Date post: | 22-Jul-2015 |
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INSTRUMENTACIÓN CROMATOGRAFÍA DE GASES
(GC)
María Elena Cuellar Azuero
María Camila Rodríguez Zorro
Rocío Esmeralda Villamil Gil
HISTORIA
• 1944, Concepto sugerido por Martin y Synge
• 1952, Primera publicación (Martin y James)
• 1955, Primer instrumento comercial
• 1960, Técnicas con columnas empaquetadas
• 1958, Columnas tubulares abiertas (Golay)
• 1974, Columnas capilares de sílica (Dandeneau y Zerenner)
• 2002, Columnas capilares de alta resolución
• Detectores más sensibles (MS, FTIR, IR con T de Fourier)
Archer John
Porter Martin
1910 - 2002
Richard Laurence
Millington Synge
1814 - 1994
GENERALIDADES
INSTRUMENTACIÓN BÁSICA
Método de inyección Velocidad de flujo Temperatura
RENDIMIENTO
TIPOS DE CG
CROMATOGRAFÍA GAS-SÓLIDO (GSC)
• Separación basada enabsorción y desorción.
• FE es una capa de sólidoabsorbente simple.
Alúmina, sílica.
ó un solido poroso
Tamiz molecular
• Análisis de gases aéreos.
• C. empaquetadas y capilares(PLOT)
CROMATOGRAFÍA GAS-
LÍQUIDO (GLC)
• Cromatografía de partición
• FE es una sustancia liquida
• Fines analíticos
• C. capilares y empaquetadas
C. EmpaquetadasFE NV, películadelgada sobre unsoporte: Tierra dediatomeas (Kieselguhr)
C. CapilaresLiquido en la paredinterna de la C. (WCOT)o en una capa dematerial poroso (SCOT)
SISTEMA QUE PROVEE EL GAS
GAS PORTADOR
• Inerte
• Seco
• Puro
• Económico
• Adecuado para el detector
• Fácilmente disponible
GRÁFICO DE VAN DEEMTER
Tomado de: www.restek.com
Helio Hidrógeno Nitrógeno
GAS PORTADOR
•Caro
•Suministro Finito
•Más usado
•Fácilmente
generado
•Flamable y explosivo
•Bajo costo
•Eficiente
•Tasa de flujo lento
Tomado de: www.restek.com
Análisis
Cromatográfico de
pesticidas
organoclorados
usando diferentes
gases portadores
SISTEMA DE CONTROL
Tomado de : Skoog. Análisis Instrumental
CONTROL DE LA PRESIÓN
Tomado de: http://www.chem.agilent.com
2500psi - 170atm
REGULADOR DE
LA PRESIÓN
Regulador de la Presión en dos etapas
MEDIDOR DE
FLUJO
Rotámetro Medidor de Caudal
de Pompas de
Jabón
• Caudal: 25-150 mL/min relleno
1-25 mL/min capilares
TRAMPAS
Pureza: 99.9995%
(si no, purificador
de gases catalitico)
Limite de H
,O2, H2O < 10
ppm
Material: Carbon
, Tenax ó Silica
•↓ el agua a < 10 ppb
•El indicador cambia de amarilloverdoso a azul a una humedad
relativa de 5%.
• Reduce el ruido para alta sensibilidad
de los detectores.
•Remueve 600 mg of oxygen or2
g de agua
•Reduce el oxygen a 15 ppb
•Equipado con un área
superficial extremadamente
alta.
•carbón activado.
Humedad Oxigeno Hidrocarburos
Tuberías : Utilizar de cobre pre-condicionado
Evitar de plástico y de vidrio, polímero tales teflón, nylon, polietileno, o
cloruro de polivinilo
SISTEMA QUE PROVEE EL GAS
LABORATORIO DE ANÁLISIS
Vista frontal
del equipo
Gas
Portador
Control
de la
presión
Trampa
Visión
de la
presión
COLUMNA
Elemento de separación delos componentes muestra.
Parte más importante delsistema.
