Cromatografía Gaseosa

INTRODUCCION
PUERTO DE
INYECCION
ANALISIS INSTRUMENTAL
CROMATOGRAFIA GASEOSA
La cromatografía es un método físico de separación basado en la distribución
de los componentes de una mezcla entre dos fases inmiscibles, una fija y otra móvil.
En cromatografía gaseosa, la fase móvil es un gas que fluye a través de una columna
que contiene a la fase fija. Esta fase fija puede ser un sólido poroso (cromatografía
gas-sólido o CGS), o bien una película líquida delgada que recubre un sólido
particulado o las paredes de la columna (cromatografía gas-líquido o CGL). En el
primer caso, el proceso que produce la separación es la adsorción de los componentes
de la mezcla sobre la superficie sólida y en el segundo, la partición de los mismos
entre las fases líquida y gaseosa. Por ser la más utilizada, la discusión que sigue se
refiere a CGL.
INSTRUMENTAL
Un instrumento para cromatografía gaseosa puede representarse por el
siguiente esquema:
GAS
PORTADOR
COLUMNA DETECTOR
REGISTRADOR
INTEGRADOR
El gas portador (fase móvil) proviene de cilindros provistos con válvulas
reductoras de presión. La muestra se introduce en el inyector con una microjeringa a
través de un septum de goma. Allí se produce la vaporización instantánea de la misma
y su introducción en la corriente de gas. La columna se halla dentro de un horno de
temperatura variable, lugar donde se realiza la separación de los componentes de la
muestra. El detector produce una señal eléctrica proporcional a la cantidad de materia
a medida que cada componente separado fluye a través de él. Esa señal es enviada al
registrador que realiza un gráfico de intensidad en función del tiempo (cromatograma)
del tipo:
CG-1

Idealmente, se trata de picos gaussianos y cada pico corresponde a un
componente de la muestra original. El integrador (o el software de control) calcula
además el àrea correspondiente a cada pico, la cual es proporcional a la cantidad de
analito.
PARÁMETROS RELEVANTES
Tiempo de retención (t r) de un dado componente de la muestra es el tiempo
transcurrido desde la inyección de la misma hasta la aparición del máximo
correspondiente al pico de ese componente. Un caso especial lo constituye un
componente que no es retenido por la fase fija (no se reparte entre fases), el cual
saldrá de la columna antes que cualquier sustancia a un tiempo llamado tiempo
muerto (t 0). De esta manera, es posible definir t’ r como el tiempo que un cierto
componente permanece retenido en la fase estacionaria:
El factor de capacidad (k’) de un dado compuesto se define como:
que, en función de la constante de partición (K), del volumen de la fase fija (V L) y del
volumen de la fase móvil (V G) se puede escribir como:
y en función de los tiempos de retención:
Con respecto a la columna, se define como plato teórico a una capa estrecha
de la misma en donde se produce el equilibrio de partición de un compuesto entre la
fase fija y la móvil. Para una columna de longitud L, el número de platos teóricos (N)
es:
siendo H la altura de plato teórico, uno de los parámetros que determina la capacidad
del proceso cromatográfico para separar dos compuestos dados, y W el ancho de los
picos a la altura de la línea de base.
A partir de las definiciones anteriores, es posible definir parámetros asociados
a la separación de dos sustancias A y B que caracterizan la eficiencia de una
separación. Siendo B la sustancia con mayor t r estos parámetros son:
Factor de selectividad
CG-2

