Gaschromatographie

Was ist eigentlich Gaschromatographie?

Die Gaschromatographie (GC) ist ein modernes Analyseverfahren für Substanzgemische. Um die einzelnen Komponenten zu analysieren, müssen sie zunächst getrennt werden. Das geschieht über eine gasförmige und eine flüssige oder feste Phase. Über die Temperatur lässt sich das Trennverfahren steuern. Vor allem Proben, deren Komponenten leicht zu verdampfen sind, lassen sich mit dieser Methode analysieren. Bei manchen thermisch labilen Substanzen ist es auch möglich, durch chemische Umsetzung die leicht flüchtigen und stabilen Derivate zu untersuchen. Mithilfe der Gaschromatographie können Chemiker sowohl organische als auch anorganische Substanzen trennen und analysieren.

 

Vorteile der GC gegenüber anderen chromatographischen Verfahren

Vorteil durch die Verwendung eines Trägergases

→ Durch die Verwendung von Trägergas verringert sich die Viskosität der mobilen Phase und erhöht sich die Diffusionsgeschwindigkeit der Komponenten im gasförmigen Zustand. Dadurch ergibt sich eine schnelle Gleichgewichtseinstellung zwischen mobiler und stationärer Phase.

→ Diese schnelle Gleichgewichtseinstellung ermöglicht das Arbeiten mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten. Durch den geringen Strömungswiderstand der Trägergase wird die Verwendung von langen Trennsäulen möglich.

Dies hat zur Folge, dass innerhalb kürzerer Zeit eine höhere Trennleistung erreicht werden kann als bei den klassischen Chromatographieverfahren.

 

Was benötige ich, um Komponenten gaschromatographisch zu trennen?

• Beheizbarer (optimal temperaturprogrammierbarer) GC Ofen.
• Eine Säule (meist Kapillarsäulen). In der Säule befindet sich eine fest aufgetragene stationäre Phase. Diese kann eine feste oder flüssige Konsistenz haben. Ein Injektor, um die Substanz auf die Säule zu geben und sie in eine gasförmige Phase zu überführen.
• Eine mobile Phase. Das Trägergas besteht meist aus Helium, Wasserstoff oder Stickstoff. Mit Hilfe des Trägergases strömt die Probe über die Säule.
  • Durch das gaschromatographische System fließt ein Gasstrom, dessen mittlere, lineare Geschwindigkeit zu jeder Zeit reproduzierbar einzustellen sein muss.
  • Der Gasvordruck muss so hoch gewählt werden, dass der einzustellende oder gewünschte Gasfluss konstant bleibt und nicht während der Analyse zusammenbricht.
• Ein Detektor, um die Komponenten zu identifizieren.

 

Welchen Voraussetzungen müssen meine Proben entsprechen?

• Die Probe sollte gasförmig oder in einem organischen Lösemittel gelöst sein.
• Sind die Komponenten gelöst, muss es möglich sein, diese bei ca. 300 °C in die gasförmige Phase zu überführen. (Mit speziellen Aufgabemethoden ist auch die Analyse von festen Proben möglich.)
• Die zu analysierenden Komponenten sollten temperaturstabil sein.
• Die Komponenten sollten ein Molgewicht von 1000 g/mol nicht überschreiten.

 

Grundprinzip der gaschromatographischen Trennung

Über den Injektor wird die Probe auf die Trennsäule (stationäre Phase) aufgegeben und mit dem Trägergas (mobile Phase) konstant über die Trennsäule gespült. Die Komponenten benötigen aufgrund ihrer unterschiedlichen physikalischen Wechselwirkungen mit der stationären (feste oder flüssige) Phase und dem Verteilungsgesetz unterschiedliche Zeiten (Retentionszeiten), um die Säule zu passieren und den Detektor zu erreichen. Dabei setzen sich die Komponenten immer wieder an der stationären Phase bis zur Sättigung fest, werden wieder von der Gasphase gelöst und weitertransportiert und setzen sich an anderer Stelle wieder aufgrund der physikalischen Wechselwirkungen fest. Diese sogenannten Trennstufen (festsetzen & lösen) finden bei einer einzigen chromatographischen Trennung bis zu 500-mal statt. Grundsätzlich ist bei der gaschromatographischen Analytik für die Trennsäule eine kontinuierliche und definierte Beheizung notwendig. Man unterscheidet zwischen isokratischer und temperaturprogrammierter Trennung. Bei der isokratischen Trennung wird eine definierte Temperatur für die gesamte Analyse eingestellt, während bei der temperaturprogrammierten ein Heizprogramm mit Heizraten und Haltezeiten eingestellt wird.

