Zurück zur Kurzfassung der Facharbeit
Zurück zur Hauptseite
Tassilo-Gymnasium
Simbach am Inn
Kollegstufe Abiturjahrgang 1997
Facharbeit
aus der Chemie
Rationelle Auswertung und Dokumentation von Chromatogrammen durch Computerunterstützung
Verfasser: Michael Multerer
Leistungskurs: Chemie
Kursleiter: Franz Hetzer
Bearbeitungszeitraum: 12/2 - 13/1
Abgabetermin: 03.02.1997
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Grundsätzliche Überlegungen
2.1 Einlesen der Chromatogramme
2.2 Speichern im PCX-Format
3. Übersicht über die Funktionsweise der Software
3.1 Kenndaten der Software
3.2 Das Ladefenster
3.3 Die Auswertung
3.3.1 Vorgehensweise
3.3.2 Interne Arbeitsweise und Ausgabeformat
3.4 Darstellung der Ergebnisse
3.5 Speichern und Drucken
4. Erprobung der Software an praktischen Beispielen
4.1 Farbstoffgemisch Methylorange, Kristallviolett, Malachitgrün
4.2 Blattfarbstoffe
4.3 Tartrazin, Gelborange S, Brillantschwarz BN
4.4 weitere Möglichkeiten
5. Abschließende Stellungnahme
6. Inhalt der Diskette
7. Literaturverzeichnis
1. Einleitung
Die Dünnschichtchromatographie und die Papierchromatographie sind
weit verbreitete Methoden der analytischen Chemie. Ihre großen Vorteile
sind der geringe apparative Aufwand und die einfache Durchführbarkeit
der Trennungen. Deshalb bieten sie sich für den Einsatz an Schulen
an, da hier auf geringe Kosten und ein einfaches, vom Schüler leicht
durchschaubares Analyseprinzip besonderer Wert gelegt werden.
Ohne technische Hilfsmittel ist die Auswertung der angefertigten Chromatogramme
jedoch auf qualitative, oft ungenaue Ergebnisse beschränkt. Die Verwendung
eines DC-Scanners (siehe [10] S. 152f), der neben einer hohen Genauigkeit
auch die Möglichkeit quantitativer Analysen bietet, lohnt sich für
Schulen nicht, da diese relativ teueren Geräte meist auf nur einen
Einsatzbereich beschränkt sind. Die densitometrische Auswertung erfordert
ebenfalls ein Spezialgerät, das die genannten Nachteile mit sich bringt.
Ein weiteres Problem stellt die Dokumentation der Analysen dar. Viele
Substanzen verändern sich in relativ kurzer Zeit, so daß die
Information des Chromatogramms verloren geht. Farbstoffe zersetzen sich
und verblassen, durch Reagenzien hervorgerufene Farbumschläge sind
nicht stabil. Deshalb muß der Zustand des Chromatogramms kurz nach
der Entwicklung festgehalten und dauerhaft aufgezeichnet werden.
2. Grundsätzliche Überlegungen
Ein im Gegensatz zur Photographie relativ neues Verfahren, die Substanzflecken
dauerhaft festzuhalten, ist die Verwendung eines Flachbettscanners in Verbindung
mit einem PC. Der Scanner tastet das Chromatogramm ab und gibt die Informationen
an den PC weiter, wo sie als Bilddatei gespeichert und verlustfrei aufbewahrt
werden können. Damit ergibt sich außerdem die Möglichkeit
der Weiterverarbeitung der Bildinformation in einer Auswertungssoftware.
Der Vorteil gegenüber der Verwendung eines speziellen DC-Scanners
oder Densitometers ist die universelle Verwendbarkeit eines PCs, die den
hohen Preis durch eine Vielzahl von Einsatzbereichen rechtfertigt.
2.1 Einlesen der Chromatogramme
Das Scannen der Chromatogramme erfolgt meist softwaregesteuert über
den Rechner, nachdem der Benutzer die Größe und Auflösung
des einzulesenden Bildes auf irgendeine Weise eingestellt hat. Der Scanner
beleuchtet die Vorlage mit einer Lichtquelle und berechnet aus der reflektierten
Lichtmenge die Farbe der Vorlage. Ähnlich wie bei einem DC-Scanner
findet also eine "ortsaufgelöste Messung der diffusen Reflexion" ([7],
S. 489) statt. Da Computer nur digitale Daten verarbeiten können,
wird beim Scannen eine Digitalisierung durchgeführt, die im wesentlichen
eine Rasterung und eine Farbreduktion umfaßt.
