La Chimica Analitica applicata in campo erboristico. Metodi Strumentali. Dott.ssa Giacomino Agnese

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1 Attività libera A.A.2016/2017 La Chimica Analitica applicata in campo erboristico Metodi Strumentali Dott.ssa Giacomino Agnese

2 PROGRAMMA DEL CORSO Metodi spettroscopici di analisi Spettroscopia atomica di assorbimento Laboratorio Torino Spettroscopia atomica di emissione Laboratorio Torino Metodi elettrochimici di analisi Potenziometria Conduttimetria Voltammetria (Laboratorio Torino) (Laboratorio Torino) Laboratorio Torino Metodi cromatografici di analisi Gascromatografia Laboratorio: 1^ volta a Savigliano = preparazione delle soluzioni 2^ volta a Torino (Via Giuria n.5, Dipartimento di Chimica) = analisi

3 ANALISI CHIMICA STRUMENTALE CONCETTI GENERALI Si sfrutta una proprietà dell analita Principali proprietà sfruttate: ottiche elettriche termiche Esecuzione di una misura strumentale Si introduce il campione (contenente l analita) nello strumento Si fa in modo che l analita dia luogo ad un segnale (es. assorbimento di radiazioni, assorbimento di calore ) proporzionale alla sua concentrazione. Un componente dello strumento (rivelatore, in inglese detector) converte il segnale dell analita in un segnale elettrico. Il segnale elettrico è misurato e amplificato da opportuni circuiti. Lo strumento è interfacciato a un computer (o a un registratore di segnali) che visualizza il segnale (molto spesso sotto forma di un picco, la cui altezza è proporzionale alla concentrazione di analita)

4 SPETTROSCOPIA OTTICA Principio Raggruppa le tecniche di analisi basate sull assorbimento o emissione di radiazioni elettromagnetiche Scopo Ottenere informazioni: qualitative (quali elementi o composti sono presenti in un campione?) e quantitative (qual è la loro concentrazione?) sugli analiti presenti in un campione

5 LE RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE Possono essere considerate come: onde che si muovono alla velocità della luce particelle (quanti) di energia chiamati fotoni. Caratteristiche principali: Lunghezza d onda : distanza tra due massimi o minimi di un onda Frequenza : numero di cicli in un secondo (proporzionale all energia: E = h ) Lunghezza d onda e frequenza sono inversamente proporzionali. Quindi: piccola lunghezza d onda alta frequenza alta energia grande lunghezza d onda bassa frequenza bassa energia L = lunghezza d onda

6 LO SPETTRO ELETTROMAGNETICO Lo spettro elettromagnetico è l insieme delle radiazioni elettromagnetiche esistenti in natura, che hanno nomi diversi a seconda della lunghezza d onda e frequenza. Si va da: Onde radio: grande lunghezza d onda bassa frequenza bassa energia Fino a: Raggi cosmici: piccola lunghezza d onda alta frequenza alta energia Energia crescente da onde radio a raggi cosmici Lunghezza d onda crescente da raggi cosmici a onde radio

7 LA LUCE VISIBILE La luce visibile (luce bianca) è l insieme delle radiazioni con lunghezza d onda da 380 a 780 nm: sono le lunghezze d onda a cui l occhio umano è sensibile E la somma di componenti colorate (dal violetto al rosso passando per il blu, il verde, il giallo ecc.), cioè radiazioni aventi lunghezze d onda comprese nell intervallo sopra indicato. Perché un oggetto ci appare colorato? Perché assorbe solo ALCUNE componenti della luce bianca e ne trasmette altre LE RADIAZIONI ULTRAVIOLETTE Sono radiazioni con lunghezza d onda compresa tra 10 e 380 nm. Hanno quindi lunghezza d onda minore e frequenza ed energia maggiore rispetto alle radiazioni visibili

8 ASSORBIMENTO ED EMISSIONE DI RADIAZIONI Tutte le molecole e gli atomi sono caratterizzati da stati (livelli) energetici ben definiti. Assorbimento di una radiazione Un fotone viene assorbito se la sua energia è uguale alla differenza di energia tra uno stato a energia più bassa e uno a energia più bassa più alti (stato eccitato) di un atomo o di un composto. L energia del fotone è trasferita alla particella M + h M* Dopo un breve periodo ( s) la specie eccitata si rilassa al suo stato originario. Emissione di una radiazione Una specie chimica (atomo, ione, molecola) che riceve energia (ad esempio per riscaldamento) passa a livelli energetici superiori: viene cioè eccitata. La specie eccitata ritorna ad un livello energetico più basso emettendo radiazioni elettromagnetiche (le radiazioni sono una forma di energia!).

