Wechselwirkungen an Oberflächen: Gaschromatographie / Massenspektrometrie (GC/MS)

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1 Wechselwirkungen an Oberflächen: Gaschromatographie / Massenspektrometrie (GC/MS) 1. Theorie 1.1 Einleitung Trennmethoden, bei denen die Stofftrennung eines Gemisches durch Verteilung zwischen einer stationären und einer mobilen Phase erreicht wird, bezeichnet man als chromatographische Methoden. Die für die Trennung verantwortlichen physikalischen Vorgänge können in zwei Gruppen eingeteilt werden: Erfolgt die Trennung durch Adsorption an der Oberfläche der stationären Phase, spricht man von Adsorptions-Chromatographie. Wird die Stofftrennung durch den Lösevorgang in beiden, miteinander nicht mischbaren Phasen bestimmt, spricht man von Verteilungs-Chromatographie. Beide Trennprinzipien kommen im Allgemeinen nicht rein, sondern im unterschiedlichen Maße gemischt vor. Eine grundlegendere Einteilung säulenchromatographischer Methoden basiert auf der Natur der stationären und mobilen Phase. Bei der Flüssigkeitschromatographie (LC, engl. liquid chromatography) befindet sich die mobile Phase im flüssigen Zustand und bei der Gaschromatographie (GC) im gasförmigen Zustand (Tab.1). Tabelle 1 Generelle Einteilung Einteilung der säulenchromatographischen Methoden Flüssigkeitschromatographie (mobile Phase: Flüssigkeit) Chromatographie Art Flüssig Flüssig Stationäre Phase Flüssigkeit, adsorbiert an einem Feststoff Zugrundeliegende Gleichgewichtsreaktion Verteilung zwischen mischbaren Flüssigkeiten Flüssig Fest Feststoff Adsorption Gaschromatographie (mobile Phase: Gas) Gas Flüssig (glc) Flüssigkeit, adsorbiert an einem Feststoff überwiegend Verteilung zwischen Gas und Flüssigkeit Gas Fest (gsc) Feststoff Adsorption glc: gsc: gas liquid chromatography gas solid chromatography Nach der chromatographischen Trennung erfolgt die Detektion. Im Laufe der Entwicklung der GC wurden Dutzende von Detektoren untersucht und eingesetzt. Bei dem im Versuch verwendeten Gaschromatographen fungiert ein Massenspektrometer (MS) als Detektor. Dieser dient nicht nur dazu, das Auftreten von Analyten am Säulenausgang zu detektieren, sondern auch Informationen über ihre Identität zu liefern. 1

2 1. Adsorptions-Chromatographie 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. 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): Die Physisorption ist durch schwache Van-der-Waals 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): Hier betragen die Adsorptionsenthalpien zwischen 80 und 600 kj/mol. Die Gleichgewichtseinstellung kann stark gehemmt sein und zum Teil sind hohe Aktivierungsenergien erforderlich. Die Chemisorption ist im Gegensatz zur Physisorption häufig nicht reversibel. Bei Adsorbentien wie Aluminiumoxid oder Kieselgel kann die Adsorption von Stoffen auf Dipol-Dipol-Wechselwirkungen (mit induzierten oder permanenten Dipolen), Wasserstoffbrückenbindungen, charge-transfer- oder -Komplexen als spezifische Wechselwirkungen zwischen polarer Adsorbens-Oberfläche und polaren Gruppen adsorbierter Moleküle beruhen. Der Gleichgewichtszustand der Grenzflächenreaktion kann durch empirisch ermittelte Gleichungen, den so genannten Adsorptionsisothermen, beschrieben werden. Aus dem Verlauf der Isothermen zweier Stoffe A und B lassen sich Aussagen über die Wirksamkeit adsorptionschromatographischer Trennungen machen (Abb. 1): Fall 1: Bei gegebener Polarität der mobilen 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 : Ändert man die Zusammensetzung und damit die Polarität der 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. Fall 3: Zeigen die Isothermen den in Abb. 1 unten wiedergegebenen Verlauf, so ziehen sich die Substanzbereiche beim chromatographischen Prozess auseinander, da die Konzentrationen nicht mehr im linearen Bereich der Adsorptionsisothermen liegen.

3 m gesamt x m m c V x = adsorbierte Gasmenge, m = Gesamtmenge an Adsorbens, c = Konzentration der Stoffe in der Lösung im Gleichgewichtszustand, V = Volumen des Lösungsmittels, in dem der Stoff verteilt ist. Abb. 1: Unterschiedliche Trennergebnisse aufgrund unterschiedlicher Adsorptionsisothermen. 3

4 Wie Fall 3 zeigt, muss bei chromatographischen Trennungen im geradlinigen Teil der Adsorptionsisothermen gearbeitet werden, um eine symmetrische Substanzverteilung zu erreichen. Dies ist bei geringeren Konzentrationen c i 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 u einer Substanz innerhalb der Trennstrecke ablesen. Verläuft die Adsorptionsisotherme steil, wird die stationäre Phase bevorzugt und die Substanz wandert entsprechend langsam. 1.3 Verteilungs-Chromatographie Die Verteilung als Trennungsmethode findet sowohl bei der Flüssig-Flüssig Chromatographie als auch bei der Gas-Flüssig Chromatographie (GC) statt. Im Fall der Flüssig-Flüssig Chromatographie kann die Verteilung eines Stoffes, der in beiden Phasen löslich ist, anhand der Abbildung einfach dargestellt werden. Abb. : Verteilung eines Stoffes auf zwei flüssigen Phasen. Für die Konzentrationen c 1 und c eines Stoffes, der in den Phasen 1 und gelöst ist, gilt c1 (1) c falls die Lösungen sehr verdünnt sind und der Stoff in beiden Lösungsmitteln monomer vorliegt. Für unterschiedliche Stoffe ist der Verteilungskoeffizient für das gleiche Lösungsmittelpaar im Allgemeinen verschieden. Der Verteilungskoeffizient eines Stoffes stellt die Gleichgewichtskonstante eines Verteilungsgleichgewichtes dar und hängt von der Art der beiden flüssigen Phasen, der Temperatur und vom externen Druck ab. Für die Berechnung von Verteilungsgleichgewichten werden die Konzentrationen c 1 und c durch die Quotienten m 1 /V 1 bzw. m /V ersetzt. Dabei ist m i die Masse eines Stoffes im Phasenvolumen V i : 4

