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QUÍMICA ANALÍTICA III CROMATOGRAFIA GASEOSA

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Page 1: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Q U Í M I C A A N A L Í T I C A I I I

CROMATOGRAFIA GASEOSA

Page 2: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Desarrollo del tema

Introducción Las muestras para cromatografía de gases Principios básicos Esquema de un cromatógrafo de gases Fase móvil Sistema de inyección Columnas y Fases estacionarias Detectores Aplicaciones analíticas Bibliografía

Page 3: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Introducción: Desarrollo histórico

M. TSWEET (1903): Separación de mezclas de pigmentos vegetales en columnas rellenas con adsorbentes sólidos y solventes varios.

éter de petróleo

CaCO3

mezcla de pigmentos

pigmentos separados

Page 4: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

1940

1950

1960

“CGS” rudimentaria

CGL propuesta por Martin y Synge)

Separación de ácidos orgáni-cos por CGL: primer cro-

matógrafo (Martin y James)

Primer equipo comercial (Griffin & George)

Detector por Densidad de Gases (Martin y James)

Detector de Ionización de llama (McWillian y Dewar) Detector por Captura de

Eletrones (Lovelock y Lipsky)

Columnas Capilares (Golay)

Introducción: Desarrollo histórico

Page 5: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Modalidades y Clasificación

FM = Líquido Cromatografia Líquida

FM = Gas Cromatografia Gaseosa (CG)

En CG la FE puede ser:

Sólida

Líquida

Cromatografía Gas-Sólido (CGS)

Cromatografía Gas-Líquido (CGL)

Page 6: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Las muestras para CG Qué mezclas pueden ser separadas por CG ?

Mezclas cuyos constituyentes sean

VOLÁTILES

Para que una sustancia pueda ser “arrastrada” por um flujo de gas, debe poder

disolverse al menos parcialmente en dicho gas

DE FORMA GENERAL: La CG es aplicable para la separación y el análisis de mezclas cuyos componentes

tengan PUNTOS DE EBULLICIÓN de hasta 300oC y que sean térmicamente estables

Page 7: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Principios Básicos

Separación de mezclas por interacción

diferencial de sus

componentes entre una FASE ESTACIONARIA

(líquido o sólido) y una FASE MÓVIL

(líquido o gas).

Page 8: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Instrumentación: el cromatógrafo de gases

1 – Depósito de gases y contro-ladores de presión y caudal.

2 - Inyector.

3 - Columna Cromatográfica y horno.

4 - Detector.

5 – Amplificador de la señal.

6 - Registrador.

1

2

3

4

6

5

Page 9: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

INFLUENCIA DE LA COMPRESIBILIDAD DE LA FASE MÓVIL

Flujo volumétrico Debe existir una caída de presión a lo largo de la

columna para que la fase móvil fluya

El flujo másico (gramos de gas por unidad de

tiempo) es constante, por lo tanto

El caudal volumétrico a lo largo de la columna

crece

min)/3F(cm

opip >

oViV <

oFiF <

Page 10: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Se introduce el “factor de corrección de compresibilidad de James y Martin“

j se puede relacionar con parámetros aerodinámicos de la columna

INFLUENCIA DE LA COMPRESIBILIDAD DE LA FASE MÓVIL

𝑗𝑗 =32

(𝑝𝑝𝑖𝑖 𝑝𝑝𝑜𝑜⁄ )2 − 1(𝑝𝑝𝑖𝑖 𝑝𝑝𝑜𝑜⁄ )3 − 1

�̅�𝑝 =𝑝𝑝𝑜𝑜𝑗𝑗

𝑢𝑢� = 𝑢𝑢𝑜𝑜𝑗𝑗 𝐹𝐹� = 𝐹𝐹𝑜𝑜𝑗𝑗

Page 11: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

VOLÚMENES DE RETENCIÓN EN CROMATOGRAFÍA GASEOSA

Volumen de retención

Volumen de retención ajustado

Volumen de retención corregido

Volumen de retención neto

𝑉𝑉𝑅𝑅 = 𝐹𝐹𝑜𝑜𝑡𝑡𝑅𝑅

𝑉𝑉´𝑅𝑅 = 𝐹𝐹𝑜𝑜(𝑡𝑡𝑅𝑅 − 𝑡𝑡𝑀𝑀) = 𝐹𝐹𝑜𝑜𝑡𝑡´𝑅𝑅

𝑉𝑉´𝑁𝑁 = 𝐹𝐹𝑜𝑜𝑗𝑗𝑡𝑡𝑅𝑅 = 𝐹𝐹�𝑡𝑡𝑅𝑅

𝑉𝑉𝑁𝑁 = 𝐹𝐹𝑜𝑜𝑗𝑗(𝑡𝑡𝑅𝑅 − 𝑡𝑡𝑀𝑀) = 𝐹𝐹�(𝑡𝑡𝑅𝑅 − 𝑡𝑡𝑀𝑀)

