Grundlagen der Gaschromatograph ie Hardware FR EINE BESSERE
Grundlagen der Gaschromatograph ie: Hardware FÜR EINE BESSERE WISSENSCHAFT AGILENT AND YOU Nur für Lehrzwecke 10. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 1
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Inhaltsverzeichnis Einführung • Welche Trennmethode für welche Verbindung? • Was ist Gaschromatographie? • Wofür wird die GC verwendet? • Wie sieht ein Chromatogramm aus? Aufbau eines GC-Systems • Allgemeiner Überblick • Die Gasquelle • Das Probengeber-Modul • Der Einlass • Die Säule • Der Detektor • GC-Ausgangssignal Nur für Lehrzwecke 10. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 3 Die Eigenschaften der GC • Wichtige Faktoren Weitere Informationen • Agilent Website für Hochschulen • Publikationen
Einführung Welche Trennmethode für welche Verbindung? Aminosäuren Hydrophil Flüchtige Carbonsäuren Aldehyde Ketone Synthetische Lebensmittelfarbstoffe Glyphosat Glykole Sulfonamide Anorganische Ionen PG, OG, DG, Phenole Enzyme Zuckeralkohole Aflatoxine Nitrile Polarität BHT, BHA, THBQ Antioxidanzien Alkohol TMSDerivate von Zuckern Phosphororganische Pestizide PAK Aromatische Amine PCB Epoxide Hydrophob Ätherische Öle C 2 -C 6 -Kohlenwasserstoffe Flüchtig Nur für Lehrzwecke 10. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 4 Anabolika Flavonoide Natürliche Lebensmittelfarbstoffe Fettlösliche Vitamine Polymer-Monomere Fettsäuremethylester Triglyceride Phospholipide Aromatische Ester Nicht flüchtig – flüssige Phase Flüchtig – Gasphase Inhalt Antibiotika Fettsäuren Nitrosamin Flüchtigkeit Nicht flüchtig
Einführung Was ist Gaschromatographie? Die Gaschromatographie (GC) ist eine Methode zur Trennung der einzelnen Komponenten einer Mischung, so dass diese jeweils identifiziert und quantifiziert werden können. Eine Verbindung ist nur für die GC-Analyse geeignet, wenn sie ausreichende Flüchtigkeit und thermische Stabilität aufweist. Sind alle oder einige Komponenten einer Probe bei ungefähr 400 °C oder darunter flüchtig und zersetzen sie sich bei diesen Temperaturen nicht, kann die Verbindung wahrscheinlich mit einem Gaschromatographen analysiert werden. Das Gerät verdampft eine Probe der Verbindung und transportiert sie mithilfe eines Trägergases in eine Säule. Die einzelnen Komponenten der Probe bewegen sich aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch die Säule. Die eluierenden Komponenten werden in einen beheizten Detektor geleitet, der aufgrund seiner Interaktion mit der Komponente ein elektronisches Signal erzeugt. Ein Datensystem zeichnet die Größe des Signals auf und trägt das Signal gegen die verstrichene Zeit auf. Es entsteht ein Chromatogramm. Inhalt Nur für Lehrzwecke 10. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 5
Einführung Wofür wird die GC verwendet? Die GC wird zur Trennung von flüchtigen polaren und unpolaren Verbindungen verwendet. Typische Applikationen: • • Analyse von Lebensmitteln und Aromastoffen Umweltanalytik (PAK, Pestizide, Herbizide, Benzol) Analyse industrieller Chemikalien (Alkohol, halogenierte Kohlenwasserstoffe, aromatische Lösemittel, Phenole) Analysen in der Erdölindustrie (Benzin, flüchtige Schwefelverbindungen, Raffineriegase) Ist eine Verbindung nicht flüchtig (zum Beispiel Proteine, Salze, Polymere), dann ist die Flüssigchromatographie die bessere Trennmethode. Inhalt Nur für Lehrzwecke 10. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 6
Einführung Wie sieht ein Chromatogramm aus? Diese Spitzen werden chromatographische Peaks genannt und jeder Peak steht für eine getrennte Verbindung B Peak des Lösemittels Zeitpunkt der Probeninjektion in die Säule Verbindung A Zeit nach der Injektion Inhalt Nur für Lehrzwecke 10. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 7 Verbindung C
Aufbau eines GC-Systems Allgemeiner Überblick Ein Gaschromatograph besteht aus den folgenden Komponenten: • Eine Quelle für flussgeregeltes und gereinigtes Trägergas, das die Probe durch das Gerät bewegt • Einlass, der auch als Verdampfungsmodul für flüssige Proben dient • Eine Säule, in der nach bestimmter Zeit die Trennung erfolgt • Ein Detektor, der auf die Komponenten, die aus der Säule eluieren, durch ein sich änderndes elektrisches Ausgangssignal anspricht • Ausgangssignal: Datenauswertung verschiedener Art Inhalt Nur für Lehrzwecke 10. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 8 Gasquelle Probengeber Einlass Säule Detektor Ausgangssignal