Bei der Rasterung wird die Vorlage in eine Matrix aus Zeilen und Spalten
eingeteilt, wodurch das ganze Chromatogramm nun aus einzelnen Bildpunkten,
auch Pixel genannt, besteht. Die Zahl der Zeilen bzw. Spalten pro Längeneinheit
wird als Auflösung bezeichnet und häufig in dpi (dots per inch)
angegeben. Bei gegebener Vorlagengröße hat die Auflösung
direkten Einfluß auf die Detailgenauigkeit und die Anzahl der Pixel,
also die Bildgröße. Mein Programm verarbeitet Bilder mit einer
Maximalgröße von 620 Pixeln Breite und 410 Pixeln Höhe,
was bei einer Chromatogrammgröße von 8x4 cm einer Auflösung
von knapp 200 dpi entspricht. Diese Beschränkung hat den großen
Vorteil, daß auf einer 3,5"-Diskette mit 1,44 MB Speicherkapazität
die Bilddateien von rund 30 Chromatogrammen Platz finden.
Ziel der Farbreduktion ist es, die vielen mit dem Auge unterscheidbaren
Farben in eine vom Rechner verwertbare Form zu bringen. Dazu wird jedes
Pixel in einen Rot-, Grün- und Blauanteil zerlegt, dessen Helligkeit
jeweils durch eine Zahl ausgedrückt wird. Ist die Zahl eines Farbanteils
Null, dann entspricht das der Helligkeit Null, d.h. dieser Farbanteil ist
nicht Bestandteil der Farbe. Je größer die Zahl ist, desto heller
ist auch die entsprechende Farbkomponente. Erreichen die Zahlen aller drei
Farbanteile den größten erlaubten Wert, dann entsteht durch
additive Farbmischung weiß, sind sie alle Null entsteht schwarz.
Der größte erlaubte Wert für eine Farbkomponente hat einerseits
Einfluß darauf, wieviel Speicherplatz für jedes Pixel benötigt
wird, andererseits entscheidet er über die Anzahl an verschiedenen
Farben, die unterschieden werden können. Je größer die
Zahlen für die Farbkomponenten sein dürfen, umso feiner und weniger
störend sind die Abstufungen zwischen den einzelnen Farben. Deshalb
empfehle ich, beim Scannen die Maximalzahl an unterscheidbaren Farben einzustellen,
die bei handelsüblichen Flachbettscannern meist bei 16,8 Millionen
liegt. Dies entspricht der ebenfalls oft angegebenen Farbtiefe von 24 Bit,
die sich auf den Platzbedarf eines Pixels bezieht.
2.2 Speichern im PCX-Format
Zur Archivierung und zur Auswertung der eingelesenen Chromatogramme ist
das Speichern der Daten in einer Bilddatei nötig. Die Hersteller von
Bildbearbeitungssoftware haben eine fast unüberschaubare Vielfalt
von Bilddateiformaten mit verschiedensten Speichertechniken hervorgebracht.
Mein Programm unterstützt ein einziges, das PCX-Format. Selbst der
Versuch, nur die am weitesten verbreiteten Dateiformate alle in einem Programm
abzudecken, bedeutet einen gewaltigen zeitlichen Aufwand. Da jedoch das
PCX-Format von fast allen Programmen verarbeitet wird, ist dies auch gar
nicht sinnvoll.
Meine Entscheidung für das PCX-Format hat mehrere Gründe,
von denen ich den ersten, die weite Verbreitung, bereits genannt habe.
Außerdem ist es relativ einfach aufgebaut und eignet sich so besonders
für Eigenentwicklungen. Trotzdem verfügt es über Datenkompression,
wodurch der Speicherbedarf der Bilddateien sinkt (siehe [2] S. 86ff).
Bevor das Chromatogramm als Bilddatei gespeichert wird, muß die
Anzahl der darstellbaren Farben reduziert werden. Dadurch sinkt nicht nur
der Speicherbedarf der Bilddatei, sondern auch der Verwaltungsaufwand zur
Darstellung und Auswertung des Chromatogramms. Mein Programm verarbeitet
ausschließlich Bilder mit 256 Farben bzw. mit einer Farbtiefe von
8 Bit.
Das Verfahren, die Chromatogramme mit einer möglichst großen
Farbtiefe einzulesen und erst vor dem Speichern auf 8 Bit zu reduzieren,
liefert in der Praxis meist bessere Ergebnisse als eine Einschränkung
der Farbtiefe bereits beim Scannen, weil dadurch die Umsetzung in 256 Farben
effizienter erfolgt.
