instrumentación cromatografía de gases 2012-ii

INSTRUMENTACIÓN CROMATOGRAFÍA DE GASES

(GC)

María Elena Cuellar Azuero

María Camila Rodríguez Zorro

Rocío Esmeralda Villamil Gil

HISTORIA

• 1944, Concepto sugerido por Martin y Synge

• 1952, Primera publicación (Martin y James)

• 1955, Primer instrumento comercial

• 1960, Técnicas con columnas empaquetadas

• 1958, Columnas tubulares abiertas (Golay)

• 1974, Columnas capilares de sílica (Dandeneau y Zerenner)

• 2002, Columnas capilares de alta resolución

• Detectores más sensibles (MS, FTIR, IR con T de Fourier)

Archer John

Porter Martin

1910 - 2002

Richard Laurence

Millington Synge

1814 - 1994

GENERALIDADES

INSTRUMENTACIÓN BÁSICA

Método de inyección Velocidad de flujo Temperatura

RENDIMIENTO

TIPOS DE CG

CROMATOGRAFÍA GAS-SÓLIDO (GSC)

• Separación basada enabsorción y desorción.

• FE es una capa de sólidoabsorbente simple.

Alúmina, sílica.

ó un solido poroso

Tamiz molecular

• Análisis de gases aéreos.

• C. empaquetadas y capilares(PLOT)

CROMATOGRAFÍA GAS-

LÍQUIDO (GLC)

• Cromatografía de partición

• FE es una sustancia liquida

• Fines analíticos

• C. capilares y empaquetadas

C. EmpaquetadasFE NV, películadelgada sobre unsoporte: Tierra dediatomeas (Kieselguhr)

C. CapilaresLiquido en la paredinterna de la C. (WCOT)o en una capa dematerial poroso (SCOT)

SISTEMA QUE PROVEE EL GAS

GAS PORTADOR

• Inerte

• Seco

• Puro

• Económico

• Adecuado para el detector

• Fácilmente disponible

GRÁFICO DE VAN DEEMTER

Tomado de: www.restek.com

Helio Hidrógeno Nitrógeno

GAS PORTADOR

•Caro

•Suministro Finito

•Más usado

•Fácilmente

generado

•Flamable y explosivo

•Bajo costo

•Eficiente

•Tasa de flujo lento

Tomado de: www.restek.com

Análisis

Cromatográfico de

pesticidas

organoclorados

usando diferentes

gases portadores

SISTEMA DE CONTROL

Tomado de : Skoog. Análisis Instrumental

CONTROL DE LA PRESIÓN

Tomado de: http://www.chem.agilent.com

2500psi - 170atm

REGULADOR DE

LA PRESIÓN

Regulador de la Presión en dos etapas

MEDIDOR DE

FLUJO

Rotámetro Medidor de Caudal

de Pompas de

Jabón

• Caudal: 25-150 mL/min relleno

1-25 mL/min capilares

TRAMPAS

Pureza: 99.9995%

(si no, purificador

de gases catalitico)

Limite de H

,O2, H2O < 10

ppm

Material: Carbon

, Tenax ó Silica

•↓ el agua a < 10 ppb

•El indicador cambia de amarilloverdoso a azul a una humedad

relativa de 5%.

• Reduce el ruido para alta sensibilidad

de los detectores.

•Remueve 600 mg of oxygen or2

g de agua

•Reduce el oxygen a 15 ppb

•Equipado con un área

superficial extremadamente

alta.

•carbón activado.

Humedad Oxigeno Hidrocarburos

Tuberías : Utilizar de cobre pre-condicionado

Evitar de plástico y de vidrio, polímero tales teflón, nylon, polietileno, o

cloruro de polivinilo

SISTEMA QUE PROVEE EL GAS

LABORATORIO DE ANÁLISIS

Vista frontal

del equipo

Gas

Portador

Control

de la

presión

Trampa

Visión

de la

presión

COLUMNA

Elemento de separación delos componentes muestra.

Parte más importante delsistema.

