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INTRODUCCION A LA CROMATOGRAFIA. Sylvia V. Copaja C. Semestre Otoño 2007. CROMATOGRAFIA DE GASES MUESTRA VOLATILIZACI ÓN

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introduccion a la cromatografia
INTRODUCCION A LA CROMATOGRAFIA

Sylvia V. Copaja C.

Semestre Otoño

2007

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CROMATOGRAFIA DE GASES

MUESTRA VOLATILIZACIÓN

La elución se produce por flujo de la fase móvil que se compone de un gas inerte, el gas no interactúa con la muestra, su única función es transportar los analitos a través de la columna

Con relación a la fase estacionaria la cromatografía de gases se divide en:

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Cromatografía gas-sólido (GSC)

  • Cromatografía gas-líquido (GLC)

En la GSC la fase estacionaria es un sólido (polímeros o tamices moleculares) y su principal aplicación es la separación de especies gaseosas de baja masa molar

SO2, NOx, CO, CO2, CH4

La GLC se basa en la distribución del analito entre la fase móvil gaseosa y una fase líquida inmovilizada sobre la superficie de un sólido inerte

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Cromatografía gas-líquido (GLC)

Aún cuando los principios generales son aplicables a esta cromatografía, es necesario tener en cuenta los efectos de presión y temperatura, por esto ocasionalmente se debe utilizar el volumen de retención como parámetro cualitativo

VR = tR FC VM = tM FC

FC es el flujo o caudal promedio en la columna, el cual no se puede medir directamente, solo se puede determinar a la salida de la columna

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Tanto VR como VM dependen de la presión promedio de la columna

El caudal promedio es :

TC (P - PH2O)

FC = FM x --------- x -------------

T P

Tc es la temperatura de la columna en Kelvin. T es la temperatura ambiente, FM es el caudal medido y P es la presión del gas a la salida de la columna, generalmente presión ambiente

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Generalmente el flujo se mide con un medidor de pompas de jabón, por esto se incluye la presión del vapor de agua PH2O

Se debe utilizar un factor de corrección que considere la caída de presión

VoR = jx tR x FC VoM = j x tM x FC

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J se puede calcular:

3[(Pi/P)2 – 1]

J = --------------------

2[(Pi/P)3 – 1]

Otro parámetro es el volumen específico el cual se difine como:

VR - VM 273

Vg = --------------- x -------------

W TC

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W es la masa de la fase estacionaria

K 273

Vg = --------------- x -------------

δS TC

En que δS es la densidad del líquido de la fase estacionaria

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INSTRUMENTACIÓN

  • Gas portador
  • Los gases utilizados frecuentemente son:He, Ar, N2, H2
  • La elección del gas portador estará
  • determinada por la naturaleza del detector
  • Con el suministro del gas se encuentran acoplados los reguladores de presión, manómetros y mediddores de flujo
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Fácilmente disponible y puro

  • Económico
  • Adecuado al detector a utilizar
  • Gas portador y comportamiento de la columna
  • Se debe elegir entre optimizar la eficiencia de la columna o el tiempo de análisis
  • En una determinada columna, el gas portador de mayor masa molar generará más platos teóricos
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El gas portadorcumple básicamente dos propósitos: Transportar los componentes de la muestra, y crear una matriz adecuada para el detector.

  • Un gas portadordebe reunir ciertas condiciones:
  • Debe ser inerte para evitar interacciones (tanto con la muestra como con la fase estacionaria)
  • Debe ser capaz de minimizar la difusión gaseosa
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SISTEMAS DE INYECCIÓN

Para una mejor eficiencia de la columna, la muestra debe ser de un tamaño adecuado y ser introducida como un tapón, la inyección lenta y/o muestras demasiado grandes provoca un ensanchamiento de las bandas y mala resolución

El método más común de inyección es a través de una microjeringa para inyectar muestras líquidas o gaseosas a través de un diafragma o septum de goma o silicona, en una cámara de vaporización situada en la cabeza de la columna.

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Si las muestras solidas son facilmente vaporisables entonces sus componentes pueden ser analizados por GC. Todas las muestras deben ser inyectadas en el menor tiempo posible, es decir con una evaporacion flash, para esto el inyector debe estar a una temperatura superior a la de la columna

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Sistemas de inyección

  • Inyección directa
  • Inyección de Split
  • 3. Inyección de Splitless
  • 4. Inyección on column
  • La temperatura de la cámara de vaporización debe estar 50oC más alta que el punto de ebullición del componente más volátil de la mezcla de analitos
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La temperatura del sistema de inyección también juega un rol importante, si la temperatura es muy baja se tendrá una vaporización incompleta. Si la temperatura es demasiado alta puede haber descomposición o cambios en la muestra.

  • Consideraciones a tener en cuenta
  • Tamaño de la muestra
  • Temperatura del sistema de inyección
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Para conseguir un volumen de muestra pequeño necesario para una columna capilar (alrededor de 0,005 microlitros no se puede emplear inyección directa.

Con este objeto se emplea un sistema con divisor de flujo en una relación fija y constante, se puede obtener la relación por medida directa de flujos a una temperatura y presión dada

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SOPORTE

La función básica del soporte es la de "mantener" (sostener, retener) la fase estacionaria.

Idealmente debería ser un material inerte que "mantiene" la fase estacionaria sobre su superficie como una película delgada

La mayoría de los soportes cromatográficos está hechos de diatomita.

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Químicamente es casi todo sílice, con algunas impurezas.

También se conoce como Tierras Diatomáceas ó Kiselguhr (palabra alemana).

