Source: http://www.slideshare.net/ivvivarchavsky/hplc-15483718
Timestamp: 2015-05-22 18:34:52+00:00

Document:
Cesar Diaz Chuquizuta
, JEFE DE DESARROLLO DE PLANTACION
at Stevia One
Ruben Sanchez Cordova
at LABORATORIO MEDIFARMA S.A.
Nataly Arévalo
TEMA 4. CROMATOGRAFÍA DE LÍQUIDOS DE ALTARESOLUCIÓN4.0. CARACTERÍSTICAS Y EQUIPOS DISPONIBLES 4.0.1. Características más importantes 4.0.2. Equipos disponibles en el departamento de Ingeniería Química y en los Servicios Técnicos de investigación de la Universidad de Alicante4.1. INSTRUMENTACIÓN PARA CROMATOGRAFÍA DE LÍQUIDOS 4.1.1. Recipientes para la fase móvil y sistemas para el tratamiento de los disolventes 4.1.2. Sistemas de bombeo 4.1.2.1. Tipos de bombas 4.1.2.2. Amortiguadores de pulsos 4.1.2.3. Control del caudal y sistemas de programación 4.1.3. Sistemas de inyección de muestra 4.1.4. Columnas para cromatografía de líquidos 4.1.4.1. Columnas analíticas 4.1.4.2. Precolumnas 4.1.4.3. Termostatos 4.1.4.4. Tipos de rellenos de la columna 4.1.5. Detectores 4.1.5.1. Detectores de absorbancia 4.1.5.2. Detectores de fluorescencia 4.1.5.3. Detectores de índice de refracción 4.1.5.4. Detector de dispersión de luz 4.1.5.5. Detectores electroquímicos4.2. TIPOS DE CROMATOGRAFÍA HPLC 4.2.1. Cromatografía de reparto 4.2.1.1. Columnas para cromatografía con fases unidas químicamente 4.2.1.2. Establecimiento del método en cromatografía de reparto 4.2.1.3. Aplicaciones de la cromatografía de reparto 4.2.2. Cromatografía de adsorción 4.2.2.1. Selección del disolvente en cromatografía de adsorción 4.2.2.2. Aplicaciones de la cromatografía de adsorción 4.2.3. Cromatografía iónica 4.2.3.1. Equilibrios de intercambio iónico 4.2.3.2. Rellenos de intercambio iónico 4.2.3.3. Aplicaciones inorgánicas de la cromatografía íónica 4.2.3.4. Aplicaciones orgánicas y bioquímicas 4.2.4. Cromatografía de exclusión por tamaños 4.2.4.1. Rellenos de columna 4.2.4.2. Aplicaciones de la cromatografía de exclusión por tamaños 2.
4. Cromatografía de líquidos de alta resolución4.0. CARACTERISTICAS Y EQUIPOS DISPONIBLES4.0.1. Características más importantesAplicaciones principales: Técnica de separación para los materiales menos volátiles eiónicos; análisis cuantitativo de multicomponentes.Fenómeno molecular: Reparto entre una solución líquida y un substratoVentajas en el análisis cualitativo: Separa materiales para su examen por medio deotras técnicas.Ventajas en el análisis cuantitativo: Aplicación amplia a los materiales menosvolátiles, análisis de multicomponentes.Muestra promedio deseable: 10 mgLimitaciones del método: Se tarda en desarrollar el métodoLimitaciones para la muestra: Ninguna4.0.2. Equipos disponibles en el departamento de Ingeniería Química y en losServicios Técnicos de Investigación de la Universidad de AlicanteDpto de Ingeniería QuímicaTres cromatógrafos Shimadzu.Detectores de absorbancia ultravioleta, de conductividad iónica y de índices derefracción.Termostatos para control de la temperatura de la columna.Servicios Técnicos de InvestigaciónTres cromatógrafos (Shimadzu, Waters y Dionex) todos con posibilidades de gradientesde concentración de eluyente.Detectores de absorción ultravioleta, índices de refracción, fluorescencia,conductividad, serie de diodos (UV) y espectrometría de masas.Termostatos para control de la temperatura de la columna.Un inyector automático de muestras. 4.1 3.
4. Cromatografía de líquidos de alta resolución Este capítulo trata de los cuatro tipos básicos de cromatografia en los que la fasemóvil es un líquido: (1) cromatografía de reparto; (2) cromatografía de adsorción, olíquido-sólido; (3) cromatografía iónica; y (4) cromatografía de exclusión por tamaños,o en geles. Todo este capítulo tiene relación con las aplicaciones en columna de estoscuatro importantes tipos de cromatografia. En una primera etapa la cromatografia de líquidos se realizaba en columnas devidrio con diámetros de 1 a 5 cm y longitudes de 50 a 500 cm. En este tipo de columnasrealizó Tswett sus trabajos originales. Para asegurar unos caudales razonables, eldiámetro de las partículas de la fase estacionaria sólida por lo general era de 150 a 200µm. Incluso así, los caudales eran bajos, llegando a unas pocas décimas de mililitro porminuto. En consecuencia, los tiempos de separación eran largos -a menudo de variashoras-. Los intentos para acelerar el procedimiento clásico mediante la aplicación devacío, o por bombeo no resultaron efectivos, puesto que el aumento de caudal originabaun aumento de la altura de plato por encima del mínimo característico que se observa enlas gráficas de la altura de plato frente al caudal y el resultado era una menor eficacia. En las primeras etapas del desarrollo de la cromatografía de líquidos, loscientíficos se dieron cuenta de que se podían conseguir grandes aumentos en la eficaciade la columna disminuyendo el tamaño de las partículas de los rellenos. Sin embargo,no fue sino hasta finales de los años sesenta cuando se desarrolló la tecnología adecuadapara producir y utilizar rellenos de tamaño de partícula del orden de los 3 o 10 µm. Estatecnología requiere una instrumentación sofisticada, que contrasta con las simplescolumnas de vidrio de la cromatografía de líquidos clásica. Para distinguir estosprocedimientos más nuevos de los métodos básicos, que todavía se utilizan con finespreparativos, se emplea la denominación de cromatografía de líquidos de altaresolución (HPLC). Es incuestionable que la cromatografía de líquidos de alta resolución es latécnica de separación más ampliamente utilizada, con unas ventas anuales de equipos deHPLC que se aproximan a la cifra de cientos de miles de millones de pesetas. Lasrazones de la popularidad de esta técnica son su sensibilidad, su fácil adaptación a lasdeterminaciones cuantitativas exactas, su idoneidad para la separación de especies novolátiles o termolábiles y, sobre todo, su gran aplicabilidad a sustancias que son deprimordial interés en la industria, en muchos campos de la ciencia y para la sociedad engeneral. Algunos ejemplos de estos materiales incluyen los aminoácidos, proteínas,ácidos nucleicos, hidrocarburos, carbohidratos, drogas, terpenoides, plaguicidas,antibióticos esteroides, especies organometálicas y una cierta variedad de sustanciasinorgánicas. La Figura 4.1 pone de manifiesto que los distintos procedimientos que utilizan lacromatografía de líquidos tienden a ser complementarios por lo que a sus campos deaplicación se refiere. Así, para solutos con masas moleculares superiores a 10 000, amenudo se utiliza la cromatografía de exclusión, aunque ahora también es posible tratarestos compuestos con cromatografia de reparto en fase inversa. Para especies iónicas debaja masa molecular, se utiliza con frecuencia la cromatografia de intercambio iónico.Los métodos de reparto se aplican a las especies poco polares pero no iónicas. Además,este procedimiento se utiliza muchas veces para la separación de los integrantes de unaserie homóloga. La cromatografia de adsorción se elige con frecuencia para separarcompuestos como, por ejemplo, los hidrocarburos alifáticos de los alcoholes alifáticos. 4.2 4.
4. Cromatografía de líquidos de alta resolución Figura 4.1. Aplicaciones de la cromatografía de líquidos Por otro lado, la discusión sobre el ensanchamiento de banda del tema 2 esaplicable a la cromatografia de líquidos. A continuación se ilustra el importante efectodel tamaño de partícula del relleno y se describen otras dos causas del ensanchamientode zona, que a veces son de notable importancia en cromatografia de líquidos,Efectos del tamaño de partícula del relleno. El coeficiente de transferencia de masade la fase móvil es función inversa del cuadrado del diámetro de las partículas queconstituyen el relleno. Como consecuencia de ello, la eficacia de una columna de HPLCdebería mejorar espectacularmente cuando disminuye el tamaño de partícula. Porejemplo una reducción del tamaño de partícula de 45 a 6 µm origina una disminución dediez o más veces de la altura de plato.Ensanchamiento de banda extracolumna en cromatografía de líquidos. Encromatografia de líquidos, tiene lugar a veces un ensanchamiento de banda significativofuera del relleno de la columna. Este ensanchamiento, denominado ensanchamiento debanda extracolumna, tiene lugar cuando se transporta el soluto a través de tubos comolos que se utilizan en los sistemas de inyección, en los detectores y en los tubos queconectan los distintos componentes del sistema. El ensanchamiento proviene de la dife-rente velocidad de flujo que hay entre las capas de líquido adyacentes a las paredes deltubo y las del centro. Como consecuencia, la parte central de una banda de soluto semueve con más rapidez que la periferia. En cromatografia de gases la difusióncompensa la dispersión extracolumna. Sin embargo, la difusión en los líquidos es signi-ficativamente menor, y con frecuencia este tipo de ensanchamiento de banda se haceevidente. 4.3 5.
