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Ionenaustauschchromatographie 07:39 min

Textversion des Videos

Transkript Ionenaustauschchromatographie

Guten Tag und herzlich willkommen! In diesem Video geht es um die Ionenaustauschchromatographie. Das Video gehört zur Reihe Chromatographische Verfahren. Für die notwendigen Vorkenntnisse solltest du die Videos zur Chromatographie gesehen haben, besonders das Video über die Dünnschichtchromatographie. Mein Ziel ist es, dir in diesem Video ein grundlegendes Verständnis der Ionenaustauschchromatographie zu vermitteln. Der Film ist wie folgt gegliedert: 1. Das Wesen der Methode 2. Die Säule 3. Ablauf am Beispiel der Trennung von Aminosäuren 4. Anwendung 5. Zusammenfassung Beginnen wir sogleich mit   1. Das Wesen der Methode Anstelle des Begriffes Ionenaustauschchromatographie wird mitunter auch der verkürzte Begriff Ionenchromatographie verwendet. Im Englischen heißt es Ion Exchange Chromatography. Herzstück der Ionenaustauschchromatographie ist die Chromatographiesäule. Die Chromatographiesäule ist bestückt mit dem Ionenaustauscher, das ist ein Polymerenharz, der die stationäre Phase der chromatographischen Methode bildet. Die Ionenaustauschchromatographie besitzt eine gewisse Ähnlichkeit mit der Säulenchromatographie. Der Trennprozess verläuft ähnlich und man kann ihn kurz zusammengefasst in 4 Stufen darstellen. Zunächst muss der Eluent die Säule blasenfrei passieren, als 2. wird die Probe aufgetragen, als 3. erfolgt die Trennung und als 4. die Detektion. Die Ionenaustauschchromatographie wird für die Trennung und den Nachweis von Ionen eingesetzt, aber auch polare Verbindungen können getrennt und nachgewiesen werden. Im Laufe der Zeit hat die Methode eine Automatisierung erfahren, sie wurde zum Routineverfahren entwickelt. Hier ist das Bild einer Arbeitsstation, bei der ionenchromatographisch getrennt wird. Rechts, sehr schön zu sehen, ist der Fraktionssammler.   2. Die Säule Als Säulenmaterial sind anorganische Materialien weniger geeignet, da die mobile Phase polar ist, besser sind Polymere synthetischer Natur, die sogenannten Ionenaustauschharze. Bei diesen Polymeren Materialien sind bestimmte funktionelle Gruppen aufgepfropft, diese Gruppen bezeichnet man als Ankergruppen. Bei Hydroxylgruppen oder Carbonylgruppen ist der Ionenaustauschharz schwach sauer, bei Phosphorsäureresten oder Schwefelsäureresten ist der Ionenaustauschharz stark sauer. Ist eine primäre Aminogruppe aufgepfropft, so ist der Ionenaustauschharz schwach basisch, bei einer sekundären Aminogruppe, ist der Ionenaustauschharz mäßig basisch, das gleiche gilt für eine tertiäre Aminogruppe, erst quartäre Aminogruppen zeigen stark basisches Verhalten. Saure Ionenaustauscher sind Kationenaustauscher. Bei basischen Ionenaustauschern handelt es sich um Anionenaustauscher.Kommen wir nun zu:   3. Ablauf der Ionenaustauschchromatographie am Beispiel der Trennung von Aminosäuren Zunächst einmal, möchte ich das Schema des apparativen Aufbaus skizzieren. Kommen wir nun zu den einzelnen Bestandteilen. In den beiden Vorratsgefäßen, links oben, befinden sich Puffer A, blau gekennzeichnet und Puffer B, rot gekennzeichnet. Die Puffer bestimmen den pH-Wert und damit auch das Verhalten der Aminosäuren beim Behaften der Säule. Eine Mischung der Puffer führt dazu, dass ein Zwischenwert an pH-Wert erzielt wird. Noch vor der eigentlichen Trennung befindet sich der Ort der Probenaufnahme. Mittig unten sehen wir die Trennsäule, sie ist mit einem Ionenaustauscher befüllt. Nach dem Durchlaufen der Säule wird der zu bestimmende Stoff mit einer UV-Messzelle detektiert. Nach der Signalumwandlung und die Adsorption über die Zeit aufgetragen. Da für uns recht ungewohnt, möchte ich es noch einmal betonen: Puffer sind hier die mobile Phase, Aminosäuren bilden vor allem im sauren Bereich Ionen, durch die pH-Änderung wird die Bildung der Ionen gesteuert, sie verläuft bei jeder Aminosäure in einem etwas anderen pH-Bereich. Der pH-Gradient, das bedeutet, eine allmähliche Änderung des pH-Wertes führt zu einer Trennung der Aminosäuren. Kommen wir nun zum eigentlichen Ablauf. Als 1. wird der Puffer A blasenfrei durch das System und damit auch die Säule geleitet. Der Puffer läuft beständig durch das System, dabei wird 2. die Probe an der bezeichneten Stelle injiziert. Der Puffer A ist so gewählt, dass Protein 1 die Trennsäule verlässt und die UV-Messzelle durchläuft. Nach erfolgter Signalumwandlung wird die Adsorption von Protein 1 visualisiert. Als 2. durchläuft ein Gemisch von Puffer A und B das System. Es bewirkt, dass Protein 2 die Säule verlässt und anschließend die Messzelle durchläuft. Nach erfolgter Signalumwandlung wird Protein 2 visualisiert und schließlich wird 6. reiner Puffer B durch das System geleitet. Im Ergebnis verlässt Protein 3 die Säule und durchläuft die Messzelle. Nach erfolgter Signalumwandlung wird die Absorption von Protein 3 sichtbar gemacht. Selbstverständlich findet eine Fraktionierung der einzelnen Proteine statt, denn man möchte ja im Ergebnis reine Verbindungen erhalten. Kommen wir nun zu:   4. Anwendung der Ionenaustauscher Ionenaustauscher haben ein sehr breites Anwendungsfeld. Sei das nun in der analytischen Chemie oder sei das in der präparativen Chemie. Ionenaustauscher dienen der Herstellung von entionisiertem Wasser, das heißt reinem Wasser. Sie werden verwendet, um reine Stoffe für Maßlösungen herzustellen. Ionenaustauscher werden für die Anreicherung von Ionen verwendet. Besondere Bedeutung hat das bei der Gewinnung wertvoller Metalle. Ionenaustauscher werden bei komplizierten Trennproblemen verwendet. Man verwendet sie für die Trennung von Aminosäuren, Alkalimetallen und Lanthanoiden.   5. Zusammenfassung Die Ionenaustauschchromatographie ist ein wichtiges analytisches und präparatives Trennverfahren. Mit ihrer Hilfe kann man Ionen und polare Verbindungen trennen. Sie besitzt eine Ähnlichkeit mit der Säulenchromatographie, die stationäre Phase hier ist ein Ionenaustauscher, die mobile Phase ist eine polare Flüssigkeit, das kann Wasser sein, aber auch ein Puffer. Die Ionenaustauschchromatographie wird für komplizierte Trennprobleme eingesetzt. Man trennt mit ihr Aminosäuren, Alkalimetalle oder Lanthanoide. Ich danke für eure Aufmerksamkeit. Alles Gute. Auf Wiedersehen.  

