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CROMATOGRAFIAHistórico
M. TSWEET (1903): Separação de misturas depigmentos vegetais em colunas recheadas com
adsorventes sólidos e solventes variados.
éter depetróleo
CaCO3
mistura depigmentos
pigmentosseparados
Cromatografia =kroma [cor] + graph [escrever]
(grego)
CROMATOGRAFIAPrincípio Básico
Separação de misturas por interação diferencial dos seuscomponentes entre uma FASE ESTACIONÁRIA (líquido ou
sólido) e uma FASE MÓVEL (líquido ou gás).
CROMATOGRAFIA GASOSAHistórico
Presentemente:Vendas de equipamentos e acessórios para CG nos EUA
estimadas em mais de US$ 750.000.000 (1995).
1940
1950
1960
“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)
CROMATOGRAFIAModalidades e Classificação
Em CG a FEpode ser:
Sólida
Líquida
CromatografiaGás-Sólido (CGS)
CromatografiaGás-Líquido (CGL)
CROMATOGRAFIA GASOSAAplicabilidade
Quais misturas podem ser separadas por CG ?
Misturas cujos constituintes sejam
VOLÁTEIS (=“evaporáveis”)
(para uma substãncia qualquer poder ser“arrastada” por um fluxo de um gás ela
deve ser dissolver - pelo menos parcialmente -nesse gás)
DE FORMA GERAL :CG é aplicável para separação e análisede misturas cujos constituintes tenhamPONTOS DE EBULIÇÃO de até 300oCe que termicamente estáveis.
O Cromatógrafo a Gás
1
2
3
4
6
5
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
INSTRUMENTAÇÃOGás de Arraste
Fase Móvel em CG: NÃO interage com a amos-tra - apenas a carrega através da coluna. Assim é usualmente referida como GGÁÁS DE ARRASTES 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:
oxida / hidroliza algumas FE
incompatíveis com DCEH2O, O2
hidrocarbonetos ruído no sinal de DIC
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% CH 4
CU
ST
O
PUREZA
AB
CA = 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 gás
dispositivos para purificação de gás (“traps”)
1
2
34
5
6
1 - Cilindro de Gás2 - Regulador de Pressão Primário
3 - “Traps” para eliminar impurezas do gás4 - 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
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
INSTRUMENTAÇÃOParâmetros 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
COLUNA AmostrasGasosas
AmostrasLíquidas
empacotada∅ = 3,2 mm (1/4”)
0,1 ml ... 50 mL0,2 µL ... 20 µL
capilar∅ = 0,25 mm 0,001 ml ... 0,1 mL0,01 µL ... 3 µL
Sólidos: convencionalmente se dissolve em um solvente adequado e injeta-se a solução
INSTRUMENTAÇÃOMicrosseringas para Injeção
LÍQUIDOS Capacidades típicas: 1 µL, 5 µL e 10 µL
êmbolo
corpo (pirex)
agulha (inox 316)
Microseringa de 10 µµµµ L:
Microseringa de 1 µµµµ L (seção ampliada) :
corpo
guia
êmbolo (fio de aço soldado ao guia)
agulha
INSTRUMENTAÇÃOColunas: Definições Básicas
EMPACOTADA∅∅∅∅ = 3 a 6 mm
L = 0,5 m a 5 mRecheada com sólido pul-verizado (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 recober-tas com um filme fino (fra-ção de µµµµ 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 RAPIDA-MENTE (MENOR RETENÇÃO)
INSTRUMENTAÇÃOTemperatura da Coluna
TE
MP
ER
AT
UR
A D
A C
OLU
NA
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 freqüente.
AQUECIMENTO E ESFRIAMENTO RÁPIDO Importante 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.
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 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
INSTRUMENTAÇÃOProgramação Linear de Temperatura
A 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
t INI tFIM
TINI
TFIM
R
Parâmetros de uma programação de temperatura:
TINI Temperatura Inicial
TFIM Temperatura Final
t INI 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 pas-
sagem de substâncias que não o gás de arraste
Gráfico Sinal x Tempo = CROMATOGRAMAIdealmente: cada substância separada aparece
como um PICO no cromatograma.
INSTRUMENTAÇÃODetectores
Mais 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 ( DICOU FID) Íons gerados durante a queima dos eluatos em uma chama de H2 + ar.
