Cromatografia gasosa
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Cromatografia Gasosa. Petruccio Tenório Medeiros. éter de petróleo. mistura de pigmentos. CaCO 3. pigmentos separados. CROMATOGRAFIA Histórico. M. TSWEET (1903): Separação de misturas de pigmentos vegetais em colunas recheadas com adsorventes sólidos e solventes variados.

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Presentation Transcript
Cromatografia gasosa

Cromatografia Gasosa

Petruccio Tenório Medeiros


éter de

petróleo

mistura de

pigmentos

CaCO3

pigmentos

separados

CROMATOGRAFIA

Histórico

M. TSWEET (1903): Separação de misturas de

pigmentos vegetais em colunas recheadas com

adsorventes sólidos e solventes variados.

Cromatografia =

kroma [cor] + graph [escrever]

(grego)


CROMATOGRAFIA

Princípio Básico

Separação de misturas por interação diferencial dos seus

componentes entre uma FASE ESTACIONÁRIA (líquido ou

sólido) e uma FASE MÓVEL (líquido ou gás).


CROMATOGRAFIA

Modalidades e Classificação

Cromatografia

Líquida

FM = Líquido

Cromatografia

Gasosa (CG)

FM = Gás

Cromatografia

Gás-Sólido (CGS)

Sólida

Em CG a FE

pode ser:

Cromatografia

Gás-Líquido (CGL)

Líquida


1940

1950

1960

CROMATOGRAFIA GASOSA

Histórico

“CGS” rudimentar

CGL proposta (Martin e Synge)

Separação de ácidos orgâni-cos por CGL: primeiro cro-matógrafo (Martin e James)

Primeiro equipamento comer-cial (Griffin & George)

Detector por Densidade de Gás (Martin e James)

Detector por Ionização em Chama (McWillian e Dewar)

Detector por Captura de Eletrons (Lovelock e Lipsky)

Colunas Capilares (Golay)

Presentemente:

Vendas de equipamentos e acessórios para CG nos EUA

estimadas em mais de US$ 750.000.000 (1995).


CROMATOGRAFIA GASOSA

Aplicabilidade

Quais misturas podem ser separadas por CG ?

(para uma substãncia 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

6

2

4

5

3

O Cromatógrafo a Gás

1 - Reservatório de Gás e Controles de Vazão / Pressão.

2 - Injetor (Vaporizador) de Amostra.

3 - Coluna Cromatográfica e Forno da Coluna.

4 - Detector.

5 - Eletrônica de Tratamento (Amplificação) de Sinal.

6 - Registro de Sinal (Registrador ou Computador).

Observação: em vermelho: temperatura controlada


oxida / hidroliza algumas FE

incompatíveis com DCE

H2O, O2

hidrocarbonetos

ruído no sinal de DIC

INSTRUMENTAÇÃO

Gás de Arraste

Fase Móvel em CG: NÃO interage com a amos-

tra - apenas a carrega através da coluna. Assim é usualmente referida como GÁS DE ARRASTE

Requisitos:

INERTE Não deve reagir com a amostra, fase estacionária ou superfícies do instrumento.

PURO Deve ser isento de impurezas que possam degradar a fase estacionária.

Impurezas típicas em gases e seus efeitos:


A = 99,995 % (4.5)

B = 99,999 % (5.0)

C = 99,9999 % (6.0)

C

CUSTO

B

A

PUREZA

DCT

He , H2

DIC

N2 , H2

DCE

N2 (SS), Ar + 5% CH4

INSTRUMENTAÇÃO

Gás 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:


Componentes necessários à linha de gás:

controladores de vazão / pressão de gás

dispositivos para purificação de gás (“traps”)

3

6

4

2

1

5

INSTRUMENTAÇÃO

Alimentação de Gás de Arraste

1 - Cilindro de Gás

2 - Regulador de Pressão Primário

3 - “Traps” para eliminar impurezas do gás

4 - Regulador de Pressão Secundário

5 - Regulador de Vazão (Controlador Diferencial de Fluxo)

6 - Medidor de Vazão (Rotâmetro)

Nota: Tubos e Conexões: Aço Inox ou Cobre


t = 0

t = x

t = 0

t = x

INSTRUMENTAÇÃO

Dispositivos 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:


1

2

3

4

INSTRUMENTAÇÃO

Injetor “on-column” Convencional

1 - Septo (silicone)

2 - Alimentação de gás de arraste)

3 - Bloco metálico aquecido

4 - Ponta da coluna cromatográfica


1

3

2

INSTRUMENTAÇÃO

Injeção “on-column” de líquidos

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.


Amostras

Líquidas

Amostras

Gasosas

COLUNA

empacotada

 = 3,2 mm (1/4”)

0,2 L ... 20 L

0,1 ml ... 50 mL

capilar

 = 0,25 mm

0,01 L ... 3 L

0,001 ml ... 0,1 mL

INSTRUMENTAÇÃO

Parâmetros de Injeção

TEMPERATURA DO INJETOR Deve ser sufi-cientemente elevada para que a amostra vapo-rize-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

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


Microseringa de 10  L:

agulha (inox 316)

êmbolo

corpo (pirex)

Microseringa de 1  L (seção ampliada):

corpo

agulha

guia

êmbolo (fio de aço soldado ao guia)

INSTRUMENTAÇÃO

Microsseringas para Injeção

LÍQUIDOSCapacidades típicas: 1 L, 5 L e 10 L


INSTRUMENTAÇÃO

Colunas: Definições Básicas

EMPACOTADA

 = 3 a 6 mm

L = 0,5 m a 5 m

Recheada com sólido pul-verizado (FE sólida ou FE líquida depositada sobre as partículas do recheio)

CAPILAR

 = 0,1 a 0,5 mm

L = 5 m a 100 m

Paredes internas recober-tas com um filme fino (fra-ção de m) de FE líquida ou sólida


Estrutura química

do analito

p0 = f

Temperatura

da coluna

Temperatura

da

coluna

Pressão

de

vapor

Velocidade

de

migração

INSTRUMENTAÇÃO

Temperatura 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).

ANALITO ELUI MAIS RAPIDA-MENTE (MENOR RETENÇÃO)


INSTRUMENTAÇÃO

Temperatura da Coluna

TEMPERATURA DA COLUNA

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


INSTRUMENTAÇÃO

Forno da Coluna

Características Desejáveis de um Forno:

AMPLA FAIXA DE TEMPERATURA DE USOPelo menos de Tambiente até 400oC. Sistemas criogênicos (T < Tambiente) podem ser necessários em casos especiais.

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

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


FÁCIL ACESSO À COLUNAA operação de troca de coluna pode ser frequente.

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

TEMPERATURA ESTÁVEL E REPRODUTÍVEL

A temperatura deve ser mantida com exatidão e precisão de ± 0,1°C.

INSTRUMENTAÇÃO

Forno da Coluna

Características Desejáveis de um Forno:

Em cromatógrafos modernos (depois de 1980),

o controle de temperatura do forno é totalmente operado por microprocessadores.


FÁCIL ACESSO À COLUNAA operação de troca de coluna pode ser frequente.

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

TEMPERATURA ESTÁVEL E REPRODUTÍVEL

A temperatura deve ser mantida com exatidão e precisão de ± 0,1°C.

INSTRUMENTAÇÃO

Forno da Coluna

Características Desejáveis de um Forno:

Em cromatógrafos modernos (depois de 1980),

o controle de temperatura do forno é totalmente operado por microprocessadores.


