GC-Tipp

Geht uns bald die Luft aus? Oder: Kann ich beim GC-MS einfach mit Wasserstoff als Trägergas arbeiten?

Der Fall
Seit Jahren nun beschäftigt uns diese Frage: Wie lange gibt es noch Helium? Und damit verbunden die Fragen: Wenn ja, zu welchem Preis? Oder was gibt es für Alternativen?

Van Deemter Kurve von Wasserstoff und Helium. (Quelle: http://blog.restek.com/?p=3520)

Hier bietet sich Wasserstoff als adäquate Lösung an. Wasserstoff kann unter anderem in sehr hoher Reinheit mit einem Wasserstoff-Generator hergestellt werden. Die einzigen, dazu notwendigen Ressourcen sind Strom und Wasser!

Darüber hinaus wissen wir aus der Theorie der Gaschromatografie, dass mit Wasserstoff als Trägergas eine höhere Geschwindigkeit in der Trennsäule gefahren werden kann, ohne an Auflösung zu verlieren (siehe dazu Abbildung 1).

Das Optimum liegt für Wasserstoff bei einer Trägergasgeschwindigkeit von ca. 40 cm/s und erlaubt bei gleicher Trennleistung eine beinah doppelt so schnelle Chromatografie im direkten Vergleich zu Helium (ca. 23 cm/s). Gerade dieser Aspekt spricht für einen Wechsel auf Wasserstoff als gute Alternative zu dem herkömmlichen Helium.

Abbildung 3: Molekulare Geschwindigkeit von verschiedenen Gasen. (Quelle: http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/3311/3391331/blb1008.html)

Da bei der GC-Geräte-Kontroll-Software in der Regel nur der Fluss programmiert werden kann, muss dieser mit einem geeigneten Programm aus der Trägergasgeschwindigkeit errechnet werden (siehe dazu Abbildung 2):

Bei weiterer Überlegung stellt sich auch die Frage: Funktioniert Wasserstoff ebenfalls als Trägergas bei einem Gaschromatografen, an welchem ein Massenspektrometer als Detektor angeschlossen ist?

Anzeige

Die Antwort lautet ja. Ohne genauer darauf eingehen zu wollen, können heutzutage alle modernen GC-MS Systeme – unter Berücksichtigung aller sicherheitsrelevanten Aspekte – so aufgerüstet werden, dass problemlos mit Wasserstoff gearbeitet werden kann.

Analyse von Naphthalen und Chrysen/Benzo(a)anthracen ( jeweils 2,5 ppb On-Column) Oben: Wasserstoff als Trägergas, Unten: Helium als Trägergas

Wie sieht es aber mit der Empfindlichkeit aus?
Die Problematik, gegen welche wir ankämpfen müssen, ist die hohe Diffusion des Wasserstoffs, siehe dazu Abbildung 3. Die damit verbundene hohe Geschwindigkeit von Wasserstoff verhindert ein effizientes Abpumpen des Trägergases von der Turbomolekularpumpe, welche sich im Massenspektrometer befindet. Dadurch erreichen zur gleichen Zeit mehr Wasserstoffmoleküle den Detektor, als es bei Helium der Fall wäre. Dies hat ein stärkeres Grundrauschen zur Folge.

Die Lösung & das Resultat
Um den Einfluss des Trägergases so gering wie möglich zu halten, ist es anzustreben, dass möglichst wenig von Selbigem in das Massenspektrometer gelangt. Dies wird erreicht, in dem eine Trennsäule mit einem kleinen Innendurchmesser verwendet wird. Wie der Abbildung 2 zu entnehmen ist, wird in diesem Fall eine Säule mit 20 Meter Länge und einem Innendurchmesser von 0,18 mm verwendet, woraus sich die optimale Flussrate von 0,32 mL/Min ergibt.

Wurde neben der oben genannten Modifikation die Chromatografie in Bezug auf die Peakauftrennung soweit optimiert, können wir uns dem Thema Empfindlichkeit am Massenspektrometer widmen.

Um einen Vergleich machen zu können, wurde dieselbe Lösung zum einen mit Wasserstoff und zum anderen mit Helium als Trägergas analysiert. Dabei kam eine Lösung von PAK’s (Polyaromatischen Kohlenwasserstoffen) zum Einsatz. Die daraus resultierenden Ergebnisse sind in Abbildung 4 dargestellt.

Der direkte Vergleich des Peaks beider Analysen zeigt, dass die Peakflächen bei beiden Trägergasvarianten sehr ähnlich sind. Jedoch fällt auf, dass das Grundrauschen in den Chromatogrammen mit Wasserstoff deutlich erhöht ist (Abbildung 4). Dies hat leider zur Folge, dass die Bestimmungsgrenze in Analysen mit Wasserstoff als Trägergas, um etwa einen Faktor 3–10 reduziert wird.

Das Fazit
Als Trägergas stellt Wasserstoff in der Gaschromatographie tatsächlich eine Alternative zu dem herkömmlich verwendeten Helium dar, sofern man dazu bereit ist, das bestehende System nach sicherheitsrelevanten Gesichtspunkten mit entsprechender Hardware auszustatten.

Darüber hinaus sollte bei Verwendung eines Massenspektrometers an eine zusätzliche Adaption des Gaschromatografen in Bezug auf eine Trennsäule mit geringem Durchmesser gedacht werden.

Abschließend zusammengefasst, besteht die Attraktivität des Wasserstoffes sicher in der unbegrenzten Verfügbarkeit, im niedrigen Preis und in der Zeitersparnis für eine Analyse. Als nicht ganz optimal kann die Empfindlichkeitseinbusse vermerkt werden, welche eventuell durch clevere, zusätzliche Methodenentwicklung verringert werden kann.

Urs Hofstetter, Brechbühler AG

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige
Anzeige

GC-Tipps

Für GC-Praktiker

Die „GC-Tipps“ ist ein kurzer, anwendungsorientierter Helfer für das GC-Labor. In bewusst leicht lesbarer Form werden Erklärungen, Ursachen, Auswirkungen und Konsequenzen vermittelt. Theoretische Betrachtungen werden nur äußerst dosiert dargeboten.

mehr...

GC-Tipp

Leckagen – wenn dem System die Luft ausgeht

Schon immer war es genau die Mischung von Permanentgasen welche, obgleich für den Menschen unverzichtbar, für die GC-MS-Kopplung eher ein Problem ist: Die Luft! Ein ungewollter Eindringling welcher sich durch eine Leckage im System breit macht.

mehr...