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Die Gas Flussigkeits Chromatographie GLC oder einfach Gaschromatographie GC ist sowohl eine Adsorptions als auch eine Verteilungschromatographie die als Analysenmethode zum Auftrennen von Gemischen in einzelne chemische Verbindungen weite Verwendung findet Die GC ist nur anwendbar fur Komponenten die gasformig oder unzersetzt verdampfbar sind Siedebereich bis 400 C Bei dieser Art der Chromatographie wird als mobile Phase ein Inertgas wie Stickstoff oder Helium verwendet in besonderen Fallen auch Wasserstoff Das Tragergas wird durch eine gewickelt gebogene kapillarartige Rohre gedruckt die sogenannte Saule welche meist eine Lange von 10 200 Meter besitzt Prinzipieller Aufbau eines Gaschromatographen Tragergas 1 Injektor 2 Saule im GC Ofen 3 Detektor hier FID 4 Signalaufzeichnung 5 Diese Trennsaule besteht entweder aus Metall bei alteren Modellen heute aber uberwiegend aus Quarzglas das zur Erhohung der Bruchsicherheit beschichtet ist Sie ist innen mit einer definierten stationaren Phase ausgekleidet haufig mit zahflussigen Polyorganosiloxanen und befindet sich in einem temperierbaren Ofen Nach Eingabe einer Probesubstanz die nun vom Tragergas transportiert wird verweilen die Komponenten je nach Polaritat und Dampfdruck der einzelnen Gasmolekule unterschiedlich lange an der stationaren Phase der Saule Ein Detektor misst den Austrittszeitpunkt am Saulenende mit einem am Detektor angebrachten Schreiber kann dieser Zeitpunkt und die Menge der Substanz grafisch dargestellt und mit Standardsubstanzen verglichen werden Damit ist eine sehr schnelle und leichte qualitative und quantitative Bestimmung auch sehr komplexer Stoffgemische moglich Im Unterschied zur Hochleistungsflussigkeitschromatographie HPLC sind nur ausreichend fluchtige Substanzen nachweisbar Inhaltsverzeichnis 1 Technikgeschichte 2 Messprinzip 3 Wichtige Gerateteile 3 1 Injektoren 3 2 Verwendete Trennsaulen 3 3 Detektoren 4 Anwendung in der Analytik 4 1 Verwendung in der quantitativen Analyse 5 Literatur 6 Weblinks 7 EinzelnachweiseTechnikgeschichte Bearbeiten nbsp Der erste Gaschromatograph von 1947 im Deutschen Museum Bonn nbsp Moderner GaschromatographDie Entwicklung der Gaschromatographie wurde durch grundlegende Arbeiten von Archer J P Martin Erika Cremer und Fritz Prior gepragt Das erste Gaschromatogramm der Geschichte entstand kurz nach dem Zweiten Weltkrieg und stammt aus dem Labor von Erika Cremer Es zeigt die Trennung von Luft und Kohlendioxid an Aktivkohle 1 1951 wurde ein erster Gaschromatograph im heutigen Sinne von Anthony Trafford James und Archer J P Martin entwickelt Ihre erste publizierte Arbeit 1952 2 zeigte die GC Trennung von Carbonsauren Die Entwicklung des Elektroneneinfangdetektors ECD 1957 durch James E Lovelock 3 4 ermoglichte es chlorierte Umweltgifte wie PCB und chlorierte Pestizide wie DDT durch GC empfindlich nachzuweisen In den Folgejahren entstand eine Reihe von Firmen die kommerzielle Gaschromatographen anboten wie die F amp M Scientific Corporation of Avondale Pennsylvania die 1965 von Hewlett Packard ubernommen wurde In den 1970er Jahren erfolgte die Entwicklung der Kapillargaschromatographie ein Meilenstein war dabei die Erfindung der Fused Silica Column durch Raymond D Dandenau und Ernest Zerrender 5 Es folgten bald darauf die ersten praxistauglichen Kopplungen zwischen Kapillargaschromatographie und Massenspektrometrie GC MS Heute ist die Gaschromatographie