Petruccio Tenório Medeiros
CROMATOGRAFIA
Histórico
M. TSWEET (1903): Separação de misturas de
pigmentos vegetais em colunas recheadas com
adsorventes sólidos e solventes variados.
éter de
petróleo
mistura de
pigmentos
CaCO
pigmentos
separados
3
Cromatografia =
kroma [cor] + graph [escrever]
(grego)
CROMATOGRAFIA
Princípio Básico
Separação de misturas por interação diferencial dos seus
componentes entre uma FASE ESTACIONÁRIA (líquido ou
sólido) e uma FASE MÓVEL (líquido ou gás).
CROMATOGRAFIA
Modalidades e Classificação
FM = Líquido
Cromatografia
Líquida
FM = Gás
Cromatografia
Gasosa (CG)
Sólida
Cromatografia
Gás-Sólido (CGS)
Líquida
Cromatografia
Gás-Líquido (CGL)
Em CG a FE
pode ser:
CROMATOGRAFIA GASOSA
Histórico
1940
“CGS” rudimentar
CGL proposta (Martin e Synge)
Separação de ácidos orgânicos por CGL: primeiro cromatógrafo (Martin e James)
1950
Primeiro equipamento comercial (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)
1960
Colunas Capilares (Golay)
Presentemente:
Vendas de equipamentos e acessórios para CG nos EUA
estimadas em mais de US$ 750.000.000 (1995).
CROMATOGRAFIA GASOSA
Aplicabilidade
Quais misturas podem ser separadas por CG ?
(para uma substãncia qualquer poder ser
“arrastada” por um fluxo de um gás ela
deve ser dissolver - pelo menos parcialmente nesse gás)
Misturas cujos constituintes sejam
VOLÁTEIS (=“evaporáveis”)
DE FORMA GERAL:
CG é aplicável para separação e análise
de misturas cujos constituintes tenham
PONTOS DE EBULIÇÃO de até 300oC
e que termicamente estáveis.
O Cromatógrafo a Gás
1
6
2
4
5
3
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
INSTRUMENTAÇÃO
Gás de Arraste
Fase Móvel em CG: NÃO interage com a amostra - apenas a carrega através da coluna. Assim
é usualmente referida como GÁS DE 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:
H2O, O2
hidrocarbonetos
oxida / hidroliza algumas FE
incompatíveis com DCE
ruído no sinal de DIC
INSTRUMENTAÇÃO
Gás de Arraste
Requisitos:
CUSTO
CUSTO Gases de altíssima pureza podem ser
muito caros.
C
B
A
A = 99,995 % (4.5)
B = 99,999 % (5.0)
C = 99,9999 % (6.0)
PUREZA
COMPATÍVEL COM DETECTOR Cada detector
demanda um gás de arraste específico para
melhor funcionamento.
Seleção de Gases de Arraste em Função do Detector:
DCT
He , H2
DIC
N2 , H2
DCE
N2 (SS), Ar + 5% CH4
INSTRUMENTAÇÃO
Alimentação de Gás de Arraste
Componentes necessários à linha de gás:
controladores de vazão / pressão de gás
dispositivos para purificação de gás (“traps”)
3
4
6
2
1
5
1 - Cilindro de Gás
2 - Regulador de Pressão Primário
3 - “Traps” para eliminar impurezas do gás
4 - Regulador de Pressão Secundário
5 - Regulador de Vazão (Controlador Diferencial de Fluxo)
6 - Medidor de Vazão (Rotâmetro)
Nota: Tubos e Conexões: Aço Inox ou Cobre
INSTRUMENTAÇÃO
Dispositivos de Injeção de Amostra
Os dispositivos para injeção (INJETORES ou
VAPORIZADORES) devem prover meios de
introdução INSTANTÂNEA da amostra na
coluna cromatográfica
Injeção instantânea:
t=0
t=x
Injeção lenta:
t=0
t=x
INSTRUMENTAÇÃO
Injetor “on-column” Convencional
1
2
3
4
1 - Septo (silicone)
2 - Alimentação de gás de arraste)
3 - Bloco metálico aquecido
4 - Ponta da coluna cromatográfica
INSTRUMENTAÇÃO
Injeção “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.
INSTRUMENTAÇÃO
Parâmetros de Injeção
TEMPERATURA DO INJETOR Deve ser suficientemente elevada para que a amostra vaporize-se imediatamente, mas sem decomposição
Regra Geral: Tinj = 50oC acima da temperatura
de ebulição do componente menos volátil
VOLUME INJETADO Depende do tipo de
coluna e do estado físico da amostra
COLUNA
Amostras
Líquidas
Amostras
Gasosas
empacotada
 = 3,2 mm (1/4”)
0,2 L ... 20 L
0,1 ml ... 50 mL
capilar
 = 0,25 mm
0,01 L ... 3 L
0,001 ml ... 0,1 mL
Sólidos: convencionalmente se dissolve em um
solvente adequado e injeta-se a solução
INSTRUMENTAÇÃO
Microsseringas para Injeção
LÍQUIDOS Capacidades típicas: 1 L, 5 L e 10 L
Microseringa de 10  L:
agulha (inox 316)
êmbolo
corpo (pirex)
Microseringa de 1  L (seção ampliada):
corpo
agulha
guia
êmbolo (fio de aço
soldado ao guia)
INSTRUMENTAÇÃO
Colunas: Definições Básicas
EMPACOTADA
 = 3 a 6 mm
L = 0,5 m a 5 m
CAPILAR
 = 0,1 a 0,5 mm
L = 5 m a 100 m
Recheada com sólido pulverizado (FE sólida ou FE
líquida depositada sobre
as partículas do recheio)
Paredes internas recobertas com um filme fino (fração de  m) de FE líquida
ou sólida
INSTRUMENTAÇÃO
Temperatura da Coluna
Além da interação com a FE, o tempo que um
analito demora para percorrer a coluna depende
de sua PRESSÃO DE VAPOR (p0).
