4 cromatografia - Dipartimento di Chimica

Gascromatografia
Permette la separazione di sostanze gassose o gassificabili
variando la temperatura. Sono sostanze a basso peso molecolare,
di natura poco polare, assolutamente non ionica. Eventualmente
vengono trasformate.
SOLIDA (cromatografia di adsorbimento)
FASE STAZIONARIA
FASE MOBILE
LIQUIDA su supporto solido (cromatografia di ripartizione)
GASSOSA
@ Soluto volatile
@ T iniezione: 50 °C >T colonna
@ T colonna: dipende dalla volatilità dei soluti
@ Sostanze non volatili possono essere derivatizzate
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R
H3 N+
C
H
R
COO-
CF3
C
NH
CH
O
N-trifluoroacetilisopropilestere
(volatile)
COOCH(CH3) 2
@ All’uscita del rivelatore i soluti possono essere raccolti per
l’identificazione (metodi spettroscopici; MS)
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Cromatogramma
Risposta
registratore
AB = W = 4σ
A
B
LINEA DI BASE
In gascromatografia si usa il tempo di ritenzione (tr) più del volume
di ritenzione (Vr).
Linea di base:
tratto di cromatogramma dove non viene
registrato nessun componente
Picco:
segnale che si ottiene in corrispondenza
dell’uscita dell’analita dalla colonna al
rivelatore
trascorso
dal
momento
Tempo di ritenzione, tr: tempo
dell’introduzione del campione a quello di
massima risposta
volume di gas passato attraverso la
Volume di ritenzione, Vr:
colonna dall’introduzione alla massima
risposta per un certo componente
Vr = t r u
u = portata del carrier
Tempo di ritenzione corretto, tr’:
t r' = t r − t m
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L’equazione di van Deemter vale anche per la gascromatografia:
HETP = A +
B
+ Cu
u
Resistenza al trasferimento di
massa
Diffusione longitudinale
Diffusione vorticosa
@ In gascromatografia
longitudinale.
è
molto
importante
la
diffusione
Calcolare quanti piatti teorici sono necessari per avere R=0.98 con
=1.075 e =1.375 e k2
grande.
(3032;198)
2000 piatti teorici sono facilmente raggiungibili, ed è abbastanza
facile arrivare a 7500.
Iniezione
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setto
setto
ingresso carrier
fornetto dell’iniezione
liner
colonna
Caratteristiche della colonna cromatografia in funzione del tipo
d’impiego
Diametro della
colonna
(mm)
0.25
0.35
0.5
1
Tipo di
riempimento
Quantità di
sostanza
introducibile
Solo liquido
Ripartizione
(col. capillare)
0.01 µl
Pareti interne
ricoperte con
supporto più
liquido di
0.01-0.1µl
Impiego
Per separazioni
estremamente
difficili
5
ripartizione
(col. SCOT)
2
3
4
5
10
25
Ad
impaccamento
0.2-1 µl
Con rivelatori a
ionizzazione o
microcatarometrici
0.5-5 µl
Con catarometri
20-500 µl
Per scopi
preparativi
Materiali:
acciaio inossidabile
vetro (se il metallo interagisce)
Foggia:
aU
a spirale (con diametro della spirale almeno
10 volte superiore rispetto al diametro
interno)
Lunghezza:
1 - 4 m per colonne impaccate
30 -100 m per colonne capillari
Le colonne si possono preparare oppure acquistare già pronte.
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Per quanto riguarda le colonne capillari:
@ la fase stazionaria riveste la parte interna del capillare: cioè
elimina la diffusione vorticosa.
@ è inoltre diminuita la resistenza al flusso (si possono usare
colonne molto lunghe).
@ si possono trattare solo quantità di campione piccole (uso dei
divisori che permettono l’entrata in colonna di 0.1 - 5% del
campione).
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Esempi di applicazioni
Influenza della temperatura sul tempo di analisi
L’aumento della temperatura porta ad un accorciamento dell’analisi
in quanto
tr α 1/T secondo una funzione logaritmica.
Approssimativamente tr diminuisce della metà per ogni 30° C di
aumento della temperatura.
Normalmente la temperatura della colonna è regolata al valore
corrispondente alla media dei punti di ebollizione dei componenti la
miscela. Per miscele di composti con punti di ebollizione molto
distanti tra loro (>100° C) conviene quindi ricorrere ad una
temperatura programmata.
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ISOTERMA
II isoterma
10 °C
I isoterma
TEMPERATURA
PROGRAMMATA
15 °C
10 °C
ISOTERMA
TEMPERATURA
PROGRAMMATA
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Rivelatori
Rivelatore a conducibilità termica (o catarometro o a filo
caldo), TCD
Intervallo dinamico:104
Sensibilità modesta
Non distruttivo
controllo corrente
filamento
azzeramento
ponte
carrier
campione
+
carrier
alimentazione
registratore
Si basa sulla variazione di conducibilità termica del gas vettore
dovuta alla presenza in esso di specie eluite dalla colonna.
