Cromatografia gasosa

O que é?

Fluxo contínuo na coluna

Eluente Eluato

Tipos de CromatografiaCromatografia de adsorção : O soluto é

adsorvido na superfície das partículas sólidas da fase estacionária. Quanto mais fortemente o soluto for adsorvido, mais lentamente ele se deslocará através da coluna.

Tipos de CromatografiaCromatografia de Partição : O soluto

encontra-se em equilíbrio entre a fase estacionárias líquido e a fase móvel.

Soluto dissolvido na fase líquida

ligada a superfície da

coluna

Seção transversal de

uma coluna capilar

Tipos de CromatografiaCromatografia de Troca

iônica : Ânions como no caso SO3 - , ou cátions, como N(CH3)O3 + estão ligados covalentemente a uma fase estacionária sólida, que neste tipo de cromatografia costuma ser uma resina. Os íons do soluto, com carga oposta, são atraídos para a fase estacionária por forças de natureza eletrostática. A fase móvel é um líquido.

Tipos de CromatografiaCromatografia por

exclusão molecular . Também chamada de cromatografia por filtração em gel ou cromatografia de permeação em gel. Separa as moléculas pelo tamanho, com os solutos maiores passando com maior velocidade pela coluna. “não há interações atrativas entre a fase estacionaria e o soluto.

Tipos de cromatografiaCromatografia por

afinidade . E o tipo mais seletivo de cromatografia, e se baseia nas interações especificas entre um tipo de molécula do soluto e uma segunda molécula que se encontra covalentemente ligada a fase estacionaria .

Cromatografia sob o ponto de vista de um bombeiro hidráulico

Vazão volumétrica Informa quantos

mililitros de solvente se deslocam através da coluna por minuto

Exemplo 0,30 mL/min

Vazão linear Indica quantos

centímetros de coluna são percorridos pelo solvente em 1 minuto

Cromatograma

Solutos eluídos de uma coluna cromatográfica podem ser observados através de vários tipos de detectores. Um cromatograma é um tipo de gráfico mostrando a resposta do detector em função do tempo de eluição.

Dados do cromatograma : 1)Volume de retenção (Vr) é o volume da fase

móvel necessário para eluir um determinado soluto numa coluna.

2)Tempo de retenção (tr): para cada componente da mistura é o tempo necessário, a partir da injeção da mistura na coluna, para que o componente alcance o detector.

3)Tempo de retenção ajustado para o soluto, tr’, é o tempo adicional necessário para o soluto percorrer o comprimento da coluna, além do tempo necessário para o solvente, que não sofre retenção, percorrer o caminho.

Retenção relativa(ά)

ά = tr’2

tr1’

Onde tr’2 > tr1’ , de modo que ά >1

Quanto maior a retenção relativa maior a separação entre os componentes.

Fator de capacidade (K’)

K’ = tr – tm

tm

Quanto mais um componente é retido na coluna maior o seu fator de capacidade

Exemplo: a) Uma mistura de benzeno, tolueno e metano

foi injetada em um cromatógrafo a gás. O metano produziu um pico após 42 segundos, enquanto o benzeno necessitou de 251 segundos e foi eluído em 222 segundos. Determine o tempo de retenção ajustado e o fator de capacidade de cada substância. Determine também a retenção relativa.

Cromatograma

CROMATOGRAFIA GASOSAAplicabilidade

Quais misturas podem ser separadas por CG ?

(para uma substância qualquer poder ser “arrastada” por um fluxo de um gás ela deve ser dissolver - pelo menos parcialmente - nesse gás)

Misturas cujos constituintes sejam

VOLÁTEIS (=“evaporáveis”)

DE FORMA GERAL: CG é aplicável para separação e análise de misturas cujos constituintes tenham PONTOS DE EBULIÇÃO de até 300oC e que termicamente estáveis.

