GC: Gascromatografia Forno

GC: Gascromatografia

Forno

R. Cozzi, P. Protti, T. Ruaro, “Analisi Chimica Strumentale”,

2

Agilent

7820A GC System

GC: Gascromatografia

GC: Gascromatografia

4

Sistema di

alimentazione del gas

vettore

Controllo del flusso

del gas vettore

6

Colonna impaccata per GC:

1-6 m x 0.75-4 mm ID

8

Siringa per iniezione Iniettore per colonne

impaccate

Setto di gomma

Liner

10

Iniettore per colonne capillari (split-splitless)

di gomma

12

http://www.slideshare.net/d avidefacciabene/introduzio ne-alla-gascromatografia

Iniezione on-column

L'iniezione avviene direttamente in colonna senza preventiva

vaporizzazione.

È un sistema di iniezione detto «a freddo», che

permette di prevenire il

evaporazione del

solvente nell’ago

della siringa.

14

Analisi dello spazio di testa

Legge di Raoult: p = x · p

PURGE AND TRAP

È una tecnica molto

usata per estrarre e

concentrare i composti

organici volatili (VOC).

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Pyrolysis implies flash exposure of a material to heat in the absence of oxygen (600-1000 °C).

Applicazioni: plastiche e polimeri non volatili.

Il cromatogramma dei frammenti ottenuti è detto pirogramma e rappresenta un’impronta digitale chimica della sostanza analizzata.

Analisi di campioni solidi

Pirolisi/GC

Crogiolo di ceramica

Atmosfera inerte Fornace

L’iniezione in GC non è molto riproducibile, a meno di attrezzare lo strumento con un autocampionatore ed iniettore automatico……

… o una valvola rotante di campionamento.

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Colonna capillare per GC:

15-100 m x 0.1-0.75 mm ID Colonna impaccata per GC:

1-6 m x 0.75-4 mm ID

GC

Gascromatografia

Principali fasi stazionarie per GSC

Gel di silice:

• polare, con polarità dipendente dal grado di idratazione

• buona riproducibilità

• analisi di gas, idrocarburi leggeri, miscele etilene/etano/CO₂

• nomi commerciali: Spherosil, Porasil, Chromosil Carbone attivo:

• poco polare, con polarità variabile con la temperatura (fino a 150 °C)

• separa in base alla temperatura di ebollizione

Setacci molecolari:

Si tratta di microparticelle porose che separano in base alle dimensioni e possono essere:

• microparticelle sferiche di carbone (nomi commerciali: Carbosieve o Carbosphere)

• carbone grafitizzato (Carbopack) che separa in base alla geometria molecolare;

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Supporti per fasi stazionarie per GLC

Supporti

Nelle colonne impaccate e nelle SCOT, la fase stazionaria liquida viene ancorata ad un supporto solido inerte, che deve avere i seguenti requisiti:

❖ inerzia chimica;

❖ resistenza meccanica e termica;

❖ buon grado di “bagnabilità” da parte del liquido di ripartizione, che deve depositarsi come film sottile in modo molto uniforme;

❖ bassa resistenza al flusso del gas;

❖ disponibilità sotto forma di particelle il più

possibile sferiche.

Supporti

• Terra di diatomee (farina fossile): è silice amorfa di origine fossile, molto porosa. Nomi commerciali: Chromosorb, Gaschrom,

Fluoropack. I gruppi ossidrilici liberi in superficie (silanoli) possono essere eliminati tramite silanizzazione (sililazione).

• Teflon: è usato come polvere con diverse granulometrie (Chromosorb T) per separare sostanze molto polari o molto reattive. Area superficiale modesta.

Supporti per fasi stazionarie per GLC

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IMPACCAMENTO

Caratteristiche dei materiali granulari

Le caratteristiche geometriche del materiale granulare che si usa come fase stazionaria solida o come supporto per la fase stazionaria liquida sono le seguenti:

➢ granulometria:

➢ distribuzione granulometrica;

➢ volume e diametro dei pori;

➢ area superficiale.