5 c c 1 1 G () m V m V 1 V V 1 Das Verhältnis m 1 /m wird als Verteilungszahl G bezeichnet. G ist bei gleichen Volumina identisch mit. Anstelle des Verteilungskoeffizienten werden häufig prozentuale Angaben verwendet, um das Maß der Verteilung anzugeben. Im Fall der Gaschromatographie (Gas- Flüssig, glc) besteht das System aus einer gasförmigen mobilen Phase und einer flüssigen stationären Phase. Die Trennung beruht auf unterschiedlicher Verteilung des gasförmigen Stoffes in den zwei Phasen. Im Gleichgewichtszustand ist die Konzentration c eines Gases in einer Flüssigkeit bei gegebener Temperatur nach dem HENRYschen Gesetz proportional zum Partialdruck p des Gases c K p (3) mit der Gleichgewichtskonstante K, die von der Art des Gases und Flüssigkeit sowie von der Temperatur abhängt. Der Partialdruck (p) des Stoffes ist proportional zum Molenbruch (x) in der gasförmigen Mischung nach dem RAOULTschen Gesetz: p o x p (4) p 0 stellt den Dampfdruck der reinen Substanz in der Gasphase dar. 1.4 Modell der Gaschromatographie Wir wollen das Prinzip des gaschromatographischen Verfahrens anhand von Abb. 3 näher betrachten. Wir gehen davon aus, dass ein Strom des Trägergases kontinuierlich durch die flüssige Phase in einer Mischzelle strömt. Anschließend strömt das Gas durch eine Messzelle, in der seine Wärmeleitfähigkeit sich ändert, wenn in dem Trägergas eine Substanz gelöst ist. Die Messzelle ist mit einem Anzeigegerät verbunden, dessen Ausschlag proportional zur Konzentration der zu untersuchenden Stoffe in dem Trägergas ist. (Anstelle der Wärmeleitfähigkeit können grundsätzlich auch beliebige andere Stoffeigenschaften herangezogen werden). 5

6 Abb. 3: Auftrennung eines Gemisches zweier Komponenten A und B nach einmaligem Durchgang durch eine Mischzelle, y = Ausschlag des Anzeigeinstrumentes. Wir gehen davon aus, dass in der Flüssigkeit der Mischzelle ein Substanzgemisch (Komponenten A und B) gelöst ist. Beide Komponenten lösen sich in dem Trägergas und werden dadurch nach und nach aus der Flüssigkeit herausgespült. Nehmen wir an, dass sich die Komponente B in der flüssigen Phase besser löst als die Komponente A, dann reichert sich die Komponente A in der Gasphase an. Im zuerst austretenden Gas ist demnach die Komponente A angereichert. Im nachströmenden reinen Trägergas löst sich aus der Flüssigkeit bevorzugt die Komponente A aber auch allmählich die Komponente B. Nach einiger Zeit ist die Komponente A praktisch ganz herausgelöst, so dass schließlich nur noch Anteile der reinen Komponente B in die Gasphase übergehen. Schematisch ist dies in Abb. 3a so dargestellt, dass ein Gasstrom, der vorne aus der reinen Substanz A, am Ende aus der reinen Substanz B und in der Mitte aus einer Mischung beider Substanzen besteht, die Mischzelle verlässt. Beim Durchströmen der Messzelle erhält man einen Ausschlag des Messinstruments, der von Null auf ein Maximum (reine Komponente A) steigt, dann etwas abfällt (verdünnte Mischung von A und B) und schließlich ein zweites Maximum (reine Komponente B) erreicht (Abb. 3b). Schaltet man eine große Anzahl von Mischzellen hintereinander, kann die Auftrennung des Gemisches so weit gehen, dass nach Durchströmen der letzten Mischzelle die Komponenten A und B völlig getrennt in die Messzelle strömen. Den gleichen Effekt erzielt man, wenn man den Trägergasstrom durch eine lange Säule schickt, die mit einer stationären flüssigen Phase überzogen ist. Damit die Flüssigkeit nicht zusammen mit dem Gas wandert, wird sie von einer porösen festen Substanz festgehalten. Das Gaschromatogramm für diesen Fall ist in Abb. 4 dargestellt. 6

