TEMPO E VOLUME DI ROTENZIONE

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1 - GASCROMATOGRAFIA Principi ed applicazioni. In GC la fase mobile è un gas permanente (CARIER) che fluisce attraverso una colonna in cui è posto la fase stazionaria. Il prodotto di ciò e un gascromatogramma in cui la quantità di sostanza eluita è diagrammata in funzione del tempo che la sostanza impiega per attraversare la colonna. Per i meccanismi di separazione e le prestazioni, importante, sono le caratteristiche chimico-fisiche della fase stazionaria e della forma con cui essa è presente. Con questa tecnica è possibile analizzare campioni (altobolenti) gassosi, liquidi o solodi opportunamente solobulizzati e che possono essere vaporizzati, ed è infatti questa la limitazione della GC che non può lavorare con sostanze termolabili. Classificazione delle tecniche in GC. Una prima classificazione si può fare in base allo stato fisico della fase stazionaria: - cromatografia gas-solido (GS) - cromatografia gas-liquido (GL) Una seconda classificazione prende in considerazione sia la geometria della colonna e la collocazione della fase stazionaria in essa: - Gc su colonne impaccate : in cui la FS è formata da un solido granulare poroso o di un liquido supportato da particelle porose e inerti ; questa è costituita da vetro o acciaio è lunga da 1 a 6 m con un diametro interno di mm. - GC su colonne capillari : (80% delle GC vendute) in cui la FS è sotto forma di film sottile (0.1-5 µm) sulle pareti inerti con un diametro interno di mm e lunga da 15 a 100 m, (in essa il contatto carier /FS è migliore). Secondo come si presenta la FS: - GC colonne aperte (WCOT): le pareti sono ricoperte da un film di liquido. - GC colonne aperte con rivestimento supportato (SCOT): come le WCOT ma supportato da materiale granulare poroso fine. - GC colonne aperte con rivestimento poroso (PLOT): la FS è costituita solo da particelle porose fatte aderire alle pareti. Grandezze, parametri, prestazioni. Le prestazioni vengono valutate in base a: SELETTIVITA EFFICIENZA RISOLUZIONE T DI LAVORO ASSIMETRIA DEI PICCHI Fattori questi correlati a parametri come il tempo e volume di ritenzione, grandezze fondamentali in GC. TEMPO E VOLUME DI ROTENZIONE Sono grandezze analoghe per tutte le tecniche cromatografiche e le relazioni fra esse sono: T 1 r = t r t m v 1 r= v r v m v r = t r F c v 1 r= t r F c F c = flusso FS T 1 r e v 1 r= corretti Per la misura dei volumi in GC bisogna fare due precisazioni: 1. Nelle colonne impaccate il flusso della FM si misura con un flussimetro a bolla di sapone mentre nelle colonne capillari si calcola la velocità media del composto iniettato e non trattenuto. 2. Per il v 1 r in quanto i gas sono comprimibili va introdotto un fattore di compressibilità J per cui V netto = v 1 r J. Il tempo di ritenzione, e quindi anche V netto, dipende anche dalla quantità di FS presente in colonna. Quindi per confrontare il comportamento di colonne diverse, ma con lo stesso riempimento, si definisce il volume di ritenzione specifico(v g ): V g = V n / m s * 273 / t c m s = massa FS in g t c = temperatura colonna in K COSTANTE DI DISTRIBUZIONE ( K c ) E FATTORE DI RITENZIONE (K) La K c e la K dipendono sensibilmente dalla t che è determinante in GC. Quando aumenta la t aumenta anche la tensione di vapore che fa diminuire sensibilmente il rapporto C s /C g, ovvero la K c sia la K di conseguenza diminuiscono i tempi di ritenzione compromettendo la separazione fra i componenti della miscela. Si definisce rapporto di fase il rapporto: β = V g / V L