La granulometria si misura spesso in “mesh” (maglie per

pollice lineare); quella più usata per colonne impaccate con ID di 3 mm è di 80-100 mesh (diametro delle particelle: 0.15 – 0.18 mm).

Fasi stazionarie per GLC

Liquidi di ripartizione

Proprietà:

• bassa tensione di vapore nelle condizioni di lavoro (0.01-0.1 mmHg), per minimizzare la perdita di liquido durante le analisi (bleeding), allungando la vita della colonna ed evitando interferenze nella risposta del rivelatore;

• elevata stabilità termica, per non decomporsi o modificarsi alle temperature di esercizio;

• elevata inerzia chimica verso i componenti della miscela, verso il supporto e anche verso il materiale di cui è costituita la colonna;

• buon effetto solvente sulla miscela, sia pure con una affinità diversa per ciascun componente, per

favorirne la separazione;

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Fasi stazionarie legate

Per limitare il fenomeno del bleeding quando la temperatura aumenta, la fase stazionaria può essere legata chimicamente al supporto.

Deriva della linea di base causata dallo spurgo della fase stazionaria quando la temperatura della

colonna aumenta (bleeding).

Fasi stazionarie per GLC

Principali fasi stazionarie liquide per GLC

I liquidi di ripartizione possono essere classificati in base:

• alla loro natura chimica: idrocarburi, esteri e poliesteri, polieteri, ammidi e nitrili, poliglicoli, siliconi, fasi miste, fase chirali.

• alla loro polarità secondo gli indici di Kovats, Rohrshneider e Mc Reynolds.

1. Prima classe: apolari (idrocarburi o siliconi con sostituenti non polari).

2. Seconda classe: a bassa polarità (esteri di alcoli di grande massa molare o derivati siliconici (polisilossani) con sostituenti polari).

3. Terza classe: polari (poliglicoli, polialcoli e i loro esteri).

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Analisi di un campione di benzina verde

Per analisi di idrocarburi useremo:

colonna capillare in silice fusa con fase stazionaria a bassa polarità HP-5 ((5%-fenil)-metil-polisilossano), spessore film: 0.25 µm, diametro interno 0.32 mm, lunghezza colonna 30 m, range temperatura: 25-325 °C.

Sono costituite da copolimeri reticolari porosi a base di etilvinilbenzene e dilvinilbenzene. Non hanno gruppi ossidrilici liberi e quindi consentono di minimizzare i fenomeni di tailing.

La superficie delle particelle si comporta come se fosse sia un solido, che dà fenomeni di adsorbimento, sia un liquido, che dà fenomeni di ripartizione.

• Chromosorb serie 100 sono resine poliaromatiche copolimerizzate con molecole diverse, in modo da avere diversa porosità e polarità.

• Tenax GC, introdotti recentemente, sono polimeri a base di ossido di 2,6-difenil-p-fenilene. Possono

essere usati fino a 375 °C e sono meno polari di Porapak e Chromosorb serie 100, per cui consentono di

• Porapak: ha le proprietà di ripartizione tipiche delle superfici liquide di grande estensione, ma non richiede la disattivazione del supporto e non dà problemi di volatilità o viscosità eccessiva. Il tipo Q è il più usato per colonne

tradizionali di circa 2 m con diametro esterno (OD) di 3 mm.

Fasi stazionarie ad azione mista per GLC

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Per analisi della grappa:

colonna Restek in acciaio (183 cm x 2 mm ID, 1/8’ OD)

impaccata con un polimero poroso (HAYESEP C, 80-100 mesh,

temp. max: 250 °C).

Effetto della temperatura sulla ritenzione:

log 𝑘

= 𝑎

𝑇 + 𝑏

Effetto della temperatura sull’efficienza:

30 30 Effetto della temperatura sulla separazione

in isoterma di una miscela di idrocarburi alifatici lineari (da pentano a ottano, picchi

1-6), bromoformio (7), meta-clorotoluene (8) e meta-bromotoluene (9).

Effetto della temperatura sulla separazione in temperatura programmata di una miscela di idrocarburi alifatici lineari (da pentano a ottano, picchi 1-6), bromoformio

(7), meta-clorotoluene (8) e meta- bromotoluene (9).

