Cromatografía de gases

Cromatografía de gases

La CG o cromatografía de gases, es una técnica analítica de uso extendido. Se emplea para confirmar la presencia o ausencia de un compuesto en una muestra determinada. Es la técnica más utilizada por el sector gasista para determinar su pureza. También la cromatografía de gases puede ser aplicada en varios sectores como: ambientales, alimentación y hasta en la química industrial.

Qué es cromatografía

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En palabras sencillas, la cromatografía significa “separación”. Es utilizado las todas las ramas de la ciencia que permite, como su nombre lo indica, separar, identificar y determinar los componentes químicos en diferentes mezclas. Esta separación se produce en dos fases: estacionaria y móvil.

Un análisis cromatográfico de gases se realiza con la vaporización de una muestra, la cual es inyectada en la cabeza de una columna cromatográfica. A través de la columna se transporta la muestra  por el flujo de gas inerte como el nitrógeno (N) o el dióxido de carbono (cO2). Posteriormente, los complejos de dicha muestra son adheridos a las paredes interiores de la columna que al obtener suficiente temperatura, se liberan y se van a la cámara de detección donde las moléculas son ionizadas.

Origen

La cromatografía de gases dio inicio en 1850 cuando F.F Runge hizo la separación de anilinas. Para este proceso, usó un filtro de papel y un solvente que separar varios colorantes. Esta técnica primitiva se denominada: cromatografía de papel.

No fue sino hasta 1952 que Martín y James comenzaron a utilizar una bureta automática que detectaba los ácidos y bases del mismo. Así nació el primer cromatógrafo de gases. Ya en 1955, aparecieron los primeros instrumentos comerciales.

Qué es la columna

En pocas palabras, la columna es “el corazón” de un cromatógrafo. Es el lugar donde ocurre la separación y está hecha de materiales como: cobre, aluminio, acero inoxidable, vidrio o teflón inclusive. El relleno puede ser tanto un sólido como un líquido que recubra un sólido.

La columna se puede clasificar según el propósito del cromatógrafo en: empacadas o capilares. Cabe resaltar que la eficiencia de una columna se ve afectada por los siguientes factores:

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Diametro

longitud

Longitud

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Tamaño de las partículas de relleno

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 Cantidad de la fase estacionaria

temperatura

Temperatura

velocidad

Velocidad del gas portador

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Cantidad de la muestra inyectada

Material de la columna y su enrollado

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Naturaleza de sus fases

Normalmente, la columna va acompañada de un soporte que tiene como función, sostener la fase estacionaria. La mayoría de los soportes están hechos de diatomita. Para escoger un soporte hay que tener en cuenta: su estructura y las características superficiales. Además, la selección del soporte depende también de: la naturaleza de la muestra, su fase líquida, el precio y el uso que se le va a dar.

Gas portador

El gas cumple con dos funciones básicas: transportar los componentes de la muestra y crear una matriz adecuada para el detector. Este gas debe cumplir con ciertas condiciones:

Debe ser inerte, esto con el fin de evitar interacciones con la muestra o con la fase estacionaria

Capaz de minimizar la difusión gaseosa

Disponible y puro

Económico

Que se ajuste al detector

Asimismo también intervienen el gas auxiliar, el cual es necesario para el funcionamiento correcto de los detectores y el gas de apoyo; que suelen ser vectores y son empleados por diferentes con diferentes purezas que tengan controles muy precisos y límites admitidos máximos de ese estado.

¿Cuáles son los gases más utilizados?

Generalmente los gases empleados en la cromatografía de gases son: helio, argón, nitrógeno, hidrógeno o dióxido de carbono. La elección del tipo de gas depende del tipo de detector empleado. 

Entre tanto, su almacenaje puede ser en “balas” normales o empleando un generador, lo cual se aplica especialmente en el caso del nitrógeno y del hidrógeno. Asimismo, se utiliza un tamiz molecular, para la deshidratación del gas elegido.

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Pureza del gas

La pureza del gas a usar dependerá de la sensibilidad del análisis que se vaya a realizar. Pero, ¿cómo saber de qué pureza es el gas?                            


Para ello, se debe tener en cuenta cuál es el impacto de las impurezas del gas en sus columnas. Es necesario tener en consideración las concentraciones del gas portador que son críticas para las fases estacionarias específicas.