2 SELETTIVITA Definita come capacità di Eluire due sostanze in tempi diversi è espressa: α = t 1 r2 / t 1 r1 dipende solo dalla t e dalla FS, ed è leggermente più alta per le colonne capillari. EFFICENZA E la capacita di un sistema cromatografico di Eluire una data sostanza in una banda stretta. La maggior differenza tra impaccata e capillare sta nel fatto che le capillari hanno un numero di piatti tra i e e per le impaccate è dell ordine di Ne deriva: - che a parità di lunghezza le colonne capillari sono di poco più efficienti delle impaccate; - e l efficienza delle capillari si mantiene quasi inalterata all aumentare del flusso di carier per diminuire i tempi di lavoro. Ciò si può notare dal grafico: H (mm) Queste differenze si possono dedurre dall equazione di 2.0 VAN DEEMTER e GOLAY. impaccata Nelle colonne impaccate l equazione di DEEMTER : 1.5 H = A + B/ϖ + c ϖ 1.0 capillare dove A è associato alla diffusione microvorticosa della FM 0.5 B è associato alla diffusione molecolare lungitudinale e il il parametro Cϖ il parametro C è associato alla resistenza ϖ ( cm/s) al trasferimento di massa e il suo contribuito al valore complessivo di H è fornito dall equazione : C = C S +C M Nelle colonne capillari l equazione di GOLAY in quanto essendo assenti fenomeni dovuti a percorsi multipli la DEEMTER ha bisogno di un fattore di correzione proposto da GOLAY: H = B / ϖ + (C S +C G ) ϖ si elimina cioè A= distribuzione Microvorticosa Per ottimizzare l efficienza di una colonna si può agire su : - la lunghezza ( meglio se lunghe) - diametro delle particelle (importante per le impaccate che raggiungono la miglior efficienza con mash) - liquido di ripartizione( poco visscoso, bassa tensione di vapore) - la temperatura - il diametro interno(se piccolo è megli per le impaccate) - carier(dipende dal tipo di rivelatore) - flusso. ASSIMETRIA DEI PICCHI Una buona separazione non deve presentare fenomeni talling e fronting. Le cause più probabili di assimetria sono: - una scorretta introduzione del campione - particolari caratteristiche chimico-fisiche della FS o sua sovrassaturazione. Per ottenere la massima efficienza si suggerisce di iniettare piccole quantità, ovvero, le minori possibili,di campione compatibili con i limiti di rilevabilità. Le impaccate hanno una capacità maggiore delle capillari. FASE MOBILE Il carier deve avere un elevata inerzia chimica nei confronti della FS e del materiale di cui è costituita la colonna e i componenti della miscela da analizzare. Per cui si opererà una sola volta secondo i criteri: - costo - grado di purezza - inerzia chimica - densità viscosità - compatibilità con il rivelatore. I gas più usati sono: - IDROGENO - ELIO -AZOTO -ARGON.

3 FASE STAZIONARIA In GSC il meccanismo di separazione è l adsorbimento per cui la separazione dipende dalla forza dei legami tra i componenti trattenuti sulla superficie delle particelle che riempiono la colonna. La GSC viene applicata soprattutto nell analisi di gas permanenti, di idrocarburi leggeri e di composti bassobollenti. I materiali soni uguali per le colonne impaccate e capillari. La scelta della FS solida viene fatta essenzialmente secondo la polarità delle molecole da separare. I materiali più usati sono: - gel di silice - microparticelle sferiche di carbone - allumina - zeoliti - carbone attivo - sali inorganici. - carbone grafitizzato Fasi stazionarie liquide per GLC Nelle colonne impaccate e nelle SCOT, la FS liquida viene ancorata ad un supporto solido inerte che deve avere i seguenti requisiti: - inerzia chimica - resistenza meccanica e termica - buon grado di bagnabilità del liquido di ripartizione - bassa resistenza al flusso del gas - disponibilità sottoforma di particelle il più possibile sferica. I materiali di supporto più comunemente usati sono - terra di diatomee (è il più usato e molto poroso 30% in volume di sé) - Teflon (per separare sostanze molto polari) - Micro sfere di vetro (poco adssorbenti e non porose) Il liquido di ripartizione da depositare sul supporto solido o sulle pareti di una colonna capillare deve soddisfare i seguenti requisiti: - bassa tensione di vapore nelle condizioni di lavoro - elevata stabilità termica ( per non decomporsi) - elevata inerzia chimica per i componenti della miscela, per il supporto e il materiale della colonna - bassa viscosità alla temperatura di esercizio ( per diminuire la resistenza al trasferimento dei soluti ) Per ogni composto o classe di composti esiste un FS ottimale, poiché sono numerose(più di 500) è possibile discutere i criteri di classificazione: 1. Primo criterio si basa sulla natura chimica delle sostanze usate come FS, suddivise in: idrocarburi, esteri e poliesteri, polieteri, ammidi e nitridi ecc.. 2. Secondo criterio, più utile dal punto di vista applicativo, classifica i materiali secondo la polarità misurata con i parametri di Kovetus e Mc Reynolds, base su cui si individuano quattro classi di polarità: 1 a classe = apolari (idrocarburi o siliconi con sostituenti non polari) 2 a classe = a bassa polarità ( esteri di alcoli ecc.) 3 a classe = polari ( poliglicoli, poliacidi ecc.) 4 a classe = molto polari (glicoli, glicerina ecc.) Fasi stazionarie miste legate La fase stazionaria liquida, trascina del gas di trasporto, si impoverisce inevitabilmente con il passare del tempo. Questo fenomeno di spurgo detto BEELDING può incidere negativamente sulla qualità dell analisi ma soprattutto sui limiti di rilevabilità e innalzamento del disturbo del segnale di fondo. Per evitare tutto ciò si può legare chimicamente ai gruppi ossidrilici della silice del supporto o alle pareti della colonna. I vantaggi derivanti sono anche una maggior riproducibilità e riduzione dei tempi di condizionamento. Criteri di scelta della FS I criteri generali sono quattro: 1- FS solida, per gas permanenti o idrocarburi bassobollenti; 2- FS apolare, per miscele di composti con polarità simile ma P eb diversi; 3- FS sia polari, che apolari per miscele di composti con polarità diverse ma P eb simile, quelle polari trattengono di più i componenti polari viceversa le apolari; 4- FS molto polari, per miscele non polari o anche polarizzabili. Si usano FS molto polari che polarizzano gli aromatici stabilendo legami dipolo-dipolo indotto, mentre trattengono composti apolari. Guardare tabelle a pagine libro D.

