DETERMINACIÓN DE ETANOL EN UNA BEBIDA ALCOHÓLICA PORCROMATOGRAFÍA DE GASES. Ana María Vera Escamillaa (1367108), Luisa Fernanda Santa Francob (1438887),Lina Johanna Materon Canartec (1223066)
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[email protected] Facultad de Ciencias Naturales y Exactas, Departamento de Química, Universidad del Valle, Colombia. Fecha de Realización: 04-06-2016 Fecha de Entrega: 07-06-2016. ________________________________________________________________________________ Resumen. Se determinó etanol en una muestra de aguardiente Blanco del Valle por cromatografía de gases, haciendo uso de un cromatógrafo modelo GCMS-QP2010 marca Shimadzu, la cuantificación se realizo mediante una curva de calibración por patrón interno obteniéndose una concentración de 33,25 ± 3,94 % (v/v). Se hallaron los límites de cuantificación del método siendo de 31,60% (V/V) y un porcentaje de error del 14,70% Palabras Clave: cromatografía de gases, curva de calibración, etanol ___________________________________________________________________________________________________________ 1. DATOS CÁLCULOS Y RESULTADOS. Tabla 1. Datos de los estándares preparados para la elaboración de curva de calibración . Estánda Volumen Área Volume Concentració Área CA/CP AA/AP [EtOH] r EtOH EtOH n BtOH n (%V/V) BtOH BtOH I I 1 0,5 0,50 34931733 1,0 0,99 12055367 0,50 0,29 2 1,0 1,00 49361337 1,0 0,99 76938106 1,01 0,64 3 1,5 1,50 53083541 1,0 0,99 77174488 1,51 0,69 4 2,0 2,00 90953139 1,0 0,99 89620648 2,02 1,01 5 2,5 2,50 91930392 1,0 0,99 65170255 2,52 1,41 6 3,0 3,00 89493466 1,0 0,99 54569187 3,03 1,64 Tabla 2. Datos usados para la curva de calibración. Con los datos de la tabla 2, se procede a realizarse la curva de calibración, presentada en la gráfica 1. Estándar [EtOH]/[ButOH] A-EtOH/A-ButOH 1 0,50 0,29 2.00 y = 0.5315x + 0.0089 A-EtOH/A-ButOH 2 1,01 0,64 1.50 3 1,51 0,69 1.00 4 2,02 1,01 5 2,52 1,41 0.50 6 3,03 1,64 0.00 Promedio 1,77 0,947 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 [EtOH]/[ButOH] Desviación 0,423074225 0,231795319 Gráfica 1. Curva de calibración realizada con el %CV 23,95787119 24,46535855 método de patrón interno. Varianza 0,7159672 0,21491628 De acuerdo con el arreglo lineal aplicado, regresión Con estos valores ya estimados por el método de por mínimos cuadrados. Se obtienen los datos mínimos cuadrados, se obtiene la ecuación de la registrados en la tabla 3. recta. 𝒀 = (𝟎, 𝟓𝟑𝟏𝟓 ± 𝟎, 𝟏𝟐𝟗𝟑)𝑿 + (𝟎, 𝟎𝟎𝟖𝟗 ± Tabla 3. Estimación lineal por medio del método 𝟎, 𝟐𝟓𝟗𝟏) [Ec. 1] de mínimos cuadrados. Con la ecuación 1 se procede a calcularse el Variable Valor contenido de etanol en una muestra de Sxy 0,778914534 Aguardiente blanco del valle, los resultados se Sx 1,209857498 encuentran registrados en la tabla 4. Sy 0,648983475 r 0,992023472 Con el resultado promediado de las tres muestras tr 13,6310218 tomadas, se procede a realizarse el cálculo para la tcrit (n-1=5) 2,571 cantidad de Etanol presente en la muestra teniendo cuenta que sólo se tomaron 6 mL ± 0,028 Ho X y Y No correlacionan H1 X y Y Correlacionan 1,9949 𝑚𝐿 𝐸𝑡𝑂𝐻 𝑉 100 𝑚𝐿 ∗ Criterio FALSO [𝐸𝑡𝑂𝐻] (% ) = 100 𝑚𝐿 𝑆𝑙𝑛 ∗ 100 Conclusión X y Y Correlacionan 𝑉 6 𝑚𝐿 𝐴𝑔𝑢𝑎𝑟𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 [𝐸𝑡𝑂𝐻] = 33,25 % ± 3,94 Sxx 4,454907025 Syy 1,292210917 La cantidad de etanol reportada en la etiqueta de la Sxy 2,367672027 botella de aguardiente señala b 0,531475071 |33,25 − 29,00| % 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = ∗ 100 = 14,70% a 0,008906308 29,00 RSS 0,011284086 Sr 0,10622658 Sb 0,050328487 Sa 0,100775383 Tabla 4. Resultados según la curva de calibración para la determinación de la muestra [EtOH]/[ButOH] Incertidumbre Aguardiente Volumen de Área ButOH Desviación Área EtOH A-EtOH/A- Muestra [ButOH] [EtOH] ButOH MA 6,00 1,9533 94451591 0,9900 89312466,000 1,973064607 1,058 0,083922 0,233 ML 6,00 2,2932 85027223 0,9900 68571511,000 2,316331667 1,240 0,09682389 0,269 Mlu 