OJO: Elección de la columnay las condiciones de trabajo
COLUMNAS
Columna
Cromatografíca
Capilares/ Tubulares Abiertas
WCOT SCOT
Empaquetada
/Relleno
• Longitud variable: <2-50 m o más• Materiales:
-Acero inoxidable-Vidrio-Sílice Fundida-Teflón -Cobre
• Termostato • Helicoides diámetros 10-30 cm
Inertes Resistentes a la T° de trabajo Impermeables Flexibles
Espacio geométrico/ Tubo
Columnas de Relleno o Empaquetadas
• Vidrio
• Acero Inoxidable
• Cobre
• Aluminio
• Teflón
Tubo
• 2-3m
Longitud
• Interno: 2-4mm
Diámetro
• Sólido finamente dividido
• Homogéneo
• Recubre con fase estacionaria liquida ( 0,05-1 µm)
Relleno
Soporte Sólido
Características:
Elevada superficie especifica Porosos Relativamente duros Térmicamente estables Químicamente inerte No absorción Tamaño de partícula uniforme Idealmente: partículas esférica,
uniformes Se puede humectar
Retener y ubicar la fase estacionaria
Soporte ideal
.
.
.
Tierras de Diatomeas
Esferas de vidrio
Microbolas de Polímeros orgánicos
Esferas de Teflón
Sílices
Diámetro externo
1/8pulgada
1/4pulgada
1/2pulgada
Tamaño de partícula (malla)
80-100 60-80 40-60
Tamaño de Partícula de los soportes
Tamaño de partícula
Eficacia
Tamaños varían entre 40-120 mallas (420-125 µm)
• Kieselgur• Celite
• Chomosorb W,P,G
Tierra de DIATOMEAS
.
NombresRegistrados:
P: Mezcla calcinada con tierra dediatomeas, granos duros, compuestospolares, interacción solutos.
w: Mezcla calcinada de un fundente(carbonato de calcio) y la tierra dediatomeas.
G: Mayor dureza, mas denso.
Tierra de DIATOMEAS
DesactivaciónAnálisis de compuestos polares
• Lavado con ácido• Reacción química de los sitios activos
• Recubrimiento con ácidos, bases o polímeros
Columnas Capilares o Tubulares Abiertas
• Acero inoxidable
• Vidrio
• Cobre
• Aluminio
• Plástico
Tubo
• 30m aprox
Longitud
• Interno: 0,2-0,8mm
Diámetro
SCOT
WCOT Separación de: Mezclas complejas Derivados de
petróleo Aceites esenciales
WCOT
Gran eficiencia
Tubos capilares con la pared interna recubierta Fina capa de fase estacionaria
Capilares de pared recubierta
VidrioSuperficie Rugosa Recubrimiento poliimida Refuerzo Flexibles/Helicoidal 1979Columnas tubulares de Sílice Fundida (FSOT)
FSOT:• Paredes más delgadas que las columnas de Vidrio• > Resistencia Física, < Reactividad, > Flexibilidad
F. Estacionaria
SCOT Pared interna recubierta por un soporte absorbente
Capilares con soporte recubierto + FL
PLOT«Porous layeropen tubular»
SCOT
*Soporte Sólido (30µm) : Diatomeas
Eficacia: WCOT > SCOT > Relleno
FASE ESTACIONARIA• Cromatografía Gas-Sólido Fase estacionaria sólida• Cromatografía Gas-Liquido Fase estacionaria Liquida Inmovilizada
Fase Liquida
Características: Mojar el soporte Baja volatilidad Inerte Propiedad solvente Térmicamente estables Baja viscosidad
«Semejante disuelve semejante»
Fase EstacionariaP
ola
rid
ad
HIDROCARBUROS DIALQUILSILOSINANOS
• Escualeno T° max trabajo 120°C
• Grasas de Apiezón, Kovats, Apolano
Fuerzas de interacción: Dispersión No polares Oxidables
Siliconas
• Polimetilsilosilano R = Metilo• R= fenilo, cianopropilo, trifluoropropilo,
etc
Polaridades selectivas
POLIFENILÉTERES POLIÉSTERES
• Santovac® 5
Moderadamente polares
• Polietilenglicol Succinato (PEGS)
Polímeros Resinosos Moderadamente polares Fácilmente Hidrolizables y oxidables
POLIETILENGLICOLES • Carbowax 20, Superox-4
Polares Polimerización oxido de etileno
Entrecruzamiento- retículo tridimensional IN SITU: entrecruzamiento con polímeros ( tabla 27,2) Larga Duración Inhiben el Sangrado
FASES ESTACIONARIAS POLIMERIZADAS/ ENLAZADAS
FASES ESTACIONARIAS QUIRALES
Separación de enantiómeros
Reactivo ópticamente activo Diasteroisómeros
Columna aquiral/ líquido quiral como fase estacionaria
Grosor Película Fase estacionaria: 0,1-5µm Películas gruesas- Analitos volátiles Películas delgadas –Analitos baja volatilidad
Cuidados y Precauciones con las Columnas
Sangrado
Perdida de la fase estacionaria
Entrecruzamiento, lavado con fase móvil
• Columnas nuevas acondicionar 48 h• Previamente: circulación de fase móvil• No enfriar la columna sin terminar paso de
fase móvil
EQUIPO
FASE ESTACIONARIA
• Cromatografía Gas-Sólido Fase estacionaria sólida Columnas PLOT
Tamices Moleculares
Características: Intercambiadores de iones
silicato/aluminio Tamaño de poro 4,5,10,13
Amstrong
Polímeros Porosos
Características: Bolas de polímeros porosos Especies polares gaseosas
.
