Chimica analitica e inorganica - cromatografia

PROGRAMMAZIONE DI TEMPERATURA (PTV)

Nel momento in cui si rende necessario separare tramite

cromatografia, una miscela di componenti con punti di

ebollizione molto differenti o polarità assai diverse, è

buona cosa variare la temperatura della colonna nel mentre

della corsa cromatografica .

In maniera molto ovvia, maggiore è la temperatura e una

più elevata porzione di soluto passa alla fase gassosa, con il

risultato che diminuisce il tempo di ritenzione .

Il tipico profilo termico di u programmazione di

temperatura prevede 5 passaggi : una isoterma iniziale (1);

incremento di temperatura, °C/min (2) ; una isoterma

finale (3); raffreddamento (4) ; condizionamento (5) .

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INIEZIONE ED INIETTORI

Solitamente il campione (liquido o gassoso) è inserito nella colonna

gascromatografica, per mezzo di una microsiringa che attraversa un setto

μl

di gomma al silicone . Si iniettano circa 500 per colonne impaccate, e

μl

intorno ai 5 nelle colonne capillari .

In testa alla colonna si trova la camera a rapida vaporizzazione, mantenuta

ad una temperatura tale da permettere l’evaporazione istantanea del

campione (solitamente essa si trova a +50 °C rispetto alla temperatura del

forno), ed avente un volume abbastanza grande per ospitare il vapore e

permettere ad esso di espandersi senza essere spinto indietro .

Visto il ridotto volume ospitabile dalle colonne capillari, si ricorre a splitter

(iniettori split/splitless) che suddividono il campione iniettato in

piccole frazione, di cui una viene inviata in testa alla colonna, mentre le

altre ad uno scarico .

Inoltre, se i componenti della miscela hanno un ristretto intervallo di punti di ebollizione o

di polarità, si può operare con il sistema di iniezione diretta . Se invece i componenti della

miscela, solvente compreso, sono eterogenei per composizione e caratteristiche, le

differenti velocità di diffusione in colonna e la tendenza a condensare sulle pareti per le

diverse volatilità, determinano una composizione della miscela che entra in testa alla

colonna diversa da quella iniettata . Se ne deduce che si perdono facilmente i componenti

meno volatili .

INIETTORI PER CAPILLARI A TECNICA SPLIT

Questa tipologia di iniettori è particolarmente indicata per

componenti con punti di ebollizione molto simili .

Con gli iniettori a tecnica split è possibile introdurre ridotti

volumi in testa alle colonne capillari, e ciò diviene possibile

grazie ad un espediente intelligente : si lascia evaporare il

campione e lo si miscela al gas carrier, e dopo si elimina il gas

in eccesso, prima di indirizzare il flusso verso la testa della

colonna . In maniera molto semplice quindi, invece che

dividere volumi molto piccoli di liquido (con grande

possibilità di errore e difficoltà realizzativa) si dividono

volumi grandi di gas .

Gli iniettori a tecnica split sono indicati per colonne capillari

di tipo SCOT e WCOT, specie se queste ultime sono di piccolo

diametro .

Il sistema è utilizzabile per miscele di composti con punti di

ebollizione non troppo diversi, perché in caso contrario

si avrebbe una vaporizzazione non omogenea e il

bloccaggio della frazione altobollente nella camera di

vaporizzazione .

Il sistema difetta per la riproducibilità che viene migliorata

adottando setti in vetro che riducono anche drasticamente la

discriminazione dei composti altobollenti .

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INIETTORI PER CAPILLARI A TECNICA SPLITLESS

Questa tipologia di iniettori per colonne capillari si distingue per le seguenti

caratteristiche:

1. La miscela è contenuta in un solvente con un punto di ebollizione di 20-25 °C più

basso di quello del componente più volatile .

2. La testa della colonna è mantenuta ad una temperatura inferiore a quella di

ebollizione del solvente, che così condensa subito ed intrappola le sostanze nella

miscela .

Negli iniettori splitless il gas carrier può scorrere sotto il setto (al fine di mantenerlo

pulito), attraverso la valvola di split, e dentro la colonna .

Appena prima dell’iniezione lo spurgo viene chiuso e il flusso del carrier è diretto solo

verso la colonna . Fino a che lo split rimane chiuso si ha ingresso in colonna

prevalentemente della miscela con solo una porzione del solvente che, essendo il più

facilmente volatilizzabile, tende a disperdersi in tutto lo spazio disponibile, e condensare in

testa alla colonna concentrandovi la miscela . Al termine dell’iniezione lo splitter viene

riaperto e il solvente viene in buona parte eliminato .

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RIVELATORI PER GC

In maniera molto generale, un rivelatore è un dispositivo in grado di generare un segnale

elettrico (espresso quindi in mV o mA) la cui ampiezza sia funzione della concentrazione (o

della massa), qualora sia presente una sostanza all’interno di una soluzione .

Ovviamente un rivelatore posto subito dopo l’apparato cromatografico ha il semplice scopo

di generare un segnale, che risulterà come un picco sul cromatogramma, per ogni porzione

di eluato analizzata .

Ogni rivelatore ha un caratteristico rumore di fondo, visualizzabile (nel caso della

gascromatografia) quando nel gas carrier non sia presente alcun’altra sostanza .

