CROMATOGRAFIA
GASOSA
Moritz
1
Introdução
CLASSIFICAÇÃO DOS MÉTODOS INSTRUMENTAIS
Espectroanalíticos
Cromatográficos
Eletroanalíticos
- Colorimetria
- Espectrofotometria no visível e ultravioleta
- Espectrofotometria no infravermelho
- Espectrofluorimetria
- Espectroscopia de absorção atômica
- Espectroscopia de emissão atômica
- Cromatografia Líquida
- Cromatografia Gasosa
- Eletrogravimetria
- Amperometria
- Condutimetria
- Coulometria
- Potenciometria
- Voltametria
- Polarografia
2
Introdução
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
pigmentos
separados
CaCO3
Cromatografia =
kroma [cor] + graph [escrever]
(grego)
Moritz
3
Introdução
A cromatografia envolve uma série de
processos de separação de misturas,
acontece pela passagem de uma mistura
através de duas fases: uma estacionária
(fixa) e outra móvel. A interação dos
componentes da mistura com estas duas
fases é influenciado por diferentes forças
intermoleculares, incluindo iônica, bipolar,
apolar, e específicos efeitos de afinidade e
solubilidade.
Moritz
4
Histórico
1940
“CGS” rudimentar
CGL proposta (Martin e Synge)
1950
1960
Moritz
Separação de ácidos orgânicos por
CGL: primeiro cromatógrafo (Martin e
James)
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)
Colunas Capilares (Golay)
Presentemente:
Vendas de equipamentos e acessórios para CG nos EUA
estimadas em mais de US$ 750.000.000 (1995).
5
Introdução
INSTRUMENTOS PARA ANÁLISE
Instrumento
Informação armazenada
características
físicas e químicas
do analito
Estímulo
Fonte de
energia
Resposta
Sistema
em estudo
Informação
analítica
Informação
interpretada
pelo homem
Introdução
 Tempo de retenção - tempo que decorre desde a injecção até meia
eluição;
 Tempo morto; - (tm) = tempo necessário para um produto “não retido”
atravessar a coluna
 Vazão volumétrica;
 Fase móvel (eluente);
 Fase Estacionária (fase fixa – ex.Coluna)
 Seletividade da coluna;
 Eficiência da coluna – número de pratos;
 Número de separação;
 Tempo de análise.
Moritz
7
Introdução
Tempo de Retenção Ajustado, tR‘
O parâmetro diretamente mensurável de retenção de um analito é o
TEMPO DE RETENÇÃO AJUSTADO, tR’:
SINAL
tR = Tempo de Retenção
(tempo decorrido entre a injeção e o ápice do pico
cromatográfico)
TEMPO
Moritz
8
Introdução
CONCEITOS
 Tempo de retenção:
 É o tempo que a amostra leva para percorrer a coluna (é retida do
sistema)
 Os componentes da amostra são comparados com o de padrões
anteriores testados no aparelho.file://localhost/Users/Denise/Análise
Instrumental Unisul/slide 3.ppt
Moritz
9
Moritz
COLLEGE OF CHARLESTON DEPARTMENT OF CHEMISTRY AND BIOCHEMISTRY. Determination of methyl salicylate in rubbing alcohol
by gas chromatography using the method oh standard addtions Disponível
em:<http://kinardf.people.cofc.edu/221LabCHEM/CHEM221L%20Gas%20Chromatography%20of%20Methyl%20Salicylate.htm>. Data de
acesso; 24/04/2011
10
ÁREA
Moritz
11
Introdução
A cromatografia pode ser utilizada para a
- identificação de compostos, por comparação
com padrões previamente existentes,
- para a purificação de compostos, separandose as substâncias indesejáveis e para a
separação dos componentes de uma mistura.
Moritz
12
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.
