Kostengünstige Alternativen zu Helium für die Gaschromatographie

Obwohl die Verfügbarkeit von Helium inzwischen weniger Anlass zur Sorge gibt, wird der Preis für Helium weiter steigen, sodass kostengünstige Alternativen für analytische Labore weiterhin attraktiv sind.

Zahlreiche Labore, die von der Heliumknappheit 2012–2013 betroffen waren, haben festgestellt, dass sie Helium problemlos beschaffen können, obwohl die Preise in den letzten zwei Jahren stark gestiegen sind. Eine direkte Folge des Heliummangels war die Zunahme der Informationen, die Chromatographen über alternative Trägergase zur Verfügung gestellt wurden, und die daraus resultierende Zunahme der Verwendung von Stickstoff und Wasserstoff als Alternativen aufgrund einer veränderten Wahrnehmung der Verwendung dieser Gase.

Stickstoff wird als langsames Gas angesehen und oft als Alternative zu Helium übersehen, obwohl seine Verwendung bei einer Reihe von GC-Analysen durchaus sinnvoll wäre. Bei einer niedrigen optimalen linearen Geschwindigkeit von 8–14 cm-1 für Stickstoff, verglichen mit 25–33 cm-1 für Helium (Abbildung 1), verlängern sich die Analysezeiten, wenn der Analytiker eine optimale Leistung beibehalten möchte. Wenn jedoch eine ausreichende Auflösung zwischen den Peaks besteht, ist es möglich, Proben mit einer höheren durchschnittlichen linearen Geschwindigkeit zu verarbeiten, was bedeutet, dass einige theoretische Platten geopfert werden, was in der Praxis zu breiteren Peaks führt.

Wasserstoff ist bei höheren linearen Geschwindigkeiten effizienter als Helium, mit einem optimalen linearen Geschwindigkeitsbereich von 38–45 cm-1, was bedeutet, dass die Effizienz im Vergleich zu Helium verbessert wird. Diese verbesserte Effizienz bei höheren linearen Geschwindigkeiten ermöglicht potenziell einen höheren Probendurchsatz, jedoch ist es aufgrund der mangelnden Peak-Auflösung nicht immer möglich, eine Probe mit einer höheren linearen Geschwindigkeit zu analysieren. Die Anpassung der linearen Geschwindigkeit von Wasserstoff an die von Helium sollte eine vergleichbare Analyse mit leicht verbesserter Trägereffizienz ermöglichen.

Ein Problem bei der Arbeit mit Wasserstoff ist seine Entflammbarkeit und die Platzierung von Wasserstoffflaschen im Labor stellt ein potenzielles Gesundheits- und Sicherheitsrisiko dar. Daher ist die Verwendung von Generatoren zur Erzeugung von Wasserstoff und Stickstoff eine kostengünstige und sichere Methode zur Gaserzeugung im Labor. Wasserstoff wird durch die Elektrolyse von deionisiertem Wasser hergestellt und dem GC bei Bedarf zugeführt. Der Wasserstoffgenerator enthält nur eine geringe Menge an Wasserstoff bei einem viel niedrigeren Druck als Gasflaschen, kann aber genug Gas für ein ganzes Labor erzeugen. Stickstoff wird durch die Entfernung von Sauerstoff, CO2 und Kohlenwasserstoffen aus Druckluft durch Druckwechseladsorption unter Verwendung eines Kohlenstoff-Molekularsiebmaterials hergestellt.

Ein Dreikomponenten-Alkanstandard wurde mit einem Shimadzu 2010 GC mit einer Restek RTX-1-Säule (30 m x 0,25 mm x 0,25 µm) unter Verwendung von Helium aus der Flasche und Wasserstoff und Stickstoff, die von Gasgeneratoren erzeugt wurden, als Trägergase untersucht. Die Proben wurden isotherm (170 °C) unter Verwendung der drei Trägergase bei derselben linearen Geschwindigkeit (37,5 cm-1) analysiert, um die Auswirkungen auf die Peakfläche, die Peakbreite, die theoretische Bodenzahl und die Auflösung zu untersuchen.

Abbildung 2 zeigt, dass die Ergebnisse dieses kurzen Durchlaufs unabhängig vom verwendeten Trägergas sehr ähnlich sind. Wasserstoff und Helium liefern fast identische Ergebnisse, wobei die Peaks im Stickstofflauf eine leichte Bandenverbreiterung aufweisen.

Obwohl die lineare Geschwindigkeit aller drei Trägergase auf 37,5 cm eingestellt wurde, sind die Alkan-Peaks im Stickstofflauf im Vergleich zu Wasserstoff und Helium leicht verzögert.
Die Daten in Tabelle 2 zeigen, dass alle drei Trägergase für jede der drei Verbindungen die gleichen Peakflächen erzeugten, sodass es keine Auswirkungen des Trägergases auf die Empfindlichkeit gab. Wie erwartet, hat der Betrieb von Stickstoff bei einer hohen linearen Geschwindigkeit jedoch eine Verringerung der Effizienz zur Folge, was sich in der geringeren Anzahl theoretischer Platten und damit in einer geringeren Auflösung zeigt. Die geringere Effizienz führt zu einer Verbreiterung der Peaks, was im Chromatogramm sichtbar ist und in Tabelle 2 dargestellt wird.

Für die Analyse von Proben wie der Alkanmischung, die eine hohe Auflösung zwischen den Peaks aufweist, gibt es keinen Grund, warum nicht Stickstoff und Wasserstoff anstelle von Helium verwendet werden können. Obwohl die Verwendung von Stickstoff zu einer Verringerung der theoretischen Platten führt, hat dies keinen Einfluss auf die hier gezeigten Gesamtergebnisse. Es gibt gute Gründe, Stickstoff für eine Reihe von GC-Analysen zu verwenden, bei denen eine hohe Effizienz nicht unbedingt erforderlich ist.

Wasserstoff schnitt sehr ähnlich wie Helium ab, was zeigt, warum eine große Anzahl von Laboren ihre Analysen jetzt von Helium auf Wasserstoff umstellen, da sie eine vergleichbare Chromatographie erhalten können, während sie eine günstige, leicht verfügbare Alternative zu Helium verwenden, das sicher durch Wasserstoffgeneratoren erzeugt wird.

Der Preis für Helium wird in absehbarer Zukunft weiter steigen, sodass die Ergebnisse hier zeigen, dass Stickstoff und Wasserstoff als alternative Trägergase ohne Leistungseinbußen verwendet werden können. Die Erzeugung dieser Gase durch Generatoren bedeutet, dass Labore eine konstante, bedarfsgerechte Gasversorgung haben, ohne dass sie nachts mit dem Ärgernis konfrontiert sind, dass das Gas ausgeht oder sie schwere Gasflaschen herumtragen müssen.

Tabelle 1. Peakflächen, theoretische Bodenzahl, Auflösung und Peakbreite von Decan, Undecan und Dodecan bei Verwendung von Helium, Stickstoff und Wasserstoff als Trägergas.

Abb. 1: Van-Deemter-Kurve, die die Effizienz von Helium, Stickstoff und Wasserstoff über einen Bereich von Durchflussraten zeigt.

Abb. 2: Chromatogramm, das den Durchlauf von Decan, Undecan und Dodecan unter Verwendung von Helium, Stickstoff und Wasserstoff als Trägergas zeigt.

Um mehr über die Präzisionsserien-Generatoren für Wasserstoff, Stickstoff und Nullluft für die Gaschromatographie von Peak Scientific zu erfahren, klicken Sie hier oder kontaktieren Sie uns.