3. Übersicht über die Funktionsweise der Software
Mein Programm lädt die im PCX-Format gespeicherten Bilddateien und
ermöglicht dem Benutzer eine komfortable Auswertung der Chromatogramme
am Bildschirm sowie die Dokumentation der Ergebnisse durch Speichern oder
Ausdrucken.
3.1 Kenndaten der Software
Bevor ich auf die eigentliche Arbeitsweise eingehe, möchte ich einige
charakteristische Daten der Software aufführen. Das Programm arbeitet
unter MS-DOS oder unter der DOS-Emulation von Windows 95 sowie allen dazu
kompatiblen Betriebssystemen. Die Entscheidung für DOS traf ich, weil
ich nur dafür die nötigen Kenntnisse und die geeignete Programmierumgebung
besitze. Jedoch sehe ich das nicht als Nachteil an, da die Software so
auf einem Großteil der verwendeten PCs lauffähig ist. Für
den Betrieb reichen 250 KB freier Arbeitsspeicher aus, der Speicherbedarf
der Programmdateien auf der Festplatte liegt in der selben Größenordnung.
An die Rechenleistung werden ebenfalls nur geringe Ansprüche gestellt,
was man von den derzeit verkauften kommerziellen Windowsprogrammen sicher
nicht behaupten kann. Eine Maus und eine zum VGA-Standard kompatible Grafikkarte
ist zwingend nötig, ich empfehle außerdem auf VESA-Kompatibilität
zu achten. Diese Einschränkung ist nötig, um sicherzustellen,
daß eine Auflösung von 640x480 Pixeln in 256 Farben dargestellt
werden kann.
Die Software ist ausschließlich in Turbo C++ der Firma Borland
geschrieben, wobei ich die in [6] angegebenen Erweiterungen der Grafikfunktionen
mitbenutzte. Die grafische Oberfläche und die Druckfunktionen wurden
von mir selbst aus den Bibliotheksfunktionen zur Textausgabe und zum Zeichnen
von Linien, Rechtecken und einzelnen Pixeln erstellt.
3.2 Das Ladefenster
Nach dem Starten des Programms erscheint eine blaue Menüleiste am
oberen Bildschirmrand, aus der sich mehrere Menüs mit Befehlen öffnen
lassen. Wenn der Anwender mit der linken Maustaste auf das Wort "Datei"
klickt, öffnet sich ein Menü mit den Befehlen Laden, Speichern,
Drucken und Beenden, die wiederum durch Anklicken aktiviert werden können.
Nach
der Aktivierung des Befehls Laden öffnet sich ein Fenster (siehe Abb.
1), das zahlreiche Möglichkeiten bietet. Durch Anklicken des grau
hinterlegten Verzeichnisnamens, der das aktuelle Arbeitsverzeichnis angibt,
kann ein beliebiges neues Verzeichnis eingegeben werden. Nach dem Bestätigen
der Eingabe mit der Enter-Taste (auch Return- oder Eingabetaste genannt)
werden alle im angegebenen Verzeichnis vorhandenen Dateien mit der dem
Dateityp entsprechenden Erweiterung angezeigt. Mit den Pfeilen, die rechts
neben den Dateinamen angezeigt werden, kann sich der Benutzer durch die
Liste aller vorhandenen Dateien bewegen. Wenn er auf einen Dateinamen klickt,
wird dieser in das Eingabefeld für den Dateinamen übernommen
und die Auswahl muß nur noch durch einen Druck auf die OK-Taste bestätigt
werden, um die Datei zu laden. Selbstverständlich kann der Dateiname
auch direkt über die Tastatur eingegeben werden.
In der Abbildung ist der Dateityp Bild eingestellt, da sich der rote
Punkt im Kreis neben der Auswahlmöglichkeit "Bild" befindet. Klickt
man auf den leeren Kreis neben "Auswertung", wird der Dateityp entsprechend
geändert. Die Dateierweiterung im Eingabefeld für den Dateinamen
lautet jetzt nicht mehr ".PCX" sondern ".ASC" und auch die Liste der vorhandenen
Dateien wird aktualisiert. Auf diese Weise kann der Benutzer die Ergebnisse
von Auswertungen, die er zu einer beliebigen Zeit zuvor erstellt hat, erneut
betrachten und auch ausdrucken. Zum leichteren Vergleich von ausgewerteten
Chromatogrammen besteht die Möglichkeit zwei Auswertungen gleichzeitig
zu laden und in einem Fenster miteinander darzustellen. Die Auswahl, welche
Auswertungen miteinander angezeigt werden, kann man über die Einstellungen
"Auswertung 1" und "Auswertung 2" treffen, wobei die Art der Darstellung
jeweils in Klammern angegeben ist. Beim Laden von Bilddateien hat diese
Einstellung keine Bedeutung.
