Cromatografía de Gases.

Técnica analítica para: separar y cuantificar compuestos orgánicos volátiles estables

Dominio de aplicación: Mayoría de contaminantes orgánicos (hidrocarburos polinucleares, halocarbonos, pesticidas, bifenilos policlorados, fenoles, etc.)

Características: Costosa inversión en equipo de laboratorio Personal muy especializado Detección de contaminantes en niveles extremadamente bajos.

PrincipioLa separación de los constituyentes de mezclas complejas de compuestos orgánicos volátiles se realiza en columnas cromatográficas capilares en las que una cantidad muy pequeña de muestra problema se introduce con una jeringa a través de un puerto de inyección calentado a una temperatura apropiada para volatilizar la muestra.

Un gas acarreador inerte arrastra la muestra volatilizada a lo largo de la columna cromatográfica, situada en un horno que permite establecer las condiciones de temperatura durante el proceso de separación.

Durante este proceso de transporte, en condiciones controladas de temperatura, los diferentes constituyentes de la muestra no se mueven a la misma velocidad.

Las características propias de los recubrimientos internos de las columnas cromatográficas y las condiciones de operación, influyen de manera decisiva sobre el tiempo requerido por cada constituyente de las mezclas estudiadas, para que salgan de la columna.

La diferencia de velocidad de emigración de los constituyentes gaseosos dentro de la columna cromatográfica permite lograr la separación de los mismos.

A la salida de la columna cromatográfica, los constituyentes vaporizados separados pasan sucesivamente por un detector apropiado que proporciona señales cada vez que un constituyente detectable lo atraviesa y cuya intensidad depende, entre otros factores, de la cantidad de materia involucrada.

Cuando se tienen definidas las condiciones de realización de una separación cromatográfica, la salida de cada constituyente separado de una mezcla, se caracteriza por su tiempo de retención o tiempo de permanencia en la columna.

Los constituyentes con menor retención salen primero de la columna y los que tienen mayor retención salen después.

Las condiciones de realización de separaciones cromatográficas incluyen el control de los siguientes factores:

-Control de temperaturas: del inyector, del horno y del detector.-La columna cromatográfica: naturaleza de la fase estacionaria, longitud y diámetro de la columna.-Naturaleza y flujo del gas acarreador-Tipo de detector

Sin embargo, la calidad de las determinaciones mediante las técnicas cromatográficas depende fundamentalmente de la representatividad de la muestra que se procesa y en particular que no sufra modificaciones o contaminaciones entre la toma y el resultado final del análisis (Las determinaciones de cantidades muy bajas de materia orgánica pueden afectarse por la presencia de vapores de solventes en la atmósfera de los laboratorios.

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Esquema de un cromatógrafo de gases

FACTORES QUE INFLUYEN SOBRE LAS SEPARACIONES CROMATOGRAFICAS.

-Tipo de columna cromatográfica.Existen una gran variedad de columnas para cromatografía de gases:

-Las columnas de acero inoxidable o de vidrio empacadas con un soporte sólido finamente dividido, frecuentemente recubierto de algún líquido no volátil como fase estacionaria. Estas columnas tienen una longitud de 1 a 5 metros y un diámetro de 3 a 6 mm. Esta tecnología de columnas tiende a abandonarse paulatinamente.

La selección adecuada de las fases estacionarias requiere de una buena experiencia del cromatografísta para lograr separaciones satisfactorias.

-Las columnas de tecnología más reciente llamadas capilares de 0.1 a 0.7 mm de diámetro interno y de 15 hasta 100 metros de longitud fabricadas con sílice fundida.

-Programación de temperatura del horno.La columna cromatográfica se sitúa en un horno que permites regular y aún programar la variación de la temperatura durante la separación cromatográfica.Cuando se incrementa la temperatura del horno, disminuye el tiempo de retención de los solutos, la definición y la separación de las señales cromatográficas, se encuentran mejoradas.

-Naturaleza del gas acarreador.Los gases utilizados para arrastrar la muestra volatilizada deben ser inertes, esto es, no deben reaccionar químicamente con los constituyentes de la mezcla problema.Se suele utilizar al hidrógeno, el helio, el nitrógeno o el argón-metano como gases acarreadores.

FACTORES QUE INFLUYEN SOBRE LA SEÑAL CROMATOGRÁFICA.Cuando los constituyentes de una mezcla de compuestos volátiles salen de una columna cromatográfica, deben detectarse para que sea posible su eventual identificación y/o cuantificación.