4. Cromatografía de líquidos de alta resolución Cuando se utilizan columnas de pequeño diámetro, el ensanchamientoextracolumna puede hacerse bastante importante. En este caso, todos los esfuerzos hande orientarse a la reducción del radio de los tubos del sistema externos a la columna.Efecto del tamaño de muestra en la eficacia de la columna. La cantidad de muestra(µg de muestra/g de relleno) también afecta a la eficacia de la columna. Para lasaplicaciones con columnas de reparto y adsorción, la eficacia decrece notablemente conla cantidad de muestra. En columnas de fase inversa el decrecimiento en eficacia esmucho mas pequeño.4.1. INSTRUMENTACIÓN PARA CROMATOGRAFÍA DE LÍQUIDOS Con objeto de alcanzar un caudal de eluyente razonable con rellenos de tamañode partícula entre 3 y 10 µm, que, por otra parte, son comunes en la modernacromatografia de líquidos, se requieren presiones de algunos cientos de kilos porcentímetro cuadrado. Como consecuencia de estas elevadas presiones, el equiponecesario para la HPLC tiende a ser más sofisticado y caro que el que se utiliza en otrostipos de cromatografia. La Figura 4.2 muestra un esquema de los componentesfundamentales de un cromatógrafo de líquidos de alta resolución típico. Cada uno de loscomponentes se trata en los párrafos que siguen a continuación.Figura 4.2. Esquema de un aparato de HPLC 4.4 6.
4. Cromatografía de líquidos de alta resolución4.1.1. Recipientes para la fase móvil y sistemas para el tratamiento de losdisolventes Un aparato moderno de HPLC se equipa con uno o más recipientes de vidrio ode acero inoxidable, cada uno de los cuales contiene unos 500 mL de un disolvente. Losrecipientes a menudo se equipan con un sistema para eliminar los gases disueltos -engeneral oxígeno y nitrógeno- que interfieren formando burbujas en los sistemas dedetección. Un desgasificador puede consistir en un sistema de bombeo por vacío, unsistema de destilación, dispositivos para calentar y agitar los disolventes o, como semuestra en la Figura 4.2, sistemas de difusión que permiten arrastrar los gases disueltosfuera de la solución mediante finas burbujas de un gas inerte de baja solubilidad. Confrecuencia estos sistemas también contienen un dispositivo para la filtración del polvo yde las partículas sólidas en suspensión de los disolventes. No es necesario que losdesgasificadores y los filtros sean partes integrantes de los sistemas de HPLC como semuestra en la Figura 4.2. Por ejemplo, una forma conveniente de tratar los disolventesantes de introducirlos en el recipiente, consiste en filtrarlos mediante el vacío a travésde un filtro de poro muy pequeño. Este tratamiento elimina los gases además de lamateria en suspensión. Una separación que utiliza un solo disolvente de composición constante sedenomina una elución isocrática. Con frecuencia, la eficiencia de la separación seaumenta notablemente por una elución con gradiente. En este caso se utilizan dos (y aveces más) disolventes con una polaridad significativamente distinta. Una vez comienzala elución, se varía la relación de los disolventes de forma programada, a vecescontinuamente y a veces mediante una serie de etapas escalonadas. Los instrumentos enla moderna HPLC a menudo están equipados con unos dispositivos que permitenintroducir los disolventes desde dos o más recipientes en una cámara de mezcla a unavelocidad que varía continuamente y la relación de volumen de los disolventes se puedemodificar lineal o exponencialmente con el tiempo. La Figura 4.3 ilustra la ventaja de una elución con gradiente en la separación deuna mezcla de clorobencenos. La curva (b) corresponde a la elución isocrática conmetanol/agua 50:50 (v/v). La curva (a) muestra la elución con gradiente, que se iniciacon una mezcla 40:60 de los dos disolventes y se va aumentando la concentración demetanol un 8%/min. Obsérvese que la elución con gradiente acorta notablemente eltiempo de separación sin sacrificar la resolución de los primeros picos. Nótese tambiénque la elución con gradiente produce unos efectos similares a los producidos por laprogramación de temperatura en cromatografía de gases.4.1.2. Sistemas de bombeo Los requisitos para un sistema de bombeo en HPLC son rigurosos e incluyen:(1) la generación de presiones por encima de 400 kg/cm2, (2) un flujo libre depulsaciones, (3) un intervalo de caudales de 0.1 a 10 mL/min, (4) el control yreproducibilidad del caudal mejor del 0,5% relativo y (5) componentes resistentes a lacorrosión (juntas de acero inoxidable o teflón). Debe subrayarse que las altas presionesque generan las bombas de HPLC no constituyen un riesgo de explosión, debido a quelos líquidos no son muy compresibles. De este modo, la rotura de un componente delsistema sólo supone una pérdida de disolvente. Es evidente que esta pérdida puedesuponer un riesgo de incendio. 4.5 7.
4. Cromatografía de líquidos de alta resoluciónFigura 4.3. Mejora de la eficiencia de la separación mediante la elución con gradiente.Columna de 1 m x 2.1 mm d.i. de acero inoxidable, relleno 1% Permaphase ODS.Muestra: 5 µL de bencenos clorados en isopropanol. Detector: fotómetro de UV (254nm). Condiciones: temperatura 60ºC, presión 80 kg/cm2. (a) elución con gradiente:metanol 40% / agua 60% e incremento de la proporción de metanol a una velocidad deun 8% / min (b) Elución isocrática con metanol 50% / agua 50% 4.1.2.1. Tipos de bombas Se utilizan tres tipos de bombas, cada una con sus propias ventajas ydesventajas: bombas recíprocas, bombas de jeringa o de desplazamiento y bombasneumáticas o de presión constante. Las bombas recíprocas, que se utilizan en aproximadamente el 90% de lossistemas de HPLC comercializados, consisten, por lo general, en una pequeña cámaraen la que el disolvente es impelido por el movimiento de vaivén de un pistón accionadopor un motor. Dos válvulas con cierre de bola, que se abren y cierran alternativamente,controlan el flujo del disolvente hacia dentro y hacia afuera de un cilindro. Las bombasrecíprocas tienen la desventaja de que producen un flujo con pulsaciones, las cuales sehan de amortiguar dado que su presencia se manifiesta como ruido en la línea base en elcromatograma. Entre las ventajas de las bombas recíprocas se pueden citar su pequeñovolumen interno (35 a 400 mL), sus altas presiones de salida (por encima de los 500kg/cm2), su fácil adaptación a la elución con gradiente, y sus caudales constantes, queson prácticamente independientes de la contrapresión de la columna y de la viscosidaddel disolvente.4.1.2.2. Amortiguadores de pulsos 4.6 8.
4. Cromatografía de líquidos de alta resolución Muchos de los detectores utilizados en HPLC son sensibles a variaciones deflujo. Un método sencillo de amortiguación contiene un fuelle flexible o un gascompresible en la porción superior cerrada de un tubo en T para absorber parte de laenergía de pulsación. Cuando la bomba se rellena esta energía se libera para ayudar asuavizar la pulsación de presión. Los amortiguadores electrónicos de pulsosproporcionan una carrera hacia delante corta y rápida del pistón, y enseguida la carrerarápida de recarga de la bomba. El pequeño impulso hacia delante amortigua el pulso deflujo llevando disolvente a la presión del sistema.4.1.2.3. Control del caudal y sistemas de programación Como una parte de sus sistemas de bombeo, muchos instrumentos comercialesse equipan con dispositivos controlados por ordenador que permiten medir el caudalmediante la determinación de la caída de presión a través de un restrictor colocado en lasalida de la bomba. Cualquier diferencia entre la señal y un valor preestablecido seutiliza para aumentar o disminuir la velocidad del motor de la bomba. Por otro lado, la mayor parte de los instrumentos pueden variar la composicióndel disolvente bien sea de una forma continua o bien de forma escalonada.4.1.3. Sistemas de inyección de muestra A menudo, el factor limitante en la precisión de las medidas en cromatografía delíquidos es la reproducibilidad con que se puede introducir la muestra en la columna. Elproblema se agrava por el ensanchamiento de banda que acompaña a la sobrecarga delas columnas. Por ello, los volúmenes que se emplean han de ser muy pequeños, de unaspocas décimas de microlitro a tal vez 500 µL. Además, se ha de poder introducir lamuestra sin despresurizar el sistema. En cromatografía de líquidos el método más ampliamente utilizado para laintroducción de la muestra utiliza bucles de muestra, como el que se muestra en laFigura 4.4. Estos dispositivos están normalmente integrados en el equipocromatográfico y hay bucles intercambiables que permiten la elección de tamaños demuestra desde 5 a 500 µL. Con bucles de este tipo se puede introducir la muestra apresiones de hasta 500 kg/cm2 con una precisión relativa de unas décimas por ciento.También existen válvulas de inyección de micromuestras, con bucles con volúmenes de0,5 a 5 µL.Figura 4.4. Bucle de muestra para cromatografía de líquidos. 4.7 9.
