2.5E: Parámetros GC

Hay muchos factores que afectan la separación (y/o los tiempos de retención) en la cromatografía de gases, incluyendo el tipo de columna, la concentración de la muestra, la temperatura del horno y el caudal del gas portador. Los factores controlables por un estudiante se describen en esta sección, y están relacionados con la concentración y la temperatura.

Dilución

Las series de GC deben realizarse en muestras muy diluidas. Una muestra diluida permite un adecuado equilibrio de fase estacionario-móvil dentro de la columna, dando como resultado picos estrechos en forma gaussiana. Si las muestras están demasiado concentradas, las formas de los picos a menudo serán anchas y aplanadas en la parte superior (Figura 2.87a), lo que indica que la columna (y/o detector) se ha visto abrumada. Las abundancias apropiadas (el eje y en los espectros GC) usando un detector de espectrómetro de masas deben estar en los millones bajos (por ejemplo, 1,500,000 TIC más o menos, ver Figura 2.87b).

Figura 2.87: a) Una muestra sobrecargada con mala forma de pico (obsérvese que el eje y tiene abundancias alrededor de 4.5 millones), b) La misma muestra diluida apropiadamente (abundancias alrededor de 2 millones). Una muestra demasiado diluida tendrá abundancias menores a 100,000 (detector MS).

Un GC nunca se debe ejecutar en líquido sin diluir. Las muestras excesivamente concentradas no solo hacen que los picos se amplíen y posiblemente se superpongan, sino que también pueden ser perjudiciales para los detectores. Los espectrómetros de masas requieren cantidades muy pequeñas de líquido, o con el tiempo, sus filamentos se degradan.

Para preparar una muestra de GC de rutina,\(1.5 \: \text{mL}\) de un disolvente de bajo punto de ebullición (por ejemplo, metanol, acetona limpia, éter dietílico o diclorometano) se añade a un vial de GC (Figura 2.88) junto con una gota de compuesto. A continuación, el instrumento inyecta aproximadamente\(1 \: \mu \text{L}\) esta solución diluida en el instrumento, que es más desviado internamente, lo que resulta en cantidades muy pequeñas que ingresan a la columna capilar estrecha y al detector. La función normal de un instrumento GC requiere pequeñas cantidades de material, lo que es una gran ventaja para esta técnica.

Figura 2.88: Vial GC.

Retraso de solvente (con espectrómetros de masas)

Una muestra de GC preparada adecuadamente contiene una pequeña cantidad de compuesto disuelto en un disolvente y, sin embargo, los espectros de GC (cuando se emparejan con un detector de espectrómetro de masas) a menudo no muestran ningún pico de disolvente. La razón es que los métodos de GC a menudo incluyen un "retardo de disolvente “, donde el detector se apaga hasta que haya pasado cierto tiempo después de la inyección. Incluso con la dilución dentro del instrumento GC-MS, la cantidad de disolvente que llega al detector lo abrumaría y eventualmente lo degradaría. Por lo tanto, el detector se deja inactivo hasta que el disolvente haya pasado a través de la columna, y posteriormente se activa.

Si observa algún espectro GC-MS, el tiempo de retención (eje x) nunca comienza a cero minutos, lo que representa el tiempo en que se inyecta la muestra en la columna. En el espectro GC de hexanos, el espectro comienza a los 1.40 minutos, (como se indica con una flecha en la Figura 2.89). El disolvente se habría eluido de la columna antes de este tiempo.

Figura 2.89: Espectro GC de hexanos, con flecha que indica el tiempo en que se apaga el retardo del disolvente.

