Grundbegriffe der Gaschromatografie

Diese Seite gibt einen Überblick der relevanten Grundbegriffe der Gaschromatographie. Die Gaschromatographie (GC) ist ein chemisches Analyseverfahren aus dem Bereich der Chromatographie. Ziel der Gaschromatographie ist die Auftrennung von unzersetzt verdampfbaren Stoffgemischen in ihre Komponenten.

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GC-Säule und Trennprinzip

Die folgenden Erklärungen beschreiben die mit Abstand verbreitetste Form der Gaschromatographie, wie sie in fast jedem chemischen Analyselaboratorium angetroffen werden kann (hochauflösende Kapillargaschromatographie, flüssig/gasförmig).

Säule

Eine moderne GC-Säule besteht aus einer sehr dünnen, langen Kapillare aus Quarzglas. Der Außendurchmesser dieses Hohlrohres beträgt etwa 500 µm, der Innendurchmesser 100 - 320 µm und die Länge 25-50 m. Das Quarzglas ist außen mit einer sehr dünnen Polyimidschicht versehen, wodurch die Kapillare wesentlich flexibler und weniger spröde wird und ausreichend biegsam ist, um zu einer Spule mit einem Durchmesser von ca. 15-20 cm aufgewickelt zu werden. Den metallischen Träger im Inneren der Spule nennt man Käfig.

Stationäre Phase

Die Innenseite der Kapillare wird mit einer flüssigen, hochviskosen Substanz beschichtet, die als stationäre Phase dient. Typischerweise handelt es sich um Polyorganosiloxane, aber für besondere Trennprobleme sind eine Vielzahl von anderen, sehr speziellen stationären Phasen erhältlich. Die Schichtdicke beträgt etwa 1 µm.

Mobile Phase

Die GC-Säule wird im Betrieb permanent von der mobilen Phase durchströmt, die in der GC als Trägergas bezeichnet wird. Typische Trägergase sind Wasserstoff, Helium und Stickstoff. Da die dünne Kapillarsäule dem strömenden Gas einen nicht zu vernachlässigenden Widerstand entgegensetzt, muss das Trägergas mit einem bestimmten Vordruck durch die Säule gedrückt werden (etwa 0,5-1.3 bar).

Totzeit

Die Zeit, die das Trägergas benötigt, um die ganze Säule zu durchströmen, nennt man die Totzeit des Systems (ca. 1 min). Unter idealen Bedingungen wechselwirkt das Trägergas dabei gar nicht mit der stationären Phase, sondern die Totzeit ist nur abhängig von Vordruck und Strömungswiderstand der Säule. In der Praxis werden die idealen Bedingungen auch mit realen Trägergasen so genau erfüllt, dass keine Abweichungen messbar sind.

Retentionszeit

Im Gegensatz zu den Trägergasen zeigen die meisten chemischen Stoffe eine Wechselwirkung mit der stationären Phase, d.h. sie halten sich für eine gewisse Zeit in der stationären Phase auf. Ihre Aufenthaltsdauer in der stationären Phase addiert sich zur Aufenthaltsdauer in der mobilen Phase (Totzeit), sie benötigen also insgesamt länger, um die ganze GC-Säule zu passieren. Ursprünglich leitet sich der Begriff Retention (Zurückhaltung) davon ab, dass die stationäre Phase den Analyten für eine gewisse Zeit zurückhält. Heutzutage wird der Begriff Retentionszeit allerdings vereinfacht verwendet für die Zeit, die der Analyt zum Passieren der Säule benötigt und dies schließt also die Totzeit mit ein. Daher werden die Begriffe folgendermaßen definiert:

• Retentionszeit: Zeit, die ein Analyt für das Passieren der Säule benötigt. Dies entspricht der Zeitdifferenz zwischen Injektion und Detektion. [tR = ts + t0]

• Nettoretentionszeit: Ist die Zeit, in der sich ein Analyt in der stationären Phase aufhält. [ts]

• Totzeit: Ist die Zeit, in der sich ein Analyt in der mobilen Phase aufhält. [t0]

Retention

Die Retention einer Substanz durch die stationäre Phase wird im wesentlichen durch drei Aspekte bestimmt:

• Stärke der Wechselwirkung der Substanz mit der stationären Phase ("Neigung in der stationären Phase zu bleiben")
• Siedepunkt der Substanz ("Neigung in der mobilen Phase zu bleiben")
• Diffusionseigenschaften der Substanz ("Beweglichkeit in der stationären und mobilen Phase")

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-Bindung) auf, während polare Trennphasen auch polare Wechselwirkungen eingehen können, z.B. Wasserstoffbrückenbindungen oder Donator-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.