Page 12: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Volumen de retención específico

cT273

SρDK

=cT

273

SwSVDK

=cT

273

SwNV

=gV

wS = masa de fase estacionaria rS = densidad de la fase estacionaria Tc = temperatura de la columna

Page 13: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Fase Móvil: Gas Portador

Requisitos INERTE No debe reaccionar com la muestra, la fase estacionaria ni

las superficies del instrumento.

PURO Debe estar exento de impurezas que puedan degradar la fase estacionaria

Impurezas típicas de los gases y sus efectos: Oxida/hidroliza algunas FE Son incompatibles com un DCE H2O, O2

hidrocarburos Ruido en la señal de un FID

La Fase Móvil en CG NO interactúa con la muestra Sólo la lleva a través de la columna Se la denomina GAS PORTADOR

Page 14: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Gas Portador

COMPATIBLE CON EL DETECTOR Cada detector demanda un gas portador específico para su mejor funcionamiento

Selección de Gases en Función del Detector:

He , H2 DCT

FID N2 , H2 DCE N2, Ar + 5% CH4

Page 15: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

1 - Cilindro de Gas 2 - Regulador de Presión 3 - “Trampa” para eliminar impurezas 4 - Regulador de Línea 5 - Regulador de Caudal 6 - Medidor de Caudal

Componentes de una línea

de gas

controladores de presión y

caudal

dispositivos para

purificación (“trampas”)

1

2

3 4

5

6

Page 16: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Sistemas para introducción de la muestra

Los dispositivos para inyección

(INYECTORES o VAPORIZADORES)

deben permitir la introducción

INSTANTÁNEA de la muestra en la

columna cromatográfica

Inyección instantánea

Inyección lenta

t = 0

t = x

t = 0

t = x

Page 17: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Inyector “on-column” Convencional

1 - Septum (silicona)

2 - Entrada de gas portador

3 – Bloque metálico

calefaccionado

4 - Punta de la columna

cromatográfica

1

2

3

4

Page 18: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Parámetros de inyección

TEMPERATURA DEL INYECTOR Debe ser suficientemente elevada como para que la

muestra se vaporice inmediatamente, pero sin descomponerse

Regla General Tiny = 50oC por encima de la temperatura de

ebullición del componente menos volátil

VOLUMEN INYECTADO Depende del tipo de columna y del estado físico de

la muestra

Page 19: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

COLUMNA Muestras Gaseosas

Muestras Líquidas

empaquetada ∅ = 3,2 mm (1/4”) 0,1 ml ... 50 mL 0,2 µL ... 20 µL

capilar ∅ = 0,25 mm 0,001 ml ... 0,1 mL 0,01 µL ... 3 µL

Sólidos:

comúnmente se disuelven en un solvente adecuado y se inyectan en

solución

Parámetros de inyección

Page 20: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Inyección manual de muestras

Page 21: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

COLUMNAS

RELLENAS

la fase estacionaria líquida está

retenida en un sólido inerte

(soporte)

CAPILARES

la fase estacionaria se fija sobre las

paredes interiores del capilar

Page 22: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

COLUMNAS

Page 23: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

COLUMNAS RELLENAS

Diámetro interior entre 2 y 4 mm

Longitud de hasta 2 á 3 m

Eficiencia de 1000 á 2000 platos teóricos/m

Para muestras poco complejas, 10 componentes.

La columna está rellena de un material sólido (soporte), finamente dividido y homogéneo, recubierto por una capa de F. E. líquida.

Enrollada en forma helicoidal, para poder ser instalada en el horno termostatizado.

Page 24: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

COLUMNAS CAPILARES

Diámetro interior < 1 mm

Longitud de 5 á 50 m.

Eficiencia hasta 4.000 platos teóricos/m

Para muestras complejas.