zeolitas
SISTEMA DE ENTRADA O
INYECTOR
ENTRADA O INYECCIÓN
• Paso crítico
Cantidad, concentración adecuada y rápida inyección
Esparcimiento de banda
Resolución
• No degradar el rendimiento de la columna
• No discriminar los componentes de la muestra
• No son universales
C. Empaquetadas1 a 20 µL
Uso de inyectores simples
C. Capilares0,01-1 µL
INYECCIÓN PARA COLUMNAS
EMPAQUETADAS
• Es sencilla pues las cantidades son grandes No la eficacia
Bloque metálico (buen conductor)
Material inerte:Acero
inoxidable,Vidrio, niquel, quarzo
Silicona
Evita descomposición térmica por contacto
con el bloque de metal
o
diafragma
perforable
T° >50° que la columna.
La aguja de la microjeringa
entra a la columna
La muestra es inyectada y vaporizada
instantáneamente
La muestra vaporizada
arrastrada por el gas portador
INYECCIÓN PARA COLUMNAS
CAPILARES
• Basados en el mismo principio de un inyector simple
• Cantidad de muestra mucho menor pues las columnas se
afectan mucho por los disolventes.
• Inyección Split
• Inyección Splitless
• Inyección con vaporización
programada con temperatura
(PTV)
INYECTOR SPLIT
• No existen jeringas capaces de medir cantidades menores a 0,1µL
• Inyector de C. Empaquetadas + Un sistema de división de flujo a
la salida del liner.
MICROJERINGA
• También llamada válvula de aguja
• Sistema de apertura y cierre automáticos
• Bajo riesgo de anchos de banda.
• Para muestras concentradas.
• Fácil de automatizar
• Compatible con programas de T°
programada.
• No funciona para el análisis de
trazas.
INYECTOR SPLITLESS
• La mayoría de la muestra se dirige a la columna
• Para análisis de trazas y muestras de baja concentración
• T° es inferior al Peb del componente más volatil
La muestra se condensa en la cabeza de la columna
• El vapor residual causa la presencia de un pico del ste
Se Evita: poniendo el equipo en modo splitpara que este vapor salga luego de que la muestra se ha corrido
LOS EQUIPOS DE SPLIT TRABAJAN TAMBIÉN COMO SPLITLESS
• Mayor sensibilidad• Mayor eficacia pues las pérdidas
de muestra son menores.
INYECTOR DE TEMPERATURA
PROGRAMADA
SPLIT:En frío
En caliente
SPLITLESS:En frío
En caliente
En columnaEn frío
En caliente
Se introduce la muestra al PTU en
forma líquida
La cámara de
vaporización está fría (
T°<Peb del ste)
Se retira la aguja (de la
microjeringa)
Se calienta la cámara
rápidamente usando aire comprimido
precalentado electricamente
MUSTRAS DILUÍDAS => Método de eliminación del solvente
INYECTORES PARA MUESTRAS
GASEOSAS
Jeringas: impermeables con émbolos y cilindro de teflón
No se asegura la introducción de volúmenes medidos exactamente
VÁLVULAS ROTATORIAS
INYECCIÓN POR DESORCIÓN
TÉRMICA
Las buenas cuantificaciones dependen de la desorción total
Componentes orgánicos volátiles atrapados
POLIMEROS POROSOSTAMICES MOLECULARES
CARBÓN GRAFITO
Análisis de:
• Respiración humana • Aire ambiental.
