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LA CROMATOGRAFÍA DE GASES Y SUS APLICACIONES 22
DE OCTUBRE DE 2007
INTRODUCCIÓN A LA CROMATOGRAFÍA DE
GASES Introducción a la cromatografía.
Definición Principios básicos Cromatografía de
Gases Campo de aplicación Partes de un
cromatógrafo de gases
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INTRODUCCIÓN A LA CROMATOGRAFÍA
Definición Principios básicos
Definición Técnica que permite separar los
componentes de una muestra debido a su diferente
afinidad entre dos fases inmiscibles entre sí,
una estacionaria (liquida o sólida) y otra móvil
(gas o líquida)
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• La muestra se introduce en la fase móvil 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
  móvil 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 móvil.
• Los componentes abandonan la columna en orden
  creciente de interacción con la fase
  estacionaria.
• La amplia gama de selección de materiales para la
  fase móvil y la estacionaria permite separar
  moléculas que difieren muy poco en sus
  propiedades físicas y químicas.

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Clasificación de los métodos cromatográficos
Cromatografía
Cromatografía de líquidos
Gas Líquido GLC
Gas Sólido GSC
Líquido Líquido LLC
Líquido Sólido LSC
Intercambio iónico IEC
Exclusión EC
Casos particulares Intercambio Iónico Los
componentes iónicos de la muestra se separan por
el intercambio selectivo con contraiones de la
fase estacionaria Exclusión La fase estacionaria
proporciona una clasificación de moléculas basada
en la geometría y el tamaño molecular
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Comportamiento cromatográfico de los compuestos

• El comportamiento cromatográfico de un componente
  de una muestra puede describirse de diversas
  formas
• VR Volumen de retención
• Volúmen de fase móvil necesario para
  transportar la banda de un componente desde el
  punto de inyección, a través de la columna, hasta
  el detector (en el máximo de pico del componente)
  
• tR tiempo de retención
• Tiempo necesario para que el componente, una
  vez inyectado pase a través de la columna y
  alcance el detector (en el máximo de pico del
  componente)
• k razón de reparto
• Es una medida del tiempo que el componente
  está en la fase estacionaria en relación con el
  tiempo que está en la fase móvil

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Flujo de fase móvil
to
A B
t1
A B
t2
A B
tB
A
tA
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• k razón de reparto
• tR tM VR - VM
• k

tM VM
Donde tM es el tiempo de retención de un
compuesto que no interaccionara con la fase
estacionaria y tR es el tiempo de retención del
compuesto de interés. Lo mismo se puede expresar
en relación con Los volúmenes de retención.
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• El objetivo de la cromatografía es doble
• Separar los distintos componentes de la muestra
• Identificar los componentes previamente separados

Separar los distintos componentes de la
muestra Selectividad y eficiencia
Buena selectividad Eficiencia baja
Baja selectividad Buena eficiencia
Buena selectividad Buena eficiencia
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Identificar los componentes previamente separados

• Selección de detectores adecuados que permitan el
  análisis cualitativo.
• La selección de un detector está relacionada con
  la naturaleza de las sustancias a determinar.
• Los componentes de una muestra se identifican por
  su tiempo de retención
• Se pueden emplear técnicas que aporten una mayor
  información sobre la naturaleza de los
  componentes Acoplamiento con Espectrometría de
  Masas
• Análisis Cuantitativos basados generalmente en la
  integración del área bajo los picos.
• Calibración con patrones o estándares Si se
  realizan determinaciones cromatográficas de
  muestras de concentración conocida de alguno de
  sus componentes, se puede realizar una recta de
  calibrado y posteriormente el análisis e
  integración de una muestra de concentración
  desconocida del citado componente permitirá la
  cuantifcación del mismo.
• Estándar interno Permite que varíen las
  condiciones de operación entre muestra y muestra.

