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CHROMATOGRAPHIE Neue stationäre Phasen für die Spurenanalytik in der GC

Autor / Redakteur: Ute Beyer*, Andrea Junker-Buchheit*, Rudolf Mehrhoff* Und Jaap De Zeeuw** / Gerd Kielburger

Chemisch gebundene Polysiloxanphasen unterschiedlichster Polarität und Selektivität sind die mit Abstand wichtigsten stationären Phasen in der Kapillar- Gaschromatographie.

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Chemisch gebundene Polysiloxanphasen unterschiedlichster Polarität und Selektivität sind die mit Abstand wichtigsten stationären Phasen in der Kapillar- Gaschromatographie. Insbesondere bei Analysen, die mit starker thermischer Belastung der Säule einhergehen, und bei Verwendung von MS-Detektoren sind die Anforderungen an Inertheit und Blutungsverhalten hoch. Geringes Säulenbluten bedeutet höhere Maximaltemperatur und damit kürzere Analysenzeit, niedrigere Nachweisgrenzen und eine verbesserte Spektrenqualität – Kriterien, dieinsbesondere in der Spuren und Rückstandsanalytik vongrößter Bedeutung sind.

Das „Säulenbluten“ bei einer GC-Säuel ist ein kontinuierlicher Abbau des Polymerfilms infolge des Back-Eating-Mechanismus (Abb. 1) und muss in gewissen Grenzen akzeptiert werden. Typische Siloxan-Fragmente, die beim Phasenabbau entstehen, haben zum Beispiel die Massen (m/z) 73, 207 und 281. Die Verwendung von hoch reinem Fused Silica und die Stabilisierung des Polymerfilms, z.B. durch den Einbau von Arylengruppen, sind die wichtigsten Voraussetzungen, um „Low Bleed“-Kapillarsäulen herzustellen. Der Einsatz solcher stationärer Phasen ist sowohl bei massenspektrometrischer als auch bei hoch empfindlicher ECD- und PND-Detektion vorteilhaft.

Aber auch ein FID zeigt bessere Ergebnisse und eine höhere Lebensdauer, wenn er nicht unnötig mit Abbauprodukten der stationären Phase belastet wird. Minimales Säulenbluten wird nur durch vollständige Kontrolle über den kompletten Produktionsprozess erreicht. Die FactorFour-Säulenreihe von Varian (VF-Reihe) ist das Ergebnis von Optimierung und Weiterentwicklung sowohl der Produktion von hoch reinem Fused Silica als auch der Stabilisierung des Polymers.

Die Phasenstabilität wird durch Hemmung des Back-Eatings infolge des Einbaus von Arylen-Gruppen („Arylentechnik“) und der „Ladder-Technologie“, d.h. der Quervernetzung des Polymers erreicht. Das Säulenbluten liegt bei den VF-Säulen typischerweise um bis zu Faktor 4 unter dem vergleichbarer Qualitätssäulen. Im Folgenden wird eine Zusammenstellung aller z.Zt. verfügbaren VF-Säulentypen und typischen Anwendungsgebieten gegeben. Tabelle 1 gibt eine kurze Übersicht über die Charakteristika der VF-Säulen und Anwendungen, geordnet nach steigendem CP („Chrompack Polarity Scale“)-Index. Dieser Index kann berechnet und als Zahl zwischen 0 und 100 ausgedrückt werden. „Null“ steht für die am wenigsten polare Phase (Squalan) und „Einhundert“ für die am stärksten polare Phase (OV-275).

Die „Arbeitstiere“

Die FactorFour-Säulen VF-1ms und VF-5ms, sind für die unterschiedlichsten Fragestellungen einsetzbar; sie eignen sich nicht nur für die Analytik von unpolaren Verbindungen, sondern liefern auch gute Peakformen für polare Substanzen. Neben Kohlenwasserstoffen von C5-C80 und vielen anderen unpolaren Verbindungen lassen sich auch Pestizide und toxikologisch relevante Verbindungen bestimmen. Das geringe Säulenbluten ist auch für die hohe Detektionsempfindlichkeit verantwortlich. Selbst dann, wenn bei Maximaltemperaturen von 325-375 °C gearbeitet wird, ermöglicht das niedrige Untergrundrauschen eine exakte Peakauswertung. VF-Xms ist ein weiterer Säulentyp aus dieser Reihe, der aufgrund eines höheren - hinsichtlich maximaler Stabilisierung optimierten - Gehaltes an Arylengruppen etwas polarer als VF-5ms ist.

