Técnicas Electroanalíticas en Química Analítica

Métodos Electroanalíticos

Son aquellos que usan una técnica electroanalítica para el estudio de un analito mediante el potencial o la intensidad de corriente. Las técnicas electroanalíticas son aquellas que miden una propiedad eléctrica de una disolución que contiene el analito.

Variación Potencial Celda

• Potencial unión líquida: Aparece cuando se ponen en contacto disoluciones de distintos electrolitos o distinta concentración (gradientes de concentración y desigual movilidad).
• Caída óhmica: Potencial asociado a la resistencia eléctrica del sistema y que obedece la ley de Ohm. Esta es mayor cuanto mayor sea la resistencia o intensidad de corriente.
• Polarización: origen y efectos: La polarización es un fenómeno que produce desviaciones de la linealidad entre el potencial de celda y la intensidad de corriente. Se puede originar en un electrodo o en ambos, puede ocurrir por diversas causas:
  • Polarización por concentración (transferencia de masas)
  • Polarización por reacción (reacciones intermedias)
  • Polarización por transferencia de carga
  • Polarización por procesos físicos

Potenciometría

Técnica electroanalítica basada en la medida de la diferencia de potencial entre un electrodo sensible al analito (e indicador o cátodo) y un electrodo de potencial constante (E referencia o ánodo). Se aplica resistencia muy elevada empleando celda galvánica.

Electrodo de Referencia

Deben tener potencial reproducible y constante. Son carcasas con membrana porosa que se pone en contacto con la semicelda catódica. Puede ser de plata cloruro plata o de calomelanos saturado:

• Ag/AgCl: Carcasa de vidrio con membrana porosa que actúa como semicelda anódica y se conecta a la semicelda catódica. La membrana actúa de puente salino. El cartucho contiene disolución KCl y se conecta con un cable a un filamento de plata recubierto por AgCl.
• Calomelanos: Cable unido a hilo de platino dentro de tubo con Hg/Hg₂Cl₂ y KCl. Este cartucho se conecta por membrana a otro con KCl saturado. Este último cartucho tiene una membrana para conectarse con la semicelda catódica.

Electrodos Indicadores

Responden de forma rápida y reproducible a la actividad del analito.

• Electrodos metálicos: Generan potencial eléctrico en respuesta a una reacción redox sobre la superficie del electrodo. Pueden ser:
  1. 1 especie: Responden a la concentración del catión derivado del metal que forma el electrodo.
  2. 2 especie: Responden a la concentración de un anión o ligando que forme un precipitado o complejo de coordinación con el catión derivado del metal que forma el electrodo.
  3. 3 especie: Responden a la concentración de un catión diferente al derivado del metal que forma el electrodo.
  4. 4. Redox o inertes: Constituidos por metales inertes que no participan en el intercambio de electrones.
• Electrodos de membrana: Se genera un potencial eléctrico asociado a un potencial de unión líquida que se da en la membrana entre la disolución de medida y la de referencia (tienen gran selectividad). Pueden ser:
  • Electrodo de vidrio: La membrana es una pared de vidrio amorfo en contacto con la disolución de H⁺ de la disolución y Na⁺ del vidrio hidratado. Se genera un equilibrio de intercambio de iones que genera un gradiente de concentración.
  • Electrodo de membrana cristalina: Membrana de un único sólido inorgánico con huecos que permite la movilidad de los iones además de estar dopado con Eu²⁺. Se genera un potencial a cada lado de la membrana por el gradiente de concentración.
  • Electrodo de membrana líquida: Membrana polimérica orgánica hidrofóbica impregnada con disolución orgánica con el ion problema acomplejado con L orgánico y un contraión del ion problema. Consiste en una carcasa con disolución acuosa y electrodo de referencia y una disolución externa de naturaleza orgánica. Se genera diferencia de potencial por el gradiente de concentración.

