In diesem Artikel werde ich versuchen, darzulegen, wie man einen LPLC (Low Pressure Liquid Chromatograph) baut. Ich habe diese Vorlage gewählt, damit man alle Informationen an einer Stelle sammeln kann und nicht Seitenweise durch Beiträge scrollen muss. Ich bezeichne es als Niederdruckflüssigkeitschromatograph, da ich mit einem Druck von 5-10 bar arbeiten werde, vom Aufbau her wird es aber eher ein HPLC (High Pressure Liquid Chromatograph oder auch High Performance Liquid Chromatograph) sein. Die Niederdruckflüssigkeitschromatographie arbeitet oft nur mit dem hydrostatischen Druck oder einer Schlauchpumpe, beides erzeugt aber keinen hohen Druck. Auf der anderen Seite arbeiten HPLCs mit Drücken zwischen 30 und 400 bar, was außerhalb meiner Möglichkeiten liegt.
Statt den Eluent über eine aufwendige Hochdruckpumpe durch die Trennsäule zu befördern, könnte man auch komprimiertes Gas verwenden, siehe Abb. 1. Beim Einsatz eines Kompressors muss die Druckluft vorher gereinigt werden, da Druckluft aus dem Kompressor immer Öl/Wasser-Aerosole enthält. Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass es auch ölfreie Kompressoren gibt. Eine andere Möglichkeit wäre, einfach ein komprimiertes Inertgas aus der Flasche zu verwenden, beispielsweise Argon. Ein Nachteil dieser Methode ist, dass sich das Treibgas im Eluenten löst, und zwar wesentlich besser als unter Normbedingungen.
23.09.2025
Heute ist mein Mini-Spektrometer C12880MA von Hamamatsu angekommen. Ich habe es direkt in Japan bestellt. Trotz des Einfuhrzolls ist es immer noch wesentlich günstiger als bei den üblichen Händlern.
Ein Auszug aus dem Datenblatt zeigt den prinzipiellen Aufbau des Spektrometers.
Der spektrale Empfindlichkeitsbereich liegt zwischen 340 und 850 nm. Das Mini-Spektrometer passt in einen 14-poligen DIP-Sockel, kann aber nicht direkt über einen Mikrocontroller gesteuert und ausgelesen werden. Damit das möglich wird, habe ich ein entsprechendes Breakout-Board bei AliExpress bestellt. Für das Spektrometer kommen drei Lampen in Betracht: eine Deuterium-Lampe, eine Xenon-Lampe und eine Halogen-Lampe. Wegen der geringen Empfindlichkeit im UV-Bereich kann die Deuterium-Lampe wahrscheinlich nur zur Kalibrierung dienen (charakteristische Wasserstoff-Balmer-Linien mit scharfen Peaks bei 486 nm und 656 nm). Die Xenon-Lampe hat ein etwas breiteres Spektrum als die Halogen-Lampe, es bedarf aber wie die Deuterium-Lampe eines Vorschaltgeräts, während man die Halogen-Lampe direkt mit Gleichstrom (oder Wechselstrom) betreiben kann.
29.09.2025
Mittlerweile ist die Xenon-Lampe mit dem entsprechenden Vorschaltgerät aus dem Automobilbereich eingetroffen, und ich konnte ein wenig damit experimentieren (maximale Temperatur und Stromaufnahme messen zum Beispiel). Der Typ der Lampe ist H7 und dient eigentlich als Nebellicht. Die nächsten Schritte werden sein, das Ganze einzuhausen, mit einer entsprechenden Optik und einem Anschluss für das Glasfaserkabel zu versehen. Zudem brauche ich einen Lüfter und eine Lichtfalle, da über den Lüfter bzw. den Lüftungsöffnungen kein Licht einfallen darf.
Des Weiteren habe ich mir Gedanken über die Motorisierung gemacht. Hier werde ich auf Schrittmotoren zurückgreifen, die man sehr genau steuern kann. Normalerweise macht ein Schrittmotor 200 Schritte/Umdrehung. Die meisten Schrittmotortreiber haben aber eine Microstep-Funktion. Damit kann man bis zu 6400 Schritte/Umdrehung erreichen (wirkt sich aber nachteilig auf das Drehmoment aus). Trotzdem werde ich zusätzlich einen magnetischen Encoder verwenden sowie einen FRAM-Chip (Ferroelectric Random Access Memory), der jeweils die letzte Position speichert und diese Information auch im stromlosen Zustand beibehält. Als Encoder verwende ich den AS5600, der den Winkel von 0-360° mit einer 12-bit-Auflösung misst. Den AS5600 gibt es günstig als breakout board.
Um das breakout board am Schrittmotor anbringen zu können, habe ich eine entsprechende Halterung gedruckt. Einzig den nur 4 mm großen speziellen Magneten an der Motorachse anzukleben erfordert etwas Geduld. Mit einer Spitzzange, niedrigviskosem Sekundenkleber und Aktivierungsspray klappt das aber mit etwas Übung ganz gut.