Il rivelatore è quel dispositivo che, posto

all’uscita della colonna rileva una variazione di composizione della fase mobile (dovuta alla presenza degli analiti) e produce un segnale elettrico che viene raccolto e posto in grafico

(cromatogramma) dal registratore, integratore o computer.

I rivelatori universali sono dispositivi che consentono di individuare tutti i componenti di una miscela.

I rivelatori selettivi, invece, consentono di individuare solo particolari categorie di

composti.

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 in corrispondenza di una banda di eluizione.

GC: rivelatori

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Rivelatore a termoconducibilità (detto anche catarometro o rivelatore

a filo caldo, HWD o TCD)

Caratteristiche dell’HWD:

Universale e non distruttivo.

Volume della cella: 100-200 ul.

Tempi di risposta relativamente lunghi.

La sensibilità dipende dalla d.d.p.

applicata, dalla differenza di

temperatura tra cella e filamento, dal flusso e anche dalla differenza di conducibilità termica tra carrier e campione.

LOD circa 1 ppm e intervallo di linearità 10⁴ – 10⁶.

Va tarato ad ogni cambio di condizioni

Conducibilità termica di gas e

vapori a 100 °C (W·K

m

)

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Standard MeOH 1% in EtOH aria

acqua

MeOH

EtOH

Campione di grappa aria

acqua

MeOH

EtOH

Esempio di applicazione del rivelatore HWD

Determinazione del metanolo in un distillato

Rivelatore a ionizzazione di fiamma (FID)

Caratteristiche del FID:

Quasi universale e distruttivo.

Tempi di risposta rapidi.

Tra ugello (catodo, negativo) e collettore (anodo, positivo) viene applicata una ddp di circa 300 V.

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Rivelatore a ionizzazione di fiamma (FID)

Composti verso i quali il FID ha sensibilità bassa o nulla

Esempio di applicazione del rivelatore FID

Analisi di gasolio per autotrazione

Column: Zebron™ ZB-1, GC Capillary Column. Dimensions:30 meters x 0.25 mm x 0.25 µm The GC-FID

chromatogram for diesel fuel in a low level test run. (OI: original

influent; BE: effluent from biofilter; TE:

effluent from trickling filter.)

Lei Yang, Ching-Ting Lai, Wen K. Shieh, “Biodegradation of dispersed diesel fuel under high salinity conditions”, Water Research, 34 (2000) 3303–

3314.

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Esempio: alcoli e derivati nel sangue per GC

Condizioni sperimentali

Impaccamento: 60/80 Carbopack B/5% Carbowax^® PEG 20M

Colonna: 6m x 2mm ID vetro Temperatura: 85°C

Gas vettore: elio, 20mL/min

Rivelatore : FID (Ionizzazione di Fiamma)

Iniezione: 1µL di soluzione acquosa

L’ordine di eluizione segue

grosso modo l’andamento delle

temperature di ebollizione.

GC: Gascromatografia

Gas Chromatography (IQOG-CSIC)

https://www.youtube.com/watch?v=iX25exzwKhI

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Rivelatore a fiamma alcalina (AFID)

Rivelatore azoto-fosforo (NPD)

Rivelatore termoionico a fiamma (FTD)

I sali più usati sono CsBr che lo rende più selettivo per il fosforo e RbCl che lo rende più selettivo per l’azoto.

• Selettivo

• LOD: 10^-9 g per l’azoto e 10^-12 g per il fosforo.

Direct determination of methoxyurea herbicide residues in potato samples by GC with nitrogen–phosphorus detection

methoxyurea

M.L. Escuderos-Morenas, M.J. Santos-Delgado, S. Rubio-Barroso, L.M. Polo-Dı ́ez, 42 J. Chromatogr. A, 1011 (2003) 143–153.

