Analytische Chemie
(für Biol. / Pharm. Wiss.)
Teil: Trenntechniken (Chromatographie, Elektrophorese)
Dr. Thomas Schmid
HCI D323
schmid@org.chem.ethz.ch http://www.analytik.ethz.ch/
Gaschromatographie (GC)
Gaschromatographie (GC)
Mobile Phase: gasförmig Stationäre Phase: flüssig
Gaschromatographie (GC)
Mittels Gaschromatographie (GC) lassen sich nur Analyten untersuchen, welche sich unzerstört verdampfen lassen (ca. 10–20% der bekannten org. Moleküle) (also v.a. kleine, unpolare, flüchtige Moleküle)
Die Betriebstemperatur des Gaschromatographen muss aber nicht über dem Siedepunkt der Analyten liegen.
Die Flüssigchromatographie (LC) hat ein viel breiteres Anwendungsfeld, da man mit ihr auch thermolabile und grosse Moleküle trennen kann:
z.B.
kleine ungeladene Moleküle
anorganische und organische Ionen Organometallkomplexe
Polymere
grosse (Bio-)Moleküle (z.B. Proteine)
Gaschromatographie (GC)
Vorteile der GC gegenüber der LC:
• Kapillarsäulen haben sehr hohe Bodenzahlen (bis ca. 200 000)
• schmale Peaks
• hohe Peakkapazität (viele basisliniengetrennte Peaks in einem Chromatogramm)
• Untersuchung komplexer Proben
• GC-Detektoren sind sehr empfindlich
• Quantifizierung im Bereich sehr kleiner Konzentrationen möglich
• Spurenanalytik
Typisches Problem:
• Kapillarsäulen werden leicht überladen
• Überladungseffekte, asymmetrische Peaks
• Abhilfe: Verdünnung der Proben oder Split-Injektion
Gaschromatographie (GC)
Derivatisierung
Überführung von Analyten mit hohem Siedepunkt in leichtflüchtige Derivate
Absättigung polarer funktioneller Gruppen (z.B. –OH, –NH2, –COOH) mit apolaren Strukturen (z.B. –Si(CH3)3, –CH3)
Beispiele
Silylierung von Alkoholen, Aminen und Thiolen
R OH +
CH3 Si Cl
CH3 CH3
- HCl
CH3 Si O
CH3 CH3 R
R OH +
CH3 Si O
CH3 CH3 R
H3C
O
N
Si(CH3)3
Si(CH3)3
+ H3C
OH
NSi(CH3)3 Trimethylchlorsilan (TMCS)
N,O-bis-(trimethylsilyl)acetamid (BSA)
R COOH +
- N2
Diazomethan N+ H
H
N- R COOCH3
Alkylierung von Carbonsäuren
Gaschromatographie (GC)
(1) Trägergas (3) Säule im Säulenofen (5) Signalaufzeichnung (2) Injektor (4) Detektor (hier FID)
GC: Injektor
Splitless-Split-Injektion
• Mikroliterspritze durchstösst ein Septum
• Injektion der Probe (Analyten + Lösungsmittel) in geheiztes Rohr (Verdampfer, Liner)
• Schlagartiges Verdampfen der Probe
• Trägergas transportiert die Probenmoleküle zur Säule
(A) Trägergas
(B) Septumspülung (C) Splitfluss
GC: Injektor
Splitless-Split-Injektion
Splitverhältnis= Splitfluss Säulenfluss
• Bei der Split-Injektion gelangen weniger Probenmoleküle zur Säule
• Verringerung von Überladungseffekten
• Äquivalent zur Verdünnung der Probe
(Verdünnung ist zusätzlicher Arbeitsschritt Fehlerquelle)
GC: Injektor
Headspace-Technik
(1) Beprobung der Gasphase (headspace) über einer flüssigen Probenlösung
(2) Injektion der
flüchtigen Analyten in die Säule
• Analyse flüchtiger Substanzen
• Abtrennung nicht flüchtiger Matrixbestandteile
• Beispiel: Bestimmung des Blutalkoholgehaltes
GC: Mobile Phase
• Häufigste Trägergase:
N2, He, H2
• Mobile Phase wechselwirkt nicht mit stationärer Phase oder Analyten
• Mobile Phase dient nur zum
Transport der Analyten durch die Säule
• Das Trägergas beeinflusst die
Trenneffizienz bzw. die Bodenhöhe
• Viskosität:
H2 < He < N2
• Diffusionskoeffizienten der Analyten in der mobilen Phase:
N2 < He < H2
• Beste Trenneffizienz um ca. u = 1 mL/min mit H2 und He. N2 ist kostengünstiger.