REGISTRODE
SINAL
ANALÓGICORegistradores XY
DIGITALIntegradores
Computadores
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’:
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 inde-pendentes onde acontece o equilíbrio entre o analit o dissolvido na fase estacionária e no gás de arraste :
Ocorre um “quase-equilíbrio” en-tre o analito sorvido na FE e dis-
solvido 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
WW
k ====FATOR DE RETENÇÃO, k : razão entre as massas de
analito contidas na FE (Ws) e gás de arraste (W M)
S
M
VV====ββββ
RAZÃO DE FASES, ββββ: 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 ββββ da coluna
TEORIA BÁSICARazão de Fases, ββββ
Depende das DIMENSÕES da coluna:
L = comprimento da colunarC = raioda coluna
d f = espessura do filme de FE
(((( ))))fC
fC
drdr
2
2−−−−====ββββrC >> d f
dC / mm d f / µµµµm ββββ0.10 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 ββββ para colunas capilares de
dimensões típicas :
Empacotadas :5 < ββββ < 50
TEORIA BÁSICARelações entre VR’, KC e ββββ
VR’ pode ser definido em função de KC e ββββ:
VR’ depende diretamente da constante de dis-tribuição 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 eficiente
tR
wb
N
TEORIA BÁSICAQuantificação da Eficiência
ALTURA EQUIVALENTE A UM PRATO TEÓRI-CO (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 439242.16 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 teórico 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
FASES ESTACIONÁRIASConceitos Gerais
LÍQUIDOS Depositados sobre a superfície de: só-lidos 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 Líquidas: Absorção
O fenômemo físico-químico responsável pela interação analito + FE líquida é a ABSORÇÃO
A absorção ocorre no interior do filme de FE líquida (fenômeno INTRAfacial)
ABSORÇÃO
Filmes espessos de FE líquida
Interação forte entre a FE líquida e o analito (grande solubilidade)
Grande superfície líquida exposta ao gás de arraste
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 µµµµL da mistura de aminas
FASES ESTACIONÁRIASFamílias de FE Líquidas
Maior parte das aplicações em CG moderna
Quatro grandes grupos estruturais:
PARAFINAS Apolares; alta inércia química; praticamente abandonadas. Principais: esqua-lano (C 30H62), Apiezon (graxas para vácuo).
POLIÉSTERES Ésteres de diálcoois com di-ácidos. Polares; altamente sensíveis a umidade e oxidação; uso em declínio. Principais: DEGS, EGA, EGS.
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 : FIDAmostra : 0,5 µµµµL de solução em clorofórmio contendo 0,5 µµµµg de cada éster
FASES ESTACIONÁRIASFamílias de FE Líquidas
SILICONES (polisiloxanas) As FE mais em-pregadas em CG. Cobrem ampla faixa de pola-ridades e propriedades químicas diversas.
Si
CH3
H3C
CH3
O Si
R1
R2
O Si
CH3
CH3
CH3n
R1, R2 = qualquerradical orgânico
- 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 inorgâni co pode ser ligado à cadeia polimérica = FE “ajustáveis ” a
separações específicas + facilidade de imobilização por entrecruzamento e ligação química a suportes
FASES ESTACIONÁRIASFamílias de FE Líquidas
Substituintes Nomes Comerciais Observações- - SE-30 OV-1 OV-101 SP-2100 mais apolares da série
pouco seletivascarborano ? - Dexsil 300GC similar a PDMS
estável até > 400 oC
fenil 5 % - SE-52 SE-54 OV-3 OV-5OV-73
pouco polar
cianopropil 7% fenil 7% OV-1701 SPB-7 CP-Sil 19CB moderadamente polar
fenil 50 % - OV-17 SP-2250 HP-50+SPB-50
moderadamente polarretém aromáticos
trifluoropropil 50% - OV-210 QF-1 moderadamente polarretém compostos carbonílicos
cianopropil 50% fenil 50% OV-225 SP-2300 CP-Sil43CB
polarretem doadores de elétrons
cianopropil 100% - SP-2340 SP-2330 Silar-9 CP altame nte polar
FE derivadas de polidimetilsiloxano (PDMS) por substituição de -CH 3 por radicais orgânicos, em
ordem crescente aproximada de polaridade:
Diferenças entre FE de composição similar provenientes de fornecedores diferentes:
pureza , viscosidade .
FASES ESTACIONÁRIASFamílias de FE Líquidas
Separação de pesticidas - FE = 100 % PDMS
1 - TCNB2 - Dichloram3 - Lindano4 - PCNB5 - Pentacloroanilina6 - Ronilano7 - Antor8 - pp’-DDE9 - Rovral10 - Cypermetrin11 - Decametrin
Coluna: CP-Sil 5 (25 m x 0,32 mm x 0,12 µµµµm)
TCOL:195oC (6,5 min) / 195 oC a 275oC (10oC.min -1)
Gás de Arraste: He @ 35 cm.min -1 Detector: FID
Amostra: 2µµµµL de solução dos pesticidas “on-column”
17 min
FASES ESTACIONÁRIASFamílias de FE Líquidas
Separação de piridinas - FE = 100 % CNpropilsilicone
1 - piridina2 - 2-metilpiridina3 - 2,6-dimetilpiridina4 - 2-etilpiridina5 - 3-metilpiridina6 - 4-metilpiridina
3 minColuna: CP-Sil 43CB (10 m x 0,10 mm x 0,2 µµµµm)
TCOL:110oC (isotérmico)
Gás de Arraste: N2 @ 16 cm.min -1 Detector: FID
Amostra: 0,1µµµµL de solução 1-2% das piridinas em 3-metilpiridina
FASES ESTACIONÁRIASFamílias de FE Líquidas
Separação de fenóis - FE = fenilmetilsilicones
50% Ph
50% Me
5% Ph
95% Me
FASES ESTACIONÁRIASFE Quirais
Separação de isômeros óticos:
FÁRMACOS Em muitos fármacos apenas um dos isômeros óticos têm atividade farmacológica.