INYECTORES HEAD-SPACE
Análisis de:
• Contaminantes
volátiles de muestras solidas y líquidas
HEAD-SPACE POR PRESURIZACIÓN
INYECTOR DEL LABORATORIO
Inyector Split/SplitlessGeneralmente 150°C
Radio de Split 50:1
AUTOMUESTREADORES
PIROLISIS
• Transformación química de la muestra (T°>T°ambiental)
• Pirolizador
Muestra con compuestos de
alto PM
Descomposición (Horno T° 400-
1000°C)
Volatilización o semi-volatilización
Cromatograma(Huella digital para
el compuesto original)
• Pirolizadores de Platino calentado por resistenciaAmplio rango de compuestos y mayor velocidad
• Pirolizadores del punto de curieAlto rendimiento
• Polímeros• Polisacáridos
• Ligninas• Suelos• Lodos
• Sedimentos Marinos
HORNOS
Wang A, Tolley HD, ML Lee, Gas chromatography using resistive heating technology
TIPOS DE HORNOS
•Bobina de alta capacidad térmica
•Suspención de la columna en el
horno
•50-450°C
•Requiere sistema de enfriamiento
•Corriente electrica calienta
material conductor cercano a la
columna
•↓ análisis en factor de 10
•Solo Calienta la columna
•↓t de análisis
• 10 C/s
300 C/min
•Lámpara de halogeno 150W.
•Control de T hasta
1000 C/min
•Enfriamiento rápido
Convencional “Flash” Microondas IR Climatizada
CONTROL DE TEMPERATURA
Afecta:
• Retención
• Selectividad
Con una Óptima temperatura se obtiene:
• Buena separación
• Tiempo razonable
Temperatura del Inyector
Temperatura de la columna
Temperatura del Detector
TIPOS DE CONTROL DE TEMPERATURA
Isotermica
• Temperatura promedio de ebullición.
• Mezclas simples.
• Problemas en el tiempo de análisis
• T es igual para inyector, columna y detector
Programada(PTGC)
• Cambio a partir de una T lineal y se va aumentando constantemente.
• Una o varias rampas según la mezcla que se desee separar.
• Ajustar tiempos y temperaturas (0,5-15 °C/min)
TIPOS DE CONTROL DE TEMPERATURA
T
1 rampa:
60°C (10min)
15°C/min -> 300°C
300°C (10 min)
Tomado de:http://ocw.uv.es/ocw-formacio-permanent/2011-1-35-Presentacion2.pdf
Comparación de
temperatura
isotérmica (a)
vs temperatura
programada(b)
en la separación
de n-parafinas
Tomado de: Ewing’s Analytical Instrumentation Handbook
PTGC
DE
SV
EN
TA
JA
S
1.Más compleja instrumentación requerida
2. Señales de ruido a altas temperaturas
3. Número limitado de fases líquidas adecuadas
4. Puede ser más lento, teniendo en cuenta el tiempo de enfriamiento
VE
NTA
JA
S
1. Buena herramienta de exploración (rápido)
2. Reducción de los tiempos de análisis de muestras complejas
3. Mejor separación de la amplia gama del punto de ebullición
4. Límites, formas mejoradas de detección de pico, y la precisión, especialmente para los fines de
picos de elución
5. Medio excelente de limpieza columna
RE
QU
ISIT
OS
DE
PT
GC
1. Gas portador seco
2. Temperatura programador
3. Tres hornos separados (inyección, la columna, detector)
4. Controlador de flujo (diferencial neumático o electrónico)
5. Columna de doble indemnización o columna para eliminar la deriva
6. Fase líquida adecuada
Detector de Conductividad Térmica• Catartómetro• TCD• Filamento: platino, oro, tungsteno• Cambios de conductividad
térmica No destructivo Respuesta universal
Detector de conductividad térmica modulado de filamento único
Puente de Wheatstone
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA RELATIVA DE ALGUNOS GASES
Gas Conductividad Térmica relativa
Tetracloruro de carbono 0.44
Benceno 0.88
Hexano 1.00
Argón 1.04
Nitrógeno 1.50
Helio 8.32
Hidrogeno 10.68
• Mas liviano el gas conductor mejor conductor de calor
