Compuestos orgánicos volátiles (COVs) y algunos compuestos orgánicos semi-volátiles (COSVs) más ligeros son las principales preocupaciones en la intrusión de vapor. Los métodos más utilizados para identificar y medir COVs y COSVs específicos en niveles bajos son la cromatografía gaseosa (CG) y la cromatografía gaseosa con espectrometría de masas (CG/MS). La CG es mejor para detectar compuestos en niveles bajos, mientras que la CG/MS es mejor para distinguir compuestos. Operar el CG/MS en modo de monitoreo selectivo de iones (SIM) nos da lo mejor de ambos mundos, hasta cierto punto. En este artículo, discutiremos el método SIM, sus ventajas y limitaciones.
Tal vez haya notado que a veces cuando derrama café o un jugo de colores intensos en una servilleta y la deja secar, su color se esparce y uno o más anillos de diferentes colores rodean la mancha. Esto es naturalmente una cromatografía. Lo que está viendo es que algunos de los químicos en la mancha migran a través de la servilleta más rápido que otros, y los químicos que migran rápidamente forman anillos alrededor de los otros constituyentes. Varios factores controlan la tasa de migración química, pero el principal es el peso molecular. Las moléculas ligeras generalmente migran más rápido que las pesadas.
Este fenómeno se emplea en el laboratorio para separar productos químicos mediante CG. Una pequeña muestra o extracto de muestra se inyecta en el extremo de un tubo largo y delgado conocido como columna (llamado así porque las columnas de CG anteriores consistían en cilindros verticales que se asemejaban vagamente a las columnas de la arquitectura griega clásica). La columna de CG moderna consiste en un tubo de cuarzo largo y delgado, enrollado en la parte posterior del CG.
El análisis comienza con una muestra de aire o líquido que se inyecta en la columna y se transporta al extremo de la columna con un flujo continuo de gas de arrastre, típicamente helio, nitrógeno o aire purificado. Minutos después, los constituyentes más ligeros, como la acetona, salen de la columna (eluyen) y son medidos por algún tipo de detector. En los siguientes minutos, los compuestos pesados llegan al detector, y sus concentraciones se miden y registran. A intervalos regulares, el operador ejecuta una mezcla de calibración con productos químicos conocidos a través del CG y mide tiempos de retención específicos para cada producto químico. Si la acetona en el estándar de calibración eluyó 3,27 segundos después de la inyección, los compuestos en muestras posteriores que eluyeron cerca de 3,27 segundos se consideran acetona.
Equipamento de cromatografia gasosa
(Esta imagen fue publicada en dominio público por su autor, Offnfopt, en la Wikipedia en inglés.)
El tiempo de retención difiere no solo entre compuestos, sino también entre instrumentos y entre enfoques analíticos. Si, por ejemplo, la tasa de flujo de gas portador cambia debido a ajustes en el controlador de flujo, o incluso debido a cambios de temperatura o presión barométrica, todos los productos químicos llegarán al detector más temprano o más tarde de lo contrario. Es por eso que el CG debe calibrarse con frecuencia.
Desafortunadamente, los productos químicos con tiempos de retención similares no pueden distinguirse con CG, por lo que necesitamos otra herramienta para diferenciarlos. El CG/MS es a menudo la herramienta más utilizada. En un CG/MS, cuando las moléculas de compuesto eluyen de la columna de CG, reciben una carga eléctrica extremadamente alta, que divide las moléculas en fragmentos conocidos como “iones”.
Los diseños varían, pero en la configuración CG/MS más común, los iones se lanzan a través de un vórtice eléctrico hacia el detector y en cualquier milisegundo, más o menos, solo una masa atómica llega al detector. Así, el CG/MS también distingue moléculas por el peso de los fragmentos iónicos. Por ejemplo, las moléculas enteras de tetracloroetileno (PCE) tienen una masa atómica de aproximadamente 166. Las moléculas de PCE que han perdido un ion de cloro tienen un peso molecular de 129 o 131. Las moléculas de PCE que han perdido dos átomos de cloro tienen un peso molecular de 94.
Las abundancias relativas de los fragmentos moleculares se registran de manera similar a la firma de un espectro, análoga a los colores de la luz refractada por un prisma. La computadora del sistema compara espectro por espectro con los patrones almacenados en su biblioteca, como se ilustra en el ejemplo del espectro de PCE a continuación. Si el patrón espectral y la tasa de retención coinciden con los del PCE, este se identifica como tal. Obviamente, todo esto requiere un sistema informático altamente robusto y rápido.
Espectro de masas del tetracloroetileno (PCE)
(Imagen del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) WebBook de Química)
IDesafortunadamente, la parte de MS del GC/MS solo detecta una masa atómica a la vez. Como consecuencia, durante la fracción de segundo que el sistema mide iones con una masa de 166, ignora todos los demás. Y mientras mide una masa de 165, ignora 164, 166, etc. Las masas atómicas descuidadas representan una muestra desperdiciada y, dado que un volumen de muestra más pequeño conduce a niveles más altos de informes, el GC/MS es inferior al GC para detectar productos químicos en bajas concentraciones.
Para superar esta limitación, el GC/MS alcanza bajos niveles de detección al enfocarse en algunos iones seleccionados, como en el caso del PCE, con un peso molecular de 166 y varios otros, ignorando así los demás. De ahí el término Monitoreo Selectivo de Iones (SIM).
Al concentrarse en un número limitado de masas iónicas, un GC/MS que opera en modo SIM descarta menos iones de interés y detecta compuestos seleccionados en concentraciones más bajas. Sin embargo, los iones de compuestos inesperados no se detectan. Por lo tanto, el análisis por SIM es útil en lugares donde se deben detectar en bajas concentraciones productos químicos conocidos o presumiblemente preocupantes. El SIM no es útil en sitios mal comprendidos donde podría estar presente cualquier cantidad de compuestos, y cualquiera de ellos podría ser motivo de preocupación.