Lexikon der Medizinischen Laboratoriumsdiagnostik
Autoren
T. Arndt

Gaschromatographie

Gaschromatographie
Synonym(e)
GSC; GLC; GC
Englischer Begriff
gas chromatography
Definition
Eine Form der Chromatographie, bei der die mobile Phase gasförmig ist (sog. Trägergas) und die stationäre Phase fest (Gas-Festchromatographie, GSC) oder flüssig (Gas-Flüssigchromatographie, GLC).
Physikalisch-chemisches Prinzip
Die chromatographische Trennung der Probenbestandteile beruht auf der in Abhängigkeit von ihrer physikochemischen Natur unterschiedlich stark ausgeprägten, wiederholten Adsorption und Desorption der Substanzen an der stationären Phase (Stationäre Phase). Dabei führen starke Wechselwirkungen zu einer großen zeitlichen Verzögerung und dadurch späten Elution der Substanzen von der Trennsäule, während nur schwach ausgeprägte Wechselwirkungen zu einem schnellen Eintreffen der entsprechenden Substanzen im Detektor führen.
Einsatzgebiet
Im Unterschied zur nahezu universell einsatzbaren Flüssigkeitschromatographie kann die Gaschromatographie nur zur Analyse von gasförmigen oder z. B. durch Derivatisierung leicht in die Gasphase überführbaren Analyten eingesetzt werden. Ein wichtiges Einsatzgebiet im klinisch-chemischen Labor sind Medikamenten- und Drogenbestimmungen sowie die Blutalkoholanalyse.
Untersuchungsmaterial
Es sind alle Körpermaterialien geeignet, sofern die Analyte gasförmig vorliegen oder zerstörungsfrei in die Gasphase überführt werden können.
Instrumentierung
Ein Gaschromatograph (Abb. 1) besteht aus einem Gasreservoir, einer Probenaufgabeeinheit, der Trennsäule und einem Detektor.
Das Trägergas (oft Stickstoff oder Helium) befindet sich in einer Druckflasche. Durch Ventile wird der für den Analyseprozess erforderliche Druck eingestellt, der gleichzeitig zum Transport der mobilen Phase (Mobile Phase; Trägergas) durch den Gaschromatographen dient.
Die Probenaufgabetechnik (Injektion mit oder ohne Split zur Reduktion der Trennsäulenbelastung sowie mit oder ohne Temperaturprogramm zur Verdampfung von Probe oder Probenbestandteilen) hat erheblichen Einfluss auf das Trennergebnis (s. Lehrbücher der Chromatographie). Eine wichtige Variante der Probeninjektion ist die sog. Headspace-Technik. Hierbei wird die Analysenprobe nicht aus der im flüssigen oder festen Zustand vorliegenden Probe gezogen, sondern aus der über ihr befindlichen und mit ihr im thermodynamischen Gleichgewicht stehenden Gasphase. Man spricht dann von Headspace-Gaschromatographie. Eine wichtige Anwendung dieser Technik ist die Analyse von Ethanol im Blut.
Die GC-Trennsäulen werden in gepackte Säulen (1–50 mm Innendurchmesser) und Kapillarsäulen (30–500 μm Innendurchmesser, 1–100 m Länge) unterschieden. Die stationäre Phase liegt als dicht gepacktes Sorbens (GSC) oder als ein dünner Flüssigkeitsfilm (GLC) vor.
Wichtige Detektoren der GC sind:
  • Elektroneneinfang-Detektor (ECD),
  • Flammenionisations-Detektor (FID),
  • Stickstoff/Phosphor-Detektor (NPD),
  • Massenspektrometer (MS),
  • Wärmeleitfähigkeits-Detektor (WLD).
Eine Zusammenstellung von Prinzipien, Einsatzgebieten und Leistungsfähigkeit einiger Detektoren gibt Hübschmann (1996).
Spezifität
In Abhängigkeit von der Qualität der chromatographischen Trennung und der Selektivität des Detektors ist die Spezifität der Methode ausreichend bis außerordentlich hoch. Die Kombination mit einem Massenspektrometer (Massenspektrometrie; GC-MS) gilt als Referenzmethode in der forensischen Drogen- und Betäubungsmittelanalytik.
Sensitivität
Die Sensitivität hängt stark von der analytischen Fragestellung und dem Detektortyp ab. Die Nachweisgrenzen liegen zwischen 10−9 (WLD) und 10−12 g/mL (FID).
Fehlermöglichkeit
Fehler in der Probenvorbereitung, z. B. durch Analytverluste, können durch Einsatz eines internen Standards oder durch das Prinzip der Standardaddition kompensiert werden. Eine unzureichende Spezifität des Detektors bei ungenügender chromatographischer Trennung von mehreren Probenkomponenten kann zu Fehlbestimmungen des Analyten führen. Dies kann durch eine Veränderung der Eigenschaften der mobilen und/oder stationären Phase, durch eine modifizierte Flussrate der mobilen Phase, durch längere oder dichter gepackte Trennsäulen etc. verhindert werden. Die Spezifität einer chromatographischen Analyse hängt in entscheidendem Maße von der Qualität der chromatographischen Trennung der Probenbestandteile ab.
Praktikabilität – Automatisierung – Kosten
Im Unterschied zur HPLC, werden Gaschromatographen gewöhnlich als Komplettsysteme angeboten. Die Anschaffungspreise betragen mehrere Zehntausend Euro. Komplettkits zur Durchführung von GC-Analysen sind nicht verfügbar, sodass im Allgemeinen Eigenentwicklungen mit oft geringen Materialkosten zum Einsatz kommen. Wesentliche Kostenfaktoren sind dann die GC-Trennsäule und das in höchstem Reinheitsgrad erforderliche Trägergas.
Bewertung – Methodenhierarchie (allg.)
Die GC ist eine ausgereifte Methode mit hoher Robustheit im Routinebetrieb. Als eigenständige Methode hat sie in den letzten Jahrzehnten an Bedeutung im Vergleich zur Flüssigkeitschromatographie („high performance liquid chromatography“, HPLC) verloren. In Kombination mit einem massenspektrometrischen Detektor hat sie allerdings noch immer eine herausragende Stellung in der forensischen Analytik. Eine vergleichsweise neue Variante ist die GC-MS/MS, die analog zur LC-MS/MS (LC-MS) mit einem Tripelquadrupol (LC-MS) arbeitet und eine hohe analytische Spezifität und Sensitivität erreichen kann. Siehe auch Massenspektrometrie.
Literatur
Hübschmann HJ (1996) Handbuch der GC-MS. Grundlagen und Anwendung. VCH, Weinheim
Latscha HP, Linti GW, Klein HA (2004) Analytische Chemie. Chemie Basiswissen III. Springer, Berlin/Heidelberg/New York