Petruccio Tenório Medeiros. CROMATOGRAFIA Histórico M. TSWEET (1903): Separação de misturas de pigmentos vegetais em colunas recheadas com adsorventes

Petruccio Tenório Medeiros

CROMATOGRAFIAHistórico

M. TSWEET (1903): Separação de misturas depigmentos vegetais em colunas recheadas com

adsorventes sólidos e solventes variados.

éter depetróleo

CaCO

3

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).

CROMATOGRAFIAModalidades e Classificação

FM = Líquido

FM = Gás

CromatografiaLíquida

CromatografiaGasosa (CG)

Em CG a FEpode ser:

Sólida

Líquida

CromatografiaGás-Sólido (CGS)

CromatografiaGás-Líquido (CGL)

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)

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 GÁS GÁS

DE ARRASTEDE ARRASTERequisitos:

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 DCE

H2O, 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 , H2

DCTDIC

N2 , H2DC

EN2 (SS), Ar + 5% CH4

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 gásdispositivos 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

INSTRUMENTAÇÃOInjetor “on-column” Convencional

1

2

3

4

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

INSTRUMENTAÇÃOInjeção “on-column” de líquidos

1 2 3

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

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

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

INSTRUMENTAÇÃOParâmetros de Injeção

TEMPERATURA DO INJETOR Deve ser 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

COLUNAAmostra

sGasosas

Amostras

Líquidasempacotada = 3,2 mm

(1/4”)

0,1 ml ... 50 mL

0,2 L ... 20 L

capilar = 0,25 mm 0,001 ml ... 0,1

mL0,01 L ... 3

L

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

solução

INSTRUMENTAÇÃOMicrosseringas para Injeção

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

êmbolo

corpo (pirex)

agulha (inox 316)

Microseringa de 10 L:

Microseringa de 1 L (seção ampliada):

corpo

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 mParedes internas

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

sólida

INSTRUMENTAÇÃOTemperatura da Coluna

Além da interação com a FE, o tempo que um analito demora para percorrer a coluna

depende de sua PRESSÃO DE VAPOR (p0).

p0 = f

Estrutura química

do analitoTemperatur

a da coluna

Temperaturada

coluna

Pressãode

vapor

Velocidadede

migração

ANALITO ELUI MAIS RAPIDA-MENTE (MENOR RETENÇÃO)

INSTRUMENTAÇÃOTemperatura da Coluna

TEM

PER

ATU

RA

DA

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.



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

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

TEMPERATURA ESTÁVEL E 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.



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

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

TEMPERATURA ESTÁVEL E 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


A temperatura do forno pode ser variada linearmente durante a

separação:

Consegue-se boa separação dos

componentes da amostra em

menor tempo

TEMPO

TE

MPE

RA

TU

RA

tINI tFIM

TIN

I

TFIM

R

Parâmetros de uma programação de temperatura:

TINI Temperatura Inicial

TFIM Temperatura Final

tINI Tempo Isotérmico

Inicial

tFIM Tempo Final do

Programa

R Velocidade de Aquecimento


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

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

REGISTRODE

SINAL

ANALÓGICORegistradores

XY

DIGITALIntegradore

sComputador

es

TEORIA BÁSICATempo de Retenção Ajustado, tR‘

tR

tM

tR’ = tR - tM

TEMPO

SIN

AL

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)

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 oVOLUME 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 analito 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 gásMENOR

RETENÇÃO !!!Volatilidade

[A]M

Afinidade pela FE

[A]S

TEORIA BÁSICAFator de Retenção, k

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

concentração:

M

S

W

Wk

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

contidas na FE (Ws) e gás de arraste (WM)

S

M

V

V

RAZÃO DE FASES, : 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 da coluna

TEORIA BÁSICARazão de Fases,

Depende das DIMENSÕES da coluna:

L = comprimento da coluna

rC = raioda

coluna

df = espessura do filme de

FE fC

fC

dr

dr

2

2

rC >> df

dC / mm df / m

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

Valores de para colunas capilares

de dimensões típicas:

Empacotadas:

5 < < 50

TEORIA BÁSICARelações entre VR’, KC e

VR’ pode ser definido em função de KC e

VR’ depende diretamente da constante de dis-tribuição do soluto entre a FE e o gás

de arraste e das dimensões da coluna.

