Gaschromatographie

Grundprinzip und Trennvorgang

Die Gaschromatographie (GC), auch Gas-Flüssigkeits-Chromatographie (GLC), ist eine Analysenmethode zur Auftrennung von Gemischen in einzelne chemische Verbindungen. Sie ist zugleich Adsorptions- und Verteilungschromatographie. Anwendbar ist sie nur für Stoffe, die bereits gasförmig sind oder sich unzersetzt verdampfen lassen; der Siedebereich reicht dabei bis etwa 400 °C.

Als mobile Phase, also als bewegliche Phase, dient ein Inertgas wie Stickstoff oder Helium, in besonderen Fällen auch Wasserstoff. Das Trägergas transportiert die Probe durch eine 10–200 Meter lange, gewickelt gebogene, kapillarartige Säule. Die Säule enthält eine stationäre Phase, an der die Stoffe unterschiedlich lange zurückgehalten werden.

Bei einer unpolaren Säule erfolgt die Trennung im einfachsten Fall vor allem nach den unterschiedlichen Siedepunkten. Ursache ist eine sehr häufig wiederholte Adsorption und Desorption an der stationären Phase. Bei polaren Säulen beeinflussen zusätzlich spezifische Wechselwirkungen die Trennung. Alkohole, Ester und Ketone können dadurch trotz gleicher Siedepunkte stärker zurückgehalten werden als ähnliche Paraffine.

Die Verteilung zwischen Gasphase und stationärer Phase wird durch das Raoultsche Gesetz beschrieben. Je höher der Partialdampfdruck einer Substanz ist und je länger sie sich deshalb in der Gasphase befindet, desto kürzer ist ihre Retentionszeit, also die Zeit vom Einspritzen bis zum Auftreten am Detektor. Die Wechselwirkungen hängen von der Molekülstruktur und den funktionellen Gruppen ab. Unpolare Stoffe zeigen vor allem Dispersionswechselwirkungen (Van-der-Waals-Bindungen); polare Phasen können zusätzlich Wasserstoffbrückenbindungen oder Donator-Akzeptor-Bindungen eingehen. Auch Enantiomere lassen sich mit speziellen Cyclodextrin-Derivaten trennen.

Schwer zugängliche Stoffe können durch Derivatisierung in thermisch stabilere und leichter flüchtige Verbindungen umgewandelt werden. Beispiele sind Methylester von Carbonsäuren, hergestellt mit BF₃ und MeOH, sowie Silylether von Alkoholen.

Aufbau und Arbeitsablauf

Ein Gaschromatograph besteht im Wesentlichen aus drei Bauteilen: Injektor, Trennsäule im GC-Ofen und Detektor. Die Probe wird meist in einem niedrig siedenden Lösemittel gelöst und durch ein Septum, eine durchstechbare Membran, in den Injektor eingespritzt. Dieser ist normalerweise beheizt und kann bis zu 450 °C erreichen, damit die Probe schnell und vollständig verdampft. Eine alternative Aufgabe erfolgt septumfrei und mit langsamer Verdampfung in einem Kaltaufgabesystem (KAS/PTV).

Das Trägergas transportiert die verdampfte Probe bei einem Säulenvordruck von normalerweise bis zu 6 bar durch die Kapillarsäule. Diese befindet sich in einem temperierbaren GC-Ofen. Die Trennung kann bei konstanter Temperatur, also isotherm, oder mit einer kontrollierten Temperaturerhöhung erfolgen. Am Säulenende erzeugt der Detektor ein elektronisches Signal, wenn eine Substanz das Trennsystem verlässt. Ein Signal erscheint im Chromatogramm als Peak, also als Gipfel.

Die Signale werden mit einem Integrator oder meist mit einem Computersystem und einer Auswertungssoftware verarbeitet. Eine vollständige Trennung mit Darstellung der verschiedenen Peaks dauert häufig 30 bis 60 Minuten. Die Lage der Peaks liefert vor allem Informationen zur Identität über die Retentionszeit, ihre Größe beziehungsweise Fläche dient der quantitativen Auswertung.

Injektoren und Trennsäulen

Gängige Injektionsarten sind Split/Splitless-Injektoren (SSL), On-Column-Injektionen (OCI) mit direkter Aufgabe auf die Säule, Kaltaufgabesysteme (KAS oder PTV) und Direktaufgabesysteme mit Ventilschaltungen. Für gepackte Säulen liegt die optimale Probenmenge je Komponente zwischen 0,1 und 1 ml; bei Kapillarsäulen ist sie etwa 100- bis 1000-mal kleiner. Verwendet werden spezielle 1–10 μl-Spritzen. In der Spritze dürfen sich keine Luftblasen befinden, da sie im Ofenraum zur Oxidation von Substanzen beitragen können.