4. Cromatografía de líquidos de alta resolución4.1.4. Columnas para cromatografía de líquidos Las columnas para cromatografía de líquidos se construyen de ordinario contubo de acero inoxidable de diámetro interno uniforme. Cientos de columnasempaquetadas que difieren en tamaño y relleno se comercializan por distintosfabricantes y su coste oscila, por lo general, de 30 000 a 100 000 pesetas.4.1.4.1. Columnas analíticas La mayoría de las columnas para cromatografía de líquidos tienen una longitudentre 5 y 30 cm. Por lo común, las columnas son rectas y se pueden alargar, si esnecesario, acoplando dos o más columnas. El diámetro interno de las columnas es amenudo de 4 a 10 mm y los tamaños de las partículas de los rellenos más comunes son3, 5 y 10 µm. Tal vez la columna más frecuentemente utilizada es la de 25 cm de longitud y4.6 mm de diámetro interno, y empaquetada con partículas de 5 µm. Estas columnastienen de 40 000 a 60 000 platos/metro. También, se han empezado a fabricar columnas de alta resolución más rápidas,las cuales tienen menores dimensiones que las anteriormente descritas. Estas columnaspueden tener diámetros internos que oscilan entre 1 y 4.6 mm y se rellenan conpartículas de 3 o 5 µm. A menudo su longitud es de 3 a 7.5 cm. Estas columnas tienenhasta 100 000 platos/metro y presentan la ventaja de la rapidez y del mínimo consumode disolvente. La última propiedad es de considerable importancia, puesto que los di-solventes de alta pureza que se requieren en cromatografía de líquidos son muy caros.4.1.4.2. Precolumnas En muchas ocasiones, para aumentar la vida de la columna analítica, se colocadelante una precolumna que elimina la materia en suspensión y los contaminantes de losdisolventes. Además, en cromatografía líquido-líquido, la precolumna sirve para saturarla fase móvil con la fase estacionaria y así minimizar las pérdidas de ésta en la columnaanalítica. La composición del relleno de la precolumna debe ser semejante al de lacolumna analítica; sin embargo, el tamaño de partícula es por lo común mayor paraminimizar la caída de presión.4.1.4.3. Termostatos En muchas aplicaciones no se necesita un control estricto de la temperatura, ylas columnas trabajan a temperatura ambiente. Sin embargo, muchas veces si secontrola la temperatura de la columna en unas pocas décimas de grado centígrado, seobtienen mejores cromatogramas. La mayoría de los instrumentos comerciales llevanactualmente hornos para las columnas que controlan la temperatura de la columna a lasdécimas de grado, desde la temperatura ambiente hasta 150 ºC. Para poder controlar conprecisión la temperatura, las columnas también se pueden colocar en camisas con aguaque provenga de un baño a temperatura constante.4.1.4.4. Tipos de rellenos de la columna En cromatografía de líquidos se han utilizado dos tipos básicos de rellenos,pelicular y de partícula porosa. El primero consiste en bolas de vidrio o de polímero,no porosas y esféricas con unos diámetros característicos de 30 a 40 µm. En lasuperficie de estas bolas se deposita una capa delgada y porosa de sílice, alúmina o deuna resina de intercambio iónico. Para algunas aplicaciones se aplica un recubrimiento 4.8 10.
4. Cromatografía de líquidos de alta resoluciónadicional, constituido por una fase estacionaria líquida que se mantiene fija poradsorción. Las bolas también se pueden tratar químicamente para obtener una capasuperficial orgánica. Por lo general, los rellenos peliculares se utilizan ampliamente enlas precolumnas y no en las columnas analíticas. Los típicos rellenos de partículas porosas de cromatografía de líquidos estánformados por micropartículas porosas con diámetros entre 3 y 10 µm y con la menordispersión posible para un tamaño determinado. Las partículas son de sílice, alúmina oresinas de intercambio iónico, aunque la sílice es el material más común. Las partículasde sílice se sintetizan aglomerando partículas de sílice de tamaños inferiores al micrónen unas condiciones tales que se forman partículas mayores con diámetros muy unifor-mes. Las partículas que resultan se recubren muchas veces con películas orgánicas, quese unen química o físicamente a la superficie.4.1.5. Detectores A diferencia de la cromatografia de gases, en la cromatografía de líquidos nohay detectores tan aplicables universalmente ni tan fiables como los detectores deionización de llama y de conductividad térmica. Uno de los mayores retos en eldesarrollo de la cromatografía de líquidos ha sido el perfeccionamiento de losdetectores. Un detector ideal para cromatografía de líquidos debería poseer todas laspropiedades listadas en relación con la cromatografía de gases, con la excepción de queun detector para cromatografía de líquidos no es necesario que sea sensible en unintervalo tan grande de temperaturas. Además, un detector de HPLC debe tener unvolumen interno mínimo a fin de reducir el ensanchamiento de banda. Los detectores en cromatografia de líquidos son de dos tipos básicos. Losdetectores basados en una propiedad de la disolución responden a una propiedad de lafase móvil, tal como el índice de refracción, la constante dieléctrica, o la densidad, quese modifica por la presencia de los analitos. Por contraste, los detectores basados enuna propiedad del soluto responden a alguna de las propiedades del soluto, como laabsorbancia UV, fluorescencia, o intensidad de difusión, que no son propias de la fasemóvil. En la Tabla 4.1 se indican los detectores más comunes empleados en HPLC yalgunas de sus propiedades más importantes. Un informe de 1982 sobre 365 trabajospublicados en los que tenía un papel importante la cromatografia de líquidos, reveló queel 71 % se utilizaban en la detección de la absorción UV, el 15% la fluorescencia, el5,4% el índice de refracción, el 4,3% empleaba medidas electroquímicas y el 4,3%restante otras medidas.4.1.5.1. Detectores de absorbancia La Figura 4.5 muestra el esquema de una cubeta de flujo en forma de Z para lamedida de la absorbancia de los efluentes de una columna cromatográfica. A fin deminimizar el ensanchamiento de banda extracolumna, el volumen de estas cubetas ha deser lo menor posible, de modo que los volúmenes se limitan por lo común de 1 a 10 µLy las longitudes de la cubeta de 2 a 10 mm. La utilización de cubetas de este tipo estárestringida a presiones no mayores de unos 50 kg/cm2. 4.9 11.
4. Cromatografía de líquidos de alta resolución Tabla 4.1. Características de los detectores de HPLCFigura 4.5. Celda de detector ultravioleta en HPLC Muchos detectores de absorbancia son dispositivos de doble haz, en los que unode los haces pasa por la cubeta de flujo y el otro a través de un filtro que reduce suintensidad. Para comparar las intensidades de los dos haces se utilizan detectoresfotoeléctricos contrastados. También se utilizan instrumentos de un solo haz. En estecaso, las medidas de intensidad del disolvente se almacenan en la memoria de unordenador y al final se recuperan para el cálculo de la absorbancia. 4.10 12.
4. Cromatografía de líquidos de alta resoluciónDetectores de absorbancia ultravioleta con filtros. Los detectores de absorción UVmás simples son los fotómetros de filtros con una lámpara de mercurio como fuente. Lomás común en estos casos es aislar la línea intensa a 254 nm por medio de filtros; enalgunos equipos también se pueden utilizar las líneas a 250, 313, 334 y 365 nmempleando otros filtros. Resulta obvio que este tipo de detector se utiliza de formarestringida para aquellos solutos que absorben a alguna de estas longitudes de onda.Algunos grupos funcionales orgánicos y diversas especies inorgánicas exhiben unabanda ancha de absorción a una o más de esas longitudes de onda.Detectores de absorbancia ultravioleta con monocrornadores. La mayoría de losfabricantes de instrumentos de HPLC ofrecen detectores que consisten en unespectrofotómetro de barrido con óptica de red. Algunos se limitan a la radiaciónultravioleta; mientras que otros abarcan la radiación ultravioleta y la visible. Se puedenelegir varios modos operacionales. Por ejemplo, se puede obtener el cromatogramacompleto a una sola longitud de onda o alternativamente, cuando los picos que eluyenestán suficientemente separados, se puede elegir distinta longitud de onda para cadapico. En este caso, debe emplearse el control por ordenador para elegir la mejorlongitud de onda en cada caso. Cuando se desean los espectros completos con fines deidentificación, se puede parar el flujo del eluyente durante un tiempo suficiente quepermita el barrido de la región de longitud de onda que interesa. Los detectores espectrofotométricos de ultravioleta más potentes son losinstrumentos de series de diodos. Algunos fabricantes ofrecen este tipo de instrumentos,que permiten recoger los datos de un espectro completo en aproximadamente unsegundo. De esta forma, los datos espectrales para cada pico cromatográfico se puedenrecoger y almacenar a medida que van saliendo de la columna. Una de las formas depresentación de los datos espectrales, que resulta útil para la identificación de lasespecies y para elegir las condiciones de la determinación cuantitativa, consiste en ungráfico tridimensional tal como el que se muestra en la Figura 4.6. En este caso, losespectros se obtuvieron a intervalos de cinco segundos. La aparición y desaparición decada uno de los esteroides en el efluente de la columna resulta evidente. Figura 4.6. Espectros de absorción del efluente de una columna de HPLCtomados a intervalos de 5 s para una mezcla de tres esteroides. 4.11 13.
