Papierchromatografie is een van de eenvoudigste en meest toegankelijke scheidingstechnieken in de chemie. Met niet meer dan een strook chromatografiepapier, een oplosmiddel en een te onderzoeken mengsel kunt u componenten van elkaar scheiden en identificeren op basis van hun Rf-waarde. De techniek wordt al decennialang gebruikt in het onderwijs — van de middelbare school tot het hoger laboratoriumonderwijs — maar heeft ook praktische toepassingen in de analytische chemie.
Papierchromatografie behoort tot de vloeistof-vloeistofchromatografie: zowel de stationaire fase als de mobiele fase zijn vloeibaar. Dat onderscheidt haar van adsorptietechnieken zoals dunnelaagchromatografie (TLC) en klassieke kolomchromatografie, waarbij de stationaire fase een vaste stof is.
De naam chromatografie is afgeleid van de Griekse woorden chroma (kleur) en graphein (schrijven). De Russische botanicus Mikhail Tswett introduceerde de term in 1906 toen hij plantpigmenten — chlorofylen en carotenoïden — scheidde door een kolom gevuld met calciumcarbonaat. De gekleurde banden die daarbij ontstonden gaven de techniek haar naam. Tegenwoordig wordt chromatografie ook gebruikt voor kleurloze verbindingen, maar de naam is gebleven.
Bij papierchromatografie dient het chromatografiepapier als drager. De stationaire fase is het water dat in de cellulosevezels van het papier is gebonden — niet het papier zelf. De mobiele fase is een oplosmiddel of oplosmiddelgemengsel dat via capillaire werking door het papier opstijgt (of daalt, bij dalende papierchromatografie).
De scheiding berust op partitieverdeling: componenten verdelen zich continu over de waterige stationaire fase en de organische mobiele fase op basis van hun oplosbaarheid in beide fasen. Een component die goed oplost in de mobiele fase beweegt snel mee omhoog; een component die goed oplost in de waterige stationaire fase blijft meer ter plaatse. Zo ontstaan gescheiden vlekken op het papier.
Het oplosmiddel stijgt in papierchromatografie omhoog door capillaire werking: de aantrekkingskracht tussen het oplosmiddel en de cellulosevezels van het papier is groter dan de zwaartekracht die het oplosmiddel naar beneden trekt. Hoe smaller de poriën in het papier, hoe hoger het oplosmiddel kan stijgen. De stijgsnelheid neemt af naarmate het oplosmiddelfront hoger komt, omdat de capillaire kracht dan moet opboksen tegen een toenemend gewicht van de vloeistofkolom.
Dit is een belangrijk praktisch punt: laat de chromatografie lang genoeg lopen zodat de vlekken voldoende gescheiden zijn, maar stop vóórdat het oplosmiddelfront de bovenrand van het papier bereikt — anders kunt u de Rf-waarde niet meer correct berekenen.
Chromatografiepapier is opgebouwd uit cellulose, een polysacharide met veel vrije hydroxylgroepen (-OH). Cellulose is daarmee sterk polair. Het gebonden water in de cellulosevezels — de stationaire fase — is eveneens polair. Polaire verbindingen hebben daardoor een hogere affiniteit voor de stationaire fase en bewegen langzamer met de mobiele fase mee; apolaire verbindingen bewegen sneller.
Bij normale papierchromatografie (oplopend, met een polair papier en een organisch oplosmiddel als mobiele fase) geldt dus: hoe polairder de verbinding, hoe lager de Rf-waarde. Dit is het omgekeerde van reversed-phase chromatografie.
De Rf-waarde (retentiefactor, ook wel vlekfactor of retardation factor genoemd) is de verhouding tussen de afstand die een component heeft afgelegd en de afstand die het oplosmiddelfront heeft afgelegd, gemeten vanaf de startlijn:
Rf = afstand component / afstand oplosmiddelfront
De Rf-waarde is een getal tussen 0 en 1. Een Rf van 0 betekent dat de component helemaal niet met de mobiele fase is meebewogen — ze is volledig opgenomen in de stationaire fase. Een Rf van 1 betekent dat de component even snel heeft bewogen als het oplosmiddelfront zelf — ze heeft geen of nauwelijks affiniteit voor de stationaire fase en lost volledig in de mobiele fase.
In de praktijk liggen Rf-waarden van goed scheidbare componenten tussen 0,1 en 0,9. Waarden dicht bij 0 of dicht bij 1 zijn minder bruikbaar: ze geven weinig informatie over de identiteit van de stof en scheiden slecht van andere componenten met vergelijkbare polariteit.