Autosampler ermöglichen besonders bei Split/Splitless-Injektoren und Kaltaufgabesystemen die sequentielle Bearbeitung vieler Proben. Weitere Probengeber sind Headspace-Systeme, Purge-&-Trap-Systeme, Pyrolysatoren sowie Festphasenmikroextraktion (SPME) und Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE).

Wichtige Kenngrößen einer Säule sind Durchmesser, Länge und die Art der stationären Phase. Früher wurden vor allem gepackte Säulen verwendet. Sie enthalten in einem dünnen Metall- oder Glasrohr von wenigen Metern Länge ein festes, inertes Trägermaterial. Wird das zu analysierende Gas direkt über dieses Material geleitet, handelt es sich um Gas-Solid-Chromatography (GSC). Ist das Trägermaterial mit einer dünnen Schicht einer hochmolekularen, zähflüssigen und wenig flüchtigen Flüssigkeit überzogen, liegt Gas-Liquid-Chromatography (GLC) vor.

Die seit 1958 von Marcel J. E. Golay entwickelte Kapillargaschromatographie bietet gegenüber gepackten Säulen eine etwa 100- bis 1000-fach bessere Auftrennung und eine Trennstufenzahl von etwa 300.000. Die außen mit Polyimid beschichteten Quarzglas-Säulen haben normalerweise einen Innendurchmesser von 0,1 bis 0,5 mm und eine Länge von 10 bis 60 m; für Fettsäureester werden kombinierte Säulen bis 100 m eingesetzt. Die stationäre Phase bildet meist einen 0,1 bis 5 µm dünnen Film. Helium ist bevorzugtes Trägergas, außerdem werden Wasserstoff und seltener Stickstoff verwendet.

Unpolare Phasen wie Polydimethylsiloxan (100 % Methyl; beispielsweise DB-1) trennen meist nach dem Siedepunkt. Leicht polare Phasen wie Polyphenylmethylsiloxan mit 5 % Phenyl und 95 % Dimethyl (beispielsweise DB-5) besitzen einen Temperaturbereich von −20 °C bis +350 °C. Mittelpolare Phasen mit 14 % Phenyl und 86 % Dimethyl reichen beispielsweise von ±0 °C bis +250 °C. Polare Phasen umfassen unter anderem Polycyanopropylphenylmethylsiloxan, Polyphenylmethylcyanosiloxan, Polyethylenglycol und Polyethylenglykol-2-nitroterephthalsäureester. Seit den 1990er Jahren entwickelte man besonders blutungsarme Säulen für GC-MS, die häufig die Zusatzbezeichnung „-ms“ tragen. Chirale stationäre Phasen ermöglichen die Bestimmung von Enantiomerenverhältnissen und Enantiomerenreinheit.

Detektoren und Chromatogramm

Der Detektor weist die aus der Säule austretenden Stoffe nach und wandelt ihren Nachweis in ein elektronisches Signal um. Der Flammenionisationsdetektor (FID) wird allgemein zur Quantifizierung organischer Verbindungen eingesetzt und ist der am weitesten verbreitete Detektor. Der Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD oder TCD) dient unter anderem der Untersuchung von Permanentgasen.

Weitere Detektoren sind der Photoionisationsdetektor (PID), der flammenphotometrische Detektor (FPD), der elementspezifische Atomemissionsdetektor (AED), der Echelle-Plasma-Emissions-Detektor (EPED), der Stickstoff-Phosphor-Detektor (NPD beziehungsweise thermionischer Detektor, TID), der Elektroneneinfangdetektor (ECD) und der Pulsed Charge Detector (PD). ECD und PD eignen sich besonders für halogenierte organische Verbindungen; der NPD ist Stickstoff- und Phosphor-spezifisch. Auch Massenspektrometer als massenselektive Detektoren (MS oder MSD), Ionen-Mobilitäts-Spektrometer (IMS) für flüchtige organische Verbindungen und die menschliche Nase als Geruchsdetektor werden verwendet.

Mehrere Detektoren können hintereinander geschaltet werden. Das ist nur möglich, wenn die vorderen Detektoren zerstörungsfrei messen, beispielsweise bei ECD/WLD, nicht aber bei FID/NPD. Die zeitabhängigen Detektorsignale werden als zweidimensionaler Graph dargestellt. Dieses Chromatogramm wird heute meist mit einem Computer und einem Chromatographiedatensystem ausgewertet; Plotter werden nur noch selten verwendet.