4. Cromatografía de líquidos de alta resoluciónDetectores de absorbancia en el infrarrojo. Comercialmente se ofrecen dos tipos dedetectores de infrarrojo. El primero con barrido de longitud de onda que proporcionantres segmentos de filtro semicirculares. El segundo, mucho más sofisticado, es un tipode detector infrarrojo que se basa en los instrumentos de transformada de Fourier. Las cubetas de los detectores de infrarrojo son semejantes a las de radiaciónultravioleta excepto en que las ventanas se construyen de cloruro de sodio o de fluorurode calcio. Las longitudes de la cubeta oscilan de 0.2 a 1.0 mm, y los volúmenes de 1.5 a10 µL. Los instrumentos de infrarrojo más sencillos pueden trabajar a una o máslongitudes de onda; alternativamente, se pueden obtener los espectros de los picosparando el flujo en su tiempo de elución. Los instrumentos con transformada de Fourierse utilizan de manera análoga a los instrumentos de series de diodos para las medidas deabsorbancia ultravioleta que se han descrito en la sección anterior. Una de las mayores limitaciones al uso de los detectores de infrarrojo se debe ala baja transparencia de muchos de los disolventes que se utilizan. Por ejemplo, lasbandas anchas de absorción infrarroja del agua y de los alcoholes impidenprácticamente el uso de este detector para muchas aplicaciones.4.1.5.2. Detectores de fluorescencia Los detectores de fluorescencia para HPLC son semejantes en diseño a losfluorímetros y espectrofluorímetros. En la mayoría de ellos, la fluorescencia se detectapor medio de un detector fotoeléctrico colocado perpendicularmente respecto al haz deexcitación. Los detectores más sencillos utilizan una fuente de excitación de mercurio, yuno o más filtros para aislar la radiación fluorescente. Los futuros desarrollos en losdetectores de fluorescencia probablemente se basarán en el uso de fuentes de lásersintonizables, las cuales permiten una mayor sensibilidad y selectividad. Una ventaja inherente a los métodos de fluorescencia es su alta sensibilidad, queresulta ser más de un orden de magnitud mayor que la de los sistemas de absorbancia.En cromatografía de líquidos se ha aprovechado esta ventaja para la separación ydeterminación de los componentes fluorescentes de las muestras.4.1.5.3. Detectores de índice de refracción Estos detectores miden la diferencia de índice de refracción, entre el disolventeque en su camino hacia la columna pasa a través de una mitad de la cubeta y el efluentede la columna que pasa por la otra mitad. Los dos compartimentos están separados poruna placa de vidrio montada a un ángulo de modo que si las dos disoluciones difieren enel índice de refracción se produce una desviación de un haz de luz incidente. El des-plazamiento del haz con respecto a la superficie fotosensible del detector provoca unavariación de la señal de salida, la cual, una vez amplificada y registrada, proporciona elcromatograma. Los detectores de índice de refracción tienen la ventaja de que responden a casitodos los solutos. Es decir, son detectores universales análogos a los detectores de llamaen cromatografia de gases. Además, son fiables y no dependen del caudal. Sin embargo,son muy sensibles a los cambios de temperatura, y se han de mantener a unatemperatura constante en unas pocas milésimas de grado centígrado. Por otra parte, noson tan sensibles como la mayoría de los otros detectores, y por lo general no se puedenutilizar en la elución con gradiente. 4.12 14.
4. Cromatografía de líquidos de alta resolución4.1.5.4. Detector de dispersión de luz Recientemente, se ha comercializado un nuevo tipo de detector general para laHPLC, el detector de dispersión de luz (ELSD). En este detector, el efluente de lacolumna se pasa a un nebulizador donde se convierte en una fina niebla mediante unflujo de nitrógeno o aire. Las finas gotitas se llevan a través de un tubo de conducción atemperatura controlada donde tiene lugar la evaporación de la fase móvil, lo que originaunas finas partículas de analito. La nube de partículas de analito pasa a través de un hazláser. Mediante un fotodiodo de silicio se detecta la radiación dispersadaperpendicularmente al flujo. Una de las mayores ventajas de este tipo de detector es que su respuesta resultaser aproximadamente la misma para todos los solutos no volátiles. Además esnotablemente más sensible que el detector de índice de refracción.4.1.5.5. Detectores electroquímicos Los fabricantes de instrumentos proporcionan en la actualidad varios tipos dedetectores electroquímicos. Estos dispositivos se basan en cuatro métodoselectroanalíticos que incluyen la amperometría, la voltamperometría, la coulombimetríay la conductimetría.4.2. TIPOS DE CROMATOGRAFÍA HPLC4.2.1. Cromatografía de reparto La cromatografia de reparto ha llegado a ser el tipo de cromatografia de líquidosmás ampliamente utilizado. En el pasado, la mayoría de las aplicaciones se han referidoa compuestos polares no iónicos de baja a moderada masa molecular < 3000). Sinembargo, recientemente se han desarrollado algunos métodos que han extendido lasseparaciones de reparto a los compuestos iónicos. La cromatografia de reparto se puede subdividir en cromatografialíquido-líquido y cromatografía con fases unidas químicamente (enlazadas). La di-ferencia entre estas técnicas radica en la forma como se retiene la fase estacionarlasobre las partículas soporte del relleno. En líquido-líquido, la fase estacionaria líquidase retiene sobre la superficie del soporte por adsorción fisica. En fase unidaquímicamente, la fase estacionaria se une químicamente a la superficie del soporte. Lacromatografia de reparto, al principio era del tipo líquido-líquido; sin embargo, en la ac-tualidad los métodos de fase enlazada son los que predominan debido a las desventajasde los sistemas líquido-líquido. Una de esas desventajas es la pérdida de faseestacionaria por disolución en la fase móvil, lo que hace necesario un periódicorecubrimiento de las partículas del soporte. Por otra parte, el problema de la solubilidadde la fase estacionaria impide el uso de los rellenos de fase líquida en la elución congradiente. La discusión se centrará exclusivamente en la cromatografia de reparto confases unidas químicamente.4.2.1.1. Columnas para cromatografía con fases unidas químicamente En cromatografia de reparto, los soportes para casi todos los rellenos con fasesunidas químicamente se preparan con sílice rígida o composiciones constituidasbásicamente por sílice. Estos sólidos están formados por partículas mecánicamenteresistentes, porosas y uniformes, con diámetros de 3, 5 o 10 µm. La superficie de la 4.13 15.
4. Cromatografía de líquidos de alta resoluciónsílice totalmente hidrolizada está constituida por grupos SiOH químicamente reactivos.Las superficies de sílice características contienen cerca de 8 µmol/m2 de grupos SiOH. Los recubrimientos de fase enlazada más utilizados son los siloxanos, que seforman por reacción de la superficie hidrolizada con un organoclorosilano. Rellenos de fase inversa y de fase normal. En relación con las polaridadesrelativas de las fases móvil y estacionaria, se distinguen dos tipos de cromatografia dereparto. Inicialmente, la cromatografía de líquidos utilizaba fases estacionarias deelevada polaridad tales como el agua o el trietilenglicol colocadas sobre partículas desílice o alúmina. Por razones históricas, a este tipo de cromatografia se le conoce ahoracomo cromatografía en fase normal. En la cromatografía en fase inversa (o reversa), lafase estacionaria es no polar, con frecuencia se trata de un hidrocarburo, y la fase móviles relativamente polar (como el agua, el metanol o el acetonitrilo). En cromatografia enfase normal, el componente menos polar se eluye primero, debido a que relativamentees el más soluble en la fase móvil y un aumento de la polaridad de la fase móvil provocauna disminución del tiempo de elución. Por contraste, en los métodos en fase inversa,los componentes más polares aparecen primero, y un aumento de la polaridad de la fasemóvil aumenta el tiempo de elución. Los rellenos de fase enlazada se clasifican como de fase inversa cuando elrecubrimiento unido químicamente tiene un carácter no polar, y de fase normal cuandoel recubrimiento contiene grupos funcionales polares. Tal vez las tres cuartas partes detoda la cromatografla de líquidos de alta resolución se llevan a cabo normalmente conrellenos de fase inversa. Por lo general, el grupo R del siloxano en estos recubrimientoses una cadena C8 (n-octilo) o una cadena C18 (n-octadecilo). En estas preparaciones, losgrupos de hidrocarburo de cadena larga se alinean el uno junto al otro y en perpendicu-lar a la superficie de la partícula, dando una estructura semejante a una brocha o a uncepillo. La Figura 4.7 ilustra el efecto de la longitud de la cadena del grupo alquilo sobrela eficiencia. Como se esperaba, las cadenas más largas originan rellenos que muestranuna mayor retención. Además, una mayor longitud de la cadena permite una mayorcantidad de muestra. En la mayoría de las aplicaciones de la cromatografia en fase inversa, la eluciónse lleva a cabo con una fase móvil de elevada polaridad como es el caso de una soluciónacuosa conteniendo concentraciones diversas de disolventes como metanol, acetonitriloo tetrahidrofurano. Se ha de procurar que el pH sea menor de, aproximadamente, 7,5porque si no puede tener lugar la hidrólisis del siloxano, lo que originaría ladegradación o destrucción del relleno. Con rellenos de fase enlazada en fase normal, R en la estructura del siloxano esun grupo funcional polar como es el caso de los grupos ciano (-C2H4CN), diol(-C3H6OCH2CHOHCH20H), amino (-C3H6NH2) y los dimetilamino (-C3H6N(CH3)2.Las polaridades de estos materiales de relleno varían en un gran intervalo, siendo el tipociano el menos polar y el tipo amino el más polar. Los rellenos de diol son de unapolaridad intermedia. Con los rellenos de fase normal, la elución se realiza condisolventes relativamente no polares, tales como el etiléter, el cloroformo y el n-hexano. 4.14 16.
