El comienzo: 1980
La cromatografía iónica (IC) se agregó a la cartera de Metrohm en 1987, ampliando su gama de técnicas analíticas que en ese momento solo incluían titulación, pH, voltamperometría y Rancimat. IC, que ya lleva un par de años en el mercado, se veía por un lado como un método muy interesante, pero por otro lado también como una tecnología muy compleja y costosa.
La creciente viabilidad de IC para las aplicaciones de titulación típicas anteriores llevó a Metrohm a centrarse en este método.
Desarrollo del detector de conductividad
La conductividad es la técnica de detección más común utilizada con la cromatografía iónica. La conductividad es el parámetro de suma inherente de todos los iones en una solución acuosa. Dado que la cromatografía iónica se realiza con soluciones acuosas como eluyentes (es decir, la fase móvil) y muestras, la conductividad es el modo de detección esencial.
Resumen general de las técnicas de detección de cromatografía iónica disponibles con Metrohm
También se pueden usar otras técnicas de detección, pero generalmente solo se aplican en casos especiales.
El detector Metrohm VA 641
A principios de la década de 1980, el método de IC comenzó a competir por la cuota de mercado con la titulación. Sobre la base de las experiencias positivas con el detector amperométrico (detector de 641 VA, introducido en 1980 y vendido originalmente como detector de HPLC) y la competencia de Metrohm en la medición de conductividad, surgió la idea de desarrollar un detector de conductividad de manera similar. Un requisito previo para el proyecto era la disponibilidad de columnas de separación (fase estacionaria) que permitieran a los analistas alcanzar límites de detección de 1 mg/L (o menos) de los aniones estándar.
En 1984, se realizó una prueba en una configuración inicial que constaba de una bomba HPLC de un solo pistón, un inyector de 6 puertos, columnas de separación IC disponibles comercialmente, un detector de conductividad y un registrador gráfico (586 Labograph). Esta prueba demostró que se podía alcanzar el límite de 1 mg/l y, por lo tanto, comenzó el proyecto de desarrollo de un detector de conductividad oficial de Metrohm.
En ese momento, la supresión química introducida por Small, Stevens y Baumann [1] estaba patentada y no estaba disponible. Sin embargo, la detección de conductividad no suprimida descrita por Gjerde, Schmuckler y Fritz [2] se consideró una alternativa viable. Cuando fue necesaria la medición de bajas concentraciones de iones en solución, los picos cromatográficos muy pequeños más el fondo de alta conductividad de la fase móvil (eluyente) crearon un desafío y se tuvieron que tener en cuenta requisitos especiales para el detector de conductividad. El más crítico de ellos fue el coeficiente de temperatura de la conductividad, que suele rondar el 2 %/°C. Esto requiere mantener una temperatura extremadamente estable durante la medición.
El cromatógrafo iónico Metrohm 690
Durante la fase de desarrollo inicial, se descubrió que, además de la medición a granel, el platino no era el mejor material para los electrodos en una celda de flujo continuo. Sin embargo, el acero inoxidable funcionó perfectamente. La celda de medición aún necesitaba ser aislada, sin embargo, el aislamiento por sí solo no era suficiente. Se requirió termostatización activa para lograr una estabilidad de temperatura mejor que 0,01 °C. Esa estabilidad se midió con un termopar y se registró en el Labograph. Más tarde, con herramientas más sofisticadas, se determinó que la estabilidad era mejor que 0,001 °C.
Incluso después de todo este arduo trabajo, la estabilidad de referencia inicial del sistema aún no era lo suficientemente buena. Al final resultó que, varios componentes del sistema IC necesitaban ser estabilizados térmicamente. Además, la bomba HPLC de diferente marca no era óptima para el desarrollo del cromatógrafo iónico Metrohm.
La primera decisión fue dejar de lado el proyecto del detector de conductividad y empezar a construir un cromatógrafo de iones. Por lo tanto, se desarrolló el primer IC de Metrohm (el cromatógrafo de iones IC 690). El 690 IC constaba de: una carcasa de polímero de espuma para un aislamiento térmico perfecto, el bloque electrónico y detector, así como un amortiguador de pulsos, un inyector de muestra y una columna de separación. Todas las conexiones capilares consistían en capilares HPLC en ese momento (hechas de acero inoxidable). La bomba HPLC inadecuada se reemplazó y actualizó con una bomba IC de Metrohm, y el Labograph fue seguido casi de inmediato por un integrador, que completó el sistema IC.
A pesar del consenso general en la década de 1980 de que la cromatografía iónica solo era sólida cuando se usaban instrumentos sin metales, Metrohm pudo ejecutar cromatografía de exclusión de aniones, cationes y iones en sistemas basados en acero inoxidable. Incluso las determinaciones de metales pesados se realizaron sin problemas.
Detección de conductividad con «supresión electrónica»
Una desventaja de los circuitos integrados no suprimidos es el ruido de referencia inherente relativamente alto debido a los altos niveles de conductividad de la fase móvil. Los parámetros que se suman a este ruido de referencia incluyen fluctuaciones inducidas por la temperatura, ruido de la bomba y ruido electrónico.