Estrutura química
do analito
p0 = f
Temperatura
da
coluna
Temperatura
da coluna
Pressão
de
vapor
ANALITO ELUI MAIS RAPIDAMENTE (MENOR RETENÇÃO)
Velocidade
de
migração
INSTRUMENTAÇÃO
Temperatura da Coluna
TEMPERATURA DA COLUNA
CONTROLE CONFIÁVEL DA TEMPERATURA
DA COLUNA É ESSENCIAL PARA OBTER
BOA SEPARAÇÃO EM CG
INSTRUMENTAÇÃO
Forno da Coluna
Características Desejáveis de um Forno:
AMPLA FAIXA DE TEMPERATURA DE
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.
INSTRUMENTAÇÃO
Forno da Coluna
Características Desejáveis de um Forno:
FÁCIL ACESSO À COLUNA A operação
de troca de coluna pode ser frequente.
AQUECIMENTO
E
ESFRIAMENTO
RÁPIDO Importante tanto em análises de
rotina e durante o desenvolvimento de
metodologias analíticas novas.
TEMPERATURA ESTÁVEL E
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.
INSTRUMENTAÇÃO
Forno da Coluna
Características Desejáveis de um Forno:
FÁCIL ACESSO À COLUNA A operação
de troca de coluna pode ser frequente.
AQUECIMENTO
E
ESFRIAMENTO
RÁPIDO Importante tanto em análises de
rotina e durante o desenvolvimento de
metodologias analíticas novas.
TEMPERATURA ESTÁVEL E
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.
INSTRUMENTAÇÃO
Programação Linear de Temperatura
Misturas complexas (constituintes com
volatilidades muito diferentes)
separadas ISOTERMICAMENTE:
TCOL BAIXA:
- Componentes mais
voláteis são separados
- Componentes menos voláteis demoram a eluir, saindo
como picos mal definidos
TCOL ALTA:
- Componentes mais voláteis não são separados
- Componentes menos voláteis eluem mais rapidamente
INSTRUMENTAÇÃO
Programação 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
TINI Temperatura Inicial
TFIM Temperatura Final
tINI Tempo Isotérmico Inicial
tFIM Tempo Final do Programa
R Velocidade de Aquecimento
TEMPERATURA
Parâmetros de uma programação de temperatura:
TFIM
R
TINI
tFIM
tINI
TEMPO
INSTRUMENTAÇÃO
Programação 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
INSTRUMENTAÇÃO
Detectores
Dispositivos que examinam continuamente o
material eluido, gerando sinal quando da passagem de substâncias que não o gás de arraste
Gráfico Sinal x Tempo = CROMATOGRAMA
Idealmente: cada substância separada aparece
como um PICO no cromatograma.
INSTRUMENTAÇÃO
Detectores
Mais Importantes:
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.
DETECTOR POR CAPTURA DE ELÉTRONS
(DCE OU ECD) Supressão de corrente
causada pela absorção de elétrons por
eluatos altamente eletrofílicos.
ANALÓGICO
REGISTRO
DE
SINAL
Registradores XY
DIGITAL
Integradores
Computadores
TEORIA BÁSICA
Tempo de Retenção Ajustado, tR‘
O parâmetro diretamente mensurável de
retenção de um analito é o
TEMPO DE RETENÇÃO AJUSTADO, tR’:
SINAL
tR
tR’ = tR - tM
tM
TEMPO
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)
TEORIA BÁSICA
Volume de Retenção Ajustado, VR‘
Embora não diretamente mensurável, o parâmetro fundamental de retenção é o
VOLUME DE RETENÇÃO AJUSTADO, VR’:
vazão do gás de arraste
t R  t R  t M x FC
VR = Volume de Retenção (volume de gás de arraste
necessário para eluir um analito)
VM = Volume de Fase Móvel (volume de gás de arraste contido na coluna; “volume morto”)
VR’ = Volume de Retenção Ajustado (volume de gás
de arraste consumido enquanto o analito está
sorvido na FE)
Fatores termodinâmicos
VR’ = f
Parâmetros dimensionais da coluna
TEORIA BÁSICA
Constante de Distribuição, KC
Coluna cromatográfica: série de estágios independentes onde acontece o equilíbrio entre o analito
dissolvido na fase estacionária e no gás de arraste:
Ocorre um “quase-equilíbrio” entre o analito sorvido na FE e dissolvido no gás de arraste.
KC 
AS
AM
KC = Constante de Distribuição
[A]S = concentração do analito na FE
[A]M = concentração do analito no gás
Afinidade pela FE
[A]S
MENOR RETENÇÃO !!!
Volatilidade
[A]M
TEORIA BÁSICA
Fator de Retenção, k
Exprimindo o equilíbrio em termos da MASSA do
analito em cada fase, ao invés da concentração:
FATOR DE RETENÇÃO, k:
razão entre as massas de
analito contidas na FE
(Ws) e gás de arraste (WM)
WS
k 
WM
RAZÃO DE FASES, :
razão entre volumes de FE
e gás de arraste na coluna
VM
 
VS
O fator de retenção k depende da constante termodinâmica de distribuição KC e
da razão de fases  da coluna
TEORIA BÁSICA
Razão de Fases, 
Depende das DIMENSÕES da coluna:
L = comprimento da coluna
rC = raio
da coluna
df = espessura
do filme de FE
 
rC
 df 
2rCdf
2
Valores de  para
colunas capilares de
dimensões típicas:
Empacotadas:
5 <  < 50
rC >> df
dC / mm
df / m
0.10
0.20
0.20
0.25
0.25
0.32
0.32
0.32
0.53
0.53
0.53
0.10
0.11
0.33
0.25
1.00
0.17
0.52
1.00
0.88
2.65
5.00

250
455
152
250
63
471
154
80
151
50
27
TEORIA BÁSICA
Relações entre VR’, KC e

VR’ pode ser definido em função de KC e :
VR’ depende diretamente da constante de distribuição do soluto entre a FE e o gás de arraste e
das dimensões da coluna.
Outra
combinação
possível:
É possível estimar
tanto o fator de
retenção quanto a
constante de
distribuição a partir do
cromatograma
TEORIA BÁSICA
Eficiência de Sistemas Cromatográficos
TEMPO
A migração um
analito pela coluna
provoca
inevitavelmente o
alargamento da sua
banda:
Efeitos do alargamento excessivo de picos:
Picos mais largos e
Separação deficiente de
analitos com retenções menos intensos = menor
detectabilidade
próximas.