TCOL BAIXA:

- Componentes mais voláteis são separados

- Componentes menos volá-teis demoram a eluir, saindo como picos mal definidos

TCOL ALTA:

- Componentes mais volá-teis não são separados

- Componentes menos volá-teis eluem mais rapidamente

INSTRUMENTAÇÃO

Programação Linear de Temperatura

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


Consegue-se boa separação dos componentes da amostra em menor tempo

TINITemperatura Inicial

TFIM

TFIMTemperatura Final

R

TEMPERATURA

tINITempo Isotérmico Inicial

TINI

tFIMTempo Final do Programa

tFIM

tINI

RVelocidade de Aquecimento

TEMPO

INSTRUMENTAÇÃO

Programação Linear de Temperatura

A temperatura do forno pode ser variada linearmente durante a separação:

Parâmetros de uma programação de temperatura:


viscosidade menor tempo

vazão

INSTRUMENTAÇÃO

Programação Linear de Temperatura

Possíveis problemas associados à PLT:

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

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


INSTRUMENTAÇÃO menor tempo

Detectores

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

Gráfico Sinal x Tempo = CROMATOGRAMA

Idealmente: cada substância separada aparece

como um PICO no cromatograma.


DETECTOR POR CONDUTIVIDADE TÉRMICA ( menor tempoDCT 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.

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

ANALÓGICO

Registradores XY

REGISTRO

DE

SINAL

DIGITAL

Integradores

Computadores

INSTRUMENTAÇÃO

Detectores

Mais Importantes:


t menor tempoR

tR’= tR-tM

SINAL

tM

TEMPO

tR = Tempo de Retenção (tempo decorrido entre a in-jeção 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)

TEORIA BÁSICA

Tempo de Retenção Ajustado, tR‘

O parâmetro diretamente mensurável de retenção de um analito é o

TEMPO DE RETENÇÃO AJUSTADO, tR’:


vazão do gás de arraste menor tempo

x

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)

Fatores termodinâmicos

VR’ = f

Parâmetros dimensionais da coluna

TEORIA BÁSICA

Volume de Retenção Ajustado, VR‘

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

VOLUME DE RETENÇÃO AJUSTADO, VR’:


Ocorre um “quase-equilíbrio” en-tre o analito sorvido na FE e dis-solvido no gás de arraste.

KC = Constante de Distribuição

[A]S = concentração do analito na FE

[A]M = concentração do analito no gás

[A]S

Afinidade pela FE

MENOR RETENÇÃO !!!

[A]M

Volatilidade

TEORIA BÁSICA

Constante de Distribuição,KC

Coluna cromatográfica: série de estágios inde-pendentes onde acontece o equilíbrio entre o analito dissolvido na fase estacionária e no gás de arraste:


FATOR DE RETENÇÃO, k na FE e dis-solvido no gás de arraste.: razão entre as massas de analito contidas na FE (Ws) e gás de arraste (WM)

RAZÃO DE FASES, b: razão entre volumes de FE e gás de arraste na coluna

O fator de retenção k depen-de da constante termodi-nâmica de distribuição KC e da razão de fases b da coluna

TEORIA BÁSICA

Fator de Retenção,k

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


L = comprimento da coluna na FE e dis-solvido no gás de arraste.

rC = raio

da coluna

df = espessura do filme de FE

rC >> df

Valores de b para colunas capilares de dimensões típicas:

Empacotadas:

5 < b < 50

TEORIA BÁSICA

Razão de Fases,b

Depende das DIMENSÕES da coluna:


Outra combinação possível: na FE e dis-solvido no gás de arraste.

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

TEORIA BÁSICA

Relações entre VR’, KC eb

VR’ pode ser definido em função de KC e b:

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


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

TEMPO

Picos mais largos e menos intensos = menor detectabilidade

Separação deficiente de analitos com retenções próximas.

TEORIA BÁSICA

Eficiência de Sistemas Cromatográficos

Efeitos do alargamento excessivo de picos:

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


Cada “estágio” de equilíbrio é chamado de o alargamento da sua bandaPRATO TEÓRICO

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

tR

Coluna mais eficiente

N

wb

TEORIA BÁSICA

Quantificação 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:


(L = comprimento da coluna) o alargamento da sua banda

Capilares, L = 30 m

Empacotadas, L = 2 m

TEORIA BÁSICA

Quantificação da Eficiência

ALTURA EQUIVALENTE A UM PRATO TEÓRI-CO (H) “Tamanho” de cada estágio de equilíbrio

Valores típicos de H e N:

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


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

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

H

HMIN

uMAX

u

Relações algébricas entre H e u:

(A, B, C = constantes)

(B, CM, CS = constantes)

TEORIA BÁSICA

Otimização da Eficiência

- Colunas Empacotadas: Equação de van Deemter

- Colunas Capilares: Equação de Golay


FE velocidade linear média do gás de arraste

líquida

SUPORTE

Sólido inerte poroso

Tubo capilar de material inerte

Entrecruzada: as cadeias poliméricas são quimicamente ligadas entre si

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

FASES ESTACIONÁRIAS

Conceitos Gerais

LÍQUIDOSDepositados sobre a superfície de: só-lidos porosos inertes (colunas empacotadas) ou de tubos finos de materiais inertes (colunas capilares)

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

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


SELETIVA velocidade linear média do gás de arraste Deve interagir diferencialmente com os componentes da amostra.

FE Seletiva: separação adequada dos constituintes da amostra

FE pouco Seletiva: má resolução mesmo com coluna de boa eficiência

FASES ESTACIONÁRIAS

Características de uma FE ideal

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


AMPLA FAIXA DE TEMPERATURAS DE USO velocidade linear média do gás de arraste Maior flexibilidade na otimização da separação.

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

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

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

FASES ESTACIONÁRIAS

Características de uma FE ideal


Sólidos com grandes áreas superficiais (partículas finas, poros)

Solutos polares

ADSORÇÃO

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

FASES ESTACIONÁRIAS

FE Sólidas: Adsorção

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

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


- Sólidos finamente granulados (diâmetros de par- poros)

tículas típicos de 105 µm a 420 µm).

- Grandes áreas superficiais (até 102 m2/g).

- Separação de gases fixos

- Compostos leves

- Séries homólogas

Principais Aplicações:

FASES ESTACIONÁRIAS

FE Sólidas

Características Gerais:

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 REFINARIA

Coluna: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


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

Estrutura Química:

FASES ESTACIONÁRIAS

Famílias de FE Líquidas

AMINAS ALIFÁTICAS

Coluna: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 mL da mistura de aminas


PARAFINAS poros)Apolares; alta inércia química; praticamente abandonadas. Principais: esqua-lano (C30H62), Apiezon (graxas para vácuo).

POLIÉSTERESÉsteres de diálcoois com di-ácidos. Polares; altamente sensíveis a umidade e oxidação; uso em declínio. Principais: DEGS, EGA, EGS.

FASES ESTACIONÁRIAS

Famílias de FE Líquidas

Maior parte das aplicações em CG moderna

Quatro grandes grupos estruturais:

ÉSTERES METÍLICOS DE ÁCIDOS GRAXOS

Coluna:5%DEGS-PS s/ Supel-coport 100/120 mesh; 6’ x 1/8”

TCOL: 200oC (isotérmico)

Gás de Arraste: N2 @ 20 ml.min-1

Detector: FID

Amostra: 0,5 mL de solução em clorofórmio contendo 0,5 mg de cada éster


Filmes espessos de FE líquida poros)

Grande superfície líquida exposta ao gás de arraste

ABSORÇÃO

Interação forte entre a FE líquida e o analito (grande solubilidade)

FASES ESTACIONÁRIAS

FE Líquidas: Absorção

O fenômemo físico-químico responsável pela interação analito + FE líquida é aABSORÇÃO

A absorção ocorre no interior do filme de FE líquida (fenômeno INTRAfacial)


SILICONES (polisiloxanas) poros)As FE mais em-pregadas em CG. Cobrem ampla faixa de pola-ridades e propriedades químicas diversas.

