Cromatografía de gases - Definición, principio, partes, pasos, usos

¿Qué es la cromatografía de gases?

• La cromatografía de gases se diferencia de otras formas de cromatografía en la que la fase móvil es un gas y los componentes se separan como vapores.
• Por tanto, se utiliza para separar y detectar compuestos de pequeño peso molecular en la fase gaseosa.
• La muestra es un gas o un líquido que se vaporiza en el puerto de inyección. La fase móvil de la cromatografía de gases es un gas portador, normalmente helio, por su bajo peso molecular y por ser químicamente inerte.
• Se aplica la presión y la fase móvil mueve el analito a través de la columna. La separación se realiza mediante una columna recubierta con una fase estacionaria.

Fuente de la imagen: Bitesize Bio.

Espectroscopia UV - Definición, Principio, Pasos, Partes, Usos

Principio de la cromatografía de gases (cómo funciona la cromatografía de gases)

El equilibrio de la cromatografía de gases es la partición, y los componentes de la muestra se repartirán (es decir, se distribuirán) entre las dos fases: la fase estacionaria y la fase móvil.

Los compuestos que tienen una mayor afinidad por la fase estacionaria pasan más tiempo en la columna y, por tanto, eluyen más tarde y tienen una duración más larga tiempo de retención (Rt) que las muestras que tienen una mayor afinidad por la fase móvil.

La afinidad por la fase estacionaria se debe principalmente a las interacciones intermoleculares y la polaridad de la fase estacionaria puede elegirse para maximizar las interacciones y, por tanto, la separación.

Espectroscopia de rayos gamma - Definición, principio, partes, usos

Los picos ideales son distribuciones gaussianas y simétricas, debido a la naturaleza aleatoria de las interacciones del analito con la columna.

• Por lo tanto, la separación se lleva a cabo mediante la partición de la muestra entre el gas y una fina capa de un líquido no volátil mantenida sobre un soporte sólido.
• La muestra que contiene los solutos se inyecta en un bloque calentado, donde se vaporiza inmediatamente y es barrida como un tapón de vapor por la corriente de gas portador hacia la entrada de la columna.
• Los solutos son adsorbidos por la fase estacionaria y luego desorbidos por un nuevo gas portador.
• El proceso se repite en cada placa a medida que la muestra se desplaza hacia la salida.
• Cada soluto viajará a su propio ritmo a través de la columna.
• Sus bandas se separarán en zonas distintas en función de los coeficientes de partición y de la dispersión de las bandas.
• Los solutos se eluyen uno tras otro en el orden creciente de su kd, y entran en un detector fijado en el extremo de salida de la columna.
• Aquí se registran una serie de señales resultantes de los cambios de concentración y de los ritmos de elución en el registrador como un gráfico del tiempo frente a la composición de la corriente de gas portador.
• El tiempo de aparición, la altura, la anchura y el área de estos picos pueden medirse para obtener datos cuantitativos.

Partes de la cromatografía de gases

Cromatografía de papel - Definición, tipos, principio, pasos, usos

La cromatografía de gases se compone principalmente de las siguientes partes

1. Gas portador en una botella de alta presión con los correspondientes reguladores de presión y medidores de flujo

• Helio, N₂, H, Argón se utilizan como gases portadores.
• Se prefiere el helio para los detectores de conductividad térmica por su alta conductividad térmica en relación con la de la mayoría de los vapores orgánicos.
• N₂ es preferible cuando se emplea un gran consumo de gas portador.
• El gas portador del depósito pasa a través de una válvula basculante, un medidor de caudal, (1-1000 ml/min), restrictores capilares y un manómetro (1-4 atm).
• El caudal se ajusta mediante una válvula de aguja montada en la base del caudalímetro y controlada por los restrictores capilares.
• La eficacia del funcionamiento del cromatógrafo de gases depende directamente del mantenimiento de un flujo de gas constante.

2. Sistema de inyección de muestras

• Las muestras líquidas se inyectan mediante una microjeringa con una aguja introducida a través de un tabique de goma de silicona autoescalable en un bloque metálico calentado por un calentador de resistencia.
• Las muestras gaseosas se inyectan mediante una jeringa estanca al gas o a través de un bucle de derivación y válvulas.
• Los volúmenes de muestra típicos oscilan entre 0,1 y 0,2 ml.

