La cromatografía es una técnica para separar sustancias químicas que se basa en las diferencias que existen en el comportamiento particionario entre una fase de flujo móvil y una fase estacionaria para separar los componentes en una mezcla.
La muestra es tomada por un flujo móvil de gas a través de un tubo envasado con un sólido finamente dividido o puede estar cubierto con una película de algún líquido. Por su simplicidad, sensibilidad y efectividad en separar componentes de mezclas, la cromatografía es una de las más importantes herramientas de la química. Es ampliamente usada para análisis tanto cuantitativo como cualitativo de mezclas, para la purificación de componentes y para la determinación de constantes termoquímicas tales como los coeficientes de calor para solución, vaporización, presión del vapor y coeficientes de actividad. La cromatografía de gases es también usada para monitorear de manera automática los procesos industriales: las fuentes de gas se analizan de manera periódica y respuestas tanto manuales como automáticas son hechas para contrarrestar variaciones indeseables.
Muchos análisis de rutina son hechos rápidamente en ciencias ambientales y otros campos. Por ejemplo, muchos países han fijado puntos de monitoreo para continuamente medir los niveles de emisión de, por ejemplo, dióxidos de nitrógeno, dióxido de carbono y monóxido de carbono. La cromatografía de gas es también bastante útil en el análisis de productos farmacéuticos, alcohol en la sangre, aceites esenciales y productos alimenticios.
El método consiste en, primero, introducir la muestra o mezcla de pruebas, en una fuente de gas inerte, comúnmente helio o argón, que actúa como portador. Las muestras líquidas son vaporizadas antes que se inyecten a la fuente de portador. La fuente de gas pasa por toda la columna empacada, a través de la cual los componentes se mueven a velocidades que son influenciadas por el grado de interacción de cada componente con la fase de estacionario no volátil. Las sustancias que tengan mayor interacción con la fase estacionaria son retardadas a una mayor medida, y por lo tanto, son separadas de aquellas que tienen menos interacción. A medida que los componentes eluyen la columna pueden ser cuantificados por un detector y/o ser recolectados para un análisis más profundo.
Existen dos tipos de cromatografía con gas: la cromatografía gas-sólido (GSC) y la cromatografía gas-líquido (GLC). La cromatografía gas-sólido es basada en una fase estacionaria en la cual la retención del material analizado es la consecuencia de la adsorción física. La cromatografía gas-líquido es útil para separar iones o moléculas que están disueltas en un solvente. Si la solución de muestra está en contacto con un segundo sólido o una fase líquida, los diferentes solutos interactuarán conla otra fase a grados diferentes por diferencias en la adsorción, al intercambio de iones, particionamiento o tamaño. Estas diferencias permiten que los componentes de la mezcla sean separados de cada uno usando dichas diferencias para determinar el tiempo de tránsito de los solutos a través de una columna.
Gas portador
La elección de gas portador depende del tipo de detector que esté siendo usado y de los componentes que estén siendo determinados. Los gases portadores para cromatógrafos deben ser de alta pureza y químicamente inertes hacia la muestra, por ejemplo, helio (He), argón (Ar), nitrógeno (N2), dióxido de carbono (CO2) e hidrógeno (H2). El sistema de gases portadres puede contener un tamiz molecular para remover agua u otras impurezas.
Sistema de inyección de muestras
Los sistemas más comunes de inyección para introducción de muestras de gas son la válvula de muestreo de gases, y la inyección con una jeringa.
Inyección directa con jeringa
Las muestras tanto gaseosas como líquidas pueden ser inyectadas con una jeringa. En la forma más simple, la muestra es primero inyectada en una cámara caliente donde es vaporizada antes de ser transferida a la columna. Cuando las columnas envasadas son usadas, la primera parte de la columna algunas veces sirve como cámara de inyección, calentada separadamente a una temperatura apropiada. Para columnas capilares, una cámara de inyección separada se usa desde donde sólo una pequeña parte de la muestra gaseosa/vaporizada es transferida a la columna, llamada "inyección separada". Esto es necesario para no sobrecargar la columna de acuerdo al volumen de la muestra.
