Cromatografía de Gases

22/11/2005 Qumica Analtica Avanzada 1

Cromatografa de gases

FundamentosInstrumentacinSistemas de inyeccinFases estacionariasDetectoresPreparacin de muestraDerivatizacinAplicaciones


Introduccin

Cromatografa de gases es una tcnica cromatogrfica en la que la fase mvil es un gas.

fase mvil = gas portador = carrier

Determinacin de analitos gaseosos o voltiles

El analito en forma gaseosa pasa a travs de la columna arrastrado por el gas portador.

Cromatografa gas-lquido de reparto: fase estacionaria es un lquido que recubre la pared interior de una columna o un soporte slido.Cromatografa gas-slido de adsorcin: fase estacionaria es un slido sobre el que se adsorbe el analito.


Instrumentacin

Cromatgrafo de gases

-Suministro de gases

-Inyector

-Horno

-Columna

-Detector

-Integrador


Instrumentacin

horno

inyector

detector

gas

gas portador

Integrador

ordenador

cromatograma

muestra

columna


Instrumentacin (gases)

Gas portador: inerte, alta pureza, exento de humedad, exento de oxgeno, exento de hidrocarburos

He, H2, N2

manoreductor Medidor de burbuja

Gases detector: H2, aire,


Instrumentacin (gases)


Sistema de inyeccin

-Introduccin de un volumen adecuado de muestra Volmenes pequeos para evitar la sobresaturacin

-Evaporar la muestra

Calentar Tinyector > Pebdel componente menos voltil de la muestra

1 ml muestra gaseosa (0,1 10 l) muestra lquida


Sistema de inyeccin

Inyector para columnas capilares


Sistema de inyeccin

Tcnicas de inyeccin

-Con divisin

-Sin divisin

-En columna

-Espacio de cabeza

-Purga y trampa

Glass-liner: tubo de cuarzo silanizado que evita el contacto de la muestra con las paredes calientes del inyector

Lana de vidrio silanizada para evitar que componentes no voltiles de la muestra lleguen a la columna.


Sistema de inyeccin

Inyeccin con divisin (split)

Entrada gas portador

Purga septum

Salida divisin

septum

columna


Sistema de inyeccin

Inyeccin sin divisin (splitless)


Purga septum

Salida divisin

septum

columna

Vlvula cerrada


Sistema de inyeccin

Inyeccin en columna (on column)


Purga septum

Salida divisin

septum

columna

Aplicacin:

Analitos termolbiles

Temperatura inyector baja


Sistema de inyeccin

Espacio de cabeza (HS, Head Space)

Vial con muestra

espacio libre

calor

Vapor muestra


Sistema de inyeccin

Espacio de cabeza


Sistema de inyeccin

Espacio de cabeza

Aplicacin:Analitos voltiles en muestras poco voltilesEjemplos:Etanol en sangre; voltiles en cerveza

Ventajas:-Elimina interferencias matriz-Reduce pico disolvente-Mejora sensibilidad-Simplifica la preparacin de muestra

Inconvenientes:-Slo para analitos voltiles


Sistema de inyeccin

Purga y trampa (P&T, Purge and Trap)

Gas de purga

Trampa con adsorbente

-tenax

-fenilmetilpolisiloxano


Sistema de inyeccin

Purga y trampa (P&T, Purge and Trap)

Gas de purga

Trampa fra

N2 lquido


Sistema de inyeccin

Purga y Trampa

Aplicacin:Anlisis de trazas de analitos voltiles en muestras poco voltiles

Ventajas:-Purga todo el analito-Elimina interferencias matriz-Reduce pico disolvente-pre-concentracin

Inconvenientes:-Slo para analitos voltiles-Coste elevado


Instrumentacin (Horno)

Resistencia elctrica, ventilador, sensor de temperatura


Instrumentacin (Horno)

