Cromatografía de Gases

Fundamentos

En la cromatografía de gases (CG), la fase móvil (FM) es un gas portador. La muestra se volatiliza y se inyecta en la cabeza de una columna cromatográfica. La FM no interacciona con las moléculas del analito; su función es transportarlo a través de la columna. Hay dos tipos principales de cromatografía de gases: la cromatografía de gas-líquido (reparto) y la de gas-sólido (adsorción). El gas portador debe ser químicamente inerte, como helio (He) o nitrógeno (N₂). La CG se emplea en la separación de sustancias volátiles y térmicamente estables. Los analitos se distribuyen entre la fase estacionaria (FE) y la FM, disolviéndose en la FE líquida en mayor o menor extensión, dependiendo de su polaridad.

La temperatura es un factor muy importante: los gases son más solubles en líquidos a baja temperatura. Al aumentar la temperatura, tienden a escapar del líquido en función de su volatilidad. Se dan varias interacciones, como las fuerzas de Van der Waals (dipolo instantáneo-dipolo inducido (Fuerzas de London), dipolo permanente-dipolo inducido (Fuerzas de Debye), dipolo permanente-dipolo permanente (Fuerzas de Keesom)).

Instrumentación

Sistema de aporte de gases

El gas portador (He, Ar, N₂, H₂) debe ser químicamente inerte, de alta pureza, sin humedad, O₂ e hidrocarburos. Caudales típicos son de 25-50 mL/min para columnas de relleno y de 1-25 mL/min para columnas capilares. La presión de entrada suele estar entre 10-50 psi. La presión se regula con manómetros y el caudal se mide con un caudalímetro.

Sistemas de inyección

• Microjeringa: para inyectar muestra líquida (punta biselada) o gas (punta cónica) a través de un diafragma.
• Septum de goma de silicona.
• Inyector automático.

Tipos de inyección

PARA COLUMNA CAPILAR

• Inyección con división (Split): Adecuada para analitos con concentración elevada. Evita la saturación de la FE y ofrece una buena resolución. Se inyecta entre 0,2-2% de la muestra con una temperatura de inyección elevada. El liner tiene una cámara de mezcla para homogeneizar la muestra.

• Inyección sin división (Splitless): Ideal para el análisis de trazas. El liner no tiene cámara de mezcla, es un tubo recto, y la temperatura es menor, lo que evita la descomposición térmica durante el tiempo de residencia. Se inyecta aproximadamente el 80% de la muestra. Flujo típico de 1 mL/min.

• Inyección en columna: Apropiada para analitos que se descomponen térmicamente. La inyección se hace directamente en la columna. La temperatura de la cabeza e inyector es baja. Flujo típico de 2 mL/min.

• Inyección por espacio de cabeza (Headspace): Se inyecta el gas que está 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 y 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. Tras el periodo de purga, la trampa se calienta y los analitos se desorben y pasan al cromatógrafo de gases. Adecuada para el 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 incluyen Tenax.

Horno y columna

• Modos de trabajo:

  • Isotermo: Temperatura constante durante la separación (T = punto de ebullición 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, por ejemplo, para separar hidrocarburos.

TIPOS DE COLUMNAS

• De relleno: Longitud (L) = 1-4 m y diámetro (D) = 2-6 mm. La FE puede ser sólida o un líquido impregnado en partículas sólidas inertes (de naturaleza silícica).

• Capilares: La FE impregna directamente las paredes de la columna. Su D = 0,2-0,5 mm y L = hasta 100 m. Pueden ser de acero, aluminio, teflón o vidrio. Ventajas: mayor resolución (Rs) ya que, al ser más largas, tienen mayor número de platos teóricos (N), mejor tiempo de retención (tR) y menor cantidad de muestra requerida (μg) frente a las de relleno. Además, tienen menor difusión y, por lo tanto, picos más estrechos.

Fases estacionarias

Cromatografía gas-sólido (GSC)

Se basa en la adsorción de los analitos en la FE en columnas de relleno o capilares en cuya pared se deposita una capa delgada de adsorbente (PLOT). Estos adsorbentes pueden ser:

• 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 los grupos -OH superficiales e interacciones dipolo-dipolo. Retiene el CO₂.
• Poliestireno: Adsorción en los grupos fenilo. Retiene el H₂O, NH₃ y alcoholes.
• Zeolitas: Son tamices moleculares que separan los gases por tamaño. No son útiles para el H₂O ni el CO₂, ya que necesitan una fuente de adsorción. 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 FM, y depende de la polaridad y el punto de ebullición. Las características de las FE son: baja volatilidad y temperatura de ebullición > 100 ºC por encima de la temperatura de trabajo, inercia frente a los solutos, estabilidad térmica, recubrimiento uniforme de los soportes sólidos, baja viscosidad y selectividad adecuada a la separación.

Polaridad de solutos:

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

Caracterización de FE:

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

Detectores

• Detector de conductividad térmica (TCD): El eluato se pone 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. Se emplea He o H₂ como gas portador. Ventajas: sencillez, no destructivo y útil para columnas de relleno. Sensibilidad de 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 produciendo iones CHO⁺ en la llama, que son repelidos hacia un electrodo colector. Se produce un aumento de la corriente de ionización. Es selectivo para compuestos con átomos de C ionizables y muy sensible.

• Detector termoiónico (TID): También llamado detector de llama alcalina o de nitrógeno-fósforo. Es 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 de 100 fg/s.

• Detector de captura electrónica (ECD): Una lámina de ⁶³Ni produce radiación β que ioniza al gas portador (N₂ + β^– <-> N₂⁺ + 2e^–). Los electrones son atraídos por un ánodo, creando una corriente. Moléculas de analito de gran electroafinidad captan los electrones y el detector varía su voltaje para mantener la corriente constante. Es selectivo para halogenados, -C=O conjugados, -C≡N, -NO₂ y organometálicos. Insensible a hidrocarburos, -OH, cetonas y aminas (especies electronegativas). Sensibilidad de 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, como pesticidas e hidrocarburos. Es selectivo para compuestos que contienen 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 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 de 0,1-20 pg/s.

• Detector de espectrometría de masas: Es un detector discriminativo. El efluente de la columna llega hasta la fuente de ionización a través de un horno cilíndrico a una temperatura que evita la condensación de los analitos. Se utiliza para muestras complejas con picos no resueltos y compuestos térmicamente inestables (para los que se requieren columnas de GC cortas) porque el detector de MS proporciona selectividad adicional. El barrido completo (SCAN) o corriente iónica total (TIC) nos da una imagen completa de la muestra. Sin embargo, si se quiere localizar la presencia de uno o más compuestos determinados, de espectro conocido, con la mayor rapidez o con la máxima sensibilidad posible, se usa la técnica de detección SIM (monitoreo selectivo de iones). Así, se detectan solo algunas masas de interés, en vez de trabajar con el total de los iones, aumentando la sensibilidad y la selectividad del método y reduciéndose las interferencias, aunque se obtiene una imagen incompleta de la muestra. En la interfase en columnas capilares, con flujos de 1-2 mL/min, la conexión directa no presenta problemas de vacío y toda la muestra eluída llega a la fuente de ionización. En columnas empaquetadas (15-20 mL/min), hay que usar separadores que eliminen el exceso de gas portador.