Cromatografia de gasos

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca
Un equip de cromatografia gasosa

La cromatografia de gasos és una cromatografia en columna on la fase mòbil és un gas portador. Alguns dels camps d'aplicació més comuns de la cromatografia de gasos són l'anàlisi de substàncies volàtils en perfumeria, anàlisi de petrolis i derivats, enologia, bromatologia, etc. La cromatografia de gasos és una tècnica cromatogràfica en la qual la mostra es volatilitza i s'injecta al cap d'una columna cromatogràfica. L'elució es produeix pel flux d'una fase mòbil de gas inert. A diferència dels altres tipus de cromatografia, la fase mòbil no interacciona amb les molècules del analit, la seva única funció és la de transportar l'analit a través de la columna.

La mostra volatilitzada s'introdueix per l'arrossegament amb una fase mòbil gasosa (gas portador) a l'interior d'una columna farcida de fase estacionària, la qual reté selectivament els components de la mostra. Degut a la retenció selectiva dels components, aquests surten de la columna separadament. A la sortida de la columna, les fraccions separades passen per un detector, que respon amb un senyal enregistrable.

Hi ha dos tipus de cromatografia de gasos (GC): la cromatografia gas-sòlid (GSC) i la cromatografia gas-líquid (GLC), sent aquesta última la que s'utilitza més àmpliament, i que es pot anomenar simplement cromatografia de gasos (GC). A la GSC la fase estacionària és sòlida i la retenció dels analits en ella es produeix mitjançant el procés d'adsorció. Precisament aquest procés d'adsorció, que no és lineal, és el que ha provocat que aquest tipus de cromatografia tingui aplicació limitada, ja que la retenció de l'analit sobre la superfície és semipermanent i s'obtenen pics d'elució amb cues. La seva única aplicació és la separació d'espècies gasoses de baix pes molecular. La GLC utilitza com a fase estacionària molècules de líquid immobilitzades sobre la superfície d'un sòlid inert.

La GC es porta a terme en un cromatògraf de gasos. Aquest consta de diversos components com el gas portador, el sistema d'injecció de mostra, la columna (generalment dins d'un forn), i el detector.

Diagrama d'un cromatògraf de gasos

Gas portador[modifica | modifica el codi]

El gas portador compleix bàsicament dos propòsits: Transportar els components de la mostra, i crear una matriu adequada per al detector. Un gas portador ha de reunir certes condicions:

-Ha de ser inert per evitar interaccions (tant amb la mostra com amb la fase estacionària)
-Ha de ser capaç de minimitzar la difusió gasosa
-Fàcilment disponible i pur
-Econòmic
-Adequat al detector a utilitzar

El gas portador ha de ser un gas inert, per prevenir la seva reacció amb l'analit o la columna. Generalment es fan servir gasos com el heli, argó, nitrogen, hidrogen o diòxid de carboni, i l'elecció d'aquest gas a vegades depèn del tipus de detector emprat. L'emmagatzematge del gas pot ser en bales normals o utilitzant un generador, especialment en el cas del nitrogen i del hidrogen. Després tenim un sistema de manòmetres i reguladors de flux per garantir un flux estable i un sistema de deshidratació del gas, com pot ser un tamís molecular.

Generalment la regulació de la pressió es fa a dos nivells: un primer manòmetre se situa a la sortida de la bala o generador del gas i l'altre a l'entrada del cromatògraf, on es regula el flux. Les pressions d'entrada varien entre 10 i 25 psi, el que dóna lloc a cabals de 25 a 150 mL/min en columnes de farciment i d'1 a 25 mL/min en columnes capil lars. Per comprovar el cabal es pot utilitzar un Rotàmetres o un simple mesurador de bombolles de sabó, el qual dóna una mesura molt exacta del cabal volumètric que entra a la columna.

La puresa dels gasos és summament important, es requereixen nivells 4.5 o grans és de dir 99.995% de puresa. Això no obstant, degut a la cura que s'ha de tenir amb la fase activa de la columna, es fa completament necessari la instal·lació de trampes a l'entrada del Gas carrier, aquestes trampes òbviament tenen una capacitat limitada, però són importantíssimes al moment de fer servir el Cromatògraf. Aquestes trampes eviten l'ingrés d'Hidrocarburs, aigua, CO entre d'altres.

