PRINCIPIOS BÁSICOS DE CROMATOGRAFÍA DE GASES Quím. Cristina Toro Vilchez CURSO TALLER DETERMINACION DE PCB EN ACEITES DIELECTRICOS POR CROMATOGRAFÍA DE.
CONCEPTOS BÁSICOS CROMATOGRAFÍA DE GASES
CROMATOGRAFIA La Cromatografía es una técnica mediante la cual los componentes de una mezcla, se separan según las distintas velocidades con que se desplazan a través de una FASE ESTACIONARIA (líquida o sólida) cuando son transportados por una FASE MOVIL (líquida o gaseosa).
CROMATOGRAFIA Modalidades y Clasificación Fase Móvil = Líquido Fase Móvil = Gás Cromatografia Líquida Cromatografia Gaseosa (CG) En CG la Fase Estacionaria puede ser: Sólida Líquida Cromatografia Gás-Sólido (CGS) Cromatografia Gás-Líquido (CGL)
CROMATOGRAFIA GASEOSA Aplicaciones Que muestras pueden ser separadas por CG? (para que una sustancia cualquiera pueda ser arrastada por un flujo de gas, ella debe ser disuelta - por lo menos parcialmente en ese gas) Muestras cuyos constituyentes sean VOLATILES DE FORMA GENERAL: CG es aplicable para separación y análisis de muestras cuyos constituyentes tengan PUNTOS DE EBULLICION de hasta 300 o C y que sean termicamente estables.
CROMATOGRAFIA GASEOSA Aplicaciones Compuestos que se pueden volatizar mediante incremento de temperatura (10-20 % en el mundo) Volátiles / Semi-volátiles (peso molecular < 500) Termo-estables No reactivos
1 - Cilindro de Gas y Controles de Vacío / Presión. 2 - Inyector (Vaporizador) de Muestra. 3 - Columna Cromatográfica y Horno de Columna. 4 - Detector. 5 - Electrónica de Tratamiento (Amplificación) de Señal. 6 - Registro de Señal (Registrador analógico o Computador digital). CROMATOGRAFO DE GASES 1 2 6 4 3 5
IMPUREZAS TÍPICAS EN GASES COMERCIALES Gas Pureza H 2 O O 2 hidrocarbono He 99.999 < 1 ppm < 1 ppm < 1 ppm He 99.996 < 1 ppm 2 ppm < 1 ppm He 99.993 < 3 ppm 5 ppm < 1 ppm N2 99.999 < 2 ppm < 2 ppm < 1 ppm N2 99.99 < 2 ppm < 2 ppm < 1 ppm H2 99.999 < 1 ppm < 1 ppm < 1 ppm H2 99.99 < 1 ppm < 1 ppm < 1 ppm
PUERTO DE INYECCION Se inyecta a través del Septum. La Temperatura suele ser superior a 50 C al punto de ebullición del componente menos volátil. Para GC capilar el inyector más popular es split/splitless.
COLUMNAS EMPACADA = 3 a 6 mm L = 1 m a 3 m Rellenada con sólido pulverizado, finamente dividido inerte y cubierto con una FE sólida ó líquida depositada sobre las partículas de relleno. T de la columna debe controlarse con precisión. CAPILAR = 0,1 a 0,5 mm L = 10 m a 60 m Tubo fino de material inerte. Consisten en sílica fundida cuyas paredes internas están recubiertas con una película fina (fracción de µ m) de FE sólida ó líquida. Más usadas son 0.25 mm y 0.32 mm DI
COMPARACION ENTRE COLUMNA EMPACADA Y CAPILAR
COLUMNAS CAPILARES MATERIAL DEL TUBO sílica fundida vidrio pyrex Ac. inox Nylon Silicoacerado ø = 0,1 mm a 0,5 mm L = 10 m a 60 m Columnas de sílica son revestidas externamente con camada de polímero (poliamida) para aumentar resistencia mecánica química Familias de Columnas Capilares : WCOT (Wall coated open tube) FE liquida deposida (ligada // entrecruzada) sobre las paredes internas. PLOT (Porous layer open tube) Capa de FE sólida depositada en las paredes internas SCOT (Support coated open tube) Paredes internas revestidas con material de relleno similar a las columnas empacadas
COLUMNAS Programación Lineal de Temperatura Muestras complejas (constituyentes con volatilidades muy diferentes) separadas ISOTERMICAMENTE: T COL BAJA: - Componentes mas volátiles son separados - Componentes menos volátiles demoran en eluir, saliendo como picos mal definidos T COL ALTA: - Componentes mas volátiles no son separados - Componentes menos volátiles eluyen mas rapidamente
DETECTORES Dispositivos que registran el arribo de los componentes separados a medida que salen de la columna, generando una señal eléctrica. CROMATOGRAMA: Representación de alguna función de la conc. del soluto en función del tiempo de elución y del volumen de elución. Cada sustancia separada aparece como un PICO en el cromatograma.
DETECTORES 1 Hay mas de 60 detector en aplicaciones para GC 15 son los más Comerciales 2 4 son los más comunmente usados TCD, FID, uecd, MSD. 3 Para aplicaciones de análisis de COPs ITC, triple Q, TOF, HMS.
DETECTORES 4 responden a la mayor parte de las aplicaciones DCT TCD Detector de Condutividad Térmica (Variación de condutividad térmica del gas de arrastre). DCE ECD Detector de Captura de Eletrones (Supresión de corriente causada por la absorción de electrones por eluatos altamente eletrofílicos). DIC FID Detector de Ionización de llama (Íones generados durante la combustión de los eluatos en una llama de H 2 + ar.) EM MS Detector Espectrométrico de Masas (Generan señal para cualquier sustancia eluida.)
