CROMATOGRAFÍA DE GASES
QUE ES CROMATOGRAFIA?
Historia
La cromatografía es un método que permite la
separación de los componentes de una
mezcla imposible de separar por otras técnicas como precipitación, destilación
y extracción. Una técnica cromatográfica acoplada a un detector
permite la identificación y cuantificación de compuestos.
La cromatografía tiene sus principios a
comienzos del siglo XX con el botánico ruso MIkhail S. Tswett, cuyos trabajos
estaban enfocados en la separación de pigmentos vegetales, para esto hizo pasar
soluciones de estos pigmentos a través
de una columna de vidrio empacada con carbonato de calcio, después de poner la
solución de pigmento, vertía solvente y mientras la muestra descendía por la
gravedad, se observaban en la columna diferentes bandas de color debido a que
algunos componentes de la mezcla se movían a través de la columna más rápido
que otros.
Tswett denominó esta técnica cromatografía
del griego chroma que
significa color y graph que significa
escribir.
El primer trabajo importante sobre
cromatografía de gases fue publicado en 1952, por el científico Archer John
Porter Martin y James, trabajaron sobre una sugerencia que hizo Martin 11 años
atrás, al ganarse un premio nobel por su trabajo en cromatografía de partición,
descubriendo que la cromatografía gaseosa, era rápida, fácil y útil para
separar muchos compuestos volátiles.
CROMATOGRAFÍA DE GASES
Todo análisis de cromatografía requiere principalmente
de dos fases:
La Fase estacionaria: Es el soporte en el que se
realiza la separación de la muestra.
La Fase móvil: Permite el desplazamiento de la
muestra y puede ser líquida, gaseosa ó un fluido supercrítico, además, es la
fase móvil la que define el tipo de cromatografía, así existe la CromatografíaLíquida, de gases y de fluidos supercríticos.
En comparación con HPLC, la GC requiere un control más estricto de los caudales, las columnas son más largas y más estrechas y el analito interacciona sólo con la fase estacionaria, pues la fase móvil es inerte,. En GC se obtienen cromatogramas con picos más angostos que en HPLC y las corridas son más cortas. Un
En cromatografía gaseosa (GC) la muestra se
volatiliza en un puerto de inyección y va hasta la columna arrastrada por la
fase móvil, que es un gas inerte, ahí es separada en sus diferentes
componentes, basados en su relativa solubilidad en la fase estacionaria.
Existen
dos tipos de cromatografía gaseosa, cromatografía
gas-sólido donde la retención de los compuestos se debe al equilibrio entre
la adsorción y la desorción sobre una superficie sólida y la cromatografía gas-líquido en la que la separación depende del
tiempo que los analitos pasan disueltos en la fase estacionaria. Esta última tiene
diversas aplicaciones y por eso generalmente cuando se habla de GC se trata de
este tipo de cromatografía.
La GC se basa en la distribución de un analito
en una fase móvil gaseosa y una fase estacionaria líquida inmovilizada en una
columna de vidrio o de metal. La
tendencia de un compuesto dado de permanecer en la fase estacionaria es
expresada como la constante de equilibrio
Kc, o coeficiente de partición, cuanto mayor sea este valor,
mayor es la atracción hacia la fase estacionaria.
Las
muestras para análisis en GC deben ser volátiles (líquidos con puntos de
ebullición menores a 250 °C ó gases) y ser térmicamente estables, este tipo de
muestras tienen una presión de vapor suficientemente alta para ser arrastradas
por la fase móvil. Algunos compuestos pueden ser derivatizados para permitir su
análisis en GC, esto quiere decir, transformarlos químicamente en compuestos
que tienen puntos de ebullición más bajos.
En GC la elución de la muestra depende de la
interacción de esta con la fase estacionaria, mayor interacción significa mayor
tiempo de análisis. Dentro de la columna se generan diferentes tipos de
atracciones por solubilidad, polaridad, volatilidad o puentes de hidrógeno.
El proceso cromatográfico se puede explicar
según la figura No. 1. Inicalmente la muestra es inyectada y se encuentra
condensada al inicio de la columna, a medida que pasa el tiempo y la fase móvil
arrastra los componentes amarillo y azul, se van dando las diferentes
interacciones con la columna, la cantidad que está encima de la línea indica la
cantidad de analito que está en la fase
móvil y la de abajo en la fase estacionaria, el compuesto azul tiene menor
afinidad con la fase estacionaria que el compuesto amarillo y por esto “viaja” más
rápido a través de esta, contrario al compuesto amarillo que pasa más tiempo en la
fase estacionaria y saldrá después, finalmente los analitos salen al detector y
se puede observar en el registrador o equipo de cómputo el cromatograma.