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Existen diversos tipos de detectores cuya posibilidad de aplicación depende de la naturaleza química de las sustancias por detectar

Los principales detectores son:

Tipo de detector Limite de detección aproximado Intervalo linealDe conductividad térmica 400 pg/ml (propano)2 pg/s >105

De ionización de flama 2 pg/s >107

De captura de electrones 0.1 pg/s 104

Fotométrico de flama <10 pg/s (azufre) >104

De flama alcalina 100 pg/s 105

Espectrofotométrico IR de transformada de Fourier

200 pg a 40 ng 104

Espectrométrico de masas 25 pg a 100 pg 105

Fuente: D.C. Harris. Análisis Químico Cuantitativo. México. Ed. Iberoamericana

APLICACIÓN DE LOS DETECTORES:

-Conductividad térmica. Es el más antiguo de los detectores para los cromatógrafos de gases. Es un detector no selectivo, es simple, resistente, no destructivo para la muestra y de uso muy general. Su sensibilidad es baja (0.3 ng/ ml) y su intervalo de respuesta lineal es de aproximadamente 4 a 5 órdenes de magnitud.Este detector opera con un filamento de platino en el que circula una corriente eléctrica que lo mantiene a alta temperatura, colocado en el flujo gaseoso que sale de la columna cromatográfica. La pérdida de calor depende de la conductividad térmica del gas que lo rodea. El cambio de composición del gas que sale de la columna modifica su conductividad térmica, la cual modifica la temperatura del filamento. El cambio de la temperatura, a su turno, modifica la resistencia del filamento, la cual se detecta mediante un montaje de puente Wheatstone. El detector funciona satisfactoriamente con hidrógeno o helio como gas acarreador.Su sensibilidad y selectividad limitadas hace que se use poco en el análisis de componentes orgánicos traza en aguas.

Sección longitudinal de un detector de conductividad térmica

-Captura electrónica.Se utiliza en el análisis de compuestos que tienen altas afinidades electrónicas como es el caso de los pesticidas clorados, los medicamentos y sus metabolitos. Este detector es, de cierto modo, selectivo en su respuesta a las moléculas que contengan grupos electronegativos como los halógenos, peróxidos, quinonas y grupos nitrogenados. En cambio, no da respuesta a grupos funcionales como las aminas, los alcoholes y los hidrocarburos.

El detector consta de una fuente radiactiva (tritio o niquel-63) generadora de radiactividad beta (emisión de electrones). Los electrones de la fuente radiactiva ionizan el gas acarreador (por lo general se utiliza el nitrógeno) y produce una serie de electrones de emisión secundaria. Por cada electrón de emisión beta, se tienen alrededor de 100 electrones de emisión secundaria. Estos electrones pueden ser capturados cuando el gas acarreador contiene moléculas electrofílicas de la muestra estudiada. La emisión de electrones primarios y secundarios, modulada por la presencia o la ausencia de sustancias electrofílicas en el gas acarreador que entra al detector, conduce a variaciones de corriente eléctrica relacionadas con la concentración de las sustancias electrofílicas en dicho gas.

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Esquema de un detector de captura de electrones-Conductividad electrolítica. Los compuestos orgánicos que eluyen de la columna cromatográfica se queman en el horno miniatura para dar especies moleculares simples que se ionizan fácilmente y que contribuyen a la conductividad electrolítica del agua desionizada. Se monitorean los cambios en la conductividad electrolítica. Los iones del analito se remueven del agua mediante una columna de intercambio iónico que forma parte de un sistema de circulación continua que regenera el agua desionizada. Cuando los productos de combustión se hidrogenan sobre un catalizador de niquel a 850°C en un horno de tubo de cuarzo, se forma amoniaco a partir de los compuestos nitrogenados, ácido clorhídrico a partir de los cloruros orgánicos y sulfuro de hidrógeno con los compuestos que tienen azufre.

-Fotoionización. Este fenómeno se produce cuando una especie molecular absorbe un fotón y se disocia en un ión y un electrón. El detector de fotoionización da respuesta con compuestos orgánicos y algunos inorgánicos en el nivel de detección del picogramo. La fotoionización se provoca con luz ultravioleta que atraviesa una cámara de ionización por la que pasa el gas acarreador que sale de la columna cromatográfica. Los compuestos con potencial de ionización inferior a la energía de la luz ultravioleta utilizada se ionizan. La corriente de fotoionización se detecta mediante electrodos y es proporcional a la concentración de la sustancia ionizada en el gas acarreador.Este detector es muy sensible, muy estable, tiene un amplio intervalo de respuesta lineal y no es destructivo para la muestra. Se puede ajustar su selectividad al modificar la energía de la luz UV utilizada.

