Tema 15. Cromatografía de Gases (CG) PDF

ANÁLISIS QUÍMICO II BLOQUE III TEMA 15 CROMATOGRAFÍA DE GASES (CG) TEMA 15: CROMATOGRAFÍA DE GASES (CG) Contenidos 15.1 Introducción y Fundamento 15.2 Instrumentación 15.3 Sistemas de Detección Llama (FID) Captura Ele...

ANÁLISIS QUÍMICO II BLOQUE III TEMA 15 CROMATOGRAFÍA DE GASES (CG) TEMA 15: CROMATOGRAFÍA DE GASES (CG) Contenidos 15.1 Introducción y Fundamento 15.2 Instrumentación 15.3 Sistemas de Detección Llama (FID) Captura Electrónica (ECD) Conductividad Eléctrica Detectores Espectroscópicos 15.4 Derivatización 15.5 Aplicaciones analíticas Cuantitativa Cualitativa TEMA 15: CROMATOGRAFÍA DE GASES (CG) 15.1 Introducción y Fundamento Cromatografía gaseosa es una técnica de separación y análisis de compuestos volátiles, que fluyen en una corriente gaseosa (gas portador – fase móvil) a través de una fase estacionaria fijada a un tubo largo y fino.  Fase móvil : gas INERTE que no interacciona con los analitos; su única función es la de transportarlos a través de la fase estacionaria  Soluto o muestra: mezclas de sustancias volátiles:  Estado gaseoso, o bien estado líquido o sólido con baja presión de vapor (0,3 mmHg)  Estables a temperaturas altas  No se adsorban ni descompongan por el soporte sólido.  Detectables a la salida del cromatógrafo (derivatización!!)  Fase estacionaria:  Sólido  Cromatografía gas-sólido (adsorción)  Líquido  Cromatografía gas-líquido (partición) TEMA 15: CROMATOGRAFÍA DE GASES (CG) 15.2 Instrumentación Puerto de Inyección 2 Detector Columna 5 3 Ordenador Gas portador Horno 1 4 COMPONENTES: 1. Fuente de gas portador (inerte, segura; He, N2, Ar, H2 y CO2) 2. Sistema de introducción de la muestra 3. Columna cromatográfica 4. Horno (Control de Temperatura) 5. Detector 6. Sistema de tratamiento de datos y registrador TEMA 15: CROMATOGRAFÍA DE GASES (CG) 15.2 Instrumentación Introducción automática Sistema de introducción de la Muestra Introducción manual Jeringa  Introducción líquida usando una Aguja de la jeringa jeringa  Vaporiza la muestra  Temperatura del inyector debe ser suficiente elevada para que la Válvulas de control de flujo (V) muestra vaporice inmediamente sin Split descomponerse.  Regla general: Temperatura de Bloque de calentamiento inyección entre 20 y 50 ºC encima de la temperatura de ebullición del componente menos volátil. TEMA 15: CROMATOGRAFÍA DE GASES (CG) 15.2 Instrumentación Sistema de introducción de la Muestra Jeringa  TIPOS de inyección: Aguja de la jeringa  Inyección Split (división de flujo): Válvulas de control de flujo (V) abierta  Valor Split es determinado por: Válvulas de control de flujo (V) Split ratio= Flujo de Split/Flujo Split/Splitless de la columna). Ejemplo: Split ratio=100.  Flujo gas portador: 104 ml/min. Bloque de calentamiento  Flujo purga del septum: 3 ml/min.  Flujo Split: 100 ml/min  Flujo Columna: 1 ml/min  Permite la inyección de una pequeña fracción en la columna (utilizado para muestras concentradas).  Previene la sobrecarga de la columna y la saturación de la señal en el detector. TEMA 15: CROMATOGRAFÍA DE GASES (CG) 15.2 Instrumentación Sistema de introducción de la Muestra Jeringa Aguja de la jeringa  TIPOS de inyección:  Inyección Splitless ( sin división de flujo): Válvulas de control de flujo (V) cerrada durante un tiempo determinado Válvulas de control de flujo Split/Splitless  Análisis de trazas.  