Cap 5_Gascromatografia

CROMATOGRAFIA
Principio
• I componenti di una miscela sono separati
Promemoria!
• Dopo la separazione, i componenti raggiungono un rivelatore
che dà luogo ad un segnale proporzionale alla loro
concentrazione.
• Essi vengono identificate sulla base del tempo impiegato a
raggiungere il rivelatore (tempo di ritenzione)
CROMATOGRAFIA
Classificazione
CROMATOGRAFIA
SU COLONNA
LIQUIDA
(LC)
GAS CROMATOGRAFIA
(GC)
A FLUIDO
SUPERCRITICO
(SFC)
PLANARE
GASCROMATOGRAFIA
• Fase stazionaria: liquido o solido (in colonna)
• Fase mobile: gas
Principio
• I soluti sono volatilizzati e iniettati in testa alla colonna
• L’iniettore e la colonna sono ad alta temperatura
• Il gas fluisce attraverso la colonna
• I soluti si ripartiscono tra la F.S. (che tende a trattenerli) e la
F.M. (quando volatilizzano in seguito all’alta temperatura)
• La fase mobile non ha interazioni specifiche con i soluti ma ha
solo effetto di trascinamento
La separazione dipende da:
• Affinità dei soluti per la F.S.
• Volatilità dei soluti
CLASSIFICAZIONE
a. Cromatografia gas- liquido (GLC)
• Fase stazionaria: liquido
• Fase mobile: gas
Separazione: i soluti si sciolgono nel liquido - il gas li trascina
b. Cromatografia gas- solido (GSC)
• Fase stazionaria: solido
• Fase mobile: gas
Separazione: i soluti si adsorbono sulla F.S. - il gas li trascina
• La tecnica più usata è la GLC.
GC - STRUMENTAZIONE
GC - COMPONENTI DELLA STRUMENTAZIONE
• Bombola di gas
• Regolatore di pressione
• Regolatore di flusso
• Partitore di flusso: una parte della FM va direttamente al
rivelatore (segnale di zero)
• Iniettore: per introdurre il campione. Può essere una siringa che
fora un setto in gomma siliconica, ma esistono anche altre
modalità di iniezione (qui non trattate)
• Colonna: avviene la separazione dei componenti del campione.
E’ inserita in un forno
• Rivelatore (detector)
• Sistema di acquisizione ed elaborazione del segnale (computer)
COLONNE PER GLC - 1
• Colonne impaccate
Supporto solido inerte + liquido impregnante
• Esempi di supporto solido:
- terra di diatomee (a base di silicati) opportunamente trattata.
Esempio di nome commerciale: Chromosorb P
- polimeri organici vari.
Esempi di nome commerciale: Chromosorb T, Porapak
• Liquidi: divisi in 4 classi a seconda della polarità
Esempi: idrocarburi a lunga catena (es. squalano, C-30), siliconi
(nomi commerciali diversi a seconda delle ditte produttrici: DB,
SPB, DOW, OV, SE…)
COLONNE PER GLC - 2
• Caratteristiche del liquido:
- bassa volatilità (non deve essere trascinato via dalla fase mobile)
- loading = percentuale di liquido = 0.5 - 30 %
• Struttura delle colonne
- vetro, acciaio, rame
- lunghezza: 3 m
- diametro: 1/4, 1/8 di pollice (~ 3 - 6 mm)
- dimensione delle particelle: 75 - 150 m
COLONNE PER GLC - 3
• Colonne capillari (open tubular)
La fase liquida riveste direttamente le pareti interne della colonna
• Struttura delle colonne
- vetro o silice, ricoperte di materiale plastico
- lunghezza: 10 - 30 m (avvolte in matasse)
- diametro: 0,25 - 0,75 mm
• Vantaggi rispetto alle colonne impaccate:
- tempi più brevi
- risoluzione migliore
ESEMPI DI FASI STAZIONARIE PER GLC
Tratto da E. Mentasti, G. Saini, “Analisi Chimica Cromatografica”, Ed. Piccin
FASE MOBILE PER GC
• Tipi di gas: elio, azoto, idrogeno
• Ruolo: trascinamento dei soluti (carrier). Non dà reazioni chimiche
SEPARAZIONE IN GC
Fattori che influenzano la separazione.