Outra combinaç

ão possível:

É possível estimar tanto o fator de

retenção quanto a constante de distribuição a

partir do cromatograma

TEORIA BÁSICAEficiência de Sistemas

CromatográficosA migração um

analito pela coluna provoca inevitavelmente

o alargamento da sua banda:TEMP

O

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 43924

2.16 10% 0.549 36432.16 5% 0.500 4000

Capilares, L = 30 m

Empacotadas, L = 2 m

Valores de H para colunas capilares e empacotadas são próximos, mas como L

para capilares é MUITO maior tipicamente elas são mais eficientes

(L = comprimento da coluna)

TEORIA BÁSICAOtimização da Eficiência

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

de arraste u:

H

uuMAX

HMIN

O valor de H pode ser minimizad

o otimizando-se a vazão de gás de arraste

Relações algébricas entre H e u:

- Colunas Empacotadas: Equação de van Deemter

- Colunas Capilares: Equação de Golay

(A, B, C = constantes)

(B, CM, CS = constantes)

FASES ESTACIONÁRIASConceitos Gerais

LÍQUIDOS Depositados sobre a superfície de: 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 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 102 m2/g).

Mais usados:Polímeros Porosos Porapak (copolímero

estireno-divi-nilbenzeno), Tenax (polióxido de difenileno)Sólidos Inorgânicos Carboplot, Carboxen (carvões ativos grafitizados), Alumina, Peneira Molecular (argila microporosa)

GASES DE REFINARIAColuna:Carboxen-1000 60-80 mesh; 15’ x 1/8”TCOL: 35oC a 225oC / 20oC. min-1

Gás de Arraste: He @ 30 ml.min-1

Detector: TCD

Principais Aplicações:

- Separação de gases fixos- Compostos leves- Séries homólogas

FASES ESTACIONÁRIASFamílias de FE Líquidas

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

CH2 CH2OH OH

n

Estrutura Química:

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

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

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


Maior parte das aplicações em CG modernaQuatro grandes grupos

estruturais:PARAFINAS Apolares; alta inércia química; praticamente abandonadas. Principais: esqua-lano (C30H62), 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 L de solução em clorofórmio contendo 0,5 g de cada éster

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


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 inorgânico pode ser ligado à cadeia

polimérica = FE “ajustáveis” a separações específicas + facilidade de imobilização por

entrecruzamento e ligação química a suportes


Substituintes Nomes Comerciais Observações

- - SE-30 OV-1 OV-101 SP-2100 mais apolares da sériepouco seletivas

carborano ? - Dexsil 300GC similar a PDMSestável até > 400oC

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 altamente polar

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.


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 m)

TCOL:195oC (6,5 min) / 195oC a 275oC (10oC.min-1)Gás de Arraste: He @ 35

cm.min-1

Detector: FID

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

17 min


Separação de piridinas - FE = 100 % CNpropilsilicone1 - piridina

2 - 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 m)

TCOL:110oC (isotérmico)Gás de Arraste: N2 @ 16 cm.min-1

Detector: FID

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


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 = normal-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


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


Derivados de ciclodextrinas alquiladas:

-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 - (+/-) -pineno2 - sabineno3 - (+/-) -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


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


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 EMPACOTADASDefinições Básicas

Tubo de material inerte recheado com FE sólida gra-nulada ou FE líquida depositada

sobre suporte sólido.

