CROMATOGRAFÍA DE GASES (UNA TÉCNICA DE SEPARACIÓN)

Transcripción

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2 CROMATOGRAFÍA DE GASES (UNA TÉCNICA DE SEPARACIÓN) Cromatograma Cromatógrafo 2

3 ESQUEMA DE UN CROMATÓGRAFO Regulador Dos Pasos Puerto de inyección Detector Gas Portador Columna Registrador Cilindro de Gas 3

4 REQUISITOS DEL GAS PORTADOR 1. Puro (seco) 2. Inerte 3. Compatible con el detector 4

5 GASES PORTADORES PREFERIDOS Detector Conductividad Térmica(TC) Gas Portador Helio Ionización de Nitrógeno o Flama (FID) Helio Captura de Nitrógeno (muy seco) Electrones (EC) (Libre de Oxígeno) o Argón, 5% Metano 5

6 EFECTO DEL FLUJO SOBRE LA EFICIENCIA Máxima Eficiencia Eficiencia de la Columna Region Flujo Óptimo Flujo 6

7 JERINGA ANALÍTICA Guía de protección del émbolo barril Aguja Refuerzo del émbolo 7

8 JERINGAS ANALÍTICAS 8

9 TAMAÑOS DE MUESTRA TÍPICOS Tipo de columna Líquido( l) Gas (ml) 1/4" Empacada /8" Empacada mm Capilar con Splitter Las cantidades dependen del tipo de columna, detector y objetivo del análisis 9

10 INTRODUCCIÓN DE MUESTRAS 1. Columna empacada - A) vaporización Flash B) On-Column 2. Introductores capilares Split Splitless tipo Grob Directa 3. Válvula de muestreo de gases 10

11 Split y Splitless Split Vaporiza y elimina la mayor parte de la muestra al venteo Splitless Vaporiza y transfiere la mayor parte de la muestra a la columna; usa cold trapping y efecto de solvente para enfocar la banda Se usa el mismo inyector 11

12 Inyector SPLIT- SPLITLESS Modo Split Se usa para muestras concentradas ppm y más Inyector caliente; vaporiza la muestra Mezclado con gas portador Usa válvula de purga para dividir (split) la muestra La relación de split crítica Poner una fracción de la muestra en la columna 12

13 Inyección SPLIT Alta temperatura Velocidad lineal alta Transferencia rápida La mayor parte de la muestra se pierde Relación de Split muy importante Geometría del Liner 13

14 Determinación clásica del Split Mida el flujo de la columna a partir de t m F c = r 2 L/t m Mida el flujo de la purga Fs Split Ratio = F s / F c Cuales son los problemas con estas mediciones? Realmente sabemos cuanto inyectamos? Realmente importa saber el volumen inyectado? 14

15 Determinación moderna del Split Los sistemas EPC miden presión y flujos El flujo en la columna se calcula de las condiciones del inyector y las dimensiones de la columna El flujo de purga se ajusta al valor deseado 15

16 Ecuaciones de Flujo 16

17 Ventajas inyectores Split Tamaño de muestra reducido (bandas estrechas) Flujo rápido en el inyector (bandas estrechas) Muestras sucias OK Simple de operar (CG isotérmica) Inyecta muestras limpias Excelente acoplamiento 17

18 Desventajas inyectores Split División no lineal Se pierden altos pesos moleculares Degradación Térmica Las superficies metálicas calientes promueven reacciones Discriminación en la jeringa caliente Análisis limitados Detección de ppm con FID 18

19 Técnicas de Inyección Split Jeringa llena Jeringa fria Jeringa caliente Barrido con disolvente 19

20 Discriminación en Split 20

21 Resumen Inyector Split Simple Técnica de vaporización en caliente Discriminación en inyección (usar automuestreadores) Discriminación del liner Usar lana de vidrio (desactivada) Geometría del liner crítica Mejor para muestras concentradas o puras ppm s o más 21

22 Inyector SPLIT- SPLITLESS Modo Splitless Se vaporizar la muestra en el inyector caliente Se mantiene cerrada la válvula de split por unos cuantos segundos Se abre la válvula con el split seleccionado 10:1 a 200:1 Con ello se logra ingresar una mayor cantidad de muestra a la columna y se elimina el disolvente 22

