Explicación de la cromatografía: tecnologías de muestreo de espacio de cabeza para la preparación de muestras volátiles

En una publicación de blog anterior Espectrometría de masas de cromatografía de gases (GC/MS) , detallamos el papel de GC/MS en el laboratorio de análisis. En esta publicación, revisamos la tecnología de preparación de muestras para muestras volátiles. Los científicos que utilizan la cromatografía de gases (GC) estudian los componentes volátiles y semivolátiles de las muestras. Algunas muestras pueden ser difíciles de analizar, especialmente si la matriz de la muestra no es adecuada para inyectarla directamente en el GC. Muestras como esta requieren un paso de preparación en el que los analitos objetivo se eliminan de la matriz. Esta separación puede ser fácil si los compuestos objetivo son volátiles y tienen una presión de vapor más alta que la matriz de muestra no volátil. Los científicos pueden aprovechar la volatilidad de los compuestos objetivo y separar estos analitos de la matriz utilizando la temperatura. Se desarrolló un instrumento que calentaría las muestras para proporcionar esa separación y también inyectaría esos compuestos objetivo en la columna de GC para su análisis después de la extracción.

Definición de tecnología de muestreo de espacio de cabeza

La tecnología Headspace se desarrolló en la década de 1980 y actuó como una cámara en la fase de vapor que rodeaba un material u objeto en particular. La técnica de cromatografía de gases de espacio de cabeza (HS-GC) fue inventada originalmente por el profesor G. Machata de la Universidad de Viena en Austria. La instrumentación de la técnica fue desarrollada por una filial de Perkin-Elmer con sede en Alemania. Para ilustrar cómo se usa el espacio de cabeza para extraer material volátil de una matriz de muestra más pesada, consideremos una aplicación que es adecuada para el muestreo de espacio de cabeza: el perfume. La composición del perfume puede ser muy compleja y contener agua, alcohol, aceites esenciales y otros aditivos. Si inyectamos una muestra de este tipo directamente en un inyector y una columna típicos de GC, obtenemos el cromatograma que se muestra en la Figura 1. Producir este cromatograma eluye compuestos que no son necesarios; muchos ven esto como una pérdida de tiempo y recursos. Además, muchos de estos compuestos pueden no ser adecuados para la cromatografía de gases y pueden contaminar el sistema o incluso reaccionar con la fase estacionaria de la columna. Si colocamos una muestra de este perfume en un vial sellado y lo calentamos a una temperatura moderada durante un período de tiempo, los compuestos más volátiles tenderán a pasar a la fase gaseosa (o espacio de cabeza) sobre la muestra de perfume. Cuanto más volátil sea el compuesto, más concentrado estará en el espacio libre. Figura 1. Cromatograma de la inyección directa de una muestra de perfume. Por el contrario, los componentes menos volátiles (y menos aptos para GC) que representan la mayor parte de la muestra tenderán a permanecer en la fase líquida. Por lo tanto, se logra una separación cruda. Si podemos extraer parte del vapor del espacio de cabeza e inyectarlo en un cromatógrafo de gases, entrará mucho menos material menos volátil en la columna de GC, lo que hará que la cromatografía sea mucho más limpia, fácil y rápida. Figura 2. Movimiento de moléculas de perfume dentro de un vial sellado y calentado. Un sistema de muestreo de espacio de cabeza automatiza este proceso calentando primero la muestra durante un período de tiempo medido y luego extrayendo un pequeño volumen del vapor de espacio de cabeza del vial y transfiriéndolo a la columna de GC. La Figura 3 muestra un cromatograma producido a partir de una muestra de espacio de cabeza tomada de la misma muestra de perfume que produjo la Figura 1. Figura 3 Cromatografía de una muestra de perfume con muestreo de espacio de cabeza. El muestreo de espacio de cabeza se utiliza para el análisis cualitativo y/o cuantitativo de especies volátiles en muestras que pueden dividirse eficientemente en el volumen de gas de espacio de cabeza de una matriz líquida o sólida. También es una buena técnica para el análisis de muestras en las que no se debe inyectar la muestra completa en el instrumento GC (es decir, muestras que contienen partículas). El muestreo de espacio de cabeza también es particularmente adecuado para el análisis de niveles de trazas de analitos porque, a medida que los analitos se extraen de la matriz semivolátil, también se concentran inherentemente. Los ejemplos típicos de análisis de espacio de cabeza incluyen compuestos orgánicos volátiles (VOC) de muestras de aguas residuales