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Einführung in die Chromatographie
Einführung in die Chromatographie Vorlesung WS 2007/2008 VAK 02-03-5-AnC2-1 Johannes Ranke Einführung in die Chromatographie – p.1/33 Programm 23. 30. 06. 13. 20. 27. 04. 11. 18. 08. 15. 22. 29. 05. 10. 10. 11. 11. 11. 11. 12. 12. 12. 01. 01. 01. 01. 02. 2007 2007 2007 2007 2007 2007 2007 2007 2007 2008 2008 2008 2008 2008 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 Detektoren Massenspektrometrische Detektoren Ionenchromatographie Gelpermeationschromatographie Trenntechniken für die Probenvorbereitung Beispiele aus Akademie und Praxis Einführung in die Chromatographie – p.2/33 Aufbau 1: Trägergas, 2: Injektor, 3: Trennsäule im Ofen, 4: Detektor (FID), 5: Signalaufzeichnung nach Wikipedia Einführung in die Chromatographie – p.3/33 Varianten der Probenaufgabe Injektion von Gasen Flüssiginjektion Headspace-Sampling Purge-and-trap Solid phase microextraction (SPME) Thermodesorption Pyrolyse Einführung in die Chromatographie – p.4/33 Säulentypen in der GC Gepackte Säulen Einführung in die Chromatographie – p.5/33 Säulentypen in der GC Gepackte Säulen Kapillarsäulen Einführung in die Chromatographie – p.5/33 Säulentypen in der GC Gepackte Säulen Kapillarsäulen Porous layer open tubular (PLOT) Einführung in die Chromatographie – p.5/33 Säulentypen in der GC Gepackte Säulen Kapillarsäulen Porous layer open tubular (PLOT) Wall coated open tubular (WCOT) Einführung in die Chromatographie – p.5/33 Flüssigkeiten als stationäre Phasen Kohlenwasserstoffe und fluorierte Kohlenwasserstoffe Einführung in die Chromatographie – p.6/33 Flüssigkeiten als stationäre Phasen Kohlenwasserstoffe und fluorierte Kohlenwasserstoffe Ether und Ester Einführung in die Chromatographie – p.6/33 Flüssigkeiten als stationäre Phasen Kohlenwasserstoffe und fluorierte Kohlenwasserstoffe Ether und Ester Ionische Flüssigkeiten Einführung in die Chromatographie – p.6/33 Flüssigkeiten als stationäre Phasen Kohlenwasserstoffe und fluorierte Kohlenwasserstoffe Ether und Ester Ionische Flüssigkeiten Polysiloxane Einführung in die Chromatographie – p.6/33 Common GC Phases Vorlesung Prof. Jastorff Einführung in die Chromatographie – p.7/33 Parametrisierung nach Abraham Summe aus Wechselwirkungsbeiträgen ∆gl Gi = lL + eE + sS + aA + bB + c lL Lochbildung und Dispersionskräfte eE Dispersionskräfte durch Polarisierbarkeit von i sS Dipolarität/Polarisierbarkeit von i aA H-Brücken mit i als H-Donor bB H-Brücken mit i als H-Akzeptor c Konstante aus der Regressionsrechnung Einführung in die Chromatographie – p.8/33 Selektivität von WCOT-Säulen Material Polydimethylsiloxan (PMS) Polymethyloctylsiloxan PMS, 5 % Diphenylsiloxan PMS, 35 % Diphenylsiloxan PMS, 65 % Diphenylsiloxan PMS, 20 % Trifluoropropylmethyls. PMS, 14 % Cyanopropylmethyls. Polycyanopropylsiloxan Polyethylenglycol l e s a 0.504 0.615 0.513 0.540 0.531 0.464 0.494 0.418 0.458 0 0 0 0 0.108 -0.340 -0.066 0 0.219 0.207 0.232 0.280 0.695 0.839 1.010 0.667 1.993 1.351 0.185 0 0.193 0.314 0.358 0.203 