6,00 1,7383 90065867 0,9900 95599212,000 1,755892399 0,942 0,0816026 0,227 Promedio 6,00 1,9949 89848227 0,9900 84494396,333 2,015096224 1,080 0,08494059 0,236 Determinación de los límites analíticos del muestras se depositan en una bandeja, allí llega un método. “brazo mecánico” y toma cada frasco y lo lleva a el sistema de inyección en donde el muestreador Tabla 5. Límites analíticos del método enjuaga la microjeringa con la muestra a medir, inyectándola por la parte superior del frasco, que Cromatografía de Gases para la determinación de tiene un tapón de septum de goma, posteriormente Etanol. la microjeringa se inserta en un inyector, que está en la parte superior del cromatografo, de ahí pasa Valor (mL a una cámara de vaporización (figura 3.1), la Límites Valor Etanol/100 mL de cámara se encuentra casi siempre a una Aguardiente) temperatura por encima de los 50 ºC del LOD 0,294791655 4,913194251 componente menos volátil de la muestra, allí ésta se vaporiza, se mezcla con el gas portador (fase LOQ 1,896145051 31,60241751 móvil) y es llevada a la columna. Cabe resaltar que LC 3,982840903 66,38068172 el sistema de inyección se trabajó en modo “divisor de muestra” que permite entregar una fracción de Estos límites se determinan a partir de las muestra pequeña (1:50 a 1:500), el resto de muestra se desecha, dado que se corre el riesgo ecuaciones 2 a 4. del taponamiento de la columna capilar a causa del disolvente o la muestra misma. Valor crítico. LC. Una de las ventajas de trabajar con un auto- muestreador es que tiene una mejor precisión en 𝐿𝐶 = 1,645𝑆0 −𝑎 (Ec.2) condiciones de reproducibilidad en comparación a 𝑏 un analista que muestree manualmente, de igual manera se puede resaltar el ahorro de tiempo, dado Límite de Detección. que con el auto-muestreador se puede programar el equipo para que trabaje solo [3, 4, 5]. Por otro lado 𝐿𝑂𝐷 = 3,29𝑆0 −𝑎 (Ec.3) una de las desventajas es que al trabajar en modo 𝑏 “divisor de muestra” la cantidad de analito que es separada y llega al detector es muy pequeña, por Límite de Cuantificación. lo tanto los límites de detección aumentan, lo que 𝐿𝑂𝑄 = (𝑦𝑏+10𝑆0 )−𝑎 (Ec.4) es un gran inconveniente para el análisis de trazas 𝑏 [5]. 2. DISCUSIÓN DE RESULTADOS. La cromatografía de gases consiste en que la muestra se volatiliza y se inyecta en la cabeza de una columna cromatográfica, en donde se va a producir la elución por el flujo de una fase móvil de gas inerte. Para hacer las mediciones se usó un cromatografo de gases modelo GCMS-QP2010 marca Shimadzu, está compuesto de un sistema de inyección de muestra, un sistema de gas portador, una columna capilar y un detector de espectrometría de masas [2]. Para la inyección de muestra, patrones y blanco se usó un automuestreador con bandeja automática, que al igual que la inyección manual, trabaja con una microjeringa hipodérmica. Los frascos para las Figura 3.1. Sistema de inyección “divisor de puras. muestra” El detector de espectrometría de masas está Para la introducción de la fase móvil se tiene un compuesto por una fuente de iones sencilla, que es sistema de gas portador, el cual contiene un un filamento de wolframio, que se calienta y emite regulador de presión de dos etapas ubicado en el electrones, después se aplica una diferencia de cilindro contenedor del gas y un regulador de potencial de 70 V, entre el filamento y un ánodo, presión dentro del cromatografo de gases. con el objetivo de acelerarlos hacia la muestra, que Los períodos de entrada del gas oscilan entre 10- está ubicada perpendicularmente al haz de 15 psi, por encima de la presión del entorno, lo que electrones (figura 3.2), al chocar la muestra y el haz ocasiona una entrada de flujos de 1 a 25 mL/min. de electrones, se ioniza, generalmente se El gas portador es un gas inerte, para esta producen iones con una sola carga positiva, estos determinación se usó el helio [3]. iones son atraídos a través de la rendija hacia una primera placa de