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CROMATOGRAFÍA DE LÍQUIDOS
DE ALTA EFICACIA (HPLC)
Curso de Análisis Instrumental
Instituto de Ingeniería Química
Facultad de Ingeniería - 2007
Juan Bussi
CROMATOGRAFÍA DE LÍQUIDOS DE ALTA
EFICACIA (HPLC)
Determinación de compuestos no volátiles (alto Peso Molecular,
iones metálicos) o termolábiles.
Ampliamente utilizada
Gran sensibilidad
Determinaciones cuantitativas exactas
Aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos, hidrocarburos,
carbohidratos, fármacos, terpenoides, plaguicidas, antibióticos,
esteroides, etc.
Aplicabilidad a sustancias de interés general (industria, salud,
medioambiente).
Interacciones químicas entre la muestra, la fase móvil y el relleno
de la columna, determina el grado de migración y separación de
componentes contenidos en la muestra.
Solventes como Fase Móvil
•Elución politíptica: se combinan varios tipos de técnicas.
•Elución por gradiente: los distintos analitos son eluídos
con incremento de la composición de la fase móvil en la fase
orgánica.
•Elución Isocrática: composición constante de la fase móvil
La fase móvil puede ser alterada en el transcurso del análisis para
manipular las interacciones de los componentes de la muestra con
la fase estacionaria.
Compuestos con interacciones más fuertes con la fase móvil que
con la fase estacionaria eluirán más rápidamente de la columna
(tiempos de retención menores).
2
PesoMolecular
106
105
104
103
102
Polaridad creciente
Insoluble en agua Soluble en agua
No Polar Iónico
No IónicoPolar
Adsorción Reparto Intercambio
iónico
(Penetrabilidad
sobre gel)
(Filtración
sobre gel)
(Reparto
en fase
inversa)
(Reparto
en fase
normal)
Exclusión por
tamaño
APLICACIONES DE LA CROMATOGRAFÍA DE LÍQUIDOS
Distintos métodos son complementarios.
Coeficiente de distribución K = cS/cM
Velocidad lineal media v = u x ft
Velocidad de migración u
Factor de capacidad de una especie A:
v = u x
1 + KVS/VM
1
tM
tR – tM
k’A =
k’A = KA VS/VM
Definiciones
Tiempo de retención: tM
Factor de selectividad para dos especies A y B
Altura de plato teórico H = σσσσ2/L
Nº de platos teóricos N = L/H
(tR)A – tM
(tR)B – tM
αααα = KB/KA = k’B/k’A =
Conceptos de Altura de Plato Teórico y factores que lo afectan
como en otras cromatografias.
Velocidades lineales menores
que en CG
Eficacia de columnas para HPLC
H = A + B/u + (CS + CM) u
(ecuación de Van Deemter)
Altura de plato menor que en
GC (1 orden de magnitud).
Longitud de columnas menor
(25 a 50 cm).
3
Efecto del tamaño de partícula del relleno
CS y CM ∝∝∝∝ dP
2
Aumento de eficiencia con disminución del tamaño de partícula
(tamaño usuales entre 2 y 10 µµµµm
Más notorio en Adsorción y Reparto
24DM
ππππ r2u
Hex =
Reducción del diámetro de
tubos a menos de 2.5 mm.
Debido a diferencias de velocidad entre distintas capas del
líquido que se desplaza en tubos de inyección, de conexión y
detectores.
Ensanchamiento extracolumna
Efecto del tamaño de muestra
Gradientes no se compensa por difusión.
4
Instrumentación
Elevadas presiones para alcanzar caudales necesarios.
Equipamiento sofisticado y caro.
Método común: filtración a vacío a través de filtro millipore de
tamaño de poro muy pequeño (eliminación de gases disueltos y
sólidos en suspensión).
Recipientes para una o más fases móviles
De vidrio o acero de 0.2 a 1 L
Sistemas de pretratamiento de fases móviles
Para eliminación de gases disueltos y sólidos en suspensión
desgasificación por vacío
calentamiento
agitación
inyección de gas de arrastre de baja solubilidad (Helio).
Filtros para polvo y partículas sólidas en suspensión.
Mejora de resolución en tiempos de análisis más cortos.
ηηηη: viscosidad
θθθθ: parámetro adimensional (valor cercano a 500 para
columnas bien empacadas)
dP: diámetro de partícula del relleno
Cámara de mezcla para disolventes
Sistemas de bombeo
ηηηηLu
∆P =
θθθθ dP
2
Ventajas de la elución con gradiente (relación variable de
volúmenes de dos o más disolventes)
Generación de presiones superiores a 6000 psi.
Caída de presión en una
columna:
5
Intervalo de caudales entre 0,1 y 10 mL/min
Flujo libre de pulsaciones (minimización de errores de medición)
Variaciones menores a 1% son normales
Caudal = Diámetro Pistón*desplazamiento - κκκκ*∆P*V-∆P*compr.sellos y
burbujas.
dP
dV
V
1
κκκκ =
T
Programación por microprocesadores que corrige desvíos
Control y reproducibilidad de caudal mejor al 0,5%.
Cambio de volumen de líquidos y sellos al cambiar la
contrapresión:
En sistemas de bombeo por jeringa (250 mL) la compresión del
solvente (a 400 atm) puede requerir varios mL de desplazamiento
del pistón.
Coeficientes de compresibilidad isotermos de algunos solventes
usados en HPLC.
185Dietil éter
105cloroformo
100Isopropanol
100n-octano
150n-hexano
45Agua
120Metanol
κκκκ (10-11Pa-1)Solvente
κκκκ varía para mezclas de solventes en análisis con elución por
gradiente
Altas presiones no suponen riesgo de explosión (sí riesgo de
incendio).
Componentes resistentes a corrosión (juntas de acero inox o
teflón).
Desventajas: flujo con pulsaciones.
Bombas recíprocas
Las más utilizadas
Movimiento cíclico de uno o
más pistones con válvulas de
entrada y salida.
Elementos compresibles en el
circuito atenúan variaciones.
