Chromatographie

Säulen für die Gaschromatographie

Die Gaschromatographie (GC) ist eine Analysenmethode zur Trennung und Identifizierung von Komponenten, die gasförmig oder unzersetzt verdampfbar sind. Dabei wird die Probe über einen Injektor in einen Trägergasstrom (mobile Phase) gegeben, auf der Trennsäule an einer stationären Phase in die einzelnen Bestandteile aufgetrennt, um dann im Detektor erfasst zu werden.

Die Trennung von Substanzgemischen geschieht in der Gaschromatographie aufgrund von Wechselwirkungen zwischen den flüchtigen Analysenkomponenten und der stationären Phase. Diese kann aus einem Flüssigkeitsfilm (Verteilungschromatographie) oder einem Feststoff (Adsorptionschromatographie) bestehen. Unterschiedliche Verteilungsgleichgewichte oder Adsorptionskräfte ermöglichen letztlich die Separation der Analyten.

Grundsätzlich unterscheidet man bei Säulen für die Gaschromatographie zwei Haupttypen. Dies sind die sogenannten gepackten Säulen, die sich durch ihre Robustheit und Kapazität auszeichnen, und die Kapillarsäulen, die aufgrund ihrer hohen Trennleistung heutzutage in den meisten Anwendungen zum Einsatz kommen.

Kapillarsäulen (auch Open Tubular Columns) bestehen grundsätzlich aus einer Fused-Silica-(Quarz, SiO2)Kapillare, die in der Regel mit einer Polyimidschicht überzogen ist. Die Polyimidschicht verleiht der Kapillare ihre Flexibilität und Stabilität sowie ihre charakteristische bräunliche Farbe. Letztere kann im Übrigen, je nach Hersteller, in ihrer Intensität schwanken.

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Für den Einsatz in der GC werden die Kapillarinnenwände desaktiviert. Dieser Prozess ist notwendig, um die an der Fused-Silica-Oberfläche befindlichen Silanolgruppen abzudecken und gleichzeitig eine gute Benetzbarkeit mit der eigentlichen Trennphase, die im nächsten Produktionsschritt aufgebracht wird, zu gewährleisten.

PLOT- und WCOT-Säulen
Bei den Kapillarsäulen unterscheidet man zwei Arten nach den für die Trennung verantwortlichen Wechselwirkungen. In PLOT-Säulen (Porous Layer Open Tubular) findet Adsorptionschromatographie an einer festen Phase statt. Einsatz findet diese Methode meist bei Gasen oder sehr leicht flüchtigen Komponenten.

Ein sehr breites Anwendungsspektrum haben Säulen, die nach dem Prinzip der Verteilungschromatographie funktionieren. Hier wird die Innenseite der Kapillare mit einem flüssigen Polymerfilm belegt (WCOT-Säulen, Wall Coated Open Tubular), und die Trennung beruht auf Unterschieden der Löslichkeit der Analyten in der stationären Phase.

Auch wenn sich die Bezeichnungen der Hersteller unterscheiden, gibt der nummerische Anhang oft Auskunft über den prozentualen Anteil der polaren funktionellen Gruppe (z.B. HP-5, DB-5, BP5, AT-5, etc.). Solche Säulen zeigen ähnliche chromatographische Eigenschaften inklusive Selektivitäts- und Retentionsverhalten. Dennoch können zwischen den einzelnen Herstellern gewisse Unterschiede bei gleichem Phasentyp bestehen. Die genaue Polarität einer Phase kann durch Berechnung von Retentionsindices bzw. McReynolds-Konstanten bestimmt werden [1, 2].

Aufgrund der hohen Trenneffizienzen in der GC können mit einer unpolaren Säule (100 % Dimethylpolysiloxan oder 5% Phenyl-/95 % Methylpolysiloxan) und einer polaren Säule (Polyethylenglykol) die meisten chromatographischen Problemstellungen gelöst werden.

Polysiloxan-Phasen
Polysiloxan-Phasen beruhen auf einem Dimethylpolysiloxan-Grundgerüst (siehe Bild 3). Durch Substitution von Methylresten gegen funktionelle Gruppen wie Phenyl, Trifluorpropyl oder Cyanopropyl können Polarität und Selektivität verändert werden.

