Chromatographie

NDSler, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Woher weißt du, dass die Lebensmittel im Supermarkt, nicht verunreinigt sind (Abb. 1)? Können in Kosmetikprodukten Stoffe enthalten sein, die in der Europäischen Union vielleicht nicht zugelassen sind? Wenn Produkte aus fernen Ländern importiert wurden, überschreiten dann bedenkliche Inhaltsstoffe bestimmte Grenzwerte? Sind die angegebenen Inhaltsstoffe von Medikamenten auch wirklich darin enthalten?

Damit du dir über diese Fragen keine Gedanken machen musst, gibt es in Deutschland das Bundesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit. In ganz Deutschland gibt es Labore, die im Auftrag von Bund und Ländern tätig sind. Dort untersuchen Chemikerinnen und Chemiker kontinuierlich Produkte aus unserem Alltag. Damit kann sicher gestellet werden, dass die angegebenen Inhaltsstoffe vorhanden sind, Grenzwerte eingehalten werden und keine giftigen Stoffe enthalten sind. Ein gängiges Verfahren, um die Bestandteile der Stoffgemische von Lebensmitteln, Kosmetika, Medikamenten, Futtermitteln usw. zu analysieren, ist die Anwendung der Gas-Chromatographie.

In diesem Artikel erklären wir dir, wie die Gas-Chromatographie abläuft und wie das Prinzip dieser Trennmethode funktioniert.

Anwendung in vielen Bereichen

Sarka Na kopci, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Mithilfe der Gas-Chromatographie kannst du viele Stoffe und Stoffgemische analysieren. Du kannst selbst kleinste Mengen der Bestandteile von Stoffgemischen identifizieren. Wichtig ist nur, dass die Stoffe bei höchstens \(\pu{450^\circ C}\) gasförmig sind, weil der Gas-Chromatograph höchstens auf diese Temperatur aufheizt (Abb. 2). Am Anfang des Artikels hast du schon ein paar Anwendungsbeispiele für die Gaschromatographie kennengelernt. In der Lebensmittelindustrie ist es sehr wichtig, dass alle Inhaltsstoffe für uns unschädlich sind. Gleichzeitig wird intensiv an der Erforschung von Möglichkeiten gearbeitet, wie natürliche Stoffe künstlich hergestellt werden können. Mithilfe der Gas-Chromatographie kannst du beispielsweise die Zusammensetzung von Aromen und ätherischen Ölen untersuchen, aber auch von Kohlenhydraten und Alkoholen. In der Umweltanalytik kannst du Boden- und Wasserproben auf Schadstoffe untersuchen. Weil bei der Gas-Chromatographie die Stoffe gasförmig sein müssen, kannst du auch Gasgemische, wie die Luft, analysieren. Es gibt noch viele weitere Gebiete, in denen die Gas-Chromatographie ihre Anwendung findet (z.B. Kriminalistik, Medizin, Erdölverarbeitung usw.).

Mobile Phase gasförmig und stationäre Phase meist flüssig

Bei der Gas-Chromatographie besteht die mobile Phase - wie du dir schon aus dem Namen denken kannst - aus einem Gas. Wir nennen dieses Gas Trägergas, weil es dafür sorgt, dass die gasförmigen Bestandteile der Probe durch die Säule bewegt werden. Damit die Bestandteile aus der Stoffgemisch-Probe nicht mit dem Gas reagieren, werden in der Regel Stickstoff, Helium oder Wasserstoff als Trägergas eingesetzt. Diese Gase werden als Inertgase bezeichnet. Deswegen kannst du nicht einfach Luft durch den Gas-Chromatographen leiten. Damit das Trägergas die Bestandteile des Stoffgemischs durch die stationäre Phase bewegen kann, müssen die Bestandteile gasförmig sein.

Die stationäre Phase befindet sich als dünne Schicht auf der Innenwand einer Säule. Die Säule ist ein 10 bis 200 Meter langes, sehr dünnes Rohr. Sie kann so dünn wie eine Kapillare mit einem Durchmesser von 0,1 bis 0,5 Millimeter sein. Meist besteht sie aus Glas. Die stationäre Phase ist eine gelartige bzw. zähe Flüssigkeit, die auf der Innenwand aufgetragen ist. Sie kann aus Silikonen oder Paraffinen bestehen. Manchmal besteht die stationäre Phase aber auch aus einem Pulver. Wo genau sich die stationäre und mobile Phase im Gas-Chromatographen befinden, zeigen wir dir im Folgenden.

Aufbau und Durchführung der Gas-Chromatographie

CC-BY-NC 4.0 / Joachim Herz Stiftung; Sarah Brauns

In Abbildung 2 kannst du sehen, wie ein Gas-Chromatograph von außen aussieht. Du erkennst ein großes, komplexes Gerät, aber nichts von Innerem. Deshalb erklären wir dir mithilfe des schematischen Aufbaus in Abbildung 3 genauer, was in dem Gas-Chromatographen abläuft.