 

Trägergas (mobile Phase)

Diese mobile Phase transportiert die injizierten und verdampften Komponenten über die stationäre Phase. Basierend auf dem Verteilungsgesetz stellt sich zwischen stationärer Phase und Trägergas immer ein Gleichgewicht der Analytmoleküle ein. Da die Trennung auf der Verteilung der Moleküle basiert, kann nicht jedes Gas als Trägergas verwendet werden. Die in der Gaschromatographie verwendeten Gase müssen für analytische Zwecke geeignet sein, also einem bestimmten Reinheitsgrad entsprechen. Dieser liegt in der Regel bei mindestens 99.999 %. Anders als bei der stationären Phase soll das Trägergas weder zur stationären Phase noch zu der aufgegebenen Probe Wechselwirkungen eingehen. Daher muss das Trägergas immer ein inertes Gas sein, und es sollte eine geringe Viskosität besitzen. Besonders Helium, Wasserstoff und Stickstoff haben sich bislang bewährt:

• Helium ist das meist verwendete Trägergas und gilt als ideale mobile Phase. Trotz der im Vergleich zu Wasserstoff etwas höheren Viskosität ist es das in der Praxis am häufigsten verwendete Trägergas.
• Stickstoff wurde in den Anfängen der Gaschromatographie eingesetzt, wird jedoch im Zeitalter der Kapillarsäulen aufgrund seiner sehr hohen Viskosität immer seltener verwendet.
• Wasserstoff hat die idealsten Eigenschaften. Es besitzt die niedrigste Viskosität und zudem die höchste Wärmeleitfähigkeit. Leider hat Wasserstoff nur den Nachteil, dass es ab einen Raumluftanteil von 4 % explosiv ist und daher das System immer auf Dichtigkeit geprüft sein muss. Diese Gefahr umgehen die meisten, indem sie auf Helium umsteigen, welches zwar eine höhere Viskosität besitzt, aber als Edelgas ungefährlich ist.

In seltenen Fällen wird auch Argon bzw. ein Argon/Methan-Gemisch eingesetzt.

 

Trennsäule (Stationäre Phase)

Die Moleküle werden vom Trägergas über die Trennsäule transportiert. Die stationäre Phase kann aus einer Trennflüssigkeit oder einer festen Trennschicht bestehen.

Trennsäulen mit flüssiger stationärer Phase werden als WCOT-Säulen bezeichnet, hierbei ist die stationäre Phase auf einem Trägermaterial aufgetragen und fixiert. Bei der Trennung wirkt das Prinzip die Verteilungschromatographie: Zwischen stationärer Phase, Gasphase und Komponente stellt sich immer wieder ein dynamisches Gleichgewicht ein. Dieses Gleichgewicht ist abhängig von der Komponente und den gewählten Bedingungen der Analyse und wird mit dem Verteilungskoeffizienten Kn beschrieben.

Je nach stationärer Phase ist eine Trennung nach Siedepunkt oder Polarität möglich.

Abhängig von der Differenz der Verteilungskoeffizienten ist erkennbar, ob eine Trennung der Komponenten möglich ist oder nicht. Ist die Differenz zu gering, kann die Temperatur oder die stationäre Phase verändert werden. Beides führt zu einer Verschiebung des Verteilungsgleichgewichts.

Trennsäulen mit fester stationärer Phase nutzen das Prinzip der Adsorptionschromatographie. Die Probenmoleküle werden von der festen Oberfläche adsorbiert und anschließend wieder desorbiert. Als stationäre Phase kann man mittlerweile zwischen einer Vielzahl an unterschiedlichen Phasen wählen – von unpolar bis stark polar.

Auch Durchmesser und Phasenstärke der Säulen sind wählbar. Nur eine gut gewählte Trennsäule bringt auch das gewünschte Ergebnis.

Grundsätzlich gilt:

• Polare Analyten erzielen die beste Trennung auf polaren Phasen.
• Unpolare Analyten erzielen die beste Trennung auf unpolaren Phasen.
• Isomere können über spezielle (z. B. chirale Säulen) getrennt werden.
• "Dickere" Phase erhöht die Kapazität einer Säule (mehr Probe kann auf die Säule aufgegeben werden).
• Geringe Durchmesser und "dünne" Phasenbelegungen ermöglichen schnellere Chromatographie (Gefahr der Säulenüberladung, nur geringe Injektionsvolumina).