Domina el campo de los soportes debido a su estructura, superficie y disponibilidad

Hay que tener en cuenta dos cosas a la hora de escoger un soporte:

La Estructura, ó Características Físicas (contribuye a la eficiencia de la columna cromatográfica):

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Tamaño de partícula

        • Diámetro del poro
        • Densidad
        • Área Superficialy
  • la Química de Superficie ó Características Superficiales (gobierna la participación del soporte en los resultados de la separación).
    • Grupos silanoles activos
    • Iones metálicos
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Además de las características anteriores, la selección del soporte va a depender también de:

    • la naturaleza de la muestra
    • la naturaleza de la Fase Líquida
    • el uso que se le va a dar a la columna:
      • General
      • Específico
    • Precio
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Podemos resumir que un buen soporte debe reunir las siguientes características:

    • Elevada Superficie por unidad de volúmen
    • Estabilidad Térmica
    • Dureza mecánica suficiente para que pueda resistir los procedimientos de revestimientos y relleno
    • Inactividad química o de adsorción
    • Baja resistencia al paso de la fase móvil
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Estructura porosa con diámetro uniforme igual o inferior a 10 µm por poro

  • Las partículas deben tener forma homogénea y ser de tamaño uniforme
  • Es deseable obtener un
  • compromiso entre la eficiencia (tamaño pequeño de las partículas) y la caída de presión (tamaño grande las partículas)
  • El diámetro promedio de las partículas se expresa en unidades de malla, correspondiendo número mayores a diámetros menores
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La eficiencia de la columna en cromatografía de gases aumenta rápidamente cuando disminuye el diámetro de las partículas

La regla de Purnell dice que: El diámetro interno de la columna debe ser por lo menos 9 veces mayor que el diámetro de las partículas del soporte sólido

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La diferencia de presión que se requiere para mantener un determinado caudal de gas portador, varía universalmente con el cuadrado del diámetro de la partícula, por esto ha condicionado el límite inferior del tamaño de las partículas que se utilizan en cromatografía de gases, dado que no es conveniente trabajar con diferencias superiores a los 50 PSI, las partículas del soporte son generalmente 60 a 80 Mesh (250 a 170 µm) o 80 a 100 Mesh (170 a 149 µm)

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La eliminación ó reducción de los sitios activos de adsorción (también conocido como Desactivación de la Supeficie) de un soporte cromatográfico puede efectuarse de varias maneras:

    • Remoción por lavado con ácido (NAW ó AW)
    • Eliminación ó Remoción por reacción del Grupo Silanol
    • Saturación de la superficie con una fase líquida
    • Impregnando ó recubriendo con material sólido inerte
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Efecto del tratamiento en el soporte (Chromosorb P)

  • no lavado con acido,
  • 2. lavado con acido,
  • 3. lavado con acido y dimetilsilanizado
  • Solutos:
  • A etanol,
  • B metil cetona,
  • C Benceno y
  • D Ciclohexano
  • Condiciones: Soporte 60/80 mesh, He 75 mL/min, 1000 C
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COLUMNAS

Es el lugar donde ocurre la separación.

Se dice que es el corazón de un cromatógrafo.

Los materiales con los cuales generalmente se pueden elaborar las columnas son: cobre, aluminio, acero inoxidable, vidrio ó teflón.

El relleno puede ser un sólido, ó un líquido recubriendo un sólido

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En cromatografía de gases hay dos tipos de columnas:

Las empacadas o de relleno y las tubulares abiertas o capilares

COLUMNAS DE RELLENO

Las columnas de relleno se fabrican con tubos de vidrio, acero inoxidable, cobre o teflón con una longitud de 2 a 3 m y DI de 2 a 4 mm.

Estos tubos se empaquetan densamente con un material de relleno sólido, finamente dividido y

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homogéneo que se recubre con una capa delgada 0,05 a 1 mm de la fase estacionaria líquida

  • Con el objeto de introducirlo en el horno termostatizado los tubos se fabrican en forma helicoidal
  • Los pasos necesarios para seleccionar adecuadamente una columna son:
  • Escoger el material de la columna
  • Tipo de columna a emplear
  • Dimensiones de la columna
  • Selección de la fase estacionaria y soporte
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FASE ESTACIONARIA

La selección de una fase estacionaria a emplear es tal vez lo más difícil de efectuar.

La fase estacionaria debe tener las características físico-químicas semejantes a la muestra a analizar

Las propiedades semejantes en una fase líquida son:

a. Baja volatilidad (idealmente, el punto de ebullición del líquido debe ser al menos 100oC mayor que la temperatura de trabajo máxima de la columna

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b. Estabilidad térmica

c. Químicamente inerte

Para que una especie tenga un tiempo de residencia razonable en la columna, debe poseer cierto grado de compatibilidad (solubilidad) con la fase estacionaria se aplica el principio de que: Lo semejante disuelve a lo semejante

Algunas fases estacionarias de uso frecuente

En la siguiente tabla se muestra un orden de polaridad creciente para las fases estacionarias más frecuentes

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F. estacionaria N. comercial T máxima Aplicaciones comunes

Polidimetil siloxano OV-1, SE-30 350 Fase no polar de uso general, hidrocarburos aromáticos, drogas, esteroides, PCbs

Poili(fenilmetildifenil) OV-3, SE-52 350 Esteres metílicos de

siloxano (10% fenil) ácidos grasoso, alcaloides, dorgas, compuestos halogenados

Poli/fenilmetil) siloxano OV-17 250 Drogas, esteroides, (50%fenil) pesticidas, glicoles

Poli(triifluoropropildimetil) OV-210 200 Aromáticos clorados, siloxano nitroaromáticos, bencenos alquil sustituidos

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Polietilen glicol Carbowax 20M 250 ácido libre, alcoholes,ésteres, aceites esenciales, glicoles

Poli(dicianoalildimetil) OV-275 240 ácidos grasos

siloxano poliinsaturados,

ácidos libres ácidos de la colofonia,

alcoholes

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Cinco de los líquidos de la tabla son, polidimetil siloxanos los cuales tienen estructura general

R R R

I I I

R----Si----O---Si---O---Si----R

I I I

R R R

Probablemente estos seis líquidos pueden proporcionar separaciones satisfactorias para el 90% o más de las muestras

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En todos ellos los grupos R son -CH3, originando un líquido relativamente no polar.

