Gaschromatographie

Transcrição

Gaschromatographie

Gaschromatographie
1
Gaschromatographie
Die Aufgabe chromatographischer Verfahren besteht darin, komplexe stoffliche Systeme in
Verbindung mit empfindlichen Messmethoden schnell und in ihrer Vielfalt erfassen und bestimmen zu können. Daher steht bei der Weiterentwicklung der chromatographischen Analytik die Steigerung der Trennleistungen und der Detektorempfindlichkeiten im Vordergrund.
Allen chromatographischen Methoden liegt die gleiche Theorie zugrunde. Die Auswahl der
speziellen Methoden und Techniken wird jeweils vom gestellten Analysenproblem bestimmt.
Die in ihren Arbeitsweisen unterschiedlichen chromatographischen Techniken können untereinander und mit anderen Analysemethoden kombiniert werden, wodurch sich eine große
Vielfalt in der analytischen Anwendung dieser Trennmethoden ergibt.
Unter dem Begriff Chromatographie werden physikalische Methoden zusammengefasst, bei
denen eine Stoffmenge zwischen einer ruhenden (stationären) und einer sich bewegenden
(mobilen) Phase verteilt wird. Ein chromatographisches System besteht also aus zwei nicht
miteinander mischbaren Phasen, von denen die eine sich an der anderen vorbeibewegt. Aus
dieser Definition ergibt sich eine klare Abgrenzung zur Flüssig-flüssig-Verteilung, die in
Form einer Extraktion (Ausschüttelung) durchgeführt wird und in der beide Phasen bewegt
werden. Man kann nun die Einteilung der chromatographischen Methoden nach verschiedenen Gesichtspunkten durchführen. So kann man sie z.B. nach den physikalisch-chemischen
Vorgängen, die für die Trennwirkung bestimmend sind, in zwei Hauptgruppen unterteilen:
• Adsorptions-Chromatographie, bei der durch die Adsorption eine Verteilung an der
Oberfläche eines Feststoffes als stationäre Phase resultiert, und
• Verteilungs-Chromatographie, bei der durch die Lösevorgänge in beide, miteinander
nicht mischbaren Phasen eine Verteilung in diesen resultiert.
Diese Trennprinzipien können jedoch bei allen chromatographischen Methoden in unterschiedlichem Maße auch gemeinsam wirksam werden und erlauben somit nur eine grobe Einteilung. In den nachfolgenden zwei Abschnitten werden Adsorption und Verteilung näher betrachtet.
Stichworte
Gaschromatographie, Chromatogramm, Adsorption, Adsorptionsisotherme, Verteilung, Verteilungskoeffizient, Nernstsches Verteilungsgesetz, stationäre und mobile Phase
_________________________________________________________________________________________
Apparatives Praktikum Physikalische Chemie, Dr. Christof Maul, Dr. Thorben Dammeyer (16.12.13) WS2013/14
TU Braunschweig, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie
Gaschromatographie
2
Adsorption
Unter Adsorption versteht man eine Grenzflächenreaktion zwischen einem gelösten und einem festen Stoff (Adsorbens, Sorbens), d.h. es tritt eine Anreicherung des gelösten Stoffes
(als Adsorbat) an der Phasengrenzfläche des festen Stoffes ein. Bei der AdsorptionsChromatographie bildet ein Festkörper die stationäre Phase. Als mobile Phase kann eine Flüssigkeit oder ein Gas verwendet werden (Flüssigkeits- bzw. Gas-Chromatographie). Je nach
Stärke der auftretenden Wechselwirkungskräfte unterscheidet man zwischen physikalischer
und chemischer Adsorption:
• Physikalische Adsorption (Physisorption):
Physisorption ist durch schwache van der Waalssche Kräfte mit Adsorptionsenthalpien
zwischen 8 und 40 kJ/mol gekennzeichnet. Der physikalisch-chemische Vorgang läuft bis
zur Gleichgewichtseinstellung ungehemmt ab und ist reversibel.
• Chemische Adsorption (Chemisorption):
Bei Chemisorption betragen Adsorptionsenthalpien zwischen 80 und 600 kJ/mol: Die
Gleichgewichtseinstellung kann stark gehemmt sein, dann sind zum Teil hohe Aktivierungsenergien erforderlich. Chemisorption ist im Gegensatz zu Physisorption häufig nicht
reversibel.
Bei oxidischen Adsorbentien (wie Aluminiumoxid oder Kieselgel) kann die Adsorption von
Stoffen auf Dipol-Dipol-Wechselwirkungen (mit induzierten oder permanenten Dipolen),
Wasserstoffbrückenbindungen, charge-transfer- oder π-Komplexen als spezifische Wechselwirkungen zwischen polarer Adsorbens-Oberfläche und polaren Gruppen adsorbierter Moleküle beruhen. Der Gleichgewichtszustand der Grenzflächenreaktion kann durch empirisch
ermittelte Gleichungen, den sogenannten Adsorptionsisothermen, beschrieben werden (s. Versuch Adsorption).
Aus dem Verlauf der Isothermen zweier Stoffe A und B lassen sich Aussagen über die Wirksamkeit adsorptionschromatographischer Trennungen machen (vgl. Abb. 1):
• Fall 1: Bei gegebener Polarität der flüssigen Phase weisen die Isothermen einen linearen
Verlauf mit großer Steigung auf. Das bedeutet, dass beide Stoffe stark adsorbiert werden.
Die Unterschiede in der Steigung sind für eine Trennung jedoch zu gering. Der rechte Teil
zeigt die Verteilung der Stoffe in der chromatographischen Trennstrecke.
• Fall 2: Ändert man die Zusammensetzung und damit die Polarität der flüssigen, mobilen
Phase, ändert sich auch der Verlauf der Isothermen: Beide Stoffe werden nicht mehr so
stark adsorbiert wie im Fall 1. Die Steigungen sind sehr unterschiedlich, so dass eine Trennung möglich ist.
_________________________________________________________________________________________
Gaschromatographie
• Fall 3: Zeigen die Isothermen den in Abb. 1 unten wiedergegebenen Verlauf, so ziehen sich
die Substanzbereiche (Banden) beim chromatographischen Prozess auseinander, da die
Konzentrationen nicht mehr im linearen Bereich der Adsorptionsisothermen liegen.
Abbildung 1: Unterschiedliche Trennergebnisse aufgrund unterschiedlicher Adsorptionsisothermen
Wie Fall 3 zeigt, muss bei chromatographischen Trennungen im geradlinigen Teil der Adsorp_________________________________________________________________________________________
3
Gaschromatographie
4
tionsisothermen gearbeitet werden, um eine symmetrische Substanzverteilung zu erreichen.
Dies ist bei geringeren Konzentrationen ci annähernd gewährleistet. Außerdem müssen sich
die Steigungen genügend voneinander unterscheiden, um einen ausreichenden Trenneffekt zu
erzielen.
Aus der Steigung der Adsorptionsisothermen lässt sich die Wanderungsgeschwindigkeit ν
einer Substanz innerhalb der Trennstrecke für die Adsorptions-Chromatographie ablesen. Verläuft die Adsorptionsisotherme steil, so wird die stationäre Phase bevorzugt und die Substanz
wandert langsam.
Verteilung
Bei der Verteilung (flüssig-flüssig) besteht das System aus zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten und einem dritten, in beiden Phasen löslichen Stoff. Die Trennung beruht auf unterschiedlichen Löslichkeiten des Stoffes in den zwei Flüssigkeiten. Im Gleichgewichtszustand ist die
Löslichkeit c eines Gases in einer Flüssigkeit bei gegebener Temperatur nach dem Henryschen
Gesetz proportional zum Druck des Gases p:
c = K⋅p
(1)