-Isotermo

-Temperatura programada

-Isotermo: Temperatura constante durante la separacin

ebHorno PT

-Temperatura programada: Aumentar la temperatura de la columna durante la separacin

Aumentar la presin de vapor de los solutos, disminuyendo los tiempos de retencin


Mezcla alcanos lineales. Columna 6 m x 1,6 mm. Apiezon L

Isotermo 150 oC

Temperatura programada50 o-250 oC a 8 o/min


Programa de temperatura

Tiempo, min

Temp, oC

50

100

150

200

250

10 20 30 40

Iso 1

rampa

Iso 2

50 oC (10 min) 200 0C a 7,5 oC/min (7 min)


Instrumentacin

(Columna)

Empaquetada (de relleno)

Fase estacionaria lquida, que forma una pelcula delgada sobre la superficie de un soporte slido inerte y finamente dividido (por ej. Chromosorb).

Fase estacionaria slida, finamente particulada.

Tubo: vidrio, metal (acero inoxidable). 2-4 m (L) x 24 mm ()

Capilar (de tubo abierto, Golay)

Fase estacionaria es una pelcula de lquido que recubre el interior de un tubo capilar.

Tubo: slice fundida cubierto de poliimida.

15-100 m (L) x 0,1-0,53 mm ()


Instrumentacin

(Columna)

Empaquetada Capilar


Instrumentacin

(Columna)

Columna empaquetada


Instrumentacin

(Columna)

Columna capilar


Instrumentacin

(Columna)

Comparacin columnas capilares - empaquetadas

Las columnas capilares tienen:

- Mayor resolucin

- Menor capacidad de muestra


Fases estacionarias

-Slidas (adsorcin)

-Slidas (tamiz molecular)

-Lquidas (reparto)

-Quirales


Fases estacionarias

Slidas (adsorcin)

-Almina (hidrocarburos ligeros, freones)

-Carbn activo (hidrocarburos, fenoles)

-Gel de slice (anhdrido carbnico)

-Poliestireno (agua, amonaco, alcoholes)


Fases estacionarias

Zeolita

Gases permanentes: He, Ne, Ar, O2, N2, CO

Slidas (tamiz molecular)


Fases estacionariasLquidas (Reparto)

Polmeros lquidos de volatilidad baja, estabilidad trmica, inertes.

-Siliconas (polisiloxanos) Carbowax (polietilenglicol)



Regla para elegir fase estacionaria lquida:

Semejante disuelve a semejante

Polaridad

Soluto no polar Fase no polar

Soluto polar Fase polar

Soluto muy polar Fase muy polar



Polaridad de solutos

No polarHidrocarburos saturadosHidrocarburos olefnicosHidrocarburos aromticosHalocarburosMercaptanos

Polaridad intermedia dbilteresCetonasAldehdossteresAminas terciariasNitroderivados (sin H )

Polaridad intermedia fuerteAlcoholescidos carboxlicosFenolesAminas primarias y secundariasOximasNitroderivados (con H )

Muy polarPolihidroxialcoholesAminoalcoholesHidroxicidoscidos poliprticosPolifenoles



Polaridad de fases estacionarias

Constantes de McReynolds: suma ndices de Kovats (I) de:

Benceno

n-Butanol

2-pentanona

1-nitropropano

Piridina



Indices de kovats (I)

13311409117412321061(Biscianopropil)0,9(cianopropilfenil)0,1polisiloxano

118512179871142956Polietilenglicol

879871777717754(Difenil)0,35(dimetil)0,65polisiloxano

761745691664672(Difenil)0,05(dimetil)0,95polisiloxano

737708670648657dimetil-polisiloxano

PiridinaP.e. 116 oC

1-nitropropanoP.e. 132 oC

2-pentanonaP.e. 102 oC

1-butanolP.e. 117 oC

BencenoP.e. 80 oC

FaseEstacionaria

I

3420

3533

3998

5487

6207



Las constantes de McReynolds se definen en una escala relativa, en la que el escualeno (C30H50) tiene un valor cero.


