Fundamentos Esenciales de la Química Analítica: Métodos de Separación y Caracterización Instrumental

Parámetros de Calidad en Química Analítica

• Límite de Detección (LOD): $3 \cdot S/N$. Es la respuesta que se diferencia del ruido, representando la mínima cantidad de analito medible.
• Límite de Cuantificación (LOQ): $10 \cdot S/N$. Es la mínima cantidad que puede cuantificarse con precisión.
• Sensibilidad: Pequeña diferencia en la concentración del analito. Se relaciona con la pendiente de la curva de calibración (recta).
• Selectividad: Capacidad para distinguir el analito de interés entre las interferencias presentes en la matriz.
• Precisión: Se define mediante el intervalo de confianza.
• Error Aleatorio: Variación por encima o por debajo de la media (sigue una distribución gaussiana).

Técnicas de Extracción y Separación

Extracción

• Extracción Líquido-Líquido (LLE): Utiliza líquidos inmiscibles. Implica la separación de fases con extracción en continuo, calentando suavemente el disolvente.
• Extracción Sólido-Líquido (SLE): Aplicada a sólidos. Se utiliza un disolvente en ebullición y evaporación suave (ejemplo: método Soxhlet).

Cromatografía

• Cromatografía en Capa Fina (TLC): Basada en la retención y elución. La separación ocurre por capilaridad y diferencia de velocidades. El factor de retardo se calcula como: $R_F = D_A / D_S$.
• Cromatografía en Columna: Retención y elución por la diferencia de interacción entre una fase sólida y otra líquida. Se añade Fase Móvil (FM) continuamente. La Cromatografía Flash utiliza presión positiva.
• Espacio de Cabeza (HS) Equilibrio/Estático: Generación de vapor (ejemplo: SPME).

Extracción con Fluidos Supercríticos (SFE) y Asistida por Microondas (MAE)

Extracción con Fluidos Supercríticos (SFE)

La densidad ($d$) del fluido supercrítico se relaciona con la presión ($P$) y la temperatura ($T$):

• A $T$ constante: Aumento de $P$ implica aumento de $d$.
• A $P$ constante: Aumento de $T$ implica aumento de $d$.

A presiones altas, el aumento de $T$ produce un aumento de la solubilidad (debido a la mayor volatilidad del soluto). La solubilidad depende de la solvatación y de la presión de vapor del soluto.

La Difusividad disminuye cuando aumenta $P$, y la difusividad aumenta cuando aumenta $T$.

Modificadores: Solvente orgánico (ej. etanol) que se añade a la SFE para aumentar la polaridad del fluido.

Extracción Asistida por Microondas (MAE)

A mayor constante dieléctrica, mayor absorción de energía. Se utilizan radiaciones de alta energía: longitud de onda corta y frecuencias de oscilaciones altas.

Interacción de la Radiación Electromagnética con la Materia

• Luz Ultravioleta (UV, 200-400 nm): Rompe enlaces covalentes e ioniza moléculas. Produce radiación visible (luminiscencia) y calor. Implica la transición de electrones de niveles bajos a altos.
• Luz Visible (Vis, 400-780 nm): Transición de estado básico a excitado (base de la colorimetría).
• Radiación Infrarroja (IR): Produce vibración y calentamiento del medio, así como rotación molecular.
• Microondas: Produce rotación molecular y calentamiento por fricción. Está limitada a radicales libres y moléculas polares (se relaciona con el espín electrónico).
• Ondas de Radio: La materia orgánica no absorbe esta radiación (base de la Resonancia Magnética Nuclear, RMN).

: Ecuaciones Fundamentales de la Cromatografía

Factor de Retención ($k'$):

$$k' = \frac{t_r - t_m}{t_m}$$ $$k' = \frac{\text{masa soluto en Fase Estacionaria}}{\text{masa soluto en Fase Móvil}} = \frac{V_{FM}}{V_{FE}}$$

Coeficiente de Distribución ($K_c$):

$$K_c = \frac{[A]_s}{[A]_m}$$

Selectividad ($\alpha$):

$$\alpha = \frac{t'_{r2}}{t'_{r1}} = \frac{k'_2}{k'_1}$$ $$\alpha_{1,2} = \frac{P_{o1}}{P_{o2}}$$

Número de Platos Teóricos ($N$):

$$N = 16 \left( \frac{t_r}{w_b} \right)^2$$

Altura Equivalente de Plato Teórico ($H$):

$$H = \frac{L}{N}$$

Resolución ($R$):

$$R = \frac{2(t_{r2} - t_{r1})}{w_{b2} + w_{b1}}$$

Ecuación de Van Deemter:

$$H = A + \frac{B}{u} + C \cdot u$$

Ecuación de Golay:

$$H = \frac{B}{u} + (C_m + C_s) \cdot u$$

Electroforesis Capilar (EC)

La Electroforesis separa las especies basándose en la diferencia de movilidad o velocidad de migración ($V$), que está relacionada con la razón carga/masa ($C/M$) de la especie.

Movilidad y Campo Eléctrico

• Velocidad de Migración ($V$): $V = \mu_e \cdot E$.
• Movilidad Electroforética ($\mu_e$): Es proporcional a la carga iónica e inversamente proporcional a los factores de retardo por fricción. Es independiente para cada ion.
• Campo Eléctrico ($E$): Voltaje aplicado por unidad de longitud ($V/m$). Es proporcional al voltaje ($V$) e inversamente proporcional a la longitud ($L$). $E = V/L$.

A mayor $E$, mayor $V$ de migración y mayor Intensidad, lo que aumenta el Calentamiento de Joule ($Q$). El campo eléctrico ($E$) es el mismo para todos los iones.

Efecto de Carga y Tamaño

• Dos moléculas de misma carga pero diferente tamaño: La más pequeña migra antes (menor fricción y mayor $V$).
• Mismo tamaño: A mayor carga ($+C$), mayor fuerza impulsora y mayor $V$.

A mayor voltaje ($V$), mayor número de platos ($N$), lo que mejora la resolución, pero aumenta el calentamiento de Joule ($Q$).

La Electroforesis Capilar, al tener un diámetro pequeño ($d$), evita el gradiente de temperatura y permite una mejor disipación del calor.

Fenómenos de Flujo

• Electroósmosis (EOF): Flujo que dirige a todos los iones hacia el cátodo (polo negativo). Ocurre en capilares de sílice fundida con pared cargada negativamente, formando una capa difusa.
• Velocidad Total ($V_t$): La velocidad de migración es la suma de la velocidad electroosmótica y la electroforética: $V_t = V_{ ext{electroos}} + V_{ ext{electrofor}}$.
• Velocidad de Electroósmosis: Es generalmente mayor que la electromigración: $V = (\mu_e + \mu_{ ext{eo}}) \cdot E$.
• Electromigración (Flujo Electroforético): Movimiento natural de los iones debido al campo eléctrico.

Modos de Separación

• Electroforesis Capilar en Zona (CZE): Separa iones basándose en la razón Carga/Masa ($C/M$). Puede haber fenómenos de adsorción.
• Isoelectroenfoque (IEF): Técnica utilizada para separar especies anfotéricas, como las proteínas.