Aufbau eines GC-Systems PC-System Gasquelle und Gasreinigung Einspritzblock Detektor Säule Inhalt Nur für Lehrzwecke 10. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 9
Aufbau eines GC-Systems Die Gasquelle Das Trägergas, wie z. B. Helium, Stickstoff, Wasserstoff oder eine Mischung aus Argon und Methan, muss rein sein (> 99, 9995 %). Verunreinigungen könnten mit der Probe und der Säule reagieren, Geisterpeaks erzeugen, den Detektor beladen, die Basislinie anheben und so weiter. Hauptventil Zweistufiger Druckregler Drosselventil Feuchtigkeitsfilter Kohlenwasserstofffilter Die Aufgabe des Trägergases ist es, die Probe durch das System zu transportieren. Ein Gas hoher Reinheit mit Feuchtigkeits-, Kohlenwasserstoff- und Sauerstofffilter wird empfohlen. Spezielle Detektorgase sind für bestimmte Detektoren erforderlich (z. B. für den FID). Sauerstofffilter Gasflasche Gasquelle Druckgasflaschen oder Gasgeneratoren liefern das Gas. Quelle: Fundamentals of Gas Chromatography Publikationsnummer: G 1176 -90000 Inhalt Nur für Lehrzwecke 10. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 10
Aufbau eines GC-Systems Das Probengeber-Modul Die Wahl des Probengeber-Moduls hängt von der Matrix des Analyten ab. Analyt Probengeber In Lösemittel In Wasser In Headspace. Probenflasche In Gas Automatischer GC-Probengeber Purge & Trap Headspace Einlass Ventil GC-Headspace-Probengeber Inhalt Nur für Lehrzwecke 10. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 11
Aufbau eines GC-Systems Der Einlass führt die verdampfte Probe in den Trägergasstrom ein. Die gebräuchlichsten Einlasssysteme sind Einspritzblocks und Probenventile. Spritze • Von der Gasquelle Nadel Einspritzblöcke − − Für gasförmige oder flüssige Proben Oft beheizt, um flüssige Proben zu verdampfen Flüssigkeits- oder Gasspritzen werden verwendet, um die Probe durch ein Septum in den Trägergasstrom einzuführen. • Probenventile Die Probe wird aus einer Schleife, die mechanisch in den Trägergasstrom eingeführt wird, in diesen hineingespült. Für Flüssigkeiten und Gase werden aufgrund der unterschiedlichen Probenvolumen unterschiedliche Ventile verwendet. Inhalt Nur für Lehrzwecke 10. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 12 Septum Aufbau eines Einspritzblocks Probeneingang Zur Säule Zum Injizieren nach unten drücken Schleife Von der Gasquelle Probenauslass Zur Säule Stopp Aufbau von Probenventilen Quelle: Fundamentals of Gas Chromatography Publikationsnummer: G 1176 -90000
Aufbau eines GC-Systems Die verschiedenen Einlasstypen Split/Splitless Cool-on-Column • Dies ist der gebräuchlichste Einlass • Im Fall des Splitless. Modus wird die gesamte Probe auf die Säule aufgegeben • Der Einlass ist beheizt, um die Probe zu verdampfen • Die gesamte Probe wird direkt in die Säule eingeführt • Hohe Präzision • Eliminiert Probendiskriminierung • Eliminiert Probenzersetzung Inhalt Nur für Lehrzwecke 10. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 13 Programmierbare Temperatur • Die Probe wird in den nicht beheizten Liner injiziert • Der Einlass ist beheizt, um die Probe zu verdampfen
Aufbau eines GC-Systems Die verschiedenen Einlasstypen – Split/Splitless. Einspritzblock Split-Modus Einlassflussregelung Kapillarsäulen haben geringe Probenkapazitäten. Es müssen kleine Probengrößen (µl) verwendet werden, um eine Überladung der Säule zu vermeiden. Der Split-Modus ermöglicht es, größere Proben zu injizieren, sie zu verdampfen und dann nur einen Teil davon auf die Säule aufzutragen. Der Rest wird über die Splitentlüftung in den Abfall gespült. Das Splitventil bleibt offen. Die Probe wird in den Liner injiziert, wo sie verdampft. Die verdampfte Probe wird zwischen Säule und Splitentlüftung aufgeteilt. Inhalt Nur für Lehrzwecke 10. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 14 Septummutter mit Septumentlüftungsregelung Liner Splitventil (offen) Splitentlüftungsregelung Ein typischer Split/Splitless-Einspritzblock im Split-Modus Quelle: Fundamentals of Gas Chromatography Publikationsnummer: G 1176 -90000