EFICIÊNCIA Capacidade de eluição com o
mínimo de dispersão do analito.
TEORIA BÁSICA
Quantificação da Eficiência
Supondo a coluna cromatográfica como uma série de
estágios separados onde ocorre o equilíbrio entre o
analito, a FE e o gás de arraste:
Cada “estágio” de
equilíbrio é chamado de
PRATO TEÓRICO
O número de pratos teóricos de uma coluna (N)
pode ser calculado por:
tR
N
wb
Coluna mais
eficiente
TEORIA BÁSICA
Quantificação da Eficiência
ALTURA EQUIVALENTE A UM PRATO TEÓRICO (H) “Tamanho” de cada estágio de equilíbrio
(L = comprimento da coluna)
Valores típicos de H e N:
Capilares, L = 30 m
Empacotadas, L = 2 m
dC
df
H
N
0.10
0.25
0.32
0.32
0.32
0.32
0.53
0.53
2.16
2.16
0.25
0.25
0.32
0.50
1.00
5.00
1.00
5.00
10%
5%
0.081
0.156
0.200
0.228
0.294
0.435
0.426
0.683
0.549
0.500
370370
192308
150000
131579
102041
68966
70423
43924
3643
4000
Valores de H para colunas capilares e empacotadas
são próximos, mas como L para capilares é MUITO
maior tipicamente elas são mais eficientes
TEORIA BÁSICA
Otimização da Eficiência
A altura equivalente a um prato téorico é função
da velocidade linear média do gás de arraste u:
H
O valor de H
pode ser
minimizado
otimizandose a vazão
de gás de
arraste
HMIN
uMAX
u
Relações algébricas entre H e u:
- Colunas Empacotadas: Equação de van Deemter
(A, B, C = constantes)
- Colunas Capilares: Equação de Golay
(B, CM, CS = constantes)
FASES ESTACIONÁRIAS
Conceitos Gerais
LÍQUIDOS Depositados sobre a superfície de: sólidos porosos inertes (colunas empacotadas) ou de
tubos finos de materiais inertes (colunas capilares)
FE
líquida
SUPORTE
Sólido inerte
poroso
Tubo capilar de
material inerte
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
SÓLIDOS Colunas recheadas com material
finamente granulado (empacotadas) ou depositado
sobre a superfície interna do tubo (capilar)
FASES ESTACIONÁRIAS
Características de uma FE ideal
SELETIVA Deve interagir diferencialmente
com os componentes da amostra.
FE Seletiva:
separação
adequada dos
constituintes da
amostra
FE pouco Seletiva:
má resolução
mesmo com coluna
de boa eficiência
Regra geral: a FE deve ter características tanto
quanto possível próximas das dos solutos a serem
separados (polar, apolar, aromático ...)
FASES ESTACIONÁRIAS
Características 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 ESTACIONÁRIAS
FE 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
Sólidos com grandes
áreas superficiais
(partículas finas, poros)
ADSORÇÃO
Solutos polares
Sólidos com grande
número de sítios ativos
(hidroxilas, pares de
eletrons...)
FASES ESTACIONÁRIAS
FE Sólidas
Características Gerais:
- Sólidos finamente granulados (diâmetros de partículas típicos de 105 µm a 420 µm).
- Grandes áreas superficiais (até 102 m2/g).
Mais usados:
Polímeros Porosos Porapak (copolímero estireno-divinilbenzeno), Tenax (polióxido de difenileno)
Sólidos Inorgânicos Carboplot, Carboxen (carvões
ativos grafitizados), Alumina, Peneira Molecular (argila
microporosa)
Principais Aplicações:
- Separação de gases fixos
- Compostos leves
- Séries homólogas
GASES DE REFINARIA
Coluna:Carboxen-1000 60-80
mesh; 15’ x 1/8”
TCOL: 35oC a 225oC / 20oC. min-1
Gás de Arraste: He @ 30 ml.min-1
Detector: TCD
FASES ESTACIONÁRIAS
Famílias 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.)
Estrutura Química: H
O CH2 CH2
OH
n
AMINAS ALIFÁTICAS
Coluna:4 % Carbowax 20M s/ Carbopack B + 0,8% KOH
TCOL: 200oC (isotérmico)
Gás de Arraste: N2 @ 20 mL.min-1
Detector: FID
Amostra: 0,01 L da mistura de aminas
FASES ESTACIONÁRIAS
Famílias de FE Líquidas
Maior parte das aplicações em CG moderna
Quatro grandes grupos estruturais:
PARAFINAS Apolares; alta inércia química;
praticamente abandonadas. Principais: esqualano (C30H62), Apiezon (graxas para vácuo).
POLIÉSTERES Ésteres de diálcoois com diácidos. Polares; altamente sensíveis a umidade
e oxidação; uso em declínio. Principais: DEGS,
EGA, EGS.
ÉSTERES METÍLICOS DE
ÁCIDOS GRAXOS
Coluna:5%DEGS-PS s/ Supelcoport 100/120 mesh; 6’ x 1/8”
TCOL: 200oC (isotérmico)
Gás de Arraste: N2 @ 20 ml.min-1
Detector: FID
Amostra: 0,5 L de solução em
clorofórmio contendo 0,5 g de
cada éster
FASES ESTACIONÁRIAS
FE 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)
Filmes espessos de FE
líquida
ABSORÇÃO
Grande superfície
líquida exposta ao gás
de arraste
Interação forte entre a
FE líquida e o analito
(grande solubilidade)
FASES ESTACIONÁRIAS
Famílias de FE Líquidas
SILICONES (polisiloxanas) As FE mais empregadas em CG. Cobrem ampla faixa de polaridades e propriedades químicas diversas.
CH3
H3C Si
CH3
R1
O Si
R2
CH3
O Si CH3
n
CH3
R1, R2 = qualquer
radical 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
FASES ESTACIONÁRIAS
Famílias de FE Líquidas
FE derivadas de polidimetilsiloxano (PDMS) por
substituição de -CH3 por radicais orgânicos, em
ordem crescente aproximada de polaridade:
Substituintes
Nomes Comerciais
Observações
mais apolares da série
pouco seletivas
similar a PDMS
estável até > 400oC
-
-
SE-30 OV-1 OV-101 SP-2100
carborano ?