1

2

3

4

6

5

O cromatógrafo a gás Reservatório de gás e controle de vazão e pressão

Injetor

Coluna cromatográfica e forno da coluna

Detector

Amplificador de sinal

Registro de sinalRegistrador ou computado

Modelos de Cromatógrafos Gasosos

Coluna Capilar

Instrumentação – Gás de Arraste

Fase Móvel em CG: NÃO interage com a amostra - apenas a carrega através da coluna. Assim é usualmente referida como GÁS DE GÁS DE ARRASTEARRASTE

RequisitosInerte: não deve reagir com amostra, fase estacionária ou superfície do instrumento.Puro: deve ser isento de impurezas que

possam degradar a fase estacionária

INSTRUMENTAÇÃOGás de Arraste

Requisitos:CUSTO Gases de altíssima pureza podem ser muito caros.

COMPATÍVEL COM DETECTOR Cada detector demanda um gás de arraste específico para melhor funcionamento.

Seleção de Gases de Arraste em Função do Detector:

He , H2DCT

DIC N2 , H2

DCE N2 (SS), Ar + 5% CH4

CU

ST

O

PUREZAA

BC

A = 99,995 % (4.5)

B = 99,999 % (5.0)

C = 99,9999 % (6.0)

INSTRUMENTAÇÃOAlimentação de Gás de Arraste

Componentes necessários à linha de gás:

controladores de vazão / pressão de gásdispositivos para purificação de gás (“traps”)

1 Cilindro de gás

2 Regulador de pressão primário

3 Traps4 Regulador de pressão secundário

5 – Regulador de vazão

6 Medidor deVazão

Nota: Tubos e Conexões: Aço Inox ou Cobre

INSTRUMENTAÇÃODispositivos de Injeção de Amostra

Os dispositivos para injeção (INJETORES ou VAPORIZADORES) devem prover meios de introdução INSTANTÂNEA da amostra na coluna cromatográfica

Injeção instantânea:

Injeção lenta:

t = 0

t = x

t = 0

t = x

INSTRUMENTAÇÃOInjetor “on-column” Convencional

1

2

3

4

1 - Septo (silicone)2 - Alimentação de gás de arraste)3 - Bloco metálico aquecido4 - Ponta da coluna cromatográfica

INSTRUMENTAÇÃOInjeção “on-column” de líquidos

1 2 3

1 - Ponta da agulha da microseringa é introduzida no início da coluna.

2 - Amostra injetada e vaporizada instantâneamente no início da coluna.

3 - “Plug” de vapor de amostra forçado pelo gás de arraste a fluir pela coluna.

INSTRUMENTAÇÃOParâmetros de Injeção

TEMPERATURA DO INJETOR Deve ser suficientemente elevada para que a amostra vaporize-se imediatamente, mas sem decomposição

Regra Geral: Tinj = 50oC acima da temperatura de ebulição do componente menos volátil

VOLUME INJETADO Depende do tipo de coluna e do estado físico da amostra

COLUNA AmostrasGasosas

AmostrasLíquidas

empacotada = 3,2 mm (1/4”)

0,1 ml ... 50 mL0,2 L ... 20 L

capilar = 0,25 mm

0,001 ml ... 0,1 mL0,01 L ... 3 L

Sólidos: convencionalmente se dissolve em um solvente adequado e injeta-se a solução

INSTRUMENTAÇÃOMicrosseringas para Injeção

LÍQUIDOS Capacidades típicas: 1 L, 5 L e 10 L

êmbolo

corpo (pirex)

agulha (inox 316)

Microseringa de 10 L:

Microseringa de 1 L (seção ampliada):

corpo

guiaêmbolo (fio de aço soldado ao guia)

agulha

INSTRUMENTAÇÃOColunas: Definições Básicas

EMPACOTADA = 3 a 6 mm

L = 0,5 m a 5 m

Recheada com sólido pulverizado (FE sólida ou FE líquida depositada

sobre as partículas do recheio)

CAPILAR = 0,1 a 0,5 mmL = 5 m a 100 m

Paredes internas recobertas com um filme fino (fração de m) de FE

líquida ou sólida

INSTRUMENTAÇÃOTemperatura da Coluna

Além da interação com a FE, o tempo que um analito demora para percorrer a coluna depende de sua PRESSÃO DE VAPOR (p0).

p0 = f

Estrutura químicado analito

Temperatura da coluna

Temperaturada

coluna

Pressãode

vapor

Velocidadede

migração

ANALITO ELUI MAIS RAPIDAMENTE (MENOR RETENÇÃO)

INSTRUMENTAÇÃOTemperatura da Coluna

TE

MP

ER

AT

UR

A D

A C

OL

UN

A

CONTROLE CONFIÁVEL DA TEMPERATURA DA COLUNA É ESSENCIAL PARA OBTER BOA SEPARAÇÃO EM CG

INSTRUMENTAÇÃOForno da Coluna

Características Desejáveis de um Forno:

AMPLA FAIXA DE TEMPERATURA DE USO Pelo menos de Tambiente até

400oC. Sistemas criogênicos (T < Tambiente) podem ser necessários em casos

especiais.

