Ann I d . Super. Snniti Vol. 23. N. l(1987). pp. 33-38

LE SEPARAZIONI

G.P. Cartoni

Dipartimento di Chimica, Università degli Studi "La Sapienza", Piazzale Aldo Moro, 5 - 00185 Roma Riassunto. - Nel campo delle separazioni vengono in particolare menzionate le tecniche gas cromatografiche e di cromatografia liquida ad alta risoluzione. Vengono riportati alcuni esempi di applicazione ambientale e forense.

Summary (Separations). - In the field of separation science, gas chromatography and high performance liquid chromatography are discussed. Some examples of en- vironmental and forensic application are reported.

Le separazioni hanno caratterizzato fin dall'inizio i procedimenti anali- tici. Numerose sono le tecniche separative attualmente adoperate.

Per i problemi di oggi è indispensabile disporre di sistemi molto avanzati che ci permettono di isolare da complesse matrici vari componenti che poi vengono determinati. Miscugli di sostanze, spesso presenti solo in tracce nel sistema in esame, vengono separati in modo non distruttivo, senza alterare le composizioni preesistenti. Le separazioni possono essere realizzate in vari modi: mediante distillazione, cristallizzazione. filtrazione, elettrodeposizio- ne, cromatografia, con membrane, ecc.

Tra queste varie tecniche la cromatografia occupa un ruolo molto importan- te in quanto soddisfa bene i requisiti fondamentali di elevata sensibilità, rapidità, e ridotto consumo di campione. Le moderne colonne ad alta risoluzio- ne, forniscono sia per la gas cromatografia che per la cromatografia liquida, elevate efficienze con tempi d'analisi molto brevi.

La risoluzione tra due picchi cromatografici è definita dalla seguente re- lazione :

dove At = differenza tra i tempi di ritenzione dei due picchi e W = base del picco.

Tale risoluzione può essere ottimizzata tenendo conto che essa può essere espressa in funzione di tre importanti parametri cromatografici quali il numero dei piatti teorici N, il fattore di separazione a, ed il rapporto di capacità k' :

la risoluzione R può essere migliorata rendendo a il più possibile diverso da 1 (opportuna scelta delle fasi), lavorando con valori di k' abbastanza grandi (in genere tra 2 e 10) e regolando il potere eluente della fase mobile o la tempe- ratura.

Nelle moderne cromatografie il parametro a cui viene rivolta la massima

attenzione, fermo restando l'ottimizzazione degli altri due già citati, è il numero N di piatti teorici della colonna. Tale valore deve essere il più grande possibile senza comunque incidere troppo sul tempo di analisi, si devono avere cioè molti piatti in tempo breve e quindi deve essere grande il rapporto

che rappresenta il numero di piatti teorici generati nell'unità di tempo, dove t, è il tempo morto della colonna.

Tenendo conto delle definizioni:

dove H e U sono rispettivamente l'altezza del piatto teorico e la velocità li- neare della fase mobile.

Sostituendo nella relazione precedente si ha:

La cromatografia liquida ad alta risoluzione è infatti capace di dare alte risoluzioni in tempi brevi in quanto si riescono a preparare colonne con altez- ze molto piccole del piatto teorico (8-10 pm) lavorando a velocità abbastanza elevate della fase mobile (1-2 mmlsec).

Colonne per HPLC riempite con materiale sferico da 5 a 3 pm forniscono rispettivamente da 80.000 a 120.000 piattilmetro. con tempi di analisi da 5 a 20 minuti.

Mentre tali prestazioni sono state conseguite in HPLC con colonne impacca- te con particelle molto piccole, in gas cromatografia analogamente si ottengono alte risoluzioni in tempi brevi mediante l'impiego delle colonne capillari.

Nel campo delle analisi ANDNI, la gas cromatografia capillare abbinata alla tecnica dello spazio di testa permette di conseguire in maniera rapida e molto sensibile un gran numero di informazioni. Con questo metodo si analizza al gas cromatografo la composizione della fase vapore in equilibrio con un campione liquido o solido senza alcun intervento sul campione stesso. La con- centrazione C di un componente nella fase vapore è legata alla concentrazione C nella fase liquida della relazione

dove Y i e P! sono rispettivamente il coefficiente di attività e la tensione di vapore del componente puro. A temperatura costante l'area A del picco cromato- grafico è proporzionale alla concentrazione del componente i nella fase vapore e quindi riunendo tutti i termini costanti si ha:

La costante K si ricava generalmente con il metodo delle aggiunte eseguite sulla stessa matrice.

