INTRODUCCIN A LA CROMATOGRAFA DE GASESIntroduccin a la cromatografa. DefinicinPrincipios bsicosCromatografa de GasesCampo de aplicacinPartes de un cromatgrafo de gasesLA CROMATOGRAFA DE GASES Y SUS APLICACIONES22 DE OCTUBRE DE 2007

INTRODUCCIN A LA CROMATOGRAFA DefinicinPrincipios bsicosDefinicinTcnica que permite separar los componentes de una muestra debido a su diferente afinidad entre dos fases inmiscibles entre s, una estacionaria (liquida o slida) y otra mvil (gas o lquida)

La muestra se introduce en la fase mvil y es transportada a lo largo de la columna que contiene una fase estacionaria distribuida. Las especies de la muestra experimentan interacciones repetidas (repartos) entre la fase mvil y la fase estacionaria. Cuando ambas fases se han escogido de forma adecuada, los componentes de la muestra se separan gradualmente en bandas en la fase mvil. Los componentes abandonan la columna en orden creciente de interaccin con la fase estacionaria.La amplia gama de seleccin de materiales para la fase mvil y la estacionaria permite separar molculas que difieren muy poco en sus propiedades fsicas y qumicas.

Clasificacin de los mtodos cromatogrficosCromatografaCromatografa de lquidosGas LquidoGLCGas SlidoGSCLquido LquidoLLCLquido SlidoLSCIntercambio inicoIECExclusinECCasos particulares:Intercambio Inico: Los componentes inicos de la muestra se separan por el intercambio selectivo con contraiones de la fase estacionariaExclusin: La fase estacionaria proporciona una clasificacin de molculas basada en la geometra y el tamao molecular

Comportamiento cromatogrfico de los compuestosEl comportamiento cromatogrfico de un componente de una muestra puede describirse de diversas formas:VR Volumen de retencin Volmen de fase mvil necesario para transportar la banda de un componente desde el punto de inyeccin, a travs de la columna, hasta el detector (en el mximo de pico del componente) tR tiempo de retencin Tiempo necesario para que el componente, una vez inyectado pase a travs de la columna y alcance el detector (en el mximo de pico del componente)k razn de reparto Es una medida del tiempo que el componente est en la fase estacionaria en relacin con el tiempo que est en la fase mvil

tot1t2A BA BFlujo de fase mviltBA BtAA

k razn de reparto tR tM VR - VMk= =

tM VMDonde tM es el tiempo de retencin de un compuesto que no interaccionara con la fase estacionaria y tR es el tiempo de retencin del compuesto de inters. Lo mismo se puede expresar en relacin conLos volmenes de retencin.

El objetivo de la cromatografa es doble:Separar los distintos componentes de la muestraIdentificar los componentes previamente separadosSeparar los distintos componentes de la muestraSelectividad y eficienciaBuena selectividadEficiencia bajaBaja selectividadBuena eficiencia Buena selectividadBuena eficiencia

Identificar los componentes previamente separadosSeleccin de detectores adecuados que permitan el anlisis cualitativo.La seleccin de un detector est relacionada con la naturaleza de las sustancias a determinar.Los componentes de una muestra se identifican por su tiempo de retencinSe pueden emplear tcnicas que aporten una mayor informacin sobre la naturaleza de los componentes: Acoplamiento con Espectrometra de Masas

Anlisis Cuantitativos basados generalmente en la integracin del rea bajo los picos.Calibracin con patrones o estndares: Si se realizan determinaciones cromatogrficas de muestras de concentracin conocida de alguno de sus componentes, se puede realizar una recta de calibrado y posteriormente el anlisis e integracin de una muestra de concentracin desconocida del citado componente permitir la cuantifcacin del mismo. Estndar interno: Permite que varen las condiciones de operacin entre muestra y muestra.

