Anno Accademico 2010/2011
Laurea Magistrale in
CHIMICA
Analisi degli alimenti
(LMC-1bis: TEORIA)
Giorgio Bonaga
ALLARGAMENTO DELLA BANDA
Fattori fisici e cinetici:
1. TORTUOSITA’ DEI PERCORSI
2. DIFFUSIONE LONGITUDINALE
3. TRASFERIMENTO DI MASSA IN FASE MOBILE
4. TRASFERIMENTO DI MASSA IN FASE MOBILE STAGNANTE
5. TRASFERIMENTO DI MASSA IN FASE STAZIONARIA
TORTUOSITA’ DEI PERCORSI
Le molecole di soluto non seguono lo stesso percorso e pertanto impiegano
tempi diversi per percorrere la stessa lunghezza di colonna, ovvero nello
stesso tempo percorrono lunghezze diverse della colonna.
v
t0
B
A
l
dp
t2
t1
DIFFUSIONE LONGITUDINALE
È la diffusione delle molecole del soluto, con direzione parallela all’asse
longitudinale della colonna, nei versi che vanno dalle zone a maggiore
concentrazione di fase mobile alle zone a minore concentrazione.
fase
mobile
fase mobile
(meno concentrata)
g
v
v
fase mobile
(più concentrata)
Dm
fase mobile
(meno concentrata)
TRASFERIMENTO DI MASSA
IN FASE MOBILE
Dm
W
v
dp
TRASFERIMENTO DI MASSA
IN FASE MOBILE STAGNANTE
Dm
dp
v
W
TRASFERIMENTO DI MASSA
IN FASE STAZIONARIA
v
DS
dliq
U
Q
FENOMENI FISICI E CINETICI CHE
CONTRIBUISCONO AL VALORE DELL’HETP
1. DIFFUSIONE EDDY (tortuosità dei percorsi)
È riassunta nell’espressione:
He = 2 dp
.
l
l = costante legata alla regolarità dell’impaccamento della colonna
dp = diametro delle particelle di fase stazionaria
La diffusione eddy, in sintesi:
• dipende dalla regolarità dell’impaccamento (“column packing”)
• è direttamente proporzionale al diametro delle particelle di fase stazionaria
• è indipendente dalla velocità lineare media di flusso della fase mobile
2. DIFFUSIONE LONGITUDINALE
È riassunta nell’espressione:
Hd = 2 g
Dm
v
g = coefficiente dipendente dalla distribuzione delle particelle di fase
stazionaria (fattore di ostruzione)
Dm = coefficiente di diffusione del soluto nella fase mobile
v = velocità lineare media di flusso della fase mobile
La diffusione longitudinale, in sintesi:
• dipende dalla distribuzione delle particelle della fase stazionaria;
• è direttamente proporzionale al coefficiente di diffusione del soluto nella
fase mobile;
• è inversamente proporzionale alla velocità lineare media di flusso della
fase mobile;
NOTA: la Hd è di scarsa importanza nella LC perché i coefficienti di diffusione nei
liquidi sono bassi, ma è molto importante nella GC per i valori elevati dei
coefficienti di diffusione nei gas
3. e 4. TRASFERIMENTO DI MASSA IN FASE MOBILE E IN
FASE MOBILE STAGNANTE
È riassunto nell’espressione:
v
Hm = W dp2
Dm
W = fattore dipendente dal diametro della colonna (= dc2 )
dp = diametro delle particelle di fase stazionaria
Dm = coefficiente di diffusione del soluto nella fase mobile
v = velocità lineare media di flusso della fase mobile
Il trasferimento di massa in fase mobile, in sintesi:
• dipende dall’impaccamento dela colonna
• è direttamente proporzionale al quadrato del diametro delle particelle
della fase stazionaria;
• è inversamente proporzionale al coefficiente di diffusione del soluto
nella fase mobile;
• è direttamente proporzionale alla velocità del flusso della fase mobile;
5. TRASFERIMENTO DI MASSA IN FASE STAZIONARIA
È riassunta nell’espressione:
2
Hs = Q U dliq
v
Ds
Q = fattore dipendente dal tipo e dalla forma delle particelle della fase
stazionaria
U = costante relativa alla velocità di migrazione del soluto dalla fase
stazionaria verso la fase mobile (interazione soluto/fase stazionaria)
dliq = spessore del rivestimento liquido depositato sul supporto solido
Ds = coefficiente di diffusione del soluto nella fase stazionaria
v = velocità lineare media di flusso della fase mobile
Il trasferimento di massa in fase stazionaria, in sintesi:
• dipende dal diametro e dalla forma delle particelle di fase stazionaria;
• dipende dalla velocità di migrazione del soluto dalla fase mobile;
• è direttamente proporzionale alla velocità lineare media di flusso della
fase mobile;
• è inversamente proporzionale al coefficiente di diffusione del soluto
nella fase stazionaria.