OJO: Elección de la columnay las condiciones de trabajo

COLUMNAS

Columna

Cromatografíca

Capilares/ Tubulares Abiertas

WCOT SCOT

Empaquetada

/Relleno

• Longitud variable: <2-50 m o más• Materiales:

-Acero inoxidable-Vidrio-Sílice Fundida-Teflón -Cobre

• Termostato • Helicoides diámetros 10-30 cm

Inertes Resistentes a la T° de trabajo Impermeables Flexibles

Espacio geométrico/ Tubo

Columnas de Relleno o Empaquetadas

• Vidrio

• Acero Inoxidable

• Cobre

• Aluminio

• Teflón

Tubo

• 2-3m

Longitud

• Interno: 2-4mm

Diámetro

• Sólido finamente dividido

• Homogéneo

• Recubre con fase estacionaria liquida ( 0,05-1 µm)

Relleno

Soporte Sólido

Características:

Elevada superficie especifica Porosos Relativamente duros Térmicamente estables Químicamente inerte No absorción Tamaño de partícula uniforme Idealmente: partículas esférica,

uniformes Se puede humectar

Retener y ubicar la fase estacionaria

Soporte ideal

.

.

.

Tierras de Diatomeas

Esferas de vidrio

Microbolas de Polímeros orgánicos

Esferas de Teflón

Sílices

Diámetro externo

1/8pulgada

1/4pulgada

1/2pulgada

Tamaño de partícula (malla)

80-100 60-80 40-60

Tamaño de Partícula de los soportes

Tamaño de partícula

Eficacia

Tamaños varían entre 40-120 mallas (420-125 µm)

• Kieselgur• Celite

• Chomosorb W,P,G

Tierra de DIATOMEAS

.

NombresRegistrados:

P: Mezcla calcinada con tierra dediatomeas, granos duros, compuestospolares, interacción solutos.

w: Mezcla calcinada de un fundente(carbonato de calcio) y la tierra dediatomeas.

G: Mayor dureza, mas denso.

Tierra de DIATOMEAS

DesactivaciónAnálisis de compuestos polares

• Lavado con ácido• Reacción química de los sitios activos

• Recubrimiento con ácidos, bases o polímeros

Columnas Capilares o Tubulares Abiertas

• Acero inoxidable

• Vidrio

• Cobre

• Aluminio

• Plástico

Tubo

• 30m aprox

Longitud

• Interno: 0,2-0,8mm

Diámetro

SCOT

WCOT Separación de: Mezclas complejas Derivados de

petróleo Aceites esenciales

WCOT

Gran eficiencia

Tubos capilares con la pared interna recubierta Fina capa de fase estacionaria

Capilares de pared recubierta

VidrioSuperficie Rugosa Recubrimiento poliimida Refuerzo Flexibles/Helicoidal 1979Columnas tubulares de Sílice Fundida (FSOT)

FSOT:• Paredes más delgadas que las columnas de Vidrio• > Resistencia Física, < Reactividad, > Flexibilidad

F. Estacionaria

SCOT Pared interna recubierta por un soporte absorbente

Capilares con soporte recubierto + FL

PLOT«Porous layeropen tubular»

SCOT

*Soporte Sólido (30µm) : Diatomeas

Eficacia: WCOT > SCOT > Relleno

FASE ESTACIONARIA• Cromatografía Gas-Sólido Fase estacionaria sólida• Cromatografía Gas-Liquido Fase estacionaria Liquida Inmovilizada

Fase Liquida

Características: Mojar el soporte Baja volatilidad Inerte Propiedad solvente Térmicamente estables Baja viscosidad

«Semejante disuelve semejante»

Fase EstacionariaP

ola

rid

ad

HIDROCARBUROS DIALQUILSILOSINANOS

• Escualeno T° max trabajo 120°C

• Grasas de Apiezón, Kovats, Apolano

Fuerzas de interacción: Dispersión No polares Oxidables

Siliconas

• Polimetilsilosilano R = Metilo• R= fenilo, cianopropilo, trifluoropropilo,

etc

Polaridades selectivas

POLIFENILÉTERES POLIÉSTERES

• Santovac® 5

Moderadamente polares

• Polietilenglicol Succinato (PEGS)

Polímeros Resinosos Moderadamente polares Fácilmente Hidrolizables y oxidables

POLIETILENGLICOLES • Carbowax 20, Superox-4

Polares Polimerización oxido de etileno

Entrecruzamiento- retículo tridimensional IN SITU: entrecruzamiento con polímeros ( tabla 27,2) Larga Duración Inhiben el Sangrado