mit der Gleichgewichtskonstanten K. Aus diesem Gesetz leitet sich das Nernstsche Verteilungsgesetz ab, das ganz allgemein für die Verteilung eines Stoffes zwischen zwei Phasen gilt.
Für die Löslichkeiten c1 und c2 eines Gases mit dem Druck p in zwei Flüssigkeiten 1 und 2
folgt für die Verteilung auf die beiden Flüssigkeiten:
c1 K 1
=
=α
c2 K 2
(2)
Der Verteilungskoeffizient α eines Stoffes ist die Gleichgewichtskonstante eines Verteilungsgleichgewichtes. Gleichung (2) gilt entsprechend für die Verteilung eines Feststoffs oder einer
dritten Flüssigkeit auf die beiden flüssigen Phasen 1 und 2. Dann ist der Druck p durch die
Gesamtkonzentration c0 zu ersetzen. Der Verteilungskoeffizient ist im allgemeinen abhängig
von der Art der beiden flüssigen Phasen, der Temperatur und vom externen Druck. Im Idealfall ist α jedoch vom Druck des Gases p (bzw. von der Gesamtkonzentration c0 unabhängig.
Diese Art der Verteilung wird dann als Nernst-Verteilung bezeichnet.
Für die Berechnung von Verteilungsgleichgewichten werden die Konzentrationen c1 und c2
durch die Quotienten m1/V1 bzw. m2/V2 ersetzt. Dabei ist mi die Masse eines Stoffes in der
Phase i mit dem Phasenvolumen Vi:
_________________________________________________________________________________________
Gaschromatographie
5
α=
c1 m1 V2
=
c 2 m 2 V1
(3)
Das Verhältnis m1/m2 wird als Verteilungszahl G bezeichnet, eine Größe, die von den Volumina beider Phasen und vom Verteilungskoeffizienten abhängt. G ist bei gleichen Volumina
identisch mit α. Anstelle des Verteilungskoeffizienten werden häufig prozentuale Angaben
verwendet, um das Maß der Verteilung anzugeben.
Theorien des chromatographischen Trennvorganges
Im Hinblick auf eine Anwendung der Chromatographie ist es das Ziel aller Theorien, aus der
Kenntnis der unterschiedlichsten Faktoren, die auf einen chromatographischen Vorgang einen
Einfluss haben können, und ihrem funktionellen Zusammenhang die optimalen Arbeitsbedingungen für eine Trennung ermitteln zu können. Die Modelle der Chromatographie sollen zum
einen die theoretische Behandlung der Trennfunktionen ermöglichen, also die Abhängigkeit
eines Trennvorganges von verschiedenen Einflussgrößen darstellen. Zum anderen sollen sie
die mathematische Erfassung der Prozesse beinhalten, die beim Durchlaufen einer Trennstrecke stattfinden. Mit Hilfe solcher Theorien ist es möglich, die Menge oder die Konzentration
der einzelnen Komponenten im chromatographischen System in Abhängigkeit von Ort und
Zeit anzugeben. Unter diesen Gesichtspunkten werden die einzelnen Theorien, deren wichtigste man in vier Betrachtungsweisen oder Modelle einteilen kann, im folgenden behandelt:
1.
2.
3.
4.
die kinetische Theorie
die Theorie der Böden (das theoretische Trennstufenhöhenmodell)
die thermodynamische Theorie
die molekular-statistische Theorie (das "Random-Walk-Modell").
Alle Theorien haben Modellcharakter, d.h. sie vernachlässigen wichtige Parameter und idealisieren (vereinfachen) die berücksichtigten Vorgänge. Jedoch sind sie Voraussetzung und nicht
zu entbehrende Hilfe für die Betrachtung und Anwendung chromatographischer Methoden.
Kinetische Theorie
Die kinetische Theorie betrachtet das Verhalten einzelner Moleküle während des chromatographischen Vorganges. Nach der Definition des Begriffes Chromatographie wandert eine
mobile Phase an einer stationären Phase vorbei. Die Moleküle der zu trennenden Substanzen
_________________________________________________________________________________________
Gaschromatographie
sind in der Lage, sich sowohl in der mobilen als auch in der stationären Phase zu verteilen,
gleichgültig, ob diese Verteilung nun ein Adsorptions- oder ein Lösevorgang ist.
Voraussetzungen für die Chromatographie sind eine stationäre Phase, Substanzen, die in dieser Phase verteilt (adsorbiert oder gelöst) werden können, und eine mobile Phase, die mit der
stationären Phase nicht mischbar ist und die Substanzen über die stationäre Phase hinwegführt.
Hieraus ergeben sich Folgerungen für eine kinetische Theorie der Chromatographie: Ausgangspunkt ist die Tatsache, dass verschiedene Stoffe mit unterschiedlicher Geschwindigkeit
eine Trennstrecke passieren. Da der eigentliche Stofftransport aber durch die mit konstanter
Geschwindigkeit strömende mobile Phase erfolgt, ist der Geschwindigkeitsunterschied nur
scheinbar. Die einzelnen Stoffe haben unterschiedliche Retentionszeiten (Verweil-, Aufenthaltszeiten) in der stationären Phase, die durch die freie Gibbsche Enthalpie des Verzögerungsvorganges (Adsorption oder Lösung) bestimmt wird. Die Gesamtzeit des chromatographischen Vorgangs setzt sich aus dieser Nettoretentionszeit ts und der Durchflusszeit ohne
Retention tm (Tot- oder Durchbruchzeit), d.h. der Zeit für den unverzögerten Transport mit der
mobilen Phase, zusammen.
Abbildung 2: Elutionskurve nach einem chromatographischen Vorgang
Stellt man für einen chromatographischen Vorgang die Menge an Substanz in Abhängigkeit
von der Zeit dar, so erhält man eine Verteilungskurve oder, bei säulen-chromatographischer
Technik, eine Elutionskurve, aus der die Retentionszeiten zu entnehmen sind. Mit Elution
bezeichnet man den Vorgang, bei dem die mobile Phase solange durch eine Trennstrecke
(Säule) fließt, bis die einzelnen Komponenten des zu trennenden Gemisches die Trennstrecke
verlassen haben. Der Verlauf einer Elutionskurve wird als Chromatogramm aufgezeichnet.
_________________________________________________________________________________________
6
Gaschromatographie
7
Die Form dieser Kurven lässt sich in vielen Fällen als Gauß-Funktion darstellen. Sie wird bestimmt durch Diffusionsvorgänge und durch statistische Unregelmäßigkeiten in der Gleichgewichtseinstellung zwischen dem aufgegebenen Stoff und der stationären Phase. Der "Verbreiterungsprozess" in Abhängigkeit von der Zeit kann durch Diffusion erklärt werden. Die Substanzen werden umso weiter auseinander diffundieren, je länger die Trennstecke ist. Die Verteilung einer Substanz nach einem chromatographischen Vorgang in Form einer Kurve bezeichnet man als Bande oder Peak. Die Breite der Banden ist von der zurückgelegten Strecke
abhängig.
Dieses Modell ermöglicht eine qualitative Beschreibung des Trennvorganges und die Definition wichtiger chromatographischer Trenngrößen. Die Gesamtretentionszeit tR ist die Gesamtaufenthaltszeit einer Substanz in einer chromatographischen Trennstrecke. Sie ist gleich der
Summe aus Nettoretentionszeit ts (Aufenthaltszeit in der stationären Phase) und Durchflusszeit tm (Aufenthaltszeit in der mobilen Phase). Es ist also:
tR = tm + ts
(4)
Da die mobile Phase in Abhängigkeit von der Geometrie der Trennstrecke ein Volumen bildet
und die Strömung in Volumeneinheiten pro Zeiteinheiten angegeben werden kann, ergeben
sich daraus Gesamtretentionsvolumen VR, Nettoretentionsvolumen Vs und Durchflussvolumen Vm.
Für jeden chromatographischen Vorgang als Verteilung zwischen zwei Phasen lässt sich außerdem ein Verteilungskoeffizient (bezogen auf die Volumeneinheit) definieren:
