Hay muchos métodos diferentes para analizar la composición y estudiar las propiedades de varios compuestos y mezclas de sustancias. Uno de estos métodos es la cromatografía. La autoría en la invención y aplicación del método pertenece al botánico ruso M. S. Tsvet, quien a principios del siglo XX llevó a cabo la separación de pigmentos vegetales.
Definición y fundamentos del método
La cromatografía es un método fisicoquímico para separar mezclas y determinar sus componentes, basado en la distribución entre las fases móvil y estacionaria de las sustancias que componen la mezcla (muestra). La fase estacionaria es una sustancia sólida porosa, un sorbente. También puede ser una película líquida depositada sobre una superficie sólida. La fase móvil, el eluyente, debe moverse a lo largo de la fase estacionaria o fluir a través de ella, siendo filtrada por el adsorbente.
La esencia de la cromatografía es que los diferentes componentes de una mezcla se caracterizan necesariamente por diferentes propiedades, como el peso molecular, la solubilidad, la capacidad de adsorción, etc. Por lo tanto, la tasa de interacción de los componentes de la fase móvil - sorbatos - con la estacionariano es lo mismo. Esto conduce a una diferencia en las velocidades de las moléculas de la mezcla con respecto a la fase estacionaria, como resultado de lo cual los componentes se separan y concentran en diferentes zonas del adsorbente. Algunos de ellos dejan el adsorbente junto con la fase móvil; estos son los llamados componentes no retenidos.
Una ventaja especial de la cromatografía es que permite separar rápidamente mezclas complejas de sustancias, incluidas aquellas con propiedades similares.
Métodos para clasificar los tipos de cromatografía
Los métodos utilizados en el análisis se pueden clasificar según varios criterios. El conjunto principal de dichos criterios es el siguiente:
- estado agregado de las fases estacionaria y móvil;
- naturaleza física y química de la interacción del adsorbente y los sorbatos;
- cómo introducir el eluyente y moverlo;
- método de colocación de la fase estacionaria, es decir, técnica de cromatografía;
- objetivos de cromatografía.
Además, los métodos pueden basarse en la diferente naturaleza del proceso de sorción, en las condiciones técnicas de la separación cromatográfica (por ejemplo, baja o alta presión).
Echemos un vistazo más de cerca a los criterios principales anteriores y a los tipos de cromatografía asociados a ellos más utilizados.
Estado de agregación del eluyente y del sorbente
Sobre esta base, la cromatografía se divide en líquida y gaseosa. Los nombres de los métodos reflejan el estado de la fase móvil.
La cromatografía líquida es una técnica utilizadaen los procesos de separación de mezclas de compuestos macromoleculares, incluidos los biológicamente importantes. Dependiendo del estado de agregación del adsorbente, se divide en fase líquido-líquido y líquido-sólido.
La cromatografía de gases es de los siguientes tipos:
- Adsorción de gas (gas-fase sólida), que utiliza un sorbente sólido, como carbón, gel de sílice, zeolitas o polímeros porosos. Un gas inerte (argón, helio), nitrógeno, dióxido de carbono actúa como eluyente, un portador de la mezcla a separar. La separación de los componentes volátiles de la mezcla se realiza debido al diferente grado de adsorción de los mismos.
- Gas-líquido. La fase estacionaria en este caso consiste en una película líquida depositada sobre una base sólida inerte. Los componentes de la muestra se separan según su capacidad de adsorción o solubilidad.
La cromatografía de gases es ampliamente utilizada para el análisis de mezclas de compuestos orgánicos (utilizando sus productos de descomposición o derivados en forma gaseosa).
Interacción entre sorbente y sorbatos
Según este criterio, tales tipos se distinguen como:
- Cromatografía de adsorción, a través de la cual se separan mezclas debido a diferencias en el grado de adsorción de sustancias por un sorbente inmóvil.
- Distribución. Con su ayuda, la separación se lleva a cabo sobre la base de la diferente solubilidad de los componentes de la mezcla. La disolución ocurre en las fases móvil y estacionaria (en cromatografía líquida), o solo en la fase estacionaria (en cromatografía gas-líquido).cromatografía).
- Sedimentaria. Este método de cromatografía se basa en la diferente solubilidad de los precipitados formados de las sustancias a separar.
- Exclusión o cromatografía en gel. Se basa en la diferencia en el tamaño de las moléculas, por lo que varía su capacidad para penetrar en los poros del adsorbente, la llamada matriz de gel.
- Afines. Este método específico, que se basa en un tipo especial de interacción bioquímica de impurezas separadas con un ligando que forma un compuesto complejo con un portador inerte en la fase estacionaria. Este método es efectivo para separar mezclas de proteínas y enzimas y es común en bioquímica.
