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Pilar Blasco AlemanyPablo Candela Antón

Curso teórico práctico de Espectrometría de MasasDiciembre 2012

3ª SESIÓN

DIP

La Cromatografía de Gases aporta sucapacidad de SEPARAR mezclas complejas

La Espectrometría de Masas nos permite:

Obtener información característica delos compuestos separados a través de suESPECTRO DE MASAS para suIDENTIFICACION y/o CONFIRMACION

Obtener información de la INTENSIDAD de sus IONES ESPECIFICOS para su CUANTIFICACION

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La cromatografía es un método físico de separación para la caracterización demezclas complejas, la cual tiene aplicación en todas las ramas de la ciencia y la física.Es un conjunto de técnicas basadas en el principio de retención selectiva, cuyoobjetivo es separar los distintos componentes de una mezcla, permitiendo identificar yd t i l tid d d di h tdeterminar las cantidades de dichos componentes.

Las técnicas cromatográficas son muy variadas, pero en todas ellas hay una fasemóvil que consiste en un fluido (gas, líquido o fluido supercrítico) que arrastra a lamuestra a través de una fase estacionaria que se trata de un sólido o un líquido fijadoen un sólido. Los componentes de la mezcla interaccionan en distinta forma con lafase estacionaria. De este modo, los componentes atraviesan la fase estacionaria adistintas velocidades y se van separando. Después de que los componentes hayanpasado por la fase estacionaria, separándose, pasan por un detector que genera unaseñal que puede depender de la concentración y del tipo de compuesto.

La cromatografía puede cumplir dos funciones básicas que nose excluyen mutuamente:

Separar los componentes de la mezcla, para obtenerlos máspuros y que puedan ser usados posteriormente (etapa final demuchas síntesis).

Medir la proporción de los componentes de la mezcla (finalidadanalítica). En este caso, las cantidades de material empleadasson pequeñas.

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El gas portador cumple básicamente dos propósitos: Transportar los componentes de la muestra, y crear una matriz adecuada para el detector. Un gas portador debe reunir ciertas condiciones:-Debe ser inerte para evitar interacciones (tanto con la muestra como con la fase estacionaria)-Debe ser capaz de minimizar la difusión gaseosa-Fácilmente disponible y puro-Económico-Adecuado al detector a utilizar

El gas portador debe ser un gas inerte, para prevenir su reacción con elanalito o la columna. Generalmente se emplean gases como el helio,argón, nitrógeno, hidrogeno o dióxido de carbono, y la elección de estegas en ocasiones depende del tipo de detector empleado.

El l j d l d b l l l dEl almacenaje del gas puede ser en balas normales o empleando ungenerador, especialmente en el caso del nitrógeno y del hidrógeno.Luego tenemos un sistema de manómetros y reguladores de flujo paragarantizar un flujo estable y un sistema de deshidratación del gas,como puede ser un tamiz molecular.

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Generalmente la regulación de la presión se hace a dos niveles: un primermanómetro se sitúa a la salida de la bala o generador del gas y el otro a laentrada del cromatógrafo, donde se regula el flujo.

La pureza de los gases es sumamente importante, se requieren niveles 4.5 omayores es decir 99.995 % de pureza. Sin embargo, debido al cuidado que sedebe tener con la fase activa de la columna, se hace completamente necesariopla instalación de trampas a la salida del gas de la bala, estas trampasobviamente tienen una capacidad limitada, pero son importantísimas almomento de usar el Cromatografo. Estas trampas evitan la introducción deHidrocarburos, agua, CO entre otros al sistema .

La inyección de muestra es un apartado crítico, ya que se debeinyectar una cantidad adecuada, y debe introducirse de tal formay , y(como un "tapón de vapor") que sea rápida para evitar elensanchamiento de las bandas de salida; este efecto se da concantidades elevadas de analito. El método más utilizado emplea unamicrojeringa (de capacidades de varios microlitros) para introducir elanalito en una cámara de vaporización instantánea. Esta cámara estáa 50 C por encima del punto de ebullición del componente menosvolátil, y está sellada por una junta de goma de silicona septa oseptum.