RAPPRESENTAZIONE DEI TERMINI l, g, W, Q, U, dp, d, Dm, Ds
dp
Dm
g
l
Ds
Q
dliq
Weg
U
Dai contributi all’HETP dei vari fenomeni fisici e cinetici si ottiene il valore
dell’HETP totale:
HETP = He+ Hd+ Hm+ Hs = 2 dp. l + 2 g
Ponendo:
Dm W d 2 v
2 v
+
+ Q Udliq
p
v
Dm
Ds
2 dp l = A
2 g Dm
2
W dp
Dm
costanti caratteristiche per ogni singola
colonna e per una data fase mobile
= B
2
+
Q U dliq
Ds
= C
L’equazione diviene:
HETP = A + B + C . v
v
equazione di Van Deemter
HETP (cm)
Diagrammando l’equazione di Van Deemter si ottiene un’iperbole che
correla il valore dell’HETP alla velocità lineare media v di flusso della fase
mobile e nella quale sono diagrammati anche i 3 termini dell’equazione .
altezza
minima
B
v
C.v
A
velocità ideale
(v = √ B/C )
v (cm/sec)
HETP NELLA HPLC TRADIZIONALE, FAST HPLC, UPLC
10 mm (1970)
30
HPLC
HETP (mm)
25
5 mm (1980)
HPLC
20
3 mm (2000)
15
FAST HPLC
10
1,7 mm (2004)
5
UPLC
0
0
1
2
3
4
v (mm/sec)
5
6
EFFETTI DELL’HETP SULL’EFFICIENZA E SUL TEMPO
•
•
•
•
•
•
flusso: 1,0 ml/min
colonna: 4,6 mm I.D. x 150 mm
fase stazionaria: C18 (5,0 mm)
fase mobile: H2O/CH3CN (50/50)
lunghezza d’onda: 254 nm
campione (20 ml):
1. uracile
2. alcol benzilico
3. benzene
4. toluene
5. alcol etilico
HPLC
mV
1
300
2
200
3
100
4
5
rrr0
- 25
0
2
4
6
8
10
18
t (min)
•
•
•
•
•
•
flusso: 0,6 ml/min
colonna: 2,1 mm I.D. x 50 mm
fase stazionaria: C18 (1,8 mm)
fase mobile: H2O/CH3CN (50/50)
lunghezza d’onda: 254 nm
campione (1 ml):
1. uracile
2. alcol benzilico
3. benzene
4. toluene
5. alcol etilico
mV
UPLC
1
2
300
3
200
100
4
5
rrr0
- 25
0
2
4
6
8
10
12
t (min)
TIPO DI COLONNA
La classificazione fondamentale delle colonne GC è:
1. COLONNE IMPACCATE (“Packed Colum”): sono tubi di acciaio
inossidabile, rame o vetro che vengono riempite con una fase stazionaria
costituita da a) supporto solido (di diversa composizione e granulometria,
opportunamente trattato) sul quale si deposita b) film del liquido di partizione
(liquido alle temperature di esercizio).
2. COLONNE CAPILLARI (“Open Tubular”): sono tubi di vetro o silice fusa,
con a) film di liquido di partizione supportato su b1) parete interna della colonna
(WCOT = Wall Coated Open Tubular), b2) strato poroso sulla parete interna
della colonna (SCOT = Support Coated Open Tubular), b3) parete interna della
colonna
resa
porosa
(Porous
Layer
Open
Tubular)
3. COLONNE MEGABORE (Open Tubular): la loro efficienza è intermedia
tra quella delle impaccate e quella delle capillari. Hanno elevata capacità
(quantità iniettabile: fino a 3 ml) e compatibilità con tutti i tipi di iniettori GC.
