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.
- Questo articolo tratta della gascromatografia (nota anche come cromatografia gas-liquido).
- In primo luogo, definiremo la gascromatografia.
- Successivamente, ne esploreremo i principi e approfondiremo il metodo. A tal fine, verrà presentato un pratico diagramma di un esperimento di gascromatografia.
- Poi, imparerai l'importanza dei cromatogrammi e del tempo di ritenzione. Potrai anche cimentarti nell'analisi dei cromatogrammi per calcolare l'abbondanza relativa.
- Poi vedremo come e perché combinare la gascromatografia con la spettrometria di massa. Questo ci porterà ad esplorare altri tipi di gascromatografia.
- Per finire, illustreremo alcuni vantaggi, svantaggi le applicazioni principali della gascromatografia.
Gascromatografia: spiegazione
Se hai cliccato su questo articolo, probabilmente sei curioso di conoscere la gascromatografia. Che cos'è questa tecnica e come funziona?
La gascromatografia (GC) è una tecnica analitica che separa e analizza i componenti di un campione gassoso. È utilizzata per i composti volatili e che non si decompongono se sottoposti a calore.
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:
- 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.
- 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.
- 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.
- Alla fine i componenti lasciano la colonna e passano su un rivelatore. Il rivelatore produce un segnale proporzionale alla quantità del componente presente.
- 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.
I forni dei gas cromatografi possono essere riscaldati a diverse temperature. Tuttavia, devono essere più caldi del punto di ebollizione del campione, in modo che il campione non condensi all'interno del tubo capillare.
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
Il tempo di ritenzione di un componente all'interno di un campione è il tempo che intercorre tra la sua iniezione e la sua rilevazione. In altre parole, è il tempo necessario per raggiungere il rivelatore in un cromatografo.
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.
I database potrebbero non includere tutti i composti. Ciò rende difficile l'identificazione di alcune specie. Allo stesso modo, alcuni composti hanno tempi di ritenzione molto simili e sono difficili da distinguere. Per questo motivo, possiamo combinare la gascromatografia con la spettrometria di massa, di cui parleremo più avanti.
Abbondanza percentuale
Alcuni picchi nei cromatogrammi sono molto più alti di altri. Altri sono molto più larghi. Di conseguenza, i diversi picchi hanno aree diverse. L'area sotto un picco è proporzionale alla quantità relativa del componente che raggiunge il rivelatore in un determinato momento. Possiamo usarla per trovare quantitativamente l'abbondanza percentuale di ciascun componente all'interno del campione. Ecco come fare:
- Troviamo innanzitutto l'area sotto ciascun picco. La loro area si avvicina a 0,5 × la lunghezza della loro base × la loro altezza.
- Sommiamo quindi le aree sotto tutti i picchi per trovare l'area totale.
- Per trovare l'abbondanza percentuale di un particolare componente, dividere l'area sotto il suo picco per l'area totale di tutti i picchi. Quindi, moltiplicare questo numero per 100. Questa è la risposta finale.
- Ripetere il punto 3 con i picchi rimanenti.
Le unità di misura sono irrilevanti: è sufficiente assumere che la lunghezza di ogni quadrato del grafico corrisponda a un'unità.
Calcolare l'abbondanza percentuale del componente responsabile del picco di sinistra nel cromatogramma mostrato in precedenza. L'area totale sotto entrambi i picchi del cromatogramma è pari a 82,5 unità al quadrato. Si supponga che ogni quadrato abbia una lunghezza di un'unità.
Per ottenere questo risultato, assumiamo innanzitutto che il picco sia un triangolo grezzo e troviamo l'area sotto di esso. Per prima cosa misuriamo l'altezza del picco di sinistra in termini di quadrati, insieme alla lunghezza della sua base; la lunghezza di ogni quadrato equivale a un'unità. In questo caso, il picco ha un'altezza di 17 unità e una lunghezza della base di 6 unità.
Figura 3. Lo stesso cromatogramma mostrato in precedenza. In questo caso, sono mostrate l'altezza e la lughezza della base del picco sulla sinistra.
Sostituiamo quindi questi valori nella formula per l'area di un triangolo:
area=0,5×lunghezza base×altezza
area=0,5×6×17=51 unità al quadrato
Dividiamo quindi quest'area per l'area totale di tutti i picchi nel cromatogramma e moltiplichiamo per 100. Fortunatamente, la domanda ci dà l'area totale dei picchi:
abbondanza percentuale=62%
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.
La spettrometria di massa è una tecnica utilizzata per identificare le sostanze in base al loro rapporto massa/carica.
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.
Fai riferimento all'articolo Spettrometria di massa per approfondire questa tecnica e le sue applicazioni.
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.
Diversi tipi di gascromatografia
Oltre alla cromatografia gas-liquido, è possibile trovare anche la cromatografia gas-solido (GSC). Esistono alcune differenze fondamentali tra i due metodi:
- La fase stazionaria nella GLPC è un liquido supportato da un solido.
- Nella GSC, invece, la fase stazionaria è solo un solido, senza alcun liquido.
- Come suggerisce il nome, la GLPC si basa sulla partizione: la separazione di un soluto tra due solventi immiscibili.
- La GSC, invece, utilizza l'adsorbimento: l'adesione delle molecole a un solido.
È possibile rendere la gascromatografia ancora più specifica cambiando l'apparecchiatura. Ad esempio, nella gascromatografia si possono utilizzare diversi rivelatori. Questi includono il rivelatore a ionizzazione di fiamma (FID), il rivelatore a cattura di elettroni (ECD) e il rivelatore fotometrico di fiamma (FPD). Il FID miscela il campione separato con idrogeno prima di bruciarlo. È particolarmente adatto a rilevare gli idrocarburi organici, ma ignora i componenti altamente ossidati (come l'acqua e gli ossidi di carbonio). D'altro canto, l'ECD e l'FPD rilevano determinati elementi: l'ECD è in grado di identificare i componenti contenenti alogeni, mentre l'FPD cerca zolfo e fosforo.
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.
Gascromatografia - Punti chiave
- La gascromatografia (GC) è una tecnica analitica utilizzata per analizzare un campione separandolo nei suoi singoli componenti. Il termine si riferisce tipicamente alla cromatografia di ripartizione gas-liquido (GLPC).
- Nella gascromatografia, la fase mobile è un gas inerte, mentre la fase stazionaria è un adsorbente solido.
- La gascromatografia produce cromatogrammi con picchi che indicano il tempo di ritenzione.
- Utilizziamo il tempo di ritenzione per identificare i componenti di un campione.
- Utilizziamo l'area sottostante ai picchi per determinare l'abbondanza relativa di ciascun componente.
- La combinazione di gascromatografia e spettrometria di massa ci offre un potente sistema in grado di separare e identificare miscele complesse di sostanze chimiche. La tecnica combinata ha un'elevata risoluzione e sensibilità.
- La gascromatografia può essere utilizzata per una serie di campioni, è altamente sensibile e produce dati digitali quantitativi. D'altra parte, l'apparecchiatura richiede una manipolazione accurata e la tecnica non può essere utilizzata per analizzare specie non volatili.
- Utilizziamo la gascromatografia per testare le droghe, nella medicina legale, nell'industria alimentare e per misurare i livelli di inquinamento.
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