La fase estacionaria se depositada sobre las paredes interiores del capilar

Page 25: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

FASES ESTACIONARIAS Conceptos Generales

FE líquida

SUPORTE Sólido inerte poroso

Tubo capilar de material

inerte Para minimizar la pérdida de FE líquida por

volatilización, se puede:

Entrecruzada: las cadenas

poliméricas son químicamente ligadas entre sí

Químicamente ligadas: las cadenas

poliméricas se hacen reaccionar sobre el

soporte

Page 26: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

FASE ESTACIONARIA

Baja volatilidad.

Punto de ebullición debe de ser por lo menos 100ºC mayor que la temperatura máxima de la columna.

Estabilidad térmica.

Inercia química.

Los valores de factor de capacidad ( k´ ) y factor de selectividad (α) de los analitos deben estar dentro

de los intervalos aconsejados.

Page 27: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

FASE ESTACIONARIA

La separación se debe a los diferentes k´del analito entre la fase móvil y la

fase estacionaria.

Tiene que haber un cierto grado de solubilidad de los compuestos con la

fase estacionaria.

Por ello, una característica muy importante de la fase estacionaria es la

POLARIDAD.

Los solutos se retienen más en las fases líquidas de polaridad parecida.

Page 28: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Cuatro grandes grupos estructurales: PARAFINAS No polares; alta inercia química; son las menos usadas. Principales: escualano (C30H62), Apiezon (grasas para vacío).

POLIÉSTERES Ésteres de dialcoholes con diácidos. Polares; altamente sensibles a la humedad y la oxidación. Principales: DEGS, EGA, EGS.

ÉSTERES METÍLICOS DE ÁCIDOS GRASOS

Columna:5%DEGS-PS s/ Supelcoport 100/120 mesh; 6’ x 1/8” TCOL: 200oC (isotérmico) Gas Portador: N2 @ 20 ml.min-1

Detector: FID Muestra: 0,5 μL de solución en cloroformo conteniendo 0,5 μg de cada éster

Familias de FE Líquidas

Page 29: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

SILICONAS (polisiloxanos) Las FE más empleadas en CG. Cubren un amplio rango de polaridades y tienen propriedades químicas diversas.

Si

CH3

H3C

CH3

O Si

R1

R2

O Si

CH3

CH3

CH3n

R1, R2 = cualquier radical orgánico

- Enlaces Si-O altamente estables = elevada estabilidad térmica y química de las FE.

- Siliconas se fabrican en gran escala para diversas aplicaciones = minimización del costo del producto + tecnología de producción y

purificación bien estudiada y conocida.

- Prácticamente cualquier radical orgánico o inorgánico puede ligarse a la cadena polimérica = FE “ajustables” a separaciones específicas + facilidad de inmovilización por entrecruzamiento y ligazón química a

soportes

Familias de FE Líquidas

Page 30: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

FE derivadas de polidimetilsiloxano (PDMS) por sustitución de CH3 por radicales orgánicos, en orden creciente de polaridad:

Diferencias entre FE de composición similar provenientes de proveedores diferentes: pureza, viscosidad

Familias de FE Líquidas

Sustituyentes Nombres comerciales Observaciones

------ ----- SE-30, OV-1, OV-101, SP-2100

Las más apolares de la serie. Poco selectivas

Carboranos ----- Dexsil 300GC Similares PDMS. Estables hasta > 400°C

Fenil 5% ----- SE-52, OV-5, OV-73 Poco polar

Cianopropil 7%

Fenil 7% OV-1701, SPB-7, CP-Sil Moderadamente polar

Cianopropil 50%

Fenil 50% OV-255, SP-2300, CP Polar. Retiene dadores de electrones.

Page 31: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Separación de piridinas FE = 100 % cianopropilsilicona

1 - piridina 2 - 2-metilpiridina 3 - 2,6-dimetilpiridina 4 - 2-etilpiridina 5 - 3-metilpiridina 6 - 4-metilpiridina

3 min

Columna: CP-Sil 43CB (10 m x 0,10 mm x 0,2 μm)

TCOL:110oC (isotérmico)

Gas Portador: N2 @ 16 cm.min-1

Detector: FID

Muestra: 0,1μL de solución 1-2% de las piridinas en 3-metilpiridina

Familias de FE Líquidas

Page 32: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Separación de fenoles - FE = fenilmetilsiliconas

50% Ph

50% Me

5% Ph

95% Me

Familias de FE Líquidas

Page 33: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

FASE ESTACIONARIA: ORDEN DE ELUCIÓN

En una fase líquida

cualquiera, una serie homóloga

eluye según orden creciente de NÚMERO DE

ÁTOMOS DE CARBONO.