- Intercambio de iones. Como factor de separación de muestras, este método utiliza la diferencia en la capacidad de los componentes de la mezcla para intercambiar iones con la fase estacionaria (intercambiador de iones). Durante el proceso, los iones de la fase estacionaria son reemplazados por iones de sustancias en la composición del eluyente, mientras que debido a la diferente afinidad de estos últimos con el intercambiador de iones, surge una diferencia en la velocidad de su movimiento, y por lo tanto la se separa la mezcla. Para la fase estacionaria, las resinas de intercambio iónico se utilizan con mayor frecuencia, polímeros sintéticos especiales.
La cromatografía de intercambio iónico tiene dos opciones: aniónica (retiene iones negativos) y catiónica (retiene iones positivos, respectivamente). Este método se utiliza muy ampliamente: en la separación de electrolitos, tierras raras y elementos transuránicos, en la purificación del agua, en el análisis de fármacos.
La diferencia en los métodos de la técnica
Hay dos formas principales en las que la muestra se mueve en relación con la fase estacionaria:
- La cromatografía en columna lleva a cabo el proceso de separación en un dispositivo especial, una columna cromatográfica, un tubo, en cuya cavidad interna se coloca un adsorbente inamovible. Según el método de llenado, las columnas se dividen en dos tipos: empacadas (las llamadas "empacadas") y capilares, en las que se aplica una capa de un sorbente sólido o una película líquida de la fase estacionaria a la superficie de la pared interior Las columnas empaquetadas pueden tener diferentes formas: rectas, en forma de U, en espiral. Las columnas capilares son helicoidales.
- Cromatografía plana (planar). En este caso, se puede utilizar un papel especial o una placa (metal, vidrio o plástico) como soporte para la fase estacionaria, sobre la que se deposita una fina capa de adsorbente. En este caso, el método de cromatografía se denomina cromatografía en papel o en capa fina, respectivamente.
A diferencia del método de columna, donde las columnas cromatográficas se usan repetidamente, en la cromatografía plana, cualquier portador con una capa absorbente se puede usar solo una vez. El proceso de separación se produce cuando se sumerge una placa o una hoja de papel en un recipiente con eluyente.
Introducción y transferencia de eluyente
Este factor determina la naturaleza del movimiento de las zonas cromatográficas a lo largo de la capa absorbente, que se forman durante la separación de la mezcla. Existen los siguientes métodos de suministro de eluyente:
- Frente. Este método es el más simple.técnica de ejecución. La fase móvil es directamente la propia muestra, que se alimenta continuamente a la columna llena con el adsorbente. En este caso, el componente menos retenido, peor adsorbido que los demás, se mueve a lo largo del sorbente más rápido que los demás. Como resultado, solo este primer componente puede aislarse en forma pura, seguido de zonas que contienen mezclas de componentes. La distribución de la muestra se ve así: A; A+B; A+B+C y así sucesivamente. Por lo tanto, la cromatografía frontal no es útil para separar mezclas, pero es eficaz en varios procesos de purificación, siempre que la sustancia a aislar tenga una baja retención.
- El método de desplazamiento se diferencia en que después de ingresar a la mezcla a separar, se alimenta a la columna un eluyente con un desplazador especial, una sustancia caracterizada por una capacidad de absorción mayor que cualquiera de los componentes de la mezcla. Desplaza el componente más retenido, el cual desplaza al siguiente, y así sucesivamente. La muestra se mueve a lo largo de la columna a la velocidad del desplazador y forma zonas de concentración adyacentes. Con este tipo de cromatografía, cada componente puede obtenerse individualmente en forma líquida a la salida de la columna.
- El método de eluyente (revelado) es el más común. En contraste con el método de desplazamiento, el eluyente (portador) en este caso tiene una capacidad de absorción más baja que los componentes de la muestra. Se pasa continuamente a través de la capa absorbente, lavándola. Periódicamente, en porciones (pulsos), la mezcla a separar se introduce en el flujo de eluyente, después de lo cual se vuelve a alimentar el eluyente puro. Al lavar (elución), los componentes se separan,además, sus zonas de concentración están separadas por zonas de eluyente.
La cromatografía de eluyentes permite separar casi por completo la mezcla de sustancias analizada, y la mezcla puede ser multicomponente. Además, las ventajas de este método son el aislamiento de los componentes entre sí y la simplicidad del análisis cuantitativo de la mezcla. Las desventajas incluyen un alto consumo de eluyente y una baja concentración de componentes de la muestra después de la separación a la salida de la columna. El método del eluyente se usa mucho en cromatografía de gases y líquidos.
