TEMA 3

CROMATOGRAFÍA DE GASES

La cromatografía de gases es una técnica cromatográgica en la que la muestra se volatiliza y se inyecta en la cabeza de una columna cromatográfica.

La elución se produce por el flujo de una fase móvil de gas inerte de arrastre (N2, He).

A diferencia de los otros tipos de cromatografía, la fase móvil no interactúa con las moléculas del analito; su única función es la de transportar el analito a través de la columna.

Cromatografía de GasesCromatografía de Gases

Cromatógrafo de GasesCromatógrafo de Gases

Cromatografía de GasesCromatografía de Gases Existen dos tipos de cromatografía de gases (GC): la cromatografía

gas-sólido (GSC) y la cromatografía gas-líquido (GLC), siendo esta última la que se utiliza más ampliamente, y que se puede llamar simplemente cromatografía de gases (GC).

En la GSC la fase estacionaria es sólida y la retención de los analitos en ella se produce mediante el proceso de adsorción.

Precisamente este proceso de adsorción, que no es lineal, es el que ha provocado que este tipo de cromatografía tenga aplicación limitada, ya que la retención del analito sobre la superficie es semipermanente y se obtienen picos de elución con colas. Su única aplicación es la separación de especies gaseosas de bajo peso molecular.

La GLC utiliza como fase estacionaria moléculas de líquido inmovilizadas sobre la superficie de un sólido inerte y la retención de los analitos en ella se produce mediante el proceso de absorción

Su función es evaporar rápidamente la muestra e introducirla en la columna.

La temperatura del inyector debe ser 50°C mayor que la temperatura inicial del análisis.

El “liner” es el lugar donde se produce la vaporización de la muestra

La inyección es a través de un septum: Estable a la temperatura del inyector Debe cambiarse regularmente

Puerta de InyecciónPuerta de Inyección

Inyector y Volumen de InyecciónInyector y Volumen de Inyección

El volumen de inyección dependerá de si la muestra es líquida o gaseosa Líquidos

0,1 - 10 L Gases

0,5 - 5 mL

FElíquida

SOPORTEsólido poroso

inerteTubo capilar de material inerte

Empacada

Empacada Tubular Abierta

Columnas Empaquetadas y Tubulares

La fase estacionaria es una película delgada de líquido colocada en la superficie de un soporte sólido inerte y finamente dividido.

La fase estacionaria es una película uniforme de líquido con unas pocas décimas de micrómetro de grosor que recubre uniformemente el interior del tubo capilar.

Empaquetadas:2-4 mm d.i. 1 – 4 m largo Análisis de gases

Tubulares:100 – 500 um d.i.10 – 100 m largoFase estacionaria líquida 0,2 m – 1 m

Columnas Empacadas y Tubulares

Separación por cromatografía de gases de un aceite esencial utilizando una columna empacada y una capilar

Columnas Tubulares

(Support Coated Open Tubular)

Las columnas WCOT son simplemente tubos capilares con la pared interna recubierta de una fina capa de fase estacionaria.

WCOT

(Wall Coated Open Tubular)

En las columnas SCOT, la superficie interna del capilar está revestida de una fina capa (de unos 30 μm) de un material soporte, tal como tierra de díatomeas

La columnas SCOT contiene varias veces la fase estacionaria de una columna

WCOT y, por tanto, tienen una mayor capacidad de carga.

Columnas Capilares

Columnas Tubulares

(FSOT = Fused Silica Open Tubular)

Una versión más actual de las columnas WCOT, son las columnas tubulares abiertas de sílice fundida (FSOT).

Los capilares de sílice fundida se fabrican a partir de sílice especialmente purificada con un contenido mínimo de óxidos metálicos.

Columnas Tubulares

(Support Coated Open Tubular)

(WCOT = Wall Coated Open Tubular)

(FSOT = Fused Silica Open Tubular)

Fases Estacionarias Propiedades:

baja volatilidad (idealmente, el punto de ebullición deber al menos 100°C mayor que la temperatura de trabajo.

estabilidad térmica. químicamente inerte dIsolvente adecuado.

La elección adecuada entre estos disolventes es una etapa crítica para el éxito de la separación.

El tiempo de retención de un soluto en una columna depende de su coeficiente de distribución, el cual a su vez está relacionado con la naturaleza química de la fase estacionaria.

