Kapitel 12: Analyse mittels Gaschromatographie · 2018. 12. 29. · Gaschromatographie (GC) 1950 wurde die GC von Erika Cremer als Gas-Adsorptionschromatographie vorgestellt. Die

Kapitel 12: Analyse mittels Gaschromatographie

Sie werden im Laufe Ihrer beruflichen Tätigkeit vermutlich immer wieder mit der Frage konfrontiert, Proben zu analysieren.

Dabei ist es wichtig, die richtige Analysenmethode zu kennen und die Probennahme und Probenvorbereitung dem Problem anzupassen. Hier spielen Erfahrung und Fingerspitzengefühl eine wichtige Rolle. Bei diesem Kapitel sind Forschergeist, Neugier und Phantasie nötig.

Für diesen Versuch gibt es keine genaue Vorschrift. Es soll versucht werden, aus eigenen Proben durch geeignete Probenvorbereitung und Analyse mit Gaschromatographie Informationen bezüglich der Inhaltsstoffe zu erhalten. Diese Informationen können dann mittels Internet-Recherche (z.B. Giftigkeit, Vorkommen, Anwendung usw.) ergänzt werden.

Es stehen Ihnen normale Gaschromatographen und mit Massenspektrometer gekoppelte Systeme zur Verfügung.

Wenn Sie zuhause ein Parfüm oder sonst ein Körperpflegeprodukt (z.B. Shampoo, Zahnpasta usw.) haben, dessen Zusammensetzung Sie gerne kennen möchten, nehmen Sie bitte eine kleine Probe mit zum Praktikum.

Auch andere Produkte mit Eigengeschmack (z.B. Früchte, Kaugummi usw.) können wir zu analysieren versuchen. Allerdings ist es nicht garantiert, dass wir immer ein Resultat erhalten (wie so oft in der Forschung).

Überlegen Sie sich, wie Sie die Probe aufarbeiten, um sie dann zu analysieren. Besprechen Sie nötigen Schritte mit Ihren Assistierenden.

Auf den folgenen Seiten finden Sie einige Grundlagen zur Chromatographie. Diese sollen kein Lehrbuch ersetzen, sondern Ihnen helfen, den Hintergrund etwas besser zu verstehen.

Kapitel 12 (Chromatografie) Chemiepraktikum Uwis, Erd, Agr/Lm Seite 1 von 9

Chromatographie

Mit Chromatographie werden all die physikalisch-chemischen Trennverfahren bezeichnet, bei denen der Trennvorgang auf der Verteilung eines Stoffes zwischen einer mobilen und einer stationären Phase beruht. Verschiedene Stoffe einer Probe werden unterschiedlich stark von der stationären Phase zurückgehalten, während die mobile Phase den Transport übernimmt. Chromatographie wird präparativ und analytisch genutzt.

Je nach Aggregatzustand der beiden Phasen kann man Verfahren, Abwandlungen und Techniken der Chromatographie in vier Grundtypen einteilen:

stationäre Phase

mobile Phase

Bezeichnung Trennprinzip Technik

fest (engl. solid)

Flüssig gasförmig (engl. gasous)

Flüssig-Fest- Chromatographie (LSC)

Gas-fest- Chromatographie (GSC)

Adsorption Adsorption

DC, Säulenchr., HPLC

GC (gepackt für Gase)

flüssig (engl. liquid)

Flüssig gasförmig

Flüssig-Flüssig- Chromatographie (LLC)

Gas-Flüssig- Chromatographie (GLC)

Verteilung Verteilung

Ionenaustausch, Molekularsieb, Elektrophorese

GC (Kapillar, Standard)

Eine weitere Einteilung ist nach dem Trennprinzip möglich :

Adsorptions-Chromatographie (Adsorption-Desorption, reversibel)

Verteilungs-Chromatographie (Löslichkeit, ähnelt Extraktion, stat. Phase ist flüssig)

Ionenaustausch-Chromatographie (stat. Phase ist fester Ionenaustauscher, zu trennenden Ionen in Lsg.)

Affinitäts-Chromatographie (spezif. Affinität eines Antikörpers oder Enzyms zu Substrat in mobiler Phase)

Molekularsieb-Chromatographie (Hydrodynamischer Radius)


Bei der Adsorption werden Gase oder gelöste Stoffe auf der Oberfläche eines Feststoffes reversibel angelagert (Van-der-Waals-Kräfte, Dipol-Dipol- Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen). Je größer die Oberfläche des Adsorptionsmittels, desto größer die adsorbierbare Stoffmenge. Die Adsorption ist spezifisch, d.h. ein Adsorptionsmittel bindet verschiedene Stoffe unterschiedlich stark

Bei der Verteilung zwischen zwei Phasen spielt die unterschiedliche Löslichkeit eines Stoffes in zwei miteinander nicht oder nur beschränkt mischbaren Lösungsmitteln eine Rolle.

Das Verteilungsverhältnis ist (bei einer bestimmten Temperatur) konstant (Nernstscher Verteilungskoeffizient) und stoffspezifisch

Ionen-Austausch-Chromatographie (Ion- Exchange-Chromatography) Bei der Ionen-Austausch-Chromatographie sind an der stationären Phase Gruppen gebunden, die eine positive oder negative Ladung tragen und daher entgegengesetzt geladene Teilchen binden und damit zurückhalten können.

Affinitäts-Chromatographie Der Affinitäts-Chromatographie liegt eine ganz spezielle Wechselwirkung zwischen Strukturen der stationären Phase und den Stoffen in der mobilen Phase zu Grunde. Ein Beispiel wäre die Wechselwirkung zwischen Antigenen und Antikörpern, ein anderes die von Hormonen mit ihren Rezeptoren, oder die von Enzymen mit ihrem Substrat.