23 Inyector Splitless Se inyecta la muestra en caliente y sin purga 95% de la muestra entra a la columna Mismo hardware que en split excepto el liner Mas variables disolvente, tiempo splitless, temperatura de columna Se abre la válvula de purga después de un tiempo corto Mas sensibilidad 23

24 INYECCIÓN SPLITLESS Alta temperatura Baja velocidad lineal Transferencia lenta Muestra + Solvente a la columna Muchos factores importantes 24

25 Etapas Inyección Splitless Válvula de purga cerrada; columna fría Se inyecta la muestra La inyección rápida del automuestreador mejor El flujo en el inyector es lento; transferencia lenta a la columna fría Después de seg, se abre la válvula de purga- limpieza del inyector Se usa programación de temperatura 25

26 ENSANCHAMIENTO DE BANDA Tiempo Espacio (efecto del solvente) Enfoque térmico Tiempo Espacio Enfoque Grob, K., Split and Splitless Injection in Capillary GC, Huthig, 1993, pp ,

27 Mecanismos de Enfoque de Banda Inyecciones Splitless involucran una transferencia lenta a la columna ---> los primeros picos son anchos Se requiere enfoque Trampa fría Efecto de solvente 27

28 Inyector Cool on Column La temperatura inicial de la columna es lo suficientemente baja como para congelar los analitos en la columna. 28

29 INYECTOR ON-COLUMN Aguja Jeringa < 0,25 mm 0.35 mm Columna Gas portador Septum Bloque Caliente Lana de vidrio Remplace frecuentemente el septum (~ 50 inyecciones) 29

30 TEMPERATURA INICIAL 40 o C 20 o C 0 o C -20 o C -40 o C hexano, heptano 500 ppb 10 min extracción Fibra: PDMS 100 m Liner mm o C Pinj: 1 bar(g) 30

31 Efecto de Solvente El solvente se re-condensa en la columna Un tapón de líquido Empezar con la columna de C por abajo del punto de ebullición del solvente 31

32 Efecto de Solvente 32

33 Efecto de Solvente Re-enfoca compuestos moderadamente volátiles cerca de la entrada de la columna Se requiere que el disolvente moje la fase estacionaria Uso de disolventes no polares con fases estacionarias no polares, etc. 33

34 TEMPERATURA INICIAL DE LA COLUMNA Y EFECTO DE SOLVENTE 40 o C 60 o C 0 20 TIEMPO (min) 0 20 TIEMPO (min) Solvente: CIclohexano (pe 81 o C), Muestra: hidrocarburos 10ppm 34

35 INYECCIÓN DIRECTA CAPILAR Sólo con películas gruesas o megaboro El propósito simplicidad y grandes cantidades de muestra La banda de soluto debe reenfocarse (temp) 35

36 TEMPERATURA DEL INYECTOR REAL Valor 350 o C Distancia del septum (mm) Temperatura del Gas Portador ( o C) Klee, M.S., GC Inlets: An Introduction, Hewlett Packard, 1991, p

37 TEMPERATURA DEL INYECTOR CROMATOGRAMAS o C octano 2. decano 3. tridecano 4. tetradecano 5. pentadecano o C HP Pinj = 5.0 psi HP5 30m x 0.25mm x 0.25 mm Transfer: 280 o C TP: 40 o C inicial, 1 min, 10 o C/min 37

38 PRESIÓN DE ENTRADA La velocidad lineal del gas se incrementa Inyector Columna Incrementa temperatura de punto de ebullición del analito 38

39 PULSO DE PRESIÓN Incrementa la presión solo durante la inyección Tiempo de Purga ON Presión (kpa) Tiempo (min) 20 39

40 PULSO DE PRESIÓN sin Pulso octane 2. decano 3. tridecano 4. tetradecano 5. pentadecano pulso de 15 psi HP Pinj = 5.0 psi HP5 30m x 0.25mm x 0.25 mm Transfer: 280 o C Presión incrementada a 15 psig durante el periodo splitless TP: 80 o C inctial, 1 min, 10 o C/min 40

41 OPTIMIZACIÓN INYECCIÓN SPLITLESS Puede ser difícil Minimizar el tiempo de transporte (alta velocidad lineal) Maximizar enfoque térmico (baja temperatura inicial de la columna) Maximizar efecto de solvente (baja temperatura inicial de la columna) La naturaleza química sigue siendo un factor 41

