Säulen GC
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Übersicht
Zuerst wurden in der Gaschromatographie gepackte Säulen, ähnlich wie in der HPLC, verwendet. Inzwischen wurden sie weitgehend von Kapillarsäulen abgelöst. In beiden Säulentypen befinden sich speziell für die GC entwickelte stationäre Phasen. Die "Löslichkeit" der Probenkomponenten ist durch ihren jeweiligen Gleichgewichts-Dampfdruck gegeben, der stark von der Temperatur abhängt. Statt der mobilen Phase variiert man bei der GC deshalb die Temperatur der Trennsäule, die sich dazu in einem thermostatisierten Säulenofen befindet.

gepackte Säulen
Die Säulen mit einem Innendurchmesser von 2 bis 4 mm sind mit der stationären Phase gefüllt. Diese Körner haben einen Durchmesser, der etwa 10% der Säule ausmacht und sind porös. Adsorptionsphasen können direkt eingefüllt werden, während die flüssigen Verteilungsphasen als Imprägnierung eines von Kieselgur abgeleiteten Trägermaterials (Chromosorb) Verwendung finden.  Wegen des Strömungswiderstandes der Packung können diese Säulen nur 1 bis 6 m lang sein. Die Wand der Trennsäulen besteht aus Kupfer, Stahl, Glas oder Quarzglas. 

Kapillarsäulen

Mit Innendurchmessern von 0,05 bis 0,53 mm (typisch: 0,32 mm) sind die Diffusionswege zur Wand so kurz, dass auf eine durchgehende Füllung der Kapillarsäulen verzichtet werden kann. Die stationäre Phase bildet nur einen dünnen Film (z.B. 0,25 µm) oder eine Beschichtung auf der Wand. Eine größere Adsorptionsfläche erreicht man mit porösen Beschichtungen. Der Strömungswiderstand ist geringer als bei den gepackten Säulen, so können wesentlich längere Säulen zum Einsatz kommen (bis 100 m). Bei vergleichbarer Trennstufenhöhe erreicht man dadurch erheblich bessere Trennungen. Allgemein wird die Trennung verbessert durch längere Säulen, engere Kapillaren und dünnere Filme, wobei man aber Nachteile hinsichtlich der Säulenkapazität und der Trennungsdauer hinnehmen muss.

Neben neuerdings wieder eingeführten Edelstahlsäulen verwendet man in der Regel Kapillaren aus "fused silica", einem synthetischen hochreinen Quarzglas, das zum mechanischen Schutz mit einem gelblich-braunen Polyimid-Überzug versehen ist.

Wide bore Säulen nehmen hinsichtlich der Abmessungen und der Trennleistung eine Zwischenstellung zwischen gepackten und Kapillar-Säulen ein. Mit ihnen können alte Geräte für gepackte Säulen aufgerüstet werden.

stationäre Phasen
Lange Zeit wurden unsystematisch die verschiedensten Materialien in der GC mehr oder weniger erfolgreich eingesetzt. Als unpolares Standardmaterial hat sich Squalan bewährt, ein Kohlenwasserstoff, der aus Haifischlebertran gewonnen wurde. Heute ist etwas Systematik eingekehrt, viele Hersteller verwenden einheitliche Bezeichnungen für die Säulenmaterialien, obwohl sie aus verständlichen Gründen nicht alle Einzelheiten der Zusammensetzung und Herstellung der Phasen verraten.

Viele Phasen für die Verteilungschromatographie leiten sich von den Polysiloxanen her, das sind Polymere mit prinzipiell folgendem Aufbau:

Die Reste R sind organische Gruppen, sie bestimmen die chromatographischen Eigenschaften der Phase. Es kommen zum Einsatz:

  • Methylgruppen (-CH3, unpolar)
  • Phenylgruppen (-C6H5, etwas polar)
  • Cyanopropyl-Gruppen (-(CH2)3-CN, stark polar)

Die Tabelle gibt eine Übersicht gängiger Phasen

Bei der Herstellung kommen noch weitere Aspekte zur chemischen Struktur dazu, die die Säulen oft für einen bestimmten Einsatz optimieren:

  • Der Polymerisationsgrad, d.h. die Kettenlänge der Moleküle,
  • der Vernetzungsgrad hat Einfluss auf die Stabilität der Phase,
  • weitere Zusätze,
  • die Reinheit der verwendeten Chemikalien,
  • die Art der Aufbringung in der Säule (meist als Lösung),
  • eine Stabilisierungsbehandlung, bei der chemische Bindungen zwischen Wand und Film entstehen,
  • spezielle Reinigungsprozeduren vor der Auslieferung

Wichtige Phasen sind noch die polaren Carbowachse, das sind Polyethylenglykole mit dem chemischen Aufbau

Für spezielle Zwecke gibt es besondere Phasen wie z.B.

  • Poly(Trifluoropropyl-Methyl-Siloxan) für Substanzen mit freien Elektronenpaaren,
  • Poly-Carboran-Siloxan mit besonders hoher maximaler Einsatztemperatur (460 °C) und
  • permethylierte Cyclodextrine in Poly(dimethylsiloxan) eingebettet zur Trennung von Enantiomeren.

Feste Adsorbenzien werden hauptsächlich zur Trennung von Gasen und leicht flüchtigen Substanzen eingesetzt, z.B.

  • Aluminiumoxid
  • Molekularsiebe
  • Polyvinylbenzol u.a. Polymere
  • graphitierter Ruß (zur Trennung der Blutalkohole)

Säulenofen
Die Säulentemperatur spielt bei der GC eine ungleich wichtigere Rolle als bei den flüssigkeitschromatographischen Verfahren. Was man dort mit unterschiedlichen mobilen Phasen erreichen kann ist in der GC nur mit der Temperatursteuerung möglich. 

Aus diesem Grund befindet sich die Säule in einem thermostatisierten Ofen. Die Heizung erfolgt elektrisch, ein Ventilator sorgt durch eine gleichmäßige Temperaturverteilung.

Bei einer isothermen Trennung arbeitet man bei konstanter Temperatur, man kann aber auch, ähnlich der Gradientenmethode bei der HPLC, mit einem ansteigenden Temperaturprogramm arbeiten. Auch Einspritzblock und Detektor sind beheizt, meist etwas höher als die Säule.

Alle Gas-Verbindungen müssen unbedingt dicht sein, sonst geht unkontrolliert Gas (und damit analytische Information) verloren. Für den Einsatz bei wechselnden, hohen Temperaturen gibt es spezielle Dichtungen (Ferrules) aus Graphit.

Detektoren für die GC