Gaschromatographie
2 Injektion
3 Säule im GC-Ofen
4 Detektor (FID)
5 Signalaufzeichnung
Die Gaschromatographie (GC) ist eine weit verbreitete Analysenmethode innerhalb der Chromatographie, bei der als mobile Phase ein Gas, meist Wasserstoff oder Helium, verwendet wird. Dieses Trägergas wird durch eine Röhre mit einem definierten Innendurchmesser, die sogenannte Säule, geleitet. Diese Säule wird mit einem bestimmten Material ausgekleidet, der stationären Phase. Das Material der Säulen besteht entweder aus Metall (bei älteren Säulen) oder aus mit Polyimid beschichtetem Quarzglas (heutzutage die Regel). Für einzelne Grundbegriffe, siehe Gaschromatographie/Begriffe
Bauform
Ein Gaschromatograph besteht aus drei wesentlichen Bauteilen: Injektor, Trennsäule im GC-Ofen und Detektor. Im Injektor wird die Probe, gelöst in einem niedrig siedenden Lösemittel, durch ein Septum eingespritzt. Dieser Injektor wird in der Regel beheizt (180-350°C), um eine rasche, vollständige Verdampfung der Probe zu erreichen. Die Substanzen werden durch das Trägergas (Säulenvordruck bis zu 1,8 bar) in die Trennsäule (Kapillare) transportiert, welche in einen so genannten GC-Ofen eingebaut ist. Dieser dient dazu, die Trennsäule präzise zu temperieren, um so durch konstante Temperatur (isokratisch) oder durch Temperaturgradienten, d.h. durch kontrollierte Temperaturerhöhung, eine ebenso schnelle wie weitgehende Trennung des Stoffgemisches zu erreichen. Am Ende der Säule folgt der Detektor, der ein elektronisches Signal erzeugt, wenn eine Substanz das Trennsystem verlässt. Die Signale werden dann an einem Integrator - oder heute meist an einem Computersystem mit entsprechender Auswerteoftware ausgewertet.
Messprinzip
Die chromatographische Auftrennung eines Stoffgemisches in einem Gaschromatographen erfolgt im einfachsten Falle ausschließlich aufgrund der unterschiedlichen Siedepunkte der Einzelsubstanzen in dem Gemisch, wobei keine spezielle Wechselwirkung mit der stationären Phase erfolgt, sondern "nur" eine zehntausendfach wiederholte Verteilung.
In vielen Fällen wird gezielt eine spezielle Wechselwirkung des zu analysierenden Stoffes mit der stationären Phase genutzt, um Substanzen zu trennen. Die Stärke der Wechselwirkungen zwischen den Probenkomponenten und der stationären Phase wird sowohl von deren Struktur als auch von deren funktionellen Gruppen bestimmt. Dabei treten bei unpolaren Substanzen ausschließlich Dispersionswechselwirkungen (van-der-Waals-Kräfte) auf, während polare Trennphasen auch polare Wechselwirkungen eingehen können, z.B. Wasserstoff-Brückenbindungen oder Donor-Akzeptor-Bindungen. Letztere trennen nach dem Prinzip: Gegensätze ziehen sich an. Das bedeutet, daß Trennphasen, die z.B. Wasserstoff zur Wasserstoffbrückenbindung aufzunehmen in der Lage sind Substanzen trennen, die Wasserstoff zur Brückenbindung bereitstellen können (z.B. Alkohole). Auch können zum Beispiel Enantiomere, welche sich in ihren Siedepunkten nicht unterscheiden und somit gleiche Retentionszeiten aufweisen würden, durch ihre verschieden starken Wechselwirkungen mit speziellen Derivaten von Cyclodextrinen aufgetrennt werden.
Das Gas, das für die GC als mobile Phase verwendet wird, muss inert sein und gute Strömungseigenschaften aufweisen. Im Normalfall wird Wasserstoff oder Helium verwendet. Mit Wasserstoff ist, gegenüber Helium als Trägergas, nahezu eine Verdopplung der Trennleistung für ähnliche Stoffe (bei gleich bleibenden Retentionszeiten) erreichbar. Die Verwendung von Wasserstoff als Trägergas verbietet sich, wenn dieses Trägergas selbst Bestandteil eines zu analysierenden Gemischs ist. Eine Grundbedingung für die Gaschromatographie ist, dass sich der Stoff, den man untersuchen möchte, unzersetzt verdampfen lässt - sofern er nicht schon gasförmig vorliegt.
Verwendete Trennsäulen
Wichtige Kenngrößen der Trennsäulen sind:
- der Säulendurchmesser und
- die Säulenlänge.
Früher wurden meist gepackte Säulen eingesetzt. Bei gepackten Säulen befindet sich im Inneren eines dünnen (<1 cm) Metall- oder Glasrohres von wenigen Metern Länge, der Säule, ein festes, inertes Trägermaterial. Wird das Gas mit der zu analysierenden Substanz direkt über das Trägermaterial geleitet, so spricht man von einer GSC. ("Gas-Solid-Chromatography") Ist die Trägersubstanz zudem mit einer dünnen Schicht einer hochmolekularen, zähflüssigen und wenig flüchtigen Flüssigkeit überzogen, so handelt es sich um eine GLC ("Gas-Liquid-Chromatography"). Diese Flüssigkeit übernimmt hier die Funktion der eigentlichen stationären Phase. Das für eine Säulenchromatographie bevorzugt verwendete Inertgas ist Stickstoff.