4. Cromatografía de líquidos de alta resoluciónFigura 4.7. Efecto de la longitud de la cadena en la eficiencia de las columnas desiloxano en fase inversa empaquetadas con partículas de 5 µm. Fase móvil: 50/50metanol/agua. Caudal 1 mL/min4.2.1.2. Establecimiento del método en cromatografía de reparto En cromatografia de líquidos, el establecimiento del método tiende a ser máscomplejo que en cromatografia de gases, debido a que cuando la fase móvil es líquida,los componentes de la muestra interaccionan con ambas fases, la estacionaria y lamóvil. Por el contrario, en la cromatografla de gases, la fase móvil se comporta comoun gas ideal y no contribuye al proceso de separación; sólo sirve como portador de loscomponentes de la muestra a través de la fase estacionaria. Es decir, en cromatografíade gases, el que la fase móvil sea helio, nitrógeno o hidrógeno no afectasignificativamente a la separación. Muy al contrario, el éxito de una separacióncromatográfica de reparto depende de que la fase móvil sea acetonitrilo, hexano o biendioxano. Selección de la columna en las separaciones cromatográficas de reparto. Unabuena cromatografía con fases móviles interactivas, requiere un equilibrio adecuadoentre las fuerzas intermoleculares existentes entre los tres participantes activos en elproceso de la separación -el soluto, la fase móvil y la fase estacionaria. Estas fuerzasintermoleculares se describen cualitativamente en términos de polaridad relativa de cadauno de los reactivos. Las polaridades en orden creciente para varios grupos funcionalesdel analito son: hidrocarburos < éteres < ésteres < cetonas < aldehídos < amidas <aminas < alcoholes. El agua es más polar que cualquier compuesto que contenga algunode los anteriores grupos funcionales. Al elegir una columna para una separación cromatográfica de reparto, lapolaridad de la fase estacionaria ha de ser bastante similar a la de los analitos, y para laelución se utiliza entonces una fase móvil con una polaridad considerablemente distinta.Este procedimiento por lo general resulta más adecuado que si las polaridades del solutoy de la fase móvil son parecidas pero difieren mucho con respecto a la fase estacionaria.En este caso, la fase estacionaria a menudo no puede competir efectivamente por loscomponentes de la muestra, y los tiempos de retención se hacen demasiado cortos paralas aplicaciones prácticas. En el otro extremo, por supuesto, se encuentra el caso de que 4.15 17.
4. Cromatografía de líquidos de alta resoluciónlas polaridades del soluto y de la fase estacionaria sean demasiado parecidas ytotalmente distintas de la fase móvil; en estas circunstancias, los tiempos de retención sehacen excesivamente largos. En resumen pues, si se quieren obtener buenas separaciones en un tiemporazonable, las polaridades del soluto, de la fase móvil y de la fase estacionaria se han dearmonizar cuidadosamente. Por desgracia, las teorías que relacionan las interacciones dela fase móvil y la fase estacionaria con una serie determinada de componentes de unamuestra son imperfectas, y en el mejor de los casos, un científico sólo puede elegir lafase estacionaria de una manera general. Una vez hecha la elección, el científico ha derealizar una serie de ensayos tentativos obteniendo los cromatogramas con varias fasesmóviles hasta que se llega a una separación satisfactoria. Si la resolución de todos loscomponentes de la mezcla resulta imposible, se ha de elegir otro tipo de columna.Selección de la fase móvil en la cromatografía de reparto De los tres métodos para mejorar la resolución de una columna cromatográficabasados en la variación del número de platos, factor de capacidad k’ y factor deselectividad α, en cromatografia de líquidos, el factor de capacidad k’ es el que másfácilmente se puede manipular de los tres, debido a que este parámetro depende consi-derablemente de la composición de la fase móvil. Tal como se ha subrayadoanteriormente, para una eficiencia óptima, k’ debería estar en el intervalo comprendidoentre 2 y 5; sin embargo, para mezclas complejas, este intervalo se ha de extender talvez de 0.5 a 20 para que todos los picos de los componentes tengan tiempo de aparecer. En algunas ocasiones, el ajuste de k no es suficiente para obtener picosindividuales sin superposición y entonces se ha de recurrir a la variación de los factoresde selectividad. De nuevo en este caso, la forma más simple de producir variaciones enα es modificando la composición de la fase móvil, procurando sin embargo, mantenerk’ dentro de un intervalo razonable. Alternativamente, se puede cambiar α eligiendo unrelleno de columna distinto. Efecto de la fuerza del disolvente sobre los factores de capacidad. Losdisolventes que interaccionan fuertemente con los solutos a menudo se les denominadisolventes «fuertes» o disolventes polares. Para describir cuantitativam,ente lapolaridad de los disolventes, se han desarrollado varios índices. El más útil para lacromatografía de reparto parece ser el índice de polaridad P’ desarrollado por Synder.Este parámetro se basa en las medidas de la solubilidad para la sustancia en cuestión entres disolventes: dioxano (un aceptor de protones de dipolo débil), nitrometano (unaceptor de protones de dipolo intenso) y el etanol (un donador de protones de dipolointenso). El índice de polaridad es una medida numérica de la polaridad relativa devarios disolventes. La Tabla 4.2 lista los índices de polaridad (y otras propiedades) paravarios disolventes que se utilizan en cromatografia de reparto. Obsérvese que el índicede polaridad varía de 10.2 para un compuesto muy polar como el agua hasta 2 para losfluoroalcanos muy poco polares. Cualquier índice de polaridad que se desee entre esoslímites se puede conseguir por mezcla de dos disolventes adecuados. Anteriormente se ha subrayado que la forma más fácil de mejorar la resolucióncromatográfica de dos especies es manipulando el factor de capacidad k’, el cual puedea su vez modificarse cambiando el índice de polaridad del disolvente. En este caso, elcontrol de P’ se consigue con facilidad utilizando fases móviles consistentes en mezclas 4.16 18.
4. Cromatografía de líquidos de alta resoluciónde dos disolventes. Por lo común, un cambio de 2 unidades en P’ origina (muyaproximadamente) una variación de diez veces en k’ 4.17 19.
4. Cromatografía de líquidos de alta resoluciónTabla 4.2. Propiedades de las fases móviles cromatográficas mas comunes Muchas veces, en las separaciones en fase inversa, se emplea una mezcla dedisolventes formada por agua y un disolvente orgánico polar. El factor de capacidad semanipula entonces fácilmente variando la concentración de agua. El efecto de estasmanipulaciones se puede observar en los cromatogramas de las Figuras 4.8 a y b, dondela muestra es una mezcla de seis esteroides. Con una mezcla del 41 % de acetonitrilo y59% de agua, k’ tiene un valor de 5, y los demás analitos se eluyen en un tiempo tancorto (aproximadamente 2 min) que la separación resulta bastante incompleta. Alaumentar el porcentaje de agua a 70, la elución tiene lugar en 7 min, lo que dobla elvalor de k’. En estas circunstancias el tiempo total de elución es suficiente para permitirla separación, aunque el valor de alfa para los compuestos 1 y 3 no sea losuficientemente grande para una buena resolución. Influencia de la fase móvil en las selectividades. En muchos casos, ajustar k’ aun nivel adecuado es todo lo que se necesita para una separación satisfactoria. Sinembargo, cuando todavía se superponen dos bandas, como en la Figura 4.8b, se ha deprocurar aumentar el factor de selectividad α para las dos especies. Esta variación sepuede llevar a cabo convenientemente cambiando la naturaleza química de la fase móvilmientras se mantiene más o menos el mismo valor de k’. Para la cromatografía en fase inversa se ha desarrollado un procedimiento deoptimización de cuatro disolventes que permite establecer el sistema que, en teoría,resolverá una mezcla dada en el mínimo tiempo. En este caso, se han utilizado tresdisolventes compatibles para ajustar los valores de α. Se incluyen metanol, acetonitriloy tetrahidrofurano. El agua se emplea para ajustar la fuerza de la mezcla y de este modoconseguir un valor adecuado de k’. La Figura 4.8 ilustra la sistemática empleada para el desarrollo de la separaciónde seis esteroides por cromatografia en fase inversa basada en cuatro disolventes. Losdos primeros cromatogramas muestran los resultados iniciales para determinar el valormínimo de k’ que se requería. Con un k’ de 10 existe espacio suficiente en la escala detiempos para la separación de picos; sin embargo, en estas condiciones los valores de αpara los componentes 1 y 3 (y en menos extensión para 5 y 6) no son suficientementegrandes como para obtener una separación satisfactoria. Con el objetivo de encontrar 4.18 20.
4. Cromatografía de líquidos de alta resoluciónunos mejores valores de α se realizaron ensayos adicionales; en todos los casos laproporción de agua se ajustaba para obtener una k’ de 10. En las Figuras 4.8 c y d semuestran los resultados obtenidos en los ensayos con las mezclas metanol/agua ytetrahidrofurano/agua. Se realizaron experimentos adicionales variandosistemáticamente los pares de disolventes orgánicos (en cada caso k’ se ajustaba a 10mediante el agua). Finalmente, la mezcla mostrada en la Figura 4.8e se eligió como lamejor fase móvil para la separación del grupo particular de compuestos ensayado.Figura 4.8. Sistemática experimental para la separación de los seis esteroides. En (a) y(b) se muestra el uso del agua para el ajuste de k’. Los efectos de la variación de α a k’constante se muestran en (b), (c), (d) y (e). Columna: 0.4 x 150 mm empaquetada conpartículas de 5 µm con fase inversa enlazada C8. Temperatura: 50ºC. Caudal: 3cm3/min. Detector: UV-254 nm. Compuestos: (1) prednisona; (2) cortisona; (3)hidrocortisona; (4) dexametasona; (5) corticosterona; (6) cortoexolona. 4.19 21.