In theorie ja — en in de overgrote meerderheid van de praktijksituaties ook. Toch zijn er omstandigheden waaronder de Rf-waarde schijnbaar buiten dit bereik valt:
Een Rf groter dan 1 is theoretisch onmogelijk: een component kan niet sneller bewegen dan het oplosmiddelfront, want het oplosmiddelfront is per definitie de snelst bewegende grens. Een gemeten Rf boven 1 wijst altijd op een meetfout — de startlijn is te laag aangebracht (in het oplosmiddel), of het oplosmiddelfront is niet correct bepaald.
Een negatieve Rf is eveneens theoretisch onmogelijk en wijst in de praktijk op een fout in de meting of het experimentele ontwerp, zoals een component die uit de startzone omlaag is gediffundeerd vóór het begin van de scheiding, of een onjuist gekozen referentiepunt.
Een Rf van precies 1 betekent dat de stof volledig in de mobiele fase oplost en niet wordt geretardeerd. Dit is het geval bij zeer apolaire verbindingen in een apolair oplosmiddel op polair papier. De stof is dan feitelijk niet te identificeren via haar Rf-waarde — ze loopt altijd met het front mee, ongeacht het oplosmiddel.
Een lage Rf-waarde (dicht bij 0) betekent dat de component sterk aan de stationaire fase hecht en nauwelijks meebeweegt. Dit kan worden gecorrigeerd door een meer polair oplosmiddel als mobiele fase te kiezen, waardoor de elutiekracht toeneemt.
Meet na afloop van de chromatografie — met het papier nog vochtig of na drogen — de volgende twee afstanden, beide gemeten vanaf de startlijn:
1. De afstand van de startlijn tot het midden van de vlek van de te meten component.
2. De afstand van de startlijn tot de bovenste grens van het oplosmiddelfront.
Deel de eerste afstand door de tweede. Bij vlekken die zijn uitgelopen of een staartje hebben (tailing), meet u tot het zwaartepunt van de vlek. De Rf-waarde is reproduceerbaar onder vaste omstandigheden (zelfde papier, zelfde oplosmiddel, zelfde temperatuur), maar verschilt tussen laboratoria als deze condities variëren. Vermeld daarom altijd de omstandigheden bij het rapporteren van Rf-waarden.
Papierchromatografie kent meerdere uitvoeringsvormen, elk met een eigen toepassing:
Oplopende papierchromatografie is de meest gebruikte variant. Het papier hangt verticaal in een afgesloten ruimte; het oplosmiddel staat onderaan en stijgt op via capillaire werking. Eenvoudig uit te voeren en geschikt voor de meeste toepassingen in het onderwijs.
Dalende papierchromatografie werkt omgekeerd: het oplosmiddel bevindt zich bovenaan in een reservoir en daalt via het papier omlaag. De zwaartekracht werkt mee, waardoor de scheiding sneller verloopt en langere ontwikkelingstijden mogelijk zijn zonder dat het front de rand bereikt. Geschikt voor langzaam scheidende mengsels.
Horizontale papierchromatografie (radiale chromatografie) gebruikt een ronde papierschijf. Het oplosmiddel wordt in het midden aangebracht en verspreidt zich radiaal naar buiten. De componenten vormen concentrische ringen. Deze variant is handig voor snelle kwalitatieve screening.
Tweedimensionale papierchromatografie gebruikt twee opeenvolgende ontwikkelingen in twee verschillende oplosmiddelen, loodrecht op elkaar. Het principe van twee orthogonale scheidingen is ook de basis van instrumentele 2D-LC. Na de eerste ontwikkeling wordt het papier negentig graden gedraaid en opnieuw ontwikkeld. Dit geeft een aanzienlijk hogere resolutie en wordt gebruikt voor complexe mengsels zoals aminozuurmengsels.
Continue papierchromatografie laat het oplosmiddel continu over het papier lopen, waarbij componenten van de onderrand afdruipen en worden opgevangen. Dit is een preparatieve variant die grotere hoeveelheden kan verwerken.
Papierchromatografie is één techniek binnen een breed spectrum van chromatografische methoden. Alle varianten delen hetzelfde basisprincipe: een mobiele fase beweegt langs een stationaire fase en componenten scheiden op basis van hun affiniteit voor beide fasen. De belangrijkste varianten:
Papierchromatografie (dit artikel): stationaire fase is gebonden water in cellulosepapier; scheiding via partitie. Eenvoudig, goedkoop, laag in resolutie.