FASES ESTACIONARIAS POLIMERIZADAS/ ENLAZADAS

FASES ESTACIONARIAS QUIRALES

Separación de enantiómeros

Reactivo ópticamente activo Diasteroisómeros

Columna aquiral/ líquido quiral como fase estacionaria

Grosor Película Fase estacionaria: 0,1-5µm Películas gruesas- Analitos volátiles Películas delgadas –Analitos baja volatilidad

Cuidados y Precauciones con las Columnas

Sangrado

Perdida de la fase estacionaria

Entrecruzamiento, lavado con fase móvil

• Columnas nuevas acondicionar 48 h• Previamente: circulación de fase móvil• No enfriar la columna sin terminar paso de

fase móvil

EQUIPO

FASE ESTACIONARIA

• Cromatografía Gas-Sólido Fase estacionaria sólida Columnas PLOT

Tamices Moleculares

Características: Intercambiadores de iones

silicato/aluminio Tamaño de poro 4,5,10,13

Amstrong

Polímeros Porosos

Características: Bolas de polímeros porosos Especies polares gaseosas

.

zeolitas

SISTEMA DE ENTRADA O

INYECTOR

ENTRADA O INYECCIÓN

• Paso crítico

Cantidad, concentración adecuada y rápida inyección

Esparcimiento de banda

Resolución

• No degradar el rendimiento de la columna

• No discriminar los componentes de la muestra

• No son universales

C. Empaquetadas1 a 20 µL

Uso de inyectores simples

C. Capilares0,01-1 µL

INYECCIÓN PARA COLUMNAS

EMPAQUETADAS

• Es sencilla pues las cantidades son grandes No la eficacia

Bloque metálico (buen conductor)

Material inerte:Acero

inoxidable,Vidrio, niquel, quarzo

Silicona

Evita descomposición térmica por contacto

con el bloque de metal

o

diafragma

perforable

T° >50° que la columna.

La aguja de la microjeringa

entra a la columna

La muestra es inyectada y vaporizada

instantáneamente

La muestra vaporizada

arrastrada por el gas portador

INYECCIÓN PARA COLUMNAS

CAPILARES

• Basados en el mismo principio de un inyector simple

• Cantidad de muestra mucho menor pues las columnas se

afectan mucho por los disolventes.

• Inyección Split

• Inyección Splitless

• Inyección con vaporización

programada con temperatura

(PTV)

INYECTOR SPLIT

• No existen jeringas capaces de medir cantidades menores a 0,1µL

• Inyector de C. Empaquetadas + Un sistema de división de flujo a

la salida del liner.

MICROJERINGA

• También llamada válvula de aguja

• Sistema de apertura y cierre automáticos

• Bajo riesgo de anchos de banda.

• Para muestras concentradas.

• Fácil de automatizar

• Compatible con programas de T°

programada.

• No funciona para el análisis de

trazas.

INYECTOR SPLITLESS

• La mayoría de la muestra se dirige a la columna

• Para análisis de trazas y muestras de baja concentración

• T° es inferior al Peb del componente más volatil

La muestra se condensa en la cabeza de la columna

• El vapor residual causa la presencia de un pico del ste

Se Evita: poniendo el equipo en modo splitpara que este vapor salga luego de que la muestra se ha corrido

LOS EQUIPOS DE SPLIT TRABAJAN TAMBIÉN COMO SPLITLESS

• Mayor sensibilidad• Mayor eficacia pues las pérdidas

de muestra son menores.

INYECTOR DE TEMPERATURA

PROGRAMADA

SPLIT:En frío

En caliente

SPLITLESS:En frío

En caliente

En columnaEn frío

En caliente

Se introduce la muestra al PTU en

forma líquida

La cámara de

vaporización está fría (

T°<Peb del ste)

Se retira la aguja (de la

microjeringa)

Se calienta la cámara

rápidamente usando aire comprimido

precalentado electricamente

MUSTRAS DILUÍDAS => Método de eliminación del solvente

INYECTORES PARA MUESTRAS

GASEOSAS

Jeringas: impermeables con émbolos y cilindro de teflón

No se asegura la introducción de volúmenes medidos exactamente

VÁLVULAS ROTATORIAS

INYECCIÓN POR DESORCIÓN

TÉRMICA

Las buenas cuantificaciones dependen de la desorción total

Componentes orgánicos volátiles atrapados

POLIMEROS POROSOSTAMICES MOLECULARES

CARBÓN GRAFITO

Análisis de:

• Respiración humana • Aire ambiental.