Nella Fig. 1 è riportato un gas cromatogramma dei prodotti volatili che costituiscono l'aroma del caramello. Da osservare il notevole numero di picchi risolti con una colonna capillare ad alta risoluzione ( 1 ) .

Nel cromatogramma successivo (Fig. 2) è riportato un esempio dell'analisi gas cromatografica eseguita su di un olio essenziale di limone (2). La qualità del prodotto è largamente influenzata dalle relative percentuali dei vari com- ponenti, alcuni presenti solo in tracce.

Un settore di applicazione di grande interesse della gas cromatografia è il suo impiego in campo ambientale.

Con l'elevata sensibilità dei sistemi di rivelazione a ionizzazione e l'alta efficienza delle colonne capillari vengono risolti problemi analitici molto complessi, quali la determinazione di residui di insetticidi e pesticidi, di fenoli, ammine aromatiche, idrocarburi policiclici, ecc. Nella Fig. 3 è riportata la separazione di idrocarburi aromatici polinucleari estratti da un olio lubrificante comunemente usato negli autoveicoli (3).

L'dtra tecnica cromatografica che nel campo delle separazioni sta riscuo- tendo un enorme successo ed è in fase di grande sviluppo, è la cromatografia liquida ad alta risoluzione (HPLC). L'alta efficienza delle colonne e l'elevata sensibilità dei sistemi di rivelazione, specie quelli a fluorescenza o elettro- chimici. permettono di analizzare tracce di sostanze con prelievo di campione molto ridotto.

Un problema di grande interesse nel campo giuridico è l'identificazione di tracce di esplosivi che possono essere rivelati mediante HPLC e utilizzando l'alta sensibilità del rilevatore elettrochimico (Fig. 4).

Fig. 3. - Separazione gas cromatografica di idrocarburi aromatici polinucleari estratti da un olio lubrificante usato.

I1 cromatogramma A è stato ottenuto su di un campione prelevato mediante tampone dalla mano di una persona che aveva adoperato un esplosivo. B è un campione prelevato da un bicchiere adoperato dallo stesso individuo, C è relativo all'estratto dei residui rimasti dopo un'esplosione, e D è il cromato- gramma in bianco nelle stesse condizioni (4).

Mediante rivelazione nelltUV ed un sistema di arricchimento in colonna e successiva eluizione e gradiente (5) è stato possibile mettere in evidenza tracce di sostanze organiche presenti nelle acque minerali. In Fig. 5 è ripor- tato il cromatogramma ottenuto mediante HPLC a fasi inverse di un campione di acqua minerale imbottigliato in un contenitore di plastica.

Fig. 4. - Cromatogrammi con rivelatore elettrochimico di esplosivi.

Fig. 5. - Cromatogramma di un campione di acqua minerale contenuta in un recipiente di plastica.

Nel caso di miscele molto complesse, in cui non è sufficiente la sola separazione dei singoli componenti ma si deve anche risolvere il problema della loro identificazione, risulta molto vantaggioso l'accoppiamento della gas cromatografia. o anche dell'HPLC, con la spettrometria di massa.

Fig. 6. - L'accoppiamento dello spettrometro di massa con un gas cromatografo.

Come riportato .nella Fig. 6 i vari componenti vengono separati da un gas cromatografo e durante l'uscita dei singoli picchi lo spettrometro di massa esegue rapidamente lo spettro di massa. Questa è una delle tecniche analitiche che attualmente permette di conseguire un gran numero di informazioni in un tempo d'analisi molto breve e con una quantità ridottissima di campione. Lavorando con il metodo della frammentografia, in cui cioè vengono rivelate solo alcune masse caratteristiche della sostanza da determinare, si riescono a rivelare componenti in quantità inferiori al picogrammo. Come abbiamo visto da alcuni di questi esempi, la gas cromatografia capillare, ~'HPLC, da sola O anche collegata con lo spettrometro di massa, rappresentano delle tecniche strumentali di enorme importanza in tutto il campo delle scienze delle separa- zioni.

BIBLIOGRAFIA

GORETTI, G., LIBERTI, A. & DI PALO. C. 1980. Gas chromatographic investi- gation on caramel aroma. Ann. Chim. (Rome):277-284. RUSSO, M.U., GORETTI, G., LIBERTI, A., SANCHEZ, J.L. & LORENZO, J.F. 1984. Short PLOT columns for gas chromatography of essential oils. Essenze Deriv. Agrum. 54: 13-21. RONCHETTI, M., CARTONI, G.P. & ZOCCOLILLO, L. 1983. Determination of polynuclear aromatic hydrocarbons in petroleum oils by combination of TLC and GC-MS. J. Chromatogr. 348: 159-165. LLOYD, J.B.F. 1983. Clean-up procedure for the examination of swabs far explosives traces by HPLC with electrochemical detection. J. Chromatogr. 261: 391-406. CARTONI, G.P. & COCCIOLI, F. Characterization of mineral waters by HPLC. J. Chromatogr. (in press).

