Cromatografía de gases

La cromatografía de gases es una técnica de separación y caracterización de mezclas complejas de gases y otros compuestos transportados por el gas, estos últimos pueden ser sólidos o líquidos. El objetivo principal de este tipo de cromatografía es separar cada uno de los componentes de la mezcla mediante adsorción y/o partición de las moléculas, con la finalidad de conocer las proporciones de las especies que componen la mezcla.

Cromatógrafo de gases
Cromatógrafo de gas. Imagen de fgga

En este artículo definiremos la técnica de cromatografía de gases, así como, sus aplicaciones en la práctica cotidiana de la ingeniería y las ciencias.


Tabla de contenidos
  1. Conceptos básicos de cromatografía de gases
    1. Adsorción
    2. Analito
    3. Cromatografía
    4. Gas portador
  2. ¿Qué es la cromatografía de gases?
    1. Ventajas de la cromatografía de gases
    2. Aplicaciones de la cromatografía de gases
  3. ¿Cómo se hace la cromatografía de gases?
    1. Inyectores
    2. Columnas de cromatografía de gases
      1. Columnas empacadas
      2. Columnas capilares
    3. Detectores
      1. Detectores FID
      2. Detectores NPD
      3. Detectores FPD
      4. Detectores ECD
      5. Detectores TCD
      6. Detectores AED
      7. Detectores ELCD

Conceptos básicos de cromatografía de gases


Diagrama descriptivo de la cromatografía de gases. Imagen de youtube

Adsorción

Proceso en el cual los átomos, moléculas o iones de componentes disueltos (sólidos, líquidos o gases), son capturados o retenidos en una superficie. Podemos decir también que se trata de la acumulación de una sustancia en una superficie intrefásica (entre dos fases), en donde se forma una película líquida o gaseosa de los componentes que se requiere recuperar (componentes disueltos).

Analito

Componente de interés analítico de una muestra que se separa de la matriz. Se trata de una especie química que se desea conocer, identificar y cuantificar, mediante un proceso de medición.

Cromatografía

Es una técnica de adsorción que, por lo general, se utiliza para separar una fase y un móvil. La separación ocurre gracias a la fortaleza de adsorción de las diferentes particiones de moléculas que se encuentran entre la fase y el móvil. Las fases estacionarias suelen ser sólidos de origen orgánico o inorgánico, mientras que las fases móviles tienden a ser líquidos o gases.

Las técnicas de cromatografía se clasifican según el carácter de la fase (que puede ser fija o móvil), la forma de la fase y las fuerzas de separación. Los métodos más utilizados son los siguientes:

  • Cromatografía de gases (GC por sus siglas en inglés).
  • Cromatografía de capa delgada (TLC).
  • Cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC).

Gas portador

Se trata de un gas inerte que transporta a los analitos. Al ser inerte, no reacciona ni con la columna ni con los analitos. La elección de este gas depende del tipo de reactor utilizado. El gas portador debe cumplir las siguientes condiciones:

  • Ser inerte (He, Ne, Ar, etc) para evitar reacciones.
  • Capaz de minimizar la difusión gaseosa.
  • Fácil de obtener.
  • Debe ser puro.
  • Económico.
  • Adecuado para el detector a utilizar.

¿Qué es la cromatografía de gases?


Diagrama de cromatografía de gases utilizando gradiente de temperatura
Diagrama de cromatografía de gases utilizando gradiente de temperatura. Imagen de chemeurope

La cromatografía de gases es una técnica cromatográfica que se aplica a un gas, como fase móvil y fases estacionarias sólidas o líquidas.

En la cromatografía de gases, la muestra a estudiar se volatiliza y se inyecta en la cabeza de una columna cromatográfica. La elución viene dada por el flujo de la fase móvil (gas portador), esta fase no reacciona con las moléculas del analito. La fase móvil se limita únicamente a transportar el analito a través de la columna.