MATERIAL

DOTUBO

ø = 3 mm a 6 mmL = 0,5 m a 5 m

aço inoxvidro pirexníquelTEFLON

Granulometriado

recheio

80 - 100 mesh

149 - 177 m

100 - 120 mesh

125 - 149 m

60 - 80 mesh

177 - 250 m

MESH

dp

Eficiência maximizada com:

- Diminuição de dC- Diminuição de dp- Recheio regular

Limitados pela resistência à passagem de gás de arraste

COLUNAS EMPACOTADASFE Líquidas: Suporte

A FE líquida deve ser disposta

sobre um SUPORTE sólido

área superficial entre 0,5 e 10 m2.g-1

microporos regulares (~ 1 m)NÃO interagir com a amostraboa resistência mecânica

Uso quase universal: TERRA DIATOMÁCEA

Esqueletos

fósseis (SiO2 +

óxidos metálicos) de

algas microscópicas

ChromosorbAnachrom

Supelcoport...

secagemcalcinaçã

ofusão com sodalavagem com

ácidosilanização

COLUNAS EMPACOTADASFE Líquidas: Suporte

Chromosorb - características gerais

Áre

a S

up

erfi

cial

Den

sid

ade

Ap

aren

te

Tam

anh

o d

e P

oro

% M

áx.

de

FE

NOME m 2 .g -1 g.ml -1 m

Chromosorb P 4,0 0,47 0,4 - 2 30Chromosorb W 1,0 0,24 8 - 9 15Chromosorb G 0,5 0,58 - 5

Ord

em

cre

scen

ted

e in

érc

ia

Tratamentos especiais:

AW Lavado com ácido, para remoção de metais

HP ou DMCS ou HDMS Silanizados (menor adsorção)

NAW Sem lavagem com ácido

Chromosorb P Róseo, muito ativo.Chromosorb W Branco, mais inerte que o P.Chromosorb G Similar ao W, maior resistência mecânica

COLUNAS EMPACOTADASFE Líquidas: Carga de FE

TIPICAMENTE % FE = 1 % a 30 % do recheio

Maiores volumes de amostraMelhor blindagem dos sítios adsortivos do

suporteMelhor reprodutibilidade no preparo do recheio

Maior eficiência (d f = N)Menor sangria da FE com temperatura programadaSeparações rápidas e em temperaturas menores

% FE

df = f (% FE no

recheio)

COLUNAS CAPILARESDefinições Básicas

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

internas.MATERIA

LDO

TUBO

ø = 0,1 mm

a 0,5 mmL = 5 ma 100 m

sílica fundidavidro pirexaço inoxNylonSilcosteel

Colunas de sílica são revestidas externamente com camada de polímero (poliimida) para aumentar

resistência mecânica e química

Colunas Capilares x Empacotadas:

CA

PIL

AR

ES

L = N Colunas mais eficientesFC = 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 empacotadas

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


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 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 CAPILARESLarge Volume Injection (LVI)

Combinando injetores com temperatura programada, vál-vulas controladas por

microprocessador e pré-colunas pode ser feita injeção de grandes volumes (> 100 L) de amostra

1 Colunas e injetor frios; válvula de

purga aberta (solvente é eliminado)

2 Colunas e injetor

aquecidos; válvula de

purga fechada (constituintes de interesse transferidos para coluna analítica)

COLUNAS CAPILARESLarge Volume Injection (LVI)

Separação de PAH com LVI (Vinj = 25 L, 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


Detector: FID

COLUNAS CAPILARESColunas Multicapilares

“Feixes” paralelos de

colunas capilares com dC

convencional

- Eficiência próxima à das colunas convencionais- Capacidade similar à das colunas empacotadas- Colunas mais curtas: análises mais rápidas

Separação de explosivos em

coluna multicapilar (OV-17, 1000

capilares x 6 m)1 - 2,6-DNT2 - 2,4-DNT3 - 2,4,6-TNT4 - 3,4,5-TNT5 - 2,3,4-TNT6 - RDX ?7 - tetryl

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

porCondutivida

deTérmica

DIC FIDDetector

porIonização

emChama

DCE ECDDetector

porCaptura de

Eletrons

EM MSDetector Es-pectrométri

co de Massas

DETECTORESParâmetros Básicos de

DesempenhoQUANTIDADE MÍNIMA DETECTÁVEL Massa de um analito que gera um pico com altura igual a três vezes o nível de ruído

SIN

AL

(S)

RUÍDO (N)

= 3

SN

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

Fontesde

Ruído

Contaminantes nos gasesImpurezas acumuladas no detectorAterramento elétrico deficiente


DesempenhoLIMITE DE DETEÇÃO Quantidade de

analito que gera um pico com S/N = 3 e wb =

1 unidade de tempoMesmo detector, nível de ruído e massa de analito MAS diferentes larguras de base:

wb

QMD = f

Detector (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 ...)