4. Cromatografía de líquidos de alta resolución En fase normal se ha utilizado un sistema de cuatro disolventes similar, en el cuallos disolventes para el control de la selectividad son etileter, cloruro de metileno ycloroformo; para el ajuste de la fuerza del disolvente se utiliza n-hexano. Con estesistema de cuatro disolventes, se dice que es posible la optimización con un númeromínimo de ensayos.4.2.1.3. Aplicaciones de la cromatografía de reparto Los rellenos con fases unidas químicamente, cuando se utilizan en fase inversaen combinación con disolventes muy polares (a menudo acuosos) se aproximan alsistema ideal y universal para la cromatografía de líquidos. Para investigar la separaciónde nuevos tipos de muestras, estos son los rellenos que se utilizan en primer lugardebido a su amplio intervalo de aplicabilidad, su adecuación, y a la facilidad con quepueden modificarse k’ y α variando las fases móviles acuosas. La Tabla 4.3 enumera unos cuantos ejemplos característicos entre la granvariedad de aplicaciones de la cromatografia de reparto en diversos campos. La Figura4.9 ilustra dos de los muchos miles de aplicaciones de la cromatografía de reparto confases unidas químicamente para el análisis de materiales de consumo e industriales.Tabla 4.3.4.2.2. Cromatografía de adsorción La cromatografía de adsorción, o líquido-sólido, es la forma clásica decromatografía de líquidos que introdujo Tswett por vez primera a principios de estesiglo. Más recientemente, se ha convertido en un método importante de HPLC. Las únicas fases que se utilizan en HPLC líquido-sólido son la sílice y laalúmina, siendo la primera la que se prefiere para casi todas las aplicaciones debido a sumayor capacidad de carga y a su mayor diversidad de presentaciones. Con pocasexcepciones, las características de adsorción de los dos adsorbentes son similares. Conambos, el orden de tiempos de retención es: olefinas < hidrocarburos aromáticos <haluros = sulfuros < éteres < nitrocompuestos < esteres = aldehídos = cetonas <alcoholes = aminas < sulfonas < sulfóxidos < amidas < ácidos carboxílicos. 4.20 22.
4. Cromatografía de líquidos de alta resoluciónFigura 4.9. Aplicaciones de la cromatografía de fase enlazada. (a) Aditivos en bebidasrefrescantes. Columna 4.6 x 250 mm empaquetada con rellenos de fase enlazada polares(nitrilo). Disolvente en modo isocrático: CH3OH 6% / H2O 94%. Caudal 1 mL/min.(b) Insecticidas organofosforados. Columna 4.5 x 250 mm empaquetada con partículasde 5 µm con fase enlazada C8. Gradiente de CH3OH 67% / H2O 33% a CH3OH 80% /H2O 20%. Caudal 2 mL/min. En ambos casos la detección UV es a 254 nm.4.2.2.1. Selección del disolvente en crornatografía de adsorción En cromatografia líquido-sólido, la única variable que se puede utilizar paraoptimizar k y α es la composición de la fase móvil (por contraste con la cromatografiade reparto, donde el relleno de la columna tiene un efecto acusado sobre α).Afortunadamente, en la cromatografía de adsorción, las modificaciones del disolventeprovocan una gran variación en la resolución y en el tiempo de retención, y casi siemprese suele encontrar la fase móvil adecuada. Fuerza del disolvente. En cromatografia de adsorción se ha comprobado que elíndice de polaridad P’, que se ha descrito anteriormente, puede servir como una guía dela fuerza de los disolventes. Sin embargo, un índice mucho mejor es la fuerza eluyenteε0 que es la energía de adsorción del disolvente por unidad de superficie. Este parámetrodepende del adsorbente, siendo los valores de ε0 para la sílice 0.8 veces los de laalúmina. En la Tabla 4.2, los valores de ε0 de la última columna corresponden a laalúmina. Obsérvese que las diferencias entre disolventes con respecto a ε0 secorresponden bastante bien con las que se dan entre los valores de P. 4.21 23.
4. Cromatografía de líquidos de alta resolución Elección de los disolventes. El procedimiento para la elección del disolvente encromatografía de adsorción es semejante al descrito para las separaciones de reparto. Esdecir, se eligen dos disolventes compatibles, uno de los cuales es demasiado fuerte (ε0demasiado grande) y el otro resulta ser demasiado débil. Variando la relación entre losdos disolventes se puede obtener el valor adecuado para k. Se ha encontrado que unaumento de 0.05 unidades en el valor de ε0 por lo general disminuye 3 o 4 veces losvalores de k’. De este modo, se pueden conseguir grandes variaciones de k’, y casisiempre se puede encontrar un sistema binario entre los disolventes de la Tabla 4.2 queproporcione unos tiempos de retención adecuados para cualquier tipo de muestra. Pordesgracia, ε0 no varía linealmente con la relación de volúmenes, como era el caso de Pen la cromatografía de reparto; por ello es más difícil calcular la mezcla óptima para laseparación. Cuando se presenta una superposición de picos, el cambio de un disolventefuerte por otro, manteniendo k’ más o menos constante, permite cambiar los valores deα y a menudo obtener la resolución que se desea. Estas pruebas de tanteo son tediosas ya veces resultan inútiles.Figura 4.10. Aplicación típica de cromatografía de adsorción: separación de cis y transpirazolina. Columna 100 x 0.3 cm, sílice pelicular. Fase móvil: 50% cloruro de metileno/ isooctano. Caudal 0.25 mL/min. Detector UV 254 nm.4.2.2.2. Aplicaciones de la cromatografía de adsorción La Figura 4.1 indica que la cromatografia de adsorción es más adecuada paracompuestos no polares probablemente con masas moleculares inferiores a 5000. Losmétodos de cromatografía de adsorción y los de reparto, aunque en algún caso sesuperponen, tienden a ser complementarios. 4.22 24.
4. Cromatografía de líquidos de alta resolución En general, la cromatografía líquido-sólido es más adecuada para muestras queson solubles en disolventes no polares, y que por tanto tienen una solubilidad limitadaen los disolventes acuosos que son los que se utilizan en los procedimientos de repartoen fase inversa. Como en cromatografía de reparto, los compuestos que tienen distintosgrupos funcionales por lo general se pueden separar, Una característica particular de lacromatograrfía de adsorción, que no es compartida por otros métodos, es su capacidadpara diferenciar compuestos isómeros. La Figura 4.10 ilustra una aplicacióncaracterística de la cromatografia de adsorción.4.2.3. Cromatografía iónica La cromatografía iónica está relacionada con los métodos modernos y eficacespara la separación y determinación de iones que se basan en el uso de las resinas deintercambio iónico. La cromatografía iónica empezó a desarrollarse a mediados de losaños setenta, cuando se demostró que mediante las columnas de HPLC rellenas conresinas de intercambio catiónico o aniónico, se podían resolver fácilmente mezclas decationes o aniones. Por entonces, la detección se realizaba por lo general con medidasde conductividad. La cromatografia iónica se desarrolló durante el proyecto Manhattan queoptimizaba la separación con resinas de intercambio catiónico de los cationes de lastierras raras estrechamente relacionados. Este espectacular trabajo, en el cual se basa lateoría de las separaciones por intercambio iónico, se extendió tras la 2ª Guerra Mundiala muchos otros tipos de materiales y al final condujo a los métodos automatizados parala separación y detección de aminoácidos y otras especies iónicas en mezclascomplejas. El desarrollo de la HPLC moderna empezó a finales de los años sesenta,pero su aplicación a la separación por intercambio iónico se retrasó debido a lainexistencia de un método general y sensible para la detección de especies como loscationes alcalinos y alcalinotérreos, y aniones como los haluros, acetato y nitrato. Estasituación se remedió en 1975 al desarrollarse por técnicos de Dow Chemical Companyla técnica de supresión del efluente, la cual hace posible la detección conductimétrica delos iones eluidos. Esta técnica se describe posteriormente.4.2.3.1. Equilibrios de intercambio iónico Los procesos de intercambio iónico se basan en los equilibrios de intercambioentre los iones de una disolución y los iones del mismo signo que están en la superficiede un sólido de elevada masa molecular y esencialmente insoluble. Durante variasdécadas se han utilizado intercambiadores iónicos naturales como las arcillas y laszeolitas. A mediados de los años treinta se fabricaron por primera vez resinas deintercambio iónico sintéticas para eliminar la dureza del agua, la desionización del aguay la purificación de las disoluciones. Los puntos activos más comunes en las resinas deintercambio catiónico son los grupos de ácido sulfónico -S03- H+, un ácido fuerte, y losgrupos de ácido carboxílico –COO- H+, un ácido débil. Los intercambiadores aniónicoscontienen grupos de amina cuaternaria –N(CH3)3+OH- o grupos de amina ternariaprimaria –NH3+ OH- los primeros son de base fuerte y los últimos de base débil. Cuando un intercambiador iónico de ácido sulfónico se pone en contacto con undisolvente acuoso que contiene cationes M+, se establece un equilibrio de intercambioentre este catión y el H+ de los grupos sulfónicos de la resina. De forma semejante, se 4.23 25.