2 Pistones es la opción más adecuada
Ventajas: pequeño volumen interno (35 a 400 µµµµL), altas
presiones (>10000 psi), fácil adaptación a sistemas por gradiente
y caudales constantes e independientes de la contrpresión de la
columna y viscosidad del disolvente.
6
Pérdidas en válvulas
Apagar la bomba y registrar caída de
presión en función del tiempo (normal < 2
atm/min)
Funcionamiento normal:
pérdidas pequeñas y constantes
Mayor incidencia a bajos caudales (µL/min).
Fabricantes suministran diagnósticos para
detección de pérdidas
Test para pérdidas
Reemplazo de columna por una vacía de
V=1.5 mL
Llenado con disolvente y tapado.
Prender la bomba hasta que la presión
alcanza 300 atm.
Desventajas: capacidad de bombeo limitada (0.25 L), poco
práctica para reposición y cambio de disolvente.
Bombas de desplazamiento
Cámara con un émbolo impulsado por un motor
Ventajas: flujo libre de pulsos, independiente de viscosidad y
contrapresión
No sirven para elución con gradiente.
Programa de Ordenador
Bombas neumáticas
Control de caudal
Ventajas: baratas
Exentas de impulsos
Desventajas:
Capacidad limitada y de presión de salida.
Caudal dependiente de la viscosidad del disolvente y de la
contrapresión.
Presiones menores a 2000 psi.
Medición de caudal mediante caída de presión a través de un
tubo en la salida de la bomba.
Volúmenes de bucles entre 0,5 y 500 µL.
Sistema de inyección de muestra
Volúmenes pequeños para evitar ensanchamiento de picos
(décimas de µL a 500 µL).
Inyección manual.
Sencilla
Evitar despresurización (microjeringas capaces de resistir 1500 psi).
Inyecciones a flujo detenido
Reproducibilidad: dispersión 2%-3% o mayor
Inyección con bucles
Ventajas
Inyección a presiones de hasta 7000psi
Precisión de décimas por ciento.
7
Columnas de alta eficacia de menores dimensiones con hasta
100000 platos/metro.
Columnas
Tubos rectos de acero inoxidable
Tubos de vidrio hasta presiones de 600 psi
Longitud entre 10 y 30 cm
Acoplables
Diámetro interno entre 4 y 10 mm
Tamaños de partículas entre 5 y 10 µm
Columnas comunes: longitud 25 cm, diámetro interno 4.6 mm,
relleno de partículas de 5 µm: 40000 a 60000 platos/metro
Columna termostatizada
Precolumnas
Eliminación de materia en suspensión y componentes que se
unen irreversiblemente al relleno.
Saturación del solvente con la fase estacionaria (minimiza
pérdidas de relleno.
Tamaño de partícula mayor al de la columna
Entre temp. ambiente y 100º-150ºC.
Partículas porosas.
Bolas de vidrio o polímero, no porosas y esféricas con diámetros
entre 30 y 40 µm.
Rellenos
Recubrimiento con películas orgánicas unidas químicamente o
físicamente.
Micropartículas porosas con diámetro entre 3 y 10 µm.
Ampliamente utilizados en precolumnas
Tratamientos químicos para mejorar fijación.
Recubrimiento con una capa delgada y porosa de distintos
compuestos y recubrimiento adicional de fase estacionaria líquida
y retenida por adsorción.
Pelicular:
Preparadas por aglomeración a partir de partículas pequeñas.
8
sílice, alúmina, resinas de poliestireno. divinilbenceno o
carbohidratos.
Materiales más utilizados como soportes
Parámetros químicos. Polaridad, acidez-basicidad, estabilidad
frente a solventes y pH, reactividad superficial.
Parámetros físicos: porosidad, tamaño de poro, tamaño y rigidez
de partícula, tamaño.
Detectores de diodos permiten recoger el espectro completo
en 1 segundo (cromatografía tridimensional.
Detectores
Propiedades de la fase móvil (Indice de Refracción, constante
dieléctrica, densidad)
Propiedades del soluto (absorbancia, fluorescencia, corriente límite).
Detectores de absorbancia (71%)
Volumen de 1 a 10 µL, longitud de 2 a 10 mm
Presiones < 600 psi (necesitan reductores de presión)
Dispositivos de doble haz (los más comunes)
Señal proporcional al Log I/Io
Filtros (longitudes de onda determinados)
Monocromadores (redes de difracción)(UV y Visible)
Cromatogramas a una λλλλ fija o variable según el analito.
Barrido de λλλλ para un analito con detención de flujo
9
Limitación: baja transparencia de los disolventes (agua,
alcoholes)
Tratamiento previo para dar derivados fluorescentes.
Detectores de absorbancia en el infrarrojo
Barrido de λλλλ entre 2.5 y 15 µm
Cubetas con ventanas de NaCl o CaF2, long. 0,2 y 1,0 mm,
volumen 1,5 a 10 µL.
Detectores de fluorescencia
Detector colocado perpendicularmente al haz de excitación
Fuente de excitacion
•de Hg y filtros
•Xenón y monocromador de red
•láser sintonizables en desarrollo
Alta sensibilidad (materiales de interés farmacéutico, clínico,
productos naturales y del petróleo).
10
Menor sensibilidad que otros detectores.
Detectores de índice de refracción
Detector universal
No dependen del caudal
Robustos
Sensible a cambios de temperatura
Electrodo indicador de platino, oro, carbón vítreo o pasta de
carbono, electrodo de referencia y contraelectrodo se colocan más
adelante en el canal de flujo.
Detectores electroquímicos
Elevada sensibilidad, sencillez, extensa aplicabilidad
11
Espectros de impacto electrónico
Detectores por espectrometría de masas
Sistemas para introducción de la fase móvil en cámara de vacío
Introducción directa de una pequeña cantidad de líquido
Vaporización previa de solvente y posterior desorción-ionización
de solutos.
Termovaporizador-ionizador
Aplicable a compuestos termoestables y no volátiles (péptidos,
nucleótidos.