R1, R2 = qualquer

radical orgânico

FASES ESTACIONÁRIAS

Famílias de FE Líquidas

- Ligação Si-O extremamente estável = elevada estabilidade térmica e química das FE.

- Silicones são fabricados em larga escala para diversas aplicações = minimização de custo do produto + tecnologia de produção e purificação largamente estudada e conhecida.

- Praticamente qualquer radical orgânico ou inorgânico pode ser ligado à cadeia polimérica = FE “ajustáveis” a separações específicas + facilidade de imobilização por entrecruzamento e ligação química a suportes


FASES ESTACIONÁRIAS poros)

Famílias de FE Líquidas

FE derivadas de polidimetilsiloxano (PDMS) por substituição de -CH3 por radicais orgânicos, em ordem crescente aproximada de polaridade:

Diferenças entre FE de composição similar provenientes de fornecedores diferentes: pureza, viscosidade.


Gás de Arraste: poros)He @ 35 cm.min-1

Detector: FID

FASES ESTACIONÁRIAS

Famílias de FE Líquidas

Separação de pesticidas - FE = 100 % PDMS

1 - TCNB

2 - Dichloram

3 - Lindano

4 - PCNB

5 - Pentacloroanilina

6 - Ronilano

7 - Antor

8 - pp’-DDE

9 - Rovral

10 - Cypermetrin

11 - Decametrin

17 min

Coluna: CP-Sil 5 (25 m x 0,32 mm x 0,12 mm)

TCOL:195oC (6,5 min) / 195oC a 275oC (10oC.min-1)

Amostra: 2mL de solução dos pesticidas “on-column”


1 poros) - piridina

2 - 2-metilpiridina

3 - 2,6-dimetilpiridina

4 - 2-etilpiridina

5 - 3-metilpiridina

6 - 4-metilpiridina

3 min

Detector: FID

Gás de Arraste: N2 @ 16 cm.min-1

FASES ESTACIONÁRIAS

Famílias de FE Líquidas

Separação de piridinas - FE = 100 % CNpropilsilicone

Coluna: CP-Sil 43CB (10 m x 0,10 mm x 0,2 mm)

TCOL:110oC (isotérmico)

Amostra: 0,1mL de solução 1-2% das piridinas em 3-metilpiridina


50% Ph poros)

50% Me

5% Ph

95% Me

FASES ESTACIONÁRIAS

Famílias de FE Líquidas

Separação de fenóis - FE = fenilmetilsilicones


PRODUTOS BIOLÓGICOS poros)Distinção entre pro-dutos de origem sintética e natural (natural = normal-mente substâncias oticamente puras; sintético = mui-tas vezes são misturas racêmicas).

FÁRMACOSEm muitos fármacos apenas um dos isômeros óticos têm atividade farmacológica.

Propriedades físico-químicas de isômeros óticos são MUITO SIMILARES

FE convencionais não interagem diferencialmente com isômeros óticos

FASES ESTACIONÁRIAS

FE Quirais

Separação de isômeros óticos:

Separação de misturas de isômeros óticos só é possível com FE oticamente ativas

=

FE Quirais


Organometálicos poros):

Separação de enantiômeros formadores de complexos.

/ 2

Chiralsil-Metal

FASES ESTACIONÁRIAS

FE Quirais

FE oticamente ativas mais importantes:

Derivados de aminoácidos:

Misturas de compostos formadores de pontes de hidrogênio.

Chiralsil-Val


b poros)-ciclodextrina: oligosacarídeo cíclico quiral

Chiralsil-Dex

FASES ESTACIONÁRIAS

FE Quirais

Derivados de ciclodextrinas alquiladas:

- Introduzidas em 1983

- Quando ligadas a cadeias de polisiloxano: uso extremamente favorável como FE líquida (viscosidade baixa, estabilidade ...)

- Podem ser quimicamente imobilizadas nas colunas

- Colunas disponíveis comercialmente


1 poros)- (+/-) a-pineno

2- sabineno

3- (+/-) b-pineno

4- (+/-) limoneno

Gás de Arraste: H2 @ 80 cm.min-1

Detector: FID

FASES ESTACIONÁRIAS

FE Quirais: Aplicações

Óleo essencial artificial de limão: separação de terpenos primários

Coluna: Rt-ßDEXsm (30 m x 0.32 mm x 0.25 µm)

TCOL:1 min a 40°C / 2°C min-1 / 3 min a 200°C


Óleo essencial natural poros)

Essência artificial

Gás de Arraste: He @ 80 cm.min-1

Detector: MS

FASES ESTACIONÁRIAS

FE Quirais: Aplicações

Aroma de bergamota: distinção entre aroma natural e artificial

Coluna: Rt-ßDEXse (30 m x 0.32 mm x 0.25 µm)

TCOL:1 min a 40°C / 4°C min-1 / 200°C


Gás de Arraste: poros) He @ 25 cm.min-1

Detector: MS

FASES ESTACIONÁRIAS

FE Quirais: Aplicações

Anfetaminas: resolução dos isômeros

Coluna: Rt-ßDEXcst (30 m x 0.25 mm x 0.25 µm)

TCOL:1 min a 120°C / 1,5°C min-1 / 3 min A 175°C


aço inox poros)

MATERIAL

DO

TUBO

ø = 3 mm a 6 mm

vidro pirex

níquel

L = 0,5 m a 5 m

TEFLON

dp

MESH

177 - 250 mm

60 - 80 mesh

Granulometria

do

recheio

149 - 177 mm

80 - 100 mesh

125 - 149 mm

100 - 120 mesh

- Diminuição de dC

Limitados pela resistência à passagem de gás de arraste

- Diminuição de dp

- Recheio regular

COLUNAS EMPACOTADAS

Definições Básicas

Tubo de material inerte recheado com FE sólida gra-nulada ou FE líquida depositada sobre suporte sólido.

Eficiência maximizada com:


área superficial entre 0,5 e 10 m poros)2.g-1

A FE líquida deve ser disposta sobre um SUPORTEsólido

microporos regulares (~ 1 mm)

NÃO interagir com a amostra

boa resistência mecânica

Esqueletos fósseis (SiO2 + óxidos metálicos) de algas microscópicas

Chromosorb

Anachrom

Supelcoport

...

COLUNAS EMPACOTADAS

FE Líquidas: Suporte

Uso quase universal:TERRA DIATOMÁCEA

secagem

calcinação

fusão com soda

lavagem com ácido

silanização


Chromosorb P poros)Róseo, muito ativo.

Chromosorb WBranco, mais inerte que o P.

