Cromatografía de gases: instrumentación. Utilización de la cromatografía de gases en el análisis de agua
En la cromatografía de gases (GC) la fase móvil es un gas inerte (gas portador) que arrastra los componentes de la muestra, en fase vapor, a través de una columna que contiene la fase estacionaria; los componentes se separan por sus interacciones físicas con ella y se detectan a la salida. Permite identificar y cuantificar cantidades mínimas (trazas) de compuestos orgánicos y alcanza una alta resolución en mezclas complejas, por lo que es básica en el control de contaminantes orgánicos del agua.
1. Conceptos básicos
| Técnica | Fase estacionaria | Equilibrio |
|---|---|---|
| Gas-líquido | Líquido adsorbido sobre un sólido inerte o que recubre las paredes de una columna capilar | Distribución (reparto) entre gas y líquido |
| Gas-sólido | Sólido | Adsorción |
Requisitos de los analitos: deben ser volátiles y térmicamente estables. Por ello el campo de aplicación se limita a compuestos orgánicos volátiles y organometálicos volátiles, de polaridad baja o media; si los analitos no son volátiles se recurre a reacciones de derivatización. Los compuestos inyectados se vaporizan y avanzan a velocidades diferentes según sus coeficientes de reparto entre las fases.
2. Instrumentación
Un cromatógrafo de gases consta de: suministro de gas portador → sistema de inyección (puerto con septum de silicona) → columna dentro de un horno → detector → ordenador de adquisición y tratamiento de datos.
2.1. Gas portador
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Transporta los compuestos a través de la columna; debe ser químicamente inerte, puro (99,99 %) y seco.
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El más empleado es el helio; también se usan hidrógeno y nitrógeno.
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Caudales habituales: 25-150 mL/min en columnas de relleno y 0,5-4 mL/min en columnas capilares.
2.2. Sistema de inyección
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Con división de flujo (split): solo una fracción de la muestra inyectada entra en la columna y el resto va a venteo; la muestra se evapora en una camisa de vidrio silanizado con cámara de mezcla.
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Sin división de flujo (splitless): el volumen total inyectado va a la columna (la camisa de vidrio no tiene cámara de mezcla).
2.3. Columnas
| Tipo | Características |
|---|---|
| De relleno | Sólido soporte recubierto con la fase estacionaria líquida |
| Capilares | Longitud de 10 a 75 m, diámetro interno de 0,1 a 0,53 mm y película de fase estacionaria de 0,1 a 5 μm de espesor; la fase puede ser líquida (recubriendo la pared) o sólida |
Fases estacionarias, de menor a mayor polaridad: polisiloxanos no polares (dimetilpolisiloxano), de polaridad intermedia (difenil-dimetilpolisiloxano, cianopropilfenil-dimetilpolisiloxano) y de polaridad muy alta (Carbowax, polietilenglicol; biscianopropil-cianopropilfenilpolisiloxano). Cada una tiene su intervalo de temperatura de uso.
Factores que afectan a la eficiencia de una columna capilar: naturaleza de la fase estacionaria; dimensiones (longitud, diámetro y espesor de fase); temperatura; velocidad del gas portador; cantidad de muestra inyectada.
2.4. Horno y programa de temperatura
La columna se aloja en un horno. En una separación isoterma pueden coeluir los compuestos ligeros mientras los pesados tardan demasiado; con un programa de temperatura se resuelve: por ejemplo, 16 hidrocarburos de C5 a C21 que a 150 °C isotermos no eluían en 95 minutos se separan en menos de 40 minutos programando de 50 a 250 °C a 8 °C/min.
2.5. Detectores
Requisitos de un detector ideal: adecuada sensibilidad, buena estabilidad y reproducibilidad y respuesta lineal en varios órdenes de magnitud (necesarios); intervalo de temperatura de 25 a 400 °C, respuesta rápida e independiente del caudal, manejo sencillo y carácter no destructivo (deseables). Ningún detector cumple todas a la vez.