TEMPERATURA INDEPENDENTE DOS DEMAIS MÓDULOS Não deve ser afetado pela temperatura do injetor e detector.

TEMPERATURA UNIFORME EM SEU INTERIOR Sistemas de ventilação interna muito eficientes para manter a temperatura homogênea em todo forno.

INSTRUMENTAÇÃOForno da Coluna

Características Desejáveis de um Forno:

FÁCIL ACESSO À COLUNA A operação de troca de coluna pode ser frequente.

AQUECIMENTO E ESFRIAMENTO RÁPIDO Importante tanto em análises de rotina e durante o desenvolvimento de metodologias analíticas novas.

TEMPERATURA ESTÁVEL E REPRODUTÍVELA temperatura deve ser mantida com exatidão e precisão de ± 0,1°C.

Em cromatógrafos modernos (depois de 1980),o controle de temperatura do forno é totalmente operado por microprocessadores.

INSTRUMENTAÇÃOProgramação Linear de Temperatura

Misturas complexas (constituintes com volatilidades muito diferentes) separadas ISOTERMICAMENTE:

TCOL BAIXA:

- Componentes mais voláteis são separados

- Componentes menos voláteis demoram a eluir, saindo como picos

mal definidos

TCOL ALTA:

- Componentes mais voláteis não são separados

- Componentes menos voláteis eluem mais rapidamente

INSTRUMENTAÇÃOProgramação Linear de TemperaturaA temperatura do forno pode ser variada linearmente durante a

separação:

Consegue-se boa separação dos componentes da amostra em

menor tempo

TEMPO

TE

MP

ER

AT

UR

A

tINI tFIM

TINI

TFIM

R

Parâmetros de uma programação de temperatura:TINI Temperatura Inicial

TFIM Temperatura Final

tINI Tempo Isotérmico Inicial

tFIM Tempo Final do Programa

R Velocidade de Aquecimento

INSTRUMENTAÇÃOProgramação Linear de Temperatura

Possíveis problemas associados à PLT:

VARIAÇÕES DE VAZÃO DO GÁS DE ARRASTE A viscosidade de um gás aumenta com a temperatura.

viscosidade vazão

DERIVA (“DRIFT”) NA LINHA DE BASE Devido ao aumento de volatilização de FE líquida

INSTRUMENTAÇÃODetectores

Dispositivos que examinam continuamente o material eluido, gerando sinal quando da passagem de substâncias que não o gás de arraste

Gráfico Sinal x Tempo = CROMATOGRAMAIdealmente: cada substância separada aparece

como um PICO no cromatograma.

INSTRUMENTAÇÃODetectoresMais Importantes:

DETECTOR POR CAPTURA DE ELÉTRONS (DCE OU ECD) Supressão de corrente causada pela absorção de elétrons por eluatos altamente eletrofílicos.

DETECTOR POR CONDUTIVIDADE TÉRMICA (DCT OU TCD) Variação da condutividade térmica do gás de arraste.

DETECTOR POR IONIZAÇÃO EM CHAMA (DIC OU FID) Íons gerados durante a queima dos eluatos em uma chama de H2 + ar.

REGISTRODE

SINAL

ANALÓGICORegistradores XY

DIGITALIntegradores

Computadores

Detectores

Detector de Ionização de Chama (FID)

DetectoresDetector de Ionização de Chama (FID)

Resposta é baseada no número de carbonos e se outros elementos como halogênios ou oxigênio estão presentes reduzem a combustão.

DetectoresDetector de Ionização de Chama (FID)

DetectoresDetector de Captura de Elétrons (ECD)

• Específico - amostra deve conter um componente gasoso eletrófilo.