Es wird eine höhere Temperaturstabilität von bis zu 340 °C bei isothermer Arbeitsweise sichergestellt. Abbildung 2 zeigt die Trennung underivatisierter Phenole auf der VF-Xms-Säule. Freie Phenole sind aufgrund ihres polaren Verhaltens schwierig zu chromatographieren. Hier resultieren auch ohne Derivatisierung symmetrische, gut quantifizierbare Peaks. VF-DA („Drugs of Abuse”) ist eine für die Spurenanalytik von toxikologisch relevanten Substanzen optimierte Säule. Mit 12 m Länge und 0,2 mm ID wird eine schnelle Analytik mit geringem Säulenbluten ermöglicht. Darüber hinaus besitzt sie eine hohe Stabilität gegenüber polaren Lösemitteln.

Der mittelpolare Bereich

Den mittelpolaren Bereich decken drei weitere stationäre Phasen ab. VF-35ms ist das arylenstabilisierte Äquivalent einer ?35 % Phenyl- und 65% Dimethylpolysiloxan-Phase. Diese Phase ist ausgesprochen inert und weist selbst bei 360 °C nur geringes Säulenbluten auf. Die VF-35ms-Säule in den Dimensionen 30 m x 0,25 mm, Filmdicke 0,25 µm, hat beispielsweise eine Bleeding-Spezifikation von < 3pA bei 340 °C. Durch die gute Desaktivierung eignet sich diese Kapillarsäule besonders gut für die Rückstandsanalytik. Das geringe Säulenbluten und die Temperaturstabilität machen die VF-35ms-Phase zur besten Wahl für eine Vielzahl von MS-Anwendungen einschließlich der EPA-Methode 8010/8240 (s. Abb. 3: Bestimmung flüchtiger Verbindungen mit Ion-Trap GC/MS).

Die mittelpolare VF-17ms-Säule (50% Phenyl- und 50% Dimethylpolysiloxan) ist eine „ultra low-bleed“, arylenstabilisierte Phase und eignet sich ausgezeichnet, Verbindungen wie Antidepressiva, Herbizide und Pestizide zu bestimmen. Darüber hinaus ist die VF-17ms die perfekte Säulenwahl für eine Vielzahl von Fragestellungen aus dem Umweltbereich einschließlich der EPA-Methoden.

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VF- 200ms ist eine Phase, die hinsichtlich geringen Säulenblutens, Inertheit und Effizienz optimiert ist. Das Säulenbluten ist im Vergleich zu Phasen ähnlicher Selektivität um bis zu Faktor 20 niedriger. Die Trifluorpropyl-Methyl-Struktur von VF-200ms ermöglicht einzigartige Wechselwirkungen, insbesondere bei der Chromatographie von halogenierten Verbindungen.

Diese Phase wird häufig für die Analytik von Agrochemikalien und substituierten aromatischen Verbindungen verwendet. Die VF-200ms weist eine Maximaltemperatur von bis zu 350 °C auf, so dass hoch siedende Verbindungen eluiert werden können und ein schnelles Ausheizen für höheren Probendurchsatz sorgt. Abbildung 4 zeigt das Chromatogramm einer Reihe ausgewählter Verbindungen („Base/Neutrals“), das mit einer VF-200ms-Säule (30 m x 0,25 mm, Filmdicke 0,25 µm) und Ion Trap-Detektion erhalten wurde. Die aussergewöhnlich symmetrische Peakform ermöglichen mit diesen Säulen eine zuverlässige Rückstands- und Spurenanalytik.

Die hochpolaren Säulen

Die Polaritätsskala wird komplettiert durch die hoch polare VF-23ms. Diese chemisch gebundene Phase wird mit Hilfe einer speziellen Fertigungstechnik hergestellt, welche die vollständige Immobilisierung der Cyanopropylphase ermöglicht. Die dadurch erreichte Stabilität ist so hoch, dass kontinuierliche Splitless-Injektionen und sogar das Spülen mit verschiedenen Lösemitteln problemlos möglich sind. Das Ergebnis ist eine robuste, hoch polare Säule mit weitem Anwendungsbereich.

