Einführung in die ChromatographieVorlesung WS 2007/2008

VAK 02-03-5-AnC2-1

Johannes Ranke

Einführung in die Chromatographie – p.1/33

Programm

23. 10. 2007 Trennmethoden im Überblick und Geschichte der Chromatographie30. 10. 2007 Thermodynamik der Stofftrennung06. 11. 2007 Stofftransport und intermolekulare Wechselwirkungen13. 11. 2007 Präparative Chromatographie und Dünnschichtchromatographie20. 11. 2007 Kenngrößen für die Säulenchromatographie27. 11. 2007 Gaschromatographie: Probenaufgabe und Trennsäulen04. 12. 2007 Gaschromatographie: Detektoren und Quantifizi erung11. 12. 2007 Flüssigkeits-Chromatographie: Trennsäulen und Laufmittel18. 12. 2007 Flüssigkeits-Chromatographie: Gradienten und Detektoren08. 01. 2008 Massenspektrometrische Detektoren15. 01. 2008 Ionenchromatographie22. 01. 2008 Gelpermeationschromatographie29. 01. 2008 Trenntechniken für die Probenvorbereitung05. 02. 2008 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

KapillarsäulenPorous layer open tubular (PLOT)

Einführung in die Chromatographie – p.5/33

Säulentypen in der GC

Gepackte Säulen

KapillarsäulenPorous layer open tubular (PLOT)Wall coated open tubular (WCOT)

Einführung in die Chromatographie – p.5/33

Flüssigkeiten als stationäre Phasen

Kohlenwasserstoffe und fluorierteKohlenwasserstoffe

Einführung in die Chromatographie – p.6/33

Flüssigkeiten als stationäre Phasen

Kohlenwasserstoffe und fluorierteKohlenwasserstoffe

Ether und Ester

Einführung in die Chromatographie – p.6/33

Flüssigkeiten als stationäre Phasen

Kohlenwasserstoffe und fluorierteKohlenwasserstoffe

Ether und Ester

Ionische Flüssigkeiten

Einführung in die Chromatographie – p.6/33

Flüssigkeiten als stationäre Phasen

Kohlenwasserstoffe und fluorierteKohlenwasserstoffe

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

∆glGi = 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 l e s a

Polydimethylsiloxan (PMS) 0.504 0 0.207 0.185Polymethyloctylsiloxan 0.615 0 0.232 0PMS, 5 % Diphenylsiloxan 0.513 0 0.280 0.193PMS, 35 % Diphenylsiloxan 0.540 0 0.695 0.314PMS, 65 % Diphenylsiloxan 0.531 0.108 0.839 0.358PMS, 20 % Trifluoropropylmethyls. 0.464 -0.340 1.010 0.203PMS, 14 % Cyanopropylmethyls. 0.494 -0.066 0.667 0.643Polycyanopropylsiloxan 0.418 0 1.993 1.960Polyethylenglycol 0.458 0.219 1.351 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 C1bis C10, sowie halogenierte C1- und C2-Kohlenwasserstoffe

Molsieb 350 H2, O2, N2, CH4, Edelgase, kurzk. Alkane,(5A und 13X) aber keine Isomerentrennung

Carbosieves 350 Anorganische Gase, sehr kurzk. Alkane, H2O,Formaldehyd, HS

Poröse Polymere:Q 310 Kohlenwasserstoffe von C1 bis C10, sauerstoff-S 250 haltige Lösemittel (C1 bis C6), anorg. GaseU 190 Thiole, Amine, Nitroverbindungen, Wasser

Poole (2003) p. 112

Einführung in die Chromatographie – p.10/33

Detektoren in derGaschromatographie

Einführung in die Chromatographie – p.11/33

Literatur

Inczédy J., Lengyel T. und Urc A. M.Compendium of Analytical NomenclatureIUPAC (1997).

R. Buffington und M. K. WilsonR. Vömel und J. Wendt (Übersetzer)Detektoren für die GaschromatographieHewlett Packard GmbH (1989).

C. F. PooleThe Essence of ChromatographyElsevier, 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

n

A

Linearer Bereich

Einführung in die Chromatographie – p.14/33

Charakteristik

n

A

Linearer BereichDynamischer Bereich

Einführung in die Chromatographie – p.14/33

Charakteristik

n

A

Linearer BereichDynamischer Bereich

Einführung in die Chromatographie – p.14/33

Charakteristik

n

A

Linearer BereichDynamischer Bereich

Einführung in die Chromatographie – p.14/33

Charakteristik

n

A

Linearer BereichDynamischer Bereich

Einführung in die Chromatographie – p.14/33

Charakteristik

n

A

Linearer BereichDynamischer Bereich

Empfindlichkeit S = ∆A∆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 vonSignal zu Rauschen (meist 3)

Einführung in die Chromatographie – p.17/33

Chromatographische Nachweisgrenze

Festlegung des Minimums für das Verhältnis vonSignal zu Rauschen (meist 3)

