CROMATOGRAFÍA DE GASES (UNA TÉCNICA DE SEPARACIÓN)

CROMATOGRAFÍA DE GASES

(UNA TÉCNICA DE SEPARACIÓN)

Cromatógrafo

Cromatograma

ESQUEMA DE UN CROMATÓGRAFO

Regulador Dos Pasos

Cilindro de Gas

Gas Portador

Puerto de inyección

Columna

Detector

Registrador

REQUISITOS DEL GAS PORTADOR

1. Puro (seco)

2. Inerte

3. Compatible con el

detector

Detector Gas Portador Conductividad Helio

Térmica(TC)

Ionización de Nitrógeno o Flama (FID) Helio

Captura de Nitrógeno (muy seco) Electrones (EC) (Libre de Oxígeno)

o

Argón, 5% Metano

GASES PORTADORES

PREFERIDOS

EFECTO DEL FLUJO SOBRE LA EFICIENCIA

Region

Eficiencia de la

Columna

Máxima Eficiencia

Flujo Óptimo

JERINGA ANALÍTICA

Refuerzo del émbolo

Guía de protección del émbolo ^barril

Aguja

JERINGAS ANALÍTICAS

TAMAÑOS DE MUESTRA TÍPICOS

Tipo de columna Líquido(l) Gas (ml) 1/4" Empacada 1-10 1-5 1/8" Empacada 0.1-2 0.1-1.0

0.25mm 0.01-1.0 0.1 Capilar con Splitter

Las cantidades dependen del tipo de columna, detector

y objetivo del análisis

1. Columna empacada - A) vaporización Flash B) On-Column

2. Introductores capilares

3. Válvula de muestreo de gases

INTRODUCCIÓN DE MUESTRAS

Split

Splitless tipo Grob

Directa

Split y Splitless

Split

Vaporiza y elimina la mayor parte de la muestra al venteo

Splitless

Vaporiza y transfiere la mayor parte de la

muestra a la columna; usa “cold trapping” y efecto de solvente para enfocar la banda

Se usa el mismo inyector

Inyector

“SPLIT-

SPLITLESS”

Modo Split

• Se usa para muestras concentradas ppm y más

• Inyector caliente;

vaporiza la muestra

• Mezclado con gas portador

• Usa válvula de purga para dividir (split) la muestra

•La relación de split crítica

• Poner una fracción de la

Inyección SPLIT

Alta temperatura

Velocidad lineal alta Transferencia rápida La mayor parte de la

muestra se pierde Relación de Split muy

importante

Geometría del “Liner”

Determinación clásica del Split

Mida el flujo de la columna a partir de t _m

F

= r

L/t

Mida el flujo de la purga

Fs

Split Ratio = F s ^{/ F} c

¿Cuales son los problemas con estas mediciones?

¿Realmente sabemos cuanto inyectamos?

¿Realmente importa saber el volumen inyectado?

Determinación moderna del Split

Los sistemas EPC miden presión y flujos El flujo en la columna se calcula de las

condiciones del inyector y las dimensiones de la columna

El flujo de purga se ajusta al valor

deseado

Ecuaciones de Flujo

Ventajas inyectores Split

Tamaño de muestra reducido (bandas estrechas)

Flujo rápido en el inyector (bandas estrechas)

Muestras sucias OK

Simple de operar (CG isotérmica) Inyecta muestras “limpias”

Excelente acoplamiento

Desventajas inyectores Split

División no lineal

Se pierden altos pesos moleculares

Degradación Térmica

Las superficies metálicas calientes promueven reacciones

Discriminación en la jeringa caliente Análisis limitados

Detección de ppm con FID

Técnicas de Inyección Split

• Jeringa llena

• Jeringa fria

• Jeringa caliente

• Barrido con disolvente

Discriminación en Split

Resumen – Inyector Split

Simple

Técnica de vaporización en caliente Discriminación en inyección (usar

automuestreadores) Discriminación del liner

Usar lana de vidrio (desactivada) Geometría del liner crítica

Mejor para muestras concentradas o puras

ppm´s o más

Inyector

“SPLIT-

SPLITLESS”