H = A + B
u + C u
B ! D
M CM ! 1 DMGC: Stationäre Phase
• Bei Betriebstemperatur flüssige stationäre Phasen
• Gepackte Säule: Partikel im 100-µm-Bereich beschichtet mit stationärer Phase
• Kapillarsäule: stationäre Phase als dünner Film auf der Innenwand einer Kapillare Die 10–60 m langen Kapillarsäulen haben um 1–2 Grössenordnungen höhere
Bodenzahlen schmalere Peaks höhere Auflösung
Heute werden in der analytischen GC fast ausschliesslich Kapillarsäulen eingesetzt
gepackte Säule Kapillarsäule
GC: Stationäre Phase
Zeit Zeit
Gepackte Säule: Kapillarsäule:
Chromatogramm eines bei einer Brandstiftung gefundenen Brandbeschleunigers Vergleich der GC-Trennungen mit einer gepackten- und einer Kapillarsäule
GC: Stationäre Phase
• Polarität der stationären Phase häufig ähnlich der Polarität der Analyten
• Analyten häufig flüchtige, unpolare Moleküle
• Standardphasen: apolare Dimethylsiloxan-Phasen
• Auf apolaren Phasen werden apolare Analyten gemäss ihren Siedepunkten getrennt.
• Elutionsreihenfolge / Retentionszeit: niedriger Siedepunkt < hoher Siedepunkt Si
O
Si O Si
O Si
O Si
O Si O CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3
CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3
... ...
GC: Stationäre Phase
Polare Phasen: Neben dem Siedepunkt ist auch die Polarität der Moleküle ein Trennkriterium.
O Si CH3
CH3 100%
O Si Si
CH3
CH3 O
5%
95%
O Si Si
CH3
CH3 O CN
14%
86%
O
100%
Poly(dimethylsiloxan)
Poly(5%-diphenyl-95%-dimethylsiloxan)
Poly(14%-cyanopropylphenyl- 86%-dimethylsiloxan)
Polyethylenglykol
X-1
X-5
X-1701
X-Wax
apolar
polar
Zunahme der Polarität
Struktur Name Kürzel Polarität
Gaschromatographie (GC)
http://www.youtube.com/watch?v=08YWhLTjlfo
Optimierung einer GC-Trennung
Ziel der Optimierung:
Effiziente Trennung (mit R
S> 1.5) in möglichst kurzer Analysenzeit
R
S= !" 1
!
#
$ % &
' ( k
21 + k
2#
$ % &
' ( N 4
#
$ % &
' (
Einfluss der stationären Phase
Trennung von (1) p-Xylen, (2) m-Xylen, (3) Decan und (4) Undecan auf (a) einer apolaren Polydimethylsiloxan- und (b) einer polaren Polyethylenglycol-Phase.
RS =
!
"1!
#
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' ( k2 1+ k2
#
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' ( N
4
#
$ % &
' (
k = tR !tM
tM = t " R
tM
! = t " R2
"
t R1 = KC2 KC1
Einfluss der Säulenlänge
Trennung verschiedener Kohlenwasserstoffe mit unterschiedlich langen GC-Säulen. Analyten: (A) n-Nonan, (B) 2-Octanon, (C) n-Decan, (D) 1-Octanol, (E) 2,6-Dimethylphenol, (F) n-Undecan, (G) 2,4-Dimethylanalin, (H) Naphthalen, (I) n-Dodecan. Stationäre Phase: Poly(dimethylsiloxan).