Existen dos maneras de conocer la pureza de gases para instrumento:

Usar gases de baja calidad que sean purificados con “punto de uso”

El uso de gases de alta calidad y distribuirlos con trenes de purificador, una solución que además de compleja, no es económica

¿Cuáles son los detectores más usados en la cromatografía de gases?

En la cromatografía gaseosa, los detectores usados varían dependiendo de la gama de productos. Sin embargo hay unos que se conocen como “universales”, los cuales son capaces a responder a cualquier gas. Pese a esto, los más utilizados son:

TCD o conductividad térmica: este mide la variación de la conductividad entre el gas y la muestra. ¿Cómo se hace?; realizando el llamado “puente de Wheatstone”-un circuito eléctrico utilizado  para la medición de resistencias desconocidas que se realiza mediante el equilibrio de los brazos del puente-.

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FID o Ionización de llama: con este detector, se arrastran los compuestos hidrocarbonatos por el gas vector hacia la llama de aire-H2 de un quemador, donde finalmente se ionizan. La corriente producida se medirá luego que los iones sean recogidos en un electrodo.

ECD o captura electrónica: una fuente radiactiva beta emite electrones para crear una corriente base. Se forma por una cámara que es barrida por un gas vector. La disminución de la corriente es medida tras la absorción de electrones.

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AED o emisión Atómica: está destinado a compuestos halogenados, es decir, que muestre tendencia a formar un ion haluro: compuesto que tiene un átomo halógeno y un grupo funcional, catión o elemento con menor electronegatividad. Por ejemplo: moléculas con azufre o fósforo. Este sistema recibe los analitos y lo someten a un plasma inducido vía microondas que atomizará las moléculas.

DID o descarga fotoionizante: electrodos de alta tensión generan una descarga luminiscente en una cámara con un helio puro, lo que provoca la emisión de fotones de alta energía, mejor conocidos como rayos UV. Estos rayos actúan sobre especies con potencial de ionización menor, que finalmente serán medidos con la corriente producida.

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FPD o fotometría de llama: está compuesto de azufre y fósforo y es no sensible al carbono. En esta aplicación, la muestra se quema con una llama envuelta en H2, dejando que se produzcan rayas de emisiones de longitudes de ondas características que son detectadas por un filtro interferencial.

PID o fotoionización UV: se mide la corriente creada, a través de los iones formados. Está hecho por una fuente de luz UV de fotones de potencial energético, el cual ayuda a la ionización de especies gaseosas.

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ultrasonidos

USD o ultrasonidos: con esta se miden los cambios de velocidad de desplazamiento del sonido mediante un gas que varía su composición. Este gas es dividido en dos flujos: uno se somete a una tensión que recibe una onda de frecuencia constante, por su parte, el otro es el que recibe una onda trasmitida y la convierte.

Aplicaciones de la cromatografía de gases

La cromatografía de gases puede ser aplicada en distintas muestras y veremos algunos ejemplos de ello.

Se puede usar para determinar el porcentaje de formación de moléculas de síntesis, mediante una planta de síntesis orgánica.  

Es posible determinar el porcentaje de solvente en un producto agroquímico determinado.

Saber cuánta concentración de producto activo existe en un producto agroquímico terminado.

Realizar un control de calidad de pureza de solventes, como por ejemplo, alcohol etílico anhidro, xileno, benceno, entre otros, que entran como materias a una planta.

Determinar el contenido del principio activo de un medicamento.

Conocer la calidad de pureza de materias primas entrantes a una fábrica de productos medicinales como: glicerina, paracetamol, butanol, etc. 

También es usado en fábricas de adhesivos, pegamentos o pinturas.

Es una herramienta muy útil para investigaciones policiales o forenses donde se deben analizar muestras.

Es indispensable en la industria petrolera para analizar las composiciones de la mayoría de productos. 

Tiene infinidad de usos en el control de producción vinícola: se usa para la caracterización de vinos, concentración de componentes, análisis de etanolamina, metilamina, triptamina, entre otras. 

En muestras biológicas como exámenes de sangre. Con un tratamiento adecuado son perfectamente abordadas por algunas de las técnicas cromatográficas existentes.

En qué sectores se utiliza mayormente la cromatografía de gases

Pese a que la industria que usa por excelencia esta técnica, es la gasífera, otras industrias también la utilizan por ser un método de análisis muy eficaz.