Ann Iit. Super. Sanità Vol. 23, N. l(1987). pp. 39-42

Prima Sessione Poster (1)

INDAGINI STRUTTURALI E MICROCOMPONENTI

G. Capannesi (a), P. De Gregorio (b) & G. Graziani (C)

(a) ENEA - CRE, Casaccia, Strada provinciale Anguillarese km 1.300 - 00060 Roma;

(b) Centro Sperimentale Metallurgico, Via di Caste1 Romano 100 - 00129 Roma EUR ;

(C) Dipartimento di Scienze della Terra, Università degli Studi "La Sapienza", Piazzale Aldo Moro 5 - 00185 Roma I1 secondo Convegno ANDNI ha evidenziato in modo organico quelli che sono

i campi di ricerca di base ed applicata comuni agli enti partecipanti. Tale evento ha così contribuito con efficacia ad innescare un approfondito scambio di esperienze maturate nelle diverse realtà scientifiche, ponendo in atto le più valide premesse per collaborazioni ad elevato sinergismo che auspicabilmen- te consentiranno rimarchevoli salti di qualità.

In questo contesto i vari organismi hanno dato testimonianza dell'alto spettro di attività sperimentali nelle quali sono stati impiegati i rispettivi ricercatori. che, pur operando in settori molto diversi, hanno come obiettivo comune le problematiche analitiche e la loro ricaduta su problemi concreti e pressanti.

I1 Convegno ha tra l'altro mostrato i progressi verificatisi nel campo dell'analisi di ultratracce, ma anche la non completa affidabilità di gran parte dei risultati analitici al di sotto dei gg/g. I1 problema può essere risolto tramite l'impiego di più tecniche analitiche indipendenti e con il ricorso ponderato a materiali e procedure di riferimento. L'impiego di metodi- che diverse consente inoltre una capacità informativa qualitativamente superio- re, indispensabile per affrontare efficacemente qualsiasi disciplina scientifi- ca.

Nell'ampia gamma dei temi trattati, lo sviluppo dei mezzi di indagine più propriamente non distruttivi (ND) è tipico di un istituto di ricerca come il Centro Sperimentale Metallurgico (CSM), con problemi di controllo di qualità di grosse strutture non solo sul prodotto finito. ma anche lungo le linee di produzione.

In una panoramica sulle rispettive attività in campo analitico, il CSM presenta in particolare due esempi di applicazione di ultrasuoni (US) finaliz- zati per la rivelazione di difetti interni e sulla distribuzione dimensionale e spaziale di inclusioni e di strutture primarie (macrografie US). Un altro esempio riguarda la misura dell'attenuazione US come indice di qualità del materiale esaminato. In collaborazione con l'università di Roma e I'ENI, il CSM porta l'applicazione di US alla definizione dell'efficienza degli adesivi organici mediante mappatura US delle superfici di contatto.

Altre tecniche ND curate dall'ENEA si basano su metodi radiografici ai fini del miglioramento delle capacità informative mediante lo sviluppo dei metodi di elaborazione automatizzata dei dati registrati.

Un altro modo di utilizzare i raggi X è in fluorescenza (FRX). Questa tecnica a dispersione di lunghezza d'onda e d'energia si è ormai saldamente impiantata nei laboratori per le sue capacità di analisi chimica multielementa-

re, rapida e ND. L'associazione a questa spettrometria di metodi chemiometrici comporterà migliori prestazioni analitiche sia dal punto di vista quantitativo (diminuzione dei campioni di riferimento), sia da quello qualitativo su campioni complessi, per esempio per quanto concerne l'individuazione di macrocostituenti di campioni geologici, come esemplificato in alcuni poster presentati in questa sessione dall'ENEA.

Ancora tecniche ND sono le spettroscopie fotoelettriche (XPS e Auger), almeno limitatamente all'analisi superficiale su spessori di qualche nanometro. Come esempio di applicazione viene presentata dall1Università di Roma un'inda- gine sulla natura dello strato di adesione degli smalti ceramici e sulla struttura degli strati di passivazione che si formano sulla superficie degli acciai in seguito ad attacco acido.

