LOS PRINCIPIOS Y USOS DE LA CROMATOGRAFÍA DE GASES (GC) VIDEO ANIMACION 3D

CROMATOGRAFÍA DE GASES: DEFINICIÓN, PRINCIPIO, FUNCIONAMIENTO, USOS

Por Edwin W.
Bioquímico

¿Qué es la cromatografía de gases?

La cromatografía de gases determina cuántos productos químicos están presentes en una muestra y separa cada compuesto para estudiarlo. Funciona así, primero el instrumento de cromatografía vaporiza una pequeña muestra líquida dentro de un especial cámara barriendo el gas resultante a través de una columna calentada con la ayuda de un gas portador inerte conocido como la fase móvil.

Una fase estacionaria líquida dentro la columna ralentiza el gas de muestra moléculas a medida que pasan a través del columna dependiendo de su tamaño y otras propiedades diferentes compuestos pasan a través de la fase estacionaria a diferentes velocidades saliendo de la columna uno por uno solo antes de que cada compuesto salga del instrumento y pasa a través de un detector que registra el tiempo y cantidad relativa  de cada sustancia. El detector envía una señal electrónica a un amplificador que imprime un cromatograma representando el tiempo de salida y la cantidad de cada compuesto con una serie de picos comparando estos picos con los patrones se sabe que es producido por ciertos sustancias estupefacientes, por ejemplo, pistas sobre la composición de la muestra original.

• Por lo tanto, se utiliza para separar y detectar compuestos de pequeño peso molecular en la fase gaseosa.
• La muestra es un gas o un líquido que se vaporiza en el puerto de inyección. La fase móvil para la cromatografía de gases es un gas portador, típicamente helio debido a su bajo peso molecular y al ser químicamente inerte.
• La presión se aplica y la fase móvil mueve el analito a través de la columna. La separación se logra usando una columna recubierta con una fase estacionaria

Principio de la cromatografía de gases (cómo funciona la cromatografía de gases) 

Youtube: Bits de Ciencia Oficial

El equilibrio para la cromatografía de gases es la división, y los componentes de la muestra se dividirán (es decir, se distribuirán) entre las dos fases: la fase estacionaria y la fase móvil. Los compuestos que tienen una mayor afinidad por la fase estacionaria pasan más tiempo en la columna y, por lo tanto, eluyen más tarde y tienen un mayor tiempo de retención (Rt) que las muestras que tienen una mayor afinidad por la fase móvil.

La afinidad por la fase estacionaria está impulsada principalmente por las interacciones intermoleculares y la polaridad de la fase estacionaria se puede elegir para maximizar las interacciones y, por lo tanto, ocurre la separación. Los picos ideales son distribuciones gaussianas y simétricas, debido a la naturaleza aleatoria de las interacciones del analito con la columna. Por lo tanto:

- La separación se logra dividiendo la muestra entre el gas y una capa delgada de un líquido no volátil retenido en un soporte sólido. 

- Se inyecta una muestra que contiene los solutos en un bloque calentado donde se vaporiza inmediatamente y se barre como un tapón de vapor por la corriente de gas portador en la entrada de la columna.

- Los solutos son adsorbidos por la fase estacionaria y luego desorbidos por un nuevo gas portador.

- El proceso se repite en cada placa a medida que la muestra se mueve hacia la salida.

- Cada soluto viajará a su propio ritmo a través de la columna.

- Sus bandas se separarán en zonas distintas según los coeficientes de partición y la extensión de la banda.

- Los solutos se eluyen uno tras otro en el orden creciente de su kd, y entran en un detector conectado al extremo de salida de la columna.

- Aquí registran una serie de señales resultantes de los cambios de concentración y las tasas de elución en el registrador como un gráfico de tiempo frente a la composición de la corriente de gas portador.

- El tiempo de aparición, la altura, el ancho y el área de estos picos se pueden medir para obtener datos cuantitativos.

Partes de cromatografía de gases

La cromatografía de gases se compone principalmente de las siguientes partes:

1. Gas portador en un cilindro de alta presión con reguladores de presión y medidores de flujo.

- Helio, N2, H, Argón se utilizan como gases portadores.

-  El helio se prefiere para los detectores de conductividad térmica debido a su alta conductividad térmica en relación con la de la mayoría de los vapores orgánicos.

