Cromatografia Gases

TEMA 3. CROMATOGRAFÍA DE GASES

3.0. CARACTERÍSTICAS Y EQUIPOS DISPONIBLES

3.0.1. Características más importantes

3.0.2. Equipos disponibles en el departamento de Ingeniería Química y en los Servicios Técnicos de investigación de la Universidad de Alicante

3.1. DESCRIPCION DEL CROMATÓGRAFO DE GASES

3.1.1. Sistemas de inyección de muestra

3.1.2. Configuraciones de columna y hornos

3.1.2.1. Columnas

3.1.2.2. Hornos (o estufas)

3.1.3. Detectores

3.1.3.1. Detector de ionización de llama (FID)

3.1.3.2. Detector de conductividad térmica (TCD)

3.1.3.3. Detector termoiónico de llama (FTD)

3.1.3.4. Detector de captura de electrones (ECD)

3.1.3.5. Detector de emisión atómica (AED)

3.1.3.6. Otros tipos de detectores

3.2. COLUMNAS Y FASES ESTACIONARIAS PARA GLC

3.2.1. Tipos de columnas

3.2.1.1. Columnas de relleno

3.2.1.2 Columnas capilares

3.2.2. La fase estacionaria

3.3. APLICACIONES DE LA CROMATOGRAFÍA GAS LÍQUIDO

3.3.1. Análisis cualitativo

3.3.1.1. Factores de selectividad

3.3.1.2. Índice de retención

3.3.2. Análisis cuantitativo

3.4. CROMATOGRAFÍA GAS SÓLIDO

3.0. CARACTERISTICAS Y EQUIPOS DISPONIBLES

3.0.1. Características más importantes

Aplicaciones principales: Análisis cuantitativo general de mezclas multicomponentes de orgánicos volátiles. Técnica de separación muy eficiente.

Fenómeno molecular: Reparto entre una fase de vapor y el substrato

Ventajas en el análisis cualitativo: Separa materiales para su examen por medio de otras técnicas.

Ventajas en el análisis cuantitativo: Aplicación amplia a los materiales volátiles, análisis de multicomponentes, alta sensibilidad en casos especiales.

Muestra promedio deseable: 1 mg

Limitaciones del método: Identifica los materiales solo en casos especiales

Limitaciones para la muestra: Presión de vapor mayor de 1 torr. a la temperatura de entrada de la muestra

3.0.2. Equipos disponibles en el departamento de Ingeniería Química y en los Servicios Técnicos de Investigación de la Universidad de Alicante

Dpto de Ingeniería Química

Cinco cromatógrafos Shimadzu.

Detectores de conductividad térmica, ionización de llama y captura electrónica.

Sistemas de inyección para columnas empaquetadas convencionales y capilares en split y splitless. Un pirolizador Pyroprobe 1000. Válvula de seis vías controlada automáticamente para inyección de gases.

Servicios Técnicos de Investigación

Tres cromatógrafos de gases Hewlett-Packard y uno Fissons unidos a espectrómetros de masas.

Detector de ionización de llama, detector de captura electrónica.

Inyector capilar en split y en splitless. Sistema Purga – trampa de O I Analytical. Sistema de inyección por deserción térmica de Gerstel

En cromatografía de gases (GC), la muestra se volatiliza y se inyecta en la cabeza de una co¬lumna cromatográfica. La elución se produce por el flujo de una fase móvil de un gas inerte, y a diferencia de la mayoría de los tipos de cro¬matografia, la fase móvil no interacciona con las moléculas del analito; su única función es la de transportar el analito a través de la columna. Existen dos tipos de cromatografía de gases: la cromatografía gas sólido (GSC) y la cromatogra¬fía gas líquido (GLC). La cromatografía gas lí¬quido tiene gran aplicación en todos los campos de la ciencia y su denominación se abrevia nor¬malmente como cromatografía de gases (GC).

La cromatografía gas sólido se basa en una fase estacionaria sólida en la cual se produce la retención de los analitos como consecuencia de la adsorción física. La cromatografia gas sólido ha tenido una aplicación limitada debido a la retención semipermanente de las moléculas ac¬tivas o polares y a la obtención de picos de elución con colas (una consecuencia del carácter no lineal del proceso de adsorción), de modo que esta técnica no ha encontrado una gran aplica¬ción excepto para la separación de ciertas espe¬cies gaseosas de bajo peso molecular. Es por ello que se trata sólo brevemente en la final de este tema.