Efecto de la longitud de cadena en eficacia de columnas de
siloxano en fase inversa (Figura 28.15 Skoog).
pH<7,5 para evitar hidrólisis del siloxano.
Ln km = ao,i - a1,i φφφφ2 + (a2,i φφφφ2
2)
φφφφ2: fracción en volumen del componente orgánico
Rellenos tipo siloxano para fase inversa:
Grupo R: C8 (n-octilo), C18 (n-octadecilo)
Mecanismos de retención de solutos (por disolución,
equivalente a una fase líquida no polar, por adsorción física
Fase unida químicamente: soporte más común es la sílice. diámetro
entre 3, 5 o 10 µm); porosidad (hasta 0.80)
Cromatografía de Reparto
La más utilizada
Para compuestos polares, no iónicos, de baja a moderada masa
molecular (<3000)
Más recientemente para compuestos iónicos derivatizados
(formación de pares iónicos).
Líquido-líquido: fase estacionaria unida por adsorcion física
Desventaja: pérdida de fase estacionaria por disolución en la fase
móvil
Si
OH
Si
OH
Si
OH
Si
OH
HiHi
Si
OH
Si
OH
HiHi
Si
OH
Si
OH
HiHi
OH
HiHi
Si
OH
Si
OH
HiHi
OH
HiHi
Grupo silanol
aislado
Grupos silanoles
vecinos
Agua unida a
grupos silanoles
12
Sílice hidrolizada con HCl 0.1 M en caliente durante uno o dos días
µmol/m2 de grupos OH
Inmovilización química (90% de rendimiento)
siloxanoorganoclorosilanosílice
OHSi + X Si (CH2)n L OSi Si (CH2)n L
n = 8 o 18
L: metil, amino, carboxil, ciano, diol
Recubrimiento máximo 4 µmol/m2 de grupos.
Silanos residuales se desactivan con clorotrimetilsilano
Relleno polar (agua o trietilenglicol soportado sobre sílice o
alúmina y fase móvil apolar.
Solventes no polares (etiléter, cloroformo y n-hexano).
Rellenos tipo siloxano para fase normal:
• amino (C3H6NH2) (los más polares)
• diol (C3H6OCH2CHOHCH2OH) (polaridad intermedia)
• dimetilaminopropil (C3H6N(CH3)2) (polaridad intermedia)
• ciano (C2H4CN) (los menos polares)
Ecuación de Soczewinski: ln ki’ = ln ki
(2) – Si lnx2
X2: fracción molar del componente de más polaridad
Competencia del disolvente y del analito por el relleno es
determinante de los factores de retención.
Cromatografía de fase normal
Cambios de solvatación del analito en el disolvente es determinante
de cambios de factores de retención.
Cromatografía de fase inversa
Fase estacionaria no polar (hidrocarburo) y fase móvil polar (agua,
metanol, acetonitrilo).
Cambio de 2 unidades en P’ →→→→ cambio de k’ en un factor de 10
k’1
(P’1 – P’2)/2
= 10
k’2
Criterios de selección
Polaridad de la fase estacionaria similar a la de los analitos.
(Evitar tiempos de retención muy altos).
Fase móvil con polaridad distinta a la fase estacionaria
Polaridad creciente:
Hidrocarburos < éteres < ésteres < cetonas < aldehídos <
amidas < aminas < alcoholes < agua
k’ (factor de retención) entre 2 y 5
Indice de polaridad P’ de Synder (J. Chromatog. Sci 1978, 16, 223)
Para una mezcla de solventes A y B: P’ = φφφφAP’A + φφφφBP’B
φφφφA φφφφB: fracciones en volumen
P’A, P’B: índices de polaridad
13
Selectividad αααα
En fase inversa se ajusta con 3 disolventes: metanol, acetonitrilo
y tetrahidrofurano. Agua para ajustar k’.
En fase normal se ajusta con etiléter, cloruro de metileno y
cloroformo, nhexano para ajustar k’.
Formación de derivados
1) Reducción de polaridad que haga posible el uso de
cromatografía de reparto
2) aumento de respuesta del detector
3) aumento de selectividad de la respuesta
Cromatografía de pares iónicos
Fase móvil: agua + disolvente orgánico (metano o acetonitrilo +
compuesto iónico con contraión de carga opuesta a la del analito.
Contraión forma un par iónico con el analito: especie neutra
retenida por el relleno de fase inversa.
Cromatografía con fases estacionarias quirales
Más apropiada en HPLC que en CG
Relleno recubierto con un isómero ópticamente activo.
Ácidos biliares, metabolitos de
drogas, extractos de orina,
estrógenos.
Medicina clínica
Drogas, venenos, alcohol en sangre,
narcóticos
Química forense
Pesticidas, herbicidas, fenoles, PCBContaminantes
Aromáticos condensados,
tensioactivos, propulsores,
colorantes
Productos de la industria química
Edulcorantes artificiales,
antioxidantes, aflatoxinas, aditivos
Productos de alimentación
Aminoácidos, proteínas,
carbohidratos, lípidos
Bioquímica
Antibióticos, sedantes esteroides,
analgésicos
Fármacos
Mezclas típicasCampo
Aplicaciones de la Cromatografía de Reparto
14
Cromatografía de Adsorción (Líquido-sólido)
Fases estacionarias: sílice y alúmina
Selección del disolvente
Fuerza del disolvente εεεε0 (energía de adsorción por unidad de
superficie).
εεεε0 varía no linealmente con la relación de volúmenes de dos
disolventes.
Elección de disolventes
Un aumento de 0.05 unidades de εεεε0 disminuye k’ en un factor de 3-4.
Cambios de αααα se logran por ensayos previos con distintos
disolventes.
