Introduzione alla Chimica Analitica

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1 Corso di Chimica Ambientale Introduzione alla Chimica Analitica Prof. Paola Gramatica dipbsf.uninsubria.it/qsar/ Education uninsubria.it Prof. Paola Gramatica - QSAR Research Unit - DBSF - University of

2 CAMPIONAMENTO L obiettivo della raccolta di campioni ambientali per analisi è ottenere una piccola porzione, ricca di informazioni, della matrice che si intende studiare (acqua, suolo, sedimento, biota) I campioni devono essere rappresentativi dell area del prelievo e del periodo di studio. La corretta pianificazione del campionamento permette di ottenere il massimo di informazione con il minimo consumo di tempo e denaro. Obiettivi essenziali del campionamento: Esplorazione (sorveglianza puntuale) Monitoraggio (valutazione nel tempo e nello spazio)

3 PROTOCOLLI DI CAMPIONAMENTO Si devono indicare: Posizioni dei campioni Variabili fisiche, meteo, idrologiche, chimiche (ph, ossigeno, ecc) Tipi di apparecchiature (per prelievo, per trasporto, per conservazione ecc) Volumi e caratteristiche campioni Numero e tipi di bianchi Trattamenti in campo Metodiche di trasporto, conservazione)

4 : ESTRAZIONI ORGANICI Estrazioni con Solventi Organici da campioni acquosi Imbuto Separatore: Pochi campioni Piccole quantità Estrattore di Soxhlet: (in continuo) Numerosi campioni Grosse quantità Batteria di estrattori (Soxhtec) ORGANICI Estrazioni con Solventi Organici da campioni solidi Estrattore di Soxhlet: Con ditale di cellulosa INORGANICI Digestione con acidi (HCl HNO 3)

5 Imbuto Separatore Estrazione Liquido-Liquido Estrazione con solvente organico meno denso dell acqua solvente organico acqua

6 Estrattore di Soxhlet: (in continuo)

7 Estrattore di Soxhlet: (in continuo) Batteria di estrattori (Soxhtec) con ditale di cellulosa per campioni solidi

8 Fasi in successione: 1) Isolamento del campione (miscela) OK 2) Separazione dei componenti la miscela Metodi cromatografici 3) Analisi identificativa dei singoli componenti Metodi spettroscopici per Indagine strutturale

9 Stato del Campione e Tecniche di analisi adatte

10 Fasi in successione: 2) Separazione dei componenti la miscela Dopo l isolamento della miscela da analizzare, se ne devono separare i singoli componenti applicando alcuni dei più comuni metodi di separazione cromatografica: Cromatografia su strato sottile (TLC) Cromatografia su colonna gravitazionale (varie fasi stazionarie) Cromatografia su colonna ad alta efficienza (HPLC) Gas-Cromatografia (GC)

11 METODI CROMATOGRAFICI Si distinguono in base alla fase mobile eluente liquida (LC) o gassosa (GC). CROMATOGRAFIA LIQUIDA (LC) Adsorbimento Liquido-Solido (TLC, Colonne) Ripartizione Liquido-Liquido (HPLC) Scambio Ionico Esclusione molecolare (Gel permeation) Affinità GAS-CROMATOGRAFIA (GC) Adsorbimento Gas-Solido Ripartizione Gas-Solido

12 TIPI di CROMATOGRAFIE 2

13 PRINCIPI di BASE delle SEPARAZIONI CROMATOGRAFICHE Il più comune principio alla base delle tecniche cromatografiche è la competizione tra forze che tendono a legare alla fase stazionaria (fase fissa) i singoli componenti della miscela da analizzare e forze che tendono a staccare ed eluire questi componenti con la fase mobile (eluente). I diversi componenti della miscela saranno trattenuti ed eluiti in modo diverso e quindi separati lungo il sistema cromatografico prescelto.

14 CROMATOGRAFIE LIQUIDE Fasi mobili (liquidi organici) sia per Cromatografia su strato sottile (TLC) Cromatografia su colonna Cromatografia su colonna ad alta prestazione (HPLC) La polarità della fase mobile determina la forza e quindi la velocità con cui un singolo componente, della miscela da separare, viene eluito dal sistema cromatografico (viene cioè staccato dalla fase stazionaria e trascinato con la fase mobile). E quindi determinante per differenziare dagli altri il movimento di ogni singolo prodotto da separare nel sistema cromatografico utilizzato.

