2. Gascromatografo
La gascromatografia, nota
anche come GC, è una
tecnica cromatografica
impiegata a scopo analitico. Si
tratta di una tecnica di chimica
analitica piuttosto diffusa, che
si basa sulla ripartizione della
miscela da analizzare tra una
fase stazionaria ed una fase
mobile, in funzione della
diversa affinità di ogni
sostanza della miscela con le
fasi.
3. • In GC è fondamentale che gli analiti possano essere
vaporizzati per via termica e a pressione ambiente
(principale limite GC)
• I componenti della miscela una volta vaporizzati sono
separati in seguito alla ripartizione tra una fase gassosa
mobile e una fase stazionaria
• La fase mobile non interagisce con l’analita. La sua solo
funzione è di carrier.
• La separazione dipende quindi dalle caratteristiche
chimico-fisiche della fase stazionaria e dalla temperatura
5. Classificazione delle tecniche
gascromatografiche
I criterio (stato fisico fase stazionaria)
GC
Gas solido
Gas liquido
II criterio (caratteristiche geometriche colonna )
GC
Colonne impaccate
Colonne capillari
6. Fasi stazionarie per GC
Fasi stazionarie solide (di uso limitato rispetto alle fasi liquide): Il meccanismo di
separazione è per adsorbimento (la separazione dipende dalla forza di legame tra le
molecole di analita e i siti attivi della fase stazionaria).
Si utilizza tale tecnica per separare gas che non ripartiscono nella fase liquida (azoto,
ossigeno, monossido di carbonio) e molecole organiche e in genere composti bassobollenti
(metanolo, etanolo, acqua).
I materiali più usati come fase stazionaria sono:
Gel di silice
Allumina
Carbone attivo (mediamente polare)
Zeoliti (silicati di alluminio e sodio)
7. Fasi stazionarie liquide: In tale tecnica le molecole di analita si sciolgono nella fase
stazionaria liquida. Si ha quindi una ripartizione dell’analita tra la fase fissa (liquido) e la
fase gassosa.
Nelle colonne impaccate e nelle SCOT, la fase liquida è ancorata su un supporto inerte che
deve avere le seguenti caratteristiche:
• Inerzia chimica
• Resistenza meccanica e termica
• Buon grado di bagnabilità da parte del liquido di ripartizione
• Bassa resistenza al flusso di gas
• Disponibilità sotto forma di particelle sferiche
I materiali più usati sono
Terra di diatomee (scheletri di piante unicellulari): materiale molto poroso con un buon
grado di assorbività (fino al 30% del suo peso). I numerosi gruppi idrossilici vengono rimossi
per silanizzazione con dimetilclorosilano (DMCS) o esametildisilazano (HMDS)
Teflon: poco adsorbenti
Vetro: poco adsorbenti
8. Nelle colonne WCOT, la fase stazionaria viene depositata sulle superficie interna della
colonna di vetro o di silice fusa
Liquidi di ripartizione:
Il liquido di ripartizione da depositare sul supporto solido deve soddisfare numerosi requisiti
tra cui:
• Bassa tensione di vapore (per minimizzare la perdita di liquido durante le analisi) (la
tensione di vapore aumenta esponenzialmente all’aumentare della temperatura)
• elevata stabilità termica
• Elevata inerzia chimica
• Buon effetto solvente sulla miscela
• Bassa viscosità per diminuire la resistenza al trasferimento di massa
Sulla base della polarità i liquidi di ripartizione si possono suddividere nelle seguenti classi:
• prima classe: apolari (idrocaarburi o siliconi con sostituenti non polari)
• seconda classe a bassa polarità quali derivati siliconici (polisilossani) con sostituenti
polari
• terza classe: polari (poliglicoli, polialcol e loro esteri)
• Quarta classe: molto polari (glicoli, glicerina, idrossiacidi)
9. COLONNE PER GAS-CROMATOGRAFIA
Colonne impaccate:
la fase stazionaria è formata
da un solido granulare
poroso o da un liquido
depositato su un supporto
costituito da elementi inerti.
La colonna è costituita da un
tubo di acciaio o vetro di
lunghezza compresa da 1 a
6 metri con diametro
variabile tra 0.75-4 mm.
10. Colonne capillari : la fase stazionaria viene depositata sotto forma
di film sottilissimo (0.1 - 5µm) sulla parete interna di un capillare con
diametro 0.1-0.75 mm e lungo da 15 a 100 m. Il carrier percorre il canale
lasciato libero dalla fase stazionaria
11. Le prestazioni di una separazione GC
vengono valutate in base a:
• selettività: in GC dipende solo dalla fase stazionaria e dalla sua temperatura.
Non esistono differenze tra colonne impaccate e capillari
• efficienza: Notevoli differenze tra colonne impaccate e capillari: le colonne
impaccate hanno 4000 piatti teorici mentre le colonne capillari ne hanno 50000-150000.
(la permeabilità è nettamente superiore nelle colonne capillari e questo permette di
raggiungere lunghezze fino anche a 150 m).
