Gascromatografia: analisi qualitativa e quantitativa

La gascromatografia è una tecnica analitica sensibile che consente un’analisi qualitativa e quantitativa applicabile su microcampioni. La gascromatografia è una tecnica analitica fondamentale nel campo della chimica e delle scienze dei materiali, utilizzata per separare e identificare i componenti di miscele complesse di sostanze volatili.

Basata sul principio della distribuzione differenziale delle molecole tra una fase mobile gassosa e una fase stazionaria solida o liquida, la gascromatografia consente di ottenere informazioni precise sulla composizione qualitativa e quantitativa di campioni di varia natura. Grazie alla sua elevata sensibilità, rapidità e versatilità, la gascromatografia trova applicazione in molteplici settori, tra cui l’industria farmaceutica, ambientale, alimentare e forense, rappresentando uno strumento indispensabile per il controllo di qualità, la ricerca scientifica e il monitoraggio ambientale.

La gascromatografia è stata inventata da Archer John Porter Martin e Anthony T. James nel 1952. Questi due scienziati britannici svilupparono il metodo di separazione basato sul passaggio di una miscela gassosa attraverso una fase stazionaria, dando così origine alla tecnica della gascromatografia. In particolare, Archer Martin è celebre anche per il suo contributo alla cromatografia su carta, per la quale aveva già ricevuto un premio Nobel nel 1952. La gascromatografia ha rapidamente rivoluzionato il campo dell’analisi chimica grazie alla sua capacità di separare miscele complesse con grande precisione e rapidità.

Analisi qualitativa

La misura del  tempo di ritenzione assoluto costituisce l’elemento chiave nella determinazione qualitativa di un composto contenuto in una miscela di gas.

Il tempo di ritenzione assoluto è il tempo necessario alla sostanza iniettata per essere eluita dall’inizio all’uscita della colonna. Questo valore se le condizioni sperimentali rimangono ben definite e inalterate non varia entro larghi limiti né in funzione della concentrazione né  della composizione ed è quindi caratteristico di ogni sostanza.

Il tempo di ritenzione assoluto, tuttavia, può avere delle piccole variazioni poiché è difficile mantenere costanti le condizioni sperimentali. Si fa quindi riferimento al tempo di ritenzione relativo.

Per la generica sostanza A si ottiene dal rapporto tra il tempo di ritenzione assoluto della sostanza A e il tempo di ritenzione assoluto di una sostanza S presente nella miscela e considerata come standard di riferimento:

t_R  = t_A / t_S

Quanto detto vale quando la composizione della miscela da analizzare sia qualitativamente presumibile Si devono quindi avere seri indizi che siano presenti determinati gas e quindi si debba solo identificare il picco corrispondente a ciascuno dei presunti componenti.

Qualora, invece si debba procedere all’identificazione di uno o più componenti di una miscela ignota si deve ricorrere a particolari tecniche.

Ad esempio si può effettuare un arricchimento con composti noti quando, da un esame dei tempi di ritenzione dei vari picchi, si può sospettare la presenza nella miscela di determinati composti.

Esaltazione dell’intensità dei picchi relativi

Si otterrà, in corrispondenza delle sostanze aggiunte, una esaltazione dell’intensità dei picchi relativi se l’ipotesi fatta corrisponde alla realtà. La prova tuttavia non deve essere considerata come sicuramente positiva. Infatti  è sempre possibile che due componenti siano caratterizzate dallo stesso tempo di ritenzione in certe condizioni operative.

Si può quindi procedere a cambiare le condizioni sperimentali effettuando una serie di cromatogrammi. Infatti  è poco probabile che due specie diverse abbiano lo stesso tempo di ritenzione in diverse condizioni sperimentali. Le tecniche più comuni corrispondono all’identificazione delle varie sostanze all’uscita mediante il loro recupero per condensazione in microtrappole. Si effettuano successive analisi sia con reattivi speciali che con tecniche spettroscopiche. La combinazione diretta gascromatografo- spettrometro di massa  costituisce un esempio ancora più raffinato.

Nel caso di una serie di sostanze omologhe, ad esempio alcani a diverso numero di atomi di carbonio, si possono avere relazioni lineari tra i logaritmi dei tempi di ritenzione e, nell’esempio fatto,  il numero di atomi di carbonio dei vari componenti.

Un grafico di tal genere permette il calcolo, per interpolazione, del tempo di ritenzione di una sostanza con un numero di atomi intermedio.

Analisi quantitativa

Tale tipo di analisi costituisce l’applicazione più importante della gascromatografia che sfrutta, come base analitica di misura, l’area sottostante il picco.

Tale determinazione è effettuata tramite integratori automatici che, tuttavia, non sono impiegabili nel caso in cui alcuni picchi non siano ben separati. In tal caso si può far uso di un planimetro. Una volta determinate le aree corrispondenti ai picchi dei vari componenti bisogna impostare un metodo per determinare la concentrazione dei vari componenti. Uno dei metodi usati è quello della taratura diretta che valuta i vari componenti mediante una taratura corrispondente all’introduzione di più campioni di composizione nota per ciascun componente.

La taratura di un componente è effettuata mediante l’introduzione di una sua quantità nota e la misura della relativa area. Si può ottenere così una calibrazione che correla le aree con la quantità introdotta. Questo metodo presume la possibilità di introdurre volumi molto esatti e riproducibili di campione e richiede un continuo controllo della taratura. Vi è poi il metodo della normalizzazione interna. Il  calcolo delle concentrazioni è effettuato determinando l’area di tutti i picchi corrispondenti ai vari componenti e rapportando a 100 cioè alla somma totale il valore di ogni area.

Usi

La gascromatografia trova applicazione in numerosi settori grazie alla sua capacità di separare e analizzare miscele complesse di sostanze volatili con grande precisione. In ambito ambientale viene utilizzata per il monitoraggio della qualità dell’aria, individuando composti organici volatili e sostanze inquinanti, ma anche per l’analisi di pesticidi e contaminanti presenti in acqua e suolo. Questo la rende uno strumento fondamentale nel controllo dell’inquinamento e nella protezione degli ecosistemi.

Nell’industria alimentare, la gascromatografia è impiegata per verificare la presenza di aromi, additivi e possibili contaminanti chimici, oltre che per controllare i residui di pesticidi nei prodotti agricoli. Grazie a questa tecnica è possibile garantire la sicurezza alimentare e l’autenticità dei prodotti, come nel caso degli oli essenziali o delle bevande alcoliche.

Un altro campo di grande rilevanza è quello farmaceutico, dove la GC è essenziale per determinare la purezza dei principi attivi, individuare eventuali impurità e controllare la qualità dei medicinali. Anche in analisi forense e tossicologica la tecnica è largamente utilizzata per rilevare stupefacenti, sostanze dopanti o composti tossici in campioni biologici, nonché per indagini su incendi e contaminazioni chimiche.

Infine, nell’industria petrolchimica la gascromatografia permette di analizzare la composizione di combustibili, oli e gas, contribuendo a migliorare i processi di raffinazione e garantire la qualità dei prodotti finiti. Questa versatilità, unita alla rapidità e sensibilità del metodo, fa della gascromatografia una tecnologia imprescindibile per la ricerca scientifica e per il controllo di qualità in molti settori produttivi.