GC-Säulen

Bei der Auswahl der passenden GC-Säule kommt es vor allem auf vier Faktoren an:

• stationäre Phase
• Innendurchmesser
• Länge
• Filmdicke

Die Parameter sollen im Folgenden genauer beschrieben werden und sollen helfen die Auswahl der passenden Säule zu erleichter.

Die einfachste Methode bei der Auswahl der stationären Phase ist eine Recherche in den Herstellerdatenbänken oder in der Literatur. Selbst wenn keine exakt passende Applikation gefunden wird, kann dies dennoch die Wahl der stationären Phase zumindest einschränken. Brauchen Sie Hilfe bei der Suche nach passenden Applikationen? Kontaktieren Sie uns! Wir unterstützen Sie gerne bei der Suche nach passenden Säulen.

Wenn sich keine Applikationen finden lassen, kann die Selektivität und die Polarität einer GC-Säule weiterhelfen. Die Selektivität beschreibt dabei die Eigenschaft der stationären Phase zwei Analyten voneinander zu trennen. Dies geschieht auf Grund unterschiedlicher Wechselwirkungen zwischen der stationären Phase und den Analyten. Die wichtigsten Wechselwirkungen sind Dispersion, Dipol-Dipol Wechselwirkung und Wasserstoffbrückenbindungen.

Die Polarität wiederum wird durch die Modifizierung der stationären Phase festgelegt und bestimmt auch die Art der Wechselwirkungen. So lassen sich bei fast allen Herstellern eine Reihenfolge von unpolaren bis polaren GC-Säulen finden. Polare Phasen bieten mehr polare Wechselwirkungen und daher werden polare Analyten auch länger retardiert. Die Wahl der Polarität einer Säule beeinflusst also direkt auch die Selektivität der stationären Phase und umgekehrt.

Sortierung der Tabelle nach zunehmender Polarität

Basierend auf dieser Übersicht kann eine Art der stationären Phase je nach Analyten ausgewählt werden. Unterscheiden sich die Analyten in ihren Dipolmomenten, so sollte eine Säule ausgewählt werden, die ebenfalls Dipol Eigenschaften besitzt. Haben die Analyten eine unterschiedlich starke Ausprägung zur Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen, dann sollte eine Säule ausgewählt werden, die Wasserstoffbrückenbindungen ermöglicht. Hier gilt der Grundsatz: “Gleiches löst Gleiches”.

Falls die Retention erhöht oder die Selektivität einer funktionellen Gruppe verändert werden soll, kann eine stationäre Phase mit mehr dieser funktionellen Gruppe verwendet werden. Zum Beispiel kann anstatt einer 5% eine 50% Phenyl-Phase eingesetzt werden. Dadurch werden die Wechselwirkungen verstärkt und die Selektivität ändert sich.

Hierbei gilt es jedoch zu beachten, dass immer die Phase mit der geringst möglichen Polarität eingesetzt werden sollte, da diese Phasen weniger zum Phasenbluten neigen, als polarere Phasen.

PLOT-Säulen (Porous Layer Open Tubular) und gepackte Säulen werden für permanente Gase und sehr leicht flüchtige Stoffe eingesetzt. Die PLOT-Säulen sind Kapillarsäulen, die ähnlich zu Standardsäulen eine hohe Trennleistung und schmale Peaks zeigen. Jedoch ist die Beladbarkeit solcher Säulen gering. Für die Beschichtung der Kapillare kommen verschiedene Materialien wie z.B. Aluminiumoxid, Molekularsiebe oder Kohlenstoffmaterialien.

Gepackte Säulen haben einen größeren Durchmesser und sind gefüllt mit der stationären Phase (ähnlich wie in der HPLC). Durch die kürzeren Säulen mit größerem Innendurchmesser ist die Trennleistung meist schlechter aber dafür sind große Probenmengen injizierbar.

Je nach Anwendung der Säule kann entweder eine PLOT- oder eine gepackte Säule sinnvoll sein. PLOT-Säulen können beispielsweise in der Spurenanalytik oder mit der MS eingesetzt werden. Während gepackte Säulen häufig bei der Prozesskontrolle oder Routineanalytik zum Einsatz kommen.

Je kleiner der Innendurchmesser, desto höher ist die Bodenzahl pro Meter. Aber auch der benötigt Vordruck nimmt mit kleinerem Innendurchmesser stark zu. Auf Grund des hohen Vordrucks bei kleinen Innendurchmessern werden Standardanalysen meist mit 0.18mm oder größerem Innendurchmesser durchgeführt. Bei GC-MS Anwendungen senkt das Vakuum den benötigten Vordruck ab, sodass auch kleinere Innendurchmesser eingesetzt werden können.

Wenn eine hohe Durchflussrate (Trägergasflussrate) benötigt wird, wie z.B. bei Headspace Anwendungen, werden Säulen mit größerem Innendurchmesser verwendet (0.45mm oder 0.53mm), um den benötigten Vordruck zu minimieren.