RS =
!
"1!
#
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' ( k2 1+ k2
#
$ % &
' ( N
4
#
$ % &
' (
L = 2.5 m
L = 5 m
L = 12 m
L = 25 m
N = L H
RS ! N bzw. RS ! L Analysendauer ! L
Einfluss des Säuleninnendurchmessers
Zwei Trennungen, die – bei sonst gleichen Bedingungen – mit zwei Säulen mit unterschiedlichem Innendurchmesser (ID = 0.1 und 0.25 mm) durchgeführt wurden. Der geringere Säuleninnendurchmesser im oberen Chromatogramm bewirkt eine höhere Auflösung.
RS = !"1
!
#
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' ( k2 1+k2
#
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' ( N
4
#
$ % &
' (
k = t ! R
tM = KC
"
k ! 1
"
! = VM VS
GC-Trennungen, die mit verschiedenen Filmdicken der stationären Phase durchgeführt wurden (0.25 µm, 0.5 µm und 1 µm). Ein dickerer Film bewirkt niedrigeres Phasenverhältnis und damit höhere Retentionsfaktoren und Auflösungen, was jeweils exemplarisch an zwei Peaks gezeigt ist.
RS = !"1
!
#
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' ( k2 1+k2
#
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' ( N
4
#
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' (
k = t ! R
tM = KC
"
k! 1
"
! = VM VS
Einfluss der Filmdicke
Einfluss der Säulentemperatur
Trennung zweier Substanzen bei verschiedenen Säulentemperaturen. Eine geringere Temperatur bewirkt höhere Verteilungskonstanten KC und damit höhere Retentionsfaktoren k und eine höhere Auflösung RS. Höhere Retentionsfaktoren bewirken aber auch längere Retentions- und Analysenzeiten. Das Ziel der Optimierung, nämlich eine effektive Trennung (RS > 1.5) in kurzer Zeit, wäre hier bei einer Temperatur um 55°C erreicht.
RS = !"1
!
#
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' ( k2 1+k2
#
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' ( N
4
#
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' (
KC = cS
cM = f T
( )
k = t ! R
tM =KC VS
VM = KC
"
Einfluss der Säulentemperatur
Gradientenelution
Höhere Temperatur höhere Elutionskraft
Wie in der LC: Meist Erhöhung der Elutionskraft während der Gradiententrennung
Temperatur-Gradienten-Programm 70°C
70°C
220°C isotherme Bedingungen
Zeit
GC-Trennung bei konstanter Temperatur (oben) und mit einem Temperaturgradienten (unten). Die Probleme der langen Analysenzeit und der Peakverbreiterungen im oberen Beispiel werden durch die
ansteigende Säulentemperatur im unteren Beispiel verringert.
5 min
10°C/min 15 min
Einfluss des Splitverhältnisses
Überladungseffekte sind ein typisches Problem in der GC
asymmetrische Peaks
Abhilfe:
Verdünnung der Probe oder Erhöhung des Splitverhältnisses
Gaschromatographie (GC)
Detektoren
Herbstsemester 2011 ETH Zurich | Dr. Thomas Schmid | schmid@org.chem.ethz.ch
Flammenionisationsdetektor (FID)
26
(1) C-haltige Analyten reagieren zu CH4 (2) Umsetzung über
Radikale zu CHO+ Nur eines von 100’000 bis 1’000’000 C-Atomen reagieren zu CHO+
Signal = Ionenstrom
• Am häufigsten eingesetzter GC-Detektor
• Erfasst alle kohlenstoffhaltigen Analyten (fast universell)
• Nachweisgrenze ca. 1 pg/s (10-12 g/s), Linearbereich >106
• Empfindlichkeit ungefähr Anzahl C-Atome im Analytmolekül
(aber an Heteroatome gebundene C-Atome werden seltener, Carbonyl-C gar nicht zu CH
!