eine der wichtigsten Analysentechniken in chemischen Labors 6 7 Darauf basierend wird die Gaschromatographie stetig weiterentwickelt Meilensteine stellen beispielsweise die Entwicklung der besonders auflosungsstarken zweidimensionalen Comprehensive GCxGC und die Entwicklung der besonders schnellen und dennoch leistungsfahigen Hyper Fast GC dar 8 Messprinzip BearbeitenDie chromatographische Auftrennung eines Stoffgemisches in einem Gaschromatographen erfolgt bei einer unpolaren Tragersaule im einfachsten Falle ausschliesslich aufgrund der unterschiedlichen Siedepunkte der Einzelsubstanzen in dem Gemisch wobei keine spezielle Wechselwirkung mit der stationaren Phase erfolgt sondern nur eine zehntausendfach wiederholte Adsorption und Desorption Bei polaren Trennsaulen werden aber Alkohole Ester Ketone mit gleichen Siedepunkten wie ahnliche Paraffine starker festgehalten Die spezielle Wechselwirkung genauer das Gleichgewicht zwischen der Gasphase und der stationaren Phase ist als Raoultsches Gesetz bekannt Je hoher der Partialdampfdruck einer Substanz nach dem Raoultschen Gesetz d h je langer sich die Substanz in der Gasphase befindet desto kurzer wird die Retentionszeit Die Starke der Wechselwirkungen zwischen den Probenkomponenten und der stationaren Phase wird sowohl von deren Struktur als auch von deren funktionellen Gruppen bestimmt Dabei treten bei unpolaren Substanzen ausschliesslich Dispersionswechselwirkungen Van der Waals Bindungen auf wahrend polare Trennphasen auch polare Wechselwirkungen eingehen konnen z B Wasserstoffbruckenbindungen oder Donator Akzeptor Bindungen Letztere trennen nach dem Prinzip Gegensatze ziehen sich an Das bedeutet dass Trennphasen die z B Wasserstoff zur Wasserstoffbruckenbindung aufzunehmen in der Lage sind Substanzen trennen die Wasserstoff zur Bruckenbindung bereitstellen konnen z B Alkohole Auch konnen zum Beispiel Enantiomere welche sich in ihren Siedepunkten nicht unterscheiden und somit gleiche Retentionszeiten aufweisen wurden durch ihre verschieden starken Wechselwirkungen mit speziellen Derivaten von Cyclodextrinen aufgetrennt werden Eine Grundbedingung fur die Gaschromatographie ist dass sich der Stoff den man untersuchen mochte unzersetzt verdampfen lasst sofern er nicht schon gasformig vorliegt Mittels Derivatisierung lassen sich der GC ansonsten schwer zugangliche Analyten wie Alkohole Amine Fettsauren oder Zucker soweit thermisch stabilisieren dass sie ohne Schwierigkeiten auf handelsublichen Phasen aufgetrennt werden konnen Mogliche Derivate sind bei Carbonsauren die Methylester Umwandlung mit BF3 und MeOH bei Alkoholen die Silylether nbsp Schematische Darstellung der Vorgange in der Saule Verteilungschromatographie Wichtige Gerateteile BearbeitenEin Gaschromatograph besteht aus drei wesentlichen Bauteilen Injektor Trennsaule im GC Ofen und Detektor Im Injektor wird die Probe gelost in einem niedrig siedenden Losemittel durch eine Durchstichmembran Septum eingespritzt Dieser Injektor wird in der Regel beheizt bis zu 450 C um eine rasche und vollstandige Verdampfung der Probe zu erreichen Moglich ist auch die septumfreie Aufgabe und langsame Verdampfung mittels eines Kaltaufgabesystems KAS PTV Die Substanzen werden durch das Tragergas Saulenvordruck normalerweise bis zu 6 bar in die Trennsaule Kapillare transportiert welche in den so genannten GC Ofen eingebaut ist Dieser dient dazu die Trennsaule prazise zu temperieren um so durch konstante