Ensayos por cromatografía de capa fina
Aplicaciones de la cromatografía de adsorción
Para compuestos no polares con masa molecular < 5000
Compuestos con solubilidad limitada en disolventes acuosos
Complementario con Reparto
Separa isómeros
Equilibrio de intercambio entre iones de la fase móvil y iones del
mismo signo en la superficie de la fase estacionaria (resinas de
intercambio).
xRSO3
-H+ + Mx+ ↔↔↔↔ (RSO3
-)x + xH+
sólido disolución sólido disolución
xRN(CH3)3 OH- + Ax- ↔↔↔↔ [RH(CH3)3
+]xAx- + xOH-
sólido disolución sólido disolución
Primera etapa: adsorción de iones en la cabeza de la columna
Segunda etapa: elución de iones adsorbidos con una disolución
diluida de ácido clorhídrico.
Cromatografía iónica
[RSO3
-H+]s[B+]ac
[RSO3
-B+]s[H+]ac
KII =
[RSO3
-H+]s
[H+]ac
= KII
[RSO3
-B+]s
[B+]ac
[H+]ac y [RSO3
-H+]s >> [B+]
CS
CM
= KII =
[RSO3
-B+]s
[B+]ac
Kex alta →→→→ tiempo de retención elevado
Tl+ >Ag+>Cs+>Rb+>K+>NH4
+>Na+>H+>Li+
Ba2+>Pb2+>Sr2+>Ca2+>Ni2+>Cd2+>Cu2+>Cp2+>Zn2+>Mg2+>UO2
2+
SO4
2->C2O4
2->I->NO3
->Br->Cl->HCO2
->CH3CO2
->OH->F-
Rellenos
Partículas esféricas porosas copolímeros de estireno y
divinilbenceno (8%) emulsionados (estables entre pH 0 y 14).
Activación por grupos ácidos (sulfónico) o básicos (aminas
cuaternarias).
Nuevos desarrollos: partículas esféricas (30 a 40 µm), no porosa,
de vidrio o polímero, recubierta con resina de intercambio iónico
(menor difusión)
Fase móvil
Disoluciones acuosas con metanol u otros disolventes orgánicos
y especies iónicas para formar un buffer.
Cromatografía iónica con columnas supresoras
Electrolito eluyente enmascara la respuesta del Detector de
conductividad a los iones del analito.
15
Columna supresora convierte iones de la fase móvil en especies
poco ionizadas
Ejemplo:
H+
(ac) + Cl-
(ac) + Resina+OH-
(s) →→→→ Resina+Cl-
(s) + H2O
Na+
(ac) + HCO3-
(ac) + Resina-H+
(s) →→→→ Resina-Na+
(s) + H2CO3 (ac)
Bomba
Eluyente
NaOH
NaBr
NaOH
NaCl
NaF
HBr
H2O
HCl
HF
Columna separadora
Resina
+
OH
-
(s)
Columna supresora
Resina
-
H
+
(s)
NaBr, NaCl, NaF, NaOH (diluyente)
Inyector
Detector
Residuos
Conductancia
Tiempo
Sistema para
separación de
analitos aniónicos
usando columna
supresora
Cromatografía iónica con una sola columna: detección debida a
pequeñas diferencias de conductividad entre iones del analito y del
eluyente.
Método fotométrico para detección de iones no absorbentes (figura
28-24
Regeneración (cada 8 – 10 horas)
Desarrollo reciente de supresores de membranas supresoras de
intercambio iónico con regeneración continua: alta velocidad de
intercambio.
Aplicaciones orgánicas y bioquimicas
Aminoácidos, vitaminas, azúcares y preparaciones
farmacéuticas, alimentos. (figura 28-25)
Cromatografía de exclusión de iones (para ácidos débiles)
Fase móvil: solución acuosa de HCl diluido
Fase estacionaria: resina de intercambio catiónico en su forma
ácida
Columna supresora de resina catiónica con Ag para supresión de
contribución iónica del eluyente.
Para ácidos y bases débiles (y sus sales): coeficientes de
distribución se relacionan inversamente con las constantes de
disociación.
Aplicaciones a especies ácidas en leche, café, vino, etc.
16
Para masas moleculares elevadas
Relleno: partículas poliméricas con una red de poros uniforme (10
µm) en los que pueden difundir moléculas del soluto y del
disolvente.
Tiempo de residencia depende del tamaño efectivo de las
moléculas.
Moléculas más grandes no se retenidas y eluyen primero.
Separación por tamaño, no implica interacciones química o física
con el relleno.
Rellenos de sílice: retienen por adsorción y catalizan
descomposiciones. Se modifican por sustituyentes orgánicos
(sililación).
Rellenos de copolímeros estireno-divinilbenceno: hidrofóbicos.
Cromatografía de exclusión por tamaño Propiedades de los rellenos comerciales típicos para la cromatografía
de exclusión por tamaño
(0.2 a 5) x 104
(0.03 a 1) x 105
(0.05 a 5) x 105
(5 a 20) x 105
125
300
500
1000
10Sílice
700
(0.1 a 20) x 104
(1 a 20) x 104
(0.1 a 20) x 105
(5 a >10) x 106
102
103
104
105
106
10Poliestireno-
divinilbenceno
Límite de exclusión
en peso molecular
Tamaño
promedio de
poro, A
Tamaño de
partícula
µm
Tipo
Teoría
Vt = Vg + Vi + Vo
Vt: volumen total de la columna
Vg: volumen ocupado por matriz sólida del gel
Vi: volumen del disolvente retenido
Vo: volumen libre exterior
Volumen de elución = Vo: analitos no retenidos
Volumen de elución = Vo + K Vi analitos de tamaño intermedio (K
entre 0 y 1).
Límite de exclusión: peso molecular por encima del que no existe
retención.
Límite de penetración: peso molecular por debajo del cual las
moléculas pueden penetrar completamente en los poros.
Aplicaciones
Filtración sobre gel
Disolventes acuosos y relleno hidrofílicos
Penetrabilidad sobre gel: disolventes orgánicos no polares y
rellenos hidrofóbicos.
Separación de productos naturales de alto peso molecular.
Separación de homólogos y oligómeros
Determinación de la distribución de pesos moleculares en
polímeros o productos naturales (comparación con patrones).