Modo Splitless

• Se vaporizar la muestra en el inyector caliente

• Se mantiene cerrada la válvula de split por unos cuantos segundos

• Se abre la válvula con el split seleccionado 10:1 a 200:1

• Con ello se logra ingresar una mayor cantidad de

muestra a la columna y se

Inyector Splitless

Se inyecta la muestra en caliente y sin purga 95% de la muestra entra a la columna

Mismo “hardware” que en split excepto el liner

Mas variables

disolvente, tiempo splitless, temperatura de columna

Se abre la válvula de purga después de un tiempo corto

Mas sensibilidad

INYECCIÓN SPLITLESS

Alta temperatura

Baja velocidad lineal Transferencia lenta

Muestra + Solvente a la columna

Muchos factores

importantes

Etapas Inyección Splitless

Válvula de purga cerrada; columna fría Se inyecta la muestra

La inyección rápida del automuestreador mejor

El flujo en el inyector es lento;

transferencia lenta a la columna fría Después de 30-60 seg, se abre la

válvula de purga- limpieza del inyector

Se usa programación de temperatura

ENSANCHAMIENTO DE BANDA

Tiempo

Espacio (efecto del solvente)

Enfoque térmico

Grob, K., Split and Splitless Injection in Capillary GC, Huthig, 1993, pp. 19-29, 322-36.

Tiempo Espacio

Enfoque

Mecanismos de Enfoque de Banda

Inyecciones Splitless involucran una

transferencia lenta a la columna ---> los primeros picos son anchos

Se requiere enfoque

Trampa fría

Efecto de solvente

Inyector

“Cool on Column”

La temperatura inicial de la

columna es lo suficientemente baja como para

“congelar” los

analitos en la

columna.

INYECTOR “ON-COLUMN”

Remplace frecuentemente el septum (~ 50 inyecciones)

Aguja Jeringa

Columna

Gas portador

Septum

Lana de vidrio Bloque

Caliente

0.35 mm

< 0,25 mm

TEMPERATURA INICIAL

40

C 20

C 0

C

-20

C -40

C

hexano, heptano 500 ppb

10 min extracción Fibra: PDMS 100 m

Linermm^oC Pinj: 1 bar(g)

Efecto de Solvente

El solvente se re-condensa en la columna

Un tapón de líquido

Empezar con la columna de 30-50°C por abajo del punto de ebullición del

solvente

Efecto de Solvente

Efecto de Solvente

Re-enfoca compuestos moderadamente volátiles cerca de la entrada de la

columna

Se requiere que el disolvente “moje” la fase estacionaria

Uso de disolventes no polares con fases

estacionarias no polares, etc.

TEMPERATURA INICIAL DE LA

COLUMNA Y EFECTO DE SOLVENTE

0 20

TIEMPO (min)

0 20

TIEMPO (min)

40

C 60

C

INYECCIÓN DIRECTA CAPILAR Sólo con películas gruesas o

megaboro

El propósito simplicidad y grandes cantidades de muestra

La banda de soluto debe re-

enfocarse (temp)

TEMPERATURA DEL INYECTOR REAL

Valor 350^oC Distancia

del septum (mm)

Temperatura del Gas Portador (^oC)

TEMPERATURA DEL INYECTOR

CROMATOGRAMAS

70000

40000

250^oC

100^oC

1. octano 2. decano 3. tridecano 4. tetradecano 5. pentadecano HP 5890-5972 Pinj = 5.0 psi