04.10.2025
In der Zwischenzeit habe ich mich entschlossen, die Flash-Chromatographie-Route weiter zu verfolgen. Die Flash-Chromatographie unterscheidet sich von der herkömmlichen Säulen-Chromatographie durch die Verwendung etwas kleinerer Silikagelpartikel und komprimiertem Gas (Stickstoff oder Luft) mit einem Druck zwischen 1,5 und 50 bar, statt mit rein hydrostatischem Druck zu arbeiten. Es gibt auch Flash-Chromatographie-Apparaturen aus Glas, die logischerweise mit weit geringerem Druck als 1,5 bar arbeiten. Solche Glasapparaturen sind mit einer Kunststoffschicht überzogen, um zu verhindern, dass beim Bersten Glassplitter und der Eluant durch das Labor fliegen. Man kennt das ja von manchen Vorratsflaschen.
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Da ich aber mit einem Druck bis zu 10 bar arbeiten werde, kommt Glas nicht in Frage. Ich werde deswegen Edelstahl verwenden. Hierzu sind u. a. zwei Nadelventile mit Stellmotor zu fertigen, eines zur Regulierung des Volumenstroms des Gases und eines am Säulenausgang. Das Ventil am Säulenausgang muss mit einem PTFE-Dichtsatz ausgestattet sein, da es mit dem Eluanten in Berührung kommt. Das Ventil für die Steuerung des Gasstroms habe ich heute fertiggestellt. Hier habe ich weitestgehend auf 3D-gedruckte Teile zurückgegriffen.
07.10.2025
Nach zwei Tagen Bauzeit habe ich heute die optische Bank fertiggestellt. Sie fokussiert das Licht der Xenonlampe, bevor es dem Lichtwellenleiter zugeführt wird. Die beiden Linsen sind aus Borosilikatglas. Das Ganze war reiner Maschinenbau mit diversen Halbzeugen aus Aluminium und eine kleine Herausforderung ohne Drehbank und Fräsmaschine.
10.10.2025
Die Abb. 10 zeigt den Hauptmontagerahmen für den Chromatographen. Er besteht aus den bewährten 4040-Aluprofilen. Soweit habe ich den Stickstoffeinlass fertiggestellt, beginnend mit einem Vorfilter und Wasserabscheider, einem Trockenrohr und dem bereits beschriebenen motorisierten Ventil. Neben Edelstahlfittings finden vor allem FESTO-Kupplungen (1/4" x 6 mm) und -Schlauch Verwendung. Es gibt diverse Nachbauten dieser Pneumatik-Kupplungen, aber bei bis zu 10 bar Druck greife ich lieber auf das Original zurück.
Den Lösungsmittel-Vorratsbehälter über der Säule habe ich aus einer Edelstahlkugel mit 100 mm Durchmesser und 2 mm Wandstärke gefertigt. In die Kugel habe ich zwei 1/4"-Gewinde geschnitten, zwei Edelstahl-Doppelnippel eingeschraubt und dann hartverlötet.
Über die Trennsäule selbst habe ich mir in der Zwischenzeit auch Gedanken gemacht. Man kann sie fertig kaufen, sie sind aber zu teuer. Ich werde für erste Versuche ein 30 cm langes Edelstahlrohr mit zwei 1/4"-Gewinden verwenden. In die eine Seite habe ich ein Edelstahlrohr eingelötet, um die Auflagefläche zu vergrößern, und dann plangeschliffen.
Bei AliExpress habe ich mir gesinterte Glasscheiben mit einem Durchmesser von 10 mm besorgt. Zusammen mit einer Edelstahl-Muffe (1/4" Innen- auf 1/4" Außengewinde) ist nun die gesinterte Glasscheibe fixiert. Abgedichtet wird das Gewinde mit Teflonband, ich werde aber noch eine PTFE-Dichtung zwischen dem plangeschliffenen Rohrende und der gesinterten Glasscheibe einlegen, damit diese beim Eindrehen der Muffe nicht versehentlich zerbricht.
21.10.2025
Nachdem endlich alle notwendigen Fittings eingetroffen sind, habe ich den Chromatographen weiter aufgebaut. Über die beiden Kugelhähne unten und die beiden Schlauchpumpen, die durch Schrittmotoren angetrieben werden, werden der Eluant und die zu analysierende Probe in das System gepumpt. In der Mitte befinden sich der Stickstoffeinlass sowie ein weiteres Kugelventil, um das System drucklos zu machen. Oben befinden sich ein Manometer sowie ein elektronischer Drucksensor.
26.10.2025
Die Xenon-Lichtquelle ist endlich fertiggestellt.
In dem folgenden Video beschreibe ich den Bau etwas genauer. Da mich ein Zuseher darauf hingewiesen hat, dass ein Wechselstrom-Vorschaltgerät besser geeignet wäre (kein Flackern, längere Lebensdauer der Birne, kein Grünstich), werde ich das mal in den kommenden Wochen versuchen.
01.11.2025
Heute habe ich mich das erste Mal näher mit dem Hamamatsu C12880MA Spektrometer beschäftigt. Der DIP-Sockel ist eigentlich ungeeignet, da das Gehäuse des Spektrometers aus Metall ist. Drückt man es komplett in den Sockel, kann es sein, dass man seine Pins über das Metallgehäuse kurzschließt, da die Kontakte des DIP-Sockels aus dem Kunststoff minimal herausragen. Das Spektrometer also nie ganz einstecken. Ansonsten funktioniert es einwandfrei. Die Werte der 288 Kanäle können einfach ausgelesen werden, mittels Software kann man zudem allerlei Einstellungen vornehmen und die weiße, sehr helle LED auf dem breakout board lässt sich damit auch ansteuern.