Trennexperiment

S A_i

+

Wechselwirkungs-Partner (WWP)

dynamisch statisch

S A_i-k WWP

+

A_k WWP

x Böden                                                                1 Boden

x GG-Einstellungen                              1 GG-Einstellung

x D G ® S D G                                                            D G

Identifikation / Detektion der A_i

Sampling of A_i / Pooling of A_i

Grössenordnung der Materie-Komponenten A_i und der typische Arbeitsbereich verschiedener Trenntechniken

Trennprinzip

Auflösung (Basislinientrennung?)

Dynamischer Bereich (Hyphenated Techniques?)

Zeitaufwand (pro Experiment)

Kosten

Personal

Instrumental Environment

Chromatographie

Allgemein kann davon ausgegangen werden, daß eine mehr oder weniger starke Überlagerung von geometrischen und chemischen Eigenschaften in der aufzutrennenden Komponentenmischung vorliegt: im speziellen

• eine Verteilung des Molekulargewichts (MWD = Molecular Weight Distribution)
• und der chemischen Zusammensetzung (CCD = Chemical Compound Distribution).

Die Güte der Auftrennung von Komponenten einer Mischung bezüglich einer Eigenschaft, beispielsweise des Molekulargewichtes, wird naheliegend mit , dem Unterschied in ihrem Retentionsvolumen (V_ret), notiert.

Faßt man die Wechselwirkung der Komponenten A_i mit der chromatographischen Matrix als verallgemeinerte Reaktion zwischen einer Komponente A und der Matrix Ma auf (Ma + A « MaA), kann dafür eine Gleichgewichtskonstante (Verteilungskoeffizient) K = [MaA]/[Ma][A] angegeben werden.

Die Güte einer Trennung kann dann auch als notiert werden (grösseres K stärkere Bindung von A an die Matrix Ma ® Komponente A wird stärker/länger zurückgehalten und V_ret für diese Komponente wird grösser (K ~ V_ret, ~ ).

Nach den Zusammenhängen der Thermodynamik chemischer Prozesse besteht im Gleichgewicht ein logarithmischer Zusammenhang zwischen der Änderung der freien Enthalpie D G^(s) und der Gleichgewichtskonstanten K. Üblicherweise kann davon ausgegangen werden, dass die Gleichgewichtsbedingung erfüllt ist, da die Zeit zur Gleichgewichtseinstellung bezüglich der Gesamtzeit des Trennprozesses vernachlässigbar ist.

Mit D G = - RT lnK und D G = D H - TD S ergibt sich für die Gleichgewichtskonstante K der 'Reaktion'

Durch Wahl der Matrix (Ma) und des Laufmittels kann das chromatographische Experiment so gestaltet werden, daß TD S vernachlässigbar klein wird. Mit dem Zusammenhang von D H mit dem Retentionsvolumen (V_ret) und dem Separationskoeffizienten (K) ergibt sich eine Trennung der Komponenten A_i nach dem Molekulargewicht mit (und ) derart, dass größere Moleküle mehr Möglichkeiten zur Wechselwirkung haben, damit länger/stärker festgehalten werden und in der Folge grösseres Retentionsvolumen (V_ret) aufweisen - das Trennsystem später verlassen.

KD _H liegt, je nach Eigenschaften der Komponenten, der Matrix und des Eluenten, zwischen 1.0 - ¥ . Prinzipiell ist damit komplette Auftrennung eines Gemisches in seine Komponenten möglich. D H-dominierte Chromatographie kann für verschiedenste Arten der Wechselwirkung zwischen Komponenten des Gemisches und der Matrix erreicht werden:

• Durch kovalente Bindung. Hier muss darauf geachtet werden, dass die Matrix (Ma) eine chemische Bindung mit den Komponenten eingehen kann. Eine Auftrennung erfolgt nach Variation des Eluenten und damit Variation der Gleichgewichtskonstanten (HPLC).
• Durch Ionenbindung. Kontrolliert wird die Auftrennung dabei über die pK-Werte des Lösungsmittels, der Matrix-Liganden und der Komponenten A_i, sowie über den pH-Wert und der Ionenstärke. (Ionen-Austausch-Chromatographie, ion exchange chromatography)
• Hydrophobe Wechselwirkung der Komponenten A_i mit der Matrix. Auch hier kontrollieren Ionenstärke und pH-Wert, aber auch alle Variationen in der Polarität des Eluenten den Trennprozess. (hydrophobic interaction chromatography (HIC), reversed phase chromatography (rpC)).

In der anderen Variante solcher Trennprozesse kann versucht werden, D H auf Null zu setzen und TD S groß zu halten. Der Trennprozess stellt dabei dann die Herstellung von Ordnung aus der ‘statistischen Mischung’ der Ausgangssituation dar. Ein Beispiel dafür ist die Size-exclusion Chromatography (SEC): Die SEC-Matrix weist Hohlräume und Poren auf, die nur von Molekülen die kleiner als der Porendurchmesser sind betreten werden können - alle anderen Moleküle passieren diese Poren ohne weiteren Aufenthalt. Kleine Moleküle können deswegen wesentlich weiter Wege durch die Trennmatrix laufen, die einzelnen Probenkomponenten werden so ihrer Grösse nach geordnet.

Der Energieunterschied, der zur Trennung der Komponenten A_i dient, liegt hier also als Ordnungsunterschied (Entropieunterschied) innerhalb und außerhalb der SEC-Matrixporen vor. D S ist dabei negativ ® auch wird negativ.

Am Bereich, den KD _S überstreicht, ist ersichtlich, daß die Auftrennung der Komponenten eines Gemisches nach diesem Prinzip von vornherein wesentlich geringer ist, als bei D H-dominierten Methoden ist. Basislinienauftrennung ist nach diesem Kriterium daher selten erreichbar.

Die Kombination beider Methoden wird oft als zweidimensionale oder orthogonale Chromatographie bezeichnet. Sie erlaubt ein Auftrennung einer überlagerten Heterogenität von chemischer Zusammensetzung und Molekulargewicht.