Cromatografa de GasesEs la tcnica a elegir para la separacin de compuestos orgnicos e inorgnicos trmicamente estables y voltiles

Un cromatgrafo de gases consiste en el acoplamiento de varios mdulos bsicos ensamblados para:Proporcionar un flujo constante de gas portadorPermitir la introduccin de vapores de la muestra en la corriente de gas que fluyeContener la longitud apropiada de fase estacionariaMantener la columna a la temperatura apropiada (o la secuencia del programa de temperatura)Detectar los componentes de la muestra a medida que eluyen de la columnaProveer una seal legible proporcional en magnitud a la cantidad de cada coomponente

Cromatografa de Gases

Cromatografa de Gases

Cromatografa de Gases

Sistema de inyeccinEl modo estndar es la inyeccin directa, la muestra es inyectada con una jeringa a travs 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 inyeccin, se mantiene a una temperatura tal que permita convertir prcticamente de forma instantnea la muestra lquida en un tapn de vapor.Existen jeringas especiales para muestras gaseosas. Tambin se puede emplear un lazo o bucle para incoporar las muestras gaseosas al flujo de gas portador

Sistema de inyeccinEl modo de separacin ms extendido en la actualidad se basa en el empleo de columnas capilares. Estas columnas requieren muy pequeos volmenes de muestra. Esto se logra empleando un inyector que incorpora un divisor de flujo (split). Normalmente se introduce en la columna un 1%Cuando las sustancias a separar se encuentran a muy bajas concentraciones se realiza inyeccin sin divisor (splitless)

Sistema de inyeccinPara el anlisis de compuestos orgnicos voltiles en muestras slidas y lquidas, se han desarrollado algunas tcnicas auxiliares:Espacio de cabeza (Head space)Purga y trampa (Purge and trap)

Espacio de cabeza (Head space)Se analiza la fase de vapor en equilibrio termodinmico con la muestra en un sistema cerrado.Para ello se procura un equilibrio estable, mediante el control de la temperatura del vial que contiene la muestra.Posteriormente, se arrastra la fase vapor al interior del cromatgrafo.TequilibrioGas portadorA la columna

Purga y trampa (Purge and trap)Es aplicable solo a muestras lquidas.Consiste en la continua renovacin del gas en equilibrio con la muestra, con lo que se consigue el desplazamiento dinmico de los compuestos voltiles de la muestra lquida a la fase gaseosa. Los vapores se arrastran a una trampa donde quedan retenidos y se van concentrando.Finalizado el proceso se calienta la trampa y se arrastran los vapores al interior del cromatgrafo.T1) Gas portadortrampaT bajaT2) Gas portadortrampaT altaA la columna

Columnas cromatogrficasColumnas capilares Columnas Empacadas

Columnas cromatogrficas empacadasSe construyen con tubo de acero inoxidable, niquel o vidrio. Los dimetros interiores van de 1,6 a 9 mm.La longitud suele ser inferior a los 3 m.Se rellenan de un material adsorbente adecuado a las sustancias que se quiere separar.

Columnas cromatogrficas capilaresSe construyen con slice fundida. Los dimetros interiores suelen ser de 200-250 mm.La longitud suele ser superior a los 20 m.Hay dos tipos:Empacadas con partculas slidas ocupando el total del dimetro de la columna (micro-empacadas) Tubulares abiertas, con trayectoria para el flujo abierta y sin restriccin por el centro de la columna

Ejemplos de fases estacionarias en cromatografa de gasesSeparaciones por punto de ebullicin de compuestos en un intervalo amplio de pesos moleculares:EscualanoPolidimetilsiloxanoPara hidrocarburos insaturados y otros compuestospolidifenildimetilsiloxanopolicarboranometilcianoetilsilicnPara compuestos nitrogenadospoliamidapolicianoetilmetilsiliconPara alcoholes, steres, cetonas y acetatospolietilenglicolpentaeritritol tetracianoetilado

HornoLas columnas cromatogrficas se enrollan, se sujetan en un soporte y se introducen en el interior de un horno

El horno debe poderse calentar y enfriar rpidamente

La temperatura se debe poder programar para poder trabajar en rgimen de gradiente

Muchas aplicaciones y mtodos cromatogrficos requieren comenzar a temperaturas por debajo de la ambiental