En los otros polisilixanos indicados en la tabla, se sustituye la fracción de los grupos metilos por grupos funcionales tales como: fenilo, cianopropilo, trifluoropropilo, etc.

Estas sustancias aumentan la polaridad de los líquidos.

El quinto líquido es el polietilenglicol que tiene estructura

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HO- CH3- CH2- (O- CH2-)2- OH

Las columnas comerciales están disponibles con fases polimerizadas y/o enlazadas

El enlace y el entrecruzamiento, tienen por objeto la preparación de una fase estacionaria debido al sangrado en el cual una pequeña cantidad de líquido inmovilizado es arrastrado fuera de la columna durante el proceso de elusión

El sangrado se acentúa cuando una columna debe limpiarse para eliminar los contaminantes.

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Las columnas comerciales están disponibles con fases estacionarias cuyo grosor varía de 0,1 a 0,5 um.

El grosor de la película afecta principalmente a las características de retención y a la capacidad de la columna

Las películas gruesas se utilizan con analitos muy volátiles, debido a que tales películas retienen más tiempo a los solutos, y así proporcionan un mayor tiempo para que pueda tener lugar la separación, por otra parte, las películas delgadas son útiles para separar especies de baja volatilidad en un tiempo razonable.

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FASE ESTACIONARIA LÍQUIDA

Al hablar de fase estacionaria líquida entramos en contacto con dos palabras ó términos:Polaridad y Selectividad.

Para poder definir y describir el parámetro polaridad en cromatografía, podemos decir que la polaridad de una fase estacionaria líquida se refiere a las interacciones intermoleculares que involucra dipolos permanentes.

Selectividad es definida como las diferentes atracciones intermoleculares

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Varias cualidades ha de reunir un líquido para servir como fase estacionaria:

    • Viscosidad
    • Tensión Superficial
    • Tensión de Vapor
    • Selectividad respecto a los componentes de la fase móvil
    • Reversibilidad del Reparto
    • Estabilidad Térmica
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Podemos clasificar las columnas según el propósito del proceso cromátografico:

    • Empacadas
      • Analítica
      • Preparativas
    • Capilares
      • W.C.O.T. (Wall Coated Open Tubular)
      • S.C.O.T. (Support Coated Open Tubular
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COLUMNAS CAPILARES O TUBULARES

  • Las columnas capilares o capilares abiertas, son de dos tipos básicos:
  • Capilares de pared recubierta (WOCT)
  • Capilares de soporte recubierto (SCOT)
  • Las WOCT son simplemente tubos capilares con pared interna con una fina película de fase estacionaria
  • En las SOCT la superficie interna del capilar está revestida con una fina capa de soporte.
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Las nuevas columnas WOCT, que se introdujeron en 1979 son columnas tubulares abiertas de sílice fundida, llamadas FSOT

Los capilares de sílice fundida se fabrican a partir de sílice especialmente purificada con un contenido mínimo de óxidos metálicos

La resistencia de los tubos se refuerza con un recubrimiento externo protector de poliimida, el cual se aplica al momento de la obtención del tubo capilar.

. Las columnas capilares con DI de 530 μm se llaman megabore y las columnas con DI de 100 μm se llaman microbore

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Las columnas que resultan son flexibles y pueden doblarse en forma helicoildal con diámetro de varios cm

Las columnas de sílice más frecuentes tienen diámetros internos de 320-280 um y de 200-150 um

Con estas columnas es necesario utilizar un divisor y hacer inyección de split

En la siguiente tabla se comparan los diferentes tipos de columnas

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Tipo de columna

Propiedad FSOT WCOT SCOT Relleno

Longitud, m 10-100 10-100 10-100 1-6

DI, mm 0,1-0,53 0,25-0,75 0,5 2-4

Eficiencia, platos 2-4 1-3 0,6-1,2 0,5-1X 103

Tamaño muestra, ng 10-75 10-1000 10-1000 10-106

Presión relativa baja baja baja alta

Velocidad relativa rápida rápida rápida lenta

Inactividad química mejor -------------------------peor

Flexible? si no no no

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Para mejorar la eficiencia de las columnas capilares

  • Usar la menor cantidad de muestra
  • Usar películas delgadas de fase estacionaria
  • Usar el menor diámetro de columna
  • Disminuir la temperatura de la columna
  • Usar tubo de sílice fundida desactivada
  • Usar fases estacionarias entrecruzadas
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Factores que Afectan la Eficiencia de una Columna

    • Longitud de la Columna
    • Diámetro de la Columna (1/4", 1/8", 1/16" de diámetro externo)
    • Tamaño de las partículas del relleno
    • Naturaleza de las fases
    • Cantidad de fase estacionaria
    • Temperatura de la columna
    • Velocidad del gas portador
    • Cantidad de muestra inyectada
    • Material del cual está elaborada la columna
    • Enrollado de la columna
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Acondicionamiento de columnas

  • Eliminación de contaminantes volátiles
  • Aplicar presión en la cabeza de la columna en psi igual al largo en m.
  • Fijar la temperatura en 100oC durante una hora. Aumentar lentamente la temperatura hasta 30oC menos que el máximo
  • Inyección en ciclos de disolventes, durante 24 h, sin el colector en el detector, con un programa de temperatura.
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TEMPERATURA DE LA COLUMNA

La temperatura de la columna es una variable importante.

La temperatura óptima de la columna depende del punto de ebullición de la muestra y del grado de separación que se necesite.

La comuna lleva un termostato para que la separación se efectúe a una temperatura reproducible.

Además es necesario mantener la columna en un amplio rango de temperaturas, hasta 400oC

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La temperatura de la columna deberá ser suficientemente alta para que el análisis se efectúe en un plazo razonable y suficientemente baja para lograr la separación deseada.

Según una aproximación hecha por Giddings, el tiempo de retención se duplica por cada 30oC que disminuye la temperatura de la columna.

En la mayoría de las columnas, cuando la temperatura es más alta es mejor la separación

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Para temperaturas con un amplio intervalo de puntos de ebullición es conveniente emplear un programa de temperatura

TEMPERATURA ISOTÉRMICA vs TEMPERATURA PROGRAMADA

El término isotérmico se refiere a temperatura constante durante el tiempo de análisis.

