ChromaTotius - Capítulo 3 Cinética en cromatografía

En este capítulo estaremos completando la información del anterior, por lo que vendría siendo una continuación.

¿Por qué los picos tienen forma gaussiana?

Para los que no sepan, una forma gaussiana es una gráfica que tiene forma de una campana y es una función matemática muy utilizada en la estadística.

Esta forma se atribuye a los movimientos aleatorios de las molecúlas de analito dentro de la banda cromatográfica, lo que hacen que cada molécula tenga una transferencia y un tiempo diferente, siendo la cúspide el comportamiento promedio y por ende donde hay mas moléculas.

Si los picos tardan más en salir, esta dispersión será mayor. Es por esto, que generalmente nuestros picos iniciales son muy finos y al final comienzan a salir más anchos.

Es importante mencionar, que nuestro interés siempre sera tener picos muy finos, ya que permitirá detectar los picos más pequeños. Si un pico es muy pequeño y comienza a ensancharse, al final se confundirá con la línea base y no podrá ser detectado el compuesto.

Para profundizar más en esto, se hace una analogía con el proceso de destilación, describiendo la cromatografía con la siguiente ecuación:

N= L/H

Donde L es el largo de la columna. N es el número de platos, es decir, la cantidad de veces donde ocurre la interacción entre el analítico y las fases móviles y estacionarias. H siendo la eficacia de la columna.

Principalmente, el número de platos es muy utilizado en la industria para verificar el desempeño adecuado de una columna, ya que estas vienen con un certificado que indican el valor. A medida que este valor disminuya, la capacidad de separación será peor, ya que los picos se irán ensanchando.

¿Cómo comprender la eficacia de una columna?

La eficacia es evaluada en función a la velocidad lineal de la fase móvil u. La ecuación que representa esta gráfica es conocida como la Ecuación de Van Deemter. que se define como:

A menor valor de H, mayor eficacia del sistema y menor ensanchamiento de pico.

A es el camino múltiple, son las diferentes rutas que toman las moléculas a través de la columna. Este parámetro no depende del flujo y se define con la siguiente ecuación:

Donde 𝛌 es un factor que depende de la uniformidad del empaque y dp es el diámetro de partícula de la fase estacionaria.

B/u se define como difusión longitudinal. que es la tendencia de las moléculas a moverse de manera paralela al flujo (sentido opuesto y a favor del flujo). Es por ello, que este parámetro es inversamenta proporcional al flujo, como se observa en la ecuación:

Donde Dm es el coeficiente de difusión de la fase móvil y γ es una constante que depende de la calidad del relleno (factor de obstrucción).

Finalmente, la transferencia de masa C.u (Cm de fase móvil y Cs de fase estacionaria). Que está asociado a la resistencia de la transferencia de masa del soluto entre la fase móvil y estacionaria. Esta difusión ocurre debido a las diferentes distancias de las moléculas del soluto con el centro de  interacción entre las fases, siendo perpendicular al flujo, por esta razón el término es proporcional.

Donde df corresponde al espesor de recubrimiento de la fase estacionaria y f(k') un factor dependiente de k'.

Mientras observamos las ecuaciones de cada parámetros, ahora evaluaremos como afectan algunas condiciones:

- Coeficiente de difusión: La difusión es proporcional a la temperatura. por lo tanto, a temperaturas bajas la difusión será menor (disminuye B/u). La difusión es poco contribuyente al ensanchamiento de banda en LC, por ejemplo, un coeficiente de difusión del Helio es 1.386 cm2/s, mientras que el del Acetonitrilo es 0.00002 cm2/s.

- Empaque de la columna: disminución de la porosidad o uniformidad aumentan el ensanchamiento de la columna (aumenta A). Aumento del tamaño de partícula afecta de la misma manera.

- El camino múltiple A al ser un valor constante que no depende del flujo y el mayor contribuyente en LC, permite que en esta técnica las variaciones de flujo afecten muy poco la eficacia de la técnica.