Cuando los montos de una traza se pueden hallar en la muestra, se puede usar la llamada "inyección en columnas" en para la cromatografía de gas capilar. La muestra líquida es inyectada directamenet en la columna con una jeringa. El solvente por lo tanto se evaporará y una concentración de los componentes de la muestra tendrá lugar. Si la muestra es gaseosa la concentración es alcanzada por el llamado "crioenfoque". Los componentes de la muestra están concentrados y separados de la matriz por condenzación en una trampa de frío antes de la separación cromatográfica.
Inyección con válvula/ciclo de muestra
La inyección de ciclo es algunas veces usada en el control de procesos donde las muestras líquidas o gaseosas fluyen continuamente a través del ciclo de muestra. El ciclo de muestra es llenado en una posición fuera de línea con una jeringa o una bomba automática. De ahí el ciclo se conecta en serie con la columna, y la muestra es transferida por la fase móvil. Algunas veces un paso de concentración es necesario.
Detector de ionización por llama (FID)
Un detector de ionización por llama (FID) consiste enuna llama de hidrógeno (H2)/aire y una placa de colector. El chorro de la columna de GC pasa a través de la llama, la cual rompe las moléculas orgánicas y produce iones. Los iones son recolectados en un electrodo de sesgo, y producen una señal eléctrica. El FID es extremadamente sensible con un enorme rango dinámico, su única desventaja es que destruye la muestra.
Los detectores de ionización por llama son usados para detectar hidrocarburos (HC) tales como el metano (CH4), etano (C2H6), acetileno (C2H2) etc.
La muestra a ser analizada es mezclada con un combustible especial, hidrógeno (H2), hidrógeno más helio (He) o hidrógeno más nitrógeno (N2). Los iones y electrones que fueron formados en la llama entran a la brecha de electrones, decrecen la resistencia de la brecha y por lo tanto permiten a una corriente fluir en el circuito externo. La corriente es proporcional a la tasa de formación de iones que depende de la concentración de hidrocarburos en los gases y es detectada por un electrómetro configurado para ello, y mostrado en una salida análoga.
El FID da una rápida, exacta y continua lectura de la concentración total de hidrocarburos a niveles tan bajos como ppb.
Detector fotométrico de llama
El detector fotométrico de llama (FPD) permite medidas sensibles y selectivas de compuestos volátiles de azufre y fósforo. El principio de detección es la formación de azufre excitado (S2*) y trazas de HPO* en una llama reducida. Un tubo fotomultiplicador mide la emisión quimioluminiscente característica de estos compuestos. El filtro óptico puede ser cambiado para permitir al fotomultiplicador ver luces del orden de los 394 nm para mediciones de azufre o 526 nm para mediciones de fósforo. La respuesta del detector hacia el fósforo es lineal, mientras que la respuesta al azufre depende del cuadro de la concentración.
Usualmente el nitrógeno (N2) se usa como gas portador.
Detector de captura de electrones (ECD)
Los detectores de captura de electrones (ECD, por sus siglas en inglés) son típicamente usados en pruebas ambientales para detectar PCB’s, pesticidas organoclorados, herbicidas y varios tipos de hidrocarburos halogenados.
Con un detector de captura de electrones, un emisor beta como el tritio radioactivo o 63Ni es usado para ionizar el gas portador. Las partículas rápidas beta generadas por la fuente radioactiva colisionan con las moléculas del gas portador o gas de maquillaje (make-up gas). Por ionización de impacto, se producen electrones libres, los cuales son lentos, y generan una corriente estable y medible. Si el efluente de la GC contiene moléculas orgánicas con grupos funcionales electronegativos, como los halógenos, grupos fosforosos y nitrosos, los electrones serán capturados y la corriente será reducida. En comparación a una señal sin componentes de muestra, la reducción en el flujo de electrones es proporcional a la cantidad de componentes electrófilos de la muestra.
Los detectores de captura de electrones son hasta 1000 veces más sensibles que los detectores de ionización de llama, y fueron los primeros detectores que podían medir a componentes de medida del orden de las partes por billón (ppb) y partes por trillón (ppt). Es esta sensibilidad la que hace que los ECD sean la mejor elección para medidas ambientales.