Instrumentación en Instrumentación en cromatografía de gasescromatografía de gases

Cromatógrafo de GasesCromatógrafo de Gases

Cromatógrafo de GasesCromatógrafo de Gases

Principales componentesPrincipales componentes

Gas de acarreoGas de acarreo

Controladores de flujoControladores de flujo

InyectoresInyectores

ColumnasColumnas

DetectoresDetectores

Sistema de datosSistema de datos

Gas de acarreoGas de acarreo El gas de acarreo o portador o El gas de acarreo o portador o fase móvil,fase móvil, es el que es el que

transporta a los compuestos a través de la columna.transporta a los compuestos a través de la columna.

Debe ser químicamente inerte, Debe ser químicamente inerte, puro (>99%), seco y se puro (>99%), seco y se aconseja colocar un filtro de carbón activo y una trampa aconseja colocar un filtro de carbón activo y una trampa para humedad antes de la entrada del gas al para humedad antes de la entrada del gas al instrumento.instrumento.

El tipo de gas acarreador depende de la velocidad El tipo de gas acarreador depende de la velocidad requerida para el análisis y el tipo de detector a emplearrequerida para el análisis y el tipo de detector a emplear. . Los más utilizados son helio, nitrógeno, hidrógeno o una Los más utilizados son helio, nitrógeno, hidrógeno o una mezcla argón con 5 % de metano.mezcla argón con 5 % de metano.

Con ciertos tipos de columnas y detectores, se requiere Con ciertos tipos de columnas y detectores, se requiere el uso de un gas de complemento en el detector (“make-el uso de un gas de complemento en el detector (“make-up”).up”).

El “make-up”, es un gas de arrastre adicionado al El “make-up”, es un gas de arrastre adicionado al efluente de la columna antes de que pase al detector.efluente de la columna antes de que pase al detector.

El sistema del gas portador, por lo general contiene uno El sistema del gas portador, por lo general contiene uno o varios tamices con el objeto de eliminar humedad, o varios tamices con el objeto de eliminar humedad, hidrocarburos y oxígeno.hidrocarburos y oxígeno.

Con el suministro de gas se encuentran asociados los Con el suministro de gas se encuentran asociados los reguladores de presión, manómetros y medidores de reguladores de presión, manómetros y medidores de caudalcaudal

Gas de acarreoGas de acarreo

CONTROL DEL CAUDALCONTROL DEL CAUDAL

Se controlan normalmente mediante un regulador Se controlan normalmente mediante un regulador de presión de dos niveles colocados en el cilindro de presión de dos niveles colocados en el cilindro de gas y un regulado de presión o regulador de de gas y un regulado de presión o regulador de flujo instalado en el cromatógrafo.flujo instalado en el cromatógrafo.

Los caudales utilizados en las columnas empacadas Los caudales utilizados en las columnas empacadas oscila entre 25 y 90 mL/min y de 1 a 2 mL/min en las oscila entre 25 y 90 mL/min y de 1 a 2 mL/min en las capilares. capilares.

INTERVALO DE PRESIONESINTERVALO DE PRESIONES

El intervalo de presiones de entrada oscila entre 10 y 50 El intervalo de presiones de entrada oscila entre 10 y 50 psi (por encima del entorno), lo que conduce a caudales psi (por encima del entorno), lo que conduce a caudales de 25 a 150 mL /min con las columnas rellenas y de 1 a de 25 a 150 mL /min con las columnas rellenas y de 1 a 25 mL/min en las columnas capilares.25 mL/min en las columnas capilares.

Los caudales pueden determinarse mediante un Los caudales pueden determinarse mediante un rotámetro situado en la cabeza de la columna.rotámetro situado en la cabeza de la columna.

El rotámetro no es tan exacto como un simple medidor El rotámetro no es tan exacto como un simple medidor de pompas de jabón que se coloca el final de la de pompas de jabón que se coloca el final de la columna.columna.

