CROMATOGRAFA DE GASES EN HIDROCARBUROS
La cromatografa de gases es la tcnica analtica de separacin que
permite la identificacin de compuestos orgnicos voltiles. Su
principal limitacin se encuentra en la labilidad trmica de los
solutos, los cuales deben ser estables a la temperatura requerida
para su volatilizacin. En cromatografa de gases, la muestra se
volatiliza y se inyecta en la cabeza de una columna cromatogrfica.
La elucin se produce por el flujo de una fase mvil de 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.
Existen dos tipos de cromatografa de gases: La cromatografa gas
slido (GSC) y la cromatografa gas lquido (GLC). La cromatografa gas
lquido tiene gran aplicacin en todos los campos de la ciencia y su
denominacin se abrevia normalmente como cromatografa de gases
(GC).El fundamento de las separaciones mediante CGS se encuentra en
las diferencias en volatilidad de la mezcla de los solutos
cromatogrficos, y en su capacidad para ser adsorbidos por el slido
activo (cromatografa de adsorcin). En el caso de las separaciones
por CGL, tienen como fundamento las diferencias en volatilidad y
solubilidad de la mezcla de los solutos a separar (cromatografa de
particin).La CGS es mucho menos utilizada que la CGL debido a que
presenta los problemas siguientes:a. Falta de linealidad de las
isotermas de adsorcin (variacin de la relacin de distribucin con la
concentracin), lo que da lugar a picos asimtricos, volmenes de
retencin dependientes del tamao de la muestra y recuperacin
incompleta para algunos solutos.b. Tiempos de retencin
excesivamente grandes, en especial para molculas voluminosas y
polares, las cuales necesitan una temperatura elevada para
conseguir tiempos o volmenes de retencin adecuados, lo que puede
afectar la estabilidad trmica de las mismas; por ello, el campo de
aplicacin de la CGS se restringe normalmente a los solutos de bajo
peso molecular.c. Falta de reproducibilidad debido a que los
solutos adsorbentes son ms difciles de estandarizar y preparar de
forma reproducible que los lquidos. Adems, la variedad de
adsorbentes comercialmente asequibles es mucho menor que la de las
fases lquidas utilizables en CGLPara realizar una separacin
mediante cromatografa de gases, se inyecta una pequea cantidad de
la muestra a separar en una corriente de gas inerte a elevada
temperatura; esta corriente de gas, atraviesa una columna
cromatogrfica que separar los componentes de la mezcla por medio de
un mecanismo de particin. Los componentes separados, emergern de la
columna a intervalos discretos y pasarn a travs de algn sistema de
deteccin adecuado, o bien sern dirigidos hacia un dispositivo de
recogida de muestras.
1. DESCRIPCIN GENERAL DEL CROMATGRAFO DE GASESUn 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 estacionaria, 4) mantener la columna a la temperatura
apropiada (o la secuencia del programa de temperatura), 5) detectar
los componentes de la muestra conforme eluyen de la columna, y 6)
proveer una seal legible proporcional en magnitud a la cantidad de
cada componente.En CG, la mezcla de solutos a separar, una vez
volatilizada, se hace pasar a travs de un tubo largo y estrecho
(columna) con la ayuda de un gas portador inerte, basndose la
separacin en al distinta velocidad de los solutos a su paso por la
columna, los cuales van llegando a continuacin al sistema de
deteccin. Las seales del detector se registran adecuadamente
obtenindose una serie de picos que constituyen el cromatograma. La
posicin de los picos (tiempo de retencin) se utiliza con fines
cualitativos, mientras que el tamao de los mismos se relaciona con
la concentracin de los solutos. Segn este proceso, los componentes
de un cromatgrafo de gases son:
1. SISTEMA DE SUMINISTRO DE GAS PORTADOR, que generalmente es
una bala o botella de gas a presin, y que a su salida tiene: (a) un
manorreductor, y (b) un sistema de regulacin y medida del caudal.
Frecuentemente, el gas se divide en dos flujos antes de llegar al
sistema de introduccin de la muestra: uno se dirige directamente al
detector, para que acte como referencia, mientras que el otro pasa
a travs de la columna, y es el que transporta la muestra.