La cromatografía gas líquido se basa en la distribución del analito entre una fase móvil gaseosa y una fase líquida inmovilizada sobre la superficie de un sólido inerte. El concepto de cromatografía gas líquido fue enunciado por pri¬mera vez, en 1941, por Martin y Synge, quienes fueron también los responsables del desarrollo de la cromatografía de distribución líquido lí¬quido. Más de una década tuvo que pasar, sin embargo, antes de que la importancia de la cro¬matografía gas líquido se demostrara experimen¬talmente. Tres años más tarde, en 1955, apare¬ció en el mercado el primer aparato comercial para cromatografia gas líquido. Desde entonces, las aplicaciones de esta técnica han crecido de una forma espectacular. Se ha estimado que unos 200 000 cromatógrafos de gases están actualmente en uso por todo el mundo

3.1. DESCRIPCION DEL CROMATOGRAFO DE GASES

Un cromatógrafo de gases consiste en varios módulos básicos ensamblados para: 1) propor¬cionar un gasto o flujo constante del gas transportador (fase móvil), 2) permitir la introduc¬ción de vapores de la muestra en la corriente de gas que fluye, 3) contener la longitud apro¬piada de fase estacionaria, 4) mantener la columna a la temperatura apropiada (o la secuencia del programa de temperatura), 5) detectar los componentes de la muestra conforme eluyen de la columna, y 6) proveer una señal legible proporcional en magnitud a la cantidad de cada componente. Los módulos del instrumento se muestran esquemáticamente en la Fig. 3.1

3.1.1. Sistemas de inyección de muestra

El modo estándar, adecuado para aproximadamente 95% de las aplicaciones de las colum¬nas empacadas (o empaquetadas), es la inyección directa. La muestra es inyectada con una jeringa hipodérmica a través de un séptum de goma (o hule) de silicona autosellante, a un alineador de vidrio (glass insert) contenido en un bloque metálico, donde es vaporizada y barrida hacia la columna (Fig. 3.2). El bloque se calienta a una temperatura que se fija en un valor suficientemente alto para convertir prácticamente en forma instantánea la muestra líquida en vapor. La cantidad de muestra inyectada es del orden de L para líquidos y algo superior para gases.

Figura 3.1. Esquema de un cromatógrafo de gases

Figura 3.2. Esquema de un puerto de inyección por vaporización instantánea típico

Las muestras, líquidas y gaseosas, también pueden introducirse con un lazo (o bucle) calibrado, introduciéndolas después a la corriente del gas que fluye por medio de una válvula (Fig. 3.3).

Figura 3.3. Válvula rotatoria de seis vías

Inyección en columnas capilares. Es necesaria una reducción del volumen de la muestra cuando se trabaja con columnas capilares. Esto se logra mediante un inyector – divisor (inyección en split) , donde generalmente se inyecta una muestra de 1 L pero sólo entra al capilar 0.01 L; el resto es desechado. Esta técnica impide la sobrecarga de la columna, pero desperdicia una porción significativa de la muestra,

Cuando se realizan análisis en cantidades pequeñas de muestra con algunos componentes en concentraciones del orden de milésimos de parte por millón, se introduciría muy poco material en la columna si para estas muestras se utiliza el divisor. Para ellas se requiere de solvente o inyección sin división (inyector en splitless). La muestra completa, incluyendo el disolvente, se inyec¬ta en la columna tubular abierta, a través de un vaporizador instantáneo caliente. Se evita un coleo pronunciado del disolvente abriendo hacia la atmósfera el puerto de inyección después de algún tiempo (quizá unos 30s), cuando la mayor parte del disolvente, y esencialmente toda la muestra, entraron en la columna. El tiempo apropiado antes de esa descarga es crítico; si es demasiado corto se produce la pérdida de los componentes de la muestra, mientras que si es demasiado largo se produce un pico del disolvente más grande del necesa¬rio, que puede sepultar algunos de los picos de interés.