PRODUTOS BIOLÓGICOS Distinção entre pro-dutos de origem sintética e natural (natural = norm al-mente substâncias oticamente puras; sintético = mui -tas vezes são misturas racêmicas).
Propriedades físico-químicas de isômeros óticos são MUITO SIMILARES
FE convencionais não interagem diferencialmente com isômeros óticos
Separação de misturas de isômeros óticos só é possível com FE oticamente
ativas
=
FE Quirais
FASES ESTACIONÁRIASFE Quirais
FE oticamente ativas mais importantes:
O Si
CH3
CH2
CHCH3
C
O N
H
C*
C
O
H
CH CH3
CH3
NH C
CH3
CH3
CH3
Si
CH3
CH3
O
n
Chiralsil-Val
Derivados de aminoácidos :
Misturas de compostos formadores de pontes de
hidrogênio.
Organometálicos :
Separação de enantiômeros formadores
de complexos.
n
O Si
CH3
CH2
Si
CH3
CH3
O
CH2
O
O
Ni
C3F7
/ 2
Chiralsil-Metal
FASES ESTACIONÁRIASFE Quirais
Derivados de ciclodextrinas alquiladas :
ββββ-ciclodextrina: oligosacarídeo cíclico quiral
Chiralsil-Dex
- 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
FASES ESTACIONÁRIASFE Quirais: Aplicações
Óleo essencial artificial de limão: separação de terpenos primários
1 - (+/-) αααα-pineno2 - sabineno3 - (+/-) ββββ-pineno4 - (+/-) limoneno
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
Gás de Arraste: H2 @ 80 cm.min -1 Detector: FID
FASES ESTACIONÁRIASFE Quirais: Aplicações
Óleo essencial natural Essência artificial
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: He @ 80 cm.min -1 Detector: MS
FASES ESTACIONÁRIASFE 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
Gás de Arraste: He @ 25 cm.min -1 Detector: MS
COLUNAS CAPILARESDefinições Básicas
Tubo fino de material inerte com FE líquida ou sóli da depositada sobre as paredes internas.
MATERIALDO
TUBO
ø = 0,1 mma 0,5 mmL = 5 ma 100 m
sílica fundidavidro pirexaço inoxNylon
Silcosteel
Colunas de sílica são revestidas externamente com c amada de polímero (poliimida) para aumentar resistência mecâ nica e química
Colunas Capilares x Empacotadas:
CA
PIL
AR
ES ���� L = ���� N Colunas mais eficientes
FC = 1 ... 10 mL.min -1 Controle de vazão mais difícil
���� Vi Dispositivos especiais de injeção
Famílias de Colunas Capilares :
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 empa cotadas
WCOT (Wall coated open tube ) FE liquida deposida (ligada // entrecruzada) sobre as paredes internas.
COLUNAS CAPILARESDiâmetro Interno
���� dC = ���� Eficiência
0,10 mm 0,25 mm0,32 mm 0,53 mm
1 2 3
Valores comuns:
1Colunas de altíssima eficiência (amostras
complexas, “Fast GC”); capacidade volumétrica limitada de processamento de amostra
2Diâmetros mais comuns; capacidade
volumétrica limitada de amostra requer dispositivos especiais de injeção
3Colunas “megabore”: menor eficiência, mas maior capacidade de processamento permite
uso de injetores convencionais
COLUNAS CAPILARES“Fast GC”: Colunas Capilares Finas
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
Gás de Arraste: He @ 90 ml.min -1 Detector: FID
Além de colunas finas: necessário controle acurado de vazão (controle eletrônico de pressão)
e altas velocidades de aquecimento da coluna.
COLUNAS CAPILARESColunas Capilares: Injeção
1
2
3
45
6
1 - Septo;2 - Entrada de gás de arraste;3 - “Liner” (misturador);4 - Coluna Capilar5 - Purga de gás de arraste;6 - Válvula de controle de purga.
Baixa capacidade de processamento de amostra (sub-microlitro)
Injeção direta com microseringa muito difícil !!!
Injetores com divisão (“splitters”) Sistema pneumático despreza fração da amostra injetada
- Menor sensibilidade (boa parte da amostra é desprez ada)
- Divisão da amostra raramente é uniforme (fração pur gada dos constituintes menos voláteis é sempre menor)
- Ajuste da razão de divisão é mais uma fonte de erro s
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 par-
tículas típicos de 105 µm a 420 µm).
- Grandes áreas superficiais (até 10 2 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
Modos de injeção para cromatografia a gás
Injeção (colunas empacotadas)
Injetor de metal
Lã de vidro para deposinão voláteis
Menor custo
injeção de 0,1 a 10 uL
Injeção (colunas capilares)
split1
2
3
45
6
1 - Septo;2 - Entrada de gá s de arraste;3 - “Liner” (misturador);4 - Coluna Capilar5 - Purga de gá s de arraste;6 - Válvula de controle de purga.
Modos de injeção para cromatografia a gás
Injeção (colunas capilares)
splitless
Modos de injeção para cromatografia a gás
Injeção (colunas capilares)
splitless
•Aumenta o sinal dos analitos por transferir mais composto para coluna.