y tierra contaminada, solventes residuales en envases, productos farmacéuticos y alcohol en sangre y detección toxicológica. Diferentes tipos de muestreo de espacio de cabeza Hay algunos tipos diferentes de muestreo de espacio de cabeza , siendo el primero el más simple: Inyección con jeringa. Aquí es donde se utiliza una jeringa hermética a los gases para extraer un pequeño volumen de vapor del espacio de cabeza de un vial que se ha calentado e inyectarlo en un inyector dividido de GC. Esto se puede hacer manualmente o con un instrumento de espacio de cabeza que utiliza una jeringa de gas como base para transferir vapor de espacio de cabeza desde un vial térmicamente equilibrado a un inyector de GC. Otro tipo de muestreo de espacio de cabeza que se utiliza en muchos instrumentos de espacio de cabeza es la inyección de válvula y bucle. Estos tipos de sistemas utilizan una sonda de aguja para perforar el vial y presurizar el vial con gas. Una vez que el vial alcanza el equilibrio a la presión, los gases del vial se ventilan en el circuito de muestra llenando el circuito con muestra. Luego, la válvula cambia y el bucle de muestra permite que el gas portador arrastre la muestra hacia la entrada del GC. Esto es diferente a la inyección con jeringa porque la muestra se transfiere al inyector del GC mediante un flujo controlado de gas portador. La capacidad del bucle de muestra en sí es fija, pero no es indicativa de la cantidad de muestra que se inyecta realmente. Los cambios de presión y temperatura y las divisiones aplicadas tienen un efecto directo en el volumen de vapor del espacio de cabeza dirigido a la columna de GC. De los tres tipos de sistemas HS, este es el más difícil de predecir cuánto vapor se inyecta realmente en el GC. La tecnología de muestreo de espacio de cabeza con presión equilibrada proporciona un medio más directo para determinar la cantidad de vapor de espacio de cabeza inyectado. Esta tecnología tiene la gran ventaja de que es una técnica de inyección de una sola etapa en la que el vapor de muestra del espacio de cabeza se introduce en la columna de GC sin usar una jeringa de gas o válvulas multipuerto. En cambio, las presiones del gas portador se regulan con precisión para gestionar la transferencia, lo que elimina muchas de las fuentes de variabilidad y contaminación que se encuentran en otros sistemas. Además, debido a que no hay un bucle de muestra de volumen fijo, los usuarios pueden cambiar los volúmenes de muestra mediante la configuración dentro del método del instrumento de espacio de cabeza, lo que demuestra que el muestreo de presión equilibrada es más versátil que la válvula y el bucle.  El proceso de muestreo del espacio de cabeza del balance de presión: paso a paso
  1. Las muestras se calientan en un horno donde los compuestos volátiles alcanzan el equilibrio entre la fase de vapor y la fase líquida de la muestra dentro de los viales de muestra. Durante este tiempo de termostatización, la aguja de muestreo calentada se enjuaga constantemente con gas portador para eliminar la contaminación. Debido a que la columna o línea de transferencia se inserta hasta la aguja, se mantiene la máxima inercia y el volumen muerto mínimo.
  1. Durante la presurización, la aguja de muestreo calentada perfora un vial de muestra. Todos los viales están presurizados exactamente en el mismo grado.
  2. Después de la presurización, una válvula solenoide interrumpe el flujo de gas portador y el vial actúa como un depósito de gas portador. Durante el muestreo/inyección, a medida que la presión decae, el volumen de muestra se transfiere directamente del vial a la columna. Esto evita que el gas portador diluya la muestra y evita la expansión de la muestra antes de la inyección. Debido a la inyección de una sola etapa descrita anteriormente, los instrumentos de HS que utilizan muestreo de presión equilibrada dan como resultado una cromatografía con picos muy nítidos donde la repetibilidad del tiempo de retención y la repetibilidad del área de pico no tienen precedentes, lo que da como resultado un análisis fiable con un arrastre mínimo y una adsorción y volúmenes muertos reducidos.
Recursos:
  1. https://go.gale.com/ps/i.do?id=GALE%7CA95681934&sid=googleScholar&v=2.1&it=r&linkaccess=abs&issn=15275949&p=AONE&sw=w&userGroupName=anon%7E234d4d86 https://resources.perkinelmer.com/ corporativo/pdfs/descargas/gde_intro_to_headspace.pdf
  2. https://resources.perkinelmer.com/corporate/cmsresources/images/44-74443bro_gaschromaevolution.pdf
  3. https://resources.perkinelmer.com/lab-solutions/resources/docs/APP_ResidualSolventsPharmaUSP467.pdf
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