Aufbau eines GC-Systems Die verschiedenen Einlasstypen – Split/Splitlos. Einspritzblock Splitless-Modus Einlassflussregelung Dieser Modus eignet sich gut für Proben mit geringen Konzentrationen. Er hält die Probe am Säulenkopf fest, während der Dampf des verbleibenden Lösemittels durch die Entlüftung abgelassen wird. Schritt 1: Splitventil ist geschlossen, Probe wird injiziert. Das Lösemittel (die Hauptkomponente) schafft eine gesättigte Zone am Säulenkopf, welche die Komponenten der Probe festhält. Schritt 2: Ist die Probe auf der Säule festgehalten, wird das Splitventil geöffnet. Der verbleibende Dampf im Einlass, jetzt zum größten Teil Lösemittel, wird aus der Entlüftung abgeführt. Die Flussraten sind nun dieselben wie im Split. Modus. Inhalt Nur für Lehrzwecke 10. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 15 Liner Septummutter mit Septumentlüftungsregelung Splitventil Splitentlüftungs(geschlossen) regelung Splitless-Modus bei Injektion Quelle: Fundamentals of Gas Chromatography Publikationsnummer: G 1176 -90000
Aufbau eines GC-Systems Die Säule Hier erfolgt die Trennung. Die meisten Trennungen sind äußerst temperaturabhängig, so dass sich die Säule in einem gut geregelten Ofen befindet. Der Probendampf wird vom Trägergas in die Säule geleitet. Verbindungen verteilen sich selektiv zwischen der stationären Phase (der Beschichtung) und der mobilen Phase (dem Trägergas). Die Ofentemperatur kann ansteigen, um alle Verbindungen zu eluieren. • Isotherm: die Temperatur bleibt während einer Analyse gleich • Anstieg: Temperatur wird während einer Analyse erhöht Inhalt Nur für Lehrzwecke 10. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 16 Säule Ofen Säulen und Ofen Quelle: Fundamentals of Gas Chromatography Publikationsnummer: G 1176 -90000
Aufbau eines GC-Systems Das Innere der Kapillarsäule Eine GC-Kapillarsäule besteht aus einer engen Kapillare (0, 05 bis 0, 53 mm ID) mit einer dünnen Polymerbeschichtung (0, 1 – 10, 0 µm) auf der Innenseite. Die Auswahl der richtigen Kapillarsäule ist entscheidend und hängt von Faktoren wie Selektivität, Polarität und Phenylgehalt ab. Der Säulendurchmesser beeinflusst die Trennleistung, die Retention der Analyten, den Säulenvordruck und die Trägergasflussraten. Die Säulenlänge hat Auswirkungen auf die Retention der Analyten, den Säulenvordruck, das Säulenbluten sowie die Kosten. Inhalt Nur für Lehrzwecke 10. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 17 Polyimid. Beschichtung Fused-Silica Stationäre Phase
Aufbau eines GC-Systems Säulenauswahl, Zusammenfassung 1. Sind keine Informationen über die Auswahl der Säule vorhanden, starten Sie mit einer DB-1 oder DB-5. 2. Säulen mit geringem Bluten („ms“) weisen gewöhnlich eine größere Inertheit und eine höhere maximale Temperaturgrenze auf. 3. Verwenden Sie die unpolarste stationäre Phase, die eine zufriedenstellende Auflösung und Analysendauer liefert. Unpolare stationäre Phasen haben im Vergleich zu polaren Phasen eine längere Lebensdauer. 4. Verwenden Sie eine stationäre Phase mit einer ähnlichen Polarität wie der Analyten. Dieser Ansatz ist meistens erfolgreich, jedoch findet man mit diesem nicht immer die beste stationäre Phase. 5. Enthalten schlecht getrennte Analyten verschiedene Dipole oder Wasserstoffbrückenbindungen unterschiedlicher Bindungsstärke, wechseln Sie zu einer stationären Phase mit unterschiedlichem Gehalt an Dipol- oder Wasserstoffbrückenbindungs. Wechselwirkungen. Inhalt Nur für Lehrzwecke 10. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 18 Beim Wechsel der stationären Phase kann es zu anderen Koelutionen kommen, so dass die neue stationäre Phase nicht zwangsläufig eine bessere Auflösung liefert. 6. Vermeiden Sie möglichst die Verwendung einer stationären Phase mit einer Funktionalität, die bei einem selektiven Detektor ein starkes Signal erzeugt. Stationäre Phasen, die z. B. Cyanopropyl enthalten, liefern einen außergewöhnlich großen Anstieg der Basislinie (aufgrund von Säulenbluten) mit NPDs. 7. Die Säulen DB-1 oder DB-5, DB-1701, DB-17 und DB-WAX decken mit der geringsten Zahl an Säulen den weitesten Selektivitätsbereich ab. 8. PLOT-Säulen werden für die Analyse gasförmiger Proben bei Säulentemperaturen über Raumtemperatur verwendet. Quelle: Agilent J&W GC Column Selection Guide Publikationsnummer: 5990 -9867 EN For Research Use Only. Not for use in diagnostic procedures.