•Só é aplicável a compostos que tenham tempo de retenlonge do solvente.
Modos de injeção para cromatografia a gás
Injeção (colunas capilares)
splitless x split
Injeção com 0,5 min de splitless split 1:50
seguido de split 1:50
Modos de injeção para cromatografia a gás
Injeção (colunas capilares)
Injeção “on-column” (dentro da coluna)
Modos de injeção para cromatografia a gás
Vantagens:
•Substâncias termicamente instáveis
Metil-Carbamatos por GC/MS
•Evita problemas de injeção Reprodutibilidade
Limitações:
•Sem injetores automáticos
•Dificuldades de treinamento de pessoal
Injeção (colunas capilares)
LVI (injeção de grandes volumes)
Modos de injeção para cromatografia a gás
Injeção (colunas capilares)
LVI (injeção de grandes volumes)
•Injeção de grandes volumes de amostras 10 a 250 uL de amostra
•Aumento da sensibilidade.
•Alguns aparelhos são pouco reprodutíveis o que dificulta quantificação.
•Gastos de grandes quantidades de gás.
Modos de injeção para cromatografia a gás
Modos de injeção para cromatografia a gás
Injeção (colunas capilares)
Injeção de gás
Seringas de gás
Aula 2
DETECTORESDefinições 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
DCT TCDDetector por
CondutividadeTérmica
DIC FIDDetector porIonização em
Chama
DCE ECDDetector porCaptura de
Eletrons
EM MSDetector Es-
pectrométrico de Massas
DETECTORESParâmetros Básicos de Desempenho
QUANTIDADE MÍNIMA DETECTÁVEL Massa de um analito que gera um pico com altura igual a t rês vezes o nível de ruído
SIN
AL
(S)
RUÍDO (N)
= 3SN
RUÍDO Qualquer componente do sinal gerado pelo detector que não se origina da amostra
Fontesde
Ruído
Contaminantes nos gases
Impurezas acumuladas no detector
Aterramento elétrico deficiente
DETECTORESParâmetros Básicos de Desempenho
LIMITE DE DETEÇÃO Quantidade de analito que gera um pico com S/N = 3 e w b = 1 unidade de tempo
Mesmo detector, nível de ruído e massa de analito M AS diferentes larguras de base:
wb
QMD = fDetector (sinal gerado, ruído)
Largura do pico cromatográfico
Definindo limite de detecção como:
LD é independente da eficiência do sistema cromatográfico !
[QMD] =massa
(ng, pg ...)
[LD] = massa / tempo
(ng.s -1, pg.s -1 ...)
DETECTORESParâmetros Básicos de Desempenho
VELOCIDADE DE RESPOSTA Tempo decorrido entre a entrada do analito na cela do detector e a geração do sinal elétrico.
63,2% FSD
ττττ
TEMPO
SIN
AL
Constante de Tempo, ττττ : tempo necessário para o sinal chegar a 63,2 % FSD (full scale
deflection = fundo de escala) após a
entrada de amostra
A constante de tempo do sistema (detector + disposi tivos de registro de sinal) igual ou menor a 10% da largu ra a
meia altura (w 0.5 ) do pico mais estreito do cromatograma
ττττ >> w0.5
t R medido > t R real
w medida > w real
Deformação no pico (cauda)
Diminuição do ruído (“damping”)
DETECTORESParâmetros Básicos de Desempenho
SENSIBILIDADE Relação entre o incremento de área do pico e o incremento de massa do analito
MASSA
ÁR
EA
Fator de Resposta, S : inclinação da
reta Área do pico x Massa do
analito
o mesmo incremento de massa causa um maior incremento de
área
SensibilidadeS
Na ausência de erros determinados:
A = área do pico cromatográfico
m = massa do analito
DETECTORESParâmetros Básicos de Desempenho
FAIXA LINEAR DINÂMICA Intervalo de massas dentro do qual a resposta do detector é linear
MASSA
ÁR
EA
A partir de certo ponto o
sinal não aumenta mais linearmente
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:
MASSA
ÁR
EA
/ M
AS
SA
0,95 S
1,05 S
DETECTORESClassificação
UNIVERSAIS:Geram sinal para qualquer
substância eluida.
SELETIVOS:Detectam apenas substânciascom determinada propriedade
físico-química.
ESPECÍFICOS:Detectam substâncias que
possuam determinado elementoou grupo funcional em suas
estruturas
DETECTORESDetector por Condutividade Térmica
PRINCÍPIO Variação na condutividade térmica do gás quando da eluição de um analito.
Cela de Detecção do DCT:
12
35
4
i1 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
A taxa de transferência de calor entre um corpo quente e um corpo frio depende da
condutividade térmica do gás no espaço que separa os corpos
Se a condutividade térmica do gás diminui, a quantidade de calor transferido também diminui
- o corpo quente se aquece.
