9.2.1 La pratica della gascromatografia
Le comuni apparecchiature gascromatografiche sono costituite da un sistema di gas di trasporto, iniettore, colonna gascromatografica, rivelatore e elaborazione dati unità. Il gas di trasporto è generalmente un gas permanente con capacità di adsorbimento bassa o trascurabile, cioè idrogeno, elio o azoto. La natura del gas di trasporto può influenzare le caratteristiche di separazione del sistema GC e può modificare la sensibilità del rilevamento. Poiché la stabilità e la riproducibilità della portata del gas di trasporto è un prerequisito per unanalisi gascromatografica di successo, influenzano notevolmente sia lefficacia della separazione che la quantificazione dei risultati. Gli iniettori erogano il campione alla testa della colonna GC. Gli iniettori possono essere classificati in due gruppi principali: vaporizzazione e iniettori su colonna. Gli iniettori di vaporizzazione utilizzano temperature elevate (100–300oC) per vaporizzare rapidamente un campione liquido. Di solito viene utilizzata una siringa per introdurre il campione nelliniettore termostatato. In questo caso il campione vaporizza rapidamente, si miscela con il gas di trasporto e viene trasportato nella colonna. Gli iniettori in colonna depositano il campione direttamente nella colonna senza fare affidamento sulla vaporizzazione del campione e sul suo successivo trasporto nella colonna. La separazione dei composti volatili del campione iniettato viene eseguita nella colonna GC.
Le colonne per gascromatografia possono essere suddivise in due gruppi distinti; colonne impaccate e capillari di varie dimensioni (Spangler, 2001). Una colonna impaccata è una colonna di metallo o vetro rigida riempita di piccole particelle che sono spesso rivestite con uno strato sottile di un polimero ad alto peso molecolare. I supporti solidi più comuni sono le farina fossile, i fluorocarburi, il nerofumo grafitato e le perle di vetro. Circa il 90% di tutti i supporti sono vari tipi di farina fossile. La fase liquida stazionaria delle colonne GC deve soddisfare i seguenti requisiti: bassa tensione di vapore, elevata stabilità chimica e viscosità relativamente bassa alla temperatura di analisi; selettività per i componenti del campione in esame; buona capacità bagnante sia per la superficie del supporto inerte che per leventuale parete inerte del pilastro. La lunghezza di una colonna impaccata è limitata a circa 3 m a causa delle alte pressioni richieste per mantenere le velocità di flusso del gas di trasporto alle velocità necessarie per prestazioni ottimali. Le colonne impaccate presentano diversi vantaggi rispetto alle colonne capillari. Le colonne impaccate hanno una capacità di campionamento da 10 a 1.000 volte maggiore rispetto alle colonne capillari. Ciò rende le colonne impaccate superiori per gli analiti in cui è necessario analizzare grandi quantità di campione. Tuttavia, le colonne impaccate hanno il 25-50% in meno di piastre teoriche per metro rispetto alle colonne capillari. Accoppiato con le lunghezze più corte delle colonne impaccate (1-3 m contro 10-60 m per le colonne capillari), il numero totale di piatti teorici è sostanzialmente inferiore a quello delle colonne capillari.
Un capillare (chiamato anche aperto tubolare) è un tubo di vetro o silice fusa di diametro interno molto piccolo (generalmente compreso tra 0,20 e 0,53 mm). La superficie interna di una colonna capillare è rivestita con un sottile strato di fase stazionaria, quindi è ancora possibile che le molecole di soluto vengano a contatto con le pareti interne del tubo. La maggior parte delle fasi stazionarie della colonna capillare sono reticolate e legate in modo covalente alla superficie di silice fusa. La quantità di fase stazionaria in una colonna capillare è indicata dallo spessore del film, che è tipicamente 0,1-5 μm. La ritenzione del composto è proporzionale allo spessore del film nelle colonne capillari, la ritenzione aumenta allaumentare dello spessore del film e diminuisce al diminuire dello spessore del film. Il vantaggio delle colonne capillari è la loro capacità di separazione molto elevata. Ciò consente la risoluzione di picchi in campioni complessi che non sono adeguatamente separati da colonne impaccate. A causa delle migliori prestazioni di separazione, le colonne capillari sono state utilizzate più spesso nella gascromatografia rispetto alle colonne impaccate. Lefficacia delle analisi GC può essere notevolmente migliorata utilizzando una tecnica di commutazione della colonna (Samuel e Davis, 2002).