Fases estacionariasQuirales

Separacin de ismeros pticos.

-ciclodextrina


Detectores

-Conductividad trmica

-Ionizacin de llama

-Captura electrnica

-Ionizacin de llama alcalina

-Fotomtrico de llama

-Emisin atmica

-Espectrmetro de masas


Detectores

Conductividad trmicaCatarmetro, TCD (Thermal Conductivity Detector)

filamento caliente

Entrada gas desde la columna

Salida gas al exterior

Al cambiar la temperatura del filamento cambia su resistencia elctricaCambios en la composicin del gas modifican la temperatura del filamento


0,0076Cl2

0,0144CO2

0,0151C3H8

0,0162Ar

0,0246O2

0,0170C2H4

0,0243N2

0,0215NH3

0,141He

0,170H2

Conductividad trmica* (JK-1m-1s-1)gas

* a 273 K, 1 atm


Caractersticas

-Universal

-Rango lineal amplio (105)

-No destructivo

Detectores

Conductividad trmica (TCD)

-Poco sensible (400 pg/ml)

-Sensibilidad depende de: tipo de gas portador, flujo gas portador


Detectores

Ionizacin de llamaFID (Flame Ionization Detector)

Entrada de aire

Sistemaelectromtrico

V = 170 v


Entrada de hidrgeno

Salida gas al exterior

La formacin de iones en la llama induce una intensidad de corriente elctrica


Detectores

Ionizacin de llama (FID)

Los tomos de carbono (excepto carbonilos y carboxilos) producenradicales CH, que forman iones CHO+

+ ++ eCHOOCH

CHO+CHO+

CHO+

CHO+

CHO+

CHO+

CHO+ CHO+

CHO+

Eluato con compuestos orgnicos carbonados


Caractersticas

-Muchas aplicaciones (hidrocarburos)

-Rango lineal amplio (107)

-Sensible (2 pg/s)

Detectores

Ionizacin de llama (FID)

-Destructivo


Detectores

Captura electrnicaECD (Electron Capture Detector)

V = 200 v

Entrada gas portador (N2, Ar con CH4) desde la columna

El gas portador se ioniza por el impacto de las partculas


Fuente radiactiva (63Ni) e-

Ar+

Ar+

Ar+

Ar+

Ar+

Molculas con tomos electronegativos (halgenos) captan electrones

Disminuye ionizacin gas portador


Caractersticas

-Compuestos halogenados

-Rango (104)

-Sensible (5 fg/s)

Detectores

Captura electrnica (ECD)

Aplicaciones:

-plaguicidas organoclorados

-hidrocarburos halogenados (halometanos, freones, clorofenoles)


Detectores

Ionizacin de llama alcalinaNP-FID (Nitrogen Phosphorous - Ionization Detector)

Entrada de aire



Entrada de hidrgeno

La presencia de la perla alcalina (vidrio con Rb2SO4) sensibiliza el detector a los compuestos con N y/o P en la molcula

Aplicaciones:

-plaguicidas (organofosforados, triazinas)

-drogas de abuso (coana, herona)

Gas make up


Detectores

Fotomtrico de llamaFPD (Flame Photometric Detector)

Entrada de aire Entrada gas desde la columna

Entrada de hidrgeno

Los compuestos con S, P, Sn en la molcula emiten radiacin en la llama

Aplicaciones:

-plaguicidas organofosforados

-compuestos azufrados

-organoestnnicos

Filtro interferencia

Tubo fotomultiplicacor

h


Detectores

Emisin atmicaAED (Atomic Emission Detector)

Eluato de la columna

Los elementos se excitan en el plasma y emiten radiacin

Aplicaciones:

-organometlicos

-organoclorados

h

Red de difraccin

generadorde

microondas

Cavidad resonantePlasma

Fila de diodos


Espectrmetro de masas (MS)Detectores

Fuente de ionizacin Analizador de masas Detector

Vaco (10-7 torr)


DetectoresEspectrmetro de masas (MS)

200010-7

20010-6

2010-5 (bomba turbomolecular)

210-4

0,210-3 (bomba rotativa)

0,00210-1

0,00021

Recorrido libre medio (mm)Vaco mnimo (torr)


Espectrmetro de masas (MS)Detectores

Fuente de ionizacin Analizador de masas Detector

Vaco (10-7 torr)

Bomba de vaco


Fuente de ionizacin: La molcula se fragmenta en iones que son acelerados hacia el analizador de masas

DetectoresEspectrmetro de masas (MS)

Fuente de impacto electrnico

e-e-

filamento

rechazador

columna CG

Placas focalizadoras

Placas aceleradoras

MM+

Analizador de masas


Fuente de impacto electrnico

-Fuente ionizacin dura Espectro complejo

Iones positivos, Z = 1

Libreras espectros EI+ 70 eV

% abundancia

m/z0

100Pico base

M+

No aparece in molecular

Identificacin de sustancias


Ionizacin qumica

Ionizacin en presencia de un gas reactivo (CH4)

El gas se ioniza y los iones formados ionizan la molcula

Espectro sencillo

Fuente de ionizacin blanda

-4

-4 e2CHeCH ++

+

++ ++ MHCHMCH 45

3544 CHCHCHCH ++++

Siempre aparece el in molecular

Obtencin de la masa molecular


Espectrmetro de masas (MS)

Detectores

Analizador de masas

Discrimina los fragmentos en funcin de su valor m/z

-Sector magntico

-Doble enfoque

-Cuadrupolo

-Tiempo de vuelo

-Trampa de iones


Analizador de sector magntico

Detector

VreB

zm

2

22

=

imn

Fuente de ionesM+

-Barrido variando B

-V constante

-Sensibilidad alta

-Resolucin baja

B


Analizador de doble enfoque

Detector

Sector magntico + analizador electrosttico

imn

Analizador electrosttico

Fuente de ionesM+

Alta resolucin


Analizador de cuadrupolo

Detecto

r

Fuente de iones

Sobre el cuadrupolo se aplica un potencial elctrico variable de corriente continua y otro de corriente alterna

M+ -Barrido rpido

-Baja resolucin

-Rango de masas limitado

Acoplamientos

CG-MSM+


Analizador de tiempo de vuelo

M+M+

DetectorFuente iones

No acta ningn campo magntico ni electrostticoLos iones de menor masa llegan antes al detector

-Rango de masas ilimitado

-Alta sensibilidad

-Baja resolucin

Biomolculas


Analizador de trampa de iones

Detector

Electrodo anular sobre el que se aplica un campo de radiofrecuencia que estabiliza la rbita de los iones

columna CG

e-

M

M+

-Diseo sencillo

-Baja resolucin

CG-MS


Detector de masas

Channeltron

Multiplicador de iones

Electrodo colector

Superficie material que libera e- cuando impactan los iones

M+ e-e-e-

Carga negativa, que disminuye hacia el electrodo colector

e-e-e-

e-e-e-

e-e- e-e-e-

e-e-

e-

e-e-e-e-e-


Espectrmetro de masas

-modo SCAN (Barrido)

-modo SIR (Single Ion Recording)

(Registro nico de in)

Detectores

TIC

Total Ion Current

Cromatograma

Espectros de masas


Preparacin de la muestra

-Extraccin

-Limpieza (Clean-up)

-Concentracin

-Derivatizacion



Extraccin

- Lquido-Lquido

- Extraccin en fase slida (SPE)

- Supercrtica (FSC)



Extraccin lquido-liquido

Extraccin simple Extraccin continua

Muestras lquidas (aguas, bebidas) Muestras slidas

Soxhlet



Extraccin en fase slida (SPE)



Extraccin con fluido supercrtico (FSC)

Bomba alta presin Cmara extraccin Sistema colector

Bala con FSCbomba auxiliar restrictor

Muestras slidas



Limpieza (clean-up)

El extracto se pasa por una columna rellena de:- florisil- gel de slice- almina

Se separan componentes de la muestra que dan interferencias.