7 Abb. 4: Auftrennung eines Gemisches zweier Komponenten A und B nach dem Durchgang durch eine Säule. y = Ausschlag des Anzeigeinstrumentes. Die Retentionszeiten t A und t B bis zum Auftreten der Signalmaxima sind bei konstanter Versuchsanordnung charakteristische Größen für die betrachteten Substanzen, so dass mit Hilfe der Gaschromatographie qualitative Analysen von Substanzgemischen möglich sind. Die Flächen unter den Signalen sind, wie weiter unten gezeigt wird, proportional zu den eingegebenen Mengen A und B im Gemisch, so dass auch quantitative Analysen möglich sind. Zur Bestimmung der sog. Durchflusszeit (früher Totzeit ) gibt man zusammen mit der zu untersuchenden Substanz etwas Luft in die Trennsäule (siehe Abb. 5). Die Luft wird in der flüssigen Phase praktisch nicht gelöst und gelangt deshalb genau so schnell zur Messzelle wie das Trägergas. Das Signal, das der Luft zuzuordnen ist, erscheint zu der Zeit t 0 und wird Durchflusszeit benannt. Die Zeit t 1, nach der das Maximum des zweiten Signals erscheint, bezeichnet man als Gesamtretentionszeit. Abb. 5: Kenngrößen eines Gaschromatogramms. y = Ausschlag des Anzeigeinstrumentes. Um die Vorgänge bei der Gaschromatographie quantitativ zu erklären, nehmen wir vereinfachend an, dass sich das Trägergas nicht kontinuierlich, sondern ruckweise bewegt. Nach jeder Weiterbewegung um die Strecke Dx = u Dt (u = Strömungsgeschwindigkeit) soll sich das Gleichgewicht zwischen Gasphase und flüssiger Phase einstellen. Dt muss so groß 7

8 sein, dass der im Gas gelöste Stoff durch Diffusion in die Flüssigphase (Dicke d) eindringen kann, es muss also nach EINSTEIN und SMOLUCHOWSKI gelten d D t (5) (D = Diffusionskoeffizient des gelösten Stoffes in der Flüssigphase). Nach Abb. 6 teilen wir den Bereich, in dem das Gas mit der Flüssigkeit in Kontakt kommt, in Intervalle der Breite Dx. Innerhalb von Dt stellt sich das Gleichgewicht mit der Gasphase ein. Nach (1) gilt dann ng (6) nf n G bzw. n F = Stoffmenge des Gelösten in der betrachteten Kontaktzelle in der Gasphase bzw. in der Flüssigphase; = Verteilungskoeffizient (die Volumina der Gas- bzw. Flüssigkontaktzellen werden als gleich groß vorausgesetzt). Für die weitere Betrachtung ist es einfacher mit den Verhältnissen n n G bzw. F 1 (7) n n zu rechnen, wobei n die gesamte Stoffmenge darstellt, die in den beiden im Gleichgewicht stehenden Kontaktzellen enthalten ist. Die Konstante b hängt über ( 1) (8) mit dem Verteilungskoeffizienten zusammen. Abb. 6: Schrittweise Verschiebung der Gasphase über die Kontaktzellen der Flüssigphase (Breite x). Das Gleichgewicht wird nach den Zeiten t, t, 3t...eingestellt. 8

9 Zu Beginn des Vorgangs befindet sich die komplette Substanz in der ersten Kontaktzelle und es gilt für diese Kontaktzelle n F = n. Nach dem ersten Verteilungsschritt (Zeit t) befindet sich die Stoffmenge n G n in der Gasphase und die Stoffmenge 1 n in der Flüssigphase (Abb. 6b). Die Gasphase wird dann um eine Kontaktzelle nach rechts verschoben und es stellt sich das Gleichgewicht erneut ein. Nach der Zeit t ist 1 n die Stoffmenge in der ersten Kontaktzelle in der Gasphase; n n G ist die Stoffmenge in der zweiten. Entsprechendes gilt für die Flüssigphase (Stoffmenge n F ( 1 ) (1 ) n bzw. ( 1 ) n (siehe Abb. 6c, 6d). Allgemein gilt für eine n F beliebige Kontaktzelle in der Gasphase nach der Einstellung des neuen Gleichgewichtes und in der Flüssigphase n F n G alt n alt ( neu) n (9) G 1 n alt n alt F ( neu) (10) G F n F n G Auf diese Art wird die gelöste Substanz allmählich sowohl in der Gasphase als auch in der Flüssigphase nach rechts verschoben. Die Verteilung der Stoffmenge in der Gasphase ist für den Fall = 1 (bzw. = 0,5) in der Abb. 7 für die ersten vier Verteilungsschritte dargestellt. Abb. 7: Verteilung der Stoffmenge n G in der Gasphase in den Kontaktzellen 1,,3,... nach dem Schema in Abb. 6 mit = 1 (bzw. = 0,5). Mit Hilfe eines Computerprogramms lässt sich dieses Verfahren leicht auf eine große Zahl von Verteilungsschritten übertragen. In Abb. 8a ist das Ergebnis einer solchen Rechnung mit = 1 bzw. = 0,5 für 100 bzw. 00 Verteilungsschritte dargestellt. 9

10 Abb. 8: Verteilung der Stoffmengen n G in der Gasphase in den Kontaktzellen nach 100 bzw. 00 Verteilungsschritten. a) = 1, b) = 0,5. Vergleichen wir beide Signale innerhalb des Chromatogramms, dann sehen wir, dass sie mit steigender Zahl der Verteilungsschritte niedriger und breiter werden. Bei = 0,5 löst sich die Substanz viel besser in der Flüssigkeit als in der Gasphase, und sie wandert entsprechend langsamer. Stellen wir uns am Ende der Trennsäule einen Detektor vor, dessen Signal zur Stoffmenge n G proportional ist, dann erscheint das Signal einer Substanz um so später, je kleiner der Verteilungskoeffizient ist. 1.5 Kinetische Theorie Die Formen eines chromatographischen Signals und die Einflüsse der verschiedenen Variablen auf die Breite dieses Signals können mit Hilfe der kinetischen Theorie der Chromatographie quantitativ erklärt werden. Nach der Definition der Chromatographie wandert eine mobile Phase an einer stationären Phase vorbei. Die Moleküle der zu trennenden Substanzen sind in der Lage, sich sowohl in der mobilen als auch in der stationären Phase zu verteilen, gleichgültig, ob diese Verteilung ein Adsorptions- oder ein Lösevorgang ist. Der Ausgangspunkt der kinetischen Theorie 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 in der stationären Phase, die durch die freie GIBBSsche Enthalpie des Verzögerungsvorganges (Adsorption oder Lösung) bestimmt wird. Die Gesamtzeit des chromatographischen Vorgangs t R setzt sich aus dieser Nettoretentionszeit t s und der Durchflusszeit ohne Retention t 0 (Tot- oder Durchbruchzeit), d.h. der Zeit für den unverzögerten Transport mit der mobilen Phase, zusammen. t t 0 (11) R t s 10