En GC al ser todo lo contrario, habrán rangos de flujos óptimos para cada gas que sea usado de fase móvil:

Podemos observar que el N2 es el que tiene el menor H, sin embargo tiene un rango muy pequeño de flujo y a flujos altos la eficacia es muy baja. Por esta razón, el He e H2 son los mejores gases de arrastre en GC. Siendo el He el favorito, aunque su precio es alto ya que no es un recurso ilimitado en el mundo, mientras el H2 es una opción más viable económicamente (cilindros más económicos o generadores de gas) pero tiene como desventaja su inflamabilidad y desventajas con ciertos detectores.

Para el próximo capítulo, ya nos adentraremos a la cromatografía de gases.

ChromaTotius - Capítulo 2 Profundizando en Cromatografía

Estaba indeciso en cual sería el siguiente tema en esta sección, pero me decanté por seguir con los conceptos básicos, sin embargo, recomiendo revisar nuevamente este capítulo y el siguiente después de ver Cromatografía de Gases y Líquidos.

En el capítulo pasado, vimos lo más esencial, esos conceptos que generalmente utilizo a la hora de una pequeña inducción a personas sin un background en química. Por lo tanto, en este hablaré de unos conceptos que a pesar de ser fundamentales, no todo el mundo los domina.

Comenzaremos con el concepto de la línea base, que corresponde a la señal del detector sin perturbaciones observada en el cromatograma. La línea base debe ser estable para poder tener nuestros picos sin interferencias.

Cuando esta señal fluctua mucho, que incluso puede afectar los picos de interés, se le conoce como ruido. Si la señal tiene una tendencia constante de aumento o disminución, se le conoce como deriva/drift y si tiene un comportamiento oscilatorio de subida y bajada, estariamos hablando del wander.

Anteriormente, hablamos del tiempo de retencion (tr), ahora es el turno del tiempo muerto (tm), que corresponde al tiempo que tarda un componente que se retiene muy poco en la fase estacionaria.

La determinación de este tiempo no es tan fácil en ocasiones, para Cromatografía de Gases (GC) en muchos casos se puede tomar el solvente, que generalmente es el primer pico que aparece.

En cuanto a cromatografía líquida (LC), es más complicado, ya que debemos observar la primera distorsión en la línea base, ya que correspondría al tiempo en que el comienza a llegar la muestra al detector y se produce debido a la diferencia de solvente entre la muestra y la fase móvil. Si esta distorsión no existe, hay ecuaciones que se aproximan al cálculo, por ejemplo:

Donde L es el largo de la columna (cm), dc el diámetro interno (cm) y F el flujo (mL).

A partir del tr y tm, podremos determinar el factor de capacidad k'

Los valores ideales son entre 2 y 10. Nos indica si el analito transcurrió lo suficiente por la fase estacionaria para su interacción.

Cuando tenemos más de 1 compuesto de interés, existe la selectividad α, que nos relaciona un analito con otro y nos demuestra la capacidad que tiene la técnica de diferenciar entre los diferentes compuestos.

Otro factor muy importante, es la resolución R. Es de nuestro interés que los picos esten lo más separados posible, para que su área sea exacta. Para determinarla, necesitamos los tr y los anchos de banda W de 2 picos. Usamos la siguiente ecuación:

Lo recomendable es que este valor sea mayor a 1, para asegurar que los picos esten resueltos.

En el próximo cápitulo completaremos estos conceptos.

Conociendo de Cromatografía - ChromaTotius Capitulo 1 Introducción

La idea de esta sección es introducir a la cromatografía de una manera agradable, comenzando con conocimientos básicos, para luego ir profundizando poco a poco. En mi experiencia, considero que es una gran cantidad de conceptos, que inicialmente cuesta mucho comprender, así que la mejor manera es ir poco a poco y siendo hacer analogías con situaciones que te sean comprensibles. No es nada recomendable memorizar esta información sin dominarla.

Así que comenzamos.....

La mayoría de las principales industrias a nivel mundial, dependen y/o poseen esta tecnología para el control de calidad de sus productos. Desde mitad del siglo XX ha sido una tecnología que se ha masificado.

El área de trabajo de la cromatografía incluye a la industria alimenticia, farmacéutica, investigación, gas, petroleo, ambiental, materiales, química y un largo etcétera, siendo su principal función la identificación de compuestos y la determinación de concentraciones en una muestra.

