CROMATOGRAFIA GASOSA - Departamento de … · homogeneamente com o gas de arraste. Isto ... Cromatografia gasosa 12 Tempo de purga Deve ser suficiente para que os componentes da amostra

Mary Santiago Silva 16/04/2010

Cromatografia gasosa 1

CROMATOGRAFIA GASOSA

Prof. Marcelo da Rosa AlexandreDepartamento de Química - UFS

Instrumentação



Escolha do gás de arraste

Inerte em relação à fase e à amostraDisponível em alto grau de purezaBaixo custoCompatível com detector utilizadoCompatível com detector utilizadoN2 , He, e H2 são os mais utilizadosNitrogênio: mais baixo H, velocidade lentaHélio: melhor velocidade que N2, H um pouco mais altoHidrogênio: o melhor para colunas capilares

Por quê?H2 apresenta um ligeiro aumento do termo C Isto permite usar fluxos mais altos com menor perda de resoluçãoH2 resulta em 4 vezes mais pratos/segundo quando comparado com He, por causa de

l id d óti i lt iti dvelocidade ótima mais alta, permitindo análises mais rápidasmais barato que Heproblema: segurança quanto a vazamentos



Injetor

Liners

Split só tem sucesso se a amostra estiver totalmente na fase vapor e misturada homogeneamente com o gas de arraste. Isto é assegurado pelo “liner”é assegurado pelo linerFunções do liner:- prover transferência de calor eficiente- promover a homogeneização do gas de arraste com a amostra-reter componentes não volatizáveis



Saturação do liner

Manter o volume da amostra < volume do linerRegra geral: volume expandido abaixo de 0 5 mlde 0.5 ml

Expansão de alguns solventes comuns(250 oC e 13 psig)

água 1277:1 AcEt 235:1MeOH 567:1 Pentano 197:1MeCl2 360:1 hexano 176:1MeCl3 286:1 isooctano 139:1



Sistema de introdução da amostra

Injeção: banda única e estreitaquantidade injetada não deve ultrapassar a capacidade da coluna d d tí ldeve ser reprodutívela eficiência na coluna é afetada pelo volume injetado:menor volume, maior eficiênciagases: válvulas ou seringaslíquidos/soluções: seringasSistemas especiais para VOCs: head-space;purge-and-trap e dessorção térmicamicro extração em fase sólida (SPME)





Métodos de InjeçãoO método de injeção dependerá do tipo de amostra e das condições de análiseSaduiche (solvent flush): solvente-ar- amostra. Esta técnica, além de garantir que todo o volume da amostra foi tranferido para o liner, “lava” a agulha com o solventeo solventeSanduiche 2 (air flush): ar-amostra-ar. Não aconselhável para solventes/analitos muito voláteis“hot needle”: deixar a aqulha aquecer (3-5 s) antes de injetar. Previne discriminação da amostra por PE“cold needle”: introduz e tira rapidamente a seringaagulha cheia: agulha é cheia da amostra, introduzida no injetor e deixada alii. A amostra sai por evaporação



Método “hot needle”

Tomar a amostraTomar 2-3 μl de arinsertar a agulha no injetor e deixar aquecer

l d (3 5)por alguns segundo (3-5)Injetar a amostra rapidamente e tirar a agulha do injetor

-> Assegura que toda amostra foi injetada e a agulha quente auxilia na volatilização do solvente

Colunas capilares: modos split e splitless

Injeção split: reduz a quantidade de amostra que entra na coluna

Injeção splitless: toda a amostra entra na coluna

Injeção split/splitless (injeção de Grob): reduz a quantidade de solvente que entra na coluna



Injeção split

É difícil injetar volumes menores de 1 μl diretamenteO mesmo efeito pode ser obtido se for feito a divisão (split), reduzindo o volume que entra na colunaDepois da volatização e mistura com o gas de arraste, uma parte do fluxo entra na coluna e o restante é descartado pelo “vent”