4 umgesetzt)Wärmeleitfähigkeitsdetektor
(WLD, thermal conductivity detector = TCD)
Referenzzelle Messzelle
Trägergas mit Analyten
Trägergas
Beheizter Draht misst Wärmeleitfähigkeit (WL) von Trägergas + Analyten
(im Vergleich zu einer Referenzzelle)
Abnahme der WL Zunahme des elektr. Widerstandes
Signal = Änderung der Wärmeleitfähigkeit gegenüber reinem Trägergas
• Universeller Detektor
• Nachweisgrenze ca. 400 pg/mL, Linearbereich 106
• Empfindlichkeit mit den Trägergasen H2 und He hoch, mit N2 deutlich geringer
• Schwierig zu kombinieren mit Kapillarsäulen (nur “wide bore” Säulen mit 0.5-1 µm ID)
• Meist nur für Analyten eingesetzt, die vom FID nicht erfasst werden (z.B. SiH4)
Elektroneneinfangdetektor
(electron capture detector = ECD)
(1) β-Strahler gibt Elektronen ab (2) e– reagieren mit Trägergas-
molekülen
(3) Diese setzen thermische e– frei (4) Thermische e– reagieren mit
Analyten mit hoher Elektronenaffinität
Signal = Abnahme des Stroms
• Selektiver Detektor
• Nur Analyten, die leicht Elektronen aufnehmen können, werden detektiert
• Halogenierte (z.B. –Cl, –Br) und nitrierte (–NO2) Analyten, daneben auch andere N- und O-haltige Verbindungen
• Empfindlichkeit und Nachweisgrenzen extrem verbindungsabhängig (bei einigen < 1 pg)
Herbstsemester 2011 ETH Zurich | Dr. Thomas Schmid | schmid@org.chem.ethz.ch
Flammenphotometrischer Detektor (FPD)
29
(1) S- und P-haltige Analyten reagieren zu S2 bzw. HPO
(2) S2 und HPO in angeregtem Zustand (3) Übergang in Grundzustand
Emission von Strahlung bei ! = 394 nm (S2) bzw. 526 nm (HPO)
Signal = Intensität des emittierten Lichts bei 394 nm bzw. 526 nm
• Selektiver Detektor
• FPD wird entweder im Schwefel- oder im Phosphor-Modus betrieben
(neuere Entwicklung: Zinn-Modus)
• Nachweisgrenzen: 20 pg S/s bzw. 1 pg P/s, Linearität 103 (S) bzw. 104 (P)
• Signal (S-Konzentration)
!
2 bzw. Signal P-Konzentration!
Atomemissionsdetektor (AED)
(1) Analyten werden in mikrowellen-induziertem Plasma atomisiert (und ionisiert)
Atome im angeregten Zustand (2) Übergang in den Grundzustand
Emission elementspezifischer Strahlung (3) Aufteilung mittels eines Prismas oder Gitters
in die einzelnen Wellenlängen
(4) Simultane Detektion aller Wellenlängen mittels eines Diodenarraydetektors Signal = Intensität von Atomemissionslinien
• Selektiver Detektor (elementselektiv, praktisch alle Elemente werden detektiert)
• Kann auch als universeller Detektor betrieben werden
• Für jedes Element kann ein Chromatogramm aufgezeichnet werden
• Kohlenstoff-Spur: universeller Detektor
• Nachweisgrenzen elementabhängig (z.B. C: < 10 pg/s), Linearitäten 102-105
Massenselektiver Detektor (MSD)
GC-MS-Kombinationen
Verschiedene Ionisationsmethoden, oft Elektronenstossionisation (EI) Verschiedene Massenanalysatoren, oft Quadrupol oder Ionenfalle
relativ kompakte Tischgeräte
• Aufzeichnung von EI-MS-Spektren zur Strukturaufklärung
• Gesamtionenstrom (total ion current = TIC): universelle Detektion
• Single (oder selected) ion mode (oder monitoring) (SIM): massenselektive Detektion
„Sniff Port“ / Olfaktorischer Detektor
Vergleich zweier Erdnuss-Aromen
Rel. Amount = Peakfläche (MS-Detektion)
Int. J. Food Sci. Technol. 44 (2009) 603.