Moritz
13
Classificação
As diferentes formas de cromatografia podem ser
classificadas considerando-se diversos critérios:
1. Classificação pela forma física do sistema
cromatográfico
2. Classificação pela fase móvel empregada
3. Classificação pela fase estacionária utilizada
4. Classificação pelo modo de separação
Moritz
14
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:
Moritz
15
Classificação pela forma física do
Sistema cromatográfico
Em relação à forma física do sistema,a cromatografia
pode ser subdividida em cromatografia em coluna
e cromatografia planar.
EM COLUNA: cromatografia líquida, gasosa e
supercrítica.
PLANAR: Centrífuga, em papel e camada delgada.
Moritz
16
Classificação pela
fase móvel empregada
São de 3 tipos:
 cromatografia gasosa,
 cromatografia líquida e a
 cromatografia supercrítica (CSC).
A cromatografia líquida apresenta uma importante subdivisão: a
cromatografia líquida clássica (CLC) e a cromatografia líquida de alta
eficiência (CLAE).
No caso de fases móveis gasosas, separações podem ser obtidas por
cromatografia gasosa (CG) e por cromatografia gasosa de alta
resolução (CGAR).
Moritz
17
COLUNAS CROMATOGRÁFICAS
Moritz
18
Classificação pela fase
estacionária empregada
Quanto à fase estacionária, distingue- se entre fases
estacionárias sólidas, líquidas e quimicamente ligadas.
No caso da fase estacionária ser constituída por um
líquido, este pode estar simplesmente adsorvido sobre
um suporte sólido ou imobilizado sobre ele. Suportes
modificados são considerados separadamente, como
fases quimicamente ligadas, por normalmente
diferirem dos outros dois em seus mecanismos de
separação.
Moritz
19
Colunas cromatográficas
 Empacotadas:
 Fabricadas depositando-se um filme da fase estacionária
líquida sobre um material inerte chamado suporte.
 De comprimento e diâmetro otimizados p/ análise da
amostra de interesse.
 Capilares:
 Fabricadas depositando um filme finíssimo de 0,1 e 5
microns na fase estacionária nas paredes de um tubo
capilar.
 Tubos: aço inoxidável, vidro, níquel e sílica gel.
 Muito mais eficientes.
Moritz
20
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).
Moritz
21
Fases estacionárias
utilizadas
 Parafinas – apolares
 Poliglicóis – polares
 Poliésteres - polares
 Silicones – cobrem ampla faixa de polaridade.
Moritz
22
Colunas Cromatográficas
 Contém fase estacionária;
 Metal, vidro, sílica fundida;
 Colunas empacotadas;
 Colunas micro-empacotadas;
 Colunas capilares;
 Seletividade e eficiência.
Amostras
Líquidas
Amostras
Gasosas
empacotada
0,2 L ... 20 L
0,1 ml ... 50 mL
capilar
0,01 L ... 3 L
0,001 ml ... 0,1 mL
COLUNA
Moritz
23
Colunas Empacotadas
 Diâmetros: 2, 3 ou 4mm;
 Comprimento: 0,5m - 5m;
 O suporte não polar deve ser
totalmente desativado se for
analisar compostos polares.
EMPACOTADA
L = 0,5 m a 5 m
Moritz
24
Colunas Capilares
 Flexíveis;
 Mecanicamente duráveis;
 Quimicamente inertes;
 Diâmetro interno de 0,25 – 0,32 mm/
L= 5m – 100m;
 Picos mais finos = melhor separação;
 Aumenta a velocidade de análise;
 Mais de 100.000 pratos;
 Melhor forma de pico, melhor
estabilidade da coluna;
 Bom para separar misturas com
muitos componentes.