Per ottenere una separazione efficace e affidabile, la colonna gascromatografica deve essere termostatata a temperatura costante (modalità di separazione isotermica) oppure può essere modificato secondo un programma di temperatura predeterminato (gradiente di temperatura). Lapplicazione di un gradiente di temperatura aumenta notevolmente lefficacia della separazione (Davis et al., 2000). Poiché la temperatura della colonna è uno dei parametri più decisivi nellanalisi GC, la sua esatta regolazione è di fondamentale importanza. I rilevatori interagiscono con le molecole di soluto quando escono dalla colonna. Questa interazione viene convertita in un segnale elettrico che viene inviato a un dispositivo di registrazione o archiviazione dati. Viene quindi creato un cromatogramma che è un grafico dellintensità del segnale rispetto al tempo trascorso.Le caratteristiche principali dei rivelatori sono la quantità più bassa di un composto che è rilevabile (sensibilità) e quale composto alla stessa quantità produce la risposta più forte del rivelatore (selettività).
Molti rivelatori diversi (ionizzazione di fiamma = FID , azoto-fosforo = NPD, fotometria a fiamma = FPD, cattura di elettroni = ECD, conducibilità termica = TCD, emissione atomica = DAE, conducibilità elettrolitica = ELCD, chemiluminescenza, ecc.) sono stati sviluppati per la rilevazione e quantificazione sensibile e selettiva del campione componenti. FID utilizza un flusso di idrogeno miscelato con il gas di trasporto. La miscela viene accesa, gli analiti vengono bruciati e gli ioni formati durante il processo di combustione vengono raccolti in un elettrodo cilindrico ad alta tensione applicato tra il getto della fiamma e lelettrodo. La corrente risultante viene amplificata e rilevata. NPD è simile a FID nel suo design. Contiene sfere di rubidio o cesio allinterno di una serpentina di riscaldamento vicino al getto di idrogeno. Le molecole di azoto e fosforo parzialmente combustibili si adsorbono sulla superficie del cordone riducendo lemissione di elettroni che aumenta la corrente. FPD rileva in modo speciale i composti di zolfo e fosforo. Gli analiti vengono bruciati nella fiamma. A causa delleccitazione della fiamma, la luce viene emessa a 392 (zolfo) e 526 (fosforo) nm. Un filtro seleziona le lunghezze donda che raggiungono un tubo fotomoltiplicatore.
ECD impiega una sorgente di raggi β a bassa energia per la produzione di elettroni e ioni. Le molecole di cattura degli elettroni (composti alogenati) che entrano nel rivelatore riducono la corrente di elettroni che può essere amplificata e registrata. Il TCD risponde ai cambiamenti nella conduttività termica e nel calore specifico utilizzando un filamento sotto corrente posto nel flusso del gas di trasporto. I cambiamenti nella conduttività termica e / o nel calore specifico del gas corrente causati dagli analiti modificano il potenziale attraverso il filamento. LAED è adatto per il rilevamento di atomi selezionati o gruppi di atomi, ELCD può essere utilizzato specialmente per il rilevamento di analiti contenenti Cl, N o S. Un rivelatore a chemiluminescenza viene utilizzato principalmente per la rivelazione di composti di zolfo. Negli ultimi decenni i metodi GC combinati con vari sistemi di rilevamento spettrometrico di massa (MS) hanno trovato unapplicazione crescente nelle analisi GC.
Il rilevamento MS si basa sul fenomeno che gli ioni o le molecole possono essere ionizzati in un alto vuoto producendo specie caricate aggiuntive. Queste specie possono essere separate e la loro abbondanza relativa (il loro spettro di massa) è caratteristica dellanalita originale. Uno spettrometro di massa deve generare specie ioniche, quindi separarle e rilevarle. La generazione di ioni può essere ottenuta mediante tecniche di impatto elettronico (EI) e ionizzazione chimica (CI). Nel metodo EI la frammentazione e la carica degli analiti viene eseguita producendo collisioni tra loro e gli elettroni generati da un filamento caldo.
La tecnica CI impiega un gas reagente come lammoniaca o il metano ionizzato da un fascio di elettroni. Il gas ionizzato reagisce con gli analiti formando complessi ioni-molecole relativamente stabili. Poiché i complessi che si verificano più di frequente sono addotti semplici come + o +, la massa molecolare degli analiti può essere facilmente calcolata. Sono stati sviluppati anche altri strumenti GC portatili con trattino per applicazioni sul campo (Arnold et al., 2000). Le tendenze attuali nella strumentazione e nelle metodologie GC sono state recentemente riviste da Yashin e Yashin, (2001).