Tema 1 Quimica Analitica

Tema 1

HIBRIDACIÓN INSTRUMENTAL I.

Introducción. Técnicas de separación no cromatográfica en línea con técnicas

espectroscópicas. Técnicas de separación cromatográfica en línea con técnicas

espectroscópicas atómicas:GC/HPLC-AES/AAS/AFS. Técnicas de separación

cromatográfica en línea con técnicas espectroscópicas moleculares: GC-FTIR,

LC-RMN.

Bibliografía

-Principios de Análisis Instrumental, 6ª Ed., Skoog, Holler, Crouch,Cengage

Learning, 2007.

- Analytical Chemistry, R.Keller,J.M.Mermet,M.Otto,H.M.Widmer, Wiley,

2004.

-Análisis Químico de Trazas, C. Cámara, C. Pérez-Conde (Eds.), Ed. Síntesis,

2011.

Técnicas híbridasUnen dos o más técnicas analíticas con el objetivo

de tener una herramienta analítica más rápida y

más eficiente

Posibilidades:

a)Unión de dos o más técnicas de separación, ej: LC y GC, LC-LC , etc ( separaciones multidimensionales)

b)Unión de dos ó más técnicas espectrométricasMS-MS, MS-MS-MS,etc

c)Unión de una técnica de separación con una técnica de detección, LC-AAS

Ventajas del uso de las técnicas híbridas:

Los datos obtenidos por técnicas híbridas dan más

información que los obtenidos por las mismas técnicas por separado

Técnicas cromatográficas : alta capacidad de separación y

resolución

Técnicas Espectroscópicas y Espectrométricas: alta

capacidad de detección y de identificación

(La identificación de especies puede ser muy díficil si los compuestos a estudiar no son puros)

Problemas en las técnicas híbridas

Adaptación de los parámetros cromatográficos a las

condiciones de medida de la segunda técnica

Necesidad de una interfase especifica a cada caso

Técnica híbrida

El proceso de separación y detección se realiza “on-line”

Separación Interfase Detección

Importante: El sistema de detección tiene que ser compatible con el proceso de separación

Detectores:

Selectivos

Sensibles

Detectores:

Selectivos

Sensibles

Ventajas:

Introducción de sistemas de pretratamiento de la muestra

FIA, GH, Atrapamiento criogénico (CT)

Ventajas:

Introducción de sistemas de pretratamiento de la muestra

FIA, GH, Atrapamiento criogénico (CT)

Especiación

Forma química de un elemento

Movilidad

Resorción

Biodisponibilidad

Acumulación

Toxicidad

Definiciones de la IUPAC

Especie química : forma especifica de un elemento definida como su composición isotópica, estado electrónico ó de oxidación, y/o estructura compleja o molecular

Análisis de Especiación : actividad analítica de identificación y/o medida de cantidades de una o mas

especies químicas individuales en una muestra

Especiación de un elemento , Especiación : Distribución de un elemento entre especies químicas definidas en un sistema

¿qué especies químicas tienen interés?

Mo-xantina oxidasaCofactores enzimáticos

Zn-albúmina

Cu-ferritina

Complejos proteínas

CH3Hg+,(C2H5)4PbComplejos orgánicos

Cis/trans-(NH3)2PtCl2Complejos inorgánicos

As(III),As(V)

Cr(III),Cr(VI)

Iones libres

EjemploTipo de especie

Posibles acoplamientos:

Extracciones con disolventes.

Precipitación selectiva.

Concentración sobre adsorbentes.

Cambio iónico.

Diálisis

Posibles acoplamientos:

Extracciones con disolventes.

Precipitación selectiva.

Concentración sobre adsorbentes.

Cambio iónico.

Diálisis

ResinaResina AASAASDowex

VálvulaInyección muestra

HCl

H2O1. Dowex retiene Fe(III) (FeCl4-).

2. FeCl2 va hacia la llama.

3.- Cambio de pH, FeCl4-→ FeCl3

(no retenido).

