Grundlagen der Gaschromatograph ie Theorie FR EINE BESSERE

Grundlagen der Gaschromatograph 
ie: Theorie FÜR EINE BESSERE WISSENSCHAFT AGILENT AND YOU Nur für Lehrzwecke 25. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 1


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Inhaltsverzeichnis Einführung Was beeinflusst die Selektivität? • Trennung von Verbindungen • Trennstufenzahl • Was passiert in der Säule? • Zusammenführung Wichtige Parameter Van-Deemter-Gleichung • Eddy-Diffusion • Axiale Diffusion • Stofftransportwiderstand • Mehr über Van Deemter • Retentionszeit und Peakbreite • Retentionsfaktor • Selektivität oder Trennfaktor • Effizienz • Auflösung Nur für Lehrzwecke 25. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 3 Weitere Informationen • Agilent Website für Hochschulen • Publikationen

Einführung In der analytischen Chemie wird die Gaschromatographie (GC) genutzt, um Verbindungen, die ohne Zersetzung verdampft werden können, zu trennen und zu analysieren. Sie wird häufig dazu genutzt, die Reinheit einer bestimmten Substanz zu prüfen oder die Komponenten einer Mischung zu trennen, um die relativen Mengen der jeweiligen Verbindungen zu bestimmen. Die Gaschromatographie wird sowohl für die qualitative als auch für die quantitative Analyse flüchtiger Analyten genutzt. Das Analysegerät, das auch Gaschromatograph genannt wird, verwendet eine mobile Phase und eine stationäre Phase. Das heißt, ein sich bewegendes Gas befördert im Analysegerät eine Probe entlang eines stationären Trägers (ein Stück Glas- oder Metallrohr, das Säule genannt wird). Nur für Lehrzwecke 25. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 4

Einführung Trennung von Verbindungen Zeit t Trägergasfluss Trennung tr 2 -tr 1 Peakbreite Wb 1, 2 Verbindungen werden durch ihre unterschiedlichen Affinitäten zur stationären Phase in der Säule getrennt. Verbindungen mit geringerer Affinität eluieren früher, Verbindungen mit stärkerer Affinität eluieren später. Inhalt Nur für Lehrzwecke 25. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 5

Einführung Was passiert in der Säule? In der Gaschromatographie wird eine gasförmige mobile Phase verwendet, um die Probe durch die Säule zu transportieren. Die Säule kann gepackt oder auf der Innenseite beschichtet sein. Meistens haben GC-Säulen einen kleineren Innendurchmesser und sind länger als HPLC-Säulen. GC-Säulen Da die GC-Säule beheizt ist, beginnt die Trennung der Verbindungen aufgrund ihres Siedepunkts. Der Wechsel zu einer Säule mit polarer stationärer Phase ändert die Trenneigenschaften. Die Verbindungen werden aufgrund ihres Siedepunkts und ihrer polaren Eigenschaften getrennt. HPLC-Säulen Inhalt Nur für Lehrzwecke 25. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 6

Einführung Was passiert in der Säule? tr 2 -tr 1 Bessere Trennung Wb 1 Wb 2 Bessere Trennung Inhalt Nur für Lehrzwecke 25. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 7 Schlechtere Trennung vs. Wb 1 vs. Wb 2 Schlechtere Trennung

Wichtige Parameter h Retentionszeit und Peakbreite tri tr 2 W 1/2 tr 1 Wbi Retentionszeit der Verbindung i Peakbreite in halber Höhe Peakbreite an der Basislinie W 1/2 Wb 1 Inhalt Wb 2 t Die Retentionszeit einer nicht retardierten Verbindung (t. M oder t 0) wird auch als Totzeit bezeichnet. Die Moleküle nicht retardierter gelöster Stoffe bewegen sich mit der gleichen Geschwindigkeit durch die Säule wie das Trägergas. Nur für Lehrzwecke 25. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 8

Wichtige Parameter Retentionsfaktor (k`) tr t. M Retentionszeit eines nicht retardierten Peaks Der Retentionsfaktor (der auch als Verteilungsverhältnis oder Kapazitätsfaktor bezeichnet wird) ist das Verhältnis der Zeiten, in denen sich ein gelöster Stoff in der stationären bzw. der mobilen Phase befindet. Er wird berechnet, indem die Retentionszeit durch die Zeit für einen nicht retardierten Peak (t. M) dividiert wird. Für eine nicht retardierte Verbindung beträgt k = 0. Da sich alle gelösten Stoffe über denselben Zeitraum hinweg in der mobile Phase befinden, ist der Retentionsfaktor ein Maß für die Retention durch die stationäre Phase. Parameter, der den Retentionsfaktor beeinflusst: • Stationäre Phase Inhalt Nur für Lehrzwecke 25. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 9