Ogni detector ha un limite di rivelabilità, che sarebbe la concentrazione di sostanza in

grado di fornire un segnale uguale ad almeno il doppio del rumore di fondo .

Per giudicare la bontà di un rivelatore vanno valutati i seguenti parametri :

1. Sensibilità : capacità di rivelare tutte o in parte le sostanze separate

2. Selettività :

a. Universali, in grado di individuare tutti i componenti in una miscela

b. Selettivi, in grado di rivelare solo alcune categorie di composti

3. Risposta lineare : intervallo di concentrazione in cui la risposta è costante

4. Stabilità tale da contenere una deriva del segnale

5. Risposta uniforme per i diversi analiti (o comunque prevedibile e più o meno

selettiva)

6. Tempo di risposta accettabile

7. Limite di rivelabilità come minino segnale distinguibile dal rumore

8. Rumore di fondo minimo al passare del solo carrier

Un grosso vantaggio della gascromatografia è per essa sono disponibili un numero davvero

alto di rivelatori, di cui alcuni specifici (AED, NPD, ASD) ed altri di uso generale (FID e

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TCD) . Interessante è anche che alcuni rivelatori sono distruttivi mentre altri no, e ciò

permette, nel caso non siano distruttivi, di disporli in serie (ad es. TCD e MS) .

In buona sostanza i rivelatori oggi disponibili per la gascromatografia sono quelli in

tabella. TCD a conducibilità termica FID a ionizzazione di fiamma

ECD a cattura di elettroni ELCD a conducibilità elettrolitica

ASD amperometrico per lo zolfo NPD (o TID) termoionico

FPD fotometrico a fiamma PID a fotoionizzazione

AED ad emissione atomica a chemiluminescenza

MS spettrometria di massa

RIVELATORE A CONDUCIBILITA’ TERMICA (TCD)

Il rivelatore a conducibilità termica, TCD o anche HWD (hot wire detector), è stato uno dei

primi rivelatori ad essere utilizzati nella gascromatografia . Esso si basa sulla differente

conducibilità termica di un gas puro, rispetto allo stesso gas frammisto alle molecole di

analita . Tutte le sostanze provocano una variazione di conducibilità termica del carrier,

per cui il TCD non è selettivo e neppure

distruttivo . ) e di

Le conducibilità termiche di idrogeno (H 2

elio (He) sono all’incirca da sei a dieci volte

maggiori di quelle della maggior parte dei

composti organici . Pertanto la presenza di

quantità di specie organiche anche piccole, causa

una diminuzione relativamente grande nella

conducibilità termica dell’effluente dalla colonna .

Ne consegue che il rivelatore va incontro ad un

sensibile aumento della temperatura .

Poiché le conducibilità termiche di altri gas sono

più prossime a quelle dei composti organici, un

rivelatore a conducibilità termica richiede espressamente l’impiego di idrogeno oppure di

elio .

L’elemento sensore del TCD è una resistenza elettrica attraversata da una potenza

costante, quindi riscaldata elettricamente, la cui temperatura dipende dalla conducibilità

termica del gas che la circonda (infatti la resistenza sarà raffreddata dal gas, quanto più sia

alta la conducibilità termica dello stesso) .

Nelle applicazioni cromatografiche si impiega

generalmente un doppio sistema di rivelazione, in cui

un elemento è situato nel flusso di gas prima della

camera di iniezione del campione (quindi gas puro) e

l’altro immediatamente dopo la colonna . Quindi

quando le resistenze sono lambite da gas con

conducibilità termiche differenti (l’uno puro, l’altro

contenente l’analita), sono raffreddata in maniera

diversa, e la diversa temperatura delle medesime genera uno sbilanciamento elettrico .

Per valutare l’entità di tale sbilanciamento elettrico, le due resistenze sono generalmente

confrontate incorporandoli in due rami di un semplice circuito a ponte di Wheatstone .

La sensibilità del rivelatore TCD è una delle peggiori, infatti il limite di rivelabilità è di

a 10 .

1 ppm, e l’intervallo di linearità va da 10 4 6

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RIVELATORE A

IONIZZAZIONE DI FIAMMA

(FID)

Il rivelatore a ionizzazione di fiamma (FID) è

probabilmente il più diffuso ed utilizzato nella

pratica gascromatografica . Esso è un rivelatore

universale (è in grado cioè di individuare tutti i

componenti della miscela), che presenta tuttavia

lo svantaggio di essere distruttivo .

Tramite l’uso di un bruciatore, l’effluente

proveniente dalla colonna viene miscelato con

idrogeno e aria, e quindi bruciato per via elettrica

. La maggior parte dei composti organici quando

viene pirolizzata alla temperatura di una fiamma

idrogeno/aria, produce ioni ed elettroni che

conducono l’elettricità attraverso la fiamma, e

che quindi aumentano la conducibilità elettrica

della fiamma stessa .

Viene applicato tra l’ugello del bruciatore e un

elettrodo collettore sistemato sopra la fiamma,

un potenziale di circa 300 V , che è sufficiente a

ionizzare la maggior parte delle sostanze, tranne

quelle in forma già ossidata .

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Tra gli elettrodi si manifesta un passaggio di corrente elettrica, la cui intensità risulta

proporzionale alla quantità delle sostanze bruciate. Tale corrente viene amplificata e

trasformata in segnale di tensione di alcuni mV .

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