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1Profa. Denise Moritz
CROMATOGRAFIAGASOSA
2
CLASSIFICAÇÃO DOS MÉTODOS INSTRUMENTAIS
Espectroanalíticos
- Colorimetria- Espectrofotometria no visível e ultravioleta - Espectrofotometria no infravermelho - Espectrofluorimetria - Espectroscopia de absorção atômica - Espectroscopia de emissão atômica
Cromatográficos
Eletroanalíticos
- Eletrogravimetria- Amperometria- Condutimetria- Coulometria- Potenciometria - Voltametria- Polarografia
- Cromatografia Líquida- Cromatografia Gasosa
Introdução
Profa. Denise Moritz 3
HISTÓRICOM. TSWEET (1903): Separação de misturas depigmentos vegetais em colunas recheadas com
adsorventes sólidos e solventes variados.
éter depetróleo
CaCO3
mistura depigmentos
pigmentosseparados
Cromatografia =kroma [cor] + graph [escrever]
(grego)
Introdução
Profa. Denise Moritz 4
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.
Introdução
Profa. Denise Moritz 5
Histórico
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 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)
INSTRUMENTOS PARA ANÁLISE
Instrumento Informação armazenadacaracterísticas
físicas e químicas do
analito
Informação interpretada pelo homem
Estímulo Resposta
Fonte de energia
Sistema em estudo
Informaçãoanalítica
Introdução
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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.
Introdução
Profa. Denise Moritz 8
Tempo de Retenção Ajustado, tR‘
O parâmetro diretamente mensurável de retenção de um analito é o
TEMPO DE RETENÇÃO AJUSTADO, tR’:
tR = Tempo de Retenção (tempo decorrido entre a in-
jeção e o ápice do pico cromatográfico)
TEMPO
SIN
AL
Introdução
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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
Introdução
Profa. Denise Moritz 10
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
Profa. Denise Moritz 11
ÁREA
Profa. Denise Moritz 12
A cromatografia pode ser utilizada para a - identificação de compostos, por comparação com padrões previamente existentes, - para a purificação de compostos, separando-se as substâncias indesejáveis e para a separação dos componentes de uma mistura.
Introdução
Profa. Denise Moritz 13
AplicabilidadeQuais 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 análise de misturas
cujos constituintes tenham PONTOS DE EBULIÇÃO de até 300oC e que termicamente estáveis.
Profa. Denise Moritz 14
As diferentes formas de cromatografia podem ser classificadas considerando-se diversos critérios:
1. Classificação pela forma física do sistema cromatográfico2. Classificação pela fase móvel empregada3. Classificação pela fase estacionária utilizada4. Classificação pelo modo de separação
Classificação
Profa. Denise Moritz 15
Modalidades e Classificação
FM = Líquido
FM = Gás
CromatografiaLíquida
CromatografiaGasosa (CG)
Em CG a FEpode ser:
Sólida
Líquida
CromatografiaGás-Sólido (CGS)
CromatografiaGás-Líquido (CGL)
Profa. Denise Moritz 16
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.
Classificação pela forma física doSistema cromatográfico
Profa. Denise Moritz 17
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).
Classificação pela fase móvel empregada
Profa. Denise Moritz 18
COLUNAS CROMATOGRÁFICAS
Profa. Denise Moritz 19
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.
Classificação pela fase estacionária empregada
Profa. Denise Moritz 20
Colunas cromatográficasEmpacotadas:
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.
Profa. Denise Moritz 21
Princípio BásicoSeparação de misturas por interação diferencial dos seuscomponentes entre uma FASE ESTACIONÁRIA (líquido ou
sólido) e uma FASE MÓVEL (líquido ou gás).
Profa. Denise Moritz 22
Parafinas – apolaresPoliglicóis – polaresPoliésteres - polaresSilicones – cobrem ampla faixa de polaridade.
Fases estacionárias utilizadas
Profa. Denise Moritz 23
Contém fase estacionária;Metal, vidro, sílica fundida;Colunas empacotadas;Colunas micro-empacotadas;Colunas capilares;Seletividade e eficiência.
COLUNA AmostrasGasosas
AmostrasLíquidas
empacotada 0,1 ml ... 50 mL0,2 L ... 20 L
capilar 0,001 ml ... 0,1 mL0,01 L ... 3 L
Colunas Cromatográficas
Profa. Denise Moritz 24
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
Colunas Empacotadas
Profa. Denise Moritz 25
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.
CAPILAR
L = 5 m a 100 m
Colunas Capilares
Profa. Denise Moritz 26
CAPILARES EMPACOTADAS
Diâmetro
Comprimento
Material
Fase estacionária
0.10 a 0.50 mm
5 a 100 m
Silica fundida ou aço
Paredes internas recobertas com um filme fino ( m ) de FE sólida ou líquida
3 a 6 mm
0.5 a 5 m
Vidro ou metal
Recheada com um sólido pulverizado (FE sólida ou FE líquida depositada sobre as partículas do recheio)
Características das Colunas
Profa. Denise Moritz 27
LÍQUIDOS Depositados sobre a superfície de: sólidos 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
Colunas
Profa. Denise Moritz 28
VANTAGENS DESVANTAGENS
Empacotada
• Mais econômica• Maior capacidade de carga• Maior quantidade de amostra
• Menor eficiência• Análise mais lenta
Capilar
• Maior comprimento => maior eficiência• Separação de misturas complexas• Análise mais rápida• Maior separação
Menor quantidade de amostra
Profa. Denise Moritz 29
O Cromatógrafo a Gás1
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
Profa. Denise Moritz 30
Profa. Denise Moritz 31
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,
AdsorçãoExclusão e troca iônica
CROMATOGRAFIA
Colunas
Profa. Denise Moritz 32
Profa. Denise Moritz 33
Utilizada na separação e identificação de substâncias: Que possam ser volatilizadas semsofrer decomposição;
Não voláteis que possam ser convertidas em derivados voláteis.