Definición Operacional pH

La medida potenciométrica de pH es una técnica muy usual en la ciencia. Definir el pH en términos operacionales consiste en describir la manera en que se lleva a cabo la medida, se basa en la calibración directa del aparato medidor con disoluciones tampón patrones cuidadosamente establecidas seguida de la determinación potenciométrica del pH de las disoluciones desconocidas. Ecuación:

pH_u = pH_p - (E_u - E_p) / 0,0592

Adoptada en todo el mundo como definición operacional de pH.

Voltamperometría

La voltamperometría se trata de una técnica electroanalítica basada en la medida de la intensidad de corriente que circula al aplicar un barrido de potencial entre dos electrodos sumergidos en una disolución de analito (se provoca una reacción redox no espontánea). Consiste en un sistema con tres electrodos: electrodo de referencia, indicador y de trabajo.

Los electrodos de trabajo son de metales relativamente inertes. Estos electrodos se envenenan por la deposición de analito, debiendo pulirse.

Etapas Análisis Redisolución Catódica y Anódica

En ambos procedimientos primero se deposita el analito sobre un microelectrodo por electrolisis desde una disolución agitada. Una vez transcurrido un tiempo medido, se detiene y se determina el analito depositado, durante esta etapa se debe redisolver el analito. En la anódica el electrodo se comporta como cátodo en la deposición y ánodo en la redisolución, en la catódica al revés. Su ventaja es que cuentan con los límites de detección más bajos de todos los métodos voltamperométricos debido a la etapa de preconcentración.

Extracción Fase Sólida

Se utiliza la superficie de un sólido para retener el analito mediante una membrana líquida. El analito queda retenido y se separa del resto de la matriz. Posteriormente se eluye para obtener una disolución concentrada del analito. La técnica experimental consta de cuatro etapas:

1. Acondicionamiento: Dejar la muestra en un medio que asegure su retención, mediante una fase líquida acondicionadora. Se puede modificar la polaridad y el pH.
2. Sorción: Retención de los analitos mediante los mecanismos comentados anteriormente. La muestra se pasa a baja velocidad por la fase absorbente.
3. Lavado: Uso de pequeñas porciones del tampón de acondicionado para eluir restos de muestra que hayan quedado.
4. Elución: Se cambia la composición del eluyente para favorecer la elución de los analitos, cambiando pH, fuerza iónica... (se favorece la desorción de los analitos).

El paso de disoluciones a través de la fase sólida se consigue por succión a vacío, centrifugación o por presión positiva.

Relación con la Cromatografía

La extracción en fase sólida (SPE) se puede considerar una variante de la cromatografía líquida. La SPE es más simple, separando la muestra en dos fracciones, cuenta con eficacia baja y se utiliza para la preparación de muestras.

• Fases: Inversa - fase enlazada hidrofóbica. Fase normal - fase enlazada muy polar. Reparto HILIC - modo especial de fase normal que utiliza una fase estacionaria polar y una fase móvil polar y miscible con agua.

Métodos Separación Compuestos No Volátiles en Muestras Sólidas

• Extracción Soxhlet: La muestra se lixivia repetidas veces con disolvente destilado a temperatura inferior a la de ebullición. Son lentas, una sola muestra cada vez, no aptas para muestras pequeñas y de bajo coste.
• Extracción con sonicación: Muestra y disolvente se someten a agitación con ultrasonidos a temperaturas moderadas. Son lentas, elevado gasto de disolvente, varias muestras a la vez.
• Extracción líquida asistida con microondas: Muestra y disolvente sometidas a calentamiento con microondas en tubos PTFE a presión y temperaturas superiores al punto de ebullición. Rápida, varias muestras a la vez y coste moderado.
• Extracción líquida presurizada: Muestra y disolvente se someten a calentamiento convencional en tubos de acero a presión y temperatura superiores al punto de ebullición, son rápidas, se pueden programar pero el coste del aparato es elevado.
• Extracción con fluidos supercríticos: La muestra se somete a calentamiento convencional en recipiente cerrado a temperatura y presión superiores al punto crítico del disolvente. Muy rápida, programable para extracciones secuenciales, coste elevado.

