Cromatografa de gases

La cromatografa de gases es una tcnica muy utilizada para separar los diferentes compuestos voltiles de una muestra, basadas en que las distintas sustancias que forman los componentes de una mezcla se dejan arrastrar a diferentes velocidades sobre un soporte. El soporte puede ser papel, un gas, otro lquido, etc. Es un mtodo fsico de separacin de componentes. La fase mvil es un gas inerte, (nitrgeno o helio) que transporta la muestra volatilizada en el inyector a travs de la columna cromatografa. La fase estacionaria generalmente est constituida por una columna de metil polisiloxano, o derivados de ste. Los diferentes compuestos se separan en funcin de su grado de volatilidad (punto de ebullicin, peso molecular) y su afinidad por la fase estacionaria. Entre los detectores ms utilizados caben mencionar el detector FID (ionizacin de llama) que por su alta versatilidad, hace posible la deteccin de un elevado tipo de compuestos.Mecanismos de la cromatografaEl movimiento de las substancias durante la cromatografa es el resultado de dos fuerzas oponibles, la fuerza de manejo de la fase mvil y la fuerza resistente o accin de retardo del sorbente. La fuerza de manejo mueve las substancias del origen de la columna en direccin del flujo de la fase mvil. La accin de retardo impide el movimiento de las substancias arrastrndolas del flujo y adhirindolas al adsorbente. Las molculas se encuentran alternando entre estar pegadas al adsorbente o despegadas en el flujo, esto da como consecuencia que pese a que el flujo es constante, solo una fraccin de las molculas se estn moviendo. Las substancias que se mueven ms lentamente es porque estn siendo unidas ms fuertemente a la fase estacionaria, mientras que aquellas que se mueven ms rpidamente es por que son menos solubles o de poca afinidad.La habilidad de tener una migracin diferencial entre los componentes de la mezcla es el resultado de la selectividad del sistema cromatogrfico. El flujo de la fase mvil no es selectivo en el sentido de que no afecta el movimiento de los solutos. Como parte del sistema cromatogrfico, sin embargo, la fase mvil debe ser un poco selectiva para ayudar ala absorcin de los solutos con la fase estacionaria. La fase estacionaria tambin juega un papel importante dentro del cromatograma debido a su accin resistiva como una fuerzaselectiva de la velocidad de flujo de los solutos

Principios de la tcnica

En cromatografa de gases la muestra se volatiliza y se inyecta en la cabeza de una columna cromatografa. La elucin se produce por el flujo de una fase mvil que es un gas inerte, y a diferencia de la mayora de los tipos de cromatografa, la fase mvil no interacciona con las molculas del analito; su nica funcin es la de transportar el analito a travs de la columna.Respecto a la cromatografa lquida, la cromatografa de gases tiene la ventaja de disponer de detectores mucho ms universales (por ejemplo, el de ionizacin de llama). Adems, para numerosas aplicaciones, los mtodos son ms simples, ms rpidos y ms sensibles que los correspondientes a la cromatografa lquida de alta resolucin. La instrumentacin requerida para cromatografa de gases tambin es mucho ms sencilla y econmica que la empleada en HPLC. Sin embargo, en cromatografa de gases, la influencia de la temperatura sobre la distribucin del equilibrio es considerable, a diferencia de la cromatografa lquida. Por ello, la cromatografa de gases presenta limitaciones en tres casos: compuestos poco voltiles, generalmente los de peso molecular superior a 300 u.m.a. compuestos sensibles a una elevacin de la temperatura incluso moderada (determinados compuestos de inters biolgico) compuestos que se encuentran en forma inica (puesto que son e n general poco voltiles)Por esta razn, la cromatografa de gases se emplea cuando los componentes de la mezcla problema son voltiles o semivoltiles y trmicamente estables a temperaturas de hasta 350-400C. En cambio, cuando los compuestos a analizar son poco voltiles y/o termolbiles, la tcnica separativa adecuada suele ser la cromatografa lquida de alta resolucin (HPLC).A menudo la cromatografa de gases se emplea para confirmar de la presencia o ausencia de un compuesto en una muestra determinada.