Si usa un filamento di tungsteno o tungsteno-renio riscaldato da
una corrente continua, la cui resistenza varia in funzione della
temperatura.
La resistenza di misura e quella di riferimento sono collegate tra
loro secondo il ponte di Weatstone: quando passa un gas con
diversa conducibilità termica le resistenze si sbilanciano e si ha un
segnale.
Il segnale viene di solito registrato senza preamplificazione.
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Conducibilità termica di vari gas a 100 °C
Rivelatore a ionizzazione di fiamma, FID
Intervallo dinamico: 107 (il più ampio che si conosca)
Sensibilità*: 10-12g/sec (100 volte migliore di TCD)
Distruttivo
Selettivo per composti organici contenenti il gruppo -CH
catodo
Aria
(comburente)
ugello=anodo
Idrogeno
(combustibile)
fine colonna
* quantità di sostanza che dà un picco 2 volte più grande del
rumore di fondo, diviso la larghezza del picco (g/sec)
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La conducibilità elettrica di un gas è direttamente proporzionale alla
concentrazione di particelle cariche in esso contenute.
In assenza di composti organici, si formano soltanto radicali liberi
H•, OH• , O•.
Gas di trasporto: azoto (inerte), genera una debole corrente di
fondo.
Il potenziale tra gli elettrodi (300 V) deve essere alto in modo da
catturare tutte le cariche senza provocare ulteriori ionizzazioni.
In presenza di composti organici, la fiamma provoca combustione e
successiva formazione di intermedi ionici (ioni positivi ed elettroni)
che generano un segnale elettrico.
La corrente di ionizzazione deve essere amplificata, tenendo conto
delle concentrazioni da determinare.
La risposta del FID è proporzionale al numero di atomi di carbonio
presenti nella sostanza.
Gas non combustibili (H2O, CO2, SO2, NOX) non danno segnale.
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@ In gascromatografia il carrier gassoso ha la sola funzione di
trasportare gli analiti lungo la colonna. Solo nella gas-solido si è
notata una influenza del carrier su tr. Dato che i gas più polari
danno tempi di ritenzione più corti, si pensa che competano con
l’analita per i siti attivi della fase solida (esattamente come il
solvente nella LC di adsorbimento).
Analisi gascromatografica qualitativa
@
I picchi vengono identificati da tr.
Tuttavia tr assoluto non ha significato perché dipende dalle
condizioni, alcune delle quali non esattamente controllabili
(impiccamento, invecchiamento,..)
@
tr relativo
@
indice di ritenzione di Kovats
rapporto tra tr della sostanza e tr di una
sostanza assunta come standard (di solito
N-pentano)
Metodi di identificazione:
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o arricchimento con componenti noti
se un picco aumenta per aggiunta di un componente si può
pensare che tale aumento sia dovuto a quel componente. Non
è sicuro, tuttavia se lo stesso effetto si ha su colonne diverse è
un forte indizio.
o modificazione chimica del campione
si fa reagire opportunamente il campione e si confrontano i
gascromatogrammi ottenuti prima e dopo modificazione (es.
alcoli per acetilazione)
o uso di rivelatori selettivi:
ƒ rivelatore a cattura di elettroni (sostanze clorurate,
polinucleari, nitroderivati)
ƒ rivelatore a fotometria di fiamma (FPD, per sostanze
solforate e fosforate)
ƒ rivelatore termoionico (sostanze azotate e fosforate)
ƒ spettrometro di massa per una identificazione più sicura
Analisi gascromatografica quantitativa
@
l’area dei picchi è proporzionale alla quantità di analita
meno influenzata dalle condizioni sperimentali
più difficile da misurare
@
l’altezza dei picchi è influenzata da molti fattori
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a) TARATURA DIRETTA:
curva di standarizzazione
9
8
7
A picco
6
5
4
3
2
1
0
0
2
4
6
8
concentrazione stdandard
Si introduce una quantità nota di campione e si paragonano le aree
con quelle degli standard.
Valido solo se le quantità introdotte sono riproducibili.
b) STANDARIZZAZIONE INTERNA:
si aggiunge alla miscela da analizzare una quantità esatta di un
componente diverso (standard)
AS : c s = AX : c X
cX =
c S AC X
AC S
AC = area corretta, è quella che si otterrebbe se il componente
considerato desse al rivelatore una risposta uguale a quella di un
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riferimento. Può essere calcolata utilizzando un fattore di
correzione.
Sostanze volatili
Le sostanze volatili contenute in un campione liquido possono
essere introdotte nel GC col metodo dello spazio di testa.
Chiusura: gomma autosaldante perforabile con l’ago di una siringa
o microsiringa con cui si fa il prelievo (pochi µl di vapore).
La standardizzazione si esegue con lo stesso metodo.
Ovviamente permette di prelevare solo i campioni volatili.
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