Cromatografía de Gases: Principios Básicos y Tipos de Columnas, Resúmenes de Técnicas Experimentales

¡Descarga Cromatografía de Gases: Principios Básicos y Tipos de Columnas y más Resúmenes en PDF de Técnicas Experimentales solo en Docsity! TEMA 3. CROMATOGRTAFÍA DE GASES (GC) 1. INTRODUCCIÓN La cromatografía de gases es la técnica que ofrece una mejor resolución para compuestos orgánicos volátiles. Sus limitaciones residen en la labilidad térmica de los solutos ya que tienen que ser estables a la temperatura necesaria para su volatilización ⟶ La temperatura tiene un papel importante. En GC la fase móvil es un gas mientras que la fase estacionaria puede ser: • Un solido adsorbente • Un liquido retenido en un soporte solido (columna empaquetada) o impregnando las paredes de una columna capilar (columna abierta) Tipos de cromatografía de gases: • Cromatografía gas-solido (CGS) ⟶ Cromatografía de adsorción • Cromatografía gas-liquido (CGL) ⟶ Cromatografía de partición La CGS se basa en las diferencias que existen en la volatilización de los diferentes solutos de una mezcla y su capacidad para ser adsorbidos por un solido activo. Esta técnica es poco utilizada porque presenta muchos inconvenientes como: • Tiempos de retención muy grandes, sobre todo es moléculas voluminosas y polares ya que habría que aumentar mucho la temperatura y esto podría degradar la fase estacionaria. • Falta de reproducibilidad ya que los solidos adsorbentes son difíciles de estandarizar La CGL se basa en la diferencia que existe entre la volatilidad y solubilidad de los solutos en la fase estacionaria. Y es la técnica más utilizada. 2. COMPONENTES En GC, una vez volatilizada la muestra, se hace pasar por un tubo largo y estrecho (columna) con la ayuda de un gas portador inerte. Cada soluto interaccionara de manera diferente con la columna, por lo tanto, las velocidades de salida serán distintas. Donde más tarde los diferentes solutos llegarán al sistema de detección. Las señales del detector se registran en formas de picos formando un cromatograma 1. Gas portador 2. Sistema de introducción de muestra 3. Horno 4. Columna 5. Sistema de detección 6. Lectura y procesado de señal GAS PORTADOR El gas portador es la fase móvil de la cromatografía de gases. Su misión es transportar la mezcla volatilizada por la columna (donde ocurrirá la separación) hasta el detector. El gas portador se divide por dos zonas, una que llegará a la muestra y la otra parte que llegará directamente al detector para utilizarse como blanco (referencia). CARACTERÍSTICAS • Debe de ser químicamente inerte • No tiene que interaccionar ni con la columna ni con los componentes de la muestra • Térmicamente estable • No debe afectar a la respuesta del detector • Ej.: He, H, Ar • Dependiendo de la fase móvil que se utilice afectará en mayor o menor proporción al tiempo y a la resolución cromatográfica ya que la velocidad de difusión de la muestra por la columna cambiará. o Si la difusión del soluto es lenta ⟶ Mayor tiempo de análisis o La resolución depende del gas portador porque este influye en la eficacia (N) de la columna. 𝑁 = 𝐿 𝐻 𝐻 = 𝐴 + 𝐵 𝑢+ + 𝐶𝑢+ • Para que un gas tenga mayor o menor velocidad va a depender de la viscosidad y de la difusividad. Si hay mucha difusividad térmica (como de rápido cambia un material con la temperatura) Si la viscosidad es elevada, la muestra pasará mucho más tiempo en la columna y por lo tanto el tiempo cromatográfico será demasiado grande. muestra se evaporará. Y con la ayuda de la introducción de un gas portador, la muestra gaseosa se introducirá a la columna Columna abierta • Inyección con división (Split) - Adecuada para columnas capilares - Se introduce una muestra grande que posteriormente se evaporiza y solo una parte pequeña se dirige a la columna. - La relación de división más utilizada es 1:20-1:200 - No valido