatographie p.20/34

49 Massenspektrometer Sektorfeld Quadrupol Ionenfalle Time of Flight (TOF) Ion cyclotron resonance (ICR) Einführung in die Chromatographie p.20/34

50 Massenspektrometer Sektorfeld Quadrupol Ionenfalle Time of Flight (TOF) Ion cyclotron resonance (ICR) Kombinationen Einführung in die Chromatographie p.20/34

51 Quadrupol Massenspektrometer Abbildung aus Niessen/van der Greef 1992, p. 37 Universell einsetzbarer Massenfilter Einführung in die Chromatographie p.21/34

52 Quadrupol Massenspektrometer Abbildung aus Niessen/van der Greef 1992, p. 37 Universell einsetzbarer Massenfilter Häufige Anwendung in GC-MS und HPLC-MS Einführung in die Chromatographie p.21/34

53 Quadrupol Massenspektrometer Abbildung aus Niessen/van der Greef 1992, p. 37 Universell einsetzbarer Massenfilter Häufige Anwendung in GC-MS und HPLC-MS MS-MS und MS 3 Anwendungen Einführung in die Chromatographie p.21/34

54 Ionenfallen-Massenspektrometer Abbildung aus Niessen/van der Greef 1992, p. 39 "Scannen" von Massen durch Ringelektrode Einführung in die Chromatographie p.22/34

55 Ionenfallen-Massenspektrometer Niessen/van der Greef 1992, p. 39 Abbildung aus "Scannen" von Massen durch Ringelektrode Dynamischer Bereich von ca Einführung in die Chromatographie p.22/34

56 Ionenfallen-Massenspektrometer Niessen/van der Greef 1992, p. 39 Abbildung aus "Scannen" von Massen durch Ringelektrode Dynamischer Bereich von ca MS n Experimente Einführung in die Chromatographie p.22/34

57 Elektrodenkonfiguration Figure 12.2 aus McMaster (1998), p. 123 Einführung in die Chromatographie p.23/34

58 Ionenfalle Ionen werden auf stabilen Trajektorien "gespeichert" Figure 12.4 aus McMaster (1998), p. 125 Einführung in die Chromatographie p.24/34

59 Ionenfalle Figure 12.4 aus Ionen werden auf stabilen Trajektorien "gespeichert" Sukzessive Destabilisierung zunehmender m/z-werte McMaster (1998), p. 125 Einführung in die Chromatographie p.24/34

60 Ionenfalle Figure 12.4 aus McMaster (1998), p. 125 Ionen werden auf stabilen Trajektorien "gespeichert" Sukzessive Destabilisierung zunehmender m/z-werte Kollisionen mit Inertgas wie He induzieren Fragmentionen Einführung in die Chromatographie p.24/34

61 Ionisationstechniken Electron impact (EI) Einführung in die Chromatographie p.25/34

62 Ionisationstechniken Electron impact (EI) Chemical ionization (CI) Einführung in die Chromatographie p.25/34

63 Ionisationstechniken Electron impact (EI) Chemical ionization (CI) Ion evaporation (TSI, ESI) Einführung in die Chromatographie p.25/34

64 Ionisationstechniken Electron impact (EI) Chemical ionization (CI) Ion evaporation (TSI, ESI) Fast atom bombardment (FAB) Einführung in die Chromatographie p.25/34

65 Electron impact ionization (EI) Hochvakuum-Ionenquelle (10 3 Pa) v.a. für GC-MS Einführung in die Chromatographie p.26/34

66 Electron impact ionization (EI) Hochvakuum-Ionenquelle (10 3 Pa) v.a. für GC-MS Sehr gut reproduzierbare Spektren Einführung in die Chromatographie p.26/34

67 Electron impact ionization (EI) Hochvakuum-Ionenquelle (10 3 Pa) v.a. für GC-MS Sehr gut reproduzierbare Spektren Standardenergie 70 ev Einführung in die Chromatographie p.26/34

68 Electron impact ionization (EI) Hochvakuum-Ionenquelle (10 3 Pa) v.a. für GC-MS Sehr gut reproduzierbare Spektren Standardenergie 70 ev Fragmentierung der Analyten Einführung in die Chromatographie p.26/34