4. Cromatografía de líquidos de alta resolucióncomporta un intercambiador de ácido débil. En el caso de los intercambiadoresaniónicos el equilibrio se establece entre el anión del disolvente acuoso y los OH- de losgupos amina de la resina polimérica. Estos equilibrios pueden ser modelizados usando la constante de equilibrio Kexdefinida por la ley de acción de masas aplicada a cada uno de los equilibrios deintercambio. Esta Kex representa la afinidad de la resina por los iones en disolución M+relativa a otro ion (en este caso, H+). Cuando Kex, es un valor alto, la fase sólida tieneuna gran tendencia a retener los iones M+ y cuando Kex, es pequeña sucede lo contrario.Seleccionando un ion de referencia común como el H+, se pueden compararexperimentalmente las constantes de distribución de distintos iones para una resinadada. Estos experimentos demuestran que los iones polivalentes se retienen mucho másfuertemente que las especies con una sola carga. Sin embargo, dentro de un grupo con lamisma carga, se dan diferencias relacionadas con el tamaño del ion hidratado y conotras propiedades. De este modo, para una resina típica de intercambio catiónico congrupos sulfónicos, los valores de Kex, disminuyen según el orden Tl+ > Ag+ > Cs+ > Rb+> K+ > NH4+ > Na+ > H+ > Li +. Para los cationes divalentes, el orden es Ba2+ > Pb2+ >Sr 2+ > Ca 2+ > Ni2+ > Cd 2+ > Cu2+ > Co2+ > Zn 2+ >Mg2+>U022+. Para los aniones, Kex, en las resinas de base fuerte disminuye en el orden SO42- >C2O4 > I- > NO3- > Br- > Cl- > HCO2- > CH3CO2- > OH- > F-. Esta secuencia debería 2-considerarse sólo como una aproximación, pues depende en parte de la resina y de lascondiciones experimentales.4.2.3.2. Rellenos de intercambio iónico Históricamente, en cromatografía de intercambio iónico se han empleadopequeñas partículas esféricas porosas que se forman en la copolimerización del estirenoy del divinilbenceno emulsionados. La presencia de divinilbenceno (normalmente en un8%) origina una polimerización entrecruzada que imparte estabilidad mecánica a lasbolitas. Con objeto de activar el polímero frente a los iones, a la estructura se le unenquímicamente grupos funcionales ácidos o básicos. Los grupos más comunes son elácido sulfónico y las aminas cuaternarias. Las partículas poliméricas porosas no resultan del todo adecuadas como rellenoscromatográficos debido a la baja velocidad de difusión de las moléculas de los analitosa través de los microporos de la matriz polimérica, y también debido a lacompresibilidad de la matriz. Para solventar este problema, se han desarrollado dosnuevos tipos de rellenos que se utilizan más que el tipo de polímero poroso. Uno es elrelleno de partícula pelicular en el que la superficie relativamente grande (de 30 a 40µm) de una partícula, esférica y no porosa, de vidrio o polimérica se recubre con unaresina sintética de intercambio iónico. Un segundo tipo de relleno se prepararecubriendo micropartículas porosas de sílice, tal como las que se utilizan en lacromatografia de adsorción, con una delgada película del intercambiador. Concualquiera de ellas, se obtiene un aumento de la eficacia debido a que la difusión en elpolímero es más rápida. Por otra parte, la capacidad de carga de estos rellenos es menor,especialmente los de tipo pelicular. 4.24 26.
4. Cromatografía de líquidos de alta resolución4.2.3.3. Aplicaciones inorgánicas de la cromatografía íónica La fase móvil en cromatografía de intercambio iónico ha de tener las mismaspropiedades generales que se requieren para los otros tipos de cromatografía. Es decir,ha de solubilizar la muestra, tener una fuerza de disolvente que conduzca a tiempos deretención razonables (valores de k adecuados), y debe interaccionar con los solutos detal forma que favorezca la selectividad (valores de α adecuados). En cromatografíaiónica las fases móviles suelen ser disoluciones acuosas que pueden contener cantidadesmoderadas de metanol u otros disolventes orgánicos miscibles con el agua; estas fasesmóviles, a menudo contienen especies iónicas en forma de disolución reguladora. Lafuerza eluyente y la selectividad se determinan por el tipo y concentración de esosingredientes añadidos. En general, los iones de la fase móvil compiten con los iones delanalito por los puntos activos del relleno del intercambiador iónico. Cromatografía iónica con columnas supresoras. Como se ha señaladoanteriormente, la aplicación de la cromatografia iónica para la determinación deespecies inorgánicas no se desarrolló debido a la falta de un buen sistema de detecciónuniversal, que permitiera la determinación cuantitativa basada en las áreas de los picoscromatográficos. Los detectores de conductividad eran la elección obvia para esteobjetivo. Estos detectores pueden tener una elevada sensibilidad, son universales paralas especies cargadas y, como norma general, responden de una forma predecible a loscambios de concentración. Por otra parte, dichos detectores son simples, baratos defabricar y mantener, fáciles de miniaturizar, y por lo común son robustos y deprolongada duración. La única limitación de los detectores de conductividad resultó serun serio problema que impidió su uso generalizado. Esta limitación proviene de laelevada concentración de electrólito que se requiere para eluir la mayoría de los ionesanalito en un tiempo razonable. En consecuencia, la conductividad de los componentesde la fase móvil tiende a enmascarar la de los analitos, y por ello se reduceconsiderablemente la sensibilidad del detector. En 1975, el problema de la elevada conductividad del eluyente se resolviómediante la introducción de la denominada columna supresora que se utilizainmediatamente a continuación de la columna de intercambio iónico. La columnasupresora está rellena con una segunda resina de intercambio iónico, que convierteeficazmente los iones del disolvente en especies moleculares poco ionizadas, sin alterarlos iones del analito. Por ejemplo, cuando se separan y determinan cationes, se elige enmuchas ocasiones el ácido clorhídrico como reactivo eluyente, y la columna supresoraes una resina de intercambio aniónico en la forma hidróxido. El producto de la reacciónen la columna supresora es agua. Esto es,H+ (ac) + Cl- (ac) + Resina+ OH - (s) → Resina+ C1- (s) + H2OEs evidente que los cationes analito no se retienen en esta segunda columna. Para la separación de aniones, el relleno supresor es la forma ácida de una resinade intercambio catiónico. En este caso, el bicarbonato o carbonato de sodio puedeutilizarse como agente eluyente. La reacción en la columna supresora es entoncesNa+ (ac) + HCO3- (ac) + Resina- H+ (s) → Resina- Na+ (s) + H2CO3 (ac) 4.25 27.
4. Cromatografía de líquidos de alta resoluciónEn este caso, el ácido carbónico muy poco disociado que se forma no contribuye demanera significativa a la conductividad. Un inconveniente de las columnas supresoras es la necesidad de regenerarlasperiódicamente (de ordinario, cada 8 o 10 h) a fin de convertir sus rellenos otra vez a laforma ácida o básica original. Sin embargo, recientemente se dispone de supresores demembrana que operan continuamente. En este caso, el eluyente y la disoluciónsupresora fluyen en direcciones opuestas en ambos lados de unas membranaspermeables de intercambio iónico. Para el análisis de aniones, las membranas sonresinas intercambiadoras de cationes y para cationes, son intercambiadoras de aniones.Cuando, por ejemplo, se trata de eliminar los iones sodio del efluente de la columnaanalítica, en la corriente supresora fluye continuamente ácido para la regeneración. Losiones sodio del efluente se intercambian con los iones hidrógeno de la membrana yentonces migran a través de la membrana hasta intercambiarse con los iones hidrógenodel reactivo regenerador. El dispositivo tiene una velocidad de intercambionotablemente alta; por ejemplo, es capaz de eliminar completamente los iones sodio deuna disolución 0.1 M de hidróxido de sodio cuando el caudal del eluyente es de 2mL/min. La Figura 4.11 muestra dos aplicaciones de la cromatografia iónica que utilizanuna columna supresora y detección conductimétrica. En cada caso, los iones estánpresentes al nivel de partes por millón, y el tamaño de las muestras es de 50 µL en uncaso y de 100 µL en el otro. El método es de gran importancia para el análisis deaniones debido a que actualmente no existe un método tan rápido y adecuado paramuestras de este tipo. Cromatografía iónica con una sola columna. También se dispone de equiposcomerciales para cromatografia iónica en los que no se utiliza una columna supresora.Estos sistemas se basan en las pequeñas diferencias de conductividad que existe entrelos iones de la muestra eluidos y los del eluyente que prevalecen. Para amplificar esasdiferencias, se utilizan intercambiadores de baja capacidad, con los que es posible laelución utilizando especies de baja conductividad equivalente. La cromatografía conuna sola columna tiende a ser algo menos sensible que la cromatografía iónica concolumna supresora.4.2.3.4. Aplicaciones orgánicas y bioquímicas de la cromatografía iónica La cromatografia de intercambio iónico se ha aplicado a una variedad desistemas orgánicos y bioquímicos incluyendo drogas y sus metabolitos, sueros,conservantes de alimentos, mezclas de vitaminas, azúcares y preparacionesfarmacéuticas. El ejemplo de una de estas aplicaciones se muestra en la Figura 4.12,donde se separan con una columna de intercambio catiónico 1 x 10-8 moles de cada unode los 17 aminoácidos de una muestra. 4.26 28.