Ordem crescente

de inércia

Chromosorb GSimilar ao W, maior resistência mecânica

Tratamentos especiais:

AWLavado com ácido, para remoção de metais

NAWSem lavagem com ácido

HPouDMCSouHDMSSilanizados (menor adsorção)

COLUNAS EMPACOTADAS

FE Líquidas: Suporte

Chromosorb - características gerais


Maior eficiência ( poros)d f = N)

Menor sangria da FE com temperatura programada

Separações rápidas e em temperaturas menores

% FE

Maiores volumes de amostra

Melhor blindagem dos sítios adsortivos do suporte

Melhor reprodutibilidade no preparo do recheio

COLUNAS EMPACOTADAS

FE Líquidas: Carga de FE

df = f (% FE no recheio)

TIPICAMENTE % FE = 1 % a 30 % do recheio


sílica fundida poros)

ø = 0,1 mm

a 0,5 mm

MATERIAL

DO

TUBO

vidro pirex

aço inox

L = 5 m

a 100 m

Nylon

Silcosteel

L =  N Colunas mais eficientes

FC = 1 ... 10 mL.min-1Controle de vazão mais difícil

CAPILARES

ViDispositivos especiais de injeção

COLUNAS CAPILARES

Definições Básicas

Tubo fino de material inerte com FE líquida ou sólida depositada sobre as paredes internas.

Colunas de sílica são revestidas externamente com camada de polímero (poliimida) para aumentar resistência mecânica e química

Colunas Capilares x Empacotadas:

Famílias de Colunas Capilares :

WCOT(Wall coated open tube) FE liquida deposida (ligada // entrecruzada) sobre as paredes internas.

PLOT(Porous layer open tube) Camada de FE sólida presa às paredes internas

SCOT(Support coated open tube) Predes internas revestidas com material de recheio similar ao das colunas empacotadas


Valores comuns: poros)

0,25 mm

0,10 mm

0,53 mm

0,32 mm

1

3

2

Colunas de altíssima eficiência (amostras complexas, “Fast GC”); capacidade volumétrica limitada de processamento de amostra

1

Diâmetros mais comuns; capacidade volumétrica limitada de amostra requer dispositivos especiais de injeção

2

Colunas “megabore”: menor eficiência, mas maior capacidade de processamento permite uso de injetores convencionais

3

COLUNAS CAPILARES

Diâmetro Interno

 dC =  Eficiência


Gás de Arraste: poros) He @ 90 ml.min-1

Detector: FID

COLUNAS CAPILARES

“Fast GC”: Colunas Capilares Finas

Além de colunas finas: necessário controle acurado de vazão (controle eletrônico de pressão) e altas velocidades de aquecimento da coluna.

Destilação simulada de óleo diesel:

Coluna: HP-1 (1 m x 0.10 mm x 0.40 µm)

TCOL:35°C / 40°C min-1 / 0,75 min A 310°C


Baixa capacidade de processamento de amostra (sub-microlitro)

Injeção direta com microseringa muito difícil !!!

1

2

1 - Septo;

2 - Entrada de gás de arraste;

3 - “Liner” (misturador);

4 - Coluna Capilar

5 - Purga de gás de arraste;

6 - Válvula de controle de purga.

3

5

4

6

COLUNAS CAPILARES

Colunas Capilares: Injeção

Injetores com divisão (“splitters”) Sistema pneumático despreza fração da amostra injetada

- Menor sensibilidade (boa parte da amostra é desprezada)

- Divisão da amostra raramente é uniforme (fração purgada dos constituintes menos voláteis é sempre menor)

- Ajuste da razão de divisão é mais uma fonte de erros


COLUNAS CAPILARES (sub-microlitro)

Large Volume Injection (LVI)

Combinando injetores com temperatura programada, vál-vulas controladas por microprocessador e pré-colunas pode ser feita injeção de grandes volumes (> 100 m L) de amostra

1Colunas e injetor frios; válvula de purga aberta (solvente é eliminado)

2Colunas e injetor aquecidos; válvula de purga fechada (constituintes de interesse transferidos para coluna analítica)


Gás de Arraste: (sub-microlitro) He @ 2 ml.min-1

Detector: FID

COLUNAS CAPILARES

Large Volume Injection (LVI)

Separação de PAH com LVI (Vinj = 25 mL, solução 400 ppb em CH2Cl2)

Coluna: HP-5 (30 m x 0.25 mm x 0.25 µm)

TCOL: 5 min a 50°C / 20°C min-1 / 2 min A 320°C


“Feixes” paralelos de colunas capilares com d (sub-microlitro)C convencional

Separação de explosivos em coluna multicapilar (OV-17, 1000 capilares x 6 m)

1 - 2,6-DNT

2 - 2,4-DNT

3 - 2,4,6-TNT

4 - 3,4,5-TNT

5 - 2,3,4-TNT

6 - RDX ?

7 - tetryl

COLUNAS CAPILARES

Colunas Multicapilares

- Eficiência próxima à das colunas convencionais

- Capacidade similar à das colunas empacotadas

- Colunas mais curtas: análises mais rápidas


DETECTORES (sub-microlitro)

Definições Gerais

Dispositivos que geram um sinal elétrico proporcional à quantidade eluida de um analito

~ 60 detectores já usados em CG

~ 15 equipam cromatógrafos comerciais

4 respondem pela maior parte das aplicações

DCTTCD

Detector por

Condutividade

Térmica

DICFID

Detector por

Ionização em

Chama

DCEECD

Detector por

Captura de

Eletrons

EMMS

Detector Es-pectrométrico de Massas


S (sub-microlitro)

= 3

N

SINAL (S)

RUÍDO (N)

Contaminantes nos gases

Fontes

de

Ruído

Impurezas acumuladas no detector

Aterramento elétrico deficiente

DETECTORES

Parâmetros Básicos de Desempenho

QUANTIDADE MÍNIMA DETECTÁVELMassa de um analito que gera um pico com altura igual a três vezes o nível de ruído

RUÍDOQualquer componente do sinal gerado pelo detector que não se origina da amostra


w (sub-microlitro)b

Detector (sinal gerado, ruído)

QMD = f

Largura do pico cromatográfico

Definindo limite de detecção como:

[QMD] =

massa

(ng, pg ...)

[LD] =

massa / tempo

(ng.s-1, pg.s-1 ...)

DETECTORES

Parâmetros Básicos de Desempenho

LIMITE DE DETEÇÃOQuantidade de analito que gera um pico com S/N = 3 e wb = 1 unidade de tempo

Mesmo detector, nível de ruído e massa de analito MAS diferentes larguras de base:

LD é independente da eficiência do sistema cromatográfico !


t (sub-microlitro)

Constante de Tempo, t : tempo necessário para o sinal chegar a 63,2 % FSD (full scale deflection = fundo de escala) após a entrada de amostra

SINAL

63,2% FSD

TEMPO

t Rmedido > t R real

w medida > w real

t >> w0.5

Deformação no pico (cauda)

Diminuição do ruído (“damping”)

DETECTORES

Parâmetros Básicos de Desempenho

VELOCIDADE DE RESPOSTATempo decorrido entre a entrada do analito na cela do detector e a geração do sinal elétrico.

A constante de tempo do sistema (detector + dispositivos de registro de sinal) igual ou menor a 10% da largura a meia altura (w0.5) do pico mais estreito do cromatograma


Fator de Resposta, S (sub-microlitro): inclinação da reta Área do pico x Massa do analito

ÁREA

MASSA

o mesmo incremento de massa causa um maior incremento de área

S

Sensibilidade

A = área do pico cromatográfico

m = massa do analito

DETECTORES

Parâmetros Básicos de Desempenho

SENSIBILIDADERelação entre o incremento de área do pico e o incremento de massa do analito

Na ausência de erros determinados:


A partir de certo ponto o sinal não aumenta mais linearmente

ÁREA

MASSA

1,05 S

ÁREA / MASSA

0,95 S

MASSA

DETECTORES

Parâmetros Básicos de Desempenho

FAIXA LINEAR DINÂMICAIntervalo de massas dentro do qual a resposta do detector é linear

O fim da zona de linearidade pode ser detectado quando a razão (Área / Massa) diverge em mais de 5 % da inclinação da reta na região linear:


DETECTORES linearmente

Classificação

UNIVERSAIS:

Geram sinal para qualquer

substância eluida.

