INTRODUCCIÓN A LA CROMATOGRAFÍA DE GASES
Introducción a la cromatografía.
Definición
Principios básicos
Cromatografía de Gases
Campo de aplicación
Partes de un cromatógrafo de gases
LA CROMATOGRAFÍA DE GASES Y SUS
APLICACIONES
INTRODUCCIÓN A LA CROMATOGRAFÍA
Definición
Principios básicos
Definición
“Técnica que permite
separar los componentes
de una muestra debido a
su diferente afinidad
entre dos fases
inmiscibles entre sí, una
estacionaria (liquida o
sólida) y otra móvil (gas
o líquida)”
to
t1
t2
A B
A B
La muestra se introduce en la fase móvil y es
transportada a lo largo de la columna que
contiene una fase estacionaria distribuida.
Las especies de la muestra experimentan
interacciones repetidas (repartos) entre la fase
móvil y la fase estacionaria.
Cuando ambas fases se han escogido de forma
adecuada, los componentes de la muestra se
separan gradualmente en bandas en la fase
móvil.
Los componentes abandonan la columna en
orden creciente de interacción con la fase
estacionaria.
La amplia gama de selección de materiales
para la fase móvil y la estacionaria permite
Clasificación de los métodos
cromatográficos
Cromatograf
ía
Cromatografía de
gases
Cromatografía de
líquidos
Gas – Líquido GLC Gas – Sólido GSC Líquido – Líquido LLC Líquido – Sólido LSC Intercambi o iónico IEC Exclusión EC Casos particulares:Intercambio Iónico: Los componentes iónicos de la muestra se separan por el intercambio selectivo con contraiones de la fase estacionaria
Comportamiento cromatográfico de los
compuestos
• El comportamiento cromatográfico de un componente de una muestra puede describirse de diversas formas:
– VR Volumen de retención
Volúmen de fase móvil necesario para transportar la banda de
un componente desde el punto de inyección, a través de la columna, hasta el detector (en el máximo de pico del
componente)
– tR tiempo de retención
Tiempo necesario para que el componente, una vez inyectado pase a través de la columna y alcance el detector (en el
máximo de pico del componente)
– k´ razón de reparto
Es una medida del tiempo que el componente está en la fase
to
t1
t2
A B
A B
Flujo de fase móvil
tB
A B
tA
A
Señal
tiempo to
t1
t2
tB
k´ razón de reparto
tR – tM VR - VM k´= =
Señal
tiempo to
tB
tA tM
VM
El objetivo de la cromatografía es doble:
•Separar los distintos componentes de la
muestra
•Identificar los componentes previamente
separados
Separar los distintos componentes de la
muestra
Selectividad y eficiencia
Buena selectividad
Identificar los componentes previamente
separados
• Selección de detectores adecuados que permitan el análisis cualitativo.
– La selección de un detector está relacionada con la naturaleza de las sustancias a determinar.
– Los componentes de una muestra se identifican por su tiempo de retención
– Se pueden emplear técnicas que aporten una mayor información sobre la naturaleza de los componentes: Acoplamiento con Espectrometría de Masas
• Análisis Cuantitativos basados generalmente en la integración del área bajo los picos.
– Calibración con patrones o estándares: Si se realizan determinaciones cromatográficas de muestras de concentración conocida de alguno de sus componentes, se puede realizar una recta de calibrado y
posteriormente el análisis e integración de una muestra de concentración desconocida del citado componente permitirá la cuantifcación del mismo.
Cromatografía de Gases
“Es la técnica a elegir para la separación de compuestos orgánicos e inorgánicos térmicamente estables y volátiles”
• Un cromatógrafo de gases consiste en el acoplamiento de varios módulos básicos ensamblados para:
– Proporcionar un flujo constante de gas portador
– Permitir la introducción de vapores de la muestra en la corriente de gas que fluye
– Contener la longitud apropiada de fase estacionaria – Mantener la columna a la temperatura apropiada (o la
secuencia del programa de temperatura)
– Detectar los componentes de la muestra a medida que eluyen de la columna
Sistema de inyección
El modo estándar es la inyección directa, la
muestra es inyectada con una jeringa a través de un septum de goma a un
alineador de vidrio donde es vaporizada y
transportada por el gas al interior de la columna.
El bloque de inyección, se mantiene a una
temperatura tal que permita convertir
prácticamente de forma instantánea la muestra líquida en un tapón de vapor.
Existen jeringas especiales para muestras gaseosas. También se puede emplear un lazo o bucle para
Sistema de inyección
El modo de separación más extendido en la actualidad se basa en el empleo de columnas capilares. Estas columnas requieren muy pequeños volúmenes de muestra.
Esto se logra empleando un inyector que incorpora un divisor de flujo (split).
