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Chromatografie
Die Chromatografie wurde von dem russischen Biologen Michael Tswett (1872-1919) im ersten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts erstmals zur Trennung von Farbstoffen aus Pflanzen angewandt. Es handelt sich dabei um ein Stofftrennungsverfahren, bei dem sich die Stoffe aufgrund unterschiedlicher Wechselwirkungen (Löslichkeit oder Adsorption) ihrer Komponenten mit einer zugegebenen Phase auftrennen.  
   
 
  Chromatogramme
 
Papier-Chromatogramme auf Filterpapier von verschiedenen, schwarzen Filzschreibern
 
   
Friedlieb Ferdinand Runge (1795-1867) legte mit seinen einfachen Papier-Chromatogrammen die Grundlagen für die moderne Chromatografie. Bei der Papier-Chromatografie (PC) (>Schülerübung) wird zum Beispiel ein Farbstoffgemisch auf einem punktförmigen Startpunkt eines Filterpapiers aufgetragen. Dann stellt man das Papier in einen Standzylinder und gibt ein geeignetes Lösungsmittel wie ein Ethanol-Wasser-Gemisch hinzu. Das Papier saugt sofort von unten her Wasser und dann Ethanol auf. Das Papier ist das Trägermaterial und stellt zusammen mit dem aufgesaugten Wasser die stationäre Phase dar. Die gelösten Farbstoffe steigen mit dem Ethanol auf. Manche Farbstoffe lösen sich besser in Ethanol, manche schlechter. Die weniger löslichen Farbstoffe werden vom Ethanol weniger zurückgehalten und steigen schneller auf. So trennt sich das Farbstoffgemisch in seine Komponenten. Der aufsteigende Ethanol als Fließmittel wird als mobile Phase bezeichnet.  
   
 
Papier- und Dünnschicht-Chromatorafie
 
Prinzip der Papier- und Dünnschicht-Chromatografie
 
 
Bei der Papier-Chromatografie handelt es sich um eine sogenannte Verteilungs-Chromatografie. Bei dieser Form ist die stationäre Phase ein dünner Flüssigkeitsfilm (im Beispiel Wasser), der an der Oberfläche des festen Trägermaterials haftet (im Beispiel Papier). Bei der Adsorptions-Chromatografie besteht die stationäre Phase aus einem Feststoff, und die zu trennenden Stoffkomponenten werden an der Oberfläche adsorbiert. Oft treten bei einer Chromatografie beide Effekte gleichzeitig auf.  
  
  
Dünnschicht-Chromatografie  
  
Bei der Dünnschicht-Chromatografie (DC) (>Schülerübung) werden anstelle von Papier fein pulverisierte Materialien wie Kieselgel, Cellulose oder Aluminiumoxid auf dünne Glasplättchen aufgetragen. Sie beruht auf dem gleichen Prinzip wie die Papier-Chromatografie. Ihre Vorteile liegen in einer schnellen Laufzeit und in einer hohen Nachweisempfindlichkeit. Die Trägermaterialien sind im Handel als fertige DC-Folien erhältlich. Die Methoden der Dünnschicht-Chromatografie entwickelte der deutsche Pharmazeut Egon Stahl (1924-1986). Mit Hilfe dieser Methode kann man beispielsweise die Farbstoffe in den Blättern von Laubbäumen bestimmen. 
   
  
Säulen-Chromatografie  
  
Bei der von Michael Tswett entwickelten Säulen-Chromatografie (SC) dient ein Glasrohr, das mit einem Trägermaterial gefüllt ist, zum Chromatografieren. Tswett verwendete pulverisiertes Calciumcarbonat, das er in Petrolether aufschlämmte. Heute verwendet man Kieselgel, Cellulose, Stärke oder Aluminiumoxid als stationäre Trägermaterialien. Gibt man auf die Säule einen Petrolether-Extrakt von grünen Blattfarbstoffen, läuft das mobile Fließmittel nach unten, und die Pflanzenfarbstoffe trennen sich auf. Die Säulen-Chromatografie eignet sich besonders zum Auftrennen größerer Stoffmengen.  
   