Moritz
CAPILAR
L = 5 m a 100 m
25
Características das Colunas
CAPILARES
EMPACOTADAS
Diâmetro
0.10 a 0.50 mm
3 a 6 mm
Comprimento
5 a 100 m
0.5 a 5 m
Material
Silica fundida ou aço
Vidro ou metal
Fase
estacionária
Moritz
Paredes
internas Recheada com um sólido
recobertas com um filme fino pulverizado (FE sólida ou FE
( m ) de FE sólida ou líquida líquida depositada sobre as
partículas do recheio)
26
Colunas
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)
27
Moritz
VANTAGENS
Empacotada
• Mais econômica
• Menor eficiência
• Maior capacidade de carga
• Maior quantidade de amostra
• Maior
Capilar
Moritz
DESVANTAGENS
comprimento
=>
• Análise mais lenta
maior
eficiência
• Separação de misturas complexas
• Análise mais rápida
• Maior separação
Menor quantidade de amostra
28
1
O Cromatógrafo a Gás
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).
Moritz
Observação: em vermelho: temperatura controlada
29
Moritz
30
Colunas
CROMATOGRAFIA
 Técnica de fracionamento
 Em diferentes velocidades com que cada uma se move através
de uma fase estacionária (porosa) ao serem arrastadas por uma
fase móvel.
A distribuição de um soluto entre a parte móvel
e a estacionária pode envolver fenômenos de :
Partição,
Adsorção
Exclusão e troca iônica
Moritz
31
Moritz
32
CROMATOGRAFIA GASOSA
Utilizada na separação e
identificação de substâncias:
Que possam ser volatilizadas sem
sofrer decomposição;
Não voláteis que possam ser
convertidas em derivados voláteis.
A fase móvel é um gás que percola a
coluna.

Moritz
33
Técnica de:
Alta eficiência
Efetuada num tempo razoável
Utilizando mínimas quantidades.
Moritz
34
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 ...)
Moritz
35
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.
Moritz
36
Características de uma FE ideal
Fase Estacionária SÓLIDA - 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...)
Moritz
37
EXEMPLOS - FE ideal
Características Gerais:
- Sólidos finamente granulados (diâmetros de partículas típicos de
105 µm a 420 µm).
- Grandes áreas superficiais (até 102 m2/g).
Mais usados:
Polímeros Porosos Porapak (copolímero estireno-divi-nilbenzeno), Tenax
(polióxido de difenileno)
Sólidos Inorgânicos Carboplot, Carboxen (carvões ativos grafitizados),
Alumina, Peneira Molecular (argila microporosa)
Principais Aplicações:
Moritz
- 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
38
Exemplos - 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:
(isotérmico)
Gás de Arraste: N2 @ 20 mL.min-1
Detector: FID
Amostra: 0,01 L da mistura de aminas
Moritz
200oC
39
Fase Móvel
Moritz
40
EXEMPLOS DE FASES MÓVEIS
GÁS DE ARRASTE:
 Hidrogênio
 Nitrogênio
 Argônio
 Hélio
Moritz
Pressurizados em torpedos de aço c/
pressão aproximada entre 120 e 200 atm.
Fluxo Coluna: 0,5 – 80 mL/min
41
Detectores
Moritz
42
Detector
Dispositivo que transforma um sinal elétrico conveniente a
variação da composição do gás de arraste ao sair da coluna
cromatográfica.
 O sinal é registrado e a área dos picos, integrada para fins de
quantificação.
 Existem em torno de 20 tipos, porém apenas 5 ou 6 tem
aplicação em grande quantidade.
Moritz
43
Os principais
detectores são:
Condutividade térmica – DCT
Captura de elétrons – DCE
Fotômetro de chama DFC
Termoiônico - DFC
Ionização de chama – DIC
Moritz
44
DIC ou FID
 O gás de arraste proveniente da coluna (N2) é queimado em
presença de ar e H2.
 A chama produzida encontra-se num campo elétrico.
 Durante a combustão de compostos orgânicos contendo H2
há formação de radicais livres – ionizados pelo campo
elétrico – formando sinais – amplificados produzindo picos.
