DE2520075C2 - Neues System einer Doppelsäulenchromatographie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein neues System einer Mehrdimensionalen- oder Doppeisäulenchromatographie für die gaschromatographische Trennung und Bestimmung von Stoffen und insbesondere für die Spurenanalyse in wäßrigen oder anderen stark polaren Lösungen mit Hilfe von gepackten oder Glaskapillarsäulen. Sie ermöglicht <ith. schwerflüchtige Komponenten in Lösungsmitteln unabhängig von fieren Polarität zu bestimmen.

Analysenprobleme dieser Art konnten bisher nur in der Weise gelöst werden, daß die gesamte Mischung in einer Richtung durch die Säulen eluiert werden konnte. Dabei werden die eventuell interessierenden Komponenten in einer Kühlfalle gesammelt und getrennt untersucht. Im Falle wäßriger Lösungen wurde bisher davon Gebrauch gemacht, daß Wasser im Flammenionisationsdetektor (FID) nicht angezeigt wird (der FID gibt nämlich nur mit kohlenstoffhaltigen Stoffen ein Signa!>. Diese Methode hat aber die unangenehme Folge, daß oft große Mengen Wasser oder andere polare Stoffe oder gar Reagenzien (etwa von Derivatisierungen) in die Hauptsäule eines solchen Systems gelangen und deren Trennleistung und Polarität beeinträchtigen. Das gilt besonders auch für Dünnfilmkapillaren.

»Ventillos« geschaltete Doppelsäulensysteme — auch für Kapillarsäulen — wie sie hierzu benutzt werden, sind bereits beschrieben (G. Schomburg und F. Weeke, Gaschromatography 1972, Applied Science Publishers, Ltd. 1973, page 285; D. Deans, Chromatographia 1(1968). 18).

Solche bekannten Systeme werden benutzt, auch unter Verwendung der Technik des intermediären Ausfrierens, um schwerflüchtige oder sehr polare Probenkomponenten von leichtflüchtigen, z. B. von Lösungsmitteln, aber auch von anderen nicht interessierenden Probenkomponenten abzutrennen.

Ist dazu hohe Auflösung nötig, so werden lange Analysenzeiten erforderlich, vor allem, wenn alle Komponenten, auch solche mit hoher Retention, bei konstanter Temperatur eluiert werden sollen. In manchen Fällen können solche Verbindungen mit hoher Retention gar nicht mehr in vernünftiger Zeit und bei nicht zu hohen Temperaturen aus der Säule entfernt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu

grunde, ein Verfahren zur Trennung und Bestimmung von Spurenkomponenten in Lösungen, insbesondere von unpolarcn Spurcnkoniponcnten in polaren, beispielsweise wäßrigen Lösungen zur Verfügung zu stellcn. in dem die selektive Auftrennung und Bestimmung kleiner Substanzmengen neben großen

Matrix-Lösungsmittelmengen und/oder überschüssigen Mengen nicht interessierender Reagenzien, beispielsweise aus Dcrivatistcrungsreaktionen. in für die Routi-

IU ncanalytik angestrebien kurzen Trennzeiten und unter Reaktionsbedingungen ermöglicht wird, die einen thermischen Abbau der zu bestimmenden Probenkomponenten nicht befürchten läßt, wie er bei »Durchtreiben« dieser Komponenten durch die ganze Vorsäule unter

is itark erhöhten Temperaturen und/oder Trägergasströmungen mitunter beobachtet wird. Gleichzeitig sollte die Selektivität der Auftrennung der zu bestimmenden Substanzen unter Erhöhung des Signal/Rausch Verhältnisses bei der Signalerzeugung im Detektor verbessert werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Trennung und Bestimmung von Spurenkomponenten in Lösungen, insbesondere wäßrigen Lösungen, in dem durch Abtrennung der überschüssigen Lösungsmittel menge eine Anreicherung der Spurenkomponenten stattfindet mit Hilfe eines Doppelsäulen ■Gaschromatographiesystems, welches eine Hauptsäule und, dieser vorgeschaltet, eine Vorsäule, in der die Richtung des Trägerstromes umkehrbar ist. aufweist, dadurch ge kennzeichnet, daß ?ur Abtrennung der überschüssigen Lösungsmittelmenge die Lösung zwischen der Vorsäule und der Hauptsäule in die Vorsäule injiziert wird, nach Austritt des überschüssigen Lösungsmittels an dem der Hauptsäule abgewandten Ende der Vorsäule der Trä gergasstrom in der Vorsäule umgekehrt wird und dann die an dem der Hauptsäule zugewandten Ende der Vorsäule festgehaltenen Spurenkomponenten über eine Kühlfalle in die Hauptsäule geleitet werden. Dazu wird ein Doppelsäulensyste..; eingesetzt, wobei beliebige Schnitte aus dem Eluat der Vorsäule gewonnen werden können. Lösungsmittel oder Komponenten, die nicht von Interesse sind, können aus den verschiedenen Bereichen des Gaschromatogrammes entfernt und von der nachfolgenden Haupttrennung in weiteren Ka pillarsäulen ausgeschlossen werden. Oft wird ein sorg fältig ausgewählter Schnitt aus dem Eluat der Vorsäule in die Hauptsäule überführt. Dieser Schnitt kann z. B. Komponenten enthalten, deren Retentionsparameter unter reproduzierbaren Bedingungen zur Identifizie rung von besonderem Interesse sind.