Resolución (1)
Teniendo en cuenta que k’, , N y H dependen de la temperatura, tipo de fase
fija, longitud de columna y flujo de fase móvil, es posible mejorar una separación
optimizando estos parámetros experimentales.
ETAPAS DEL ANALISIS DE UNA MUESTRA
1. Optimización de las condiciones instrumentales.
2. Obtención de los cromatogramas en condiciones óptimas (muestras y patrones).
3. Calibración (diferentes técnicas).
4. Cuantificación del / los componentes presentes en la muestra.
5. Tratamiento de los resultados:
a. Se busca obtener como respuesta instrumental:
Picos bien resueltos.
Buena relación señal / ruido.
Línea de base horizontal (sin deriva).
Picos no distorsionados.
b. Normalmente suele realizarse una calibración por estándar externo o
utilizando un estándar interno.
i. Estándar externo:
Se preparan muestras de patrones de concentración conocida que se analizan
y permiten construir una curva de calibración para cada componente a
cuantificar. Con este método es necesario medir exactamente los volúmenes
inyectados tanto de los patrones como de la muestra incógnita.
ii. Estándar interno:
En este caso se agrega a la muestra una cantidad conocida de un compuesto
que no está presente originalmente. En este caso, la calibración se realiza
analizando patrones de concentración conocida para cada componente a
cuantificar a los cuales se le agrega la misma cantidad del estándar interno
que a la muestra incógnita. La curva de calibración se construye graficando el
cociente entre la señal del analito incógnita y el estándar interno en función
de la concentración del analito incógnita. Este método elimina el error
cometido por la irreproducibilidad en el volumen inyectado.
c. Tanto para la medición de la muestra como de los patrones, es conveniente
estudiar la reproducibilidad de la señal analítica y la de los tiempos de
retención del / los analitos. Para ello se deben realizar varias inyecciones (n)
de cada muestra y cada uno de los patrones y utilizar los valores medios.
d. Se realizará el tratamiento de resultados siguiendo las indicaciones dadas en
la guía de trabajos prácticos.
CG-3

PARTE EXPERIMENTAL
Objetivos
Analizar la influencia de los diversos parámetros instrumentales en la
identificación y separación de los componentes presentes en una mezcla de alcoholes.
Seleccionar las condiciones instrumentales óptimas para dicha separación.
Determinar la identidad de los componentes de la muestra utilizando patrones
de cada analito y los tiempos de retención obtenidos para cada uno de ellos en
idénticas condiciones operativas.
Determinar la concentración de etanol en una muestra incógnita utilizando
calibración externa, adición de estándar interno, normalización de áreas.
Comparar críticamente los resultados obtenidos con cada tipo de calibración.
Materiales a emplear
Cromatógrafo de gases Shimadzu GC/17 A e integrador Shimadzu CR5A.
Columna capilar marca Supelco SPB-2250 (50 % metil - 50 % fenil –siloxano),
longitud: 30 m, diámetro interno: 0,25 mm, espesor de film: 0,20 m.
Patrones individuales de metanol, etanol, butanol y acetonitrilo (1% en agua).
Patrones conteniendo mezclas de metanol, etanol, butanol y acetonitrilo en agua
entre 1% y 5% en cada componente.
Mezcla de etanol, metanol y acetonitrilo (1% en cada componente).
Muestra artificial de composición desconocida.
Muestra de vodka.
Microjeringa de 10 L.
Experimentos a realizar
Análisis cualitativo de la muestra.
Para identificar los componentes de la muestra se realizarán cromatogramas de
una mezcla sintética que contiene metanol, etanol y acetonitrilo todos en la misma
concentración, hasta optimizar la resolución variando distintas condiciones
instrumentales como la temperatura del horno y el flujo del gas portador. Una vez
logradas las condiciones óptimas para la muestra ternaria, realice el cromatograma de
la muestra de cuatro componentes incluyendo butanol 1 . Se analizarán luego patrones
de cada componente por separado para proceder a su identificación a través de los
tiempos de retención obtenidos en idénticas condiciones operativas.
Análisis cuantitativo.
Se utilizarán las metodologías de cuantificación descriptas anteriormente:
i) Estándar externo
ii) Estándar interno
iii) Normalización de áreas
1 Dado que el butanol es retenido más fuertemente en la columna que el resto de los componentes, se
optimiza en primer lugar la separación de los otros tres analitos con el fin de no alargar
innecesariamente el tiempo que insume cada corrida de prueba.
CG-4