Constituye la fase mvil, debe ser qumicamente inerte y no
interaccionar ni con la columna ni con los componentes de la
mezcla, es decir, no debe afectar a los procesos de particin o de
adsorcin que ocurren en la columna. Los gases ms utilizados son:
nitrgeno, helio, hidrgeno y argn. La eleccin de uno de ellos va a
depender de la naturaleza de la muestra, la fase estacionaria y el
tipo de detector utilizado.2. SISTEMA DE INTRODUCCIN DE LA MUESTRA,
cuya configuracin vara segn el estado fsico de la misma y el tipo y
capacidad de la columna utilizada. Este sistema pone en contacto a
la muestra con la corriente de gas portador.3. SISTEMA DE
TERMOSTATACIN, tambin denominado horno, que controla la temperatura
del sistema de introduccin de la muestra y de la columna, ya que
esta es una variable decisiva para conseguir una separacin y
reproducibilidad adecuadas. La temperatura ptima de la columna
depende del punto de ebullicin de la muestra y del grado de
separacin requerido.4. COLUMNA, que es el componente esencial del
cromatgrafo ya que es donde se produce la separacin de los solutos.
Est formada por un tubo, que puede ser de diversos materiales
(preferiblemente inertes), dentro del cual se encuentra la fase
estacionaria. Esta puede ser un slido activo (cromatografa gas
slido), o con mayor frecuencia un lquido depositado sobre las
partculas de un slido portador (columnas empaquetadas o de relleno)
o sobre las propias paredes del tubo (columnas tubulares
abiertas)5. SISTEMA DE DETECCIN, situado a la salida de la columna.
A travs de l pasa el gas portador con los solutos ya separados.
Cuando pasa un soluto se origina una sea elctrica que se amplifica
adecuadamente.6. REGISTRADOR, al que llega la seal elctrica
amplificada y da lugar al cromatograma. A partir del mismo se
obtienen los datos cualitativos y cuantitativos.7.
INTEGRADOR-COMPUTADOR, que es un sistema informtico incorporado al
cromatgrafo para la toma y tratamiento de los datos. Realiza
automticamente las operaciones siguientes: (a) integra el rea de
pico, (b) mide el tiempo de retencin, (c) realiza clculos con
estndares y (d) da impreso el informe final del anlisis.
2. FASE ESTACIONARIALa fase estacionaria tiene en cromatografa
un papel fundamental, ya que la fase mvil es cromatogrficamente
inerte y las separaciones son debidas exclusivamente a las
interacciones especficas que se dan entre los componentes de la
muestra y la fase estacionaria.A nivel molecular, la retencin de un
soluto por parte de la fase estacionaria puede ser debida a
cualquier tipo de fuerzas intermoleculares:a. Fuerzas de dispersin
(fuerzas de London). Este tipo de fuerzas son debidas a los campos
elctricos producidas por dipolos instantneos debidos al movimiento
relativo de ncleos y electrones. Las fuerzas de dispersin son las
nicas que actan entre fases estacionarias y soluto no polares.b.
