CROMATOGRAFÍA DE GASES Aguilar Ugalde Víctor Hugo Garduño López Uriel López Bugallo Rocío

Gas Portador Transporta los componentes de la muestra, y crea una matriz adecuada para el detector. * Debe ser inerte para evitar interacciones (tanto con la muestra como con la fase estacionaria) * Debe ser capaz de minimizar la difusión gaseosa * Fácilmente disponible y puro * Económico * Adecuado al detector a utilizar

Detector El detector es la parte del cromatógrafo que se encarga de determinar cuándo ha salido el analito por el final de la columna. Sensibilidad Respuesta lineal al analito Tiempo de respuesta corto Intervalo de temperatura de trabajo amplio Estabilidad y reproducibilidad Alta fiabilidad y manejo sencillo Respuesta semejante para todos los analitos Respuesta selectiva y altamente predecible para un reducido número de analitos.

Clasificación de detectores Según su Grado de Selectividad : Universales. Responde a la mayoría de los solutos que pasan por él. Específicos ó Selectivos. Exhibe una gran respuesta a un grupo particular de substancias con un mínimo de respuesta a otras. Detectores Destructivos y No destructivos. Detectores según su Modo de Respuesta: Dependientes del Flujo Másico. Producen una señal que es proporcional a la cantidad de soluto que pasa a través de él en la unidad de tiempo pero es independiente del volúmen de gas portador requerido para la elución. Dependiente de la Concentración. Dan una señal proporcional a la cantidad de soluto por unidad de volúmen de gas portador que pasa a través de él. Detectores según el proceso de detección Ionización, Óptico-espectroscópico, Electroquímico, etc.

Ejemplos Detector termoiónico (TID, ThermoIonic Detector)

Detector de conductividad térmica (TCD, Thermical Conductivity Detector) Detector de captura de electrones (ECD, Electrón-Capture Detector)

Detector de ionización de llama (FID, Flame Ionization Detector)

Detector de emisión atómica (AED, Atomic Emission Detector)

Componentes de un cromatógrafo de gases Fase móvil (mobile phases): Gaseosa, líquida o fluido supercrítico. Helio, Argón o Nitrógeno. Puerto de inyección (inyection port): Es un dispositivo que permite la introducción de la muestra en la corriente del gas portador. Horno de la columna Fase estacionaria (stacionary phase): La fase estacionaria es la encargada de separar los componentes de la muestra.

Soporte (Support): La función básica del soporte sólido es sostener la fase estacionaria. Columna cromatográfica: Las columnas están hechas de cobre, acero inoxidable o tubos de vidrio, dobladas o enrrolladas. Detectores: Los detectores son dispositivos que indican y miden los solutos en la corriente del gas acarreador, convirtiendo una señal no medible directamente en una señal elaborable de una propiedad física.

Eluyente y eluato Eluyente Disolvente o solución utilizada en el proceso de elución, como ocurre en una cromatografía en columna. Eluato Solución o sustancia obtenida por un proceso de elución.

Columna de relleno Las columnas de relleno o empacadas consisten en unos tubos de vidrio, metal (inerte a ser posible como el acero inoxidable, Niquel, Cobre o Aluminio) o teflón, de longitud de 2 a 3 metros y un diámetro interno de unos pocos milímetros, típicamente de 2 a 4. El interior se rellena con un material sólido, finamente dividido para tener una máxima superficie de interacción y recubierto con una capa de espesores entre 50 nm y 1 μm. Para que puedan introducirse en el horno, se enrollan convenientemente.

El material de relleno ideal consiste en pequeñas partículas, esféricas y uniformes, con una buena resistencia mecánica, para tener una máxima superficie donde interaccionar la fase estacionaria y el analito. Como todos los componentes de columnas para GC, debe ser inerte a altas temperaturas (~400 °C) y humectarse uniformemente con la fase líquida estacionaria durante el proceso de fabricación.

Columna capilar Las columnas capilares son de dos tipos básicos: las de pared recubierta (WCOT) y las de soporte recubierto (SCOT). Las WCOT son simplemente tubos capilares donde la pared interna se ha recubierto con una finísima capa de fase estacionaria. Las columnas SCOT tienen en su parte interna una fina capa de material absorbente como el empleado en las columnas de relleno (tierra de diatomeas) donde se ha adherido la fase estacionaria.

Las ventajas de las SCOT frente a las WCOT es la mayor capacidad de carga de esta última, ya que en su fabricación se emplean mayores cantidades de fase estacionaria, al ser la superficie de intercambio mayor. Por orden de eficacia, en primer lugar están las WCOT, luego las SCOT y por último las columnas de relleno.