Analytische Anwendungen und quantitative Bestimmung

Die Gaschromatographie ist eine sehr empfindliche Methode. Sie kann Stoffmengen bis zu 10⁻⁹ Gramm nachweisen und komplexe Gemische in einzelne Komponenten auftrennen. In vielen Fällen reicht die Retentionszeit zur Identifizierung. Die Kopplung mit einem Massenspektrometer (GC/MS) ermöglicht den Nachweis sehr geringer Mengen und zugleich Strukturaufklärung. Weiterentwicklungen sind die besonders auflösungsstarke Comprehensive GCxGC und die besonders schnelle Hyper-Fast GC (FF-TG-GC).

Anwendungen liegen unter anderem in der Untersuchung von Agrarprodukten auf Herbizide, von Fleischprodukten auf Hormone, von Arzneimitteln, Aromen und ätherischen Ölen, Kohlenhydraten, Erdölkomponenten sowie in der forensischen Chemie, bei Dopingtests und in der Umweltanalytik von Luft und Meerwasser. Auch Triglyceride und Wachse können auf temperaturstabilen stationären Siliconphasen getrennt, identifiziert und quantitativ bestimmt werden. Schwer flüchtige Analyten müssen gegebenenfalls derivatisiert werden, etwa mit Trimethylsulfoniumhydroxid oder Chlortrimethylsilan.

Für die quantitative Analyse ist die Peakfläche nur selten direkt proportional zum tatsächlichen Massenanteil. Deshalb ist eine Kalibrierung mit Referenzmaterialien bekannten Gehalts erforderlich. Häufig wird ein interner Standard verwendet. Dabei handelt es sich um eine zusätzliche Substanz mit einer Retentionszeit nahe der Analyten, die deren Peaks aber nicht überlagert. Analyt und Referenzmaterial werden mit dem internen Standard versetzt. Die Peakflächen werden anschließend auf die Peakfläche des internen Standards bezogen, wodurch zufällige Fehler, besonders des Injektionssystems, weitgehend herausgerechnet werden.

Nach der Kalibrierung lässt sich die Konzentration cₚ einer Probe P bestimmen mit:

cₚ = cₛ · (Aₚ/Aₛ) · (rₛ/rₚ)

Dabei ist cₛ die eingewogene Konzentration des Standards, A die Peakfläche im Chromatogramm und r die Sensitivität einer Substanz, also das vom Detektor pro M erzeugte Signal. Die Sensitivität kann für einen bestimmten Detektor einmalig gemessen und anschließend tabelliert werden.

Entwicklung und heutige Bedeutung

Die Entwicklung der Gaschromatographie wurde durch grundlegende Arbeiten von Archer J. P. Martin, Erika Cremer und Fritz Prior geprägt. Das erste Gaschromatogramm entstand kurz nach dem Zweiten Weltkrieg im Labor von Erika Cremer und zeigte die Trennung von Luft und Kohlendioxid an Aktivkohle.

1951 entwickelten Anthony Trafford James und Archer J. P. Martin einen ersten Gaschromatographen im heutigen Sinne. Ihre 1952 veröffentlichte Arbeit zeigte die Trennung von Carbonsäuren. James E. Lovelock entwickelte 1957 den Elektroneneinfangdetektor (ECD), mit dem sich chlorierte Umweltgifte wie PCB und chlorierte Pestizide wie DDT empfindlich nachweisen ließen.

In den Folgejahren wurden kommerzielle Gaschromatographen angeboten; die F&M Scientific Corporation of Avondale, Pennsylvania, wurde 1965 von Hewlett-Packard übernommen. In den 1970er Jahren entstand die Kapillargaschromatographie. Ein Meilenstein war die Erfindung der „Fused Silica Column“ durch Raymond D. Dandenau und Ernest Zerrender. Danach wurden erste praxistaugliche Kopplungen von Kapillargaschromatographie und Massenspektrometrie (GC-MS) entwickelt.

Heute gehört die Gaschromatographie zu den wichtigsten Analysentechniken in chemischen Laboratorien. Sie wird fortlaufend weiterentwickelt; wichtige Beispiele sind die hochauflösende zweidimensionale Comprehensive GCxGC und die besonders schnelle, zugleich leistungsfähige Hyper-Fast GC.