a_lj_p_4_8
a_lj_p_6_8

Harz: verpackt oder lose?
Produktübersicht: Chromatographie-Säulen und Säulenmaterial

Chromatographie-Säule
In Zeiten schicker HPLC und uHPLC-Geräte ein beinahe exotischer Anblick: eine klassische Chromatographie-Säule.

Möglichst klein und perfekt rund sollten die Partikel sein, die man als stationäre Phase in Chromatographie-Säulen packt. Diesem Ideal kommen die Hersteller immer näher.

Vor etwas mehr als hundert Jahren kam der russische Botaniker Michail Zwet auf den Gedanken, Pflanzenfarbstoffe in Glassäulen zu trennen. Dazu stopfte er Kalkpulver, das er in Petrolether aufschlämmte, in eine Glassäule mit Auslaufhahn und belud diese mit einem Extrakt aus frischen in Petrolether gelösten Pflanzenblättern. Angetrieben von der Schwerkraft lief das Lösungsmittel langsam durch die Säule und tropfte in ein Auffanggefäß. Anschließend wusch Zwet die gefärbten Zonen des Kalkpulvers mit einem geeigneten Lösungsmittel. Mit dieser völlig neuen Technik, die Zwet Chromatographie nannte, isolierte er aus den Blättern die Chlorophyll-Pigmente a, b und c.

Obwohl es Zwet vorzog die getrennten Chlorophyll-Moleküle aus dem gefärbten Kalkpulver zu extrahieren – statt sie zu eluieren und nach dem Austritt aus der Säule einfach aufzufangen – hat sich am Prinzip der Flüssigschromatographie bis heute nichts Wesentliches verändert: die in der mobilen Phase gelösten Moleküle wechselwirken verschieden stark mit der Oberfläche der stationären Phase, trennen sich dadurch auf ihrem Weg durch die Säule und kommen nach unterschiedlichen Retentionszeiten am Ende der Säule an. Dort werden die Substanzen von einer Detektionseinheit erfasst und in entsprechenden Gefäßen aufgefangen.

Außerordentlich viel getan seit Zwets erster Chromatographie hat sich jedoch bei den Säulenpackungen beziehungsweise den stationären Phasen. Insbesondere bei der populärsten Variante der Flüssigchromatographie, der High Performance Liquid Chromatographie (HPLC), können die Anwender aus einem großen Angebot fix und fertig gepackter Trennsäulen auswählen, die verschiedene Säulenmaterialien mit unterschiedlichen Korngrößen und Packungs-Strukturen enthalten.


Sand oder Harz

Als Trägermaterial stopfen die Hersteller zumeist Kieselgel (Silica-Gel) oder Polymer-Harze, etwa Polystyrol-Divinylbenzol, in die schlanken, im Schnitt zwischen 30 und 250 Millimeter langen und etwa fünf Millimeter dicken HPLC-Säulen aus Edelstahl. Reines Kieselgel oder Harz verwendet man aber in den seltensten Fällen als stationäre Phase, meist modifizieren die Hersteller das Säulenmaterial, um den gewünschten Trenneffekt zu erzielen. So verknüpfen sie zum Beispiel die hydrophilen Silanol-Gruppen der Kieselgel-Partikel mit verschieden langen Alkyl-Resten, etwa C4, C8 oder C18, und erhalten so hydrophobe Säulenpackungen, die sich für die Umkehrphasen-Chromatographie (Reversed Phase Chromatographie) eignen. Sind die Säulen für die Ionenaustauch-Chromatographie vorgesehen, heften die Säulen-Hersteller Ammonium- oder Sulfonsäure-Gruppen an das verwendete Säulenharz, das dann bevorzugt Anionen beziehungsweise Kationen zurückhält.

Diese drei klassischen Modifikationen des Säulenmaterials sind aber lediglich die Ausgangsbasis für unzählige weitere Modifikationen mit denen Säulen-Spezialisten versuchen, die Wechselwirkung der statio­nären Phase mit der Probensubstanz, um teilweise winzige Nuancen zu beeinflussen. Wünscht sich der HPLC-Anwender zum Beispiel eine C18-Säule mit zusätzlicher polarer Komponente, kann er sich eine Säule aussuchen, bei der eine polare Gruppe in die Alkyl-Ketten eingebettet ist. Er könnte aber auch eine Säule wählen die neben den Alkyl-Kettenschwänzen noch einige Hydroxy-Gruppen enthält, die über Wasserstoffbrücken mit polaren Substanzen interagieren. Vielleicht wäre aber auch eine stationäre Phase mit Nitrilgruppen für sein Trennproblem besser geeignet, die sich sowohl mit aromatischen Ringsystemen als auch mit polaren und hydrophoben Regionen eines Moleküls austauscht.

Das Säulen-Angebot ist für Nicht-Chromatographie-Experten mittlerweile unüberschaubar und manchmal hat man den Eindruck, dass die Säulen-Hersteller nicht nur für jede Substanzklasse, sondern beinahe für jede zu trennende Substanz selbst, eine Säule mit der passend modifizierten stationären Phase bereit halten.