Normalmente se introduce en la columna un 1%
Cuando las sustancias a separar se encuentran a muy bajas concentraciones se realiza inyección sin
Sistema de inyección
Para el análisis de
compuestos orgánicos volátiles en muestras
sólidas y líquidas, se han desarrollado algunas
técnicas auxiliares:
Espacio de cabeza (Head space)
Espacio de cabeza (Head space)
Se analiza la fase de vapor en equilibrio
termodinámico con la muestra en un sistema cerrado.
Para ello se procura un equilibrio estable,
mediante el control de la temperatura del vial que contiene la muestra.
Posteriormente, se arrastra la fase vapor al interior del cromatógrafo.
T equilibrio
Purga y trampa (Purge and trap)
Es aplicable solo a muestras líquidas. Consiste en la continua renovación del gas en equilibrio con la muestra, con lo que se consigue el
desplazamiento dinámico de los compuestos volátiles de la muestra líquida a la fase gaseosa.
Los vapores se arrastran a una
trampa donde quedan retenidos y se van concentrando.
Finalizado el proceso se calienta la trampa y se arrastran los vapores al interior del cromatógrafo.
T
1) Gas portador
trampa T baja
T
2) Gas portador
trampa T alta
Columnas cromatográficas
Columnas capilares
Columnas
Columnas cromatográficas empacadas
Se construyen con tubo de
acero inoxidable, niquel o vidrio.
Los diámetros interiores van de
1,6 a 9 mm.
La longitud suele ser inferior a
los 3 m.
Columnas cromatográficas capilares
Se construyen con sílice fundida.
Los diámetros interiores suelen ser de 200-250
m.
La longitud suele ser superior a los 20 m.
Hay dos tipos:
Empacadas con partículas sólidas ocupando el total del diámetro de la columna (micro-empacadas)
Tubulares abiertas, con trayectoria para el flujo
Ejemplos de fases estacionarias en cromatografía
de gases
Separaciones por punto de ebullición de
compuestos en un intervalo amplio de pesos
moleculares:
Escualano
Polidimetilsiloxano
Para hidrocarburos insaturados y otros
compuestos
polidifenildimetilsiloxano
policarboranometilcianoetilsilicón
Para compuestos nitrogenados
poliamida
policianoetilmetilsilicon
Para alcoholes, ésteres, cetonas y acetatos
polietilenglicol
• Las columnas cromatográficas se enrollan, se sujetan
en un soporte y se introducen en el interior de un horno
• El horno debe poderse calentar y enfriar rápidamente
• La temperatura se debe poder programar para poder
trabajar en régimen de gradiente
• Muchas aplicaciones y métodos cromatográficos
requieren comenzar a temperaturas por debajo de la
ambiental
T1
T2> T1
Características ideales de un detector para
Cromatografía de Gases:
Sensibilidad alta y estable; típicamente
10-8g soluto/s
Bajo nivel de ruido
Respuesta lineal en un amplio rango dinámico
Tiempo de respuesta corto
Buena respuesta para toda clase de compuestos
orgánicos
Insensibilidad a las variaciones del flujo y la
temperatura
Estabilidad y robustez
Simplicidad en su operación
Identificación de compuestos positiva
Técnica no destructiva
Pequeño volumen en prevención del mezclado de
componentes
Sistemas de detección
Detector de ionización de llama (FID) Este detector añade hidrógeno al
eluyente de la columna.
La mezcla pasa a través del
conducto de un mechero, donde se mezcla con aire externo y luego arde.
Cuando entra en la llama material ionizable del eluyente de la columna Se quema y la corriente aumenta notablemente.
Este detector es ideal para compuestos oxidables.
Sistemas de detección
Detector de conductividad térmica (TCD) Utiliza un filamento caliente
colocado en el flujo de gas emergente.
La cantidad de calor por conducción que pierde el
filamento hacia las paredes del detector depende de la
conductividad térmica de la fase gaseosa.
Es útil para determinar la
presencia incluso de pequeñas cantidades de materiales
orgánicos que producen una reducción relativamente
Sistemas de detección
Detector de captura de electrones (ECD)
El eluyente pasa entre dos electrodos.
Uno de los electrodos tiene en su superficie un radioisótopo que emite electrones de alta energía conforme decae.
Los electrones bombardean el gas portador (N2) formándose un plasma que contiene iones positivos, radicales y
electrones térmicos.
Se aplica una diferencia de potencial de modo que se recolectan los electrones generados.
Los compuestos que absorben electrones reaccionan con los electrónes térmicos
Sistemas de detección
Detector de espectroscopía de masas (MS)
Los eluyentes son ionizados y fragmentados.
Los iones resultantes se dirigen a través de un
cuadrupolo y se ordenan en función de su masa.
Ese detector permite obtener el espectro de masas del
compuesto que ha eluido. Podemos por tanto conocer, además del tiempo de
retención el espectro de masas del compuesto y
contrastarlo con bibliotecas de espectros.