Heutzutage wird überwiegend mit Kapillarchromatographie gearbeitet. Dabei haben die mit Polyimid beschichtetem Quarzglas-Trennsäulen normalerweise einen Innendurchmesser von 0,1 bis 0,5 mm und eine Länge von 10 bis 60 m. Zur Auftrennung von Fettsäuren werden sogar kombinierte Säulen bis 100 m verwendet. Die stationäre Phase kleidet die Kapillare dabei nur als dünner Film aus. Der Vorteil besteht in der drastisch besseren Auftrennung ähnlicher Stoffe, verglichen mit gepackten Säulen. Der Trend in der GC geht momentan zu immer dünneren und kürzeren Säulen, weil dadurch der Zeitaufwand für Analysen deutlich gesenkt werden kann.
Bei der Verwendung Säulen unterschiedlicher Hersteller ist zu beachten, daß identische stationäre Trennphasen mit den unterschiedlichsten Bezeichnungen versehen werden. Der folgenden Liste gängiger stationäre Trennphasen ist zu entnehmen, welche Trennsäulen unterschiedlicher Hersteller hinsichtlich Zusammensetzung der Belegung der Trennsäulen vergleichbar sind.
| Zusammensetzung der Belegung der Trennsäule |
Herstellerbezeichnung | Temperaturbereich |
| Polydimethylsiloxan | DB-1, SB-1, BP-1, CP-Sil 5 CB, | 150°C bis +350°C |
| 100 % Methyl | PB-1, SPB-1, RTX-1, | |
| PE-1, Ultra 1, AT-1, SE-30 | ||
| Polyphenylmethylsiloxan | DB-5, SB-5, BP-5, CP-Sil 8 CB, | -20°C bis +350°C |
| 5 % Phenyl, 95% Dimethyl | PB-2, SPB-5, Rtx-5, PE-2, | |
| Ultra 2, AT-5, SE-54 | ||
| RSL-200 | ||
| Polycyanoyanopropylphenylsiloxan | DB-225, SB-225, BP-15, CP-Sil 43 CB, | +/-0°C bis +250°C |
| 25% Cyanopropyl, 25% Phenylmethyl | RTX-225, PE-225, HP-225, AT-225, | |
| RSL-500 | ||
| Polyphenylmethylsiloxan | DB-624, SB-624, CP-Sil 13 CB, | +/-0°C bis +250°C |
| 14%Phenyl, 86% Dimethyl | VOCOL, Rtx-Volatiles, PE-502, AT-62 | |
| - | ||
| Polycyanopropylphenylmethylsiloxan | DB-1301, SB-1301, Rtx-1301, | +/-0°C bis +230°C |
| 6% Cyanopropylphenyl, 94% Dimethyl | AT-1301 | |
| - | ||
| Polyphenylmethylcyanosiloxan | DB-1701, SB-1701, BP-10, | -50°C bis +225°C |
| 6% Phenyl, 6% Cyano, 88% Methyl | CP-Sil 19 CB, PB-1701, SPB-7, | |
| Rtx-1701, PE-1701, PAS-1701, AT-1701, | ||
| RSL-300 | ||
| Polyethylenglykol | DB-WAX, SB-Wax, BP-20, CP-Wax 52 CB, | +/-0°C bis +220°C |
| Supelcowax-10, Stabilwax, PE-CW, | ||
| HP-20M, AT-Wax |
Detektoren
Folgende Detektoren werden eingesetzt:
- Flammenionisationsdetektor (FID), allgemein für die Quantifizierung organischer Verbindungen
- Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD o. TCD), für Permanentgase
- Photoionisationsdetektor (PID)
- Flammenphotometrischer Detektor (FPD), elementspezifisch
- Stickstoff-Phosphor-Detektor (NPD), Stickstoff-Phosphor-spezifisch
- Elektroneneinfangdetektor (ECD), für halogenierte organische Verbindungen
- Atomemissionsdetektor (AED), elementspezifisch
- Thermionischer Detektor
- Massenspektrometer, massenselektiver Detektor
Teilweise werden für spezielle Fragestellungen auch zwei Detektoren hintereinander geschaltet (Tandem-Prinzip). Grundvoraussetzung dafür ist aber, dass der erste Detektor seine Messung nicht zerstörend durchführt (also kein FID/NPD/PID, sondern ein ECD/WLD).
Anwendung in der Analytik
Die Gaschromatographie ist eine sehr empfindliche Methode zur Analyse von Stoffgemischen. Man kann mit ihr komplexe Stoffgemische in die einzelnen Komponenten auftrennen. In vielen Fällen reicht allein die Zeit, die eine Substanz vom Zeitpunkt der Einspritzung bis zum Passieren des Detektors benötigt(=Retentionszeit), um eine Substanz zu identifizieren. Durch Kombination mit einem Massenspektrometer, die sogenannte GC/MS-Kopplung, können sehr geringe Substanzmengen nachgewiesen werden und gleichzeitig Strukturaufklärung betrieben werden. Das Integral des Peaks, den die Substanz lieferte, ist ein Maß für die Massenanteile der Substanz in der Probe.
Die Gaschromatographie ist ein sehr wichtiges Werkzeug in der Analytik organischer Verbindungen in den Bereichen Medizin, Biologie, Lebensmittelchemie, Umweltanalytik und Forensik.
Literatur
- Gerhard Schomburg; Gaschromatographie, Grundlagen, Praxis, Kapillartechnik. Verlag Chemie Weinheim 1987.
- Peter J. Baugh: Gaschromatographie. Eine anwenderorientierte Darstellung. Springer, Berlin (Januar 1997). ISBN 3540670092
- Walter David: GC-Tipps. Hoppenstedt Bonnier Zeitschriften (1999). ISBN 3935772033