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GC - Optimierung: Einflüsse des Injektorsystems auf Spurenuntersuchungen

GC-System Optimierung

von Dr. Andrea Junker-Buchheit, Dr. Volker Lorbach

Insbesondere in der Spurenanalytik kommt es auf hohe Signal/Rausch-Verhältnisse an, die zu niedrigen Detektionsgrenzen, erhöhter Empfindlichkeit und dadurch zur besseren Analytik führen. Um dies zu erreichen, müssen in der GC das Injektorsystem und die Kapillarsäule darauf abgestimmt sein. Im Folgenden wird anhand von Beispielen aus der Umweltanalytik beschrieben, welche Probleme und Artefakte auftreten und wie diese anwendergerecht gelöst werden.

Bei der Etablierung einer neuen GC-Methode wird zurecht in den ersten Überlegungen das Hauptaugenmerk auf die Auswahl der richtige Säule und auf die Trennung der zu erwartenden Verbindungen gelegt. Zu Beginn kommen daher häufig Standards der Analyten zum Einsatz, welche in unproblematischen Matrizes und in beliebig hoher Konzentration vorliegen. Bereits zu einem frühen Zeitpunkt empfiehlt es sich, dass zusätzliche Gedanken über die reale Probe einfließen, das heißt zum Beispiel über Probenmatrix, zu erwartende Konzentrationen bzw. Konzentrationsunterschiede und Probenvorbereitung. Daraus lassen sich dann u. a. Überlegungen über geeignete Injektoren (Split/Splitlos, On-Column, Kaltaufgabe) und Injektionstechniken (leere Nadel-Technik, Sandwich-Technik) ableiten. Letztlich ist es für den Anwender wichtig, richtige und reproduzierbare Analysenresultate zu erhalten. Als Beispiel aus der Praxis soll an dieser Stelle die Bestimmung von Kohlenwasserstoffen in Wasser und Boden dienen: Die Analyten werden zunächst mit unpolaren Lösemitteln extrahiert und der Extrakt vorzugsweise noch durch Festphasenextraktion von polaren Bestandteilen befreit. In einem Split/Splitlos- Injektor, wie er bei den meisten Standardgeräten zur Verfügung steht, können jetzt unerwünschte Nebeneffekte auftauchen. Durch die explosionsartige Verdampfung des Lösemittels im Injektor ist eine Diskriminierung, insbesondere der hochsiedenden Komponenten möglich. Bei der so genannten H53 Analyse (DIN EN ISO 9377-2, DEV H53) von Kohlenwasserstoffen kommen Hochsieder jedoch zwangsläufig vor, außerdem wird n- Tetracontan (C40) als Markierungssubstanz verwendet. Vermeiden lässt sich eine Diskriminierung in diesem Fall durch den Einsatz von On-Column- Injektoren, bei denen die Probe vollständig und direkt in die Säule injiziert wird oder durch den Einsatz von Kaltaufgabesystemen, bei denen der Injektor im Augenblick der Probenaufgabe nicht heiß ist und infolgedessen die Verdampfung nicht explosionsartig stattfindet. In diesem Fall hängen potenzielle Fehler mit dem großen Siedebereich der Analyten und mit Verdampfungseigenschaften zusammen. In anderen Fällen spielen ganz andere Effekte eine Rolle. So neigen polare Substanzen zur Adsorption an festen Oberflächen. Daher ist es wichtig, Kapillarsäulen mit einer gleichmäßigen Belegung und guter Desaktivierung der Fused Silica-Oberfläche einzusetzen. Ehe die Probe auf die Säule gelangt, kommt sie allerdings zunächst mit dem Injektionssystem in Kontakt. Das Herzstück ist dort der Liner, aber auch Septum und eventuelle Metalldichtungen befinden sich im Injektionsbereich. Die Wahl der richtigen Geometrie und einer hochwertigen Oberfläche beugen in diesem Bereich unerwünschten Adsorptionseffekten vor. Die Wahl des richtigen Septums, zum Beispiel aus hochwertigem Silikon und evtl. noch PTFE-beschichtet, verringert bzw. vermeidet sowohl das Herauslösen störender Weichmacher als auch eine mögliche Adsorption der Analyten. Weiterhin hilft eine Verjüngung im oberen Bereich des Liners, einen „Rückschlag“ der verdampften Probe auf das Septum zu verhindern. In jedem Fall sollte das Volumen des Liners an das Volumen der verdampften Probe angepasst sein. Aus diesem Grund bieten die Hersteller unterschiedliche Innendurchmesser von Linern an. Geometrische Veränderungen wie Einkerbungen, Fritten oder Cups helfen, die Verdampfungszeit zu verlängern und dadurch eine vollständige Verdampfung sowie eine gleichmäßige Durchmischung mit dem Trägergas zu erreichen. Gleiches gilt für die Verwendung von Glaswolle. Hier ist allerdings Vorsicht geboten! Die Oberfläche der Glaswolle, aber auch die des Liners bergen die Gefahr der Adsorption von aktiven Analyten. In extremen Fällen (z. B. bei Carbamat-Pestiziden wie Carbaryl oder Aldicarb) führt der Kontakt zu aktiven Stellen auf einer Glasoberfläche zu einer Zersetzung der Verbindung. Vermieden werden solche Effekte durch eine qualitativ hochwertige Desaktivierung. Neben üblichen Desaktivierungen stehen auch Spezialdesaktivierungen wie Siltek® (Restek) oder INNO-Sil® (CS-Chromatographie Service) zur Verfügung, welche besonders bei sehr kritischen Substanzen oft zu einer Verbesserung der Ergebnisse führen. Bei der Glaswolle ist zusätzlich immer damit zu rechnen, dass es zu Bruchstellen kommt, die dann nicht desaktiviert sind und die zuvor beschriebenen Symptome hervorrufen. Wer also seine Liner selbst mit Glaswolle befüllt, sollte Bruchstellen weitestgehend vermeiden. Aktive Stellen im Bereich des Liners treten nicht nur durch längere Einwirkung von hohen Temperaturen im Injektor auf, sondern auch durch Ablagerungen von Verschmutzungen. Immer mehr Anwender, z. B. im Bereich der Umweltanalytik, gehen dazu über, auf aufwändige Probenvorbereitung zu verzichten und ihren „Dreck“ im Liner und am Anfang der Säule zu sammeln. Ein regelmäßiges Wechseln einer Vorsäule und des Liners hat sich in diesen Fällen als effektiver und kostengünstiger erwiesen. Bei einem hohen Durchsatz von Linern oder bei kostspieligeren Modellen kann sich eine Reinigung und erneute Desaktivierung von gebrauchten Linern, wie sie beispielsweise von CSChromatographie Service angeboten wird, sehr schnell rentieren.

Zusammenfassung

Wer seine Analyten in geringen Konzentrationen vorliegen hat und bis hinunter in den Spurenbereich messen muss, sollte sein komplettes GC-System optimieren. Unerwünschte Effekte wie Diskriminierung, Zersetzung oder Artefakt-Bildung lassen sich in vielen Fällen durch passend gewählte Injektorsysteme und Aufgabetechniken vermeiden.

Foto: © Dr. Volker Lorbach