DETECTORESDetector 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 :
CELAS DA AMOSTRA
CELAS DE REFERÊNCIA
CO
RT
E S
UP
ER
IOR
CELAS DA
AMOSTRA
CELAS DE REFERÊNCIA C
OR
TE
LAT
ER
AL
Quando da eluição de um composto com condutividade térmica menor que a do gás de arraste puro:
Diferença de resistência
elétrica entre os filamentos de amostra e
referência
Filamentos nas celas de amostra
se aquecem
Resistência elétrica dos filamentos nas
celas de amostra aumenta
Filamentos nas celas de
referência não se aquecem
Resistência elétrica dos
filamentos nas celas de referência
fica constante
DETECTORESDetector por Condutividade TérmicaOs filamentos do DCT são montados numa ponte de
Wheatstone que transforma a diferença de resistênci a quando da eluição de amostra numa diferença de volt agem:
V Fonte de CC / Bateria (18 V a 36 V, típico)
F Ajuste da corrente nos filamentos
I Medida da corrente nos filamentos (100 mA - 200 mA, típico)
B1 B2 Balanceamento / ajuste de zero
R1 R2 Filamentos das celas de referência
A1 A2 Filamentos das celas de amostra
DETECTORESCaracterísticas Operacionais do DCT
SELETIVIDADE Observa-se sinal para q ualquer subs-tância eluida diferente do gás de arraste = UNIVERSAL
SENSIBILIDADE / LINEARIDADE Dependendo da configuração particular e do analito: QMD = 0,4 ng a 1
ng com linearidade de 10 4 (ng - dezenas de µµµµg)
VAZÃO DE GÁS DE ARRASTE O sinal é proporcional à concentração do analito no gás de arraste que
passa pela cela de amostra.
VAZÃO DE GÁS DE ARRASTE CONSTANTE DURANTE A
ELUIÇÃO
VARIAÇÃO DA VAZÃO DE GÁS DE ARRASTE DURANTE A
ELUIÇÃO
Fc = 0
Com DCT, a área dos picos cromatográficos é MUITO dependente da vazão do gás de arraste !!!
DETECTORESCaracterísticas Operacionais do DCT
NATUREZA DO GÁS DE ARRASTE Quanto maior a
diferença ∆λ∆λ∆λ∆λ entre a condutividade térmica do gás de
arraste puro, λλλλA, e do analito, λλλλX, maior a resposta.
QUANTO MENOR A MASSA MOLECULAR DO GÁS DE ARRASTE, MAIOR A RESPOSTA
Como: (M = massa molecular)
Gás de arraste com DCT: He ou H2
outro gás
1 2
He ou H2
1 2
1 Usando He ou H 2 como gás de arraste, ∆λ∆λ∆λ∆λé maximizado: MAIOR RESPOSTA
2Com outros gases, eventualmenteλλλλX > λλλλA: PICOS NEGATIVOS
DETECTORESCaracterísticas Operacionais do DCT
FATORES DE RESPOSTA Quanto menor a condutividade térmica do analito, maior o sinal.
Quantidades iguais de substâncias diferentes geram picos cromatográficos com áreas diferentes !!!
Os fatores de resposta dependem da condutividade térmica do analito
Mistura de quantidades equimolares de:
Etano →→→→ λλλλ = 17,5
Clorofórmio →→→→ λλλλ = 6,0
Etanol →→→→ λλλλ = 12,7
C2H6
CHCl3
C2H5OH
λλλλX ∆λ∆λ∆λ∆λ
DETECTORESCaracterísticas Operacionais do DCT
TEMPERATURAS DE OPERAÇÃO Quanto maior a diferença entre a temperatura dos filamentos e do b loco
metálico maior a resposta.
Temperatura do filamento, T F: entre 300 oC e 350oC. Éfunção da corrente de alimentação dos filamentos, i .
i TF Sinal
Limitações:- Correntes excessivas podem fundir o filamento
(Ø típicos do filamento = 20 µµµµm)- Diminuição do tempo de vida útil dos filamentos
(oxidação por traços de O 2 no gás de arraste)
Temperatura do bloco, T B: mantida tão baixa quanto possível
TB Sinal
Limitação:- Temperaturas excessivamente baixas podem provocar a condensação de analitos nas celas
(erros analíticos, danos aos filamentos)
DETECTORESDCT: Aplicações
1 Separação e quantificação de compostos que não gera m sinal em outros detectores (gases nobres, gases fix os)
2 Por ser um detector não-destrutivo, pode ser usado em CG preparativa ou detecção seqüencial com dois
detectores em “tandem”
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 N2 2 CH4
3 CO2 4 n-C2
5 NH3 6 n-C3
7 i-C4 8 n-C4
Separação de Gases permanentes e Hidrocarbonetos :
DETECTORESDetector por Ionização em Chama
PRINCÍPIO Formação de íons quando um composto é queimado em uma chama de hidrogênio e oxigênio
O efluente da coluna émisturado com H2 e O2 e queimado. Como numa
chama de H2 + O2 possui poucos íons, ela tem baixa
condutividade elétrica.
