La metodologia analitica del gas massa (GC/MS) combina la tecnica gas-cromatografica (GC) con le potenzialità della spettrometria di massa (MS) per la determinazione qualitativa e quantitativa di una ampia gamma di sostanze, prevalentemente organiche, a bassa polarità e basso peso molecolare accomunate da una temperatura di ebollizione sempre inferiore a 300°C.
I principali vantaggi che si ottengono utilizzando lo spettrometro di massa come rivelatore dopo la separazione cromatografia dei componenti, consistono in una sensibilità maggiore rispetto ai detectors comunemente usati dai GC e nella possibilità di identificare la sostanza analizzata.
Le due tecniche associate possiedono quindi una capacità analitica notevolmente superiore rispetto alle singole metodologie usate separatamente.
Il GC sfrutta le differenti proprietà delle varie specie chimiche presenti in una miscela gassosa per la loro separazione. Una volta che i singoli componenti la miscela sono stati separati, questi passano all’interno del MS dove vengono sottoposti a ionizzazione e conseguente frammentazione. (Fig. 1)

Il nostro laboratorio GC/MS si compone di un gas cromatografo Shimadzu 17-A accoppiato ad  uno spettrometro di massa MS Shimadzu QP 5000, connessi mediante un’interfaccia diretta. (Fig. 2 e 3)
Il GC è dotato di due sistemi di iniezione: i gas da analizzare possono infatti essere introdotti dentro un iniettore split/splitless mediante siringa gas-tight manualmente o attraverso un autocampionatore Shimadzu AOC-20i. In alternativa, i gas possono essere introdotti attraverso un sistema di introduzione a valvola multiporta con loop di differenti volumi, che viene opportunamente vuotato grazie ad una pompa rotativa. In questo caso, è stato appositamente installato anche un dito freddo che consente l’arricchimento in fase gassosa delle specie in condensabili (Fig. 4).
Sul GC vengono di volta in volta installate differenti colonne capillari a seconda del tipo di sostanza da determinare.
In particolare per le analisi finora condotte nel laboratorio sono state utilizzate le seguenti colonne:
- Supelco VOCOL per analisi di sostanze organiche volatili disciolti in acqua quali benzene e idrocarburi clorurati.
- Varian Coating Al2O3/KCl per l’analisi di idrocarburi leggeri nei gas vulcanici.
- Supelco Molsieve 5A per l’analisi di gas nobili pesanti disciolti in acqua.
La temperatura della colonna può essere mantenuta costante durante la separazione oppure può essere programmata con una rampa che consenta di ridurre i tempi di ritenzione delle molecole più pesanti.
L’elio è il gas che viene utilizzato come carrier. All’uscita della colonna del GC è installata un’interfaccia diretta che opera a temperatura variabile e che consente ai componenti della miscela gassosa già separati di raggiungere camera di ionizzazione.
Lo spettrometro di massa consta di tre parti principali (Fig. 5):
-una sorgente per la ionizzazione:
-un analizzatore per la separazione degli ioni (quadrupolo);
-Un rivelatore.
Nella sorgente gli ioni vengono formati bombardando con un fascio di elettroni ad alta energia (circa 70eV) il gas che esce dal GC.
L’impatto tra gli elettroni prodotti dal filamento e le molecole di gas porta alla formazione di ioni. L’energia fornita dal raggio di elettroni e l’instabilità degli ioni molecolari generalmente producono anche una rottura della molecola in frammenti più piccoli anch’essi carichi positivamente o negativamente. Benché vengano prodotti contemporaneamente sia ioni positivi che ioni negativi viene scelta una sola polarità (generalmente positiva).
Gli ioni molecolari e i frammenti di ioni vengono accelerati e focalizzati attraverso una serie di lenti o skimmers verso il quadrupolo. Questo è costituito da quattro barre metalliche cilindriche in cui gli ioni vengono separati in base al loro rapporto massa su carica (m/z) combinando campi elettrici continui ed alternati a radiofrequenza (Fig. 6). Gli ioni vengono rivelati, dopo la separazione, trasformando l’energia prodotta dalla collisione degli ioni sulla superficie del rivelatore.
Gli spettri vengono acquisiti, memorizzati e presentati grazie ad un software; il risultato ottenuto sarà quindi un tracciato che riporta la misura del segnale elettronico prodotto dal detector in funzione del tempo, proprio come un cromatogramma.
L’identificazione degli analiti viene eseguita per confronto dei tempi di ritenzione relativi con quelli delle miscele gassose di riferimento degli analiti da determinare e mediante la comparazione degli spettri prodotti dalla frammentazione delle molecole con spettri noti contenuti in appositi database (“library”) pubblicati dal NIST (National Institute of Standards and Technology).
Comunemente vengono effettuate analisi GC-MS in modalità scansione totale (“full scan”) in cui gli spettri di massa vengono registrati ad intervalli di tempo regolari, generalmente tra XX e XX per secondo.
A ciascun picco del cromatogramma, corrisponde ad una specifica sostanza con un determinato tempo di ritenzione che potrà essere identificata da uno spettro caratteristico della sostanza da analizzare.
Attraverso l’analisi degli spettri di massa così ottenuti è possibile acquisire informazioni sulla struttura dell’analita.
In alternativa gli spettri di massa possono essere registrati in modalità SIM (“selected ion monitoring”) in cui la scansione interessa non l’intero intervallo di masse considerato ma soltanto alcuni gli ioni caratteristici dell’analita da determinare.
Il principale vantaggio di questo tipo di acquisizione è che si aumenta notevolmente la sensibilità dello strumento fino a 500 volte rispetto alla acquisizione in “full scan”; è possibile determinare sostanze presenti a concentrazioni dell’ordine dei nano-grammi (10-9) o, in alcuni casi, pico-grammi (10-12).
L’analisi quantitativa viene effettuata integrando il picco risultante dalla corrente ionica totale di ogni analita identificato. Il valore di area ottenuto viene confrontato con il valore dell’area del picco relativo allo standard interno oppure posto su una curva di taratura ottenuta dall’analisi di miscele gassose a concentrazione nota.
La taratura può essere effettuata su un unico punto, ad una concentrazione molto vicina a quella degli analiti da quantificare oppure costruendo una apposita curva di taratura ottenuta con miscele standard a differente concentrazione.
Attualmente lo strumento viene utilizzato per l’identificazione e la quantificazione degli idrocarburi gassosi presenti in campioni di fluidi fumarolici ed di gas naturale, per l’analisi dei Composti Organici Volatili presenti in acque di falda in accordo con le direttive europee e per la determinazione dei gas nobili più pesanti disciolti in acqua.