1. Zuerst wird das Trägergas, welches die mobile Phase der Gas-Chromatographie ist, über den Injektor in die Säule geleitet. Mithilfe des Druckminderers kannst du einen bestimmten Druck einstellen. Dieser liegt bei bis zu 6 bar. Je höher der Druck ist, desto schneller strömt das Trägergas durch die Säule. Das ist später wichtig für die Auswertung des Chromatogramms.
2. In den Injektor gibst du über eine Spritze oder ähnliches das Stoffgemisch, welches du untersuchen möchtest. Entweder ist das Stoffgemisch schon gasförmig oder es ist flüssig und ändert durch den Injektor den Aggregatzustand zu gasförmig.
3. Damit die Bestandteile des Stoffgemisches  gasförmig werden und auch bleiben, befinden sich der Injektor, die Säule und der Detektor in einem Säulen-Ofen. Dieser erhitzt alle Stoffe im Gas-Chromatographen auf bis zu \(\pu{450^\circ C}\).
4. Mithilfe des Trägergases werden die gasförmigen Bestandteile des Stoffgemisches aus dem Injektor durch die Säule bewegt.
5. In der Säule befindet sich die stationäre Phase.
6. Die Bestandteile des Stoffgemisches bewegen sich durch verschiedene Wechselwirkungen unterschiedlich schnell durch die stationäre Phase, sodass diese zu unterschiedlichen Zeiten am Detektor ankommen. Der Detektor registriert die Bestandteile und sendet dementsprechend Signale an den Computer. Die verschiedenen Wechselwirkungen werden untem im Artikel genauer erklärt.
7. Die Software im Computer zeichnet ein Chromatogramm mit unterschiedlichen Kurven auf. Später kannst du das Chromatogramm auswerten und berechnen, welche Bestandteile in dem Stoffgemisch vorhanden waren.
8. Von dem Detektor geht auch ein Schlauch an eine weitere Gasflasche. Dort wird der Abfall gesammelt, der aus dem Trägergas und dem Stoffgemisch besteht.

Chromatogramm mit Peaks

Dr. Andreas Georg Degenhardt, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Wenn die Bestandteile des Stoffgemisches durch den Gas-Chromatograpen aufgetrennt wurden, kannst du das durch den Computer aufgezeichnete Chromatogramm auswerten. Immer wenn der Graph des Chromatogramms ein Peak (Höhepunkt), also einen positiven Ausschlag, anzeigt, hat der Detektor Moleküle des Stoffgemisches identifiziert (Abb. 4). Auf der x-Achse siehst du die Zeit aufgetragen. Das ist die Retentionszeit, die die Moleküle der verschiedenen Bestandteile benötigen, um sich durch die stationäre Phase zu bewegen. In Abbildung 4 ist ein Chromatogramm eines Zucker-Stoffgemisches abgebildet. Bei jedem Peak hat der Detektor unterschiedliche Zucker-Moleküle aufgezeichnet. Vom Einspritzen des Stoffgemisches in den Injektor haben die Glucose-Moleküle ca. 17 Minuten bis zum Detektor benötigt. Die Retentionszeit von Molekülen des gleichen Bestandteils ist bei gleicher mobiler und stationärer Phase, gleichem Druck und gleicher Temperatur konstant (Raoultsches Gesetz). Durch diese Konstante kannst du berechnen, welcher Peak zu den Molekülen welchen Stoffes gehören. Über die Fläche des Peaks kann sogar auch die Konzentration der Bestandteile des Stoffgemisches berechnet werden.

Wechselwirkungen auf der Teilchenebene

Das Chromatogramm in Abbildung 4 zeigt dir wunderbar, dass Moleküle einer bestimmten Sorte immer ungefähr die gleiche Zeit benötigen, um sich durch die Säule des Chromatographens zu bewegen. Dass die Moleküle gebündelt am Detektor, also am Ende der Säule ankommen, hängt mit den unterschiedlichen Eigenschaften der Moleküle zusammen. Je nach ihrer Beschaffenheit gehen sie mit den Molekülen der mobilen und der stationären Phase mehr oder weniger starke Wechselwirkungen ein. In Abbildung 5 sind die Moleküle des Trägergases in der mobilen Phase als blaue Pfeile abgebildet. Die violetten Punkte sind die Moleküle der stationären Phase. Die grünen Pfeile stellen die Moleküle eines Bestandteils des Stoffgemisches dar. Diese Moleküle gehen starke Wechselwirkungen mit den Molekülen der stationären Phase (dicke Pfeile) und weniger starke Wechselwirkungen mit den Molekülen des Trägergases (dünne Pfeile) ein. Starke Bindungen zu der stationären Phase nennen wir Adsorption, was zu einem Festhalten und Ausbremsen der Moleküle führt. Dadurch bewegen sich diese Moleküle langsam durch die Säule der Gas-Chromatographie. Die Moleküle des anderen Bestandteils des Stoffgemisches sind rot abgebildet. Sie gehen leichte Wechselwirkungen mit den Molekülen der stationären Phase (dünne Pfeile) und starke Wechselwirkungen mit den Molekülen des Trägergases (dicke Pfeile) ein. Dadurch bewegen sich diese Moleküle schnell durch die Säule und werden als erstes von dem Detektor identifiziert. Welche Art von Wechselwirkungen genau stattfindet, hängt von den funktionellen Gruppen und der Polarität der Moleküle ab. Bei unpolaren Molekülen können London-Dispersions-Wechselwirkungen und bei polaren Molekülen Wasserstoffbrücken-Wechselwirkungen auftreten. Durch diese unterschiedlichen Wechselwirkungen, bewegen sich die Bestandteile des Stoffgemische unterschiedlich schnell durch die Säule und es folgt somit eine Auftrennung der Bestandteile, die vom Detektor zu verschiedenen Zeit erfasst werden können.

CC-BY-NC 4.0 / Joachim Herz Stiftung;