Elimina el volumen de cola de Bloque de calentamiento solvente, pero deja la mayor parte de la muestra condensada en la cabeza de la columna Ejemplo: Split on 3 min, 100 mL/min Ejemplo: Split on 0,3 min, 100 mL/min TEMA 15: CROMATOGRAFÍA DE GASES (CG) 15.2 Instrumentación Columnas Tipos 1. Empaquetadas o de relleno Columna 2. Tubulares abiertas o capilares empaquetada 1. Columnas empaquetadas - Tubos de vidrio, metal (acero inoxidable, Cu, Al), o teflón. - Longitud: 2–3 m - Diámetro interno: 2-4 mm - Rellenas de forma compacta de soporte sólido de grano fino recubierto con película de fase líquida estacionaria - 1000-2000 platos teóricos por metro TEMA 15: CROMATOGRAFÍA DE GASES (CG) 15.2 Instrumentación Columnas empaquetadas Silanización (dimetilclorosilano) Soporte sólido: características - Superficie relativamente grande (facilita intercambio rápido entre fases) - Material duro (Resistir impregnación fase líquida y llenado) - Material estable térmicamente y poroso (evita caída P excesiva) - Superficie químicamente inerte Se utiliza la tierra de DIATOMEAS (Chromasorb) Problema: marcada actividad superficial (Si-OH) DESACTIVACIÓN x Silanización (reducen área de los soportes e influye en los volúmenes de retención de solutos) TEMA 15: CROMATOGRAFÍA DE GASES (CG) 15.2 Instrumentación Columnas empaquetadas Fase Estacionaria: características - Baja volatilidad a la temperatura de trabajo (su Teb 100ºC > Tmáx trabajo) - Estabilidad térmica - No debe reaccionar químicamente con los componentes de la muestra Criterio elección: “semejante disuelve a semejante” TEMA 15: CROMATOGRAFÍA DE GASES (CG) 15.2 Instrumentación Columnas empaquetadas Fase estacionaria - Polares: grupos funcionales tales como –CN, –OH, –NH2... - No polares: tipo hidrocarburo, dialquil siloxano... Solutos - Polares: alcoholes; ácidos y aminas - Polaridad intermedia: éteres; cetonas y aldehídos - No polares: hidrocarburos saturados  Para realizar buena separación: La polaridad de la fase estacionaria debe adaptarse a los componentes de la muestra.  Cuando el ajuste es bueno, el orden de elución viene determinado por el punto de ebullición de los componentes TEMA 15: CROMATOGRAFÍA DE GASES (CG) 15.2 Instrumentación Columnas CAPILARES o tubulares abiertas (OT) - Tubos de sílice fundida recubiertos de poliimida - Longitud: 10 – 100 m - Diámetro interno: 0,1-0,6 mm a) Tubulares de pared recubierta (WCOT): capilares con la pared interna recubierta de fina capa de fase estacionaria líquida. Wall-coated open tubular fase estacionaria líquida b) Tubular con soporte recubierto (SCOT): superficie interna de capilar recubierta de fina capa de soporte sólido recubierto a su vez de fase líquida estacionaria Support-coated open tubular fase estacionaria líquida sobre un soporte líquido Eficacia: WCOT > SCOT > empaquetada TEMA 15: CROMATOGRAFÍA DE GASES (CG) 15.2 Instrumentación Comparación de columnas: Empaquetadas y Capilares Ventajas columna capilar:  Mayor RS; > longitud > Eficacia Menor tiempo de análisis (pralte. WCOT vs empaquetadas).  Cantidad de muestra (ng vs µg).  