Ejercicios de cromatografía de gases

Ejercicio 1

Un completo ejercicio para determinar distintos parámetros en una cromatografía gas-líquido:

Ejercicio-Cromatografia-gases-01

Ejercicio 2

Cálculo del índice de retención de un compuesto orgánico:

Ejercicio-Cromatografia-gases-02

También puedes consultar los ejercicios de cromatografía de líquidos.

La cromatografía de gas-sólido

En cromatografía de gases distinguimos:

  • Cromatografía gas-líquido (CGL), si la fase estacionaria es un líquido.
  • Cromatografía gas-sólido (CGS), si la fase estacionaria es un sólido.

La cromatografía gas-sólido se basa en la adsorción de sustancias gaseosas sobre superficies sólidas. Las constantes de distribución son mayores por lo que, por lo que se emplea en la separación de especies que no se retienen en columnas de gas-líquido, como los componentes del aire, dióxido o disulfuro de carbono, óxidos de nitrógeno, gases nobles…

Columnas en CGS

Al igual que la CGL, las CGS se puede realizar tanto con columnas de relleno como con columnas capilares. Estas últimas se denominan columnas tubulares abiertas de capa porosa, o PLOT (porous-layer open tubular columns), en las cuales una fina capa de sólido adsorbente se fija a la pared interna del capilar.

columna-capilar-cromatografia-gas-solido

En el caso de las columnas empaquetadas o de relleno, el tamaño de las partículas no tiene tanta importancia como en el caso de la CGL.

Fases estacionarias en CGS

Entre los materiales más empleados se encuentran: gel de sílice, alúmina, carbón activo, tamices moleculares, polímeros porosos y sales inorgánicas

  • Tamices moleculares: son intercambiadores de iones de silicato de aluminio, que ofrecen cavidades donde pueden alojarse pequeñas moléculas y ser retenidas parcialmente. El tamaño de poro oscila entre 0’5 y 1’5 pm lo que permite separar moléculas según su tamaño.
  • Polímeros porosos: están formados por minúsculas esferas compuestas de estireno polimerizado con divinilbenceno cuyo tamaño se controla por el grado de polimerización. Se emplean sobre todo en la separación de especies polares gaseosas.

Aplicaciones de la cromatografía gas-líquido

La cromatografía gas-líquido (CGL) se puede emplear con dos cometidos: efectuar una separación o terminar un análisis. Como método de separación es inmejorable, por lo que sus aplicaciones se multiplican cuando se combina con otros instrumentos con mejores propiedades de identificación, como los espectrómetros de masas, de infrarrojo y de resonancia magnética nuclear.

Análisis cualitativo

Las aplicaciones cualitativas de la CGL son más limitadas. Se utilizan frecuentemente para determinar la pureza de compuestos orgánicos, pues la aparición de picos adicionales revela la presencia de contaminantes y la medida de las áreas bajo estos picos proporcionan un cálculo aproximado del grado de contaminación.

Es también un método excelente para confirmar la presencia o ausencia de un supuesto componente de una mezcla, siempre que se disponga de un patrón.

La identificación de un determinado compuesto A puede realizarse a través del factor de selectividad, tomando un cierto compuesto B como patrón.

Otra forma de llevar a cabo la identificación de un determinado compuesto en una mezcla es haciendo uso del denominado índice de retención o de Kovats (I). Para un alcano normal es igual a 100 veces el número de carbonos del compuesto, sin considerar el relleno de la columna, la temperatura u otras condiciones cromatográficas. Según esto, es posible definir una escala de índices de retención tomando como referencia los alcanos normales. Por lo que el índice de retención de un compuesto desconocido se puede establecer a partir de dos alcanos normales, de los cuales uno eluye antes y otro después que el compuesto, como en el ejercicio 2 de este tema.

Análisis cuantitativo

La CGL es la técnica más adecuada para la separación y determinación de compuestos volátiles térmicamente estables, y permite realizar análisis cuantitativos o semicuantitativos de los mismos, aplicando los métodos de las áreas o las alturas de los picos. Su aplicación se puede extender también a compuestos no volátiles derivatizados (modificados químicamente).

Entre las diferentes aplicaciones de la técnica se encuentran:

  • Análisis ambiental de compuestos orgánicos en la atmósfera, agua, pesticidas, herbicidas y fungicidas…
  • Análisis farmacéutico: control de calidad, cosmética…
  • Análisis toxicológico: drogas, fármacos, alcohol y contaminantes en sangre…
  • Análisis alimenatrios: aceites, ácidos grasos, bebidas, alcoholes, azúcares, aromas…
  • Industria del petróleo: gas natural, gasolinas, parafinas…
  • Análisis de algunos compuestos inorgánicos, como los haluros volátiles de metales

CGL vs. HPLC

Respecto a la cromatografía líquida, la cromatografía de gases tiene la ventaja de disponer de detectores mucho más universales (por ejemplo, el de ionización de llama). Además, para numerosas aplicaciones, los métodos son más simples, más rápidos y más sensibles que los correspondientes a la cromatografía líquida de alta eficacia (HPLC). La instrumentación requerida para cromatografía de gases también es mucho más sencilla y económica que la empleada en HPLC. Sin embargo, en cromatografía de gases, la influencia de la temperatura sobre la distribución del equilibrio es considerable.

