Chromatographische Trennverfahren

Zhang, Xiangyang 1

Analytische Chemie

für Biologie, Pharmazie, Bewegungs- wissenschaften und Sport

http://www.analytik.ethz.ch/vorlesungen/biopharm.html Spektroskopische

Methoden

Chromatographische Trennverfahren

529-1041-00 G HS2008

Probenaufbereitung

September 24, 2008

Modern Instrumentelle Analytik

Frage-

stellung Probe-

nahme ? ^{wertung Aus- Statistik Report}

Bewertung Messung

Analysen- technik Analysenmethode Analysenverfahren

!! Chromatographische Trennverfahren

!! Spektroskopische Methoden

Analytischer Prozess

Zhang, Xiangyang 3

Modern Instrumentelle Analytik

Frage- stellung

Probe- nahme

Probe- Vorbe- reitung

Aus-

wertung Statistik Report

Bewertung Messung

Analysen- technik Analysenmethode Analysenverfahren

!! Chromatographische Trennverfahren

!! Spektroskopische Methoden

Analytischer Prozess

September 24, 2008

September 24, 2008 Zhang, Xiangyang 4

W ?

Qualitativ- Quantitativ- Struktur-

Spurenanalyse?

Probetypen?

Gas, Flüssigkeit, Feststoff

Probeaufbereitung ??

Probequelle?

Natur, Industrie, Menschen

September 27, 2008 Zhang, Xiangyang 5

Aufgabe der analytischen Chemie?

Die Art (qualitativ) und Anzahl (quantitativ) der Atome allein (Elementanalytik) oder zusammen mit ihrer Anordnung oder Verbindung untereinander als Molekül (Molekülanalytik) im 3 -dimensionalen Raum (Strukturanalytik), die alle die Eigenschaften

eines Stoffes bestimmen "

Was liegt vor?"

Wieviel davon liegt vor?"

Welche Anordnung oder Form liegt vor?"

Wo befindet sich der Analyt?" Verteilungs- oder "

Oberflächenanalyse"

Qualitative Analyse!

Quantitative Analyse!

Strukturanalyse"

Probenarten

Feststoff

Aerosol

Emulsion

Flüssigkeitstropfen feste Teilchen Gas

Flüssigkeit

Homo- und Heterogenes Stoffgemisch

(2 unmischbare Flüssigkeiten)

Suspension

(unlöslicher Feststoff in Flüssigkeit)

?

Zhang, Xiangyang 7

Gasförmige Proben

NO

, SO

CH

CO

/CH

O

Aerosol

September 24, 2008

Zhang, Xiangyang 8

Flüssige und feststoffartige Abfallstoffe

September 24, 2008

Zhang, Xiangyang 9

Proben aus unserem Körper

September 24, 2008

Dopingtest

???

Lebensmittel, Wasser und Medikament

? Melamin ?!

Zhang, Xiangyang 11

Proben in Grossmenge

Industrielles Produkt

Produkt im Labor

September 24, 2008

Proben in Grossmenge

September 24, 2008 Zhang, Xiangyang 12

•! Filtration / Zentrifugieren

•! Kristallisieren

•! Destillation

"!

Rektifikation

"!

Wasserdampfdestillation

"!

Azotrope Destillation

•! Sublimation

•! Extraktion / Verteilung

•! Chromatographie (DC, Säulen, Papier-)

•! Adsorption / Desorption

Zhang, Xiangyang 13

Trennung durch Destillation

Destillation ohne Vakuum

Vakuumdestillation

Industriell Destillationlage Rektifikation (mit Kolonnen)

Wasserdampfdestillation Azeotrope Destillation =>

azeotrope Trocknung

September 24, 2008

Filtration / Zentrifugieren

Büchner-Trichter mit Papier Glasfritte (Glasfilternutsche) Hirsch-Trichter

Filtration unter Kühlung

Filtration mit beheizbar Trichter

Feststoff von Flüssigkeits abtrennen

Kleine Substanzmengen verlustlos isolieren

Saugflasche, schwaches Vakuum

Zhang, Xiangyang 15

Kristallisieren

X-ray Kristal

September 24, 2008

Zhang, Xiangyang 16

Probenaufbereitung für Spurenbereich

“Original” zu behalten

“Kontaminieren” zu vermeiden Kost- und Zeitaufwand zu beachten

“In Lösung” zu bringen

“Störende” abzutrennen

“geeignete Konzentration” zu halten

Keine Trenn- / Detektionsmethoden komplett selektiv

September 24, 2008

Zhang, Xiangyang 17

Wie ?