SELETIVOS:

Detectam apenas substâncias

com determinada propriedade

físico-química.

ESPECÍFICOS:

Detectam substâncias que

possuam determinado elemento

ou grupo funcional em suas

estruturas


A taxa de transferência de calor entre um linearmentecorpo quente e um corpo frio depende da condutividade térmica do gás no espaço que separa os corpos

Cela de Detecção do DCT:

i

1 Bloco metálico (aço)

2 Entrada de gás de arraste

3 Saída de gás de arraste

4 Filamento metálico (liga W-Re) aquecido

5 Alimentação de corrente elétrica para aquecimento do filamento

5

3

Se a condutividade térmica do gás diminui, a quantidade de calor transferido também diminui - o corpo quente se aquece.

4

2

1

DETECTORES

Detector por Condutividade Térmica

PRINCÍPIOVariação na condutividade térmica do gás quando da eluição de um analito.


CELAS DA AMOSTRA linearmente

CELAS DA

AMOSTRA

CELAS DE REFERÊNCIA

CORTE SUPERIOR

CORTE LATERAL

CELAS DE REFERÊNCIA

Resistência elétrica dos filamentos nas celas de amostra aumenta

Filamentos nas celas de amostra se aquecem

Diferença de resistência elétrica entre os filamentos de amostra e referência

Resistência elétrica dos filamentos nas celas de referência fica constante

Filamentos nas celas de referência não se aquecem

DETECTORES

Detector por Condutividade Térmica

Configuração tradicional do DCT: bloco metálico com quatro celas interligadas em par - por duas passa o efluente da coluna e por duas, gás de arraste puro:

Quando da eluição de um composto com condutividade térmica menor que a do gás de arraste puro:


V linearmenteFonte de CC / Bateria (18 V a 36 V, típico)

FAjuste da corrente nos filamentos

IMedida da corrente nos filamentos (100 mA - 200 mA, típico)

B1 B2Balanceamento / ajuste de zero

R1 R2Filamentos das celas de referência

A1 A2Filamentos das celas de amostra

DETECTORES

Detector por Condutividade Térmica

Os filamentos do DCT são montados numa ponte de Wheatstone que transforma a diferença de resistência quando da eluição de amostra numa diferença de voltagem:


F linearmentec = 0

VARIAÇÃO DA VAZÃO DE GÁS DE ARRASTE DURANTE A ELUIÇÃO

VAZÃO DE GÁS DE ARRASTE CONSTANTE DURANTE A ELUIÇÃO

DETECTORES

Características Operacionais do DCT

SELETIVIDADEObserva-se sinal para qualquer subs-tância eluida diferente do gás de arraste = UNIVERSAL

SENSIBILIDADE / LINEARIDADEDependendo da configuração particular e do analito: QMD = 0,4 ng a 1 ng com linearidade de 104 (ng - dezenas de mg)

VAZÃO DE GÁS DE ARRASTEO sinal é proporcional à concentração do analito no gás de arraste que passa pela cela de amostra.

Com DCT, a área dos picos cromatográficos é MUITO dependente da vazão do gás de arraste !!!


Como: linearmente

(M = massa molecular)

outro gás

He ou H2

2

1

1

2

Usando He ou H2 como gás de arraste, Dl é maximizado: MAIOR RESPOSTA

1

Com outros gases, eventualmente

lX > lA: PICOS NEGATIVOS

2

DETECTORES

Características Operacionais do DCT

NATUREZA DO GÁS DE ARRASTEQuanto maior a diferença Dl entre a condutividade térmica do gás de arraste puro, lA, e do analito, lX, maior a resposta.

QUANTO MENOR A MASSA MOLECULAR DO GÁS DE ARRASTE, MAIOR A RESPOSTA

Gás de arraste com DCT:He ou H2


Dl linearmente

lX

Os fatores de resposta dependem da condutividade térmica do analito

Quantidades iguais de substâncias diferentes geram picos cromatográficos com áreas diferentes !!!

CHCl3

Mistura de quantidades equimolares de:

C2H5OH

C2H6

Etano l = 17,5

Clorofórmio l = 6,0

Etanol l = 12,7

DETECTORES

Características Operacionais do DCT

FATORES DE RESPOSTAQuanto menor a condutividade térmica do analito, maior o sinal.


Temperatura do filamento, T linearmenteF: entre 300oC e 350oC. É função da corrente de alimentação dos filamentos, i.

i

TF

Sinal

Limitações:

- Correntes excessivas podem fundir o filamento (Ø típicos do filamento = 20 mm)

- Diminuição do tempo de vida útil dos filamentos (oxidação por traços de O2 no gás de arraste)

Temperatura do bloco, TB: mantida tão baixa quanto possível

Sinal

TB

Limitação:

- Temperaturas excessivamente baixas podem provocar a condensação de analitos nas celas (erros analíticos, danos aos filamentos)

DETECTORES

Características Operacionais do DCT

TEMPERATURAS DE OPERAÇÃOQuanto maior a diferença entre a temperatura dos filamentos e do bloco metálico maior a resposta.


Separação de Gases Fixos e Hidrocarbonetos linearmente:

Coluna: CP Sil 5CB

(50 m x 0.32 mm x 5 µm)

Gás de Arraste: He @ 3 ml.min-1

TCOL: 40°C

Detector: DCT

1 N22 CH4

3 CO24 n-C2

5 NH36 n-C3

7 i-C48 n-C4

DETECTORES

DCT: Aplicações

1Separação e quantificação de compostos que não geram sinal em outros detectores (gases nobres, gases fixos)

2Por ser um detector não-destrutivo, pode ser usado em CG preparativa ou detecção sequencial com dois detectores em “tandem”


O linearmenteefluente da coluna é misturado com H2 e O2 e queimado. Como numa chama de H2 + O2 não existem íons, ela não conduz corrente elétrica.

Quando um composto orgânico elui, ele também é queimado. Como na sua queima são formados íons, a chama passa a conduzir corrente elétrica

DETECTORES

Detector por Ionização em Chama

PRINCÍPIOFormação de íons quando um composto é queimado em uma chama de hidrogênio e oxigênio


COLETOR linearmente

AR

FLAME TIP

H2

BLOCO

COLUNA

DETECTORES

Detector por Ionização em Chama

Uma diferença de potencial elétrico é aplicada entre o flame tip e o coletor - quando se formam íons na chama, flue uma corrente elétrica:

O ar e o H2 difundem para o interior do coletor, onde se misturam ao efluente da coluna e queimam:


Incandescência linearmente

Estrutura da chama

três regiões básicas

Reação

Quebra

CH + O  CHO+ + e-

Queima de substâncias com ligações C-H

1 íon formado a cada ~105 átomos de C queimados

Formam-se apenas radicais !!!

Queima de H2

DETECTORES

Detector por Ionização em Chama

Química da Chama de Hidrogênio:

Região de quebra Mistura dos gases, pré-aquecimento, início da quebra das moléculas de H2, O2 e dos analitos.