9 Assorbimento (assorbanza) SPETTRO DI ASSORBIMENTO E un grafico che riporta l entità dell assorbimento in funzione della lunghezza d onda. Esempio di spettro: SPETTRO DI EMISSIONE E un grafico che riporta l entità dell emissione (potenza della radiazione emessa) in funzione della lunghezza d onda.

10 ASSORBIMENTO MOLECOLARE In una molecola, ad ogni stato energetico elettronico sono associati stati vibrazionali Le transizioni elettroniche sono accompagnate da transizioni vibrazionali (dallo stato fondamentale a diversi livelli vibrazionali degli stati elettronici eccitati). Avvengono quindi molte transizioni a lunghezza d onda molto ravvicinata. Gli spettri hanno l aspetto di bande. Tratto da Skoog, West, Fondamenti di Chimica Analitica, Ed. EDISES, Napoli Esempio di spettro a bande Tratto da Skoog, West, Fondamenti di Chimica Analitica, Ed. EDISES, Napoli Diagramma dei livelli energetici e dell assorbimento di radiazioni da parte di una molecola

11 ASSORBIMENTO DA PARTE DI ATOMI Negli atomi allo stato gassoso non ci sono stati energetici vibrazionali. Poche frequenze sono attenuate dall assorbimento. Si ha quindi uno spettro a righe. Tratto da Skoog, West, Fondamenti di Chimica Analitica, Ed. EDISES, Napoli a) Spettro di assorbimento per vapori di sodio. b) Diagramma parziale dei livelli energetici per il sodio. Si evidenziano le transizioni risultanti dall assorbimento a 590, 330 e 285 nm

12 SPETTROSCOPIA ATOMICA INTRODUZIONE - 1 Principio I componenti del campione sono portati in forma atomica (atomi o ioni singoli) in fase gassosa Si valuta l'interazione tra gli analiti e la radiazione elettromagnetica. Tecniche principali assorbimento atomico emissione atomica fluorescenza atomica (poco utilizzata)

13 SPETTROSCOPIA ATOMICA INTRODUZIONE - 2 Spettroscopia (o spettrometria) di assorbimento atomico (AAS) Una radiazione monocromatica di lunghezza d'onda caratteristica dell'elemento da determinare è fatta passare attraverso il vapore atomico. Parte della radiazione è assorbita dagli atomi dell'analita e la quantità non assorbita viene misurata al fine di calcolare l assorbanza e determinare la concentrazione cercata. ASSORBIMENTO ATOMICO Lampada Fiamma o Fornetto Monocromatore Detector Tratto da G. Saini, E. Mentasti, Fondamenti di Chimica Analitica, Ed. UTET

14 SPETTROSCOPIA ATOMICA INTRODUZIONE - 3 Spettroscopia (o spettrometria) di emissione atomica (AES) Il campione viene riscaldato ad una temperatura che non soltanto produca la dissociazione in atomi dei costituenti del campione, ma che inoltre ecciti una frazione degli atomi Dagli stati eccitati, essi tendono a ritornare a stati con energia inferiore con concomitante emissione di energia radiante. La radiazione emessa ad una opportuna lunghezza d'onda è utilizzata per determinare la concentrazione dell'elemento da analizzare. EMISSIONE ATOMICA zona più calda del plasma campo magnetico generato dalle spire ad induzione Fiamma o Plasma Monocromatore Detector tubi concentrici di quarzo flusso di argo tangenziale Tratto da G. Saini, E. Mentasti, Fondamenti di Chimica Analitica, Ed. UTET flusso di argo flusso di argo e campione nebulizzato

15 ELETTROCHIMICA E EQUILIBRI DI OSSIDO-RIDUZIONE Schema Relazione tra chimica ed elettricità. Metodi elettroanalitici. Struttura delle celle elettrochimiche Funzionamento delle celle elettrochimiche Tipologie di cella elettrochimica

16 ELETTROCHIMICA E EQUILIBRI DI OSSIDO-RIDUZIONE Relazione tra chimica ed elettricità Alla base delle relazione tra chimica ed elettricità ci sono le reazioni di ossidoriduzione. Con una reazione di ossidoriduzione si trasferiscono elettroni da una specie all altra. Si può sfruttare la corrente, prodotta in seguito alla reazione di ossidoriduzione, per compiere lavoro (pila). All opposto si può applicare una ddp in una cella per far avvenire una reazione di ossidoriduzione.