42 REFERENCIAS Grob, K. Split and Splitless Injection in Capillary GC, 3rd. Edition, Wiley, Klee, M.S., GC Inlets: An Introduction, Hewlett Packard, Stafford, S.S., Electronic Pressure Control in Gas Chromatography, Hewlett Packard, A primer on GC injection techniques 42

43 VÁLVULA DE MUESTREO DE GASES Gas Portador Gas Portador A la columna A la columna Muestra Posición de carga Loop de Muestra Posición de Inyección 43

44 COLUMNAS CAPILARES Y EMPACADAS Soporte Sólido Fase Líquida 1/8" OD Columna empacada 0.25 mm ID Capilar o WCOT 44

45 FASE MÓVIL (Gas acarreador) COLUMNA DE CG (EMPACADA) FASE ESTACIONARIA 45

46 COLUMNA EMPACADA Gas Portador Fase Estacionaria Acero Inoxidable Fase líquida (5 o10% en peso) Soporte Sólido La separación depende de la distribución de las moléculas entre el gas y la fase líquida 46

47 COLUMNAS EMPACADAS - REVISIÓN Largo 3,6 o 12 Ft 1/4 y 1/8 pulgada de D.E. Acero Inox. o vidrio Fáciles de fabricar y usar Una gran variedad de fases líquidas Un número modesto de platos (8000 Máximo) 47

48 COLUMNAS CAPILARES (WCOT-WALL COATED OPEN TUBULAR) DI's 100, 250, 320, 530 m Tubo Silica Fundida Fase Líquida m 48

49 polyimide coating fused silica capillary stationary phase WCOT Wall Coated Open Tube PLOT Porous Layer Open Tube SCOT Support Coated Open Tube Capillary Columns Length: 10m to 100m Diameter: 180um, 250um, 320um & 530um I.d Packed Columns Length: <2m Diameter: 1/8 & ¼ OD 49

50 CAPILARES/ OPEN TUBULAR COLUMN Tubo Columna Capilar de 100 Metros Abierto (Sin empaque) 50

51 WCOT- WALL COATED OPEN TUBULAR Tubo de sílica fundida Fase estacionaria 51

52 WCOT-MEJOR RESOLUCIÓN Espesor de película: 0.1 a 5.0 m ID: 0.10, 0.25, 0.32, 0.53 mm Largo: 10 a 100 metros 52

53 OTROS TIPOS DE COLUMNAS CAPILARES Fase Líquida Soporte Adsorbent eporoso SCOT NO DISPONIBLE EN SÍLICA FUNDIDA PLOT MOLECULAR SIEVE, ALUMINA, PORAPAK Q 53

54 COLUNAS DE SÍLICA FUNDIDA Alta fuerza tensil Flexible Recubrimiento de poliimida Muy inertes 54

55 Capilares vs Empacadas CAPILAR EMPACADA Largo 60 metros 2 metros Platos Teóricos 3,000-5, (N/m) Número Total K 4000 Largo x N/m 55

56 PACKED COLUMN -- ECD R AROCHLOR C 1500 THEORETICAL PLATES 0 60 minutos 56

57 COLUMNA CAPILAR Cromatograma de Propóleo Fluído Abundance TIC: M3.D Time-->

58 PARÁMETROS IMPORTANTES 2) Largo 1) Diámetro interno 5) Flujo Fase estacionaria: 3) Espesor de película 4) Composición 58

59 DIÁMETRO DE LA COLUMNA DIAMETRO INTERNO RESOLUCIÓN TIEMPO CAPACIDAD FACIL 100 m Muy Buena Muy Buena Razonable Razonable 250 m 320 m Buena Buena Buena Buena 530 m Razonable Buena Muy Buena Muy Buen a 59

60 COLUMNAS CAPILARES DE 100 µm I.D. Alta velocidad Mejor resolución (500,000 platos en 50m) Poco sangrado Equipos de GC capilares 60

61 LARGO DE LA COLUMNA N L R L t R L 61

62 LARGO DE LA COLUMNA LARGO DE LA COLUMNA RESOLUCIÓN TIEMPO Larga ( M) Alta Lento Corta (5-10 M) Moderada Rápida Media (25-30 M) Intermedio/Bueno para comenzar 62