Sistema d'injecció de mostra[modifica | modifica el codi]

La injecció de mostra és un apartat crític, ja que s'ha d'injectar una quantitat adequada, i s'ha d'introduir de manera (com un "tap de vapor") que sigui ràpida per evitar l'eixamplament de les bandes de sortida, aquest efecte es dóna amb quantitats elevades de analit. El mètode més utilitzat empra una microjeringa (de capacitats de diversos microlitres) per introduir el analit en una cambra de vaporització instantània. Aquesta càmera està a 50 °C per sobre del punt d'ebullició del component menys volàtil, i està segellada per una junta de goma de silicona Septa o septum .

Injector de mostra per a un GC

Si és necessària una reproductibilitat de la grandària de mostra injectat es pot utilitzar una vàlvula de sis vies o vàlvula d'injecció, on la quantitat a injectar és constant i determinada per la mida del bucle d'aquesta vàlvula.

Un mostrejador automàtic per a emprar la tècnica d'espai en Cap o Head Space per GC (accessori)

Si la columna emprada és farcida, el volum a injectar serà d'uns 20 µ L, i en el cas de les columnes capil·lars aquesta quantitat és menor, d'1 µ L, i depenent del tipus de columna capil·lar (ja que hi ha columnes amb diferent diàmetre intern) és que si es fa servir tot el volum de mostra injectat. Per obtenir menor quantitat de volum, s'utilitza un divisor de flux (la injecció es coneix com a mode "Split") a l'entrada de la columna que rebutja part de l'analit introduït. Si s'utilitza tot el volum de mostra la injecció és de tipus "Splitless". El mode Splitless, es va emprar més per determinar petites quantitats o traces (determinacions ambientals).

Si s'injecta 1 microlitre de solvent, per exemple aigua al passar a la fase vapor seu volum es multiplicarà per mil. És a dir, un microlitre d'aigua passaria a ser 1 mL d'aigua a gas, com el volum del port d'injecció és limitat, es fan servir split polsat o altres configuracions per garantir l'ingrés adequat de les mostres.

En cas de mostres sòlides, simplement s'introdueixen en forma de dissolució, ja que a la cambra de vaporització instantània el dissolvent es perd en el corrent de purga i no interfereix en la elució.

Segons les corbes de Van Demter (hept vs. Velocitat Lineal), el millor gas a utilitzar a la columna cromatogràfica com a portador dels analits és el hidrogen, però donada la seva perillositat, és més utilitzat com a gas d'encesa en el detector FID, juntament amb l'aire. Després vénen, respectivament, heli i nitrogen. El gas hidrogen és el millor carrier , però els fluxos que manegen els cromatògrafs no són perillosos, a més a la sortida d'ells hi ha restrictors de flama que eviten la propagació d'un possible incendi. Per això sempre es recomana l'ús d'hidrogen, primer pel seu baix preu respecte als altres gasos i per la resolució dels pics que es mostren en els cromatogramos. Els riscos de perillositat són mínims si es CONEIX que la relació per a la ignició entre aire i hidrogen és 10 a un (per cada 10 mL de H2, 1 d'Aire), i ha d'estar en presència d'una espurna o zona d'escalfament alta.

Columnes i sistemes de control de temperatura[modifica | modifica el codi]

En GC es fan servir dos tipus de columnes: les empaquetades o de farciment i les tubulars obertes o capilars . Aquestes últimes són més comuns en l'actualitat (2005) a causa de la seva major rapidesa i eficiència. La longitud d'aquestes columnes és variable, de 2 a 60 metres, i estan construïdes en acer inoxidable, vidre, sílice fosa o tefló. A causa de la seva longitud ia la necessitat de ser introduïdes en un forn, les columnes acostumen a enrotllar-se en una forma helicolidal amb diàmetres de 10 a 30 cm, depenent de la mida del forn.

