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Lexikon der Biologie: Chromatographie

Chromatographie w [von *chromato –, griech. graphē = Schrift], Sammelbegriff für physikalisch-chemische Trennmethoden, mit denen Substanzgemische aufgrund der verschiedenen Verteilung ihrer einzelnen Komponenten zwischen einer unbeweglichen (stationären) und einer beweglichen (mobilen) Phase aufgetrennt werden. Chromatographische Methoden werden sowohl zur präparativen (im Bereich von mMol oder einigen Mol der aufzutrennenden Stoffe) als auch zur analytischen (bis zum Nano- und Picomolbereich) Trennung von Stoffgemischen eingesetzt. Die Bezeichnung Chromatographie wurde geprägt durch die ursprünglich zur Trennung von Farbstoffen (chroma, griech. = Farbe) entwickelte Adsorptionschromatographie. Durch Anwendung empfindlicher Nachweismethoden für farblose Stoffe wurden chromatographische Methoden rasch zur Trennung praktisch aller (d. h. auch der farblosen) Substanzklassen ausgedehnt. Die Bedeutung der Chromatographie für fast alle Bereiche der Biologie, besonders aber für Biochemie, Molekularbiologie und Physiologie, ist heute kaum zu überschätzen. – Die beiden wesentlichen Trennprinzipien definieren sich nach der mobilen Phase: bei der Flüssigkeitschromatographie werden gelöste Substanzen in organischen Lösungsmitteln oder wäßrigen Salzlösungen aufgetrennt, bei der Gaschromatographie Gase oder flüchtige Substanzen mittels inerter Trägergase. Die stationären Phasen sind entweder flächenförmig (Papierchromatographie, Dünnschichtchromatographie; vgl. Abb. ) oder säulenförmig (Säulenchromatographie), wobei im Falle der Dünnschichtchromatographie (thin layer chromatography) die stationären Phasen in Form dünner Schichten (0,1–1 mm) auf Glasplatten oder Kunststoffolien aufgezogen sind. Bei der Säulenchromatographie sind sie innerhalb von Glasrohren (bzw. Stahlrohren bei Hochleistungs-Flüssigkeits-Chromatographie; HPLC) als "Säulen" (Durchmesser 0,1–5 cm, Länge 1–100 cm), die von den betreffenden mobilen Phasen in der Längsrichtung durchflossen werden können, eingebettet. Die stationären Phasen bestehen meist aus festen Stoffen, den Trägerstoffen, die selbst oft adsorptive Eigenschaften haben (Adsorbentien), u. a. Papier, Biopolymere wie Cellulose, Stärke, Dextrane oder Agarose (Agar), synthetische Polymere wie Polyacrylamid, Methacrylate oder Polyvinylbenzol/Polystyrol sowie anorganische Polymere wie Kieselgel, Hydroxylapatit oder poröse Glaskügelchen. Im Falle der Verteilungschromatographie fungiert als stationäre Phase ein an der Oberfläche eines festen Stoffes adsorbiertes Lösungsmittel (z. B. Methanol an Aluminiumoxid), so daß die eigentliche chromatographisch wirksame Schicht der stationären Phase flüssig ist. Mit der Einführung funktioneller Gruppen bzw. Liganden wird der Trennmodus eingeengt; z. B. bilden hydrophobe/lipophile Liganden die Grundlage für die hydrophobe Interaktionschromatographie und die Umkehrphasenchromatographie, ionische Gruppen für die Ionenaustauschchromatographie, Metallionen für die Metallchelat-Affinitätschromatographie. – Zur Durchführung einer Chromatographie werden die gelösten Substanzgemische zunächst an dem dem späteren Einfließen der mobilen Phase zugewandten Ende der stationären Phase (meist oberes Ende bei Säulen- und Papierchromatographie, da Laufrichtung der mobilen Phase von oben nach unten; unteres Ende bei Dünnschichtchromatographie, da Laufrichtung von unten nach