Gaschromatografie

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um Gaschromatographie. Der Film gehört zur Reihe chromatographische Verfahren. Um die nötigen Vorkenntnisse zu erlangen, solltet ihr euch bereits die Videos Dünnschichtchromatographie und Säulenchromatographie angeschaut haben. Ziel des Videos ist es, ein grundlegendes Verständnis der Gaschromatographie zu erwerben. Der Film ist in 6 Abschnitte unterteilt. 1. Das Problem 2. Der Gaschromatograph 3. Säulen, Detektoren, Inertgase 4. Chromatogramme 5. Quantitative Aussagen 6. Zusammenfassung Beginnen wir sogleich mit 1. Das Problem. Nehmen wir einmal an, wir haben nach vollzogener chemischer Synthese ein Reaktionsgemisch erhalten. Welche Stoffe und in welchen Mengen enthält es? Die Dünnschichtchromatographie ist effektiv und schnell, kann aber keine quantitative Aussage liefern. Die Säulenchromatographie wäre dazu in der Lage, ist aber zu aufwendig. Einen Ausweg aus diesem Dilemma liefert ein äußerst wichtiges Verfahren, die Gaschromatographie. Gehen wir über vom Problem zum Gaschromatographen. Gaschromatographen sind industriell gefertigte Geräte. Hier habe ich ein Exemplar aus dem Jahr 1980. Kommen wir nun zum prinzipiellen Aufbau des Gaschromatographen. Ich werde dafür eine Zeichnung anfertigen. So kompliziert, wie er zunächst aussieht, ist ein Gaschromatograph nicht. Er besteht nur aus einigen wenigen Hauptbestandteilen. Dazu zählen 1, 2, 3, 4 und 5. Worum handelt es sich dabei und welche Funktionen üben diese Bestandteile aus? Bei 1 handelt es sich um das Trägergas, die mobile Phase. Häufig verwendet man dafür Helium oder Stickstoff. Bei 2 handelt es sich um den Injektor. An dieser Stelle wird in das System das Reaktionsgemisch mithilfe einer Spritze eingeführt. 3 ist die Säule im GC-Ofen. Die Säule ist die stationäre Phase. Der GC-Ofen bewirkt, dass die Substanzen verdampft werden, damit sie gaschromatographisch untersucht werden können. Ein typischer Temperaturbereich des GC-Ofens liegt zwischen -50 °C und +350°C. Bei 4 befindet sich der Detektor. Er meldet uns, wenn dort ein Stoff ankommt. Bei 5 befindet sich die Signalaufzeichnung. Und nun noch einmal alles etwas ausführlicher. Wie läuft die Analyse ab?Zunächst wird das Trägergas, in unserem Fall Helium, eingeleitet. Das Trägergas muss ständig den Gaschromatographen durchströmen. Beim Trägergas handelt es sich um die mobile Phase der Chromatographie. Der Injektor 2 ist so beschaffen, dass er den Gaschromatographen nach außen abschließt. Man kann jedoch mit einer Spritze an dieser Stelle das Stoffgemisch in den Gaschromatographen einbringen. Die Säule 3 im GC-Ofen trennt die verdampften Stoffe. Es handelt sich bei der Säule um die stationäre Phase. Bei 4 sitzt der Detektor. Es gibt unterschiedliche Detektoren. Das Funktionsprinzip unseres Detektors beruht darauf, dass er die Leitfähigkeit der Verbrennungsflamme der untersuchenden Stoffe misst. Im Zeitalter der Computer erfolgt 5, die Signalaufzeichnung, meistenteils automatisch. Anschließend wird ausgewertet. Denken ist dabei nicht nur erlaubt, sondern sogar gewünscht. Die Auswertung erfolgt im Wechselspiel zwischen Mensch und Computer. Kommen wir nun von dem Gaschromatographen zu den Säulen, Detektoren und Inertgasen. Wichtige Kenngrößen einer Säule für die Gaschromatographie sind deren Durchmesser und Länge. Diese bestimmen nämlich die Trennleistung der Säule. Bei Säulen für die Gaschromatographie hat man zwischen gepackten und Kapillarsäulen zu unterscheiden. Bei einer gepackten Säule ist das Metallrohr durch die stationäre Phase ausgefüllt. Bei der Kapillarsäule ist nur die Innenseite des Rohres mit einer dünnen Schicht an stationärer Phase bedeckt. Der Durchmesser gepackter Säulen liegt unterhalb von 1 cm, Kapillarsäulen haben einen Durchmesser von 0,1-0,5 mm. Auch in den Längen gibt es drastische Unterschiede. Die Länge einer gepackten Säule liegt in der Größenordnung von 1 m. Typische Kapillarsäulen sind 50 bis 100 m lang, ich habe aber auch gelesen, dass es Säulen von 200 m Länge gibt. Die Trennleistung einer Kapillarsäule ist 100 bis 1000 mal höher als die Trennleistung einer gepackten Säule. Kommen wir zu den Detektoren. Detektoren