4 Kommentare
  1. Also, ich bin kein Spezialist für diese Trennungsmethode. Sagen wir mal so: Es spricht nichts dagegen.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor mehr als 4 Jahren
  2. Sehr gut erklärt.
    Kann man hier zur Quantifizierung einer Aminosäuren auch, wie bei der GC, mit einer Standard Lösung mittels verschiedener (bekannter) Konzentrationen eine Kalibriergerade erstellen, und an dieser dann durch vergleich der Peakflächen die Konzentration bestimmen?

    Von Flinten, vor mehr als 4 Jahren
  3. Lieber Martin,

    danke. Ich hätte das Experiment in meinem Leben auch mal gerne gemacht...

    Noch viel Erfolg

    André

    Von André Otto, vor mehr als 7 Jahren
  4. Mensch, ich bin begeistert. Hier findet man jeden Tag neue Videos. Ich hatte vor 3 Wochen genau dieses Experiment gehabt. Mal schauen was es noch so für nützliche Videos, zu den noch kommenden Versuchen, gibt. Wie immer, sehr gut erklärt! Gruß Martin

    Von Mlang1, vor mehr als 7 Jahren

Ionenaustauschchromatographie Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Ionenaustauschchromatographie kannst du es wiederholen und üben.

  • Beschrifte den Aufbau einer Apparatur zur Ionenaustauschchromatographie.

    Tipps

    Womit wird ein konstanter pH-Wert erzielt?

