Appunti completi delle lezioni di Chimica analitica strumentale

FID

Il più utilizzato dopo lo spe rometro di massa, universale per composti organici (contenenti C, O, H). I

composti in questa fiamma vengono bruciati, risulta perciò distru ivo. La fiamma si accende con

combustibile, H2, e comburente, aria, prodo i dai sistemi di produzione di gas in laboratorio. H2 e aria

entrano da due canali diversi: H2 entra dalla base della colonna, a differenza del gas carrier, avendo

rapporto H2-aria pari 1:10, eccesso di aria. Arrivano i gas, c’è una spirale a cui si dà un impulso ele rico, si

accende la fiamma, carica alla base positivamente e negativamente in alto. Applico una differenza di

potenziale si due ele rodi, i composti bruciano per formare prima radicali poi ioni positivi, a irati

dall’ele rodo colle ore sopra la fiamma negativo. Il passaggio di corrente si ha dal polo negativo al positivo

con registrazione del cromatogramma: la risposta è proporzionale al numero di atomi di C. Se ho due

composti con diverso numero di atomi di C ma inie o la stessa quantità, il segnale sarà maggiore per

composto a maggior numero di C.

Non vede i gas permanenti, a differenza del TCD, come CO, CO2, NH3, ha elevate T di utilizzo (fino 400°), è

notevolmente sensibile, fino al picogrammo, ed ha un esteso range di linearità (fino a 10^-6/10^-8). Spesso

all’uscita della colonna arriva il gas di make-up, N2, sopra u o per colonne capillari, raccoglie tu o e porta

alla fiamma, di modo da non avere allargamento di banda. Il make-up ha quindi 3 funzioni fondamentali:

stabilizza la fiamma, raffredda il rivelatore e consente di o enere picchi più stre i. Ogni strumento avrà

giusti valori di gas di make-up, si fanno prove: laddove, variando il flusso di gas di make-up (da 10 a 35 ml

ad es.), a parità di condizioni, vediamo l’o enimento di un segnale via via più alto, ci fermiamo. Questo

perché le colonne capillari come carrier vanno a 1 ml/minuto, molto lento: questo flusso che può arrivare a

30-35 ml/minuto, trasporta tu o verso il rivelatore molto rapidamente.

NPD (nitrogen fosfphorus detector)

Rivelatore sele ivo per N e P, a fiamma, quindi distru ivo. Abbiamo analita traspirato in colonna,

preferibilmente da N2 come gas carrier con sempre H2 e aria per alimentare fiamma. Accendiamo fiamma,

sopra di essa questa volta abbiamo una pallina di rubidio o cesio, la quale per effe o della fiamma si ionizza

e si formano Rb+ + ele roni. La pallina, quindi, comincia a consumarsi formando ele roni. Nella fiamma

arrivano i composti con N e P, in fiamma si formano i radicali che in presenza di ele roni, li ca urano e si

trasformano in CN- e Po 2-. Sopra la pallina abbiamo stavolta il polo positivo, quindi qui si vengono a

scaricare le specie cariche negative formate in precedenza, generando passaggio di corrente. I suoi

meccanismi non sono del tu o noti. Tu i i rivelatori sele ivi sono molto sensibili, con limiti di rivelabilità

molto bassi, poiché sono concentrati su specifici composti (si arriva al picogrammo). Non hanno però un

elevato range di linearità, si saturano velocemente (risposta lineare di soli 3-4 ordini di grandezza).

Nulla vieta di analizzare le stesse molecole con un rivelatore o con un altro: sono riportate una serie di

droghe che contengono N. Il FID dà risposta perché sono composti organici, ma anche NPD poiché

contengono N. Confrontando i cromatogrammi cambia l’intensità del picco, de ata da un maggiore o

minore numero di C o atomi di N presenti. La stessa analisi si conduce quindi in due modi, più sele iva con

NPD.