• Não destrutivo

• Limite de Detecção ~ 0,1 pg C/segundo

• Intervalo linear 104

Modo de detecção: Absorção de partículas por espécies contendo halogênios, nitrilas, nitratos, duplas ligações conjugadas, organometálicos.


- são emitidas pela fonte radioativa 63Ni.

Eletrófilos deverão absorver -

reduzindo a corrente.

Isto é a base da resposta.


• Fornece ótimos métodos para análises de traços:

compostos halogenados

compostos nitrogenados

compostos com duplas ligações conjugadas

• Mais comumente utilizado para análises ambientais de pesticidas organoclorados.

• Principal problema - Detector radioativo. Requer condições e equipamentos especiais para manuseio. Necessário licença para compra.

DetectoresDetector de Nitrogênio e Fósforo (NPD)

• Específico - amostra deve conter nitrogênio ou fósforo.

• Destrutivo.

• Limite de Detecção ~ 0,4 pg N/segundo

~ 0,2 pg P/segundo

• Intervalo linear ~104

Modo de detecção: Essencialmente um FID modificado. Elementos ativos são adicionados no bloco.

Detectores

Detector de Nitrogênio e Fósforo (NPD)

DetectoresDetector Fotométrico de Chama (FPD)

• Específico - fósforo e enxôfre.

• Destrutivo.

• Limite de Detecção ~ 20 pg S/segundo

~ 0,9 pg P/segundo

• Intervalo linear ~104 P e ~103 S

Modo de detecção: Mede diretamente a luz produzida durante a combustão das substâncias contendo enxôfre ou fósforo.

DetectoresDetector Fotométrico de Chama (FPD)

DetectoresDetector de Fotoionização (PID)

• Específico - Compostos ionizados por UV

•Limite de Detecção ~ 2 pg C/segundo

•Intervalo linear ~10 7

Modo de detecção: Luz ultravioleta é utilizada diretamente para ionizar componentes da amostra. A corrente resultante é medida.

DetectoresDetector de Fotoionização (PID)

Métodos conjugados

Tema para outro curso

Os componentes separados e quantificados no cromatógrafo (GC) são detectados por um segundo instrumento que produzirá dados qualitativos .

Ex:

GC-MSGC-FTIRGC-AES

Métodos conjugados

TEORIA BÁSICATempo de Retenção Ajustado, tR‘

tR

tM

tR’ = tR - tM

TEMPO

SIN

AL

tR = Tempo de Retenção (tempo decorrido entre a injeção e o ápice do pico cromatográfico)

tM = Tempo de Retenção do Composto Não-Retido (tempo mínimo para um composto que não interaja com a FE atravesse a coluna)

tR’ = Tempo de Retenção Ajustado (tempo médio que as moléculas do analito passam sorvidas na FE)

O parâmetro diretamente mensurável de retenção de um analito é o

TEMPO DE RETENÇÃO AJUSTADO, tR’:

Tempo de retenção ajustado (tr’)

Na cromatografia a gás, o tm , é normalmente considerado como sendo o tempo necessário para o metano percorrer a coluna.

tr’ = tr – tm

TEORIA BÁSICAVolume de Retenção Ajustado, VR‘

Embora não diretamente mensurável, o parâ-metro fundamental de retenção é o

VOLUME DE RETENÇÃO AJUSTADO, VR’:

vazão do gás de arraste

MRR ttt x CF

VR = Volume de Retenção (volume de gás de arraste necessário para eluir um analito)

VM = Volume de Fase Móvel (volume de gás de ar-raste contido na coluna; “volume morto”)

VR’ = Volume de Retenção Ajustado (volume de gás de arraste consumido enquanto o analito está sorvido na FE)

VR’ = f

Fatores termodinâmicos

Parâmetros dimensionais da coluna

TEORIA BÁSICAConstante de Distribuição, KC

Coluna cromatográfica: série de estágios independentes onde acontece o equilíbrio entre o analito dissolvido na fase estacionária e no gás de

arraste:

Ocorre um “quase-equilíbrio” entre o analito sorvido na FE e dissolvido no gás de arraste.

M

SC A

AK

KC = Constante de Distribuição

[A]S = concentração do analito na FE

[A]M = concentração do analito no gás

MENOR RETENÇÃO !!!

