11.12 : Gaschromatographie: Säulenarten und stationäre Phasen

Die Gaschromatographie (GC) beruht auf stationären Phasen, um Komponenten in einer Probe zu trennen und zu analysieren. Es gibt zwei Hauptarten von stationären Phasen: flüssig und fest. Flüssige stationäre Phasen sind nichtflüchtige, thermisch stabile und chemisch inerte Flüssigkeiten, die auf die Säule aufgetragen werden. Feste stationäre Phasen sind Partikel aus adsorbierendem Material wie Kieselgel oder Molekularsiebe.

Damit ein Analyt ausreichend lange auf der Säule verbleibt, muss er ein gewisses Maß an Kompatibilität (oder Löslichkeit) mit der stationären Phase aufweisen. Dies basiert auf dem Konzept, dass Substanzen mit ähnlicher Polarität dazu neigen, sich ineinander aufzulösen, ein Konzept, das zusammengefasst werden kann als „Gleiches löst Gleiches“. Der Begriff „Gleiches“ bezieht sich in diesem Zusammenhang auf die Ähnlichkeit der Polaritäten zwischen dem Analyten und der immobilisierten Flüssigkeit. Die Polarität eines Moleküls, die durch sein Dipolmoment angezeigt wird, misst das elektrische Feld, das durch die Ladungstrennung innerhalb des Moleküls erzeugt wird. Polare stationäre Phasen umfassen funktionelle Gruppen wie CN, CO und OH. Stationäre Phasen auf Kohlenwasserstoffbasis und Dialkylsiloxane gelten als unpolar, während Polyesterphasen für ihre hohe Polarität bekannt sind. Polare Analyten umfassen typischerweise Substanzen wie Alkohole, Säuren und Amine, während gelöste Stoffe mit mittlerer Polarität Ether, Ketone und Aldehyde umfassen können. Gesättigte Kohlenwasserstoffe fallen in die Kategorie der unpolaren Analyten. Im Allgemeinen sollte die Polarität der stationären Phase mit der Polarität der Probenkomponenten übereinstimmen. Bei einer guten Übereinstimmung hängt die Reihenfolge, in der Substanzen eluiert werden, normalerweise von den Siedepunkten der Eluenten ab.

Kapillarsäulen oder offene Röhrensäulen werden häufig aufgrund ihrer Effizienz in der Gaschromatographie verwendet. Diese Säulen gibt es in drei Typen: Wandbeschichtete offene Röhrensäulen (WCOT) haben eine flüssige stationäre Phase, die auf die Innenwand der Säule aufgetragen ist. Diese Säulen haben eine hohe Probenkapazität und bieten eine hohe Auflösung, was sie ideal für die Trennung komplexer Gemische macht. Trägerbeschichtete offene Röhrensäulen (SCOT) haben eine Schicht aus festem Träger, die mit der flüssigen stationären Phase beschichtet ist, die dann an die Innenwand der Säule gebunden wird. Dieses Design bietet im Vergleich zu WCOT-Säulen eine höhere Stabilität und Effizienz. Poröse offene Röhrensäulen (PLOT) werden in der Gas-Feststoff-Chromatographie verwendet und haben feste stationäre Phasenpartikel, die auf die Innenwand der Säule aufgetragen sind. Diese Säulen haben eine große Oberfläche und halten Analyten durch Adsorption zurück, was zu großen Verteilungskoeffizienten und Effizienzen führt. Der nichtlineare Adsorptionsprozess führt jedoch zu einem starken Tailing der Elutionsspitzen, sodass PLOT-Säulen hauptsächlich für permanente Gase und kleine polare Moleküle verwendet werden, die von Gas-Flüssigkeitssäulen nicht zurückgehalten werden. Das Design offener Röhren- oder Kapillarsäulen ermöglicht schnellere Gasflussraten und eine höhere Auflösung, wodurch sie sich ideal für die Analyse komplexer Gemische eignen. Allerdings haben sie eine geringere Probenkapazität und sind anfälliger für Säulenbluten. Bei diesem Vorgang zersetzt sich das Polymer, aus dem die stationäre Phase der Säule besteht, und wird anschließend zusammen mit den Probenanalyten eluiert, was die Probe verunreinigen kann.

Füllkörpersäulen mit festen Trägerpartikeln bieten eine höhere Probenkapazität, wodurch sie bei der Analyse größerer Probenmengen hilfreicher sind als offene Röhrensäulen. Allerdings haben sie aufgrund der langsameren Gasflussrate durch die festen Trägerpartikel eine geringere Auflösung und längere Analysezeiten. Der feste Träger kann zu einer Peakverbreiterung und einem Tailing führen, wodurch die Trennleistung verringert wird.