Quando um composto orgânico elui, ele também é
queimado. Como na sua queima são formados íons, a
chama passa a conduzir corrente elétrica
DETECTORESDetector por Ionização em Chama
COLETOR
FLAME TIP
BLOCO
AR
H2
COLUNA
O ar e o H2 difundem para o interior do coletor, onde se
misturam ao efluente da coluna e queimam:
Uma diferença de potencial elétrico é aplicada entre o flame
tip e o coletor - quando se formam íons na chama, flue uma
corrente elétrica:
DETECTORESDetector por Ionização em Chama
Química da Chama de Hidrogênio:
Incandescência
Reação
Quebra
Estrutura da chama
três regiões básicas
Região de quebra Mistura dos gases, pré-aquecimento, início da quebra das moléculas de H 2, O2 e dos analitos.
Zona de reação Reações exotérmicas com produção e/ou consumo de radicais H, O, OH, HO 2 (provenientes do H 2), CH e C2 (proveniente do analito) e íons CHO + (analito).
Zona de incandescência Emissão de luz por decaimento de espécies excitadas: OH (luz UV), C H e C2 (visível).
Queima de substâncias com ligações C-H
CH + O → CHO+ + e-
1 íon formado a cada ~10 5 átomos de C queimados
Queima de H 2Formam-se apenas
radicais !!!
DETECTORESCaracterísticas Operacionais do DIC
SELETIVIDADE Seletivo para substâncias que contém ligações C-H em sua estrutura química.
(como praticamente todas as substâncias analizadas por CG são orgânicas, na prática o DIC é UNIVERSAL )
Compostos que NÃO produzem resposta no DIC:
Gases nobres
H2, O2, N2
CO, CO2, CS2
CCl4, perhalogenados
NH3, NxOy
SiX4 (X = halogênio)
H2O
HCOOH, HCHO *
SENSIBILIDADE / LINEARIDADE QMD típicas = 10 pg a 100 pg com linearidade entre 10 7 e 108 (pg a mg)
DIC
DCT N2
CH4
CO2
O2
DETECTORESCaracterísticas Operacionais do DIC
VAZÕES DE GASES Além do gás de arraste, as vazões de alimentação de ar (comburente) e
hidrogênio (combustível) devem ser otimizadas.
Gráficos Sinal x Vazão de Gases típicos:
SIN
AL
150 300 450 600 15 30 45 60
AR H2
O sinal se mantém aproximadamente constante em uma larga faixa de vazões de ar e H 2
VARIAÇÕES NAS VAZÕES DE AR E H 2 AFETAM APENAS MARGINALMENTE O SINAL = MAIORES
REPRODUTIBILIDADE E REPETIBILIDADE
DETECTORESCaracterísticas Operacionais do DIC
TEMPERATURA DE OPERAÇÃO O efeito da temperatura sobre o sinal do DIC é negligenciável.
TRATAMENTO DE SINAL Por causa da baixa magnitude da corrente elétrica gerada (pA a nA) ela deve ser amplificada para poder ser registrada.
1
23
4
Diagrama eletrônico
simplificado de um DIC
1 Flame tip / Chama / Coletor
2 Bateria ou Fonte de CC Voltagens de operação normais de 200 V a 300 V (não variável - valor depende da geometria específica do detector).
3 Amplificador Eletrométrico Deve amplificar o sinal e converter uma corrente variável em uma
voltagem variável (pA → mV).
4 Saída de Registro de Sinal
DETECTORESCaracterísticas Operacionais do DIC
FATORES DE RESPOSTA O fator de resposta de um determinado composto é aproximadamente proporcional ao número átomos de carbono. Presença de heteroelement os
diminui o fator de resposta.
Número Efetivo de Carbonos (NEC) Prevê com ~20% de aproximação o fator de resposta de um composto.
Átomo XC alifático +1,00
C aromático +1,00C olefiníco +0,95C carbonila +0,00
O álcool prim. -0,60Cl alifático -0,12
(X = Contribuição de cada átomo ao NEC)
C2H6 →→→→ NEC = 2,00
C2H5OH →→→→ NEC = 1,40
CH3CHO →→→→ NEC = 1,00
Mistura com quantidades equimolares de:
DETECTORESDetector de Nitrogênio - Fósforo
Modificação do DIC altamente seletiva para composto s orgânicos nitrogenados e fosforados
Pérola de sal de metal alcalino:
RbCl (normal), KCl
Seletividade S para fosforados ou nitrogenados: 10.000 x - 100.000 x em relação a hidrocarbonetos similares
QMD = 0,4 pg a 10 pg (N) e 0,1 a 1 pg (P)
Pesticidas Triazínicos usando DNP:
1 Desetilatrazina2 Desisopropilatrazina3 Atraton4 Atrazina5 Trietazina6 Secbumeton7 Sebutilazina8 Simetrin9 Dipropretrina10 Dimetametrina11 Metroprotrina
(100 pg cada)
DETECTORESDetector por Captura de Eletrons
PRINCÍPIO Supressão de um fluxo de eletrons lentos (termais) causada pela sua absorção por espécies eletrofílicas
Um fluxo contínuo de eletrons lentos é
estabelecido entre um anôdo (fonte radioativa
β β β β -emissora) e um catodo .
Na passagem de uma substância eletrofílicaalguns eletrons são
absorvidos, resultando uma supressão de corrente elétrica.