dienen der Feststellung chromatographierter Stoffe. Der populäre Flammenionisationsdetektor, abgekürzt FID, dient der Detektierung organischer Stoffe. Er ist überdies etwa 1000× so empfindlich wie der Wärmeleitfähigkeitsdetektor. Außerdem gibt es noch den Photoionisationsdetektor, den flammenphotometrischen Detektor, den Elektroneneinfangdetektor und viele andere. Eine große Verbreitung, weil universell einsetzbar, hat der Flammenionisationsdetektor FID. Kommen wir nun zu den Trägergasen. Die Trägergase bilden die mobile Phase bei der Gaschromatographie. Als Trägergase werden häufig die Inertgase Stickstoff und Helium verwendet. Natürlich könnte man auch die anderen Edelgase einsetzen. Man nimmt aber davon Abstand, weil die offensichtlich zu teuer sind. In jüngeren Mitteilungen habe ich Informationen über die Möglichkeit des Einsatzes von Wasserstoff gelesen. Demzufolge ist es also sinnvoll, nicht Trägergase und Inertgase gleichzusetzen. Kommen wir nun zu 4., den Chromatogrammen. Ein Chromatogramm ist eine grafische Darstellung, bei der mit zunehmender Retensionszeit die durchlaufenden Stoffe im Gaschromatograph verfolgt werden. Ein Gaschromatogramm könnte in etwa so aussehen. Man spricht hier von 5 Peaks. Das Gemisch enthält mindestens 5 reine Stoffe. Warum mindestens? Die Sache ist die: Bei ausreichender Trennleistung enthält das Gemisch 5 reine Stoffe. Eine wichtige Frage, nämlich die Identifikation der Stoffe, wurde noch nicht besprochen. Angenommen, wir wollen wissen, um welchen Stoff es sich bei 2 handelt. Ist der Stoff 2 - wir haben eine Vermutung, um wen es sich handeln könnte - im Reaktionsgemisch enthalten? Wir spritzen den Stoff 2 in das Reaktionsgemisch ein. Ist der eingespritzte Stoff tatsächlich mit dem Peak, der hier als 2 bezeichnet wird, identisch, so kommt es zu einer Veränderung des Chromatogramms. Diese besteht in einer Vergrößerung des entsprechenden Peaks. Wir können feststellen: Der Stoff 2, den wir kennen, denn wir haben ihn ja hinzugespritzt, ist im Reaktionsgemisch enthalten. Somit erweist sich die Gaschromatographie als nützliches Verfahren bei der qualitativen Analyse. Kommen wir nun zu 5., quantitative Aussagen. Die quantitative Analyse beginnt mit der Betrachtung der Peakgröße, genauer: mit dem Flächeninhalt, der sich unterhalb eines Peaks befindet. Doch die Enttäuschung ist bereits vorprogrammiert. A ist kein absolutes Maß für die Menge des zu analysierenden Stoffes. Es gibt aber einen Ausweg, und diesen finden wir in der Kalibrierung. Bei der Kalibrierung wird die Masse des Stoffes in Abhängigkeit von der Fläche unterhalb des Peaks im Gaschromatogramm untersucht. Die Kalibrierung muss für jede relevante, das heißt analytisch interessante, Verbindung durchgeführt werden. Kommen wir nun von den quantitativen Aussagen zur Zusammenfassung. Startpunkt ist ein Reaktionsgemisch, für dessen Inhalt wir eine quantitative Aussage erhalten möchten. Ein Dünnschichtchromatogramm offeriert uns nur qualitative Daten. Die Säulenchromatographie ist zuverlässig, aber zu aufwendig. Einen Ausweg aus diesem Dilemma liefert die Gaschromatographie. In einem Gaschromatographen wird die Probe mithilfe einer Spritze in die Säule, die mit einem Chromatographieofen gekoppelt ist, eingespritzt. Mit der mobilen Phase, dem Trägergas - in diesem Fall Helium - wird die Probe über die Säule geleitet. Die erfolgte Auftrennung erfolgt über den Detektor. Prinzipiell ist zu unterscheiden zwischen Gepackten und Kapillarsäulen. Die Trennleistung der Letzteren ist bedeutend höher. Der populärste Detektor ist der FID, der Flammenionisationsdetektor. Darüber hinaus gibt es noch eine Vielzahl anderer Detektoren. Als Trägergase werden Neon, Helium, aber auch Wasserstoff verwendet. Das Chromatogramm liefert bei ausreichender Trennleistung der Säule eine Information über die Anzahl der enthaltenen reinen Stoffe im Reaktionsgemisch. Quantitative Aussagen sind nun möglich, wenn man die Masse eines Stoffes gegen die Fläche unterhalb eines Peaks abträgt. Durch die Kalibrierung kann man feststellen, welche Masse an Stoff im Reaktionsgemisch enthalten ist. Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute, auf Wiedersehen.