Existen dos tipos de cromatografía de gases:

  1. Cromatografía gas-sólido (GSC): Se basa en una fase estacionaria sólida en donde se produce la retención de los analitos, gracias a la adsorción física. Este tipo de cromatografía presenta aplicaciones limitadas, debido a la retención semipermanente de moléculas polares. Se utiliza usualmente para la separación de ciertas especies gaseosas de bajo peso molecular.
  2. Cromatografía gas-líquido (GLC): Se basa en la distribución del analito entre una fase móvil gaseosa y una fase líquida inmovilizada sobre la superficie de un sólido inerte. Este tipo de cromatografía tiene una gran cantidad de aplicaciones en todas las ramas de la ciencia y generalmente, se denomina como cromatografía de gases (GC).

La cromatografía de gases presenta tres grandes limitaciones:

  • Puede utilizarse en compuestos poco volátiles, por lo general, con pesos moleculares superiores a 300 u.m.a.
  • Los compuestos a analizar deben ser sensibles a los cambios de temperatura.
  • Puede utilizarse en compuestos que se encuentran en forma iónica.

Cabe destacar, que la cromatografía de gases (GC) presenta un par de limitaciones extra (consecuencia de las limitaciones anteriores), y de acuerdo al tipo de moléculas adecuadas para realizar el análisis GC, estas son:

  • Los compuestos deben poseer una presión de vapor apreciable a temperaturas por debajo de los 350-400 0C . Además, deben ser fácilmente vaporizados sin descomposición o reacción con los componentes de las fases estacionarias y móviles, o con cualquier otro componente presente en la muestra a analizar.
  • La distribución de las moléculas de soluto entre las fases (estacionaria y móvil), se define por la constante de distribución (KD). Esta constante representa la concentración de las moléculas de soluto desde la fase estacionaria hasta la fase móvil.

La constante de distribución, la podemos expresar de la siguiente manera:

Constante de distribución

La expresión general que describe la distribución en términos de temperatura y parámetros de termodinámica es la siguiente:


Donde:

  • G0: Es el cambio en la energía libre de Gibbs para la evaporación de un compuesto en la fase estacionaria
  • R: Constante de los gases ideales
  • T: Temperatura

Esta ecuación, expresa que las diferencias entre la energía libre de Gibbs para la evaporación de los solutos de la fase estacionaria da como resultado la distribución de dichos solutos.




Ventajas de la cromatografía de gases

La cromatografía de gases cuenta con una serie de ventajas con respecto a la cromatografía líquida, entre las cuales podemos destacar:

  • Capacidad de disponer de detectores mucho más universales.
  • Utiliza métodos mucho más simples.
  • Es mucho más rápida y sensible.
  • Instrumentación sencilla y económica.

Aplicaciones de la cromatografía de gases

Algunas de las aplicaciones de la cromatografía de gases (GC) son:

  • Derivados del petróleo: Es comúnmente utilizada en la industria del gas natural y refinerías de petróleo.
  • Industria de alimentos: Se utiliza en procesos de caracterización en la obtención de aceites, ácidos orgánicos, azucares, ésteres metílicos, obtención de esencias y fragancias, entre otros.
  • Industria farmacéutica y biológica: Se utiliza en procesos de fabricación de fármacos, alcoholes, disolventes residuales y para medir contaminantes en la sangre.
  • Industrias medioambientales: Utilizada frecuentemente en el análisis de pesticidas, análisis de hidrocarburos, análisis de aire, etc.

¿Cómo se hace la cromatografía de gases?

Gráfico de cromatografía de gases
Diagrama de una cromatografía de gases. Imagen de microbenotes

El cromatógrafo de gases o equipo cromatográfico, es el que se utiliza para realizar la cromatografía de gases (GC). Este equipo debe tener ciertas características que describiremos a continuación:

  • Proporcionar un flujo constante del gas portador (fase móvil).
  • Permitir la introducción de vapores de la muestra en la corriente del gas portador.
  • Poseer la longitud necesaria de fase estacionaria.
  • Mantener la columna a una temperatura apropiada.
  • Detectar los componentes de la muestra conforme eluyen de la columna.
  • Aportar una señal legible, proporcional en magnitud a la cantidad de cada componente.