3.3 Die Auswertung
Das Menü Auswertung umfaßt die Einträge Schließen,
Manuell und Optionen. Der Menüpunkt Manuell dient zur Erstellung einer
neuen Auswertung, wozu die Bilddatei eines Chromatogramms geladen sein
muß.
3.3.1 Vorgehensweise
Nach der Anwahl des Menüpunkts erscheint ein Fenster, in dem gewählt
werden kann, ob die anfallenden Daten als Auswertung 1 oder Auswertung
2 verwaltet werden sollen. Anschließend wird der Benutzer durch einen
Hinweistext am unteren Bildschirmrand gebeten, die Startlinie, auf der
die Substanzen aufgetragen wurden, zu markieren.
Zu diesem Zweck wird die Startlinie an der aktuellen Mausposition eingezeichnet
und so lange bei jeder Mausbewegung aktualisiert, bis die Auswahl durch
Klicken mit der linken Maustaste bestätigt wird. Zur Kontrolle wird
die endgültige Position der Startline weiterhin dargestellt (siehe
Abb. 2), während der Benutzer nun die Frontlinie auf die gleiche Weise
markiert. Das Programm ist so ausgelegt, daß die Fließrichtung
des Laufmittels bei allen eingelesenen Chromatogrammen horizontal von links
nach rechts weisen muß. Nach der Markierung der Start- und Frontlinie
ergibt sich das in Abbildung 2 dargestellte Monitorbild. Hier hat man die
Möglichkeit, die Höhe zu wählen, auf der die Auswertung
erfolgen soll. So kann man mehrere Substanzen auf einer Dünnschichtplatte
trennen und einzeln auswerten. Nachdem die gewünschte Höhe durch
Klicken mit der linken Maustaste festgelegt worden ist, erfolgt der automatische
Teil der Auswertung, auf den ich später genauer eingehen werde. In
einem vom Programm automatisch geöffneten Fenster werden die Ergebnisse
der Auswertung angezeigt, die der Anwender nun ergänzen kann. Zur
Bestimmung von Rf-Werten (siehe [7] S. 489) markiert man die
gewünschten Stellen wie zuvor die Start- und Frontlinie und überläßt
die Berechnung der Software. Dieser Modus, in dem beliebig viele Rf-Werte
bestimmt werden können, kann jederzeit durch Klicken mit der rechten
Maustaste beendet werden. Wenn keine Bestimmung von Rf-Werten
gewünscht wird, überspringt man diesen Teil der Auswertung einfach.
Im nächsten Schritt können, falls gewünscht, Zusatzinformationen
in das entsprechende Fenster eingetragen werden (siehe Abb. 3).
Nach dem Drücken der "Fertig"-Schaltfläche kann die Auswertung
gespeichert, gedruckt oder mit anderen Auswertungen verglichen werden.
Selbstverständlich ist es ebenfalls möglich, eine weitere Auswertung
durchzuführen. Wählt man dabei die Verwaltung als Auswertung
2 (Darstellung als dicke Linie), wenn zuvor Auswertung 1 (Darstellung als
dünne Linie) eingestellt war, so kann man die Auswertungen sofort
miteinander vergleichen.
3.3.2 Interne Arbeitsweise und Ausgabeformat
Nachdem ich die Vorgehensweise beim Erstellen einer Auswertung dargestellt
habe, möchte ich mich damit beschäftigen, wie die Software selbst
arbeitet und auf welche Weise sie ihre Ergebnisse ausgibt.