La influencia de la temperatura en el ruido de la línea base se minimizó gracias a la estabilización térmica casi perfecta del detector. La calidad de la bomba de alta presión es importante para estabilizar la línea de base; sin embargo, en condiciones de funcionamiento estándar, no aumenta mucho el ruido de la línea de base. Finalmente, después de optimizar estos puntos, quedó claro que el ruido electrónico era el parámetro más importante en el que centrarse. Cada componente electrónico influye en las fluctuaciones de temperatura y también agrega cierta cantidad de ruido.
El bloque detector termostatizado constaba de un bloque de aluminio para termostatización, una celda de medición incorporada y un preamplificador electrónico. Este preamplificador garantizó que la señal de conductividad analógica medida fuera insensible a los campos externos cuando se guiaba a la electrónica principal.
La función Auto Zero midió la conductividad real en la inicialización de la función y se restó de la señal a lo largo del cromatograma. Esto se puede llamar compensación de fondo. La designación de «supresión electrónica» se debe a una configuración electrónica que además redujo el ruido electrónico.
La idea detrás de esto es tan simple como efectiva. La electrónica se configuró para medir la señal de conductividad real así como la conductividad de fondo medida a través de dos rutas paralelas con componentes electrónicos idénticos. La resta de las dos señales se realizó justo antes de la salida al convertidor A/D externo. Bajo el supuesto de que los mismos componentes deben agregar el mismo ruido y exhibir un comportamiento térmico similar, ambas señales se ven influenciadas de la misma manera. Por lo tanto, el nivel de ruido se minimizó aún más.
Además, se mejoró el nivel de ruido aparente utilizando la ventana de salida óptima (llamada «Full-scale») en unidades de µS/cm. La nota de aplicación gratuita a continuación describe este efecto.
En ese momento, este nivel de ruido de aproximadamente 2 nS/cm era similar o mejor que los análisis realizados con supresión química.
Desarrollos de columnas de separación
Cuando se lanzó al mercado a fines de 1987, Metrohm ofreció un total de seis columnas de separación IC: dos adecuadas para aniones, una para cationes monovalentes, una para cationes divalentes y una para ácidos orgánicos (exclusión de iones). En ese momento, el grupo del Prof. Dr. Schomburg (Institut für Kohlenforschung, Mühlheim/Ruhr, DE) estudió la preparación de fases de HPLC mediante el recubrimiento de materiales poliméricos sobre, por ejemplo, sílice. Una de las fases utilizadas fue poli(butadieno/ácido maleico) sobre un material de sílice, que resultó ser capaz de separar cationes monovalentes y divalentes en una sola corrida isocrática. Metrohm adquirió la tecnología y comenzó la producción de columnas en Herisau, Suiza.
La denominada «columna Schomburg» o más tarde «columna Super-Sep Cation» fue la primera columna del mercado que permitió la separación simultánea de cationes de metales alcalinos y alcalinotérreos. Incluso las raíces de las columnas actuales Metrosep C 4 y Metrosep C 6 se remontan a la columna Schomburg.
Capacidades de manejo de datos
En los primeros meses en el mercado, solo el Labograph (un registrador gráfico) estaba disponible para el nuevo IC. Por supuesto, esto no era realmente aceptable. Sin embargo, los resultados obtenidos al cortar y pesar físicamente los picos fueron bastante correctos. El primer integrador (Shimadzu C-R5A) era un integrador de mesa con pantalla LCD (dos líneas), capacidades de almacenamiento (dos cromatogramas en el instrumento y cinco cromatogramas por tarjeta externa) y una impresora térmica para documentación.
El 690 IC con el 714 IC-Metrodata, que lleva a los científicos a una nueva era de máximas posibilidades de integración.
En 1991 se desarrolló el primer software de adquisición y manejo de datos basado en PC (714 IC-Metrodata), compuesto por una caja de adquisición de datos y el software de integración basado en DOS. Cinco años después, en 1996, el software del 714 IC-Metrodata se actualizó a una versión de Windows. Luego, en 2000, se lanzó el nuevo software IC Net junto con la interfaz 762 IC y la interfaz 771 IC Compact para capacidades de adquisición de datos y control remoto.
¿Que sigue?
La próxima entrega de esta serie cubre la década de 1990 y principios de la de 2000. Durante este tiempo, Metrohm desarrolló IC modular, el módulo supresor de Metrohm (MSM), así como algunas columnas de separación sobresalientes.
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Referencias
[1] Small, H.; Stevens, T.S.; W.C. Baumann. Novel ion exchange chromatographic method using conductimetric detection. Anal. Chem. 1975, 47 (11), 1801–1809. https://doi.org/10.1021/ac60361a017
[2] Gjerde, D. T.; Fritz, J. S.; Schmuckler, G. Anion Chromatography with Low-Conductivity Eluents. J. Chromatogr. A 1979, 186, 509–519. https://doi.org/10.1016/S0021-9673(00)95271-3