HornoT1

T2> T1

Sistemas de deteccinCaractersticas ideales de un detector para Cromatografa de Gases: Sensibilidad alta y estable; tpicamente 10-8 g soluto/s Bajo nivel de ruido Respuesta lineal en un amplio rango dinmico Tiempo de respuesta corto Buena respuesta para toda clase de compuestos orgnicos Insensibilidad a las variaciones del flujo y la temperatura Estabilidad y robustez Simplicidad en su operacin Identificacin de compuestos positiva Tcnica no destructiva Pequeo volumen en prevencin del mezclado de componentes

Sistemas de deteccinDetector de ionizacin de llama (FID)Este detector aade hidrgeno al eluyente de la columna.La mezcla pasa a travs del conducto de un mechero, donde se mezcla con aire externo y luego arde.Cuando entra en la llama materialionizable del eluyente de la columnaSe quema y la corriente aumentanotablemente.Este detector es ideal para compuestosoxidables.No responde a los compuestos de carbono totalmente oxidados, comocarbonilos o carboxilos y grupos ster

Sistemas de deteccinDetector de conductividad trmica (TCD)Utiliza un filamento caliente colocado en el flujo de gas emergente.

La cantidad de calor por conduccin que pierde el filamento hacia las paredes del detector depende de la conductividad trmica de la fase gaseosa.

Es til para determinar la presencia incluso de pequeas cantidades de materiales orgnicos que producen una reduccin relativamente grande en la conductividad trmica del eluyente de la columna.

Sistemas de deteccinDetector de captura de electrones (ECD)El eluyente pasa entre dos electrodos. Uno de los electrodos tiene en su superficie un radioistopo que emite electrones de alta energa conforme decae.Los electrones bombardean el gas portador (N2) formndose un plasma que contiene iones positivos, radicales y electrones trmicos.Se aplica una diferencia de potencial de modo que se recolectan los electrones generados.Los compuestos que absorben electrones reaccionan con los electrnes trmicos disminuyendo la corriente del detector, la cual es medida y permite la cuantificacin

Sistemas de deteccinDetector de espectroscopa de masas (MS)Los eluyentes son ionizados y fragmentados. Los iones resultantes se dirigen a travs de un cuadrupolo y se ordenan en funcin de su masa.Ese detector permite obtener el espectro de masas del compuesto que ha eluido.Podemos por tanto conocer, adems del tiempo de retencin el espectro de masas del compuesto y contrastarlo con bibliotecas de espectros.Se trata por tanto de un detector universal para la mayora de los compuestos conocidos.

Cromatografa Inica

PolaridadBasndose en la polaridad de la fase estacionaria y la fase mvil, se distinguen los siguientes mtodos de cromatografa lquida:

El intercambio inico como mecanismo de separacin La gran mayora de las separaciones por cromatografa inica ocurren por intercambio inico sobre fases estacionarias con grupos funcionales cargados. Los correspondientes contraiones del eluyente se localizan en la vecindad de los grupos funcionales y se intercambian con iones del analito de la misma carga en la fase mvil. Para cada ion el proceso de intercambio se caracteriza por un equilibrio de intercambio inico correspondiente, que determina la distribucin del analito (M+ A-) entre la fase mvil y la fase estacionaria:A- es el ion del analitoE- es el ion del eluyente (contraion)

El intercambio inico como mecanismo de separacin El grupo ms importante de intercambiadores inicos son los basados en resinas sintticas hechas de un copolmero de estireno y divinilbenceno.

Los intercambiadores catinicos se obtienen por posterior sulfonacin de esta resina de estireno-divinilbenceno. Los intercambiadores aninicos por posterior clorometilacin seguida de aminacin.

Cromatografa inicaTambin llamada cromatografa de intercambio inico, determina iones inorgnicos y orgnicos, normalmente por conductividad.

Se utilizan dos tipos de tcnicas en la prctica:

Supresin qumica, en la que la conductividad de fondo se suprime tanto qumica como electrnicamente. Normalmente utilizada en aniones.

Supresin electrnica, en la que se emplean eluyentes con sales de cidos orgnicos en baja concentracin sobre intercambiadores de iones de muy baja capacidad para alcanzar una conductividad de fondo relativamente baja, que puede ser suprimida directamente por medios electrnicos.