α=
Gramm Substanz in der stationären Phase
Gramm Substanz in der mobilen Phase
(5)
Es resultiert ein großer Wert von α, wenn sich die Substanz zum größten Teil in der stationären Phase aufhält und damit eine lange Retentionszeit bzw. bei der Säulen-Chromatographie
ein großes Retentionsvolumen aufweist. Hieraus ergibt sich ein einfacher Zusammenhang
zwischen dem Retentionsvolumen und dem Verteilungskoeffizienten:
und
Vs = αVL
VR = αVL + Vm = Vs + Vm = tRFm
(6)
(7)
mit VL als dem Volumen der stationären Phase und dem Volumenstrom Fm in m3s-1. Für die
Trennung von Verbindungen innerhalb homologer Reihen (Carbonsäuren, Alkohole) wurde
_________________________________________________________________________________________
Gaschromatographie
8
folgende Beziehung zwischen dem Retentionsvolumen Vs und der Zahl der Kohlenstoffatome
n gefunden:
lg(Vs/m3) = const·n
(8)
wobei die Konstante von der Art der homologen Reihe, der Temperatur und der Art der stationären Phase abhängt.
Theorie der Böden (Theoretisches Trennstufen-Modell)
Die Theorie der Böden zerlegt die stationäre Phase einer chromatographischen Trennstrecke
in einzelne Trennabschnitte, die mit dem Begriff "theoretische Trennstufe" bezeichnet werden. Der gesamte chromatographische Prozess wird als Folge zahlreicher Adsorptions- und
Lösungsvorgänge (stationäre Phase fest oder flüssig) und Desorptions- bzw. Elutionsschritte
aufgefasst, die immer wieder zu einer neuen Gleichgewichtseinstellung führen. Für den Teilschritt Adsorption oder Verteilung ist die Wechselwirkung zwischen dem aufgegebenen Stoff
und der stationären Phase maßgebend, für den Teilschritt Desorption (auch als Elution bezeichnet) die Wechselwirkung zwischen dem Stoff und der mobilen Phase. Abbildung 3 zeigt
schematisch den Stoffaustausch und -transport in einer chromatographischen Säule.
Abbildung 3: Schematische Darstellung des Stoffaustauschs und -transports in einer chromatographischen Säule
Der Trennvorgang ist mit einer Destillation vergleichbar, in der die Partialdrücke der Komponenten in der Gasphase ihrer Konzentration in der Lösung stets proportional sind. Ein theoretischer Boden ist der Kolonnenabschnitt, in dem ein thermodynamisches Gleichgewicht zwischen dem Dampf in der unteren Grenzschicht und der Flüssigkeit in der oberen Grenzschicht
besteht. Entsprechend dem Boden in einer Destillationskolonne definiert man in der Chromatographie die theoretische Trennstufenhöhe (reale Trennstufen gibt es nicht) als den Säulenabschnitt, dessen Trennleistung einem Boden entspricht. Dieser Abschnitt ist dadurch bestimmt,
_________________________________________________________________________________________
Gaschromatographie
9
dass sich in ihm das Gleichgewicht zwischen den Phasen vollständig einstellt. Der Kern dieser
Betrachtungsweise ist also das Verteilungsgleichgewicht der Moleküle in einem kleinen Bereich der Trennstrecke, der theoretischen Trennstufe.
Findet der Stoffaustausch thermodynamisch reversibel statt, so stellt sich das Verteilungsgleichgewicht ohne Verzögerung ein: "ideale" Chromatographie. Bei der "nicht idealen"
Chromatographie müssen Diffusionseffekte, die auf eine Molekulardiffusion in Längsrichtung
(longitudinale Richtung) der Trennstrecke oder auf die Eddy-Diffusion zurückgehen, berücksichtigt werden. Unter Eddy-Diffusion versteht man eine Streudiffusion, die darauf zurückzuführen ist, dass Teilchen auf dem Weg durch eine Trennstrecke diesen Weg mit unterschiedlicher Fließgeschwindigkeit zurücklegen. Aufgrund dieser Diffusionseffekte kann sich das Verteilungsgleichgewicht nur mit endlicher Geschwindigkeit einstellen: Das Verhalten einer Substanzzone in einer chromatographischen Trennstrecke kann somit durch die Theorie beschrieben werden.
Wegen der endlichen Geschwindigkeit der Gleichgewichtseinstellung werden einerseits Moleküle, die aufgrund der Lage des thermodynamischen Gleichgewichts an einer bestimmten
Stelle in die stationäre Phase übergehen sollten, von der mobilen Phase weitergeführt. Andererseits bleiben jene Moleküle zurück, deren Übertritt aus der stationären Phase in die mobile
verzögert ist. So tritt eine Substanzzone am Ende der Trennstrecke in Form einer verbreiterten
Bande auf.
Liegen nur wenige Trennstufen vor, erhält man diese Bande in Form einer PoissonVerteilung. Mit zunehmender Trennstufenzahl nimmt die Kurve die Form der NormalVerteilung an (Gaußsche Glockenkurve). Die allgemeine Funktion dieser Kurve mit dem Mittelwert von Null lautet:
h (b ) =
1
σ ⋅ 2π
⋅e − b
2
/ 2σ 2
(9)
mit der Standardabweichung σ und der Bandenhöhe h(b) an der Stelle b. Beeinflusst wird die
Verbreiterung der Substanzzone durch die Strömungsgeschwindigkeit der mobilen Phase,
durch Form, Größe und Packungsdichte der festen stationären Phase, durch die Viskosität der
mobilen Phase, durch die mittlere Filmdicke und Viskosität einer flüssigen stationären Phase
auf dem Trägermaterial und weitere ähnliche Größen.
Als Trennstufenhöhe definiert man das auf die Säulenlänge bezogene Verhältnis zwischen
Bandenbreite und Retentionszeit (Zeit von der Probenaufgabe bis zum Bandenmaximum):
_________________________________________________________________________________________
Gaschromatographie
10
2
L  b 0,5 
L w
 = ⋅  
⋅ 
H ≡ HETP =
8 ln 2  t R 
16  t R 
mit:
H = HETP
w = 4σ
b0,5
tR
L
2
(10)
≡ "height equivalent to a theoretical plate" = theoretische Trennstufenhöhe
≡ Bandenbreite zwischen den Wendetangenten einer Bande
≡ Bandenbreite auf halber Höhe
≡ Gesamtretentionszeit
≡ Länge einer Trennsäule
Abbildung 4: Gaußsche Glockenkurve
Daraus folgt die Beziehung zwischen der Zahl der Trennstufen N und der Retentionszeit:
2
 t 
L
 tR 
N = = 16 ⋅   = 8 ln 2 ⋅  R 
b 
H
w
 0,5 
2
(11)
Die Zahl der theoretischen Trennstufen ist ein quantitatives Maß für die Trennleistung einer
chromatographischen Trennstrecke. Sie ist dann eine Konstante, wenn ihr Wert vom Retentionsvolumen einer Substanz unabhängig ist. Dies ist jedoch nur der Fall, wenn das Elutionsvolumen sehr viel größer ist als das Volumen der mobilen Phase innerhalb der chromatographischen Trennstrecke. D.h. die Berechnung der Trennstufenzahl sollte an einer Bande mit möglichst großer Retentionszeit erfolgen. Aus diesem Modell der theoretischen Trennstufenhöhe
ist zu entnehmen, dass der Erfolg einer Trennung verschiedener Substanzen von der Zahl der
theoretischen Trennstufen abhängt. Außerdem müssen Unterschiede im Verteilungsverhältnis,
also in den Retentionsvolumina bestehen.
_________________________________________________________________________________________
Gaschromatographie
Aus der Form der Verteilungs- bzw. Adsorptionsisothermen (linear, nicht linear) und der Art
der Chromatographie (ideal, nicht ideal) ergeben sich verschiedene Formen von Substanzbanden nach einem chromatographischen Prozess
1. Bei der linearen, idealen Chromatographie, die in der Praxis nicht zu verwirklichen ist,