Ventajas
Tiempo de separación cortos y bien definidos (entre Vo y Vo+Vi)
Bandas estrechas
No hay pérdida de muestra
No hay desactivación de la columna
17
Desventajas
Número limitado de bandas
No diferencia compuestos de tamaño semejante (isómeros)
Cromatografía de Capa Fina (cromatografía
bidimensional)
Capa delgada de un Soporte inmovilizado sobre una superficie
plana de vidrio, plástico o metal.
Fase móvil se mueve por capilaridad, por gravedad o por un
potencial eléctrico.
Otras modalidades menos usadas (en papel, electrocromatografía)
Características: Rapidez y Bajo costo.
Aplicaciones:
Ensayos previos a los de columna
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  • 1. 1 CROMATOGRAFÍA DE LÍQUIDOS DE ALTA EFICACIA (HPLC) Curso de Análisis Instrumental Instituto de Ingeniería Química Facultad de Ingeniería - 2007 Juan Bussi CROMATOGRAFÍA DE LÍQUIDOS DE ALTA EFICACIA (HPLC) Determinación de compuestos no volátiles (alto Peso Molecular, iones metálicos) o termolábiles. Ampliamente utilizada Gran sensibilidad Determinaciones cuantitativas exactas Aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos, hidrocarburos, carbohidratos, fármacos, terpenoides, plaguicidas, antibióticos, esteroides, etc. Aplicabilidad a sustancias de interés general (industria, salud, medioambiente). Interacciones químicas entre la muestra, la fase móvil y el relleno de la columna, determina el grado de migración y separación de componentes contenidos en la muestra. Solventes como Fase Móvil •Elución politíptica: se combinan varios tipos de técnicas. •Elución por gradiente: los distintos analitos son eluídos con incremento de la composición de la fase móvil en la fase orgánica. •Elución Isocrática: composición constante de la fase móvil La fase móvil puede ser alterada en el transcurso del análisis para manipular las interacciones de los componentes de la muestra con la fase estacionaria. Compuestos con interacciones más fuertes con la fase móvil que con la fase estacionaria eluirán más rápidamente de la columna (tiempos de retención menores).
  • 2. 2 PesoMolecular 106 105 104 103 102 Polaridad creciente Insoluble en agua Soluble en agua No Polar Iónico No IónicoPolar Adsorción Reparto Intercambio iónico (Penetrabilidad sobre gel) (Filtración sobre gel) (Reparto en fase inversa) (Reparto en fase normal) Exclusión por tamaño APLICACIONES DE LA CROMATOGRAFÍA DE LÍQUIDOS Distintos métodos son complementarios. Coeficiente de distribución K = cS/cM Velocidad lineal media v = u x ft Velocidad de migración u Factor de capacidad de una especie A: v = u x 1 + KVS/VM 1 tM tR – tM k’A = k’A = KA VS/VM Definiciones Tiempo de retención: tM Factor de selectividad para dos especies A y B Altura de plato teórico H = σσσσ2/L Nº de platos teóricos N = L/H (tR)A – tM (tR)B – tM αααα = KB/KA = k’B/k’A = Conceptos de Altura de Plato Teórico y factores que lo afectan como en otras cromatografias. Velocidades lineales menores que en CG Eficacia de columnas para HPLC H = A + B/u + (CS + CM) u (ecuación de Van Deemter) Altura de plato menor que en GC (1 orden de magnitud). Longitud de columnas menor (25 a 50 cm).
  • 3. 3 Efecto del tamaño de partícula del relleno CS y CM ∝∝∝∝ dP 2 Aumento de eficiencia con disminución del tamaño de partícula (tamaño usuales entre 2 y 10 µµµµm Más notorio en Adsorción y Reparto 24DM ππππ r2u Hex = Reducción del diámetro de tubos a menos de 2.5 mm. Debido a diferencias de velocidad entre distintas capas del líquido que se desplaza en tubos de inyección, de conexión y detectores. Ensanchamiento extracolumna Efecto del tamaño de muestra Gradientes no se compensa por difusión.
  • 4. 4 Instrumentación Elevadas presiones para alcanzar caudales necesarios. Equipamiento sofisticado y caro. Método común: filtración a vacío a través de filtro millipore de tamaño de poro muy pequeño (eliminación de gases disueltos y sólidos en suspensión). Recipientes para una o más fases móviles De vidrio o acero de 0.2 a 1 L Sistemas de pretratamiento de fases móviles Para eliminación de gases disueltos y sólidos en suspensión desgasificación por vacío calentamiento agitación inyección de gas de arrastre de baja solubilidad (Helio). Filtros para polvo y partículas sólidas en suspensión. Mejora de resolución en tiempos de análisis más cortos. ηηηη: viscosidad θθθθ: parámetro adimensional (valor cercano a 500 para columnas bien empacadas) dP: diámetro de partícula del relleno Cámara de mezcla para disolventes Sistemas de bombeo ηηηηLu ∆P = θθθθ dP 2 Ventajas de la elución con gradiente (relación variable de volúmenes de dos o más disolventes) Generación de presiones superiores a 6000 psi. Caída de presión en una columna:
  • 5. 5 Intervalo de caudales entre 0,1 y 10 mL/min Flujo libre de pulsaciones (minimización de errores de medición) Variaciones menores a 1% son normales Caudal = Diámetro Pistón*desplazamiento - κκκκ*∆P*V-∆P*compr.sellos y burbujas. dP dV V 1 κκκκ = T Programación por microprocesadores que corrige desvíos Control y reproducibilidad de caudal mejor al 0,5%. Cambio de volumen de líquidos y sellos al cambiar la contrapresión: En sistemas de bombeo por jeringa (250 mL) la compresión del solvente (a 400 atm) puede requerir varios mL de desplazamiento del pistón. Coeficientes de compresibilidad isotermos de algunos solventes usados en HPLC. 185Dietil éter 105cloroformo 100Isopropanol 100n-octano 150n-hexano 45Agua 120Metanol κκκκ (10-11Pa-1)Solvente κκκκ varía para mezclas de solventes en análisis con elución por gradiente Altas presiones no suponen riesgo de explosión (sí riesgo de incendio). Componentes resistentes a corrosión (juntas de acero inox o teflón). Desventajas: flujo con pulsaciones. Bombas recíprocas Las más utilizadas Movimiento cíclico de uno o más pistones con válvulas de entrada y salida. Elementos compresibles en el circuito atenúan variaciones. 2 Pistones es la opción más adecuada Ventajas: pequeño volumen interno (35 a 400 µµµµL), altas presiones (>10000 psi), fácil adaptación a sistemas por gradiente y caudales constantes e independientes de la contrpresión de la columna y viscosidad del disolvente.