Figura No.1. Esquema del proceso cromatográfico.
INSTRUMENTACIÓN
Un instrumento típico de GC consta de varios
componentes que permiten el análisis de la muestra, como lo muestra la Figura
No. 2
1.
Gas
de arrastre
2.
Controlador
de Flujo
3.
Puerto
de Inyección
4.
Columna
cromatográfica.
5.
Detector.
6.
Registrador
de datos (Software).
Figura No. 2.
Esquema de un equipo de GC
1. Gas de arrastre. La fase móvil o gas de arraste utilizado para cromatografía gaseosa debe
ser inerte, seco y de pureza grado 4.0 ó
mayor (99.990 %), a diferencia de otros tipos de cromatografía la fase móvil no
interacciona con el analito, su único papel es el de transportar la muestra a
través (McNair & Miller, 1998) de todo el sistema y
ser una matriz adecuada para el análisis en el detector. . Generalmente se utiliza
Hidrógeno, Nitrógeno y Helio.
Si el gas que se utiliza no es 99.9999% puro se
debe pasar por dispositivos de purificación (trampas) para eliminar: humedad,
hidrocarburos y oxígeno antes de entrar al sistema.
2. Controlador de flujo. Un flujo constante es indispensable para obtener tiempos de retención
reproducibles.
3. Puerto de Inyección: Las muestras para GC pueden ser sólidas, líquidas o gases y lo que se
busca con el inyector es la volatilización de la muestra y que esta entre de
forma rápida y cuantitativa al flujo del gas de arrastre. El inyector de GC
depende del tipo de columna utilizada, para columnas capilares los puertos de
inyección más comunes son:Split/splitless y On-column.
Las muestras se deben volatilizar antes de
entrar a la columna, para esto se programa una temperatura en el inyector, la
cual se calcula experimentalmente, el inyector debe tener una temperatura que sea suficiente para volatilizar la muestra, pero
no tan alta que la pueda degradar.
En general un inyector consta de un bloque
metálico con un sistema de calentamiento, un termostato que mantiene la
temperatura constante y un aislamiento térmico adecuado, dentro del cual se
encuentra el inyector. La muestra se inyecta al interior de la cámara con una
jeringa a través de un septum, una vez inyectada la jeringa esta se vaporiza y
se mezcla con el gas de arrastre en una cámara de mezcla hecha en un material
inerte (liner), la muestra vaporizada es dirigida a la columna.
Inyector
Split/splitless: Este
tipo de inyector trabaja en dos modos.
El modo Split reduce la cantidad de muestra que
llega a la columna, las muestras con alta concentración del analito, se
inyectan por este modo. La muestra es inyectada en el liner y ahí es rápidamente
vaporizada , sólo una cantidad muy pequeña entre 1 y 2% entra a la columna, el
resto de muestra pasa a la válvula de purga arrastrada por la fase móvil. Algunas
ventajas de este modo de inyección es que no se requiere dilución previa de la
muestra, se obtienen separaciones con alta resolución, muestras muy
contaminadas se pueden inyectar colocando un tapón de fibra de vidrio en el
liner para atrapar los compuestos no volátiles. Esta técnica no es útil para
análisis de trazas.
En el modo splitless, el mecanismo es el mismo
que en el modo Split, sin embargo en este el único camino de la muestra es
entrar a la columna, después de que la muestra está condensada en la cabeza de
la columna se abre el Split y se limpia cualquier residuo de vapor remanente.
La columna se calienta según un programa de temperatura y la muestra y el solvente volatilizados
atraviesan la columna y se da la separación. Este modo es útil para análisis de trazas. Entre las
desventajas se encuentra la necesidad de diluir la muestra en un solvente
volátil, el empezar con la columna fría y el optimizar el tiempo en el que
comienza el programa de temperatura de la columna y se abre el Split.