Modo Splitless

Simplesmente deliga o split e toda a amostra é introduzida na coluna

M it d à lMuito danoso à coluna

Baixa reprodutibilidade

Grande quantidade de solvente satura a coluna e a fase gasosa

Modo splitless/split

Injeção Grob

Duas etapas:Duas etapas:1. Injeção inicial no modo splitless2. Muda para split após periodo de tempo fixado (tempo de purga)Vantagem: introduz a maior parte dos solutos, mas não o solvente

Splitless/split

O solvente deve ser mais volátil que os compostos de interesseInjetor deve volatilizar todos os componentes de interesseSob estas condições somente uma pequena parte do solvente entra na coluna--> focalização dos solutos





Tempo de purga

Deve ser suficiente para que os componentes da amostra entrem na colunaSe é muito longo, o solvente também entra e a focalização é pobrePara escolher o melhor tempo de purga, injetar várias vezes variando este parâmetroEm geral: 30-60 segundos

ColunasCoração do processo de separaçãoInúmeras fasesClassificação: diâmetro do tubo e tipo de empacotamento



COLUNAS

Tipos de colunas

Empacotadas Tubos abertos

FE – sólida / porosa FE – sólida / porosa(PLOT)

FE – líquida sobre suporte sólido

FE – líquida sobre suportesólido (SCOT)

FE – líquida sobre a face Interna da coluna (WCOT)PLOT - Porous Layer Open Tubular

WCOT - wall coated open tubularSCOT - support-coated open tubular

Tipos de colunas – WCOT

Coated: filme apenas depositado sobre a parede interna

Bonded ou crosslinked: fase quimicamente ligada à parede internaligada à parede interna

Bonded: resiste a temperaturas mais altas, vida útil mais longa, menor sangria da coluna. Geralmente fases apolares ou de baixa polaridade



Tipos de colunasEmpacotada Aberta

comprimento, m 0.5- 5.0 5 - 100ID, mm 2 - 4 0.1 - 0.7Fluxo, ml/min 10 - 60 0.5 - 15pressão.psig 10 - 40 3 - 40pratos teóricos 4000 250.000capacidade 10μg/pico 100ng/picop μg p g pesp. Filme, μm 1 - 10 0.1 - 8

Vantagens baixo custo alta eficiência+ fácil de fazer + mais rápida+ fácil de usar + mais inertemelhor para melhor paragases e amostras amostrassimples complexas

Escolha de colunas:Empacotada vs capilar

Fatores a considerar: concentração e complexidade da amostra

Empacotada: amostras simples, relativamente concentradas

Capilar: amostras complexas, bastante diluídas



Escolha de colunas: faseEscolha da fase: semelhante dissolve semelhante

Constantes de McReynolds: método para avaliar uma grande quantidade de fasesavaliar uma grande quantidade de fases baseado na medida da performance para um conjunto representativo de substâncias

Tabelas são encontradas nos catálogos dos fabricantes



Escolha de colunas capilares: espessura do filme

Aumento na espessura do filme = aumento da largura do pico; do tempo de retenção; da capacidade da coluna e da temperatura de eluição. Diminui a temperatura máxima => maior sangriamaior sangria

filmes finos (0.10 - 0.25μm): amostras simples ou analitos com alto PE (>300oC)

filmes grossos (1 - 5μm): baixo PE (VOCs e gases) e alta concentração



Escolha de colunas capilares: comprimento

Análise isotérmica aumenta em 40% a resolução de colunas de 30 para de 60 m. Rsaumenta com a raiz quadrada de L.

Aumenta o tempo de análise e necessita de pressão mais elevada do gás de arraste.

Colunas mais longas custo mais elevado.

