Analisi degli alimenti (LMC-1bis: TEORIA) Giorgio Bonaga

1. Anno Accademico 2010/2011 Laurea Magistrale inCHIMICA Analisi degli alimenti (LMC-1bis: TEORIA) Giorgio Bonaga

2. ALLARGAMENTO DELLA BANDA • Fattori fisici e cinetici: • TORTUOSITA’ DEI PERCORSI • DIFFUSIONE LONGITUDINALE • TRASFERIMENTO DI MASSA IN FASE MOBILE • TRASFERIMENTO DI MASSA IN FASE MOBILE STAGNANTE • TRASFERIMENTO DI MASSA IN FASE STAZIONARIA

3. 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. B A t0 v l dp t2 t1

5. fase mobile Dm 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 (meno concentrata) g v fase mobile (più concentrata) v fase mobile (meno concentrata)

6. Dm TRASFERIMENTO DI MASSA IN FASE MOBILE W v dp

7. Dm TRASFERIMENTO DI MASSA IN FASE MOBILE STAGNANTE W v dp

8. DS U TRASFERIMENTO DI MASSA IN FASE STAZIONARIA v dliq Q

9. 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

10. 2. DIFFUSIONE LONGITUDINALE È riassunta nell’espressione: Dm Hd = 2 g v • = 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

11. 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;

12. 5. TRASFERIMENTO DI MASSA IN FASE STAZIONARIA È riassunta nell’espressione: v 2 Hs = Q U dliq 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.

13. RAPPRESENTAZIONE DEI TERMINI l, g, W, Q, U, dp, d, Dm, Ds dp Dm g l Ds Q U dliq W e g

14. Dai contributi all’HETP dei vari fenomeni fisici e cinetici si ottiene il valore dell’HETP totale: Dm dliq v Q U 2 v W dp2 HETP = He+Hd+ Hm+ Hs= 2 dp.l + + + 2 g v Dm Ds Ponendo: 2 dpl = A 2 g Dm = B L’equazione diviene: HETP = A + B + C .v costanti caratteristiche per ogni singola colonna e per una data fase mobile 2 Q U dliq W dp2 + = C Dm Ds v equazione di Van Deemter

15. B v 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 . HETP (cm) altezza minima C . v A v (cm/sec) velocità ideale (v = √B/C )

16. HETP NELLA HPLC TRADIZIONALE, FAST HPLC, UPLC 10 mm (1970) 30 HPLC 5 mm (1980) 25 HPLC 20 15 3 mm (2000) HETP (mm) FAST HPLC 10 1,7 mm (2004) 5 UPLC 0 0 1 2 3 4 5 6 v (mm/sec)

17. EFFETTI DELL’HETP SULL’EFFICIENZA E SUL TEMPO HPLC mV • 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 1 300 200 100 rrr0 - 25 18 minuti 2 3 4 5 0 2 4 6 8 10 18 t (min) UPLC mV • 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 1 300 200 100 rrr0 - 25 2 1,8 minuti 3 4 5 0 2 4 6 8 10 12 t (min)

18. 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) supportosolido (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 internadella 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.

19. colonne impaccate di vetro glass packedcolumn colonne capillari di silice fusa fused silicacapillary column “Open Tubular”

20. vetro fase stazionaria (supporo+liquido) IMPACCATA “Open Tubular” liquido di partizione silice strato poroso WCOT SCOT PLOT

21. 0,25-0,53 mm (i.d.) 0,1-25 mm (f.t.) • CONFRONTO TRA COLONNE IMPACCATE E CAPILLARI • CARATTERISTICHE CAPILLARI IMPACCATE • WCOT SCOT PLOT MEGABORE • Diametro interno (mm) 0,32-0,53 0,32-0,53 0,32-0,53 0,53 3-6 • Piatti teorici/m 1000-4000 600-1200 2000-4000 2000 500-1000 • Lunghezza massima (m) 150 150 150 10 3 • Piatti teorici totali (N) 300000 150000 450000 20000 3000 • Fase liquida % - - - - 5-10 • Spessore fase liquida (mm) 0,1-0,5 0,1-0,5 15-25 1-10 5-10 • Granulometria supporto (mesh) - - - - 80-120 • Flusso medio (ml/min) 0,5-5,0 0,5-5,0 5-10 0,3-4,0 20-70 • Velocità lineare media (cm/sec) 20-50 20-50 50-100 10-40 10-50 3,0 mm GC-impaccata GC-capillare

22. CLASSIFICAZIONE DEI SOLUTI IN BASE ALLA POLARITA’ • Classe I (molto polari: m > 1,85) • acqua (1,85) H2O • idrocarburi monoalogenati (2,00) R-X • glicoli (2,30) HO-R-OH • amminoalcoli (2,50) H2N-R-OH • acido cianidrico (2,90) HCN • idrossiacidi (3,00) HO-R-COOH • nitroderivati (3,50) R-NO2 • acetonitrile (3,84) CH3COCN • nitrili (4,00) RCN • Classe II (polari: m = 1,40-1,80) • fenoli (1,45) F-OH • ammoniaca (1,47) NH3 • idrocarburi polialogenati (1,54) R-Xn • alcoli (1,70) R-OH • esteri (1,72) R-COOCH3 • acidi grassi (1,74) R-COOH • chetoni (1,80) R-CO-R • aldeidi (1,85) R-CHO

23. Classe III (leggermente o moderatamente polari: m = 0,35-1,30) • idrocarburi olefinici (0,35) CnH2n • idrocarburi aromatici (0,59) (C6H6)n • ammine terziarie (0,67) R3N • cloroformio (1,02) CHCl3 • ammine secondarie (1,03) R2NH • eteri (1,15) R-O-R • idrazina (1,18) H2N-NH2 • ammine primarie (1,24) R-NH2 • ossime (1,30) R-CH=NH • Classe IV (non polari: m = 0) • benzene (0) C6H6 • idrocarburi paraffinici (0) CnH2n+2 • solfuro di carbonio (0) CS2 • tetracloruro di carbonio (0) CCl4

24. POLARITA’ DEI LIQUIDI DI PARTIZIONE • range termico • (bonded e/o cross-linked) • MOLTO POLARI • SUPELCOWAX 10 (polietilenglicole) 20/250°C • DEGS (dietilenglicolesuccinato) 20/250°C • DB-23 (50%cianopropil/50%metilpolisilossano) 20/250°C • POLARI • FFAP (polietilenglicole - modificato acido) 40/300°C • OV 225 (50%cianopropilfenil/50%metipolisilossano) 40/300°C • OV-210 (50%trifluoropropil/50%metilpolisilossano) 40/300°C • XE-60 (25%cianoetil/75%metilpolisilossano) 40/300°C • XF-1150 (50%cianoetil/50%metilpolisilossano) 40/300°C • MODERATAMENTE POLARI • OV-1701 (50%fenil/50%metilpolisilossano) 40/300°C • SE-54 (5%fenil/95%metilpolisilossano) 40/300°C • NON POLARI • OV-1 (100%metilpolisilossano) - 60/350°C • SE-30 (100%metilpolisilossano) - 60/350°C • HP-1 (100%metilpolisilossano) - 60/500°C • Squalano (C30H62) 150°C (non “bonded”)

25. CRITERI GENERALI PER STABILIRE LA POLARITA’ DEI POLISILOSSANI (SILICONI: XE, XF, OV, SE, HP) polarità del liquido di partizione metil- CF3CH2CH2 trifluoropropil- n m fenil- polisilossano cianopropil-