27.3: Columnas Cromatográficas de Gases y Fases Estacionarias

Hay dos clases amplias de columnas cromatográficas: columnas empaquetadas y columnas capilares. En general, una columna empaquetada puede manejar muestras más grandes y una columna capilar puede separar mezclas más complejas.

Columnas empaquetadas

Las columnas empaquetadas están construidas de vidrio, acero inoxidable, cobre o aluminio, y típicamente tienen una longitud de 2 a 6 m con diámetros internos de 2 a 4 mm. La columna se rellena con un soporte sólido particulado, con diámetros de partícula que van desde 37—44 μm hasta 250—354 μm. La figura 27.3.1 muestra un ejemplo típico de una columna empaquetada.

Figura 27.3.1 . Ejemplo típico de una columna empaquetada para cromatografía de gases. Esta columna es de acero inoxidable y mide 2 m de largo con un diámetro interno de 3.2 mm. El material de empaque en esta columna tiene un diámetro de partícula de 149—177 μm. Para poner esto en perspectiva, la arena de playa tiene un diámetro típico de 700 μm y el diámetro de la arena de grano fino es de 250 μm.

El soporte particulado más utilizado es la tierra de diatomeas, la cual está compuesta por los esqueletos de sílice de las diatomeas. Estas partículas son muy porosas, con áreas superficiales que van desde 0.5—7.5 m ² /g, lo que proporciona un amplio contacto entre la fase móvil y la fase estacionaria. Cuando se hidroliza, la superficie de una tierra de diatomeas contiene grupos silanol (—SiOH), que sirven como sitios activos para absorber moléculas de soluto en cromatografía gas-sólido (GSC).

En cromatografía gas-líquido (GLC), recubrimos el material de empaque con una fase móvil líquida. Para evitar que el material de empaque sin recubrimiento adsorba solutos, lo que degrada la calidad de la separación, los silanoles superficiales se desactivan haciéndolos reaccionar con dimetildiclorosilano y enjuagándolos con un alcohol, típicamente metanol, antes de recubrir las partículas con fase estacionaria.

La figura 27.3.2 , por ejemplo, tiene aproximadamente 1800 placas/m, o un total de aproximadamente 3600 placas teóricas.

Columnas Capilares

Una columna capilar o tubular abierta se construye a partir de sílice fundida y se recubre con un recubrimiento polimérico protector. Las columnas varían de 15—100 m de longitud con un diámetro interno de aproximadamente 150—300 μm. La figura 27.3.2 muestra un ejemplo de una columna capilar típica.

Figura 27.3.2 . Ejemplo típico de una columna capilar para cromatografía de gases. Esta columna mide 30 m de largo con un diámetro interno de 247 μm. La superficie interior del capilar tiene un recubrimiento de 0.25 μm de la fase líquida.

Las columnas capilares son de tres tipos principales. En una columna tubular abierta recubierta de pared (WCOT) se recubre una capa delgada de fase estacionaria, típicamente de 0.25 nm de espesor, sobre la pared interna del capilar. En una columna tubular abierta de capa porosa (PLOT), un soporte sólido poroso (alúmina, gel de sílice y tamices moleculares son ejemplos típicos) se une a la pared interna del capilar. Una columna tubular abierta recubierta con soporte (SCOT) es una columna PLOT que incluye una fase estacionaria líquida. La Figura 27.3.3 muestra las diferencias entre estos tipos de columnas capilares.

Figura 27.3.3 . Secciones transversales a través de los tres tipos de columnas capilares.

Una columna capilar proporciona una mejora significativa en la eficiencia de separación porque tiene más placas teóricas por metro y es más larga que una columna empaquetada. Por ejemplo, la columna capilar en la Figura 27.3.2 tiene casi 4300 placas/m, o un total de 129 000 placas teóricas. Por otro lado, una columna empaquetada puede manejar una muestra más grande. Debido a su diámetro más pequeño, una columna capilar requiere una muestra más pequeña, típicamente menos de 10 ^—2 μL.

Fases estacionarias para cromatografía gas-líquido

El orden de elución en la cromatografía gas-líquido depende de dos factores: el punto de ebullición de los solutos y la interacción entre los solutos y la fase estacionaria. Si los componentes de una mezcla tienen puntos de ebullición significativamente diferentes, entonces la elección de la fase estacionaria es menos crítica. Si dos solutos tienen puntos de ebullición similares, entonces una separación es posible solo si la fase estacionaria interactúa selectivamente con uno de los solutos. Como regla general, los solutos no polares se separan más fácilmente cuando se usa una fase estacionaria no polar, y los solutos polares son más fáciles de separar cuando se usa una fase estacionaria polar.