DETECTORESDetector por Captura de Elétrons
12
3
4
5
1 Anôdo (fonte radioativa ββββ - emissora)
2 Saída de gases 3 Catodo
4 Cavidade 5 Coluna cromatográfica
DETECTORESDetector por Captura de Eletrons
Mecanismo de Captura de Eletrons
1 Geração de elétrons lentos pela interação entre a r a-diação ββββ, , , , moléculas do gás de arraste G e molécu-las de bloqueador (“quencher”) Q
β β β β - + G →→→→ G + + e - + e* ±±±± energia
β β β β - + G →→→→ G* + Q →→→→ G + e - + Q ±±±± energia
2 Eletrons 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
DETECTORESCaracterísticas Operacionais do DCE
FONTE RADIOATIVA O anôdo deve estar dopado com um isótopo radioativo ββββ - ou αααα- emissor
Emprego universal em DCE comerciais:
3H (ββββ-, 0,02 MeV)
Sob a forma de Ta 3H3
Tdet deve ser < 225 oC
Maior sensibilidade
63Ni (ββββ-, 0,06 MeV)
Usado como 63Ni 0
Maior linearidade
Útil até ~400 oC
85Kr, 90Sr, 99Tc, 147Pm, 241Am, 226RaRaramente
usados:
63Ni preferido em equipamentos
modernos
- Maior durabilidade (t 1/2 = 100 a x 12 a para 3H)
- Maior estabilidade térmica
- Menor risco de uso (radioatividade)
DETECTORESCaracterísticas Operacionais do DCE
TEMPERATURA DO DETECTOR Dependência do sinal com temperatura de operação bastante significativa
Variação de ±±±± 3oC na temperatura
Erro de ~ 10% na área dos picos
Magnitude e sinal do erro depende do composto anali sado !
POLARIZAÇÃO DOS ELETRODOS Vários modos de polarização possíveis
VOLTAGEM PULSADA Menos anomalias elétricas: maior sensibilidade e linearidade.
VOLTAGEM CONSTANTE Pouco usada modernamente - picos cromatográficos podem ser deformados.
TEMPERATURA DO DCE DEVE SER RIGIDAMENTE CONTROLADA
DETECTORESCaracterísticas Operacionais do DCE
GÁS DE ARRASTE Funcionamento do DCE é muito dependente da natureza do gás de arraste
MAIS USADOS:N2
Ar + 5% CH4
Geram elétrons lentos quando bom-
bardeados com β β β β -
O gás deve ser o mais puro possível !!!(traços de H 2O e O2 comprometem o sinal do DCE)
VAZÃO DE GÁS DE ARRASTE Sinal depende dire-tamente da vazão de gás fluindo no detector
SinalF
!Adsorção de contaminantes sobre os eletrodos causa
deformação nos picos
DETECTORESCaracterísticas Operacionais do DCE
SENSIBILIDADE / LINEARIDADE QMD = 0,01 pg a 1 pg (organoclorados), linearidade ~ 10 4 (pg a ng)
10 fg Lindano (C 6H6)µµµµ-ECD HP-6890
PESTICIDAS1 tetracloro-m-xileno2 α α α α - BHC3 Lindano4 Heptachlor5 Endosulfan6 Dieldrin7 Endrin8 DDD9 DDT
10 Metoxychlor10 decaclorobifenila
~250 fg cada analito
O DCE É O DETECTOR PREFERENCIAL PARA ANÁLISES DE TRAÇOS DE ORGANOALOGENADOS E
SIMILARES
Espectometria de massas
Utiliza o movimento de íons em campos elétricos e magnéticos para classificá-los de acordo com sua relação massa -carga.
Desta maneira, a espectrometria de massas é uma técnica analítica por meio da qual as substâncias químicas se identificam, separando os íons gasosos em campos elétricos e magnéticos.
Os instrumentos usados nestes estudos chamam-se espectrômetros de massas
O dispositivo que realiza esta operação e utiliza meios elétricos para detectar os íons classificados é conhecido como espectrômetro de massas.
A MS oferece informação qualitativa e quantitativa sobre a composição atômica e molecular de materiais inorgânicos e orgânicos.
Espectometria de massas - Instrumental
Os espectrômetros de massas constam de quatro partes básicas:
O espectrômetro requer um percurso livre para os íons e, por tanto, funciona sob vácuo ou em condições de vácuo.
(em geral da ordem 10-5 a 10-6 torr)
As bombas de vácuo podem ser de duas naturesas:
•Bombas difusoras
Baratas
Menos sensíveis a variações elétricas
•Bombas turbo
Vácuos mais eficientes
Modos de ionização
Ionização químicaNa ionização química, uma pequena quantidade de átomos gasosos éionizada por colisão com átomos produzidos pelo bombardeamento do gás reativo. Alguns dos gases reativos mais comuns são metano, oxigênio, amônia e hidrogênio.
Ionização por impacto de elétronsO impacto eletrônico é o método de ionização mais usado.
Utiliza-se um fecho gerado pela lâmpada de tungstênio ou de filamento rênio para ionizar os átomos de fase de gás ou moléculas.
Formam-se íons durante a colisão do feixe com as moléculas da amostra.
M + e- → M+. + 2e-
Aqui M representa a molécula do analito e M+ é seu íon molecular.