Volatilidade [A]M

Afinidade pela FE [A]S

TEORIA BÁSICAFator de Retenção, k

Exprimindo o equilíbrio em termos da MASSA do analito em cada fase, ao invés da concentração:

M

S

W

Wk

FATOR DE RETENÇÃO, k: razão entre as massas de analito contidas

na FE (Ws) e gás de arraste (WM)

S

M

V

VRAZÃO DE FASES, : razão entre

volumes de FE e gás de arraste na coluna

O fator de retenção k depende da constante termodinâmica de

distribuição KC e da razão de fases da coluna

TEORIA BÁSICARazão de Fases,

Depende das DIMENSÕES da coluna:L = comprimento da colunarC = raio

da coluna

df = espessura do filme de FE

fC

fC

dr

dr

2

2 rC >> df

dC / mm df / m

0.10 0.10 2500.20 0.11 4550.20 0.33 1520.25 0.25 2500.25 1.00 630.32 0.17 4710.32 0.52 1540.32 1.00 800.53 0.88 1510.53 2.65 500.53 5.00 27

Valores de para colunas capilares de dimensões

típicas:

Empacotadas:5 < < 50

TEORIA BÁSICARelações entre VR’, KC e

VR’ pode ser definido em função de KC e

VR’ depende diretamente da constante de distribuição do soluto entre a FE e o gás de arraste e das dimensões da coluna.

Outra combinação

possível:

É possível estimar tanto o fator de retenção quanto a constante de distribuição a

partir do cromatograma

TEORIA BÁSICAEficiência de Sistemas Cromatográficos

A migração um analito pela coluna provoca inevitavelmente o alargamento da sua banda:

TEMPO

Efeitos do alargamento excessivo de picos:Separação deficiente de analitos

com retenções próximas.Picos mais largos e menos

intensos = menor detectabilidade

EFICIÊNCIA Capacidade de eluição com o mínimo de dispersão do analito.

TEORIA BÁSICAQuantificação da Eficiência

Supondo a coluna cromatográfica como uma série de estágios separados onde ocorre o equilíbrio entre o analito, a FE e o gás de arraste:

Cada “estágio” de equilíbrio é chamado de PRATO TEÓRICO

O número de pratos teó-ricos de uma coluna (N) pode ser calculado por:

Coluna mais eficientetR

wb

N

TEORIA BÁSICAQuantificação da Eficiência

ALTURA EQUIVALENTE A UM PRATO TEÓRICO (H) “Tamanho” de cada estágio de equilíbrio

Valores típicos de H e N:

dC df H N

0.10 0.25 0.081 3703700.25 0.25 0.156 1923080.32 0.32 0.200 1500000.32 0.50 0.228 1315790.32 1.00 0.294 1020410.32 5.00 0.435 689660.53 1.00 0.426 704230.53 5.00 0.683 43924

2.16 10% 0.549 36432.16 5% 0.500 4000

Capilares, L = 30 m

Empacotadas, L = 2 m

Valores de H para colunas capilares e empacotadas são próximos, mas como L para capilares é MUITO maior tipicamente elas são mais

eficientes

(L = comprimento da coluna)

TEORIA BÁSICAOtimização da Eficiência

A altura equivalente a um prato téorico é função da velocidade linear média do gás de

arraste u:

H

uuMAX

HMIN

O valor de H pode ser minimizado otimizando-se a vazão de gás de

arraste

Relações algébricas entre H e u:

- Colunas Empacotadas: Equação de van Deemter

- Colunas Capilares: Equação de Golay

(A, B, C = constantes)

(B, CM, CS = constantes)

FASES ESTACIONÁRIASConceitos Gerais

LÍQUIDOS Depositados sobre a superfície de: sólidos porosos inertes (colunas empacotadas) ou de tubos finos de materiais inertes (colunas

capilares)

FElíquida

SUPORTESólido inerte

poroso

Tubo capilar de material inerte

SÓLIDOS Colunas recheadas com material finamente granulado (empacotadas) ou depositado sobre a superfície interna do tubo (capilar)

Para minimizar a perda de FE líquida por volatilização, normalmente ela é:

Entrecruzada: as cadeias poliméricas são

quimicamente ligadas entre si

Quimicamente ligadas: as cadeias poliméricas são “presas” ao suporte por ligações químicas

FASES ESTACIONÁRIASCaracterísticas de uma FE ideal

SELETIVA Deve interagir diferencialmente com os componentes da amostra.

