Chromatografische Analysemethoden – Gaschromatografie (GC)

Gaschromatografie (GC)

Die Gaschromatografie ist ein Trennverfahren für Stoffgemische, die gasförmig sind oder sich unzersetzt in die mobile Gasphase überführen lassen. Als stationäre Phase dient ein Feststoff oder eine flüssige Phase, die in spezielle GC-Säulen integriert sind.

Für die gaschromatografische Analyse können gasförmige oder flüssige Proben eingegeben werden, flüssige Proben werden dabei in einem beheizten Einlasssystem verdampft. Für die Analyse reicht eine Probemenge von etwa 0,1 ml Gasprobe oder 1 µl Flüssigkeit aus. Das Trägergas dient als mobile Phase. Dafür eignen sich z. B. He, N₂, Ar, H₂ und CO₂. Die Trennung der Komponenten erfolgt hauptsächlich aufgrund ihrer unterschiedlichen Siedepunkte und ihrer Polarität. Man verwendet heute hauptsächlich leistungsfähige Kapillarsäulen für die Trennung der Gase. Kapillarsäulen sind 15-300 m lang und haben einen Innendurchmesser von nur 0,1-1 mm. Sie bestehen aus flexiblem Material und sind aufgewickelt in die Geräte eingebaut. Sie sind innen mit einem sehr dünnen Film $(\mathrm{0,1}–5\mu \text{m})$ einer Trennflüssigkeit, z. B. Siliconöle oder Paraffine als stationäre Phase beschichtet. Die Trennung beruht auf den unterschiedlich starken Wechselwirkungen der einzelnen Koponenten des Stoffgemisches mit der stationären Phase und dem Trägergas als mobile Phase. Dadurch bewegen sich die einzelnen Stoffe des Gemisches unterschiedlich schnell durch die Säule.

Da die Temperatur einen sehr großen Einfluss auf die Trennung hat, wird die Trennsäule entweder auf konstanter Temperatur gehalten oder im Verlauf der Analyse mit definierter Geschwindigkeit auf ein höheres Niveau aufgeheizt. Meist arbeitet man dabei im Temperaturbereich zwischen 50 °C und 300 °C, wobei die Obergrenze von der thermischen Stabilität der stationären Phase vorgegeben ist.

Auf diese Weise getrennt erreichen die einzelnen Substanzen nacheinander das Säulenende. Dort befindet sich ein Detektor, der z. B. durch Messung der Wärmeleitfähigkeit oder des Massenspektrums die Änderungen der Zusammensetzung der mobilen Phase anzeigt und diese an eine Auswerteeinheit, in der Regel ein Computer, weitergibt (Bild 1). Die Zeit, die eine Substanz für die Wegstrecke vom Injektor bis zum Detektor benötigt, wird als Retentionszeit ($t_R$) bezeichnet. Sie ist umso länger, je besser die jeweilige Substanz mit der stationären Phase wechselwirkt. Aus der unterschiedlichen Retentionszeit der Komponenten ergibt sich ein Gaschromatogramm. Darin sieht man die vom Detektor gemessenen Signale für die einzelnen Komponenten der aufgetrennten Mischung. Diese Signale werden auch als Peaks bezeichnet. Die Identifizierung erfolgt wie bei den anderen chromatografischen Verfahren mittels Testssubstanzen und Vergleich der Retentionszeiten oder durch die Verwendung eines Massenspektrometers als „intelligentem“ Detektor. Anhand der Fläche unterhalb der Peaks kann man die Anteile der einzelnen Komponenten im ursprünglichen Probengemisch ermitteln.

Idealerweise sollten die Siedetemperaturen der zu analysierenden Stoffe zwischen 40 und 300 °C liegen. Viele schwerer flüchtige Verbindungen wandelt man in leichter flüchtige Derivate um, um sie mit der Methode gaschromatografisch zu untersuchen. Beispielsweise trennt man die schwer flüchtigen Fettsäuren in Form ihrer leichter flüchtigen Methylester (Bild 2).

Anwendungsgebiete

Mithilfe der Kapillar-GC können in der Umweltanalytik Gemische aus mehr als 20 verschiedenen aliphatischen oder aromatischen Kohlenwasserstoffen (z. B. PCBs, PAKs) getrennt werden.
Die Anwendungsbreite der Gaschromatografie reicht von der organischen Elementaranalyse, wo die Anteile an ${\text{CO}}_{\text{2}}\text{,}{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}\text{und}{\text{N}}_{\text{2}}$ in der Gasphase chromatografisch bestimmt werden, bis zur Analyse des Blutalkoholgehalts. Dabei nutzt man den Umstand aus, dass bei Alkohol im Blut im Gasraum über einer erwärmten Blutprobe eine proportionale Menge Alkoholdampf enthalten ist. Die Probe wird daher aus dem Gasraum entnommen (headspace-Technik) und als Standard wird der Blutprobe eine definierte Menge Butanol zugesetzt.

Haaranalyse zum Nachweis von Drogenkonsum
Eingenommene Drogen wie Cannabis, Kokain oder Ecstasy werden durch den Blutkreislauf im Körper verteilt, gelangen somit auch in die Haarwurzel und werden dann in geringsten Spuren im wachsenden Haar gespeichert. Bei einer Wachstumsgeschwindigkeit der Kopfhaare vom etwa 1 cm/Monat kann so aus einem 10 cm langen Haar der Drogenkonsum sogar noch nach etwa einem Jahr nachgewiesen werden. Eine Strähne von Bleistiftstärke reicht aus, die zudem für die Analyse noch in etwa 1 cm lange Abschnitte unterteilt wird, um den Drogenkonsum zeitlich einzugrenzen.

Die Drogenspuren werden aus den Haarabschnitten extrahiert, mittels Gaschromatografie getrennt und dann durch hochempfindliche Massenspektrometrie nachgewiesen.

Sehr komplexe Gemische wie Benzin oder Dieselkraftstoff lassen sich nicht mehr in die Einzelkomponenten trennen. Anhand des typischen Musters (Bild 3), kann man aber feststellen, welches Gemisch sich im betreffenden Fass befindet.