Análisis de los resultados
Discutir los resultados obtenidos mediante las distintas metodologías
utilizadas, analizando las ventajas y desventajas de cada una de ellas. Informar las
condiciones experimentales, los tiempos de retención de cada componente de la
mezcla y la composición porcentual de alcoholes en las muestras. Efectuar el análisis
estadístico apropiado. Obtenga los parámetros que caracterizan la eficiencia de la
columna para estos analitos en las condiciones de trabajo (k’, , N y H).
CUESTIONARIO
1. Enumerar los tipos de detectores habitualmente empleados y evaluar su ámbito
de aplicación.
2. Discutir la elección del gas portador a utilizar en relación al tipo de detector con
que se cuenta. ¿Qué características debe reunir el gas elegido?
3. Discutir la aplicación de la ecuación de Van Deemter para modificar la eficiencia
de un análisis.
4. ¿De qué manera influyen las condiciones instrumentales en el cromatograma?
5. ¿Qué condiciones debe reunir un componente para ser utilizado como estándar
interno?
6. Discutir las ventajas y desventajas de cada uno de los métodos de cuantificación
utilizados.
7. Discutir la conveniencia de considerar como “señal” la altura o el área del pico
obtenido como respuesta de la muestra.
8. Compare el coeficiente b para dos columnas capilares con diámetro de 0,24 y
0,36 mm que contienen el mismo espesor de fase estacionaria, 0,2 ?m. ¿Cuál de ellas
es más conveniente para el análisis de compuestos de bajo punto de ebullición y cual
para un compuesto termolábil?
9. Para la determinación de residuos de óxido de etileno en tubuladuras para uso
médico esterilizadas con dicho gas, una muestra dentro de un frasco cerrado se
calentó a 60 ºC por 20 minutos, se tomaron 500 L de la fase gaseosa (head space) y
se usó una columna empacada de polietilenglicol de 3 mm de diámetro y 1.80 m de
largo. La temperatura de la corrida es 60 ºC y el detector del tipo FID. Considerando
que el materia de la tubuladura es PVC y los posibles productos de reacción del
óxido de etileno son etilenglicol (PE: 197 ºC) y 2-cloroetanol (PE: 129 ºC):
a. Discuta la conveniencia de la temperatura utilizada, la fase estacionaria y el
tamaño de columna.
b. Para determinar etilenglicol y 2-cloroetanol, ¿qué cambios debe realizar en la
toma de muestra, en el tipo de columna y en la temperatura de trabajo?
10. Una muestra contiene las sustancias X e Y. Se desea determinar
cuantitativamente X utilizando el método del estándar interno. Se probaron los
compuestos 1, 2 y 3 como posibles estándares internos, obteniéndose el siguiente
cromatograma:
CG-5

a. ¿Cuál elegiría como estándar y qué condiciones variaría en el cromatograma
para su uso?
b. Una vez conseguida las condiciones óptimas, ¿cómo procede para la
determinación?
11. El fabricante de una columna para CG basada en poliestireno-polidivinilbenceno
sugiere la corrida que se muestra a continuación para la separación de una serie de
compuestos disueltos en metanol (condiciones indicadas en el cromatograma). Como
se puede apreciar en el cromatograma, los dos primeros compuestos salen sobre la
cola que corresponde a la señal de metanol.
a. Examine los componentes de la muestra y establezca qué propiedades entran
en juego en el orden de elución de los mismos.
b. ¿Qué sucedería si se trabaja a 70 ºC?
BIBLIOGRAFÍA
a. “Principios de Análisis Instrumental”. D. A. Skoog, F. J. Holler y T. A.
Hieman, 5a edición, Mc Graw Hill, madrid 2001..
b. “Métodos Instrumentales de Análisis”. Willard, Merritt y otros. VI edición.
CG-6