Quantifizierung des Rauschpegels "Peak toPeak" über ein mehrfaches der Peakbreite

Einführung in die Chromatographie – p.17/33

Chromatographische Nachweisgrenze

Festlegung des Minimums für das Verhältnis vonSignal zu Rauschen (meist 3)

Quantifizierung des Rauschpegels "Peak toPeak" 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 vonSignal zu Rauschen (meist 3)

Quantifizierung des Rauschpegels "Peak toPeak" über ein mehrfaches der Peakbreite

Vergleich der Signalhöhe mit dem Rauschpegel

Alternativ: Ermittlung der Nachweisgrenze aus derKalibrationskurve

Einführung in die Chromatographie – p.17/33

Dynamische Bereiche

10−15

fg/sppt

10−12

pg/sppb

10−9

ng/sppm

10−6

µg/s

‰

10−3 g/s

mg/s

100 %

WLD

Einführung in die Chromatographie – p.18/33

Dynamische Bereiche

10−15

fg/sppt

10−12

pg/sppb

10−9

ng/sppm

10−6

µg/s

‰

10−3 g/s

mg/s

100 %

WLDFID

Einführung in die Chromatographie – p.18/33

Dynamische Bereiche

10−15

fg/sppt

10−12

pg/sppb

10−9

ng/sppm

10−6

µg/s

‰

10−3 g/s

mg/s

100 %

WLDFID

ECD

Einführung in die Chromatographie – p.18/33

Dynamische Bereiche

10−15

fg/sppt

10−12

pg/sppb

10−9

ng/sppm

10−6

µg/s

‰

10−3 g/s

mg/s

100 %

WLDFID

ECDNPD (N)

Einführung in die Chromatographie – p.18/33

Dynamische Bereiche

10−15

fg/sppt

10−12

pg/sppb

10−9

ng/sppm

10−6

µg/s

‰

10−3 g/s

mg/s

100 %

WLDFID

ECDNPD (N)

NPD (P)

Einführung in die Chromatographie – p.18/33

Dynamische Bereiche

10−15

fg/sppt

10−12

pg/sppb

10−9

ng/sppm

10−6

µg/s

‰

10−3 g/s

mg/s

100 %

WLDFID

ECDNPD (N)

NPD (P)FPD (S)

Einführung in die Chromatographie – p.18/33

Dynamische Bereiche

10−15

fg/sppt

10−12

pg/sppb

10−9

ng/sppm

10−6

µg/s

‰

10−3 g/s

mg/s

100 %

WLDFID

ECDNPD (N)

NPD (P)FPD (S)

FPD (P)

Einführung in die Chromatographie – p.18/33

Dynamische Bereiche

10−15

fg/sppt

10−12

pg/sppb

10−9

ng/sppm

10−6

µg/s

‰

10−3 g/s

mg/s

100 %

WLDFID

ECDNPD (N)

NPD (P)FPD (S)

FPD (P)PID

Einführung in die Chromatographie – p.18/33

Dynamische Bereiche

10−15

fg/sppt

10−12

pg/sppb

10−9

ng/sppm

10−6

µg/s

‰

10−3 g/s

mg/s

100 %

WLDFID

ECDNPD (N)

NPD (P)FPD (S)

FPD (P)PID

MSD (SIM)

Einführung in die Chromatographie – p.18/33

Dynamische Bereiche

10−15

fg/sppt

10−12

pg/sppb

10−9

ng/sppm

10−6

µg/s

‰

10−3 g/s

mg/s

100 %

WLDFID

ECDNPD (N)

NPD (P)FPD (S)

FPD (P)PID

MSD (SIM)AED

nach Hewlett Packard, 1989

Einführung in die Chromatographie – p.18/33

Überblick

Konzentrationsabhängige, nicht-destruktiveDetektoren:

Einführung in die Chromatographie – p.19/33

Überblick

Konzentrationsabhängige, nicht-destruktiveDetektoren:

Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD)

Einführung in die Chromatographie – p.19/33

Überblick

Konzentrationsabhängige, nicht-destruktiveDetektoren:

Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD)Photoionisationsdetektor (PID)

Einführung in die Chromatographie – p.19/33

Überblick

Konzentrationsabhängige, nicht-destruktiveDetektoren:

Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD)Photoionisationsdetektor (PID)

Massenflussabhängige, destruktive Detektoren:

Einführung in die Chromatographie – p.19/33

Überblick

Konzentrationsabhängige, nicht-destruktiveDetektoren:

Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD)Photoionisationsdetektor (PID)

Massenflussabhängige, destruktive Detektoren:Flammenionisationsdetektor (FID)

Einführung in die Chromatographie – p.19/33

Überblick

Konzentrationsabhängige, nicht-destruktiveDetektoren:

Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD)Photoionisationsdetektor (PID)

Massenflussabhängige, destruktive Detektoren:Flammenionisationsdetektor (FID)Stickstoff-Phosphor-Detektor (NPD)

Einführung in die Chromatographie – p.19/33

Überblick

Konzentrationsabhängige, nicht-destruktiveDetektoren:

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-destruktiveDetektoren:

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-destruktiveDetektoren:

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

WärmeleitfähigkeitsdetektorDer WLD (engl.: Thermal Conductivity Detector, TCD) misstdie Wärmeleitfähigkeit der mobilen Phase am Säulenaus-gang 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 Heca. 25 ng s-1 bei 1 mL/min

Dynamischer Bereich: 106

Selektivität: universellTypische Anwendung: Anorganische Gase

Einführung in die Chromatographie – p.21/33

FlammenionisationsdetektorDer FID (engl.: Flame Ionisation Detector, FID) misst denIonenstrom nach Oxidation der organischen Stoffe in dermobilen Phase in einer Wasserstoffflamme.

