Realizzato da: Dalla Costa Riccardo e Pavanello Nicholas

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.

• 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

SCHEMA A BLOCCHI DELLO STRUMENTO

Classificazione delle tecniche gascromatografiche

GC

Gas solido Gas liquido

GC

Colonne impaccate

I criterio (stato fisico fase stazionaria)

II criterio (caratteristiche geometriche colonna )

Colonne capillari

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)

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 adsorbentiVetro: poco adsorbenti

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)

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.

COLONNE PER GAS-CROMATOGRAFIA

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

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

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

Polarità solutiRegola 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

Componenti olio di menta

Colonna apolare Colonna polare (Carbovax)

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

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

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.

Isoterma (45°C)

Isoterma (145°C)

Gradiente (da 30 a 180°C)

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

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

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

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

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