Die Gelfiltration oder Ausschlusschromatographie ist eine Säulenchromatographie, die ausnutzt, dass die Partikel der Säulenmatrix Poren definierten Durchmessers haben. Somit können größere Moleküle nicht in die Poren eindringen und werden ausgeschlossen. Kleine Moleküle jedoch diffundieren in die Poren hinein. Sie brauchen für den Durchlauf der Säule wesentlich länger. So können die Moleküle ihrer Größe nach aufgetrennt werden


Gaschromatographie (GC) 1950 wurde die GC von Erika Cremer als Gas-Adsorptionschromatographie vorgestellt. Die Entwicklung ging dann Schlag auf Schlag. Schon 1952 wurde die Gas-Verteilungs- chromatographie entdeckt und 1961 gab es schon 40 kommerzielle GC-Hersteller. In den 1980ern erlebt die GC durch die rasant fortschreitende Computertechnologie noch einmal einen riesigen Schub.

Voraussetzung Die Gaschromatographie beruht, wie andere chromatographische Verfahren, auf Verteilung und/oder Adsorption. Voraussetzung ist, dass die zu untersuchenden Substanzen gasförmig vorliegen oder sich durch Verdampfen möglichst unzersetzt in den gasförmigen Zustand überführen lassen. Weitere Möglichkeit: Derivatisierung

Gas-Flüssig-Chromatographie GLC Gas-Fest-Chromatographie GSC


Split- / Splitless Injektion Splitless-Injektion bedeutet, dass das gesamte eingespritzte Probenvolumen auf die Säule gelangen soll. Sie wird verwendet, wenn die Trennsäule ohne Überlastung eine größere Probenmenge vertragen kann, z.B. für die Analyse von Spurenkomponenten in verdünnten Lösungen

Bei der Split-Injektion wird der Trägerstrom aufgeteilt, sodass nur ein Bruchteil der Proben auf die Säule gelangt und der grösste Teil aus dem Injektor an der Trennsäule vorbei nach außen geleitet wird. Das Split- Verhältnis liegt meist zwischen 1:20 bis 1:100

On-column Injektion

Bei der on-column Injektion wird die Probe direkt in die Kapillarsäule eingeführt und kommt dabei ohne einen beheizten Injektor aus. Erst nach Probenaufgabe wird die Ofentemperatur erhöht und die chromatographische Trennung beginnt.


Dampfraum-Injektion (Headspace)

Proben, die leichtflüchtige Bestandteile im Spurenbereich enthalten, werden nach der „Headspace-Technik“ injiziert. Die Probe lässt man dabei in einem geschlossenen Gefäss bei kontrollierter Temperatur in ein Gleichgewicht mit der Gasphase bringen.

solid phase microextraction SMPE


Gepackte Säulen in der Gaschromatographie

feste stationäre Phase: Adsorptionschromatographie, wird auch als Gas-fest Chromatographie bezeichnet und wird in der Gasanalytik angewandt

Flüssigkeitsfilm auf festem Träger: Verteilungschromatographie, wird auch als Gas-flüssig-Chromatographie bezeichnet und ist für flüssige Analyten geeignet als Träger/stationäre Phase sind viele verschiedene möglich: Diatomeenerde (Kieselgur), Molekularsiebe, Aluminiumoxid, Aktivkohle...oder organische Polymere wie Polyacrylate und Polystyren

Kapillarsäulen im der Gaschromatographie

Lange Säulen sind für Analysen mit Temperaturgradienten vorteilhaft einzusetzen. Verfügbar sind Säulenlängen zwischen 10 m und 200 m. 30 m lange Kapillarsäulen sind am verbreitetsten.

Vorteile: langes offenes Rohr aus Metall, Kunststoff oder Glas bessere Trennleistung als gepackte Säulen (kaum Tailing) kürzere Analysenzeiten kein großer Gegendruck durch die Säule

Nachteile: nur geringe Probenmenge möglich Probenaufgabetechniken: Split, Kaltaufgabe; sonst Überladung der Säule mit resultierender Peakdeformation


Verschiedene Arten von Kapillarsäulen Arbeitsweisen in der Gaschromatographie

isotherm :

temperaturprogrammiert


Detektoren in der Gaschromatographie (Auswahl) Flammenionisationsdetektor FID Wärmeleitfähigkeitsdetektor WLD

MS(D) Massenselektiver Detektor

Je nach Aufnahmemodus universell oder selektiv einsetzbar und nachweisempfindlich.

Arbeitsweise:

Die Substanzen werden in einem Ionisationsraum mit Elektronen beschossen und zerfallen auf eine für jede Substanz typische Weise (Massenspektrum). Die entstandenen Fragmente werden in einem Analysatorraum nach dem Verhältnis Masse/Ladung sortiert und durch einen Sekundärelektronenvervielfacher gezählt.

Elektroneneinfang-Detektor (ECD)

Säuleneluat strömt über einen β-Strahler (z.B. 63Ni oder 3H, absorbiert an Pt-Folie). Elektronen des β-Strahlers ionisieren das Trägergas (N2) und erzeugen langsame Elektronen. Diese werden von elektronegativen Atomen und elektronenziehenden Gruppen organischer Moleküle eingefangen (Halogenide, Peroxide, Cinone, Nitroverbb. etc.). Damit sinkt ein vorher konstant gehaltener Nullstrom zwischen einem Elektrodenpaar. Selektiv also für Halogenide etc. (gut für chlorhaltige Insektizide etc., z.B. PCB's etc.)


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