1. DESCRIPCION DEL CROMATOGRAFO DE GASES Un cromatgrafo de gases consiste en varios mdulos bsicos ensamblados para: 1) Proporcionar un gasto o flujo constante del gas transportador (fase mvil), 2) permitir la introduccin de vapores de la muestra en la corriente de gas que fluye 3) contener la longitud apropiada de fase estacionaria4) mantener la columna a la temperatura apropiada (o la secuencia del programa de temperatura) 5) detectar los componentes de la muestra conforme fluyen de la columna 6) proveer una seal legible proporcional en magnitud a la cantidad de cada componente. Los mdulos del instrumento se muestran esquemticamente en la Fig. 3.1

Requerimientos de un equipo de cromatografa de gasesEl corazn de los procesos de cromatografa de gases es la separacin en columna.Los requerimientos bsicos en un equipo de cromatografa de gases son:1. Gas de arrastre o acarreador2. Puerto de inyeccin3. Una columna4. Un detector5. Un registrador o cualquier otro dispositivo de salida para medir la seal del detector6. CromatogramasEn la siguiente figura de detallan estos requerimientos en un cromatgrafo de gases:

Aplicaciones industriales de la cromatografa de gases

La cromatografa de gases se puede aplicar a gases y cualquier compuesto que pueda ser volatilizado o convertido en un derivado voltil; la cromatografa de gases tiene amplia aplicacin, en lasindustriasse enfoca principalmente a evaluar la pureza de los reactantes yproductosde reaccin o bien a monitorear la secuencia de la reaccin, para los fabricantes de reactivos qumicos su aplicacin para la determinacin de la pureza es lo ms importante.Enla investigacines un auxiliar indispensable para diversastcnicasdeevaluacin, entre las principales estn los estudios cinticos, anlisis de adsorcin a temperatura programada, determinacin de reas especficas por adsorcin de gas y determinacin de isotermas de adsorcin.En el campo tambin pueden ser aplicados, principalmente en estudios de contaminantes, de insecticidas en agua, pesticidas en aguas de lagos, lagunas, ros; desechos industriales descargados en ros o lagunas.En laindustriadel petrleojuega unafuncinprimordial, por medio de la cromatografa se pueden analizar los constituyentes de las gasolinas, las mezclasde gases de refinera, gases decombustin, etc.Aplicaciones en comida, saborizantes y fraganciasEn la mayora de las investigaciones hechas sobre saborizantes se realizan por cromatografa de gases, y las correlaciones sensoriales que se requieren para que haya significancia en la determinacin de sabores deben ser medidas por patrones de 32 cromatografa de gases. El anlisis puede ser complicado debido a que los compuestos de inters volatilizan usualmente en muy bajas concentraciones, y son frecuentemente dispersados dentro de una matriz que contiene materiales los cuales podran, si se quedan dentro de la columna, acortar la vida de la muestra en un grado considerable. La cromatografa puede ser extremadamente compleja y frecuentemente influenciada por los mtodos de preparacin de la muestra.La cromatografa de gases es ampliamente utilizada en el anlisis de aceites esenciales, donde la complejidad de la muestra puede ser en verdad un gran reto. Muchos de estos productos son frgiles e importantes comercialmente y se utiliza la cromatografa de gases para cuantificar componentes especficos que podran ser indicativos de calidad del aceite y para detectar adicin de compuestos clandestinos como antioxidantes as como componentes utilizados como diluyentes.Un ejemplo de esto puede ser el aceite de limn al cual se adulteraba por la adicin deTarentina. De aqu que la cromatografa de gases es usada no solo para establecer cuales son los materiales normales que contiene cada muestra, sino tambin aquellos componentes cuya concentracin aumenta el abuso del aceite (ejemplo: el p-cymeno). La complejidad el aceite es tan alta que no se podra analizar su composicin por una simple columna cromatogrfica, por lo que se usan columnas especializadas de polimetilsiloxano con diferentes fases estacionarias, para producir una mejor separacin de los compuestos as como un tiempo de vida ms largo.Otro uso importante de la cromatografa de gases ha sido en el anlisis de vinos adulterados. Por ejemplo, en los vinos europeos