Das Kapitel zur Peak-Auflösung haben wir in zwei Parts unterteilt.
Im diesem ersten Teil sollen die Grundlagen der chromatographischen Auflösung besprochen werden. Er beleuchtet die Theorie und richtet sich an fortgeschrittene Anwender*innen.
Im zweiten Teil werden die Maßnahmen zur Problemlösung im Detail beschrieben. Dieser – eher praktische Teil – richtet sich an alle Anwender*innen.

Starten wir mit ein wenig Theorie:
Die Massengleichung zur chromatographischen Auflösung lautet wie folgt:

Die Auflösung R_S hängt demnach von den drei Faktoren:

1. Effizienz,

2. Selektivität und

3. Retention ab.

1. Effizienz

Die Effizienz wird nur durch die Anzahl der theoretischen Böden N beeinflusst. Darauf können wir über die Länge der Säule, den Innendurchmesser, und über die Trägergasgeschwindigkeit Einfluss nehmen.

Erwähnenswert ist, dass die Auflösung nur proportional zur Wurzel der theoretischen Böden N ist. Das bedeutet, eine Verdopplung der Säulenlänge führt zwar zur doppelten Bodenzahl, aber nur zu einer ca. 1,4-fach höheren Auflösung.

Demnach sind die Verringerung des Innendurchmessers und die optimale Trägergasgeschwindigkeit der sinnvollere Weg zur Effizienzverbesserung.

Die optimale Trägergasgeschwindigkeit hat einen großen Einfluss auf die Bodenhöhe (und damit Anzahl der Trennböden/Säule). Die folgende Graphik zeigt die optimalen Trägergasgeschwindigkeiten für verschiedene Gase.

Trennstufenhöhe und Lineare Trägergeschwindigkeit

Erklärung:

Die Golay-Kurve ist die vereinfachte Form der Van-Deemter-Gleichung, wie sie für Kapillarsäulen Anwendung findet. Hierbei entfällt der A-Term der Eddy-Diffusion, da diese bei Kapillarsäulen (ohne Packungsmaterial) keine Relevanz hat. Mathematisch wird die Kurve beschrieben als:

Die Trennstufenhöhe H ist demnach abhängig von der Trägergasgeschwindigkeit ū und der Diffusion in der Gasphase B. Außerdem vom Massetransport in die Gasphase C_s und in die Flüssigphase C_m.
Die Trägergasgeschwindigkeit ū steht in der Formel einmal im Nenner und einmal im Zähler. Das bedeutet, dass es eine Trägergasgeschwindigkeit geben muss, bei der die Trennstufenhöhe H ein Minimum durchläuft. Dieses Minimum ist das Ziel für die beste Trennung, da bei dieser Geschwindigkeit pro Meter Säule am meisten Trennstufen zur Verfügung stehen.

Interessant ist, dass der Verlauf der Kurve bei kleinen Molekülen wie Wasserstoff viel flacher ist, womit hohe Trägergasgeschwindigkeiten und damit eine schnelle Analytik möglich wird, ohne signifikanten Verlust an Trennleistung.

Experten-Tipp: Da die Kurve links vom Optimum stark und rechts vom Optimum nur flach ansteigt, sollten Sie eine Trägergasgeschwindigkeit etwas oberhalb des optimalen Wertes in der GC-Methode einstellen (z.B. für Helium 30cm/s). So erhalten Sie eine deutlich schnellere Chromatographie ohne nennenswerten Verlust an Auflösung.

2. Selektivität

Der Term a ist definiert als t´R1 / t´R2 . Die Selektivität ist demnach der Retentions-Zeit-Abstand zweier benachbarter Peaks. Um den Abstand zweier Peaks zu vergrößern, kann entweder eine Säule mit einer geeigneteren Phase genutzt werden (Merksatz: Gleiches trennt Gleiches), oder die Rampe des Temperaturprogramms kann während der Elution flacher gestaltet werden.

3. Retention

Der Term k ist definiert als tR–t0 / t0, mit tR als Retentionszeit eines Peaks und mit t0 als Totzeit des Systems.

Je länger eine Substanz auf der Säule verweilt, umso besser ist dies für die Auflösung. Der Gedanke dahinter ist, dass eine Substanz möglichst viel Wechselwirkung mit der Trennphase haben soll, um nicht kurz nach der Totzeit bereits zu eluieren. Hier können wir wieder über das Temperaturprogramm Einfluss nehmen, aber auch über das Phasenverhältnis der Trennsäule.

In der kommenden Kurseinheit beschäftigen wir uns praktischen Überlegungen zur Verbesserung der Trennleistung.

Ihr Shimadzu GC-Team