Chromolith^® Säulen: Hohe Leistung bei wenig Druck

Wer in Forschung und Industrie mit Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) mit traditionellen partikulären Trennsäulen arbeitet, braucht dazu hohe Drücke von bis zu 1400 bar. Bei speziellen Chromolith^® Säulen aus dem Supelco^® Portfolio ist das anders: Sie sind aus einem Stück und ermöglichen eine hohe und schnelle Trennleistung bei verhältnismäßig geringem Säulen-Rückdruck. Sie werden exklusiv in Darmstadt hergestellt.

Ob es um Insektizid-Rückstände im Honig, künstliche Farbstoffe im Orangensaft oder Medikamentenreinheit geht: Chromatographische Trennmethoden sind in vielen Bereichen von Forschung und Industrie nicht mehr wegzudenken. Die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) ist die heute am häufigsten verwendete analytische Methode in der Analytik.

Was die HPLC so besonders macht: Feinste Partikel im Trennmaterial sorgen für eine hohe Trennleistung. Und je feiner das Trennmaterial – die sogenannte stationäre Phase – desto besser ist die Trennleistung. Und genau da liegt die große Herausforderung. Denn je feiner das Material, desto kleiner sind auch die Zwischenräume zwischen den Teilchen. Damit wird der Druck höher, der in der „mobilen Phase“ zur Trennung der zu untersuchenden Substanzen erzeugt wird.

„Es entstehen schnell 300 bar oder mehr für eine schnelle Hochleistungstrennung mit sehr kleinen Partikeln“, verdeutlicht Petra Lewits. Die Produktmanagerin ist bei Merck für diesen Teil des Supelco^® Portfolios von Produkten für die Analytik zuständig. „Es sind sogar bis zu 1400 bar möglich. Aber irgendwann stößt man an Grenzen: Ein permanent sehr hoher Rückdruck belastet das ganze System. Und Säulen mit kleinen Partikeln verstopfen relativ schnell. Das beeinträchtigt die Lebenszeit der Säule und die Kosten für die Analyse signifikant“, sagt Lewits.

Doch es gibt eine Lösung, die diese Grenzen verschiebt. Anstatt Säulen mit immer feineren stationären Phasen zu verwenden, nimmt man eine Trennsäule aus einem Stück: einen Monolithen. Allerdings war die Trennleistung bei den ersten Exemplaren in den 1990er Jahren noch zu gering. Das änderte sich erst, nachdem der Japaner Kazuki Nakanishi es geschafft hatte, einen Monolithen aus Kieselgel herzustellen. Doch um das Produkt auf den Markt bringen zu können, reichte das chemische Know-how allein nicht aus. Er benötigte Unterstützung aus der Industrie. Das bekam Karin Cabrera mit, die zu dieser Zeit bei Merck in der R&D an neuen Chromatographiematerialien arbeitete. Die promovierte Chemikerin erkannte das große Potenzial und nahm Kontakt zu den Kollegen der Universität Kyoto auf.

Die Chemie hinter der Bildung der Kieselgele war kein großes Geheimnis. Aber die Anforderungen bei der Herstellung einer Trennsäule aus einem Stück unterscheiden sich vom üblichen Verfahren: Die Ausbildung der Monolithen geschieht in speziell vorbereiteten Gelierrohren, um direkt die gewünschte zylindrische Form zu erhalten. Für jede Größe der HPLC-Säulen wird ein anderes Gelierrohr verwendet.
Mit Polyethylenoxid wird die Größe der Makro-Poren bestimmt. Und mit Harnstoff werden dann auf der Oberfläche des Kieselgels die etwa hundertfach kleineren Meso-Poren gebildet. An ihnen erfolgt später die Auftrennung des Stoffgemischs.

Vorher musste man allerdings noch ein entscheidendes Problem meistern: Für den Einsatz der Monolithen in der HPLC müssen diese sowohl ausreichend druckstabil als auch lösemittelstabil sein. Dafür wurde bei Merck extra ein spezielles Verfahren entwickelt, bei dem die Monolithen mit Hochleistungskunststoffen ummantelt werden. Benjamin Peters – der Nachfolger von Karin Cabrera – betont: „Die Ummantelung ist der schwierigste Schritt und das Herzstück in der Herstellung der Chromolith^® Säulen. Bislang hat es keiner unserer Konkurrenten geschafft, einen vergleichbaren Mantel um Kieselgelmonolithen zu legen.“ Und so bleibt dieses Verfahren auch nach zwanzig Jahren noch exklusiv für Supelco^® Produkte.