oben) aufgetragen. Anschließend erfolgt die Auftrennung der Gemische aufgrund des Durchströmens der mobilen Phase. Dabei werden die einzelnen Komponenten, je nach relativer Verweilzeit in der stationären bzw. mobilen Phase, unterschiedlich weit von der mobilen Phase "mitgeschleppt", so daß sie, bei Dünnschicht- und Papierchromatographie, nach Beendigung der Chromatographie an unterschiedliche Positionen der Schicht bzw. des Papiers zu stehen kommen bzw. bei Säulenchromatographie in charakteristischer Reihenfolge am unteren Ende der Säule in gelöster Form die stationäre Phase verlassen (d. h. eluiert werden; eluieren). Die Methoden der Dünnschicht- und Papierchromatographie werden häufig auch in der zweidimensionalen Form eingesetzt (zweite Laufrichtung senkrecht zur ersten Laufrichtung sowie anderes Lösungsmittel). Vor allem bei der Säulenchromatographie nutzt man inzwischen verstärkt unterschiedliche Lösungsmittelzusammensetzungen, Gradienten genannt, zur Auftrennung. Der Gradient kann linear oder als Stufengradient angelegt werden und u. a. den pH-Wert, den Salzgehalt oder den Gehalt an organischem Lösungsmittel betreffen. Bleibt das Lösungsmittel gleich, spricht man von isokratischer Trennung. Für die Beurteilung der chromatographischen Auftrennung ist die Detektion der untersuchten Substanzen wesentlich. Die spezifische Detektion z. B. durch enzymatische, hormonelle oder rezeptorspezifische Funktionstests oder immunologische Methoden erlaubt den gezielten, qualitativen Nachweis bekannter Substanzen. Die unspezifische Detektion dient der quantitativen Erfassung von Substanzen, z. B. des Proteingehalts mit Hilfe von UV-Absorption oder Farbreaktionen (Bradford-Methode, Lowry-Methode oder Bicinchoninsäure-Assay; Proteinbestimmung) oder des Gasgehalts durch Änderungen der Wärmeleitfähigkeit. Ein Chromatogramm ( vgl. Infobox ) bezeichnet die graphische Darstellung des von den Detektoren aufgezeichneten Signals als Konzentrationsmaß gegen die Zeit, im Fall von Dünnschicht- und Papierchromatographie die Fixierung der aufgetrennten Komponenten auf der Schicht. Die meisten Komponenten chromatographischer Systeme werden inzwischen automatisch gesteuert (z. B. automatische Probengeber [Autosampler] und Fraktionssammler) und per Computer reguliert (z. B. Regelung der Durchflußgeschwindigkeit oder Aufbau von Gradienten). Die quantitative Auswertung von Detektorsignalen sowie die qualitative Analyse (z. B. nach zweidimensionaler Auftrennung) erfolgen ebenfalls meist computergestützt. Methoden der Chromatographie: vgl. Infobox. – Bedeutende Beiträge zur Entwicklung chromatographischer Methoden leisteten unter anderem H.H. Brockmann, C.O.V. Engler, F. Feigl, A.J.P. Martin, F.F. Runge, R.L.M. Synge, A.W.K. Tiselius, M.S. Tswet. Chromatographie .

H.K./M.B.

Lit.: Daecke, H.: Chromatographie. Frankfurt 31981. Schwedt, G.: Chromatographische Methoden in der anorganischen Analytik. Heidelberg 1980. Schwedt, G.: Chromatographische Trennmethoden. Theoretische Grundlagen, Techniken und analytische Anwendungen. Stuttgart 31994. Kraus, L., Koch, A., Hoffstetter-Kuhn, S.: Dünnschichtchromatographie. Berlin 1996.




Chromatographie

1 Papierchromatogramm
(eindimensionale Trennung); a Aufsicht des Trennungsvorgangs (gestrichelt die seitliche Ansicht), das Gemisch ist im Startpunkt vereint; b Endzustand nach der Trennung. 2zweidimensionale Trennung von Aminosäuren.

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