• 10-30 ml/min
• T°: >25-50° de la columna
Detector de Ionización de llama
• FID• Mas empleado
Sensible a compuestos orgánicos Amplio intervalo de Rta Bajo ruido Volumen pequeño de muestra
columna capilar Cambios en el caudal no afectan Rta Detector destructivo de la muestra
Detector de ionización para fosforo y Nitrógeno
• Termoiónico o de llama alcalina
• Adición de sal de metales alcalinos a la llama incorpora esfera de rubidio
Mas sensible Detección de plaguicidas Manejo cuidado
Detector de Captura de electrones
• ECD• Detector de ionización
• Material radioactivo Ni 63 emisión de partículas ß• Fase móvil argón/metano
Especifico halógenos- esteroides-peroxidos- quininonas- grupos nitro No destructivo
Detector fotométrico de llama
• FPD• Sensible azufre y fosforo- Fosforo HPO radiación 510-526nm- Azufre S2 banda centrada 394nm
Análisis contaminantes de agua/aire
Detector de Fotoionización
• Radiación uv λ=149-106nm• Energía = 8,3-11,7 Ev
Compuestos orgánicos dan Rta 5-10 veces mas sensible que el
ionización de llama $$
Equipo CG/EM
• Universal • Aplicaciones cualitativas y
cuantitativas • Columnas capilares/ relleno separador de chorro
• Detector de trampa de iones ITD $$$
• Cuadrapolo 25000-50000 dólares
Espectrómetro M
Equipo CG/EM
SEPARADOR DE CHORRO
SEÑAL DE SALIDA
Tomada de: http://chemwiki.ucdavis.edu/Analytical_Chemistry/Instrumental_Analysis/Gas_Chromatography
ᴗ Efluente en plasma
de Helio
ᴗ Acoplado a
espectrómetro
óptico de emisión
de diodos
ᴗ 170-780nm
ᴗ Se pueden medir la
concentración de
hasta 15 elementos
DETECTOR DE EMISIÓN ATÓMICA
DETECTOR DE EMISIÓN ATÓMICA
Tomado de :http://www.shsu.edu/~chm_tgc/AED/AED.html
$ 9.950 USD
Tomado de:
http://www.cas.unt.edu/~./sbc001/5390/Lesson8.htm
DETECTOR TERMOIÓNICO
SISTEMA DE RECOLECCION DE
DATOS
PROGRAMAS
• PRODUCTORES DE LOS EQUIPOS DE GC
• De 16 bits se paso a 32 bits
• La mayoría se diseñan para trabajar con sistema
operativo windows
• Machintosh y UNIX es mas limitado
FUNCIONALIDADES HOY EN DÍA
• Muestreador automático
• Análisis de datos
• Sistema de automatización
• Herramientas de validación de software
• Informes personalizados
• Seguridad definida por el usuario
• Mass transmit TM• ChromView TM• ACD/MS Manager• VECTOR/TWO TM GC/LC-MS
TENDENCIA A INCLUIR UNA BASE DE
DATOS CON EL SOTWARE
DE LA CROMATÓGRAFÍA
DESARROLLOS
RECIENTES
CG RÁPIDA
Tomado de :http://www.sigmaaldrich.com/content/dam/sigma-
aldrich/docs/Supelco/General_Information/t407096.pdf
LC-CG EN LINEA
Tomado de: Maurus Biedermann, Konrad (;rob, Dieter FriJhlich, and Werner Meier “On-line coupled liquid
chromatography-gas chromatography (LC-GC)
and LC-LC-GC for detecting irradiation of fat-containing foods”
CG PORTATIL
Tomado de: http://www.techstuff.com/inficon.htm
↓Tiempo de análisis↓ Diámetro de la columnaH2 como gas portador
Otro enfoque Columnas MC 1000 (capilares)
PRECIOS
$17500 USD
This Varian Cp 3800 GC .2
detectores: dual ,ECDs EFC
module, Dual injectors(1079
or 1177, or 1041), Dell PC
and Software Star 5.5.
$38900 USD
Shimadzu GC-2010 Gas
Chromatograph With
GCMS-QP2010 and AOC-
20i Auto Injector
$12.500 USD
Agilent/HP6890N GC.
Inyector, detector,
sistema de
automuestreo aparte
Tomado
de:http://conquerscientific.comTomado http://www.labx.com/v2/categoryHome.cfm?parentCategoryNo=433
Y http://www.gentechscientific.com/category/mass-spec/gcms-systems/
$500 £
ATI Unicam 610 GC
Inyector Automatico
Detector: FID – ECD
Columna capilar