-Espectrómetro de masas. El espectrómetro de masas permite detectar una amplia variedad de compuestos y también permite obtener las estructuras más probables de los mismos con base en los patrones de fragmentación de las moléculas. El detector de tipo cuadrupolar es el que se usa con más frecuencia en el análisis de aguas. En un espectrómetro de masas, las moléculas se fragmentan en especies cargadas por impacto de electrones acelerados a alta velocidad. Los fragmentos moleculares cargados se separan en campos magnéticos creados por un cuadrupolo y se detectan mediante un multiplicador de electrones. La mayoría de las sustancias químicas poseen un patrón de fragmentación único que se denomina espectro de masas. La identificación de los compuestos fragmentados se efectúa mediante la comparación por computadora del patrón de fragmentación de la especie desconocida con los patrones de fragmentación de sustancias conocidas. Es el detector más poderoso pero también el más costoso.

Este tipo de detector se suele utilizar en las determinaciones siguientes:-halocarburos depurables-pesticidas-herbicidas-productos farmacéuticos-nitrosaminas.Este detector puede funcionar para detectar moléculas con los siguientes átomos, halógenos, nitrógeno, azufre y nitrosaminas.

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-Ionización de flama. Es de uso muy general por ser muy sensible a las sustancias que contienen átomos de carbono orgánico. El detector comprende un microquemador en el que actúa como sensor una pequeña flama de hidrógeno/aire. Cuando un compuesto orgánico que sale de la columna cromatográfica penetra en la flama, se forman productos intermedios de combustión eléctricamente cargados que se recogen mediante la aplicación de una diferencia de potencial entre electrodos que rodean la flama. La corriente resultante es proporcional a la masa total que entra al detector por unidad de tiempo y es independiente de la concentración en el gas portador.Este detector tiene las siguientes ventajas:

- Responde virtualmente a todos los compuestos que contienen carbono orgánico, con una alta sensibilidad del orden de 0.1 pg/ml

- No responde a las impurezas del gas portador (agua, CO2)- Tiene un amplio intervalo de respuesta lineal (7 ordenes de magnitud)- Permite tener una línea base muy estable- No lo afectan los pequeños cambios de flujo de la columna durante la programación de

temperatura del horno.- Su respuesta es rápida, su mantenimiento y su operación son sencillos

Este detector tiene las siguientes desventajas:- No da respuesta a las sustancias no combustibles y a los gases nobles.- Es de tipo destructivo ya que las sustancias que los atraviesan sufren combustión.

Esquema de un detector de ionización de llama

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DOMINIO DE APLICACIÓN DE LOS DETECTORES COMUNMENTE UTILIZADOS EN CROMATOGRAFIA DE GASESFuente ASTM E 260-91DETECTOR DOMINIO DE APLICACIÓN (CLASE

DE COMPUESTOS)CANTIDAD MINIMA DETECTABLE

Conductividad Térmica Uso General. No selectivo 0.1 a 1 gIonización de flama Compuestos con C orgánico 10-12 gCaptura de electrones Compuestos halogenados y

oxigenados10-12 a 10-15 g

Fotométrico de flama Compuestos con azufre 10-11 gCompuestos con fósforo

Flama alcalina Compuestos nitrogenados 10-12 gCompuestos con fósforo < 10-12 g

Resumen de condiciones de operación de un cromatógrafo de gasesFuente ASTM E 260-91 Standard Practice for Packed column gas chromatography

Columna Longitud, diámetro externo, diámetro interno.Tipo definido de fase soporte sólido: granulometría, tratamiento como lavado ácido, silanización etc.% en peso de fase estacionaria de tipo definidoCantidad aproximada de empaque por unidad de longitud de columna.

TemperaturaSistema de inyección de muestra

Grados centígrados

Detector Grados centígradosColumna

Condiciones isotermas

Grados centígrados

Temperatura programada

Grados centígrados

Inicial Grados centígrados (precisar si existe un tiempo de espera en esta temperatura)

Final Grados centígradosVelocidad Grados centígrados / min

Precisar temperaturas específicas y tiempos en caso de usar ambas condiciones de temperatura isoterma y programada

Gas acarreador Especificar tipo y composiciónVelocidad de flujo cm3 / min ( a la salida de la columna o

del detector y a la temperatura de medición)

Tipo de detector De conductividad térmicaDe ionización de flamaDe captura de electrones

Sensibilidad de medición (según tipo de detector)

Intensidad de corriente a plena escalaDiferencia de potencialCorriente de puente

Condiciones del graficador

Intervalo mV, velocidad máxima deflección

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Velocidad del papel cm/minVolumen de muestra inyectada

l (líquidos) o cm3 (gases)

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