Procesos cromatográficos según finalidades
La diferencia en los objetivos de la cromatografía permite distinguir métodos como analítico, preparativo e industrial.
Por medio de la cromatografía analítica se realizan análisis cualitativos y cuantitativos de mezclas. Al analizar los componentes de la muestra, al salir de la columna del cromatógrafo, van al detector, un dispositivo que es sensible a los cambios en la concentración de una sustancia en el eluyente. El tiempo transcurrido desde el momento en que se introduce la muestra en la columna hasta el pico máximo de concentración de la sustancia en el detector se denomina tiempo de retención. Siempre que la temperatura de la columna y la tasa de eluyente sean constantes, este valor es constante para cada sustancia y sirve como base para un análisis cualitativo de la mezcla. El análisis cuantitativo se lleva a cabo midiendo el área de picos individuales en el cromatograma. Por regla general, el método del eluyente se utiliza en la cromatografía analítica.
La cromatografía preparativa tiene como objetivo aislar sustancias puras de una mezcla. Las columnas preparativas tienen un tamaño mucho mayordiámetro que analítico.
La cromatografía industrial se utiliza, en primer lugar, para obtener grandes cantidades de sustancias puras necesarias en una determinada producción. En segundo lugar, es una parte importante de los modernos sistemas de control y regulación de procesos tecnológicos.
El cromatógrafo industrial tiene una escala de concentración de uno u otro componente y está equipado con un sensor, así como con sistemas de control y registro. Las muestras se entregan a dichos cromatógrafos automáticamente con una cierta frecuencia.
Equipo de cromatografía multifunción
Los cromatógrafos modernos son dispositivos complejos de alta tecnología que pueden usarse en una variedad de campos y para varios propósitos. Estos dispositivos permiten analizar mezclas complejas de varios componentes. Están equipados con una amplia gama de detectores: conductimétricos térmicos, ópticos, de ionización, espectrométricos de masas, etc.
Además, la cromatografía moderna utiliza sistemas de control automático para el análisis y procesamiento de cromatogramas. El control se puede realizar desde una computadora o directamente desde el dispositivo.
Un ejemplo de un dispositivo de este tipo es el cromatógrafo de gases multifuncional "Crystal 5000". Tiene un juego de cuatro detectores reemplazables, un termostato de columna, sistemas electrónicos de control de presión y flujo, y controles de válvulas de gas. Para resolver varios problemas, el dispositivo tienela capacidad de instalar columnas empaquetadas y capilares.
El cromatógrafo se controla usando un teclado completo y una pantalla de control o (en otra modificación) desde una computadora personal. Este dispositivo de nueva generación se puede utilizar con eficacia en la producción y en varios laboratorios de investigación: médicos, forenses, medioambientales.
Cromatografía de alta presión
La realización de la cromatografía líquida en columna se caracteriza por una duración bastante larga del proceso. Para acelerar el movimiento del eluyente líquido, se utiliza el suministro de la fase móvil a la columna bajo presión. Este método moderno y muy prometedor se denomina método de cromatografía líquida de alta resolución (HPLC).
El sistema de bombeo del cromatógrafo de líquidos HPLC suministra eluyente a una velocidad constante. La presión de entrada desarrollada puede alcanzar los 40 MPa. El control por computadora permite cambiar la composición de la fase móvil de acuerdo con un programa dado (este método de elución se llama gradiente).
La
HPLC se puede utilizar con varios métodos según la naturaleza de la interacción del sorbente y el sorbato: distribución, adsorción, exclusión por tamaño, cromatografía de intercambio iónico. El tipo más común de HPLC es el método de fase inversa, basado en la interacción hidrófoba de una fase móvil polar (acuosa) y un adsorbente no polar, como el gel de sílice.
El método es ampliamente utilizado para la separación, análisis,control de calidad de sustancias no volátiles, térmicamente inestables que no pueden convertirse a un estado gaseoso. Se trata de agroquímicos, medicamentos, componentes de alimentos y otras sustancias complejas.
La importancia de los estudios de cromatografía
Diferentes tipos de cromatografía son ampliamente utilizados en varios campos:
- química inorgánica;
- petroquímica y minería;
- bioquímica;
- medicina y productos farmacéuticos;
- industria alimentaria;
- ecología;
- criminología.
Esta lista está incompleta, pero refleja la cobertura de industrias que no pueden prescindir de los métodos cromatográficos de análisis, separación y purificación de sustancias. En todas las áreas de aplicación de la cromatografía, desde los laboratorios científicos hasta la producción industrial, el papel de estos métodos es cada vez más importante a medida que se introducen tecnologías modernas para el procesamiento de la información, la gestión y el control de procesos complejos.