In der vorliegenden Patentanmeldung wird für den F^Il wäßriger Lösungen oder von Lösungen mit stark polaren anderen Lösungsmitteln eine vollständige unpolare stationäre Flüssigkeit benutzt, um kurze Reten- tionen für Wasser (oder z. B. Methanol und andere hydroxylhaltige Lösungsmittel) zu erhalten. Umgekehrt hat das zur Folge, daß alle Komponenten in der Lösung, die lipophiler sind als Wasser oder Methanol (z. B. mehr Kohlenstoff enthalten), sehr stark in solchen Vorsäulen

(z. B. Porapak) festgehalten werden. Deren Austreibung und Überführung in die Kühlfalle und dann in die Hauptsäule ist dadurch möglich, daß man die in der Vorsäule zurückgehaltenen weniger polaren, also lipophileren Verbindungen, aus dieser zurückspült, so daß sie in dieser Vorsäule nur einen kurzen Weg bis in die Kühlfalle zurücklegen müssen. Dazu muß nach dem Einspritzen der Lösung über einen Einspritzblock, der zwischen Vor- und Hauptsäule liegt, die Strömung in der

Vorsäule, und zwar mil einer Deansschaliung umgekehrt werden, wenn das Wasser die Vorsäule am anderen Ende verlassen hat.

Danach werden nur die für die Trennung in der zweiten Säule vorgesehenen Komponentengruppen nach der Vortrennung in der ersten Säule in die zweite Säule überführt.

Im Falle der Kopplung höher mit der Probensubstanz belastbarer gepackter Säulen oder z. B. auch Dickfilmkapillarsäulen mit einer hocheffizienten, aber nur gering belastbaren Kapillarsäule wird erreicht, daß in der Spurenanalyse sehr verdünnter Lösungen, bei denen große Probenvolumina dosiert werden müssen, diese zunächst in einer höher belasibaren Säule vorgetrennt werden, um die großen Mengen an Matrixlösungsmittel abzutrennen und gar nicht in die gering belastbare Kapillarsäule gelangen zu lassen und dort die Trennung der wichtiger, Spurenkomponenten oder die Qualität dieser Säule durch Zerstörung des Rims der stationären Flüssigkeit zu vermindern. Große Matrix-Lösungsmittelmengen können außerdem auch die Arbeitsweise des Detektors beeinträchtigen.

Die sehr geringen Mengen der Spurenkomponenten, auf deren Trennung und empfindliche Detekticwi es ausschließlich ankommt, gelangen dann durch Rückspülung auf kürzestem Wege und damit schonend in die geringer belastbare, aber auch besser trennende Kapillarsäule. Dort muß durch Vorschalten einer Kühlfalle eine Fokussierung der aus der Vorsäule transferierten Produkte erfolgen, um nach Start der Trennung etwa mit einem Temperaturprogramm sehr gut getrennte und für den empfindlichen Spurennachweis steile Peaks mit hohem Signal/Rausch-Verhältnis bei der Signalerzeugung im Detektor zu erhalten.