El término temperatura programada significa aumento de la temperatura de la columna durante el tiempo de análisis

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La programación de temperatura es muy útil para mezclas con puntos de ebullición distintos

En algunos casos, los componentes de alto punto de ebullición no son eluidos y pueden aparecer en un análisis posterior como unidos a la línea base o como inexplicables, señales fantasmas

Con la temperatura programada se usa una temperatura inicial baja y así los picos quedan bien resueltos

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A media que aumenta la temperatura, cada componente de mayor punto de ebullición es eluido.

La programación de temperatura permite selección apropiada de una temperatura que dará señales bien resueltas de forma apropiada en un tiempo total de análisis más breve que en la operación isotérmica.

Como dice Giddinggs: El proceso de calentamiento puede ser considerado únicamente como un mecanismo para obtener un intervalo de temperatura en la secuencia apropiada, sin ningún efecto directo sobre la separación

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DETECTORES

Un detector es un dispositivo para revelar la presencia de las sustancias eluídas a la salida de la columna cromatográfica.

Podemos expresar que el detector son los "ojos" de un cromatógrafo

El Detector es un dispositivo capaz de convertir una propiedad física, no medible directamente, en una señal elaborable y ofrecernos información sobre la naturaleza y magnitud de la propiedad física.

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En cromatografía un detector funciona comparando una propiedad física entre el gas portador puro y el mismo gas portador llevando cada uno de los componentes que previamente se han separado en la columna, esta acción se traduce en una señal tipo eléctrica, que posteriormente se amplificará mediante un registrador gráfico ó integrador permitiendo indicar el momento que salen de la columna los componentes.

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CLASIFICACIÓN DE LOS DETECTORES

Estos pueden ser clasificados:

Detectores según su Grado de Selectividad :

Universales. Responde a la mayoría de los solutos que pasan por él.

Específicos ó Selectivos. Exhibe una gran respuesta a un grupo particular de substancias con un mínimo de respuesta a otras.

Detectores Destructivos y No destructivos.

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Esta clasificación, obviamente, es en referencia a si la muestra es destruída o no.

  • Detectores según su Modo de Respuesta:
    • Dependientes del Flujo Másico. Producen una señal que es proporcional a la cantidad de soluto que pasa a través de él en la unidad de tiempo pero es independiente del volúmen de gas portador requerido para la elución.
    • Dependiente de la Concentración. Dan una señal proporcional a la cantidad de soluto por unidad de volúmen de gas portador que pasa a través de él.
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Detectores según el proceso de detección Ionización,Óptico-espectroscópico, Electroquímico, masas, etc.

  • CARACTERÍSTICAS DE LOS DETECTORES
    • Sensibilidad. Medida de la efectividad de un detector para convertir la muestra en una señal eléctrica medible.
    • Linealidad. Rango de masa ó concentración de muestra sobre el cual el detector mantiene una sensibilidad constante sin una desviación arbitraria.
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El significado práctico de la linealidad del detector es el que le indica al analista la concentración para la cual el detector es confiable.

  • Hay dos límites en la curva de linealidad:
    • El límite de concentración inferior, que es dado por el límite de detección y,
    • El límite Superior, definido por un porcentaje de desviación arbitrario de la curva de linealidad, normalmente se toma un 5% de desviación.
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Rango Dinámico Lineal.Rango sobre el cual la sensibilidad del detector es constante.

  • Ruido. Es cuantificado por el promedio de la amplitud pico-pico de la señal.
  • El significado de conocer el nivel de ruido de un detector es un factor determinante en la determinación de la cantidad mínima detectable y el límite inferior del rango lineal.
  • Límite de Detección. Está definido como la mínima cantidad de substancia que puede producir una señal que sea el doble del nivel de ruido.
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Corriente de Fondo. Señal constante de salida generada por el proceso en el que un detector está operativo sin que alguna substancia pasa a través de él.

  • Esta señal es muy importante, ya que permite diagnosticar el buen o mal funcionamiento del detector.
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Detectores más usados en Cromatografía de Gases

    • Detector de Captura Electrónica
    • Detector de Fotometría a la Llama.
    • Detector de Ionización de Llama Alcalina
    • Detector de Espectrometría de Masas
    • Detector de Ionización de Llama
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Características de un detector ideal

  • Sensibilidad adecuada
  • Buena estabilidad y reproducibilidad
  • Un respuesta lineal, que se extienda a varios órdenes de magnitud
  • Un intervalo de temperatura de trabajo comprendido entre la temperatura ambiente hasta 400oC
  • Tiempo de respuesta corto e independiente del caudal
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alta fiabilidad y manejo sencilo

  • No destructivo de la muestra
  • Respuesta semejante para todos los analitos o por el contrario una respuesta selectiva y altamente predecible para uno o más analitos
  • DETECTOR DE IONIZACIÓN DE LLAMA (FID)

En cromatografía de gases el detector de ionización de llama es uno de los más ampliamente usados.

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Detector de Ionización a la Llama.

  • Basado en la medida de las variaciones de la corriente de ionización en una llama oxígeno-hidrógeno debido a la presencia de substancias eluídas.
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La mayoría de los compuestos orgánicos cuando se pirolizan a la temperatura de la llama H2/aire producen iones y electrones que pueden conducir la electricidad a través de la llama.

Entre el extremo del quemador y un electrodo colector situado por encima de la llama se aplica una diferencia de potencial de unos pocos volts

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La ionización de la llama de los compuestos que contienen carbono no es un proceso bien establecido, aunque se observa que el número de iones que se produce es aproximadamente igual al de los átomos de carbono que entra en el detector por unidad de tiempo, es un detector sensible a la masa.