aceleración mediante una La columna que se usó es una XTI-5 marca Restek, diferencia de potencial (5 V), que se aplica también es una columna hecha de cobre y tiene una fase entre las otras dos placas repulsoras (figura 2), estacionaria que está compuesta por 5 % de difenil seguidamente entran en el analizador de masas, y 95 % de dimetilpolisiloxano, posee un tamaño de que en este caso es un cuadrupolo, en donde los partícula de 0,25 µm [2]. La columna se encontraba iones se dispersan en base a su relación de masa- en forma de helicoide, y tenía un diámetro de 30 carga, finalmente el haz de iones se convierte en cm, esto con el fin de colocarla en el interior de un una señal eléctrica gracias a un multiplicador de termostato, de igual manera poseía un diámetro electrones, que actúa como detector y transductor, interno de 0,25 mm. La fase estacionaria que posee que es transformada, precisada, almacenada y este tipo de columna tiene la ventaja de tener registrada en la memoria de un computador, que diferentes polaridades en toda la estructura, por lo posee un software en donde se puede ver y tanto presentara una mejor selectividad. registrar el espectro de masas, los tiempos de El ingreso de la muestra se da por la acción de la retención, etc. [2,3]. fase móvil, los analitos se distribuyen en la fase estacionaria en orden creciente de polaridad (primer tempo de retención), posteriormente se introduce una nueva cantidad de fase móvil, con el objetivo de que los analitos avancen hacia abajo de la columna (segundo tiempo de retención), finalmente se agrega una nueva cantidad de fase móvil para el aislamiento de los analitos individualmente, hasta que llegan al extremo de la columna capilar (tercer y cuarto tiempo de retención), es decir son eluidos o lavados de la columna, allí se detectan o se recogen [3,5,6]. Figura 3.2. Fuente de iones por impacto de Una de las ventajas de trabajar con columnas electrones capilares en contraste con las columnas empaquetadas es que al no llevar un soporte para La cuantificación de etanol se llevó a cabo en el la fase estacionaria, hace que la columna se pueda aguardiente Blanco del Valle, la cual es una bebida hacer más angosta y más larga ocasionando una hecha con alcohol etílico (componente principal), el mayor eficiencia [3]. cual se sintetiza generalmente de la caña de azúcar y se encuentra a una concentración aproximada de Por otro lado una de las desventajas de trabajar 29 % v/v, es fabricado por las industrias licoreras, con este tipo de columna es su fácil taponamiento, en cantidades excesivas es perjudicial para la salud a causa de su pequeño diámetro interno, lo que [1]. conduce a trabajar con sustancias en lo posible Los resultados obtenidos permiten determinar con una precisión y una incertidumbre aceptable, debido a que el límite de cuantificación, valor La columna está hecha de cobre y tiene una mínimo que es capaz de detectar el método con la fase estacionaria que está compuesta por 5 % incertidumbre generada por la curva de calibración, de difenil y 95 % de dimetilpolisiloxano da un resultado muy cercano al valor real reportado Las interacciones que allí ocurren son entre la para el “Aguardiente Blanco del Valle”, el error encontrado respecto al límite de detección es de nube electrónica Π (pi) de los fenilos y el grupo 6,89% y respecto al análisis realizado es de OH, y son atribuidas a interacciones o fuerza 14,70% el cual es un valor aceptable, aunque con de Van der Waals. [1] la sensibilidad presentada por el equipo con el cual Las anteriores interacciones son la causa de se analizaron las muestras, que es un equipo de obtener un orden de elución como el que se cromatografía de Gases acoplado a un analizador observó en la práctica, puesto que el 5% del de masas. Se encuentra que el compuesto de la peso total de la fase estacionaria está muestra presenta tres picos en el cromatograma y aparece un derivado del butanol. El cual puede