 

Injektor

Um flüssige, gasförmige oder feste Proben auf die Trennsäule aufzugeben, gibt es - je nach Aggregatzustand der Probe - unterschiedliche Arten von Injektoren. Im Wesentlichen wird zwischen zwei Methoden unterschieden: Split-Injektion und Splitless-Injektion. Bei der Splitless-Injektion wird die gesamte Probe auf die Trennsäule übertragen, während bei der Split-Injektion nur ein definierter Teil der Probe auf die Säule übertragen wird. Diese Aufteilung / Verdünnung der Probe erfolgt über einen zweiten Fluss, der einen definierten Teil der Probe aus dem Injektor spült.

• Split/Splitles-Injektor
  Bei diesen Injektoren ist es möglich, die gesamte Probe oder nur einen definierten Teil auf die Säule aufzugeben. Die Analysensubstanz wird in ein Verdampfungsrohr injiziert und anschließend in die gasförmige Phase überführt. Durch den kontinuierlichen Gasfluss gelangt sie auf die Trennsäule. Bei dieser Injektionsmethode sollten die Analyten möglichst thermisch stabil sein, da meist hohe Temperaturen vorliegen. Mit dem Split/Splitless-Injektor ist die Injektion von flüssigen und gasförmigen Proben möglich.
• PTV-Injektor (programable temperatur vaporising)
  Beim PTV-Injektor ist es möglich, die Probe langsam über ein Temperaturprogramm in die gasförmige Phase zu überführen. Hierbei wird die Probe ebenfalls erst in ein Verdampfungsrohr injiziert und anschließend durch das Temperaturprogramm sanft verflüchtigt und auf die Säule überführt. Dies ist besonders bei der Analyse von thermisch labilen Komponenten notwendig.
• On-Column-Injektor
  Beim On-Column-Injektor wird die Probe direkt auf die Säule aufgegeben, wo auch die Verflüchtigung der Komponenten stattfindet – also direkt auf der Säule. Dies bietet den Vorteil, dass labile Komponenten nicht im Injektor verloren gehen. Allerdings lassen sich mit dieser Methode auch nur kleine Probenmengen aufgeben.
• TDS-Injektoren (Thermodesorptionssysteme)
  Thermodesorptionssysteme ermöglichen die Analyse von flüchtigen Komponenten aus festen oder zähflüssigen Proben. Bei diesen Injektoren werden die Komponenten aus der Probe desorbiert, in einer Kältefalle fokussiert und anschließend auf die Trennsäule injiziert. Diese Injektionsmethode vereinfacht die Probenvorbereitung, da manuelle Extraktionsmethoden entfallen.
• DHS-Injektor (dynamic head space)
  Bei diesem Injektionssystem ist es möglich, flüchtige Substanzen direkt über eine Probenschleife auf die Trennsäule aufzugeben.

 

Weitere Möglichkeiten, um die Injektion auf Probe und Komponente anzupassen:

• LV-Injektion (Large Volume)
  Diese Injektionstechnik wird besonders zur Analyse von sehr gering konzentrierten Komponenten herangezogen. Das Lösungsmittel einer sehr großen Probenmenge wird langsam verdampft und die Probe im Injektor aufkonzentriert.
• HS-Injektion (Statische Headspace)
  Die flüssige oder feste Probe wird erhitzt und diese gasförmige Probe anschließend über eine gasdichte Spritze entnommen. Anschließend injiziert man sie in das GC-System. Dadurch, dass nur im Luftraum die Probe genommen wurde, sind Matrixkomponenten (nicht relevante oder unerwünschte Komponenten) bei der Analyse ausgeschlossen und stören somit nicht die Trennung und Detektion der Komponenten.
• SPME-Injektion (Solid phase micro extraction)
  Durch die Nutzung von Substanzklassen spezifischen Phasen können hierbei die zu analysierenden Komponenten auf dieser Phase extrahiert werden. Diese Extraktion ist sowohl in der flüssigen sowie in der gasförmigen Phase möglich. Als SPME Fiber die verschiedensten selektiven Phasen eingesetzt werden. Diese Technik verringert ebenfalls die Konzentration an nicht erwünschten Komponenten und konzentriert zusätzlich die relevanten Komponenten etwas auf.
• Derivatisierung der Proben
  Manche Substanzen lassen sich mit all diesen Techniken trotzdem nicht in die gasförmige Phase überführen und müssen für die Analyse chemisch verändert werden. Bei dieser chemischen Umsetzung werden meist Acetat-, Siloxan- oder Halogengruppen an das ursprüngliche Molekül "angebaut". Diese erhöhen die Flüchtigkeit der Substanzen und ermöglichen so die gaschromatographische Analyse.