4.- → FeCl3 llega a la llama.

1. Dowex retiene Fe(III) (FeCl4-).

2. FeCl2 va hacia la llama.

3.- Cambio de pH, FeCl4-→ FeCl3

(no retenido).

4.- → FeCl3 llega a la llama.

Técnicas de separación no cromatográficaen línea con técnicas espectroscópicas

2. Técnicas de separación cromatográficas acopladas con técnicas espectroscópicas

Espectrometría+Cromatografía (GC,LC)

Fluorescencia

Masas

Absorción

Emisión

� El acoplamiento cromatográfico con técnicas de espectroscopía molecular es de gran importancia en análisis orgánico. Algunas de estas técnicas como LC-UV-VIS o LC-Fluorescencia llevan décadas aplicándose en los laboratorios analíticos.

� El acoplamiento cromatográfico con técnicas de espectroscopía atómica es más reciente y es de gran utilidad en análisis de especiación elemental.

TECNICAS DE SEPARACIÓN CROMATOGRAFICAS-TÉCNICAS ESPECTROSCOPICAS

1.- CROMATOGRAFÍA DE GASES- TECNICAS ESPECTROSCOPICAS

Produce excelentes separaciones.

Es fácil de acoplar con los diferentes detectores específicos.

Se pueden determinar compuestos no volátiles derivatizándolospreviamente.

Métodos de derivatización:

� Hidridación

� Alquilación

HIDRIDACIÓN:

Conversión a hidruros covalentes volátiles por reacción con borohidrurosódico

As, Sb, Si, Sn, Pb, Se, Te Ge

Ejemplo:

CH3SnCl3 + BH4-→ CH3SnH3 (0ºC)

(CH3)2SnCl2 + BH4-→ (CH3)2SnH2 (35ºC)

(CH3)3SnCl + BH4-→ (CH3)3SnH (59ºC)

Sn(IV) + BH4-→ SnH4 (-52ºC)

Se produce un cambio en el punto de ebullición sin alteración en los enlaces carbono-metal

ALQUILACIÓN: (Cloruro de butilmagnesio)

As, Sb, Tl, Se, Te, Hg, Si, Pb

Et2Pb2+ + 2 BuMgCl → Et2PbBu2 + 2 Cl- + 2 Mg2+

Et3Pb+ + BuMgCl → Et3PbBu + Mg2+ + Cl-

CROMATOGRAFÍA DE GASES- TECNICAS ESPECTROSCOPICAS

Problemas de la derivatización:

Las reacciones de derivatización no están totalmente controladas.

No se conocen bien los mecanismos de reacción.

Depende de la matriz de la muestra.

Falta de calibrantes de elevada pureza.

Poca estabilidad de alguno de los derivados obtenidos.

El riesgo de producir errores en los resultados aumenta con el número de pasos.

Problemas de la derivatización:

Las reacciones de derivatización no están totalmente controladas.

No se conocen bien los mecanismos de reacción.

Depende de la matriz de la muestra.

Falta de calibrantes de elevada pureza.

Poca estabilidad de alguno de los derivados obtenidos.

El riesgo de producir errores en los resultados aumenta con el número de pasos.


Columnas:

Capilares

Empacadas

� Mejores separaciones

� Bajos flujos de fase móvil

Detectores: (no selectivos)

Ionización de llama

Conductividad térmica

Captura electrónica

Detectores: (no selectivos)

Ionización de llama

Conductividad térmica

Captura electrónica

Espectrometría+Cromatografía

de gases

Fluorescencia

Masas

Absorción

Emisión

Cromatografía de gases acoplada de diferentes detectores específicos


1.1.- Cromatografía de gases- Espectrometría de Absorción Atómica

Espectroscopía de Absorción Atómica con llama

Problemas:

� Condensación de las especies volátiles en el nebulizador.

� Dilución de la muestra.