  
  Säulenchromatografie

 Prinzip der Säulenchromatografie
   
   
Ionenaustausch-Chromatografie  
  
Bei der Ionenaustausch-Chromatografie kann die gleiche Apparatur wie bei der Säulenchromatografie verwendet werden. als Trägermaterial für die mobile Phase eignen sich Stoffe, die Kationen oder Anionen (vgl. >Ionen) an sich binden können und dabei andere Moleküle im Austausch abgegeben. Nach diesem Prinzip gewinnt man im Labor mit einem Ionenaustausch-Gerät "destilliertes" Wasser.  
    
  
Kationen-Austauscher
 
Polystyrolsulfonsäure-Harz in H+-Form als Kationen-Austauscher
   
   
Kationen-Austauscher enthalten chemisch gebundene Sulfonsäure-Gruppen (-SO3H) oder Carboxy-Gruppen (-COOH), die als Protonenspender fungieren. Zunächst reagieren die H+-Ionen der Kationen-Austauscher mit Wasser-Molekülen zu H3O+-Ionen. Diese können im Austausch gegen positiv geladene Kationen (aus der Lösung) wieder abgegeben werden. Bei den Anionen-Austauschern werden Hydroxid-Ionen (OH-) gegen Anionen aus der Lösung ausgetauscht. Die Ionenaustausch-Chromatografie dient im Labor besonders zur Trennung von Aminosäuren. Bei der technischen Wasserreinigung zur Trinkwassergewinnung kann man mit Hilfe des Verfahrens Schwermetall-Ionen aus dem Wasser abtrennen.  
   
  
Gas-Chromatografie  
  
Nach dem Zweiten Weltkrieg wurden Verfahren entwickelt, bei denen Gase als mobile Phase bei der Chromatografie dienten. Bei der Gas-Chromatografie (GC) lassen sich Gemische aus Gasen oder verdampfbaren (in der Regel organischen) Stoffen trennen. Als mobile Trägergase dienen Helium, Argon, Stickstoff oder einfach Luft wie in unserem Beispiel. Statt einer Säule werden spiralförmige Rohre mit geringem Durchmesser (wenige Millimeter) verwendet, durch die der Gasstrom geleitet wird. Die Säulen werden mit einem Trägermaterial (meist Kieselgel mit Siliconöl) als stationäre Phase befüllt. Das zu anlaysierende Stoffgemisch wird mit Hilfe einer Mikrospritze vor der Trennsäule am Probeneinlass in den Gasstrom injiziert.  
    
      
  
Die zu trennenden Stoffe laufen aufgrund ihres unterschiedlichen Lösungs- oder Adsorptionsverhaltens unterschiedlich schnell durch die stationäre Phase in der Säule. Am Ende der Säule misst ein sehr empfindlicher Wärmeleitfähigkeits-Detektor (WDL) auftretende Temperaturschwankungen. Kleine Moleküle unterscheiden sich stark von der Wärmeleitfähigkeit größerer Moleküle. Sobald eine aufgetrennte Komponente des ursprünglichen Stoffgemischs aus der Säule austritt, findet eine Temperaturerhöhung statt. Der Detektor misst die Änderung und stellt sie über eine elektronische Steuerungseinheit als Peak dar. Einfache Gaschromatografen zeigen den Peak nur als Ausschlag bei einem Messgerät. Schreibgeräte, durch die eine Papierbahn läuft, zeigen ein grafisch dargestelltes Zeit-Ausschlags-Diagramm.  
    
     
An der Reihenfolge und der Höhe der Peaks können die Stoffkomponenten bestimmt werden. Die Zeitmessung beginnt nach dem Auftreten des Trägergas-Peaks, in unserem Fall beim Luft-Peak, t=0). Die Zeitspanne bis zum Auftreten der weiteren Peaks wird als Retentionszeit bezeichnet (Propan t1, Butan t2). Die Flächenmaße des Peaks geben auch Aufschluss über die Konzentrationen der vorliegenden Komponenten. Im Beispiel war im Gasgemisch mehr Butan als Propan enthalten.

Moderne Gas-Chromatografen besitzen computergesteuerte Auswertungsprogramme. Sie weisen noch Stoffe in Konzentrationen von weniger als 1 Millionstel ppm nach. Zur Einstellung einer konstanten Temperatur liegt die Trennsäule bei Gas-Chromatografen oft in einem Wasserbad, das durch einen Thermostat gesteuert wird.
  
 
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