El medidor de pompas de jabón cuando se aprieta una El medidor de pompas de jabón cuando se aprieta una pera de goma que contiene una disolución acuosa de pera de goma que contiene una disolución acuosa de jabón o detergente, se interpone una película de jabón jabón o detergente, se interpone una película de jabón en el camino del gas, a continuación se mide el tiempo en el camino del gas, a continuación se mide el tiempo necesario para que esta película se desplace entre dos necesario para que esta película se desplace entre dos divisiones de la bureta, lo que permite calcular el caudal divisiones de la bureta, lo que permite calcular el caudal volumétrico. volumétrico.

Los cromatógrafos equipados con medidores Los cromatógrafos equipados con medidores electrónicos del caudal están controlados por un electrónicos del caudal están controlados por un ordenador para mantener el caudal a nivel deseado.ordenador para mantener el caudal a nivel deseado.

SISTEMA DE INYECCIÓNSISTEMA DE INYECCIÓN

El método más común de inyección de muestra implica El método más común de inyección de muestra implica el uso de una microjeringa para inyectar una muestra el uso de una microjeringa para inyectar una muestra líquida o gaseosa a través de un diafragma o “septum” líquida o gaseosa a través de un diafragma o “septum” de goma de silicona, en una cámara de vaporización de goma de silicona, en una cámara de vaporización instantánea situada en la cabeza de la columna.instantánea situada en la cabeza de la columna.

La cámara de muestra normalmente está a unos 50ºC La cámara de muestra normalmente está a unos 50ºC por encima del punto de ebullición del componente por encima del punto de ebullición del componente menos volátil de la muestra.menos volátil de la muestra.

La inyección lenta de muestras demasiado grandes La inyección lenta de muestras demasiado grandes provoca un ensanchamiento de las bandas y una pobre provoca un ensanchamiento de las bandas y una pobre resolución. resolución.

InyectoresInyectores

En el puerto de inyección se lleva a cabo la En el puerto de inyección se lleva a cabo la introducción de la muestraintroducción de la muestra

Con división-sin divisiónCon división-sin división

“Split” “Splitless”

Instalación de una columna capilar en el inyector

Modo con división – para analitos en concentraciones altasModo sin división – para analitos en concentraciones traza

Se utiliza básicamente para aquellos solutos que son Se utiliza básicamente para aquellos solutos que son termolábiles y para los que tienen puntos de ebullición altos. termolábiles y para los que tienen puntos de ebullición altos.

“On-column”

Inyección sobre la columna

Se puede emplear en modo “split” o “splitless”. Tiene la ventaja Se puede emplear en modo “split” o “splitless”. Tiene la ventaja

de que se puede trabajar de forma isobárica e isotérmica o bien de que se puede trabajar de forma isobárica e isotérmica o bien

empleando rampas de presión y temperatura.empleando rampas de presión y temperatura.

Se puede enriquecer la muestra dentro del inyector, introduciendo Se puede enriquecer la muestra dentro del inyector, introduciendo

grandes volúmenes de muestra.grandes volúmenes de muestra.

Vaporización de Temperatura programada (PTV)

TAMAÑO DE LA MUESTRATAMAÑO DE LA MUESTRA

Para las Para las columnas analíticas columnas analíticas ordinarias el tamaño de la ordinarias el tamaño de la muestra varía desde unas pocas décimas de microlitro a muestra varía desde unas pocas décimas de microlitro a 2020µL.µL.

Las Las columnas capilares columnas capilares exigen muestras mucho exigen muestras mucho menores (aproximadamente 10menores (aproximadamente 10-3-3 µL). Para ello se µL). Para ello se emplea un sistema divisor de la muestra que permite emplea un sistema divisor de la muestra que permite asar a la cabeza de la columna solamente una pequeña asar a la cabeza de la columna solamente una pequeña fracción de la muestra desechándose el resto.fracción de la muestra desechándose el resto.

En el trabajo cuantitativo se introducen tamaños de En el trabajo cuantitativo se introducen tamaños de muestra más reproducibles mediante el uso de una muestra más reproducibles mediante el uso de una válvula rotatoria. válvula rotatoria.

Esta válvula se llena con un exceso de muestra, Esta válvula se llena con un exceso de muestra, girándose 45 º y se introduce el volumen en la fase girándose 45 º y se introduce el volumen en la fase móvil. móvil.