Einfaches Schema eines FIDHewlett Packard (1989), p. 2-11

Einführung in die Chromatographie – p.22/33

Eigenschaften FID

Nachweisgrenze: 10 - 100 pg, je nach Strukturbzw. < 1 pg C s-1

Dynamischer Bereich: 107

Selektivität: Organische SubstanzenAusnahmen: COH2, hoch halogenierteTypische Anwendung: Serienanalysen, Reinheit

Einführung in die Chromatographie – p.23/33

Fragmentkonstanten FID

Atom Typ Effektive C-Atome

C aliphatisch 1.0C aromatisch 1.0C olefinisch 0.95C Carbonyl 0C Carboxyl 0C Nitril 0.3O Ether -1O primärer Alkohol -0.5

Scannion and Willis, J Chromatogr Sci 23 (1985) 333

Einführung in die Chromatographie – p.24/33

ElektroneneinfangdetektorDer ECD (engl.: Electron Capture Detector) misst die Abschwächungdes Elektronenflusses, der durch die Ionisierung des Trägergases durchβ-Strahlung entsteht. Elektronegative Spezies fangen dabei entste-hende thermische Elektronen ein.

Einfacher ECD mit 63Ni-Quelle, Temperaturlimit ca. 400 °CHewlett Packard (1989), p. 2-23

Einführung in die Chromatographie – p.25/33

Eigenschaften ECD

Nachweisgrenze: 0.05 bis 1 pgca. 0.1 pg Cl s-1

Dynamischer Bereich: 104

Selektivität: GasphasenelektrophileTypische Anwendung: Spurenanalytik Chlororganika

Einführung in die Chromatographie – p.26/33

Responsefaktor

fi =AiAst

mstmi

fi Responsefaktor der Substanz iAi Peakfläche der Substanz iAst Peakfläche des Standards (oft Benzol)mi Masse der Substanz imst Masse des Standards

Einführung in die Chromatographie – p.27/33

Responsefaktoren ECD

Chemische Gruppe fi

Kohlenwasserstoffe 1Ether, Ester 10Aliphatische Alkohole, Ktone, Amine,mono-Cl, mono-F

100

Mono-Br, di-Cl und di-F 1000Anhydride und tri-Cl 10 000Mono-I, Di-Br, poly-Cl und poly-F 100 000Di-I, tri-Br, poly-Cl und poly-F 1 000 000

Einführung in die Chromatographie – p.28/33

Stickstoff-Phosphor-DetektorDer NPD misst den Strom thermischer Ionen, die in einerWasserstoffflamme in Anwesenheit einer Alkalisalzperlegebildet werden.

Einfaches Schema eines NPDHewlett Packard (1989), p. 2-31

Einführung in die Chromatographie – p.29/33

Eigenschaften NPD

Nachweisgrenze: 0.4 - 10 pg N-haltige0.1 - 1 pg P-haltige Verb.

Dynamischer Bereich: 104

Selektivität: N- und P-haltige org. StoffeAusnahmen: N2, NH4Typische Anwendung: Pestizidanalyse,

klinische Chemie

Einführung in die Chromatographie – p.30/33

Flammenphotometrischer DetektorDer FPD beruht auf der Chemolumineszenz schwefel-und phosphorhaltiger Kohlenwasserstoffe sowie anderer,z.B. organometallischer Verbindungen in einer Wasserstoff-flamme.

Einfaches Schema eines FPDHewlett Packard (1989), p. 2-38

Einführung in die Chromatographie – p.31/33

Eigenschaften FPD

Nachweisgrenze: 20 pg S-haltige1 pg N-haltige Verb.

Dynamischer Bereich: 103 (S) bis 103 (P)Selektivität: 10 000 : 1 N bzw. P zu CTypische Anwendung: Phosphat-Pestizide,

Zinnorganika

Einführung in die Chromatographie – p.32/33

Dynamische Bereiche

10−15

fg/sppt

10−12

pg/sppb

10−9

ng/sppm

10−6

µg/s

‰

10−3 g/s

mg/s

100 %

WLDFID

ECDNPD (N)

NPD (P)FPD (S)

FPD (P)PID

MSD (SIM)AED

nach Hewlett Packard, 1989

Einführung in die Chromatographie – p.33/33