Os íons positivos são acelerados por um campo elétrico e transportados ao Analisador.
Modos de ionização
Lentes aceleradoras e focalizadoras
Quase todos os espectometros possuem lentes elétricas que aceleram e focalizam os íons gerados na fonte para o analisador de massas.
Analisadores de Massas
O objetivo do analisador de massas éseparar os íons que são produzidos na
fonte de acordo com as diferentes relações de massa/carga.
Existem diversos modelos de analisadores que utilizam de diversas estratégias para
sua separação.
Quadrupolo
Um campo quadrupolo é formado por quatro rolos paralelos aos quais aplica-se uma corrente contínua que afeta o percurso dos íons viajando pelo trajeto centralizado entre os 4 rolos.
Para as voltagens dadas, somente os íons de uma relação massa/carga determinada podem passar através do filtro do quadrupolo, enquanto os outros são varridos como moléculas descarregadas.
Ao variar os sinais elétricos a um quadrupolo, pode-se variar a faixa da relação massa/carga transmitida. Isto possibilita a varredura espectral.
Analisadores de Massas
Analisadores de Massas
Quadrupolo
Analisadores de Massas
Quadrupolo
Vantagens:
•Bibliotecas comerciais (70eV);
•Baixo custo;
•Várias metodologias padronizadas com estes equipamentos;
•Muitos equipamentos difundidos;
•Baixa sensibilidade no modo SCAN (Varredura)
Analisadores de Massas
Analisador de massa “ion trap”
Os íons são gerados dentro de uma armadilha onde são retidos.
Por variação de radiofreqüência estes são liberados para o detector.
Analisadores de Massas
Analisador de massa “ion trap”
Analisadores de Massas
Analisador de massa “ion trap”
Vantagens:
• Alta sensibilidade, pois os íons não são jogados fora.
•Simula quadrupolo no modo SCAN podendo seus espectros de massas serem pesquisados em bibliotecas comerciais obtidas em MS quadrupolo.
•Possibilidade de realização de MS/MS
O sistema de recolhimento de íons mede a abundância relativa de fragmentos de cada massa.
Eletromultiplicadoras
Fotomultiplicadoras
Sistema de recolhimento de íons
ANÁLISE QUALITATIVAAcoplamento CG - EM
Interface cromatógrafo - espectrômetro:
CG EM
Vácuo
Separador MolecularO gás de arraste leve
(He) difunde mais rapidamente que o
analito e tende a ser drenado para o vácuo.
Câmarade Ionização
ColunaCapilar
Interface Capilar DiretaCom colunas capilares a vazão baixa de gás de
arraste pode ser drenada pelo sistema
de vácuo.
ANÁLISE QUALITATIVAAcoplamento CG - EM
Sistema de Controle e Aquisição de Dados:
É 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 deCG e EM.
2 Coleta e arquiva espectros de massa em intervalosregulares de tempo e constrói o cromatograma.
3 Após a corrida, compara espectros coletados combases de dados para identificação dos eluatos.
COMPUTADORES RÁPIDOS E COM GRANDE CAPACIDADE DE ESTOCAGEM DE DADOS
ANÁLISE QUALITATIVACG-EM: Geração do Cromatograma
Espectros de massas completos coletados e arquivados em intervalos regulares de tempo
Geração do cromatograma a partir dos espectros:
CROMATOGRAMA DE ÍONS TOTAIS ( TIC = To-tal Ion Chromatogram)
Para cada espectro o número total de íons detectado s 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 fragmentaçã o da espécie de interesse. Gera-se o cromatograma
plotando-se o número de íond detectados com a massa desse fragmento em função do tempo.
TICUniversal
Similar a DIC
SIMSeletivo
Maior Sensibilidade
ANÁLISE QUALITATIVACG-EM: TIC x SIM
Aroma de polpa industrializada de cajá após extração por SPME
TICAparecem 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)
ANÁLISE QUALITATIVAIdentificação de Eluatos
TEMPO
CO
NT
AG
EN
S
MASSA / CARGA
CO
NT
AG
EN
S
1 Seleção manual ou automática do espectro de massa correspondente a um eluato.
2 Interpretação manual do espectro e / ou com-paração automática com biblioteca de espectros padrão do equipamento.
ANÁLISE QUALITATIVAIdentificação de Eluatos
Busca automática em bibliotecas de espectros: comparação estatística ( Probability Based Matching )
BIBLIOTECA DEESPECTROS
ESPECTRODESCONHECIDO
PBMLista com possíveis
candidatos + porcentagem de confiabilidade
# NOME FÓRM. %1 1-dodeceno C12H24 99
2 1-dodecanol C12H26O 91
3 ciclododecano C12H24 91
4 2-dodeceno C12H24 66
5 1-undeceno C11H22 35
6 8-metil-3-undeceno C12H24 32
PBM de um eluato “desconhecido”
(1-dodeceno)
LIMITAÇÕES:
Identificação pouco confiável de es-pectros muito simples
Limitada pelo tamanho da base de dados (NIST = 66.000 espectros)
Diferenças entre espectros gerados por diversos EM
COMPARAÇÃO dos DETECTORES
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