 

Faktor "Temperatur" in der gaschromatographischen Analytik

Dynamische Gleichgewichtsverschiebung:

• Verteilungschromatographie
  Hierbei werden bevorzugt Komponenten in die gasförmige Phase "überwechseln", welche einen besonders niedrigen Siedepunkt und somit eine hohe Flüchtigkeit besitzen und/oder Komponenten, die sich schlecht in der stationären Phase lösen (d. h. deren Verteilungskoeffizient kleiner ist).
• Adsorptionschromatographie
  Durch den dynamischen Prozess der Adsorption und Desorption entsteht eine geringe örtliche Differenz der artverschiedenen Komponenten. Diese geringe Differenz erhöht sich im Verlauf der gesamten Trennung, so dass die Komponenten getrennt werden.
  • Die Trennung wird vom Phasenverhalten und von der Dauer des Gleichgewichtszustandes entlang der Trennstrecke in dem verwendeten Phasensystem bestimmt:
    • Phasenverhalten bei allen äußeren Bedingungen ist gleich.
    • Gleicher Verteilungskoeffizient Kn
    • Keine Trennung der Komponenten in der in dem verwandtem Phasensystem möglich.

 

Temperatur zu niedrig → Komponenten verbleiben relativ lange auf der Säule
Verschiebung des Verteilungsgleichgewichts zur stationären Phase

Temperatur zu hoch → Komponenten werden getrieben und können sich damit nicht trennen
Verschiebung des Verteilungsgleichgewichts zur mobilen Phase

Temperatur stark erhöhen → dynamisches Gleichgewicht hat keine Möglichkeit sich einzustellen
Komponenten befinden sich hauptsächlich in der mobilen Phase

 

Parameter zur Optimierung einer gaschromatographischen Analyse

• Art der stationären Phase
• Siedepunkt der Komponenten Temperatur
• Art des Trägergases
• Trägergasgeschwindigkeit
• Länge der Säule
• Innendurchmesser der Säule

 

Detektoren

Die Komponenten werden nach der Trennung auf der Trennsäule von einem Detektor registriert. Er wandelt die zeitlich getrennten Komponenten in elektrische Signale um. Dieses Detektorsignal ist proportional zur Stoffmenge oder zur Stoffkonzentration. Es gibt zwei verschiedene Detektorarten: den Konzentrationsabhängigen und den massenabhängigen Detektor.

Die Komponenten werden bei der Detektion chemisch verändert (z. B. FID) oder bleiben unverändert (z. B. WLD). Zur weiteren Datenverarbeitung werden die analogen Signale verstärkt und an einen Computer weitergeleitet. Die Auswertung und optische Darstellung erfolgt in speziellen Chromatographieprogrammen.

Eingesetzte Detektoren:

• Elektroneneinfangdetektor (ECD)
• Flammenionisationsdetektor (FID)
• Flammenphotometrischer Detektor (FPD)
• Stickstoff / Phosphor Detektor (NPD)
• Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD)
• Massenselektiver Detektor / Massenspektrum (MS)

 

