Eine Probe wird in der mobilen Phase (Trägergas) über eine stationäre Phase (fest oder flüssig) bewegt.
Durch unterschiedlich starke Wechselwirkung der Probenkomponenten mit der stationären Phase erfolgt die Auftrennung an der Phasengrenze zwischen mobiler und stationärer Phase. Entsprechend Ihrer physikalischen/ chemischen Eigenschaften werden die einzelnen Probenkomponenten verschieden lange zurückgehalten.
Im weiteren Verlauf bilden sich Bereiche (Fraktionen/Banden) gleicher Substanzen oder Substanzgruppen, die mit einer bestimmten Geschwindigkeit von der mobilen Phase weitertransportiert werden.
Am Säulenende können die einzelnen Komponenten der Probe als Reinsubstanzen entnommen oder einem entsprechenden Detektor zugeführt werden.
Das Detektorsignal erscheint am Schreiber als Ausschlag (=Peak). Die einzelnen Peaks lassen sich den verschiedenen Probenkomponenten zuordnen.
Mit einigen substanzspezifischen Detektoren können mittlerweile Messungen im Konzentrationsbereich bis ppt reproduzierbar gemessen werden.
Funktionsprinzip der wichtigsten Detektoren
a) WLD: Wärmeleitführungsdetektor
Die Probenkomponenten gelangen nacheinander mit dem Trägergas aus der Trennsäule in den Meßkanal des Detektors. Ein zweiter Kanal dient als Referenzkanal und wird nur von reinem Trägergas durchströmt. In beiden Kanälen befinden sich elektrisch beheizte Widerstandsdrähte.
Durch die einzelnen Probenkomponenten verändert sich die Wärmeleitfähigkeit im Messkanal. Die veränderte Wärmeableitung an den Widerstandsdrähten bewirkt eine Temperatur- und damit eine Widerstandsänderung in den Drähten.
Diese Änderung vergleicht man mit dem Widerstandswert der Drähte des Referenzkanals, der nur von reinem Trägergas durchströmt wird.
Eine "Wheatstone'sche Brückenschaltung" wandelt die Widerstandsänderung in ein Strom-/Spannungssignal um.
Dieses Signal ist der Konzentration der Probenkomponente (mg/ml) im Trägergas der Messzelle direkt proportional.
b) FID: Flammen-Ionisations-Detektor
Die einzelne Probenkomponente (der Eluent) gelangt mit dem Trägergasstrom aus der Trennsäule in den Detektor. Direkt am Säulenende befindet sich die Brennerdüse.
Je nach Trägergas (H2, He, N2) mischt man vor dem Detektor Wasserstoff und synthetische Luft zu.
In der Flamme bilden sich Ionen und freie Elektronen. Die geladenen Teilchen bewirken einen meßbaren Strom zwischen Düse (Kathode) und der zylinderförmigen Anode.
Es fließt ein erhöhter Strom im Vergleich zum Signal der reinen Trägergas/Brenngas-Flamme. Diese Signaldifferenz gibt Auskunft über die Probenmenge, die pro Zeiteinheit (mg/s) den Detektor passiert.
c) ECD: Elektroneneinfang Detektor
Die einzelnen Komponenten der Probe gelangen nacheinander mit dem Gasstrom aus der Trennsäule in den Detektor.
Schnelle Beta-Teilchen aus einer radioaktiven Ni63-Quelle treffen auf die Moleküle des Träger-bzw. Make-up-Gases und erzeugen durch Stoßionisation freie langsame Elektronen, die zwischen den beiden Elektroden einen meßbaren Strom bewirken.
Elektrophile (elektroneneinfangende) Probenkomponenten vermindern die Anzahl der langsamen Elektronen.
Die Verringerung des Elektronenstroms (im Vergleich zu einem Signal ohne Probenkomponenten) ist proportional der Menge der elektrophilen Probenkomponenten (mg/s), die pro Zeiteinheit den Detektor passieren.
Anforderung an die Gasqualität bei der Gaschromatographie
An Betriebsgase für Detektoren sind besonders hohe Anforderungen bezüglich ihrer gleichbleibend hohen Reinheit zu stellen. Ein geringer Gehalt z.B. an Kohlenwasserstoffen im Betriebsgas ist eine entscheidende Voraussetzung für einen geringen Rauschpegel und geringen Drift des Ausgangssignals eines Flammenionisationsdetektors.