Las muestras sólidas se introducen como disoluciones o Las muestras sólidas se introducen como disoluciones o en viales de paredes delgadas cerrados herméticamente en viales de paredes delgadas cerrados herméticamente que puedan colocarse junto a la cabeza de la columna y que puedan colocarse junto a la cabeza de la columna y ser aplastados o perforados desde el exterior.ser aplastados o perforados desde el exterior.

El uso de esta válvula permite que los errores relativos El uso de esta válvula permite que los errores relativos sean de un 0.5 a un 2 %.sean de un 0.5 a un 2 %.

ColumnasEs donde ocurre la separación y esEs donde ocurre la separación y es el “corazón” el “corazón” de un de un

cromatógrafo.cromatógrafo.

Hay dos tipos generales de columnas:Hay dos tipos generales de columnas: columnas rellenas y columnas rellenas y las columnas abiertas o capilares.las columnas abiertas o capilares.

Las columnas cromatográficas varían desde menos de 2 Las columnas cromatográficas varían desde menos de 2 hasta 50 m de longitud o más.hasta 50 m de longitud o más.

Están construidas con acero inoxidable, vidrio, sílice fundido Están construidas con acero inoxidable, vidrio, sílice fundido o teflón.o teflón.

• Se configuran como helicoides con diámetros de 10 Se configuran como helicoides con diámetros de 10 a 30 cm a fin de poder colocarse en el interior de un a 30 cm a fin de poder colocarse en el interior de un horno termostatizado.horno termostatizado.

• Columnas Columnas empacadasempacadas de: de: cobre, aluminio, acero cobre, aluminio, acero inoxidable, vidrio ó teflón.inoxidable, vidrio ó teflón.

• Columnas capilares de sílice fundida recubiertas con Columnas capilares de sílice fundida recubiertas con poliimida.poliimida.El El empaque puede ser un sólido, un líquido o un sólido empaque puede ser un sólido, un líquido o un sólido recubierto por un líquido.recubierto por un líquido.

Empacadas o rellenas Empacadas o rellenas

TEMPERATURA DE LA TEMPERATURA DE LA COLUMNACOLUMNA

La temperatura óptima de la columna depende del punto de La temperatura óptima de la columna depende del punto de ebullición de la muestra y del grado de separación requerido.ebullición de la muestra y del grado de separación requerido.

Con una temperatura igual o ligeramente superior al punto de Con una temperatura igual o ligeramente superior al punto de ebullición promedio de la muestra se obtienen tiempo de ebullición promedio de la muestra se obtienen tiempo de elución razonables de (2 a 30 min)elución razonables de (2 a 30 min)

Para muestras cuyos componentes presentan un amplio Para muestras cuyos componentes presentan un amplio intervalo de temperaturas de ebullición, se emplea una intervalo de temperaturas de ebullición, se emplea una programación de temperatura, con lo que se aumenta la programación de temperatura, con lo que se aumenta la temperatura de la columna de forma continua o por etapas, al temperatura de la columna de forma continua o por etapas, al mismo tiempo que tiene lugar la separaciónmismo tiempo que tiene lugar la separación

Las dimensiones de una columna empacada oscilan Las dimensiones de una columna empacada oscilan entreentre::-- 2 y 4.6 mm de diámetro interno (DI) y de 1/8 2 y 4.6 mm de diámetro interno (DI) y de 1/8

a 1/4 de pulgada de diámetro externo (DO)a 1/4 de pulgada de diámetro externo (DO)..- L- Longitud entre 6 y 30 pies para las más ongitud entre 6 y 30 pies para las más

comúnes. comúnes.

SSoporte sólidooporte sólido (diatomita) (diatomita), , dede partículas porosas y partículas porosas y uniformes (uniformes (££1010mmm)m), , libre de óxidos catalíticos libre de óxidos catalíticos (causan(causan descomposición parcial de la muestradescomposición parcial de la muestra).).