Fases Estacionarias ComunesFases Estacionarias Comunes

Fase estacionaria Nombre comercial

Temperatura máxima (°C)

Aplicaciones comunes

Polidimetilsiloxano OV-1, SE-30 350 Fase no polar de uso general, HC, aromáticos, drogas, compuestos halogenados

Poli(fenilmetildifenil)siloxano OV-3, SE-52 350 Esteres metílicos de ácidos grasos, alcaloides,drogas, compuestos halogenados

Poli(fenilmetil)sioloxano (50% fenil)

OV-17 250 Drogas, esteroides, pesticidas, glicoles

Poli(trifluoropropildimetil)siloxano

OV-210 200 Aromáticos clorados, nitroaromáticos, bencenos alquilsustituidos

Polietilen glicol Carbowax 20M 250 Acidos libres, alcoholes, éteres, aceites esenciales, glicoles

Poli(dicianoalildimetil)siloxano OV-275 240 Acidos graso poliinsaturados, ácidos libres. alcoholes

Fases Estacionarias LíquidasFases Estacionarias Líquidas

POLIGLICOLES Muy polares. Principal: Polietilenglicol (nombres comerciales: Carbowax, DB-Wax, Supelcowax, HP-

Wax, etc.)

CH2 CH2OH OH

n

Estrutura Química:

Fases Estacionarias LíquidasFases Estacionarias Líquidas

SILICONAS (polisiloxanos) FE mas empleadas en CG. Cubren una amplia gama de polaridades y propiedades químicas diversas.

Si

CH3

H3C

CH3

O Si

R1

R2

O Si

CH3

CH3

CH3n

R1, R2 = cualquierradical orgánico

- Unión Si-O extremadamente estable = elevada estabilidad térmica y química

FASES ESTACIONARIASFE Quirales

Separación de isómeros ópticos:

FÁRMACOS En muchos fármacos uno de los dos isómeros ópticos tiene actividad farmacológica.

PRODUCTOS BIOLÓGICOS Distinción entre productos de origen sintético y natural (natural = normalmente substancias opticamente puras; sintético = muchas veces sin mezcla de isómeros ópticos).

Propiedades físico-químicas de isómeros ópticos son MUY SIMILARES

FE convencionales no diferencian entre isómeros ópticos

Separación de mezclas de isómeros ópticos sólo es posible con FE opticamente activas

=

FE Quirales

FASES ESTACIONARIASFE Quirales

FE opticamente activas más importantes:

O Si

CH3

CH2

CHCH3

C

O N

H

C*

C

O

H

CH CH3

CH3

NH C

CH3

CH3

CH3

Si

CH3

CH3

O

n

Chiralsil-Val

Derivados de aminoácidos:

Mezcla de compuestos formadores de puentes de

hidrógeno

Organometálicos:

Separación de enantiómeros formadores de complexos.

n

O Si

CH3

CH2

Si

CH3

CH3

O

CH2

O

O

Ni

C3F7

/ 2

Chiralsil-Metal

FASES ESTACIONARIASFE Quirales

Derivados de ciclodextrinas alquiladas:

-ciclodextrina: oligosacárido cíclico

quiral

Chiralsil-Dex

- Introducidas en 1983

- Cuando están ligadas a cadenas de polisiloxano: uso extremadamente favorable como FE líquida (baja viscosidad, estabilidad ...)

- Pueden ser quimicamente inmobilizadas

Aceite esencial natural Esencia artificial

Aroma de bergamota: distinción entre aroma natural y artificial

Coluna: Rt-ßDEXse (30 m x 0.32 mm x 0.25 µm), TCOL: 1 min a 40°C / 4°C min-1 / 200°C, Gás de Arraste: He @ 80 cm.min-1, Detector: MS

FASES ESTACIONARIASFE Quirales: Aplicaciones

Anfetaminas: resolución de isómeros

FASES ESTACIONARIASFE Quirales: Aplicaciones

Coluna: Rt-ßDEXse (30 m x 0.32 mm x 0.25 µm), TCOL: 1 min a 120°C / 1,5°C min-1 / 175°C, Gás de Arraste: He @ 25 cm.min-1, Detector: MS

Selección de la Columna

Factores a considerar Tamaño de muestra Número y tipo de componentes presentes en la

muestra Grosor de la capa y diámetro interno de la

columna Para muestras complejas se escoge la columna

que se ajuste mejor a la polaridad de los compuestos de la muestra

Factores que Afectan una Separación Cromatográfica

Tipo de gas transportador Temperatura Velocidad del gas transportador Grosor de la capa Diámetro interno Longitud

Gas de Arrastre (fase móvil)

Requisitos:INERTE : No debe reaccionar con la muestra y con la fase estacionaria o superficies del instrumento.

PURO: Debe estar excento de impurezas que puedan degradar la fase estacionaria.

Impurezas típicas en gases y sus efectos:

oxida / hidroliza algunas fases estacionarias

incompatíble con detector de captura de electronesDCE

H2O, O2

Hidrocarburos Generan ruído en la señal del detector de llama

Gas Transportador y Resolución

Temperatura La temperatura afectará de manera

inversamente proporcional los tiempos de retención.

No todos los componentes de una mezcla se verán afectados por igual.

Grosor de la Capa Interna y Diámetro Interno de la Columna

ABSORCION

Filmes espesos de FE líquida

Interacción fuerte entre la FE líquida y el analito (gran

solubilidad)

Gran superfície líquida expuesta a la FM

FE líquida

Longitud de la ColumnaLongitud de la Columna

Es el menos importante de todos los factores

Programación de la Temperatura

La columna está instalada en un horno Si la temperatura se mantiene constante

durante todo el análisis, este análisis se denomina isotérmico.