Für eine Reihe von Messaufgaben wird daher Wert gelegt auf Synthetische Luft mit einem Gesamt-KW-Gehalt < 0,1 vpm und einem NOx-Gehalt < 0,1 vpm. Aus der großen Zahl möglicher Reingase und Gasgemische seien die folgenden häufig angewandten Betriebsgase hervorgehoben:
| Häufig angewandte Betriebsgase | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Detektor | Trägergas | Betriebsgas | Gasreinheit bzgl. Messbereich | Bemerkung | ||
| ppt - 100 ppb | 100 ppb - 100 ppm | > 100 ppm | ||||
| Wärme- leitfähigkeits- detektor WLD |
Wasserstoff Helium Argon Stickstoff |
5.3 5.3 5.3 5.3 |
5.0 5.0 5.0 5.0 |
|||
| Flammen- ionisations- detektor FID |
Wasserstoff | 6.0 6.0 |
5.6 5.3 5.6 5.3 5.6 5.3 KW-frei |
5.0 5.0 5.0 |
A | |
| Helium Stickstoff |
Synth. Luft | |||||
| Elektronen- einfang- detektor ECD |
Helium | Stickstoff | ECD ECD ECD ECD |
B | ||
| Stickstoff | ||||||
| Helium | P10/P5-Gas | |||||
| Wasserstoff | (%Methan in Argon) | |||||
| Flammen- photometirscher- detektor FPD |
Wasserstoff | 6.0 6.0 6.0 |
5.6 5.3 5.6 5.3 5.6 5.3 KW-frei |
5.0 5.0 5.0 |
A | |
| Helium | ||||||
| Stickstoff | ||||||
| Synthetische Luft | ||||||
| Photo- ionisations- detektor PID |
Helium Stickstoff |
6.0 6.0 |
5.6 5.3 5.6 5.3 |
5.0 5.0 |
C | |
| Helium- ionisations- detektor HID |
Helium | 7.0 |
6.0 | D | ||
| Thermionischer Detektor TID |
Wasserstoff | 6.0 | 5.6 5.3 |
5.0 | A | |
| Helium | 6.0 | 5.6 5.3 |
5.0 | |||
| Argon | 6.0 | 5.6 5.3 |
5.0 | |||
| Stickstoff | 6.0 | 5.6 5.3 |
5.0 | |||
| Synthetische Luft | KW-frei | |
||||
| Atom- emisssions- detektor AED |
Helium | 6.0 | 6.0 |
E | ||
| Stickstoff | 6.0 | 6.0 | |
|||
| Wasserstoff | 6.0 | 5.3 | |
|||
| Sauerstoff | 5.0 | 5.0 | |
|||
| Methan | 4.5 | 4.5 | |
|||
| Massenselektiver Detektor (GC-) MS |
Helium | 7.0-6.0 | 6.0 |
|||
Bemerkung:
Kohlenwasserstoff-Verunreinigungen (KW) in den Betriebsgasen führen zu einem stärkeren Basislinienrauschen und damit zur Verschlechterung der Nachweisgrenze. Der KW-Anteil in den Betriebsgasen sollte daher so niedrig wie möglich sein. Als Brenngas für den FID/FPD wird auch ein Gasgemisch aus 40 % Wasserstoff, Rest Helium eingesetzt.
Der ECD-Detektor reagiert sehr empfindlich auf Verunreinigungen in den Gasen, Leitungen, Armaturen und Dichtungen mit Substanzen hoher Elektornenaffinität wie Feuchte, Sauerststoff und FCKWs.
Leicht ionisierbare Kohlenwasserstoff- Verunreinigungen (KW) in den Betriebsgasen erhöhen das Basisinnenrauschen. Der KW-Anteil in den Betriebsgasen sollte daher so niedrig wie möglich sein.
Aufgrund der Störanfälligkeit des HID sollte der Detektor unter Schutzgas betrieben werden.
Neben hochreinem Helium als Träger- und Plasmagas benötigt das Spektrometer auch hochreinen Stickstoff als Spülgas und verschiedene Reagenzgase, je nachdem welche Elemente gemessen werden.
Hochreine Betriebsgase und ein entsprechendes Gasversorgungssystem (siehe Kapitel "Gasversorgungssysteme") sind neben einer exakten Probenpräparration die wichtigsten Voraussetzungen für die störungsfreie und zuverlässige Analytik mit modernen Messgeräten.