15 SERIE ELUOTROPICA Singoli solventi o miscele a varie composizioni.

16 TECNICHE CROMATOGRAFICHE Cromatografia piana Su Carta LC Liquido Crom Su Strato Sottile (TLC) Cromatografia su colonna Liquido Crom (LC) a Pressione Atmosferica (colonne gravitazionali) a Pressione Elevata (HPLC) Gas Crom (GC) Colonne Impaccate Colonne Capillari

17 TIPI di CROMATOGRAFIE : Cromatografia piana La cromatografia piana su strato sottile (TLC), o su carta, è una cromatografia liquida di adsorbimento liquido-solido sistema ascensionale: l eluente liquido (la fase mobile) sale per capillarità sulla fase fissa solida (carta, silice o allumina supportata su vetro o alluminio), nel suo movimento ascensionale scioglie, e quindi stacca dall interazione con la fase fissa, preferenzialmente le sostanze più solubili in esso, spostandole più in alto nella lastrina. Comunemente, sostanze meno polari corrono verso il fronte dell eluente, mentre le più polari restano assorbite in basso. R f = retention factor R f è diverso per uno stesso prodotto a seconda dell eluente utilizzato. Per caratterizzare in TLC un prodotto bisogna indicare accanto al suo R f il sistema eluente

18 Cromatografia su strato sottile (TLC) Piana, Liquido Crom., Adsorbimento Solido-liquido R f = retention factor è il parametro che misura la corsa di ogni singolo prodotto rispetto alla corsa dell eluente.

19 TIPI di CROMATOGRAFIE : Cromatografie su Colonna La cromatografia su colonna è un sistema analogo alla TLC, ma gravitazionale per cui le sostanze che corrono di più si trovano nel basso della colonna e vengono eluite per prime. Vari tipi: gravitazionale, HPLC, GC. Caratteristica principale della GC è la fase mobile inerte: gas di trasporto, e della HPLC la pressione di esercizio.

20 Cromatografia su colonna e TLC

21 GAS-CROMATOGRAFIA: la strumentazione

22 GAS-CROMATOGRAFIA

23 COLONNE in GC Colonne Impaccate Vetro Lunghezza: 2-3 m Diametro: cm Forma ad U o a spirale Fase stazionaria liquida supportata su materiale inerte solido (diatomee) mesh Colonne Capillari Vetro o silice fusa (capillari flessibili) Lunghezza: m Diametro: mm Forma a spirale Fase stazionaria legata alle pareti 10 volte più efficace: - Diffusione trascurabile - Risoluzione migliore (picchi stretti e ben separati) - Separazione migliore - Tempi di eluizione inferiori

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25 GAS-CROMATOGRAFIA a Temperatura Programmata Isoterm a a 45 C Isoter ma a 145 C T programm ata C

26 Esempi di separazioni Gas- romatografic he

27 SPETTROMETRIA DI MASSA r = mv/zh m/z=h 2 r 2 /2V m= massa z= carica v=velocità particella V=potenziale campo elettrico accelerante H= intensità campo magnetico deviante r= raggio curvatura Gli ioni vengono deviati in base al loro rapporto massa/carica z=1 Deviazione in base alla MASSA

28 Uno Spettro di Massa

29 I PICCHI ISOTOPICI in MS

30 Esempio di analisi GC-MS

31 HPLC (High Performance Liquid Cromatography): la strumentazione Sistema di iniezione: il loop

32 HPLC: High Performance Liquid Chromatography E una Cromatografia di Ripartizione Liquido/Liquido - il soluto si ripartisce tra fase stazionaria (un liquido supportato o chimicamente legato su solido all interno di una colonna di acciaio o vetro speciale e la fase mobile liquida (il solvente eluente). Diversi tipi e possibilità: Cromatografia liquida in fase diretta: fase stazionaria più polare della fase mobile sostanze più polari più trattenute, escono dopo, T R > Cromatografia liquida in fase inversa ( Reverse Phase ): fase mobile più polare della fase stazionaria sostanze più polari meno trattenute, escono prima, T R < Eluizione isocratica = stesso eluente Eluizione a gradiente = varia polarità eluente

33 COLONNE Fasi stazionarie a granulometria fini ssima (400 mesh) Colonne d acciaio Sotto pressione (fino 400 atm) Fase inversa Esempi di separazio ni HPLC Fase diretta

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35 Spettri UV : tipi di transizioni e assorbimenti di cromofori caratteristici

36 Spettri UV di sostanze molto diverse possono essere molto simili

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38 ICP Assorbimento Atomico (AA)