DesempenhoVELOCIDADE DE RESPOSTA Tempo decorrido entre a entrada do analito na cela do detector e a geração do sinal elétrico.

63,2% FSD

TEMPO

SIN

AL

Constante de Tempo, :

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 + dispositivos de registro de sinal) igual ou menor a

10% da largura a meia altura (w0.5 ) do pico mais

estreito do cromatograma

>>

w0.5

t R medido > t R real

w medida > w real

Deformação no pico (cauda)

Diminuição do ruído (“damping”)


DesempenhoSENSIBILIDADE 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


DesempenhoFAIXA 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

/

MA

SS

A

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

TérmicaPRINCÍPIO 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.


TérmicaConfiguração 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 REFERÊNCI

A

CO

RTE

SU

PER

IOR

CELAS DA

AMOSTRA

CELAS DE REFERÊNCI

A

CO

RTE

LA

TER

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


TérmicaOs filamentos do DCT são montados numa ponte de Wheatstone que transforma a diferença de

resistência quando da eluição de amostra numa diferença de voltagem:

V Fonte de CC / Bateria (18 V a 36 V, típico)F Ajuste da corrente nos filamentosI Medida da corrente nos filamentos (100 mA - 200 mA, típico)B1 B2 Balanceamento / ajuste de

zeroR1 R2 Filamentos das celas de

referênciaA1 A2 Filamentos das celas de

amostra

DETECTORESCaracterísticas Operacionais do

DCTSELETIVIDADE Observa-se sinal para qualquer 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 104 (ng -

dezenas de g)

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 !!!


DCTNATUREZA DO GÁS DE ARRASTE Quanto maior

a diferença entre a condutividade térmica do

gás de arraste puro, A, e do analito, X, 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 outr

o gás

1 2

He ou H2

1 2

1Usando He ou H2 como gás de arraste, é maximizado: MAIOR RESPOSTA

2Com outros gases, eventualmenteX > A: PICOS NEGATIVOS


DCTFATORES 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 = 17,5

Clorofórmio = 6,0Etanol = 12,7

C2H

6

CHCl3 C2H5O

H

X


DCTTEMPERATURAS DE OPERAÇÃO Quanto maior a diferença entre a temperatura dos filamentos e do

bloco metálico maior a resposta.

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

i TFSina

lLimitações:

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

- 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

TBSina

lLimitação:

- 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 geram sinal em outros detectores (gases

nobres, gases fixos)

2 Por ser um detector não-destrutivo, pode ser usado em CG preparativa ou detecção sequencial

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°CDetector: DCT

1 N2 2 CH4

3 CO2 4 n-C2

5 NH3 6 n-C3

7 i-C4 8 n-C4

Separação de Gases Fixos e Hidrocarbonetos:

DETECTORESDetector por Ionização em

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

O efluente 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


ChamaCOLETOR

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:


ChamaQuímica 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 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).

Queima de substâncias com

ligações C-H

CH + O CHO+ + e-

1 íon formado a cada ~105 átomos de C queimados

Queima de H2Formam-se apenas

radicais !!!