4. Cromatografía de líquidos de alta resoluciónFigura 4.11. Aplicaciones típicas de la cromatografía ionica. (a) Separación de anionesen una columna de intercambio aniónico. Eluyente NaHCO3 0.0028M / Na2CO30.0023M. Tamaño de muestra 50 µL. (b) Separación de iones alcalinos en una columnade intercambio catiónico. Eluyente: Diclorhidrato de fenilendiamina 0.025 M / HCl0.0025 M. Tamaño de muestra 100 µLFigura 4.12. Separación de aminoácidos con una columna de intercambio ionico.Relleno: intercambiador catiónico con un tamaño de partícula de 8µm. 4.27 29.
4. Cromatografía de líquidos de alta resolución4.2.4. Cromatografía de exclusión por tamaños La cromatografia de exclusión por tamaños, que también se ha denominadocromatografía en geles permeables o de filtración en geles, es una técnica muy valiosaque se aplica particularmente a especies de alto peso molecular. Los rellenos para lacromatografía de exclusión por tamaños están constituidos por pequeñas partículas (deunas 10 µm) poliméricas o de sílice que contienen una red uniforme de poros en los quepueden difundir las moléculas del soluto y del disolvente. En los poros, las moléculasson atrapadas efectivamente y eliminadas del flujo de la fase móvil. El tiempo deresidencia medio en los poros depende del tamaño efectivo de las moléculas de losanalitos. Las moléculas que son más grandes que el tamaño medio de poros del rellenoson excluidas y de esta forma, esencialmente no se retienen y, por tanto, son lasprimeras que eluyen. Las moléculas que tienen diámetros que son significativamentemenores que los poros, pueden penetrar a través del laberinto de poros y así resultanatrapadas durante más tiempo; éstas son las últimas en eluir. Entre estos dos extremos,están las moléculas de tamaño intermedio cuya penetración media en los poros dependede su diámetro. Dentro de este grupo, tiene lugar el fraccionamiento, que estádirectamente relacionado con el tamaño molecular y en cierto modo con la formamolecular. Obsérvese que las separaciones por exclusión por tamaños difieren de losotros procedimientos que se han considerado, en que no implican una interacciónquímica o física entre los analitos y la fase estacionaria. De hecho, se procura evitar estetipo de interacciones dado que originan una mala eficacia de la columna.4.2.4.1. Rellenos de columna En cromatografia de exclusión por tamaños se encuentran dos tipos de rellenos,partículas poliméricas y partículas de sílice, con diámetros de partícula que oscilan de 5a 10 µm. Los últimos tienen la ventaja de una gran rigidez, lo que facilita elempaquetamiento; una mayor estabilidad, lo que permite el uso de una gran variedad dedisolventes incluyendo el agua; una equilibración más rápida al cambiar el disolvente; yuna buena estabilidad a elevadas temperaturas. Los inconvenientes de las partículas desílice son su tendencia a retener solutos por adsorción, y su capacidad para catalizar ladegradación de las moléculas del soluto. En un principio, la cromatografía de exclusión por tamaños se llevó a cabofundamentalmente utilizando copolímeros de estireno-divinilbenceno entrecruzados deestructura semejante (excepto en que los grupos sulfónicos están ausentes) a losutilizados en comatrografía iónica. El tamaño de poro en estos polímeros se controla porel grado de entrelazamiento entre las cadenas poliméricas y por tanto con la cantidadrelativa de divinilbenceno presente en la fabricación. Como consecuencia, los rellenospoliméricos se han comercializado con distintos tamaños promedio de poro, Los gelesde estirenodivinilbenceno son hidrofóbicos y de este modo sólo pueden utilizarse confases móviles no acuosas. Sin embargo, en la actualidad se dispone de geleshidrofílicos, que hacen posible el uso de disolventes acuosos para la separación demoléculas grandes solubles en agua como los azúcares. Estos geles hidrofílicos son porlo general polímeros de estireno-divinilbenceno con grupos sulfónicos, opoliacrilamidas. Las partículas de vidrio y de sílice porosas, que se comercializan actualmente,tienen tamaños promedio de poro que oscilan entre 40 y 2500 Angstroms. A fin dereducir la adsorción, las superficies de estas partículas se modifican por reacción con 4.28 30.
4. Cromatografía de líquidos de alta resoluciónsustituyentes orgánicos. En la Tabla 4.4 se indican las propiedades de algunos rellenoscomerciales y típicos de la exclusión por tamaños. El intervalo útil de pesos moleculares para un determinado relleno de exclusiónpor tamaños, se obtiene convenientemente a partir de una curva de calibración. En ella,se representa el peso molecular, que está directamente relacionado con el tamaño de lasmoléculas de soluto, frente al volumen de retención. El límite de exclusión determina el peso molecular de una especie por encimadel cual no existe retención. Todas las especies que tengan pesos moleculares mayoresque el límite de exclusión, son tan grandes que no se retienen, y eluyen conjuntamentepara dar un mismo pico. El límite de permeabilidad es el peso molecular por debajo delcual las moléculas del soluto pueden penetrar completamente en los poros. Por debajode este peso molecular, todas las moléculas del soluto son tan pequeñas que eluyen enuna sola banda. A medida que los pesos moleculares disminuyen con respecto al límitede exclusión, las moléculas del soluto pasan cada vez más tiempo, de promedio, en losporos de las partículas y de este modo se mueven cada vez con mayor lentitud. Es en laregión de permeabilidad selectiva en la que tiene lugar el fraccionamiento, dando lugara picos de soluto individuales. Las curvas de calibración experimentales se obtienen fácilmente a partir deproductos estándar. En muchas ocasiones, estas curvas las suministran los propiosfabricantes de los materiales de relleno.Tabla 4.4.4.2.4.2. Aplicaciones de la cromatografía de exclusión por tamaños Los métodos de exclusión por tamaños se subdividen en la cromatografía defiltración en gel y la de gel permeable. En el primer tipo se utilizan disolventes acuososy rellenos hidrofílicos. En el último, los métodos se basan en disolventes no polares yen rellenos hidrofóbicos. Los métodos son complementarios en el sentido que en uncaso se aplican a muestras solubles en agua, y en el otro a sustancias solubles endisolventes orgánicos poco polares. Una de las aplicaciones más útiles del procedimiento de filtración en gel consisteen separar las moléculas de alto peso molecular de productos naturales de las especiesde bajo peso molecular y de las sales. Por ejemplo, un gel con un límite de exclusión devarios miles, puede separar bien las proteínas de los aminoácidos y de los péptidos debajo peso molecular. 4.29 31.
4. Cromatografía de líquidos de alta resolución Una aplicación útil de la cromatografia de gel permeable es la separación dehomólogos y oligómeros. Estas aplicaciones se ilustran con los ejemplos que semuestran en la Figura 4.13. El primero muestra la separación de una serie de ácidos grasos con pesosmoleculares entre 116 y 344 mediante un relleno de poliestireno con un límite deexclusión de 1000. El segundo es el cromatograma de una resina epoxi comercial; eneste caso, n se refiere al número de unidades monoméricas en las moléculas de resina.Figura 4.13. Aplicaciones de la cromatografía de exclusión por tamaños. (a) Separaciónde ácidos grasos. Columna de poliestireno 7.5 x 600 mm con un límite de exclusión de1000. Fase móvil tetrahidrofurano. Caudal 1.2 mL/min. Detector: índice de refracción.(b) Análisis de una resina epoxi comercial (n= número de unidades monoméricas en elpolímero). Columna de sílice porosa 6.2 x 250 mm. Fase móvil tetrahidrofurano. Caudal1.3 mL/min La Figura 4.14 ilustra una aplicación de la cromatografía de exclusión por tamañosa la determinación de glucosa, sacarosa y fructosa en cuatro tipos de zumos de fruta. Elrelleno, con un límite de exclusión de 1000, era un polímero de poliestireno entrelazadode características hidrofilícas por la incorporación de grupos sulfónicos. Una columnade 25 cm con este relleno tenía 7600 platos a una temperatura de trabajo de 80ºC. Otra gran aplicación de la cromatografia de exclusión por tamaños es a ladeterminación rápida de los pesos moleculares, o de la distribución de pesosmoleculares en los grandes polímeros o en los productos naturales. En este caso, secomparan los volúmenes de elución de la muestra con los volúmenes de elución decompuestos estándar que tengan las mismas características químicas. Las ventajas más importantes de los procedirnientos de exclusión por tamañosson: (1) tiempos de separación cortos y bien definidos [todos los solutos salen de lacolumna entre dos límites]; (2) bandas estrechas, que conducen a una buenasensibilidad; (3) no hay pérdida de muestra, porque los solutos no interaccionan con lafase estacionaria; y (4) no se desactiva la columna por interacción del soluto con elrelleno. Las desventajas son: (1) debido a que la escala de tiempos en el cromatograma escorta, sólo se pueden acomodar un número limitado de bandas y (2) no es aplicable amuestras de componentes semejantes, como las mezclas de isómeros. Para unaresolución aceptable se necesita que la diferencia de pesos moleculares sea la menos deun 10%. 4.30 32.
4. Cromatografía de líquidos de alta resoluciónFigura 4.14. Determinación de glucosa (G), fructosa (F) y sacarosa (S) en zumosenlatados 4.31 Recommended
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