17 ELETTROCHIMICA E EQUILIBRI DI OSSIDO-RIDUZIONE 2 Metodi elettroanalitici Sfruttano il legame tra chimica ed elettricità per la determinazione qualitativa e quantitativa di analiti. Se gli elettroni scambiati vengono fatti fluire attraverso un circuito esterno, si può avere informazioni di tipo chimico sul sistema studiando il circuito: la quantità di elettroni che fluisce nel circuito (carica corrente) è proporzionale alla quantità di analita che reagisce; la differenza di potenziale (ddp) che si misura è legata alla concentrazione delle specie, alla loro natura chimica, e dà informazioni sulla direzione della reazione (legge di Nernst!). Nota: non in tutti i metodi elettroanalitici si sfruttano reazioni di ossidoriduzione!

18 CELLE ELETTROCHIMICHE Le reazioni redox possono avvenire in due modi: mescolando direttamente l ossidante e il riducente in un contenitore; in una cella elettrochimica.

19 CARATTERISTICHE GENERALI DI UNA CELLA ELETTROCHIMICA - 1. Struttura E l insieme di due semicelle. Semicella: conduttore (elettrodo) immerso in una soluzione elettrolitica. Contiene una coppia redox. Due casi: elettrodo inerte in contatto con una coppia redox. Es.: elettrodo di platino in contatto con la coppia Fe 3+ (aq)/fe 2+ (aq) (in soluzione), o con la coppia H 2(g) /H+ (aq) l elettrodo è un componente della coppia redox. Es. lamina di Cu immersa in una soluzione di Cu 2+. Nella maggior parte dei casi le soluzioni che circondano i due elettrodi sono differenti e devono essere separate per evitare una reazione diretta tra i reagenti. Per limitare il mescolamento ma consentire un contatto tra le soluzioni: giunzione liquida: ponte salino o setto poroso.

20 Semicella CARATTERISTICHE GENERALI DI UNA CELLA ELETTROCHIMICA - 2

21 CARATTERISTICHE GENERALI DI UNA CELLA ELETTROCHIMICA - 3 Funzionamento Ad un elettrodo avviene la reazione di riduzione, all altro avviene la reazione di ossidazione. Per convenzione: elettrodo a cui avviene la riduzione: catodo. elettrodo a cui avviene l ossidazione: anodo. Lo scambio di elettroni corrispondente alla reazione ha luogo soltanto se si chiude il circuito, cioè se si collegano i due elettrodi con un conduttore di elettroni (filo metallico). Trasporto di corrente nella cella: gli elettroni trasportano corrente attraverso gli elettrodi e il conduttore esterno gli ioni trasportano corrente in soluzione.

22 CARATTERISTICHE GENERALI DI UNA CELLA ELETTROCHIMICA - 6 Tipologie Celle galvaniche: la reazione globale di ossido-riduzione avviene spontaneamente; la cella galvanica (pila) può essere utilizzata per produrre energia elettrica Celle elettrolitiche: si applica d.d.p. tra i due elettrodi ( si fornisce energia); avviene una reazione redox non spontanea. Celle galvaniche: catodo positivo, anodo negativo Celle elettrolitiche: il contrario. Catodo-riduzione Anodo - ossidazione

23 CARATTERISTICHE GENERALI DI UNA CELLA ELETTROCHIMICA Cella galvanica Catodo-riduzione Anodo - ossidazione Tratto da Skoog, West, Fondamenti di Chimica Analitica, Ed. EDISES, Napoli Cella elettrolitica

24 METODI ELETTROCHIMICI DI ANALISI Metodi elettroanalitici Sfruttano il legame tra chimica ed elettricità per la determinazione qualitativa e quantitativa di analiti. Si misurano grandezze elettriche (corrente, potenziale, carica, resistenza ) che sono correlate a parametri chimici Metodi principali Potenziometria Voltammetria Conduttimetria

25 EQUAZIONE DI NERNST Per la reazione redox generica: moss 1 + prid 2 mrid 1 + poss 2 Promemoria! E E RT nf ln m p a 1 aoss2 m n arid Oss1 arid2 Il potenziale è legato alle attività delle specie che reagiscono R è la costante universale dei gas, uguale a 8, J K -1 mol -1 T è la temperatura assoluta in K n è il numero di elettroni trasferiti nella semireazione F è la costante di Faraday, uguale a 96485,309 C mol -1.