4 STRUMENTAZIONE Sistema di alimentazione gas per il rivelatore. Sistema di gestione dati Sistema di alimentazione CARIER INIETTORE COLONNA RIVELATORE Dispositivo di programmazione temp. Dispositivo per analisi quantitative Essiccatori e trappole Il CARIER deve entrare in colonna privo di impurezze e umidità per questo che lungo il percorso dei gas si pongono trappole riempite di setacci molecolari essiccanti. Iniettori La miscela viene introdotta tramite una camera di iniezione posta in testa alla colonna che assicura la vaporizzazione istantanea della miscela. E iniettata attraverso un setto elastico di gomma siliconata o teflonata. Esistono valvole dette a multivia che consentono un campionamento preciso e riproducibile. Colonne COLONNE IMPACCATE: possono essere, metalliche o in vetro borosilicato disattivato. COLONNE CAPILLARI: nella maggior parte sono cappilari aperte e sono realizzate in silice fusa. Le differenze tra tutte e due i tipi consistono in: - le colonne impaccate hanno maggior capacità e si usano per analisi in cui non occorra isolare molti elementi; - le colonne capillari hanno sensibilità ed efficienza elevate e consentono una separazione del maggior numero possibile di componenti della miscela. I criteri di scelta per i due tipi sono, per quelle impaccate: - tipo di FS - supporto e granulometria - materiale colonna - trattamento chimico-fisico subito dal supporto - percentuale di rivestimento - dimensioni colonna - temperatura max. sopportabile per quelle capillari : - lunghezza - diametro interno - materiale colonna - FS e supporto o tipo di fase legata - t max. sopportabile dalla FS - spessore film della FS. Camera termostatica Zona dove viene assicurato il raggiungimento e stabilità della temperatura che si vuole per l analisi. Rivelatori I rivelatori universali sono dispositivi che consentono di individuare tutti i componenti di una miscela con una sensibilità più o meno elevata. I rivelatori selettivi, invece, consentono di individuare solo particolari categorie di composti. Oggi i rivelatori più usati sono di tipo differenziale, ovvero forniscono una linea di base piatta quando dalla colonna esce solo il carrier, mentre danno un picco più o meno simmetrico in corrispondenza di una banda di eluizione(fig.1) Le prestazione di un rivelatore, o meglio di tutto il sistema, si valutano in base ai seguenti parametri: - selettività - sensibilità - stabilità - tempo di risposta - rumore di fondo - deriva del segnale - limite di rilevabilità - intervallo di linearità.

5 s e g n a l e (µv) Fig:1 Tempo (min) Tipi di rivelatori: Rivelatore a termoconducibilità: detto anche catarometro o rivelatore a filo caldo, è di tipo universale e non distruttivo. Rivelatore a ionizzazione di fiamma (FID): è di tipo universale e distruttivo, le sostanze separate, infatti, vengono bruciate e portate allo stato di ioni in fase gassosa. Rivelatore a fiamma alcalina: è una variante del FID. Inserendo una pastiglia di alugenuro alcalino ( tipo RbCl o CsBr) sopra la fiamma, i composti che contengono azoto o fosforo producono, a contatto con i vapori dell alogenuro, specie ioniche particolarmente stabili. Rivelatore a cattura di elettroni(ecd): è selettivo e non distruttivo, ha una sensibilità maggiore del FID e può fornire direttamente informazioni qualitative sulle sostanze rivelate. Vi è inoltre la possibilità di accoppiare ad un GC uno spettrofotometro di massa, questo permette di analizzare in tempo reale i singoli picchi in uscita dalla colonna, effettuando la determinazione sia qualitativa sia quantitativa mediante il confronto dello spettro registrato con gli spettri memorizzati in una banca dati.