0.643 1.960 1.882 Poole (2003) p. 109 Einführung in die Chromatographie – p.9/33 Gasadsorptionschromatographie PLOT (Porous Layer Open Tubular) Säulen Material Tmax Anwendung Aluminiumoxid 200 Alkane, Alkene, Alkine und Aromaten von C1 bis C10 , sowie halogenierte C1 - und Kohlenwasserstoffe Molsieb (5A und 13X) 350 H2 , O2 , N2 , CH4 , Edelgase, kurzk. Alkane, aber keine Isomerentrennung Carbosieves 350 Anorganische Gase, sehr kurzk. Formaldehyd, HS Poröse Polymere: Q 310 S 250 U 190 C2 - Alkane, H2 O, Kohlenwasserstoffe von C1 bis C10 , sauerstoffhaltige Lösemittel (C1 bis C6 ), anorg. Gase Thiole, Amine, Nitroverbindungen, Wasser Poole (2003) p. 112 Einführung in die Chromatographie – p.10/33 Detektoren in der Gaschromatographie Einführung in die Chromatographie – p.11/33 Literatur Inczédy J., Lengyel T. und Urc A. M. Compendium of Analytical Nomenclature IUPAC (1997). R. Buffington und M. K. Wilson R. Vömel und J. Wendt (Übersetzer) Detektoren für die Gaschromatographie Hewlett Packard GmbH (1989). C. F. Poole The Essence of Chromatography Elsevier, Amsterdam (2003). Einführung in die Chromatographie – p.12/33 Detektoreigenschaften Sensitivität Einführung in die Chromatographie – p.13/33 Detektoreigenschaften Sensitivität Selektivität Einführung in die Chromatographie – p.13/33 Detektoreigenschaften Sensitivität Selektivität Linearer Bereich Einführung in die Chromatographie – p.13/33 Detektoreigenschaften Sensitivität Selektivität Linearer Bereich Anwendungsbereich Einführung in die Chromatographie – p.13/33 Detektoreigenschaften Sensitivität Selektivität Linearer Bereich Anwendungsbereich Strukturinformation Einführung in die Chromatographie – p.13/33 Detektoreigenschaften Sensitivität Selektivität Linearer Bereich Anwendungsbereich Strukturinformation Relative Kosten Einführung in die Chromatographie – p.13/33 Charakteristik A Linearer Bereich n Einführung in die Chromatographie – p.14/33 Charakteristik A Linearer Bereich Dynamischer Bereich n Einführung in die Chromatographie – p.14/33 Charakteristik A Linearer Bereich Dynamischer Bereich n Einführung in die Chromatographie – p.14/33 Charakteristik A Linearer Bereich Dynamischer Bereich n Einführung in die Chromatographie – p.14/33 Charakteristik A Linearer Bereich Dynamischer Bereich n Einführung in die Chromatographie – p.14/33 Charakteristik A Empfindlichkeit S = ∆A ∆n Linearer Bereich Dynamischer Bereich n Einführung in die Chromatographie – p.14/33 Rauschen — Noise Elektrische Stromkreise Einführung in die Chromatographie – p.15/33 Rauschen — Noise Elektrische Stromkreise Flussschwankungen Einführung in die Chromatographie – p.15/33 Rauschen — Noise Elektrische Stromkreise Flussschwankungen ... Einführung in die Chromatographie – p.15/33 Drift Temperaturschwankungen Einführung in die Chromatographie – p.16/33 Drift Temperaturschwankungen Gradientenelution Einführung in die Chromatographie – p.16/33 Drift Temperaturschwankungen Gradientenelution Kontamination der Säule Einführung in die Chromatographie – p.16/33 Drift Temperaturschwankungen