La temperatura és una variable important, ja que en dependrà el grau de separació dels diferents analits. Per a això, s'ha d'ajustar amb una precisió de dècimes de grau. Aquesta temperatura depèn del punt d'ebullició de l'analit o analits, com també la màxima temperatura de funcionament de la columna (fase estacionària), i en general s'ajusta a un valor igual o lleugerament superior a ell. Per a aquests valors, el temps d'elució va oscil·lar entre 2 i 30-40 minuts. Si tenim diversos components amb diferents punts d'ebullició, s'ajusta l'anomenada rampa de temperatura amb la qual cosa aquesta va augmentant ja sigui de forma contínua o per etapes. En moltes ocasions, el ajustar correctament la rampa pot significar separar bé o no els diferents analits. És recomanable utilitzar temperatures baixes per a la elució, ja que encara que a major temperatura l'elució és més ràpida, es corre el risc de descompondre l'analit.

Detectors[modifica | modifica el codi]

El detector és la part del cromatògraf que s'encarrega de determinar quan ha sortit l'analit pel final de la columna. Les característiques d'un detector ideal són:

  • Sensibilitat : Cal que pugui determinar amb precisió quan surt analit i quan surt només el gas portador. Tenen sensibilitats entre 10 -8 i 10 -15 g/s de analit.
  • Resposta lineal al analit amb un rang de diversos ordres de magnitud.
  • Temps de resposta curt , independent del cabal de sortida.
  • Interval de temperatura de treball ampli , per exemple des de temperatura ambient fins a uns 350-400 °C, temperatures típiques treball.
  • Estabilitat i reproductibilitat , és a dir, a quantitats iguals de analit ha de donar sortides de senyal iguals.
  • Alta fiabilitat i maneig senzill , o prova d'operadors inexperts.
  • Resposta semblant per a tots els analits , o
  • Resposta selectiva i altament predictible per a un reduït nombre d'analits.

Alguns tipus de detectors:

Vista d'un detector GC del tipus FID (desmuntat)

Altres detectors minoritaris són el detector fotomètric de flama (PFD), emprat en compostos com pesticides i hidrocarburs que continguen fòsfor o sofre. En aquest detector es fa passar el gas eluït per una flama hidrogen/oxigen on part del fòsfor es converteix en una espècie HPO, la qual emet a? = 510 i 526 nm, i simultàniament el sofre es converteix en S 2 , amb emissió a? = 394 nm. Aquesta radiació emesa es detecta amb un fotòmetre adequat. S'han pogut detectar altres elements, com alguns halogen s, nitrogen, estany, germani i altres.

Al detector de fotoionització (PID), el gas eluït al final de la columna se sotmet a una radiació ultraviolada amb energies entre 8,3 i 11,7 eV, corresponent a una? = 106-149 nm. Mitjançant l'aplicació d'un potencial a la cel d'ionització es genera un corrent d'ions, la qual és amplificada i registrada.

Columnes i tipus de fases estacionàries[modifica | modifica el codi]

  • Columnes de farciment

Les columnes de farciment o empacada consisteixen en uns tubs de vidre, metall (inert si és possible com l'acer inoxidable, Níquel, Coure o Alumini) o tefló, de longitud de 2 a 3 metres i un diàmetre intern d'uns pocs mil·límetres, típicament de 2 a 4. L'interior s'omple amb un material sòlid, finament dividit per tenir una màxima superfície d'interacció i recobert amb una capa de gruixos entre 50 nm i 1 µm. Per tal que puguin introduir-se en el forn, s'enrotllen convenientment.

El material de farciment ideal consisteix en petites partícules, esfèriques i uniformes, amb una bona resistència mecànica, per tenir una màxima superfície on interaccionar la fase estacionària i l'analit. La superfície específica mínima ha de ser d'1 m²/g. Com tots els components de columnes per a GC, ha de ser inert a altes temperatures ({400 °C) i humectar uniformement amb la fase líquida estacionària durant el procés de fabricació. El material preferit actualment (2005) és la terra de diatomea s natural, per la seva mida de porus natural. Aquestes espècies, ja extintes, utilitzaven un sistema de difusió molecular per prendre nutrients del medi i expulsar els seus residus. Per tant, a causa del fet que el sistema d'absorció superficial de l'analit i la fase estacionària és semblant, són materials especialment útils.