Picos en el cromatograma que solapan con los de los analitos



Concentracin

Despus de la extraccin y limpieza la muestra suele quedar diluida

Rotavapor

El disolvente se elimina por evaporacin en vaco o mediante el paso de una corriente de nitrgeno



Concentracin

Kuderna-danish


Derivatizacin

En cromatografa de gases se forman derivados para aumentar la volatilidad

Modificar la molcula de los analitos mediante una reaccin qumica para facilitar el anlisis por cromatografa

oximaCarbonilo

metilsililAmina

MetilsililAlcohol

stercido carboxlico

DerivadoCompuesto


Aplicaciones analticas Cromatografa de gases

Alimentos

Toxicolgico y forense

Medioambiente

Petroqumica

Esencias y perfumes


Aplicaciones analticas cromatografa de gases

Alimentos

Componentes voltiles de bebidas alcohlicas: cerveza, vinos, destilados

metanol, 1-butanol, 2-metil-propanol, 2-metil-butanol, 3-metil-butanol, acetaldehdo, acetato de etilo, acetato de isoamilo

Compuesto Comentario___________

Inyeccin por espacio de cabeza FID



Alimentos

Anlisis de aceites vegetales (oliva, girasol, soja, almendra)

cidos grasos (mirstico, olico, linolico, palmtico, linolnico)


Saponificacin Derivatizacin (ster metlico, FAME) FID

Esteroles (estigmasterol, campestanol, -sitosterol, -5-avenasterol)

Saponificacin, CCF Derivatizacin (silil derivado) FID

Disolventes (diclorometano, tricloroeteno)

Inyeccin espacio de cabeza ECD



Alimentos

Anlisis de aguas potables

Halometanos (cloroformo, bromoformo, dibroclorometano, diclorobromometano)


Inyeccin espacio de cabeza ECD

Plaguicidas (organoclorados, organofosforados, triazinas)

Extraccin, clean-up, concentracin ECD, FPD, NP-FID



Toxicolgico y forense

Drogas de abuso (cocana, herona, metadona, morfina, cafena)


Extraccin, clean-up, concentracin NP-FID, MS

Dopantes (efedrina, nandrolona)

Extraccin, clean-up, concentracin MS



Medioambiente

Plaguicidas


Extraccin, clean-up, concentracin ECD, FPD, NP-FID,

Disolventes industriales Extraccin, clean-up, concentracin FID

Anlisis de aguas, suelo, atmsfera

Freones ECD



Petroqumica

hidrocarburos


FID

Metano, propano, butano Tamiz molecular FID

Anlisis de gasolinas, gasleos, gases de bombona



Esencias y perfumes

Geraniol, limoneno, mirceno, sabineno


Inyeccin espacio de cabeza FID

Anlisis de colonias, perfumes, cosmticos


Direcciones web:

-http://www.uga.edu/srel/AACES/GCtutorial/page1.html

-http://www.shsu.edu/~chm_tgc/sounds/sound.html

-http://en.wikipedia.org/wiki/Chromatography

Bibliografa:

- Anlisis Qumico Cuantitativo, D.C. Harris, 2 ed.(correspondiente a la 5 ed norteamericana), Revert, Barcelona, 2001.

- Principios de Analisis Instrumental, D. Skoog, F.J. Holler, T.A. Nieman, McGraw-Hill/Interamericana de Espaa, Madrid, 2000.

- Modern Practice of Gas Chromatography, R.L. Grob, John Wiley & Sons, New York, 1985.

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