9.2.1 La práctica de la cromatografía de gases
El equipo de cromatografía de gases común consta de un sistema de gas portador, inyector, columna cromatográfica de gases, detector y procesamiento de datos unidad. El gas portador es generalmente un gas permanente con una capacidad de adsorción baja o insignificante, es decir, hidrógeno, helio o nitrógeno. La naturaleza del gas portador puede influir en las características de separación del sistema GC y puede modificar la sensibilidad de la detección. Como la estabilidad y reproducibilidad del caudal del gas portador es un requisito previo para un análisis cromatográfico de gases satisfactorio, influyen considerablemente tanto en la eficacia de la separación como en la cuantificación de los resultados. Los inyectores entregan la muestra al cabezal de la columna de GC. Los inyectores se pueden clasificar en dos grupos principales: vaporización e inyectores en columna. Los inyectores de vaporización utilizan altas temperaturas (100–300 ° C) para vaporizar una muestra líquida rápidamente. Normalmente se utiliza una jeringa para introducir la muestra en el inyector termostatizado. En este caso, la muestra se vaporiza rápidamente, se mezcla con el gas portador y se transporta a la columna. Los inyectores en columna depositan la muestra directamente en la columna sin depender de la vaporización de la muestra y su posterior transporte a la columna. La separación de los compuestos volátiles de la muestra inyectada se realiza en la columna GC.
Las columnas para cromatografía de gases se pueden dividir en dos grupos distintos; columnas empaquetadas y capilares de varias dimensiones (Spangler, 2001). Una columna empaquetada es una columna rígida de metal o vidrio llena de pequeñas partículas que a menudo se recubren con una capa delgada de un polímero de alto peso molecular. Los soportes sólidos más habituales son las tierras de diatomeas, los fluorocarbonos, el negro de humo grafitizado y las perlas de vidrio. Aproximadamente el 90% de todos los soportes son varios tipos de tierra de diatomeas. La fase líquida estacionaria de las columnas de GC tiene que cumplir con los siguientes requisitos: baja presión de vapor, alta estabilidad química y viscosidad relativamente baja a la temperatura de análisis; selectividad para los componentes de la muestra bajo investigación; buena capacidad humectante tanto de la superficie del soporte inerte como de la pared posiblemente inerte de la columna. La longitud de una columna de relleno está limitada a aproximadamente 3 m debido a las altas presiones que se requieren para mantener los caudales del gas portador a las velocidades necesarias para un rendimiento óptimo. Las columnas empaquetadas tienen varias ventajas sobre las columnas capilares. Las columnas empaquetadas tienen una capacidad de muestra de 10 a 1,000 veces mayor que las columnas capilares. Esto hace que las columnas empaquetadas sean superiores para los analitos en los que es necesario analizar grandes cantidades de muestra. Sin embargo, las columnas empaquetadas tienen entre un 25 y un 50% menos de platos teóricos por metro que las columnas capilares. Junto con las longitudes más cortas de las columnas empaquetadas (1-3 m frente a 10-60 m para las columnas capilares), el número total de platos teóricos es sustancialmente menor que el de las columnas capilares.
Un capilar (también llamado abierto tubular) es un tubo de vidrio o de sílice fundida de diámetro interno muy pequeño (generalmente entre 0,20 y 0,53 mm). La superficie interna de una columna capilar está recubierta con una capa delgada de fase estacionaria, por lo que aún 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 unidas covalentemente a la superficie de sílice fundida. La cantidad de fase estacionaria en una columna capilar se indica por el espesor de su película, que normalmente es de 0,1 a 5 μm. La retención del compuesto es proporcional al espesor de la película en columnas capilares, la retención aumenta a medida que aumenta el espesor de la película y disminuye a medida que disminuye el espesor de la película. La ventaja de las columnas capilares es su muy alta capacidad de separación. Esto permite la resolución de picos en muestras complejas que no están adecuadamente separadas por columnas empaquetadas. Debido a un mejor rendimiento de separación, las columnas capilares se han utilizado con más frecuencia en cromatografía de gases que las columnas empaquetadas. La eficacia de los análisis de GC se puede mejorar notablemente mediante el uso de una técnica de cambio de columna (Samuel y Davis, 2002).