Gradientenelution Kontamination der Säule Kontamination des Systems Einführung in die Chromatographie – p.16/33 Chromatographische Nachweisgrenze Festlegung des Minimums für das Verhältnis von Signal zu Rauschen (meist 3) Einführung in die Chromatographie – p.17/33 Chromatographische Nachweisgrenze Festlegung des Minimums für das Verhältnis von Signal zu Rauschen (meist 3) Quantifizierung des Rauschpegels "Peak to Peak" über ein mehrfaches der Peakbreite Einführung in die Chromatographie – p.17/33 Chromatographische Nachweisgrenze Festlegung des Minimums für das Verhältnis von Signal zu Rauschen (meist 3) Quantifizierung des Rauschpegels "Peak to Peak" über ein mehrfaches der Peakbreite Vergleich der Signalhöhe mit dem Rauschpegel Einführung in die Chromatographie – p.17/33 Chromatographische Nachweisgrenze Festlegung des Minimums für das Verhältnis von Signal zu Rauschen (meist 3) Quantifizierung des Rauschpegels "Peak to Peak" über ein mehrfaches der Peakbreite Vergleich der Signalhöhe mit dem Rauschpegel Alternativ: Ermittlung der Nachweisgrenze aus der Kalibrationskurve Einführung in die Chromatographie – p.17/33 Dynamische Bereiche WLD 10−15 10−12 10−9 10−6 10−3 g/s fg/s ppt pg/s ppb ng/s ppm µg/s mg/s ‰ 100 % Einführung in die Chromatographie – p.18/33 Dynamische Bereiche WLD FID 10−15 10−12 10−9 10−6 10−3 g/s fg/s ppt pg/s ppb ng/s ppm µg/s mg/s ‰ 100 % Einführung in die Chromatographie – p.18/33 Dynamische Bereiche WLD FID ECD 10−15 10−12 10−9 10−6 10−3 g/s fg/s ppt pg/s ppb ng/s ppm µg/s mg/s ‰ 100 % Einführung in die Chromatographie – p.18/33 Dynamische Bereiche WLD FID ECD NPD (N) 10−15 10−12 10−9 10−6 10−3 g/s fg/s ppt pg/s ppb ng/s ppm µg/s mg/s ‰ 100 % Einführung in die Chromatographie – p.18/33 Dynamische Bereiche WLD FID ECD NPD (N) NPD (P) 10−15 10−12 10−9 10−6 10−3 g/s fg/s ppt pg/s ppb ng/s ppm µg/s mg/s ‰ 100 % Einführung in die Chromatographie – p.18/33 Dynamische Bereiche WLD FID ECD NPD (N) NPD (P) FPD (S) 10−15 10−12 10−9 10−6 10−3 g/s fg/s ppt pg/s ppb ng/s ppm µg/s mg/s ‰ 100 % Einführung in die Chromatographie – p.18/33 Dynamische Bereiche WLD FID ECD NPD (N) NPD (P) FPD (S) FPD (P) 10−15 10−12 10−9 10−6 10−3 g/s fg/s ppt pg/s ppb ng/s ppm µg/s mg/s ‰ 100 % Einführung in die Chromatographie – p.18/33 Dynamische Bereiche WLD FID ECD NPD (N) NPD (P) FPD (S) FPD (P) PID 10−15 10−12 10−9 10−6 10−3 g/s fg/s ppt pg/s ppb ng/s ppm µg/s mg/s ‰ 100 % Einführung in die Chromatographie – p.18/33 Dynamische Bereiche WLD FID ECD NPD (N) NPD (P) FPD (S) FPD (P) PID MSD (SIM) 10−15 10−12 10−9 10−6 10−3 g/s fg/s ppt pg/s ppb ng/s ppm µg/s mg/s ‰ 100 % Einführung in die Chromatographie – p.18/33 Dynamische Bereiche WLD FID ECD NPD (N) NPD (P) FPD (S) FPD (P) PID MSD (SIM) AED 10−15 10−12 10−9 10−6 10−3 g/s fg/s ppt pg/s ppb ng/s ppm µg/s mg/s ‰ 100 % nach Hewlett Packard, 1989 Einführung in die Chromatographie – p.18/33 Überblick Konzentrationsabhängige, nicht-destruktive Detektoren: Einführung in die Chromatographie – p.19/33 Überblick Konzentrationsabhängige, nicht-destruktive