SCHEMA DI UN GASCROMATOGRAFO

Come mostra la Figura 1, un sistema gascromatografico schematicamente consta di

• una bombola di carrier gas munita di riduttori di pressione ed eventuali filtri. Questi ultimi hanno il compito di purificare il gas in ingresso da eventuale vapore acqueo e impurità varie;
• un gascromatografo propriamente detto, con un ulteriore regolatore di flusso, un sistema di introduzione del campione, una o più colonne, uno o più detector;
• un’interfaccia che collega il gascromatografo a un software per la gestione, l’elaborazione e l’immagazinamento dei dati.

IL NOSTRO LABORATORIO

Il laboratorio di gascromatografia è in grado di effettuare analisi chimiche quantitative di gas liberi, gas arricchiti mediante rimozione di CO2 in ampolle a soda, e gas disciolti nelle acque. Gli analiti a cui sono destinate le analisi sono He, H2, Ar, O2, N2, CO, CH4, CO2.
Il laboratorio consta di 3 gascromatografi (un Perkin Elmer Clarus 500 e due Perkin Elmer XL Autosystem [Fig 2]). L’introduzione del gas nei gascromatografi (Fig. 3) avviene mediante un sistema a valvola multiporta, non vengono utilizzati iniettori. Due strumenti sono equipaggiati con colonne impaccate (60/80 Carboxen 1000, 4.50 m, Fig. 4), uno con colonna capillare (RT Msieve 5A, 30 m, 0.53 mm ID). I Carboxen sono microparticelle sferiche di carbone con caratteristiche granulometriche precise, costanti e riproducibili. Sono costituiti da uno scheletro carbonioso, residuo della pirolisi di un precursore polimerico e hanno un’area superficiale molto elevata (>1200 m2/g). Oltre alla grande area superficiale, altre caratteristiche indispensabili per una buona fase stazionaria sono una bassa friabilità, una buona classazione e una grande inerzia chimica. Le Msieve 5A sono colonne a setacci molecolari costituite da zeoliti (silicati di alluminio e sodio, che possono contenere anche ioni calcio).
I carrier usati sono Ar (per gli strumenti equipaggiati con colonna impaccata) e He (per lo strumento con colonna capillare). Ovviamente, laddove si usa He come carrier risulta impossibile indagare la concentrazione di He, e lo stesso dicasi per l’Ar. All’uscita di ogni colonna sono disposti in serie un detector a termoconducibilità (TCD), un metanizzatore e un detector a ionizzazione di fiamma (FID). Il FID viene alimentato da idrogeno prodotto da un generatore e da aria precedentemente essiccata e filtrata da idrocarburi e impurità.
La concentrazione dei campioni viene stabilita sulla base del metodo dello standard esterno, per mezzo di gas standard appositamente acquistati, con concentrazioni delle varie specie variabili fra pochi ppm e il 100%. Quando necessario, vengono usati standard Supelco Scotty (Fig. 5). Opportune curve di calibrazione restituiscono i valori di concentrazione dei vari analiti.
Una buona evacuazione del loop d’ingresso e di tutto il sistema d’introduzione viene garantito da due pompe rotative Edwards. I gas disciolti nelle acque vengono trattati col metodo del gas ospite (Ar o N2), descritto in dettaglio da Capasso e Inguaggiato (Applied Geochemistry, 13, 631-642, 1998)

I rivelatori utilizzati sono

A) Rivelatore a termoconducibilità anche chiamato Hot Wire Detector (HWD) o Thermo Conductivity Detector (TCD). E’ un rivelatore sensibile alla concentrazione dell’analita, universale e non distruttivo. Il suo funzionamento dipende dalla differente conducibilità termica di varie specie gassose (vedi Fig. 6). E’ formato da due filamenti, uno attraversato da carrier puro, l’altro dal gas in uscita dalla colonna (carrier più campione). I filamenti sono parte di un ponte di Wheatstone (circuito elettrico bilanciato). Quando il campione attraversa il filamento si ha una differente conduzione di calore dal filamento stesso. La temperatura del filamento varia, variando quindi anche la resistenza. A questo punto, il ponte è elettricamente sbilanciato. Questo sbilanciamento elettrico è amplificato e mandato all’interfaccia. In definitiva, il segnale fornito dal rivelatore è direttamente proporzionale alla concentrazione degli analiti.
La sensibilità dell’HWD dipende da:
Differenza di conducibilità termica fra il gas carrier e l’analita
Concentrazione dell’analita
Corrente del filamento

B) Rivelatore a ionizzazione di fiamma anche chiamato FID (Flame Ionisation Detector). E’ un detector universale e distruttivo. Il carrier, convogliato in un ugello, si miscela con aria e idrogeno, che alimentano una fiamma posta all’uscita dell’ugello. La fiamma produce una corrente ionica che viene trasformata in tensione, amplificata ed elaborata. Quando un analita raggiunge la fiamma, esso viene bruciato e ionizzato facendo variare l’intensità della corrente e permettendo la rivelazione del segnale.

Bibliografia e letture consigliate
R. Cozzi, P. Protti, T. Ruaro. Elementi di analisi chimica strumentale. Zanichelli, 1998, 660 pp.
L.S. Ettre, J.V. Hinshaw. Basic relationships of Gas Chromatography. Advanstar Communications, 1993, 177 pp.
L.S. Ettre, J.V. Hinshaw. Introduction to open-tubular Column Gas Chromatography. Advanstar Communications, 1994, 189 pp.