GC-Detektoren
Detektor Selektivität Nachweisgrenze Linearität
Flammenionisations- C-haltige Moleküle 1 pg C/s > 106 detektor (FID) fast universell
Wärmeleitfähigkeits- universell 400 pg/mL 104
detektor (WLD bzw. TCD)
Elektroneneinfang- selektiv (z.B. stark verbindungsabhängig 106 detektor (ECD) –Cl, –Br, –NO2)
Flammenphotometrischer selektiv 20 pg S/s 103 (S)
Detektor (FPD) (S, P, Sn) 1 pg P/s 104 (P / Sn)
Atomemissionsdetektor (AED) universell / stark elementabhängig 102–105
elementselektiv
Massenselektiver universell / verbindungsabhängig
Detektor (MSD) massenselektiv 10 pg–10 ng 105
Spektren, TIC, SIM
Gaschromatographie (GC)
Beispiele
Elektroneneinfangdetektor (ECD)
Bestimmung der Metaboliten von Polychlorierten Biphenylen (PCB) in Blutserum-Proben von Bewohnern der Färöer-Inseln
Das dortige traditionelle Nahrungsmittel “Walspeck” (Fettgewebe von Walen, Robben, Fischen) ist häufig kontaminiert mit PCBs und anderen fettlöslichen Umweltgiften
(1) Überführung der Hydroxy-PCBs in leicht flüchtige Methylether (2) Analyse mittels GC-ECD
Atomemissionsdetektor (AED)
Chlorpyrifos
(Insektizid)
• Kohlenstoff: universelle Detektorspur
• Zusätzlich heteroelement-spezifische Detektorspuren
GC-Detektorkombination
Flammenionisationsdetektor FID und
Flammenphotometrischer Detektor FPD im S-Modus
Gaschromatogramm eines Schieferöls.
Nach der Säule wurde der Trägergasstrom 1:1 auf einen FID und einen im S-Modus betriebenen FPD verteilt.
FPD-SignalFID-Signal
Massenselektiver Detektor (MSD)
2,3,7,8-Tetrachlordibenzodioxin (2,3,7,8-TCDD) (“Seveso-Dioxin”)
M+
·
= 320, [M+2]+·
= 322, [M+4]+·
= 324MS: 2,3,7,8-TCDD mit M+
·
bei 320MS
TCDD 13C12-TCDD
13C-markierter interner Standard
Bestimmung von Dioxinen mittels GC-MS GC-Trennung (auch Isomere werden getrennt) mit massenselektiver Detektion
SIM für jede Masse ein Chromatogramm Interne Standards: z.B. 13C-markierte Dioxine
(werden aufgrund Massenunterschied unabhängig von den entsprechenden Analyten detektiert)
Selected ion monitoring (SIM) Gas-Chromatrogramm
bei m/z = 320
Massenselektiver Detektor (MSD)
2,4,6-Tetrachloranisol (2,4,6-TCA)
Verantwortlich für Kork-Geschmack im Wein Charakterist. Massen: Interner Standard 195 [M-15]+ 2H5-2,4,6-TCA:
210 M+
·
212 [M+2]+
·
215 M+·
Links:
Chromatogramme (GC-MS, SIM), Weinprobe mit 0.7 ppt (0.7 ng/L) 2,4,6-TCA.
schwarz: m/z = 195 grün: m/z = 215 Rechts:
Kalibrierung mit internem Standard Analyt
Interner Standard:
deuteriertes TCA (2H5-2,4,6-TCA) MS
GC
(MS-Detektion im SIM-Modus)
Zusammenfassung GC
GC: Analyten
Mittels Gaschromatographie (GC) lassen sich nur Analyten untersuchen, welche sich unzerstört verdampfen lassen (ca. 10–20% der bekannten org. Moleküle)
• v.a. kleine, unpolare, flüchtige Moleküle
• Derivatisierung: Überführung der Analyten in flüchtige Derivate
Die Betriebstemperatur des Gaschromatographen muss aber nicht über dem Siedepunkt der Analyten liegen.