Detektoren: Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD) Einführung in die Chromatographie – p.19/33 Überblick Konzentrationsabhängige, nicht-destruktive Detektoren: Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD) Photoionisationsdetektor (PID) Einführung in die Chromatographie – p.19/33 Überblick Konzentrationsabhängige, nicht-destruktive Detektoren: Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD) Photoionisationsdetektor (PID) Massenflussabhängige, destruktive Detektoren: Einführung in die Chromatographie – p.19/33 Überblick Konzentrationsabhängige, nicht-destruktive Detektoren: Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD) Photoionisationsdetektor (PID) Massenflussabhängige, destruktive Detektoren: Flammenionisationsdetektor (FID) Einführung in die Chromatographie – p.19/33 Überblick Konzentrationsabhängige, nicht-destruktive Detektoren: Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD) Photoionisationsdetektor (PID) Massenflussabhängige, destruktive Detektoren: Flammenionisationsdetektor (FID) Stickstoff-Phosphor-Detektor (NPD) Einführung in die Chromatographie – p.19/33 Überblick Konzentrationsabhängige, nicht-destruktive Detektoren: Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD) Photoionisationsdetektor (PID) Massenflussabhängige, destruktive Detektoren: Flammenionisationsdetektor (FID) Stickstoff-Phosphor-Detektor (NPD) Flammenphotometrischer Detektor (FPD) Einführung in die Chromatographie – p.19/33 Überblick Konzentrationsabhängige, nicht-destruktive Detektoren: Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD) Photoionisationsdetektor (PID) Massenflussabhängige, destruktive Detektoren: Flammenionisationsdetektor (FID) Stickstoff-Phosphor-Detektor (NPD) Flammenphotometrischer Detektor (FPD) Massenselektiver Detektor (MSD) Einführung in die Chromatographie – p.19/33 Überblick Konzentrationsabhängige, nicht-destruktive Detektoren: Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD) Photoionisationsdetektor (PID) Massenflussabhängige, destruktive Detektoren: Flammenionisationsdetektor (FID) Stickstoff-Phosphor-Detektor (NPD) Flammenphotometrischer Detektor (FPD) Massenselektiver Detektor (MSD) Atomemissionsdetektor (AED) Einführung in die Chromatographie – p.19/33 Wärmeleitfähigkeitsdetektor Der WLD (engl.: Thermal Conductivity Detector, TCD) misst die Wärmeleitfähigkeit der mobilen Phase am Säulenausgang im Vergleich zum reinen Trägergas (meist Helium). Flussmodulierter Detektor, Zellvolumen 3.5 µL, Schaltzeit 100 ms Hewlett Packard (1989), p. 2-4 Einführung in die Chromatographie – p.20/33 Eigenschaften WLD Nachweisgrenze: < 400 pg Propan/mL He ca. 25 ng s-1 bei 1 mL/min Dynamischer Bereich: 106 Selektivität: universell Typische Anwendung: Anorganische Gase Einführung in die Chromatographie – p.21/33 Flammenionisationsdetektor Der FID (engl.: Flame Ionisation Detector, FID) misst den Ionenstrom nach Oxidation der organischen Stoffe in der mobilen Phase in einer Wasserstoffflamme. Einfaches Schema eines FID Hewlett Packard (1989), p. 2-11 Einführung