Die automatische Auswertung basiert auf dem Zusammenhang zwischen der
Lichtabsorption und der Konzentration eines Substanzflecks (siehe [10]
S. 152) und ermöglicht deshalb quantitative Aussagen.
Die Festlegung der Höhe, auf der das Chromatogramm ausgewertet
wird (s.o.), informiert das Programm, welche Zeile der Bilddatei ab jetzt
zur Auswertung verwendet wird. Dabei werden die Bereiche, die weiter links
als die Startlinie oder weiter rechts als die Frontlinie liegen, ebenfalls
ausgeblendet. Das Ergebnis ist eine gewisse Anzahl von Bildpunkten, die
jeweils aus einer Rot-, Grün- und Blaukomponente bestehen. Durch Addition
der drei Komponenten ergibt sich für jedes Pixel eine Zahl, das die
Helligkeit unabhängig von der Farbe angibt. Trägt man die auf
diese Weise gewonnenen Helligkeitswerte in einem kartesischen Koordinatensystem
so ein, daß die Rechtswertachse den Ort des Pixels und die Hochwertachse
seine Helligkeit angibt, erhält man eine Ortskurve der Lichtabsorption
des Chromatogramms. Je mehr Licht durch eine Substanz absorbiert wird,
d.h. je dunkler ein Bildbereich ist, desto höher steigt die Kurve
an. Der sehr helle Hintergrund wird als niedrige Grundlinie dargestellt,
weil er der maximalen Lichtreflexion entspricht.
Der exakte Zahlenwert der Kurvenpunkte hängt stark davon ab, welchen
Zahlenwert der Scanner einer bestimmten Bildhelligkeit zuordnet. Deshalb
ist es unmöglich, der Hochwertachse eine Einheit zuzuweisen, die bei
allen Scannern übereinstimmt. Dazu wäre eine einheitliche Kalibrierung
nötig, die nicht ich, sondern die Scannerhersteller durchführen
müßten. Neben der Gesamthelligkeit wird außerdem die Helligkeit
der einzelnen Farbkomponenten ausgewertet und ebenfalls in einer Ortskurve
dargestellt. Weisen alle drei Farbanteile die selbe Helligkeit auf, wird
der Bildpunkt je nach Helligkeit als schwarz, grau oder weiß empfunden
und die Ortskurven der Einzelfarben sind Nullinien. Überwiegt eine
Farbkomponente oder gehen die anderen beiden zurück, ergibt sich durch
additive Farbmischung ein Farbeindruck, dessen Intensität vom Unterschied
der Farbkomponenten abhängt. In der Praxis hat das die Folge, daß
ein Intensitätsrückgang der Grün-Komponente dem Farbeindruck
rot entspricht und auch als negativer Wert der Ortskurve für grün
eingezeichnet wird.
3.4 Darstellung der Ergebnisse
Die Darstellungsform der Auswertung läßt sich im Konfigurationsfenster,
das über den entsprechenden Eintrag der Menüleiste geöffnet
wird, auf vielfältige Weise beeinflussen (siehe Abb. 4). Die Ortskurven
der Farbkomponenten und der Gesamthelligkeit können unabhängig
voneinander angezeigt oder unterdrückt werden. Genauso kann das Einzeichnen
der Rf-Werte auf Wunsch unterbleiben. Die Einstellungen im oberen
Bereich des Fensters ermöglichen die Anpassung der Druckausgabe.
Das Anzeigemenü mit den Einträgen "Bild" und "Peaks" dient
zum komfortablen Umschalten der Bildschirmanzeige zwischen der Darstellung
des geladenen Chromatogramms selbst und der Auswertung in Kurvenform.
3.5 Speichern und Drucken
Die Befehle Speichern und Drucken des Dateimenüs dienen der Archivierung
der erstellten Auswertungen.
Nach der Auswahl des Befehls Speichern öffnet sich ein Fenster,
das exakt dem Ladefenster entspricht (siehe 3.2) und ihm auch in der Bedienung
gleicht. Wenn der Dateityp "Auswertung" zum Speichern verwendet wird, kann
die Auswertung nicht nur in meiner Software jederzeit wieder geladen, sondern
auch in jede Textverarbeitung (z.B. WordPerfect) oder Tabellenkalkulation
(z.B. Excel) übernommen werden. Die Datei liegt als unkodierter Text
im ASCII-Zeichensatz vor und der Aufbau ist übersichtlich und selbsterklärend.
Der Dateityp "Bild" erzeugt PCX-Grafiken, die als Abbildungen in fast jeder
Textverarbeitung in eigene Texte eingebunden oder mit Bildbearbeitungssoftware
verändert werden können. Der Befehl Drucken druckt die Auswertung
entsprechend der Einstellungen im Konfigurationsfenster aus.
4. Erprobung der Software an praktischen Beispielen
Im folgenden Teil der Arbeit werde ich mein Programm an praktischen Beispielen
erproben und dabei einige der Nutzungsmöglichkeiten, die es bietet,
aufzeigen.
