Die Gaschromatographie (GC) ist ein leistungsfähiges analytisches Verfahren zur Trennung und Identifizierung flüchtiger Verbindungen in einer Probe. Sie beruht auf dem Prinzip der Verteilung und Trennung von Verbindungen zwischen einer stationären Phase (in der Regel eine beschichtete Kapillarsäule) und einem inerten mobilen Gas (Trägergas), das die Probe durch die Säule transportiert.
Der gaschromatographische Prozess beginnt mit der Injektion der Probe in das GC-System, typischerweise durch eine Injektionsnadel oder ein Autosamplersystem oder in unserem Fall auch durch einen Pyrolyseofen. Die verdampfbaren Bestandteile der Probe verdampfen im Injektor und werden durch das Trägergas auf die Säule transportiert.
Während die Verbindungen durch die Säule wandern, treten sie mit der stationären Phase in Wechselwirkung. Diese Wechselwirkungen hängen von den physikalisch-chemischen Eigenschaften der Verbindungen sowie von der Zusammensetzung und Beschaffenheit der stationären Phase ab. Die Trennung der Verbindungen erfolgt daher auf der Grundlage ihrer chemischen Eigenschaften wie Polarität, Molekülgröße und Wechselwirkung mit der Säule. Bei der Trennung eines Probengemisches spielen auch die Siedepunkte (bzw. Dampfdrücke) der einzelnen Verbindungen eine wichtige Rolle, so dass die Trennung der einzelnen Verbindungen durch ein speziell auf die Verbindungen abgestimmtes Temperaturprogramm des beheizten GC-Säulenofens optimiert werden kann.
Die getrennten Verbindungen gelangen schließlich nacheinander zum Detektor, der ihre Anwesenheit registriert und ein chromatographisches Signal erzeugt. Je nach Analyseaufgabe kommen in der GC verschiedene Detektortypen zum Einsatz. Jeder Detektor hat seine eigenen Stärken und Anwendungen. Die Kopplung der GC mit der Massenspektrometrie (GC/MS) ermöglicht den Nachweis sehr geringer Substanzmengen und die Strukturbestimmung der Verbindung anhand charakteristischer Massenspektren. Der am weitesten verbreitete Detektor in der GC ist der Flammenionisationsdetektor (FID), der sich hervorragend für den Nachweis organischer Verbindungen eignet. Der Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD/TCD) wird insbesondere als sehr empfindlicher Detektor in der Gasanalyse eingesetzt.
Die vom Detektor generierten Daten werden in einem Chromatogramm dargestellt, das die Intensität des Signals als Funktion der Retentionszeit der Verbindungen zeigt. Durch den Vergleich der Retentionszeiten mit bekannten Standards oder Referenzdatenbanken können die Verbindungen identifiziert werden, oder bei der GC/MS-Kopplung durch charakteristische Massenspektren.
Die Gaschromatographie in Verbindung mit verschiedenen Detektoren ist eine äußerst vielseitige und effiziente Technik zur Charakterisierung und Quantifizierung von Verbindungen in komplexen Proben. So hat sich die Gaschromatographie als leistungsfähige Methode z.B. in der Umweltanalytik, den Materialwissenschaften, der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, der pharmazeutischen Analytik und der Forensik etabliert.
Pyrolyse (Py)-GC-MS
Bei der Pyrolyse (Py) wird das Probenmaterial in einer Inertgasumgebung unter kontrollierten Bedingungen stark erhitzt, um eine thermische Zersetzung zu induzieren. Dabei werden hochmolekulare Verbindungen in kleinere Fragmente zerlegt. Diese Fragmente werden dann mithilfe der Gaschromatographie (GC) getrennt und mittels Massenspektrometrie (MS) detektiert. Mit Hilfe der resultierenden Massenspektren der bei der Pyrolyse entstehenden Fragmente ist es möglich, diese zu identifizieren und ihre Struktur zu bestimmen. Aus den charakteristischen Zersetzungsprodukten können dann Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des Ausgangsmaterials gezogen werden.
Der Vorteil der Py-GC/MS gegenüber anderen analytischen Techniken wie LC-MS und GC-MS liegt in der größeren Bandbreite analysierbarer Matrices, einschließlich Gasen, Flüssigkeiten, Feststoffen und vernetzten polymeren Materialien (lösungsmittelunlösliche Materialien). Mit dieser Analysentechnik können z.B. kleinste Mengen komplexer polymerer Proben (30 µg – 1 mg) wie Kunststoffe, Beschichtungen, Gummi, Harze, Zellulose usw. oft direkt ohne vorherige Probenvorbereitung analysiert werden. Die Py-GC-MS wird z.B. in der Materialwissenschaft zur Bestimmung der Zusammensetzung von Polymeren eingesetzt, indem sie Informationen über Monomere, Copolymere und Additive liefert.
Thermodesorption (TD)/Pyrolyse (Py)-GC-MS
Häufig wird der Pyrolyse eine zusätzliche Thermodesorption (TD) vorgeschaltet, um weitere Informationen zu erhalten. Bei der sogenannten „Double-Shot-Technik“ werden in einem ersten Schritt, der Thermodesorption, flüchtige und halbflüchtige Verbindungen aus einer festen oder flüssigen Probe bei einer ausgewählten Temperatur freigesetzt. Die während der Thermodesorptionsphasen ausgasenden Verbindungen werden mit flüssigem Stickstoff kryofokussiert und anschließend gaschromatographisch in die Einzelkomponenten aufgetrennt sowie massenspektrometrisch identifiziert. Im folgenden zweiten Schritt, der Pyrolyse, wird die Probe bei Temperaturen >550 °C vollständig zersetzt und die Zersetzungsprodukte mittels GC-MS analysiert, um neben den ausgasenden flüchtigen Verbindungen (wie z.B. Kunststoffadditive) auch Rückschlüsse auf das Probenmaterial zu erhalten.
Die TD-/Py-GC-MS hat den Vorteil, dass durch die Thermodesorption die (semi-)flüchtigen Verbindungen selektiv bei einer bestimmten Temperatur (oder mehreren Temperaturen bei der „Multi-Shot-Technik“) aus der Hauptmatrix extrahiert werden, was die Empfindlichkeit ihrer Analyse erhöht. Die zusätzliche Pyrolyse erweitert den Analysebereich auf nichtflüchtige Verbindungen, die bei einer herkömmlichen TD-GC-MS-Analyse möglicherweise nicht erfasst werden.
Weitere Infos unter: Organische Analytik
Ansprechpartner: Tim Hammerschick