11 Abb. 9: 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 säulenchromatographischer Technik, eine Elutionskurve (Abb. 9), aus der die Retentionszeiten zu entnehmen sind. Mit Elution bezeichnet man den Vorgang, bei dem die mobile Phase solange durch eine Trennstrecke (Säulenlänge) fließt, bis die einzelnen Komponenten des zu trennenden Gemisches die Trennstrecke verlassen haben. Das Signal, welches nach der Trennung erhalten wird, hat oft die Form einer GAUß-Funktion und wird im Chromatogramm als Bande oder Peak bezeichnet. Die Peak-Form wird durch statistische Unregelmäßigkeiten in der Gleichgewichtseinstellung des Stoffes zwischen den Phasen und durch Diffusionsvorgänge in ihnen bestimmt. Die Substanzen werden um so weiter auseinander diffundieren, je länger die Trennstrecke bzw. die Trenndauer ist. Als Konsequenz ergibt sich hieraus eine Verbreiterung der Banden. Dieses Modell ermöglicht eine qualitative Beschreibung des Trennvorganges und die Definition wichtiger chromatographischer Trenngrößen. 1.6 Dynamische Theorie Die dynamische Theorie kann als erweiterte Theorie der Böden angesehen werden. Zur Erlangung einer möglichst kleinen Trennstufenhöhe müssen idealer weise die folgenden Voraussetzungen erfüllt sein, die experimentell nicht in allen Teilen zu verwirklichen sind: 1. eine sofortige (ungehemmte) Gleichgewichtseinstellung der Adsorption oder Verteilung. eine lineare Adsorptions- bzw. Verteilungsisotherme 3. eine konstante Geschwindigkeit der mobilen Phase 4. eine konstante Temperatur im gesamten Bereich der stationären Phase 5. 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 11

12 Nichtgleichgewichtsbedingungen berücksichtigt. So beschreibt die VAN-DEEMTER-Gleichung ( H A B / u Cu ) den Zusammenhang zwischen der Höhe einer theoretischen Trennstufe und den dynamischen Erscheinungen. Hier beschreiben die Koeffizienten A, B und C die Beiträge der turbulenten und der longitudinalen Diffusion und des Massentransfers. Die VAN- DEEMTER-Gleichung ist von großem historischem Interesse, die Effizienz einer chromatographischen Säule wird jedoch heutzutage durch den Ausdruck H B / u C u C u (1) S M angenähert beschrieben. Dabei ist H die Bodenhöhe (in cm) und u die lineare Fließgeschwindigkeit der mobilen Phase (in cm/s). Die Größen B, C S und C M sind Koeffizienten, die durch die in Tabelle aufgeführten Gleichungen mit den Eigenschaften der Säule und des Analyten in Beziehung stehen. Tabelle : Kinetische Prozesse, die zur Bandenverbreiterung beitragen. Prozess Term in Gl. 1 Beziehung zu den Eigenschaften von Säule und Analyt Longitudinale Diffusion B/u B k D DM u u Massentransport zur und von der flüssigen stationären Phase C S u qk' d f CSu (1 k') u D S Massentransport in der mobilen Phase C M u C M u f ( d p, d D M c, u) u Erläuterung der Variablen Symbol Gebräuchliche Einheit Koeffizient der longitudinalen Diffusion B cm /s Lineare Strömungsgeschwindigkeit der mobilen u cm/s Phase Massentransferkoeffizienten in stationären bzw. C S, C M s mobiler Phase Diffusionskoeffizient in der mobilen Phase D M cm /s Diffusionskoeffizient in der stationären Phase D S cm /s Kapazitätsfaktor (Maß für die Wanderungs- k - geschwindigkeit des Analyten) Dicke des Flüssigkeitsfilmes auf der stationären d f cm Phase Säulendurchmesser d c cm Konstanten q, k D Funktion von f() 1

