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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
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
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
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 BereichDynamischer Bereich
Empfindlichkeit S = ∆A∆n
Einführung in die Chromatographie – p.14/33
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
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