DETERMINACIÓN CUANTITATIVA DE TOLUENO EN UNA MUESTRA PROBLEMA MEDIANTE CGS–MSD

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

DETERMINACIÓN CUANTITATIVA DE TOLUENO EN UNA MUESTRA PROBLEMA MEDIANTE CG-MSD

Módulo: ANÁLISIS INSTRUMENTAL

Laboratorio: Laboratorio de Análisis Instrumental

Tema: CROMATOGRAFÍA DE GASESESPECTROMETRÍA DE MASAS Duración: 6 horas

Contenido OBJETIVO..........................................................................................................................................................2 PROCEDIMIENTO .............................................................................................................................................2 RESULTADOS ....................................................................................................................................................9 OBSERVACIONES ........................................................................................................................................... 12

Mariano Pazos Afonso y Aurora Criado Montero

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OBJETIVO El objetivo de la práctica es familiarizarse con el funcionamiento del cromatógrafo de gasesespectrómetro de masas (CG-MSD), y para ello se va a cuantificar tolueno en una muestra problema por el método del patrón interno.

PROCEDIMIENTO 1. Se enciende el CG-MSD. ▫ ▫ ▫

Se abre la llave del Helio Se pulsan los botones ON/OFF del cromatógrafo de gases y del espectrómetro de masas Se enciende el ordenador

En este momento comienza a actuar la bomba y tarda entre 30 minutos y 24 horas en hacer el vacío en el espectrómetro de masas, dependiendo del tiempo que haya estado parado el aparato.

2. Preparación de los patrones Se preparan disoluciones intermedias de tolueno y de etilbenceno de concentración 200 ppm.

A partir de estas disoluciones se preparan los patrones en matraces de 2 mL, utilizando etilbenceno como patrón interno y pentano como disolvente, de la siguiente manera: VDis.Tolueno (µL) 20 40 60 80 100

VDis.Etilbenceno (µL) 40 40 40 40 40

[Tolueno] (ppm)

[Etilbenceno] (ppm)

2 4 6 8 10

4 4 4 4 4

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3. Construcción de la recta de calibrado En el ordenador se abre el software MassHunter Data Acquisition y se carga el método que se ha desarrollado para esta práctica.

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Las condiciones instrumentales optimizadas son las siguientes: Parámetros del CG Gas portador

Helio

Modo de inyección

Split (50:1)

Tª inyector

225 oC

Columna Flujo en la columna

Agilent HP-5MS 5% Phenyl-95% Methylsiloxane (30 m x 0.25 mm x 0.25 μm) 1 mL/min

Rampa de Tª en horno

(50 oC, 1 min) -------> (100 oC, 3 min); 30 oC/min

Tiempo total

5,67 minutos

Parámetros del MSD Tª línea de transferencia

280 oC

Solvent Delay*

1,80 minutos

Tª fuente de ionización

230 oC

Modo de funcionamiento del cuadrupolo Tª cuadrupolo

SCAN (50-300 u) 150 oC

*Solvent delay: tiempo durante el cual el detector de masas (MSD) no está funcionando, mientras el solvente eluye de la columna. Se usa para alargar la vida del filamento de la fuente de ionización.

Con una microjeringa se inyecta un volumen de 1 µL de cada patrón en el CG-MSD. Durante la separación cromatográfica se puede observar cómo van apareciendo el cromatograma y el espectro global de masas en la pantalla:

En el cromatograma se observan dos picos: el correspondiente al tolueno y el del etilbenceno.

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Teniendo en cuenta que esta muestra es muy simple, ya que sólo tiene estos dos componentes, y que la columna utilizada es apolar, podemos decir que el primer compuesto en eluir será el más polar, y como ambos compuestos forman parte de la misma serie homóloga y sólo se diferencian en un grupo metileno, el primer pico corresponde al tolueno y el segundo al etilbenceno.

De cualquier forma, ya que el cromatógrafo de gases está acoplado con un espectrómetro de masas, es posible identificar cada componente mediante los espectros de masas obtenidos, para lo cual se debe abrir el software MassHunter Qualitative Analysis (MQA):

-

Se abre el archivo correspondiente a uno de los patrones, por ejemplo:

-

Con el puntero se selecciona un pico cromatográfico →click derecho: Integrate and Extract Peak Spectra

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La pantalla muestra 3 zonas principales:

-

Con el puntero se selecciona un espectro de masas →click derecho: Search using NIST MS Program

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-

Se abre entonces la librería y se muestra el nombre y estructura química del compuesto que con más probabilidades presentaría este espectro de masas:

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Con el software MassHunter Qualitative Analysis (MQA) tomaremos los valores de las áreas y tiempos de retención del tolueno y del etilbenceno en cada una de las disoluciones patrón, y rellenaremos la siguiente tabla:

Patrón 1 Patrón 2 Patrón 3 Patrón 4 Patrón 5

[tolueno] (ppm)

ÁreaT (tolueno)

tR

[etilbenceno] (ppm)

ÁreaEB (etilbenceno)

tR

[T]/[EB]

AT/AEB

Con estos datos se construye la recta de calibrado, mediante la representación del “área del tolueno/área del etilbenceno” frente a “concentración del tolueno/concentración del etilbenceno”.

4. Cuantificación del tolueno Con la muestra problema se preparan tres diluciones diferentes de tal manera que la relación de áreas encaje en la recta de calibrado. De esta forma tendremos M1, M2 y M3.