Si la temperatura varía, este análisis se denomina Programación de Temperatura

¿Para qué variar la temperatura?

En una serie homóloga, por ejemplo hidrocarburos alifáticos, los tiempos de retención aumentan exponencialmente con el número de carbonos.

A medida que el tr aumenta, el ancho de la señal también aumenta, haciendo la detección muy difícil después que han eluido algunos compuestos.

Ya que la solubilidad de un gas en un líquido disminuye al subir la temperatura, los tr pueden disminuir al aumentar la temperatura

Programación de Temperatura

Factores a Considerar Variación en la solubilidad de los solutos Cambios en la volatilidad de los solutos Estabilidad de los solutos Cambios de flujo Estabilidad de la fase estacionaria

TE

MP

ER

AT

UR

A D

E L

A C

OL

UM

NA

EL CONTROL CONFIABLE DE LA TEMPERATURA DE LA COLUMNA ES ESENCIAL PARA OBTENER UNA BUENA SEPARACION EN CROMATOGRAFIA DE GASES

Programación Lineal de Temperatura

Mezclas complejas (constituídas por volatilidades muy diferentes) separadas ISOTERMICAMENTE:TCOL BAJA:

- Componentes mas volátiles son separados- Componentes menos

volátiles demoran en eluir, resultando picos mal definidos o señales

anchas

TCOL ALTA:- Componentes mas

volátiles no son separados

- Componentes menos volátiles eluyen más

rapidamente

Baj

a te

mp

erat

ura

Alt

a te

mp

erat

ura

Ejemplo de Programación de Temperatura

La temperatura del horno se puede variar linealmente durante la

separación:

Se obtiene una buena separación de los componentes de la

muestra en un menor tiempo

TIEMPO

TE

MP

ER

AT

UR

A

tINI tFIM

TIN

I

TFI

M R

Parámetros de una programación de temperatura:

TINI Temperatura Inicial

TFIM Temperatura Final

tINI Tiempo Isotérmico

InicialtFIM Tiempo Final del

ProgramaR gradiente

DetectoresDetectoresDispositivos que generan una señal eléctrica proporcional a una

cantidad eluída de un analito

DCTDetector de

ConductividadTérmica

DILDDetector de

Ionización de llama

DCEDDetector deCaptura deEletrones

EMDetector Es-

pectrométrico de Masas

Detectores: Parámetros básicosDetectores: Parámetros básicosCANTIDAD MÍNIMA DETECTABLE

Masa de analito que genera un pico con una altura igual a tres veces el nível de ruído

SE

ÑA

L)

RUÍDO (N)

= 3S

N

LIMITE DE DETECCION

Cantidad de analito que genera un pico con una S/N = 3 y wb = 1 unidad de tiempo

Detectores: Detector de Ionización Detectores: Detector de Ionización de llamade llama Se forman iones cuando un compuesto es quemado en

una llama de hidrógeno y oxígeno.

El efluente de la columna se mezcla con H2 y O2 y es

quemado. En la llama de H2 +

O2 no existen íones, ella no

conduce la corriente eléctrica.

Cuando un compuesto orgánico eluye hacia la llama, este es

quemado. Se forman iones y estos conducen la corriente eléctrica

Detectores: Detector por Captura Detectores: Detector por Captura de Electronesde Electrones

Supresión de un flujo de eletrones lentos causado por su absorción por espécies eletrofílicas

Se establece un flujo contínuo de eletrones lentos entre un ánodo

(fuente radioactiva emisora de rayos ) y un

cátodo.

Al pasar una substancia electrofílica, algunos

eletrones son absorvidos, resultando en una

supresión de la corriente eléctrica.

Cromatografía Gaseosa Espectrometría de Masas (GC-MS)

(GC-MS): Modos de Uso

MODO SCAN (gran rango de unidades de masa ej. 40 a 500 da)

Modo de identificación tradicional junto al tiempo de retención del standard aceptado para confirmación de sustancias en casos forenses.

MODO SIM Utiliza tres o más iones los de mayor abundancia junto al tiempo de retención del standard y deben conservar su relación de abundancia, podría ser discutido desde el punto de vista forense.

Características Detectores

Detector Límite de detección (g)

Rango lineal Comentarios Tratamientosoluto

TCD 10-5-10-6 103-104 Detector universal

No destructivo

FID 10-12 106-107 Detector universal

Destructivo

ECD 10-14 102-103 Detector selectivo

No destructivo

FPD 10-13 102 Detector Selectivo S,P

Destructivo

NPD 10-8-10-14 105-107 Detector Selectivo N,P

Destructivo

MSD 10-12 Según tipo detector

Detector universal

Destructivo