GAS-CROMATOGRAFIA Laboratorio di Chimica Organica 2 - Prof. Cristina Cimarelli L27 - CHIMICA - AA 2015-2016.

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1 GAS-CROMATOGRAFIA Laboratorio di Chimica Organica 2 - Prof. Cristina Cimarelli L27 - CHIMICA - AA 2015-2016

2 GAS-CROMATOGRAFIA GAS CROMATOGRAFIA INDUSTRIARICERCA velocità di analisi semplicità operativa CONTROLLO QUALITA’ ANALISI AMBIENTALI bassi costi di esercizio accettabili costi strumentali elevata efficienza separativa ed identificativa bassissima quantità di campione ampia applicabilità

3 CROMATOGRAFIA DI RIPARTIZIONE GC gas di trasporto inerte (carrier) solido (GSC) liquido su supporto inerte(GLC)fase fissa fase mobile INIEZIONE Il campione viene immesso tramite un iniettore nella colonna, e vi giunge già vaporizzato e miscelato alla fase mobile. ELUIZIONE RILEVAMENTO La separazione dei vari componenti avviene a seconda dei loro coefficienti di ripartizione e distribuzione tra le due fasi. La presenza dei vari componenti è indicata da un rivelatore sensibile alle variazioni chimiche e/o fisiche del flusso in uscita, che vengono convertite in segnale elettrico e registrate sotto forma di cromatogramma

4 Numero dei piatti teorici n = 16 (t R /w) 2  larghezza alla base n = 5.54 (t R /w 0.5 ) 2  larghezza a metà altezza HETP = l / n Altezza del piatto teoricoCoefficiente di distribuzione (k) k = Cs/Cm tempo che una sostanza non trattenuta dalla fase fissa impiega per raggiungere il rivelatore Tempo morto (t M ) Tempo di ritenzione (t R ) tempo impiegato dal soluto per raggiungere il rivelatore Tempo di ritenzione corretto (t’ R ) t R - t M = t’ R Risoluzione dei picchi (R w ) R W = 2 (t B - t A )/ [W 0.5A + W 0.5B ] separazione dei picchi RW > 1.5

5 Intensità Tempo tRtR t’ R tMtM tempo morto tempo di ritenzione corretto tempo di ritenzione sostanza non trattenuta dalla fase fissa soluto 0

6 GASCROMATOGRAFO Termostato

7 GAS DI TRASPORTO (CARRIER) INERTEPURO ANIDRO INTRODUZIONE DEL CAMPIONE A CALDO A FREDDO sostanze termolabili split : va in colonna solo una percentuale prefissata del campione. splitless: il campione diluito viene inserito completamente nell’iniettore. Nella colonna a 40-50°C esso condensa, raccogliendo anche sostanze in tracce. La rampa di temperatura parte solo dopo che è stato eluito il solvente. on-column: il campione è iniettato direttamente in colonna a bassa temperatura (40-60°C). Il successivo riscaldamento provoca la vaporizzazione

8 GC IN SPAZIO DI TESTA (HEADSPACE GC-HSGC) COLONNEsilice fusa ricoperta esternamente di poliammide avvolte a spirale (Ø spira > 10 volte Ø interno = flusso lineare) altissima efficienza: 150000 piatti teorici FORNOstretto controllo della temperatura (± 0.5°C) velocità di risposta alla programmata di temperatura bassa massa termica per un veloce raffreddamento T influenzata anche dalla fase stazionaria (solidificazione, vaporizzazione) isoterma, programmata di temperatura FASI STAZIONARIE si scelgono in base alla polarità non scaldare in assenza del carrier selettività in base alla temperatura selettività in base alla polarità

9 GC IN SPAZIO DI TESTA (HEADSPACE GC-HSGC) SPAZIO DI TESTA STATICO DINAMICO TRAPPOLE CRIOGENICHE FASI ADSORBENTI Questa tecnica sfrutta l’equilibrio che si instaura tra i componenti volatili di un campione liquido o solido e la fase gassosa che lo circonda. Il campione è chiuso ermeticamente in una fiala con setto in gomma e mantenuto in un bagno termostatato. Un’aliquota di questo gas viene prelevata da un campionatore automatico ed iniettata per l’analisi. Se si utilizza la tecnica dello spazio di testa dinamico si sottrae costantemente tale atmosfera affinchè il campione continui a cedere i composti volatili. In quest’ultimo caso si possono utilizzare sistemi di intrappolamento sia criogenici che con superfici adsorbenti. Per ottenere una buona separazione l’analisi deve essere condotta utilizzando colonne capillari con film di fase stazionaria di spessore di 3-5  m.

10 RIVELATORI (DETECTORS) RIVELATORI SPECIFICI sensibilitàrumore di fondo tipo di risposta elevata sensibilità (10 -15 -10 -18 g) buona stabilità e riproducibilità di risposta rapidità e proporzionalità di risposta ampio intervallo di linearità di risposta basso rumore di fondo sulla linea di base (< 1%) ampio intervallo di temperature di lavoro (r.t.  400°C) resistenza e facilità di impiego analisi non distruttiva GENERALI non selettivi FID PID TCD ECD FPD AED

11 FID - FLAME IONIZATION DETECTOR

12 FID generale, molto diffuso, distruttivo, resistente e versatilerivela quasi tutte le sostanze organiche (0.1-10 ng)è insensibile ai gas inorganici, che passano inalterati (H 2 S, SO 2, NO, NO 2, NH 3, CO, CO 2, CS 2 ) molto sensibile per i composti ricchi di legami C-H, poco per i composti privi di idrogeno, p.es alogenati

13 NPD - NITROGEN PHOSPHORUS DETECTOR NPD specifico per N e P 500 volte più sensibile del FID per i composti fosforati e 50 per gli azotati 600-800°C Sfrutta una parziale pirolisi attuata tramite bruciatore a fiamma idrogeno/aria. La combustione dell'analita contenente N o P sulla fiamma ad idrogeno produce radicali CN e PO. I radicali acquisiscono elettroni da un catodo posto superiormente alla fiamma stessa e costituito da una sferetta di metallo alcalino (rubidio, cesio). La corrente prodotta viene quindi misurata.

