Extracción y Detección en Química: Métodos y Equipos Avanzados

Extracción de Compuestos

Sistema Soxhlet

El sistema Soxhlet es una técnica clásica utilizada en química para extraer compuestos de muestras sólidas mediante un solvente. Consiste en un montaje con un matraz de fondo redondo donde se coloca el solvente, y un cuerpo extractor que sostiene la muestra en un dedal de celulosa. Este método opera de forma cíclica: el solvente se calienta en el matraz, se evapora y luego se condensa en un refrigerante, goteando sobre la muestra para extraer los compuestos deseados. Un sistema de sifón devuelve el solvente al matraz para mantener el equilibrio entre líquido y sólido durante la extracción.

A pesar de su alta eficiencia (hasta el 100% de rendimiento de extracción), el método Soxhlet presenta desafíos significativos. La temperatura puede no ser uniforme en todo el sistema, afectando la consistencia de los resultados. Además, el proceso es largo y laborioso, con un mínimo de 12 horas por extracción, y cada montaje es específico para una muestra individual, lo que requiere múltiples sistemas para análisis múltiple. El volumen de solvente obtenido también es elevado, diluyendo el analito y afectando la concentración final.

Para superar estas limitaciones, se han desarrollado sistemas automatizados controlados por software. Estos sistemas permiten el control preciso del volumen de solvente y agua, recirculando los volúmenes para hacer el proceso más eficiente y sostenible. Además, utilizan placas calefactoras individuales para cada muestra, asegurando una temperatura uniforme y permitiendo el análisis simultáneo de múltiples muestras (de 24 a 48 a la vez). Esto garantiza condiciones consistentes y reproducibles para todas las muestras, mejorando la precisión y la fiabilidad en los análisis químicos modernos.

Horno Microondas

El horno microondas es un equipo cerrado que emplea radiación de microondas para calentar disolventes con alta eficiencia, especialmente aquellos con momento dipolar, como el agua y solventes miscibles con ella. Este método acelera significativamente la solubilización de muestras, incluso en casos donde el solvente principal carece de momento dipolar, como el benceno, al utilizar co-solventes adecuados. El recipiente de trabajo suele ser de teflón u otro material inerte para mantener la pureza de la muestra orgánica y evitar reacciones no deseadas.

El control de presión es esencial para evitar posibles riesgos debido a la generación de vapores durante el proceso de calentamiento. El sistema incluye válvulas de seguridad que se activan en caso de presiones elevadas para liberar vapor de manera controlada. Además, se monitorea la cantidad de volátiles mediante alarmas de infrarrojos, asegurando condiciones seguras y controladas durante todo el proceso.

Tras la solubilización, se realiza una filtración para separar los sólidos no disueltos de la fase líquida que contiene el analito y las interferencias. Esta etapa es crucial para preparar la muestra para análisis posteriores, garantizando resultados precisos y fiables. Los rendimientos de extracción pueden alcanzar entre el 90% y el 100%, dependiendo de la sensibilidad del método analítico utilizado y del tiempo necesario para obtener los resultados deseados. La eficiencia del horno microondas radica en su capacidad para reducir drásticamente el tiempo de procesamiento en comparación con métodos convencionales, mejorando así la productividad y la capacidad analítica del laboratorio.

Detectores en Cromatografía

Un detector en cromatografía es un dispositivo diseñado para detectar el paso de analitos generando una señal eléctrica proporcional a su concentración. Este tipo de detector mide continuamente propiedades físicas o químicas del gas portador que lleva los analitos a través de él, determinando los tiempos de retención y registrando la señal eléctrica correspondiente. Los requisitos de un detector en cromatografía gaseosa son similares a los de la cromatografía líquida, asegurando precisión y sensibilidad en la detección.

Condiciones del Detector Ideal

 Alta sensibilidad: debe proporcionar una señal elevada para bajas concentraciones.

 Alta selectividad: el ruido de fondo debe de ser mínimo, dando una baja señal en ausencia de analito.

 Detector universal: que sea válido para un amplio rango de analitos.

 Amplia respuesta lineal: debe proporcionar un buen rango en cuanto a órdenes de magnitud.

 Volumen mínimo: debe evitar la dispersión de la muestra.

 Tiempo de respuesta corto: la respuesta debe de ser instantánea e independiente del caudal.

 No destructiva: en caso de colocar varios detectores en línea. En todo caso el último de ellos podrá ser destructivo.

 Insensible a cambios: como de flujo, presión, y composición de la fase móvil.

 Fácil de operar y automatizar.

Detectores Ópticos

Los detectores ópticos en cromatografía se basan en la interacción entre la radiación electromagnética y la materia. Un detector común es el de absorbancia, que es universal y no destructivo. Este tipo de detector está integrado en el sistema de flujo del cromatógrafo, donde una celda (o cubeta) permite el paso del flujo. Requiere que la radiación incida sobre el analito a una longitud de onda específica (𝜆). Si los analitos se eluyen en tiempos separados, se pueden seleccionar diferentes longitudes de onda analíticas para cada compuesto. En situaciones donde múltiples analitos tienen diferentes longitudes de onda, se elige la longitud de onda que minimiza las interferencias, asegurando así condiciones óptimas de detección.