La mida és crític a l'hora de donar-se el procés d'interacció de l'analit, ja menors mides l'eficàcia de la columna és millor. Però hi ha el problema de la pressió necessària per fer circular un cabal estable de gas portador per la columna, ja que aquesta pressió és inversament proporcional al quadrat del diàmetre d'aquestes partícules. Així, la mida mínima per utilitzar pressions màximes de 50 psi és de 250-149 µm.

  • Columnes capil lars

Les columnes capilars són de dos tipus bàsics: les de paret recoberta (WCOT) i les de suport recobert (SCOT). Les WCOT són simplement tubs capil lars on la paret interna s'ha recobert amb una finíssima capa de fase estacionària. Les columnes SCOT tenen en la seva part interna una fina capa de material absorbent com l'empleat en les columnes de farciment (terra de diatomees) on s'ha adherit la fase estacionària. Els avantatges de les SCOT enfront de les WCOT és la major capacitat de càrrega d'aquesta última, ja que en la seva fabricació s'utilitzen grans quantitats de fase estacionària, en ser la superfície d'intercanvi gran. Per ordre d'eficàcia, en primer lloc hi ha les WCOT, després les SCOT i aleshores les columnes de farciment.

Les columnes WCOT es fabriquen a partir de sílice fosa, conegudes com a columnes tubulars obertes de sílice fosa o FSOT. Aquestes columnes es fabriquen a partir de sílice especialment pura, gairebé sense contingut d'òxids metàl·lics. A causa de la fragilitat inherent a aquest material, en el mateix procés d'obtenció del tub es recobreix amb una capa de poliimida, d'aquesta manera la columna pot enrotllar amb un diàmetre d'uns pocs centímetres. Aquestes columnes, amb propietats com a baixa reactivitat, resistència física i flexibilitat, han substituït les WCOT clàssiques.

Les columnes FSOT tenen diàmetres interns variables, entre 250 i 320 µm (per columnes normals) i 150-200 µm per columnes d'alta resolució. Aquestes últimes requereixen menor quantitat d'analit i un detector més sensible, en eluiran menor quantitat de gas. Hi ha també columnes macrocapilares amb diàmetres de fins a 530 µm, que admeten quantitats d'analit comparables a les de farciment però amb millors prestacions.

En aquestes columnes hi ha un problema a causa de l'absorció de l'analit sobre la superfície de la sílice fosa, adsorció deguda a la presència de grups silanol (Si-OH), els quals interaccionen fortament amb molècules polars orgàniques. Aquest inconvenient se sol resoldre inactivat la superfície per sililación amb dimetilclorosilano (DMCS). L'absorció deguda als òxids metàl·lics es veu pal·liada en gran part per l'elevada puresa de la sílice emprada.

  • La fase estacionària

Les propietats necessàries per a una fase estacionària líquida immobilitzada són:

  1. Característiques de repartiment (factor de capacitat? 'I factor de selectivitat a) adequats al analit.
  2. Baixa volatilitat, el punt d'ebullició de la fase estacionària ha de ser com a mínim 100 °C major que la màxima temperatura assolida al forn.
  3. Baixa reactivitat.
  4. Estabilitat tèrmica, per evitar la seva descomposició durant la elució.

Hi ha com a molt una dotzena de dissolvents amb aquestes característiques. Per triar un, cal tenir en compte la polaritat de l'analit, ja que a major polaritat de l'analit, major polaritat haurà de tenir la fase estacionària. Algunes fases estacionàries utilitzades actualment (2005) són:

Generalment, en columnes comercials, la fase estacionària es presenta enllaçada i encreuada per impedir la seva pèrdua durant les operacions d'elució o rentat. D'aquesta manera s'obté una monocapa adherida químicament a la superfície de la columna. La reacció implicada sol ser l'addició d'un peròxid al líquid a fixar, iniciant-se una reacció per radicals lliures que té com a resultat la formació d'un enllaç carboni-carboni que a més incrementa la seva estabilitat tèrmica. Una altra forma és la irradiació amb raigs gamma.