constituida por grupos fenilos, los cuales, se haber alterado el resultado de obtenido. encuentra con un grupo hidroxilo correspondiente al etanol, y lo retienen por la Los límites de detección y cuantificación indican interacción de las fuerzas ya mencionadas, que los valores y la sensibilidad de este método son para luego ser liberado debido a el flujo de la aceptables. fase móvil y así mientras la muestra se encuentra atravesando la columna, éstos van Las posibles fuentes de error, se encuentran en la preparación de la muestra y como tal, errores inmovilizando y liberando los grupos OH netamente experimentales, errores humanos de la constante mente hasta que estos sale de la preparación de las muestras, debido a la alta columna. sensibilidad del equipo con el cual se trabaja el cual puede detectar trazas, por lo tanto se puede B. CALCULE LA EFICIENCIA DE LA presentar un error, pero como fue evidenciado es COLUMNA EN TÉRMINOS DEL muy bajo comparado con otros análisis como lo fue por medio de refractometría el cual fue de 64,1% NÚMERO TOTAL DE PLATOS de error, se encuentra una mayor sensibilidad para TEÓRICOS (N), Y LA ALTURA este método. EQUIVALENTE A UN PLATO TEÓRICO (H=L/N) EN mm. 3. RESOLUCIÓN DE PRESUNTAS. Eficiencia de la columna: A. CON BASE EN LA INFORMACIÓN - Número total de platos teóricos (N) = SUMINISTRADA SOBRE LA COLUMNA, DESCRIBA Y EXPLIQUE Tiempo de retención (TR) = 1,65 min DE QUE ESTA COMPUESTA LA FASE Anchura de la base del pico (W)=0,45min ESTACIONARIA. ¿CUÁLES 𝑇𝑅 2 N = 16( ) (ecu. 5) INTERACCIONES (SOLUTO-FASE 𝑊 ESTACIONARIA) PUEDEN DARSE CON LA MUESTRA ESTUDIADA? ¿DICHAS N= 16 (1,65 min / 0,45min) 2 = 215, 11 INTERACCIONES EXPLICAN EL ORDEN DE ELUCIÓN OBSERVADO? - Altura equivalente de un plato teórico (H): EXPLÍQUE. L = longitud de la columna = 30 m 𝑳 𝑯= (ecu. 6) 𝑵 H= (30 m / 215,11) = 0,14 m H = 140 mm. C. ¿QUÉ CARACTERISTICA DEBE TENER 5. REFERENCIAS. UN COMPUESTO PARA SER USADO [1] Aguardiente Blanco del Valle disponible en: COMO PATRÓN INTERNO EN UNA http://www.ilvalle.com.co/index.php. (revisado CUANTIFICACIÓN POR 04 de junio del 2016). CROMATROGRAFÍA DE GASES? [2] Shimadzu Gas Chromatograph Mass El estándar o patrón interno debe ser un compuesto Spectrometer disponible en: de estructura o naturaleza similar a la del analito http://www.ssi.shimadzu.com/products/literatu pero que no se encuentre presente en la muestra y re/Mass_Spec/GCMS-QP2010_Plus_F.pdf. debe ser incorporado en una cantidad fija a los (revisado 04 de junio del 2016). estándares de trabajo y a la muestra. [3] SKOOG, D. HOLLER, J. NIEMAN, T. Principio de Análisis Instrumental. 6ta edición. Cengage Learning Editores. DF. México, 2008. Pág. 17, 281-292, 470-472, 788-806. [4] Cromatografía de gases disponible en:https://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/8 247/4/T3gascromat.pdf. (revisado 04 de junio 4. CONCLUSIONES. del 2016). El equipo de cromatografía de gases demostró [5] Cromatografía de gases disponible ser un equipo de fácil manipulación, al incluir en:http://www.mncn.csic.es/docs/repositorio/e este un automuestrador que mejoro la s_ES/investigacion/cromatografia/cromatograf precisión del análisis. ia_de_gases.pdf. (revisado 04 de junio del La determinación de Etanol por medio de CG- 2016). MS, permite una mayor sensibilidad del método y una mayor selectividad donde se [6] Gas Chromatography disponible en: calcula con mayor exactitud el contenido de http://teaching.shu.ac.uk/hwb/chemistry/tutori etanol en una muestra de aguardiente. als/chrom/gaschrm.htm. (revisado 04 de junio Al comparar los métodos de Refractometría y del 2016). GC-MS el error encontrado para la determinación de Etanol en la misma muestra de Aguardiente, se encuentra que es más [7] Hernandez, F. Foces, C. Martinez, M. sensible el método de GC-MS. Cristalografía, editorial CSIC. España 2000. Pp Los límites de cuantificación del método GC- 165 MS son más cercanos al valor real reportado por la etiqueta. .