Problemas:

� Condensación de las especies volátiles en el nebulizador.

� Dilución de la muestra.

CG-FAAS: Introducción del eluyentede la columna en el nebulizador


CG-FAAS: Introducción del eluyente en la base del quemador

Ventaja: Se obtienen mejores límites de detección

Ejemplo: Pb 10-20 ng


Introducción de la muestra directamente en la célula de atomización

A

A. Tubo cerámico

B. Mechero

C. Soporte

D. Tubo de vidrio

E. Llama

F. Efluente de la columna

G. Flujo auxiliar de hidrógeno

LOD 17 pg Pb


Tabla aplicaciones CG-FAAS

Muestra Elemento Especies Detector LOD

Aire Pb Compuestos de tubo cerámico 0.25 mg/m3

plomo tetraalquilo

Agua Sn TBT, DBT, MBT Célula de cuarzo 150 pg TBT

Aire Hg Metil y dimetil Tubo de cuarzo 2-5 ng

Muestra Elemento Especies Detector LOD

Aire Pb Compuestos de tubo cerámico 0.25 mg/m3

plomo tetraalquilo

Agua Sn TBT, DBT, MBT Célula de cuarzo 150 pg TBT

Aire Hg Metil y dimetil Tubo de cuarzo 2-5 ng


Determinación de compuestos orgánicos de plomo por GC-AAS después de una butilación

Cromatografía de Gases- Espectroscopia de Absorción Atómica con atomización electrotérmica (ETAAS)

Interfase: tubo de alúmina introducido

directamente en el tubo de grafito

Posibilidad de preconcentración en

tubos de grafito recubiertos


1.2.-Cromatografía de gases- Espectrometría de Emisión Atómica

Tipos:

Espectrometría de emisión atómica con llama (FES)

Espectrometría de emisión atómica con plasma (OES)

OES:

Plasma de Ar acoplado por inducción (ICP)

Plasma de corriente directa (DCP)

Plasma inducido por microondas (MIP)

Ventajas del OES:

� Capacidad de análisis multielemental.

� Amplio rango dinámico de medición.


Ventajas del acoplamiento CG-Espectrometría de Emisión con Plasma:

a) Facilidad para monitorizar metales y no metales directamente o con derivatización.

b) Alta selectividad elemental.

c) Facilidad para tolerar eluciones no ideales.

d) Detección multielemento.

e) Compatibilidad con diferentes sistemas cromatográficos.

Ventajas del acoplamiento CG-Espectrometría de Emisión con Plasma:

a) Facilidad para monitorizar metales y no metales directamente o con derivatización.

b) Alta selectividad elemental.

c) Facilidad para tolerar eluciones no ideales.

d) Detección multielemento.

e) Compatibilidad con diferentes sistemas cromatográficos.

Determinación por GC-ICPOES

de especies de plomo en agua

de lluvia


CG-MIP:

Gas del plasma:

Ar, He (alta energía de excitación y válido para más elementos).

Columnas:

Inicialmente:

Columnas empacadas

Altos volúmenes de muestra → Altos niveles de solventes → Problemas en el plasma

Actualmente:

Columnas capilares

CG-MIP:

Gas del plasma:

Ar, He (alta energía de excitación y válido para más elementos).

Columnas:

Inicialmente:

Columnas empacadas

Altos volúmenes de muestra → Altos niveles de solventes → Problemas en el plasma

Actualmente:

Columnas capilares


Esquema de un instrumento de Cromatografía de gases-

Plasma inducido por microondas


Detección:

Un solo canal (un elemento).

Multicanal (varios elementos)

Detección:

Un solo canal (un elemento).

Multicanal (varios elementos)

Problemas iniciales:

Falta estabilidad del plasma.

Corta vida media de las antorchas de cuarzo (debido a la deposición de carbón)

Problemas iniciales:

Falta estabilidad del plasma.

Corta vida media de las antorchas de cuarzo (debido a la deposición de carbón)

Equipos comerciales:

Plasma de He

Operan a presión atmosférica.