3. La columna de separación

• El corazón de la cromatografía de gases es la columna, que está hecha de metales doblados en forma de U o enrollados en una espiral abierta o en forma de panqueque plano.
• El cobre es útil hasta 250⁰
• Los herrajes de bloqueo de la columna facilitan su inserción.
• Se utilizan varios tamaños de columnas en función de las necesidades.

4. Fases líquidas

• Existe una variedad infinita de fases líquidas limitadas únicamente por su volatilidad, estabilidad térmica y capacidad de mojar el soporte.
• Ninguna fase servirá para todos los problemas de separación a todas las temperaturas.

No polares - Parafina, escualeno, grasas de silicona, apiezon L, goma de silicona. Estos materiales separan los componentes por orden de sus puntos de ebullición.

Polaridad intermedia - Estos materiales contienen un grupo polar o polarizable sobre un esqueleto largo no polar que puede disolver tanto solutos polares como no polares. Por ejemplo, el ftalato de dietilhexilo se utiliza para la separación de alcoholes de alto punto de ebullición.

Polar - Carbowaxes - Fases líquidas con una gran proporción de grupos polares. Separación de sustancias polares y no polares.

Enlace de hidrógeno - Fases líquidas polares con alto enlace de hidrógeno, por ejemplo, el glicol.

Fases con fines específicos - Se basan en una reacción química con el soluto para conseguir separaciones. Por ejemplo, AgNO3 en glicol separa los hidrocarburos insaturados.

5. Soporta

• La estructura y las características de la superficie de los materiales del soporte son parámetros importantes, que determinan la eficacia del soporte y el grado de separación, respectivamente.
• El soporte debe ser inerte pero capaz de inmovilizar un gran volumen de fase líquida como una fina película sobre su superficie.
• La superficie debe ser grande para garantizar la rápida consecución del equilibrio entre las fases estacionaria y móvil.
• El soporte debe ser lo suficientemente fuerte como para resistir la ruptura en la manipulación y poder empaquetarse en un lecho uniforme.
• Tierra de diatomeas, kieselgur tratada con Na 2CO 3 durante 900⁰ C provoca la fusión de las partículas en agregados más gruesos.
• Las microesferas de vidrio de baja superficie y baja porosidad pueden utilizarse para recubrir hasta un 3% de las fases estacionarias.
• También se utilizan perlas de polímero poroso que difieren en el grado de reticulación del estireno con el alquilvinilbenceno, que son estables hasta el 250⁰

6. Detector

• Los detectores perciben la llegada de los componentes separados y proporcionan una señal.
• Son dependientes de la concentración o de la masa.
• El detector debe estar cerca de la salida de la columna y a la temperatura correcta para evitar la descomposición.

7. Registrador

• El registrador debe ser, por lo general, de 10 mv (escala completa) y estar dotado de una pluma de respuesta rápida (1 segundo o menos). El registrador debe conectarse con una serie de resistencias de buena calidad conectadas a través de la entrada para atenuar las señales grandes.
• Un integrador puede ser un buen complemento.

El procedimiento de la cromatografía de gases

Paso 1: Inyección de la muestra y vaporización

1. Se introduce en una jeringa una pequeña cantidad de muestra líquida que se va a analizar.
2. La aguja de la jeringa se coloca en el puerto de inyección caliente del cromatógrafo de gases y la muestra se inyecta rápidamente.
3. La inyección de la muestra se considera un "punto" en el tiempo, es decir, se supone que toda la muestra entra en el cromatógrafo de gases al mismo tiempo, por lo que la muestra debe inyectarse rápidamente.
4. La temperatura se ajusta para que sea superior a los puntos de ebullición de los componentes de la mezcla, para que éstos se vaporicen.
5. A continuación, los componentes vaporizados se mezclan con la fase móvil de gas inerte para ser llevados a la columna de cromatografía de gases para su separación.