Chromatogram of the mixture of herbicides by GC–NPD

Column HP-5 (30 m×0.53 mm×2.65 μm); flow-rate, 28.3 ml min⁻¹; injection volume, 1 μl; [Herbicides], 1.5 μg ml⁻¹; [I.S.Methylparathion], 2 μg ml⁻¹. Temperature program: T_injector: 220 °C, T_detector: 300 °C; Toven initial: 110 °C (2 min.) Gradient: 5 °C/min–140 °C (2 min); 5 °C/min–210 °C (2 min); 7 °C/min–250 °C (2 min).

Detection limits of the method were 7.0–30 ng g⁻¹ for powdered potato and 6.0–50 ng g⁻¹ for fresh potato.

Direct determination of methoxyurea herbicide residues in potato samples by GC with nitrogen–phosphorus detection

fluometuron monolinuron monuron linuron chlorbromuron Methylparathion

(standard interno)

The herbicides containing the

methoxy radical, i.e. monolinuron, linuron and chlorbromuron, are the most stable.

Rivelatore fotometrico a fiamma (FPD)

È sensibile ai composti a base di zolfo e fosforo.

Misura l’emissione delle specie eccitate S₂* e HPO*, rispettivamente a 394 e 526 nm.

La risposta è lineare per il fosforo mentre la risposta per lo zolfo dipende dal quadrato della concentrazione.

Applicazioni: pesticidi a base di zolfo o fosforo.

Effluente dalla

Idrogeno Aria Aria Finestra

Lenti Filtro

Fotomoltiplicatore

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Analysis of Grape Fruit Oil

Multiple Detectors (detector splitting system) - FID, FTD, and FPD -

http://www.shimadzu.com/an/gc/advflowtech/dsplit3.html

azoto fosforo

zolfo

fosforo

PHOTOIONIZATION DETECTOR (PID)

Mechanism: Compounds eluting into a cell are bombarded with high energy photons emitted from a lamp. Compounds with ionization potentials below the photon energy are

ionized. The resulting ions are attracted to an electrode, measured, and a signal is generated.

Selectivity: Depends on lamp energy. Usually used for aromatics, olefins and, in general, for volatile organic compounds (VOCs).

Sensitivity: 25-50 pg (aromatics); 50-200 pg (olefins).

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A hand-held volatile organic compound (VOC) detector.

Its photoionization detector’s (PID) extended range of 0 to 15,000 ppm makes it an ideal instrument for applications from industrial hygiene, to leak and HazMat detection.

PHOTOIONIZATION DETECTOR (PID)

Headspace Gas Chromatograph/PID for Onsite Screening of Soil and Water at Hazardous Waste Sites

PHOTOIONIZATION DETECTOR (PID)

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Rivelatore a cattura di elettroni (ECD)

Sorgenti radioattive:

➢Lamina d’acciaio rivestita di triziuro di titanio, TiT₄, che emette radiazioni b con energia media di 18 keV (T_max= 220 °C);

➢Lamina d’oro rivestita di ⁶³Ni che emette radiazioni b con energia media di 67 keV (T_max = 350 °C).

• Selettivo, specialmente verso i composti alogenati;

• Il potenziale applicato agli elettrodi può essere costante, pulsato a frequenza costante o variabile.

Flusso ideale: 60-80 ml/min.

• Il carrier ideale è argon+metano (5-10%), introdotto come gas di make-up all’uscita della colonna.

• L’intervallo di linearità non supera le 10³-10⁴ unità.

Rivelatore a cattura di elettroni (ECD)

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Analysis of Pesticides Using a Detector Switching System

http://www.shimadzu.com/an/gc/advflowtech/dswitch2.html

α-esaclorocicloesano (α-BHC)

Tetrachlorvinphos (TCVP)

Ethoprophos (PDS)

Isofenphos Electron

Capture Detector

Flame

Photometric Detector

Accoppiamento GC-spettrometro

di massa (GC-MS)

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Accoppiamento GC-spettrometro

di massa (GC-MS)

Spettro di massa dell’esaclorobenzene

(PM = 285)

Cl Cl

Cl Cl

Cl

Spettro di massa Cl

dell’1-cloro-2- clorometil-benzene

(PM = 161) Cl

CH₂Cl

Esempio: analisi del caffè per GC

Condizioni sperimentali