SPD

Sele ivo per zolfo e fosforo. La fiamma è sempre alimentata da H2 e aria, stavolta con H2 in eccesso rispe o

alle altre fiamme. L’analita contenente S e P entra in colonna trasportato dal carrier e, una volta in fiamma,

questi si eccitano, rieme ono in chemiluminescenza. È presente un filtro che seleziona le lunghezze d’onda

di emissione di radiazione chemiluminescente emessa, specifico per S e O, a 526 nm per P e 394 nm per S. In

uscita abbiamo un fotomoltiplicatore: questo tipo di rivelatore combina le cara eristiche di eccitazione ed

emissione, rivelatore o ico diverso dai precedenti, in cui si registrava l’analita tramite passaggio di corrente.

ECV

Ha avuto il suo momento di gloria anni fa poiché era estremamente sele ivo, sensibile (scende alla frazione

di picogrammo), specifico per composti capaci di ca urare gli ele roni (contenenti atomi ele rona ra ori

come alogeni, nitro gruppi, per ossidi). Usato molto nell’analisi dei pesticidi proprio per la sua sele ività,

sopra u o per composti contenenti ad esempio Cl, alogeno. Poi è stato accantonato piche o tiene una

sorgente radioa iva di raggi beta (ele roni). I raggi beta incontrano il gas carrier N2, si producono ele roni

secondari che reagiscono on la ostia molecola con gruppo ele rona ra ore: la molecola si carica (-), si ha

passaggio di corrente dovuto a ele roni I e II, dopodiché gli e vengono ca urati dalla molecola. Si ha un

decremento di corrente, proporzionale al numero di atomi presenti negli analiti con cara eristica di ele ron

a ra ori. È specifico e molto sensibile, con intervallo di linearità molto piccolo (4 ordini di grandezza): sì

satura facilmente, va bene per analisi in tracce o campioni diluiti previamente. Qui abbiamo una serie di

molecole contenenti gruppi ele rona ra ori, che diminuisce da alto verso il basso: alcani, alcheni e in genere

idrocarburi sono in generi poco ele rona ra ori, in alto in fa i abbiamo composti contenenti O, I, Cl, F e

nitroderivati, a parità di concentrazione.

Confronto tra TCD, FID, NPD, ECV

Gli ultimi due sono sele ivi per N, P, gruppi ele rona ra ori, il TCD è il meno sele ivo di tu i, mentre il

FID sele ivo solo per composti organici. Andando verso il basso decresce il limite di rivelabilità, cioè sono

molto più sensibili quelli più sele ivi rispe o agli universali. Anche a livello di linearità, il TCD non è

eccezionale, cresce via via per gli altri. Per il TCD serve solo il gas carrier, senza gas ulteriore nel rivelatore,

per il FID almeno 3 gas (carrier, H2, e make-up eventualmente), per NPD gas per fiamma e carrier, mentre

ECV, come il TCD, non ha bisogno di gas nella fiamma, solo del carrier. Sono tu i rivelatori di nicchia,

poiché lo spe rometro di massa è il rivelatore che ba e tu i, il più utilizzato.

Il rivelatore a fotoionizzazione ha sorgente V che ionizza i nostri composti, con basso potenziale di

ionizzazione (aromatici, alche i, con S e P…): le molecole in uscita foto ionizzate provocano il passaggio di

corrente tra due ele rodi che viene registrata.

Il rivelatore a emissione atomica AED sfru a i principi dell’emissione (o ica): abbiamo gas di trasporto He,

composti sperati da gas cromatografia, convogliati in zona in cui si forma plasma a base di He. Qui entrano

le molecole, si atomizzano, assorbono e rieme ono, con segnali in uscita raccolti dal fotomoltiplicatore

(basato su principi ECP).

I limiti di rivelabilità sono medi, poiché a seconda delle tabelle sfru ate i valori sono diversi (sono solo

indicative).