Regra geral: a FE deve ter características tanto quanto possível próximas das dos solutos a serem separados (polar, apolar, aromático ...)

FE Seletiva: separação adequada dos

constituintes da amostra

FE pouco Seletiva: má resolução mesmo com

coluna de boa eficiência

FASES ESTACIONÁRIASCaracterísticas de uma FE ideal

AMPLA FAIXA DE TEMPERATURAS DE USO Maior flexibilidade na otimização da separação.

BOA ESTABILIDADE QUÍMICA E TÉRMICA Maior durabilidade da coluna, não reage com componentes da amostra

POUCO VISCOSA Colunas mais eficientes (menor resistência à transferência do analito entre fases)

DISPONÍVEL EM ELEVADO GRAU DE PUREZA Colunas reprodutíveis; ausência de picos “fantasma” nos cromatogramas.

FASES ESTACIONÁRIASFE Sólidas: Adsorção

O fenômemo físico-químico responsável pela interação analito + FE sólida é a ADSORÇÃO

A adsorção ocorre na interface entre o gás de arraste e a FE sólida

ADSORÇÃO

Sólidos com grandes áreas superficiais (partículas finas, poros)

Solutos polares

Sólidos com grande número de sítios ativos (hidroxilas, pares de eletrons...)

FASES ESTACIONÁRIASFE Sólidas

Características Gerais: - Sólidos finamente granulados (diâmetros de partículas típicos de 105 µm a 420 µm).- Grandes áreas superficiais (até 102 m2/g).

Mais usados:

Polímeros Porosos Porapak (copolímero estireno-divi-nilbenzeno), Tenax (polióxido de difenileno)

Sólidos Inorgânicos Carboplot, Carboxen (carvões ativos grafitizados), Alumina, Peneira Molecular (argila microporosa)

GASES DE REFINARIAColuna: Carboxen-1000

60-80 mesh; 15’ x 1/8”TCOL: 35oC a 225oC / 20oC.

min-1

Gás de Arraste: He @ 30 ml.min-1

Detector: TCD

Principais Aplicações:- Separação de gases fixos- Compostos leves- Séries homólogas

FASES ESTACIONÁRIASFamílias de FE Líquidas

POLIGLICÓIS Muito polares; sensíveis a umidade e oxidação; ainda muito importantes. Principal: Polietilenoglicol (nomes comerciais: Carbowax, DB-Wax, Supelcowax, HP-Wax, etc.)

CH2 CH2OH OH

n

Estrutura Química:

AMINAS ALIFÁTICASColuna:4 % Carbowax 20M s/ Carbopack B + 0,8% KOH

TCOL: 200oC (isotérmico) Gás de Arraste: N2 @ 20 mL.min-1

Detector: FID Amostra: 0,01 L da mistura de aminas

Demonstrações Analíticas

•Análise de Beta-sitosterol em Alimentos•Análise de Hidrocarbonetos

Colesterol Beta-Sitosterol

Estrutura

Adicionado em barra de cereais

Pesagem de uma determinada massa da barra

Extração com clorofórmio

Centrifugação

Extratos em Clorofórmio

Preparação do Padrão Stock – Pesagem do Beta-Sitosterol e do Colesterol

Diluição com Clorofórmio

Preparação dos Padrões de Trabalho – P1, P2 e P3

Cromatógrafo Varian CP3800

Hidrogênio Ar Sintético Nitrogênio

Distribuição de Gases

Vista Superior

TCD

FID

Injetor

Vista Detectores

Vista do Forno

Coluna

Capilar

Injeção de Amostra

Cromatografia Quantitativa

Análise de Beta-sitosterol

•Calibração Interna

•Calibração Externa

Ver planilha Excel e Files

Análise de Hidrocarbonetos

•Calibração Interna

•Calibração Externa

Ver planilha Excel e Files

Cal, Cal2 e Cal3

Cromatografia gasosa

Documents

Transcript of Cromatografia gasosa