Como se ha visto, la cromatografía de gases se emplea cuando los componentes de la muestra son volátiles o semivolátiles y térmicamente estables a temperaturas de hasta 350-400 ºC. En cambio, cuando los compuestos a analizar son poco volátiles y/o termolábiles, la técnica separativa adecuada suele ser la cromatografía HPLC.

Tipos de detectores en la cromatografía gas-líquido

El detector es el sistema encargado de poner de manifiesto la presencia de soluto o de componentes de la muestra que abandonan la columna. Para ello convierte la medida de una magnitud física, comparándola con la del propio gas portador puro, en una señal amplificada que indicará el momento en el que salen los componentes de la columna.

Describiremos los tipos de detectores más utilizados:

Detector de conductividad térmica (TCD)

Consiste en un dispositivo denominado catatómetro, cuyo funcionamiento se basa en los cambios en la conductividad térmica de gas ocasionados por la presencia de moléculas de analito. Posee un sensor formado por un filamento de Pt o Au calentado eléctricamente, cuya temperatura y, por lo tanto, su resistencia eléctrica, dependen de la conductividad térmica del gas que lo rodea. Los gases portadores más adecuados son el hidrógeno o el helio, pues su conductividad térmica es mayor (los analitos al mezclarse con estos gases disminuyen su conductividad térmica).

detector-conductividad-termica

Características:

  • Respuesta universal
  • Respuesta lineal en un amplio intervalo
  • Fácil de utilizar
  • No destructivo
  • Baja sensibilidad

Detector de captura electrónica (ECD)

Es uno de los detectores más empleados en análisis medioambiental, debido a su selectividad para detectar compuestos que contienen halógenos (como los pesticidas). En él, el gas que abandona la columna atraviesa un emisor de electrones (Ni-63), los cuales provocan su ionización. Al aplicar una diferencia de potencial se crea una corriente eléctrica que constituye la señal. En presencia de compuestos orgánicos la corriente disminuye por su tendencia a captar electrones. Se emplea nitrógeno o argón como gas portador, con un 5 % de metano.

detector-captura-electrones

Características:

  • Detector selectivo (moléculas con grupos electronegativos)
  • Elevada sensibilidad
  • No destructivo (no altera la muestra de manera significativa)
  • Pequeño intervalo de respuesta lineal

Detectores de ionización de llama (FID)

Es el detector más popular en cromatografía de gases. En él la respuesta se produce como resultado de la combustión de los compuestos orgánicos en una pequeña llama de aire-hidrógeno, con desprendimiento de iones (CHO+) y electrones. Si aplicamos una diferencia de potencial entre entre el extremo del quemador y el cátodo colector se genera una corriente eléctrica que, amplificada, constituye la señal analítica. Ésta será proporcional al número de átomos de carbono por unidad de tiempo. La fase móvil que se emplea con este detector es el nitrógeno, ya que es el que proporciona mejor límite de detección.

detector-ionizacion-llama

Características:

  • Sensible a compuestos orgánicos (excepto carbonílicos y carboxílicos)
  • Elevada sensibilidad
  • Respuesta lineal en un gran intervalo
  • Estabilidad y resistencia
  • Fácil manejo
  • Bajo ruido
  • Es destructivo

Detector de ionización termoiónica (TID)

Es un detector selectivo para los compuestos orgánicos que contienen fósforo y nitrógeno, que deriva del anterior. El gas procedente de la columna se quema en presencia de hidrógeno y fluye alrededor de una bola de silicato de rubidio calentada eléctricamente (600-800 ºC), y se forma un plasma de electrones que generan una corriente bajo una diferencia de potencial aplicado (unos 180 V). La intensidad de la corriente será proporcional al número de iones formados, es decir, a la cantidad de analito. No se puede usar nitrógeno como gas portador. Es destructivo y tiene una elevada sensibilidad.