Das gleiche Verfahren läßt sich grundsätzlich für alle anderen schwerflüchtigen Komponenten, auch (Spurenkomponenten) in Lösungen von weniger polaren Lösungsmitteln anwenden, wenn also z. B. leichtflüchtige Lösungsmittel oder Hauptkomponenten schnell aus der Vorsäule, d^i diesmal eine beliebige Polarität haben kann, austreten und die interessierenden Komponenten wegen ihrer sehr hohen Retention (die durch Molekülgröße und Polarität bestinmt wird) ganz vorn in der Vorsäule zurückbleiben und von dort, wie im Falle der wäßrigen oder anderen polaren Lösungen, über die Kühlfalle ir die Hauptsäule gelangen

An zwei Vergleichsbeispielen für die Aufbereitung verdünnter Lösungen auf die schon bekannte und beschriebene Weise wird gezeigt, daß die von uns hier beschriebene Apparatur sowohl alle bisher üblichen Doppelsäulentechniken anzuwenden erlaubt, daß aber nur die von uns hier vorgestellte Variante auch die vorstehend beschriebenen, häufig vorkommenden schwierigen Fälle lösen kann.

55 Vergleichsbeispiel I

Isotherme Analyse ausgesuchter Schnitte unter
Verwendung des intermediären Ausfrierens und anschließender Reinjektion (Abbildung 2)

Isomere silylierte Zucker waren isotherm zu trennen. Die Trennung wurde kombiniert mit der Entfernung des Überschusses an Sylilierungsmittel einschließlich der Komponenten mit höherer Retention, die für die Analyse ohne Interesse waren. Das Schema der Apparatur ist aus der Abbildung errinhtlich. Die Trennung erfolgt zweistufig, in einer Vor- und in einer Haupttrennung.

Die zu analysierende Probe wird in den Probengeber (5) eingespritzt. Die schwerer flüchtigen, der für die Analyse wichtigen Komponenten bleiben in der Vorsäule (β), während überschüssiges Silylierungsmittel und andere nicht interessierende leichtflüchtige Komponenten die Vorsäule (6) in Richtung Probengeber (7) und Auslaß (9) verlassen. Durch Schließen von (9) werden die in.der Vorsäule festgehaltenen Probenkomponenten zunächst in die Kühlfalle (11) (gekühlt mit flüssigem Stickstoff) und dann in die Haupttrennsäule (13) geleitet (Säulenschaltopcralionen ventillos!).

Die Vorsäulentrennung wurde an einer gepackten Säule von 1 m Länge mit V» i. (L, gepackt mit Silikonöl SE-52 auf Chromosorb durchgeführt. Die Probenmenge betrug 1 μΐ. Haupttrennsäule (Siliconöl SF-96). 100 m Kapillare, 0,25 mm i. d.

Vergleichsbeispiel 2

Spuren-Analse auf organische Stoffe in wäßriger Lösung unter Verwendung eine, itark polaren Vorsäuie

Auch bei diesem Beispiel erfolgt die Einführung der Probe über den Einspritzblock (5). Die Vorsäule (6) mit hoher Polarität, in diesem Fall Carbowax 20 M (verwendbar sind auch alle Polyesterphasen) verlängert die Retention von Wasser, aber auch anderen Hydroxyverbindungen so stark, daß die interessierenden (Spuren)-Komponenten vor dem Wasser elaiert werden und das Wasser nach Überführung der früher eluierten Verbindungen in die Hauptsäule (13) leicht aus der Vorsäule zurückgespült werden kann. Das Verfahren ist in dieser Form nicht anwendbar, wenn die interessierenden Komponenten wegen ihrer geringen Flüchtigkeit trotz niedrigerer Polarität hinter dem Wasser eluiert werden.

Es folgen nun zwei Beispiele, die die Wirkungsweise unserer neuen Anordnung illustrieren:

Beispiel 1

in der völlig unpolaren Vorsäule (6), die z. B. Porapak oder Kohlenstoffmolekularsieb enthält, wird Wasser (und andere Hydroxyverbindungen; sehr schnell eluiert, während alle kohlenstoffhaltigen Verbindungen praktisch gar nicht in die Vorsäule eindringen, weil ihre Löslichkeit in diesen Phasen extrem höher als die von hydroxylhaltigen Verbindungen ist. Aus diesem Grunde wird nunmehr die Probe über den Probengeber (7) in das System eingeführt. Das Wasser wandert durch die Vorsäule (6) schneie über den Probengeber (5) zum Auslaß (4), während die anderen Probenkomponenten ganz vorn in der Säule nahe dem Probengeber (7) zurückgehalten werden. Durch ventillos, nach Deans geschaltete Strömungsumkehr in der Vorsäule werden diese Komponenten nun nacti (11) zurückgespült und in Richtung (13) (Hauptsäule) weitergeleitet zur eigentlichen Trennung und Detektion. Bei (10) befindet sich ein Leck, an dem eine Strömung von Trägergas in Richtung (7) geregelt wird, während der Probenaufgabe bei (7) und der Vortrennung in (6).