fue de gran importancia en la deteccin de dietilenglicol. El dietilenglicol es un material txico y se ha encontrado en niveles de 60 g/L en los vinos. Tambin se pueden detectar contaminantes dentro de la comida empaquetada por cromatografa de gases. Estos contaminantes estn relacionados con trazas de solventes residuales usados en las pelculas plastificadas del empaquetamiento (por ejemplo, el 2-etilhexanol).El dibromo de etileno (EDB) ha sido utilizado ampliamente para inhibir la infestacin de insectos en comida empaquetada, pero se demostr que este compuesto es carcinognico en altos niveles. Debido a la gran complejidad de las muestras de comida, la deteccin de estos EDBs puede ser un problema, por lo que se han optimizado fases estacionarias que permiten un aumento en la retencin relativa y velocidad parcial de la volatilidad de los compuestos, dando prioridad a la salida de los contaminantes.Aplicaciones relacionadas a qumicos y petrleoLos anlisis de productos del petrleo incluyen la separacin de mezclas de gases ligeros hasta la caracterizacin de aceites crudos y materiales producidos en la licuacin del carbn. La diferenciacin de hidrocarburos parafnicos, olefnicos y aromticos son metas normales, y algunas veces se requiere la deteccin de componentes nitrogenados y sulfurados. Las preparaciones de hidrocarburos derivados de aceites o carbn licuado pueden ser extremadamente complejas y tambin pueden incluir una variedad de otros grupos funcionales. La cromatografa multidimensional puede ser requerida para el anlisis de estas mezclas complejas, la cual da una gran estimacin de ciertos aditivos de octanos. Las columnas empaquetadas todava son utilizadas para algunas separaciones de hidrocarburos ligeros, mezclas de gases, componentes sulfurados y nitrogenados de bajo peso molecular; alcoholes y halocarbonos de bajo peso molecular. Estas columnas normalmente se empaquetan con almina o algunos polmeros porosos como los cromosorbos.Las interacciones entre la fase estacionaria y los solutos hidrocarbonados estn limitados generalmente a fuerzas de dispersin; por ejemplo, la fase estacionaria de metilpolisiloxano, cuya interaccin con los solutos est limitada a las fuerzas de dispersin, funciona bien para la separacin de estos componentes. Mooney, et al. (1982) 4 demostaron la separacin de hidrocarbonos de bajo peso molecular en un sistema de vlvula de entrada,usando una columna de pelcula apretada en condiciones subambientales. Estas columnas son especialmente tiles para mezclas de baja ebullicin. Tambin se han diseado separaciones interesantes utilizando columnas tubulares de capa porosa (PLOT) cubiertas con almina. Estas columnas incrementan la retencin de los hidrocarburos de bajo peso molecular en altas temperaturas. Se disearon sistemas de multicolumnas de vlvula de entrada, con potencial de reflujo y/o redireccin de fracciones individuales a tubos abiertos, microempaquetados y columnas PLOT, para llevar a cabo separaciones que son difciles de duplicar con equipos convencionales o columnas tubulares abiertas. La cromatografa multidimensional se utiliza para la separacin de algunos componentes menores como los aditivos antiknock en gasolinas. Levy y Yancey (1986) 4 , describieron un sistema para cuantificar aditivos oxigenados con las bases de caractersticas de retencin cuando las inyecciones de gasolina eran simultneamente agregadas a dos columnas diferentes.Las pruebas de solventes han sido todo un reto, debido a la cantidad masiva del constituyente principal que debe ser inyectado a la columna si la deteccin es para los constituyentes menores; por ejemplo, el rango dinmico del sistema debe ser suficientemente amplio para acomodar estas diferencias cuantitativas en los componentes.Aplicaciones ambientalesLos anlisis ambientales se enfocan a la deteccin y/o cuantificacin de muchas substancias diferentes en una diversidad de matrices. Estos anlisis pueden ir desde qumicos de pesticidas y herbicidas hasta hidrocarburos aromticos polinucleares (PAHs), compuestos clorados mezclados en el aire, agua y tierra. En muchos casos el problema inicial es la obtencin y preparacin de la muestra. Las muestras de agua son muy variables, desde agua potable hasta aguas industriales.En muchos casos