beruht die Retentionszeit nur aus dem Verteilungsverhältnis und dem Volumenverhältnis
beider Phasen. Die Bandenform wird gegenüber der Form am Start nicht verändert (keine
Verbreiterung).
2. Bei der linearen, nicht-idealen Chromatographie verbreitern sich die Substanzbanden fast
symmetrisch (Gauß-Kurven als Idealform), wie am Modell der theoretischen Trennstufenhöhe besprochen.
3. Bei der nicht-linearen, idealen Chromatographie wandert eine Bande umso schneller, je
höher die lokale Konzentration ist. Man erhält daher beim Vorliegen einer konvexen Adsorptions- bzw. Verteilungsisothermen (negative Abweichung von der idealen Gerade) eine
asymmetrische Bande mit einem sogenannten Tailing (Schwanz), da die Elution bei geringer Konzentration in der stationären Phase, also an der Rückseite der Substanzzone, am
schwächsten ist. Beim Vorliegen einer konkaven Isothermen (positive Abweichung von der
idealen Geraden) erhält man ebenfalls eine asymmetrische Kurve, in diesem Fall mit sogenanntem Leading.
4. Die nicht-lineare, nicht-ideale Chromatographie kann für kleine Konzentrationen näherungsweise als linearer Typ (Fall 2) aufgefasst werden.
Abbildung 5: Einfluss der Isothermenkrümmung auf die Peak-Form
_________________________________________________________________________________________
11
Gaschromatographie
12
Die lineare, nicht-ideale Chromatographie mit symmetrischer Bandenform ist für die theoretische Behandlung von Elutionsbanden der wichtigste Typ. Abbildung 5 zeigt den Einfluss der
Isothermenkrümmung auf die Bandenform.
Dynamische Theorie
Die dynamische Theorie kann als erweiterte Theorie der Böden angesehen werden. Zur Erlangung einer möglichst kleinen Trennstufenhöhe müssen idealerweise die folgenden Voraussetzungen erfüllt sein, die experimentell nicht in allen Teilen zu verwirklichen sind:
1.
2.
3.
4.
5.
eine sofortige (ungehemmte) Gleichgewichtseinstellung der Adsorption oder Verteilung
eine lineare Adsorptions- bzw. Verteilungsisotherme
eine konstante Geschwindigkeit der mobilen Phase
eine konstante Temperatur im gesamten Bereich der stationären Phase
eine zu vernachlässigende Diffusion.
Die Verbreiterung der Banden mit zunehmender Länge der Trennstrecke kann nun vor allem
auf die nicht zu vernachlässigende Diffusion zurückgeführt werden. Bei der theoretischen
Behandlung der Gas-Flüssigkeits-Chromatographie werden sowohl Diffusionseffekte als auch
Nichtgleichgewichte berücksichtigt. So beschreibt die van Deemter-Gleichung den Zusammenhang zwischen der Höhe einer theoretischen Trennstufe und den dynamischen Erscheinungen.
Die van Deemter-Gleichung, eine der Grundgleichungen der Chromatographie, stellt die Abhängigkeit der theoretischen Trennstufenhöhe H von der linearen Strömungsgeschwindigkeit
u (in m/s) der mobilen Phase dar.
H = A + B/u + Cu
(12)
Für ein gegebenes System berücksichtigt sie im einzelnen Diffusionseffekte und Nichtgleichgewichtseinstellungen. Eine geringe Trennstufenhöhe und damit hohe Trennstufenzahl für
eine Trennstrecke bestimmter Länge wird erzielt, wenn die einzelnen Einflüsse möglichst
klein sind.
Der erste Term A berücksichtigt den Einfluss der Streudiffusion (Eddy-Diffusion) bei chromatographischen Trennung. Der Anteil der Streudiffusion wird durch die Art der Packung in der
chromatographischen Trennstrecke bestimmt. In einer Säulenpackung legen verschiedene
_________________________________________________________________________________________
Gaschromatographie
Teilchen unterschiedlich lange Wege zwischen den Körnern zurück, sie kommen deshalb unterschiedlich schnell vorwärts. Eine einwandfreie Säulenfüllung, d.h. eine homogene Packung
mit Teilchen geringer und einheitlicher Korngröße, gewährleistet einen geringen Wert für die
Eddy-Diffusion. Im zweiten Term B/u behandelt die Gleichung die normale Diffusion in
Längsrichtung der Trennstrecke (Longitudinal-Diffusion). Durch kleine Diffusionskoeffizienten bei optimaler Strömungsgeschwindigkeit, also durch weite und unverzweigte Poren der
stationären Phase, kann diese Größe klein gehalten werden. Im dritten Term Cu beinhaltet die
Gleichung die Geschwindigkeit der Gleichgewichtseinstellung. Sie berücksichtigt Störungen
im Gleichgewicht (Ungleichgewichte). Dieser Term der Gleichung wird Massenübergangsterm genannt.
Bei der Kapillar-Gas-Chromatographie, die in diesem Versuch zur Anwendung kommt, sind
die Anteile der Eddy- und Longitudinal-Diffusion zu vernachlässigen. Daher zeichnet sich
diese Technik durch eine hohe Trennleistung aus. Die Funktion der theoretischen Trennstufenhöhe in Abhängigkeit von der linearen Strömungsgeschwindigkeit H = f(u) stellt eine Kurve dar, deren Minimum die optimale Strömungsgeschwindigkeit angibt, bei der man die geringste Verbreiterung der Banden erhält. Diese Kurve wird empirisch aus experimentellen
Daten ermittelt. Der Massenübergangsterm ist als Steigung aus dem linearen Bereich der Kurve, also bei großen Werten für u zu erhalten.
Molekular-statistische Theorie ("Random-Walk"-Modell)
Das Random-Walk-Modell beruht auf einer statistischen Betrachtungsweise der einzelnen
Moleküle, die sich durch eine chromatographische Säule bewegen. Die Wanderung ("walk")
eines Moleküls wird als Folge zufälliger ("random") Bewegungen und Aufenthalte angesehen.
Durch den Massentransport zwischen beiden Phasen, unter dem Einfluss intermolekularer
Zusammenstöße und durch verschiedene Diffusionseffekte ergeben sich Abweichungen vom
geradlinigen Weg, so dass am Ende einer chromatographischen Säule aus einer schmalen
Substanzzone eine verbreiterte Bande geworden ist. Auf eine mathematische Ableitung der
entsprechenden Formeln soll hier verzichtet werden. Obwohl dieses Modell einen tieferen
Einblick in die die Chromatographie beeinflussenden Prozesse auf molekularer Ebene gewährt, hat es in der analytischen Anwendung eine viel geringere Verbreiterung gefunden als
z.B. das dynamische Modell mit seiner Betrachtungsweise. Das molekular-statistische Modell
kommt zu den gleichen Ergebnissen wie das theoretische Trennstufenhöhen-Modell und die
dynamische Theorie.
_________________________________________________________________________________________
13
Gaschromatographie
14
Die Gas-Chromatographie
Mit der Trenntechnik der Gas-Chromatographie (GC) lassen sich Verteilungen zwischen der
gasförmigen mobilen Phase und einer festen stationären Phase durchführen.
• Fest-Gas-Chromatographie = Adsorptions-GC oder SGC
• Flüssig-Gas-Chromatographie = Verteilungs-GC oder LGC
Der Stofftransport erfolgt weitgehend in einer Gas- oder Dampfphase. Es können gaschromatographisch solche Stoffe getrennt werden, die unzersetzt in den Gaszustand zu überführen
oder die unter Zersetzung reproduzierbar verdampfbar sind. Die Temperaturen für die Verflüchtigung liegen meist zwischen 50 und 300°C. Außerdem besteht die Möglichkeit, nichtflüchtige oder zersetzliche Verbindungen durch chemische Umsetzungen in flüchtige, stabile