13 In der Säulenchromatographie ist die longitudinale Diffusion ein bandenverbreitender Prozess, bei dem die Analyten von der konzentrierten Mitte einer Bande in die verdünnteren Bereiche vor und hinter der Bandenmitte, also in Fließrichtung der mobilen Phase sowie entgegengesetzt zu ihr diffundieren. Dieser Term ist dem Diffusionskoeffizienten D M direkt proportional (Tabelle ). Die Konstante k D berücksichtigt die gehinderte Diffusion durch die Säulenpackung und wird als Obstruktionsfaktor bezeichnet. Bei gepackten Säulen weist diese Konstante einen Wert von etwa 0,6 auf, in ungepackten Säulen ist sie gleich 1. Die Massentransferkoeffizienten C S und C M müssen berücksichtigt werden, weil sich das Gleichgewicht zwischen mobiler und stationärer Phase so langsam einstellt, dass eine chromatographische Säule immer unter Nichtgleichgewichtsbedingungen arbeitet. Folglich werden die Teilchen des Analyten, die sich an der Front einer Bande befinden, mit der mobilen Phase vorwärts gespült, bevor sie Zeit haben, mit der stationären Phase ins Gleichgewicht zu kommen und somit retardiert werden. In ähnlicher Weise wird auch das Gleichgewicht am Ende einer Bande nicht erreicht, und die Teilchen bleiben hinter der sich schnell bewegenden mobilen Phase zurück. Die Bandenverbreiterung durch Massentransfereffekte kommt durch die vielen Strömungsschichten der mobilen Phase in der Säule und in der immobilisierten Flüssigkeitsschicht zustande, die die stationäre Phase bildet. Folglich benötigen die Teilchen des Analyten Zeit, um vom Inneren dieser Phasen zu ihrer Grenzschicht zu gelangen, wo der Massentransfer stattfindet. Diese Zeitdifferenz hat ein Fortdauern der Nichtgleichgewichtsbedingungen entlang der Säule zur Folge. Wenn die Geschwindigkeiten des Massentransfers in den beiden Phasen unendlich wären, würde diese Art von Bandenverbreiterung nicht auftreten. Zwar hängen das Ausmaß sowohl der longitudinalen Bandenverbreiterung als auch der Bandenverbreiterung durch Massentransfer von der Diffusionsgeschwindigkeit des Analyten ab, aber die Richtung der Diffusion ist in beiden Fällen unterschiedlich. Die longitudinale Bandenverbreiterung kommt dadurch zustande, dass sich die Teilchen in Richtungen bewegen, die parallel zum Fluss verlaufen, während die Bandenverbreiterung durch Massentransfer durch die Diffusion der Teilchen senkrecht zur Fließrichtung hervorgerufen wird. Folglich ist das Ausmaß der longitudinalen Bandenverbreiterung umgekehrt proportional der Fließgeschwindigkeit. Im Falle der Bandenverbreiterung durch Massentransfer hingegen bleibt zur Gleichgewichtseinstellung um so weniger Zeit, je schneller sich die mobile Phase bewegt. Folglich ist der Einfluss des Massentransfers auf die Bodenhöhe der Fließgeschwindigkeit u der mobilen Phase direkt proportional. Der Einfluss der einzelnen Terme auf die Bodenhöhe in Abhängigkeit von der Fließgeschwindigkeit u ist in Abb. 10 zusammengefasst. Es ist leicht zu erkennen, dass eine optimale Geschwindigkeit existiert, über der die Bodenhöhe ein Minimum durchläuft und die Effizienz der Säule am höchsten ist. 13

14 Abb. 10: Einfluß verschiedener Massentransferkoeffizienten auf die Bodenhöhe H einer Säule. Bei der Kapillar-Gaschromatographie, die in diesem Versuch zur Anwendung kommt, sind die Anteile der longitudinalen Diffusion an der Bandenverbreiterung wegen der sehr hohen Diffusionsgeschwindigkeiten in Gasen groß. Folglich sind die Minima in den H(u)-Kurven in der Gaschromatographie in der Regel sehr viel breiter. 1.7 Experimentelle Ermittlung von Säulenkenngrößen Als ein quantitatives Maß für die Effizienz einer chromatographischen Säule werden häufig zwei Ausdrücke verwendet: die Bodenhöhe H und die Zahl der theoretischen Böden N. Beide sind durch folgende Gleichung miteinander verknüpft: L N (13) H wobei L die Länge der Säule ist. Die Effizienz nimmt mit steigender Bodenzahl und abnehmender Bodenhöhe zu. Infolge der Unterschiede im Säulentyp und in der Wahl der stationären und mobilen Phase können die Unterschiede in der Effizienz beachtlich sein. So können die Bodenzahlen von wenigen hundert bis zu einigen tausend Böden variieren. H und N werden sowohl in der Literatur als auch von den Geräteherstellern häufig als Maß für die Leistungsfähigkeit einer Säule benutzt. Damit man mit diesen Zahlen zwei Säulen sinnvoll vergleichen kann, ist es erforderlich, daß sie mit demselben Analyten bestimmt wurden. Experimentell lässt sich N mit Hilfe der Peak Halbwertsbreite b 1/ und der Gesamtretentionszeit t R einfach bestimmen. Die Zahl der theoretischen Böden N ergibt sich dann aus: 14

15 N t 8 ln b R 1/ t 5,54 b R 1/ (14) In Abb. 11 ist b 1/ in Abhängigkeit von t R (in dem Fall t 1 ) für verschiedene Werte von aufgetragen. Die Punkte lassen sich für < 1 tatsächlich gut durch eine Gerade mit der Steigung b 1/ / t 1 = 0,4 verbinden. Die Bodenhöhe H ergibt sich aus: L L b1/ L w H in m 8 ln 16 (15) N t R t R (mit w = Basisbreite, d. h. die Bandenbreite zwischen den Wendetangenten einer Bande; b 1/ = Bandenbreite auf halber Höhe; t R = Gesamtretentionszeit; L = Länge der Trennsäule in m). w, b 1/ und die Gesamtretentionszeit t R müssen in der gleichen Einheit eingesetzt werden (min oder m). Abb.11: Modellrechnung für eine Gaschromatographiesäule mit N = 100 Kontaktzellen. Die Halbwertsbreite b 1/ des Signals ist in Abhängigkeit von der Gesamtretentionszeit t 1 für verschiedene Werte von dargestellt. Die Zeit t ist willkürlich gleich 1s gesetzt. N wird in Analogie zur Rektifikation als theoretische Bodenzahl der Trennsäule bezeichnet und stellt für die Trennsäule eine Konstante dar, falls die Säulentemperatur und die Geschwindigkeit des Trägergasstromes konstant gehalten werden. Im Gegensatz zur Rektifikation, bei der die Auftrennung eines Substanzgemisches allein durch die Anzahl der theoretischen Böden gegeben ist, besteht bei der Gaschromatographie die Möglichkeit, durch Variieren der Säulentemperatur den Verteilungskoeffizienten und damit den Trennvorgang zu 15