• Fase stazionaria (conta soprattutto la polarità)
• Dimensioni della colonna (lunghezza, diametro)
• Grado di loading (per colonne impaccate) o spessore del film (per colonne
capillari)
• Temperatura. Aumento di temperatura  diminuzione di tR
• Velocità di flusso
APPLICAZIONI
• Sono numerosissime
• Requisiti degli analiti (quasi sempre organici):
• volatili
• termostabili
GC - RIVELATORI
• Il rivelatore (detector) fornisce un segnale di intensità proporzionale alla
concentrazione di analita.
• Proprietà dei soluti sfruttate per la rivelazione:
• conducibilità termica
• formazione di ioni ed elettroni  corrente
• elettronegatività
• emissione di radiazioni
• Il gas-cromatografo può essere interfacciato ad altri strumenti
utilizzati come rivelatori (spettrometro di massa o IR).
• Si uniscono le capacità separative della GC con le capacità
identificative di altre tecniche.
RIVELATORE A TERMOCONDUCIBILITA’
Principio
• Due filamenti caldi (termistori): uno è investito dal flusso di gas
che non è entrato in colonna, l’altro da quello che esce. :
• La resistenza dei filamenti dipende da T ed è influenzata dalla
composizione del gas che circonda i filamenti (diversa
dissipazione del calore)
• In presenza di specie eluite dalla colonna la temperatura e
quindi la resistenza dei filamenti varia e la variazione viene
segnalata dal rivelatore
Caratteristiche
• Rivelatore universale
• Poco sensibile
RIVELATORE A IONIZZAZIONE DI FIAMMA
(Flame Ionization Detector, FID)
Principio
• Il gas in uscita dalla colonna è miscelato con idrogeno e la
miscela viene fatta bruciare in eccesso di aria.
• Quando c’è solo gas di trasporto, non si ha
praticamente formazione di ioni. In
presenza di soluti organici, in seguito ad
una serie di reazioni, nella fiamma si
produce un flusso di ioni positivi ed elettroni
e quindi una corrente tra due elettrodi
• L’ugello è uno degli elettrodi e l’altro è un
cilindro posto intorno alla fiamma.
Applicazioni
• Composti organici
RIVELATORE A CATTURA DI ELETTRONI
(Electron Capture Detector, ECD)
Principio
• Un materiale radioattivo emette particelle  molto energetiche che
producono una ionizzazione del gas di trasporto. Supponendo che si
tratti di Ar:
Ar  Ar+ + e
• Gli ioni positivi e gli elettroni formati migrano rispettivamente verso un
catodo e un anodo.  si genera una corrente elettrica.
• Quando dalla colonna viene eluito un soluto organico contenente
sostituenti elettronattrattori, questo assorbe una frazione di elettroni 
diminuzione di corrente
Nota
La corrente che si genera nel circuito è dovuta prevalentemente agli elettroni. Gli ioni negativi che
si producono per effetto della cattura di elettroni hanno una mobilità e quindi una conducibilità
elettrica molto minore. Si ha quindi una diminuzione del flusso di corrente nel circuito e questo
permette di rivelare il componente eluito.
RIVELATORE A CATTURA DI ELETTRONI
(Electron Capture Detector, ECD)
Applicazioni
Composti organici contenenti sostituenti elettronattrattori.
Esempi:
Solventi clorurati
Pesticidi
Configurazione di tipo
pianoparallelo
1: ingresso eluente
2: sorgente emittente
3: diffusore
4: anodo
5: catodo
6: isolante
7: uscita gas
Configurazione di tipo
coassiale
1: ingresso eluente
2: sorgente emittente
4: anodo
5: catodo
6: isolante
7: uscita gas
INTERFERENZE IN GC
• Principale interferenza: picchi non ben separati o coeluizione.
