Desenmascarando a fondo la cromatografía

Profundicemos en la técnica de la cromatografía, si os parece bien. Bajo este nombre se integran el conjunto de técnicas para separar, identificar y determinar los componentes de mezclas complejas. Además del experimento de separar las tintas de un rotulador con una tiza y agua; igual has tenido la experiencia de manchar el mantel de fiesta con vino. Si encima ya te pones nervioso del todo y derramas tu copa de agua, podrás ver que la mancha no se queda quieta: según avanza el agua se va corriendo por el mantel en distintos componentes. Ya tienes dos ejemplos caseros de mezclas complejas.

Poniéndonos más técnicos, la tiza y el mantel en los casos anteriores son la fase estacionaria, y el agua la fase móvil, de manera que se hacen pasar los componentes de nuestra mezcla a través de una fase estacionaria mediante la fase móvil (que no solo es líquida, también existe la cromatografía de gases), separándose los analitos en función de su distinta velocidad de migración: y es que los componentes del vino o de la tinta interaccionan de distinta forma con la tiza/mantel y por eso algunos se desplazan más y otros menos. A nivel atómico, lo que está ocurriendo es muchísimas transferencias entre la fase móvil y la fase estacionaria, y el tiempo que estarán en una u otra dependerá de las interacciones moleculares con cada una.

La elución consiste en el desplazamiento de los solutos (componentes de la mezcla) a través de las columnas (fase estacionaria). La adición de fase móvil permite a las moléculas ser arrastradas e interactuar a través de las transferencias continuas entre fases. Lógicamente, el soluto solo avanza cuando está en la fase móvil, así que la velocidad de migración depende de la fracción de tiempo en esta fase.

El 'problema' es que estamos hablando de ¡moléculas!, así que conforme se eluyen, las bandas o picos se van ensanchando: hay partículas que se adelantan o retrasan en función de la campana de Gauss. En el extremo de salida se coloca un detector que responde a la concentración de soluto, registra la respuesta en función del tiempo y se obtiene una serie de picos, formando un cromatograma, donde el eje X sería el tiempo y el eje Y la intensidad/altura del pico.

Vía

La posición de picos en el eje de tiempo se utiliza para identificar los compuestos de la muestra, y el área bajo el pico determina su concentración. 

La distancia entre dos solutos en un cromatograma aumenta al descender por la columna. El objetivo es optimizar las variables químicas y físicas que aumenten el grado de separación entre analitos y al mismo tiempo disminuyan la dispersión o ensanchamiento de banda.

Distribución normal de Gauss, vía

La eficacia de una columna cromatográfica viene representada por el grado de ensanchamiento de banda que experimentan los compuestos a través de la columna, y que dependen de la teoría cinética de la cromatografía y otras variables cinéticas que influyen en el ensanchamiento de banda. 

La teoría cinética nos explica cómo las moléculas se desplazan por movimientos aleatorios de moléculas de la banda al recorrer la columna, es decir las transferencias entre fases tienen un tiempo de permanencia irregular que necesitan energía del entorno. Todo esto contribuye a que finalmente cada pico tenga una distribución típicamente gaussiana como la suma de los movimientos aleatorios. Este proceso individual aleatorio provoca una dispersión simétrica (normalización) de las velocidades.

Aunque, a nivel práctico un químico cuando usa cualquier técnica cromatográfica (una capa fina para seguir una reacción, una HPLC para detectar las aminas del vino, un gases-masas para cuantificar los compuestos volátiles, etc.) prepara una recta de calibrado con sus estándares y luego mide su muestra problema y saca sus conclusiones, por detrás hay un buen puñado de procesos físicos y fórmulas matemáticas que relacionan las velocidades, con la capacidad de una columna, el tiempo de retención, la resolución (que es la distancia entre picos). Nos viene muy bien haberlo estudiado al menos en la carrera para no tener solo un aparato que nos saca nuestro cromatograma más o menos claro, y poder cuantificar con números si debemos cambiar la  fase estacionaria (columna) o la fase móvil para mejorar nuestros análisis.

¡Observa!

Este post participa en  el XXIII Carnaval de la Química alojado en el blog molesybits , también en la XL edición del Carnaval de la Fisica, alojado en esta ocasión por Cuantos y cuerdas y en la 4.12 Edición del Carnaval de Matemáticas en High Ability Dimension