Sector medio ambiental: gracias a la cromatografía de gases, este sector puede conocer la cantidad de contaminación que existe en un determinado lugar. El método más usado para detectar los hidrocarburos es una cromatografía de gases con un detector de ionización por llama, o también conocido como FID.

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sector_alimentacion

Sector alimentación: aplica también para el sector perfumería. En esta área la técnica es utilizada para determinar los componentes de un perfume y verificar su calidad. En el sector de alimentación sucede igual, se verifica la calidad del alimento sobre los compuestos con los que está formado. Entre los alimentos que más se benefician de la cromatografía de gases están los aceites y los vinos.

Sector industrial: con un análisis cromatográfico se puede observar la calidad de un producto y que cumpla con las características debidas. Asimismo en el ámbito de biociencia, se utiliza en los controles de droga. Con esta técnica se puede saber si hay alguna sustancia en la sangre.

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Tipos de cromatografía de gases

Existen varios tipos de cromatografía de gases:

Cromatografía de gas sólido (GSC): su base estacionaria es un sólido y se usa con la absorción, que es un tipo de equilibrio para su fase móvil.

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Cromatografía de gas líquido (GLC): es la más amplia y engloba toda la cromatografía de gases. En ella se utiliza como fase estacionaria las moléculas de líquido inmovilizadas sobre la superficie de un sólido inerte.  Los detectores más comunes en este tipo de cromatografía son: el ultravioleta, visible y el diferencial de índice de refracción.  Requiere de utilizar helio puro, principalmente para desgasificar los disolventes.

Cromatografía de líquidos de alta resolución (HPLC): es un tipo de cromatografía utilizada en química analítica y bioquímica. En ella, la muestra es forzada a pasar por una fase estacionaria a través de una fase móvil a alta presión. Puede implementarse dos tipos de composiciones diferentes para disminuir el tiempo de la muestra dentro de la columna: fase normal y fase reversa.

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Cromatografía en papel: en este tipo de cromatografía, se realiza una interacción entre el soluto y el papel y sus compuestos se manejan en velocidades diferentes. ¿Cómo se hace?: se aplica una pequeña mancha de disolución que contenga la muestra, de allí se aplica en una tira de papel de cromatografía a una distancia requerida (mayormente de un centímetro); la muestra es adsorbida por el papel, es decir genera interacciones. Es un proceso que requiere de unas horas para su debida finalización.

Cromatografía de intercambio iónico: se trata de una columna que usa una fase estacionaria con sustancias que tengan componentes con cargas eléctricas. Es utilizada para separar compuestos cargados, como por ejemplo aminoácidos o proteínas. De hecho, es muy utilizada para purificar proteínas.

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Cromatografía de permeación en gel (GPC): también conocida como cromatografía de exclusión por tamaño. Sirve para separar moléculas de acuerdo a su dimensión. Es una técnica muy empleada en la determinación de la distribución del peso molecular en polímeros.

Cromatografía de afinidad: según los expertos, es una de las cromatografías menos consistentes aunque sí muy específica. Es utilizada en bioquímica para la purificación de proteínas.

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La cromatografía supercrítica o SFC: es utilizada a menudo para analizar bajas concentraciones de compuestos y moléculas con pesos moleculares elevados. Para aplicarse debe usarse un gas especial, acompañado de equipos óptimos. Tiene un punto importante y es que es similar a la cromatografía de gases y la cromatografía líquida, pero combina lo mejor de ambas técnicas.

Como bien dijimos, aunque es similar se diferencia porque en la SFC se usa dióxido de carbono como fase móvil, esto para que la ruta del flujo se encuentre a un nivel alto de presión. Para comenzar con la técnica es necesario calentar una mezcla de líquido y vapor a un volumen constante, lo que provocará que la densidad del líquido disminuya y la del gas aumente. Posteriormente, el punto crítico de ambas se iguala lo que hace que desaparezca la interfase que las separa.

¿Cómo se usa la cromatografía líquida?

En palabras resumidas, se usa para identificar, cuantificar y purificar los componentes de una mezcla. Como un dato curioso, esta metodología se aplica para detectar sustancias prohibidas en atletas, por ejemplo. 

Sin embargo, tiene una alta gama de aplicaciones en diferentes campos como lo con: la bioquímica, química analítica, productos farmacéuticos, ciencia forense e investigación alimentaria. Los expertos recomiendan utilizar la cromatografía líquida por su versatilidad y asequibilidad.