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Caracterísitcas de un detector de ionización de llama (FID)

Respuesta Selectiva, sensible a compuestos orgánicos, no para gases permanentees o agua

Linealidad 106

Estabilidad Excelente, relativamente insensible a la temperatura y a los cambios de caudal

Temperatura límite 400oC

Gas portador Nitrógeno o Helio

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En resumen: Resistente, puede soportar cambios extremos de temperatura, insensible a los gases permanentes, insensible al agua, aire, destructivo de la muestra, requiere abastecimiento de tres gases.

DETECTOR DE CONDUCTIVIDAD TERMICA (TCD)

Se basa en cambios de conductividad térmica de la corriente de gas ocasionados por la presencia de analitos

Este dispositivo se llama catarómetro

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Detector de Conductividad Térmica.

Mide la conductividad térmica del gas portador, ocasionada por la presencia de substancias eluídas.

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El sensor del catarómetro consiste en un elemento calentado electricamente constante, y depende de la conductividad térmica del gas circulante.

El elemento calentado puede ser un hilo fino de Pt, Au, W o un termistor semi-conductor.

La resistencia del hilo dá una medida de la conductividad térmica del gas

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Las conductividades térmicas del He y del H2 son aproximadamente 10 veces mayores que la mayoría de los compuestos orgánicos, de modo que incluso pequeñas concentraciones de analitos, dan lugar a una disminución relativamente grande de la conductividad térmica del efluente de la columna y en consecuencia el detector experimenta un aumento de temperatura

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Características de un detector de conductividad térmica (TCD)

Respuesta Universal todos los componentes excepto el gas portador.

Linealidad 105

Estabilidad Buena

Temperatura límite 400oC

Gas portador Helio o Hidrógeno

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En resumen: no destructivo, moderadamente estable, sensibilidad moderada, fácil de manejar. Requiere buena temperatura y control de flujo.

Usado frecuentemente en análisis de gases permanentes y en trabajos a escala preparativa.

La ventaja del TCD es su simplicidad y su respuesta universal tanto a especies orgánicas como inorgánicas.

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Su carácter no destructivo permite recoger solutos a la salida del detector o instalar otro detector en línea

DETECTOR DE CAPTURA DE ELECTRONES (ECD)

El detector de captura de electrones mide las disminuciones de una señal en lugar del aumento de la corriente eléctrica.

A medida que el gas de arrastre nitrógeno pasa pasa por el detector, una lámina de tritio o Ni radiactivo ioniza las moléculas de nitrógeno y forma electrones lentos.

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Estos electrones se desplazan hacia el ánodo cuyo potencial es positivo, 90 volts.

Al colectarse estos electrones lentos, se produce una corriente constante que se amplifica por un electrómetro.

Esta corriente es de aproximadamente 10 A. Si en este momento se introduce una muestra que contienen moléculas que capturen é, se reducirá la corriente.

Esta disminución de corriente es una medida de la afinidad electrónica de los componentes de la muestra.

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Con la calibración adecuada, puede relacionarse la pérdida de corriente con la concentración de la muestra.

El ECD es muy sensible a ciertas moléculas tales como: halógenos, nitrilos, nitratos y compuestos órgano metálicos.

Es insensible a hidrocarburos, alcoholes y cetonas.

Esto significa que estos detectores responden selectivamente a moléculas que contienen átomos electronegativos.

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Caracterísitcas de un detector de captura de electrones (ECD)

Respuesta Muy selectiva, solo responde a átomos electronegativos

Linealidad 103

Estabilidad Regular

Temperatura límite 225oC para tritio y 150oC para 63Ni

Gas portador Nitrógeno o Ar + 10% CH4

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En resumen: El detector se contamina fácilmente, el gas portador debe estar seco, es muy selectivo, puede ser muy sensible, no destructivo. Requiere permiso de la CCHEN

  • Detector de Captura Electrónica.
    • Basado en la electronegatividad de las substancias eluídas, y su habilidad para formar iones negativos por captura de electrones.
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DETECTOR DE FÓSFORO-NITRÓGENO (NPD) (FTD) (TID)

Este detector es conocido con diferentes nombre, det6ector de fósforo-nitrógeno, detector termoiónico de llama o detector termoiónico.

Es un detector selectivo a compuestos orgánicos que contienen fósforo y/o nitrógeno.

Su respuesta a un átomo de fósforo es aproximadamente 10 veces mayor que a un átomo de nitrógeno y 104 a 106 veces superior a un átomo de carbono.

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Esto lo hacer muy importante para la determinación de pesticidas órgano fosforados

Un detector termoiónico tiene configuración similar al detector de ionización de llama.

El efluente de la columna se mezclan con H2 pasa a través de la llama y se quema.

El gas caliente fluye alrededor de una perla de silicato de rubidio calentada eléctricamente, la cual mantiene unos 180 volts con respecto al colector

La bola caliente forma un plasma que alcanza una temperatura de 600o a 900oC, produciendo moléculas que contienen P y N

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Caracterísitcas detector de fósforo-nitrógeno (NPD) (FTD) (TID CD)

Respuesta Muy selectiva, sensible a los compuestos de fósforo y nitrógeno

Linealidad 104

Estabilidad Regular

Temperatura límite 300oC

Gas portador Nitrógeno o Helio

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En resumen: Requiere un controlador de flujo para para el Hidrógeno y el aire, es muy selectivo y de elevada sensibilidad, destructivo, estabilidad regular, buena linealidad, para evitar posibles interferencias debe usarse con el FID

DETECTOR FOTOMÉTRICO DE LLAMA (FPD)

En este detector, el efluente de la columna se mezcla con oxígeno y se quema formando una llama rodeada por una capa de Hidrógeno.

La llama está asentada en el interior de una capa de paredes altas para evitar las perturbaciones causadas por la emisión de fondo

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Las moléculas orgánicas que tiene la muestra son fragmentadas y excitadas hasta alcanzar elevados estados de energía en la atmósfera reductora de la llama.

