¿Qué es la cromatografía de gases?
La cromatografía de gases (GC) es una técnica analítica utilizada para separar los componentes químicos de una mezcla de muestra y luego detectarlos para determinar su presencia o ausencia y / o cuánto está presente. Estos componentes químicos suelen ser moléculas orgánicas o gases. Para que GC tenga éxito en su análisis, estos componentes deben ser volátiles, generalmente con un peso molecular por debajo de 1250 Da, y térmicamente estables para que no se degraden en el sistema GC. GC es una técnica ampliamente utilizada en la mayoría de las industrias: para el control de calidad en la fabricación de muchos productos, desde automóviles hasta productos químicos y farmacéuticos; para fines de investigación, desde el análisis de meteoritos hasta productos naturales; y para la seguridad desde el medio ambiente hasta los alimentos y la medicina forense. Los cromatógrafos de gases se asocian frecuentemente con espectrómetros de masas (GC-MS) para permitir la identificación de los componentes químicos.
¿Cómo funciona la cromatografía de gases?
Como su nombre lo indica, GC utiliza un gas portador en la separación, que desempeña el papel de móvil fase (Figura 1 (1)). El gas portador transporta las moléculas de la muestra a través del sistema GC, idealmente sin reaccionar con la muestra o dañar los componentes del instrumento.
La muestra se introduce primero en el cromatógrafo de gases (GC), ya sea con un jeringa o transferido desde un inyector automático (Figura 1 (2)) que también puede extraer los componentes químicos de matrices de muestras sólidas o líquidas. La muestra se inyecta en la entrada del GC (Figura 1 (3)) a través de un septum que permite la inyección de la mezcla de muestra sin perder la fase móvil. Conectada a la entrada está la columna analítica (Figura 1 (4)), un tubo de metal o sílice fundido largo (10 – 150 m), estrecho (0,1 – 0,53 mm de diámetro interno) que contiene la fase estacionaria recubierta en las paredes internas. La columna analítica se mantiene en el horno de columna que se calienta durante el análisis para eluir los componentes menos volátiles. La salida de la columna se inserta en el detector (Figura 1 (5)) que responde a los componentes químicos que se eluyen de la columna para producir una señal. La señal se registra mediante el software de adquisición en una computadora para producir un cromatograma (Figura 1 (6)).
Figura 1: Un diagrama simplificado de un cromatógrafo de gases que muestra: (1 ) gas portador, (2) inyector automático, (3) entrada, (4) columna analítica, (5) detector y (6) PC. Crédito: Anthias Consulting.
Después de la inyección en la entrada del GC, los componentes químicos de la mezcla de muestra se vaporizan primero, si aún no están en la fase gaseosa. Para las muestras de baja concentración, el gas portador transfiere toda la nube de vapor a la columna analítica en lo que se conoce como modo splitless. Para muestras de alta concentración, solo una parte de la muestra se transfiere a la columna analítica en modo dividido, el resto se elimina del sistema a través de la línea dividida para evitar la sobrecarga de la columna analítica.
Una vez en la columna analítica, los componentes de la muestra están separados por sus diferentes interacciones con la fase estacionaria. Por lo tanto, al seleccionar el tipo de columna a utilizar, se debe considerar la volatilidad y los grupos funcionales de los analitos para hacerlos coincidir con la fase estacionaria. Las fases estacionarias líquidas se dividen principalmente en dos tipos: a base de polietilenglicol (PEG) o polidimetilsiloxano (PDMS), este último con porcentajes variables de grupos funcionales dimetilo, difenilo o polares medios, por ejemplo, cianopropilfenilo. Como se separa como, por lo tanto, las columnas no polares con dimetilo o un bajo porcentaje de difenilo son buenas para separar analitos no polares. Aquellas moléculas capaces de interacciones π-π se pueden separar en fases estacionarias que contienen grupos fenilo. Aquellos que pueden formar puentes de hidrógeno, por ejemplo, ácidos y alcoholes, se separan mejor con columnas de PEG, a menos que se hayan sometido a derivatización para hacerlos menos polares.