Tiempo de retención, tiempo muerto y cromatograma Es el tiempo característico que tarda un analito particular en pasar a través del sistema (desde la columna de entrada hasta el detector) bajo las condiciones fijadas. Cromatograma Es el resultado gráfico de la cromatografía. En el caso de separación óptima, los diferentes picos o manchas del cromatograma se corresponden a los componentes de la mezcla separada. Tiempo muerto Es el tiempo tM para que la especie no retenida alcance el detector

Interpretación de un cromatograma En el eje X se representa el tiempo de retención, y en el eje Y una señal (obtenida, por ejemplo, a partir de un espectrofotómetro, un espectrómetro de masas o cualquier otro de los diversos detectores) correspondiente a la respuesta creada por los diferentes analitos existentes en la muestra. En el caso de un sistema óptimo, la señal es proporcional a la concentración del analito específico separado.

Los errores de malas mediciones se pueden atribuir a: Altura del Pico: Medida que se efectua, para cada pico de interés, desde la línea base hasta el máximo del pico. Los errores de malas mediciones se pueden atribuir a: Insuficiente Resolución Variaciones en la línea base Picos extremadamente pequeños Las desviaciones en la línea base se pueden compensar por interpolación de ésta entre el prinpio y el final del pico.

Existen varias técnicas para la determinación del Área de un Pico Cromatográfico: Integración Manual Métodos Geométricos Triangulación: En esta técnica se trazan líneas tangentes a cada lado del pico. La altura se mide desde la línea base hasta la intersección de las dos tangentes. El ancho se mide tomando la intersección de las dos líneas tangentes con la línea base. Luego se utiliza la fórmula A=1/2*Altura del Pico* Base del Pico. Las limitaciones de esta técnica estan en el trazado de las líneas tangentes, un pequeño error al trazar las tangentes puede afectar la medida de la altura. Altura por ancho a la mitad de la Altura

Integración Automática Métodos Mecánicos Planimétricos Corte y Pesada: Esta técnica requiere recortar el pico del cromatograma, luego pesarlo en una balanza analítica. El recorte y pesada depende mucho de la habilidad del operdor. Pueden introducirse errores por cambios en la humedad del papel, la grasa de las manos del operador, homogeneidad del papel. Generalmente se recomienda utilizar una fotocopia del cromatograma para no destruir el original. Integración Automática Electromecánica Electrónica

Los cromatogramas de gases se utilizan extensamente para determinar la pureza de compuestos orgánicos. La aparición de picos adicionales revela que hay contaminantes presentes y las áreas bajo estos picos proporcionan un cálculo aproximado del grado de contaminación.

Parámetros cromatográficos Pico del aire. Es el que corresponde a la detección de una cantidad muy pequeña de aire que entra a la columna cuando se introduce la muestra en el cromatógrafo. La línea de base. Es la parte del registro que corresponde a la fase móvil pura (gas portador, ...). Altura de pico (h). Es la distancia entre la cima del pico y la línea de base. En el caso de que el vértice sea redondeado se trazan rectas tangentes a los dos puntos de inflexión de las laderas; el punto de corte de las dos rectas determina la altura del pico.

Parámetros cromatográficos Anchura del pico (a). Es la longitud del tramo de la prolongación de la línea de base, comprendida entre las intersecciones con la misma de las laderas del pico o, en su caso, de las líneas tangentes antes mencionadas. Área del pico (S). Es la comprendida entre el pico y la prolongación de la línea de base. Precisamente a obtener el valor de este parámetro, en los picos del cromatograma, se dedican los dispositivos integradores.

Partes de un cromatógrafo

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.

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.

Control y flujo de medición El caudal óptimo puede determinarse inicialmente ajustándolo hasta obtener el número máximo de platos teóricos. Los valores razonables para columnas de 0,4cm de diámetro son de 75 a 90 ml / min; para columnas de 0,2 cm de diámetro un buen valor es 25 ml / min.

Gas portador El gas portador cumple básicamente dos propósitos: Transportar los componentes de la muestra Crear una matriz adecuada para el detector. Un gas portador debe reunir ciertas condiciones: Debe ser inerte para evitar interacciones (tanto con la muestra como con la fase estacionaria) Debe ser capaz de minimizar la difusión gaseosa Fácilmente disponible y puro Económico Adecuado al detector a utilizar

Tamaño de la muestra Esto depende de la columna: Si la columna empleada es rellena, el volumen a inyectar será de unos 20 μL, y en el caso de las Si la columna es capilar dicha cantidad es menor, de 1 μL, y dependiendo del tipo de columna capilar (ya que existen columnas con distinto diámetro interno) es que si se utiliza todo el volumen de muestra inyectado. Para obtener menor cantidad de volumen, se utiliza un divisor de flujo (la inyección se conoce como modo "Split") a la entrada de la columna que desecha parte del analito introducido. Si se utiliza todo el volumen de muestra la inyección es de tipo "Splitless". El modo Splitless, se empleó más para determinar pequeñas cantidades o trazas (determinaciones ambientales).