Si la fase es NO POLAR, los solutos no polares eluyen según

orden creciente de punto de ebullición.

En una fase POLAR se

retendrán más los solutos

polares que los no polares a igualdad de

puntos de ebullición.

Page 34: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

SOPORTE SÓLIDO

Carácterísticas

Elevada superficie específica

(m2/g)

Superficie homogénea

Estabilidad térmica

Tipos de soporte

Silíceo (tierras de diatomeas)

Sintéticos (vidrio, teflón).

Ladrillo refractario

Page 35: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

SOPORTE SÓLIDO: Tierra de diatomeas

Esqueletos fósiles de algas

microscópicas (SiO2 + óxidos

metálicos)

Chromosorb Anachrom

Supelcoport ...

Fusión com NaOH

Lavado ácido

secado

calcinación

silanización

Page 36: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Etapas del análisis cromatográfico

1. Elección de la columna y fase estacionaria 2. Ajuste las temperaturas. 3. Ajuste del caudal de gas portador. 4. Se inyecta la muestra (1 μl cuando son líquidas y 1

ml si son gaseosas). 5. Se vaporizan y son arrastradas hasta la columna. 6. Los componentes se fijan al inicio de la columna. 7. Se desplazan por la columna a velocidad diferente 8. Los solutos que salen de la columna, pasan al

detector y se obtiene el CROMATOGRAMA .

Page 37: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Parámetros

Tipo de gas portador y

caudal Columna y

dimensiones

Fase estacionaria

Tipo de detector Temperaturas

Bloque de inyección Columna Detector

Page 38: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

TEMPERATURA DE LA COLUMNA

En muestras de puntos de ebullición parecidos la temperatura óptima es ligeramente superior al punto de

ebullición medio de los componentes de la muestra.

Con puntos de ebullición muy diferentes se emplea una programación de temperatura, que aumenta según

avanza la separación.

El aumento de la temperatura reduce los tiempos de retención.

Page 39: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Los componentes más volátiles son separados

Los componentes menos volátiles tardan en

eluir, saliendo como picos mal definidos

Los componentes más volátiles no son

separados. Los componentes menos

volátiles eluyen más rápidamente

TEMPERATURA DE LA COLUMNA

Page 40: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Programación de temperatura

TFIN Temperatura Final tINI Tiempo Isotérmico Inicial tFIN Tiempo Final del

Programa R Velocidad de calentamiento

Se consiguen buenas separaciones de los componentes de la muestra en menor tiempo

Page 41: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

DETECTOR

Mide la variación de alguna

propiedad física del gas portador originada por la

elución de los compuestos.

Su temperatura ha de ser mayor o

igual que la de columna para

evitar la condensación de

algún compuesto.

Conectado a un registro gráfico

de la señal.

Page 42: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Detectores

CARACTERÍSTICAS

Alta sensibilidad (relación entre respuesta del detector y la

magnitud física detectada)

Buena estabilidad.

Respuesta continua y

reproducible a los cambios de concentración del compuesto

Respuesta adecuada al

mayor número posible de muestras

Tiempo de respuesta corto

Reactividad nula

Page 43: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

DETECTORES: Definiciones Generales

Dispositivos que generan

una señal eléctrica

proporcional a la cantidad

de analito eluído

4 utilizados en la mayor parte de las aplicaciones

TCD Detector de

Condutividad Térmica

FID Detector de Ionización en Llama

ECD Detector de

Captura Electrónica

MS Detector Es-

pectrométrico de Masas

Page 44: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

DETECTORES: Clasificación

UNIVERSALES Generan señal para cualquier sustancia

eluida

SELECTIVOS Detectan

solamente sustancias con determinada

propiedad fisicoquímica

ESPECÍFICOS Detectan sustancias que

poseen determinado elemento o grupo funcional en sus

estructuras

Page 45: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

DE TECTOR DE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA

(TCD)

Se basa en los cambios en la conductividad térmica de la corriente de gas portador debido a la presencia de moléculas

del analito.

Responde a la concentración del soluto en el gas portador

No es destructivo.

La conductividad térmica del gas portador ha de ser elevada (He, H2) 6 a 10 veces mayor que la mayoría de los compuestos

orgánicos.