Neben der Säulenchemie ist auch die Struktur des Packungsmaterials entscheidend für die Trennstärke- und schärfe einer Chromatographie-Säule. Schon sehr früh versuchten die Chromatographie-Pioniere das Säulenmaterial zu optimieren. Und spätestens 1956 als der niederländische Strömungsphysiker Jan Josef van Deemter eine mathematische Formel fand, mit der man das Trennverhalten einer Säule näherungsweise berechnen kann, wussten sie wie es beschaffen sein muss. Die Forderungen der jedem Biologen oder Biochemiker in Vorlesungen zur analytischen Chromatographie eingebläuten van Deemter-Gleichung an die Säulenfüllung sind einfach: die Partikel sollten möglichst klein sein, eine regelmäßige Form haben und dicht gepackt in der Säule sitzen.

Das hört sich trivial an, ist aber technisch nicht so leicht umzusetzen. So hat etwa irreguläres poröses Kieselgel, das seit Jahrzehnten als Säulenmaterial dient und auch heute noch häufig für Routineanwendungen benutzt wird, eine sehr unregelmäßige Oberflächenstruktur. Erst in den neunziger Jahren gelang es Polymerchemikern sphärische Kieselgelpartikel im technischen Mass-Stab herzustellen, die alle den gleichen vorgegebenen Partikeldurchmesser und eine exakt runde Form haben. Mittlerweile ist sphärisches Kieselgel, das zudem druckstabiler ist als irreguläres, das Standardpackungsmaterial in vielen HPLC-Säulen.

Auch bei den Partikeldurchmessern kommen die Säulenentwickler den theoretischen Vorgaben der van Deemter-Gleichung immer näher. Bis vor wenigen Jahren füllte man die üblichen 4,6 Millimeter HPLC-Säulen noch meist mit drei bis fünf Mikrometer dicken Kieselgelkügelchen, wenn man eine ordentliche und schnelle Trennung erreichen wollte. Inzwischen liegen die Partikeldurchmesser teilweise unter zwei Mikrometern. Da hierdurch in den Säulen extrem hohe Rückdrücke entstehen, mussten sich die Ingenieure etwas einfallen lassen und konstruierten schließlich ultraHPLC-Geräte, die die mobile Phase auch bei Säulenrückdrücken von 1000 Bar und mehr, zuverlässig durch die Chromatographie-Säule pressen.


Harter Kern

Eine ähnliche Trennleistung wie ­uHPLC-Säulen, jedoch ohne den Nachteil der hohen Rückdrücke, verspricht ein neues Säulenmaterial aus zweischichtig aufgebauten Kieselgel-Partikeln. Diese bestehen aus einem undurchlässigen Kern und einer nur einen halben Mikrometer dicken porösen Hülle, die dafür sorgt, dass sich die diffusionsbedingten Umwege der Probenmoleküle innerhalb der Kügelchen auf ein Minimum beschränken. Trotz des größeren Partikel-Durchmessers von etwa drei Mikrometern erzielen diese Säulen, so die Hersteller, auch bei den üblichen HPLC-Drücken von etwa 400 Bar, ähnliche Trennleistungen wie uHPLC-Säulen, die mit wesentlich kleineren Partikel gefüllt sind.

Ebenfalls noch nicht allzu lange auf dem Markt sind monolytische Säulen, die nicht mit kleinen Kügelchen gefüllt sind, sondern mit einem schwammartigen Säulenbett aus chemisch modifiziertem Kieselgel, Styrol-Divinylbenzol-Polymer oder Polyalkylmethacrylat. Die Probensubstanz wandert hier in parallel zur Fließrichtung verlaufenden Durchflussporen durch den Monolyt und interagiert dabei in quer zur Säulenachse verlaufenden Mesoporen mit der Oberfläche des Säulenmaterials. Die hierbei entstehenden Rückdrücke sind sehr moderat, und da man mit niedrigen Flussraten arbeiten kann, verbraucht die chromatographische Trennung in monolytischen Säulen erheblich weniger Lösungsmittel als die in vergleichbaren partikelgefüllten Säulen.


(Erstveröffentlichung: H. Zähringer, Laborjournal 06/2011, Stand: Mai 2011, alle Angaben ohne Gewähr)


Hier erhalten Sie diese Produktübersicht als Acrobat Datei (.pdf):

Chromatographie-Säulen - A4 Format zum Ausdrucken
Säulenmaterial - A4 Format zum Ausdrucken




Letzte Änderungen: 18.06.2011


Impressum | Datenschutz | Haftungsausschluß

© 1996-2016 LJ-Verlag GmbH & Co. KG, Freiburg, f+r internet agentur, Freiburg,
sowie - wenn nicht anders gekennzeichnet - bei den jeweiligen Autoren und Fotografen.