!! Anreicherung von gas-förmigen Proben

!! Extrahieren aus flüssigen Proben (LLE, SPE, SPME)

!! Extrahieren aus festen Proben (Batch, Soxhlet, Ultrashall, MAE, SFE)

!! Aufkonzentrieren der zu verdünnte Proben / Extrakte (Rotavap, Verdampfen in N

Strom, Trap)

!! Aufreinigung (Säulenchromatographie, usw)

•! Mehrstufen => Einzelstufe

•! Unnötige Probentransfer zu vermeiden

•! Probenmenge zu verringen

•! Neue Technik zu verwenden

Wichtig:

September 24, 2008

Flüssig-Flüssig (L-L) Extraktion

organische Phase

wässrige Phase Org. LM (1/5 – 1/3) von

wässerigen Lösung

V

V

C

"!

Nicht-mischbar aber reines

Lösungsmittel (Aq/Org)

"!

Max. zu 2/3 gefüllt

"!

Aussalzeffekt (NaCl)

"!

Base / Säure – pH einzustellen

"!

Achtungen beim Praktikum:

"!

Gefahr betrachten (Explosiv

oder Implosiv)

"!

Ober-Oben // Unter-Unten

"!

Mehrmals + wenig Volumen

=> hohe Extraktionseffizienz

Scheidetrichter

Zhang, Xiangyang 19

Prinzip der L-L Extraktion

!

K = [ ] A

[ ] A

[A]

[A]

Nernst’schen Verteilungssatz

!

E

= K " V

K " V

+ V

!

E

= K " V

K " V

+ V

(1 # E

)

!

E

= K " V

K " V

+ V

(1 # E

# E

) E : Extraktionseffizient (%) in organischer Phase

!

E

= E

(3 " 3E

+ E

)

K = 50, V

= 30ml, V

100ml 3 X 30 ml: E

= 93.75% E = 99.98%

1 X 90 ml: E

= 97.83%

V

V

Mehrmals + wenig Volumen besser als Grosse Volumen auf einmal

Verteilungskoeffizient des Analyts A zwischen

organische und wässrige Phasen

!

E

= V

K " V

+ V

#

$ % &

' (

n

1.

2.

3.

In total:

Nach n-mal Extraktionen, wieviel Analyt (in %) noch in wässriger Phase bleiben:

oder

!

E

= 1 " E

Ein Beispiel

September 24, 2008

Zhang, Xiangyang 20

Festphasenextraktion (SPE)

Fritte Adsorbens Fritte

Adsorbens :

Konditionieren Anreicherung Elution

Polydimethylsiloxan Polyacrylat

Polydimethylsiloxan/

Divinylbenzen

Vorrichtung zur SPME Eine Alternative zur

Festphasen-Kartuschen –

“Festphasen-Membranen”

Festphasen-Kartusche

www.vertichrom.com September 24, 2008

Zhang, Xiangyang 21

Vergleich der Extraktionsverfahren

Flüssig-Flüssig-Extraktion:

Festphase Extraktion

Festphase-Membranen

Festphase-Mikroextraktion (SPME):

echt hohen Zeitaufwand (bei grosser Wasserproben) einfachste und am häufigsten gebrauchte Methode grosse Menge von organischen LM

Kosten (extrem rein / sehr teuer, erforderliche Entsorgung) Zeit- und Arbeitsaufwendig (wenn Emulsionbildung) Halogenierter Kohlenwasserstoff (Umweltunfreundlich)