Derivate umzuwandeln, die für die GC geeignet sind. Damit ist die Technik zur Trennung vor
allem organischer, aber auch flüchtiger anorganischer Substanzen anwendbar.
Die Besonderheiten der GC gegenüber anderen chromatographischen Techniken ergeben sich
im wesentlichen aus der niedrigen Viskosität der mobilen Phase, des Trägergases. Infolge
hoher Diffusionsgeschwindigkeiten der Substanzen im gasförmigen Zustand erfolgt eine
schnelle Einstellung der Gleichgewichte zwischen den Phasen. Vergleicht man diese Bedingungen mit denen der Flüssigkeits-Chromatographie, so kann in der GC mit relativ hohen
Strömungsgeschwindigkeiten und wegen des geringen Strömungswiderstandes für Gase mit
langen Trennsäulen gearbeitet werden, wodurch hohe Analysengeschwindigkeiten erreicht
werden.
Im chromatographischen System folgt der Probenaufgabe und der Trennung in der Säule die
Detektion der getrennten Komponenten. Die Auswertung der Peakflächen und die Ermittlung
der diesen entsprechenden Mengen der getrennten Komponenten dient der quantitativen Mischungsanalyse, die Bestimmung der Peakposition und der Retentionsgrößen der qualitativen
Analyse. Die dabei erhaltenen qualitativen und quantitativen Daten müssen reproduzierbar
und richtig sein und werden am Ende in einem Analysenbericht zusammengefasst. Dazu ist es
erforderlich, sowohl den statistischen als auch den systematischen Fehler der Messungen zu
kennen und in kritischen Fällen bei jeder Analyse zu ermitteln.
Der statistische Fehler, angegeben in Form der Standardabweichung, ist ein Maß für die Präzision (precision), der systematische Fehler - also die Abweichung vom "wahren" Wert, den
man nur durch Kontrolle mit eingewogenen Mischungen ermitteln kann - ist ein Maß für die
Richtigkeit (accuracy) der chromatographischen Analyse. Auch die Retentionsgrößen müssen
_________________________________________________________________________________________
Gaschromatographie
15
mit ausreichender Präzision und Richtigkeit zu messen sein. Für Analysen sind hohe Empfindlichkeit, niedrige Nachweisgrenze sowie gute Linearität des Detektorsystems Voraussetzung.
Allgemeine Gerätetechnik
Abbildung 6: Schematischer Aufbau eines Gas-Chromatographen
Eine GC-Analyse wird in folgenden kontinuierlich nacheinander ablaufenden Teilschritten
durchgeführt. Ein Gas, eine verdampfbare Flüssigkeit oder ein verdampfbarer Feststoff wird
in eine Trennsäule gegeben. Dort werden die Substanzen mit Hilfe eines Trägergases durch
eine thermostatisierte Säule transportiert, wo der chromatographische Vorgang stattfindet. Die
getrennten Substanzen passieren dann nacheinander am Säulenende einen Detektor, der jeden
einzelnen Bestandteil über einen Schreiber anzeigt. Die Substanzaufgabe erfolgt je nach Aggregatzustand mit unterschiedlichen Systemen. Gasförmige Analysenproben lassen sich über
Gasschleifen (mit geeichten Volumina) durch Drehen eines Ventils mit Hilfe des Trägergasstromes direkt in die Säule spülen. Flüssige und gasförmige Proben werden mit Hilfe einer
Injektionsspritze durch ein Septum (meist aus Silicongummi) am Kopf der Säule in den Trägergasstrom gebracht (Septuminjektion). Für Flüssigkeiten befindet sich am Säulenanfang ein
getrennt vom Säulenofen beheizbarer Einspritzblock, um bei höheren Temperaturen als der
Säulentemperatur eine unverzögerte Überführung in die Gasphase zu erreichen. Die Volumina
für Gase liegen zwischen 0,5 und 5 ml, die für Flüssigkeiten etwa bei 1 bis 10 µl (bei Kapillarsäulen nur etwa 0,1 bis 1µl). Außerdem existieren Festprobengeber, bei denen eine schwer_________________________________________________________________________________________
Gaschromatographie
flüchtige Probe, die durch externes Vorheizen bei niedriger Temperatur vom Lösemittel befreit werden kann, in einem Kapillarröhrchen in den Probengeber eingeführt und dort bei hoher Temperatur augenblicklich verdampft wird. Die Probenaufgabetechnik muss eine schnelle
Überführung der zu trennenden Substanzen in den Trägergasstrom gewährleisten, um Bandenverbreiterungen infolge verzögertem, mit Diffusion verbundenem Eintritt in die Trennsäule zu vermeiden. Abbildung 6 zeigt schematisch den Aufbau eines Gas-Chromatographen.
Die stationäre Phase (Adsorptionsmittel oder Trägermaterial mit Trennflüssigkeit) befindet
sich in einer Säule, die aus einem Kupfer-, Stahl- oder Glas- bzw. Quarzrohr bestehen kann.
Glas- und Quarzrohre sind vorzuziehen, um katalytisch beschleunigte Zersetzungsreaktionen
organischer Stoffe bei höheren Temperaturen auszuschließen. Die inneren Durchmesser liegen
bei gepackten Säulen zwischen 3 und 8 mm mit Längen von etwa 1 bis 6 m (Kapillarsäulen
haben Durchmesser von 0,1 bis 1 mm mit Längen von 30 bis 300 m). Längere gepackte Säulen sind ungeeignet, da wegen zunehmenden Druckabfalls die optimale Strömungsgeschwindigkeit nicht in allen Teilen des Trennbettes erreicht werden kann. Die Durchflussgeschwindigkeiten (Gasmengenströme) liegen meist zwischen 30 und 80 ml/min.
Die Trägergaszufuhr sowie die Versorgung der verschiedenen Detektoren mit Brenn- bzw.
Messgasen erfolgt über eine Regeleinheit, die für einen konstanten Druck vor der Säule und
für konstante Strömungsgeschwindigkeiten zu sorgen hat. Die Gase werden meist aus Stahlflaschen über Reduzier- und Feinregulierventile sowie Gasreiniger (Adsorptionsmittel zur
Trocknung und Entfernung organischer Spuren) in die Säule bzw. den Detektor geführt. Manometer vor der Säule bzw. Strömungsmesser hinter der Säule bzw. dem Detektor ermöglichen die Messung von Druckabfall und Durchflussgeschwindigkeiten.
Von der mobilen Phase wird gefordert, dass sie weder mit den zu trennenden Substanzen noch
mit dem Trägermaterial reagiert. Geeignet sind die Gase Stickstoff, Helium, Argon und mit
Einschränkungen Wasserstoff und Kohlendioxid. Es muss berücksichtigt werden, welcher
Detektor eingesetzt wird, und dass auch Gase eine elutrope Wirkung besitzen, die mit der Polarisierbarkeit zunimmt (zunehmende Polarisierbarkeit von Helium über Wasserstoff, Argon
und Stickstoff bis zum Kohlendioxid).
Der Säulenofen soll eine Temperaturkonstanz von besser als ±0,1°C gewährleisten (Steuerung
durch elektronische Einheit). Die gas-chromatographische Trennung bzw. die Retentionszeiten werden entscheidend von der Säulentemperatur bestimmt. Die Veränderung in der Polarität in der Flüssigkeits-Chromatographie kann in ihrer Wirkung mit der Veränderung der Temperatur in der GC verglichen werden. Ähnlich wie für die Strömungsgeschwindigkeit existiert
auch für die Temperatur ein Optimum im Hinblick auf die Trennstufenhöhe und Auflösung.
_________________________________________________________________________________________
16
Gaschromatographie
17
Die optimale Trenntemperatur liegt etwa 100 bis 200°C unter der mittleren Siedetemperatur
bzw. dem höchsten Siedepunkt eines Gemisches. Säulenöfen werden zwischen 0 und 400°C