Page 46: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Sencillez

Amplio rango lineal

Respuesta a todo tipo de compuestos

No destructivo

Baja sensibilidad (10 10-8 g soluto/ml) que impide su empleo con columnas capilares, debido al pequeño tamaño de las muestras.

DE TECTOR DE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA

(TCD)

Page 47: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

PRINCIPIO Variación de la conductividad térmica del gas

cuando eluye un analito

DE TECTOR DE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA

(TCD)

La cantidad de transferencia de calor entre un cuerpo caliente y un cuerpo frio depende de la condutividad térmica del gas en el espacio que separa los cuerpos

Si la condutividad térmica del gas disminuye, la cantidad de calor

transferido también disminuye y el cuerpo caliente se enfría.

Page 48: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

DE TECTOR DE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA

(TCD)

Celda del TCD:

1 2

3 5

4

i

1 Bloque metálico (acero)

2 Entrada de gas portador

3 Salida de gas portador

4 Filamento metálico (aleación W-Re) calefaccionado

5 Alimentación de corriente eléctrica para calentar el filamento

Page 49: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

DE TECTOR DE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA

(TCD)

Los filamentos del TCD están montados sobre un puente de Wheatstone que transforma la diferencia de resistencia

cuando la elución de la muestra produce una diferencia de voltaje

Page 50: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

TCD: Aplicaciones

Separación y cuantificación de compuestos que no generan señal em otros detectores (gases nobles, gases fijos)

Columna: CP Sil 5CB (50 m x 0.32 m x 5 µm) Gas Portador: He @ 3 ml.min-1

TCOL: 40°C

1 N2 2 CH4 3 CO2 4 n-C2 5 NH3 6 n-C3 7 i-C4 8 n-C4

Separación de Gases Fijos e Hidrocarburos

Page 51: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

DETECTOR DE IONIZACIÓN DE LLAMA

(FID)

Es uno de los más empleados.

Forma una llama que quema y ioniza los compuestos separados en la columna.

Insensible a grupos funcionales como C=O, OH, NH que originan en la llama pocos iones.

Elevada sensibilidad (10-13 g soluto/mL)

Destructivo

Page 52: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

FID: PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Formación de iones cuando un compuesto se quema en una llama de hidrógeno y oxígeno

El efluente de la columna se mezcla con H2 y O2 y se

quema. Como en una llama de H2+ O2 no existen iones,

no circula corriente eléctrica.

Cuando un compuesto orgánico eluye, él también

se quema. Como en su combustión se forman iones, la llama pasa a conducir la corriente

eléctrica

Page 53: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

FID: SELECTIVIDAD

SELECTIVO

• Para sustancias que contienen uniones C-H en su estructura química.

UNIVERSAL

• Virtualmente todas las sustancias analizables por CG son orgánicas

Compuestos que NO producen

respuesta

• Gases nobles, H2, O2, N2, CO, CO2, CS2, CCl4, perhalogenados, NH3, H2O, HCOOH, HCHO

Page 54: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

DETECTOR DE CAPTURA ELECTRÓNICA

(ECD)

Se basa en la captura de los electrones libres procedentes de la ionización del gas portador,

disminuyendo la intensidad de corriente.

El más sensible (10-14 g soluto/mL).

No destructivo.

Su aplicación principal es para compuestos organoclorados (pesticidas, herbicidas)

herbicidas)

Page 55: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

ECD: PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Supresión de un flujo de electrones lentos causada por la absorción de éstos por especies electrofílicas

Un flujo continuo de electrones lentos se establece

entre un ánodo (fuente radioactiva β -emisora) y un

cátodo

Al pasar una sustancia electrofílica algunos

electrones son absorbidos, disminuyendo la corriente

eléctrica.

Page 56: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

APLICACIONES DEL ECD

PESTICIDAS 1 tetracloro-m-xileno 2 α - BHC 3 Lindano 4 Heptachlor 5 Endosulfan 6 Dieldrin 7 Endrin 8 DDD 9 DDT 10 Metoxychlor 10 decaclorobifenilo

~250 fg de cada analito

EL DCE ES EL DETECTOR DE ELECCIÓN PARA ANÁLISIS DE TRAZAS DE ORGANOHALOGENADOS Y SIMILARES

Page 57: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

ACOPLAMIENTO CON OTRAS TÉCNICAS

Proporciona una herramienta muy potente en la identificación de los componentes de una mezcla

compleja

La tendencia actual es utilizar como detectores selectivos, técnicas instrumentales como