Fase Fase estable térmica y químicamenteestable térmica y químicamente.. SSuperficie específica grande (1 a 20 muperficie específica grande (1 a 20 m22/g), un ejemplo /g), un ejemplo

de éstas son la serie Chromosorb (tierra de diatomeas) de éstas son la serie Chromosorb (tierra de diatomeas) (G, P y W). (G, P y W).

Tubo abierto “capilar” Tubo abierto “capilar”

- P.L.O.T. (Porous layer Open Tubular)P.L.O.T. (Porous layer Open Tubular)

- W.C.O.T. (W.C.O.T. (Wall Coated Open TubularWall Coated Open Tubular) )

F.S.O.T. (Fused Silica Open Tubular)F.S.O.T. (Fused Silica Open Tubular)

S.C.O.T. (S.C.O.T. (Support Coated Open TubularSupport Coated Open Tubular))

Longitud de la Columna Longitud de la Columna Diámetro de la Columna (1/4", 1/8", 1/16" de Diámetro de la Columna (1/4", 1/8", 1/16" de

diámetro externo) diámetro externo) Tamaño de las partículas del empaque Tamaño de las partículas del empaque Naturaleza de las fases Naturaleza de las fases Grosor de fase estacionaria Grosor de fase estacionaria Temperatura de la columna Temperatura de la columna Velocidad del gas portador Velocidad del gas portador Cantidad de muestra inyectada Cantidad de muestra inyectada

Factores que Afectan la Factores que Afectan la Eficiencia de una ColumnaEficiencia de una Columna

Emapacadas vs tubo abiertoEmapacadas vs tubo abierto

•SKOOG,Douglas y LEARY,James. Análisis Instrumental. 4ª Edición. McGraw-Hill. España.1994

Fases estacionariasFases estacionariasPolidimetilsiloxano

Polietilenglicol

•SKOOG,Douglas y LEARY,James. Análisis Instrumental. 4ª Edición. McGraw-Hill. España.1994

DETECTORESDETECTORESDispositivo capaz de medir una propiedad física del gas portador, la Dispositivo capaz de medir una propiedad física del gas portador, la

cual varía con la presencia de pequeñas cantidades de analito. cual varía con la presencia de pequeñas cantidades de analito.

Características:

Alta sensibilidad (relación entre la respuesta del detector y la magnitud física de la muestra detectada)

• Buena estabilidad

• Respuesta continua y reproducible a los cambios de concentración del compuesto

• Respuestas adecuadas al mayor número posible de muestras

• Tiempo de respuesta corto

• Reactividad nula.

Detector de Captura de electrones,Detector de Captura de electrones,

ECDECD

Utiliza un emisor beta Utiliza un emisor beta radioactivo (electrones) para radioactivo (electrones) para ionizar parte del gas portador ionizar parte del gas portador y para producir una corriente y para producir una corriente entre un par de electrodos. entre un par de electrodos. Cuando las moléculas Cuando las moléculas orgánicas que contienen orgánicas que contienen grupos funcionales grupos funcionales electronegativos, tales como electronegativos, tales como halógenos, fósforo y grupos halógenos, fósforo y grupos nitro, pasan por el detector, nitro, pasan por el detector, capturan algunos de los capturan algunos de los electrones y reducen la electrones y reducen la corriente medida entre los corriente medida entre los electrodos. electrodos.

Detectores

Empleado frecuentemente paracompuestos halogenados

Detector de Ionización de Flama (Detector de Ionización de Flama (FID))

Consiste de una llama de Consiste de una llama de hidrógeno-aire y una placa hidrógeno-aire y una placa colectora. El efluente de la colectora. El efluente de la columna pasa a través de columna pasa a través de la llama, que ioniza las la llama, que ioniza las moléculas orgánicas. Los moléculas orgánicas. Los iones se recogen en un iones se recogen en un electrodo de polarización electrodo de polarización negativa y producen una negativa y producen una señal eléctrica. El FID es señal eléctrica. El FID es extremadamente sensible extremadamente sensible y es el detector más y es el detector más ampliamente utilizado, su ampliamente utilizado, su desventaja es que desventaja es que destruye la muestra.destruye la muestra.