para análisis de trazas porque se pierde gran parte del soluto en la separación y por lo tanto el detector sería insensible a tan poca señal. - Se obtienen picos muy estrechos • Inyección sin división (Splitless) - Técnica de preconcentración, útil para muestras muy diluidas ⟶ Analisis de trazas - Se introduce una muestra grande que posteriormente se evaporiza y se lleva a la columna - Para poder preconcentrar la muestra, lo que se hace es mantener la columna a temperaturas menores a las del disolvente, por lo tanto, a la entrada de la columna se formará una capa condensada del disolvente, que atrapará a la muestra. En este ,momento se produce un proceso de preconcentración. • Inyección directa en la columna (on-column) - En este caso, la muestra liquida se introduce directamente a la columna. - La aguja se introduce con ayuda de un septum, - La columna se debe de encontrar a una temperatura igual a la del punto de ebullición del disolvente. Más tarde la temperatura aumentará hasta alcanzar la temperatura de trabajo. - Muy útil para compuestos de baja volatilidad y para mezcla de solutos con un amplio rango de volatilidades COLUMNAS En la columna es donde tienen lugar los diferentes procesos fisicoquímicos en los que se fundamenta la separación de los solutos. Las columnas se clasifican en dos grupos, columnas empaquetadas o rellenas y columnas capilares o tubulares abiertas Columna empaquetada Columna capilar Longitud (m) 2 20-50 Eficiencia (platos) 4000 250 000 Velocidad optima del gas portador Baja Rápida FASES ESTACIONARIAS Las fases estacionarias utilizadas en CG son: • Sólido adsorbente ⟶ cromatografía de adsorción o Los principales adsorbentes utilizados en GC son sílice, alúmina y carbón activo • Fase liquida soportada sobre un solido inerte ⟶ cromatografía de partición La fase liquida tiene que cumplir una serie de características o Tiene que tener un amplio rango de temperaturas de trabajo sin evaporarse o Buena estabilidad térmica o Debe disolver a los solutos, es decir, que tiene que interaccionar selectivamente con los solutos o Tiene que tener una estructura similar a la de los solutos ya que los compuestos polares interaccionarán con fases estacionarias polares; y los compuestos apolares interaccionarían con fases parafínicas. Columnas para GC Empaquetada o rellena Como la fase estacionaria es un líquido, la columna presentará un sólido que será el que soporte a la fase estacionaria. 𝐻 = 𝐴 + 𝐵 𝑢+ + 𝐶𝑢+ 𝐴 ≠ 0 Capilar o tubular abierta 𝐻 = 𝐴 + 𝐵 𝑢+ + 𝐶𝑢+ 𝐴 = 0 De pared recubierta (WCOT) La fase estacionaria está depositada en la pared de la columna sin necesidad de ningún soporte De capa porosa (PLOT) La pared interna presenta un solido poroso donde se queda retenida la fase estacionaria De soporte recubierto (SCOT) La pared interna presenta un soporte sólido en el que se retiene la fase estacionaria Fases estacionarias Descripción POLAR Polietilenglicoles - Se prepara por polimerización de óxidos de etileno - La retención de los compuestos esta caracterizada por el numero de grupos hidroxilo y no por Mm. Moderadamente Polares Poliésteres - Son fácilmente hidrolizables y pueden reaccionar con compuestos de la muestra (NH2) APOLARES Hidrocarburos de alto peso molecular - Se utiliza para caracterizar otras fases estacionarias HORNO . CONTROL DE LA TEMPERATURA Existen 3 zonas en el cromatógrafo en el que hay que controlar la temperatura: inyección, columna y detector. • Control de la temperatura en la inyección - La temperatura variará dependiendo del tipo de columna (empaquetada o capilar) - Tiene que ser suficientemente alta para evaporar completamente la muestra, pero no demasiado como para descomponerla • Control de la temperatura del detector - El detector será más o menos estricto con la temperatura dependiendo del tipo de detector utilizado - La temperatura entre el