4.1 Farbstoffgemisch Methylorange, Kristallviolett, Malachitgrün
Dieses
Farbstoffgemisch verwendete ich wegen der intensiven Färbung der Substanzflecke
für Scanversuche und bei der Entwicklung des Auswertungsprogramms.
Das Chromatogramm in Abbildung 5 wurde auf einer 8x4 cm Dünnschichtplatte
der Firma Macherey und Nagel mit einer 0,25 mm dicken Schicht Kieselgel
hergestellt, wobei 80%iges Ethanol als Fließmittel diente. Das Gemisch
aus Methylorange, Kristallviolett und Malachitgrün befindet sich oben
auf der Platte, in der Mitte erkennt man Fuchsin und Kristallviolett, sowie
unten zu Vergleichszwecken ein Gemisch aus Methylorange und Kristallviolett.
Während die Trennung von Methylorange und Kristallviolett in beiden
Fällen deutlich erkennbar ist, gehen die Substanzflecken von Kristallviolett
und Malachitgrün ineinander über, so daß mit bloßem
Auge keine Unterscheidung mehr möglich ist. Die Frage, ob es sich
um eine oder zwei Substanzen handelt, ließe sich durch die Anfertigung
von Chromatogrammen mit anderen Fließmitteln klären. Doch es
gibt einen wesentlich einfacheren und schnelleren Weg.
Abbildung 6 ist eine Auswertung der oberen Substanzflecken von Abbildung
5, die mit meiner Software erstellt wurde. Die schwarze Kurve der Gesamthelligkeit
zeigt nur zwei Substanzflecken und bringt deshalb keine weiteren Erkenntnisse.
Die Betrachtung der roten und grünen Kurve läßt jedoch
deutlich erkennen, daß es sich um zwei Peaks handelt, die sich gegenseitig
überlagern. Zunächst geht die rote Farbkomponente zurück
und zeigt damit an, daß eine grüne Substanz (Malachitgrün)
vorhanden ist, deren Remissionsminimum bei einem Rf-Wert von
0,09 liegt (siehe Abb. 6). Der folgende Rückgang von grün und
das Ansteigen von rot weisen zusammen mit der hohen Blauintensität
auf eine violette Färbung hin, die durch Kristallviolett verursacht
wird. Dieses Ergebnis ist meiner Meinung nach ein guter Beweis für
die Leistungsfähigkeit der Auswertungssoftware.
Zu Vergleichszwecken werte ich nun die unteren Substanzflecken aus,
wobei ich die Verwaltung als Auswertung 2 einstelle. Dadurch werden beide
Auswertungen gleichzeitig angezeigt. Außerdem schalte ich im Konfigurationsfenster
den Rot- und Blauanteil zur Steigerung der Übersichtlichkeit aus und
erhalte so die in Abbildung 7 wiedergegebene Darstellung, in der die oberen
Substanzflecken als dünne, die unteren als dicke Linie zu sehen sind.
Die Peaks von Methylorange bei Rf = 0,76 sind nahezu identisch,
weil es sich um die selbe Substanz in der gleichen Konzentration handelt. 
Der
große Unterschied der Gesamthelligkeit im linken Bereich der Abbildung
entsteht durch das Fehlen von Malachitgrün im dick eingezeichneten,
auf der Dünnschichtplatte unteren Farbstoffgemisch. Die grüne
Farbkomponente, die charakteristisch für Kristallviolett ist, stimmt
jedoch weitgehend überein, was wiederum mit bloßem Auge kaum
erkennbar ist. Dieses Beispiel zeigt, welche Möglichkeiten sich durch
den direkten Vergleich zweier Auswertungen ergeben.
Ebenfalls interessant ist der Vergleich des oberen und des mittleren
Farbstoffgemischs, da Fuchsin und Methylorange fast gleiche Rf-Werte
aufweisen. Das Ergebnis dieses Vergleichs, der analog zum vorherigen Beispiel
durchgeführt wurde, ist in Abbildung 8 zu sehen. Die Peaks von Kristallviolett
stimmen sehr gut überein, auch die geringere Substanzmenge des Gemischs
in der Mitte der Dünnschichtplatte (dicke Linie) läßt sich
gut erkennen. Betrachtet man den Peak von Fuchsin (dicke Linie), so fällt
der Unterschied zu Methylorange deutlich auf. Der Fuchsin-Peak ist wesentlich
schmäler und höher, sein Maximum liegt weiter links. Die rote
Färbung äußert sich im starken Rückgang der grünen
Farbkomponente. Die beiden Farbstoffe lassen sich mit dieser Auswertungsmethode
also problemlos unterscheiden, ohne das Chromatogramm selbst als Hilfe
zu benutzen.