Paso 2: Separación en la columna

• Los componentes de la mezcla se separan en función de su capacidad de adsorción o unión a la fase estacionaria.
• Un componente que se adsorba más fuertemente a la fase estacionaria pasará más tiempo en la columna (será retenido en la columna durante más tiempo) y, por tanto, tendrá el mayor tiempo de retención (Rt). Saldrá en último lugar del cromatógrafo de gases.
• Un componente que se adsorbe con menor intensidad a la fase estacionaria pasará el menor tiempo en la columna (será retenido en la columna durante el menor tiempo) y, por tanto, tendrá el menor tiempo de retención (Rt). Saldrá primero del cromatógrafo de gases.
• Si consideramos una mezcla de 2 componentes en la que el componente A es más polar que el componente B, entonces

1. el componente A tendrá un mayor tiempo de retención en una columna polar que el componente B
2. el componente A tendrá un menor tiempo de retención en una columna no polar que el componente B

Paso 3: Detección y registro de resultados

1. Los componentes de la mezcla llegan al detector en momentos diferentes debido a las diferencias en el tiempo que permanecen en la columna.
2. El componente que permanece menos tiempo en la columna se detecta primero. El componente que permanece más tiempo en la columna se detecta en último lugar.
3. El detector envía una señal al registrador gráfico que da lugar a un pico en el papel cuadriculado. El componente que se detecta primero se registra primero. El componente que se detecta en último lugar se registra en último lugar.

Aplicaciones

• El análisis por CG se utiliza para calcular el contenido de un producto químico, por ejemplo para asegurar la calidad de los productos en la industria química; o para medir las sustancias tóxicas en el suelo, el aire o el agua.
• La cromatografía de gases se utiliza en el análisis de:

(a) los contaminantes transportados por el aire
(b) drogas que mejoran el rendimiento en las muestras de orina de los atletas
(c) vertidos de petróleo
(d) aceites esenciales en la preparación de perfumes

• La GC es muy precisa si se utiliza correctamente y puede medir picomoles de una sustancia en una muestra líquida de 1 ml, o concentraciones de partes por billón en muestras gaseosas.
• La cromatografía de gases se utiliza mucho en la ciencia forense. Disciplinas tan diversas como la identificación y cuantificación de dosis de drogas sólidas (en forma de preconsumo), la investigación de incendios provocados, el análisis de virutas de pintura y los casos de toxicología, emplean la CG para identificar y cuantificar diversas muestras biológicas y pruebas de la escena del crimen.

Ventajas

• El uso de columnas más largas y una mayor velocidad del gas portador permite la separación rápida en cuestión de pocos minutos.
• Las temperaturas de trabajo más altas, de hasta 5000C, y la posibilidad de convertir cualquier material en un componente volátil, hacen de la cromatografía de gases una de las técnicas más versátiles.
• La CG es muy popular para el control medioambiental y las aplicaciones industriales porque es muy fiable y puede funcionar casi continuamente.
• La GC se suele utilizar en aplicaciones en las que se detectan moléculas pequeñas y volátiles y con soluciones no acuosas.
• La GC es preferible para las moléculas no polares.

Limitaciones

• El compuesto a analizar debe ser estable en las condiciones de funcionamiento de la GC.
• Deben tener una presión de vapor significativamente superior a cero.
• Normalmente, los compuestos analizados son inferiores a 1.000 Da, porque es difícil vaporizar compuestos más grandes.
• También se requiere que las muestras estén libres de sal; no deben contener iones.
• Se pueden medir cantidades muy diminutas de una sustancia, pero a menudo se requiere que la muestra se mida en comparación con una muestra que contenga la sustancia pura y sospechosa, conocida como patrón de referencia.

Referencias

1. https://nptel.ac.in/courses/103108100/module7/module7.pdf
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Gas_chromatography#Carrier_gas_selection_and_flow_rates
3. https://www.jove.com/science-education/10187/gas-chromatography-gc-with-flame-ionization-detection
4. http://davisson.nat.uni-magdeburg.de/Downloads/Chromatographie.pdf
5. https://www.whitman.edu/chemistry/edusolns_software/GC_LC_CE_MS_2017/CH%201%202017.pdf
6. http://www.ausetute.com.au/gc.html
7. http://web.uniplovdiv.bg/plamenpenchev/mag/books/anchem/Handbook%20of%20Analytical%20Techniques,%202%20Volume%20Set.pdf

Cromatografía de gases - definición, principio, funcionamiento, usos