INYECTORES HEAD-SPACE

Análisis de:

• Contaminantes

volátiles de muestras solidas y líquidas

HEAD-SPACE POR PRESURIZACIÓN

INYECTOR DEL LABORATORIO

Inyector Split/SplitlessGeneralmente 150°C

Radio de Split 50:1

AUTOMUESTREADORES

PIROLISIS

• Transformación química de la muestra (T°>T°ambiental)

• Pirolizador

Muestra con compuestos de

alto PM

Descomposición (Horno T° 400-

1000°C)

Volatilización o semi-volatilización

Cromatograma(Huella digital para

el compuesto original)

• Pirolizadores de Platino calentado por resistenciaAmplio rango de compuestos y mayor velocidad

• Pirolizadores del punto de curieAlto rendimiento

• Polímeros• Polisacáridos

• Ligninas• Suelos• Lodos

• Sedimentos Marinos

HORNOS

Wang A, Tolley HD, ML Lee, Gas chromatography using resistive heating technology

TIPOS DE HORNOS

•Bobina de alta capacidad térmica

•Suspención de la columna en el

horno

•50-450°C

•Requiere sistema de enfriamiento

•Corriente electrica calienta

material conductor cercano a la

columna

•↓ análisis en factor de 10

•Solo Calienta la columna

•↓t de análisis

• 10 C/s

300 C/min

•Lámpara de halogeno 150W.

•Control de T hasta

1000 C/min

•Enfriamiento rápido

Convencional “Flash” Microondas IR Climatizada

CONTROL DE TEMPERATURA

Afecta:

• Retención

• Selectividad

Con una Óptima temperatura se obtiene:

• Buena separación

• Tiempo razonable

Temperatura del Inyector

Temperatura de la columna

Temperatura del Detector

TIPOS DE CONTROL DE TEMPERATURA

Isotermica

• Temperatura promedio de ebullición.

• Mezclas simples.

• Problemas en el tiempo de análisis

• T es igual para inyector, columna y detector

Programada(PTGC)

• Cambio a partir de una T lineal y se va aumentando constantemente.

• Una o varias rampas según la mezcla que se desee separar.

• Ajustar tiempos y temperaturas (0,5-15 °C/min)

TIPOS DE CONTROL DE TEMPERATURA

T

1 rampa:

60°C (10min)

15°C/min -> 300°C

300°C (10 min)

Tomado de:http://ocw.uv.es/ocw-formacio-permanent/2011-1-35-Presentacion2.pdf

Comparación de

temperatura

isotérmica (a)

vs temperatura

programada(b)

en la separación

de n-parafinas

Tomado de: Ewing’s Analytical Instrumentation Handbook

PTGC

DE

SV

EN

TA

JA

S

1.Más compleja instrumentación requerida

2. Señales de ruido a altas temperaturas

3. Número limitado de fases líquidas adecuadas

4. Puede ser más lento, teniendo en cuenta el tiempo de enfriamiento

VE

NTA

JA

S

1. Buena herramienta de exploración (rápido)

2. Reducción de los tiempos de análisis de muestras complejas

3. Mejor separación de la amplia gama del punto de ebullición

4. Límites, formas mejoradas de detección de pico, y la precisión, especialmente para los fines de

picos de elución

5. Medio excelente de limpieza columna

RE

QU

ISIT

OS

DE

PT

GC

1. Gas portador seco

2. Temperatura programador

3. Tres hornos separados (inyección, la columna, detector)

4. Controlador de flujo (diferencial neumático o electrónico)

5. Columna de doble indemnización o columna para eliminar la deriva

6. Fase líquida adecuada

Detector de Conductividad Térmica• Catartómetro• TCD• Filamento: platino, oro, tungsteno• Cambios de conductividad

térmica No destructivo Respuesta universal

Detector de conductividad térmica modulado de filamento único

Puente de Wheatstone

CONDUCTIVIDAD TÉRMICA RELATIVA DE ALGUNOS GASES

Gas Conductividad Térmica relativa

Tetracloruro de carbono 0.44

Benceno 0.88

Hexano 1.00

Argón 1.04

Nitrógeno 1.50

Helio 8.32

Hidrogeno 10.68

• Mas liviano el gas conductor mejor conductor de calor

• 10-30 ml/min

• T°: >25-50° de la columna

Detector de Ionización de llama

• FID• Mas empleado

Sensible a compuestos orgánicos Amplio intervalo de Rta Bajo ruido Volumen pequeño de muestra

columna capilar Cambios en el caudal no afectan Rta Detector destructivo de la muestra