Aufbau eines GC-Systems Der Detektor Der Gasstrom von der Säule, der die getrennten Verbindungen enthält, wird durch den Detektor geleitet. Das aufgezeichnete Ausgangssignal des Detektors ist das Chromatogramm. Es stehen verschiedene Detektortypen zur Verfügung, aber alle führen die gleichen Aufgaben aus: • Sie liefern ein stabiles elektronisches Signal (die Basislinie), wenn sich das reine Trägergas (ohne Komponenten) im Detektor befindet • Sie liefern ein anderes Signal, wenn Komponenten den Detektor passieren. Inhalt Nur für Lehrzwecke 10. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 19 GC-Detektor
Aufbau eines GC-Systems Verbreitete Detektoren Wärmeleitfähigkeitsdetektor • Weist Verbindungen mit einer Wärmeleitfähigkeit nach, die sich von der des Trägergases unterscheidet Flammenionisationsdetektor • Weist Verbindungen nach, die sich in einer Flamme verbrennen oder ionisieren lassen Elektroneneinfangdetektor • Weist Verbindungen nach, die Elektronen einfangen (z. B. halogenierte Substanzen) Stickstoff-Phosphor-Detektor • Weist Verbindungen nach, die Stickstoff und Phosphor enthalten Flammenphotometrischer Detektor • Weist Verbindungen nach, die Schwefel und Phosphor enthalten Atomemissionsdetektor Massenselektiver Detektor Inhalt Nur für Lehrzwecke 10. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 20 • Für viele Elemente einstellbar • Identifiziert Komponenten aufgrund ihres Massenspektrums (in Kombination mit der GC die leistungsstärkste Identifizierungsmethode, die es gibt)
Aufbau eines GC-Systems Empfindlichkeit des Detektors WLD FID ECD NCD (N) NCD (P) FPD (S) FPD (P) fg Inhalt Nur für Lehrzwecke 10. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 21 pg ng µg mg
Aufbau eines GC-Systems Detektoranordnung WLD FID Seriell Zerstörungsfreien Detektor vor andere Detektoren schalten FID ECD Inhalt Nur für Lehrzwecke 10. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 22 Parallel Säulenausfluss für verschiedene Detektoren splitten
Aufbau eines GC-Systems GC-Ausgangssignal Das Chromatogramm zeichnet die Abundanz gegen die Zeit auf. Die Peakgröße entspricht der Menge einer Verbindung in der Probe. Mit steigender Konzentration einer Verbindung erhält man größere Peaks. Die Retentionszeit (t. R) ist die Zeit, in der sich eine Verbindung durch die Säule bewegt. Werden alle Betriebsbedingungen und die Säule konstant gehalten, hat eine bestimmte Verbindung immer die gleiche Retentionszeit. Inhalt Nur für Lehrzwecke 10. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 23
Die Eigenschaften der GC Wichtige Faktoren Stärken Einschränkungen • Einfach zu bedienen • Keine bestätigenden Daten außer der Retentionszeit, mit Ausnahme der Detektion mit Massenspektrometer • Verbindungen müssen temperaturbeständig sein • Robust • Viele Detektoren • Kostengünstig Inhalt Nur für Lehrzwecke 10. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 24
Weitere Informationen zu Produkten von Agilent finden Sie unter www. agilent. com oder www. agilent. com/chem/academia Haben Sie Fragen oder Anregungen zu dieser Präsentation? Kontakt: academia. team@agilent. com Publikation Titel Pub. - Nr. Primer Fundamentals of Gas Chromatography G 1176 -90000 Video Fundamentals of Gas Chromatography (14 Min) Leitfaden Agilent J&W GC Column Selection Guide For Research Use Only. Not for use in diagnostic procedures Internet CHROMacademy – kostenloser Zugang zu Online-Kursen für Studenten und Mitarbeiter von Universitäten und Hochschulen Applikationskompendium A compilation of Application Notes (22 MB) Inhalt Nur für Lehrzwecke 10. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 25 5990 -9867 EN 5991 -3592 EN
VIELEN DANK Inhalt Nur für Lehrzwecke 10. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 26 Publikationsnummer 5991 -5423 DEE
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