Cromatografía de Gases

La cromatografía de gases (GC) es una técnica analítica utilizada para separar y analizar compuestos volátiles en una muestra. Se basa en la distribución diferencial de los analitos entre una fase móvil (gas portador) y una fase estacionaria.

Instrumentación

Sistema de Aporte de Gases: El gas portador (He, Ar, N₂, H₂) debe ser químicamente inerte, de alta pureza, sin humedad, O₂ ni hidrocarburos. El caudal varía entre 25-50 mL/min para columnas de relleno y 1-25 mL/min para columnas capilares. La presión de entrada se regula entre 10-50 psi mediante manómetros, y el caudal se mide con un caudalímetro.

Sistemas de Inyección:

• Microjeringa: Se utiliza para inyectar muestras líquidas (punta biselada) o gaseosas (punta cónica) a través de un diafragma.
• Septa: De goma de silicona.
• Inyector automático: Para automatizar el proceso de inyección.

Tipos de Inyección:

• Inyección con división (SPLIT): Para analitos con concentraciones elevadas. Evita la saturación de la fase estacionaria y ofrece buena resolución. Se inyecta entre 0.2-2% de la muestra con temperatura de inyección elevada. El liner tiene una cámara de mezcla para homogeneizar la muestra.
• Inyección sin división (SPLITLESS): Para análisis de trazas. El liner es un tubo recto sin cámara de mezcla, y la temperatura se mantiene baja para evitar la descomposición térmica. Se inyecta aproximadamente el 80% de la muestra con un flujo de 1 mL/min.
• Inyección en columna: Para analitos que se descomponen térmicamente. La inyección se realiza directamente en la columna con temperaturas de cabeza e inyector bajas.
• Inyección por espacio de cabeza (headspace): Se inyecta el gas en equilibrio con la muestra líquida mantenida a temperatura constante en un vial cerrado. Útil para analitos volátiles en muestras poco volátiles. Ventajas: elimina interferencias de la matriz, reduce el pico del disolvente, mejora la sensibilidad y simplifica la preparación de la muestra.
• Inyección por purga o trampa: La muestra se sitúa en un recipiente con una entrada de gas inerte (He o N₂) que arrastra los compuestos volátiles, los cuales quedan atrapados en una trampa adsorbente. Luego, la trampa se calienta y los analitos se desorben y pasan al cromatógrafo de gases. Útil para análisis de trazas de analitos volátiles en muestras poco volátiles. Ventajas: purga todo el analito (preconcentración), elimina interferencias de la matriz y reduce el pico del disolvente. Adsorbentes comunes: tenax.

Horno y Columna:

• Modos de trabajo:
  • Isotermo: Temperatura constante durante la separación (T = P_eb medio).
  • Temperatura programada: La temperatura aumenta durante la separación (cuando los puntos de ebullición son muy distintos), disminuye el tiempo de retención (t_R) y los picos son más estrechos. Se utiliza para separar hidrocarburos.

Tipos de Columnas

• De relleno: Longitud (L) de 1-4 m y diámetro (D) de 2-6 mm. La fase estacionaria (FE) es un sólido o un líquido impregnado en partículas sólidas inertes (de naturaleza silícica).
• Capilares: La FE impregna directamente las paredes de la columna. D = 0.2-0.5 mm y L = 100 m. Fabricadas en acero, aluminio, teflón o vidrio. Ventajas: mayor resolución (Rs) debido a su mayor longitud, mayor número de platos teóricos (N), mejor tiempo de retención (tR) y menor cantidad de muestra.

Fases Estacionarias

• Cromatografía gas-sólido (GSC): La separación se basa en la adsorción de los analitos en la FE. Se utilizan columnas de relleno o capilares con una capa delgada de adsorbente (PLOT). Adsorbentes comunes:
  • Carbón activo: Produce fuerzas de London y retiene hidrocarburos y fenoles.
  • Alúmina: Crea puentes de hidrógeno, interacciones dipolo-dipolo y acepta electrones (retiene hidrocarburos ligeros y freones).
  • Gel de sílice: Crea puentes de hidrógeno con OH superficiales e interacciones dipolo-dipolo (retiene CO₂).
  • Poliestireno: Adsorción en los fenilos, retiene H₂O, NH₃ y alcoholes.
  • Zeolitas: Tamices moleculares que separan gases por tamaño. No son útiles para H₂O ni CO₂. Se usan para gases nobles, CO, O₂, N₂ e hidrocarburos de cadena corta.
• Cromatografía gas-líquido (GLC): La separación se basa en fenómenos de reparto entre la FE y la fase móvil (FM) y depende de la polaridad y el punto de ebullición. Características de las FE: baja volatilidad y temperatura de ebullición < 100 °C (que es la temperatura de trabajo), inercia frente a los solutos, estabilidad térmica, recubrimiento uniforme de los soportes sólidos, baja viscosidad y selectividad adecuada para la separación.