Funktionsweise der am häufigsten eingesetzten Detektoren

• Flammenionisationsdetektor (FID)
  Der Flammenionisationsdetektor gehört zu den am meisten eingesetzten Detektoren in der Gaschromatographie. Mit diesem Detektor können alle kohlenwasserstoffhaltigen GC-gängigen Komponenten mit vergleichbaren Responsefaktoren gemessen werden.
  Verwendetes Prinzip:
  • Bei der Flammenionisationsdetektion wird die Leitfähigkeit einer Wasserstoffflamme in einem elektrischen Feld gemessen. Eluiert nun eine Komponente aus der Säule, wird diese verbrannt und die Leitfähigkeit der Wasserstoffflamme verändert bzw. erhöht sich. Da hierbei die Verbrennung in CO₂ stattfindet, ist die Empfindlichkeit der einzelnen Komponenten vergleichbar.
• Elektroneneinfangdetektor (ECD)
  Der ECD wird nur bei speziellen Analysen eingesetzt, da dieser für die meisten Komponenten "blind" ist. Dieser Detektor erfasst nur Komponenten mit Halogengruppen oder Komponenten mit hoher Elektronenaffinität. Ihn zeichnen hohe Selektivität und Nachweisempfindlichkeiten aus.
  Verwendetes Prinzip:
  • Der Trägergasstrom wird durch eine Ionisationskammer geleitet, in der sich ein β-Strahler (z. B. 63 Ni) befindet. Hierbei wird das Trägergas mit β-Teilchen ionisiert. Die Elektronen erzeugen einen geringen Strom, der gemessen wird. Eluieren nun "elektronenliebende" Komponenten in den Detektor, verändert sich dieser Strom. Es entsteht eine Signaländerung (Peak).
• Massenselektiver Detektor (MS)
  Der massenselektive Detektor kann in zwei Modi betrieben werden. Es ist möglich, nur einzelne Massenspuren (SIM) aufzuzeichnen oder einen ganzen Massenbereich (SCAN). Maximal ist die Detektion im Massenbereich von 5 amu bis 1000 amu möglich. Die Nachweisempfindlichkeit ist im SIM-Modus etwas höher als im SCAN-Modus.
  Verwendetes Prinzip:
  • Trägergas und Komponenten werden in einer Ionisationskammer mit Elektronen (−70 eV) beschossen und zerfallen in einzelne Bestandteile. Diese Fragmentierung (Massenspektrum) ist für jede Komponente spezifisch. Die Fragmente werden anschließend nach Masse/Ladung-Verhältnisses sortiert und von einem Elektronenvervielfacher in elektronische Signale umgewandelt.

 

MakeUp Gase

Für viele Detektoren sind zusätzlich Gase nötig, beispielsweise für den FID. Diese Gase werden als MakeUp Gase bezeichnet. Dabei kann es sich um Wasserstoff oder auch synthetische Luft handeln.

 

Messgrößen / Kenngrößen der Gaschromatographie

Retentionszeit / Bruttoretentionszeit

Als Retentionszeit definiert man die Zeit, die die einzelnen Komponenten für den Weg vom Injektor bis zum Detektor benötigen.

t_r

Totzeit

Die Zeit, die eine Substanz benötigt, um die Säule zu passieren, wird als Totzeit bezeichnet.

t_T

Nettoretentionszeit

Die Zeit, die eine Komponente benötigt, um die stationäre Phase zu passieren. Die Nettoretentionszeit einer Komponente errechnet sich aus der Differenz von Bruttoretentionszeit und Totzeit.

t_N = t_r − t_T

Kapazitätsfaktor

Der Kapazitätsfaktor beschreibt die Lage der einzelnen Komponenten im Chromatogramm. Dieser Faktor ist Komponenten spezifisch, jedoch sehr abhängig von der mobilen und stationären Phase sowie der Temperatur. Ist der Kapazitätsfaktor von zwei zu analysierenden Komponenten identisch, ist die Trennung auf der ausgewählten Säule unmöglich.

 

Relative Retention (Selektivität)

Bei der Selektivität wird das Verhältnis aus dem Kapazitätsfaktor einer Komponente mit dem Kapazitätsfaktor einer Bezugskomponente gebildet. Dieser Faktor dient dann der sicheren Identifizierung der unbekannten Komponente. Durch die Bildung dieses Verhältnisses ist der Faktor unabhängig von den Dimensionen der Trennsäule (Länge, Durchmesser und Filmdicke). Allerdings bleibt er abhängig von der Temperatur und den Eigenschaften der mobilen und stationären Phase.

 

Lineare Geschwindigkeit

Als lineare Geschwindigkeit wird die Fließgeschwindigkeit des Trägergases bezeichnet. Die Geschwindigkeit ist stark abhängig von Säulendurchmesser der Trennsäule.

 

Permeabilität

Dieser Faktor beschreibt die Durchlässigkeit einer Trennsäule für die gewählte mobile Phase. Die Permeabilität gibt eine Aussage über die Qualität / Güte einer stationären Phase. Dieser Faktor ist unabhängig von der mobilen Phase, Temperatur, Säulendruck und Länge der Trennsäule. Basierend auf den errechneten Faktor kann bestimmt werden, ob die Säulenpackung minderwertig ist (Kleines K) oder die Säule evtl. verstopft ist (Hohes K).

 

Trennstufenzahl

Die Trennstufenzahl gibt Auskunft über die Anzahl der theoretischen Trennstufen der Trennsäule, also die Qualität der Säule.

 

HETP (Höhen Äquivalent eines theoretischen Bodens)

HETP beschreibt die theoretische Länge einer Trennstufe, d. h. eines Säulenabschnitts, wo sich ein Gleichgewicht zwischen mobiler und stationärer Phase einstellt.

 

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