Temperatur isotherm oder durch eine kontrollierte Temperaturerhohung eine ebenso schnelle wie weitgehende Trennung des Stoffgemisches zu erreichen Am Ende der Saule folgt der Detektor der ein elektronisches Signal erzeugt wenn eine Substanz das Trennsystem verlasst Das elektronische Signal kann als Peak engl Gipfel auf dem Schreiber registriert werden Die Signale werden dann an einem Integrator oder heute meist an einem Computersystem mit entsprechender Auswertungssoftware verarbeitet Die Dauer fur die Trennung eines Stoffgemisches mit der Darstellung der verschiedenen Peaks zu einem Chromatogramm betragt haufig zwischen 30 und 60 Minuten Injektoren Bearbeiten Der Injektor dient der Aufgabe des zu untersuchenden Stoffgemisches auf die Trennsaule Gangige Injektoren Methoden sind Split Splitless Injektoren SSL On Column Injektionen OCI mit Direktaufgabe auf die Saule Kaltaufgabesysteme je nach Hersteller KAS oder PTV Direktaufgabesysteme mittels VentilschaltungenFur gepackte Saulen betragt die optimale Menge der Probe je Komponente zwischen 0 1 und 1 ml fur Kapillarsaulen sollte die optimale Probemenge um den Faktor 100 bis 1000 kleiner sein Zur Injektion einer Probe die man auch durch ein Losungsmittel noch verdunnen kann gibt es spezielle 1 10 ml Spritzen Wichtig fur die Injektion ist dass sich keine Luft blasen in der Spritze befindet diese wurde namlich zu einer Oxidation der Substanzen im Ofenraum beitragen Gerade mit Split Splittless Injektoren und Kaltaufgabesystemen werden haufig sogenannte Autosampler eingesetzt die die sequentielle Abarbeitung einer Vielzahl an Proben erlauben Daneben werden u a auch Headspace Probengeber Purge amp Trap Systeme und Pyrolysatoren zur Probenaufgabe verwendet Eine recht neue Entwicklung ist der Einsatz von Festphasenmikroextraktion SPME oder Stir Bar Sorptive Extraction SBSE Verwendete Trennsaulen Bearbeiten Wichtige Kenngrossen der Trennsaulen sind der Saulendurchmesser die Saulenlange und der Typ der stationaren Phase Belegung Fruher wurden meist gepackte Saulen eingesetzt Bei ihnen befindet sich im Inneren eines dunnen lt 1 cm Metall oder Glasrohres von wenigen Metern Lange der sogenannten Saule ein festes inertes Tragermaterial Wird das Gas mit der zu analysierenden Substanz direkt uber das Tragermaterial geleitet so spricht man von einer GSC Gas Solid Chromatography Ist die Tragersubstanz zudem mit einer dunnen Schicht einer hochmolekularen zahflussigen und wenig fluchtigen Flussigkeit uberzogen so handelt es sich um eine GLC Gas Liquid Chromatography Diese Flussigkeit ubernimmt hier die Funktion der eigentlichen stationaren Phase Das bevorzugt verwendete Inertgas ist hier Stickstoff In den letzten Jahrzehnten wird uberwiegend mit der von Marcel J E Golay 1958 entwickelten Kapillargaschromatographie gearbeitet Der Vorteil besteht in der ca 100 1000 fach besseren Auftrennung einer Trennstufenzahl von ca 300 000 von Stoffen verglichen mit gepackten Saulen so dass sich auch die Analysezeit verkurzen lasst Dabei haben die zur Stabilisierung aussen mit Polyimid beschichteten Quarzglas Trennsaulen normalerweise einen Innendurchmesser von 0 1 bis 0 5 mm und eine Lange von 10 bis 60 m Zur Auftrennung von Fettsaureestern werden sogar kombinierte Saulen bis 100 m verwendet Die stationare Phase kleidet die Kapillare dabei nur als dunner Film mit in der Regel 0 1 bis 5 µm aus Der Vorteil besteht in der drastisch besseren Auftrennung ahnlicher Stoffe verglichen