DICSELETIVIDADE Seletivo 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 é UNIVERSAL)

Compostos que NÃO produzem resposta no DIC:

Gases nobresH2, O2, N2CO, CO2, CS2

CCl4, peralogenados

NH3, NxOy

SiX4 (X = halogênio)H2O

HCOOH, HCHO *

SENSIBILIDADE / LINEARIDADE QMD típicas = 10 pg a 100 pg com linearidade entre 107 e

108 (pg a mg)

DIC

DCT

N2

CH4CO2

O2


DICVAZÕES 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 H2

VARIAÇÕES NAS VAZÕES DE AR E H2 AFETAM APENAS MARGINALMENTE O

SINAL = MAIORES REPRODUTIBILIDADE E REPETIBILIDADE


DICTEMPERATURA 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 / Coletor2 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


DICFATORES DE RESPOSTA O 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.

Átomo X

C alifático +1,00C 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 compostos orgânicos nitrogenados e

fosforadosPérola 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 Desetilatrazina2Desisopropilatrazina3 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 eletrofílicasUm fluxo contínuo de

eletrons lentos é estabelecido entre um anôdo (fonte

radioativa -emissora) e um

catodo.

Na passagem de uma substância

eletrofílica alguns eletrons são absorvidos,

resultando uma supressão de

corrente elétrica.


12

3

4

5

1 Anôdo (fonte radioativa - emissora)

2 Saída de gases

3 Catodo

4 Cavidade

5 Coluna cromatográfica


Mecanismo de Captura de Eletrons

1 Geração de eletrons lentos pela interação entre a ra- diação moléculas do gás de arraste G e molécu- las de bloqueador (“quencher”) Q

- + G G + + e - + e* energia- + G G* + Q G + e - + Q energia

2 Eletrons lentos são capturados pela espécie eletro- fílica AB AB + e - AB - +

energiaO decréscimo na corrente elétrica fluindo pela

cela de detecção é proporcional à concentração a da espécie absorvente no gás

de arrasteIb corrente de

repousoIe corrente na eluição do

analitoK constante de captura


DCEFONTE RADIOATIVA O anôdo deve estar dopado com um isótopo radioativo - ou

- emissor

Emprego universal em DCE comerciais:3H (-, 0,02

MeV)Sob a forma de Ta3H3

Tdet deve ser <

225oC

Maior sensibilidade

63Ni (-, 0,06 MeV)

Usado como 63Ni 0Maior linearidadeÚtil até ~400oC

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

Raramente

usados:

63Ni preferido em

equipamentos modernos

- Maior durabilidade (t1/2 = 100 a x 12 a para 3H)- Maior estabilidade térmica- Menor risco de uso (radioatividade)


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 analisado !

POLARIZAÇÃO DOS ELETRODOS Vários modos de polarização possíveis

VOLTAGEM PULSADA Menos anomalieas elétricas: maior sensibilidade e linearidade.

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

TEMPERATURA DO DCE DEVE SER RIGIDAMENTE

CONTROLADA


DCEGÁS DE ARRASTE Funcionamento do DCE é muito dependente da natureza do gás de

arraste

MAIS USADOS:

N2Ar + 5%

CH4

Geram eletrons lentos quando

bom-bardeados

com -

O gás deve ser o mais puro possível !!!(traços de H2O e O2 comprometem o sinal

do DCE)

VAZÃO DE GÁS DE ARRASTE Sinal depende dire-tamente da vazão de gás fluindo no

detector

Sinal

F

!Adsorção de contaminantes

sobre os eletrodos causa deformação

nos picos


DCESENSIBILIDADE / LINEARIDADE QMD = 0,01 pg a 1 pg (organoclorados), linearidade ~ 104

(pg a ng)

10 fg Lindano (C6H6)

-ECD HP-6890

PESTICIDAS 1 tetracloro-m-

xileno 2 - BHC 3 Lindano 4 Heptachlor 5 Endosulfan 6 Dieldrin 7 Endrin 8 DDD 9 DDT10 Metoxychlor10 decaclorobifenila

~250 fg cada analito

O DCE É O DETECTOR PREFERENCIAL PARA ANÁLISES DE TRAÇOS DE

ORGANOALOGENADOS E SIMILARES


DCESELETIVIDADE / FATORES DE RESPOSTA Valores de S maximizados para compostos

eletrofílicos

hidrocarbonetos e esteres alifáticos, dienos

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

S típicos (clorobenzeno: S = 1)