    Lösung

    Durch die Mischung zweier Puffer mit unterschiedlichen pH-Werten wird der gewünschte pH-Wert eingestellt. Die Pufferlösung bildet die mobile Phase. Mit einer Spritze wird die Probenlösung in das System eingebracht und gelangt in die Säule. Je nach pH-Wert liegen unterschiedliche Verbindungen in ionischer Form vor und werden von der stationären Phase in der Chromatographiesäule adsorbiert. Am unteren Ende der Säule werden die austretenden Verbindungen von einer UV-Messzelle detektiert. Der Fraktionssammler teilt die austretende Lösung in unterschiedliche Fraktionen auf, die jeweils eine der zu trennenden Verbindungen enthalten.
    Die Säule enthält den Ionentauscher. Dieser besteht aus einem Kunstharz, welches mit den Ankergruppen beschichtet ist.

  • Beschreibe den Ablauf einer Ionenaustauschchromatographie.

    Tipps

    Viele Aminosäuren können $H^+$-Ionen aufnehmen.

    Was wird bei dieser Art der Chromatographie dem Namen nach ausgetauscht?

    Lösung

    Viele Verbindungen, wie zum Beispiel einige Aminosäuren, tragen funktionelle Gruppen. Diese können teilweise mit $H^+$-Ionen zu einem positiv geladenen Ion reagieren oder ein $H^+$-Ion abgeben und damit zum negativ geladenen Ion werden. Dies hängt von der Konzentration der $H^+$- und $OH^-$-Ionen ab, die durch den pH-Wert ausgedrückt werden. Nur Ionen können an die stationäre Phase bei der Ionenaustauschchromatographie gebunden werden. Die Wahl der Ankergruppen entscheidet darüber, welche Ionen gebunden werden können.
    Zunächst wird der pH-Wert so eingestellt, dass alle gelösten Stoffe bis auf einen in ionischer, also geladener Form vorliegen. Die Probe wird auf die Säule aufgebracht und alle Ionen werden von der stationären Phase adsorbiert. Der ungeladene Stoff passiert die Säule ungehindert.
    Anschließend können die adsorbierten Verbindungen durch Variation des pH-Werts von der stationären Phase abgelöst werden. Dies wird durch die richtige Wahl der Zusammensetzung der mobilen Phase erreicht. Eine ionische Verbindung geht in ihre ungeladene Form über und wird aus der Säule gespült. Dies kann wiederholt werden, bis alle adsorbierten Verbindungen von der stationären Phase gelöst sind und voneinander getrennt vorliegen.

  • Bestimme die Eigenschaften der Ankergruppen.

    Tipps

    Höherwertige Amine sind stärker.

    Lösung

    Die Phosphatguppe gibt leicht $H^+$-Ionen ab, ist daher auch am sauersten. Auch die Carboxylatgruppe $(-COOH)$ kann ein $H^+$-Ion abgeben, ist aber nicht so schnell zu deprotonieren wie die Phosphatgruppe. Die Aminogruppen werden umso basischer, je mehr Seitenketten sie tragen. Das primäre Amin ist also schwach basisch, das sekundäre Amin mäßig basisch und das tertiäre Amin stark basisch.

  • Erkläre den Trennvorgang von Aminosäuren.

    Tipps

    Welche pH-Grenzen kannst du in der Abbildung erkennen?

    Geladene Teilchen werden vom Ionentauscher adsorbiert.

    Lösung

    Der Trennvorgang geht in drei Schritten vor sich:

    • Bei pH-Werten unter 4 sind alle drei Aminosäuren protoniert, liegen also in der geladenen Form vor. Würde man einen pH-Wert aus diesem Bereich wählen, würden daher alle Aminosäuren adsorbiert werden. Dies ist nicht gewollt, daher muss ein pH-Bereich gewählt werden, in dem eine Aminosäure in ungeladener Form vorliegt und zwei in geladener Form. Dies ist zwischen pH 4 und pH 8 der Fall, da hier Asparaginsäure bereits in der unprotonierten Form vorliegt, die anderen beiden Aminosäuren jedoch noch nicht.
    • Anschließend soll die zweite Aminosäure aus dem Ionentauscher ausgewaschen werden. Dazu muss ein pH-Wert zwischen pH 8 und pH 11 gewählt werden, da hier nur Lysin in der geladenen, protonierten Form vorliegt. Cystein wird nun aus der Säule ausgewaschen. Am Detektor kann abgelesen werden, wann dieser Vorgang abgeschlossen ist.
    • Nun soll noch Lysin ausgewaschen werden. Dazu muss der pH-Wert des Laufmittels auf einen Wert größer als pH 11 eingestellt werden, da dann auch Lysin in ungeladener Form vorliegt und ausgewaschen werden kann. Danach ist der Trennvorgang abgeschlossen.