Un'altra applicazione della XPS viene dal CSM per la caratterizzazione della struttura chimica superficiale di acciai laminati. In questo esame viene messo in evidenza l'apporto sinergico di altre due tecniche d'analisi microchi- mica, la microsonda EPMA e la spettrometria di emissione ottica con sorgente a polverizzazione GDOS. in grado di moltiplicare le informazioni della XPS con un limitato intervento distruttivo sul campione originale.

Passando così alle tecniche con microcampionamento si ha tutta una serie di spettroscopie le cui strumentazioni sono ormai appannaggio comune dei centri di ricerca o di qualificazione di materiali nuovi. per esempio nucleari e ceramici (ENEA), o di controlli biologici e ambientali (ISS).

Interessanti sviluppi della spettroscopia vengono presentati dalllENEA. La combinazione della fluorescenza di assorbimento atomico eccitata mediante laser o plasma indotto con sorgenti di atomizzazione a polverizzazione ha spostato la sensibilità del normale rilevamento analitico al livello di ultratracce. Va ancora menzionato lo sviluppo di sistemi di analisi spettrale a distanza come il LIDAR, in cui il campione è la stessa nube di inquinamento atmosferico.

Un altro sistema spettroscopico che utilizza le sorgenti a polverizzazione per microanalisi è in continua evoluzione nei laboratori ISS: l'accoppiamento di sorgenti a catodo cavo con generatori di microonde è un ulteriore contributo per il controllo analitico di elementi di difficile determinazione, per esempio As e P.

Complementare per sensibilità e affidabilità è anche il plasma induttivo con il quale è possibile controllare per esempio la contaminazione dei suoli e dei vegetali come indicatori dell'inquinamento ambientale e dell'influenza di insediamenti industriali o dell'efficienza dei sistemi di abbattimento dell'in- quinamento stesso (ISS).

Queste spettroscopie richiedono microquantità di campioni, cosa partico- larmente importante quando sia necessario individuare presenze chimiche in campioni unici come è awenuto per la statua equestre del MarclAurelio (CSM).

Con le forme più tradizionali di assorbimento atomico vengono effettuati controlli molto vari quali l'analisi di rapporti isotopici nell'ambito delle indagini orientative sul controllo di processi di arricchimento (ENEA). Questa tecnica con sorgente di atomizzazione elettrotermica permette la determinazione di ultratracce di Sb, Sn, Pb, Bi, Te, T1 e Se in materiali usati nell'industria aeronautica e energetica (CSM). Con essa si controlla inoltre la presenza in materiali alimentari di Pb, Cd, Cr, Zn e Cu in funzione del tasso di estrazione (ISS) .

Gli sviluppi strumentali hanno notevolmente potenziato anche tecniche non spettroscopiche come la voltammetria di ridissoluzione anodica (ASV). Questa viene oggi proposta come sensibile mezzo di analisi per tracce di Sb in fluidi biologici (ISS); per tracce di Pb, Cd, Zn, Cu, Sb e Bi di elevato interesse biologico e ambientale (ISS) e per tracce di Zn, Cd, Pb e Cu in acque naturali, bevande, effluenti industriali e biomatrici (Università di Roma).

Le problematiche del campionamento sono esaminate in un lavoro dellllsti- tuto Centrale del Restauro che sottolinea insieme la difficoltà e la necessità di un adeguato prelievo in relazione allo stato di conservazione del campione e della quantità che ne è disponibile, oltreché dei sistemi analitici utilizzabi-

Li per la formulazione delle risposte necessarie alla conservazione per esempio di fragili reperti archeologici, quali i residui lignei sommersi.

In un contributo a cura delltUniversità si pone in luce come un'analisi .tffidabile di strutture e impianti richieda una seria conoscenza dei materiali n dei mezzi di indagine dei possibili difetti e dei rimedi che è necessario adottare; tutto questo necessita di una consistente formazione di ingegneri specialisti in controlli ND.

Infine. in questo settore l'adozione di metodi analitici ND, avanzati ed Jtppropriati, costituisce in gemmologia una necessità imprescindibile. L'iden- tificazione delle varietà delle gemme naturali e della loro origine, la distin- zione delle gemme di sintesi e quindi la ricerca di frodi ed alterazioni, restituiscono argomenti di grande rilievo trattati dall'Università di Roma.

I. Le "Sessioni Poster" di questi Atti sono contenute nel rapporto ISTISAN - Congressi 3: "Giornate di Studio su Analisi Non-Distruttive e Non-Invasive (ANDNI)" (Secondo Convegno). Abstract book. Istituto Superiore di Sanità, Roma, 3-5 dicembre 1985.