El equipo estándar para realizar la cromatografía de gases consiste en un sistema de inyección de gas portador, una columna cromatográfica de gases, además de un detector y unidad de procesamiento de datos.

Una de las características resaltantes de este tipo de equipos, es que el gas portador fluye permanentemente en el equipo, este gas portador debe tener una baja o nula capacidad de adsorción (hidrógeno, helio, nitrógeno). La naturaleza de este gas puede influir en las características de separación del sistema GC y puede modificar la sensibilidad de la detección.

Inyectores

Los inyectores entregan la muestra a la cabeza de la columna de cromatografía de gases. Los inyectores se pueden clasificar en dos grupos principales:

  1. Inyectores de vaporización: Utilizan altas temperaturas (entre 100 0C y 300 0C), para lograr vaporizar una muestra líquida rápidamente. Por lo general, utilizan una jeringa para introducir la muestra en el inyector. En este caso, la muestra se vaporiza casi instantáneamente, se mezcla con el gas portador y es transportada a la columna.
  2. Inyectores de columna: Estos inyectores depositan la muestra directamente en la columna, sin depender de la vaporización de la muestra y de su transporte interior a la columna.

Columnas de cromatografía de gases

La separación de los compuestos volátiles de la muestra inyectada en el cromatógrafo ocurre en la columna de cromatografía de gases. Estas columnas se pueden dividir en dos grupos distintos: columnas empacadas y columnas capilares.

Columnas empacadas

Columna empacada
Columna empacada para cromatografía de gases. Imagen de chemlibretextsorg

Son columnas rígidas de metal o vidrio, rellenas con pequeñas partículas (soportes sólidos) que a menudo son recubiertas con una película delgada de un polímero de alto peso molecular.

Los soportes sólidos más comunes son: tierra de diatomeas, fluorocarbonos, grafito negro y cuentas de vidrio. Cerca del 90% de los soportes sólidos son varios tipos de tierra de diatomeas. La fase líquida estacionaria de la columna GC debe cumplir los siguientes requisitos:

  • Baja presión de vapor.
  • Estabilidad química alta.
  • Viscosidad relativamente baja a la temperatura del análisis.
  • Selectividad para el componente de muestra bajo investigación.
  • Buena capacidad de humectación.

La longitud de la columna empacada se limita a unos 3 m, debido a las altas presiones que se requieren para mantener los caudales de gas portador a velocidades necesarias para obtener un rendimiento óptimo. Las columnas empacadas cuentan con varias ventajas frente a las columnas capilares.

Una de estas ventajas, es que las columnas empacadas cuentan con mayor capacidad de muestreo (entre 10 y 1000 veces mayor a las capilares), por lo cual, son superiores para analitos donde se requieren grandes cantidades de muestra para su análisis. No obstante, las columnas empacadas tienen entre 25 y 50% menos placas teóricas por metro que las columnas capilares y longitudes mucho más cortas que las columnas capilares.

Columnas capilares

Columnas capilares
Columnas capilares para cromatografía de gases. Imagen de chromatographytoday

Las columnas capilares o columnas tubulares abiertas, como también se les conoce, son tubos de vidrio o sílice fusionados. Su diámetro interno es muy pequeño (entre 0.20 y 0.50 mm). La superficie interior de las columnas capilares está recubierta de una capa delgada de fase estacionaria, por lo que es posible que las moléculas de soluto entren en contacto con las paredes internas de la tubería.

La mayoría de las fases estacionarias de la columna capilar están reticuladas y covalentemente unidas a la superficie de sílice fundida. La cantidad de fase estacionaria en una columna capilar se denota por el espesor de la película, la cual típicamente está entre 0.1 y 5 μm.