- El N2 es preferible cuando se emplea un gran consumo de gas portador.

- El gas portador del tanque pasa a través de una válvula de palanca, un medidor de flujo (1-1000 ml / min), limitadores capilares y un manómetro (1-4 atm).

- El caudal se ajusta mediante una válvula de aguja montada en la base del medidor de flujo y controlada por limitadores capilares.

- La eficiencia operativa del cromatógrafo de gases depende directamente del mantenimiento del flujo constante de gas.

2. Sistema de inyección de muestra

- Las muestras líquidas se inyectan mediante una microjeringa con una aguja insertada a través de un tabique autoescalado de caucho de silicona en un bloque de metal calentado por un calentador de resistencia.

- Las muestras gaseosas se inyectan con una jeringa estanca a los gases o mediante un circuito de derivación y válvulas.

- Los volúmenes de muestra típicos varían de 0.1 a 0.2 ml.

3. La columna de separación

- El corazón de la cromatografía de gases es la columna que está hecha de metales doblados en forma de U o enrollados en una espiral abierta o en forma de panqueque plano.

- El cobre es útil hasta 2500

- Los accesorios de bloqueo Swege facilitan la inserción de la columna.

- Se utilizan varios tamaños de columnas según los requisitos.

4. Fases líquidas

-  Hay una infinita variedad de fases líquidas disponibles limitadas solo por su volatilidad, estabilidad térmica y capacidad para humedecer el soporte.

- Ninguna fase única servirá para todos los problemas de separación a todas las temperaturas.

No polar: parafina, escualano, grasas de silicona, apiezon L, goma de silicona. Estos materiales separan los componentes en orden de sus puntos de ebullición.

Polaridad intermedia: estos materiales contienen un grupo polar o polarizable en un esqueleto no polar largo que puede disolver solutos polares y no polares. Por ejemplo. El dietil hexil ftalato se usa para la separación de alcoholes de alto punto de ebullición.

Polar - Carbowaxes - Fases líquidas con una gran proporción de grupos polares. Separación de sustancias polares y no polares.

Enlace de hidrógeno: fases líquidas polares con alto enlace de hidrógeno, p. Glicol.

5. Soporte

- La estructura y las características de la superficie de los materiales de soporte son parámetros importantes que determinan la eficiencia del soporte y el grado de separación, respectivamente.

- El soporte debe ser inerte pero capaz de inmovilizar un gran volumen de fase líquida como una película delgada sobre su superficie.

- El área de la superficie debe ser grande para asegurar el rápido logro del equilibrio entre las fases estacionarias y móviles.

- El soporte debe ser lo suficientemente fuerte como para resistir la descomposición en el manejo y ser capaz de empacarse en una cama uniforme.

- Tierra de diatomeas, el kieselguhr tratado con Na 2CO 3 para 9000 C provoca la fusión de partículas en agregados más gruesos.

- Las perlas de vidrio con un área superficial baja y baja porosidad pueden usarse para recubrir hasta un 3% de fases estacionarias.

- También se usan perlas poliméricas porosas que difieren en el grado de reticulación del estireno con alquilvinilbenceno que son estables hasta 2500

6. Detector

- Los detectores detectan la llegada de los componentes separados y proporcionan una señal.

- Estos dependen de la concentración o de la masa.

- El detector debe estar cerca de la salida de la columna y la temperatura correcta para evitar la descomposición.

7. Grabadora

- El registrador debe tener generalmente 10 mv (escala completa) equipado con un lápiz de respuesta rápida (1 segundo o menos). La grabadora debe estar conectada con una serie de resistencias de buena calidad conectadas a través de la entrada para atenuar las señales grandes.

- Un integrador puede ser una buena adición.

El procedimiento de cromatografía de gases

Paso 1: inyección de muestra y vaporización

- Se extrae una pequeña cantidad de muestra líquida para analizar en una jeringa.

- La aguja de la jeringa se coloca en el puerto de inyección caliente del cromatógrafo de gases y la muestra se inyecta rápidamente.

- La inyección de la muestra se considera un "punto" en el tiempo, es decir, se supone que toda la muestra ingresa al cromatógrafo de gases al mismo tiempo, por lo que la muestra debe inyectarse rápidamente.