betrieben. Die elektronischen Einheiten eines Gas-Chromatographen haben außerdem die
Temperatur im Probeneingabeteil und im Detektorraum zu regulieren und die im Detektorraum gemessenen Spannungen oder Ströme über Verstärker an einen Schreiber zu geben.
Gepackte Trennsäulen
Die Leistungsfähigkeit gepackter Säulen kann durch folgende Größen charakterisiert werden:
1. Trennleistung (Trennstufenzahl N oder Trennzahl TZ) für zwei aufeinanderfolgende nAlkane,
2. Selektivität r für eine bestimmte Trennaufgabe (das am schwierigsten zu trennende Stoffpaar),
3. Belastbarkeit als maximal dosierbare Substanzmenge.
Das Verhältnis von Bandenhöhe zu Bandenbreite in halber Höhe nimmt in Abhängigkeit von
der Substanzmenge nach Überschreiten der Kapazität der Trennsäule ab (s. Abb. 7). Als Belastbarkeit wird die Substanzmenge angegeben, bei der die Trennleistung auf 90 % des Maximalwertes gesunken ist.
Abbildung 7: Vergleich einer normalen Elutionskurve mit der bei überlasteter Säule
Für die Adsorptions-GC lassen sich folgende Materialien als stationäre Phasen einsetzen: Aktivkohle, Poropak-Materialien (poröses Polystyrol mit unterschiedlicher Vernetzung), Molekularsiebe, Ionenaustauscher, Kieselgel. Sie eignen sich zur Trennung von: anorganischen
Gasen, Alkoholen, Kohlenwasserstoffen, Glykolen, Wasser und Alkylaminen.
Die wichtigste Rolle spielt jedoch die Verteilungs-GC. Die flüssige stationäre Phase befindet
sich dabei gleichmäßig verteilt auf einem festen Trägermaterial. Die gebräuchlichsten Trägermaterialien sind: Kieselgur bzw. Kieselgele, Fluorocarbone (z.B. Teflon) und Glaskugeln.
An die Trennflüssigkeiten für die GC werden folgende allgemeine Forderungen gestellt
(Auswahl von geeigneten Trennflüssigkeiten für die Trennung von Stoffgruppen siehe Tabelle
1):
_________________________________________________________________________________________
Gaschromatographie
1.
2.
3.
4.
5.
18
thermische Beständigkeit
geringer Dampfdruck bei der erforderlichen Temperatur
geringe Viskosität bei der Temperatur
keine Reaktion mit Trägermaterial und zu trennenden Substanzen
hohe Selektivität r für das zu lösende Trennproblem.
unpolare Phasen
Siliconöle, Squalan, Apiezonfette (Erdöl-Fraktionen)
mittelpolare Phasen Ester, z.B. Ethylenglykolphtalat, -succinat, Polyester oder Polyether sowie Polyethylenoxide
polare Phase
Stoffe mit Cyan-Gruppen durch 2-Cyanethylierung von Alkoholen
Tabelle 1: Vergleich von gepackten und Kapillar-Säulen
Zur Trennung stark polarer Substanzen eignen sich Polyethylenglykole und Polyamide, zur
Trennung mäßig polarer Substanzen polare und mittelpolare Trennflüssigkeiten und zur Trennung unpolarer bis schwach polarer Substanzen sowohl unpolare als auch mittelpolare und
polare Trennflüssigkeiten
Für jede Trennflüssigkeit ist eine bestimmte Temperaturgrenze angegeben, die auch vom verwendeten Detektor bestimmt wird. Oberhalb dieser Temperatur verdampft dann die flüssige
Phase teilweise und wird als Erhöhung der Null-Linie vom Detektor registriert.
Die folgenden vier Kräfte sind für die Selektivität der Trennsäule von Bedeutung, wobei mit
zunehmender Größe der Summe dieser Kräfte die Retentionszeit eines Stoffes zunimmt
1.
2.
3.
4.
London-Kräfte (zwischenmolekulare Kräfte zwischen zwei nicht polaren Stoffen)
Keesom-Kräfte (Orientierungskräfte aus dem Zusammenwirken permanenter Dipole)
Debye-Kräfte (auf induzierten Dipolen beruhend)
chemische Bindungskräfte (charge-transfer-Komplexbindungen).
Kapillar-Säulen
Kapillar-Säulen für die GC haben Durchmesser von 0,1 bis 1 mm und eine Länge von 30 bis
300 m. Sie zeichnen sich durch besonders hohe Trennleistungen (hohe Trennstufenzahlen)
aus. Gegenüber gepackten Säulen enthalten sie kein Trägermaterial (keine Packung) für die
Trennflüssigkeit; d.h. der Term A (Packungsfaktor) der van Deemter-Gleichung (12) ist gleich
Null. Es werden zwei Arten von Kapillar-Säulen unterschieden:
_________________________________________________________________________________________
Gaschromatographie
1. Dünnfilm-Kapillaren, bei denen sich die Trennflüssigkeit direkt auf der inneren Wandung
der Trennsäule in Form eines etwa 1 bis 3 µm dünnen Films befindet.
2. Dünnschicht-Kapillaren, die auf der inneren Wandung eine dünne Schicht feinen Trägermaterials besitzen, die mit der flüssigen Phase belegt ist.
Abbildung 8: Querschnitte von Dünnfilm- und Dünnschicht-Kapillaren in der GC
Beide Arten von Kapillarsäulen verfügen über einen offenen Längs-Kanal in den Kapillaren,
da keine Packung vorhanden ist. Dementsprechend ist das Gasvolumen der mobilen Phase
groß im Verhältnis zu dem der flüssigen Phase. Dünnschicht-Kapillaren können mehr flüssige
Phasen aufnehmen als Dünnfilm-Kapillaren, sie sind daher höher belastbar. Kapillarsäulen
werden für die Trennung sehr komplexer Stoffgemische eingesetzt. Wegen der geringen Belegung mit flüssiger Phase können in Kapillarsäulen nur Volumina bis zu maximal 0,1 bis 1 µl
Flüssigkeit getrennt werden, was besondere Probenaufgabesysteme verlangt. Allgemein wird
für die GC eine Probenaufgabe gefordert, welche die gesamte Substanz sofort und zersetzungsfrei auf die Säule und damit in Kontakt mit der Trennflüssigkeit bringt. Daher ist in den
Kapillaren das Volumen, das ohne Peakverbreiterung durch die Probenaufgabe eingesetzt
werden kann, infolge geringer Trägergasströme begrenzt. Man dosiert ein größeres Probevolumen (bis ca. 1 µl) bei hohen Gasströmungen und teilt nach der Verdampfung das Gasgemisch in zwei ungleiche Ströme (Splitten).
Abbildung 8 zeigt Querschnitte der beiden verschiedenen Kapillarsäulen. Alle Vorteile der
Kapillar-Säulen gegenüber gepackten Säulen, vor allem geringere Trennstufenhöhen, höhere
Trennstufenzahlen und kaum störende Adsorptionseffekte, ergeben sich aus der fehlenden
Packung und dem somit geringeren Strömungswiderstand für die mobile Phase und der
_________________________________________________________________________________________
19
Gaschromatographie
20
dadurch möglichen größeren Säulenlänge. Tabelle 2 zeigt den Vergleich einiger Daten von
gepackten und Kapillar-Säulen:
gepackte Säule
Dimension
Kapillar-Säule
Dünnfilm-
Dünnschicht-
innerer Durchmesser
1 - 10
mm
Länge
1 - 10
m
30 - 300
Länge bei gleichem Druckabfall
1,8
m
120
lineare Geschwindigkeit (z.B.)
6,8
cm/s
Vergleich von k'-Werten
10 - 20
Auflösung*
1,53
*
Analysenzeit
30,2
Trennstufenzahl
Trennstufenhöhe
0,1 - 1
9,1
100 - 130
min
6,70
3,92
29,1
15,5
1000 - 3000
*
Trägergasgeschwindigkeit
Belastbarkeit
13,5
100000 - 1000000
0,71
mm
0,46
10 - 40
ml/min
0,5 - 1,5
bis 10
µl
10
-3
0,55
3-5
-1
10 - 10-2
* für das Stoffpaar Methyloleat/Methylstearat
Tabelle 2: Vergleich von gepackten und Kapillar-Säulen
Detektoren
Empfindlichkeit S*
Detektor
spezielle Anwendung
I. Gruppe
Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD)
2 - 9.103
Thermistor-WLD
1,5.104
Transistor-WLD
1,5.105
elektrolytische Leitfähigkeitszelle
3 - 5.105