  • 6. 6 Pérdidas en válvulas Apagar la bomba y registrar caída de presión en función del tiempo (normal < 2 atm/min) Funcionamiento normal: pérdidas pequeñas y constantes Mayor incidencia a bajos caudales (µL/min). Fabricantes suministran diagnósticos para detección de pérdidas Test para pérdidas Reemplazo de columna por una vacía de V=1.5 mL Llenado con disolvente y tapado. Prender la bomba hasta que la presión alcanza 300 atm. Desventajas: capacidad de bombeo limitada (0.25 L), poco práctica para reposición y cambio de disolvente. Bombas de desplazamiento Cámara con un émbolo impulsado por un motor Ventajas: flujo libre de pulsos, independiente de viscosidad y contrapresión No sirven para elución con gradiente. Programa de Ordenador Bombas neumáticas Control de caudal Ventajas: baratas Exentas de impulsos Desventajas: Capacidad limitada y de presión de salida. Caudal dependiente de la viscosidad del disolvente y de la contrapresión. Presiones menores a 2000 psi. Medición de caudal mediante caída de presión a través de un tubo en la salida de la bomba. Volúmenes de bucles entre 0,5 y 500 µL. Sistema de inyección de muestra Volúmenes pequeños para evitar ensanchamiento de picos (décimas de µL a 500 µL). Inyección manual. Sencilla Evitar despresurización (microjeringas capaces de resistir 1500 psi). Inyecciones a flujo detenido Reproducibilidad: dispersión 2%-3% o mayor Inyección con bucles Ventajas Inyección a presiones de hasta 7000psi Precisión de décimas por ciento.
  • 7. 7 Columnas de alta eficacia de menores dimensiones con hasta 100000 platos/metro. Columnas Tubos rectos de acero inoxidable Tubos de vidrio hasta presiones de 600 psi Longitud entre 10 y 30 cm Acoplables Diámetro interno entre 4 y 10 mm Tamaños de partículas entre 5 y 10 µm Columnas comunes: longitud 25 cm, diámetro interno 4.6 mm, relleno de partículas de 5 µm: 40000 a 60000 platos/metro Columna termostatizada Precolumnas Eliminación de materia en suspensión y componentes que se unen irreversiblemente al relleno. Saturación del solvente con la fase estacionaria (minimiza pérdidas de relleno. Tamaño de partícula mayor al de la columna Entre temp. ambiente y 100º-150ºC. Partículas porosas. Bolas de vidrio o polímero, no porosas y esféricas con diámetros entre 30 y 40 µm. Rellenos Recubrimiento con películas orgánicas unidas químicamente o físicamente. Micropartículas porosas con diámetro entre 3 y 10 µm. Ampliamente utilizados en precolumnas Tratamientos químicos para mejorar fijación. Recubrimiento con una capa delgada y porosa de distintos compuestos y recubrimiento adicional de fase estacionaria líquida y retenida por adsorción. Pelicular: Preparadas por aglomeración a partir de partículas pequeñas.
  • 8. 8 sílice, alúmina, resinas de poliestireno. divinilbenceno o carbohidratos. Materiales más utilizados como soportes Parámetros químicos. Polaridad, acidez-basicidad, estabilidad frente a solventes y pH, reactividad superficial. Parámetros físicos: porosidad, tamaño de poro, tamaño y rigidez de partícula, tamaño. Detectores de diodos permiten recoger el espectro completo en 1 segundo (cromatografía tridimensional. Detectores Propiedades de la fase móvil (Indice de Refracción, constante dieléctrica, densidad) Propiedades del soluto (absorbancia, fluorescencia, corriente límite). Detectores de absorbancia (71%) Volumen de 1 a 10 µL, longitud de 2 a 10 mm Presiones < 600 psi (necesitan reductores de presión) Dispositivos de doble haz (los más comunes) Señal proporcional al Log I/Io Filtros (longitudes de onda determinados) Monocromadores (redes de difracción)(UV y Visible) Cromatogramas a una λλλλ fija o variable según el analito. Barrido de λλλλ para un analito con detención de flujo
  • 9. 9 Limitación: baja transparencia de los disolventes (agua, alcoholes) Tratamiento previo para dar derivados fluorescentes. Detectores de absorbancia en el infrarrojo Barrido de λλλλ entre 2.5 y 15 µm Cubetas con ventanas de NaCl o CaF2, long. 0,2 y 1,0 mm, volumen 1,5 a 10 µL. Detectores de fluorescencia Detector colocado perpendicularmente al haz de excitación Fuente de excitacion •de Hg y filtros •Xenón y monocromador de red •láser sintonizables en desarrollo Alta sensibilidad (materiales de interés farmacéutico, clínico, productos naturales y del petróleo).