Figura No. 4 Inyector Split/splitless. La válvula del divisor está siempre abierta en el modo split, en el modo
Inyector On-Column: La muestra es depositada justo en
la columna, la columna se encuentra inicialmente a una temperatura menor al
punto de ebullición de los compuestos y luego se programa la temperatura para
empezar la separación cromatográfica. Esta técnica posee ventajas en la
cuantificación pero la resolución es menor que la que se obtiene con el
inyector Split/splitless.
Figura No. 5. Inyector On-Column.
4. Columna cromatográfica: La columna es el componente esencial en GC, pues es la fase estacionaria
la que permite la separación de los componentes. Las columnas utilizadas en GC
son las empacadas y las capilares
(FiguraNo. 5 ).
La longitud de las columnas para GC varían
desde menos de 2m hasta 50m y están construidas a partir de un material inerte,
generalmente se encuentran como helicoides y dentro de un horno termostatizado.
La temperatura óptima de la columna depende del punto de ebullición de la
muestra. A diferencia de HPLC en GC la temperatura de la columna es indispensable en el proceso de separación.
El adecuado calentamiento de la columna permite
tener una adecuada separación en un tiempo razonable. Mayor temperatura en la
columna dará como resultado corridas más rápidas, pero una menor resolución.
FiguraNo. 6. a. Representación
esquemáticas de olumnas para GC.
Columnas empaquetadas: Están hechas de vidrio, cobre,
acero inoxidable o aluminio, y la fase estacionaria es un líquido sostenido
sobre un sólido inerte, su diámetro interno varía entre 2 y 5 mm y su longitud
entre 1 y 15 m. Este tipo de columna resulta ser eficiente en muestras poco
complejas.
Columnas Capilares: Están formadas por un tubo
generalmente de vidrio o fibra de sílice con díametros entre 0,2 y 0,8 mm que
contiene una capa delgada de fase estacionaria, por eso se conocen como columnas tubulares abiertas (OTC). En
general este tipo de columnas son más eficientes y son más ampliamente usadas. Se
conocen tres tipos las columnas tipo WCOT (wall coated open tubular), PLOT
(Porous Layer Open tubular) y SCOT (support-coated open tubular)
Las columnas tipo WCOT: Tienen un diámetro interno (i.d) entre
0.1 y 0.53 mm, su longitud (L) varía entre 10 y 50 m y el espesor de la
cubierta varía entre 0.1 y 5.0 µm, capas delgadas de fase estacionaria genera
mayor resolución y mayor velocidad en el análisis, pero limita la cantidad de
muestra.
Las columnas tipo SCOT: tienen una fase estacionaria
adsorbida en una soporte sólido. Estas columnas permiten manejar mayor cantidad
de muestra que las WCOT, sin embargo, con la introducción de nuevas técnicas de
entrecruzamiento para las WCOT el uso de las SCOT ha desaparecido.
Las columnas tipo PLOT: Contienen una capa de sólido
adsorbido sobre el tubo, este tipo de columna es muy útil en el análisis de
gases y otros compuestos volátiles.
Las columnas tubulares ofrecen muchas ventajas
frente a las columnas empacadas, al ser tubos abiertos, hay menos presión, lo que
permite trabajar con columnas largas, a diferencia de las columnas empaquetadas
que generan mayor presión y hacen que las columnas largas no sean prácticas.
Columnas capilares con una capa delgada poseen mayor número de platos teóricos generando
una mayor eficiencia y una mejor resolución.
En la selección de una columna capilar se debe
tener en cuenta: el grosor de la capa, la longitud de la columna, el diámetro
interno, la composición de la fase estacionaria y el flujo del análisis.
5. Detectores: El
detector “siente” lo que sale de la columna y hace un registro de la corrida
cromatográfica. Sus señales son proporcionales a la concentración de cada
soluto, por lo que es posible la cuantificación de estos. La mayoría de los
detectores utilizados en GC fueron creados para esta técnica en especial.
Existen alrededor de 60 detectores para análisis de GC. Entre los más comunes
se encuentran: Detector de Ionización por llama (FID), el de captura de
electrones (ECD) y el detector de conductividad térmica (TCD).
Los detectores para análisis de GC deben tener:
·
Alta
sensibilidad
·
Respuesta
lineal
·
Alta
relación señal/ruido.
·
Amplio
rango dinámico de respuesta.
Los detectores se pueden dividir en varios
grupos así:
Según la propiedad que midan en: los que miden
la concentración del analito (TCD y ECD) y los que miden la cantidad del
analito independientemente del volumen de gas de arrastre (FID).