La alta proporción de H2 con relación al O2 garantiza una atmósfera reductora

El plasma colocado sobre la copa se detecta mediante un tubo multiplicador a través de un filtro que permite el paso de una estrechas banda de longitud de onda apropiada

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También se dispone de una versión del detector fotométrico de llama con un filtro doble y un tubo fotomultiplicador doble a través de filtros que permite la lectura simultánea del azufre y fósforo en los compuestos

Los filtros de interferencia permiten la máxima sensibilidad hacia las emisiones de S y P sin interferencia significativa por parte de las partículas de hidrocarburos

Este detector se ha utilizado extensamente para el análisis de contaminantes de aire y agua como los pesticidas

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Para aislar las bandas de HPO a 510 y 526 nm y S a 394 nm se emplean filtros adecuados y sus intensidades se registran fotométricamente.

Caracterísitcas detector de fotométrico de llama

Respuesta Muy selectiva, solo P y S

Linealidad 104

Estabilidad Buena

Temperatura límite 400oC

Gas portador Nitrógeno

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En resumen. Un detector muy selectivo y sensible para compuestos que contienen S y P. La llama requiere H2 y aire muy limpio. Para calibración a niveles muy bajos se necesita un tubo de permeación con termostato.

Muy costoso, pero útil para trabajos con plaguicidas y contaminantes de aire.

DETECTOR DE FOTOIONIZACIÓN (PID)

El detector de fotoionización se usa a menudo en combinación con un detector electrolítico.

Es recomendado para contaminantes del agua

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En esta aplicación el detector responde a moléculas orgánicas aromáticas e insaturadas susceptibles de ser ionizadas por luz ultravioleta

Para otras aplicaciones la respuesta del PID puede ser controlada por cambio de energía en la fuente de luz

Para comprender la respuesta del detector es necesario comprender primero el mecanismo de fotoionización

Fotoionización: Muchas sustancias químicas tienen un primer potencial de ionización específico

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Esta es le energía necesaria para mover un electrón de una molécula y producir especies cargadas positivamente

En el detector de fotoionización, un fotón de luz es usado para suplir la energía de ionización necesaria

R + hv R+ + é

En que R es la molécula de soluto y hv representa el fotón que interactúa para producir R+ y un electrón.

Una molécula puede ser tan ionizada como alcance la energía del fotón

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Primer potencial de ionización

Molécula potencial de ionización (eV)

Helio 24,59

Argón 15,76

Nitrógeno 15,58

Hidrógeno 12,98

Metano 11,65

Etano 11,41

Acetileno 10,65

2-Clorobutano 10,52

Etileno 10,1

N-Hexano 10,18

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2-Bromobutano 9,98

N-Butilcetona 9,97

Iosobulaldehido 9,74

Propileno 9,73

Acetona 9,69

Benceno 9,25

Metilisotiocianato 9,12

N,N Dimetilformamida 9,09

2-Iodobutano 8,82

Tolueno 8,72

N-Butilamina 8,56

O-xileno 8,50

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La energía del fotón PID es controlada por el tipo de fuente de luz instalada.

Los detectores comerciales están compuestos con lámparas que producen energía de -10,0 – 10,2 eV o Sustancias con potenciales de ionización – 10 eV o menos podrán se ionizadas y aquellas con altos potenciales de ionización podrán pasar por el detector sin ionización.

Cabe notar que los gases de trasporte comunes como H2, He, N2 y Ar tienen potenciales de ionización > 10 eV y pasarán por el PID sin interaccionar.

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La clase de sustancia con PI ≥ 10 Ev incluye aromáticos y compuestos orgánicos insaturados (incluyendo acetileno), algunos ácidos carboxílicos, cetonas, esteres y aldehídos. También la mayoría alquilaminas, amidas y tionanatos podrían ser ionizados.

La mayoría de los iodoalcanos, bromoalcanos y unos pocos cloroalcanos tienen PI < 10 eV.

También los silanos pueden ser ionizados. Alcanos normales derivados del metano hasta el pentano tienen PI ≥ 10 Ev y alcanos que tienen más altos PI.

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Moléculas con PI bajo 10 eV producen una respuesta fuerte y aquellas cercanas a 10 Ev producen respuesta débil

Otras lámparas con mas alta o más baja energía (9,3 Ev) están disponibles para los PID.

El afluente de la columna entra por el fondo del detector en la cabeza de la base, para la cámara de ionización y se enfrenta a una ventana transparente al UV.

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La lámpara es conducida con su luz y su voltaje teniendo una corriente ajustada. Las especies ionizadas son recogidas en el electrodo polarizado para amplificación.

Como este detector no es destructivo se pude conectar en serie con un FID, ELCD, etc.

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Condiciones de operaciones:

La temperatura del detector podría ser entre 200ºC – 250ºC. Temperaturas altas como 300ºC son permitidas pero reducen el tiempo de vida de la lámpara. Temperaturas bajo 200ºC pueden permitir la condensación en el detector.

Si usted observa una línea base anormal chequee para ver si la línea base cae cuando el detector es cortado, en este caso podría ser contaminación del gas de trasporte.

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Si la línea base no cae cuando la lámpara es desconectada, entonces es el detector el contaminado, en este caso desconecte la columna, e intente con una vacía unida con la lámpara en on y chequee la línea base, luego corte la lámpara y aumente la temperatura a 300ºC por varias horas, luego deje la temperatura del horno a < 20ºC y deje que el detector se enfríe lentamente y vuelva a chequear.

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Detector de conductividad electrolítica (ELCD)

El sistema de la consiste en un pirolizador, un mezclador gas-líquido y un par de electrodos de Pt con un circuito en puente que funcione con corriente continua

El pirolizador convierte los halógenos, el azufre o el N unidos a compuestos orgánicos en sustancias oxidadas o reducidas que conducen a la electricidad cuando se disuelven en H2O.

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La conductividad se mide entre dos electrodos de Pt de la celda mediante un puente de Kohlraush y se registra continuamente sobre un registrador de 1 mV.

Los aumentos de conductividad pueden relacionarse con la concentración de los componentes de la muestra.

Los plaguicidas clorados, como el DDT, pueden quemarse con más oxigeno para formar haluros de hidrógeno que producen electrolitos fuertes cuando se disuelven en H2O.