Un altre tipus de fase estacionària són les quirals, la qual cosa permet resoldre mescles enantiomèrica. Aquest tipus de fases solen ser aminoàcids quirals o algun derivat adaptat al treball en columna.

El gruix de la pel·lícula varia entre 0,1 i 5 µm, el gruix depèn de la volatilitat del analit. Així, un analit molt volàtil requerirà una capa gruixuda per augmentar el temps d'interacció i separar més efectivament els diferents components de la mescla. Per columnes típiques (diàmetres interns de 0,25 o 0,32 mm) es fan servir gruixos de 0,25 µm, i en les columnes macrocapilares el gruix puja fins a 1 µm. El gruix màxim sol ser de 8 µm

Aplicacions[modifica | modifica el codi]

La GC té dos importants camps d'aplicació. D'una banda la seva capacitat per separar mescles orgàniques complexes, compostos organometàl i sistemes bioquímics. La seva altra aplicació és com a mètode per a determinar quantitativament i qualitativament els components de la mostra. Per a l'anàlisi qualitatiu se sol emprar el temps de retenció, que és únic per a cada compost donades unes determinades condicions (mateix gas portador, rampa de temperatura i flux), o el volum de retenció. En aplicacions quantitatives, integrant les àrees de cada compost o mesurant la seva alçada, amb els calibrats adequats, s'obté la concentració o quantitat present de cada analit.

Muntatge de tècniques analítiques[modifica | modifica el codi]

El muntatge d'una tècnica analítica de CG és netament empírica, el perfil dels analits que es vulgui determinar, l'elecció de la fase mòbil, els temps de retenció (elució) estaran donats exclusivament per les condicions particulars de la columna (fase estacionària) davant l'equip. Les rampes de temperatura a seleccionar bé poden isotèrmiques o esglaonades.

L'elecció del gas dependrà del tipus de detector, l'elecció de la columna (fase estacionària) dependrà de la polaritat dels compostos a separar, el detector dependrà del tipus de compostos a detectar.

Normalment una tècnica analítica de GC consumirà moltes hores d'un cromatogràfica a ser desenvolupada i instal pel mètode de l'assaig i error abans de ser validada com a real.

L'elecció dels estàndards és fonamental en el desenvolupament de la tècnica. L'estabilització de la línia base de la fase mòbil en la fase estacionària (posterior al capdavant del solvent) a través del temps és fonamental per establir un mètode. Una línia de base (solvent) poc estable o irregular que canvia d'intensitat davant del detector a mesura que eluye ha de ser afinada i estabilitzada abans d'introduir els analits.

el·layout dels paràmetres del rang de temperatura del forn, l'adequada elecció de la columna i la fase estacionària (inclou, tipus, llarg i diàmetre), l'elecció adequada del tipus de detector, les temperatures del detector i injector, els volums de analit, hauran de ser establertes de manera que s'obtingui la major eficàcia en separar els analits, i amb la millor resolució possible. La puresa de la mostra dependrà de la preparació prèvia de la mateixa.

La CG és una metodologia altament efectiva i la seva realització permet una àmplia gamma de possibilitats per a la química analítica en compostos orgànics. L'HPLC és una variant d'aquesta tècnica és que funciona basant-se en l'afinitat de l'analit per la fase mòbil líquida en lloc de gasosa.

La sensibilitat de la tècnica GC fins i tot pot detectar micrograms de l'analit si està ben muntada. La quantificació es basa en càlculs de l'àrea sota la corba que és proporcional a la concentració de l'analit. Comunament s'usa en estàndard intern de treball.

Bibliografia[modifica | modifica el codi]

  • Skoog, Douglas A. i Leary, James J.. Anàlisi Instrumental. Armènia: McGraw-Hill, 1.994. ISBN 84-481-0191-X. 
  • McNair, Harold M. & Miller, James M.. Basic Gas Chromatography. Canadà: John Wiley & Sons, Inc, 1998. ISBN 0-471-17260-X. 

Enllaços externs[modifica | modifica el codi]

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Cromatografia de gasos Modifica l'enllaç a Wikidata