| Detector | Principio | Límite de detección | Intervalo lineal | Destructivo |
|---|---|---|---|---|
| Ionización de llama (FID) | Ionización de las moléculas orgánicas en una llama de hidrógeno y aire (CH + O → CHO⁺ + e⁻); un colector recoge los iones | 2 pg/s | > 10⁷ | Sí |
| Conductividad térmica (TCD) | Filamento (Au, Pt o W) que responde a la conductividad térmica del gas que sale de la columna | 400 pg/mL (propano) | > 10⁵ | No |
| Captura de electrones (ECD) | Fuente emisora de partículas β entre dos electrodos; alta sensibilidad para compuestos con grupos electronegativos | 5 fg/s | 10⁴ | No |
| Espectrómetro de masas (MS) | Cámara de ionización, analizador y multiplicador de electrones, a alto vacío; alta selectividad (detección de iones o reacciones seleccionadas) | 25 fg a 100 pg | 10⁵ | Sí |
| Fotometría de llama | Selectivo para fósforo y azufre | < 1 pg/s (P); < 10 pg/s (S) | > 10⁴ (P); > 10³ (S) | Sí |
| Nitrógeno-fósforo | Selectivo para N y P | 100 fg/s | 10⁵ | Sí |
En el acoplamiento GC/MS, el gas que sale del cromatógrafo pasa al espectrómetro por una interfaz; en la cámara de ionización un haz de electrones ioniza y fragmenta las moléculas, un analizador separa los iones por su masa (las configuraciones más comunes son la tetrapolar —cuadrupolo— y la de atrapamiento de iones) y un detector los registra. Existen equipos de alta resolución (sector magnético) para compuestos orgánicos a nivel de ultratrazas (femtogramo-picogramo).
2.6. Introducción de muestras acuosas
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Purga y atrapamiento (purge-and-trap): se hace burbujear un gas de purga a través del agua a temperatura ambiente; los compuestos orgánicos purgables pasan a la fase vapor y se retienen en una trampa fría, que después se calienta y se purga a contracorriente para enviarlos a la columna. Puede combinarse con GC/MS.
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Espacio de cabeza (headspace) acoplado a GC/MS.
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Extracción líquido-líquido e inyección acuosa directa.
3. Utilización de la cromatografía de gases en el análisis de agua
La GC permite separar, identificar y cuantificar en una sola operación mezclas de sustancias de estructuras similares. En el agua de consumo se aplica a los compuestos orgánicos regulados por el RD 3/2023, con detectores ECD, FID, de fotoionización o MS según el analito:
| Compuesto o grupo | Técnica y límite de detección (OMS) | Valor paramétrico RD 3/2023 |
|---|---|---|
| Trihalometanos (cloroformo, bromoformo, bromodiclorometano, dibromoclorometano) | 0,1-0,2 μg/L mediante purga y atrapamiento, extracción líquido-líquido o inyección acuosa directa con sistema cromatográfico; 0,1 μg/L por GC-ECD; 2,2 μg/L por GC/MS | Σ4 THM: 100 μg/L |
| Tetracloroeteno | 0,2 μg/L por GC-ECD; 4,1 μg/L por GC/MS | Σ tricloroeteno + tetracloroeteno: 10 μg/L |
| Tricloroeteno | 0,01-3,0 μg/L por GC capilar con purga y atrapamiento y detectores de fotoionización, o de fotoionización y ECD en serie | (ídem) |
| 1,2-Dicloroetano | 0,06-2,8 μg/L por GC/MS; 5 μg/L por GC-FID; 0,03 μg/L con detector de fotoionización | 3,0 μg/L |
| Benceno | 0,2 μg/L por GC con detección de fotoionización y confirmación por MS | 1,0 μg/L |
| Cloruro de vinilo | 0,01 μg/L por GC con ECD o FID, con MS para la confirmación | 0,50 μg/L |
| Plaguicidas (p. ej., atrazina) | 0,01 μg/L por GC/MS (atrazina); simazina 0,01 μg/L por GC/MS | Individual: 0,10 μg/L; totales: 0,50 μg/L |
| Hidrocarburos aromáticos policíclicos | 0,01 μg/L por GC/MS (también HPLC con fluorescencia) | Σ4 HPA: 0,10 μg/L |
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Los trihalometanos figuran entre los subproductos de la desinfección cuya capacidad de detección analítica recoge la OMS, junto con otros como el 2,4,6-triclorofenol.
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Para compuestos purgables, como los trihalometanos o el tricloroeteno, la OMS recoge métodos de purga y atrapamiento con columna capilar.
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Entre los detectores, el ECD destaca por su sensibilidad para compuestos con grupos electronegativos y el MS, por su alta selectividad y su uso para la confirmación de la identidad.
Fuentes: Universidad de Murcia (OCW), Análisis Químico, tema 18 «Cromatografía de gases» (https://www.um.es/web/innovacion/plataformas/ocw/listado-de-cursos/analisis-quimico-2012-/material-de-clase); OMS, Guías para la calidad del agua potable, 3.ª ed., primer apéndice, apartados 8.3 y 12 (https://sswm.info/sites/default/files/reference_attachments/OMS%202006.%20Gu%C3%ADa%20para%20la%20calidad%20dl%20agua%20potable.pdf); Universidade da Coruña, SAI, Unidad de Técnicas Cromatográficas (https://www.sai.udc.es/es/unidades/UTC); Real Decreto 3/2023, anexo I (https://www.boe.es/buscar/act.php?id=BOE-A-2023-628). Consultadas el 07/10/2026.