Das Wasser kann nun nicht bei dieser Betriebsweise der Apparatur, die nur Flammenionisationsdetektoreri enthält, nachgewiesen werden. Der Zeitpunkt, wann es die Vonsäule verlassen hat, wird in einer unabhängigen Messung in einer anderen Apparatur mit Hitzdrahtdetektor bestimmt. Immer wird aber das Walser lange vor allen anderen als absolut erste Komponente aui> einer

zo zv υ/ο

5

Porapaksäuie eluiert.

Als Beispiel wird hier eine meihanolische Lösung von aromatischen Kohlenwasserstoffen analysiert. Methanol wurde gewählt, weil es fast so polar wie Wasser ist. aber doch vom FlD angezeigt wird (es enthält ein C- ·> Atom). In der Porapaksäuie wird es wegen seiner etwas geringeren Polarität etwas später als Wasser cluicrt. Trotzdem geben die in Bild I gezeigten Chromatogramme eine Vorstellung davon, wie das gleiche Experiment mit Wasser als Lösungsmittel verlaufen würde. ;»

B e i s ρ i c I 2

Unabhängig von der Polarität des Lösungsmittels kann der Probengeber (7) benutzt werden, um generell r> f:\

schwerflüchtige Verbindungen auf kürzestem Wege aus der Vorsäule zurückzuspulen in die Kühlfalle, anstalt sie bei erhöhter Temperatur durch die ganze Vorsäulc zu treiben. Die Vorsäule kann dabei auch eine beliebige Foiaricäi haben, wenn nur aus der rCeriiuriii vuci der μ Zusammensetzung der Probe sichergestellt ist. daß ein sehr großer Flüchtigkeitsunterschied zwischen Lösungsmittel und den zu analysierenden Komponenten besteht. Nur dann werden die letzteren schon am Anfang der Vorsäule festgehalten und die Rückspülung >5 führt zu erheblichen Vorteilen.

Eine Lösung von silylierten Steroiden in Methylenchlorid + Hexan wird z. B. bei (7) aufgegeben. Die Lösungsmittel und andere sehr flüchtigen, nicht interessierenden Komponenten werden wie sonst das Wasser jo über (5) bei (4) aus dem System herausgelassen, während die Steroide gleich am Anfang der Vorsäule, die Phasen wie OV-IOl enthält (bei unsilylierten Steroiden würde man Carbowax 20 M wählen, um deren Retention noch zu verlängern), festgehalten werden. Sie wer- ja den dann schnell und schonend nach (U) zurückgespült und in (13) getrennt, sowie bei (14) detektiert.

Bezugszeichenliste

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1 Trägergas

2 Druckregler

3 Strömungsregler

4 Auslaß für die Rückspülung

5 Einspritzblock für »heartcutting« und Rückspülung

6 Vorsäule (gepackt)

7 Einspritzblock für wäßrige Lösungen

8 Kontroll-F/D für Vortrennung

9 Auslaß für Schnitte von der Vorsäule 10 Leck für Spülgasregelung

H Kühlfalle;

12 Auslaß für Splitte (Stromleiter)

13 Glaskapillarsäule;

14 FlD für Haupttrennung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Trennung und Bestimmung von Spurenkomponenten in Lösungen, insbesondere wäßrigen Lösungen, in dem durch Abtrennung der überschüssigen Lösungsmittelmenge eine Anreicherung der Spurenkomponenten stattfindet mit Hilfe eines Doppelsäulen-Gaschromatographiesysiems. welches eine Hauptsäule und, dieser vorgeschaltet, eine Vorsäule, in der die Richtung des Trägerstromes umkehrbar ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abtrennung der überschüssigen Lösungsmittelmenge die Lösung zwischen der Vorsäule und der Hauptsäule in die Vorsäule injiziert wird, und dann, nach Umkehr des Trägergasstromes in der Vorsäule, die an dem der Hauptsäule zugewandten Ende der Vorsäule festgehaltenen Spurenkomponenten über eine Kühlfalle in die Hauptsäule geleitet werden.