Espectrometría de Masas y Espectroscopía Infrarroja

Todo ello ayudado de una computadora para el almacenamiento de los datos espectrales, y posterior

presentación como espectros y cromatogramas

Page 58: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

ANÁLISIS CUALITATIVO

Page 59: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Conceptos Generales

Identificación individual de las especies presentes en la muestra

Determinación de la identidad de la muestra como un todo

Aplicaciones Cualitativas de

la cromatografía

Fuentes de Informaciones Cualitativas

RETENCIÓN Uso de datos de retención de un analito para su identificación

DETECCIÓN Empleo de detectores que proveen información estructural sobre las sustancias eluidas

Page 60: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

ANÁLISIS CUALITATIVO Datos de Retención

Naturaleza de la fase estacionaria y su % en el relleno

Longitud de la columna

Naturaleza del gas portador y su caudal

Temperatura de la columna

Tamaño de la muestra

El tiempo de retención, tR es

función de:

A condiciones experimentales constantes, el tR y el VR son característicos de cada

sustancia

Page 61: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

ANÁLISIS CUALITATIVO Tiempos de Retención

t’R = f Interacciones analito/FE

Presión de vapor del analito

Condiciones de operación (TCOL, FC ...)

Una vez fijadas las condiciones operatorias, el tiempo de retención ajustado de un analito es una constante

La identificación por t’R es muy poco confiable, debido a:

Dependencia con FC y TCOL Variaciones en estas condiciones afectan sensiblemente los t’R

VARIACIÓN DE ± 1% EN t’R

ΔTCOL = ± 0,1%

Δ FC = ± 1% Sobrecarga de la columna Un aumento excesivo en la masa de material eluido deforma el pico cromatográfico y altera su t’R

Page 62: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Se comparan datos sobre la misma columna

Se miden datos de “retención relativa”

D(std)K

D(i)K

=R(std)t´R(i)t´

=stdi,r

i= sustancia incógnita std= sustancia standard

ri,std sólo depende de la temperatura de la columna y de la fase estacionaria

Recopilación de datos de retención relativa “Compilation of Gas Chromatographic Data”, ASTM Data Series Publication

ANÁLISIS CUALITATIVO Datos de Retención Relativa

Page 63: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

MUESTRA

PATRÓN

Comparación de los

cromatogramas de la muestra y de una solución

patrón del analito supuesto

Los datos de tR son adecuados para identificaciones simples, por ejemplo, controles de calidad En ese caso, ya se sabe qué componentes tiene la mezcla y generalmente hay pocos componentes presentes

ANÁLISIS CUALITATIVO Tiempos de Retención

Page 64: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Comparación de tR usando dopaje de la muestra con el analito supuesto: aumenta la confiabilidad de identificación.

En una muestra compleja la incerteza en la medida de los tR puede llevar a una identificación

errónea

La comparación con el cromatograma de la muestra

dopada permite una identificación más confiable de

la sustancia desconocida

OTRAS APROXIMACIONES AL ANÁLISIS CUALITATIVO

Page 65: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Las series homólogas presentan características retentivas que facilitan la identificación de las sustancias

Graficando log t´R vs. número de átomos de C (sobre una dada columna y a una temperatura dada) se obtiene una recta

La ubicación sobre una recta dada, permite determinar a qué familia pertenece La ubicación sobre la recta permite decidir qué componente de la serie es

01234567

4 5 6 7 8 9 10N° átomos de C

log

t´R

OTRAS APROXIMACIONES AL ANÁLISIS CUALITATIVO: Gráficos de Retención

Page 66: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

FUNDAMENTO Los t’R (en condiciones isotérmicas) para una serie homóloga de compuestos dependen logarítmicamente del número de átomos de carbono de la

cadena.