4.2 Blattfarbstoffe
Die Trennung der Blattfarbstoffe ist ein in der Literatur weit verbreitetes
Beispiel zur Demonstration der Leistungsfähigkeit der Chromatographie.
Aus diesem Grund nehme ich ebenfalls ein Chromatogramm der Blattfarbstoffe
in meine Arbeit auf. Es wurde auf einer Fertigfolie der Firma Macherey
und Nagel mit einer 0,25 mm dicken Kieselgelbeschichtung angefertigt. Als
Laufmittel diente ein Gemisch aus Benzin und Aceton im Verhältnis
3:1. Deutlich erkennbar ist das gelbgrüne Chlorophyll b (Abb. 10 links),
bei dem die blaue Farbkomponente stark zurückgeht, sowie das blaugrüne
Chlorophyll a und Xantophyll. Den größten Rf-Wert
weist Carotin (am rechten Bildrand) auf.
4.3 Tartrazin, Gelborange S, Brillantschwarz BN
Eine 0,4%ige Lösung dieser Lebensmittelfarbstoffe wurde auf einer
8x4 cm großen Dünnschichtplatte der Firma Macherey und Nagel
mit einer 0,1 mm dicken Celluloseschicht getrennt. Als Fließmittel
diente ein Gemisch aus 2,5%iger Natriumcitratlösung, 25%igem Ammoniakwasser
und Ethanol im Verhältnis 4:1:1. Die unterschiedliche Größe
der Substanzflecken beruht darauf, daß unten die dreifache Farbstoffmenge
aufgetragen wurde (siehe Abb. 11). Abbildung 12 zeigt die Auswertung des
Chromatogramms, wobei die oberen Substanzflecken dünn, die unteren
dick eingezeichnet sind. Besonders auffällig ist die asymmetrische
Peakform, die durch den langsamen Absorptionsanstieg und den schnellen
Rückgang zustande kommt. Diese Erscheinung, die als Fronting bezeichnet
wird (siehe [10] S. 144f), läßt sich in der Auswertung wesentlich
leichter als im Chromatogramm erkennen. Bei der Betrachtung des Tartrazin-Peaks
(Abb. 12 rechts) erkennt man, daß das Fronting hier nur bei der großen
Farbstoffmenge (dicke Linie) stark ausgeprägt ist. Die Substanzverteilung
bei der geringeren Menge ist annähernd symmetrisch. Diese Aussage
ist nur anhand der Auswertung möglich, weil die schwache Gelbfärbung
des oberen Tartrazinflecks (siehe Abb. 11) kaum sichtbar ist. Die Auswertung
mit dem Rechner ist hier empfindlicher und läßt auch quantitative
Aussagen zu.
Vergleicht man die Kurven der einfachen und dreifachen Substanzmenge,
so läßt sich ein deutlicher Unterschied feststellen, der einerseits
durch die Verbreiterung der Substanzflecken, andererseits durch die größere
Lichtabsorption entsteht. Während die Peakverbreiterung meist unerwünscht
ist und ihre Ursache im Überladen der Dünnschichtplatte, d. h.
im Auftragen von einer zu großen Substanzmenge hat, ist der Zusammenhang
zwischen der Substanzmenge und der Peakfläche unter der Ortskurve
der Absorption die Grundlage für quantitative Auswertungen. Leider
ist dieser Zusammenhang nicht linear (siehe [10] S. 152f) und erfordert
eine Kalibrierfunktion.
Die Bestimmung der Substanzmenge in einem Gemisch unbekannter Zusammensetzung
erfolgt durch den Vergleich mit Standardlösungen bekannter Konzentration
(siehe [10] S. 152f). Dazu werden die Standardlösungen neben der Substanz
unbekannter Konzentration aufgetragen, das Chromatogramm entwickelt und
gescannt. Anschließend wertet man das zu analysierende Gemisch aus
und vergleicht es mit einer Standardlösung, die man parallel dazu
auswertet (siehe 3.3.1). Wenn die Peaks übereinstimmen, entsprechen
sich die Konzentrationen bzw. Substanzmengen. Ansonsten wertet man die
nächste Standardlösung aus und vergleicht diese wiederum mit
dem unbekannten Gemisch. Diese Methode läßt sich mit dem Programm
sehr komfortabel durchführen, da es die parallele Verwaltung und Darstellung
von zwei Auswertungen unterstützt. Vor dem Erstellen der Auswertungen
muß lediglich die gewünschte Darstellungsform gewählt werden.