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En GC se emplean dos tipos de columnas: las empaquetadas ode relleno y las tubulares abiertas o capilares. Estas últimasson más comunes en la actualidad (2005) debido a su mayorrapidez y eficiencia. La longitud de estas columnas es variable, de2 a 60 metros, y están construidas en acero inoxidable, vídrio ,sílice fundida o teflón Debido a su longitud y a la necesidad desílice fundida o teflón . Debido a su longitud y a la necesidad deser introducidas en un horno, las columnas suelen enrollarse enuna forma helicolidal con longitudes de 10 a 30 cm, dependiendodel tamaño del horno.

La temperatura es una variable importante, ya que de ella va a depender el gradode separación de los diferentes analitos. Si tenemos varios componentes condiferentes puntos de ebullición, se ajusta la llamada rampa de temperatura con locual ésta va aumentando ya sea de forma continua o por etapas. En muchasocasiones, el ajustar correctamente la rampa puede significar separar bien o no losdif t litdiferentes analitos.

La fase estacionariaAlguna de las propiedades necesarias para una fase estacionarialíquida inmovilizada son:

*Baja volatilidad, el punto de ebullición de la fase estacionaria debe seral menos 100 C mayor que la máxima temperatura alcanzada en elhorno.

*Baja reactividad.

*Estabilidad térmica, para evitar su descomposición durante la elución.

*Debe tenerse en cuenta la polaridad del analito, ya que a mayorpolaridad del analito, mayor polaridad deberá tener la fase estacionaria.

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Algunas fases estacionarias utilizadas actualmente son:

Polidimetilsiloxano, fase no polar de uso general para hidrocarburosaromáticos, polinucleares, drogas, esteroides y PCB’s

Poli(fenilmetildifenil)siloxano (10% fenilo), para ésteres metílicos de ácidosgrasos, alcaloides, drogas y compuestos halogenados.g , , g y p g

Poli(fenilmetildifenil)siloxano (50% fenilo), para drogas, esteroides,pesticidas y glicoles

Poli(trifluoropropildimetil)siloxano, para aromáticos clorados,nitroaromáticos, bencenos alquil sustituidos.

Polietilenglicol,sirve para compuestos polares, también para compuestoscomo glicoles, alcoholes, éteres, aceites esenciales.

Poli(dicianoalildimetil)siloxano, para ácidos grasos poliinsaturados, ácidoslibres y alcoholes.

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Misma figura que la anterior pero en SIR

El detector es la parte del cromatógrafo que se encarga de determinarcuándo ha salido el analito por el final de la columna. Las característicasde un detector ideal son:Sensibilidad: Es necesario que pueda determinar con precisión cuándosale analito y cuando sale sólo el gas portador. Tienen sensibilidades entre10-8 y 10-15 g/s de analito.Respuesta lineal al analito con un rango de varios órdenes de magnitudRespuesta lineal al analito con un rango de varios órdenes de magnitud.Tiempo de respuesta corto, independiente del caudal de salida.Intervalo de temperatura de trabajo amplio, por ejemplo desdetemperatura ambiente hasta unos 350-400 C, temperaturas típicastrabajo.Estabilidad y reproducibilidad, es decir, a cantidades iguales de analitodebe dar salidas de señal iguales.Alta fiabilidad y manejo sencillo, o a prueba de operadores inexpertos.Respuesta semejante para todos los analitos, oRespuesta selectiva y altamente predecible para un reducido númerode analitos.

Algunos tipos de detectores:

Detector de ionización de llama: (FID, Flame Ionization Detector).Detector de conductividad térmica: (TCD, Thermical Conductivity Detector).Detector termoiónico: (TID, ThermoIonic Detector).Detector de captura de electrones: (ECD, Electrón‐Capture Detector).Detector de emisión atómica: (AED Atomic Emission Detector)Detector de emisión atómica: (AED, Atomic Emission Detector).