detector y la columna tiene que ser la adecuada para que no se condensen los solutos. • La temperatura de la columna - Tiene que ser controlada porque afectará a la relación de distribución 𝐷 = Σ[Fase estacionaria (liquida)] Σ[Fase móvil(gaseosa)] = Si la muestra empieza a descomponerse, la concentración de la fase móvil (gas) aumentará y por lo tanto D disminuirá - La temperatura se va a regular con el horno que envuelve la columna cromatográfica - El horno nos va a permitir trabajar a : o Una temperatura fija ⟶ cromatografía isotérmica o Un gradiente de temperatura (programación de la temperatura) ⟶ la más utilizada - Se utiliza la cromatografía isotérmica cuando la mezcla de solutos que tenemos tiene un rango pequeño de puntos de ebullición - Sin embargo, cuando los solutos tienen un amplio intervalo de puntos de ebullición (volatilización)(elevados Mm) va a ser necesario aplicar un programa de temperatura para así poder separar bien los diferentes solutos y además disminuir el tiempo cromatográfico. • Especifico para: halógenos, azufre, metales pesados y nitrocompuestos Detector de ionización en llama (FID) Se basa en el cambio de corriente entre los electrodos. Este detector está formado por una llama aire-H2 y dos electrodos que se encuentran uno en la base de la llama (cátodo) y otro alrededor de la llama (ánodo). Cuando a la llama le llega un analito, este se ionizará, es decir, que el compuesto será un ion y desprenderá electrones. Este aumento de electrones entre los electrodos provocará un aumento de la corriente, dando lugar a una señal. Espectrometría de masas La CG acoplada a una espectrometría de masas es una técnica dedicada a la separación (CG) e identificación (EM) de mezclas de sustancias volátiles. Cuando la muestra se ha separado en diferentes solutos, gracias a las interacciones con la columna, estos van a ir llegando al espectrómetro de masas. En el, cada compuesto va a sufrir una ionización y una serie de fragmentaciones que se analizarán y se compararán con una base de datos para conocer información sobre nuestra muestra. Detector de emisión atómica La muestra que se ha separado en diferentes componentes en la columna llega a un plasma (inducido por microondas) de elevada energía donde las moléculas se atomizarán. Una vez atomizadas, excitarán sus electrones y cuando estos se relajen emitirán una señal, que será la que nos proporcione espectros de emisión atómica. Comparación de los detectores Espectrómetro de masas (MS) Ionización en llama (FID) Conductividad térmica (TCD) Captura electrónica (ECD) Emisión atómica (AED) Muestra Adaptable a cualquier muestra Casi universal (hidrocarburos) Universal Compuestos halogenados Selectivo para S y P LOD 0,25-100 pg 1 pg/s 500 pg/ml 5 fg/s 1 pg Destructivo Si Si No No Si Sensibilidad Muy sensible Muy sensible Hasta 10-12 g Baja sensibilidad Muy sensible 10-12 g/ml Problemas Efectos de matriz Baja sensibilidad Uso de material radioactivo Gas portador H2 o He H2 , He, Ar , N2 He, N2 Compuestos que se pueden determinar Cualquier compuesto Casi todos menos: - COOH - COH - H2O - NO2 - SiF4 - Gases inorgánicos (Ar, O2, N2, CO2) - Hidrocarburos (↓Mm) - Halógenos - Azufre - Metales pesados - Nitro comp. *pg = 10-12 g *fg = 10-15 g 3. FACTORES QUE AFECTAN A H ⟶ COLUMNAS CAPILARES Las columnas capilares son columnas que no están empaquetadas, las posibles fases estacionarias que pueden tener son: liquida, una fase estacionaria liquida sobre un soporte solido o una fase liquida adsorbida en un solido (fase estacionaria solida). Por lo tanto, estas columnas no presentan difusión por remolino. Luego la ecuación AEPT se queda: 𝐻 = 𝐴 + 𝐵 𝑢+ + 𝐶 𝑢+ ⟶ 𝐻 = 𝐵 𝑢+ + 𝐶 𝑢+ (𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝐺𝑜𝑙𝑎𝑦) Si se considera la fase móvil y la fase estacionaria la ecuación de Golay se queda : 𝐻 = 𝐵 𝑢+ + 𝐶T 𝑢+ + 𝐶U 𝑢+