63 ESPESOR DE LA FASE ESTACIONARIA 0.25 m USO GENERAL 0.25 m INTERMEDIA ENTRE RESOLUCIÓN Y CAPACIDAD TEMPERATURAS PRÁCTICAS CON POCO SANGRADO SE PUEDEN OPTIMIZAR PARA TIEMPO Y RESOLUCIÓN 63

64 PELÍCULAS GRUESAS- FASE ESTACIONARIA 1.0 m VENTAJAS LOS VOLÁTILES SE RETIENEN MAS AUMENTO DE LA CAPACIDAD PARA GC/MS, GC/IR DESVENTAJAS MENOS EFICIENTE SE REQUIERE DE TEMPERATURAS ALTAS -- RUIDO MAYOR SANGRADO 64

65 GAS NATURALCOLUMNA: WCOT ESPESOR: o 50M X 320 m CP-Sil 8 CB 5 m TEMPERATURA: 40 C (1 min); 40 C to 200 C, 5 C/min 1. metano 2. etano 3. propano 4. n-butano 14. benceno 65

66 PELÍCULAS DELGADAS- FASE ESTACIONARIA 0.2 m VENTAJAS MAYOR EFICIENCIA MENOR TEMP. DE ELUCIÓN (Menos sangrado) ANÁLISIS RÁPIDOS DESVENTAJAS MENOR CAPACIDAD LIMITACIONES ANÁLISIS DE TRAZAS 66

67 PELÍCULA DELGADA/ALTA RESOLUCIÓN REFRESCANTE DEL AMBIENTE COLUMNA: 10 M x 200 m ID 0.2 m film OV-101 GAS: He, 40 cm/sec MUESTRA: 1.5 l, split 200:1 67

68 REQUISITOS DE LAS FASES ESTACIONARIAS ALTA SELECTIVIDAD BAJO SANGRADO ESTABILIDAD A ALTA TEMPERATURA REPRODUCIBILIDAD ESTABILIDAD QUÍMICA CON EL TIEMPO 68

69 FASES ESTACIONARIAS TIPOS MÁS COMUNES OV-1 OV-17 CH 3 ( Si-O ) n ( Si-O ) n CH 3 CH 3 FASE DE GOMA DE POLISILOXANO LAS MAS ÚTILES (TÉRMICAMENTE ESTABLE): OV-1, SE-30, SE-52, SE-54, OV-17, OV-1701, OV

70 FASES DE POLIETILENGLICOL VIDA LIMITADA (CARBOWAX 20M, SUPEROX 20M)R FASES ESTACIONARIAS TIPOS MÁS COMUNES CARBOWAX ( O-CH -CH ) 2 2 n

71 O Si FASES ENTRECRUZADAS Entrecruzado Cadena O O Si O O Si MAS ESTABLES SE PUEDEN LAVAR CON SOLVENTES TIEMPOS DE VIDA MÁS LARGOS Si Si O O

72 RVAS DE GOLAY PARA N 2, H 2, He

73 ESUMEN COLUMNAS CAPILARES BO ABIERTO A FASE IDA(~ 10 UBO DE D.I. UEÑO VENTAJAS BAJA CAIDA DE PRESIÓN MAYOR LARGO MAS PLATOS MÁS EFICIENTE TIEMPO DE RETENCIÓN CORTO RÁPIDOS LIMITACIONES NINGUNA FLUJOS BAJOS CONECTORES ESPECIALES MUESTRA

74 RESUMEN COLUMNAS CAPILARES ERAL VENTAJA S SEPARACIONES IMPOSIBLES CON EMPACADAS RÁPIDAS Y MEJOR RESOLUCIÓN LIMITACIONES CARAS EQUIPOS ESPECIALES

75 GUIAS PARA SELECCIÓN DE COLUMNAS ALTA RESOLUCIÓN TIEMPO MAS CAPACIDAD PESOR LÍCULA( m) METRO ERNO ( m) RGO M) ATOS ) UJO BAJO ALTO MODERADA

76 PRESIÓN EN LA COLUMNA (psi, H e o H 2 ) go (m) Columna D.I. (mm)

77 GRÁFICOS DE GOLAY Columna empacada Capilar Gruesa Capilar Delgada

78 COLUMNAS CAPILARES Largo de 5 a 100 metros 100 a 530 m D.I. Silica fundida (recubrimiento de poliimida ) Separaciones muy eficientes (100,000 platos)