Die Phasenselektivität und damit die Auflösung zwischen zwei Peaks wird durch Wechselwirkungen wie Disper-sion, Dipol, Säure-Base und Wasserstoffbrückenbindungen bestimmt. Während bei unpolaren Phasen ausschließlich die schwachen Dispersionkräfte wirken, erhöhen polare funktionelle Gruppen die Retention von Analyten, die ebenfalls polare funktionelle Gruppen enthalten, durch den Beitrag der stärkeren, polaren Wechselwirkungen.

Polyethylenglykol-Phasen
Diese besitzen eine hohe Polarität und damit eine besondere Selektivität.

Zu beachten ist dabei allerdings, dass Polyethylenglykol-(PEG-)Phasen eine eingeschränkte Anwendungstemperatur haben (ca. 50...250 °C) und empfindlicher - zum Beispiel gegen den Eintrag von Sauerstoff - sind.

Säulenlänge, Durchmesser und Filmdicke
Neben der stationären Phase müssen für die Auswahl einer GC-Säule die Dimensionen Länge, Innendurchmesser und Filmdicke definiert werden. Dabei gelten folgende Regeln und Zusammenhänge:

Säulenlänge
Die Trenneffizienz einer Säule nimmt bei Verdoppelung der Säulenlänge um etwa 40 % zu. Gleichzeitig verlängert sich die Analysenzeit. Bei isothermer Temperaturführung verdoppelt sich die Retentionszeit. Bei temperaturprogrammierten Bedingungen fällt die Analysenzeitzunahme weniger stark aus.

Säuleninnendurchmesser
Die Probenkapazität nimmt mit steigendem Innendurchmesser einer Säule zu. Dabei ist die Probenkapazität (bei gleicher Filmdicke) proportional zum Quadrat des Säulenradius. Zur Vermeidung von Überladungen bei Proben mit großen Konzentrationsunterschieden sollte man daher Säulen mit großen Innendurchmessern (>0,25 mm) verwenden.

Die Trenneffizienz einer Säule ist jedoch umso höher, je kleiner der Innendurchmesser ist. Für GC-MS-Systeme sollten die Innendurchmesser 0,25 mm (evtl. 0,32 mm) nicht überschreiten. Durch zu hohe Flussraten bei großen Innendurchmessern können Flusslimitierungen der Vakuumsysteme des MS überschritten werden.

Filmdicke der Stationären Phase
Mit zunehmender Filmdicke steigen sowohl Probenkapazität als auch Retention. Gleichzeitig nimmt die Säuleneffizienz ab. Geringe Filmdicken (z.B. 0,1 µm) werden für hochsiedende Analyten wie Triglyceride oder hochsiedende Erdölfraktionen verwendet. Säulen mit großen Filmdicken (≥1 µm) sind von Natur aus inerter und werden für die Analyse von leicht flüchtigen Komponenten eingesetzt.

Wichtige Tipps
Voraussetzung für eine lange Standzeit von GC-Säulen ist eine ausreichend hohe Trägergasqualität. Neben einer entsprechenden Gasqualität der Gasquelle (z.B. Flasche oder Generator) helfen Gasreinigungskartuschen vor dem Gerät, Verunreinigungen zu vermeiden.

Für den Einbau von Kapillarsäulen werden Ferrules verwendet, deren Bauart oft geräteabhängig ist. Als Materialien kommen Graphit bzw. Vespel-Graphit-Mischungen zum Einsatz. Ferrules aus reinem Graphit lassen sich leichter verformen und somit abdichten. Sie sind aber nicht für die Verwendung in GC/MS-Systemen geeignet.

Nach der Montage eines Ferrules ist darauf zu achten, dass dieses an der richtigen Stelle auf der Säule positioniert ist und sich keine Materialreste am Säulenrand befinden. Sicherheitshalber kürzt man daher die Säule nach der Montage des Ferrules um wenige Zentimeter durch einen sauberen Schnitt mit einem Kapillarschneider.

Nach dem Einbau einer Säule sollte diese mehrere Stunden konditioniert werden. Dabei ist zu beachten, dass dies stets unter Trägergas, mit einem langsamen Temperaturanstieg und unter Beachtung der Maximaltemperatur geschieht. Danach ist die Säule für den vorgesehenen Gebrauch einsatzbereit.

Literatur
[1] Kovats, Helv. Chim. Acta, 41, 1915 (1958).
[2] O. McReynolds, J. Chromaogr. Sci, 8, 685 (1970).

Autor:
Michelle Balzer
Altmann Analytik GmbH & Co. KG
Rupert-Mayer-Str. 46
81379 München
Tel. 089 724805-90
E-Mail: michelle.balzer@altmann-analytik.de

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