14 TCD - THERMAL CONDUCTIVITY DETECTOR TCD generale, abbastanza diffuso, non distruttivo, resistente e versatile rivela quasi tutte le sostanze organiche, ma è meno sensibile del fid (10-20 ng)

15 ECD - ELECTRON CAPTURE DETECTOR ECD selettivo, molto sensibilerivela i composti alogenati (0.1-10 pg), i composti dicarbonilici e i carbonili coniugati (0.1-10 ng), i nitrati (1-100 pg), nitrogruppi, nitrili, perossidi, chinoni, composti organometallici non rivela idrocarburi, alcoli, eteri e ammine 63 Ni, 3 H

16 GLC - ANALISI QUALITATIVA Indice di ritenzione è legato alla sostanza al tipo di fase stazionaria al tipo di fase mobile Esistono vari metodi di indicizzazione Indice di KovatsViene attribuito un indice di ritenzione arbitrario I agli idrocarburi a catena lineare I = n.ro di atomi di carbonio x 100 P.es. pentano  500 propano  300 etc.. L’indice delle varie sostanze è calcolato rispetto a questa scala espressa in forma logaritmica

17 GLC - ANALISI QUALITATIVA quindi la procedura è: iniezione della miscela standard di idrocarburi questo metodo è utile per detector FID per detector NPD si usa la serie omologa degli esteri etilici degli acidi grassi Se p.es. una sostanza ha t R intermedio tra il pentano e l’esano, il suo indice di Kovats sarà: I = 100. log t R sostanza - log t R pentano log t R esano - log t R pentano I = 100. log t RS - log t R< log t R> - log t R< In generale: iniezione della sostanzacalcolo dell’indice

18 GLC - ANALISI QUANTITATIVA METODI STANDARD INTERNO Viene aggiunta una sostanza di riferimento a concentrazione nota e t R paragonabile ma non sovrapponibile a quello delle sostanza in esame. L’analisi quantitativa viene fatta per confronto dell’integrale delle aree del cromatogramma. STANDARD ESTERNO Funziona in modo analogo, ma lo standard viene eluito indipendentemente e non aggiunto ai campioni. Adatto a campionatori automatici.

19 GLC - DERIVATIZZAZIONE derivati Applicata per composti fortemente polari o con alto peso molecolare, che non sono analizzabili direttamente meno polari ritardo o anticipo del t R più volatili inserimento di N o P per detector specifici (CF 3 ) migliore interazione con la colonna (acidi  esteri)

20 GC-MS: CG-SPETTROMETRIA DI MASSA GAS CROMATOGRAFO SPETTROMETRO DI MASSA separazioneidentificazione INTERFACCIAINTERFACCIA PRESSIONEVUOTO TIC - Total Ion Current monitoraggio della corrente ionica totale: si sommano le correnti ioniche del flusso cromatografico al momento della rilevazione del picco. Ogni picco ha il suo spettro di massa SIM - Selective Ion Mode rilevamento ionico selettivo: vengono rivelati solo ioni con valore predefinito del rapporto m/z

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22 In un rivelatore a cattura di elettroni, sigla ECD dall'inglese Electron Capture Detector, un radioisotopo, in genere 63 Ni depositato su una lamina di oro è la sorgente che emette raggi β, ovvero elettroni veloci. Questi elettroni ionizzano il gas di trasporto, producendo elettroni lenti e ioni positivi che danno un determinato valore di corrente. Nel caso in cui il gas di trasporto sia l'azoto la reazione di ionizzazione è N 2 + particella β → N 2 + + elettroni lenti. Di fatto la lamina radioattiva costituisce il catodo di un circuito elettrico: quando vengono generati gli ioni questi vanno a chiudere il circuito producendo un segnale elettrico in termini di differenza di potenziale o in intensità di corrente. Composti contenenti atomi elettronegativi, fortemente assorbenti il flusso di elettroni lenti tra la sorgente ed un rivelatore di elettroni, possono essere rilevati via via che effluiscono dalla colonna gascromatografica. Infatti queste molecole catturano gli elettroni lenti che si generano dalla ionizzazione del gas di trasporto e quindi vanno a ridurre la corrente di fondo che normalmente si genera essendo queste ultime di minore mobilità. I picchi di conseguenza sono diretti verso il basso perché comportano una diminuzione della corrente e questa diminuzione sarà proporzionale alla quantità di ioni prodotti e quindi alla concentrazione della sostanza presente nel campione. In genere queste molecole sarebbero scarsamente visibili con altri rivelatori: ad esempio molti composti alogenati oltre a non bruciare sono addirittura estinguenti la fiamma, e porrebbero dei problemi ad un FID. Il difetto più consistente sta nel fatto che la capacità delle molecole di catturare elettroni lenti dipende dall'energia dei medesimi, e dunque dal potenziale applicato; la sensibilità e la selettività dipendono dunque da quest'ultimo parametro.