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Es fácil detectar hasta un nanogramo de HCl a partir de plaguicidas clorados, cuando estos se hallan en presencia de cantidades mucho más grandes de compuestos orgánicos que no contengan halógenos.

 Se obtiene también una buena respuesta con el detector ELCD en operación oxidante con compuestos de azufre.

 Los compuestos halógenos pueden ser detectados tanto en operación oxidante como reductora cuando se usa un catalizador de Pt.

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La operación reductora es más selectiva, ya que no tiene respuesta o es muy pequeña para H, S, P, C, O y N.

Los aumentos de conductividad pueden relacionarse con la concentración de los componentes de la muestra.

Los plaguicidas clorados, como el DDT, pueden quemarse con más oxigeno para formar haluros de hidrógeno que producen electrolitos fuertes cuando se disuelven en H2 O.

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El detector de conductividad electrolítica se usa para estudiar hidrocarburos clorados y residuos de plaguicidas orgánicos que contengan nitrógeno, saborizantes, aroma y aminoácidos.

El detector de conductividad electrolítica se alimenta con un electrolito disuelto en propanol, por este motivo el pH debe ser bien controlado, así como la pureza del disolvente y del gas hidrógeno que da las características reductoras catalizadas por níquel. El pH se mantiene intercalando resinas de intercambio iónico.

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Características de un detector de conductividad electrolítica (ELCD)

Respuesta Selectivo, halógeno y nitrógeno

Linealidad100 veces

EstabilidadRegular

Temperatura límite250ºc

Gas portadorNitrógeno

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En resumen: Un detector selectivo moderadamente sensible para compuestos de halógenos y nitrógeno.

Requiere pirolisis y oxidación o reducción de los productos de combustión hasta obtener electrolitos

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Acoplamiento de la cromatografía de gases con métodos espectroscópicos.

La cromatografía de gases a menudo se combina con otras técnicas selectivas como la espectroscopia y la electroquímica.

Estos métodos se llaman métodos acoplados y proporcionan al químico herramientas muy potentes para identificación de componentes en una muestra compleja.

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En los primeros métodos acoplados, utilizados hace algún tiempo, los eluídos de una columna cromatográfica después de ser detectados por un detector no destructivo y no selectivo, se recogían como fracciones separadas en una trampa fría.

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A continuación la composición de cada una de las fracciones se investigaba por resonancia magnética nuclear, infrarrojo, espectrometría de masas o por medidas electro analíticas.

Una gran limitación de este procedimiento eran las cantidades muy pequeñas (µM) de soluto que contenían las fracciones, a pesar de ello, el procedimiento general resultaba útil para el análisis cualitativo.

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Un segundo método general que tiene actualmente un uso muy extendido, consiste en la aplicación de un detector selectivo para controlar continuamente el eluído de la columna.

Por lo general, estos procedimientos requieren un control de instrumentos mediante un ordenador y el uso de la memoria del ordenador para el almacenamiento de los datos espectrales y posterior presentación de los espectros y cromatogramas.

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Cromatografía de gases – espectroscopia infrarroja

El acoplamiento de cromatógrafo de gases con columnas capilares con espectrómetros de infrarrojo con trasformada de Founier proporciona un potente medio para la separación y la identificación de los componentes de mezclas complejas.

En estas técnicas resulta crítica la interfaz de acoplamiento entre la columna y el detector.

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En este caso, un tubo de luz de 10 a 40 cm. de longitud y de 1 a 3 mm de diámetro interno se conecta a la columna mediante un tubo estrecho.

 El tubo de luz, una versión del cuál se muestra esquemáticamente en la figura consiste en un tubo de Pirex recubierto internamente con oro.

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La transmisión de la radiación tiene lugar por múltiples reflexiones en la pared.

El conducto de luz a menudo se calienta con objeto de evitar la condensación de los componentes de la muestra.

Los conductos de luz de este tipo se diseñan para maximizar el camino óptico y aumentar la sensibilidad, minimizando a su vez el volumen muerto para así disminuir el ensanchamiento de la banda.

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Los detectores de la radiación son normalmente dispositivos muy sensibles de mercurio / teluro de cadmio, enfriados con nitrógeno líquido.

El barrido se desencadena al detectarse un pico cromatográfico en un detector no destructivo y empieza después de un intervalo de tiempo que permite que el componente se desplace desde la región del detector hasta la de la celda de infrarrojo.

 Los datos espectrales se digitalizan y se almacenan en un ordenador y a partir de ello se obtiene por último los espectros.

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A veces se tropiezan con dificultades cuando se intenta comparar los espectros correspondientes a los eluyentes gaseosos de la columna con los espectros de la biblioteca que se han obtenido a partir de muestras sólidas o líquidas.

Los espectros de gases contienen una estructura fina rotacional, la cual no se encuentra en los espectros de sólido o líquido, resultado se observan diferencias significativasen el aspecto de los espectros.

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Otra diferencia entre los espectros en fase gaseosa y fase líquida es la ausencia en los primeros de bandas debidas a interacciones moleculares, tales como los puentes de hidrógeno en alcoholes y ácidos.

Cromatografía de gases – espectrometría de masa (GC-MS)

¿Qué es la espectrometría de masa?

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La espectrometría de masa es una técnica analítica muy útil que puede ser utilizada para identificar compuestos desconocidos, cuantificar materiales y dilucidar propiedades estructurales y químicas de las moléculas.

 Los componentes básicos de un espectrómetro de masa que se muestra en la Figura

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La muestra, que puede estar en estado sólido, líquido o vapor, se introduce al vacío, siendo conectada y ionizada en una fuente de iones. Los iones que se encuentran en fase de gaseosa, son trasladados a un analizador de masa de acuerdo a su razón (m / z) y ellos son conectados en un detector.

En el detector los iones generan una señal eléctrica que es proporcional al número de iones. El sistema de datos convierte estas señales eléctricas en espectros de masa.

