Gascromatografia

Cosa succede se si sospetta che qualcuno faccia uso di droghe? Spesso viene chiesto di effettuare un esame delle urine. Questo tipo di analisi può mirare alla ricerca di un composto specifico o un'intera famiglia di droghe. Se i risultati sono positivi, l'urina viene analizzata ulteriormente con un metodo chiamato gascromatografia. E' una tecnica utile per separare e identificare i componenti di una miscela gassosa.

La gascromatografia non solo separa i componenti di un campione, ma fornisce anche una misura della quantità relativa di ciascuna specie presente. Pertanto, questa tecnica è utile per consentire ai chimici di analizzare miscele complesse, sia qualitativamente che quantitativamente.

Esistono vari tipi di gascromatografia, ma il termine viene generalmente utilizzato per indicare la Cromatografia gas-liquido (nota anche come cromatografia di ripartizione gas-liquido, o GLPC). Il termine liquido indica lo stato fisico della fase stazionaria utilizzata, che esamineremo in seguito. Per il resto di questo articolo useremo il termine gascromatografia per riferirci alla GLPC.

Principi della gas cromatografia

La gascromatografia segue gli stessi principi di tutti gli altri tipi di cromatografia. Tuttavia, vi sono alcuni dettagli particolari da tenere in considerazione, che esamineremo in modo più approfondito man mano che li incontreremo:

• Come in tutti i tipi di cromatografia, la gascromatografia utilizza una fase mobile per trasportare un campione attraverso una fase stazionaria.
  • Le fasi mobili sono spesso solventi. Ma nella gascromatografia la fase mobile è un gas non reattivo (come l'elio).
  • Nella gascromatografia, la fase stazionaria è un liquido viscoso (come un idrocarburo a catena lunga). Il liquido è sospeso su un solido fine (come la silice), che viene impaccato in un lungo e sottile tubo capillare (o colonna). Il tubo ha uno spessore di pochi millimetri, ma è lungo fino a 10 metri!
• Alcuni componenti del campione vengono trasportati dalla fase mobile attraverso la fase stazionaria più rapidamente di altri. I componenti che viaggiano più velocemente hanno una maggiore affinità con la fase mobile, mentre quelli che viaggiano più lentamente hanno una maggiore affinità con la fase stazionaria.
• Il campione viene separato nei suoi componenti in base alla loro affinità relativa alla fase stazionaria e alla fase mobile. Ciò significa che i componenti lasciano il sistema cromatografico in tempi diversi e possono essere rilevati singolarmente da un rivelatore.
• Il rivelatore produce un segnale che viene utilizzato per creare un cromatogramma. Si tratta di un grafico che indica il tempo di ritenzione di ciascun componente: il tempo impiegato per muoversi nel sistema.
  • Nella gascromatografia, il cromatogramma fornisce anche dati quantitativi sulla composizione percentuale del campione, ossia sulla quantità di ciascun componente presente al suo interno.

Gascromatografia: metodo e diagramma

Adesso vediamo come funziona il metodo cromatografico:

1. Il campione e il gas inerte utilizzato come fase mobile vengono iniettati in un piccolo forno. Qui vengono riscaldati e messi sotto pressione, in modo che il campione vaporizzi e si mescoli con la fase mobile.
2. I gas vengono quindi spinti attraverso un lungo e sottile tubo capillare (o colonna). Il tubo è strettamente impaccato con la fase stazionaria e viene anch'esso riscaldato.
3. I componenti della miscela si separano durante il passaggio attraverso il tubo, in base alla loro affinità relativa con ciascuna fase. Ciò significa che i componenti attraversano la colonna a velocità diverse.
4. Alla fine i componenti lasciano la colonna e passano su un rivelatore. Il rivelatore produce un segnale proporzionale alla quantità del componente presente.
5. Il segnale viene utilizzato per produrre un cromatogramma, che viene poi analizzato dai chimici. Il cromatogramma contiene una serie di picchi che forniscono informazioni sul tempo di ritenzione e sull'abbondanza relativa di ciascun componente.

Il seguente diagramma di un tipico esperimento di gascromatografia è mostrato per semplificarne la comprensione:

Figura 1. Un tipico set-up di un esperimento di gas cromatografia.

Gascromatografia: analizzare i cromatogrammi

Abbiamo imparato che la gascromatografia produce un cromatogramma. Si tratta di un grafico che ci informa sui componenti all'interno del nostro campione. Mostra i picchi corrispondenti al tempo di ritenzione e alla quantità relativa di ciascun componente.

Figura 2. Un esempio di un cromatogramma ottenuto da un esperimento di gas cromatografia.

Dai cromatogrammi possiamo ottenere due informazioni:

• I tempi di ritenzione ci forniscono indizi sull'identità dei componenti del campione.
• I cromatogrammi ci forniscono anche informazioni quantitative sull'abbondanza percentuale di ciascun componente all'interno del campione.