Zona de reação Reações exotérmicas com produção e/ou consumo de radicais H, O, OH, HO2 (provenientes do H2), CH e C2 (proveniente do analito) e íons CHO+ (analito).

Zona de incandescência Emissão de luz por decaimento de espécies excitadas: OH (luz UV), CH e C2 (visível).


Gases nobres linearmente

NH3, NxOy

H2, O2, N2

SiX4 (X = halogênio)

CO, CO2, CS2

H2O

CCl4, peralogenados

HCOOH, HCHO *

CH4

DIC

CO2

O2

N2

DCT

DETECTORES

Características Operacionais do DIC

SELETIVIDADESeletivo para substâncias que contém ligações C-H em sua estrutura química.

(como virtualmente todas as substâncias analizáveis por CG são orgânicas, na prática o DIC éUNIVERSAL)

Compostos que NÃO produzem resposta no DIC:

SENSIBILIDADE / LINEARIDADEQMD típicas = 10 pg a 100 pg com linearidade entre 107 e 108 (pg a mg)


Gráficos Sinal x Vazão de Gases típicos: linearmente

AR

H2

SINAL

150

300

450

600

15

30

45

60

DETECTORES

Características Operacionais do DIC

VAZÕES DE GASESAlém do gás de arraste, as vazões de alimentação de ar (comburente) e hidrogênio (combustível) devem ser otimizadas.

O sinal se mantém aproximadamente constante em uma larga faixa de vazões de ar e H2

VARIAÇÕES NAS VAZÕES DE AR E H2 AFETAM APENAS MARGINALMENTE O SINAL = MAIORES REPRODUTIBILIDADE E REPETIBILIDADE


2 linearmente

3

Diagrama eletrônico simplificado de um DIC

1

4

DETECTORES

Características Operacionais do DIC

TEMPERATURA DE OPERAÇÃOO efeito da temperatura sobre o sinal do DIC é negligenciável.

TRATAMENTO DE SINALPor causa da baixa magnitude da corrente elétrica gerada (pA a nA) ela deve ser amplificada para poder ser registrada.

1Flame tip / Chama / Coletor

2Bateria ou Fonte de CCVoltagens de operação normais de 200 V a 300 V (não variável - valor depende da geometria específica do detector).

3Amplificador EletrométricoDeve amplificar o sinal e converter uma corrente variável em uma voltagem variável (pA  mV).

4Saída de Registro de Sinal


(X = Contribuição de cada átomo ao NEC) linearmente

Mistura com quantidades equimolares de:

C2H6 NEC = 2,00

C2H5OH  NEC = 1,40

CH3CHO  NEC = 1,00

DETECTORES

Características Operacionais do DIC

FATORES DE RESPOSTAO fator de resposta de um determinado composto é aproximadamente proporcional ao número átomos de carbono. Presença de heteroelementos diminui o fator de resposta.

Número Efetivo de Carbonos (NEC)Prevê com ~20% de aproximação o fator de resposta de um composto.


Pérola de sal de metal alcalino: linearmente

RbCl (normal), KCl

Seletividade S para fosforados ou nitrogenados: 10.000 x - 100.000 x em relação a hidrocarbonetos similares

DETECTORES

Detector de Nitrogênio - Fósforo

Modificação do DIC altamente seletiva para compostos orgânicos nitrogenados e fosforados

QMD = 0,4 pg a 10 pg (N) e 0,1 a 1 pg (P)

Pesticidas Triazínicos usando DNP:

1 Desetilatrazina

2 Desisopropilatrazina

3 Atraton

4 Atrazina

5 Trietazina

6 Secbumeton

7 Sebutilazina

8 Simetrin

9 Dipropretrina

10 Dimetametrina

11 Metroprotrina

(100 pg cada)


Um fluxo contínuo de linearmenteeletrons lentos é estabelecido entre um anôdo (fonte radioativa b -emissora) e um catodo.

Na passagem de uma substância eletrofílica alguns eletrons são absorvidos, resultando uma supressão de corrente elétrica.

DETECTORES

Detector por Captura de Eletrons

PRINCÍPIOSupressão de um fluxo de eletrons lentos (termais) causada pela sua absorção por espécies eletrofílicas


1 linearmente

2

3

4

5

2Saída de gases

3Catodo

4Cavidade

5Coluna cromatográfica

DETECTORES

Detector por Captura de Eletrons

1Anôdo (fonte radioativa b - emissora)


1 linearmenteGeração de eletrons lentos pela interação entre a ra-

diação b, moléculas do gás de arraste G e molécu-

las de bloqueador (“quencher”) Q

b - + G  G ++ e - + e*  energia

b - + G  G* + Q  G + e - + Q  energia

2Eletrons lentos são capturados pela espécie eletro-

fílica AB

AB + e -  AB - + energia

O decréscimo na corrente elétrica fluindo pela cela de detecção é proporcional à concentração a da espécie absorvente no gás de arraste

Ib corrente de repouso

Ie corrente na eluição do analito

K constante de captura

DETECTORES

Detector por Captura de Eletrons

Mecanismo de Captura de Eletrons


Emprego universal em DCE comerciais: linearmente

3H (b-, 0,02 MeV)

63Ni (b-, 0,06 MeV)

Sob a forma de Ta3H3

Usado como 63Ni0

Maior sensibilidade

Maior linearidade

Tdet deve ser < 225oC

Útil até ~400oC

Raramente usados:

- Maior durabilidade (t1/2 = 100 a x 12 a

para 3H)

85Kr, 90Sr, 99Tc, 147Pm, 241Am, 226Ra

63Ni preferido em equipamentos modernos

- Maior estabilidade térmica

- Menor risco de uso (radioatividade)

DETECTORES

Características Operacionais do DCE

FONTE RADIOATIVAO anôdo deve estar dopado com um isótopo radioativo b - ou a- emissor


Variação de linearmente 3oC na temperatura

VOLTAGEM CONSTANTE Pouco usada modernamente - picos cromatográficos podem ser deformados.

Erro de ~ 10% na área dos picos

VOLTAGEM PULSADA Menos anomalieas elétricas: maior sensibilidade e linearidade.

DETECTORES

Características Operacionais do DCE

POLARIZAÇÃO DOS ELETRODOSVários modos de polarização possíveis

TEMPERATURA DO DETECTOR Dependência do sinal com temperatura de operação bastante significativa

Magnitude e sinal do erro depende do composto analisado !

TEMPERATURA DO DCE DEVE SER RIGIDAMENTE CONTROLADA


N linearmente2

Geram eletrons lentos quando bom-bardeados com b -

MAIS USADOS:

Ar + 5% CH4

O gás deve ser o mais puro possível !!!

(traços de H2O e O2 comprometem o sinal do DCE)

Adsorção de contaminantes sobre os eletrodos causa deformação nos picos

!

