GC-Säulen: Erläuterung und Anwendung

Der Analytics-Shop führt über 10.000 Kapillarsäulen aller Hersteller (Agilent/J&W, Thermo, Macherey-Nagel etc.) die Sie leicht im GC-Säulenkonfigurator finden und kaufen können.

Hier bieten wir Ihnen allgemeine Informationen zu GC Säulen.

Die Gaschromatographie (GC) ist eine Analysenmethode zur Trennung und Identifizierung von Komponenten, die gasförmig oder unzersetzt verdampfbar sind. Dabei wird die Probe über einen Injektor in einen Trägergasstrom (mobile Phase) gegeben, auf der Trennsäule an einer stationären Phase in die einzelnen Bestandteile aufgetrennt, um dann im Detektor erfasst zu werden.

Abbildung 1: Schematischer Aufbau eines GC-Systems

Trennung von Substanzgemischen in der GC

Die Trennung von Substanzgemischen geschieht in der Gaschromatographie aufgrund von Wechselwirkungen zwischen den flüchtigen Analysenkomponenten und der stationären Phase. Diese kann aus einem Flüssigkeitsfilm (Verteilungschromatographie) oder einem Feststoff (Adsorptionschromatographie) bestehen. Unterschiedliche Verteilungsgleichgewichte oder Adsorptionskräfte ermöglichen letztlich die Separation der Analyten.

Kapillarsäulen vs. gepackte Säulen

Grundsätzlich unterscheidet man bei Säulen für die Gaschromatographie zwei Haupttypen: Zum einen die sogenannten gepackten Säulen, die sich durch Ihre Robustheit und Kapazität auszeichnen und zum anderen die Kapillarsäulen, die aufgrund ihrer hohen Trennleistung heutzutage in den meisten Anwendungen zum Einsatz kommen.

Kapillarsäulen (auch Open Tubular Columns) bestehen grundsätzlich aus einer Fused Silica- (Quarz, SiO2) Kapillare, die in der Regel mit einer Polyimidschicht überzogen ist. Die Polyimidschicht verleiht der Kapillare ihre Flexibilität und Stabilität sowie ihre charakteristische bräunliche Farbe. Letztere kann im Übrigen je nach Hersteller in ihrer Intensität schwanken.

Für den Einsatz in der GC werden die Kapillarinnenwände desaktiviert. Dieser Prozess ist notwendig, um die an der Fused Silica-Oberfläche befindlichen Silanolgruppen abzudecken und gleichzeitig eine gute Benetzbarkeit mit der eigentlichen Trennphase, die im nächsten Produktionsschritt aufgebracht wird, zu gewährleisten.

Abbildung 2: Aufbau Fused Silica-Kapillare

Wechselwirkungen bei Kapillarsäulen

Bei den Kapillarsäulen unterscheidet man zwei Arten nach den für die Trennung verantwortlichen Wechselwirkungen. In PLOT-Säulen (PLOT = Porous Layer Open Tubular) findet Adsorptionschromatographie an einer festen Phase statt. Einsatz findet diese Methode meist bei Gasen oder sehr leicht flüchtigen Komponenten.

Abbildung 3: Trennung von Raffineriegasen auf einer HP-PLOT Q PT Säule

Verteilungschromatographie

Ein sehr breites Anwendungsspektrum haben Säulen die nach dem Prinzip der Verteilungschromatographie funktionieren. Hier wird die Innenseite der Kapillare mit einem flüssigen Polymerfilm belegt (WCOT-Säulen, Wall Coated Open Tubular) und die Trennung beruht auf Unterschieden der Löslichkeit der Analyten in der stationären Phase.

Die Tabelle stellt nur eine Auswahl von verfügbaren Phasen dar.

Auch wenn sich die Bezeichnungen der Hersteller unterscheiden, gibt der nummerische Anhang oft Auskunft über den prozentualen Anteil der polaren funktionellen Gruppe (z. B. HP-5, DB-5, BP5, AT-5 etc.). Solche Säulen zeigen ähnliche chromatographische Eigenschaften inklusive Selektivitäts- und Retentionsverhalten. Dennoch können zwischen den einzelnen Herstellern gewisse Unterschiede bei gleichem Phasentyp bestehen. Die genaue Polarität einer Phase kann durch Berechnung von Retentionsindizes bzw. McReynolds-Konstanten bestimmt werden.^{1, 2}

Trenneffizienz in der GC

Aufgrund der hohen Trenneffizienzen in der GC können mit einer unpolaren Säule (100 % Dimethylpolysiloxan oder 5%Phenyl-95%methylpolysiloxan) und einer polaren Säule (Polyethylenglykol) die meisten chromatographischen Problemstellungen gelöst werden.

Polysiloxanphasen

Polysiloxanphasen beruhen auf einem Dimethylpolysiloxan Grundgerüst.