L N tr* Vel. P(m) (x 103) (min) (cm/s) (psi)=============================30 155 15.2 23 18 60 304 36 8 19 2860 304 36.8 19 28120 550 82.4 17 53150 719 125.0 14 57=============================* C13, coluna SPB-5 , 0.25mm x 1.0 μm (β = 62.5), temperat.coluna 145oC



Temperatura da coluna

Forte efeito sobre a análise:tr = L (k+1) onde k α 1/T

VVpode ser usada para controlar o tr

o aumento da temperatura reduz o trsendo que o fator de alteração não é o mesmo para todos os compostos



Programação de temperatura da coluna

Compostos homólogos: tr aumenta exponencialmente com o número de carbonos

t t t lt d io tr aumenta, w aumenta e a altura do pico diminui, tornando impossível a detecção após a eluição de alguns picos

como a solubilidade de um gás em um líquido diminui com o aumento da temperatura, o trpode ser reduzido pelo aumento da Tcoluna

Programação de temperatura da coluna

Fatores a considerar:variação na solubilidade mudança na volatilidade estabilidade térmicaestabilidade térmicamudanças no fluxo do gás de arrasteestabilidade da fase estacionária

A programação deve estar entre Tmin e Tmaxda coluna

Escolha da programação de temperatura

1. Determinar a temperatura e tempo iniciais que produza a melhor separação dos 2 primeiros picos

2. Repetir o procedimento 1 para os últimos 2 picos

3. Experimentar com várias rampas de aquecimento para otimizar para os demais componentes



Detectores

Qualquer método para monitoramento direto ou indireto dos eluentes que deixam a coluna

Podem ser classificados em :destrutivos vs não destrutivosuniversal vs seletivouniversal vs específico

Detectores

Propriedades de um bom detector:alta sensibilidade - possível seletividaderesposta rápida a mudanças de

t ãconcentraçãoestável quanto ao ruído e linha de basebaixa sensibilidade a variações no fluxo, pressão e temperaturaproduzir sinal facilmente “transformável”

DetectoresSensibilidade: resposta/massa (ou concentração)limite de detecção (detectabilidade):

ASTM: LD = 2 x ruído IUPAC: LD = 3 x Sb/m, onde Sb é o desvio de Y e m é o coeficiente angular da reta da resposta vs concentração (ou massa)

faixa de linearidade (linear dynamic range)



Detector de Condutividade Térmica

(TCD)UniversalNão destrutivoLimite detecção ~ 400 pg/ml Li id d 106Linearidade ~106

Modo de detecçãoMudança na resistência de um fio, que será afetada pela variação na termocondutividade do gás que elui da colunaAplicação: em geral análises de gases



TCDApesar do H2 ter o maior valor de TC o He é mais usado por ser menos reativo

Detector com canal duplo: duas colunas (analítica e branco) Exige otimização para(analítica e branco). Exige otimização para mudanças devido a variações de temperatura e sangramento da coluna

Existe TCD com um só canal que fazem correção para variação de temperatura

Detectores de IonizaçãoDiferentes métodos de geração da corrente iônica, mas em todos os casos o sinal corresponde à flutuação desta corrente na presença de vapores orgânicosIonização de chama (FID)Ionização de chama (FID)Ionização termoiônica (TSD)fotoionização (PID)captura de elétrons (ECD)

Detector de Ionização de Chama (FID)

Universal (+ popular)DestrutivoLD ~ 5 pg carbono/sLinearidade ~107

Modo de detecção:Produção de íons em uma chama resulta em corrente entre o coletor e a chama. Corrente geralmente aumenta de 10-14 para 10-5 A.Gas auxiliar (make-up) é necessário para manter o fluxo ótimo p/ colunas capilaresÓtiimo para hidrocarbonetos.