Dunnelaagchromatografie (TLC): stationaire fase is silicagel of aluminiumoxide op een plaat; scheiding via adsorptie. Sneller en met hogere resolutie dan papierchromatografie. Lees meer in ons artikel over dunnelaagchromatografie (TLC).
Kolomchromatografie: stationaire fase in een glazen kolom; scheiding via adsorptie, partitie, ionenwisseling of grootte-exclusie. Geschikt voor preparatieve zuivering. Zie ons artikel over klassieke kolomchromatografie.
HPLC (hogedruk vloeistofchromatografie): kolomchromatografie onder hoge druk met zeer fijn vulmateriaal. Hoge resolutie en snelheid; standaard analytische techniek. Zie ons artikel over HPLC.
Gaschromatografie (GC): mobiele fase is een gas; scheiding van vluchtige verbindingen op basis van dampdruk en interactie met de stationaire fase. Kwalitatief én kwantitatief toepasbaar — GC geeft zowel informatie over de identiteit (retentietijd, koppeling met MS) als over de hoeveelheid (piekoppervlak) van een component. Meer hierover in ons artikel over gaschromatografie (GC).
Ionenchromatografie (IC): scheiding van ionen via ionenwisselende stationaire fasen in waterige oplossingen. Zie ons artikel over ionenchromatografie.
Gelchromatografie (grootte-exclusiechromatografie, SEC/GPC): scheiding op molecuulgrootte via poreuze geldeeltjes. Kleinere moleculen dringen dieper in de poriën en elueren later. Toegepast in de polymeeranalyse en biochemie. Meer hierover in ons artikel over grootte-exclusiechromatografie (SEC / GPC).
Het scheiden van plantpigmenten is het meest klassieke toepassingsvoorbeeld van papierchromatografie en een vast onderdeel van het scheikundeonderwijs. Een groene plant bevat meerdere pigmenten: chlorofyl a (blauwgroen), chlorofyl b (geelgroen), carotenoïden (oranje-geel) en xantofyllen (geel). Deze pigmenten hebben verschillende polariteiten en verdelen zich daardoor anders over de stationaire en mobiele fase.
Als mobiele fase wordt vaak een mengsel van petroleumether en aceton gebruikt. De apolaire carotenoïden en xantofyllen lossen goed op in de apolaire mobiele fase en bewegen snel mee — hoge Rf-waarde. De meer polaire chlorofyllen bewegen langzamer — lagere Rf-waarde. Na voldoende ontwikkeling zijn de afzonderlijke pigmenten als gekleurde banden zichtbaar, elk met een karakteristieke Rf-waarde.
Inktpigmenten uit stiften of inkt zijn een andere klassieke toepassing: zwarte inkt blijkt bij papierchromatografie vaak te bestaan uit meerdere gekleurde componenten die pas bij scheiding zichtbaar worden.
Papierchromatografie is bijzonder geschikt voor het voortgezet onderwijs en het middelbaar beroepsonderwijs omdat de techniek geen dure apparatuur vereist, veilig is met de juiste voorzorgsmaatregelen, en visueel aantrekkelijke resultaten geeft. De scheiding van inktpigmenten of plantextracten is in een lesuur uit te voeren en maakt het abstracte concept van chromatografie direct zichtbaar.
Chromatografiepapier, geschikte oplosmiddelen en het overige benodigde materiaal vindt u in de categorie chromatografie in ons assortiment.
Papierchromatografie en TLC lijken op elkaar — beide zijn planaire technieken waarbij een monster op een vlakke drager wordt aangebracht en een oplosmiddel omhoog stijgt — maar ze verschillen wezenlijk in principe en prestaties.
Bij papierchromatografie is de scheiding gebaseerd op partitie (verdeling tussen twee vloeibare fasen); bij TLC op adsorptie (binding aan een vaste fase). TLC geeft scherpere vlekken, kortere looptijden en een hogere resolutie. Papierchromatografie is goedkoper en eenvoudiger, maar minder geschikt voor complexe mengsels of kwantitatieve toepassingen. Voor analytische doeleinden heeft TLC papierchromatografie in de meeste laboratoria vervangen; voor educatieve doeleinden blijft papierchromatografie waardevol.
Wilt u weten welke chromatografietechniek het beste past bij uw toepassing? Neem contact op met onze specialisten voor advies.
Inloggen
Wachtwoord vergeten
Account aanmaken
Uw winkelwagen is leeg.