-
Dexsil 300GC
fenil 5 %
-
SE-52 SE-54 OV-3 OV-5
OV-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 polar
retém aromáticos
trifluoropropil 50%
-
OV-210 QF-1
moderadamente polar
retém compostos carbonílicos
cianopropil 50%
fenil 50%
OV-225 SP-2300 CP-Sil
43CB
polar
retem doadores de elétrons
cianopropil 100%
-
SP-2340 SP-2330 Silar-9 CP
altamente polar
Diferenças entre FE de composição similar
provenientes de fornecedores diferentes:
pureza, viscosidade.
FASES ESTACIONÁRIAS
Famílias de FE Líquidas
Separação de pesticidas - FE = 100 % PDMS
1 - TCNB
2 - Dichloram
3 - Lindano
4 - PCNB
5 - Pentacloroanilina
6 - Ronilano
7 - Antor
8 - pp’-DDE
9 - Rovral
10 - Cypermetrin
11 - Decametrin
17 min
Coluna: CP-Sil 5 (25 m x 0,32 mm x 0,12 m)
TCOL:195oC (6,5 min) / 195oC a 275oC (10oC.min-1)
Gás de Arraste: He @ 35 cm.min-1
Detector: FID
Amostra: 2L de solução dos pesticidas “on-column”
FASES ESTACIONÁRIAS
Famílias de FE Líquidas
Separação de piridinas - FE = 100 % CNpropilsilicone
1 - piridina
2 - 2-metilpiridina
3 - 2,6-dimetilpiridina
4 - 2-etilpiridina
5 - 3-metilpiridina
6 - 4-metilpiridina
3 min
Coluna: 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: 0,1L de solução 1-2% das piridinas em
3-metilpiridina
FASES ESTACIONÁRIAS
Famílias de FE Líquidas
Separação de fenóis - FE = fenilmetilsilicones
50% Ph
50% Me
5% Ph
95% Me
FASES ESTACIONÁRIAS
FE Quirais
Separação de isômeros óticos:
PRODUTOS BIOLÓGICOS Distinção entre produtos de origem sintética e natural (natural = normalmente substâncias oticamente puras; sintético = muitas vezes são misturas racêmicas).
FÁRMACOS Em muitos fármacos apenas um dos
isômeros óticos têm atividade farmacológica.
Propriedades físico-químicas de isômeros óticos são
MUITO SIMILARES
FE convencionais não interagem diferencialmente com
isômeros óticos
Separação de misturas de isômeros
óticos só é possível com FE oticamente
ativas
=
FE Quirais
FASES ESTACIONÁRIAS
FE Quirais
FE oticamente ativas mais importantes:
CH3
O
Si
CH3
O
CH3
Derivados de aminoácidos:
CH2
CH3
Misturas de compostos
formadores de pontes de
hidrogênio.
Si
CH3
n
CH O
C
C
O
NH C
CH3
CH3
N
C*
H
H
CH CH3
CH3
Chiralsil-Val
CH3
O
Si
CH3
Organometálicos:
Separação de
enantiômeros formadores
de complexos.
CH3
O
Si
CH2
n
CH2
O
Ni
O
C3F7
Chiralsil-Metal
/2
FASES ESTACIONÁRIAS
FE Quirais
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 ESTACIONÁRIAS
FE Quirais: Aplicações
Óleo essencial artificial de limão: separação de
terpenos primários
1 - (+/-) a-pineno
2 - sabineno
3 - (+/-) -pineno
4 - (+/-) 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 ESTACIONÁRIAS
FE Quirais: Aplicações
Aroma de bergamota: distinção entre aroma
natural e artificial
Óleo essencial natural
Essência 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 ESTACIONÁRIAS
FE Quirais: Aplicações
Anfetaminas: resolução dos isômeros
Coluna: Rt-ßDEXcst (30 m x 0.25 mm x 0.25 µm)
TCOL: 1 min a 120°C / 1,5°C min-1 / 3 min A 175°C
Gás de Arraste: He @ 25 cm.min-1
Detector: MS
COLUNAS EMPACOTADAS
Definições Básicas
Tubo de material inerte recheado com FE sólida granulada ou FE líquida depositada sobre suporte sólido.
aço inox
MATERIAL
DO
TUBO
vidro pirex
ø = 3 mm a 6 mm
níquel
L = 0,5 m a 5 m
TEFLON
dp
MESH
Granulometria
do
recheio
60 - 80 mesh
177 - 250 m
80 - 100 mesh
149 - 177 m
100 - 120 mesh
125 - 149 m
Eficiência maximizada com:
- Diminuição de dC
- Diminuição de dp
- Recheio regular
Limitados pela resistência
à passagem de gás de
arraste
COLUNAS EMPACOTADAS
FE Líquidas: Suporte
área superficial entre 0,5 e 10 m2.g-1
A FE líquida deve ser
disposta sobre um
SUPORTE sólido
microporos regulares (~ 1 m)
NÃO interagir com a amostra
boa resistência mecânica
Uso quase universal: TERRA DIATOMÁCEA
secagem
calcinação
Esqueletos fósseis
(SiO2 + óxidos
metálicos) de algas
microscópicas
fusão com soda
lavagem com ácido
silanização
Chromosorb
Anachrom
Supelcoport
...
COLUNAS EMPACOTADAS
FE Líquidas: Suporte
Chromosorb - características gerais
Chromosorb P Róseo, muito ativo.
Chromosorb W Branco, mais inerte que o P.
NOME
m 2 .g -1
Chromosorb P
Chromosorb W
Chromosorb G
4,0
1,0
0,5
g.ml
-1
0,47
0,24
0,58
% Máx. de FE
Tamanho de Poro
Densidade Aparente
Área Superficial
Ordem crescente
de inércia
Chromosorb G Similar ao W, maior resistência mecânica
m
0,4 - 2
8-9
-
30
15
5
Tratamentos especiais:
AW
Lavado com ácido, para remoção de metais
NAW Sem lavagem com ácido
HP ou DMCS ou HDMS Silanizados (menor adsorção)
COLUNAS EMPACOTADAS
FE Líquidas: Carga de FE
df = f (% FE no recheio)
Maior eficiência (d f = N)
Menor sangria da FE com temperatura programada
Separações rápidas e em temperaturas menores
% FE
Maiores volumes de amostra
Melhor blindagem dos sítios adsortivos do suporte
Melhor reprodutibilidade no preparo do recheio
TIPICAMENTE % FE = 1 % a 30 % do recheio
COLUNAS CAPILARES
Definições Básicas
Tubo fino de material inerte com FE líquida ou sólida
depositada sobre as paredes internas.