Separación isotérmica de una mezcla de n-alcanos (n-

C4, n-C5, ... n-C16)

Gráfico de log(t’R) en función del número de átomos de carbono del analito nC es

LINEAL

ANÁLISIS CUALITATIVO Índice de Retención de Kováts

Page 67: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

El índice de retención de Kováts I para un analito viene definido por:

t’R (A) Tiempo de retención ajustado del analito A

t’R (N) Tiempo de retención ajustado del n-alcano con N carbonos

t’R (n) Tiempo de retención ajustado del n-alcano con n carbonos (n = N + 1)

Ej.: un analito con I = 874 tendrá un tiempo de retención ajustado equivalente al de un n-alcano hipotético con 8,74 átomos de carbono

Puede calcularse con la siguiente expresión

ANÁLISIS CUALITATIVO Índice de Retención de Kováts

𝐼𝐼 = 100𝑁𝑁 + 100 �log 𝑡𝑡´𝑅𝑅(𝐴𝐴) − log 𝑡𝑡´𝑅𝑅(𝑁𝑁)

log 𝑡𝑡´𝑅𝑅(𝑛𝑛) − log 𝑡𝑡´𝑅𝑅(𝑁𝑁)�

Page 68: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

ANÁLISIS CUALITATIVO Índice de Retención de Kováts

Para las n-parafinas, I es 100 veces el número de átomos de C en cualquier columna y a cualquier temperatura

tR, columna 1

tR, columna 2

hept

ano

tolu

eno

hexa

no

pent

ano

Page 69: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Fijando 2 fases se pueden establecer incrementos individuales correspondientes a ciertos grupos funcionales (Kováts)

Rohrschneider: ΔI consta de contribuciones de 2 tipos:

Dependiente del soluto y que no varía al cambiar de FE

Específico de la FE y que puede calcularse a partir

de un grupo bien seleccionado de solutos

McReynolds: cambió las sustancias de prueba que empleaba Rohrschneider

Variación del índice al pasar de una fase estacionaria no polar a una polar

Page 70: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Experimentalmente se encuentra que ΔI puede expresarse como:

donde: j = fase estacionaria i = soluto SQ = escualano (C30H62), fase estacionaria no polar, en base

a la cual se construye la escala ai, bi, ci, di, ei = parámetros característicos del soluto i,

independientes de la fase estacionaria xj, yj,zj, uj, sj = parámetros característicos de la fase

estacionaria j

jsie+juid+jzic+jyib+jxi=aSQiIj

iI=jiΔI

Variación del índice al pasar de una fase estacionaria no polar a una polar

Page 71: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Sobre la fase estacionaria j y sobre escualano se miden los índices de estos solutos

Grupo Sustancia Símbolo Aromáticos,

olefínicos benceno x

Alcoholes, fenoles, ácidos

1-butanol y

Cetonas, éteres, ésteres,

aldehídos

Metil-n-propilcetona

z

Nitrocompuestos, nitrilos

nitropropano u

Bases, heterociclos aromáticos

piridina s

ANÁLISIS CUALITATIVO Índices de McReynolds

Page 72: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Se definen las siguientes relaciones:

ANÁLISIS CUALITATIVO Índices de McReynolds

Page 73: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Se usa para caracterizar fases estacionarias

Muy útil con el fin de decidir si dos fases estacionarias tendrán un comportamiento separativo equivalente o cuál será la mejor fase para un determinado grupo funcional

ANÁLISIS CUALITATIVO Índices de McReynolds

Fase estacionaria

Tmáxima x y z u s

Escualano 150 0 0 0 0 0 SE-30 350 15 53 44 64 41 OV-7 350 69 113 111 171 128

Carbowax 20M

250 322 536 368 572 59

Page 74: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Métodos de detección que proveen informaciones cualitativas sobre los analitos eluídos:

Cromatografía Gaseosa con Detección Espectrométrica por Absorción Infra-Rojo (CG-IR)

Cromatografía Gaseosa con Detección Espectrométrica de Masas (CG-EM)

Cromatografía Gaseosa con Detección Espectrométrica por Emisión Atómica (CG-EA)

ANÁLISIS CUALITATIVO Métodos de Detección Cualitativos

Page 75: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Combinación de métodos cromatográficos y espectroscópicos

Técnicas acopladas

ANÁLISIS CUALITATIVO Métodos de Detección Cualitativos

El cromatógrafo separa la muestra en sus componentes

El método espectrocópico brinda información cualitativa de cada uno

de los componentes

Page 76: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

La combinación de los datos en tres dimensiones brinda información cuali-cuantitativa

ANÁLISIS CUALITATIVO Métodos de Detección Cualitativos

resp

uest

a

tiempo

Page 77: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

PRINCIPIO La muestra es fragmentada y ionizada según un patrón característico de la especie química.

1 Moléculas de la muestra son bombardeadas por electrones (electron impact = EI) o iones (chemical ionization = CI):

ABCDE + e- → ABCDE.+ + 2 e-

2 El ión formado se fragmenta:

ABCDE.+ → AB. + CDE+

ABCDE.+ → AB+ + CDE.