El paso final es la detección de las moléculas del analito. cuando eluyen de la columna. Hay muchos tipos de detectores de GC, por ejemplo: los que responden a enlaces C-H como el detector de ionización de llama (FID); los que responden a elementos específicos como azufre, nitrógeno o fósforo; y aquellos que responden a propiedades específicas de la molécula, como la capacidad de capturar un electrón, como se usa con el detector de captura de electrones (ECD).
Añadiendo masa de espectrometría a cromatografía de gases (GC-MS)
La espectrometría de masas (MS) es una técnica analítica que puede asociarse a un GC y utilizarse en lugar del detector de GC. Las moléculas neutras eluyen de la columna analítica y se ionizan en la fuente de iones para producir iones moleculares que pueden degradarse en iones fragmentados. A continuación, el fragmento y los iones moleculares se separan en el analizador de masas por su relación masa: carga (m / z) y se detectan.Los datos de una GC-MS son tridimensionales y proporcionan espectros de masas que pueden utilizarse para confirmar la identidad, identificar analitos desconocidos y determinar las propiedades estructurales y químicas de las moléculas, así como el cromatograma que se puede utilizar para análisis cualitativos y cuantitativos.
¿Cómo se lee un cromatograma y qué le dice?
Figura 2: Salida del cromatograma de un GC o GC -SRA. Crédito: Anthias Consulting.
Se puede obtener mucha información del cromatograma sobre la salud del sistema GC o GC-MS, así como los datos necesarios para realizar análisis cualitativos o cuantitativos.
El eje x es el tiempo de retención, tomado desde el momento en que se inyectó la muestra en el GC (t0) hasta el final del análisis del GC. Cada pico de analito tiene un tiempo de retención medido desde el vértice del pico, por ejemplo tR. El eje y es la respuesta medida del pico de analito en el detector. La línea de base muestra la señal del detector cuando no eluye ningún analito de la columna o está por debajo del límite de detección. La respuesta de línea de base es una combinación de ruido eléctrico (generalmente bajo) y ruido químico, como impurezas en el gas portador, purga de la fase estacionaria de la columna y contaminación del sistema. Por lo tanto, si la línea de base es más alta de lo que debería ser, es una indicación de un problema o de que se requiere mantenimiento. Se pueden tomar varias medidas desde el pico, como ancho en la línea de base, ancho a media altura, altura total y área. Los dos últimos son proporcionales a la concentración, sin embargo, es el área que se utiliza para la cuantificación, ya que se ve menos afectada por el ensanchamiento de la banda. Las mediciones se pueden utilizar para calcular el grado de ensanchamiento de la banda, la dispersión de las moléculas de analito en la columna. Los picos más estrechos y nítidos proporcionan una mejor sensibilidad (relación señal / ruido) y una mejor resolución (separación de picos). Los picos que se muestran son gaussianos, sin embargo, la cola de los picos (el lado derecho del pico es más ancho) indica actividad o un volumen muerto en el sistema, mientras que un frente de pico (el lado izquierdo del pico es más ancho) indica que la columna está sobrecargada. Las mediciones precisas se ven afectadas por el número de puntos de datos en un pico, siendo un número ideal de 15 a 25. Demasiado pocos, hace que el pico parezca un dibujo de unión de puntos de un niño, afectando el área del pico, la resolución y, con GC-MS, la deconvolución. Demasiados reduce la señal a ruido, reduciendo la sensibilidad. Para los datos de GC-MS, cada punto de datos es un espectro de masas, la tercera dimensión de los datos.
Llevando la cromatografía de gases a múltiples dimensiones
En comparación con otros técnicas de separación, GC tiene una alta capacidad de pico con la capacidad de separar cientos de compuestos. Sin embargo, para algunas aplicaciones donde es necesario separar miles de picos, no hay suficientes platos teóricos para separarlos cromatográficamente todos. Los ejemplos pueden incluir el análisis de diésel o cuando es necesario detectar trazas de analitos en matrices complejas como muestras ambientales, biológicas o de alimentos. La resolución espectral, donde una MS se divide con guiones a un GC, permite realizar el análisis sin una resolución cromatográfica completa; sin embargo, los picos coeluyentes deben tener espectros diferentes para que esto sea completamente exitoso.