Ecuación Velocidad Teoría Dinámica

La teoría de van Deemter explica la cromatografía con un modelo dinámico basado en la difusión.

• Para cromatografía de gases (GC): H = A + B/u + C*u
• Para cromatografía líquida (HPLC): H = A + B/u + (C_m + C_s)*u

Donde:

• Término A: Diferencias de velocidad. Se explica por la diferencia entre las velocidades de fase móvil en canales de distinta amplitud entre las partículas de relleno y por la diferencia de velocidad entre el centro y los lados.
• Término B/u: La difusión molecular longitudinal. Flujo de soluto de las zonas de mayor concentración hacia las de menor. Zonas ocupadas por soluto se ensanchan de forma directamente proporcional al tiempo. Esta contribución es inversamente proporcional a la velocidad lineal de la fase móvil.
• Término C: Retraso en la transferencia de masa del soluto. Debido a la lentitud de las transferencias de masa del soluto entre ambas fases. Cuanto mayor es la velocidad de la fase móvil mayor es el ensanchamiento producido por el retraso.

Existen factores responsables de la amplitud de la banda:

• Difusión remolino: Moléculas atraviesan la columna por caminos independientes a la velocidad de la fase móvil.
• Difusión longitudinal: Varía inversamente con la velocidad de la fase móvil y por la resistencia a la transferencia de masa.

Técnicas Inyección GC

• Inyección con división de flujo: La muestra se volatiliza en una cánula. Solo una fracción de los vapores entra en la columna, el resto se desecha por derivación. De esta forma se eliminan las colas que hacen perder eficacia.
• Inyección sin división de flujo: Casi todo el vapor se introduce en la columna, al tener cerrada siempre la derivación. Se deja perder un poco de muestra por la purga para eliminar los últimos restos de esta.
• Inyección directa: Uso de aguja más grande y sin cánula. La muestra se volatiliza en la columna evitando discriminación por masas, pero tiene el riesgo de estropear esta. No se aplica a columnas capilares.

Análisis Cualitativo en GC: Características

1. Detectores sin y con barrido de una variable: Detectores con capacidad para barrer una variable, capaces de dar cientos de valores de la misma durante la elución. Son el detector MS y el infrarrojo. Para detectores sin barrido se basan en la comparación con tiempos de retención de los patrones.
2. Técnicas de identificación con detector no espectral:
   • Añadir patrones a la muestra: Comparar el tiempo de retención con el del patrón, si son idénticos se solaparán y aumentará el área.
   • Utilizar diagramas log k vs número de C: Las interacciones entre fase estacionaria y analitos aumentan a medida que aumenta el número de carbonos, el tiempo de retención aumenta.
   • Diagramas con datos de dos columnas: Identificación más segura.
   • Índices de Kovats: Útiles para compuestos naturales, se usa el tiempo de retención para comparar con los datos bibliográficos y la información espectral.

Detectores

• Ionización en llama (FID): Más usados, usa N₂ como gas portador, que se mezcla con pequeñas porciones de H₂ y aire para mantener una llama estable que arde dentro de un anillo conectado a potencial de tierra. La punta del mechero está conectada a alto potencial, y en ausencia de portadores de carga la corriente es 0. La sensibilidad del FID es proporcional al número de átomos de C oxidables, lo que proporciona límites de detección muy bajos, y cuenta con intervalo lineal muy amplio, pero es un detector destructivo.
• NPD: Modificación del FID por la inserción de una perla de silicato de rubidio o cesio que cataliza la descomposición de compuestos de fósforo o nitrógeno con gran sensibilidad.
• FPD: Selectivo para compuestos de fósforo y azufre, se mide la radiación emitida por la llama a 526 o 394 nm.
• ECD: El gas que procede de la columna pasa antes por una zona con electrones de alta energía. El gas se ioniza y pasa por un electrodo que recoge la corriente debida a los electrones.