A cada dilución se le añade la misma concentración de patrón interno, etilbenceno, que la de los patrones (4 ppm) y, de forma similar a cómo se hizo con los patrones, se inyectan 1 µL de cada una en el CG-MSD.

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En el cromatograma obtenido, pueden aparecer otros picos correspondientes a otros compuestos presentes en la muestra problema, por lo que comprobamos con el tiempo de retención cuáles son los picos correspondientes al tolueno y al etilbenceno, y tomamos los datos para completar la tabla del apartado anterior.

Con la ecuación de la recta de calibrado y teniendo en cuenta los factores de dilución, se calcula entonces la concentración del tolueno en la muestra problema.

RESULTADOS Los cromatogramas de las 5 disoluciones patrón fueron los siguientes:

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Los tiempos de retención y áreas de los patrones se recogen en la siguiente tabla:

Patrón 1 Patrón 2 Patrón 3 Patrón 4 Patrón 5

[tolueno] (ppm) 2 4 6 8 10

ÁreaT (tolueno) 225280,30 346594,77 553478,40 601896,25 700495,17

tR

2,678 2,673 2,684 2,678 2,69

[etilbenceno] (ppm) 4 4 4 4 4

ÁreaEB (etilbenceno) 510514,00 545545,42 698886,61 653490,92 433663,49

tR

3,383 3,377 3,389 3,383 3,383

[T]/[EB] 0,5 1 1,5 2 2,5

AT/AEB

0,4412813 0,6353179 0,7919431 0,9210476 1,6152966

Desechamos el último punto, porque se aleja mucho de la recta.

La recta de calibrado obtenida con los otros 4 puntos es la siguiente:

Recta de calibrado: (AT / AEB) = 0,3192 x ([T] / [EB]) + 0,2984 Por otra parte, como la muestra está muy concentrada, se prepara una dilución intermedia de la muestra problema de la siguiente manera: 125 µL de muestra problema en un matraz aforado de 25 mL. A partir de esta, se preparan 3 diluciones, en matraces aforados de 2 mL, utilizando etilbenceno como patrón interno y pentano como disolvente, de la siguiente manera: Muestra M1 M2 M3

VDil.MP (µL) 10 20 30

VDis.Etilbenceno (µL) 40 40 40

[Etilbenceno] (ppm) 4 4 4

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En los cromatogramas obtenidos con M1, M2 y M3 se pueden observar que aparecen otros picos correspondientes a otros compuestos presentes en la muestra problema:

Por lo que se comprueba con los tiempos de retención cuáles son los picos correspondientes al tolueno y al etilbenceno, y se anotan las áreas de cada pico.

Con estos datos y la ecuación de la recta de calibrado, se calcula la concentración de tolueno en cada muestra: (AT / AEB) = 0,3192 x ([T] / [EB]) + 0,2984 [T] / [EB] = [(AT / AEB)-0,2984]/0,3192

VDil.MP (µL) M1

10

[EB] (ppm)

ÁreaT

ÁreaEB

4

10038,05

22884,56

M2

20

4

13219,54

23038,35

M3

30

4

16356,45

22484,43

AT/AEB

0,4386385 0,5738058 0,7274567

[T] / [EB]

0,4393438 0,8628003 1,3441627

[T]Muestras (ppm)

1,7573752 3,4512011 5,3766508

(Vmatraz= 2 mL)

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Se calcula entonces la concentración de tolueno en la muestra problema de la siguiente manera: [T]dil.MP = [T]Muestras x (2000/VDil.MP) [T] MP = [T]dil.MP x (25/0,125)

VDil.MP (µL) M1

10

M2

20

M3

30

[T]Muestras (ppm)

1,7573752 3,4512011 5,3766508

[T]dil MP (ppm)

351,475039 345,120113 358,443386 Valor medio [T]

[T]MP (ppm)

70295,0 69024,0 71688,7

70335,9

La concentración de tolueno en la muestra problema es de 70,34 g/L de tolueno.

Sabiendo que la muestra tiene aproximadamente 2 mL de tolueno en 25 mL de pentano, podemos concluir que el error relativo sería de aproximadamente el 1,5%.

OBSERVACIONES ▫

El patrón interno ha de ser un compuesto de naturaleza similar al analito a determinar, pero que no esté presente en la muestra. Se añade tanto a los patrones como a la muestra problema. En este caso utilizamos etilbenceno.

▫

Se debe inyectar el mismo volumen en el cromatógrafo de cada una de las disoluciones patrón, así como de la disolución problema.

▫

Para el análisis cuantitativo de compuestos conocidos es preferible que el modo de funcionamiento del Detector de Masas sea SIM (Selected Ion Monitoring). Consiste en una monitorización selectiva de iones característicos de los compuestos presentes en la muestra. En este modo el MSD es un detector muy sensible y muy selectivo.

El modo SCAN consiste en hacer barridos entre dos masas para tener una información total del contenido de la muestra a analizar. Es el modo a emplear en análisis cualitativo para la identificación de compuestos por búsqueda en biblioteca de espectros, aunque también puede utilizarse para análisis cuantitativos.

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Por motivos pedagógicos se ha elegido el modo SCAN, para que los alumnos pudieran comprobar como en la muestra problema pueden aparecer más picos, y que deben fijarse únicamente en los que tienen similar tiempo de retención al del tolueno y etilbenceno. ▫

También por motivos pedagógicos, aunque el software del CG-MSD tiene un programa específico para hacer análisis cuantitativo (MassHunter Quantitative Analysis), es preferible que los alumnos trabajen con la hoja de cálculo Excel.

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