Wichtige Parameter Selektivität oder Trennfaktor (α) a k 1 k 2 Selektivität Retentionsfaktor des ersten Peaks Retentionsfaktor des zweiten Peaks Die Selektivität ist ein Maß für die Zeit oder den Abstand zwischen zwei Peaks. Ist α = 1, haben die zwei Peaks die gleiche Retentionszeit und koeluieren. Die Selektivität ist definiert als Verhältnis der Kapazitätsfaktoren. Parameter, die den Retentionsfaktor beeinflussen: • Stationäre Phase • Mobile Phase • Temperatur Inhalt Nur für Lehrzwecke 25. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 10

Wichtige Parameter Effizienz oder Anzahl der theoretischen Trennstufen (N) Die Trennleistung der Säule wird verwendet, um die Leistung verschiedener Säulen zu vergleichen. Sie wird in der Anzahl der theoretischen Trennstufen (oder auch Böden genannt) (N) ausgedrückt. Säulen mit hohen Trennstufenzahlen sind effizienter. Eine Säule mit hohem N liefert für eine gegebene Retentionszeit schmalere Peaks als eine Säule mit niedrigem N. Parameter, welche die Trennleistung der Säule beeinflussen: • Säulenlänge (größere Säulenlänge steigert die Trennleistung) • Partikelgröße (kleinere Partikelgröße steigert die Trennleistung) Inhalt Nur für Lehrzwecke 25. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 11

Wichtige Parameter Höhe einer theoretischen Trennstufe (H) L N Länge der Säule (mm) Anzahl der theoretischen Trennstufen Ein anderes Maß für die Trennleistung der Säule ist die Höhe einer theoretischen Trennstufe, die mit H bezeichnet wird. Sie wird üblicherweise in Millimetern angegeben. Je kleiner die theoretische Trennstufe (der theoretische Boden), um so mehr Böden sind in einer vorgegebenen Säulenlänge „enthalten“. Daraus ergeben sich mehr Böden pro Meter und eine größere Trennleistung der Säule. Inhalt Nur für Lehrzwecke 25. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 12

Wichtige Parameter Verwendung der theoretischen Effizienz (Utilization of Theoretical Efficiency, UTE) Die Beschichtungseffizienz (Coating Efficiency, CE %) ist ein historischer Begriff, der die gemessene Trennleistung der Säule (Hactual) mit der theoretisch maximalen Trennleistung (Htheoretical) vergleicht. Früher wurde die Trennstufenhöhe Htheoretical durch Unregelmäßigkeiten in der stationären Filmphase so stark beeinflusst, dass Faktoren außerhalb der Säule (wie Injektionsabweichungen oder mechanische und elektronische Verzögerungszeiten) für die Bestimmung der Trennstufenhöhe Hactual vernachlässigt werden konnten. Durch Verbesserungen in der Beschichtungseffizienz ist dies nicht mehr der Fall. Die Trennstufenhöhe Hactual wird durch Faktoren außerhalb der Säule stärker beeinflusst als durch die Säule selbst. Der Begriff „Verwendung der theoretischen Effizienz“ oder UTE berücksichtigt diese Faktoren. Inhalt Nur für Lehrzwecke 25. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 13

Wichtige Parameter Die Auflösung beschreibt die Fähigkeit einer Säule, die Peaks, die uns interessieren, zu trennen. h Auflösung – Basislinientrennung Rs ≥ 1, 5 Die Auflösung berücksichtigt die Effizienz (N), die Selektivität (a) und die Retention (k). • Ein Wert von 1 ist der Mindestwert für eine messbare Trennung und eine angemessene Quantifizierung. • Ein Wert von 0, 6 ist erforderlich, um ein Tal zwischen zwei gleich hohen Peaks zu erkennen. tri Retentionszeit der Verbindung i Wbi Peakbreite an der Basis der Verbindung i • Ein Wert von 1, 7 oder höher ist im Allgemeinen für robuste Methoden wünschenswert. • Ein Wert von 1, 6 stellt eine Basislinientrennung dar und stellt genaue quantitative Ergebnisse sicher. t Inhalt Nur für Lehrzwecke 25. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 14

Wichtige Parameter Auflösung – Grundgleichung Effizienz Selektivität Retention Durch die Verbesserung eines dieser Parameter wird auch die Auflösung verbessert. • Die Selektivität hat dabei den größten Einfluss auf die Auflösung. Kleine Änderungen der Selektivität führen zu großen Veränderungen bei der Auflösung. • Die Retention hat einen bedeutenden Einfluss, wenn die k-Werte klein sind. • Die Effizienz beschreibt die Trennleistung einer Säule. Inhalt Nur für Lehrzwecke 25. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 15

Wichtige Parameter Einfluss von N, α und k auf die Auflösung Die Selektivität hat den größten Einfluss auf die Auflösung • Durch Änderung der stationären Phase • Durch Änderung der mobilen Phase Die Trennstufenzahl kann am einfachsten erhöht werden Die Abbildung stellt die Auflösung als Funktion der Selektivität, der Trennleistung der Säule und der Retention dar. Inhalt Nur für Lehrzwecke 25. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 16