F

Sinal

DETECTORES

Características Operacionais do DCE

GÁS DE ARRASTEFuncionamento do DCE é muito dependente da natureza do gás de arraste

VAZÃO DE GÁS DE ARRASTESinal depende dire-tamente da vazão de gás fluindo no detector


10 fg Lindano (C linearmente6H6)

m-ECD HP-6890

PESTICIDAS

1 tetracloro-m-xileno

2a - BHC

3 Lindano

4 Heptachlor

5 Endosulfan

6 Dieldrin

7 Endrin

8 DDD

9 DDT

10 Metoxychlor

10 decaclorobifenila

~250 fg cada analito

DETECTORES

Características Operacionais do DCE

SENSIBILIDADE / LINEARIDADEQMD = 0,01 pg a 1 pg (organoclorados), linearidade ~ 104 (pg a ng)

O DCE É O DETECTOR PREFERENCIAL PARA ANÁLISES DE TRAÇOS DE ORGANOALOGENADOS E SIMILARES


hidrocarbonetos e esteres alifáticos, dienos linearmente

álcoois, cetonas e aldeídos alifáticos, aminas, nitrilas, mono - Cl, mono - F

enóis, oxalatos, mono - Br, di - Cl, hexa - F

tri - Cl, cloretos de ácidos, alquil - Pb, anidridos

mono - I, di - Br, tri - Cl, mono - nitro, CS2

di - I, tri - Br, poli - Cl, di - nitro, 1,2 - dicetonas, fumaratos, organo - Hg

I > Br > Cl > F

a > b > g

Comparando-se organoalogenados:

Terc > Sec > Prim

trans > cis

Tri > Di > Mono

DETECTORES

Características Operacionais do DCE

SELETIVIDADE / FATORES DE RESPOSTAValores de S maximizados para compostos eletrofílicos

S típicos (clorobenzeno: S = 1)


DIC linearmente

DCE

DETECTORES

DCE: Aplicações

Contaminantes em ar atmosférico - detecção paralela DIC + DCE

1, 2, 3 - Hidrocarbonetos aromáticos

4, 5, 6 - Hidrocarbonetos clorados


Identificação individual das espécies contidas na amostra linearmente

Aplicações Qualitativas de CG

RETENÇÃOUso de dados de retenção de um analito para sua identificação

Determinação da identidade da amostra propriamente dita

DETECÇÃODetectores que fornecem informações estruturais sobre as substâncias eluídas

Fontes de Informações Qualitativas

ANÁLISE QUALITATIVA

Conceitos Gerais

Para análise qualitativa confiável por CG é recomendável combinação de dados provenientes de pelo menos duas fontes


Interações analito / FE linearmente

t’R = f

Pressão de vapor do analito

Condições operacionais (TCOL, FC ...)

AMOSTRA

Comparação de cromatogramas da amostra e de uma solução padrão do analito suspeito

PADRÃO

ANÁLISE QUALITATIVA

Tempos de Retenção

Fixas as condições operacionais, o tempo de retenção ajustado de um analito é uma constante


Dependência com F linearmenteC e TCOL Variações nestas condições afetam sensivelmente os t’R

DTCOL =  0,1%

VARIAÇÃO DE  1% NO t’R

DFC =  1%

Sobrecarga na coluna Aumento excessivo na massa de material eluido deforma o pico croma-tográfico e altera o seu t’R

Saturação da coluna cromatográfica com aumento de massa eluida provoca “cauda frontal” no pico

MASSA

ANÁLISE QUALITATIVA

Tempos de Retenção

Identificação por t’R é muito pouco confiável:


Amostra complexa: incerteza nos t’R medidos pode levar a identificação errônea

Comparação com cromatograma da amostra dopada permite identificação mais confiável do desconhecido

ANÁLISE QUALITATIVA

Tempos de Retenção

Comparação de t’R usando dopagem (“spiking”) da amostra com o analito suspeito: aumento da confiabilidade de identificação.


Separação isotérmica de uma mistura de n-alcanos (n-C identificação errônea4, n-C5, ... n-C16)

Um gráfico de log(t’R) em função do número de átomos de carbono do analito nC é LINEAR

ANÁLISE QUALITATIVA

Índice de Retenção de Kovàts

FUNDAMENTOOs t’R isotérmicos para uma série homóloga de compostos dependem logaritmicamente do número de átomos de carbono na cadeia.


t’ identificação errôneaR (A) Tempo de retenção ajustado do analito A

t’R (N) Tempo de retenção ajustado do n-alcano com N carbonos

t’R (n) Tempo de retenção ajustado do n-alcano com n carbonos (n = N + 1)

Interpolação logarítmica dos t’R

ANÁLISE QUALITATIVA

Índice de Retenção de Kovàts

O índice de retenção de Kovàts I para um analito é definido por:

Ex.: um analito com I = 874 teria um tempo de retenção ajustado equivalente ao de um n-alcano hipotético com cadeia de 8,74 átomos de carbono


Dependência de identificação errôneaI para algumas substâncias em uma coluna apolar na faixa de TCOL = 70oC a TCOl = 130oC

ANÁLISE QUALITATIVA

Índice de Retenção de Kovàts

REPETIBILIDADE - REPRODUTIBILIDADE Os efeitos de TCOL e FC nos índices de Kovàts são pequenos

Identificação por índices de retenção é muito confiável que comparações baseadas em t’R

ÍNDICE DE RETENÇÀO DE KRATZ Para programação linear de temperatura a relação entre t’R e nC é linear: cálculo dos índices de retenção é modificado


CORRIDA #1 identificação errônea

CORRIDA #2

TCOL (1)

FC (1)

Coluna A

TCOL (2)

FC (2)

Coluna B

Cromatogramas obtidos em diferentes equipamentos e colunas com condições operacionais da segunda corrida ajustadas pelo software de RTL

ANÁLISE QUALITATIVA

Retention Time Locking (RTL)

PRINCÍPIO Em cromatógrafos com: controles pneumáticos e térmicos microprocessados, injetores automáticos e colunas cromatográficas de qualidade excepcional é possível alta repetibilidade nos t’R

O software RTL (Hewlett-Packard) automaticamente ajusta as condições operacionais em um segundo CG para reproduzir os t’R obtidos em um primeiro equipamento


Cromatografia Gasosa com Deteção Espectrométrica de Massas (CG-EM)

Cromatografia Gasosa com Deteção Espectrométrica por Emissão Atômica (CG-EA)

Cromatografia Gasosa com Deteção Espectrométrica por Absorção no Infra-Vermelho (CG-EIV)

ANÁLISE QUALITATIVA

Métodos de Detecção Qualitativos

Métodos de detecção que fornecem informações qualitativas sobre os analitos eluídos:

Identificação muito confiável quando combinados a técnicas de identificação baseadas em retenção


1 Massas (CG-EM) Moléculas da amostra são bombardeadas por elétrons (electron impact = EI) ou íons (chemical ionization = CI):

ABCDE + e- ABCDE.+ + 2 e-

2 O íon formado se fragmenta:

ABCDE.+ AB. + CDE+

ABCDE.+ AB+ + CDE.

ABCDE.+ A+ + BCDE.

O gráfico do número de íons formados em função da razão Massa / Carga dos íons é o ESPECTRO DE MASSAS do analito

ABUNDÂNCIA

MASSA / CARGA

ANÁLISE QUALITATIVA

Espectrometria de Massas

PRINCÍPIO A amostra é fragmentada e ionizada em um padrão característico da espécie química.

3 Os fragmentos iônicos formados são separados magneticamente de acordo com suas massas moleculares e contados:


1 Massas (CG-EM)

3

4

2

ANÁLISE QUALITATIVA

Espectrômetro de Massas

1Câmara de IonizaçãoEletrons gerados por um filamento aquecido bombardeam a amostra. Os fragmentos ionizados (carga +1) são repelidos pelo eletrodo positivo e conduzidos ao separador magnético.

2Saída de VácuoTodo o interior do EM deve estar sob alto vácuo (natm).

3Separador MagnéticoA ação do campo magnético deixa apenas íons com determinada razão Massa / Carga atravessar esta área do equipamento.