Empleado para hidrocarburos, poco sensible a compuestos muy oxidados

Detector de Azufre-Fósforo, FPDDetector de Azufre-Fósforo, FPDFotométrico de flamaFotométrico de flama

Adaptado para utilizarse Adaptado para utilizarse con una flama de un FID. con una flama de un FID. Sensible a compuestos Sensible a compuestos con azúfre (394 nm) y con con azúfre (394 nm) y con fósforo (526 nm)fósforo (526 nm)

Detector de Conductividad térmica, Detector de Conductividad térmica, TCDTCD

Utilizado particularmente con columnas empacadas, Utilizado particularmente con columnas empacadas, detecta Hdetecta H22O, CO, COO, CO, CO22 e H e H22. Mide la conductividad . Mide la conductividad térmica de un analito en un gas acarreador.térmica de un analito en un gas acarreador.

LLa velocidad de pérdida de calor de un cuerpo caliente a velocidad de pérdida de calor de un cuerpo caliente haciahacia un un cuerpo más frío es proporcional a la conductividad térmica del cuerpo más frío es proporcional a la conductividad térmica del ggaas que separa estos cuerpos.s que separa estos cuerpos.

Detector de Nitrógeno Fósforo, NPDDetector de Nitrógeno Fósforo, NPD

Es básicamente el mismo FID, lo que sucede es Es básicamente el mismo FID, lo que sucede es que se le adiciona un metal alcalino (Rubidio o que se le adiciona un metal alcalino (Rubidio o Cesio), por lo que en algún momento se le llamó Cesio), por lo que en algún momento se le llamó (AFID) detector de ionización de flama alcalino, (AFID) detector de ionización de flama alcalino, también se le ha llamado detector de ionización también se le ha llamado detector de ionización (TID), detector termoiónico de flama (FTD), (TID), detector termoiónico de flama (FTD), detector específico termoiónico (TSD). detector específico termoiónico (TSD).

Al calentar el material alcalino en la zona de la Al calentar el material alcalino en la zona de la llama este detector presenta una gran llama este detector presenta una gran sensibilidad por compuestos que contienen sensibilidad por compuestos que contienen fósforo y nitrógeno.fósforo y nitrógeno.

APLICACIONES ANALÍTICASAPLICACIONES ANALÍTICAS

La aportación analítica de la cromatografia de gases al análisis La aportación analítica de la cromatografia de gases al análisis químico tiene dos vertientes, la primera es su capacidad en la químico tiene dos vertientes, la primera es su capacidad en la separación de compuestos (orgánicos, inorgánicos, bioquímicos, separación de compuestos (orgánicos, inorgánicos, bioquímicos, etc.). La segunda es emplear los tiempos o volúmenes de retención etc.). La segunda es emplear los tiempos o volúmenes de retención para la identificación cualitativa, mientras que el área de los picos para la identificación cualitativa, mientras que el área de los picos proporciona información cuantitativa. proporciona información cuantitativa.

APLICACIONES ANALÍTICASAPLICACIONES ANALÍTICAS

Como parámetro cualitativo se encuentra el Como parámetro cualitativo se encuentra el tiempo de retención (ttiempo de retención (tRR) o el volumen de ) o el volumen de retención (Vretención (VRR); sin embargo, su dependencia de ); sin embargo, su dependencia de variables tales como temperatura de la columna, variables tales como temperatura de la columna, velocidad de flujo y composición de la fase velocidad de flujo y composición de la fase estacionaria, le hace poco fiable. Pese a ello, si se estacionaria, le hace poco fiable. Pese a ello, si se observan tiempos de retención muy parecidos observan tiempos de retención muy parecidos para un patrón (sustancia conocida) y una para un patrón (sustancia conocida) y una muestra problema cuando cambian las muestra problema cuando cambian las condiciones de operación, las probabilidades de condiciones de operación, las probabilidades de que ambas sean la misma sustancia aumentan.que ambas sean la misma sustancia aumentan.

BibliografíaBibliografía

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    http://www.chem.vt.edu/chem-ed/ms/ms-intro.htmlhttp://www.chem.vt.edu/chem-ed/ms/ms-intro.html