Muestreador automático. Un muestreador automático reproduce las inyecciones y medidas manuales. Los frascos para las muestras son de vidrio, desechables, con tapones de séptum con sellado para vapores. El muestreador enjuaga la jeringa con una muestra nueva para lavar las trazas de la muestra anterior, bombea la muestra nueva para humedecer la jeringa y eliminar por completo cualquier burbuja, toma una cantidad de muestra medida con precisión, la inyecta al cromatógrafo de gases. Los muestreadores automáticos tienen reproducibidad mecánica y son consistentemente más precisos que un cromatografista experimentado. También, la operación que no requiere atención personal libera al operador para otras actividades,

Muestreo de la cabeza gaseosa. Más allá del análisis convencional de gases y líquidos de baja viscosidad por CG (cromato¬grafía de gases), algunos casos se manejan más eficazmente con muestreo de la cabeza gaseosa (vapor sobrenadante, o headspace). Esto es válido cuando sólo interesa el vapor sobre la muestra, como en el caso de los perfumes o los productos alimenticios; con los constituyentes orgánicos volátiles de muestras, como la orina, la respiración del hombre y muestras ambientales; cuando la muestra es un líquido que normalmente requeriría de algún tratamiento antes de la inyección, como la sangre, aguas residuales o agua potable, Los picos de los disolventes son mucho más pequeños de lo que serían al inyectar la muestra líquida tal cual. El muestreo de la cabeza gaseosa puede efectuarse sobre muestras con cualquier matriz, siempre y cuando el coeficiente de reparto permita que exista una cantidad suficiente del analito en la fase gaseosa.

Desorción térmica y purga y trampa. Los constituyentes orgánicos volátiles de una muestra (sólida o líquida) se pueden purgar o extraer de ella haciendo pasar a través de la misma una corriente de He y atraparlos en una trampa adsorbente que forma parte del sistema de inyección del cromatógrafo y que puede ser de Tenax, carbón activo u otro adsorbente a la temperatura ambiente. En el caso de muestras gaseosas estos compuestos pueden ser atrapados en un tubo de vidrio externo al cromatógrafo, relleno de adsorbente por el que se hace circular mediante bombeo el gas a analizar y que después son colocados en el sistema de inyección del cromatógrafo.

En el primero de los casos se trata de sistemas de purga-trampa y en el segundo de desorción térmica. Calentando esta trampa se desorben los volátiles hasta una precolumna enfriada con nitrógeno líquido. Una vez se ha producido toda la desorción – adsorción, se calienta en pocos segundos esta precolumna que está unida a la columna cromatográfica de CG y se inicia el análisis. Algunos ejemplos de compuestos analizados por purga y trampa son los de los constituyentes orgánicos de la orina, fruta, quesos. Ejemplos de deserción térmica son los análisis de la respiración humana y del aire ambiental.

Pirólisis. La cromatografía gas líquido alcanza su límite práctico cuando la cantidad de energía nece¬saria para vaporizar la muestra es igual a la que se requiere para romper un enlace carbono-carbono. La técnica de pirólisis (o fragmentación térmica controlada) extiende los análisis por cromatografía de gases a compuestos de tan baja volatilidad como el caucho (o hule), polímeros, películas de pintura, resinas, microorganismos, suelos, carbones, textiles y orga¬nometálicos. La muestra se introduce en un pirolizador que la calienta a temperatura muy elevada y suficiente para llevar a cabo la descomposición. Se forman fragmentos volátiles y se introducen automáticamente en el cromatógrafo para el análisis.

3.1.2. Configuraciones de columna y hornos

3.1.2.1. Columnas

En cromatografía de gases se usan dos tipos generales de columnas, las empaquetadas, o de relleno y las tubulares abiertas, o capilares. Hasta la fecha, la mayor parte de la cromatografía de gases se ha realizado con columnas de relleno, Sin embargo, en la actualidad esta situación está cambiando rápidamente, y parece probable que en un futuro próximo, excepto para ciertas apli¬caciones especiales, las columnas de relleno serán sustituidas por las más eficaces y rápidas co¬lumnas capilares.

Las columnas cromatográficas varían en lon¬gitud desde menos de 2 hasta 50 m, o más. Se construyen de acero inoxidable, vidrio, sílice fundida, o Teflón. A fin de poder colocarse en el interior de un termostato, normalmente se con¬figuran como helicoides con diámetros de 10 a 30 cm. En una sección posterior se encuentra una dis-cusión detallada acerca de las columnas, rellenos de columna y fases estacionarias.