Septum En general, se inyecta la muestra con una micro jeringa a través de un septum (junta de goma de silicona). El Septum ha de ser estable y ha de cambiarse con frecuencia

Split El muestreo tipo split es el método más popular porque inyectar muestras de 0.1 a 2 µl no impide que haya una buena altura y sensibilidad en el pico. Una ventaja del split es que se pueden usar columnas más estrechas para tener una mejor resolución sin tener que volver a muestrear la columna. El único inconveniente del split es que la cantidad inyectada a la columna podría no ser representativa si la muestra no es completamente vaporizada.

Splitless Las muestras con splitless son frecuentemente usadas para análisis de componentes donde una gran cantidad de muestra es inyectada a la columna. Durante el muestreo con splitless, la muestra se inyecta dentro de la columna caliente y forma un vapor que consiste de muestra, solvente y gas. Parte del gas sale por el respirador al pasar en el alineador. Esta técnica es extremadamente útil para adelgazar los picos y eliminar las trazas de solvente y la interferencia de vapor retenido momentáneamente en la fase estacionaria.

Columnas cromatográficas Capilares -Se construyen con sílice fundida. -Los diámetros interirores suelen ser de 200 – 250 μm. -La longitud suele ser superior a los 20m. Empacadas -Se construyen con tubo de acero inoxidable, niquel o vidrio. -Los diámetros interiores van de 1.6 a 9mm. -La longitud suele ser inferior a 3m. -Se rellenan de un material adsorbente

Detector Carácterísticas ideales: Sensibilidad alta y estable 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 a la temperatura. Estabilidad y robustez Simplicidad en su operación Identificación de compuestos positiva Técnica no destructiva Pequeño volumen en prevención del mezclado de componentes.

Clasificación detectores Estos pueden ser clasificados: Detectores según su Grado de Selectividad : Universales. Responde a la mayoría de los solutos que pasan por él. Específicos ó Selectivos. Exhibe una gran respuesta a un grupo particular de substancias con un mínimo de respuesta a otras.

Clasificación detectores Detectores según su Modo de Respuesta: Dependientes del Flujo Másico. Producen una señal que es proporcional a la cantidad de soluto que pasa a través de él en la unidad de tiempo pero es independiente del volumen de gas portador requerido para la elusión. Dependiente de la Concentración. Dan una señal proporcional a la cantidad de soluto por unidad de volumen de gas portador que pasa a través de él. Detectores según el proceso de detección Ionización, Óptico-espectroscópico, Electroquímico, etc

Detector de conductividad térmica (TCD) Determinación de la composición de una mezcla de gases. Usado ampliamente en la industria del gas natural para determinar propiedades como densidad relativa y poder calorífico.

Uso de los detectores. Detector de ionización de llama (FID) Se usa para el análisis de compuestos orgánicos que contienen grupos funcionales como carbonilo, alcohol, halógenos y amina que generan pocos o ningún ion. Análisis de compuestos contaminados con agua, óxido de nitrógeno y azufre.

Detector fotométrico de flama(FPD) Detección de compuestos sulfurados y fosforados en mezclas complejas. Detección de componentes sulfurados en extractos crudos de aceite y en contaminantes de gas natural. Detección pesticidas y herbicidas organofosforados, así como componentes sulfurados volátiles en el análisis de alimentos.

Detector de captura de electrones (ECD) Altamente sensible a compuestos halogenados, por lo que es útil en detección de pesticidas. Detección de especies que contienen nitrilos, nitratos, organometales y dobles enlaces conjugados.

Detector de fotoionización (PID) Detección de compuestos con hidrocarburos aromáticos o con heteroátomos, compuestos alifáticos, organosulfurados, cetonas, ésteres, aldehídos y aminas.

Características de la muestra a analizar por CG Volátiles Térmicamente estables hasta 350-400°C

Head Space Técnica de extracción de espacio en cabeza. Permite el análisis de compuestos volátiles de sólidos. Evita la pérdida de los componentes más volátiles de una muestra. En este método la muestra sólida se calienta en un vial sellado con septum durante un tiempo, provocando la transferencia de los compuestos volátiles al aire del vial, denominado espacio de cabeza.

Head space Luego con una jeringa se toma una alícuota del aire del vial y se inyecta en el cromatógrafo. La aguja debe de calentarse a las misma temperatura que la muestra para evitar condensaciones sobre la misma.