MATERIAL
DO
TUBO
sílica fundida
vidro pirex
aço inox
Nylon
Silcosteel
ø = 0,1 mm
a 0,5 mm
L=5m
a 100 m
Colunas de sílica são revestidas externamente com camada de
polímero (poliimida) para aumentar resistência mecânica e química
CAPILARES
Colunas Capilares x Empacotadas:
 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 :
WCOT (Wall coated open tube) FE liquida deposida (ligada //
entrecruzada) sobre as paredes internas.
PLOT (Porous layer open tube) Camada de FE sólida presa às
paredes internas
SCOT (Support coated open tube) Predes internas revestidas
com material de recheio similar ao das colunas empacotadas
COLUNAS CAPILARES
Diâmetro Interno
 dC = 
Eficiência
Valores comuns:
0,10 mm
0,25 mm
0,32 mm
0,53 mm
1
2
3
1
Colunas de altíssima eficiência (amostras
complexas, “Fast GC”); capacidade volumétrica
limitada de processamento de amostra
2
Diâmetros mais comuns; capacidade
volumétrica limitada de amostra requer
dispositivos especiais de injeção
3
Colunas “megabore”: menor eficiência, mas
maior capacidade de processamento permite
uso de injetores convencionais
COLUNAS CAPILARES
“Fast GC”: Colunas Capilares Finas
Além de colunas finas: necessário controle
acurado de vazão (controle eletrônico de pressão)
e altas velocidades de aquecimento da coluna.
Destilação simulada de óleo diesel:
Coluna: HP-1 (1 m x 0.10 mm x 0.40 µm)
TCOL: 35°C / 40°C min-1 / 0,75 min A 310°C
Gás de Arraste: He @ 90 ml.min-1
Detector: FID
COLUNAS CAPILARES
Colunas Capilares: Injeção
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
1
2
3
4
5
1 - Septo;
2 - Entrada de gás de arraste;
3 - “Liner” (misturador);
4 - Coluna Capilar
5 - Purga de gás de arraste;
6 - Válvula de controle de
purga.
6
- Menor sensibilidade (boa parte da amostra é desprezada)
- Divisão da amostra raramente é uniforme (fração purgada
dos constituintes menos voláteis é sempre menor)
- Ajuste da razão de divisão é mais uma fonte de erros
COLUNAS CAPILARES
Large Volume Injection (LVI)
Combinando injetores com temperatura programada, válvulas 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 CAPILARES
Large 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
Gás de Arraste: He @ 2 ml.min-1
Detector: FID
COLUNAS CAPILARES
Colunas 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-DNT
2 - 2,4-DNT
3 - 2,4,6-TNT
4 - 3,4,5-TNT
5 - 2,3,4-TNT
6 - RDX ?
7 - tetryl
DETECTORES
Definições Gerais
Dispositivos que geram um sinal elétrico
proporcional à quantidade eluida de um analito
~ 60 detectores já usados em CG
~ 15 equipam cromatógrafos comerciais
4 respondem pela maior parte das aplicações
DCT TCD
DIC FID
Detector por
Condutividade
Térmica
Detector por
Ionização em
Chama
DCE ECD
EM MS
Detector por
Captura de
Eletrons
Detector Espectrométrico
de Massas
DETECTORES
Parâmetros Básicos de Desempenho
QUANTIDADE MÍNIMA DETECTÁVEL Massa de
SINAL (S)
um analito que gera um pico com altura igual a três
vezes o nível de ruído
S
=3
N
RUÍDO (N)
RUÍDO Qualquer componente do sinal gerado pelo
detector que não se origina da amostra
Contaminantes nos gases
Fontes
de
Ruído
Impurezas acumuladas no detector
Aterramento elétrico deficiente
DETECTORES
Parâmetros Básicos de Desempenho
LIMITE DE DETEÇÃO Quantidade de analito que
gera um pico com S/N = 3 e wb = 1 unidade de tempo
Mesmo detector, nível de ruído e massa de analito MAS
diferentes larguras de base:
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 ...)
DETECTORES
Parâmetros Básicos de Desempenho
VELOCIDADE DE RESPOSTA Tempo decorrido
entre a entrada do analito na cela do detector e a
geração do sinal elétrico.
SINAL
t
63,2% FSD
Constante de
Tempo, t : tempo
necessário para o
sinal chegar a 63,2
% FSD (full scale
deflection = fundo
de escala) após a
entrada de amostra
TEMPO
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
t R medido > t R real
t >> w0.5
w medida > w real
Deformação no pico (cauda)
Diminuição do ruído (“damping”)
DETECTORES
Parâmetros Básicos de Desempenho
SENSIBILIDADE Relação entre o incremento de
área do pico e o incremento de massa do analito
ÁREA
Fator de
Resposta, S:
inclinação da
reta Área do pico
x Massa do
analito
MASSA
S
Sensibilidade
o mesmo incremento
de massa causa um
maior incremento de
área
Na ausência de erros determinados:
A = área do pico cromatográfico
m = massa do analito
DETECTORES
Parâmetros Básicos de Desempenho
FAIXA LINEAR DINÂMICA Intervalo de massas
dentro do qual a resposta do detector é linear
ÁREA
A partir de
certo ponto o
sinal não
aumenta mais
linearmente
MASSA
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:
ÁREA / MASSA
1,05 S
0,95 S
MASSA
DETECTORES
Classificação
UNIVERSAIS:
Geram sinal para qualquer
substância eluida.
SELETIVOS:
Detectam apenas substâncias
com determinada propriedade
físico-química.
ESPECÍFICOS:
Detectam substâncias que
possuam determinado elemento
ou grupo funcional em suas
estruturas
DETECTORES
Detector por Condutividade Térmica
PRINCÍPIO Variação na condutividade térmica do
gás quando da eluição de um analito.