HP5 30m x 0.25mm x 0.25 mm

Transfer: 280^oC 1

2

3 4 5

TP: 40^oC inicial, 1 min, 10^oC/min

PRESIÓN DE ENTRADA

La velocidad lineal del gas se incrementa

Inyector Columna

Incrementa temperatura de punto de

ebullición del analito

PULSO DE PRESIÓN

Incrementa la presión solo durante la inyección

Tiempo (min)

Presión (kPa)

50 150

0.75

Tiempo de Purga “ON”

20

PULSO DE PRESIÓN

sin Pulso

pulso de

2

3 4 5 1. octane

2. decano 3. tridecano 4. tetradecano 5. pentadecano HP 5890-5972 Pinj = 5.0 psi

HP5 30m x 0.25mm x 0.25 mm

Transfer: 280^oC

Presión incrementada a 15 psig durante el periodo splitless 20000

40000

OPTIMIZACIÓN

INYECCIÓN SPLITLESS

Puede ser difícil

Minimizar el tiempo de transporte (alta velocidad lineal)

Maximizar enfoque térmico (baja temperatura inicial de la columna)

Maximizar “efecto de solvente” (baja temperatura inicial de la columna)

La naturaleza química sigue siendo un factor

REFERENCIAS

Grob, K. Split and Splitless Injection in Capillary GC, 3rd. Edition, Wiley, 1995.

Klee, M.S., GC Inlets: An Introduction, Hewlett Packard, 1991.

Stafford, S.S., Electronic Pressure Control in Gas Chromatography, Hewlett Packard, 1993.

http://www.gerstelus.com - A primer on GC

injection techniques

VÁLVULA DE MUESTREO DE GASES

Gas Portador A la columna

Muestra

Posición de carga Posición de Inyección A la columna

Loop de Muestra

Gas Portador

COLUMNAS CAPILARES Y EMPACADAS Soporte Sólido

Fase Líquida

1/8" OD 0.25 mm ID

Capilar o

COLUMNA DE CG (EMPACADA)

FASE MÓVIL (Gas acarreador)

FASE ESTACIONARIA

COLUMNA EMPACADA

Gas

Portador

Acero Inoxidable Fase Estacionaria

Fase líquida Soporte Sólido

(5 o10% en peso)

La separación depende de la distribución de las

moléculas entre el gas y la fase líquida

COLUMNAS EMPACADAS - REVISIÓN

Largo 3,6 o 12 Ft

1/4 y 1/8 pulgada de D.E.

Acero Inox. o vidrio

Fáciles de fabricar y usar

Una gran variedad de fases líquidas Un número modesto de platos

(8000 Máximo)

COLUMNAS CAPILARES

(WCOT-WALL COATED OPEN TUBULAR)

DI's 100, 250, 320, 530  ^m

Tubo

Silica Fundida

Fase Líquida

0.2 - 5  ^m

Support CoatedSCOT

Open Tube Porous LayerPLOT

Open Tube Wall CoatedWCOT

Open Tube

polyimide coating

stationary phase fused silica

capillary

Packed Columns

Length: <2m

Diameter: 1/8” & ¼” OD Capillary Columns

Length: 10m to 100m

Diameter: 180um, 250um, 320um & 530um I.d

CAPILARES/ OPEN TUBULAR COLUMN

Columna Capilar de 100 Metros

Tubo

Abierto

WCOT- WALL COATED OPEN TUBULAR

Tubo de sílica fundida

Fase estacionaria

WCOT-MEJOR RESOLUCIÓN

Espesor de película: 0.1 a 5.0 m

ID: 0.10, 0.25, 0.32, 0.53 mm

OTROS TIPOS DE COLUMNAS CAPILARES

Fase Líquida Soporte

SCOT

NO DISPONIBLE EN SÍLICA

FUNDIDA

Adsorbent e Poroso

PLOT

MOLECULAR SIEVE,

ALUMINA, PORAPAK Q

Alta fuerza tensil Flexible

Recubrimiento de poliimida Muy inertes

COLUNAS DE SÍLICA

FUNDIDA

Capilares vs Empacadas

Largo 60 metros 2 metros

Platos Teóricos 3,000-5,000 2000 (N/m)

