LA CROMATOGRAFÍA DE GASES Y SUS
APLICACIONES
22 DE OCTUBRE DE 2007
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
INTRODUCCIÓN A LA CROMATOGRAFÍA
Definición
Principios básicos
Flujo de fase móvil
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
A B
t1
A
t2
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 separar moléculas que difieren muy
poco en sus propiedades físicas y químicas.
Clasificación de los métodos cromatográficos
Cromatografía
Cromatografía de gases
Cromatografía de líquidos
Gas –Líquido
Gas –Sólido
Líquido –Líquido
Líquido –Sólido
GLC
GSC
LLC
LSC
Intercambio
iónico
Exclusión
EC
IEC
Casos particulares:
Intercambio Iónico: Los componentes iónicos de la muestra se separan por el
intercambio selectivo con contraiones de la fase estacionaria
Exclusión: La fase estacionaria proporciona una clasificación de moléculas
basada en la geometría y el tamaño molecular
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
estacionaria en relación con el tiempo que está en la fase móvil
Flujo de fase móvil
Señal
to
to
A B
t1
t1
A
B
t2
t2
A
B
tB
tB
A
tA
tA
tiempo
Señal
to
k´ razón de reparto
tR – t M
VR - VM
k´=
=
tM
VM
Donde tM es el tiempo de retención de
un compuesto que no interaccionara con
la fase estacionaria y tR es el tiempo de
retención del compuesto de interés. Lo
mismo se puede expresar en relación con
Los volúmenes de retención.
tB
tA
tiempo
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
Eficiencia baja
Baja selectividad
Buena eficiencia
Buena selectividad
Buena eficiencia
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.
– Estándar interno: Permite que varíen las condiciones de operación
entre muestra y muestra.
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
– Proveer una señal legible proporcional en magnitud a la
cantidad de cada coomponente
Cromatografía de Gases
Cromatografía de Gases
Cromatografía de Gases
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 incoporar las muestras
gaseosas al flujo de gas portador
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 divisor (splitless)
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)
Purga y trampa (Purge and trap)
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
Gas portador
A la columna
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.
1) Gas portador
2) Gas portador
trampa
trampa
T baja
T
T alta
T
A la columna
Columnas cromatográficas
Columnas capilares
Columnas Empacadas
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.
Se rellenan de un material adsorbente
adecuado a las sustancias que se quiere
separar.
Columnas cromatográficas capilares
Se construyen con sílice fundida.
Los diámetros interiores suelen ser de 200-250 mm.
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 abierta y sin
restricción por el centro de la columna
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
pentaeritritol tetracianoetilado
Horno
• 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
Horno
T1
T 2> T 1
Sistemas de detección
Características ideales de un detector para Cromatografía de Gases:
Sensibilidad alta y estable; típicamente 10-8 g 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.
No responde a los compuestos de
carbono totalmente oxidados, como
carbonilos o carboxilos y grupos éster
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 grande
en la conductividad térmica del
eluyente de la columna.
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 disminuyendo la
corriente del detector, la cual es
medida y permite la cuantificación
Sistemas de detección
Los eluyentes son ionizados y
fragmentados.
Detector de espectroscopía de masas (MS)
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.
Se trata por tanto de un detector
universal para la mayoría de los
compuestos conocidos.
Cromatografía Iónica
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
Cromatografía en
fase normal
iónico
Cromatografía en
fase reversa
polar
Cromatografía de pares iónicos
Cromatografía iónica
no polar
no polar
polar
iónico
Polaridad de la
fase móvil
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:
A   E 

A   E 

KA


f.e.



f.m.

f.m.

E f .e .  A f . m .  E f . m .  A f .e .
f.e.
A- es el ion del analito
E- es el ion del eluyente (contraion)
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.
Intercambiador catiónico
Intercambiador aniónico
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 alcanzar
una conductividad de fondo relativamente baja, que puede ser
suprimida directamente por medios electrónicos.
Supresión química
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
Eluyente - bomba
Inyección de
muestras
Separación
Supresión
Detección
Sin supresión química
Eluyente: ácido ftálico
Con supresión química
Eluyente: HCO3-/CO3-
Aniones
Cationes sin supresión química
Eluyente - bomba
Inyección de
muestras
Separación
Supresión
Detección
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

  c ( eq )
1000
Donde
Λ es la conductividad equivalente en Scm2mol-1
c(eq) es la concentración equivalente en eq/l o normalidad
Eluyente - bomba
Inyección de
muestras
Separación
Derivatización
Detección
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 de transición (Fe, Ni, Cu, Mn y Zn, p.e.)
Eluyente - bomba
Inyección de
muestras
Separación
Detección
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
potencial constante
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.
• Dilución y filtración son los procedimientos más comunes de
preparación de muestras. Se requiere extracción para
muestras no acuosas o preconcentración para muestras
diluidas. La necesidad de derivatización precolumna es rara.
Técnicas complementarias
Absorción atómica, emisión atómica y plasma de
acoplamiento inductivo. Se usan para determinar la
cantidad total de un metal en vez de una cierta forma
iónica.
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Cromatografía de gases