26 POTENZIOMETRIA - 1 Principio Nel campione (in soluzione) si immergono due elettrodi. Si misura la differenza di potenziale tra i due elettrodi, detta forza elettromotrice (f.e.m). La f.e.m. è correlata all attività delle specie in soluzione. Il legame tra f.e.m. e attività è dato dall equazione di Nernst (per elettrodi classici) o da equazioni empiriche di forma analoga (per elettrodi ionoselettivi)

27 POTENZIOMETRIA - 1 Schema di una tipica cella per analisi potenziometriche: El. di riferimento/ponte salino/soluzione da analizzare/el. indicatore Tratto da D. Harris, Quantitative Chemical Analysis Figura: esempio di elettrodo indicatore

28 POTENZIOMETRIA - 2 Elettrodo di riferimento: semicella con potenziale elettrodico costante. Elettrodo indicatore: assume un potenziale che dipende dall attività dell analita. E cella = E ind E rif + E j E j = potenziale di giunzione (di solito trascurabile) Ogni variazione di potenziale è legata all attività di una sola specie. La concentrazione di analita è valutata a partire da una retta di taratura. Strumento di misura: potenziometro. Misura la d.d.p. tra i due elettrodi senza influenzarne lo stato di equilibrio. Note la cella di misura è di tipo galvanico (avviene una reazione spontanea) la f.e.m. è misurata in condizioni di equilibrio (intensità di corrente nulla) il legame tra f.e.m. e concentrazione è dato dalla legge di Nernst (per elettrodi classici) o da leggi empiriche di forma analoga (per elettrodi ionoselettivi)

29 ELETTRODI Definizione: è l interfaccia tra un conduttore ionico ed un conduttore elettronico, cioè il luogo dei punti in cui la conduzione passa da ionica ad elettronica. Elettrodi ionoselettivi Gli elettrodi più usati a scopi analitici sono gli elettrodi ionoselettivi (ISE) La parte caratteristica dell ISE è una membrana, alla quale si lega in modo selettivo l analita. Un lato della membrana è a contatto con una soluzione a attività nota dell analita, l altro lato è a contatto con la soluzione La d.d.p. all interfaccia della membrana è legata alla concentrazione dell analita Equazione generale per la risposta di un ISE: E = K +( 2,303RT/zF)log a i Nota: l equazione è valida in assenza di interferenze da parte di altri ioni. Altrimenti, in presenza di un interferente j, si ha: E = K +( 2,303RT/zF)log (a i + k ij a j zi/zj )

30 ELETTRODO PER LA MISURA DEL ph L ISE più utilizzato è quello per la misura del ph (detto elettrodo a vetro o elettrodo a membrana di vetro) Struttura Membrana a scambio ionico (a base di silicati) che separa una soluzione a concentrazione nota in H + (= soluzione interna) dalla soluzione del campione (= soluzione esterna). Grandezza di interesse: E b = differenza tra i potenziali alle due superfici della membrana E b = E 1 E 2. E b dipende dalla concentrazione di H + in soluzione E 2 E 1 Soluz. 2 (interna) (H + nota) Vetro 2 Vetro 1 Campione (soluzione 1)

31 ELETTRODI COMBINATI Invece di avere elettrodo indicatore e elettrodo di riferimento, per la misura del ph si possono utilizzare elettrodi combinati che contengono l elettrodo a vetro e quello di riferimento ( esterno ) in un unico corpo. L elettrodo combinato è il tipo di elettrodo a vetro più utilizzato!

32 ISE - APPLICAZIONI Applicazioni degli ISE: ph anioni (fluoruri, solfuri, nitrati...) cationi (sodio, calcio, rame, argento...) gas (es. CO 2 ) sostanze organiche. Per ogni analita esiste un ISE con una membrana "selettiva" per l'analita stesso. Ci possono però essere interferenze, per cui un ISE selettivo per un certo ione risente dell interferenza di altri ioni (esempio: l elettrodo per NH 4 + risente dell interferenza di K +, quello per i NO 3 - risente dell interferenza di Cl - ) Applicazioni in campo biomedico: determinazione di Na, Ca, K, Cl in liquidi corporei, di F in denti e scheletro. Altri campi di applicazione: ambiente, alimenti e bevande, agricoltura, industria (galvaniche, cartiere...).