Fueras de induccin (fueras de Debye). Este tipo de fuerzas son
debidas a la interaccin electrosttica que se produce entre dipolos
permanentes y dipolos instantneos, formador en molculas no polares
aunque polarizables, inducidos por los primeros.c. Fuerzas de
orientacin (fuerzas de Keesom). Son debidas a la interaccin entre
dipolos permanentes, tanto de la fase estacionaria como del
soluto.d. Fuerzas donador-aceptor. Son debidas a interacciones
qumicas de carcter dbil (un ejemplo puede ser el enlace de
hidrgeno), en las que se produce una transferencia no completa de
electrones por parte del donador hacia el aceptor.Para compuestos
no polares, las nicas fuerzas de interaccin entre el soluto y la
fase estacionara son las dispersivas; este tipo de fuerzas no son
selectivas, y en las separaciones basadas en este tipo de fuerzas
los solutos emergen de la columna, por lo general, en orden
correspondiente a sus puntos de ebullicin.Para compuestos polares,
las interacciones de mayor importancia son las debidas a fuerzas de
induccin y orientacin y en algunos casos las interacciones
electrnicas especficas de tipo donador-aceptor, este tipo de
fuerzas dependen del momento dipolar y de las polarizabilidades
tanto de la fase estacionaria como del soluto.La suma de todas las
interacciones entre un soluto y una fase estacionaria es una medida
de la polaridad de la fase respecto al soluto, que marca las
caractersticas generales de retencin, mientras que la magnitud de
cada uno de los tipos de interacciones particulares marcar la
selectividad de la fase estacionaria, de gran importancia ya que
puede permitir separar en una fase estacionaria concreta solutos de
igual polaridadEn cromatografa de gases, pueden llevarse a cabo la
mayora de las separaciones utilizando unos cuantos tipos de fases
estacionarias de uso frecuente, sintetizadas especficamente para
este uso. POLISILOXANOLos polisiloxanos o siliconas son, con mucho,
el grupo de fases estacionarias de ms amplia utilizacin debido a su
elevada estabilidad trmica y a la posibilidad de modificar
qumicamente la estructura de base para obtener con diferentes
polaridades y selectividades.Los polisiloxanos presentan como base
la estructura:
Donde R puede corresponder a grupos metilo, vinilo, fenilo,
etc.Los materiales de este tipo de utilizacin en cromatografa de
gases deben ser extraordinariamente puros, no debiendo contener
restos del catalizador de polimerizacin o de oligmeros; por otra
parte los grupos terminales de los polmeros deben ser bloqueados
cuidadosamente para maximizar la estabilidad trmica. Aparte de
estos requerimientos, los polisiloxanos presentan una excepcional
inercia, tanto trmica como qumica.
3. SISTEMA DE DETECCINUna vez que los componentes de la muestra
han sido separados por la columna, se hace preciso el disponer a la
salida de esta un sistema de deteccin, capaz de sealar la elucin de
un componente de la muestra y ofrecer, al mismo tiempo, una seal
proporcional a la cantidad de substancia que pasa a travs de
l.PARMETROS CARACTERSTICOS DE UN DETECTOR SEAL DEL DETECTORComo ya
se ha dicho, el detector mide una propiedad que diferencia el gas
portador de la mezcla gas portador/substancia eluida. El cambio
medido por el detector, denominado seal (S), el proporcional a la
magnitud de la propiedad a la que responde (a), a una constante
propia del diseo del detector (k) y al nmero de molculas de la
substancia eluida que en un momento dado estn presentes en el
detector (N); la expresin de la seal del detector ser:
Evidentemente, la seal ofrecida por el detector en un momento
dado, ser la suma de las seales de cualquier substancia eluida, del
gas portador y de las impurezas de este:
La seal medida por el detector en ausencia de substancias
eluidas, se denomina seal de fondo del colector. SENSIBILIDADLa
sensibilidad de un detector hacia una substancia eluida, puede
definirse como el cambio en la seal medida, S, originado por un
cambio en la concentracin en el gas portador de la substancia
eluida, Ns. Es evidente, a partir de la ecuacin de definicin de
seal, que la sensibilidad de un detector puede expresarse por medio
de la ecuacin:
Es decir, la sensibilidad de un detector hacia una substancia
estar dada por el producto de la constante de diseo del detector y
el valor de la propiedad analizada de la substancia eluida. En
consecuencia, la sensibilidad de cada detector ser diferente,
dependiendo de su diseo, y para un detector dado, la sensibilidad
ser diferente para substancias diferentes. LINEALIDADLa linealidad
de un detector, 1, se define como la constante de proporcionalidad
de la relacin entre el logaritmo de la seal ofrecida por el
detector y el logaritmo de la concentracin de la substancia
eluida:
Representando esta ecuacin se obtiene una recta cuya pendiente
es 1 y cuya ordenada en origen es Log(k.as), es decir, el logaritmo
de la sensibilidad.