- Se establece que la temperatura sea más alta que los puntos de ebullición de los componentes de la mezcla para que los componentes se vaporicen.

- Los componentes vaporizados luego se mezclan con la fase móvil de gas inerte para ser llevada a la columna de cromatografía de gases a ser separada.

Paso 2: separación en la columna

- Los componentes de la mezcla se separan en función de sus capacidades para adsorberse o unirse a la fase estacionaria.

- Un componente que se adsorba con mayor fuerza a la fase estacionaria pasará la mayor parte del tiempo en la columna (se mantendrá en la columna durante el mayor tiempo) y, por lo tanto, tendrá el mayor tiempo de retención (Rt). Saldrá del último cromatógrafo de gases.

- Un componente que se adsorba con menos fuerza a la fase estacionaria pasará el menor tiempo en la columna (será retenido en la columna por el menor tiempo) y, por lo tanto, tendrá el menor tiempo de retención (Rt). Primero saldrá del cromatógrafo de gases.

- Si consideramos una mezcla de 2 componentes en la que el componente A es más polar que el componente B, entonces:

el componente A tendrá un mayor tiempo de retención en una columna polar que el componente B

el componente A tendrá un tiempo de retención más corto en una columna no polar que el componente B

Paso 3: detección y registro de resultados

Los componentes de la mezcla llegan al detector en diferentes momentos debido a las diferencias en el tiempo que se retienen en la columna.

El componente que se retiene el menor tiempo en la columna se detecta primero. El componente que se retiene durante más tiempo en la columna se detecta en último lugar.

El detector envía una señal al registrador de gráficos que produce un pico en el papel de gráficos. El componente que se detecta primero se registra primero. El componente que se detecta en último lugar se graba en último lugar.

Aplicaciones

- El análisis GC se utiliza para calcular el contenido de un producto químico, por ejemplo, para asegurar la calidad de los productos en la industria química; o medir sustancias tóxicas en el suelo, el aire o el agua.

- La cromatografía de gases se utiliza en el análisis de:

(a) contaminantes transportados por el aire

(b) medicamentos para mejorar el rendimiento en muestras de orina de atletas

(c) derrames de petróleo

(d) aceites esenciales en la preparación de perfumes

- El GC es muy preciso si se usa correctamente y puede medir picomoles de una sustancia en una muestra líquida de 1 ml, o concentraciones de partes por billón en muestras gaseosas.

- La cromatografía de gases se usa ampliamente en la ciencia forense. Disciplinas tan diversas como la identificación y cuantificación de dosis de drogas sólidas (forma previa al consumo), investigación de incendios provocados, análisis de astillas de pintura y casos de toxicología, emplean GC para identificar y cuantificar varias muestras biológicas y evidencia de la escena del crimen.

Ventajas

- El uso de columnas más largas y una mayor velocidad del gas portador permite la rápida separación en cuestión de minutos.

- Las temperaturas de trabajo más altas de hasta 5000 ° C y la posibilidad de convertir cualquier material en un componente volátil hacen de la cromatografía de gases una de las técnicas más versátiles.

- GC es popular para el monitoreo ambiental y las aplicaciones industriales porque es muy confiable y se puede ejecutar de manera casi continua.

- El GC se usa típicamente en aplicaciones donde se detectan moléculas pequeñas y volátiles y con soluciones no acuosas.

- GC es favorecido por las moléculas no polares.

Limitaciones

- El compuesto a analizar debe ser estable en condiciones de funcionamiento de GC.

- Deben tener una presión de vapor significativamente mayor que cero.

- Típicamente, los compuestos analizados son menos de 1,000 Da, porque es difícil vaporizar compuestos más grandes.

- También se requiere que las muestras estén libres de sal; No deben contener iones.

- Se pueden medir cantidades muy pequeñas de una sustancia, pero a menudo se requiere que la muestra se mida en comparación con una muestra que contiene la sustancia pura y sospechosa conocida como patrón de referencia.

Referencias

• https://nptel.ac.in/courses/103108100/module7/module7.pdf
• https://www.jove.com/science-education/10187/gas-chromatography-gc-with-flame-ionization-detection
• http://davisson.nat.uni-magdeburg.de/Downloads/Chromatographie.pdf