Integrierte Vorsäulen

Zur VF-Reihe von „Ultra Low Bleed“-Kapillarsäulen gehören neuerdings auch die sogenannten „EZ-Guard“-Säulen mit integrierter Vorsäule für optimalen Säulenschutz. In der Gaschromatographie werden häufig Vorsäulen eingesetzt: Sie dienen dem Schutz der analytischen Säule vor Kontamination und bewirken zudem eine Fokussierung des Analyten. Das Verbinden von Säule und externer Vorsäule kann mit einer Reihe von Kopplungsstücken erfolgen. Quickseals/Pressfits, Single Ferrule- und Hochtemperatur-Säulenverbinder sind vergleichbar, weisen jedoch Nachteile wie Undichtigkeiten und hohes Gewicht auf. Zudem können die Säulen beim Verbinden brechen oder aktive Stellen entstehen.

Im Gegensatz dazu ist bei EZ-Guard die Vorsäule integriert und kann - falls erforderlich - auch abgeschnitten werden. Es ist eindeutig erkennbar, wo die Vorsäule endet und die analytische Säule beginnt. Die Wartung der Säule ist daher schnell und unkompliziert, und der Einfluss auf die Chromatographie ist gering. Zudem weist auch der Säulenausgang der EZ-Guard-Säulen eine Besonderheit auf: Viele Detektionssysteme verwenden Transferlines oder Detektor-Eingangsliner, die permanent auf hoher Temperatur gehalten werden, um Peakverbreiterung zu verhindern. Allerdings kommt es bei analytischen Säulen am Detektoreingang aufgrund dieser hohen Temperatur zu verstärktem Säulenbluten.

Da die stationäre Phase am Säulenausgang nicht unbedingt zur Trennung erforderlich ist, kann auf eine Belegung verzichtet werden. Daher haben EZ-Guard-Säulen einen unbelegten Säulenausgang von ca. 1 m, wodurch schnellere Stabilisierung erreicht und der Detektor nicht unnötig mit Säulenblutungsprodukten belastet wird. Dies gilt insbesondere bei hoch empfindlichen Detektionssystemen und dem Einsatz längerer Transferlines. Eine praktische Einschränkung beim Arbeiten mit integrierter Vorsäule sollte jedoch nicht unerwähnt bleiben: die Innendurchmesser und Desaktivierungen von Vorsäule und analytischer Säule sind identisch. Damit sind on-column-Injektionen, die Vorsäulen mit einem weiteren Innendurchmesser (z.B. 0,53 mm) als den der analytischen Trennsäule bedingen, nicht ohne weiteres realisierbar.

Alkohole und Diole sind Paradebeispiele für Substanzen, deren Peakform durch aktive Stellen im Bereich der Trennsäule verschlechtert wird. Die Trennung auf EZ-Guard-Säulen verläuft wesentlich unproblematischer als auf Säulen, die mit einer externen Vorsäule gekoppelt sind, weil bei integrierter Vorsäule die potenzielle Gefahr aktiver Stellen nicht besteht. Abbildung 5 stellt dies sehr anschaulich dar: Das obere Chromatogramm zeigt die Trennung der Analyten mit einer vergleichbaren 5ms-Kapillarsäule und externer Vorsäule. Das untere Chromatogramm ist das Ergebnis beim Einsatz einer EZ-Guard VF-5ms-Säule. Der Einfluss von aktiven Silanolgruppen führt zu einem Peaktailing von 1,7-Heptandiol und 1-Undecanol im oberen Chromatogramm.

Zusammenfassung

Die FactorFour-Säulen von Varian zeichnen sich durch extrem niedriges Säulenbluten aus, weshalb sie selbst bei starker thermischer Belastung eine hohe Phasenstabilität aufweisen. Verantwortlich dafür ist die besondere Stabilisierungstechnologie in Verbindung mit hoch reinem „Fused Silica“ aus eigener Produktion. Dadurch können die hohen Qualitätsstandards bei der Fertigung der Säulen dauerhaft eingehalten werden. Die Vorteile sind: Verbesserte Empfindlichkeit (hohes Signal/Rausch-Verhältnis), reduzierte Detektorkontamination, kürzere Analysenzeiten und verbesserte Spektrenqualität. Zudem wird eine schnellere Stabilisierung erreicht. Die EZ-Guard-Säulen mit integrierter Vorsäule ermöglichen in der Tagesroutine einfaches Handling und höhere Zuverlässigkeit, kombiniert mit allen Vorteilen der FactorFour-Reihe.

*U. Beyer, A. Junker-Buchheit, R. Mehrhoff Varian Deutschland GmbH, 64229 Darmstadt **J. de Zeeuw, Varian BV, Middelburg/NL

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