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GC• Identificación por TR• Problemas– Matrices complejas– Compuestos Desconocidos

GC/MS MSGC/MS• Identificación por TR y espectro• Identifica compuestos• Aisla el compuesto de la matriz• Establece el peso molecular

GCTiempo deRetención

MSEspectro

EL ACOPLAMIENTO GC/MS

VentajasCualitativas

Identifica compuestos buscando en librerías o por interpretación desu espectroLocaliza compuestos específicos cuando se conoce su espectroPermite buscar grupos específicos de compuestos(ejemplo: identificación de compuestosProporciona el peso molecular de un compuesto

Cuantitativas

Permite determinar la cantidad de un compuesto específico

No siempre ofrece una identificación única para isómerosNo permite distinguirse isómeros que co-eluyan ya que tendránespectros idénticosSólo puede emplearse en compuestos adecuados para el análisispor Cromatografía Gaseosa (GC)por Cromatografía Gaseosa (GC).Generalmente:Pequeños ( MW<600)

Apolares o moderadamente polaresTérmicamente estables

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Full ScanAislar compuesto de la Matriz

Iones Extraídos

TIC

Iones Extraídos EIC 79

EIC 263

EIC 277

En los espectrómetros de masas de hoy en día, la adquisición dedatos y el control total del instrumento se realiza mediante unordenador que además disponen de programas de comparaciónautomática de espectros (Library Search) que permiten realizar lacomparación de nuestro espectro problema con una colección deespectros, o espectroteca almacenada en la memoria

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Es un sistema de concentración demuestras. Se pueden analizar, porejemplo, trihalometanos en agua pordebajo de la ppb.

La muestra líquida para ser analizada secarga en el recipiente frontal de vidrio.En el interior hay una trampa que

ti l d b t d dcontiene el adsorbente adecuado y quese mantiene a la temperatura deseada.

Esta muestra es burbujeadajcon el gas de purgadesplazando los analitosvolátiles desde la muestrahasta la trampa.

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Los analitos una vez concentradosen la trampa son rapidamentecalentados. Con la trampa calientese hace pasar gas encontracorriente transportando deesta manera los analitos alsistema cromatográfico.

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Es también un sistemaconcentrador de muestras queconcentrador de muestras quese utiliza fundamentalmentepara análisis de muestrasmedioambientales. La muestrase recoge en unos tubosrellenos de absorbente queposteriormente se desorbe eneste sistema.

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Sólidas Líquidas Gaseosas

Todo tipo de residuos y alimentos

Aguas, aceites, leche, orina,

sangre…..

Muestras ambientales

La muestra sólida a extraer se mezcla consulfato de sodio anhidro y se coloca en un dedalque se introduce en el cuerpo extractor, eldisolvente con el que se quiere realizar laextracción se sitúa en el matraz esférico, demodo que al calentarse los vapores asciendenhasta condensar en la zona del condensador ycaen en forma de gotas sobre el material sólido.El líquido inunda la muestra y sube de nivelhasta que alcanza una altura determinada yvuelve a caer al matraz esférico, realizando asíun ciclo de extracción. Una velocidad deextracción adecuada corresponde a unos 4ciclos/hora, y el tiempo de extracción puedevariar entre 16 y 24 horas

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El rotavapor es un equipoampliamente utilizado para laeliminación de disolventes orgánicosy concentración de muestraslíquidas. El matraz que contiene ellíquidas. El matraz que contiene elextracto a concentrar se hace girary se sumerge en un bañotermostatizado, la evaporación deldisolvente se produce tanto porcalentamiento como por el vacíoaplicado al sistema, de modo que eldisolvente se evapora y condensa enel condensador.