16 beeinflussen. Gemische, die sich durch Destillation grundsätzlich nicht trennen lassen (z.b. azeotrope Gemische) können gaschromatographisch durchaus trennbar sein. Wegen der endlichen Geschwindigkeit der Gleichgewichtseinstellung werden einerseits Moleküle, die aufgrund der Lage ihres 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 POISSON- Verteilung. Mit zunehmender Trennstufenzahl nimmt die Kurve die Form der Normal- Verteilung an (GAUßsche Glockenkurve, Abb. 1). Abb. 1: GAUßsche Glockenkurve. Die allgemeine Funktion dieser Kurve lautet: 1 b / h( b) e (16) mit der Standardabweichung und der Bandenhöhe h(b) an der Stelle b. Beeinflusst wird die Verbreiterung der Substanzzone durch die Strömungsgeschwindigkeit und Viskosität der mobilen Phase, durch Form, Größe und Packungsdichte der festen stationären Phase oder durch die mittlere Filmdicke und Viskosität der flüssigen stationären Phase auf dem Trägermaterial. Die Auflösung R einer Säule stellt ein quantitatives Maß für die Fähigkeit dar, zwei Analyten voneinander zu trennen. Sie ist folgendermaßen definiert: ( t1 t ) R (17) w w 1 16

17 Bei einer Auflösung über 1,5 sind die beiden Komponenten vollständig voneinander getrennt, wohingegen sie bei einer Auflösung von 0,75 nur andeutungsweise getrennt sind. Bei gegebener stationärer Phase kann die Auflösung durch Verlängerung der Säule und die damit verbundene Erhöhung der Bodenzahl verbessert werden. Daraus ergibt sich jedoch gleichzeitig eine Verlängerung der Zeit, die für die Trennung benötigt wird. 1.8 Aufbau eines Gaschromatographen Ein Gas, eine verdampfbare Flüssigkeit oder 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. 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 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 schwerflüchtige Probe, die durch externes Vorheizen bei niedriger Temperatur vom Lösungsmittel 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. Abb. 13 zeigt schematisch den Aufbau eines Gas- Chromatographen. Abb. 13: Schematischer Aufbau eines Gaschromatographen. 17

18 Die stationäre Phase befindet sich in einer Säule, die aus einem Kupfer-, Stahl- oder Glasbzw. 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 des zunehmenden Druckabfalls die optimale Strömungsgeschwindigkeit nicht in allen Teilen der Säule 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. Je nach eingesetztem Detektor muss berücksichtigt werden, 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. Die gaschromatographische Trennung bzw. die Retentionszeiten hängen von der Säulentemperatur ab. Die Veränderung der Temperatur in der GC kann in ihrer Wirkung mit der Veränderung der Polarität in der Flüssigkeits-Chromatographie verglichen werden. Ähnlich wie für die Strömungsgeschwindigkeit existiert auch für die Temperatur ein Optimum im Hinblick auf die Trennstufenhöhe und Auflösung. Die optimale Trenntemperatur liegt etwa 100 bis 00 C unter der mittleren Siedetemperatur bzw. dem höchsten Siedepunkt eines Gemisches. Säulenöfen werden zwischen 0 und 400 C betrieben. Elektronische Einheiten regulieren die Temperatur im Probeneingabeteil und im Detektorraum. Im Falle der GC/MS steht als Detektor ein Massenspektrometer zur Verfügung, mit dessen Hilfe eine Art Gaschromatogramm (TIC = total ion count = Totalionenstrom) erstellt wird und die getrennten Analyten massenspektrometrisch untersucht werden können. 18

19 1.8.1 Gepackte Trennsäulen Die Leistungsfähigkeit gepackter Säulen kann durch folgende Größen charakterisiert werden: 1. Trennleistung (Trennstufenzahl N) für zwei aufeinander folgende n-alkane. Selektivität r für eine bestimmte Trennaufgabe 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 (Abb. 14). Als Belastbarkeit wird die Substanzmenge angegeben, bei der die Trennleistung auf 90 % des Maximalwertes gesunken ist. Abb. 14: 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 z.b. 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 3): 1. thermische Beständigkeit. geringer Dampfdruck bei der erforderlichen Temperatur 3. geringe Viskosität bei der Temperatur 4. keine Reaktion mit Trägermaterial und zu trennenden Substanzen 5. hohe Selektivität r für das zu lösende Trennproblem. 19

20 Tabelle 3: Auswahl der stationären Phase für die Trennung von Stoffgruppen unpolare Phase Siliconöle, Squalan, Apiezonfette (Erdöl-Fraktionen) mittelpolare Phase polare Phase Ester, z.b. Ethylenglykolphtalat, -succinat, Polyester oder Polyether sowie Polyethylenoxide Stoffe mit Cyan-Gruppen Die folgenden vier Kräfte sind für die Selektivität der Trennsäule von Bedeutung, wobei mit zunehmender Größe dieser Kräfte die Retentionszeit eines Stoffes zunimmt. 1. LONDON-Kräfte (zwischenmolekulare Kräfte zwischen zwei nicht polaren Stoffen). KEESOM-Kräfte (Orientierungskräfte aus dem Zusammenwirken permanenter Dipole) 3. DEBYE-Kräfte (auf induzierten Dipolen beruhend) 4. chemische Bindungskräfte (charge-transfer-komplexbindungen). Die Kräfte 1 bis 3 fasst man i.d.r. als VAN-DER-WAALS-Wechselwirkungen zusammen Kapillar-Säulen GC Kapillar-Säulen haben einen Durchmesser von 0,1 bis 1 mm und eine Länge von 30 bis 300 m und zeichnen sich durch besonders hohe Trennleistungen (hohe Trennstufenzahlen) aus. Gegenüber gepackten Säulen enthalten sie kein Trägermaterial (keine Packung) für die Trennflüssigkeit. Es gibt zwei Arten von Kapillar-Säulen: 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. (WCOT: wall-coated open tubular). Dünnschicht-Kapillaren, die auf der inneren Wandung eine dünne Schicht feinen Trägermaterials besitzen, die mit der flüssigen Phase belegt ist. (SCOT: support-coated open tubular) 0