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83 DETECTORES DE CG Detector de Ionización de Flama (FID) Muy Sensible ~ 100 ppb Aplicable sólo a compuestos orgánicos Detector de Conductividad Térmica (TCD) Universal-todos los compuestos Sensibilidad Moderada ~ 10 ppm Detector de Captura de Electrones (ECD) El más sensible ~ 10 ppb Muy Selectivo

84 Detector de Ionización de Flama FID

85 Ionización de Flama FID Cantidad Mínima Detectable (CMD) Respuesta Linearidad Estabilidad Gas portador Límite de Temperatura a g/seg (~50 ppb) Selectivo sólo orgánicos 1 a 10 6 excelente N 2 o He 400 c

86 Detector de Conductividad Térmica TCD

87 Conductividad Térmica TC Cantidad Mínima Detectable (CMD) Respuesta Linearidad Estabilidad Gas portador Límite de Temperatura 10-8 g/seg (~10 a 1 ppm) Universal 1 a 10 4 buena H 2 o He 400 c

88 Detector de Captura de Electrones ECD

89 Captura de electrones ECD Cantidad Mínima Detectable (CMD) Respuesta Linearidad Estabilidad Gas portador Límite de Temperatura g/seg (~10 a 1 ppm) Selectivo a compuestos electronegativos 1 a 10 5 razonable H 2 o He 325 c

90 Detector de Nitrógeno- Fósforo NPD

91 Detector de Nitrógeno y Fósforo NPD Cantidad Mínima Detectable (CMD) Respuesta Linearidad Estabilidad Gas portador Límite de Temperatura g/seg (~10 a 1 ppm) Selectivo a compuestos con Nitrógeo o Fósforo 1 a 10 4 razonable N 2 o He 300 c

92 Detector de Fotométrico de Flama FPD

93 Detector Fotómetrico de Flama FPD Cantidad Mínima Detectable (CMD) Respuesta Linearidad Estabilidad Gas portador Límite de Temperatura g/seg Fósforo =525nm 10-9 g/seg Azufre =394nm Selectivo a compuestos con Azufre o Fósforo 1 a 10 4 buena N 2 o He 350 c

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95 Comparación de Sensibilidad

96 LINEALIDAD DEL DETECTOR Respuesta lineal máxima Concentración mínima detectable

97 IDO Y DERIVA DEL DETECTOR do de alta frecuencia do baja frecuencia iva y ruido de baja frecuencia

98 Curva de calibración

99 Comparación de métodos

100 FACTOR DE RESPUESTA D PENDIENTE = BD / AB Respuesta. C PENDIENTE = BC / AB A Concentración B

101 DIAGARAMA DE BLOQUES DE CG (ZONAS CALIENTES) Gas Portador Registrador Puerto de Inyección Columna Caliente para Vaporizar SPL Caliente para Controlar t R Detector Sistema de datos Caliente para Mantener Limpio

102 EFECTO DE LATEMPERATURA DE LA COLUMNA Isómeros Octano n-c-8 C -10 C C C -12 C C C C C C

103 CG ISOTÉRMICO emperatura de la columna constante con respecto al tiempo. Temp. Columna ISOTÉRMICO Tiempo

104 SEPARACIÓN ISOTÉRMICA (Hidrocarburos) C 7 C 9 C 8 C 11 C 10 C12 C 13 C 14 Isotérmico 130 C C MIN

105 CG CON PROGRAMACIÓN DE TEMPERATURA ambio controlado de la temp. con respecto al tiempo 200 TPGC peratura mna C / min. 100

106 SEPARACIONES CG CON TP C 10 C 11 C 12 C 13 C 14 Programación de temperatura o C C 9 C 15 C 16 C17 C 5 C 7 C 8 C 18 C19 C 20 C MIN

107 VENTAJAS DE LA CG CON TEMPERATURA PROGRAMADA Muestras que son mezclas complejas Análisis mas rápidos (más de 20 picos) Mejor definición de compuestos con alto p.e, o compuestos traza que eluyen tarde Desarrollo de métodos más rápido Más versátil, Cromatografía Estable

108 INTEGRADOR Y PRINTER/PLOTTER Detector CG A/D Pulsos Micro - Procesador ROMATOGRAMA PK TIEMPO A% CONC REPORTE ESCRITO

109 Sistema de Datos PRINTER / PLOTTER Fácil de Usar Precio Moderado COMPUTADORA Flexible, Poderosa Más Cara