El compuesto de retención es proporcional al espesor de la película en las columnas capilares. La retención aumenta a medida que aumenta el espesor de dicha película y viceversa. La ventaja de este tipo de columnas es que poseen una mayor capacidad de separación. Esto permite la resolución de picos en muestras complejas que no son adecuadamente separadas por columnas empacadas.




Debido a su mejor rendimiento de separación, las columnas capilares son más utilizadas en la cromatografía de gases que las columnas empacadas, elevando la eficacia de los análisis GC.

Con la finalidad de lograr una separación eficaz y fiable de la columna de cromatografía de gases, debe ser termoestatada a una temperatura constante (modo de separación isotérmica) o se puede modificar de acuerdo a un programa de temperatura determinado (gradiente de temperatura). La aplicación de un gradiente de temperatura aumenta considerablemente la eficacia de la separación. Como la temperatura de la columna es uno de los parámetros más decisivos en el análisis de cromatografía de gases, su regulación exacta es de suma importancia.

Detectores

Reporte de cromatografía de gases
Reporte de un cromatógrafo de gases. Imagen de hpst

Los detectores interactúan con las moléculas de soluto al salir de la columna. Esta interacción se convierte en una señal eléctrica que se envía a un dispositivo de grabación o de almacenamiento de datos. A continuación, se crea un cromatograma, que es una gráfica de la intensidad de la señal contra el tiempo transcurrido. La característica principal de los detectores es la cantidad de compuesto que es detectable (sensibilidad) y que se compone en la misma cantidad que produce la respuesta más fuerte del detector (selectividad).

Muchos detectores han sido diseñados basados en la selectividad y sensibilidad, con la finalidad de realizar la detección y cuantificación de los componentes de la muestra. Entre los principales detectores, tenemos: FID, NPD, FPD, ECD, TCD, AED, ELCD.

Detectores FID (Ionización de flama)

Estos detectores utilizan un flujo de hidrógeno que se mezcla con el gas portador. Esta mezcla se enciende y los analitos se queman. Los iones formados durante esta ignición son recogidos por electrodos cilíndricos mediante altos voltajes entre la flama y el electrodo, la corriente resultante se amplifica y se detecta.

Detectores NPD (Fósforo y nitrógeno)

Son similares a los FID en cuanto a diseño. Contienen perlas de rubidio o cesio dentro de la bobina del calentador, la cual, se ubica cerca del chorro de inyección de hidrógeno. Las moléculas de nitrógeno y fósforo son quemadas parcialmente para que puedan ser adsorbidas por la superficie del electrodo, reduciendo la emisión de electrones que aumenta la corriente.

Detectores FPD (Flama fotométrica)

Estos detectan especialmente los compuestos de azufre y fósforo. Los analitos son quemados en la llama. Debido a esta excitación, en la llama se emite una luz que es de 392 nm (para azufre) y 526 nm (para fósforo). Un filtro selecciona las longitudes de onda, llegando a un tubo fotomultiplicador.

Detectores ECD (Captura de electrones)

Emplea una fuente de rayos de baja energía para la producción de electrones e iones. Los electrones capturados (compuestos halogenados) que entran en el detector, disminuyen la corriente de electrones que se puede amplificar y registrar.

Detectores TCD (Conductividad térmica)

Como su nombre lo indica, estos detectores responden a cambios de la conductividad térmica y el calor específico. Para ello, utilizan un filamento ubicado bajo la corriente del gas portador. Los cambios en la conductividad térmica y/o el calor específico del gas causado por los analitos, modifica el potencial a través del filamento.

Detectores AED (Emisión atómica)

Es adecuado para la detección de los átomos o grupos de átomos seleccionados.

Detectores ELCD (Conductividad electrolítica)

Son utilizados especialmente para la detección de cloro, nitrógeno o azufre que contienen los analitos.

En las últimas décadas, la cromatografía de gases ha estado utilizando métodos combinados con varios sistemas de detección espectrométrica de masas (MS). Estos sistemas de detección han aumentado considerablemente la aplicación de los análisis de cromatografía de gases.

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