Polaridad
Basándose en la polaridad de la fase
estacionaria y la fase móvil, se distinguen los
siguientes métodos de cromatografía líquida:
Polaridad de la fase estacionaria
Polaridad de la fase móvil iónico
polar
no polar
no polar polar iónico
Cromatografía en fase normal
Cromatografía en fase reversa
El intercambio iónico como
mecanismo de separación
La gran mayoría de las separaciones por cromatografía iónica ocurren por intercambio iónico sobre fases
estacionarias con grupos funcionales cargados. Los
correspondientes contraiones del eluyente se localizan en la vecindad de los grupos funcionales y se intercambian con iones del analito de la misma carga en la fase móvil. Para cada ion el proceso de intercambio se caracteriza por un equilibrio de intercambio iónico correspondiente, que determina la distribución del analito (M+ ó A-) entre la fase
móvil y la fase estacionaria:
f.m. f.e.f.m. f.e. A
E
A
E
A
K
A- es el ion del analito
E- es el ion del eluyente (contraion)
. e . f . m . f . m . f . e .f
A
E
A
El intercambio iónico como
mecanismo de separación
El grupo más importante de intercambiadores iónicos son los basados en resinas sintéticas hechas de un copolímero de
estireno y divinilbenceno.
Los intercambiadores catiónicos se obtienen por posterior sulfonación de esta resina de estireno-divinilbenceno. Los
intercambiadores aniónicos por posterior clorometilación seguida de aminación.
Cromatografía iónica
También llamada cromatografía de intercambio iónico,
determina iones inorgánicos y orgánicos, normalmente por conductividad.
Se utilizan dos tipos de técnicas en la práctica:
•Supresión química, en la que la conductividad de fondo se
suprime tanto química como electrónicamente. Normalmente utilizada en aniones.
•Supresión electrónica, en la que se emplean eluyentes con sales de ácidos orgánicos en baja concentración sobre
intercambiadores de iones de muy baja capacidad para
Se basa en el uso de sales de ácidos débilmente disociables (NaHCO3, por ejemplo) como eluyentes. Estos eluyentes se pueden eliminar en gran medida mediante una reacción post-columna de acuerdo con el siguiente proceso
El ácido carbónico formado como resultado del intercambio catiónico se disocia muy débilmente, por lo que aporta poca conductividad.
Por otro lado, los iones de la muestra sufren la reacción correspondiente. Por ejemplo, para el cloruro
El proceso de supresión convierte el NaCl al correspondiente ácido fuerte, el cual tiene una mayor conductividad que la sal original. Cuanto menor fuerza tenga el ácido producido, el incremento en sensibilidad debido a la supresión química será menor.
Supresión química
Sin supresión química Eluyente: ácido ftálico
Con supresión química Eluyente: HCO3-/CO
3
Detección por conductividad
La conductividad es una medida de la capacidad que tienen las disoluciones de electrolitos para transportar la corriente por migración iónica en un campo eléctrico aplicado entre dos electrodos.
La conductividad (κ) es directamente proporcional a la
concentración para disoluciones diluidas, siguiendo la relación
Donde
Λ es la conductividad equivalente en Scm2mol-1
c(eq) es la concentración equivalente en eq/l o normalidad
Detección UV/
VIS
•Directa: Se usa en la determinación de iones que absorben
fuertemente en el rango UV (nitrito, nitrato y aniones
orgánicos, p.e.) en presencia de altas concentraciones de iones inorgánicos (cloruro, fosfato y sulfato, p.e.) que tienen escasa o nula absorción UV.
•Indirecta: Se utiliza con eluyentes de alta absorción UV
(ftalato, p.e.). De este modo, los iones con menor actividad UV que el eluyente darán picos negativos y los iones con mayor actividad UV que el eluyente darán picos positivos.
•Con reacción post-columna: Usada en la detección de metales
Detección electroquímica
Se utiliza ocasionalmente. Requiere que los iones a determinar sean susceptibles de oxidarse o reducirse. Entre ellos hay muchos
compuestos orgánicos (azúcares y aminas, p.e.), metales de
transición y aniones como nitrito, nitrato, haluros, sulfuro, cianuro, sulfito y sulfato.
Hay cuatro técnicas diferentes :
•Amperometría: Medida de la corriente a potencial constante
•Culombimetría: Medida de la corriente a potencial constante con
100% de conversión del analito
•Voltametría: Medida de la corriente frente al potencial en un rango
definido de potencial
•Amperometría de pulsos: Medida de la corriente a pulsos de
Estado, cantidad y preparación de
muestras
•Los líquidos que sean acuosos o miscibles en el agua se pueden analizar directamente. Los líquidos, sólidos y
gases inmiscibles en agua deben ser extraídos o disueltos en disolución acuosa antes del análisis.
•El volumen típico a analizar es de 5 a 200 µl, aunque se puede partir de volúmenes tan grandes como 100 ml, utilizando técnicas de preconcentración cromatográficas cuando se requiera una mayor sensibilidad.