Moritz
45
Detectores
Dispositivos que examinam continuamente o material eluido, gerando sinal quando da
pas-sagem de substâncias que não o gás de arraste
Moritz
Gráfico Sinal x Tempo = CROMATOGRAMA
Idealmente: cada substância separada aparece
como um PICO no cromatograma.
46
Detectores – Mais comuns
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
Moritz
Registradores XY
DIGITAL
Integradores
Computadores
47
INJETOR / INJEÇÃO
Moritz
48
INJETOR / INJEÇÃO
Moritz
49
PROCESSO CROMATOGRÁFICO
 Introduz-se a fase estacionária num tubo
 A fase móvel é bombeada continuamente a uma velocidade
constante e controlada.
 As substâncias começam a migrar de acordo c/ as interações de
suas propriedades físico-químicas (c/ as da FM e FE)
 Passam por um detector no final da coluna, que são captados por
um registrador.
 O sinal é proporcional à sua concentração.
 O gráfico Obtido - CROMATOGRAMA
Moritz
50
Condições operacionais
 Temperaturas:
 Detector: Cerca de 200C acima da temperatura de
operação da coluna.
 A temperatura máxima é determinada pelo fabricante.
 Coluna: Determinada pelo processo cromatográfico
levando-se em consideração
o ponto de ebulição da amostra.
 Injetor: Dependerá da amostra a ser analisada.
Moritz
51
Protocolo de Operação
 Tomar conhecimento das características da
amostra a fim de escolher o método mais
conveniente.
 Fazer os seguintes questionamentos: Ex.
 Natureza da amostra recebida
 Odor característico de tintas
 De onde vem?
 Efluente industrial
 Solúvel em água?
 Muito pouco
Moritz
52
 Solúvel em solventes polares?
 Sim metanol e acetona
 É volátil? A que temperatura?
 Sim, completamente entre 50 e 2200 C.
 Quais os principais compostos?
 Hidrocarbonetos, álccois, cetonas, aldeídos e não contém ácidos.
 Conhece a técnica de análise?
 Não
 Qual o objetivo da análise?
 Determinar o conteúdo de tolueno (g/L) – os outros compostos são
irrelevantes.
Moritz
53
Moritz
54
PARÂMETROS DE SELEÇÃO DE UM MÉTODO ANALÍTICO
4- FAIXA DE CONCENTRAÇÃO
É o intervalo de concentração da curva de calibração,
compreendido entre o limite de determinação e o ponto onde
começa o desvio de linearidade.
A
Faixa
ótima
de
trabalho
Limite de linearidade
C
20
CALIBRAÇÃO DE MÉTODOS INSTRUMENTAIS
Adição de Padrões
A
Am
Pd
0.460
0.440
0.420
X
0.5
1.0
X=0.25
1.5
C
Sinal Analítico
Amostra
+
Am
Sinal Analítico
Amostra + Padrão
Calibração convencional ou padrão externo
A
0.600
0.500
0.400
0.200
0
2,5
5
X
10
C
Adição de Padrões Internos
1
2
3
4
5
Adicione 0, 5, 10, 15 ou 20 mL de solução padrão
Encha cada balão volumétrico até a marca de 50mL e misture
Adição de Padrões
A
Am
Pd
0.460
0.440
0.420
X
0.5
1.0
X=0.25
1.5
C
Sinal Analítico
Amostra
+
Am
Sinal Analítico
Amostra + Padrão
Método do Padrão Interno
- Um padrão interno é uma
quantidade conhecida de um
composto que é adicionado
à amostra
- É uma substância diferente
do analito
Pd
Bco
Sinal Analítico
Pds
Sinal Analítico
Am
Sinal Analítico
- São úteis quando a quantidade da amostra analisada varia ligeiramente,
ou quando a resposta do instrumento varie a cada análise por razões
difíceis de controlar.
Limite de Detecção
• limite de detecção (LD) é a menor concentração que pode ser distinguida com
um certo nível de confiança. Toda técnica analítica tem um limite de detecção.