Supresin qumicaSe basa en el uso de sales de cidos dbilmente disociables (NaHCO3, por ejemplo) como eluyentes. Estos eluyentes se pueden eliminar en gran medida mediante una reaccin post-columna de acuerdo con el siguiente proceso

El cido carbnico formado como resultado del intercambio catinico se disocia muy dbilmente, por lo que aporta poca conductividad.

Por otro lado, los iones de la muestra sufren la reaccin correspondiente. Por ejemplo, para el cloruro

El proceso de supresin convierte el NaCl al correspondiente cido fuerte, el cual tiene una mayor conductividad que la sal original. Cuanto menor fuerza tenga el cido producido, el incremento en sensibilidad debido a la supresin qumica ser menor.

Supresin qumica

Sin supresin qumicaEluyente: cido ftlicoCon supresin qumicaEluyente: HCO3-/CO3-Aniones

Cationes sin supresin qumica

Deteccin por conductividadLa conductividad es una medida de la capacidad que tienen las disoluciones de electrolitos para transportar la corriente por migracin inica en un campo elctrico aplicado entre dos electrodos.La conductividad () es directamente proporcional a la concentracin para disoluciones diluidas, siguiendo la relacin

Donde es la conductividad equivalente en Scm2mol-1c(eq) es la concentracin equivalente en eq/l o normalidad

Deteccin UV/VISDirecta: Se usa en la determinacin de iones que absorben fuertemente en el rango UV (nitrito, nitrato y aniones orgnicos, p.e.) en presencia de altas concentraciones de iones inorgnicos (cloruro, fosfato y sulfato, p.e.) que tienen escasa o nula absorcin UV.

Indirecta: Se utiliza con eluyentes de alta absorcin UV (ftalato, p.e.). De este modo, los iones con menor actividad UV que el eluyente darn picos negativos y los iones con mayor actividad UV que el eluyente darn picos positivos.

Con reaccin post-columna: Usada en la deteccin de metales de transicin (Fe, Ni, Cu, Mn y Zn, p.e.)

Deteccin electroqumicaSe utiliza ocasionalmente. Requiere que los iones a determinar sean susceptibles de oxidarse o reducirse. Entre ellos hay muchos compuestos orgnicos (azcares y aminas, p.e.), metales de transicin y aniones como nitrito, nitrato, haluros, sulfuro, cianuro, sulfito y sulfato.

Hay cuatro tcnicas diferentes :Amperometra: Medida de la corriente a potencial constanteCulombimetra: Medida de la corriente a potencial constante con 100% de conversin del analitoVoltametra: Medida de la corriente frente al potencial en un rango definido de potencialAmperometra de pulsos: Medida de la corriente a pulsos de potencial constante

Estado, cantidad y preparacin de muestrasLos lquidos que sean acuosos o miscibles en el agua se pueden analizar directamente. Los lquidos, slidos y gases inmiscibles en agua deben ser extrados o disueltos en disolucin acuosa antes del anlisis.

El volumen tpico a analizar es de 5 a 200 l, aunque se puede partir de volmenes tan grandes como 100 ml, utilizando tcnicas de preconcentracin cromatogrficas cuando se requiera una mayor sensibilidad.

Dilucin y filtracin son los procedimientos ms comunes de preparacin de muestras. Se requiere extraccin para muestras no acuosas o preconcentracin para muestras diluidas. La necesidad de derivatizacin precolumna es rara.

Tcnicas complementarias Absorcin atmica, emisin atmica y plasma de acoplamiento inductivo. Se usan para determinar la cantidad total de un metal en vez de una cierta forma inica.

Nos cengtraremos en los mtodos cromatogrficos instrumentales, dejaremos por tanto a un lado los mtodos cromatogrficos basados en el uso de papel o capa fina para dar importancia a los mtodos en columna en los que se puede controlar con gran precisin, el volumen de muestra inyectada, el flujo de fase mvil y que llevan asociados tcnicas de deteccin de los componentes una vez separados muy variadas.Utilizando los distintos sistemas de deteccin se observar cada compuesto en forma de pico cromatogrficoTartrico: 2,3-Dihydroxybutanedioic acidDipicolinico: 2,6-Pyridinedicarboxylic Acid

DC: Amperometra de corriente contnuaPAD: Deteccin amperomtrica de pulsos