Comparando-se organoalogenad

os:

I > Br > Cl > F

Terc > Sec > Prim

Tri > Di > Mono

> >

trans > cis

DETECTORESDCE: Aplicações

Contaminantes em ar atmosférico - detecção paralela DIC + DCE

DIC

DCE

1, 2, 3 - Hidrocarbonetos aromáticos4, 5, 6 - Hidrocarbonetos

clorados

ANÁLISE QUALITATIVAConceitos Gerais

Fontes de Informações Qualitativas

RETENÇÃO Uso de dados de retenção de um analito para sua identificação

DETECÇÃO Detectores que fornecem informações estruturais sobre as substâncias eluídas

Identificação individual das espécies contidas na

amostra

Determinação da identidade da amostra

propriamente dita

Aplicações

Qualitativas de CG

Para análise qualitativa confiável por CG é recomendável combinação

de dados provenientes de pelo menos duas fontes

ANÁLISE QUALITATIVATempos de Retenção

t’R = f

Interações analito / FEPressão de vapor do analitoCondições operacionais (TCOL,

FC ...)Fixas as condições operacionais, o tempo

de retenção ajustado de um analito é uma constante

AMOSTRA

PADRÃO

Comparação de

cromatogramas da

amostra e de uma solução padrão do

analito suspeito


Identificação por t’R é muito pouco confiável:

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

VARIAÇÃO DE 1% NO

t’R

TCOL =

0,1%

FC = 1%

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

MA

SS

A

Saturação da coluna

cromatográfica com aumento

de massa eluida provoca “cauda frontal” no pico


Comparação de t’R usando dopagem

(“spiking”) da amostra com o analito suspeito: aumento da confiabilidade de

identificação.

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 QUALITATIVAÍndice de Retenção de Kovàts

FUNDAMENTO Os t’R isotérmicos para uma

série homóloga de compostos dependem logaritmicamente do número de átomos de

carbono na cadeia.

Separação isotérmica de uma mistura de n-

alcanos (n-C4, n-C5, ...

n-C16)

Um gráfico de log(t’R)

em função do número de átomos de carbono

do analito nC é LINEAR


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

t’R (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)

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

Interpolação logarítmica

dos t’R


REPETIBILIDADE - REPRODUTIBILIDADE Os

efeitos de TCOL e FC nos índices de Kovàts

são pequenos

ANALITO I/TCHCl3 +0,02 %

CH3CH2OH -0,12 %CH3CHO -0,05 %

CH3(CO)CH3 -0,04 %

Dependência de I para algumas

substâncias em uma coluna apolar na

faixa de TCOL = 70oC

a TCOl = 130oC

Identificação por índices de retenção é muito confiável que comparações baseadas

em t’RÍNDICE 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

ANÁLISE QUALITATIVARetention 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’RCORRIDA #1

TCOL (1)

FC (1)

Coluna A

CORRIDA #2

TCOL (2)

FC (2)

Coluna BO software RTL (Hewlett-Packard)

automaticamente ajusta as condições operacionais em um segundo CG para reproduzir

os t’R obtidos em um primeiro equipamento

Cromatogramas obtidos em diferentes

equipamentos e colunas com condições

operacionais da segunda corrida ajustadas pelo

software de RTL

ANÁLISE QUALITATIVAMétodos de Detecção

QualitativosMétodos de detecção que fornecem informações qualitativas sobre os analitos

eluídos:

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

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

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

Identificação muito confiável quando combinados a técnicas de identificação

baseadas em retenção

ANÁLISE QUALITATIVAEspectrometria de Massas

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

espécie química.1 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.