Sistemas Detección Cromatografía Iónica, Supresión Iónica y Ventajas

En ocasiones el ruido de fondo del detector es alto, lo que causa que no puedan alcanzarse los límites de detección requeridos. Se soluciona con la supresión iónica, que elimina la conductividad del eluato, al mismo tiempo que exalta la conductividad debida a los analitos. Se trata de una columna auxiliar que se intercala entre la salida de la columna analítica y el detector.

Ventajas:

• Mejor sensibilidad
• Compatibilidad con gradiente de elución
• Reducción de la conductividad de fondo del eluato

Mezclas Isoelutropicas

Mezclas que son posibles para cualquier valor dado de fuerza eluyente (S_m). Se hace uso de distintos disolventes modificando la selectividad sin cambiar la fuerza eluyente gracias a los valores de la tabla de Hildebrand.

CG-MS

La cromatografía de gases (CG) es conocida por su elevada capacidad de separación de especies volátiles, mientras que la espectrometría de masas (MS) permite obtener información detallada de una molécula. Estas dos técnicas se pueden acoplar alcanzando una gran seguridad en las identificaciones. Ambas trabajan en fase gaseosa y emplean cantidades de muestra del orden de ng-pg pero la salida de la muestra de la columna cromatográfica es a presión atmosférica mientras que la entrada al analizador MS es a alto vacío. El gas portador juega un papel fundamental en la viabilidad de la hibridación de estas dos técnicas.

La espectroscopia de masas (MS) es una técnica donde los compuestos en estado gaseoso e ionizados se separan en un campo magnético por su relación masa/carga (m/z). La ionización puede ser electrónica (bombardeando la muestra con electrones) o química mediante energía de ionización y estos impactan sobre las moléculas eluidas.

Analizador

Parte del espectrómetro de masas donde tiene lugar la separación de los iones en relación m/z para hacerlos llegar al detector de manera ordenada. Tiene que poder hacer barridos de m/z de forma muy rápida y separar los iones con al menos 1 unidad de m/z. Hay 6 tipos:

1. Cuadrupolo: 4 barras metálicas (2/2) paralelas entre las que se aplica una diferencia de potencial de forma que solo llegan al detector los iones que satisfacen dicha diferencia de potencial.
2. Triple cuadrupolo: 3 cuadrupolos conectados. El primero selecciona un ion que pasa al segundo donde se generan iones producto con gas colisionador que pasan al tercero donde se hace el barrido.
3. Trampa iónica: 3 electrodos, dos en forma de copa enfrentados y un tercero situado en medio de estos dos en forma de anillo formando un habitáculo. Los iones quedan atrapados en un potencial, al variar la frecuencia se inestabilizan los iones sensibles y salen.
4. Tiempos de vuelo: Miden el tiempo que invierte un ion en recorrer una distancia determinada cuando se acelera al aplicar una diferencia de potencial.
5. De sector magnético: Los iones son acelerados al aplicar una diferencia de potencial pero pasan por conducción con determinado radio de curvatura en presencia de un campo magnético (surge fuerza magnética = fuerza centrípeta, elevada resolución m/z).

Mejorar Eficiencia Columna CG

Se puede aumentar la eficacia global alargando la columna. Mejorar la eficacia por unidad de longitud disminuyendo el diámetro de la columna, o con fase estacionaria de menor espesor.

En cromatografía líquida (CL) se puede alargar la columna, reducir el diámetro interno (reduce B van Deemter) o reducir el espesor de la fase estacionaria (reduce C van Deemter) o buscar una fase estacionaria más selectiva.

Influencia pH Extracción

La extracción de compuestos potencialmente ionizables depende de si están ionizados o en su forma neutra. El aumento de la fuerza iónica permite la mejor extracción a la fase orgánica de compuestos apolares. La temperatura altera a la K_p o la K_d si esta afecta a la solubilidad.

MS-LC

: estas dos tecnicas no son acoplables ya que MS opera en fase gas, T altas y a vacio en cambio la LC trabaja en fase liquida y a p y t ambnt.