"! Einfachheit

"! Verzichten auf org LM

"! Geringe Zeitbedarf

"! Spurenanalyse geeignet

"! Kontamination auszuschliessen

"! Mögliche Ankopplung mit GC-Injektor

!! wenig organische LM benötigt

!! Anreicherungsschritt beinhaltet

!! Abtrennungsschritt von unlöslichern Festpartikeln

geringe Fliesswiderstand wenig Kapazität

September 24, 2008

Extraktionsverfahren der Analyten aus festen Proben

•! Batch-Extraktion

–! Stundenlang schütteln

–! Abtrennen von Matrix (Flitration/

Zentrigieren) –! gering Effizienz

•! Soxhlet-Extraktion

–! Desorption in der Siegehitze erleichtert

–! Ständig gegen frisches ausgetauscht

–! hohe Effizienz

–! hohe Zeit- und LM-bedarf –! Ungeeignet für thermisch

instabile Substanzen

Proben sollen vorher getrocknet und zerrieben werden

•! Soxtec-Extraktion

–! Hülse angehoben mit Zeit

–! geringer Zeit- und LM-bedarf

–! Hohe Effizienz

Zhang, Xiangyang 23

Moderne Extraktionsmethoden für feste Proben

Mikrowellen-unterstützte Extraktion

Accelerated Solvent Extraktion (enhanced / high pressure)

!!

Elektromagnetische Energie (2.45 GHz)

!!

Polares LM (Wasser, Methanol)

!!

Gleichzeitig gesamte Proben aufgeheizt (Behälter bleibt kalt) innerhalb weniger Minuten

!!

Erhöhter T und P im verschlossen Gefässe

!!

1 Stunde

!!

Erhöhter P und T im verschlossen Gefässe

!!

Hohe Effizient wie Soxhlet

!!

Aber viel schneller

!!

LM: 10-15 ml / 10 g Probe

September 24, 2008

•! 15 kHz – 10 GHz angesiedelt

•! Hohe P und T für wenige µs

•! Mechanische Zerstörung

•! Kurze Zeit

•! Hohe Effizienz als Batch-E

•! Geeignet auch für thermolabile Substanzen

Ultraschall-Extraktion

Zhang, Xiangyang 24

Überkritische Fluidextraktion (SFE)

"!

Auf Organische LM

verzichten

"!

Hohe Lösevermögen

(wegen Dichte)

"!

Hohe

Diffusionskoeffizienten

"!

Geringe Viskosität als

Flüssigkeiten, grosse Dichte

"!

Extrakte => Analytprobe

"!

Matrixabhängigkeit

"!

Hohe Druck

"!

Kosten ^CO

^: 31.3°C, 72.9 atm, 0.47 g/ml

NH

: 132.5°C, 112.5 atm, 0.24 g/ml

September 24, 2008

Zhang, Xiangyang 25

Aufkonzentrierung

•! Proben geeignet?

•! Siedepunkt der

Probenkomponenten hoher als der des LMs

•! Volume (max. 2/3)

•! Badentemperatur

•! Vakuum

•! Endephase (20-30ml /250ml)

•! Kleineren Kolben überführt

•! Weiter eingeengt

gebräuchlichste Methode zur Reduzierung grosser LM-mengen

Rotationsverdampfer (Rotavap)

September 24, 2008

Aufkonzentrierung kleiner Proben

•! Bis 1 – 2 ml eingeengt

•! Unter Vakuum

•! Analytenverlust sehr gering

Kuderna–Danish-Apparatur

6-Kanal Einblasvorrichtung

•! Kleiner Volumina

•! Leicht N2-strom

•! Bis 0.1 – 0.5 ml oder bis zur Trockne

•! Schwerflüchtige Keeper

Zhang, Xiangyang 27

Probenaufbereitung

Feststoff

Aerosol

Emulsion

Suspension

Flüssigkeitstropfen feste Teilchen Gas

Flüssigkeit

(unlöslicher Feststoff in Flüssigkeit)

Homo- und Heterogenes Stoffgemisch

(2 unmischbare Flüssigkeiten)

LLE, SPE, SPM, SPME Extraktion

Batch-E Soxhlet-E Soxtec-E Ultraschall-E MAE, ASE SPE, SWE Adsorption

Filtration GC

HPLC EP mit MS NMR IR UV Löslich oder unlöslich

Aufkonzentrierung Aufreinigung Vortrennung und Anreicherung

Probenarten

Messung

September 24, 2008

Zhang, Xiangyang 28

Probenaufbereitung

in gasförmiger, flüssiger oder feste Form

Anreicherung Verdünnung

aus fester Matrix von störenden Substanzen

auf geeigneter Konzentration in Lösung

Natürliche Quelle Künstliche Quelle

von unlöslichem Polymer/Teer von störenden Substanzen Analyten

abtrennen

Analytenproben

September 24, 2008