Was beeinflusst die Trennungen? Was ist ein „Boden“ (eine Trennstufe) in der Chromatographie? LC dp h Säulenlänge Partikelgröße Reduzierte Höhe einer theoretischen Trennstufe Eine theoretische Trennstufe ist der hypothetische Zustand, in welchem sich zwei Phasen einer Substanz (flüssige Phase und Dampfphase) im Gleichgewicht befinden. Inhalt Nur für Lehrzwecke 25. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 17

Was beeinflusst die Trennungen? Eine hohe Trennstufenzahl oder Bodenzahl (N) bietet: • Scharfe und schmale Peaks • Bessere Detektion durch schmale und hohe Peaks • Peakkapazität zur Trennung komplexer Proben Allerdings steigt die Auflösung nur mit der Quadratwurzel der Trennstufenzahl. • RS ~ N Die Erhöhung der Trennstufenzahl ist durch die Testbedingungen begrenzt • Analysendauer, Druck Inhalt Nur für Lehrzwecke 25. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 18

Was beeinflusst die Trennungen? Zusammenführung – Peakbreite und reduzierte Höhe einer theoretischen Trennstufe h: reduzierte Höhe einer theoretischen Trennstufe Inhalt Nur für Lehrzwecke 25. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 19

Van-Deemter-Gleichung Die Van-Deemter-Gleichung setzt die Varianz pro Längeneinheit einer Trennsäule in Beziehung mit der linearen Geschwindigkeit der mobilen Phase, indem sie die physikalischen, kinetischen und thermodynamischen Eigenschaften einer Trennung betrachtet (Wikipedia). h = f ( w. Eddy + wax + w. C ) h = A + B/u + C u Inhalt Nur für Lehrzwecke 25. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 20 • Eddy-Diffusion • Diffusionskoeffizient • Stofftransportwiderstand

Van-Deemter-Gleichung Eddy-Diffusion w. Eddy ~ λ dp λ: Qualität der Säulenpackung Unterschiede bei den Diffusionswegen aufgrund von: Unterschiedlichen Wegen Inhalt Nur für Lehrzwecke 25. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 21 Schlechter Säulenpackung Weiter Partikelgrößenverteilung

Van-Deemter-Gleichung Axiale oder longitudinale Diffusion Vergrößerung der Peakbreite aufgrund der Eigendiffusion des Analyten Bei langsamem Fluss verbleibt der Analyt lange in der mobilen Phase • Starke Peakverbreiterung • Größere Höhe einer theoretischen Trennstufe Fluss Inhalt Nur für Lehrzwecke 25. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 22

Van-Deemter-Gleichung Stofftransportwiderstand w C ~ d p 2 Unterschiedliche Diffusionswege Poröses Partikel Stationäre Schicht der mobilen Phase Inhalt Nur für Lehrzwecke 25. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 23

Reduzierte Höhe einer theoretischen Trennstufe (h) Van-Deemter-Gleichung Inhalt Nur für Lehrzwecke 25. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 24 h = A + B/u + C u Summenfunktion: Van Deemter Stofftransportwiderstand Eddy-Diffusion Axiale Diffusion Fluss

Van-Deemter-Gleichung Reduzierte Höhe einer theoretischen Trennstufe (h) Trägergas N 2 He H 2 OPGV Die Lineargeschwindigkeiten (und die Flussraten) des Trägergases hängen von der Säulentemperatur ab. Bei konstantem Säulenkopfdruck nehmen die Lineargeschwindigkeiten mit steigender Säulentemperatur ab. Der Effekt der durchschnittlichen Lineargeschwindigkeit (u) des Trägergases auf die Effizienz wird am besten mit der Van-Deemter-Kurve veranschaulicht. Uopt: maximale Effizienz OPGV: optimal practical gas velocity (optimale praktische Gasgeschwindigkeit) Details in den Notizen Inhalt Nur für Lehrzwecke 25. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 25

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 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 25. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 26 5990 -9867 EN 5991 -3592 EN

VIELEN DANK Publikationsnummer 5991 -5422 DEE Nur für Lehrzwecke 25. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 27

Abkürzungen Definition α Selektivität t Zeit dp Partikelgröße tr Retentionszeit ΔΦ Gradientenbereich T 0 oder tm Totzeit der Säule, Verzögerungszeit F Flussrate t. G Gradientendauer h Reduzierte Höhe einer theoretischen Trennstufe (ein Maß für die Trennleistung einer Säule) UTE % Verwendung der theoretischen Effizienz Vm Säulenvolumen w Peakbreite W 1/2 Peakbreite in halber Höhe Wbi Peakbreite an der Basislinie w. Eddy-Diffusion wax Axiale oder longitudinale Diffusion w. C Stofftransportwiderstand wav Durchschnittliche Peakbreite H Höhe einer theoretischen Trennstufe k Retentionsfaktor (wird auch Kapazitätsfaktor (k’) oder Verteilungsverhältnis genannt) L, Lc Länge (Säulenlänge) λ Qualität der Säulenpackung N Effizienz oder Trennstufenzahl der Säule R Auflösung Inhalt Nur für Lehrzwecke 25. November 2020 © Agilent Technologies, Inc. 2016 28