FIDCompostos que têm resposta ruim ou nula no FID:gases nobres NH3

CO CO2

NO CSNOx CS2

H2O O2

compostos halogenadosácido fórmicoformaldeído

FID

Fatores que influenciam a detecção:relação ar/ H2 / gas de arrasteo tipo de gas de arraste (TC)geometria do detectorgeometria do detector

a resposta pode ser otimizada com otimização do fluxo de H2



Detector de ionização termoiônica - TSD

(também chamado NPD)Específico : N e PDestrutivoLD ~0.4 pg N/s

~0.2 pg P/sLinearidade: 104

Modo de operação:Funciona como o FID. Entre a chama e o coletor há um sal alcalino dopando um cilindro de cerâmica, que emite sinal negativo em relação ao coletor



Detector de captura de elétrons - ECD

Seletivo: halocompostos, nitrocompostos, Linearidade: 107

Sensibilidade:Modo de detecção:Modo de detecção:Ionização do gás de arraste por radiação βproveniente de uma fonte de Ni63 o que gera um plasma de íons positivos, radicais e elétrons térmicos. Quando uma molécula eletronegativa entra no detector, ela captura os eletrons termoiônicos, diminuindo a corrente



ECD

Respostas relativas100 HC101 esteres , éteres102 álcoois, cetonas, monoCl, aminas103 monoBr, diCl104 anidridos, triCl105- 106 poli-Cl e Br, mono e di-I



Detector Fotométrico de chama(FPD)

Específico: P, S e SnDestrutivoLimites de detecção: ~ 20 pg S/seg

~ 0.9 pg P/segLinearidade: ~ 104 P e ~103 S

Modo de operação: medida direta da luz produzida durante a combustão dos compostos contendo S, P ou Sn



Detector de Fotoionização (PID)

Específico: compostos ionizados por UVLD ~2 pg C/sLinearidade ~107

Modo de detecção:UV é usada para ionizar diretamente os componentes da amostra. A corrente resultante é medida



PIDSensibilidade:

> para > no de carbonosalcanos<alcenos< aromáticosalcanos< alcoois< ésteres< aldeídos< cetonascíclicos> alifáticosF< Cl < Br < Ipara aromáticos: grupos doadores de elétrons aumentam a sensibilidade, receptores, diminuem. Exceção: aromáticos halogenados

Muito utilizado para análise de traços de PAHs

Outros detectores

Condutividade Térmica(TCD):gasesQuimiluminescência (TEA):emissão de fótons, nitrosaminasE i ã Atô i (AED) táliEmissão Atômica (AED): organometálicosEletroquímicos: Hall (mais sensível que ECD para clorados)Espectrometria de massas

Análise Qualitativa -tempo de retenção

Pode ser utilizado para algumas análises qualitativas, quando a comparação com o padrão nas mesmas condições analíticas for

í l E t l d lid d ( lit jápossível. Ex: controle de qualidade (analito já conhecido, poucos compostos na amostra)

Reproducibilidade depende de vários parâmetros experimentais.



Análise qualitativa -Tempo de retenção relativa

Rx,std = trx

trstd

É o parâmetro mais utilizado, por ser mais simples e necessitar de apenas um padrão

Análise qualitativa -Índice de retenção

Para séries homólogas,log tr = a + bn

Número de carbonos (n)

log

tr

Para determinar um n desconhecido:x = n1 + (n2 - n1) log trx - log trn1

log trn2 - log trn1tal que: n2 > x > n1

Análise qualitativa -Índices de retenção

Para outros compostos que não os n-alcanos, pode-se também calcular um índice de retenção utilizando asíndice de retenção, utilizando as parafinas como padrões. O valor não necessariamente será um número inteiro



Índice de retenção de Kovats

Como calculá-lo:IR = 100 log trx - log trn + 100 n

log trn+1 - log trn

alcanos são utilizados como padrões de referência e devem estar antes (n) e depois (n+1) do composto desconhecidoIR determinado para muitos compostos a várias temperaturas--> Tabelas para comparação de eficiência de separação

Quando utilizar índices de retenção

O padrão deve fazer parte da amostra -> padrão interno

Para cálculo do Ir para vários compostos, deve eluir no meio do cromatograma, caso contrário vários padrões devem ser utilizados



Outros métodos de análise qualitativa

Gráficos de retenção --> qualquer serie homóloga (idem alcanos). Ex: índice de retenção de Lee (PAHs)ç ( )Identificação pós-coluna --> detectores que forneçam informações atômicas/moleculares: MS, EA, AA, UV/Vis, FTIR

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