Detector de red de diodos de silicio (detección simultanea)

Equipos comerciales:

Plasma de He

Operan a presión atmosférica.

Detector de red de diodos de silicio (detección simultanea)

Interfase GC-MIP


Separación de compuestos de Sn en una muestra de agua por CG-MIP:

1. MBT, 2. DBT, 3. MPhT, 4.TBT, 5. DPhT, 6. TPhT


Esquema de un instrumento de Cromatografía de gases-

Plasma inducido por inducción


Aplicaciones CG-MIP


2.- CROMATOGRAFÍA DE LÍQUIDA – TÉCNICAS ESPECTROSCOPICAS

Columnas:

� Columnas y conectores de acero inoxidable.

� Para metales traza se usan columnas de vidrio, PTFE o PEEK (cetona eter polieter)

Modos de separación:

� Fase normal.

� Fase reversa.

2.1.- HPLC-Espectroscopía Atómica.

HPLC-FAAS

Conexión directa entre la salida de la columna y el capilar de aspiración del mechero.

Problemas:

Equilibrar los flujos de salida de la columna y el de aspiración en la llama.

Flujo de la columna

Mejor separación

Flujo aspiración en la llama Mejor sensibilidad

CROMATOGRAFÍA DE LÍQUIDA – TÉCNICAS ESPECTROSCOPICAS

Acoplamiento HPLC-FAAS:

a) Colección en embudo

b) Acoplamiento directo

Slavin y Smidt(1979)

Gota (100 µl)


Comparación de los resultados obtenidos utilizando HPLC-UV y HPLC-FAAS:

tetrametiletil plomo, dimetildietil plomo, metiltrietileplomo y tetraetil plomo



HPLC-HG-FAAS(llama H2-aire)

HPLC-GFAAS (ETAAS)

Dificultades:

Flujo de columna de HPLC es continuo.

En ETAAS la atomización se produce en modo discontinuo.

Posibles interferencias de matriz.

Uso de modificadores

de matriz

Tubos recubiertos

Ir, Pd, Tunsteno


INTRODUCCIÓN DE LA MUESTRA EN EL INTERIOR DEL TUBO DE GRAFITO

Toma de muestra

Introducción de la muestra en el interior

del tubo


Etapa Temperatura t. rampa t. permanencia Flujo Ar(ºC) (s) (s) (ml/min)

Secado 1 100 10 20 300

Secado 2 200 25 25 300

Mineralización 1 480 10 10 300

Mineralzación 2 1100 10 15 300

Atomización 1900 0 3 0 (lectura)

Limpieza 2000 1 3 300

Programa de temperaturas de la cámara de grafito


Acoplamiento HPLC-GFAAS


HPLC-ETAASDescripción del modo pulsado

Determinación de diferentes especies de

arsénico por HPLC-ETAAS


Aplicaciones:

Estudios de especiación de As, Hg, Sn, Pb.

Especiación de selenio en muestras de agua y orina.

Estudio de proteínas unidas al Al y al Fe en el suero de pacientes sometidos a hemodiálisis.

Aplicaciones:

Estudios de especiación de As, Hg, Sn, Pb.

Especiación de selenio en muestras de agua y orina.

Estudio de proteínas unidas al Al y al Fe en el suero de pacientes sometidos a hemodiálisis.

ProblemasLos resultados no son obtenidos en tiempo realLa naturaleza discontinua del detector hace el trabajo tedioso y produce ensanchamiento de los picos.


2.2.- HPLC-ICP-OESVentajas:

� Fácil acoplamiento.

Precauciones:

� El tubo utilizado para conectar el HPLC con el ICP debe ser lo más corto posible para mantener una buena resolución.

Dificultades:

� Incompatibilidad del sistema con algunas fases móviles a determinadas velocidades de flujo.