Abbildung 4: Strukturformel von Dimethylpolysiloxan (links) und Polyethylenglykol (rechts)

Durch Substitution von Methylresten gegen funktionelle Gruppen wie Phenyl, Trifluorpropyl oder Cyanopropyl können Polarität und Selektivität verändert werden. Die Phasenselektivität und damit die Auflösung zwischen zwei Peaks wird durch Wechselwirkungen wie Dispersion, Dipol, Säure-Base und Wasserstoffbrückenbindungen bestimmt. Während bei unpolaren Phasen ausschließlich die schwachen Dispersionkräfte wirken, erhöhen polare funktionelle Gruppen die Retention von Analyten, die ebenfalls polare funktionelle Gruppen enthalten durch den Beitrag der stärkeren, polaren Wechselwirkungen.

Polyethylenglykol-Phasen

Polyethylenglykol-Phasen besitzen eine hohe Polarität und damit eine besondere Selektivität. Zu beachten ist dabei jedoch, dass PEG-Phasen eine eingeschränkte Anwendungstemperatur haben (ca. 50 - 250 °C) und empfindlicher zum Beispiel gegen den Eintrag von Sauerstoff sind.

Dimensionen von GC-Säulen

Neben der stationären Phase müssen für die Auswahl einer GC-Säule die Dimensionen Länge, Innendurchmesser und Filmdicke definiert werden. Dabei gelten folgende Regeln und Zusammenhänge:

1. Länge: Die Trenneffizienz einer Säule nimmt bei Verdopplung der Säulenlänge um etwa 40 % zu. Gleichzeitig verlängert sich die Analysenzeit. Bei isothermer Temperaturführung verdoppelt sich die Retentionszeit. Bei temperaturprogrammierten Bedingungen fällt die Analysenzeitzunahme weniger stark aus.
2. Säuleninnendurchmesser: Die Probenkapazität nimmt mit steigendem Innendurchmesser einer Säule zu. Dabei ist die Probenkapazität (bei gleicher Filmdicke) proportional zum Quadrat des Säulenradius. Zur Vermeidung von Überladungen bei Proben mit großen Konzentrationsunterschieden, sollten daher Säulen mit großen Innendurchmessern (> 0.25 mm) verwendet werden. Gleichzeitig ist die Trenneffizienz einer Säule umso höher, je kleiner der Innendurchmesser ist. Für GC-MS-Systeme sollten die Innendurchmesser 0.25 mm (evtl. 0.32 mm) nicht überschreiten. Durch zu hohe Flussraten bei großen Innendurchmessern können Flusslimitierungen der Vakuumsysteme des MS überschritten werden.
3. Filmdicke der Stationären Phase: Mit zunehmender Filmdicke steigen sowohl Probenkapazität als auch Retention. Gleichzeitig nimmt die Säuleneffizienz ab. Geringe Filmdicken (z. B. 0.1 µm) werden für hochsiedende Analyten wie Triglyceride oder hochsiedende Erdölfraktionen verwendet. Säulen mit großen Filmdicken (≥ 1µm) sind von Natur aus inerter und werden für die Analyse von leicht flüchtigen Komponenten eingesetzt.

Standzeit von Kapillarsäulen

Voraussetzung für eine lange Standzeit von GC-Säulen ist eine ausreichend hohe Trägergasqualität. Neben einer entsprechenden Gasqualität der Gasquelle (z. B. Flasche oder Generator) helfen Gasreinigungskartuschen vor dem Gerät, Verunreinigungen zu vermeiden.

Einbau von Kapillarsäulen

Für den Einbau von Kapillarsäulen werden Ferrules verwendet, deren Bauart oft geräteabhängig ist. Als Materialien kommen Graphit bzw. Vespel-Graphit-Mischungen zum Einsatz. Ferrules aus reinem Graphit lassen sich leichter verformen und somit abdichten. Sie sind aber nicht für die Verwendung in GC/MS-Systemen geeignet. Nach der Montage eines Ferrules ist darauf zu achten, dass dieses an der richtigen Stelle auf der Säule positioniert ist und sich keine Materialreste am Säulenrand befinden. Sicherheitshalber kürzt man daher die Säule nach der Montage des Ferrules um wenige Zentimeter durch einen sauberen Schnitt mit einem Kapillarschneider.

Nach dem Einbau einer Säule sollte diese mehrere Stunden konditioniert werden. Dabei ist zu beachten, dass dies stets unter Trägergas, mit einem langsamen Temperaturanstieg und unter Beachtung der Maximaltemperatur geschieht. Danach ist die Säule für den vorgesehenen Gebrauch einsatzbereit.

¹ E. Kovats, Helv. Chim. Acta, 41, 1915 (1958).

² W. O. McReynolds, J. Chromaogr. Sci, 8, 685 (1970).