• Si ovvia (quando possibile) migliorando la separazione (agendo
su FM, FS, temperatura…).
• Per identificare una sostanza con più certezza:
- usare due colonne diverse
- usare tecnica GC-MS
GC - ESEMPI DI APPLICAZIONI
Fonte:Supelco
GC - ESEMPI DI APPLICAZIONI
Fonte: Supelco
CROMATOGRAFIA GAS-SOLIDO (GSC)
• Fase stazionaria: solido
Esempi: silice, allumina, carbone attivo
• Meccanismo di trattenimento: adsorbimento
• Altra fase stazionaria: setacci molecolari = silicati con canali di
diametro 4 – 20 A
• I soluti sono separati in base alle dimensioni: quelli di piccole
dimensioni penetrano nei canali e sono rallentati.
• Applicazioni: soluti a basso peso molecolare (ossigeno, azoto, CO2…)
CH4
H2
O2
Separazione di una miscela
di gas mediante GSC
N2
CO
0
5
10
minuti
15
Tratto da G. Saini, E. Mentasti, “Fondamenti di Chimica Analitica”, Ed. UTET
• La GSC è molto meno utilizzata della GLC
GC - MS
Principio
Gli analiti sono:
• Separati in un gascromatografo
• Rivelati in uno spettrometro di massa
Funzionamento
• Tra GC e MS c’è un’interfaccia  passaggio da alta P (nel GC)
al vuoto (in MS)
• Nello spettrometro di massa i soluti
sono ionizzati e
frammentati. Ogni soluto ha una modalità di frammentazione
caratteristica
• Tramite un rivelatore i frammenti danno luogo ad un segnale di
intensità proporzionale alla loro abbondanza relativa.
Campione
Bombola
gas carrier
Iniettore
Colonna
capillare
Dispositivi di riscaldamento
Spettrom.
di massa
Elaboraz.
segnali
Stampa
cromatogramma
e risultati
GC - MS
• Analisi quantitativa: dall’intensità del segnale del rivelatore (riportata nel
cromatogramma).
Cromatogramma: ad ogni specie separata in colonna corrisponde un
picco. L’area del picco è proporzionale alla quantità di analita.
Nota
Si misura la corrente ionica totale in funzione del tempo di eluizione. La corrente ionica
totale è la somma delle correnti generate dai vari frammenti del soluto, con rapporto
massa/carica diverso, che raggiungono il rivelatore di ioni
• Analisi qualitativa: dallo spettro di massa (grafico abbondanza
vs rapporto massa/carica di ogni frammento)
Per confronto con una libreria di spettri (oppure registrando lo
spettro di uno standard puro) si identifica l’analita
• La tecnica GC-MS è un potentissimo metodo di indagine per
l’analisi di miscele complesse in quanto combina le capacità di
separazione della GC con la capacità di identificazione e
caratterizzazione della struttura della MS
• Applicazioni: come la GC, cioè molecole organiche di varia
natura (idrocarburi aromatici, composti alifatici e aromatici
alogenati, fenoli, amine…) volatili e termostabili
GC - MS - ESEMPI DI APPLICAZIONE
GC - MS - ESEMPI DI APPLICAZIONE
APPLICAZIONI DI INTERESSE DELLE TECNICHE
GC E GC-MS
Determinazione di componenti volatili in piante medicinali e preparati.
Esempi. Determinazione di:
•
flavonoidi, terpeni e sesquiterpeni nella propolis;
•
barbaloina e aloenina in cosmetici contenenti aloe;
•
composti volatili nel mirtillo;
•
residui di pesticidi in camomilla, te, menta e verbena;
•
camazulene in camomilla;
•
composizione degli oli essenziali di menta, rosmarino, lavanda,
bergamotto, salvia;
•
sviluppo del contenuto di canfora e altri componenti nell’olio
essenziale di rosmarino e di lavanda (studio del momento migliore per il
raccolto);
•
composizione dell’olio essenziale di timo (studio della variabilità
genetica);
•
oli essenziali di camomilla, menta, salvia (studio del trasferimento di
componenti nei tessuti.