A fase móvel é um gás que percola a coluna.
CROMATOGRAFIA GASOSA
Profa. Denise Moritz 34
Alta eficiênciaEfetuada num tempo razoável
Utilizando mínimas quantidades.
Técnica de:
Profa. Denise Moritz 35
Características 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
Profa. Denise Moritz 36
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.
Profa. Denise Moritz 37
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
ADSORÇÃO
Sólidos com grandes áreas superficiais (partículas finas, poros)
Solutos polares
Sólidos com grande número de sítios ativos (hidroxilas, pares de eletrons...)
Características de uma FE ideal
Profa. Denise Moritz 38
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)
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
EXEMPLOS - FE ideal
Profa. Denise Moritz 39
Exemplos - 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.)
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 mL da mistura de aminas
CH2 CH2OH OH
n
Estrutura Química:
Profa. Denise Moritz 40
Fase Móvel
Profa. Denise Moritz 41
EXEMPLOS DE FASES MÓVEIS
GÁS DE ARRASTE:
Hidrogênio Nitrogênio Argônio Hélio
Pressurizados em torpedos de aço c/ pressão aproximada entre 120 e 200 atm.
Fluxo Coluna: 0,5 – 80 mL/min
Profa. Denise Moritz 42
Detectores
Profa. Denise Moritz 43
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.
44Profa. Denise Moritz
Os principais detectores são:
Condutividade térmica – DCT
Captura de elétrons – DCEFotômetro de chama DFC
Termoiônico - DFCIonização de chama – DIC
Profa. Denise Moritz 45
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.
Profa. Denise Moritz 46
DetectoresDispositivos 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.
Profa. Denise Moritz 47
Detectores – Mais comuns
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
DIGITALIntegradores
Computadores
48Profa. Denise Moritz
INJETOR / INJEÇÃO
49Profa. Denise Moritz
INJETOR / INJEÇÃO
Profa. Denise Moritz 50
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
Profa. Denise Moritz 51
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 consideraçãoo ponto de ebulição da amostra.
Injetor: Dependerá da amostra a ser analisada.
Profa. Denise Moritz 52
Protocolo de OperaçãoTomar 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
Profa. Denise Moritz 53
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.
54Profa. Denise Moritz
4- FAIXA DE CONCENTRAÇÃO
AA
C
Limite de linearidade
20
É o intervalo de concentração da curva de calibração, compreendido entre o limite de determinação e o ponto onde começa o desvio de linearidade.
Faixa ótimade trabalho
PARÂMETROS DE SELEÇÃO DE UM MÉTODO ANALÍTICO
Adição de Padrões
C
A
0.5 1.0 1.5
0.420
0.440
0.460
XX=0.25
CALIBRAÇÃO DE MÉTODOS INSTRUMENTAIS
Am
Pd Am
Sinal AnalíticoAmostra
Sinal AnalíticoAmostra + Padrão
+
C
A
0.400
0.600
0
0.500
2,5 5 10X
0.200
Calibração convencional ou padrão externo
Adicione 0, 5, 10, 15 ou 20 mL de solução padrão
1 2 3 4 5
Adição de Padrões Internos
Encha cada balão volumétrico até a marca de 50mL e misture
Adição de Padrões
C
A
0.5 1.0 1.5
0.420
0.440
0.460
XX=0.25
Am
Pd Am
Sinal AnalíticoAmostra
Sinal AnalíticoAmostra + Padrão
+
Método do Padrão Interno
Sinal Analítico
Sinal Analítico
Sinal Analítico
Pd
Bco
Pds
Am
- Um padrão interno é uma quantidade conhecida de um composto que é adicionado à amostra- É uma substância diferente do analito
- 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 (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%.22Os 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 Detecção
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.
63Profa. Denise Moritz
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
•Vazão do hidrogênio (chama): 40 mL/min
• Vazão do ar sintético: 380 mL/min
Volume da amosra: 5L
64Profa. Denise 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
Profa. Denise Moritz 65
0 1 2 3 4 5 6 70
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
6,000
7,000
8,000
f(x) = 1292.97142857143 x − 173.733333333333R² = 0.984805470075347
Curva de Calibração
Concentração g/L
Áre
a
6,40
66Profa. Denise Moritz
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
Profa. Denise Moritz 67
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
Profa. Denise Moritz 68
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?
Profa. Denise Moritz 69
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.
Cromatografia Planar
Profa. Denise Moritz 70
TLC – Cromatografia Planar
Cromatografia em Camada Delgada (CCD)