Para lograr una separación efectiva y confiable, la columna de cromatografía de gases debe estar termostatizada a una temperatura constante (modo de separación isotérmica) o se puede modificar según un programa de temperatura predeterminado (gradiente de temperatura). La aplicación de un gradiente de temperatura aumenta enormemente la eficacia de la separación (Davis et al., 2000). Como la temperatura de la columna es uno de los parámetros más decisivos en el análisis por GC, su regulación exacta es de suma importancia. Los detectores interactúan con las moléculas de soluto cuando salen de la columna. Esta interacción se convierte en una señal eléctrica que se envía a un dispositivo de grabación o almacenamiento de datos. Luego se crea un cromatograma que es un gráfico de la intensidad de la señal frente al tiempo transcurrido.Las características principales de los detectores son la cantidad más baja de un compuesto que es detectable (sensibilidad) y qué compuesto en la misma cantidad produce la respuesta del detector más fuerte (selectividad).
Muchos detectores diferentes (ionización de llama = FID , nitrógeno-fósforo = NPD, fotometría de llama = FPD, captura de electrones = ECD, conductividad térmica = TCD, emisión atómica = AED, conductividad electrolítica = ELCD, quimioluminiscencia, etc.) se han desarrollado para la detección y cuantificación sensible y selectiva de muestras componentes. FID utiliza un flujo de hidrógeno mezclado con el gas portador. La mezcla se enciende, los analitos se queman y los iones formados durante el proceso de combustión se recogen en un electrodo cilíndrico a un alto voltaje aplicado entre el chorro de la llama y el electrodo. La corriente resultante se amplifica y detecta. NPD es similar al FID en su diseño. Contiene perlas de rubidio o cesio dentro de una bobina calefactora cerca del chorro de hidrógeno. Las moléculas de nitrógeno y fósforo parcialmente quemadas se adsorben en la superficie de la perla reduciendo la emisión de electrones, lo que aumenta la corriente. FPD detecta especialmente compuestos de azufre y fósforo. Los analitos se queman en la llama. Debido a la excitación en la llama, se emite luz a 392 (azufre) y 526 (fósforo) nm. Un filtro selecciona las longitudes de onda que llegan a un tubo fotomultiplicador.
ECD emplea una fuente de rayos β de baja energía para la producción de electrones e iones. Las moléculas de captura de electrones (compuestos halogenados) que ingresan al detector disminuyen la corriente de electrones que puede amplificarse y registrarse. El TCD responde a los cambios en la conductividad térmica y el calor específico utilizando un filamento bajo corriente colocado en el flujo del gas portador. Los cambios en la conductividad térmica y / o el calor específico del gas actual provocados por los analitos modifican el potencial a través del filamento. El AED es adecuado para la detección de átomos o grupos de átomos seleccionados, ELCD se puede utilizar especialmente para la detección de analitos que contienen Cl, N o S. Un detector de quimioluminiscencia se emplea principalmente para la detección de compuestos de azufre. En las últimas décadas, los métodos de GC combinados con varios sistemas de detección de espectrometría de masas (MS) han encontrado una aplicación cada vez mayor en los análisis de GC.
La detección de MS se basa en el fenómeno de que los iones o moléculas pueden ionizarse en un alto vacío produciendo especies cargadas adicionales. Estas especies se pueden separar y su abundancia relativa (su espectro de masas) es característica del analito original. Un espectrómetro de masas tiene que generar especies iónicas, luego separarlas y detectarlas. La generación de iones se puede lograr mediante técnicas de impacto electrónico (EI) e ionización química (CI). En el método EI la fragmentación y carga de los analitos se realiza produciendo colisiones entre ellos y los electrones generados a partir de un filamento caliente.
La técnica CI emplea un gas reactivo como amoniaco o metano ionizado por un haz de electrones. El gas ionizado reacciona con los analitos formando complejos ion-molécula relativamente estables. Como los complejos que aparecen con más frecuencia son aductos simples como + o +, la masa molecular de los analitos se puede calcular fácilmente. También se han desarrollado otros instrumentos GC portátiles con guiones para aplicaciones de campo (Arnold et al., 2000). Las tendencias actuales en instrumentación y metodologías de GC han sido revisadas recientemente por Yashin y Yashin, (2001).