4DetectorUma válvula fotomultiplicadora ou um fotodiodo gera um sinal elétrico proporcional ao número de íons que incide sobre o elemento.


0 Massas (CG-EM)

20

40

60

80

100

120

m / Z

- CO

m/Z = 80

m/Z = 118

m/Z = 79

- (CO + H)

m/Z = 90

ANÁLISE QUALITATIVA

Espectro de Massas


Separador Molecular Massas (CG-EM)

O gás de arraste leve (He) difunde mais rapidamente que o analito e tende a ser drenado para o vácuo.

EM

CG

Vácuo

Câmara

de Ionização

Interface Capilar Direta

Com colunas capilares a vazão baixa de gás de arraste pode ser drenada pelo sistema de vácuo.

Coluna

Capilar

ANÁLISE QUALITATIVA

Acoplamento CG - EM

Interface cromatógrafo - espectrômetro:


É Massas (CG-EM)MANDATÓRIO que sistemas CG-EM sejam totalmente controlados por microcomputador.

Sistema de Controle e Aquisição de Dados:

1 Gerencia e monitora o funcionamento dos módulos de

CG e EM.

2 Coleta e arquiva espectros de massa em intervalos

regulares de tempo e constroi o cromatograma.

3 Após a corrida, compara espectros coletados com

bases de dados para identificação dos eluatos.

ANÁLISE QUALITATIVA

Acoplamento CG - EM

Sistema de Controle e Aquisição de Dados:

COMPUTADORES RÁPIDOS E COM GRANDE CAPACIDADE DE ESTOCAGEM DE DADOS


CROMATOGRAMA DE ÍONS TOTAIS ( Massas (CG-EM)TIC = To-

tal Ion Chromatogram)

Para cada espectro o número total de íons detectados na faixa de massas varrida é somado e plotado em função do tempo, gerando o cromatograma.

MONITORAMENTO DO ÍON SELECIONADO (SIM = Single Ion Monitoring)

Seleciona-se um fragmento resultante da fragmentação da espécie de interesse. Gera-se o cromatograma plotando-se o número de íond detectados com a massa desse fragmento em função do tempo.

SIM

Seletivo

Maior Sensibilidade

TIC

Universal

Similar a DIC

ANÁLISE QUALITATIVA

CG-EM: Geração do Cromatograma

Espectros de massas completos coletados e arquivados em intervalos regulares de tempo

Geração do cromatograma a partir dos espectros:


ANÁLISE QUALITATIVA Massas (CG-EM)

CG-EM: TIC x SIM

Aroma de polpa industrializada de cajá após extração por SPME

TIC

Aparecem os picos correspondentes a todas substâncias eluídas

SIM (m/z = 149)

Cromatograma construido a partir dos mesmos dados acima, mas apenas usando fragementos com massa = 149 (ftalatos: plastificante)


CONTAGENS Massas (CG-EM)

MASSA / CARGA

CONTAGENS

TEMPO

ANÁLISE QUALITATIVA

Identificação de Eluatos

1Seleção manual ou automática do espectro de massa correspondente a um eluato.

2Interpretação manual do espectro e / ou com-paração automática com biblioteca de espectros padrão do equipamento.


ESPECTRO Massas (CG-EM)

DESCONHECIDO

Lista com possíveis candidatos + porcentagem de confiabilidade

PBM

BIBLIOTECA DE

ESPECTROS

PBM de um eluato “desconhecido” (1-dodeceno)

Identificação pouco confiável de es-pectros muito simples

Limitada pelo tamanho da base de dados (NIST = 66.000 espectros)

LIMITAÇÕES:

Diferenças entre espectros gerados por diversos EM

ANÁLISE QUALITATIVA

Identificação de Eluatos

Busca automática em bibliotecas de espectros: comparação estatística ( Probability Based Matching )


1 Massas (CG-EM) Amostra é fragmentada ao colidir com moléculas excitadas do gás de suporte do plasma.

ABCD + Hem A+ + B + CD + He + e-

2 Fragmentos são excitados eletronicamente.

A+ + B + CD + Hem A+* + B* + CD* + He

3 Ao retornarem aos seus estados fundamentais os fragmentos excitados emitem luz em comprimentos de onda característicos.

A+* A+ + hn1

B* B + hn2

CD* CD + hn3

ANÁLISE QUALITATIVA

Emissão Atômica em Plasmas

PRINCÍPIO A amostra é fragmentada num plasma, os fragmentos são excitados e emitem luz ao retornarem aos seus estados fundamentais.

O MONITORAMENTO DA EMISSÃO NOS COMPRIMENTOS DE ONDAS CARACTERÍSTICOS DE CADA FRAGMENTO GERA CROMATOGRAMAS ELEMENTO-ESPECÍFICOS


Íons formados são acelerados pelo campo elétrico aplicado gerando continuamente mais íons e espécies excitadas

Eletrons da descarga elétrica colidem com o gás gerando íons

ANÁLISE QUALITATIVA

Geração e Sustentação de Plasmas

PLASMA Gás ionizado por aplicação de uma descarga elétrica e sustido por um campo elétrico oscilante

Gás de Suporte: HÉLIO (espécies formadas tem energia suficiente para excitar átomos e fragmentos de não metais)

Sustentação: MICROONDAS (outros tipos de campos elétricos oscilantes não mantém plasmas estáveis de He a pressão atmosférica de forma conveniente)


n-Hexano gerando continuamente mais íons e espécies excitadas

Fragmentos:

C2CN

OHNH

l

800 nm

200 nm

Naled (C4H7Br2Cl2O4P)

Fósforo

Bromo

Cloro

l

566 nm

456 nm

ANÁLISE QUALITATIVA

Espectro de Emissão Atômica

Mistura de raias de emissão atômicas e moleculares de frag-mentos do analito e raias de emissão do plasma e impurezas


1 gerando continuamente mais íons e espécies excitadasCromatógrafo Gasoso

2Alimentação de Gás de Suporte do Plasma (He)

3Linha de Transferência (acoplamento CG - DEA)

4Cavidade Ressonante (geração do plasma)

5Lente de Focalização

6Monocromador / Policromador

7Detector de Luz (fotomultiplicadora / diode array)

8Amplificação / Digitalização de Sinal

9Computador

ANÁLISE QUALITATIVA

Esquema Típico de um CG-DEA


Cavidade Ressonante Beenaker TM gerando continuamente mais íons e espécies excitadas010:

CABO DE ALIMENTAÇÃO DE MICROONDAS

CAVIDADE RESSONANTE

CELA DE DETECÇÃO

He

PLASMA

Permite plasmas de He estáveis a pressão atmosférica e potências de microondas < 100 W

ANÁLISE QUALITATIVA

DEA: Geração de Plasma

Uma cavidade ressonante focaliza potência gerada por uma fonte de microondas no interior de uma cela de detecção por onde passa o gás de suporte.

CELA DE DETECÇÃO Tubo de material isolante elétrico e altamente refratário (quartzo, alumina, BN)


He gerando continuamente mais íons e espécies excitadas

Antes de ser misturado ao He, o efluente da coluna passa por uma válvula diversora

PURGA

COLUNA

CELA

VÁLVULA DIVERSORA

Quando da eluição de grandes quantidades de analito o fluxo da coluna é desviado para a purga

ANÁLISE QUALITATIVA

Interface CG - DEA

Plasmas de He se extinguem pela passagem de grandes quantidades de material (~ 1 mL de líquido vaporizado)

Interface para colunas empacotadas:

Colunas capilares: não há necessidade de diversão.


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