� Conversión ineficaz del flujo de eluyente en el aerosol y su transporte al plasma (1-5%) �

Malos LOD

Ventajas:

� Fácil acoplamiento.

Precauciones:

� El tubo utilizado para conectar el HPLC con el ICP debe ser lo más corto posible para mantener una buena resolución.

Dificultades:

� Incompatibilidad del sistema con algunas fases móviles a determinadas velocidades de flujo.

� Conversión ineficaz del flujo de eluyente en el aerosol y su transporte al plasma (1-5%) �

Malos LOD


Solución � Utilización de otros sistemas de nebulización:

Nebulizadores de ultrasonidos.

Vaporizadores de termo spray.

Nebulizadores de vidrio fritado.

Nebulizadores de inyección directa.

Solución � Utilización de otros sistemas de nebulización:

Nebulizadores de ultrasonidos.

Vaporizadores de termo spray.

Nebulizadores de vidrio fritado.

Nebulizadores de inyección directa.


Aplicaciones HPLC-ICP-OES:

Muestra Elemento Especie Proc. de sep. LODs

Petróleo Pb Tetrametil y tetraetil Pb Fase reversa 42 ppb

C18, C8 y C1

Ambientales As anión arsénico Fase reversa, C18 ……

Ambientales Fe, Mo Comp. De carbonilo Fase reversa 0.7 ng

AEDT, C8

Agua residual Cr Cr (III), Cr (VI) Intercambio iónic. 7.5, 22.0 ng

Muestras Zn, Cd, Cu organometálicos Exclusión por tamaños

marinas

Muestra Elemento Especie Proc. de sep. LODs

Petróleo Pb Tetrametil y tetraetil Pb Fase reversa 42 ppb

C18, C8 y C1

Ambientales As anión arsénico Fase reversa, C18 ……

Ambientales Fe, Mo Comp. De carbonilo Fase reversa 0.7 ng

AEDT, C8

Agua residual Cr Cr (III), Cr (VI) Intercambio iónic. 7.5, 22.0 ng

Muestras Zn, Cd, Cu organometálicos Exclusión por tamaños

marinas


2.3.- HPLC-HG-AAS

Diagrama de bloques de un sistema HPLC-HG-AAS


Separación de diferentes especies de arsénico mediante HPLC-HG-AAS


Ventajas:

Separación y determinación de especies que forman hidruros volátiles. (As)

Inconvenientes:

En algunos casos para formar los hidruros es necesario la ruptura de las especies organometálicas

( uso de energía UV,MW )

Ventajas:

Separación y determinación de especies que forman hidruros volátiles. (As)

Inconvenientes:

En algunos casos para formar los hidruros es necesario la ruptura de las especies organometálicas

( uso de energía UV,MW )

BombaHPLC

UV

Generador dehidruros

Celda atómica

H2

NaBH4 N2 gas portador

HCl

Aire Columna HPLC

Inyector

Agua para refrigeración

HPLC-HG-AAS

HPLC-HG-AAS

2.4.- HPLC-HG-ICP

Sistema utilizado para la especiación de Se en muestras biológicas


2.5.- HG-CT-CG-AAS

Sistema utilizado para:

Determinacion de compuestos metilados de Se en aguas naturales.

Determinación de compuestos butilados de Sn y As.

Etapas:

� Derivatización en línea de la muestra acuosa.

RxSn (4-x) + NaBH4, H+ � RxSnH(4-x) + H2

� Preconcentración por crioenfoque (factores de preconcentración de 50 a 100 veces)

� Separación cromatográfica (CG).

� Detección mediante EAA con célula de cuarzo calentada eléctricamente.

Etapas:

� Derivatización en línea de la muestra acuosa.

RxSn (4-x) + NaBH4, H+ � RxSnH(4-x) + H2

� Preconcentración por crioenfoque (factores de preconcentración de 50 a 100 veces)

� Separación cromatográfica (CG).

� Detección mediante EAA con célula de cuarzo calentada eléctricamente.