4.4 weitere Möglichkeiten
Natürlich bieten sich noch viele andere Anwendungsbereiche für
meine Software, deren Darstellung aber den Rahmen dieser Arbeit sprengen
würde. Da das Grundprinzip der Auswertung mit Computerunterstützung
in den Beispielen bereits deutlich wurde, beschränke ich mich darauf,
weitere Möglichkeiten kurz anzusprechen.
Obwohl ich mich bei meinen praktischen Versuchen auf Farbstoffe beschränkte,
können natürlich auch Chromatogramme von farblosen Substanzen
wie Aminosäuren oder Zuckern ausgewertet werden, wenn sie zuvor durch
Sprüh- bzw. Tauchreagenzien angefärbt wurden. Durch geschicktes
Manipulieren (Helligkeit, Kontrast, etc.) der gescannten Bilder in einem
Bildbearbeitungsprogramm werden sogar Färbungen sichtbar, die mit
bloßem Auge kaum erkennbar sind.
Ebenfalls sehr erfolgversprechend ist die Auswertung von Elektropherogrammen,
die ohne jegliche Änderungen der Arbeitsweise mit dem Programm erfolgen
kann.
5. Abschließende Stellungnahme
Die von mir programmierte Software ist sicherlich nicht mit kommerziellen
Produkten vergleichbar und bietet noch viele Möglichkeiten der Erweiterung.
So wäre es denkbar, auch die Auswertung von zweidimensionalen Chromatogrammen
zu ermöglichen oder die quantitative Auswertung zu automatisieren.
Doch solche Erweiterungen sind mit einem großen Zeitaufwand verbunden,
der für einen einzelnen Programmierer viele Stunden mühseliger
Kleinarbeit bedeutet. Der derzeitige Funktionsumfang des Programms erfordert
bereits einen Quelltext von über 2500 Zeilen Länge, was etwa
50 DIN-A4-Seiten entspricht. Wenn ich die Zielsetzung meiner Arbeit betrachte,
bin ich dennoch der Meinung, ein für meine Ausgangssituation brauchbares
Programm geschrieben zu haben. Ich sehe es weniger als erschöpfende
Universallösung, sondern mehr als Ansatz dafür, die Möglichkeiten
einer chemischen Analysemethode durch den Einsatz eines Computers sinnvoll
zu erweitern.
6. Inhalt der Diskette
Dieser Arbeit liegt eine Diskette mit folgendem Inhalt bei:
FA.EXE ausführbare Programmdatei, mit der die Software gestartet
wird
FEHLER.TXT Textdatei, die alle Fehler und Fehlermeldungen beschreibt
SVGA256.BGI Hilfsdatei, zur Ausführung des Programms nötig
TRIP.CHR Hilfsdatei, zur Ausführung des Programms nötig
Unterverzeichnis Bilder: Bilddateien aller in der Arbeit verwendeten
Chromatogramme (mehrere Dateien)
Unterverzeichnis Source: Quelltext des Programms (mehrere Dateien)
7. Literaturverzeichnis
[1] Borland GmbH: Turbo C++ 3.0 Benutzerhandbuch, Starnberg, 1992
Turbo C++ 3.0 Programmierhandbuch, Starnberg, 1992
Turbo C++ 3.0 Referenzhandbuch, Starnberg, 1992
[2] Born, Günter: Dateiformate Programmierhandbuch, Bonn, 1994
[3] Brown, Ralph: The MS-DOS Interrupt List, o. O., 1995
[4] Canon: BJC-4000 Bedienungsanleitung, o. O., 1994
[5] Daecke, Herbert: Laborbücher Chemie Chromatographie, Frankfurt
am Main, 1974
[6] Hargrave, Jordan: SuperVGA BGI drivers, Austin (Texas), 1991
[7] Otto, Matthias: Analytische Chemie, Weinheim, 1995
[8] Panasonic: Bedienungsanleitung KX-P1123, Osaka (Japan), o. J.
[9] Panasonic: Bedienungsanleitung KX-P2123, Osaka (Japan), 1991
[10] Schwedt, Georg: Taschenatlas der Analytik, Stuttgart, 19962
[11] Wollrab, Adalbert: Die Dünnschichtchromatographie im Unterricht
in: Naturwissenschaften im Unterricht Physik / Chemie Heft 43, April 1989,
Seite 31ff
Zurück zur Kurzfassung der Facharbeit
Zurück zur Hauptseite