Wie funktioniert Chromatographie?

Substanzgemische trennen – das steht hinter dem Analyseverfahren Chromatographie. Bei diesem Verfahren geht es darum ein Flüssigkeits- oder Gasgemisch in seine Einzelteile aufzuteilen, um diese dann separat bestimmen zu können.

Chromatographie für zu Hause – Welche Farbe steckt wirklich in deinem schwarzen Filzstift?

Schon im Kindergarten wird dazu sehr gern ein einfacher Versuch unternommen (absichtlich oder in Abwandlungen unabsichtlich): Mit einem Filzstift wird ein schwarzer Fleck auf ein Blatt Papier gezeichnet. Das Papier wird dann in ein Glas Wasser gestellt – mit dem Wasserpegel unterhalb des Flecks. Das Wasser steigt im Papier nach oben, und im Laufe weniger Minuten verschmiert der Fleck zu bunten Schlieren auf dem Papier. In ihnen zeigen sich die unterschiedlichen Farbbestandteile der Stiftfarbe.

Du möchtest die Filsstift-Chromatographie selbst durchführen? Das folgende Video kann dir als Anleitung dienen: Trenne die Farbstoffe eines Stiftes voneinander

Kapillareffekt nutzen

Was genau passiert dabei? Die Farbstoffe, die sich im Stift (und dann auf dem Blatt Papier) befinden, sind wasserlöslich. Durch den Kapillareffekt steigt das Wasser im Papier nach oben. Das Papier besteht nämlich – bei genauer Betrachtung – aus ganz vielen kleinen Röhren. In diesen Röhren – den Kapillaren – kann das Wasser aufgrund seiner Oberflächenspannung auch gegen die Schwerkraft nach oben steigen. Dieser Effekt macht Papier oder einen Schwamm überhaupt erst so saugfähig. Beim Aufsteigen durch die Kapillaren nimmt das Wasser die Farbstoffe mit. Allerdings werden nicht alle Farbstoffe im gleichen Maß mittransportiert: Manche wandern schneller, andere langsamer mit. Warum?

Auftrennung nach Größe

Bei den Farbstoffen handelt es sich um unterschiedlich komplexe und verschieden geformte Moleküle. Einige von ihnen bleiben immer mal wieder am Papier haften, bevor sie etwas später wieder vom Wasser mitgenommen werden. Andere bleiben weniger oft haften und kommen so in kürzerer Zeit weiter vom Ursprungsort – dem Farbfleck – weg. Vergleichen lässt sich das in etwa damit, wie sich eine Mischung aus kleinen, flinken Kindern und behäbigen Erwachsenen durch einen Hindernisparcours bewegt: Der quirlige Nachwuchs kommt viel schneller am Ziel an als die Eltern.

Mobile- und stationäre Phase

Doch nicht nur Filzstiftfarben, auch viele andere chemische Mischungen lassen sich mit dem Verfahren trennen. Damit man die Bestandteile einer Substanz mithilfe der Chromatographie untersuchen kann, sind verschiedene Zutaten notwendig: Die Substanz muss durch ein Lösungsmittel beweglich gemacht werden. Als Lösungsmittel für den Unterricht eignet sich das schon genannte Wasser. Lösemittel und die von ihm mitgeführte, zu untersuchende Substanz nennt man die „mobile Phase“ der Chromatographie. Die mobile Phase muss sich über einen festen Untergrund, die „stationäre Phase“ bewegen. Im obigen Beispiel ist das Papier die stationäre Phase. In der stationären Phase werden die Bestandteile der chemischen Substanz in ihrer Bewegungsgeschwindigkeit je nach Molekülgröße, -form und ggf. anderen Eigenschaften wie z.B. der elektrischen Ladung, unterschiedlich stark gebremst.

Verschiedene Arten von Papier bilden gute und günstige stationäre Phasen für Schulversuche. Wenn die unterschiedlichen Bestandteile der aufzutrennenden Substanz verschiedene Farben zeigen, kann man sie auf dem Papier gut unterscheiden und identifizieren – daher kommt auch der Name des Verfahrens: wörtlich übersetzt bedeutet Chromatographie nämlich „das Schreiben mit Farben“.

Genauere Auftrennung mit der richtigen Zeitspanne

Je länger die Chromatographie läuft, desto weiter werden die Bestandteile transportiert. Entsprechend genauer und deutlicher sind die Unterschiede zwischen den Komponenten auszumachen. Die Bewegung kann durch Trocknen der mobilen Phase festgehalten – fixiert – werden. In der Laboranalytik gibt es ganz verschiedene Varianten der Chromatographie. Sie basieren auf verschiedenen, den Fragestellungen angepassten stationären Phasen und Lösemitteln – von speziellen Gelen bis hin zu Gasen.

Die Gelchromatographie: Auftrennen von Biomolekülen

In der Gelchromatographie oder Gelfiltration wird ein Gel in einer Röhre gefüllt und diese senkrecht positioniert. Es dient als stationäre Phase. Auf das Gel wird die zu untersuchende Probe – oft eine Mischung aus unterschiedlich großen Proteinen – aufgebracht. Die zu untersuchende Substanz wandert in einem Lösemittel als mobile Phase durch die Säule nach unten. Zunächst verlassen die größeren Proteine die Röhre am unteren Ende, da sie nicht in die Poren der Gelmatrix eindringen können. Die kleineren Proteine werden durch die Moleküle des Gels gebremst und benötigen länger für ihren Weg. Am unteren Ende der Säule angekommen, werden die Proteine entweder sofort von einem Detektor identifiziert oder in einem kleinen Behälter gesammelt, wobei der Behälter in regelmäßigem Abstand ausgetauscht wird. Auf diese Weise wird die zu analysierende Probe in viele einzelne Proben aufgeteilt, wobei jede einzelne Probe Proteine einer bestimmten Größe enthält. Mit geeigneten Gelen können so die Größen von Proteinen in einem weiten Bereich von einigen Hundert bis zu mehreren Millionen Atomen getrennt werden. Sie ist also besonders gut geeignet, sehr große Moleküle – Biomoleküle – voneinander zu unterscheiden.

Die Gaschromatographie: Nachweisen von kleinsten Spurenelementen

Bei der Gaschromatographie wird die Probe verdampft (mobile Phase) und durch eine lange dünne Röhre gepresst. Diese ist mit einer Substanz ausgekleidet (stationäre Phase), welches die unterschiedlichen Moleküle des der probe unterschiedlich lange festhält. Ein Detektor am Ende des Rohres misst die Anzahl der ankommenden Moleküle je Zeit – wieder aufgetrennt nach Molekülsorte. Je nach Art der zu untersuchenden Trägermoleküle werden das Gas der mobilen Phase, dessen Temperatur und die stationäre Phase ausgewählt. Die Gaschromatographie ist besonders gut geeignet, kleinste Stoffmengen bestimmter Moleküle nachzuweisen, was beispielsweise bei der Fahndung nach verbotenen Doping-Substanzen im Urin von Sportlern oder in der Lebensmittelkontrolle notwendig sein kann. Hat man die Zeit, mit welcher die detektierten Moleküle die Röhre durchquert haben erfasst, kann man durch Abgleichen von Standartsubstanz-Tabellen ganz einfach herausfinden, welche Substanzen sich in der Probe befinden.

Für eine detaillierter Erklärung schau dir dieses Video an.

Autor: Text und Illustrationen: scienceRELATIONS
Edition: Michelle Schaltz (FNR)