9.2.1 Die Praxis der Gaschromatographie
Übliche gaschromatographische Geräte bestehen aus einem Trägergassystem, einem Injektor, einer Gaschromatographiesäule, einem Detektor und einer Datenverarbeitung Einheit. Das Trägergas ist im Allgemeinen ein permanentes Gas mit geringer oder vernachlässigbarer Adsorptionskapazität, d. H. Wasserstoff, Helium oder Stickstoff. Die Art des Trägergases kann die Trenneigenschaften des GC-Systems beeinflussen und die Empfindlichkeit des Nachweises verändern. Da die Stabilität und Reproduzierbarkeit des Trägergasdurchsatzes eine Voraussetzung für eine erfolgreiche gaschromatographische Analyse ist, beeinflussen sie sowohl die Wirksamkeit der Trennung als auch die Quantifizierung der Ergebnisse erheblich. Injektoren liefern die Probe an den Kopf der GC-Säule. Injektoren können in zwei Hauptgruppen eingeteilt werden: Verdampfer- und On-Column-Injektoren. Verdampfungsinjektoren verwenden hohe Temperaturen (100–300 ° C), um eine flüssige Probe schnell zu verdampfen. Normalerweise wird eine Spritze verwendet, um die Probe in den thermostatisierten Injektor einzuführen. In diesem Fall verdampft die Probe schnell, mischt sich mit dem Trägergas und wird in die Säule transportiert. On-Column-Injektoren lagern die Probe direkt in der Säule ab, ohne auf die Verdampfung der Probe und ihren anschließenden Transport in die Säule angewiesen zu sein. Die Trennung der flüchtigen Verbindungen der injizierten Probe wird in der GC-Säule durchgeführt. Die Säulen für die Gaschromatographie können in zwei verschiedene Gruppen unterteilt werden; gepackte und kapillare Säulen verschiedener Dimensionen (Spangler, 2001). Eine gepackte Säule ist eine starre Metall- oder Glassäule, die mit kleinen Partikeln gefüllt ist, die häufig mit einer dünnen Schicht eines Polymers mit hohem Molekulargewicht beschichtet sind. Die gebräuchlichsten festen Träger sind Kieselgur, Fluorkohlenwasserstoffe, graphitierter Ruß und Glasperlen. Etwa 90% aller Träger sind verschiedene Arten von Kieselgur. Die stationäre flüssige Phase von GC-Säulen muss die folgenden Anforderungen erfüllen: niedriger Dampfdruck, hohe chemische Stabilität und relativ niedrige Viskosität bei der Analysetemperatur; Selektivität für die untersuchten Probenkomponenten; gute Benetzungskapazität sowohl für die Oberfläche des inerten Trägers als auch für die möglicherweise inerte Wand der Säule. Die Länge einer gepackten Säule ist aufgrund der hohen Drücke, die erforderlich sind, um die Trägergasströmungsraten bei Geschwindigkeiten zu halten, die für eine optimale Leistung erforderlich sind, auf etwa 3 m begrenzt. Gepackte Säulen haben gegenüber Kapillarsäulen mehrere Vorteile. Gepackte Säulen haben eine 10- bis 1000-mal höhere Probenkapazität als Kapillarsäulen. Dies macht gepackte Säulen für Analyten überlegen, bei denen große Probenmengen analysiert werden müssen. Gepackte Säulen haben jedoch 25–50% weniger theoretische Platten pro Meter als Kapillarsäulen. In Verbindung mit den kürzeren Längen gepackter Säulen (1–3 m gegenüber 10–60 m bei Kapillarsäulen) ist die Gesamtzahl der theoretischen Platten wesentlich geringer als die der Kapillarsäulen.
Eine Kapillare (auch offen genannt) Rohrsäule ist ein Glas- oder Quarzglasrohr mit sehr kleinem Innendurchmesser (im Allgemeinen zwischen 0,20 und 0,53 mm). Die Innenfläche einer Kapillarsäule ist mit einer dünnen Schicht stationärer Phase beschichtet, so dass die gelösten Moleküle immer noch mit den Innenwänden des Schlauchs in Kontakt kommen können. Die meisten stationären Phasen der Kapillarsäule sind vernetzt und kovalent an die Quarzglasoberfläche gebunden. Die Menge der stationären Phase in einer Kapillarsäule wird durch ihre Filmdicke angegeben, die typischerweise 0,1–5 μm beträgt. Die Verbindungsretention ist proportional zur Filmdicke in Kapillarsäulen, die Retention nimmt mit zunehmender Filmdicke zu und mit abnehmender Filmdicke ab. Der Vorteil von Kapillarsäulen ist ihre sehr hohe Trennkapazität. Dies ermöglicht die Auflösung von Peaks in komplexen Proben, die durch gepackte Säulen nicht ausreichend getrennt sind. Aufgrund der besseren Trennleistung wurden Kapillarsäulen in der Gaschromatographie häufiger verwendet als gepackte Säulen. Die Wirksamkeit von GC-Analysen kann durch Verwendung einer Säulenumschalttechnik (Samuel und Davis, 2002) deutlich verbessert werden.