El detector de línea de fotodiodos, por otro lado, opera en modo espectro en lugar de una 𝜆 fija, permitiendo obtener un espectro completo por cada pico eluido. Esto resulta en un cromatograma tridimensional que muestra absorbancia versus tiempo versus longitud de onda. Aunque se prefiere una longitud de onda específica, a veces es necesario ajustar para evitar interferencias que podrían afectar la sensibilidad y la selectividad del análisis.

Por último, el detector de fluorescencia convierte la celda en una fuente de emisión donde el fotomultiplicador detecta el espectro completo de emisión perpendicular al haz de excitación. Este método es altamente sensible y selectivo en comparación con el detector de absorbancia, aunque a menudo requiere derivatización para mejorar la respuesta del analito. La elección del detector óptico depende de la sensibilidad requerida y las características específicas de los analitos en análisis cromatográficos avanzados.

Detectores Eléctricos

se basan en la interacción entre corriente eléctrica y la muestra. El detector amperométrico mide la intensidad de oxidación o reducción de analitos cuando llegan al electrodo de trabajo con un potencial aplicado, generalmente 200 mV más alto que el potencial de reducción o oxidación más alto. Es altamente selectivo y no destructivo, utilizando tanto polarografía como amperometría con electrodos de mercurio y otros electrodos, respectivamente. Existen dos diseños de celdas: de capa fina, donde se forma una capa delgada de contacto entre la fase móvil y el electrodo paralelo al flujo, y de chorro (Wal-Jet), donde un capilar de

Un detector en cromatografía es un dispositivo diseñado para detectar el paso de analitos generando una señal eléctrica proporcional a su concentración. Este tipo de detector mide continuamente propiedades físicas o químicas del gas portador que lleva los analitos a través de él, determinando los tiempos de retención y registrando la señal eléctrica correspondiente. Los requisitos de un detector en cromatografía gaseosa son similares a los de la cromatografía líquida, asegurando precisión y sensibilidad en la detección.

El detector de ionización de llama es uno de los más utilizados, donde los analitos se pirolizan al pasar por una llama generada por una mezcla de aire u oxígeno y hidrógeno. Esta pirolización produce intermedios iónicos que generan una corriente eléctrica proporcional a la cantidad de analito. Aunque es destructivo, su amplio rango de respuesta lineal permite trabajar con diferentes concentraciones, aunque no es adecuado para halógenos, carbonilos, NOx, H2O, CO2, SO2 o alcoholes.

El detector de llama alcalina es una variante del detector de llama modificado, donde los iones formados en la llama son compuestos orgánicos con fósforo y nitrógeno. Estos compuestos actúan como catalizadores de la pirólisis al entrar en contacto con una perla de sal de metal alcalino situada sobre la llama, generando una corriente eléctrica medida. Es especialmente útil para analitos con nitrógeno y fósforo que no responden bien al detector de ionización de llama estándar.

El detector de captura electrónica detecta analitos mediante la disminución de la corriente eléctrica entre dos electrodos en presencia de un material radioactivo, como el Ni-63, que emite partículas beta. Cuando ciertos analitos capturan electrones en la celda, se produce una reducción de la corriente eléctrica medida. Esta técnica es altamente selectiva para analitos electronegativos como halógenos y carbonilos volátiles, ofreciendo sensibilidad y no siendo destructiva, aunque su rango de linealidad es limitado a dos órdenes de magnitud.

l flujo de la columna se acerca perpendicularmente al electrodo de trabajo para un impacto más directo.

Reducción Electrodo de mercurio (Hg) intervalo: -1’2 – +0’3 A la amperometría con electrodo de Hg se le denomina polarografía. Se trata de unas gotas de mercurio (líquido) en un capilar. En el extremo inferior del capilar se genera una gota que siempre es del mismo tamaño. La reducción se da en la superficie de la gota. Se pueden hacer varias medidas sucesivas, de la misma disolución o de otra. El capilar tiene que ser continuo, para que no se rompa la conexión y que las gotas de Hg sean iguales. a

 Oxidación Electrodo de carbono (C) intervalo: -0’7 - +1’2 Puede estar compuesto de cualquier forma alotrópica de C (grafito, diamante…). Se da un fenómeno de adsorción, por lo que para hacer medidas sucesivas se debe limpiar la superficie, ya que esta se encuentra ocupada por el anterior analito. Hay dos formas de limpiar la superficie; la química (se introduce el electrodo en el disolvente y se disuelve en analito adsorbido) y la electroquímica (se hace un barrido de potencial extremo desde 0 hasta 1’4 en la superficie, para oxidar el analito del todo.