 universell

für C-haltige Verbindungen
nach Verbrennung zu CO2
II. Gruppe
Flammenionisations-Detektor (FID)
0,02
Alkali-FID
Cl: 1,4.10-2, Br: 5,6.10-2
I: 2,8.10-2, P: 4,6.10-2
Elektroneneinfang-Detektor (ECD)
40
Argon-Detektor (Triode-Type)
15
Edelgas-Detektor (Ar)
0,15
Helium-Detektor
300
Photoionisations-Detektor
*
.
Gruppe I: S in [mV ml/g]
0,1 – 5
 selektiv für Halogen -, P - u.

 N - haltige Substanzen

 Pesticide, Nitro −, metall 
 organischeVerbindungen

Aromaten
Gruppe II: S in [C/g]
_________________________________________________________________________________________
Gaschromatographie
21
Tabelle 3: Auswahl der wichtigsten Detektoren für die GC
Detektoren lassen sich nach Integral- und Differential-Detektoren unterscheiden. Ein IntegralDetektor gibt die Maximalkonzentration einer Substanz an, ein Differential-Detektor die zeitliche Veränderung der Masse einer Substanz.
Für die Bestimmung der Empfindlichkeit S von Detektoren wird zwischen konzentrationsund flussmessenden Detektoren unterschieden (Gruppen I und II in Tabelle 3). Für eine Konzentration ci bzw. eine Masse mi der Komponente i ist der Zusammenhang zwischen Signalhöhe h und Empfindlichkeit S für die zwei Detektor-Gruppen:
h1 = S1ci
h2 = S 2 m i
S (in mV⋅ml/g),
S (in A⋅s/g = C/g)
(13)
(14)
Die Selektivität eines Detektors ergibt sich für zwei Substanzen i und j aus dem Verhältnis der
Empfindlichkeiten S1i/S1j bzw. S2i/S2j. In der Praxis erfolgt die Berechnung der Empfindlichkeit mit Hilfe der Beziehung:
Fm ⋅Peakfläche
m
mit der Substanzmenge m und dem Gasvolumenfluss Fm.
S1 =
(15)
Die gebräuchlichsten Detektoren für die analytische GC sind:
• der Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD)
• der Flammenionisationsdetektor (FID)
• der Elektroneneinfangsdetektor (ECD: electron capture detector)
In einem WLD wird die Wärmeleitfähigkeit des reinen Trägergases mit der Mischung des
Trägergases und der gas-chromatographisch getrennten Substanzen verglichen.
In einem FID werden organische Substanzen in einer Wasserstoff-Flamme verbrannt. Dabei
wird die Zunahme der Ionisation im Raum Gasflamme-Kollektor über einen Verstärker gemessen. Folgende Verbindungen werden von einem FID nicht angezeigt: Wasser, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid, Edelgase, Sauerstoff, Stickstoff, Tetrachlormethan, Ammoniak, Kohlenmonoxid.
Das Signal des FID beruht auf der Ionenbildung bei der Verbrennung von Substanzen, die C–
C- und C–H-Bindungen besitzen. In der normalerweise kaum ionisierten Wasserstoff-Flamme
_________________________________________________________________________________________
Gaschromatographie
22
entstehen über Radikalreaktionen Ladungsträger (Ionen), die durch ein elektrisches Feld an
einer Sammelelektrode aufgefangen werden. Dadurch erhöht sich der wegen der geringen Ionisation der reinen Wasserstoff-Flamme sehr kleine Null-Strom des FID. Das Signal ist proportional der je Zeiteinheit durchgesetzten Substanzmenge. Es wird verstärkt und als Chromatogramm aufgezeichnet. Abbildung 9 zeigt den Aufbau eines Flammenionisationsdetektor,
womit auch das Praktikumsgerät ausgestattet ist.
Abbildung 9: Flammenionisationsdetektor
Das Prinzip des ECD beruht ebenfalls auf einem Ionisationsvorgang. Anstelle einer Flamme
befindet sich im Detektorraum ein β-Strahler (63Ni, 3H), so dass der Gasraum durch freie
Elektronen leitend wird. Bei Anwesenheit von Verbindungen, die Elektronen einfangen können, nimmt der Ionenstrom ab, was zu einer Änderung des Messsignals führt.
Das Gas-Chromatogramm
Durch kontinuierliche Registrierung einer elektrischen Größe, die zu jedem Zeitpunkt entweder der Konzentration der getrennten Spezies im Trägergas (in g/ml) oder dem Massenstrom
dieser Spezies (in g/s) proportional ist, entsteht das Chromatogramm.
Solange nur reines Trägergas aus der Säule in den Detektor gelangt, wird die sogenannte Basislinie aufgezeichnet, die möglichst ohne positive oder negative Drift verlaufen soll. Sobald
jedoch eine getrennte Komponente mit dem Trägergas die Säule verlässt und in den Detektor
gelangt, steigt das im Detektor erzeugte Signal entsprechend der Konzentration oder dem
Massenstrom bis zu einem Maximum an und fällt danach wieder ab auf die Basislinie (wenn
keine Überlappung durch eine nachfolgende Komponente stattfindet). Auf dieser Weise wird
für jede eluierte und getrennte Komponente der Mischung ein Peak erhalten. Die Summe aller
_________________________________________________________________________________________
Gaschromatographie
Peaks bildet das Chromatogramm. Die Peakform oder das Konzentrationsprofil des Peaks
oder der Zone erlauben Rückschlüsse auf den Ablauf der Verteilungs- und Transportvorgänge