in die Chromatographie – p.22/33 Eigenschaften FID Nachweisgrenze: 10 - 100 pg, je nach Struktur bzw. < 1 pg C s-1 Dynamischer Bereich: 107 Selektivität: Organische Substanzen Ausnahmen: COH2 , hoch halogenierte Typische Anwendung: Serienanalysen, Reinheit Einführung in die Chromatographie – p.23/33 Fragmentkonstanten FID Atom Typ C C C C C C O O Effektive C-Atome aliphatisch aromatisch olefinisch Carbonyl Carboxyl Nitril Ether primärer Alkohol 1.0 1.0 0.95 0 0 0.3 -1 -0.5 Scannion and Willis, J Chromatogr Sci 23 (1985) 333 Einführung in die Chromatographie – p.24/33 Elektroneneinfangdetektor Der ECD (engl.: Electron Capture Detector) misst die Abschwächung des Elektronenflusses, der durch die Ionisierung des Trägergases durch β-Strahlung entsteht. Elektronegative Spezies fangen dabei entstehende thermische Elektronen ein. Einfacher ECD mit 63 Ni-Quelle, Temperaturlimit ca. 400 °C Hewlett Packard (1989), p. 2-23 Einführung in die Chromatographie – p.25/33 Eigenschaften ECD Nachweisgrenze: 0.05 bis 1 pg ca. 0.1 pg Cl s-1 Dynamischer Bereich: 104 Selektivität: Gasphasenelektrophile Typische Anwendung: Spurenanalytik Chlororganika Einführung in die Chromatographie – p.26/33 Responsefaktor Ai mst fi = Ast mi fi Ai Ast mi mst Responsefaktor der Substanz i Peakfläche der Substanz i Peakfläche des Standards (oft Benzol) Masse der Substanz i Masse des Standards Einführung in die Chromatographie – p.27/33 Responsefaktoren ECD Chemische Gruppe fi Kohlenwasserstoffe 1 Ether, Ester 10 Aliphatische Alkohole, Ktone, Amine, 100 mono-Cl, mono-F Mono-Br, di-Cl und di-F 1000 Anhydride und tri-Cl 10 000 Mono-I, Di-Br, poly-Cl und poly-F 100 000 Di-I, tri-Br, poly-Cl und poly-F 1 000 000 Einführung in die Chromatographie – p.28/33 Stickstoff-Phosphor-Detektor Der NPD misst den Strom thermischer Ionen, die in einer Wasserstoffflamme in Anwesenheit einer Alkalisalzperle gebildet werden. Einfaches Schema eines NPD Hewlett Packard (1989), p. 2-31 Einführung in die Chromatographie – p.29/33 Eigenschaften NPD Nachweisgrenze: 0.4 - 10 pg N-haltige 0.1 - 1 pg P-haltige Verb. Dynamischer Bereich: 104 Selektivität: N- und P-haltige org. Stoffe Ausnahmen: N2 , NH4 Typische Anwendung: Pestizidanalyse, klinische Chemie Einführung in die Chromatographie – p.30/33 Flammenphotometrischer Detektor Der FPD beruht auf der Chemolumineszenz schwefelund phosphorhaltiger Kohlenwasserstoffe sowie anderer, z.B. organometallischer Verbindungen in einer Wasserstoffflamme. Einfaches Schema eines FPD Hewlett Packard (1989), p. 2-38 Einführung in die Chromatographie – p.31/33 Eigenschaften FPD Nachweisgrenze: 20 pg S-haltige 1 pg N-haltige Verb. Dynamischer Bereich: 103 (S) bis 103 (P) Selektivität: 10 000 : 1 N bzw. P zu C Typische Anwendung: Phosphat-Pestizide, Zinnorganika Einführung in die Chromatographie – p.32/33 Dynamische Bereiche WLD FID ECD NPD (N) NPD (P) FPD (S) FPD (P) PID MSD (SIM) AED 10−15 10−12 10−9 10−6 10−3 g/s fg/s ppt pg/s ppb ng/s ppm µg/s mg/s ‰ 100 % nach Hewlett Packard, 1989 Einführung in die Chromatographie – p.33/33