21 Abb. 15: 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 von 0,1 bis zu maximal 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 Kapillarsäulen das Volumen, das ohne Peakverbreiterung injiziert werden kann, infolge geringer Trägergasströme begrenzt. Man dosiert ein größeres Probenvolumen (bis ca. 1 μl) bei hohen Gasströmen und teilt nach der Verdampfung das Gasgemisch in zwei ungleiche Ströme (Splitten). Abb. 15 zeigt Querschnitte der beiden verschiedenen Kapillarsäulen. Alle Vorteile der Kapillarsäulen gegenüber gepackten Säulen, vor allem geringere Trennstufenhöhen, höhere Trennstufenzahlen und kaum störende Adsorptionseffekte, ergeben sich aus der fehlenden Packung, dem somit geringeren Strömungswiderstand für die mobile Phase und der dadurch möglichen größeren Säulenlänge. Tabelle 4 zeigt den Vergleich einiger Daten von gepackten und Kapillar-Säulen. 1

22 Tabelle 4: Vergleich von gepackten und Kapillar-Säulen gepackte Säule Dimension Kapillar-Säule Dünnfilm- Dünnschicht Innerer Durchmesser 1-10 mm Länge 1-10 m Länge bei gleichem Druckabfall 1.8 m 10 Lineare Geschwindigkeit (z.b.) 6.8 cm/s Vergleich von k -Werten Auflösung* Analysenzeit* 30. min Trennstufenzahl Trennstufenhöhe* 0.71 mm Trägergasgeschwindigkeit ml/min Belastbarkeit bis 10 μl * für das Stoffpaar Methyloleat/Methylstearat 1.9 Detektion in der Gaschromatographie Bei der normalen Gaschromatographie gibt es eine Reihe verschiedener Detektoren. In diesem Versuch wird jedoch ein Massenspektrometer als Detektor verwendet. Dennoch sei als Beispiel der gebräuchlichste Detektortyp, der Flammenionisationsdetektor (FID), kurz erläutert Flammenionisationsdetektor In einem FID (Abb. 16) 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 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. Abb. 16: Flammenionisationsdetektor (FID)

23 1.9. Massenspektrometer Befinden sich in der Gasphase positiv geladene Teilchen, so werden sie durch ein homogenes Magnetfeld proportional zu ihrer Masse aufgetrennt. Dies ist das Grundprinzip der Massenspektrometrie. Ein klassisches Massenspektrometer läßt sich in vier Funktionsabschnitte unterteilen: Probenzuführung, Ionen-Erzeugung, Massentrennung und Ionen-Nachweis (Abb. 17). Die Ionenerzeugung und die Vorgänge im sog. Analysatorteil also Massentrennung und Ionennachweis - finden im Hochvakuum statt, um unfreiwillige Zusammenstöße zwischen Ionen und Molekülen oder Atomen zu vermeiden. Der Druck im Ionen-Erzeugungsteil beträgt 10-3 bis 10-4 Pa und im Analysatorteil 10-6 bis 10-7 Pa. Abb. 17: Schematische Darstellung eines Massenspektrometers. Die Probe wird aus der GC Trennsäule in das Massenspektrometer zugeführt. Dabei sind nur sehr geringe Substanzmengen nötig (10-9 bis g). Das Ende der Säule wird in die Ionenquelle des Massenspektrometers geführt, so dass die aus der Säule ausströmenden Komponenten der Reihe nach direkt ionisiert und gemessen werden können. Die Ionisation der einströmenden Komponenten erfolgt durch Elektronen-Stoß-Ionisation (EI). Vom Einlasssystem strömt der Molekülstrahl in die Ionenquelle und trifft dort senkrecht auf einen Elektronenstrahl (zwischen Glühkathode und Anode). Die Potentialdifferenz zwischen Kathode und Anode ist variabel zwischen 0 und 300 V. Durch Wechselwirkung der Elektronen mit den neutralen Molekülen entstehen positiv geladene Molekül-Ionen: M + e - M + + e - oder seltener M + e - M + + 3e - Die nichtionisierten Teilchen werden durch die Hochvakuumpumpen aus dem Ionenquellen- Raum entfernt. Die in der Ionenquelle entstandenen Ionen hingegen werden nun beschleunigt und fokussiert. Die Beschleunigung der Teilchen geschieht durch Anlegen einer Spannung an 3