69 Chemische Ionisation (CI) Höhere Drücke (1-200 Pa) Einführung in die Chromatographie p.27/34

70 Chemische Ionisation (CI) Höhere Drücke (1-200 Pa) Methan, Isobutan, Ammoniak oder Wasser als Reaktionspartner Einführung in die Chromatographie p.27/34

71 Chemische Ionisation (CI) Höhere Drücke (1-200 Pa) Methan, Isobutan, Ammoniak oder Wasser als Reaktionspartner "Sanfte" Ionisierung weniger Fragmentierung Einführung in die Chromatographie p.27/34

72 Chemische Ionisation (CI) Höhere Drücke (1-200 Pa) Methan, Isobutan, Ammoniak oder Wasser als Reaktionspartner "Sanfte" Ionisierung weniger Fragmentierung Empfindlichkeit und Selektivität abhängig vom Reaktionsgas Einführung in die Chromatographie p.27/34

73 Chemische Ionisation (CI) Höhere Drücke (1-200 Pa) Methan, Isobutan, Ammoniak oder Wasser als Reaktionspartner "Sanfte" Ionisierung weniger Fragmentierung Empfindlichkeit und Selektivität abhängig vom Reaktionsgas Atmospheric pressure chemical ionization (APCI) für die HPLC Einführung in die Chromatographie p.27/34

74 HPLC-MS Einführung in die Chromatographie p.28/34

75 HPLC-MS interfaces Thermospray Einführung in die Chromatographie p.29/34

76 HPLC-MS interfaces Thermospray Particle beam Einführung in die Chromatographie p.29/34

77 HPLC-MS interfaces Thermospray Particle beam Atmospheric pressure ionization Einführung in die Chromatographie p.29/34

78 HPLC-MS interfaces Thermospray Particle beam Atmospheric pressure ionization Heated nebulizer (APCI) Einführung in die Chromatographie p.29/34

79 HPLC-MS interfaces Thermospray Particle beam Atmospheric pressure ionization Heated nebulizer (APCI) Electrospray (ESI) Einführung in die Chromatographie p.29/34

80 HPLC-MS interfaces Thermospray Particle beam Atmospheric pressure ionization Heated nebulizer (APCI) Electrospray (ESI) Ion spray (ISP) Einführung in die Chromatographie p.29/34

81 Thermospray interface Abbildung aus Kellner et al. 1998, p. 845 Einführung in die Chromatographie p.30/34

82 Particle beam interface Desolvatisierung des Aerosols Abbildung aus Kellner et al. 1998, p. 846 Einführung in die Chromatographie p.31/34

83 Particle beam interface Kellner et al. 1998, p. 846 Abbildung aus Desolvatisierung des Aerosols Ionisierung durch EI oder CI Einführung in die Chromatographie p.31/34

84 Particle beam interface Kellner et al. 1998, p. 846 Abbildung aus Desolvatisierung des Aerosols Ionisierung durch EI oder CI Geringe, variable Empfindlichkeit Einführung in die Chromatographie p.31/34

85 APCI Abbildung aus Kellner et al. 1998, p. 847 Corona Entladung Einführung in die Chromatographie p.32/34

86 APCI Abbildung aus Kellner et al. 1998, p. 847 Corona Entladung Hohe Ionenausbeute Einführung in die Chromatographie p.32/34

87 APCI Abbildung aus Kellner et al. 1998, p. 847 Corona Entladung Hohe Ionenausbeute Geringe Transfereffizienz Einführung in die Chromatographie p.32/34

88 Electrospray interface Stickstoff als Trockengas Abbildung aus Kellner et al. 1998, p. 848 Einführung in die Chromatographie p.33/34

89 Electrospray interface Stickstoff als Trockengas Abbildung aus Kellner et al. 1998, p. 848 Einführung in die Chromatographie p.33/34

90 Electrospray interface Stickstoff als Trockengas Abbildung aus Kellner et al. 1998, p. 848 Einführung in die Chromatographie p.33/34

91 MS Anwendungen Abbildung aus Kellner et al. 1998, p. 848 Einführung in die Chromatographie p.34/34

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