mit gepackten Saulen Der Trend in der GC geht momentan zu immer dunneren und kurzeren Saulen weil dadurch der Zeitaufwand fur Analysen deutlich gesenkt werden kann Das bevorzugt verwendete Inertgas ist Helium aber auch Wasserstoff oder seltener Stickstoff werden verwendet Ein wichtiges Kriterium zur Klassifizierung der stationaren Phase ist die Polaritat ihrer Belegung Analyten auf unpolaren Saulen Typ DB 1 o a eluieren meist nach ihren Siedepunkten Polare Verbindungen treten bei polaren Saulen dagegen selektiv mit den polaren stationaren Phasen in Wechselwirkung und werden entsprechend ihrer Polaritat langer zuruckgehalten und eluieren spater als vergleichbare unpolare Verbindungen wie z B Alkane Bei der Verwendung von Saulen unterschiedlicher Hersteller ist zu beachten dass identische stationare Trennphasen mit den unterschiedlichsten Bezeichnungen versehen werden Der folgenden Liste gangiger stationare Trennphasen ist zu entnehmen welche Trennsaulen unterschiedlicher Hersteller hinsichtlich Zusammensetzung der Belegung der Trennsaulen vergleichbar sind Zusammensetzung der Belegung derTrennsaule Herstellerbezeichnung Temperaturbereich PolaritatPolydimethylsiloxan 100 Methyl DB 1 SB 1 BP 1 CP Sil 5 CB OV 1 OV 101 PB 1 SPB 1 RTX 1 PE 1 Ultra 1 ZB 1 AT 1 SE 30 50 C bis 350 C unpolarPolyphenylmethylsiloxan 5 Phenyl 95 Dimethyl DB 5 SB 5 BP 5 CP Sil 8 CB PVMS 5 PB 2 SPB 5 Rtx 5 PE 2 Ultra 2 ZB 5 AT 5 SE 54 Optima 5 RSL 200 20 C bis 350 C leicht polarPolyphenylmethylsiloxan 14 Phenyl 86 Dimethyl DB 624 SB 624 CP Sil 13 CB VOCOL Rtx Volatiles PE 502 AT 62 0 C bis 250 C mittelpolarPolycyanopropylphenylmethylsiloxan 6 Cyanopropylphenyl 94 Dimethyl DB 1301 SB 1301 Rtx 1301 AT 1301 0 C bis 230 C polarPolyphenylmethylcyanosiloxan 6 Phenyl 6 Cyano 88 Methyl DB 1701 SB 1701 BP 10 CP Sil 19 CB PB 1701 SPB 7 Rtx 1701 PE 1701 PAS 1701 AT 1701 RSL 300 50 C bis 225 C polarPolyethylenglycol DB WAX SB Wax BP 20 CP Wax 52 CB Supelcowax 10 Stabilwax PE CW HP 20M AT Wax 0 C bis 220 C polarPolyethylenglykol 2 nitroterephthalsaureester OPTIMA FFAP DB FFAP HP FFAP CP Sil 58 CB 007 FFAP CP FFAP Nukol 0 C bis 250 260 C polarSeit Beginn der 1990er Jahre wurden von den Saulenherstellern grosse Anstrengungen unternommen blutungsarme Saulen zu entwickeln die vor allem in der GC MS eingesetzt werden Diese sind haufig an der Zusatzbezeichnung ms zu erkennen 9 Trennsaulen die mit einer chiralen stationaren Phase belegt sind konnen fur die Enantiomerenanalytik benutzt werden Dies erlaubt die Bestimmung des Enantiomerenverhaltnisses in Enantiomerengemischen und die Analyse der Enantiomerenreinheit vermeintlich reiner Enantiomerer Detektoren Bearbeiten nbsp Gaschromatograph nbsp Die menschliche Nase als GeruchsdetektorFolgende Detektoren werden eingesetzt Flammenionisationsdetektor FID allgemein fur die Quantifizierung organischer Verbindungen ist der am meisten verbreitete Detektor in der Gaschromatographie Warmeleitfahigkeitsdetektor WLD o engl TCD fur Permanentgase Photoionisationsdetektor PID Flammenphotometrischer Detektor FPD elementspezifisch Stickstoff Phosphor Detektor engl NPD auch Thermionischer Detektor TID Stickstoff Phosphor spezifisch Elektroneneinfangdetektor ECD fur halogenierte organische Verbindungen Pulsed charge detector engl PD ebenfalls fur halogenierte organische Verbindungen Atomemissionsdetektor AED elementspezifisch Echelle Plasma Emissions Detektor EPED elementspezifisch Massenspektrometer massenselektiver