Para os métodos que empregam uma curva de calibração, o limite de detecção é
definido como a concentração analítica que gera uma resposta com um fator de
confiança k superior ao desvio padrão do branco, sb, de acordo com a Equação
8-22.
em que m é sensibilidade da calibração. Normalmente, o fator k é escolhido como 2
ou 3. Um valor de k de 2 corresponde a um nível de confiança de 92,1%, enquanto
um valor de 3 corresponde a um nível de confiança de 98%.22
Os limites de detecção relatados por pesquisadores ou por fabricantes de
instrumentos podem não ser aplicáveis a amostras reais. Os valores descritos são
geralmente obtidos a partir do uso de padrões ideais em instrumentos otimizados.
Esses limites são úteis, entretanto, na comparação de métodos ou instrumentos.
Limite de
Quantificação
Consiste na comparação dos resultados
obtidos utilizando um método interno com os
resultados conseguidos através de um método
de referência. O objetivo é de estudar o grau
de proximidade dos resultados obtidos pelos
dois métodos de ensaio, ou seja, de avaliar a
exatidão do método interno relativamente ao de
referência.
CURVA DE CALIBRAÇÃO - BTEX
• CG-90-DIC (Ar – hidrogênio)
• Injetor manual
• Coluna: SUPERCOVAX 10 – sílica fundida de 0,53
mm d.I. 30 metros
• T0 coluna: 800 C
• T0 injetor: 1850 C
• T0 detector: 130 0 C
•Vazão gás de arrasre (N2): 40 mL/min Volume da amosra: 5L
•Vazão do hidrogênio (chama): 40 mL/min
• Vazão do ar sintético: 380 mL/min
Moritz
63
Moritz
G/L
Área
Área 2
Área 3
Média
TR
0,5
1.056
958
1.064
2.1
1
2.107
2.099
2.114
2.04
2.0
4.245
4.233
4.261
2.12
2,5
4.998
4.897
5.011
2.04
3
6.045
5.996
6.067
2.1
3,5
7.587
7.566
7.593
2.18
64
Curva de Calibração
10,000
y = 1293x - 173.73
R² = 0.9848
9,000
8,000
Área
7,000
6,000
5,000
4,000
3,000
2,000
1,000
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Concentração g/L
6,40
Moritz
65
Y = A* + B
A= 1.293 (fit)
B= 173,73 (fit)
Y= Área X= g/L
Se Área da amostra = 8.111
Y= (1.293)*X- (173,73) 8111+173,73=1293*x
Moritz
66
Estudo Artigo:
SILVA, Flamys Lena do N. et al. Determinação de benzeno,
tolueno, etilbenzeno e xilenos em gasolina comercializada nos
postos do estado do Piauí. Quím. Nova [online]. 2009, vol.32, n.1,
pp. 56-60. ISSN 0100-4042.
http://www.qmc.ufsc.br/qmcweb/artigos/gasolina.html
Moritz
67
Descobrir:
 Equipamento utilizado
 Amostra?
 Tipo de Detector
 Gás de arraste e fluxos (Vazão)
 Temperatura de detecção
 Padrões
 Tipo de Coluna
 Volume da amostra
 Tempos de retenção dos compostos
 Qual a concentração de BTEX encontrada na gasolina
comercial e nas refinarias?
Moritz
68
Cromatografia Planar
Na cromatografia planar, também chamada de camada fina, ou TLC ("Thin
Layer Chromatography"), a fase estacionária, por exemplo alumina ou sílica,
é suportada sobre uma placa plana ou nos poros de um papel. Nesse caso,
a fase móvel desloca-se através da fase estacionária, sólida e adsorvente,
por ação da capilaridade ou sob a influência da gravidade. Útil em
separação de compostos polares. Encontra-se bastante difundida devido à
sua facilidade experimental e ao seu baixo custo.
Moritz
69
TLC – Cromatografia Planar
Cromatografia em Camada Delgada (CCD)
Moritz
70