Adaptación de la dilución isotópica en línea de carbono a equipos de GC-IRMS como sistema genérico de cuantificación de compuestos orgánicos sin la necesidad de patrones específicos

Abstract

La Dilución Isotópica en línea de Carbono con Espectrometría de Masas se puede definir como el primer detector universal y genérico para cromatografía de gases. La conversión cuantitativa del eluyente cromatográfico a CO2 y la adición de la misma especie enriquecida en 13C como trazador permiten alcanzar el equilibrio isotópico requerido antes de la entrada en la fuente de ionización. De esta manera, se mide una única especie en el espectrómetro de masas y por tanto, se garantiza una respuesta independiente del compuesto sin importar la fuente de ionización utilizada. La ionización independiente del compuesto permite la cuantificación genérica de los analitos a través de la detección de carbono, elemento presente en todo compuesto orgánico, sin la necesidad de estándares específicos ni calibración. Para el desarrollo de la metodología se empleó un instrumento comercial GC-MS de tipo cuadrupolo, sobre el que se realizaron tres modificaciones: (i) una interfase de combustión para la conversión cuantitativa de los analitos a CO2, (ii) un sistema para la adición de un flujo constante de trazador, y (iii) una válvula de 6 vías. Esta instrumentación permitió la validación de la metodología mediante el análisis de diferentes familias de compuestos orgánicos simples (n-alcanos, BTEX, y ésteres) y su aplicación a muestras reales. La extensión de la metodología a un mayor número de compuestos orgánicos permitirá definir el detector desarrollado como el primer detector verdaderamente genérico y universal para cromatografía de gases. Sin embargo, las características instrumentales del prototipo original desarrollado no fueron lo suficientemente adecuadas para la cuantificación de compuestos orgánicos con determinadas propiedades físico químicas. En este contexto, la presente Tesis Doctoral se centró en la búsqueda de la instrumentación adecuada que permitiera ampliar el campo de aplicación de la Dilución Isotópica en línea de Carbono a compuestos orgánicos de alto punto de ebullición y con heteroátomos en su estructura, cuyo comportamiento no había sido estudiado hasta ese momento. La instrumentación GC-IRMS, ampliamente utilizada para las medidas de alta precisión de las pequeñas variaciones existentes en las abundancias naturales de los isótopos estables de elementos ligeros, dispone de las características instrumentales adecuadas para la extensión de la metodología de la Dilución Isotópica en línea de Carbono. Sólo fueron necesarias dos sencillas modificaciones para hacer posible la aplicación de la metodología: (i) un sistema para la introducción del flujo de trazador, y (ii) una configuración en la amplificación del detector que permita la medida de la relación isotópica 12C/13C tras la adición del trazador enriquecido. Además se demostró que el empleo de un inyector de Temperatura Programada permitía la transmisión cuantitativa sin discriminación de todos los compuestos con un amplísimo intervalo de temperatura de ebullición (218 – 525ºC). Se evaluaron las características analíticas de la metodología, y se demostró que la respuesta instrumental es independiente de la especie, sin importar ni el punto de ebullición ni la presencia de heteroátomos. Finalmente, se evaluó la aplicabilidad a muestras reales mediante el análisis de los FAMEs saturados e insaturados presentes en muestras de biodiesel, tanto patrones certificados como muestras reales. Se comparó la respuesta genérica del detector con la de detector más universal y establecido para compuestos orgánicos en GC, el detector de ionización de llama (FID), tanto de forma directa (como se emplea en la Norma Europea correspondiente) como con corrección del Número de Carbonos Equivalente (ECN). Se encontró que sólo la metodología propuesta es realmente genérica y no requiere patrones internos de naturaleza y número de Carbonos similar. Las modificaciones instrumentales realizadas sobre la instrumentación GC-IRMS para la aplicación de la IDMS en línea de carbono no repercuten en el funcionamiento del equipo para realizar el análisis isotópico específico del compuesto (CSIA), característico de esta instrumentación. Por ello fue posible determinar las pequeñas variaciones en las abundancias isotópicas naturales de cada FAME individual presente en las muestras de biodiesel a través del cálculo de los deltas de carbono con la exactitud y precisión adecuadas. Dicha información, junto con el perfil cuantitativo exacto y preciso de los FAMEs presentes obtenido por la dilución isotópica en línea de C, pudo ser aplicado para estudios de discriminación por el origen en muestras de biodiesel.