33 Potenziometria per misurare ph terreni diffusione delle piante Lupini spontanei, eriche, rododendri, mirtillo = reazione acida Sulla, liquirizia e altre leguminose = reazione moderatamente basica tipica dei terreni calcarei.

34 Principio POTENZIOMETRIA: misura della f.e.m.di una cella galvanica in condizioni di equilibrio VOLTAMMETRIA Principio: si applica una differenza di potenziale e si misura la corrente risultante. Applicando una d.d.p. agli elettrodi si verifica un passaggio di corrente se all interfaccia elettrodo-soluzione avvengono reazioni di ossidoriduzione (quindi scambi di elettroni)*. La corrente misurata è correlata alla concentrazione di specie elettroattive** in soluzione. Se queste ultime si ossidano o si riducono a potenziali diversi, (v. figure dei voltammogrammi) si ricava la loro concentrazione dalla semplice relazione: i = kc*** Applicazioni: analiti riducibili o ossidabili. NOTE * In realtà si rileva una corrente di fondo (detta corrente capacitativa) anche in assenza di reazioni redox. Nelle tecniche voltammetriche si adottano accorgimenti per minimizzare la corrente capacitativa, che non è proporzionale alla concentrazione di analita ** Specie elettroattiva (in un esperimento ) = ione o molecola in grado di ossidarsi o ridursi nelle condizioni applicate nell esperimento. La stessa specie può essere elettroattiva o meno a seconda delle condizioni sperimentali *** La costante k dipende da numerosi parametri chimico-fisici, ma in pratica viene ricavata sperimentalmente con una retta di calibrazione!

35 VOLTAMMETRIA Il potenziale applicato può essere OPPURE - variabile (registrazione di curve intensità potenziale, dette voltammogrammi), - fisso. Applicazioni: determinazione di specie riducibili o ossidabili. Esistono numerose tecniche voltammetriche che differiscono per il tipo di elettrodo utilizzato, per il modo in cui varia il potenziale nel tempo, per la presenza di stadi preliminari alla variazione del potenziale, per la modalità di trasporto dell analita all elettrodo. Nota: le varie tipologie di tecnica voltammetrica non saranno descritte in questo corso per motivi di tempo

36 STRUMENTAZIONE - 1 Struttura Sistema per l applicazione del potenziale Sistema per la misura della corrente Cella con tre elettrodi Elettrodo di lavoro (WE) : avviene la reazione di interesse. Fonte: Metrohm Esempio di RE Elettrodo di riferimento (RE) : potenziale costante. Controelettrodo o elettrodo ausiliario (AE). Funzionamento Si applica ddp tra WE e RE Al WE avviene reazione (ossidazione o riduzione) Si misura la corrente tra WE e AE. Fonte: Metrohm Esempio di AE

37 STRUMENTAZIONE - 2 Fonte: EG&G - PAR

38 VOLTAMMETRIA - APPLICAZIONI Elementi Fonte: EG&G - PAR Sostanze organiche Gruppi funzionali riducibili: Gruppi funzionali ossidabili: OH NH 2 (amine aromatiche) CO-NH 2 (amidi)

39 ESEMPI DI VOLTAMMOGRAMMI - 1 Soluzione contenente Cd mg/l Soluzione contenente Fe 2+ e Fe 3+ in miscela (voltammogramma c) Condizioni: HMDE (Hanging Mercury Drop Electrode): elettrodo a goccia pendente di mercurio (la goccia rimane fissa durante tutta la misura) Scansione di potenziale a impulsi differenziale Fonte: EG&G - PAR

40 ESEMPI DI VOLTAMMOGRAMMI - 2 Soluzione contenente ioni Cu 2+, Pb 2+, Cd 2+, Zn 2+ a livello di g/l Soluzioni contenenti acido ascorbico (sostanza organica facilmente ossidabile) a concentrazioni crescenti C D Cu Pb Cd Zn B A Concentrazioni di acido ascorbico: curva B: 13,0 mg/l; curva C: 25,9 mg/l; curva D: 38,7 mg/l. Curva A: bianco