in der Säule. Die Flächen, aber auch die Höhen der Peaks liefern Informationen über die Mengen der eluierten Komponenten.
Abbildung 10: Isothermes Gaschromatogramm
Das Gaschromatogramm beginnt am Einspritzpunkt E zu dem Zeitpunkt, in dem die flüssige
Probe mit einer Spritze in das Trägergas eingeführt und dort verdampft wird. Es endet, wenn
die letzte Komponente eluiert und im Detektor angelangt ist. Der erste Peak (zur Bestimmung
der Durchflusszeit tm) ist bei der Flüssigkeits-GC ein Gaspeak G (z.B. von Methan). Bleibt die
Säulentemperatur während der Trennung konstant, so spricht man von isothermer GasChromatographie. Bei linearer oder nicht-linearer Änderung der Temperatur in der Säule während des Ablaufs der Trennung spricht man von temperaturprogrammierter GasChromatographie. Durch kontinuierliche Veränderung des Trägergasdruckes am Säulenanfang
können auch strömungsprogrammierte Trennungen durchgeführt werden. Beide Verfahren der
Programmierung von Temperatur und Strömung dienen zur Beschleunigung oder Verbesserung von Trennungen.
_________________________________________________________________________________________
23
Gaschromatographie
24
Aufgabenstellung: Analyse einer flüssigen Mischung
Bestimmen Sie durch gaschromatographische Messungen mit Hilfe einer Reihe von Kalibriersubstanzen sowohl die qualitative Zusammensetzung eines vorgegebenen Substanzgemisches als auch die Konzentrationen der einzelnen Komponenten in diesem Gemisch. Chemikalien: Verschiedene Kalibriersubstanzen, ein flüssiges Gemisch unbekannter Zusammensetzung
Es ist zweckmäßig, sich zunächst anhand der dem Gerät beiliegenden Bedienungsanleitung
und nach Rücksprache mit dem Betreuer des Versuches mit dem Gas-Chromatographen und
der Probenaufgabetechnik vertraut zu machen. Durch Variation der verschiedenen Parameter
wie z.B. Aufgabevolumen, Volumenfluss, Temperatur usw. soll dann mit Hilfe der Kalibriersubstanzen eine optimale Trennmethode erarbeitet werden, die es gestattet, sowohl die
qualitative als auch die quantitative Zusammensetzung des vorgegebenen Gemisches zu bestimmen.
Säule:
Trägergas:
Detektor:
Geräteeinstellung:
1.)
Dünnfilmkapillarsäule, Trennflüssigkeit HP-5 (5% Phenylsilicon, 95%
Methylsilicon), maximale Temperatur: 325 °C, L = 30 m, Filmdicke =
0,25 µm, Innendurchmesser = 0,32 mm
Stickstoff (N2)
FID (H2, O2)
Detektor: 260 °C
N2-Druck: 160 kPa
Injektor: 200 °C
ATTN:
64
Bei 80 °C werden zunächst folgende Substanzen gelöst in Methanol untersucht (Probenvolumen: 1 µl):
Probe
Konzentration [nmol/µl]
Messzeit (Isotime) [min]
1. Toluol
30
7
2. Cyclohexan
45
5
3. Decan
6
15
4. Methylcyclohexan
26
6
5. 1-Octanol
16
20
6. Chlorcyclohexan
45
7
("pur" → Lösungsmittelpeak)
5
7. Methanol
Bestimmung von Retentionszeit (Einfluss: Kettenlänge, Struktur, Dipolmoment, DK,
Polarisierbarkeit von π-Elektronen, Siedepunkt, Trennflüssigkeit diskutieren) und
_________________________________________________________________________________________
Gaschromatographie
Peakfläche (Stoffmenge, Bestimmung der Trennstufenhöhe H in mm bzw. der Zahl
der Trennstufen N am Decan-Peak).
2)
Bei 80 °C wird ein Gemisch (Probe 8) untersucht (Messzeit: 20 min, Probenvolumen:
1 µl). Die erhaltenen Peaks sind den untersuchten Einzelproben zuzuordnen (qualitative Analyse) und die Konzentrationen der Einzelsubstanzen im Gemisch ist zu bestimmen (quantitative Analyse).
3)
Das Gemisch wird bei 140 °C untersucht. Der Einfluss der Temperatur auf das erhaltene Chromatogramm ist zu diskutieren (Messzeit: 7 min, Probenvolumen: 1 µl).
4)
Das Gemisch (Probenvolumen: 1 µl) wird unter Anwendung eines Temperaturprogrammes untersucht:
80 °C (4 min isotherm) → 8 °C/min (Heizrate) → 140 °C (1 min isotherm)
Der Einfluss der Temperatur auf das erhaltene Chromatogramm ist zu diskutieren.
5)
Dem Gemisch wird in einem Schnappdeckelgläschen etwas Toluol-Methanol-Lösung
zugesetzt und diese neue Mischung bei 80 °C isotherm untersucht (zusätzliche Bestätigung für Zuordnung des Peaks, Messzeit: bis zum Auftreten des letzen Peaks - maximal 30 Minuten, Probenvolumen: 1 µl).
Vor Gebrauch der Hamiltonspritze ist diese je dreimal mit Aceton und Methanol
sowie zweimal mit der zu vermessenden Probe zu spülen!!!
_________________________________________________________________________________________
25

Gaschromatographie

Transcrição

Documentos relacionados

Physikalische Therapie und Balneologie

Zusammenfassung der Präsentation vom 25.7.2014

Beutenberg Campus, Max Pl - ARA-ARA

Petersfisch

PDF - Donzdorfer Fasnet

Prof. Dr. med. Beat MICHEL Berufserfahrung Ausbildung

HURRA! WIR SIND CHAMPION! - Schleswig-Holstein

Prüfungsplan Sommer 2016 - Nachtermin

Fischarten erkennen

Leuchtdioden (LED) – Lichtquellen der Zukunft