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

AB

UN

DÂ

NC

IA

MASSA / CARGA

O gráfico do número de íons formados em

função da razão Massa / Carga dos íons é o ESPECTRO

DE MASSAS do analito

ANÁLISE QUALITATIVAEspectrômetro de Massas

1

2

3

4

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

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

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

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

ANÁLISE QUALITATIVAEspectro de Massas

m/Z = 118

m/Z = 80

m/Z = 79

- CO

- (CO + H)

m/Z = 90

20

40

60

80

100

120

0

m / Z

ANÁLISE QUALITATIVAAcoplamento CG - EM

Interface cromatógrafo - espectrômetro:

CG

EM

Vácuo

Separador Molecular

O gás de arraste leve (He) difunde mais rapidamente

que o analito e tende a ser drenado

para o vácuo.

Câmarade

Ionização

Coluna

Capilar

Interface Capilar Direta

Com 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 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.

COMPUTADORES RÁPIDOS E COM GRANDE CAPACIDADE DE ESTOCAGEM

DE DADOS

ANÁLISE QUALITATIVACG-EM: Geração do

CromatogramaEspectros de massas completos coletados e arquivados em intervalos

regulares de tempoGeração do cromatograma a partir dos

espectros:

CROMATOGRAMA DE ÍONS TOTAIS (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.

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

NTA

GEN

S

MASSA / CARGA

CO

NTA

GEN

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

ESPECTRODESCONHECID

OPBM

Lista 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

ANÁLISE QUALITATIVAEmissão Atômica em Plasmas

PRINCÍPIO A amostra é fragmentada num plasma, os fragmentos são excitados e

emitem luz ao retornarem aos seus estados fundamentais.

1 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+ +

h1B* B + h2CD* CD +

h3

O MONITORAMENTO DA EMISSÃO NOS COMPRIMENTOS DE ONDAS CARACTERÍSTICOS DE

CADA FRAGMENTO GERA CROMATOGRAMAS ELEMENTO-ESPECÍFICOS

ANÁLISE QUALITATIVAGeração e Sustentação de

PlasmasPLASMA Gás ionizado por aplicação de uma descarga elétrica e sustido por um campo

elétrico oscilante

Eletrons da descarga elétrica colidem com o

gás gerando íons

Íons formados são acelerados pelo campo

elétrico aplicado gerando continuamente mais íons e

espécies excitadas

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)

ANÁLISE QUALITATIVAEspectro de Emissão Atômica

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

emissão do plasma e impurezas

200 nm

800 nm

n-HexanoFragment

os:C2 CN

OH NH

456 nm

566 nm

Fósforo

BromoCloro

Naled (C4H7Br2Cl2O4P)

ANÁLISE QUALITATIVAEsquema Típico de um CG-DEA

1 Cromatógrafo Gasoso2 Alimentação de Gás de Suporte do Plasma (He)

3 Linha de Transferência (acoplamento CG - DEA)4 Cavidade Ressonante (geração do plasma)

5 Lente de Focalização6 Monocromador / Policromador

7 Detector de Luz (fotomultiplicadora / diode array)

8 Amplificação / Digitalização de Sinal

9 Computador

ANÁLISE QUALITATIVADEA: 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 DETECÇÃ

O

PLASMA

CABO DE ALIMENTAÇÃO

DE MICROONDAS

CAVIDADE RESSONANTE

He

Cavidade Ressonante Beenaker TM010:

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

100 W

CELA DE DETECÇÃO Tubo de material isolante elétrico e altamente refratário

(quartzo, alumina, BN)

ANÁLISE QUALITATIVAInterface CG - DEA

Plasmas de He se extinguem pela passagem de grandes quantidades de material (~ 1 L de

líquido vaporizado)

Interface para colunas empacotadas:

COLUNA

He

CELA

PURGA

VÁLVULA DIVERSOR

A

Antes de ser misturado ao He, o efluente

da coluna passa por uma

válvula diversora

Quando da eluição de grandes

quantidades de analito o fluxo

da coluna é desviado para

a purga

Colunas capilares: não há necessidade de diversão.

Documents

Petruccio Tenório Medeiros. CROMATOGRAFIA Histórico M. TSWEET (1903): Separação de misturas de pigmentos vegetais em colunas recheadas com adsorventes