41 CONDUTTIMETRIA Principio: elettroliti in soluzione di solventi sufficientemente polari conducono la corrente. La conduttanza di una soluzione è legata al tipo e concentrazione degli ioni presenti. Conduttanza 1 R R = resistenza della soluzione espressa in ohm -1 (Siemens). Dipende dalla temperatura, dalla concentrazione e dal tipo di elettrolita. La conduttanza di una soluzione è la somma dei contributi di tutti gli ioni presenti. La conduttimetria perciò non permette di distinguere le singole specie in soluzione. Applicazione principale Purezza dell acqua deionizzata

42 CONDUTTIMETRIA - 2 Conduttanza 1 R S k d k = conduttività (o conducibilità) specifica (conduttanza di una soluzione fra due elettrodi distanti 1 cm e di sezione 1 cm 2 ) = 1/ espressa in ohm -1 (Siemens). Dipende dalla temperatura, dalla concentrazione e dal tipo di elettrolita. dipende anche da S e d difficile confrontare dati di laboratori diversi Si misura k, usando cellette in vetro con elettrodi in Pt di sezione 1 cm 2 e distanti 1 cm «circa») Sonda per la misura della conducibilità Cella E difficile ottenere elettrodi con geometria perfetta necessità di tarare la cella Taratura: misura di di soluzioni con concentrazione nota e k tabulata (es. KCl 0,1 M) si trova la costante di cella (d/s) Nota: nella pratica gli strumenti sono già tarati dal produttore e forniscono direttamente il valore di k

43 CROMATOGRAFIA - 1 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)

44 CROMATOGRAFIA - 2 Cosa si ottiene? Un CROMATOGRAMMA Cromatogramma: diagramma che riporta il segnale del rivelatore in funzione del tempo Promemoria!

45 CROMATOGRAFIA - 3 Promemoria! Tempo di ritenzione: tempo tra l iniezione di un campione e la comparsa del picco del soluto al rivelatore Tempo morto: tempo richiesto ad una specie NON trattenuta per raggiungere il rivelatore Analisi qualitativa: dai tempi di ritenzione Analisi quantitativa: dall altezza o area del picco

46 CROMATOGRAFIA - 4 Classificazione CROMATOGRAFIA Promemoria! SU COLONNA PLANARE LIQUIDA (LC) GAS - CROMATOGRAFIA (GC) A FLUIDO SUPERCRITICO (SFC)

47 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

48 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.

49 GC - STRUMENTAZIONE

50 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)

51 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 )

52 COLONNE PER GLC - 2 Caratteristiche del liquido: - bassa volatilità (non deve essere trascinato via dalla fase mobile) - loading = percentuale di liquido = % Struttura delle colonne - vetro, acciaio, rame - lunghezza: 3 m - diametro: 1/4, 1/8 di pollice (~ 3-6 mm) - dimensione delle particelle: m

53 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: m (avvolte in matasse) - diametro: 0,25-0,75 mm Vantaggi rispetto alle colonne impaccate: - tempi più brevi - risoluzione migliore

54 Tipi di gas: elio, azoto, idrogeno FASE MOBILE PER GC 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 t R Velocità di flusso Sono numerosissime APPLICAZIONI Requisiti degli analiti (quasi sempre organici): volatili termostabili

55 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.

56 Approfondimento GC - ESEMPI DI APPLICAZIONI Fonte: Supelco

57 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, CO 2 ) CH 4 O 2 H 2 N 2 CO Separazione di una miscela di gas mediante GSC minuti 15 Tratto da G. Saini, E. Mentasti, Fondamenti di Chimica Analitica, Ed. UTET La GSC è molto meno utilizzata della GLC

58 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 Un componente (analizzatore di massa) separa i vari frammenti, che raggiungono il rivelatore a tempi diversi Tramite un rivelatore i frammenti danno luogo ad un segnale di intensità proporzionale alla loro abbondanza relativa. Campione Bombola gas carrier Iniettore Colonna capillare Spettrom. di massa Elaboraz. segnali Dispositivi di riscaldamento Stampa cromatogramma e risultati

59 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

60 Approfondimento GC - MS - ESEMPI DI APPLICAZIONE

61 Approfondimento GC - MS - ESEMPI DI APPLICAZIONE

62 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.