Die Flüssigchromatographie (LC) hat ein viel breiteres Anwendungsfeld, da man mit ihr auch thermolabile und grosse Moleküle trennen kann:
z.B. kleine ungeladene Moleküle anorganische und organische Ionen Organometallkomplexe
Polymere
grosse (Bio-)Moleküle (z.B. Proteine)
GC: Vorteile & Probleme
Vorteile der GC gegenüber der LC:
• Kapillarsäulen haben sehr hohe Bodenzahlen (bis ca. 200 000)
• schmale Peaks
• hohe Peakkapazität (viele basisliniengetrennte Peaks in einem Chromatogramm)
• Untersuchung komplexer Proben
• GC-Detektoren sind sehr empfindlich
• Quantifizierung im Bereich sehr kleiner Konzentrationen möglich
• Spurenanalytik
Typisches Problem:
• Kapillarsäulen werden leicht überladen
• Überladungseffekte, asymmetrische Peaks
• Abhilfe: Verdünnung der Proben oder Split-Injektion
GC: Mobile Phasen
• Häufigste Trägergase:
N2, He, H2
• Mobile Phase dient nur zum
Transport der Analyten durch die Säule
• Das Trägergas beeinflusst die
Trenneffizienz bzw. die Bodenhöhe
• Viskosität:
H2 < He < N2
• Diffusionskoeffizienten der Analyten in der mobilen Phase:
N2 < He < H2
• Beste Trenneffizienz um ca. u = 1 mL/min mit H2 und He. N2 ist kostengünstiger.
H = A + B
u + C u
B ! D
M CM ! 1 DMbreites Optimum
bei Trägergasflüssen um 1 mL/min
GC: Stationäre Phasen (Kapillarsäulen)
Polare Phasen: Neben dem Siedepunkt ist auch die Polarität der Moleküle ein Trennkriterium.
Apolare Phasen: Trennung apolarer Analyten gemäss ihrem Siedepunkt
Standardphasen O Si
CH3
CH3 100%
O Si Si
CH3
CH3 O
5%
95%
O Si Si
CH3
CH3 O CN
14%
86%
O
100%
Poly(dimethylsiloxan)
Poly(5%-diphenyl-95%-dimethylsiloxan)
Poly(14%-cyanopropylphenyl- 86%-dimethylsiloxan)
Polyethylenglykol
X-1
X-5
X-1701
X-Wax
apolar
polar
Zunahme der Polarität
Struktur Name Kürzel Polarität
GC: Optimierung
Ziel der Optimierung ist, eine effektive Peakauflösung (RS > 1.5) in möglichst kurzer Analysenzeit zu erreichen.
R
S= ! " 1
!
#
$ % &
' ( k
21 + k
2#
$ % &
' ( N 4
#
$ % &
' (
! = f k, ( K
C)
k = f ( ) ,K
C)
N = f L, ( H )
• Polarität der stationären Phase k, α
• Säulenlänge L N (und Analysenzeit)
• Säuleninnendurchmesser β k
• Filmdicke β k
• Säulentemperatur T KC k
Gradientenelution (Temperaturprogramm):
Erhöhung der Temperatur entspricht Erhöhung der Elutionskraft
Je höher α, k und N, umso besser die Auflösung RS
Aber: Je höher k und L, umso länger die Analysendauer
GC: Detektoren
Detektor Selektivität Nachweisgrenze Linearität
Flammenionisations- C-haltige Moleküle 1 pg C/s > 106 detektor (FID) fast universell
Wärmeleitfähigkeits- universell 400 pg/mL 104
detektor (WLD bzw. TCD)
Elektroneneinfang- selektiv (z.B. stark verbindungsabhängig 106 detektor (ECD) –Cl, –Br, –NO2)
Flammenphotometrischer selektiv 20 pg S/s 103 (S)
Detektor (FPD) (S, P, Sn) 1 pg P/s 104 (P / Sn)
Atomemissionsdetektor (AED) universell / stark elementabhängig 102–105
elementselektiv
Massenselektiver universell / verbindungsabhängig
Detektor (MSD) massenselektiv 10 pg–10 ng 105
Spektren, TIC, SIM