CARACTERISTICAS DE UN DETECTOR 1. Alta sensibilidad 2. Respuesta rápida 3. Respuesta lineal 4. Buena estabilidad 5. Fácil funcionamiento 6. Respuesta uniforme, predecible y selectiva a una o más clases de analitos
DETECTORES CANTIDAD MINIMA DETECTABLE Masa de un analito que genera un pico con altura igual a tres veces el nivel de ruido SEÑAL (S) S N = 3 RUIDO (N) RUÍDO: Cualquier componente de señal generado por el detector que no se origina en la muestra Fuentes de Ruido Contaminantes en los gases Impurezas acumuladas en el detector Sistema eléctrico deficiente: tierra, amplif.
DETECTORES LIMITE DE DETECCION Cantidad de analito que genera un pico con S/N = 3 y w b = 1 unidad de tiempo El mismo detector, nível de ruído y masa de analito pueden generar diferentes anchos de base QMD = f w b Detector (señal generado, ruído) Ancho de pico cromatográfico Definiendo limite de detección como: LD es independiente de la eficiencia del sistema cromatográfico! [QMD] = masa (ng, pg...) [LD] = masa / tiempo (ng.s -1, pg.s -1...)
LIMITE DE DETECCION DETECTOR DDT/DDE HCB Dieldrin TOXAFENO GC/ECD 1 pg 0.5 pg GC/MS-EI 1 10 pg 1 10 pg 25 pg 500 pg GC/MS-NCI 0.1 pg 0.1 pg 1 pg 10 pg GC-HRMS 0.05 pg 0.05 pg 0.1 0.5 pg 10 pg
DETECTORES SENSIBILIDAD Relación entre el incremento de área de pico y el incremento de masa del analito ÁREA Factor de Respuesta, S S MASA Sensibilidad El incremento de masa causa incremento de área En ausencia de errores determinados: A = área de pico cromatográfico m = masa de analito
COMPARACION DE DETECTORES GC FID TCD µecd ECD AED NPD (P) NPD (N) MSD (SIM) (SCAN) FPD (S) FPD (P) SCD (S) PFPD (S) HID 10-15 10-12 10-9 10-6 10 ppt ppb ppm 0.1% fg pg ng µg mg -3
DETECTORES RANGO LINEAL Intervalo de masas dentro del cual la respuesta del detector es lineal AREA A partir de cierto punto la señal no aumenta mas linealmente MASA El fin de la zona de linealidad puede ser detectado cuando la razón (Area / Masa) diverge en mas de 5 % de la inclinación de la recta en la región lineal: 1,05 S ÁREA / MASA 0,95 S MASA
DETECTOR DE CAPTURA DE ELECTRONES ( ECD ) Es muy sensible y selectivo 1. 63 Ni libera partículas ß que colisionan con moléculas del gas portador 2. Generación de electrones de baja energía que produce corriente de referencia 3. Compuesto electronegativo captura electrón libre 4. Cambio de corriente Detección
REACCIONES EN CAPTURA DE ELECTRONES 63Ni (radioactivo) β β + N2 (gás de arraste) N2* + e- Genera una corriente constante (lina base) M-Cl + e- Diminuye la corriente Los compuestos que absorben electrones reaccionan con los electrones térmicos disminuyendo la corriente del detector
CROMATOGRAMA MEZCLA SE COMPUESTOS CLORADOS
CROMATOGRAMA AROCLOR 1254
TIEMPO DE RETENCIÓN T ' R = T R T 0 Tiempo total que un componente necesita para pasar por todo el sistema cromatográfico después de su introducción. Iny. T R : Tiempo de retención correjido T R = tiempo de retención T o = tiempo de elución de un compuesto no retenido 0 T 0 T R
FACTOR DE SELECTIVIDAD (α) Para lograr una separación entre dos componentes, es necesario que exista diferencia en retención. α = k k ' 2 ' 1 > 1 k 2 de un componente con mayor retención relativo al de k 1 No hay selectividad, cuando: α α = = t t R2 R1 1 t t 0 0
EFICIENCIA DE COLUMNA N = L H H = LW 16t R 2 2 Capacidad de una columna para minimizar ensanchamiento de picos, o sea: Capacidad de separación de bandas. N = 5.545 ( t / W N: N de platos teóricos H: Altura de plato W: Ancho de pico L: Long de la columna (cm) Una columna es eficiente cuando: N > R 2 1 / 2) H <
EFICIENCIA DEL INSTRUMENTO Partes del instrumento pueden aportar al ensanchamiento de los picos: Sistema de inyección Detector Conexiones / Uniones GC ideal: la dispersión de un componente es determinada solamente por el proceso de separación en la columna
FACTOR DE RESOLUCIÓN 1 α 1 k' R s = 4 α k' + 1 N Es una medida cuantitativa para expresar el resultado de la separación entre dos componentes. R s = t r(2) t r(1) 0.85 [ W 1 (1) + W / 2 1/ 2 (2)] Existe separación a la línea de base, cuando: R s 1.5
RESOLUCION
FACTOR DE ASIMETRÍA A s = a b Es una medida arbitraria para expresar el grado de asimetría de un pico. Pico simétrico: h A s = 1 b a 10% h
CONCEPTOS BÁSICOS Resumiendo: Para que componentes puedan ser separados por cromatografía, los factores determinantes son: Retención k Selección Eficiencia Diferencia en retención Ancho del pico