Detector de fotoionización (PID)

En este detector el eluato de la columna se irradia con un haz intenso de radiación ultravioleta, que provoca la ionización de las moléculas. Al aplicar un potencial a través de la celda que contiene los iones producidos se origina una corriente de iones, la cual es amplificada y registrada.

detector-fotoionizacion

DETECTOR fotométrico de llama (FPD)

Se trata de un detector que mide la emisión óptica procedente, principalmente, del fósforo y del azufre. Cuando el eluato pasa por una llama mezclado con hidrógeno y aire, de manera análoga al detector FID, los átomos excitados emiten una radiación característica (536 nm y 394 nm) que se puede aislar con un filtro y detectar con un tubo fotomultiplicador.

detector-fotometrico-llama

Características:

  • Es un detector selectivo (P y S; también Pb, Sn, halogenos)
  • Es destructivo
  • Menos sensible al azufre que otros detectores
  • Menor intervalo lineal para el azufre que otros detectores

DETECTOR de emisión atómica (AED)

El gas eluido procedente de la columna se introduce en un plasma de helio obtenido por microondas, que atomiza y excita los elementos de la muestra, obteniéndose sus espectros de emisión atómica característicos. Los espectros son recogidos en un espectrómetro provisto de dos diodos en serie.

detectpr-emision-atomica

DETECTOR Quimioluminiscente de azufre

Permite detectar compuestos que contienen sulfuro (alimentos, bebidas, petróleo). Primero se oxida a SO2, luego en presencia de H2 se transforma en SO, que reacciona con ozono formando SO3 excitado, que emite luz al volver a su estado basal. Permite detectar bajas concentraciones, de hasta picogramos.

detector acoplado a espectrometría de masas

Existen instrumentos híbridos que combinan la cromatografía de gases con otras técnicas, como puede ser un espectrómetro de masas.

En el caso de las columnas capilares el acoplamiento de las dos técnicas puede realizarse de forma directa, pero en las columnas de relleno ha de emplearse un separador de chorro para eliminar la mayor parte del gas portador que acompaña al analito.

Las características más importantes de este método son:

  • Detección universal
  • Elevada sensibilidad
  • Buenos resultados en mezclas orgánicas complejas
  • Elevado coste
  • Complejidad de uso

DETECTOR ACOPLADO A Espectroscopía de infrarrojo

El acoplamiento de cromatógrafos de gases con columnas capilares con espectrómetros de infrarrojo de transformada de Fourier proporciona un potente medio para la separación y la identificación de los componentes de mezclas complejas.

Características de la fase estacionaria en la cromatografía gas-líquido

En la cromatografía de gas-líquido, la fase móvil es un gas portador inerte encargado de transportar la muestra y la fase estacionaria es un líquido, que debe tener las siguientes características:

  • Ser químicamente inerte.
  • Presentar una baja volatilidad a la temperatura prevista para la separación (su punto de ebullición debe ser mayor que la temperatura de trabajo).
  • Presentar estabilidad térmica en un intervalo de temperaturas que permita su uso (hay una temperatura por debajo de la cual el equilibrio de distribución sería muy lento y otra temperatura por encima de la cual la fase estacionaria se degradaría).
  • Ser capaz de actuar como disolvente, en mayor o menor grado, de los componentes de la muestra a separar. Para que un analito tenga un tiempo de residencia razonable en la columna debe presentar cierta solubilidad con la fase estacionaria. La polaridad de la fase estacionaria debe corresponder con la de los componentes de la muestra. Así, las FE con grupos polares (–CN, –CO, –OH) son adecuadas para analitos polares (alcoholes, ácidos, aminas), y las FE apolares (formadas por hidrocarburos o dialquilsiloxanos) lo son para los analitos apolares.

El espesor de la película de la fase estacionaria líquida influye en la retención y en la capacidad de la columna y oscila entre 0’1 y 8 μm. Las películas gruesas retienen durante más tiempo los solutos, por lo que se utilizan con analitos muy volátiles, mientras que las películas más delgadas están indicadas para separar especies de baja volatilidad.

La mayoría de los líquidos empleados en cromatografía gas-líquido como fase estacionaria son polietilenglicoles y polisiloxanos.

polietilenglicoles-polisiloxanos

Fases estacionarias enlazadas y entrecruzadas

Para evitar que la fase estacionaria no se degrade por el efecto de la temperatura o por el disolvente empleado en el lavado de la columna (lo que conduciría a su pérdida o sangrado), se han desarrollado fases estacionarias enlazadas y entrecruzadas:

  • Fases estacionarias enlazadas: mediante reacción química y calor, se establece una unión covalente entre una capa monomolecular de la fase estacionaria y la superficie de la sílice fundida de la columna. De esta manera, se conservan las propiedades cromatográficas de las fases estacionarias, pero se aumenta su resistencia térmica y mecánica.
  • Fases estacionarias entrecruzadas: se provoca el entrecruzamiento de las cadenas de polímero de la fase estacionaria añadiendo un peróxido al líquido original, de manera que al calentarse se produce una reacción entre los grupos metilo  de las cadenas mediante un mecanismo de radicales libres. Otra forma de provocar entrelazamiento es exponer las columnas revestidas a radiación gamma. Los enlaces entrecruzados confieren gran estabilidad térmica a la fase estacionaria y aumentan el tiempo de duración de la columna.

Además, empleando este tipo de fases conseguimos películas más gruesas, útiles para la separación de analitos muy volátiles.