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.
i
Cela de Detecção do DCT:
1 Bloco metálico (aço)
2 Entrada de gás de arraste
5
3
3 Saída de gás de arraste
4 Filamento metálico (liga WRe) aquecido
4
2
1
5 Alimentação de corrente
elétrica para aquecimento do
filamento
DETECTORES
Detector por Condutividade Térmica
Configuração tradicional do DCT: bloco metálico com
quatro celas interligadas em par - por duas passa o
efluente da coluna e por duas, gás de arraste puro:
CELAS DA AMOSTRA
CELAS DA
CORTE SUPERIOR
CORTE LATERAL
AMOSTRA
CELAS DE
REFERÊNCIA
CELAS DE
REFERÊNCIA
Quando da eluição de um composto com condutividade
térmica menor que a do gás de arraste puro:
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
Diferença de
resistência
elétrica entre
os filamentos
de amostra e
referência
DETECTORES
Detector por Condutividade Térmica
Os filamentos do DCT são montados numa ponte de
Wheatstone que transforma a diferença de resistência
quando da eluição de amostra numa diferença de voltagem:
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
DETECTORES
Características Operacionais do DCT
SELETIVIDADE Observa-se sinal para qualquer substância 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.
Fc = 0
VAZÃO DE GÁS DE ARRASTE
CONSTANTE DURANTE A
ELUIÇÃO
VARIAÇÃO DA VAZÃO DE GÁS
DE ARRASTE DURANTE A
ELUIÇÃO
Com DCT, a área dos picos cromatográficos é MUITO
dependente da vazão do gás de arraste !!!
DETECTORES
Características Operacionais do DCT
NATUREZA DO GÁS DE ARRASTE Quanto maior a
diferença Dl entre a condutividade térmica do gás de
arraste puro, lA, e do analito, lX, maior a resposta.
Como:
(M = massa molecular)
QUANTO MENOR A MASSA MOLECULAR DO GÁS DE
ARRASTE, MAIOR A RESPOSTA
Gás de arraste com DCT: He ou H2
outro
gás
He ou H2
1
1
2
2
1
2
Usando He ou H2 como gás de arraste, Dl
é maximizado: MAIOR RESPOSTA
Com outros gases, eventualmente
lX > lA: PICOS NEGATIVOS
DETECTORES
Características Operacionais do DCT
FATORES DE RESPOSTA Quanto menor a condutividade
térmica do analito, maior o sinal.
Os fatores de resposta dependem da
condutividade térmica do analito
Quantidades iguais de substâncias diferentes geram
picos cromatográficos com áreas diferentes !!!
lX
Dl
CHCl3
Mistura de quantidades
equimolares de:
Etano  l = 17,5
Clorofórmio  l = 6,0
Etanol  l = 12,7
C2H5OH
C2H6
DETECTORES
Características Operacionais do DCT
TEMPERATURAS 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
TF
Sinal
Limitações:
- 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
Sinal
TB
Limitação:
- Temperaturas excessivamente baixas podem
provocar a condensação de analitos nas celas
(erros analíticos, danos aos filamentos)
DETECTORES
DCT: Aplicações
1 Separação e quantificação de compostos que não geram
sinal em outros detectores (gases nobres, gases fixos)
Separação de Gases Fixos e Hidrocarbonetos:
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
2 Por ser um detector não-destrutivo, pode ser usado em
CG preparativa ou detecção sequencial com dois
detectores em “tandem”
DETECTORES
Detector por Ionização em Chama
PRINCÍPIO 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
DETECTORES
Detector por Ionização em Chama
COLETOR
AR
FLAME TIP
H2
BLOCO
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:
DETECTORES
Detector por Ionização em Chama
Química da Chama de Hidrogênio:
Incandescência
Estrutura da chama
três regiões básicas
Reação
Quebra
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
Queima de H2
CH + O  CHO+ + e1 íon formado a cada ~105 átomos
de C queimados
Formam-se apenas
radicais !!!
DETECTORES
Características Operacionais do DIC
SELETIVIDADE 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 nobres
NH3, NxOy
H2, O2, N2
SiX4 (X = halogênio)
CO, CO2, CS2
H2O
CCl4, peralogenados
HCOOH, HCHO *
DIC
CH4
CO2
O2
DCT
N2
SENSIBILIDADE / LINEARIDADE QMD típicas = 10 pg
a 100 pg com linearidade entre 107 e 108 (pg a mg)
DETECTORES
Características Operacionais do DIC
VAZÕES DE GASES Além do gás de arraste, as
vazões de alimentação de ar (comburente) e
hidrogênio (combustível) devem ser otimizadas.
SINAL
Gráficos Sinal x Vazão de Gases típicos:
AR
150
300
450
H2
600
15
30
45
60
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
DETECTORES
Características 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.
2
3
Diagrama
eletrônico
simplificado de
um DIC
1
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
4
DETECTORES
Características Operacionais do DIC
FATORES 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.
(X = Contribuição de cada
átomo ao NEC)
Mistura com quantidades
equimolares de:
C2H6  NEC = 2,00
C2H5OH  NEC = 1,40
CH3CHO  NEC = 1,00
Átomo
C alifático
C aromático
C olefiníco
C carbonila
O álcool prim.
Cl alifático
X
+1,00
+1,00
+0,95
+0,00
-0,60
-0,12
DETECTORES
Detector de Nitrogênio - Fósforo
Modificação do DIC altamente seletiva para compostos
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
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Desetilatrazina
Desisopropilatrazina
Atraton
Atrazina
Trietazina
Secbumeton
Sebutilazina
Simetrin
Dipropretrina
Dimetametrina
Metroprotrina
(100 pg cada)
DETECTORES
Detector 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
 -emissora) e um catodo.
Na passagem de uma
substância eletrofílica
alguns eletrons são
absorvidos, resultando
uma supressão de
corrente elétrica.