  • Nenne Anwendungen von Ionentauschern.

    Tipps

    In welchem Maßstab lassen sich Ionentauscher einsetzen?

    Lösung

    Die meisten Verbindungen lassen sich an entsprechende Ionentauscher binden, wenn sie sich in wässriger Lösung befinden. Dieses Prinzip kommt in der Chemie und auch in wirtschaftlichen Anwendungen zum Einsatz. Anionen oder Kationen lassen sich dabei durch andere Anionen bzw. Kationen ersetzen. So kann zum Beispiel Wasser aufbereitet werden. Alle enthaltenen Ionen können durch Einsatz mehrerer Ionentauscher entzogen und gegen $H^+$- und $OH^-$-Ionen ausgetauscht werden. Diese reagieren zu $H_2O$ und man erhält entmineralisiertes Wasser. Zur Herstellung von Mineralwasser eignet sich das Verfahren nicht, da in Mineralwasser - wie der Name schon andeutet - eine Vielzahl unterschiedlicher Ionen enthalten sein soll. Auch zur Wasseraufbereitung in Kläranlagen ist das Verfahren ungeeignet, da es zu aufwendig und zu teuer ist, um in diesem Maßstab sinnvoll eingesetzt zu werden. Koppelt man einen Ionentauscher mit der Kontrolle des pH-Wertes, lassen sich adsorbierte Verbindungen gezielt aus der stationären Phase in der Säule herauslösen. So lassen sich Stoffgemische trennen.

  • Erläutere die Anwendungen von Ionentauschern.

    Tipps

    Nitrat = $({NO_3}^-)$, Nitrit = $({NO_2}^-)$

    Lösung

    In vielen technischen Anwendungen können Ionentauscher eingesetzt werden. Viele Metallionen unterschiedlicher Metalle sind sich chemisch so ähnlich, dass sie sich nur mit hohem Aufwand voneinander trennen lassen. Eine Möglichkeit bilden Ionentauscher. Mit den entsprechenden Ankergruppen adsorbieren diese bei einem bestimmten pH-Wert ausschließlich Ionen des gewünschten Metalls. Dies bezeichnet man als Selektivität des Ionentauschers. So lässt sich zum Beipiel Gold in einer höheren Reinheit herstellen als mit anderen Verfahren. Aber auch bei der Gewinnung von Uran zur Herstellung von Kernbrennstäben hat die Anreicherung von Uran-Ionen mit Hilfe von Ionentauschern eine hohe wirtschaftliche Bedeutung.

    Die Selektivität von bestimmten Ionentauschern macht man sich auch bei der Reinigung von mit Schwermetallen verunreinigten Abwässern zunutze. So können die unerwünschten Metallionen entfernt werden, ohne dem Grundwasser wichtige Mineralstoffe und Salze zu entziehen.

    Bei der Herstellung von Zucker wird häufig die Zuckerlösung mit Ionentauschern von unerwünschten Stoffen befreit. Dies sind zum Beispiel unterschiedliche Salze, die in Zuckerrüben enthalten sind, aber auch Proteine, die die Farbe des Zuckers beeinflussen. Da es sich also um Anionen und Kationen handelt, die entfernt werden sollen, kommen bei diesem Prozess nacheinander Kationen- und Anionentauscher zum Einsatz.

    Aber auch bei alltäglichen Anwendungen sind Ionentauscher wichtig: So werden zum Beispiel Kationentauscher in Geschirrspülmaschinen und Waschmaschinen eingesetzt, um die Wasserhärte zu verringern. Dabei werden dem Wasser vor allem $Ca^{2+}$- und $Mg^{2+}$-Ionen entzogen, da diese zur Bildung von Ablagerungen wie Kalk in den Geräten führen können. Dies schädigt die Geräte und führt zu Wasserschäden. Auch in anderen Gebrauchsgegenständen wie Wasserfiltern für den Hausgebrauch und Aquarienfiltern werden Ionentauscher verwendet.