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Cromatografía de Gases

• Es la técnica a elegir para la separación de
  compuestos orgánicos e inorgánicos térmicamente
  estables y volátiles
• Un cromatógrafo de gases consiste en el
  acoplamiento de varios módulos básicos
  ensamblados para
• Proporcionar un flujo constante de gas portador
• Permitir la introducción de vapores de la muestra
  en la corriente de gas que fluye
• Contener la longitud apropiada de fase
  estacionaria
• Mantener 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 columna
• Proveer una señal legible proporcional en
  magnitud a la cantidad de cada coomponente

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Cromatografía de Gases
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Cromatografía de Gases
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Cromatografía de Gases
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Sistema de inyección
El modo estándar es la inyección directa, la
muestra es inyectada con una jeringa a través 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 inyección,
se mantiene a una temperatura tal que permita
convertir prácticamente de forma instantánea la
muestra líquida en un tapón de vapor. Existen
jeringas especiales para muestras gaseosas.
También se puede emplear un lazo o bucle para
incoporar las muestras gaseosas al flujo de gas
portador
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Sistema de inyección
El modo de separación más extendido en la
actualidad se basa en el empleo de columnas
capilares. Estas columnas requieren muy pequeños
volúmenes 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
inyección sin divisor (splitless)
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Sistema de inyección
Para el análisis de compuestos orgánicos
volátiles en muestras sólidas y líquidas, se han
desarrollado algunas técnicas auxiliares Espacio
de cabeza (Head space) Purga y trampa (Purge and
trap)
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Espacio de cabeza (Head space)
Se analiza la fase de vapor en equilibrio
termodinámico 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
cromatógrafo.
T
equilibrio
Gas portador
A la columna
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Purga y trampa (Purge and trap)
Es aplicable solo a muestras líquidas. Consiste
en la continua renovación del gas en equilibrio
con la muestra, con lo que se consigue el
desplazamiento dinámico de los compuestos
volátiles de la muestra líquida 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 cromatógrafo.
1) Gas portador
2) Gas portador
trampa
A la columna
trampa
T baja
T alta
T
T
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Columnas cromatográficas
Columnas capilares Columnas Empacadas
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Columnas cromatográficas empacadas
Se construyen con tubo de acero inoxidable,
niquel o vidrio. Los diámetros 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.
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Columnas cromatográficas capilares
Se construyen con sílice fundida. Los diámetros
interiores suelen ser de 200-250 mm.La longitud
suele ser superior a los 20 m.Hay dos tipos
Empacadas con partículas sólidas ocupando el
total del diámetro de la columna
(micro-empacadas)Tubulares abiertas, con
trayectoria para el flujo abierta y sin
restricción por el centro de la columna
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Ejemplos de fases estacionarias en cromatografía
de gases
Separaciones por punto de ebullición de
compuestos en un intervalo amplio de pesos
moleculares Escualano PolidimetilsiloxanoPara
hidrocarburos insaturados y otros
compuestos polidifenildimetilsiloxano policarbor
anometilcianoetilsilicónPara compuestos
nitrogenados poliamida policianoetilmetilsilicon
Para alcoholes, ésteres, cetonas y
acetatos polietilenglicol pentaeritritol
tetracianoetilado
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Horno

• Las columnas cromatográficas se enrollan, se
  sujetan en un soporte y se introducen en el
  interior de un horno
• El horno debe poderse calentar y enfriar
  rápidamente
• La temperatura se debe poder programar para poder
  trabajar en régimen de gradiente
• Muchas aplicaciones y métodos cromatográficos
  requieren comenzar a temperaturas por debajo de
  la ambiental