DETECTORES
Detector por Captura de Eletrons
2
1
3
4
5
1 Anôdo (fonte radioativa  - emissora)
2 Saída de gases
3 Catodo
4 Cavidade
5 Coluna cromatográfica
DETECTORES
Detector por Captura de Eletrons
Mecanismo de Captura de Eletrons
1
Geração de eletrons lentos pela interação entre a radiação , moléculas do gás de arraste G e moléculas de bloqueador (“quencher”) Q
 - + G  G + + e - + e*  energia
 - + G  G* + Q  G + e - + Q  energia
2
Eletrons lentos são capturados pela espécie eletrofílica AB
AB + e -  AB - + energia
O decréscimo na corrente elétrica fluindo pela cela de
detecção é proporcional à concentração a da espécie
absorvente no gás de arraste
Ib corrente de repouso
Ie corrente na eluição do analito
K constante de captura
DETECTORES
Características Operacionais do DCE
FONTE RADIOATIVA O anôdo deve estar dopado
com um isótopo radioativo  - ou a- emissor
Emprego universal em DCE comerciais:
3H
(-, 0,02 MeV)
63Ni
(-, 0,06 MeV)
Sob a forma de Ta3H3
Usado como 63Ni 0
Maior sensibilidade
Maior linearidade
Tdet deve ser < 225oC
Útil até ~400oC
63Ni
preferido em
equipamentos
modernos
- Maior durabilidade (t1/2 = 100 a x 12 a
para 3H)
- Maior estabilidade térmica
- Menor risco de uso (radioatividade)
Raramente
usados:
85Kr, 90Sr, 99Tc, 147Pm, 241Am, 226Ra
DETECTORES
Características Operacionais do DCE
POLARIZAÇÃO DOS ELETRODOS Vários modos de
polarização possíveis
VOLTAGEM CONSTANTE Pouco usada modernamente
- picos cromatográficos podem ser deformados.
VOLTAGEM PULSADA Menos anomalieas elétricas:
maior sensibilidade e linearidade.
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 !
TEMPERATURA DO DCE DEVE SER
RIGIDAMENTE CONTROLADA
DETECTORES
Características 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 eletrons lentos
quando bombardeados com  -
O gás deve ser o mais puro possível !!!
(traços de H2O e O2 comprometem o sinal do DCE)
!
Adsorção de
contaminantes sobre
os eletrodos causa
deformação nos picos
VAZÃO DE GÁS DE ARRASTE Sinal depende diretamente da vazão de gás fluindo no detector
F
Sinal
DETECTORES
Características Operacionais do DCE
SENSIBILIDADE / LINEARIDADE QMD = 0,01 pg a 1 pg
(organoclorados), linearidade ~ 104 (pg a ng)
10 fg Lindano (C6H6)
-ECD HP-6890
~250 fg cada analito
PESTICIDAS
1 tetracloro-m-xileno
2 a - BHC
3 Lindano
4 Heptachlor
5 Endosulfan
6 Dieldrin
7 Endrin
8 DDD
9 DDT
10 Metoxychlor
10 decaclorobifenila
O DCE É O DETECTOR PREFERENCIAL PARA
ANÁLISES DE TRAÇOS DE ORGANOALOGENADOS E
SIMILARES
DETECTORES
Características Operacionais do DCE
SELETIVIDADE / FATORES DE RESPOSTA Valores
de S maximizados para compostos eletrofílicos
S típicos (clorobenzeno: S = 1)
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
I > Br > Cl > F
Comparando-se
organoalogenados:
a>>g
Terc > Sec > Prim
trans > cis
Tri > Di > Mono
DETECTORES
DCE: Aplicações
Contaminantes em ar atmosférico - detecção paralela DIC
+ DCE
DIC
DCE
1, 2, 3 - Hidrocarbonetos aromáticos
4, 5, 6 - Hidrocarbonetos clorados
ANÁLISE QUALITATIVA
Conceitos Gerais
Aplicações
Qualitativas
de CG
Identificação individual das
espécies contidas na amostra
Determinação da identidade da
amostra propriamente dita
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
Para análise qualitativa confiável por CG é
recomendável combinação de dados
provenientes de pelo menos duas fontes
ANÁLISE QUALITATIVA
Tempos de Retenção
t’R = f
Interações analito / FE
Pressão de vapor do analito
Condições 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
ANÁLISE QUALITATIVA
Tempos de Retenção
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
DTCOL =  0,1%
DFC =  1%
MASSA
Sobrecarga na coluna Aumento excessivo na
massa de material eluido deforma o pico cromatográfico e altera o seu t’R
Saturação da
coluna
cromatográfica
com aumento de
massa eluida
provoca “cauda
frontal” no pico
ANÁLISE QUALITATIVA
Tempos de Retenção
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 QUALITATIVA
Índice 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
ANÁLISE QUALITATIVA
Índice de Retenção de Kovàts
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)
Interpolação
logarítmica dos
t’R
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
ANÁLISE QUALITATIVA
Índice de Retenção de Kovàts
REPETIBILIDADE - REPRODUTIBILIDADE Os efeitos
de TCOL e FC nos índices de Kovàts são pequenos
ANALITO
DI/DT
CHCl3
CH3CH2OH
CH3CHO
CH3(CO)CH3
+0,02 %
-0,12 %
-0,05 %
-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’R
ÍNDICE DE RETENÇÀO DE KRATZ Para programação
linear de temperatura a relação entre t’R e nC é linear:
cálculo dos índices de retenção é modificado
ANÁLISE QUALITATIVA
Retention Time Locking (RTL)
PRINCÍPIO Em cromatógrafos com: controles
pneumáticos e térmicos microprocessados, injetores
automáticos e colunas cromatográficas de qualidade
excepcional é possível alta repetibilidade nos t’R
CORRIDA #1
CORRIDA #2
TCOL (1)
TCOL (2)
FC (1)
FC (2)
Coluna A
Coluna B
O 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 QUALITATIVA
Métodos de Detecção Qualitativos
Métodos de detecção que fornecem informações
qualitativas sobre os analitos eluídos:
Cromatografia Gasosa com Deteção
Espectrométrica de Massas (CG-EM)
Cromatografia Gasosa com Deteção
Espectrométrica por Emissão Atômica
(CG-EA)
Cromatografia Gasosa com Deteção
Espectrométrica por Absorção no InfraVermelho (CG-EIV)
Identificação muito confiável quando combinados a
técnicas de identificação baseadas em retenção
ANÁLISE QUALITATIVA
Espectrometria 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
ABUNDÂNCIA
Os fragmentos iônicos formados são separados
magneticamente de acordo com suas massas
moleculares e contados:
O gráfico do número de
íons formados em função
da razão Massa / Carga
dos íons é o ESPECTRO
DE MASSAS do analito
MASSA / CARGA
ANÁLISE QUALITATIVA
Espectrômetro de Massas
1
3
4
2
1
Câmara de Ionização
2
Saída de Vácuo
Eletrons gerados por um
filamento aquecido bombardeam a amostra. Os fragmentos
ionizados (carga +1) são repelidos pelo eletrodo positivo e
conduzidos ao separador magnético.