Límites de detección del mismo orden (picos más estrechos con capilares) TEMA 15: CROMATOGRAFÍA DE GASES (CG) 15.2 Instrumentación 10ºC > Tamb – 450ºC (±0,1ºC) Horno. Control de Temperatura TEMA 15: CROMATOGRAFÍA DE GASES (CG) 15.2 Instrumentación Detectores  Son dispositivos que indican y miden la cantidad de componentes separados en la corriente de gas  Monitorean una propiedad física del analito, la propiedad elegida debe cambiar significativamente y, por lo tanto, provocar una gran respuesta del detector Características - Sensibilidad - Amplio rango de respuesta lineal - Estabilidad y reproducibilidad - Bajo ruido de fondo (límite de detección) Detectores Ionización de llama (FID) Captura electrónica (ECD) Conductividad térmica (TDC) Fotométrico de llama (FPD) Nitrógeno-fósforo (NPD) Espectrometría de masas (MS) TEMA 15: CROMATOGRAFÍA DE GASES (CG) 15.2 Instrumentación Detector ionización de llama (FID) Detectores (-) (+) Llama formada de H2 y O2 Llama formada por iones formados por no existen iones, no combustión de compuestos orgánicos, O2: H2 : conduce corriente eléctrica pasa a conducir la corriente eléctrica Relación entre la conductividad eléctrica del gas y la concentración de partículas cargadas Ventajas - Gran sensibilidad (10-12 g/mL) - Amplio intervalo lineal (107) - Insensible a H2O, CO2, SO2 y NOx; ideal para muestras contaminadas con óxidos de S, N2 - Bajo ruido de fondo - Sencillo Inconveniente - Es destructivo - No proporciona información adicional sobre analito TEMA 15: CROMATOGRAFÍA DE GASES (CG) 15.2 Instrumentación Ánodo (fuente radioactiva Detector captura electrónica (ECD) -emisora Salida de gases Detectores e- de alta energía (partículas ) procedentes de una fuente de radiactiva como 63Ni o 3H ionizan una corriente de gas portador (N2, Ar) para producir e- lentos. Cátodo Un componente eluido (AB) que sea electronegativo capturará estos e- lentos y se reducirá el flujo de corriente. Cavidad Gas Ventajas make-up: N2, Ar - Muy sensible (10-16 mol/mL) Columna de GC - Alta selectividad: - Muy sensible a: compuestos halogenados; grupos carbonilo conjugados, compuestos nitro y organometálicos N2 + -  N2+ + e- Ar + -  Ar* + Ar+ + e- - Insensible: aminas, alcoholes e hidrocarburos - No es destructivo Corriente uniforme (base) Inconveniente Componente eluido AB: - Intervalo lineal reducido AB + e-  AB- AB+ e-  A+ B- Disminución de Corriente TEMA 15: CROMATOGRAFÍA DE GASES (CG) 15.2 Instrumentación Detectores Detector de conductividad térmica (TCD) Un cambio en la composición del gas ocasionada por la presencia del analito produce un cambio en la conductividad térmica de esta mezcla de gas, lo que modifica la transferencia de calor y esto modifica la temperatura del filamento. Al cambiar la temperatura del filamento cambia la resistencia eléctrica.  Mayor conductividad térmica  mayor sensibilidad  H2 da picos negativos y baja respuesta.  Se usa He como gas de arrastre. TEMA 15: CROMATOGRAFÍA DE GASES (CG) 15.2 Instrumentación Detectores Detectores Espectroscópicos 1. Quimioluminiscencia de azufre (SCD): detección de compuestos (mercaptanos); [S] se puede relacionar con intensidad de fluorescencia. 