Número Total 180-300 K 4000 Largo x N/m

CAPILAR EMPACADA



PACKED COLUMN -- ECD

0 60

minutos

R

AROCHLOR 1260

ISOTHERMAL @ 210° C 1500 THEORETICAL

PLATES

COLUMNA CAPILAR

0

2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00 500000

1000000 1500000 2000000 2500000 3000000 3500000 4000000 4500000 5000000 5500000 6000000 6500000

Time-->

Abundance

TIC: M3.D

2.34

3.02 3.45 3.89

5.42

7.24 7.44

8.17 8.84 10.01 10.55 10.68

10.89

11.09 11.73

13.27 14.45

14.64

15.28 15.73 17.32 17.62 17.87 17.99

18.54 19.09

19.19 19.51 19.59 20.42

20.80

20.91 21.80

22.03 22.10 22.53

22.62 22.79

22.94

23.21 23.32 23.83

24.01

24.16 24.47

24.73

25.06 25.40

25.64 26.16

Cromatograma de Propóleo Fluído

PARÁMETROS IMPORTANTES

1) Diámetro interno 2) Largo

Fase estacionaria:

3) Espesor de película 4) Composición

5) Flujo

DIÁMETRO DE LA COLUMNA

DIAMETRO INTERNO RESOLUCIÓN TIEMPO CAPACIDAD FACIL

100 m

250 m 320 m

530 m

Muy Buena

Muy

Buena

Razonable

Buena Buena Buena Buena

Razonable Buena Muy Buena

Muy Buen a

Razonable

COLUMNAS CAPILARES DE 100 µm I.D.

• Alta velocidad

• Mejor resolución (500,000 platos en 50m)

• Poco sangrado

• Equipos de GC capilares

LARGO DE LA COLUMNA

N

L R

t L

L

R 





LARGO DE LA COLUMNA

LARGO DE LA COLUMNA RESOLUCIÓN TIEMPO Larga

(60-100 M)

Alta Lento

Corta (5-10 M)

Media

Moderada Rápida

Intermedio/Bueno para

ESPESOR DE LA FASE ESTACIONARIA

0.25 m

• 0.25m – USO GENERAL

• INTERMEDIA ENTRE

RESOLUCIÓN Y CAPACIDAD

• TEMPERATURAS PRÁCTICAS CON POCO SANGRADO

• SE PUEDEN OPTIMIZAR PARA

TIEMPO Y RESOLUCIÓN

PELÍCULAS GRUESAS- FASE ESTACIONARIA

1.0 m

VENTAJAS

• LOS VOLÁTILES SE RETIENEN MAS

• AUMENTO DE LA CAPACIDAD PARA GC/MS, GC/IR

DESVENTAJAS

• MENOS EFICIENTE

• SE REQUIERE DE TEMPERATURAS ALTAS -- RUIDO

• MAYOR SANGRADO

GAS NATURAL

WCOT CP-Sil 8 CB

ESPESOR: 5 m

TEMPERATURA: 40 C (1 min);

40° C to 200° C, 5°

C/min

1. metano 2. etano 3. propano 4. n-butano

|

|

|

|

14. benceno

o

PELÍCULAS DELGADAS- FASE ESTACIONARIA

0.2 m

VENTAJAS

• MAYOR EFICIENCIA

• MENOR TEMP. DE ELUCIÓN (Menos sangrado)