En el proceso de cromatografía en fase líquida las interacciones físicas y químicas de la muestra se separan por cada uno de sus componentes. Básicamente, el líquido funciona como transportador de la mezcla hasta la fase estacionaria, que es donde ocurre la separación. 

Este método, a diferencia del gaseoso, que procede en altas temperaturas, ocurre en temperaturas bajas. Cuando este tipo de cromatografía cambia al de alta resolución la muestra se somete a más presión, disminuyendo el tiempo en que los componentes ya separados permanecen en la fase estacionaria.

Elementos básicos de la GC

La cromatografía de gases se lleva a cabo con los siguientes componentes básicos:

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En la GC  la fase móvil es inerte y no tiene interacción con la muestra. Su función es transportar la muestra por lo que se le denomina gas portador. Este debe cumplir con una serie de características: Debe ser químicamente inerte y no interaccionar con las moléculas de analito ni con la columna. Su grado de pureza debe ser alto, libre de contaminantes y dar señal de la columna en el detector. Debe tener compatibilidad con el sistema de detección empleado. 

El helio es el gas portador más comúnmente empleado. Sin embargo, el argón, el nitrógeno o el hidrógeno también pueden usarse. 

Se suministra a través de un recipiente o una bombona a presión.

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su alta eficiencia depende de que su tamaño sea adecuado y que la inyección sea rápida debido a que si no lo es la resolución es menor. La elección del sistema de inyección en GC depende directamente de la columna empleada.

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Son dos los tipos de columnas utilizadas: las empacadas o empaquetadas; que varían de uno a cinco metros y en la actualidad son las menos usadas. O columnas tubulares abiertas o capilares; pueden alcanzar los cien metros y son más eficaces y rápidas. Por su parte, el horno debe permitir un preciso control de la temperatura, de ella depende la velocidad del proceso cromatográfico y su resolución.

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Como su nombre lo indica, su función es detectar la presencia de soluto o diferentes componentes de la muestra. Un detector ideal debe tener las siguientes características: ser universal, tener una sensibilidad de hasta 10g, contar con estabilidad y reproducibilidad; contar con una respuesta lineal para la concentración de analito; contar con un amplio rango de temperaturas de trabajo con un máximo de 400 grados centígrados; debe contar con un fácil manejo y no ser destructivo.

La mejor técnica de separación

La cromatografía de gases es por su practicidad, la elegida de todos a la hora de realizar una separación. Esta técnica, que cuenta con detectores universales tiene a su vez, métodos más simples dependiendo de su aplicación.

Para completar el ser un método muy sencillo y económico, su instrumentación es muy básica: solo se necesita un cromatógrafo con detector de captura electrónica (ECD) y un detector de ionización de llama (FID).

Experimento casero de Cromatografía en papel

En la búsqueda por internet aparecen ciertos experimentos que pueden realizarse fácilmente desde casa, con el fin de conocer más cómo actúa el método de separación de la cromatografía de gases. 

Un portal de ciencia explicó cómo utilizar esta técnica para separar los pigmentos utilizados en una tinta comercial. ¿Qué se necesita?: Un papel poroso, que puede ser el usado en el filtro de una cafetera o un recorte de la parte de un periódico que no contenga tinta. También se necesitan rotuladores o bolígrafos de distintos colores, y un vaso con un poco de alcohol.

Recortar una tira de papel (poroso o de periódico) con un tamaño de 4 centímetros de ancho y que su altura sea más larga que la altura del vaso que se utilizará.

Enrollar parte de la tira de papel en un bolígrafo –puede pegarse con cinta- y que el otro extremo caiga al fondo del vaso.

Dibujar una mancha con un bolígrafo negro en el extremo de la tira que queda al fondo del vaso, alrededor de 2 cm de su borde. La mancha debe ser bastante intensa. 

El vaso debe contener aproximadamente 1 cm de altura de alcohol.

La tira de papel debe quedar situada dentro del vaso, pero se debe asegurar que el extremo quede sumergido en el alcohol, pero la mancha quede por fuera.

Solo queda observar lo que ocurre. Mientras el alcohol va ascendiendo a lo largo de la tira de papel, se lleva consigo los diversos pigmentos de la mancha de tinta. Pero ¿qué sucede?; como no todos son arrastrados con la misma velocidad, en un rato comienzan a aparecer manchas de varios colores. 

Se puede repetir el procedimiento con diferentes tipos de tinta.

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