Existen varios criterios importantes para elegir una fase estacionaria: no debe reaccionar con los solutos, debe ser térmicamente estable, debe tener una volatilidad baja y debe tener una polaridad que sea apropiada para los componentes de la muestra. Table 27.3.1 resume las propiedades de varias fases estacionarias populares.

Tabla 27.3.1 . Ejemplos seleccionados de fases estacionarias para cromatografía gas-líquido

fase estacionaria	polaridad	nombre comercial	límite de temperatura (^o C)	aplicaciones representativas
escualano	no polar	Escualano	150	hidrocarburos alifáticos de bajo punto de ebullición
Apezión L	no polar	Apezión L	300	amidas, ésteres metílicos de ácidos grasos, terpenoides
polidimetil siloxano	ligeramente polar	SE-30	300—350	alcaloides, derivados de aminoácidos, fármacos, pesticidas, fenoles, esteroides
fenilmetil polisiloxano (50% fenilo, 50% metilo)	moderadamente polar	OV-17	375	alcaloides, medicamentos, pesticidas, hidrocarburos poliaromáticos, bifenilos policlorados
trifluoropropilmetil polisiloxano (50% trifluoropropilo, 50% metilo)	moderadamente polar	OV-210	275	alcaloides, derivados de aminoácidos, fármacos, compuestos halogenados, cetonas
cianopropilfenilmetil polisiloxano (50% cianopropilo, 50% fenilmetilo)	polar	OV-225	275	nitrilos, pesticidas, esteroides
polietilenglicol	polar	Carbowax	225	aldehídos, ésteres, éteres, fenoles

Muchas fases estacionarias tienen la estructura general mostrada en la Figura {{template.index (ID:4)} a. Una fase estacionaria de polidimetilsiloxano, en la que todos los grupos —R son grupos metilo, —CH ₃, es no polar y a menudo hace una buena primera elección para una nueva separación. El orden de elución cuando se usa polidimetilsiloxano suele seguir los puntos de ebullición de los solutos, eluyendo primero los solutos de menor punto de ebullición. Reemplazar algunos de los grupos metilo con otros sustituyentes aumenta la polaridad de la fase estacionaria y proporciona mayor selectividad. Por ejemplo, reemplazar 50% de los grupos —CH ₃ con grupos fenilo, —C ₆ H ₅, produce una fase estacionaria ligeramente polar. La polaridad creciente se proporciona sustituyendo trifluoropropilo, —C ₃ H ₆ CF y cianopropilo, —C ₃ H ₆ CN, grupos funcionales, o mediante el uso de una fase estacionaria de polietilenglicol (Figura {{template.index (ID:4)}} b).

Figura 27.3.4 . Estructuras generales de fases estacionarias comunes: (a) polisiloxano sustituido; (b) polietilenglicol.

Un problema importante con todas las fases estacionarias líquidas es su tendencia a eluir, o sangrar de la columna cuando se calienta. Los límites de temperatura en la Tabla 27.3.1 minimizan esta pérdida de fase estacionaria. Las columnas capilares con fases estacionarias unidas o reticuladas proporcionan una estabilidad superior. Una fase estacionaria unida se une químicamente a la superficie de sílice del capilar. La reticulación, que se realiza después de que la fase estacionaria está en la columna capilar, une cadenas poliméricas separadas para proporcionar una mayor estabilidad.

Otra consideración importante es el grosor de la fase estacionaria con películas más delgadas de fase estacionaria mejorando la eficiencia de separación, como aprendimos en el Capítulo 26.4. El espesor más común es de 0.25 μm, aunque una película más gruesa es útil para solutos altamente volátiles, como los gases, debido a que tiene una mayor capacidad para retener dichos solutos. Las películas más delgadas se utilizan cuando se separan solutos de baja volatilidad, como los esteroides.

Algunas fases estacionarias aprovechan la selectividad química. Las más notables son las fases estacionarias que contienen grupos funcionales quirales, los cuales se utilizan para separar enantiómeros [Hinshaw, J. V. LC . GC 1993, 11, 644—648].