2. Fotométrico de llama (FPD): Selectivo para compuestos que contienen fósforo (P) y azufre (S). Análisis de hidrocarburos y pesticidas en aire y agua. TÉCNICAS ACOPLADAS 3. Espectrometría de masas (MS) 4. Espectroscopía de Infrarrojo con transformada de Fourier 5. Espectroscopía de emisión atómica. TEMA 15: CROMATOGRAFÍA DE GASES (CG) 15.2 Instrumentación 1 Detectores Espectrometría de MS 4 2 3 IONIZADOR ANALIZADOR Medirá masa/carga Molécula Fragmentos TEMA 15: CROMATOGRAFÍA DE GASES (CG) 15.3 Derivatización …Reacción química entre el analito de interés y un reactivo derivatizante, con el fin de que sustancias no volátiles o mal adaptadas a la técnica modifiquen sus características químicas adaptándose a los requerimientos de la técnica y proceder así a su separación y análisis. OBJETIVOS: 1. Utilizar la técnica, mejorando: - La estabilidad térmica de los analitos. - La resolución cromatográfica evitando la formación de picos indeseables, evitar solapamientos. 2. Modificar indirectamente la sensibilidad del detector, introduciendo en las moléculas de los solutos grupos funcionales orgánicos adecuados que mejoren su sensibilidad. PRE-COLUMNA POST-COLUMNA TEMA 15: CROMATOGRAFÍA DE GASES (CG) 15.3 Derivatización En Cromatografía de gases es necesario derivatizar algunos compuestos, como los que tienen grupos funcionales polares (hidrógenos activos) con el fin de mejorar su volatilidad, su estabilidad térmica y en algunos casos la sensibilidad en la detección. Ejemplo: Ácido graso Éster metílico TEMA 15: CROMATOGRAFÍA DE GASES (CG) 15.3 Derivatización -Absorción UV En hplc - Fluorescencia - Electroquímica Absorbancia a 254 nm Reactivos Reactantes Acetato de N-succidimidil 4-nitrofenilo Aminas y aminoácidos Cloruro de 3,5 dinitrobenzoilo Alcoholes, aminas y fenoles Clorhidrato de 4-nitrobenciloxiamina Aldehídos y Cetonas O-4-Nitrobencil-N-N´-diisopropilsourea Ácidos carboxílicos Clorhidrato de 4-nitrobencil-N-propilamina Monómeros de isocianato Fluorescencia Reactivos Reactantes 4-bromometil-7-metoxicumarina Ácidos carboxílicos 7-Cloro-4-nitrobencil-2-oxa-1,3-diazol Aminas (primarias y secundarias) y tioles Cloruro de 1-dimetilaminonaftaleno-5-sulfonilo Aminas (primarias y secundarias) y fenoles Hidrazina del 1-dimetilaminonaftaleno-5-sulfonilo Carbonilos TEMA 15: CROMATOGRAFÍA DE GASES (CG) 15.4 Aplicaciones analíticas Cualitativas - Criterio de pureza de compuestos orgánicos - Identificación de compuestos (t R ) A  t M - Comparación tiempos de retención (tR)   (t R ) S  t M - Añadir el componente que se sospecha a la muestra y observar la modificación que experimenta el área de pico Limitado por el gran número de variables que afectan a los tiempos de retención  Se utiliza acoplada a detectores como espectrometría de masas (GC-MS); infrarrojo; RMN;... TEMA 15: CROMATOGRAFÍA DE GASES (CG) 15.4 Aplicaciones analíticas Cuantitativas - Se utiliza la medida del área de pico - Método de cuantificación: - Registro cromatogramas patrones - Determinación del área de cada pico - Recta de calibrado: área de pico vs concentración - Sustitución del área de pico de la muestra en la ecuación de la recta de calibrado Aplicación a: - Muestras orgánicas complejas y compuestos organometálicos que sean especies volátiles o que puedan derivatizarse para dar especies volátiles. - Gran nº de aplicaciones en el campo de la contaminación (pesticidas, dioxinas, furanos...) EPA, Determination of Organic Compounds in Drinking Water, Method Series 500; GC methods of analysis for Solid Waste, Method series 8000. www.epa.gov