Tempo di ritenzione

I tempi di ritenzione sono sempre gli stessi per un particolare componente, a patto che si mantengano le stesse condizioni. Ciò significa utilizzare la stessa fase mobile, la stessa fase stazionaria, lo stesso tubo capillare (o colonna), la stessa pressione e la stessa temperatura. Anche se il controllo accurato delle condizioni può essere un po' complicato, l'uso di condizioni standard ci permette di confrontare il tempo di ritenzione di un determinato componente con quelli presenti in un database. Di conseguenza, è possibile identificare il componente.

Abbondanza percentuale

Gascromatografia e spettrometria di massa

La gascromatografia è in grado di separare le miscele nei loro componenti. Tuttavia, è in grado di identificare questi componenti solo se si utilizzano condizioni standard. Per molti esperimenti, questo non è possibile. Inoltre, alcuni cromatogrammi possono dare risultati ambigui se i componenti del campione hanno tempi di ritenzione simili. Per risolvere questi problemi, combiniamo la gascromatografia con la spettrometria di massa.

Potreste aver già incontrato la spettrometria di massa, utilizzata per identificare una singola molecola dividendola in diversi frammenti. Lo schema dei rapporti massa/carica dei frammenti agisce come un'impronta chimica, consentendoci di determinare la struttura e l'identità della molecola. Tuttavia, la spettrometria di massa può essere utilizzata anche per una miscela di più specie diverse. Combinando la gascromatografia con la spettrometria di massa si ottiene uno strumento analitico estremamente utile, noto come GC-MS. Il GC-MS separa in modo efficiente (grazie alla gascromatografia) e poi identifica (grazie alla spettrometria di massa) tutti i diversi composti presenti in un campione.

Le caratteristiche principali di un sistema GC-MS sono:

• Il campione viene iniettato nel sistema cromatografico.
• I componenti del campione vengono separati in base alla loro affinità relativa con le fasi stazionaria e mobile e lasciano il sistema cromatografico in tempi diversi.
• I componenti separati vengono inviati a uno spettrometro di massa invece che a un rivelatore.
• Lo spettrometro produce uno spettro di massa dettagliato, che viene poi confrontato con un database noto. Lo spettro può essere utilizzato per identificare tutti i componenti del campione.

Vantaggi e svantaggi della gascromatografia

La gascromatografia è solo uno dei tanti tipi di cromatografia che dovrai imparare a conoscere. Possono sembrare abbastanza simili, ma cosa distingue la gascromatografia dalle altre e cosa la rende inferiore in certe situazioni? Consideriamo i vantaggi e gli svantaggi della gascromatografia.

Vantaggi

Alcuni dei vantaggi della gascromatografia sono indicati qui sotto:

• La gascromatografia può essere utilizzata per tutti i tipi di campioni: l'unico requisito è che siano volatili e non si decompongano al riscaldamento.
• Produce dati quantitativi, a differenza di altre tecniche come la Cromatografia su strato sottile (TLC). Inoltre, i dati sono digitali, quindi il rischio che vadano persi o che si degradino è ridotto.
• La gascromatografia ha anche un elevato livello di sensibilità e un'alta risoluzione, il che significa che è possibile rilevare un'ampia gamma di composti.
• La risoluzione e la sensibilità migliorano notevolmente se associate a uno spettrometro di massa. Per questo motivo, possiamo usare la gascromatografia per separare e identificare specie estremamente simili, anche se presenti solo in tracce.
• Inoltre, sono disponibili molti tipi diversi di tubi capillari, colonne, rivelatori e fasi stazionarie da utilizzare in un'ampia gamma di applicazioni.

Svantaggi

Per evitare qualsiasi pregiudizio scientifico, dobbiamo anche soffermarci sugli svantaggi della gascromatografia. Questi includono:

• La gascromatografia richiede un attento monitoraggio delle condizioni esterne, per garantire che la temperatura non scenda troppo.
• Le specie non volatili e quelle che non sono termicamente stabili non sono adatte all'analisi con questa tecnica. Ciò include molte molecole organiche come gli zuccheri.
• I tubi capillari devono essere maneggiati e conservati con cura.

Applicazioni della gascromatografia

Infine, è il momento delle applicazioni reali della gascromatografia. Questa tecnica ha molti usi nella società moderna. Ad esempio:

• La gascromatografia viene utilizzata per verificare l'esistenza di doping, uso di droghe e presenza di stimolatori delle prestazioni nei principali eventi sportivi.
• Allo stesso modo, viene utilizzata nei dipartimenti di sicurezza degli aeroporti e nella medicina legale.
• La gascromatografia svolge un ruolo importante anche nell'industria alimentare. Questa tecnica viene utilizzata per valutare la sicurezza e l'appetibilità dei prodotti alimentari, non solo analizzando i livelli di additivi e contaminanti, ma anche verificando la presenza di una quantità sufficiente di particolari molecole aromatiche o saporite.
• Con la gascromatografia controlliamo anche la presenza di inquinanti ambientali nei sistemi idrici e negli habitat naturali.
• Un campo di studio scientifico piuttosto recente riguarda l'analisi dei rischi e dei pericoli delle sostanze chimiche organiche volatili (VOC). La gascromatografia può essere utilizzata per identificare i COV rilasciati da comuni oggetti domestici.