Ventajas:

Interfase simple.

Reproducibilidad entre 5 y 15%.

Volumen muerto es mínimo para obtener mayor sensibilidad y minimizar las colas de los picos cromatográficos.

Ventajas:

Interfase simple.

Reproducibilidad entre 5 y 15%.

Volumen muerto es mínimo para obtener mayor sensibilidad y minimizar las colas de los picos cromatográficos.

Otros detectores:

� Detector fotométrico de llama (FPD).

� Sensibilidad excelente.

� No selectivo.

� Fluorescencia atómica.

� para análisis de Hg.

� Más sensible que AAS (niveles de pg)

Otros detectores:

� Detector fotométrico de llama (FPD).

� Sensibilidad excelente.

� No selectivo.

� Fluorescencia atómica.

� para análisis de Hg.

� Más sensible que AAS (niveles de pg)

2.4.- HPLC-HG-ICP

Ejemplos de técnicas acopladas usando

Cromatografía-Espectroscopía atómica

+

+

+

+

+

+

+HG-CT-GCQFFAAS

GC-QFAAS

Met,but,inor

Met,but,fen,in

or

Sn

+GC-GFAAS

HPLC-ICP-OES

Met,et,metet

Met,et,metet

Pb

++HG-CT-GC-QFAASSb(III),Sb(V)

met

Sb

+

+

++

+

HG-CT-GC-QFAAS

HPLC-GFAAS

Mel,As inorg

Met,fen,As

inorg

As

+

+GC-CVAAS

HPLC-CVAAS

metilHg

metilHg

Hg

+++

+

+HG-CT-GC-QFAAS

HPLC-ICP-OES

Se(IV)/Se(VI)

Se(IV)/Se(VI)

Se

Tejidos

sedimentaguaAireTécnicaEspecieElem

3.- Técnicas de separación cromatográfica en línea con técnicas espectroscópicas moleculares

3.1.- Cromatografía de Gases- Espectroscopia Infrarroja con

transformada de Fourier, GC-FTIR

Da información de los grupos funcionales e información

específica de las moléculas separadas por GC

IR dispersivo no es válido por:

- Demasiado lento

- Poco sensible para el análisis de compuestos orgánicos a nivel de trazas

Interfases GC-FTIR

Fases móviles GC (He,Ne, H2) son transparentes en IR medio

↓

Posibilidad de acoplamiento directo

Tipos de interfases:

A)Interfase de célula de flujo (lightpipe)

B)Interfase de atrapamiento criogénico (cold-trapping)

3.1.- Cromatografía de Gases- Espectroscopia Infrarroja con transformada de Fourier, GC-FTIR

A)Interfase de célula de flujo (lightpipe)

Usa una célula de flujo de reflexión múltiple

Realiza la conexión de la columna con una línea de transferencia

Caliente

Ventajas:

-simplicidad

-medidas en tiempo real

Problemas:

-necesidad de librerías IR e fase gas

-poco sensible

B)Interfase de atrapamiento criogénico (cold-

trapping)

Atrapamiento criogénico de los analitos antes del análisis

Placa ZnSe refrigerada a 77 K por nitrógeno líquido

Ventajas:

-alta sensibilidad

-posibilidad de comparación

con librerías de espectros

Problemas:

-los compuestos muy volátiles no

se atrapan eficientemente a esa temperatura

3.2.- Cromatografía de Líquidos-Resonancia Magnética Nuclear, LC-RMN

Problemas- RMN es poco sensible

- Necesidad de diseño de una célula de flujo adecuada para mantener la resolución de los picos cromatográficos:

Optimizar: diámetro y volumen de la célula

- Se requiere el uso de disolventes deuterados (muy costosos)

o si se usan disolventes protonados el uso de técnicas de supresión de disolventes

- Uso simultaneo de detector UV para registrar los picos cromatográficos

LC-RMN

LC-RMN

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Tema 1 Quimica Analitica