El disolvente GC debe elegirse de tal manera que el disolvente se eluya antes del compuesto de interés (el disolvente debe tener un punto de ebullición significativamente menor que el compuesto), de manera que el retraso del disolvente pueda establecerse entre la elución del disolvente y la muestra. Por ejemplo, el metanol (p.e.\(65^\text{o} \text{C}\)) habría sido un disolvente inadecuado para la muestra de hexanos (p.e.\(68^\text{o} \text{C}\)). Si el retraso del disolvente se fijara de tal manera que se pudieran detectar las señales de hexano, el espectro de GC se habría visto abrumado por las señales del metanol, ya que los dos compuestos tienen puntos de ebullición muy similares y se eluirían bastante de cerca. Si el detector se activara después de que el metanol hubiera eluido, el instrumento probablemente perdería la detección de los hexanos que eluyen estrechamente. Por lo tanto, se utilizó un disolvente de ebullición significativamente menor (éter dietílico, p.e.\(35^\text{o} \text{C}\)) para producir el espectro GC de hexanos en la Figura 2.89, y este disolvente se habría eluido antes del retraso del disolvente de 1.40 minutos.

Temperatura del Horno

La temperatura del horno GC es una variable de fácil ajuste (aunque debe ser ajustada por un instructor, no por un alumno). La temperatura del horno tiene un efecto dramático en los tiempos de retención, de manera muy similar a la que tiene activado el cambio de fase móvil en TLC\(R_f\).

Para demostrarlo, se realizó una muestra que contenía heptano, octano, nonano y decano usando tres métodos de GC, difiriendo solo en su temperatura de inicio (\(65^\text{o} \text{C}\),\(45^\text{o} \text{C}\), o\(35^\text{o} \text{C}\)). El orden de elución de los compuestos fue el mismo en todos los métodos (Figura 2.90), pero los componentes eluyeron más rápido con una temperatura de horno más caliente (tuvieron menores tiempos de retención). Este resultado puede explicarse en que los compuestos fueron más capaces de superar su atracción intermolecular con la fase estacionaria (el recubrimiento de la columna GC) cuando había más energía térmica disponible. Esto dio como resultado que los compuestos pasaran menos tiempo adhiriéndose a la fase estacionaria y menos tiempo retenido por la columna.

Figura 2.90: Pruebas de GC de una mezcla que contiene heptano, octano, nonano y decano a diferentes temperaturas del horno. Cada carrera se llevó a cabo en\(65^\text{o} \text{C}\)\(45^\text{o} \text{C}\),, o\(35^\text{o} \text{C}\) para\(2 \: \text{min}\), luego en rampa\(25^\text{o} \text{C}/\text{min}\).

Uso de una rampa de temperatura

Un GC se puede ejecutar a una temperatura de horno todo el tiempo (una ejecución “isotérmica”), o el método puede incluir programación de temperatura. En un método programado, la temperatura puede permanecer fija durante un cierto período de tiempo, y luego puede incluir una "rampa “, donde la temperatura se incrementa a una velocidad constante durante la carrera. En la Figura 2.91 se muestra una representación gráfica de una rampa generada por el instrumento GC.

Figura 2.91: Visualización gráfica del método GC, que incluye una “rampa”.

La programación de la temperatura es útil porque cuanto más tiempo permanece un compuesto en la columna, más ancho eluye a medida que la difusión amplía la muestra (análogamente a cómo las manchas se ensanchan durante la elución en TLC). La Figura 2.92a muestra una serie de GC isotérmica de cuatro compuestos, y la forma del pico se amplía significativamente a medida que aumenta el tiempo de retención. La Figura 2.92b muestra una serie de GC de los mismos cuatro compuestos eluidos usando una rampa de temperatura. La rampa permite que los compuestos eluyan más rápido y que la forma del pico se agudiza y mejore. La rampa óptima para cada situación a menudo requiere experimentación para lograr la mejor forma de pico y separación de componentes.

Figura 2.92: Una muestra compuesta por heptano, octano, nonano y decano, ejecutada con dos métodos de GC diferentes. a) La ejecución se mantuvo en condiciones isotérmicas, a una constante\(65^\text{o} \text{C}\), b) El método utilizó una “rampa” después de 2 minutos.