24 die Quelle ( bis 10 kv), wobei die Endgeschwindigkeit am Austrittsspalt erreicht wird. Die Fokussierung, d.h. die Bündelung der Ionen, wird durch elektrostatische Zusatzfelder erreicht. In dem im Versuch benutzten Massenspektrometer wird die Trennung der Ionen durch ein sog. Quadrupol-System erreicht (Abb. 18). Das Quadrupol-Massenspektrometer enthält vier konzentrisch parallel zueinander angeordnete runde Stabelektroden. An jedes Paar gegenüberliegender Elektroden legt man eine Gleichspannung U, die von einer hoch frequenten Wechselspannung V cos t überlagert wird. Der Ionenstrahl im Inneren des Stabsystems wird durch das Hochfrequenzfeld zu einer Trajektorien gezwungen, die Schwingungen ähneln und die massenabhängig sind. Nur für Ionen einer bestimmten Masse bleibt die Schwingungsamplitude so klein, dass sie das System passieren und in den Auffänger gelangen (Abb. 19). Die anderen Ionen treffen auf die Stäbe und werden eliminiert. Durch Ändern der Werte für Gleich- und Wechselspannung kann das Massenspektrum durchfahren werden. In seinen Hauptleistungsdaten wie Massenbereich, Auflösung und Genauigkeit der Massenbestimmung ist das Quadrupolgerät eher mäßig. Infolge seines günstigen Preis/Leistungs-Verhältnisses ist es allerdings das am häufigsten verwendete Massenspektrometer. Abb. 18: Schematische Darstellung eines Quadrupols 4

25 Abb. 19: Links: zx-ebene, rechts: zy-ebene des Quadrupolfilters 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 (Abb. 0). Solange nur reines Trägergas aus der Säule in den Detektor gelangt, wird die so genannte Basislinie aufgezeichnet. 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 des Massenstroms bis zu einem Maximum an und fällt danach wieder auf die Basislinie ab. Auf diese Weise wird für jede eluierte und getrennte Komponente der Mischung ein Peak erhalten. Die Summe aller Peaks bildet das Chromatogramm. Die Peakform erlaubt 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. 5

26 Abb. 0: Isothermes Gaschromatogramm, registriert mit einem Differentialdetektor (E Einspritzpunkt, G Gaspeak). 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 t 0 ) 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 (Temperaturgradient). Durch kontinuierliche Veränderung des Trägergasdruckes am Säulenanfang können auch strömungsprogrammierte Trennungen durchgeführt werden. Beide Verfahren der Programmierung von Temperatur und Strömung dienen zur Beschleunigung von Trennungen. Literatur - Peter W. Atkins, Physikalische Chemie,. Auflage, VCH Verlag, s (Kap. 8.5 Adsorption an Oberflächen) - D. A. Skoog, J. J. Leary, Instrumentelle Analytik, 4. Auflage, Springer Verlag (Kap. 18, 5) 6

27 . Aufgabenstellung: Analyse einer flüssigen Mischung Ein Gemisch aus fünf Substanzen o-bromanisol, 4-Brom-Iodbenzol, Benzophenon, 1,1- Diphenylethylen und Tetradecan (interner Standard!!!) wird gaschromatographisch getrennt. Die Trennung wird bei drei unterschiedlichen Temperaturen (10 C, 160 C, 00 C) durchgeführt. Durch Messung von vier Kalibrierlösungen bei der Temperatur, die sich für die Trennung als optimal erweist, soll die Zusammensetzung des Gemisches quantitativ bestimmt werden. Aufgaben: 1. Beschreiben Sie den Aufbau und die Funktionsweise eines Gaschromatographen mit Massendetektor.. Erläutern Sie die chromatographischen Trennprinzipien. 3. Berechnen Sie die Molekülmassen der verwendeten Verbindungen und identifizieren Sie die Substanzen im Gaschromatogramm anhand ihrer Molekülionenpeaks. 4. Tragen Sie die Halbwertsbreite b 1/ gegen die Gesamtretentionszeit t R auf, und berechnen Sie die Anzahl der theoretischen Böden N für die 10 C-Isotherme. 5. Berechnen Sie die Höhe eines theoretischen Bodens. 6. Berechnen Sie aus der Trägergasgeschwindigkeit u und der Säulenlänge L die Durchflusszeit der Chromatographiesäule. 7. Berechnen Sie für die 10 C- und die 160 C-Isotherme die Kapazitätsfaktoren k und die Verteilungskoeffizienten α aller Substanzen. 8. Bestimmen Sie den Selektivitätsfaktor (Trennfaktor) aus den Kapazitätsfaktoren k und die Auflösung R für die Substanzen o-bromanisol und 4-Brom-Iodbenzol sowie für 1,1- Diphenylethylen und Benzophenon bei 10 C und 160 C aus der Gesamtretentionszeit t R und der Basisbreite w der Peaks. Diskutieren Sie die Ergebnisse. 9. Ermitteln Sie mit Hilfe der Kalibrierlösungen die quantitative Zusammensetzung des Gemisches und vergleichen Sie die Ergebnisse mit den Werten der Flächenintegration aus dem Chromatogramm. 10. Ordnen Sie den Hauptsignalen in den Massenspektren von 4-Brom-Iodbenzol, Tetradecan und Benzophenon die entsprechenden Fragmente zu. 7

28 3. Anhang L 1. Totzeit: u t0 t. Kapazitätsverhältnis: 3. Verteilungskoeffizient: 0 L u t k' 4. Anzahl theoretischer Böden:, u: He-Trägergasgeschwindigkeit, L: Säulenlänge R t 0 t 0 r k' d f, t R : Gesamtretentionszeit, r: innerer Säulenradius, d f : Filmdicke t R N 16 w 1000L w 5. Bodenhöhe: H 16 in mm t R ( t1 t ) 6. Auflösung (isotherm): R w w k1' 7. Trennfaktor: k ' 1 Säulenangaben - Länge: 30 m - Filmdicke: 0,5 µm - Innendurchmesser: 0,5 mm - Außendurchmesser: 0,36 mm Ergänzungen - Halbwertsbreite GAUß-Peak: b 1/ =,354 - Basisbreite w GAUß-Peak : w = 4 - Aus der Halbwertsbreite kann demzufolge leicht die Basisbreite errechnet werden 8