• ANÁLISIS RÁPIDOS DESVENTAJAS

• MENOR CAPACIDAD

• LIMITACIONES ANÁLISIS DE TRAZAS

PELÍCULA DELGADA/ALTA RESOLUCIÓN

COLUMNA: 10 M x 200 m ID 0.2 m film OV-101 GAS: He, 40 cm/sec

MUESTRA: 1.5 l, split 200:1

REFRESCANTE DEL AMBIENTE

REQUISITOS DE LAS FASES ESTACIONARIAS

• ALTA SELECTIVIDAD

• BAJO SANGRADO – ESTABILIDAD A ALTA TEMPERATURA

• REPRODUCIBILIDAD – ESTABILIDAD

QUÍMICA CON EL TIEMPO

FASES ESTACIONARIAS

TIPOS MÁS COMUNES OV-17 OV-1

CH ₃ ( Si-O ) _n

CH ₃

( Si-O ) _n

CH ₃

FASE DE GOMA DE POLISILOXANO LAS MAS ÚTILES (TÉRMICAMENTE ESTABLE): OV-1, SE-30, SE-52, SE-54, OV-17, OV-1701, OV-225

FASES

ESTACIONARIAS

TIPOS MÁS COMUNES

( O-CH -CH )

2

2 n

CARBOWAX

FASES ENTRECRUZADAS

Si

O

O O

Si Si

O

O O

Si Si BO Entrecruzado

Cadena

•MAS ESTABLES SE PUEDEN LAVAR CON SOLVENTES

•TIEMPOS DE VIDA

MÁS LARGOS

URVAS DE GOLAY PARA N ₂ , H ₂ , He

RESUMEN—COLUMNAS CAPILARES

BO ABIERTO

CA FASE UIDA(~ 10

TUBO DE D.I.

QUEÑO

VENTAJAS LIMITACIONES

NINGUNA

• ^FLUJOS

BAJOS

• CONECTORES ESPECIALES

• ^MUESTRA

• BAJA CAIDA DE PRESIÓN

• MAYOR LARGO

• ^{MAS PLATOS}

• MÁS EFICIENTE

• ^{TIEMPO DE}

RETENCIÓN CORTO

• ^RÁPIDOS

RESUMEN—COLUMNAS CAPILARES

VENTAJA S

LIMITACIONES

NERAL

• ^CARAS

• ^EQUIPOS

ESPECIALES

• SEPARACIONES IMPOSIBLES CON EMPACADAS

• RÁPIDAS Y MEJOR

RESOLUCIÓN

GUIAS PARA SELECCIÓN DE COLUMNAS

SPESOR

ELÍCULA(m) ÁMETRO

TERNO (m) ARGO M)

LATOS K)

LUJO

ALTA

RESOLUCIÓN

TIEMPO MAS

CAPACIDAD

0.25 0.25 1.0-5.0

250 100 530

25-50 5-10 15-30

90-180 10-20 15-45

BAJO ALTO MODERADA

PRESIÓN EN LA COLUMNA

(psi, H _e o H ₂ )

rgo (m) Columna D.I. (mm)

___________ _______ ________________________________________

0.20 0.25 0.32 0.53

0 12 6 3 2

5 30 12 8 4

GRÁFICOS DE GOLAY

P

Columna empacada Capilar Gruesa

Capilar Delgada

COLUMNAS CAPILARES

Largo de 5 a 100 metros 100 a 530 m D.I.

Silica fundida (recubrimiento de poliimida )

Separaciones muy eficientes (100,000

DETECTORES DE CG

. Detector de Ionización de Flama (FID)

. Detector de Conductividad Térmica (TCD)

. Detector de Captura de Electrones (ECD) Muy Sensible ~ 100 ppb

Aplicable sólo a compuestos orgánicos Universal-todos los compuestos

Sensibilidad Moderada ~ 10 ppm

El más sensible ~ 10 ppb

Detector de Ionización

de Flama

FID

400°c Límite de

N

o He Gas portador

excelente Estabilidad

1 a 10

Linearidad

Selectivo sólo orgánicos Respuesta

10

a 10

g/seg (~50 ppb)

Cantidad Mínima Detectable (CMD)