El equipo PowerPrep es un sistema degestión de fluidos automatizado, capazde realizar de forma automática lapurificación de extractos de muestras depurificación de extractos de muestras dedistinta naturaleza, para su posterioranálisis de compuestos tóxicos talescomo pesticidas, PCB’s, dioxinas,furanos, PAH’s….

El equipo consiste básicamente en unaserie de electroválvulas que realizan deforma automática todo el proceso decromatografía líquida: acondicionamientode las columnas, carga de la muestra,eluciones de lavado y recogida de lasy gfracciones deseadas en el colector. Existendiferentes tipos de columnas (sílice,alúmina, carbón activo….) y suconfiguración depende del tipo de extractoy del contaminante a analizar

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“DESCOMPOSICIÓN TÉRMICA DE RESIDUOS

TEXTILES: ESTUDIO CINÉTICO Y FORMACIÓN

DE CONTAMINANTES”

Para los análisis de semivolátiles mediante GC-MS se utilizó uncromatógrafo de gases acoplado a un espectrómetro de masas, de lacasa Agilent, con una columna capilar DB-5MS (60m x 0.25 mm) deJ&W Scientific. La fuente de ionización utilizada fue de impactoelectrónico a 70 eV, analizador de cuadrupolo y detector de multiplicadorde electrones Se trabajó en un rango de 40 a500 umasde electrones. Se trabajó en un rango de 40 a500 umas

Una vez preparada la muestra se procede a su análisis por GC/MS para laposterior identificación y cuantificación de los compuestos objeto de estudio.Para ver como se cuantifica una muestra por espectrometría de masas lovamos a a hacer con un ejemplo identificando y cuantificando loshidrocarburos aromáticos policíclicos que se producen en la combustión deun pantalón vaquero.

El detector de espectrometría de masas puede seguir la señal de unosiones específicos (SIR) o la suma de todos los iones en un rango demasas (SCAN).Si se dispone de patrones de los compuestos a analizar lo mejor estrabajar utilizando sólo los iones específicos de los compuestos paratrabajar utilizando sólo los iones específicos de los compuestos paraevitar interferencias producidas por compuestos que eluyen al mismotiempo de retención y además se aumenta considerablemente lasensibilidad de la señal.

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La identificación de estos compuestos se llevó a cabo en primer lugar porcomparación de los espectros de masas experimentales de cada uno de estoscompuestos con los espectros de masas que aparecen en la base de datos NIST(librería de espectros con más de 120000 compuestos, del inglés “NationalInstitute of Standards Technology), escogiendo el compuesto de mayor similitud.

La cuantificación de los 16 PAH’s principales mediante análisis porGC/MS en modo SIR se realizó considerando que en todo el proceso deextracción y limpieza de la muestra, el compuesto deuterado secomporta de forma similar al compuesto no deuterado que se deseaanalizar. Para cada uno de los 16 PAH’s se obtiene una recta decalibrado representando la relación de masas de un compuesto y eld t d á t l l ió d á d l ideuterado más cercano, respecto a la relación de áreas de los ionesprincipales de dichos compuestos. La pendiente de esa recta es lo quese denomina factor de respuesta FR:

mi = masa de compuesto iAi = Área del ión principal del compuesto imPIi = masa del patrón interno PIi más cercanoAPIi = Área del ión principal del compuestomás cercano

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Una vez determinado, mediante el calibrado, el factor Fri , para cadauno de los 16 PAH’s, el cálculo de la masa de un compuesto i (mi) enun experimento se obtuvo a partir del cociente mPI/API del patróninterno correspondiente y del área Ai de ese compuesto.i

http://depa.pquim.unam.mx/amyd/archivero/4.1InstrumentacionEspectrometriadeMasas_2462.pdf

http://www.fq.uh.cu/dpto/qf/docencia/pregrado/estruc_2/curso_08_09/4_Masas1.pdf

http://www.chromacademy.com

http://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/8249/4/T5masas.pdf

http://www.chromacademy.com/frameset‐chromacademy‐final.asp?ID=852

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