Es relativamente frecuente encontrar evaluaciones de la
linealidad de los detectores en coordenadas lineales; en estos
casos, se denominan detectores lineales aquellos para los que 1=1,
denominndose detectores no lineales los restantes. De cualquier
forma, la utilizacin de coordenadas lineales no es correcta, ya que
muchos detectores muestran dependencias de la seal con la
concentracin de tipo exponencial, dejando al margen las
desviaciones producidas por la amplificacin electrnica de la seal;
en cualquier caso, es siempre preferible realizar la evaluacin de
la linealidad del detector en trminos de coordenadas logartmicas.El
intervalo de concentraciones para el que la linealidad no cambia,
es conocido como el rango dinmico lineal del detector. MNIMA
CANTIDAD DETECTABLELa seal de fondo medida por un detector, flucta
con el tiempo debido a la inconstancia de los parmetros
experimentales; estas fluctuaciones pueden ser consideradas como
errores aleatorios de la medida y son denominadas ruido. El nivel
de ruido oscila continuamente alrededor de una seal promedio, dando
el conjunto de sus valores a lo largo del tiempo una distribucin
que vendr definida por su desviacin standard. El valor de seal
correspondiente a la mnima cantidad detectable, podr calcularse en
base al valor del incremento de seal necesario (S) para ser
significativamente diferente del resto de la distribucin.
Considerando un nmero suficiente de medidas de seal de fondo, se
puede calcular que una seal es significativamente distinta del
ruido, con un 95% de probabilidad, cuando su valor es dos veces
superior al intervalo de ruido; de forma anloga, cuando se
incrementa la probabilidad hasta un 99%, la seal debe ser al menos
2,65 veces mayor que el nivel de ruido para ser significativamente
distinta.Por supuesto, la evaluacin del nivel requerido para que
una seal sea significativamente diferente del ruido, est realizado
en base a considerar una seal instantnea; no obstante, la situacin
es extrapolable a medidas reales haciendo la consideracin de que la
seal evaluada corresponde al valor mximo del pido de elucin, siendo
evaluable de forma cuantitativa todo pico que cumpla estas
condiciones.
DETECTOR DE IONIZACIN DE LLAMA (FID)En un detector de ionizacin
de llama, el gas procedente de la columna se mezcla con hidrgeno y
esta mezcla se quema en una cmara con exceso de aire. Por encima de
la llama, se dispone un colector cilndrico polarizado con el fin de
recoger los iones generados; sobre este dispositivo, se mide la
corriente inica que se establece entre la punta del quemador y el
electrodo colector.
El mecanismo de generacin de iones en este detector es complejo
y no del todo conocido, ya que la energa de la llama es demasiado
baja para explicar la generacin de iones; generalmente, se cree que
estos son generados por medio de un proceso de ionizacin qumica, en
el que la energa liberada por reacciones fuertemente exotrmicas es
retenida por las molculas orgnicas generndose iones a partir de las
molculas excitadas.El detector de ionizacin de llama se polariza
siempre con un voltaje de saturacin; bajo estas condiciones, la
corriente de fondo es del orden 10-13 10-14 A, que se incremente
hasta un nivel de 10-12 10-9 A en presencia de un vapor orgnico.Los
detectores de ionizacin de llama ofrecen una elevada sensibilidad,
gran estabilidad y un rango dinmico lineal excepcionalmente
elevado; todo ello, junto con una gran sencillez de utilizacin ha
hecho que este tipo de detectores, como ya se ha mencionado, sean
con mucho los de mayor utilizacin.
Las caractersticas generales de este detector son las
siguientes: Realiza medidas absolutas Es de tipo universal, aunque
en ciertos casos puede hacerse selectivo Es destructivo Responde a
la velocidad de flujo del soluto.