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Los procesos que ocurren en el espectrómetro de masa son:

a.- Ionización

b.- Salida de masa

c.- Detección

Un espectro de masa en un gráfico de abundancia de los iones de los iones versus la razón m/z.

Los iones y su abundancia sirven para establecer el peso molecular y la estructura del compuesto analizado.

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Por ejemplo, un espectro de masa de una molécula simple CO 2 se muestra en la Figura En el espectro se muestra que la molécula ionizada CO 2 aparece a una relación m / z 44 (carbón =12, oxigeno =16).

La pérdida de un átomo de oxigeno para producir CO Y O, resulta en los fragmentos m / z 28 y 16, pérdida de dos átomos de O resulta en fragmento de m / z 12 para carbono.

Los espectrometriítas de masa, se refieren a la molécula más grande como Ion o molecular y los otros como iones fragmentados.

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En este caso los iones están cargados positivamente y es M o CO 2 y los fragmentos son designados como C+, O+ y CO+ respectivamente.

También se puede generar y detectar iones negativos.

¿Cómo se producen los iones moleculares y fragmentados en la fuente de iones?

Los iones son comúnmente generados por bombardeo de moléculas gaseosas con un vapor de electrones, como se puede observar en la Figura

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Con el bombardeo se genera una mezcla de iones positivos y negativos y especies neutras. Si se aplica una carga positiva esta repele los iones positivos en el analizador.

Los iones negativos y electrones son atraídos hacia el cátodo cargado positivamente o trampa de electrones.

Las moléculas y los fragmentos neutros que no ionizados y son expulsados afuera.

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En el proceso de ionización de electrones (EI), la energía de los electrones bombardeantes es generalmente mucho más grande que la de los otros enlaces por esto cuando electrones de alta energía interactúan con una molécula ocurre la ionización, los enlaces se rompen y ocurre una fragmentación.

Aunque se generan ambos iones positivos o negativos se generan en la fuente de iones al mismo tiempo, se elige una polaridad y el registro del espectrómetro de masa es para iones positivos o negativos.

Las partículas neutras no son detectadas.

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El analizador elige los iones de acuerdo a su razón masa-carga. Los analizadores más utilizados son magnético-eléctricos, cuadropolos, y atrapadores de iones.

Los iones de mayor masa tienen trayectoria de mayor radio que los iones pequeños

Los iones con diferentes razones masa-carga son dirigidos al detector por variación de la fuerza del campo magnético.

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Esta combinación de analizadores electrostáticos y magnéticos proporciona una resolución de masa lo suficientemente alta para resolver iones que tienen igual masa pero distinta formula química tal como N2 y CO m/z con masa molar 28.

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Otro tipo de analizador de masa llamado cuadropolo consiste en cuatro polos o rollos

El espectrómetro de masa cuadrupolo proporciona baja resolución, pero son más fáciles de conectar con sistemas externos.

El espectrómetro de masa llamado ion trap opera con un principio similar al del cuadropolo aunque más que permitir que los iones pasen, el atrapador de iones los guarda para otros experimentos.

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Se usa con una geometría de sándwich, con un electrodo de anillo en el medio, al final y en la entrada.

 Algunos fabricantes de instrumentos ofrecen equipos de cromatografía de gases que pueden acoplarse directamente con distintos tipos de espectrómetros de masa de barrido rápido.

 El caudal de las columnas capilares en general es suficientemente bajo como para que la salida de la columna pueda introducirse directamente en la cámara de ionización de un espectrómetro de masas.

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Sin embargo es muy útil un separador de chorro para eliminar la mayor parte del gas portador que acompaña al analito

En este dispositivo de salida de gas fluye a través de la boquilla de un separador de chorro de vidrio, el cual aumenta el movimiento de las moléculas más pesadas del analito, de tal forma que el 50% o más de estas se desplazan aproximadamente en línea recta hacia el conducto colector de salida.

Por el contrario, los átomos de He ligeros se desvían por el vacío y son succionados hacia el exterior.

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El detector de masa más simple para cromatografía de gases es el detector de trampa de iones o ion trap (ITD).

La trampa de iones es un dispositivo en que cationes y aniones gaseosos pueden ser formados y confinados durante largo periodos de tiempo por acción de campos eléctricos y/o magnéticos.

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Se han desarrollado varios tipos de trampa de iones y son dos los normalmente más utilizados en espectrómetros de masa comerciales.

Una de ellas es la que ha sido desarrollada para cromatografía de gases GC/MS.

Consiste en un electrodo anular y un par de electrodos colectores.

Se aplica al electrodo anular un potencial de radiofrecuencia variable mientras que los dos electrodos colectores están conectados a tierra.

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Los iones con un valor apropiado de m/z circulan en una órbita estable dentro de la cavidad que esta rodeada por el anillo.

Cuando el potencial de radio frecuencia se aumenta, las orbitas de los iones más pesados llegan a estabilizarse, mientras que las de los iones más ligeros se desestabilizan, lo que causa colisiones con la pared del electrodo anular.

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Cuando este dispositivo funciona como un espectrómetro de masa una ráfaga de iones del analito procedentes de una fuente de impacto electrones se introducen a través de una rejilla en el colector superior.

Entonces se hace el barrido del potencial de radiofrecuencia y los iones son atrapados; cuando se desestabilizan dejan la cavidad del electrodo de anillo a través de una obertura en el colector inferior.

Los iones emitidos pasan entonces al detector.

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Los espectrómetros de trampa de iones son robustos, compactos y más económicos que los cuadrupolo.  

Los detectores espectrofotometricos de masas tienen por lo común varias formas de presentación de datos las cuales están incluidas en dos categorías: a tiempo real y reconstruidos por un ordenador.

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Dentro de cada una de estas categorías se puede elegir entre cromatogramas que registran la intensidad de todos los iones (una representación de la suma de las intensidades de todos los iones en función del tiempo), cromatogramas que registran la identidad de un ión seleccionado (una representación de la intensidad para uno o más pocos iones en función del tiempo).