Ein weiterer Punkt bei der Auswahl des passenden Innendurchmesser spielt die Beladbarkeit der Säule. Je größer den Innendurchmesser einer Säule, umso höher ist die Beladbarkeit.

Folglich lässt sich eine allgemeine Empfehlung zusammenfassen: Für eine möglichst große Effizienz (Trennleistung) sollte ein möglichst kleiner Innendurchmesser (0.18mm oder 0.25mm) verwendet werden. Ein Innendurchmesser von 0.18mm oder kleiner eignet sich für die GC-MS. Falls größere Probenmengen untersucht werden sollen, kann eine 0.32mm Säule eingesetzt werden. Wenn hohe Durchflussraten erforderlich sind, kommen Säulen mit 0.45mm oder 0.53mm Innendurchmesser zum Einsatz.

Mit zunehmender Länge einer GC-Säule nimmt auch die Bodenzahl (Effizienz) der Säule zu. Allerdings führt eine längere Säule auch zu einer längeren Retention und einem höheren Gegendruck. Des Weiteren zeigt eine längere Säule auch ein größeres Säulenbluten, da mehr stationäre Phase vorhanden ist. Dies ist jedoch oft nur in geringerem Umfang zu beobachten.

Die Standardlänge einer GC-Säule beträgt 25-30m und kann auch bei unbekannten Proben verwendet werden. Bei leichten Trennproblemen oder sehr wenigen Verbindungen können kurze Säulen (10-15m) eingesetzt werden. In Verbindung mit kleinen Innendurchmesser kommen ebenfalls oft kurze Säulen zum Einsatz, um den Vordruck zu reduzieren. Lange Säulen (50-60m) sollten nur eingesetzt werden, wenn eine Steigerung der Auflösung nicht auf anderem Wege erreicht werden kann oder sehr komplexe Proben vorliegen, die viele Substanzen erhalten.

Der Nachteil einer langen Säule ist immer die längere Analysenzeit und die höheren Kosten in der Anschaffung.

Eine größere Filmdicke bedeutet, dass mehr stationäre Phase vorhanden ist, was zu einer längeren Retention führt. Daher werden Säulen mit einer größeren Filmdicke insbesondere bei Analyten eingesetzt, die sehr schnell eluieren oder leicht flüchtig sind. Dazu zählen Lösungsmittel oder auch bestimmte Gase. Ein weiterer Effekt ist dabei, dass auch die Temperatur zunimmt, unter der eine Elution beobachtet wird. Ein dickerer Film liefert bei einer höheren Temperatur eine gleich oder längere Retention. Dünnere Filme hingegen reduzieren die Retention und kommen daher bei stark retardierenden Analyten zum Einsatz. Außerdem wird hier die benötigt Temperatur zur Elution verringert. Dadurch sind bei geringeren Temperaturen gleiche oder frühere Elution der Analyten zu beobachten. Durch diese Effekte werden Säulen mit dickem Film bei sehr flüchtigen Verbindungen und Gasen eingesetzt. Säulen mit einem dünnen Film kommen bei hochsiedenden Analyten zum Einsatz.

Ein dickerer Film geht allerdings mit einem größeren Säulenbluten einher. Dadurch können spät eluierende Peaks vom Säulenbluten überlagert werden. Daher liegt auch die Temperaturgrenze bei größeren Filmdicken niedriger im Vergleich zu dünneren Filmen.

Durch einen dickeren Film sind die Kapillarwände besser abgeschirmt, wodurch eine Säule inerter wird. Aus diesem Grund kann auch häufig ein Peaktailing durch einen dickeren Film reduziert oder vermieden werden.

Ein dickerer Film zeigt auch eine höhere Kapazität im Vergleich zu dünneren Filmen. Wenn Analyten in großen Mengen in einer Probe vorliegen, zeigt ein dünner Film oft sehr breite Peaks. Dadurch können diese Peaks andere überlagern. Hier kann der Einsatz eines dickeren Films zu schmäleren Peaks und besserer Trennung führen.

Da die Filmdicke natürlich auch vom Innendurchmesser der Säule abhängt, gibt es einige Empfehlungen. Bei Säulen mit 0.18-0.32mm Innendurchmesser werden standardmäßig 0.18-0.25µm dicke Filme verwendet. Säulen mit einem Innendurchmesser von 0.45-0.53mm werden oft mit Filmdicken von 0.8-1.5µm eingesetzt. Dickere Filme kommen bei flüchtigen Verbindungen zum Einsatz, sind inerter und haben größere Probenkapazitäten. Jedoch ist das Säulenbluten größer und die Temperaturgrenzen geringer. Dünnere Filme werden bei hochsiedenden Analyten eingesetzt, sind weniger inert und haben eine geringere Probenkapazität. Aber die Temperaturgrenze liegt in der Regel höher und es ist nur ein minimales Säulenbluten zu beobachten.