ABCDE.+ → A+ + BCDE.

ANÁLISIS CUALITATIVO Espectrometría de Masas

Page 78: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

3 Los fragmentos iónicos formados son separados magnéticamente de acuerdo con sus masas moleculares y contados:

AB

UN

DA

NC

IA

MASA / CARGA

El gráfico del número de iones formados en función

de la relación Masa / Carga de los iones es el

ESPECTRO DE MASAS del analito

ANÁLISIS CUALITATIVO Espectrometría de Masas

Page 79: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

ANÁLISIS CUALITATIVO Espectro de Masas

20 40 60 80 100 120 0 m / Z

Page 80: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Interfase cromatógrafo - espectrómetro:

CG EM

Vacío

Separador Molecular El gas portador liviano (He)

difunde más rápidamente que el analito y tiende a ser

drenado por el vacío.

Cámara de Ionización

Columna Capilar

Interfase Capilar Directa Con columnas capilares la

baja cantidad de gas portador puede ser drenada por el

sistema de vacío.

ACOPLAMIENTO GC-EM

Page 81: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

1

2

3

4

1 Cámara de Ionización Los electrones generados por un filamento bombardean la muestra. Los fragmentos ionizados (carga +1) son repelidos por el electrodo positivo y conducidos al separador magnético.

2 Salida de Vacío Todo el interior del EM debe estar con alto vacío (natm).

3 Separador Magnético Por acción del campo magnético sólo algunos iones con determinada relación Masa/Carga pueden atravesar esta zona del equipo. 4 Detector Una válvula fotomultiplicadora o un fotodiodo genera una señal eléctrica proporcional al número de iones que inciden sobre este elemento.

ANÁLISIS CUALITATIVO Espectrómetro de Masas

Page 82: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Los espectros de masas completos son colectados y archivados a intervalos regulares de tiempo

La generación del cromatograma a partir de los espectros puede hacerse según:

CROMATOGRAMA DE IONES TOTALES (TIC = Total Ion Chromatogram)

Para cada espectro, el número total de iones detectados en el rango de masas barrido es sumado y graficado en función del tiempo,

generando el cromatograma. MONITOREO DE UN ION SELECCIONADO (SIM = Single Ion Monitoring)

Se selecciona un fragmento resultante de la especie de interés. Se genera el cromatograma graficando el número de iones con la masa

de ese fragmento detectados en función del tiempo.

TIC

Universal

SIM

Selectivo Mayor Sensibilidad

CG-EM: GENERACIÓN DEL CROMATOGRAMA

Page 83: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Ejemplo de una muestra analizada por CG-EM

TIC Aparecen los picos

correspondientes a todas las sustancias eluídas

SIM (m/z = 149) Cromatograma construído a partir de los mismos datos

anteriores, pero usando sólo fragmentos con masa = 149

CG-EM: GENERACIÓN DEL CROMATOGRAMA

Page 84: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

TIEMPO

CU

EN

TA

S MASA / CARGA

CU

EN

TA

S

1 Se registra el espectro de masa que corresponde a un analito (usualmente se selecciona el máximo).

2 Interpretación manual del espectro y/o comparación automática con la biblioteca de espectros del equipo.

ANÁLISIS CUALITATIVO Identificación de Analitos

Page 85: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

Búsqueda automática en la biblioteca de espectros: comparación estadística ( Probability Based Matching )

BIBLIOTECA DE ESPECTROS

ESPECTRO DESCONOCIDO

PBM Lista com posibles

candidatos + porcentaje de confiabilidad

PBM de un analito “desconocido” (1-

dodeceno)

ANÁLISIS CUALITATIVO Identificación de Analitos

# NOMBRE FÓRM. % 1 1-dodeceno C12H24 99

2 1-dodecanol C12H26O 91

3 ciclododecano C12H24 91

4 2-dodeceno C12H24 66

5 1-undeceno C11H22 35

6 8-metil-3-undeceno C12H24 32

Page 86: CROMATOGRAFIA GASEOSA - UNLP

LIMITACIONES:

La identificación es poco confiable en el caso de espectros muy simples

Está limitada por el tamaño de la base de datos (NIST = 66.000 espectros)

Existen diferencias entre los espectros generados por diversos EM

ANÁLISIS CUALITATIVO Identificación de Analitos