Detektor MS oder MSD Ionen Mobilitats Spektrometer IMS fur fluchtige organische Verbindungen Geruchsdetektor menschliche Nase Teilweise werden fur spezielle Fragestellungen auch zwei oder mehrere Detektoren hintereinander geschaltet Tandem Prinzip Grundvoraussetzung dafur ist aber dass die vorderen Detektoren die Messung nicht zerstorend durchfuhren also z B ein ECD WLD aber kein FID NPD Die elektronischen Signale des Detektors werden in Abhangigkeit von der Zeit seit der Injektion Retentionszeit als 2D Graph dem sogenannten Chromatogramm dargestellt Dies geschieht in der Regel mithilfe von elektronischen Auswerteeinheiten Computer mit Chromatographiedatensystem selten nur noch mit Plottern Anwendung in der Analytik Bearbeiten nbsp Chromatogramm 1974 Die Gaschromatographie ist eine sehr empfindliche Methode zur Analyse von Stoffgemischen Es lassen sich selbst minimale Substanzmengen 10 9 Gramm nachweisen Man kann mit ihr komplexe Stoffgemische in die einzelnen Komponenten auftrennen In vielen Fallen reicht allein die Zeit die eine Substanz vom Zeitpunkt der Einspritzung bis zum Passieren des Detektors benotigt die Retentionszeit um eine Substanz zu identifizieren Durch Kombination mit einem Massenspektrometer die sogenannte GC MS Kopplung konnen sehr geringe Substanzmengen nachgewiesen werden und gleichzeitig Strukturaufklarung betrieben werden Daruber hinaus erweitern auf der konventionellen GC basierende Weiterentwicklungen wie beispielsweise die GCxGC oder die Hyper Fast GC FF TG GC die geschaffenen Anwendungsmoglichkeiten Anwendung findet die Gaschromatographie in der Analytik von Agrarprodukten auf Herbizide Fleischprodukte auf Hormone der Untersuchung von Arzneimittel von Aromen und atherischen Olen von Kohlenhydraten von Erdolkomponenten und in der forensischen Chemie bei Dopingtests bei Luft und Meerwasseruntersuchungen in der Umweltanalytik Auch hochmolekulare Substanzen wie Triglyceride und Wachse 10 lassen sich auf temperaturstabilen stationaren Siliconphasen trennen identifizieren und quantitativ bestimmen Schwer fluchtige Analyten mussen vor der Analyse eventuell erst derivatisiert also in leichter fluchtige Substanzen umgewandelt werden Dieses kann z B mit Trimethylsulfoniumhydroxid oder Chlortrimethylsilan geschehen indem polare Gruppen in unpolare methylierte Gruppen umgewandelt werden Verwendung in der quantitativen Analyse Bearbeiten Die Grosse der vom Detektor angezeigten Flacheneinheiten steht in den seltensten Fallen in direktem Verhaltnis zu den tatsachlichen Massenanteilen in der zu analysierenden Probe Das macht eine Kalibrierung mit Referenzmaterialien definierten Gehalts notwendig Um zufallige Fehler des Gaschromatographen vor allem des Injektionssystems auszuschliessen werden gerade in der Gaschromatographie gerne interne Standards eingesetzt Als interner Standard dient hier eine zusatzliche Substanz deren Retentionszeit in der Nahe der zu bestimmenden Analyten liegt aber diese nicht uberlagert Sie wird dem Analyt und dem Referenzmaterial bzw den daraus hergestellten Losungen zugesetzt Nach der Messung werden jeweils die Peakflachen von Analyt und Referenzmaterial zu der Peakflache des internen Standards ins Verhaltnis gesetzt und damit die Fehler des Injektionssystems so weit wie moglich herausgerechnet Nach erfolgter Kalibrierung kann die Konzentration cP einer Probe P mithilfe der folgenden Gleichung ermittelt werden c P c S A P A S r S r P displaystyle c P c S cdot