Se a monte si ha un gas cromatografo, come arrivano gli analiti nello spe rometro di massa?

Tramite una transfer Line, un pezze o di colonna capillare (una sua estremità va verso l’inie ore e l’altra

verso il rivelatore). Quindi gli analiti vengono inseriti all’interno di tubicini e arrivano dire i all’interno della

sorgente di ionizzazione, dove avvengono i fenomeni di ionizzazione chimica ed ele ronica.

Il GC si può quindi anche interfacciare con ICP massa, passa nella trasme er Line, tubo più grande della

colonna capillare: imposti tenderebbero ad allargarsi nel tubo, uso quindi un gas ausiliario che li prende e li

spinge verso la torcia ad Argon dell’ICP, avviene poi ionizzazione seguita da spe rometro di massa.

Essendo che la GC si us per composti organici, la GC-ICP massa serve e per composti organometallici

(metallo di varia natura, stagno o arsenico) = l’ICP me e in evidenza la presenza del metallo nel composto

organico.

La GC la usiamo quando il composto evapora facilmente, ma se il composto evapora posso a uare una

derativizzazione, cioè fare reagire un composto con un altro più rea ivo, formare un derivato stabile con

punto di ebollizione più basso (se ciò avviene ok, altrimenti vado di HPLC). Ciò che rende meno volatili i

composti organici sono i gruppi polari come gli OH, COH/R, COOH, tiolici tendono a frenare legami H e sia

bassa il punto di ebollizione. Con un dato relativo posso abbassare il punto di ebollizione bloccando questi

gruppi funzionali. È importante però trovare il rea ivo ada o e sopra u o creare condizioni ripetibili: devo

far reagire un composto con un altro in certe condizioni di T e t, ripetendo l’analisi devo poter o enere

risultati analoghi, con formazione di un unico derivato (poichè sono vari i punti di a acco possibili). Si usa

molto il trimetilclorosilano come rea ivo derativizzante, uno dei componenti in miscela con altro: il Cl

reagisce con H del gruppo polare, si libera HCl e si lega il gruppo SiCH3CH3CH3 = o engo il derivato. Ad O

si lega TMS trimetilsinil formando OSiCH3CH3CH3. Questo è uno dei rea ivi più utilizzati poiché i è visto

essere molto efficace con derativizzazione riproducibile = silanizzazione, ma ne esistono anche altri e

portano ad alchilazione e/o acilazione.

Guardando ad es. il testosterone darebbe in GC un picco basso e largo, si assorbirebbe sulle colonne per la

presenza della funzione OH e CO: derativizzo a monte con trimetilclorosilano, la funzione OH si lega ma

anche il carbonile poiché può dare un equilibrio, formò perciò il doppio derivato. Devo trovare condizioni in

cui il derivato è unico, dove =devo standardizzare in questo caso di modo da avere un unico bis derivato

altrimenti ho un doppio picco nel cromatogramma. Si fanno tante prove fino a che o engo la max

riproducibilità perché non tu i i composti hanno una sola funzione derativizzabile. Il TMS viene usato in

miscela con altri rea ivi derativizzanti, ma nonostante questo, ciò che reagisce è sempre SiCH3CH3CH3.

Sono necessari anche alcuni catalizzatori per far venire un’estensione reazioni. Sono ormai molto collaudate,

si trovano le informazioni necessarie.

Ci sono anche altri tipi di derativizzazione per GC: pesando ai trigliceridi (acidi grassi e glicerina),

volatilizzano quindi hanno bisogno di derativizzazione con potassa alcolica KOH in metanolo. KOH serve

per separare acido grasso e glicerina, mentre il metanolo per formare estere metilico, modo in cui si

analizzano i trigliceridi in GC. Si ha qui confronto analisi acidi grassi con colonna impaccata e capillare, in

cui i picchi sono visibilmente poco risolti. L’analisi è in isoterma (190°-200°) e i composti si separan