Heart cut es útil cuando se selecciona una columna para separar la mayoría de los picos, luego se «cortan» algunos grupos de picos coeluyentes y se transfieren a una segunda columna que contiene una fase estacionaria y selectividad diferentes. Solo se pueden transferir unos pocos cortes a través de la ejecución , por lo tanto, solo se puede usar cuando hay algunos problemas de separación.
Figura 3: Gráfico de contorno GC x GC de diesel que muestra las diferentes clases químicas separadas. La columna de la 1ª dimensión no es -polar y la columna de segunda dimensión es de polaridad media. Crédito: Anthias Consulting.
Para muestras complejas en las que hay coeluciones frecuentes, se utiliza una cromatografía bidimensional completa (GC x GC). Dos columnas , que contiene diferentes fases estacionarias y, por lo tanto, diferentes los mecanismos de separación, se instalan en serie. La configuración «normal» es una columna no polar de 1ª dimensión seguida de una columna más polar de 2ª dimensión, como se muestra en la Figura 3, para el análisis de diesel. Se utiliza un modulador entre las dos columnas para tomar un corte de la la primera columna y reinyectar en una banda de muestra estrecha en la segunda columna. Los moduladores térmicos logran esto usando la temperatura para atrapar y luego liberar las moléculas, los moduladores de flujo recolectan el efluente, comprimen y arrojan las moléculas a la segunda columna. Los cortes se toman durante todo el ciclo , por lo general cada 1 a 10 segundos. La separación en la segunda columna debe lograrse antes de que se introduzca el siguiente corte. Esta separación rápida se logra utilizando una segunda columna corta y estrecha, generalmente de 1 a 2 m de diámetro interno de 0,1 mm utilizada con moduladores, o una segunda columna corta y más ancha, generalmente de 5 m de 0,25 mm de diámetro interno utilizada con moduladores de flujo.Los picos de GC x GC son muy estrechos, hasta 35 ms, por lo que se deben utilizar detectores de GC rápidos o espectrómetros de masas de alta velocidad de adquisición > 100 Hz para adquirir suficientes puntos de datos.
Fortalezas y limitaciones de la cromatografía de gases
GC es una técnica ampliamente utilizada en la mayoría de las industrias. Se utiliza para el análisis de rutina hasta la investigación, analizando unos pocos a muchos cientos (o miles con GC x GC) de compuestos en muchas matrices diferentes, desde sólidos hasta gases. Es una técnica robusta y se puede unir fácilmente a otras técnicas, incluida la espectrometría de masas.
La GC se limita a analizar compuestos volátiles desde helio / hidrógeno hasta pesos moleculares de alrededor de 1250 u. Los compuestos térmicamente lábiles pueden degradarse en un GC caliente, por lo que se deben utilizar técnicas de inyección en frío y temperaturas bajas para minimizar esto. Más analitos polares pueden atascarse o perderse en el GC, por lo tanto, el sistema debe desactivarse y mantenerse en buen estado o estos analitos deben derivatizarse.
Problemas comunes con la cromatografía de gases
El problema más común en GC son las fugas. La fase móvil es un gas y fluye por todo el sistema, por lo que la instalación correcta de piezas y consumibles es importante junto con la verificación regular de fugas.
La actividad es otro problema para los analitos más polares, especialmente aquellos en niveles de trazas. Los grupos de silanol en los revestimientos de vidrio y la columna, y también una acumulación de suciedad en el sistema, pueden causar picos de cola, adsorción irreversible o descomposición catalítica. La entrada es el área que causa la mayoría de los problemas, ya que es aquí donde se inyecta la muestra, se vaporiza y se transfiere a la columna de GC. Por lo tanto, el mantenimiento regular del inyector junto con el uso de los consumibles correctos, por ejemplo, un revestimiento de entrada desactivado, es importante para mantener el instrumento libre de problemas.