colonne impaccate
di vetro
glass packed
column
colonne capillari di
silice fusa
fused silica
capillary column
“Open Tubular”
vetro
fase stazionaria
(supporo+liquido)
“Open Tubular”
IMPACCATA
liquido di
partizione
silice
WCOT
strato poroso
SCOT
PLOT
CONFRONTO TRA COLONNE IMPACCATE E CAPILLARI
CARATTERISTICHE
WCOT
CAPILLARI
SCOT
PLOT
• Diametro interno (mm)
0,32-0,53 0,32-0,53
0,32-0,53
• Piatti teorici/m
1000-4000 600-1200 2000-4000
• Lunghezza massima (m)
150
150
150
• Piatti teorici totali (N)
300000
150000
450000
• Fase liquida %
• Spessore fase liquida (mm)
0,1-0,5
0,1-0,5
15-25
• Granulometria supporto (mesh)
• Flusso medio (ml/min)
0,5-5,0
0,5-5,0
5-10
• Velocità lineare media (cm/sec)
20-50
20-50
50-100
MEGABORE
0,53
2000
10
20000
1-10
0,3-4,0
10-40
IMPACCATE
3-6
500-1000
3
3000
5-10
5-10
80-120
20-70
10-50
0,25-0,53 mm
(i.d.)
3,0 mm
0,1-25 mm
(f.t.)
GC-impaccata
GC-capillare
CLASSIFICAZIONE DEI SOLUTI IN BASE ALLA POLARITA’
Classe I (molto polari: m > 1,85)
• acqua
• idrocarburi monoalogenati
• glicoli
• amminoalcoli
• acido cianidrico
• idrossiacidi
• nitroderivati
• acetonitrile
• nitrili
(1,85)
(2,00)
(2,30)
(2,50)
(2,90)
(3,00)
(3,50)
(3,84)
(4,00)
H2 O
R-X
HO-R-OH
H2N-R-OH
HCN
HO-R-COOH
R-NO2
CH3COCN
RCN
(1,45)
(1,47)
(1,54)
(1,70)
(1,72)
(1,74)
(1,80)
(1,85)
F-OH
NH3
R-Xn
R-OH
R-COOCH3
R-COOH
R-CO-R
R-CHO
Classe II (polari: m = 1,40-1,80)
• fenoli
• ammoniaca
• idrocarburi polialogenati
• alcoli
• esteri
• acidi grassi
• chetoni
• aldeidi
Classe III (leggermente o moderatamente polari: m = 0,35-1,30)
• idrocarburi olefinici
• idrocarburi aromatici
• ammine terziarie
• cloroformio
• ammine secondarie
• eteri
• idrazina
• ammine primarie
• ossime
(0,35)
(0,59)
(0,67)
(1,02)
(1,03)
(1,15)
(1,18)
(1,24)
(1,30)
CnH2n
(C6H6)n
R3N
CHCl3
R2NH
R-O-R
H2N-NH2
R-NH2
R-CH=NH
Classe IV (non polari: m = 0)
• benzene
• idrocarburi paraffinici
• solfuro di carbonio
• tetracloruro di carbonio
(0)
(0)
(0)
(0)
C6H6
CnH2n+2
CS2
CCl4
POLARITA’ DEI LIQUIDI DI PARTIZIONE
MOLTO POLARI
• SUPELCOWAX 10 (polietilenglicole)
• DEGS (dietilenglicolesuccinato)
• DB-23 (50%cianopropil/50%metilpolisilossano)
range termico
(bonded e/o cross-linked)
20/250°C
20/250°C
20/250°C
POLARI
• FFAP (polietilenglicole - modificato acido)
• OV 225 (50%cianopropilfenil/50%metipolisilossano)
• OV-210 (50%trifluoropropil/50%metilpolisilossano)
• XE-60 (25%cianoetil/75%metilpolisilossano)
• XF-1150 (50%cianoetil/50%metilpolisilossano)
40/300°C
40/300°C
40/300°C
40/300°C
40/300°C
MODERATAMENTE POLARI
• OV-1701 (50%fenil/50%metilpolisilossano)
• SE-54 (5%fenil/95%metilpolisilossano)
40/300°C
40/300°C
NON POLARI
• OV-1 (100%metilpolisilossano)
• SE-30 (100%metilpolisilossano)
• HP-1 (100%metilpolisilossano)
• Squalano (C30H62)
- 60/350°C
- 60/350°C
- 60/500°C
150°C (non “bonded”)
CRITERI GENERALI PER STABILIRE LA POLARITA’
DEI POLISILOSSANI (SILICONI: XE, XF, OV, SE, HP)
CH3
CH3
metil-
CH3
Si O
CF3CH2CH2
trifluoropropil-
Si O
n
CH3
m
fenil-
polisilossano
C N
CH 2
CH 2
CH 2
CH 2
CH 2
CH 2
C N
cianopropil-
polarità del
liquido di
partizione