3.1.2.2. Hornos (o estufas)

La temperatura de la columna es una varia¬ble importante que para un trabajo preciso ha de regularse a las décimas de grado, por ello la columna normalmente se introduce dentro de un horno termostatizado. La temperatura ópti¬ma de la columna depende del punto de ebulli¬ción de la muestra y del grado de separación requerido. En la práctica, con una temperatura igual o ligeramente superior al punto de ebulli¬ción promedio de la muestra, se obtienen tiem¬pos de elución razonables (2 a 30 min). Para muestras con un amplio intervalo de ebullición, a menudo es conveniente emplear una progra¬mación de temperatura, con lo que se aumenta la temperatura de la columna bien de forma continua bien por etapas, al mismo tiempo que tiene lugar la separación. En la Figura 3.4 se muestra la mejora de un cromatograma ocasio¬nada por la programación de temperatura.

Figura 3.4. Efecto de la temperatura sobre los cromatogramas. a) Temperatura programada. b) Isotermo

Las columnas cromatográficas se enrollan y sujetan en una canasta que se monta en el interior de un horno. El horno de la columna debe poder ser calentado y enfriado rápida¬mente. Esto requiere de un sistema de flujo de aire adecuado y bien diseñado. En la mayoría de los diseños el chorro de aire pasa a través de las resistencias de calentamiento, después por medio de deflectores que conforman la pared interior del horno, pasan por la columna y de vuelta al ventilador para recalentarse y recircular. Los hornos se construyen usualmente con acero inoxidable delgado. Para la programación de temperatura es deseable disponer de un intervalo de velocidades de programación desde 0. 1 hasta 50ºC/min. Debe ser posible sostener la temperatura en cualquier momento dentro del programa durante un tiempo.

En general, la resolución óptima se asocia con una menor temperatura; sin embargo, la consecuencia de una reducción de temperatura es un aumento en el tiempo de elución, y por tanto del tiempo que se necesita para completar un análisis.

Las temperaturas iniciales subambientales son útiles cuando se trabaja con columnas capilares. Las temperaturas se deben mantener alrededor de la temperatura deseada con precisión de ± 1ºC en el caso de trabajo isotérmico y de ± 2ºC. durante la programación de temperatura.

3.1.3. Detectores

Durante el desarrollo de la cromatografía de gases se han investigado y utilizado docenas de detectores. En las secciones que siguen a continuación, se describen los utilizados más frecuentemente.

En cromatografía de gases, un detector ideal tiene las siguientes características:

1. Adecuada sensibilidad. Lo que constituye una adecuada sensibilidad no se puede eva¬luar de forma cuantitativa. Por ejemplo, las sensibilidades de los detectores que se van a describir difieren por un factor de 107. Aun¬que todos se utilizan extensamente y son adecuados en ciertos casos; sin embargo, en algunas aplicaciones los menos sensibles no resultan convenientes. En general, las sensi¬bilidades de los detectores actuales se en¬cuentran en el intervalo de 10-8 a 10 15 g de analito/s.

2. Buena estabilidad y reproducibilidad.

3. Una respuesta lineal para los analitos que se extienda a varios órdenes de magnitud.

4. Un intervalo de temperaturas de trabajo comprendido desde la temperatura ambiente hasta al menos 400ºC.

5. Un tiempo de respuesta corto que lo haga independiente del caudal.

6. Alta fiabilidad y manejo sencillo. Hasta el punto de estar a prueba de la impericia de operadores inexpertos.

7. Respuesta semejante para todos los analitos, o por el contrario, una respuesta selectiva y altamente predecible para una o más clases de analitos.

8. No destructivo de la muestra.

De hecho, no hay detector que reúna todas esas características, y tampoco parece probable que pueda llegar a diseñarse nunca.

3.1.3.1. Detector de ionización de llama (FID)

En cromatografía de gases, el detector de ioni¬zación de llama (FID) es uno de los detectores más extensamente utilizado y, por lo general, uno de los más aplicables. En un quemador, el efluente de la columna se mezcla con hidrógeno y con aire para luego encenderse eléctricamente.

La mayoría de los compuestos orgánicos, cuan¬do se pirolizan a la temperatura de una llama de hidrógeno/aire, producen iones y electrones que pueden conducir la electricidad a través de la llama. Entre el extremo del quemador y un electrodo colector situado por encima de la lla¬ma, se aplica una diferencia de potencial de unos pocos cientos de voltios, y para la medición de la corriente que resulta (de unos 10-12A) se utiliza un amplificador operacional de alta impedancia.

La ionización en la llama de los compuestos que contienen carbono no es un proceso bien establecido, aunque se observa que el número de iones que se produce es aproximadamente igual al de átomos de carbono transformados en la llama. El detector de ionización de llama de¬bido a que es un detector que responde al nú¬mero de átomos

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