Detector de ionización para fosforo y Nitrógeno

• Termoiónico o de llama alcalina

• Adición de sal de metales alcalinos a la llama incorpora esfera de rubidio

Mas sensible Detección de plaguicidas Manejo cuidado

Detector de Captura de electrones

• ECD• Detector de ionización

• Material radioactivo Ni 63 emisión de partículas ß• Fase móvil argón/metano

Especifico halógenos- esteroides-peroxidos- quininonas- grupos nitro No destructivo

Detector fotométrico de llama

• FPD• Sensible azufre y fosforo- Fosforo HPO radiación 510-526nm- Azufre S2 banda centrada 394nm

Análisis contaminantes de agua/aire

Detector de Fotoionización

• Radiación uv λ=149-106nm• Energía = 8,3-11,7 Ev

Compuestos orgánicos dan Rta 5-10 veces mas sensible que el

ionización de llama $$

Equipo CG/EM

• Universal • Aplicaciones cualitativas y

cuantitativas • Columnas capilares/ relleno separador de chorro

• Detector de trampa de iones ITD $$$

• Cuadrapolo 25000-50000 dólares

Espectrómetro M

Equipo CG/EM

SEPARADOR DE CHORRO

SEÑAL DE SALIDA

Tomada de: http://chemwiki.ucdavis.edu/Analytical_Chemistry/Instrumental_Analysis/Gas_Chromatography

ᴗ Efluente en plasma

de Helio

ᴗ Acoplado a

espectrómetro

óptico de emisión

de diodos

ᴗ 170-780nm

ᴗ Se pueden medir la

concentración de

hasta 15 elementos

DETECTOR DE EMISIÓN ATÓMICA

DETECTOR DE EMISIÓN ATÓMICA

Tomado de :http://www.shsu.edu/~chm_tgc/AED/AED.html

$ 9.950 USD

Tomado de:

http://www.cas.unt.edu/~./sbc001/5390/Lesson8.htm

DETECTOR TERMOIÓNICO

SISTEMA DE RECOLECCION DE

DATOS

PROGRAMAS

• PRODUCTORES DE LOS EQUIPOS DE GC

• De 16 bits se paso a 32 bits

• La mayoría se diseñan para trabajar con sistema

operativo windows

• Machintosh y UNIX es mas limitado

FUNCIONALIDADES HOY EN DÍA

• Muestreador automático

• Análisis de datos

• Sistema de automatización

• Herramientas de validación de software

• Informes personalizados

• Seguridad definida por el usuario

• Mass transmit TM• ChromView TM• ACD/MS Manager• VECTOR/TWO TM GC/LC-MS

TENDENCIA A INCLUIR UNA BASE DE

DATOS CON EL SOTWARE

DE LA CROMATÓGRAFÍA

DESARROLLOS

RECIENTES

CG RÁPIDA

Tomado de :http://www.sigmaaldrich.com/content/dam/sigma-

aldrich/docs/Supelco/General_Information/t407096.pdf

LC-CG EN LINEA

Tomado de: Maurus Biedermann, Konrad (;rob, Dieter FriJhlich, and Werner Meier “On-line coupled liquid

chromatography-gas chromatography (LC-GC)

and LC-LC-GC for detecting irradiation of fat-containing foods”

CG PORTATIL

Tomado de: http://www.techstuff.com/inficon.htm

↓Tiempo de análisis↓ Diámetro de la columnaH2 como gas portador

Otro enfoque Columnas MC 1000 (capilares)

PRECIOS

$17500 USD

This Varian Cp 3800 GC .2

detectores: dual ,ECDs EFC

module, Dual injectors(1079

or 1177, or 1041), Dell PC

and Software Star 5.5.

$38900 USD

Shimadzu GC-2010 Gas

Chromatograph With

GCMS-QP2010 and AOC-

20i Auto Injector

$12.500 USD

Agilent/HP6890N GC.

Inyector, detector,

sistema de

automuestreo aparte

Tomado

de:http://conquerscientific.comTomado http://www.labx.com/v2/categoryHome.cfm?parentCategoryNo=433

Y http://www.gentechscientific.com/category/mass-spec/gcms-systems/

$500 £

ATI Unicam 610 GC

Inyector Automatico

Detector: FID – ECD

Columna capilar