Cromatógrafo de Líquidos
Marca Waters

Cromatógrafo de Gases
Marca Agilent

Lastimosamente, en la actualidad, muchos de los usuarios no se encuentran capacitados para el uso de estas técnicas. Tengo más de 7 años trabajando en cromatografía, visitando diversos países en latinoamérica y me he encontrado con las mismas deficiencias.

¿Saben qué es cromatografía?

Si, aunque no lo crean, muchos usuarios de estos equipos desconocen lo que hace un cromatografo y  simplemente lo ven como una caja negra que les reporta los resultados que les pide su jefe.

La cromatografía es una técnica de separación de componentes que están en una mezcla. Es decir, si en una muestra tienes A, B, C, D, E, F, G, mediante  podrías separarlos uno por uno, si cumplen con ciertas condiciones.

¿Cómo ocurre esta separación?

Se requieren de dos factores para que se produzca esto: Una fase móvil y una fase estacionaria. La fase móvil se encarga de arrastrar la muestra hasta que llega la fase estacionaria, donde va a comenzar la interacción de los componentes de la muestra.

EJEMPLO: Una familia se encuentra en un mall, los padres y sus 2 hijos, después de un largo día, quieren ir a casa para descansar, pero justo antes de la salida pasan por una gran tienda de variedades con muchas ofertas, ropa, juguetes, perfumería, cosas del hogar, electrodomésticos, videojuegos.

El padre, cansado y con poca interés, no entra y pasa directamente a la salida. Uno de los hijos solo se interesa por videojuegos, entra ve algunos y sale. El otro hijo hace lo mismo, pero también es fanático a los juguetes de los Avengers, entonces tarda mas en salir. Y la madre? Pues se probó ropa, perfumes, vio cosas del hogar, volvió a ver ropa, compró y finalmente salió.

Entonces la analogía es la siguiente:

La familia es la mezcla o muestra

Cada miembro de la familia es un componente

La tienda es la fase estacionaria, es lo que los retiene, por lo tanto la fase movil seria el deseo de irse. El padre siente poca interés por la tienda y más por irse a casa, siendo el que menos se retiene, mientras la madre es la que siente más atracción a la fase estacionaria y es la ultima en salir.

Con este ejemplo, pueden ver como afecta la interacción de los componentes con la fase móvil y estacionaria y como logra separar a los componentes de una muestra.

¿Cuáles son los tipos de cromatografía?

La cromatografia se puede dividir en diversas ramas, siendo las mas conocidas las siguientes:

1. Cromatografía plana. La fase estacionaria se sitúa sobre una placa plana o sobre un papel.

·         Cromatografia en papel

·         Cromatografia en capa fina

2. Cromatografía en columna: La fase estacionaria se sitúa dentro de una columna. Según la fase móvil empleada se dividen en:

·         Cromatografia de Gases (GC)

·         Cromatografia de Liquidos (LC)

·         Cromatografia de fluidos supercriticos (SFC)

¿Cómo se identifican y cuantifican los compuestos?

Todo lo que pasa a través de la cromatografia es registrado finalmente por un detector. De esta manera, el detector genera una señal en función del tiempo, que es conocida como cromatograma.

Como se observa en la figura, cada pico representa un compuesto.

En este ejemplo, se puede ver el cromatograma una aplicación de la marca Agilent de una bebida alcohólica bastante compleja.

Por sí sola, la cromatografía no es una técnica cualitativa definitiva, ya que para identificar compuestos se utiliza los tiempos de retención de cada uno de ellos. El tiempo de retención es aquel entre el comienzo del cromatograma y la cúspide del pico de interés. No es un parámetro definitivo, ya que debes utilizar una referencia conocida y comparar los tiempos, ademas que puede existir el riesgo de que hayan compuestos desconocidos que aparezcan enmascarados en el pico (solapamiento).

Por la parte cuantitativa, se utiliza el área o altura de cada pico y ésta se relaciona a la concentración de cada compuesto.

En los próximos capítulos iremos profundizando algunos temas y aclarando más cosas.

Estoy abierto a correcciones y sugerencias, solo déjalas en los comentarios.