Polaridad de Solutos:

• No polar: Hidrocarburos saturados, olefínicos y aromáticos, halocarburos y mercaptanos.
• Polaridad intermedia débil: Éteres, cetonas (C=O), aldehídos (CHO), ésteres, aminas terciarias y nitroderivados.
• Polaridad intermedia fuerte: Alcoholes (OH), ácidos carboxílicos, fenoles, aminas primarias y secundarias, oximas.
• Muy polar: Polihidroxialcoholes, aminoalcoholes e hidroxiácidos.

Caracterización de la FE:

• Polaridad: Capacidad de la FE para separar compuestos polares de no polares.
• Selectividad: Propiedad de la FE para separar compuestos con diferentes estructuras.
• Índices de Kovats: Índice calculado para un compuesto en una columna determinada a partir de los tiempos de retención (tR) o volúmenes de retención (VR) de los alcanos lineales eluidos antes y después del mismo.

Detectores

• Detector de conductividad térmica (TCD): El eluato entra en contacto con un filamento de Re-W cuya resistencia depende de la temperatura. Los analitos disminuyen la conductividad térmica del gas portador, aumentando la temperatura del filamento y su resistencia. Gas portador: He o H₂. Ventajas: sencillez y no destructivo. Adecuado para columnas de relleno. Sensibilidad: 400 pg/s.
• Detector de ionización de llama (FID): El eluato se mezcla con H₂ y aire en una llama. El gas portador se ioniza poco. Las moléculas orgánicas se pirolizan dando iones CHO⁺ en la llama, que son repelidos hacia un electrodo colector. Se produce un aumento de la corriente de ionización. Selectivo para compuestos con átomos de carbono ionizables. Muy sensible.
• Detector termoiónico (TID): Detector de llama alcalina o de nitrógeno-fósforo. Selectivo para compuestos orgánicos que contienen N y P. El efluente de la columna se mezcla con H₂, pasa a través de la llama y se quema. El gas caliente fluye alrededor de una bola de silicato de rubidio caliente, la cual forma un plasma donde se forman muchos iones a partir de moléculas que contienen P o N. Sensibilidad: 100 fg/s.
• Detector de captura electrónica (ECD): Una lámina de ⁶³Ni produce radiación β que ioniza el gas portador (N₂ + β^– <-> N₂⁺ + 2e^–). Los electrones son atraídos por un ánodo creando una corriente. Las moléculas de analito con gran electroafinidad captan los electrones y el detector varía su voltaje para mantener la corriente constante. Selectivo para halogenados, -C=O conjugados, -C≡N, -NO₂ y organometálicos. Insensible a hidrocarburos, OH, C=O y aminas (especies electro-). Sensibilidad: 5 fg/s y no altera la muestra.
• Detector fotométrico de llama (FPD): Se utiliza para el análisis de contaminantes del aire y del agua (pesticidas e hidrocarburos). Selectivo para compuestos con S y P. El eluyente se hace pasar a través de una llama de H₂-aire a baja temperatura, la cual convierte parte del P en HPO que emite radiación detectada en un tubo fotomultiplicador. Sensibilidad: P < 1 pg y S < 10 pg.
• Detector de emisión atómica (AED): El eluato llega a un plasma cavitado de helio generado por microondas (MIP). Se produce la combustión de los solutos y se mide la emisión de los elementos constitutivos del analito. Sensibilidad: 0.1-20 pg/s.
• Detector de espectrometría de masas (MS): Detector discriminativo. El efluente llega hasta la fuente de ionización a través de un horno cilíndrico a temperatura que evita la condensación de los analitos.