Todo o interior do EM deve estar sob
alto vácuo (natm).
3
Separador Magnético
4
Detector
A ação do campo magnético
deixa apenas íons com determinada razão Massa / Carga
atravessar esta área do equipamento.
Uma válvula fotomultiplicadora ou um fotodiodo
gera um sinal elétrico proporcional ao número de íons que
incide sobre o elemento.
ANÁLISE QUALITATIVA
Espectro de Massas
0
20
40
60
80
100
120
m/Z
- CO
m/Z = 80
m/Z = 118
- (CO + H)
m/Z = 79
m/Z = 90
ANÁLISE QUALITATIVA
Acoplamento CG - EM
Interface cromatógrafo - espectrômetro:
EM
CG
Separador Molecular
O gás de arraste leve
(He) difunde mais
rapidamente que o
analito e tende a ser
drenado para o vácuo.
Vácuo
Câmara
de Ionização
Interface Capilar Direta
Com colunas capilares
a vazão baixa de gás de
arraste pode ser
drenada pelo sistema
de vácuo.
Coluna
Capilar
ANÁLISE QUALITATIVA
Acoplamento CG - EM
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 QUALITATIVA
CG-EM: Geração do Cromatograma
Espectros de massas completos coletados e
arquivados em intervalos regulares de tempo
Geração do cromatograma a partir dos espectros:
CROMATOGRAMA DE ÍONS TOTAIS (TIC = Total 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.
TIC
SIM
Universal
Similar a DIC
Seletivo
Maior Sensibilidade
ANÁLISE QUALITATIVA
CG-EM: TIC x SIM
Aroma de polpa industrializada de cajá após
extração por SPME
TIC
Aparecem os picos
correspondentes a
todas substâncias
eluídas
SIM (m/z = 149)
Cromatograma
construido a partir dos
mesmos dados acima,
mas apenas usando
fragementos com
massa = 149 (ftalatos:
plastificante)
ANÁLISE QUALITATIVA
Identificação de Eluatos
1 Seleção manual ou automática do espectro de
CONTAGENS
massa correspondente a um eluato.
CONTAGENS
MASSA / CARGA
TEMPO
2 Interpretação manual do espectro e / ou comparação automática com biblioteca de espectros
padrão do equipamento.
ANÁLISE QUALITATIVA
Identificação de Eluatos
Busca automática em bibliotecas de espectros:
comparação estatística ( Probability Based Matching )
ESPECTRO
DESCONHECIDO
PBM
Lista com possíveis
candidatos +
porcentagem de
confiabilidade
BIBLIOTECA DE
ESPECTROS
PBM de um eluato
“desconhecido”
(1-dodeceno)
#
1
NOME
1-dodeceno
2
1-dodecanol
3
ciclododecano
4
2-dodeceno
5
6
FÓRM. %
C12H24 99
C12H26O 91
C12H24 91
C12H24 66
C11H22 35
8-metil-3-undeceno C12H24 32
1-undeceno
Identificação pouco confiável de espectros muito simples
LIMITAÇÕES:
Limitada pelo tamanho da base de
dados (NIST = 66.000 espectros)
Diferenças entre espectros gerados
por diversos EM
ANÁLISE QUALITATIVA
Emissão Atômica em Plasmas
PRINCÍPIO A amostra é fragmentada num plasma, os
fragmentos são excitados e emitem luz ao
retornarem aos seus estados fundamentais.
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+ + hn
B*  B + hn2
1
CD*  CD + hn3
O MONITORAMENTO DA EMISSÃO NOS COMPRIMENTOS
DE ONDAS CARACTERÍSTICOS DE CADA FRAGMENTO
GERA CROMATOGRAMAS ELEMENTO-ESPECÍFICOS
ANÁLISE QUALITATIVA
Geração e Sustentação de Plasmas
PLASMA 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 QUALITATIVA
Espectro de Emissão Atômica
Mistura de raias de emissão atômicas e moleculares de fragmentos do analito e raias de emissão do plasma e impurezas
n-Hexano
Fragmentos:
C2
CN
OH
NH
l
200 nm
800 nm
Naled (C4H7Br2Cl2O4P)
Fósforo
Bromo
Cloro
456 nm
l
566 nm
ANÁLISE QUALITATIVA
Esquema Típico de um CG-DEA
1 Cromatógrafo Gasoso
2 Alimentação de Gás de Suporte do Plasma (He)
3 Linha de Transferência (acoplamento CG - DEA)
4 Cavidade Ressonante (geração do plasma)
5 Lente de Focalização
6 Monocromador / Policromador
7 Detector de Luz (fotomultiplicadora / diode array)
8 Amplificação / Digitalização de Sinal
9 Computador
ANÁLISE QUALITATIVA
DEA: Geração de Plasma
Uma cavidade ressonante focaliza potência gerada por uma
fonte de microondas no interior de uma cela de detecção por
onde passa o gás de suporte.
Cavidade Ressonante Beenaker TM010:
CABO DE
ALIMENTAÇÃO DE
MICROONDAS
CAVIDADE
RESSONANTE
He
CELA DE
DETECÇÃO
PLASMA
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 QUALITATIVA
Interface CG - DEA
Plasmas de He se extinguem pela passagem de grandes
quantidades de material (~ 1  L de líquido vaporizado)
Interface para colunas empacotadas:
He
Antes de ser
misturado ao He,
o efluente da
coluna passa por
uma válvula
diversora
PURGA
COLUNA
CELA
VÁLVULA
DIVERSORA
Quando da
eluição de
grandes
quantidades de
analito o fluxo da
coluna é desviado
para a purga
Colunas capilares: não há necessidade de diversão.