  • 10. 10 Menor sensibilidad que otros detectores. Detectores de índice de refracción Detector universal No dependen del caudal Robustos Sensible a cambios de temperatura Electrodo indicador de platino, oro, carbón vítreo o pasta de carbono, electrodo de referencia y contraelectrodo se colocan más adelante en el canal de flujo. Detectores electroquímicos Elevada sensibilidad, sencillez, extensa aplicabilidad
  • 11. 11 Espectros de impacto electrónico Detectores por espectrometría de masas Sistemas para introducción de la fase móvil en cámara de vacío Introducción directa de una pequeña cantidad de líquido Vaporización previa de solvente y posterior desorción-ionización de solutos. Termovaporizador-ionizador Aplicable a compuestos termoestables y no volátiles (péptidos, nucleótidos. Efecto de la longitud de cadena en eficacia de columnas de siloxano en fase inversa (Figura 28.15 Skoog). pH<7,5 para evitar hidrólisis del siloxano. Ln km = ao,i - a1,i φφφφ2 + (a2,i φφφφ2 2) φφφφ2: fracción en volumen del componente orgánico Rellenos tipo siloxano para fase inversa: Grupo R: C8 (n-octilo), C18 (n-octadecilo) Mecanismos de retención de solutos (por disolución, equivalente a una fase líquida no polar, por adsorción física Fase unida químicamente: soporte más común es la sílice. diámetro entre 3, 5 o 10 µm); porosidad (hasta 0.80) Cromatografía de Reparto La más utilizada Para compuestos polares, no iónicos, de baja a moderada masa molecular (<3000) Más recientemente para compuestos iónicos derivatizados (formación de pares iónicos). Líquido-líquido: fase estacionaria unida por adsorcion física Desventaja: pérdida de fase estacionaria por disolución en la fase móvil Si OH Si OH Si OH Si OH HiHi Si OH Si OH HiHi Si OH Si OH HiHi OH HiHi Si OH Si OH HiHi OH HiHi Grupo silanol aislado Grupos silanoles vecinos Agua unida a grupos silanoles
  • 12. 12 Sílice hidrolizada con HCl 0.1 M en caliente durante uno o dos días µmol/m2 de grupos OH Inmovilización química (90% de rendimiento) siloxanoorganoclorosilanosílice OHSi + X Si (CH2)n L OSi Si (CH2)n L n = 8 o 18 L: metil, amino, carboxil, ciano, diol Recubrimiento máximo 4 µmol/m2 de grupos. Silanos residuales se desactivan con clorotrimetilsilano Relleno polar (agua o trietilenglicol soportado sobre sílice o alúmina y fase móvil apolar. Solventes no polares (etiléter, cloroformo y n-hexano). Rellenos tipo siloxano para fase normal: • amino (C3H6NH2) (los más polares) • diol (C3H6OCH2CHOHCH2OH) (polaridad intermedia) • dimetilaminopropil (C3H6N(CH3)2) (polaridad intermedia) • ciano (C2H4CN) (los menos polares) Ecuación de Soczewinski: ln ki’ = ln ki (2) – Si lnx2 X2: fracción molar del componente de más polaridad Competencia del disolvente y del analito por el relleno es determinante de los factores de retención. Cromatografía de fase normal Cambios de solvatación del analito en el disolvente es determinante de cambios de factores de retención. Cromatografía de fase inversa Fase estacionaria no polar (hidrocarburo) y fase móvil polar (agua, metanol, acetonitrilo). Cambio de 2 unidades en P’ →→→→ cambio de k’ en un factor de 10 k’1 (P’1 – P’2)/2 = 10 k’2 Criterios de selección Polaridad de la fase estacionaria similar a la de los analitos. (Evitar tiempos de retención muy altos). Fase móvil con polaridad distinta a la fase estacionaria Polaridad creciente: Hidrocarburos < éteres < ésteres < cetonas < aldehídos < amidas < aminas < alcoholes < agua k’ (factor de retención) entre 2 y 5 Indice de polaridad P’ de Synder (J. Chromatog. Sci 1978, 16, 223) Para una mezcla de solventes A y B: P’ = φφφφAP’A + φφφφBP’B φφφφA φφφφB: fracciones en volumen P’A, P’B: índices de polaridad
  • 13. 13 Selectividad αααα En fase inversa se ajusta con 3 disolventes: metanol, acetonitrilo y tetrahidrofurano. Agua para ajustar k’. En fase normal se ajusta con etiléter, cloruro de metileno y cloroformo, nhexano para ajustar k’. Formación de derivados 1) Reducción de polaridad que haga posible el uso de cromatografía de reparto 2) aumento de respuesta del detector 3) aumento de selectividad de la respuesta Cromatografía de pares iónicos Fase móvil: agua + disolvente orgánico (metano o acetonitrilo + compuesto iónico con contraión de carga opuesta a la del analito. Contraión forma un par iónico con el analito: especie neutra retenida por el relleno de fase inversa. Cromatografía con fases estacionarias quirales Más apropiada en HPLC que en CG Relleno recubierto con un isómero ópticamente activo. Ácidos biliares, metabolitos de drogas, extractos de orina, estrógenos. Medicina clínica Drogas, venenos, alcohol en sangre, narcóticos Química forense Pesticidas, herbicidas, fenoles, PCBContaminantes Aromáticos condensados, tensioactivos, propulsores, colorantes Productos de la industria química Edulcorantes artificiales, antioxidantes, aflatoxinas, aditivos Productos de alimentación Aminoácidos, proteínas, carbohidratos, lípidos Bioquímica Antibióticos, sedantes esteroides, analgésicos Fármacos Mezclas típicasCampo Aplicaciones de la Cromatografía de Reparto
  • 14. 14 Cromatografía de Adsorción (Líquido-sólido) Fases estacionarias: sílice y alúmina Selección del disolvente Fuerza del disolvente εεεε0 (energía de adsorción por unidad de superficie). εεεε0 varía no linealmente con la relación de volúmenes de dos disolventes. Elección de disolventes Un aumento de 0.05 unidades de εεεε0 disminuye k’ en un factor de 3-4. Cambios de αααα se logran por ensayos previos con distintos disolventes. Ensayos por cromatografía de capa fina Aplicaciones de la cromatografía de adsorción Para compuestos no polares con masa molecular < 5000 Compuestos con solubilidad limitada en disolventes acuosos Complementario con Reparto Separa isómeros Equilibrio de intercambio entre iones de la fase móvil y iones del mismo signo en la superficie de la fase estacionaria (resinas de intercambio). xRSO3 -H+ + Mx+ ↔↔↔↔ (RSO3 -)x + xH+ sólido disolución sólido disolución xRN(CH3)3 OH- + Ax- ↔↔↔↔ [RH(CH3)3 +]xAx- + xOH- sólido disolución sólido disolución Primera etapa: adsorción de iones en la cabeza de la columna Segunda etapa: elución de iones adsorbidos con una disolución diluida de ácido clorhídrico. Cromatografía iónica [RSO3 -H+]s[B+]ac [RSO3 -B+]s[H+]ac KII = [RSO3 -H+]s [H+]ac = KII [RSO3 -B+]s [B+]ac [H+]ac y [RSO3 -H+]s >> [B+] CS CM = KII = [RSO3 -B+]s [B+]ac Kex alta →→→→ tiempo de retención elevado Tl+ >Ag+>Cs+>Rb+>K+>NH4 +>Na+>H+>Li+ Ba2+>Pb2+>Sr2+>Ca2+>Ni2+>Cd2+>Cu2+>Cp2+>Zn2+>Mg2+>UO2 2+ SO4 2->C2O4 2->I->NO3 ->Br->Cl->HCO2 ->CH3CO2 ->OH->F- Rellenos Partículas esféricas porosas copolímeros de estireno y divinilbenceno (8%) emulsionados (estables entre pH 0 y 14). Activación por grupos ácidos (sulfónico) o básicos (aminas cuaternarias). Nuevos desarrollos: partículas esféricas (30 a 40 µm), no porosa, de vidrio o polímero, recubierta con resina de intercambio iónico (menor difusión) Fase móvil Disoluciones acuosas con metanol u otros disolventes orgánicos y especies iónicas para formar un buffer. Cromatografía iónica con columnas supresoras Electrolito eluyente enmascara la respuesta del Detector de conductividad a los iones del analito.