Per aumentare l’efficienza si può agire sulle seguenti variabili:
1. Lunghezza colonna
2. Diametro delle particelle (per colonne impaccate)
3. Liquido di ripartizione: altamente selettivo per l’analita e poco viscoso
4. diametro interno della colonna (sia per colonne impaccate sia per quelle
capillari)
• Risoluzione: Data dal numero di piatti teorici, è solitamente maggiore per le
colonne capillari rispetto a quelle impaccate
12. Fase Mobile: Il gas Carrier
Il gas carrier deve avere le seguenti caratteristiche:
•
elevata inerzia chimica verso gli analiti e la fase stazionaria (gas nobili e azoto)
• elevato grado di purezza. In particolare devono essere assenti umidità
(disattivazione fase stazionaria), ossigeno (ossidazione fase stazionaria) e
idrocarburi (aumento linea base)
• Compatibilità con il rivelatore
I gas di trasporto più usati sono:
•
idrogeno
•
•
•
•
elio e miscele elio/idrogeno
azoto
argon
Diossido di carbonio
13. Polarità soluti
Regola per la
scelta della fase
stazionaria: la
scelta si basa
sulla regola “il
simile sciogli il
simile”. Es. le
colonne apolari
sono le migliori
per i soluti apolari
e viceversa
15. Sistema di iniezione del campione
Il campione viene iniettato (mediante opportuna siringa) attraverso un setto
di gomma o silicone nella camera riscaldata in testa alla colonna
La camera viene generalmente riscaldata
circa 50°C oltre il p.e. del componente
meno volatile.
Per le colonne impaccate il volume del
campione varia da 0.1 a 20 µl.
Per le colonne capillari la portata è
notevolmente inferiore (almeno un fattore
di 100) e richiedono un sistema di
ripartizione
16. Iniezione frazionata (split)
Le colonne capillari hanno una bassa portata: è quindi necessario che
solo una frazione del campione iniettato raggiunga la colonna. Il sistema
di ripartizione (split) invia solo una parte del campione alla colonna e la
rimanente parte viene scaricata (rapporto di frazionamento da 1:50 a
1:100). Si usa tale tecnica quando gli analiti costituiscono almeno lo 0.1%
del campione
17. Sistema di termostatazione della colonna
La temperatura è cruciale nelle separazioni cromatografiche e pertanto la
colonna è alloggiata in forni termostatati. L’analisi GC può essere
effettuata a T costante (isoterma) o variabile (gradiente di temperatura).
Le rampe di temperatura possono essere lineari o asimmetriche con
diverse fasi di plateau.
19. Rivelatori
I rivelatori sono dispositivi posti in uscita alla colonna che
consentono di individuare i componenti di una miscela. Si
distinguono in rivelatori universali e selettivi, quest’ultimi
consentono di individuare solo particolari categorie di
composti.
Il rivelatore ideale ha le seguenti caratteristiche:
• adeguata sensibilità
• buona stabilità e riproducibilità
• risposta lineare in un intervallo di parecchi ordini di
grandezza
• tempo di risposta breve
20. Rivelatori a ionizzazione di fiamma (FID):
L’effluente della colonna viene
direzionato in una fiamma
aria/idrogeno.
La maggior parte dei composti
organici quando pirolizzati in
tale fiamma producono ioni ed
elettronii che generano una
corrente elettrica (segnale)
Vantaggi: buona sensibilità,
range dinamico, robusto
Svantaggi: metodo distruttivo;
non sensibile a composti non
idrocarburici come ad es. N2,
O2, CO2, NH3
21. Rivelatori a cattura di elettroni (ECD):
• Risponde in maniera selettiva a composti organici contenenti
alogeni.
• Il gas che entra nel rivelatore viene ionizzato da elettroni ad alta
energia (radiazioni
) emessi da una lamina contenente Ni63
radioattivo.
• La ionizzazione del gas di trasporto (solitamente N2) genera un
flusso di elettroni attratti dall’anodo (corrente stazionaria).
• Quando le molecole dell’analita ad elevata affinità elettronica
entrano nel rivelatore, catturano gli elettroni riducendo la corrente
Vantaggi: sensibilità elevata per composti alogenati
Svantaggi: non sensibile per ammine, alcoli e idrocarburi
22. Analisi quantitativa in gas-cromatografia
• La gascromatografia è ampiamente usata per l’analisi
quantitativa: l’altezza o l’area dei picchi è proporzionale con
la quantità dei diversi componenti la miscela analizzata
•
Esistono diversi metodi di misura della concentrazione tra
cui:
1. Normalizzazione interna: è il metodo usato per determinare
la composizione percentuale quando tutti i componenti
della miscela sono rappresentati nel cromatogramma
2. Metodo della standardizzazione esterna: consente di
determinare la concentrazione di uno o più componenti
utilizzando lo standard e allestendo la curva di calibrazione
3. Aggiunta singola o multipla
23. In GC si preferisce l’uso di uno standard interno che consente analisi
quantitative più accurate: tale tecnica prevede l’aggiunta di una molecola
alla miscela da analizzare in quantità nota.
Curva di calibrazione: l’asse delle y non fa riferimento all’area del
picco dell’analita ma al rapporto tra l’area del picco dell’analita e quella
dello standard interno
Lo standard interno deve soddisfare i seguenti requisiti:
- Non essere presente nella miscela da analizzare
- Essere ben risolto dagli altri componenti
- Avere un TR simile a quello dell’analita
- Avere una concentrazione simile a quella dell’analita
- Non contenere impurezze
- Non reagire con il campione