Make up gas Para reducir al mínimo el volumen muerto del detector, se añade make up gas  en el extremo de salida de la columna para aumentar el flujo total que entra en el detector. Ayuda a mejorar la sensibilidad del detector, ya que barre el volumen muerto de éste. Se puede añadir directo a la flama de hidrógeno o al eluyente de la columna.

Teoría de los platos Permite describir de forma sencilla las separaciones. Consiste en considerar la separación cromatográfica como una serie de equilibrios sucesivos de distribución entre las fases móvil y estacionaria a medida que el analito avanza por la columna. Se basa en el concepto de plato teórico, según el cual se puede imaginar la columna de longitud L dividida en N segmentos en cada uno de los cuales se establece un equilibrio.

Este modelo es un enfoque estático del proceso que reproduce la migración de analito en la columna mediante el encadenamiento de una serie de etapas estáticas. La eficacia de luna columna para separar solutos depende del número de platos teóricos, a mayor número de platos teóricos mejor es la separación. Para una columna de longitud dada, la eficacia de la separación es mejor en cuanto menor sea la altura equivalente de plato teórico (H) H=L/N

Van Deemter y la teoría cinética La velocidad de la fase móvil tiene una incidencia en el avance de los solutos, su dispersión y por tanto en la eficacia de la separación. La primera ecuación cinética que describió la influencia de la fase móvil en la eficacia de la columna es la ecuación de Van Deemter, quien la desarrolló para columnas empaquetadas en cromatografía de gases.

Esta ecuación relaciona la altura equivalente de plato teórico (H) con la velocidad lineal media de caudal de la fase móvil (v): A,B y C son constantes características de cada columna. Con esta ecuación se comprueba que cada columna tiene un caudal óptimo

Cuantificación del área del pico El área de pico es la variable que se normalmente se usa desde el punto de vista cuantitativo. Existen varias técnicas para la determinación del área de un pico cromatográfico. Las áreas de pico se obtienen por métodos convencionales, tales como triangulación, planimetría o mediante el uso de integradores, mecánicos o electrónicos.

Normalización de área La normalización de área es un medio para establecer el porcentaje de cada componente en la muestra. Se calcula dividiendo el área de cada componente entre el área total y multiplicando por 100% Este término es independiente del volumen de inyección de muestra y debe cumplirse que todos los picos deben estar separados. Sin embargo, esta ecuación sólo se puede aplicar para una serie homologa de compuestos de punto de ebullición muy parecidos y con similares respuestas del detector

Método del estándar interno Este método es conocido como calibración relativa o indirecta. Para ello, relación de masas conocidas de un patrón de la muestra y de un estándar deber ser preparadas e inyectadas al cromatógrafo para luego determinar las relaciones de área. Estas relaciones de áreas son graficadas en función de la relaciones de masa. De esta curva se obtiene la ecuación lineal y = mx.

Entonces se adiciona una masa conocida del estándar interno a una masa conocida de muestra y esta mezcla se inyecta al cromatógrafo. Del cromatograma se obtienen las áreas de analito y del estándar y luego con la ecuación de calibración y conociendo la masa del estándar se puede obtener la masa del analito en la muestra.

Método del estándar externo Se usa para calibrar instrumentos y procedimientos cuando no hay efectos de interferencia de los componentes matriz en la disolución del analito. Se prepara una serie de estándares externas que contienen concentraciones conocidas del analito. Idealmente se utilizan tres o más disoluciones en el proceso de calibración.

La calibración se lleva a cabo al obtener la señal de respuesta, como el área de pico, como función de la concentración conocida del analito. Se obtiene una curva de calibración al representar gráficamente los datos y ajustarlos a una ecuación matemática con la que se pude predecir la concentración desconocida de analito en una muestra.

Aplicaciones Separación, cuantificación y subsiguiente caracterización de una gran variedad de productos en distintas mezclas, desde gases permanentes y mezclas de isótopos, hasta aceites esenciales en perfumes, ácidos grasos en grasas animales y agentes contaminantes en aguas y suelos.

A escala preparativa se emplea para la obtención de compuestos de elevada pureza, así como también es posible la obtención de datos físico-químicos relativos a propiedades superficiales, cinética y termodinámica de procesos de adsorción y separación, desarrollo de catalizadores, etc. En la industria del petróleo juega una función primordial, por medio de la cromatografía se pueden analizar los constituyentes de las gasolinas, las mezclas de gases de refinería, gases de combustión,etc

Integración manual y automática Métodos Geométricos (triangulación). Métodos Mecánicos (Planiméricos, Corte y Pesada). Integración Automática: Electromecánica Electrónica

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