Um eine effektive und zuverlässige Trennung zu erreichen, muss die Gaschromatographiesäule bei einer konstanten Temperatur thermostatisiert werden (isothermer Trennmodus) oder kann gemäß einem vorgegebenen Temperaturprogramm (Temperaturgradient) modifiziert werden. Die Anwendung eines Temperaturgradienten erhöht die Wirksamkeit der Trennung erheblich (Davis et al., 2000). Da die Säulentemperatur einer der entscheidenden Parameter in der GC-Analyse ist, ist ihre genaue Regulierung von größter Bedeutung. Detektoren interagieren mit den gelösten Molekülen, wenn sie die Säule verlassen. Diese Interaktion wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, das an ein Aufzeichnungs- oder Datenspeichergerät gesendet wird. Anschließend wird ein Chromatogramm erstellt, das die Intensität des Signals gegen die verstrichene Zeit darstellt.Die Hauptmerkmale von Detektoren sind die geringste Menge einer Verbindung, die nachweisbar ist (Empfindlichkeit) und welche Verbindung bei derselben Menge die stärkste Detektorantwort (Selektivität) erzeugt.
Viele verschiedene Detektoren (Flammenionisation = FID) , Stickstoff-Phosphor = NPD, flammenphotometrisch = FPD, Elektroneneinfang = ECD, Wärmeleitfähigkeit = TCD, Atomemission = AED, elektrolytische Leitfähigkeit = ELCD, Chemilumineszenz usw.) wurden für den empfindlichen und selektiven Nachweis und die Quantifizierung von Proben entwickelt Komponenten. FID verwendet einen Wasserstoffstrom, der mit dem Trägergas gemischt ist. Das Gemisch wird entzündet, die Analyten werden verbrannt und die während des Brennvorgangs gebildeten Ionen werden in einer zylindrischen Elektrode bei einer hohen Spannung gesammelt, die zwischen dem Flammenstrahl und der Elektrode angelegt wird. Der resultierende Strom wird verstärkt und erfasst. NPD ähnelt FID in seinem Design. Es enthält Rubidium- oder Cäsiumkügelchen in einer Heizspule in der Nähe des Wasserstoffstrahls. Die teilweise verbrannten Stickstoff- und Phosphormoleküle adsorbieren an der Oberfläche des Kügelchens und verringern die Emission von Elektronen, wodurch der Strom erhöht wird. FPD erkennt speziell Schwefel- und Phosphorverbindungen. Analyten werden in der Flamme verbrannt. Aufgrund der Anregung in der Flamme wird Licht bei 392 (Schwefel) und 526 (Leuchtstoff) nm emittiert. Ein Filter wählt die Wellenlängen aus, die eine Fotovervielfacherröhre erreichen. ECD verwendet eine energiearme β-Strahlenquelle zur Erzeugung von Elektronen und Ionen. Elektroneneinfangmoleküle (halogenierte Verbindungen), die in den Detektor eintreten, verringern den Elektronenstrom, der verstärkt und registriert werden kann. TCD reagiert auf Änderungen der Wärmeleitfähigkeit und der spezifischen Wärme unter Verwendung eines Filaments unter Strom, der in den Trägergasstrom eingebracht wird. Änderungen der Wärmeleitfähigkeit und / oder der spezifischen Wärme des aktuellen Gases, die durch die Analyten verursacht werden, modifizieren das Potential über dem Filament. AED eignet sich zum Nachweis ausgewählter Atome oder Atomgruppen, ELCD kann speziell zum Nachweis von Cl-, N- oder S-haltigen Analyten eingesetzt werden. Ein Chemilumineszenzdetektor wird hauptsächlich zum Nachweis von Schwefelverbindungen eingesetzt. In den letzten Jahrzehnten haben GC-Verfahren in Kombination mit verschiedenen massenspektrometrischen (MS) Detektionssystemen zunehmend Anwendung in GC-Analysen gefunden. Die MS-Detektion basiert auf dem Phänomen, dass Ionen oder Moleküle in einem Hochvakuum erzeugt werden können zusätzlich geladene Arten. Diese Spezies können getrennt werden und ihre relative Häufigkeit (ihr Massenspektrum) ist charakteristisch für den ursprünglichen Analyten. Ein Massenspektrometer muss ionische Spezies erzeugen, diese dann trennen und nachweisen. Die Ionenerzeugung kann durch Elektronenstoß- (EI) und chemische Ionisationstechniken (CI) erreicht werden. Bei der EI-Methode wird die Fragmentierung und Ladung von Analyten durchgeführt, indem Kollisionen zwischen ihnen und den aus einem heißen Filament erzeugten Elektronen erzeugt werden. Die CI-Technik verwendet ein Reagenzgas wie Ammoniak oder Methan, das durch einen Elektronenstrahl ionisiert wird. Das ionisierte Gas reagiert mit den Analyten unter Bildung relativ stabiler Ionen-Molekül-Komplexe. Da die am häufigsten vorkommenden Komplexe einfache Addukte wie + oder + sind, kann die Molekülmasse von Analyten leicht berechnet werden. Andere tragbare GC-Instrumente mit Bindestrich wurden ebenfalls für Feldanwendungen entwickelt (Arnold et al., 2000). Die aktuellen Trends bei GC-Instrumenten und -Methoden wurden kürzlich von Yashin und Yashin (2001) überprüft.