Est basado en la relacin directa que existe entre la
conductividad elctrica de un gas y la concentracin de partculas
cargadas (iones positivos, negativos y electrones) existentes en el
mismo. Se utiliza una llama de hidrgeno como fuente de ionizacin de
las molculas orgnicas que fluyen a su travs. En la figura se
muestra esquemticamente este detector, el cual dispone de un
sistema de electrodos, situado el negativo en la base de la llama y
el positivo, en forma de cestilla o cilindro, alrededor de la
llama, cargado con +300V. La corriente gaseosa que sale de la
columna se mezcla con una corriente de hidrgeno (combustible) y
entra en el detector donde se produce la combustin.Para soportar la
llama se introduce aire (tambin puede usarse oxgeno) por la base
del detector. Durante la combustin producida al llegar un compuesto
orgnico a la llama, se forman partculas cargadas, lo que origina un
flujo de corriente y disminuye la resistencia entre los electrodos.
Esta corriente es dbil ya que la resistencia elctrica de la llama
es elevada (1012 ohmios), por lo que debe ser debidamente
amplificada mediante circuitos electrnicos, y posteriormente se
dirige al registrador. La magnitud de esta corriente es
proporcional al nmero de especies cargadas que depende de la
naturaleza y velocidad de flujo del soluto y, por tanto,
directamente relacionada con la cantidad del mismo.Este detector
responde a casi todo tipo de sustancias, a excepcin de las que
aparecen en la tabla adjunta, las cuales o no originan respuesta o
la dan muy pequea. El hecho de que este detector no responda a los
componentes del aire ni al agua es de gran inters en el anlisis de
trazas orgnicas en muestras ambientales (agua y atmsfera), bebidas
alcohlicas y materiales biolgicos.
El funcionamiento correcto de este detector depende de la
eleccin adecuada de los tres flujos usados: gas portador, hidrgeno
y aire; en general, se admite como ptima 1:1:10
(portador/hidrgeno/aire), aunque siempre es recomendable la
optimizacin de esta relacin.4. APLICACIN CUALITATIVAEl parmetro
caracterstico que permite la identificacin de una sustancia
mediante CG es el tiempo de retencin, bien absoluto (Tr) o ajustado
(Tr), siempre que este se compare con los tiempos de retencin
obtenidos con estndares en el mismo cromatgrafo. No obstante, los
tiempos de retencin dependen de una variedad de condiciones
experimentales (temperatura, fase estacionaria, gas portador,
caudal, etc), de forma que ligeras fluctuaciones en estas variables
pueden dar lugar a resultados errneos al relacional el cromatograma
obtenido para la muestra con el del estndar. Incluso trabajando en
condiciones aparentemente idnticas, nunca es correcto comparar los
datos sobre tiempos de retencin absolutos existentes en la
bibliografa con los obtenidos experimentalmente.Con fines
cualitativos se utiliza frecuentemente el tiempo de retencin
relativo, que es el cociente entre los tiempos de retencin
ajustados del soluto a identificar (A) y de una sustancia utilizada
con estndar (S):
De esta forma se reducen los errores debidos a posibles cambios
en las condiciones experimentales. Para obtener los valores de
tiempos de retencin relativos, se adiciona el estndar a la muestra
y a los patrones. Este estndar se elige de forma que su tiempo de
retencin est prximo a los de los solutos analizados.Otra
posibilidad de asegurar el anlisis cualitativo consiste en dividir
la muestra en dos alcuotas: una de ellas se cromatografa
directamente, mientras que a la otra se le adiciona una cantidad
dada de una sustancia patrn que se sospecha que existe en la
muestra, y tambin se cromatografa. Si en este segundo cromatograma
aparece un nuevo pico, puede asegurarse que esa sustancia no est en
la muestra, mientras que si la seal de uno de los picos aparece ms
intensa en el segundo cromatograma, dicha sustancia existe en la
muestra. RELACIN DE OSTERPara una serie homloga de hidrocarburos,
se cumple que existe una relacin directa entre el logaritmo del
tiempo de retencin y el nmero de tomos de carbono que contiene la
molcula (N1):
La misma relacin puede aplicarse al volumen de retencin:
La constante de proporcionalidad es caracterstica para una serie
de hidrocarburos. Para determinar su valor se realizan los
cromatogramas de varios componentes de la serie homloga;
representando en funcin de N1, la pendiente de la recta da el valor
de . Este mtodo tiene el inconveniente de ser solo vlido para
series homlogas.