Según la diversidad de solutos que puedan
detectar en: Universales (TCD) y selectivos (ECD)
Finalmente, en destructivos (FID) y no
destructivos (TCD y ECD).
Detector de Ionización
por llama (FID). En este
detector la muestra se mezcla con una
corriente de hidrógeno y luego llega a una llama de oxígeno e hidrógeno, donde
se quema y produce iones que son conducidos a un colector de iones,
gracias a un campo magnético de entre
200 y 300V, la corriente colectada es amplificada por un circuito de alta
impedancia. Este tipo de detectores se operan a más de 250 °C para evitar la
condensación de agua y de muestras volátiles.
Este es un detector casi universal, ya que responde a los compuestos que
tengan carbonos sin importar su estructura, su respuesta es proporcional al
contenido de carbonos del compuesto y es casi insensible para moléculas
pequeñas como NOx, N2, H2S, CO, CO2,
COOH, H2O y CS2.
Figura No. 7. Detector de ionización por llama
Estos detectores son robustos, tienen alta
sensibilidad, amplio rango lineal y se adaptan a columnas de diferentes
tamaños.
Detector de Conductividad
Térmica (TCD): Este
detector mide la diferencia de conductividad térmica del gas de arrastre,
cuando pasa por el detector sólo y cuando pasa con el analito, gracias a unos
filamentos de tungsteno incorporados en un puente de Wheatstone. Una corriente
directa pasa por los filamentos y los mantiene a una temperatura superior a la
de la cavidad, cuando el gas de arrastre pasa puro por los filamentos, el
puente está balanceado y cuando entra la muestra disminuye la temperatura del
circuito, creando una diferencia de voltaje, este voltaje cae a través de un
atenuador y luego todo o parte de esto
llega al registrador. Este detector es útil para análisis de gases como CO, NO,
metano.
El gas de arrastre debe estar libre de oxígeno,
generalmente se usan helio ó hidrógeno. TCD es un detector universal robusto
con sensibilidad moderada.
Figura No. 8 Detector de Conductividad Térmica.
Detector de Captura de
Electrones (ECD): Este es
un detector selectivo con alta sensibilidad para los compuestos que “atrapan
electrones”, es ideal para muestras que contienen trazas de pesticidas
halogenados. Como gas de arrastre se
utiliza nitrógeno de alta pureza o argón con 5% de metano.
Este detector contiene un fuente radioactiva de
63Ni que emite partículas β-, estas colisionan con el gas
de arraste y generan electrones que son depositados sobre un electrodo (ánodo),
cuando un compuesto con un elemento electronegativo pasa por el detector, este
atrae los electrones y queda cargado negativamente, el ión negativo formado
tiene baja movilidad y ya no es atraído por el ánodo. La cantidad de electrones
“capturados” es proporcional a la concentración del analito.
Figura No. 9. Detector de Captura de electrones.
6. Registrador
de Datos: Este dispositivo registra las señales enviadas por el detector y
permite cuantificar e identificar los analitos, a partir de los datos del
cromatograma (altura del pico, tiempo de retención y área).
Un método de GC es adecuado si es posible
obtener picos bien separados o resueltos. La resolución cromatográfica depende
de la eficiencia y la selectividad de la columna.
La eficiencia, es la capacidad de una columna de obtener
picos agudos, esto se logra con columnas de diámetro interno pequeño, con bajo
porcentaje de fase estacionaria y una columna de longitud adecuada, columnas
más largas y con capas de fase estacionaria delgadas, dará como resultados
picos mejor separados y más angostos,
sin embargo una columna más larga, alargará también el tiempo de la corrida y
una fase estacionaria muy delgada, limita la cantidad de muestra que se puede
emplear.
La selectividad, indica que se puede separar en una
determinada columna y depende de la naturaleza del analito y las interacciones
que este tenga con la columna, por ejemplo una columna puede diferenciar entre
un compuesto cis y su isómero trans.
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REFERENCIAS
McNair, H. M., & Miller, J.
M. (1998). Basic Gas Chromatography.
Tecniques in Analytical Chemistry.
New York: John Wiley and Sons, Inc.
Rubinson, K. A.,
& Rubinson, J. F. (2001). Análisis Instrumental. Madrid: Prentice
Hall.
Skoog, D., James, H., & Thimothy, N. (2001). Principios de
Análisis Instrumental. Madrid: McGRAW- HILL.