las agencias de regulacin de calidad tienen procedimientos estndar especficos para el anlisis de materiales dados en una matriz dada. Con algunas excepciones los mtodos de anlisis oficiales son menos sensitivos y consumen mayor tiempo que los mtodos que se desarrollaron en los comienzos de la cromatografa. En Estados Unidos, la agencia de proteccin ambiental (EPA) especific procedimientos para el monitoreo de efluentes industriales en 1977. Los mtodos 603 hasta el 613 separan en 13 clases los 113 contaminantes orgnicos que son monitoreados por cromatografa de gases. Los anlisis cromatogrficos se llevan a cabo por columnas tubulares abiertas, las cuales dan una excelente precisin y tiempos de anlisis muy cortos pese a la complejidad que podra presentar la muestra. En estos anlisis cromatogrficos se usan fases estacionarias de compuestos aromticos para mejorar la separacin de los solutos. Las mismas columnas se usan para la separacin de pesticidas y compuestos aromticos clorados.Aplicaciones mdicas y biolgicasLa deteccin en bajos niveles de componentes significativos en este campo tiene requerimientos estrictos para los sistemas analticos; esto es tambin cierto para otros solutos activos como los pesticidas. Los altos niveles de solutos activos podran necesitar no solo la seleccin de columnas bien desactivadas, sino tambin de lossistemas analticos particulares, como desactivar el puerto de inyeccin del cromatograma. Cuando la cuantificacin es importante, las tcnicas utilizadas por Schomburg (1979) 4 y Dandenea (1979) 4 , podran ser empleadas para establecer que la precisin del sistema se extiende a los niveles medidos para el soluto en cuestin. Para solutos termolbiles se requieren columnas fras de inyeccinAplicaciones en la industriaLa cromatografa de gases es muy til cuando pretendemos identificar los compuestos que determinan una caracterstica aromtica conocida. Por lo tanto, es necesario conocer los umbrales a partir de los cuales mejora o se desvirta nuestro producto, ya sea mediante estudio bibliogrfico o por deteccin olfatomtrica. Esta informacin es un instrumento til para el seguimiento del producto en el proceso productivo, as como el control de otros materiales enolgicos, como son los tapones y las barricas. Algunos controles importantes a efectuar durante la fase de crianza en vinos y cavas son mtodos especficos para la determinacin de fenoles voltiles y compuestos azufrados. Concretamente en la cava, a partir de la evolucin de ciertos compuestos voltiles, entre ellos los vitispiranos, se calcula el momento en el que tienen lugar las fases de autlisis y postautlisis durante la crianza. Controlar el momento en que se desarrollan estas fases es importante debido a las alteraciones organolpticas que conllevan. La informacin que nos puede suministrar la GC en el control de calidad ser ms grande cuanto mejor conozcamos el perfil cromatogrfico de la fraccin aromtica de nuestro producto. Por ello, hay que disponer de un amplio banco de datos del mismo en las diferentes etapas de elaboracin y en diferentes adiciones, y correlacionar estadsticamente determinados compuestos con ciertas anomalas, o tipificar variedades que no contengan algn compuesto especfico que las identifique (como sucede en la mayora de casos). No37 obstante, se trata de anlisis todava demasiado laboriosos para constituir aplicaciones rutinarias de control.En todo caso, el anlisis por cromatografa de gases no nos permite definir el perfil aromtico del vino analizado. El problema se agrava en aquellos compuestos para los que no disponemos de patrones sintticos y, por tanto, no es posible conocer sus propiedades aromtica

Sistemas de inyeccin de muestra La inyeccin de muestra es un apartado crtico, ya que se debe inyectar una cantidad adecuada, y debe introducirse de tal forma (como un "tapn de vapor") que sea rpida para evitar el ensanchamiento de las bandas de salida; este efecto se da con cantidades elevadas de analito. El mtodo ms utilizado emplea una microjeringa (de capacidades de varios microlitros) para introducir el analito en una cmara de vaporizacin instantnea. Esta cmara est a 50 C por encima del punto de ebullicin del componente menos voltil, y est sellada por una junta de goma de silicona septa o septum.