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Horno
T1 T2gt T1
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Sistemas de detección
Características ideales de un detector para
Cromatografía de Gases   Sensibilidad alta y
estable típicamente 10-8 g soluto/s   Bajo
nivel de ruido   Respuesta lineal en un amplio
rango dinámico   Tiempo de respuesta corto
  Buena respuesta para toda clase de compuestos
orgánicos   Insensibilidad a las variaciones
del flujo y la temperatura   Estabilidad y
robustez   Simplicidad en su operación
  Identificación de compuestos positiva  
Técnica no destructiva   Pequeño volumen en
prevención del mezclado de componentes
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Sistemas de detección
Detector de ionización de llama (FID)
Este detector añade hidrógeno al eluyente de la
columna. La mezcla pasa a través del conducto de
un mechero, donde se mezcla con aire externo y
luego arde. Cuando entra en la llama
material ionizable del eluyente de la columna Se
quema y la corriente aumenta notablemente. Este
detector es ideal para compuestos oxidables. No
responde a los compuestos de carbono totalmente
oxidados, como carbonilos o carboxilos y grupos
éster
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Sistemas de detección
Detector de conductividad térmica (TCD)
Utiliza un filamento caliente colocado en el
flujo de gas emergente. La cantidad de calor
por conducción que pierde el filamento hacia las
paredes del detector depende de la conductividad
térmica de la fase gaseosa. Es útil para
determinar la presencia incluso de pequeñas
cantidades de materiales orgánicos que producen
una reducción relativamente grande en la
conductividad térmica del eluyente de la columna.
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Sistemas de detección
El eluyente pasa entre dos electrodos. Uno de
los electrodos tiene en su superficie un
radioisótopo que emite electrones de alta energía
conforme decae. Los electrones bombardean el gas
portador (N2) formándose un plasma que contiene
iones positivos, radicales y electrones
térmicos. Se aplica una diferencia de potencial
de modo que se recolectan los electrones
generados. Los compuestos que absorben electrones
reaccionan con los electrónes térmicos
disminuyendo la corriente del detector, la cual
es medida y permite la cuantificación
Detector de captura de electrones (ECD)
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Sistemas de detección
Los eluyentes son ionizados y fragmentados. Los
iones resultantes se dirigen a través de un
cuadrupolo y se ordenan en función de su
masa. Ese detector permite obtener el espectro de
masas del compuesto que ha eluido. Podemos por
tanto conocer, además del tiempo de retención el
espectro de masas del compuesto y contrastarlo
con bibliotecas de espectros. Se trata por tanto
de un detector universal para la mayoría de los
compuestos conocidos.
Detector de espectroscopía de masas (MS)
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Cromatografía Iónica
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Polaridad

• Basándose en la polaridad de la fase
  estacionaria y la fase móvil, se distinguen los
  siguientes métodos de cromatografía líquida

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El intercambio iónico como mecanismo de separación

• La gran mayoría de las separaciones por
  cromatografía iónica ocurren por intercambio
  iónico 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 móvil. Para cada ion el proceso
  de intercambio se caracteriza por un equilibrio
  de intercambio iónico correspondiente, que
  determina la distribución del analito (M ó A-)
  entre la fase móvil y la fase estacionaria

A- es el ion del analito E- es el ion del
eluyente (contraion)
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El intercambio iónico como mecanismo de separación

• El grupo más importante de intercambiadores
  iónicos son los basados en resinas sintéticas
  hechas de un copolímero de estireno y
  divinilbenceno.
• Los intercambiadores catiónicos se obtienen
  por posterior sulfonación de esta resina de
  estireno-divinilbenceno. Los intercambiadores
  aniónicos por posterior clorometilación seguida
  de aminación.

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Cromatografía iónica

• También llamada cromatografía de intercambio
  iónico, determina iones inorgánicos y orgánicos,
  normalmente por conductividad.
• Se utilizan dos tipos de técnicas en la
  práctica
• Supresión química, en la que la conductividad de
  fondo se suprime tanto química como
  electrónicamente. Normalmente utilizada en
  aniones.
• Supresión electrónica, en la que se emplean
  eluyentes con sales de ácidos orgánicos en baja
  concentración sobre intercambiadores de iones de
  muy baja capacidad para alcanzar una
  conductividad de fondo relativamente baja, que
  puede ser suprimida directamente por medios
  electrónicos.