  • 15. 15 Columna supresora convierte iones de la fase móvil en especies poco ionizadas Ejemplo: H+ (ac) + Cl- (ac) + Resina+OH- (s) →→→→ Resina+Cl- (s) + H2O Na+ (ac) + HCO3- (ac) + Resina-H+ (s) →→→→ Resina-Na+ (s) + H2CO3 (ac) Bomba Eluyente NaOH NaBr NaOH NaCl NaF HBr H2O HCl HF Columna separadora Resina + OH - (s) Columna supresora Resina - H + (s) NaBr, NaCl, NaF, NaOH (diluyente) Inyector Detector Residuos Conductancia Tiempo Sistema para separación de analitos aniónicos usando columna supresora Cromatografía iónica con una sola columna: detección debida a pequeñas diferencias de conductividad entre iones del analito y del eluyente. Método fotométrico para detección de iones no absorbentes (figura 28-24 Regeneración (cada 8 – 10 horas) Desarrollo reciente de supresores de membranas supresoras de intercambio iónico con regeneración continua: alta velocidad de intercambio. Aplicaciones orgánicas y bioquimicas Aminoácidos, vitaminas, azúcares y preparaciones farmacéuticas, alimentos. (figura 28-25) Cromatografía de exclusión de iones (para ácidos débiles) Fase móvil: solución acuosa de HCl diluido Fase estacionaria: resina de intercambio catiónico en su forma ácida Columna supresora de resina catiónica con Ag para supresión de contribución iónica del eluyente. Para ácidos y bases débiles (y sus sales): coeficientes de distribución se relacionan inversamente con las constantes de disociación. Aplicaciones a especies ácidas en leche, café, vino, etc.
  • 16. 16 Para masas moleculares elevadas Relleno: partículas poliméricas con una red de poros uniforme (10 µm) en los que pueden difundir moléculas del soluto y del disolvente. Tiempo de residencia depende del tamaño efectivo de las moléculas. Moléculas más grandes no se retenidas y eluyen primero. Separación por tamaño, no implica interacciones química o física con el relleno. Rellenos de sílice: retienen por adsorción y catalizan descomposiciones. Se modifican por sustituyentes orgánicos (sililación). Rellenos de copolímeros estireno-divinilbenceno: hidrofóbicos. Cromatografía de exclusión por tamaño Propiedades de los rellenos comerciales típicos para la cromatografía de exclusión por tamaño (0.2 a 5) x 104 (0.03 a 1) x 105 (0.05 a 5) x 105 (5 a 20) x 105 125 300 500 1000 10Sílice 700 (0.1 a 20) x 104 (1 a 20) x 104 (0.1 a 20) x 105 (5 a >10) x 106 102 103 104 105 106 10Poliestireno- divinilbenceno Límite de exclusión en peso molecular Tamaño promedio de poro, A Tamaño de partícula µm Tipo Teoría Vt = Vg + Vi + Vo Vt: volumen total de la columna Vg: volumen ocupado por matriz sólida del gel Vi: volumen del disolvente retenido Vo: volumen libre exterior Volumen de elución = Vo: analitos no retenidos Volumen de elución = Vo + K Vi analitos de tamaño intermedio (K entre 0 y 1). Límite de exclusión: peso molecular por encima del que no existe retención. Límite de penetración: peso molecular por debajo del cual las moléculas pueden penetrar completamente en los poros. Aplicaciones Filtración sobre gel Disolventes acuosos y relleno hidrofílicos Penetrabilidad sobre gel: disolventes orgánicos no polares y rellenos hidrofóbicos. Separación de productos naturales de alto peso molecular. Separación de homólogos y oligómeros Determinación de la distribución de pesos moleculares en polímeros o productos naturales (comparación con patrones). Ventajas Tiempo de separación cortos y bien definidos (entre Vo y Vo+Vi) Bandas estrechas No hay pérdida de muestra No hay desactivación de la columna
  • 17. 17 Desventajas Número limitado de bandas No diferencia compuestos de tamaño semejante (isómeros) Cromatografía de Capa Fina (cromatografía bidimensional) Capa delgada de un Soporte inmovilizado sobre una superficie plana de vidrio, plástico o metal. Fase móvil se mueve por capilaridad, por gravedad o por un potencial eléctrico. Otras modalidades menos usadas (en papel, electrocromatografía) Características: Rapidez y Bajo costo. Aplicaciones: Ensayos previos a los de columna Control de pureza en la industria.