left frac A P A S right cdot left frac r S r P right nbsp cS ist die eingewogene Konzentration an Standard A bezeichnet die Flache des Peaks im Chromatogramm und r bezeichnet die Sensitivitat einer Substanz wie viel Signal zeigt der Detektor an pro M r kann fur einen spezifischen Detektor einmalig gemessen und dann tabelliert werden Literatur BearbeitenErnst Bartholome u a Hrsg Ullmanns Encyklopadie der technischen Chemie Band 5 Hans Kelker Hrsg Analysen und Messverfahren 4 neubearbeitete und erweiterte Auflage Verlag Chemie Weinheim u a 1980 ISBN 3 527 20005 3 S 118 ff Eberhardt Leibnitz Hans Georg Struppe Hrsg Handbuch der Gaschromatographie 3 uberarbeitete und stark erweiterte Auflage Akademische Verlagsgesellschaft Geest amp Portig KG Leipzig 1984 ISBN 3 89141 001 8 Gerhard Schomburg Gaschromatographie Grundlagen Praxis Kapillartechnik 2 bearbeitete und erweiterte Auflage VCH Weinheim u a 1987 ISBN 3 527 26461 2 Reiner Wittkowski Reinhard Matissek Hrsg Capillary Gas Chromatography in Food Control and Research B Behr s Verlag GmbH amp Co Hamburg 1992 ISBN 3 86022 037 3 Peter J Baugh Hrsg Gaschromatographie Eine anwenderorientierte Darstellung Vieweg Braunschweig u a 1997 ISBN 3 540 67009 2 Walter David Burkhard Kusserow GC Tips Problemlosungen rund um den Gaschromatographen Hoppenstedt Darmstadt 1999 ISBN 3 8203 0469 X Bruno Kolb Gaschromatographie in Bildern Wiley VCH Weinheim u a 1999 ISBN 3 527 29880 0 Keith D Bartle Peter Myers History of gas chromatography In Trends in Analytical Chemistry Bd 21 Nr 9 10 10 September 2002 S 547 557 doi 10 1016 S0165 9936 02 00806 3 Weblinks Bearbeiten nbsp Commons Gaschromatographie Sammlung von Bildern Videos und Audiodateien ETH Zurich Analytische Chemie Gaschromatographie GC PDF 991 kB In NetLogo ist eine Simulation implementiert 11 Einzelnachweise Bearbeiten vgl LC GC International Vol 3 No 11 A T James A J P Martin Gas liquid partition chromatography the separation and micro estimation of volatile fatty acids from formic acid to dodecanoic acid In Biochemical Journal 50 Jahrgang 1952 S 679 690 J E Lovelock A sensitive detector for gas chromatography In Journal of Chromatography A 1 Jahrgang Nr 1 1958 S 35 46 doi 10 1016 S0021 9673 00 93398 3 J E Lovelock The electron capture detector In Journal of Chromatography A 99 Jahrgang Nr 1 1974 S 3 12 doi 10 1016 S0021 9673 00 90840 9 Dandenau Raymond D und E H Zerenner An investigation of glasses for capillary chromatography In Journal of High Resolution Chromatography 2 Jahrgang Nr 6 1979 S 351 356 doi 10 1002 jhrc 1240020617 Infografik Der unglaubliche Fortschritt der Analytischen Chemie In Deutsches Lackinstitut Abgerufen am 10 August 2019 Dioxinanayltik In Bundesinstitut fur Risikobewertung Abgerufen am 10 August 2019 The Analytical Scientist Innovation Awards 2018 Strokes of Genius In The Analytical Scientist 13 Dezember 2018 Wolfgang Brodacz Marc Platthaus Vergleich und Kombination von GC Phasen LaborPraxis 4 2004 N Limsathayourat H U Melchert High temperature capillary GLC of hydrocarbons fatty acid derivatives cholesterol esters wax esters and triglycerides in beeswax analysis In Fresenius Journal of Analytical Chemistry 318 Nr 6 1984 S 410 413 doi 10 1007 BF00533223 Uri Wilensky NetLogo Models Library Gas Chromatography Abgerufen am 27 November 2018 englisch Normdaten Sachbegriff GND 4019330 5 lobid OGND AKS Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Gaschromatographie amp oldid 237639380