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Supresión química

• Se basa en el uso de sales de ácidos débilmente
  disociables (NaHCO3, por ejemplo) como eluyentes.
  Estos eluyentes se pueden eliminar en gran medida
  mediante una reacción post-columna de acuerdo con
  el siguiente proceso
• El ácido carbónico formado como resultado del
  intercambio catiónico se disocia muy débilmente,
  por lo que aporta poca conductividad.
• Por otro lado, los iones de la muestra sufren la
  reacción correspondiente. Por ejemplo, para el
  cloruro
• El proceso de supresión convierte el NaCl al
  correspondiente ácido fuerte, el cual tiene una
  mayor conductividad que la sal original. Cuanto
  menor fuerza tenga el ácido producido, el
  incremento en sensibilidad debido a la supresión
  química será menor.

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Supresión química
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Sin supresión química Eluyente ácido ftálico
Con supresión química Eluyente HCO3-/CO3-
Aniones
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Cationes sin supresión química
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(No Transcript)
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Detección por conductividad

• La conductividad es una medida de la capacidad
  que tienen las disoluciones de electrolitos para
  transportar la corriente por migración iónica en
  un campo eléctrico aplicado entre dos electrodos.
• La conductividad (?) es directamente proporcional
  a la concentración para disoluciones diluidas,
  siguiendo la relación
• Donde
• ? es la conductividad equivalente en Scm2mol-1
• c(eq) es la concentración equivalente en eq/l o
  normalidad

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(No Transcript)
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Detección UV/VIS

• Directa Se usa en la determinación de iones que
  absorben fuertemente en el rango UV (nitrito,
  nitrato y aniones orgánicos, p.e.) en presencia
  de altas concentraciones de iones inorgánicos
  (cloruro, fosfato y sulfato, p.e.) que tienen
  escasa o nula absorción UV.
• Indirecta Se utiliza con eluyentes de alta
  absorción UV (ftalato, p.e.). De este modo, los
  iones con menor actividad UV que el eluyente
  darán picos negativos y los iones con mayor
  actividad UV que el eluyente darán picos
  positivos.
• Con reacción post-columna Usada en la detección
  de metales de transición (Fe, Ni, Cu, Mn y Zn,
  p.e.)

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(No Transcript)
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Detección electroquímica

• Se utiliza ocasionalmente. Requiere que los iones
  a determinar sean susceptibles de oxidarse o
  reducirse. Entre ellos hay muchos compuestos
  orgánicos (azúcares y aminas, p.e.), metales de
  transición y aniones como nitrito, nitrato,
  haluros, sulfuro, cianuro, sulfito y sulfato.
• Hay cuatro técnicas diferentes
• Amperometría Medida de la corriente a potencial
  constante
• Culombimetría Medida de la corriente a potencial
  constante con 100 de conversión del analito
• Voltametría Medida de la corriente frente al
  potencial en un rango definido de potencial
• Amperometría de pulsos Medida de la corriente a
  pulsos de potencial constante

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Estado, cantidad y preparación de muestras

• Los líquidos que sean acuosos o miscibles en el
  agua se pueden analizar directamente. Los
  líquidos, sólidos y gases inmiscibles en agua
  deben ser extraídos o disueltos en disolución
  acuosa antes del análisis.
• El volumen típico a analizar es de 5 a 200 µl,
  aunque se puede partir de volúmenes tan grandes
  como 100 ml, utilizando técnicas de
  preconcentración cromatográficas cuando se
  requiera una mayor sensibilidad.
• Dilución y filtración son los procedimientos más
  comunes de preparación de muestras. Se requiere
  extracción para muestras no acuosas o
  preconcentración para muestras diluidas. La
  necesidad de derivatización precolumna es rara.

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Técnicas complementarias

• Absorción atómica, emisión atómica y plasma de
  acoplamiento inductivo. Se usan para determinar
  la cantidad total de un metal en vez de una
  cierta forma iónica.