Ionización de Flama FID

Detector de

Conductividad Térmica

TCD

400°c Límite de

Temperatura

H

o He Gas portador

buena Estabilidad

1 a 10

Linearidad

Universal Respuesta

10

g/seg (~10 a 1 ppm) Cantidad Mínima

Detectable (CMD)

Conductividad Térmica TC

Detector de Captura

de

Electrones

ECD

325°c Límite de

H

o He Gas portador

razonable Estabilidad

1 a 10

Linearidad

Selectivo a compuestos electronegativos

Respuesta

10

g/seg (~10 a 1 ppm) Cantidad Mínima

Detectable (CMD)

Captura de electrones ECD

Detector de Nitrógeno-

Fósforo

NPD

300°c Límite de

N

o He Gas portador

razonable Estabilidad

1 a 10

Linearidad

Selectivo a compuestos con Nitrógeo o Fósforo

Respuesta

10

g/seg (~10 a 1 ppm) Cantidad Mínima

Detectable (CMD)

Detector de Nitrógeno y Fósforo NPD

Detector de Fotométrico

de Flama

FPD

350°c Límite de

Temperatura

N

o He Gas portador

buena Estabilidad

1 a 10

Linearidad

Selectivo a compuestos con Azufre o Fósforo

Respuesta

10

g/seg Fósforo =525nm 10-

g/seg Azufre =394nm

Cantidad Mínima Detectable (CMD)

Detector Fotómetrico de Flama FPD

Comparación de Sensibilidad

LINEALIDAD DEL DETECTOR

Respuesta lineal máxima

UIDO Y DERIVA DEL DETECTOR

ido de alta frecuencia

ido baja frecuencia

riva y ruido de baja frecuencia

Curva de calibración

Comparación de métodos

FACTOR DE RESPUESTA

PENDIENTE = BD / AB

C

PENDIENTE = BC / AB D

.

R espues ta

DIAGARAMA DE BLOQUES DE CG (ZONAS CALIENTES)

DIAGARAMA DE BLOQUES DE CG (ZONAS CALIENTES)

Puerto de

Inyección Columna

Sistema

Caliente para Vaporizar SPL

Caliente para

Caliente para Controlar t_R

Registrador

Detector Gas

Portador

EFECTO DE LATEMPERATURA DE LA COLUMNA

0 4 8 12 16 18 20

C - 8

130° C

C -12

C - 8 C -12

110°

Isómeros Octano

n-C-8

C -10 C -11

75° C

C -12

C

CG ISOTÉRMICO

Temperatura de la columna constante con respecto al tiempo.

ISOTÉRMICO Temp.

Columna

SEPARACIÓN ISOTÉRMICA (Hidrocarburos)

Isotérmico 130° C

C7

C8

C10

C9

C11 C12 C13

C14

C15

CG CON PROGRAMACIÓN DE TEMPERATURA

mperatura umna

TPGC

4° C / min.

200

150

100

Cambio controlado de la temp. con respecto al tiempo

SEPARACIONES CG CON TP

Programación de temperatura

75-200 C

C5C7C8

C9

C10 C11 C12 C13 C₁₄

C₁₅

C₁₆ C₁₇

C₁₈

C₁₉

C₂₀ C₂₁

VENTAJAS DE LA

CG CON TEMPERATURA PROGRAMADA

Muestras que son mezclas complejas Análisis mas rápidos (más de 20 picos)

Mejor definición de compuestos con alto p.e, o compuestos traza que eluyen tarde

Desarrollo de métodos más rápido

Más versátil, Cromatografía Estable

INTEGRADOR Y PRINTER/PLOTTER

Detector

CG A/D Micro -

Procesador Pulsos

PK TIEMPO A% CONC

1 1.87 3.06 2.98

2 2.41 3.50 3.42

3 3.16 4.68 4.59

1.87

2.41

3.16

Sistema de Datos

PRINTER / PLOTTER Fácil de Usar

COMPUTADORA

Flexible, Poderosa